Phase transformation in TZP-ZrO2 under local stress and numerical simulation

Abstract

The main topics of this Ph.D thesis are phase transformations of zirconia from the tetragonal phase to the monoclinic phase under local application of loads, and the numerical modelling of this mechanical process using the commercial finite element method (FEM) software ABAQUS. The aim of the experiments and simulations is to determine the critical stress value required of this material for phase transformation to occur. The technique used in the experiments is to combine the Vickers indentation testing and Raman spectroscopy with blue laser light, and then to determine the monoclinic phase content around the Vickers indentation. Different stress values cause different levels of phase transformation and different monoclinic phase fractions. Monoclinic phase could not be detected in the unstressed area at a great distance from the indentation. The numerical simulation was performed using ABAQUS/standard Version 6.5 and 6.7 with 2D and 3D models. The maximum principal stress is particularly chosen to consider the stress field distribution for the contact problem. This thesis concerns the following: Determination of hardness and fracture toughness, influence factors on indentation, depth profile of Raman spectroscopy, top surface and lateral distribution of the monoclinic phase, residual stress analysis, influence factors on stress field, analysis of stress field of Vickers indentation in FEM, determination of critical stress required for phase transformation.

Die Schwerpunkte dieser Dissertation sind Phasenumwandlungen von der tetragonalen in die monokline Phase in ZrO2 unter lokaler mechanischer Belastung sowie die numerische Modellierung der mechanischen Prozesse unter Zuhilfenahme kommerzieller FEM-Tools – in diesem Fall ABAQUS. Ziel der Kombination aus Experiment und Simulation war es die kritischen Spannungswerte, ab welchen sich die Phasenumwandlungen ereignen, zu ermitteln. Die Realisierung der Experimente bestand darin um die mittels Vickers-Härteeindruckverfahrens produzierten Eindrücke Mikro-Raman-Spektroskopie zu betreiben und auf diesem Wege den Anteil der monoklinen Phase um den Eindruck zu ermitteln. Unterschiedliche Spannungswerte führen zu unterschiedlichem Ausmaß der Phasenumwandlungen und zu unterschiedlichen monoklinen Phasenanteilen. In unbelasteten Bereichen mit großer Entfernung zum Eindruck konnte kein monokliner Phasengehalt nachgewiesen werden. Die numerische Simulation wurde gemäß der Symmetrie mit zwei- und drei-dimensionalen Modellen unter Verwendung von ABAQUS/standard version 6.5 durchgeführt. Die maximale Grundspannung ist speziell ausgewählt um die Spannungsfeldverteilung für das Kontaktproblem zu berücksichtigen. Diese Arbeit befasst sich mit folgenden Aspekten: Bestimmung der Härte und Bruchzähigkeit, Einflussfaktoren auf das Eindruck¬verhalten, Tiefenprofil mittels Raman-Spektroskopie, Oberflächen- und laterale Verteilung der monoklinen Phase, Restspannungsanalyse, Einflussfaktoren auf das Spannungsfeld, Analyse der Spannungsfelder der Eindrücke mittels FEM, Bestimmung der kritischen Spannungswerte für die Phasenumwandlung.