Einfluss externer Spannungen auf Phasenumwandlungen in tetragonalem Zirconiumdioxid

Abstract

Dank ihrer herausragenden mechanischen und vorteilhaften ästhetischen Eigenschaften, sowie ihrer exzellenten Biokompatibilität zählen Keramiken auf der Basis von tetragonalem Zirconiumdioxid heute zu den wichtigsten oxidkeramischen Werkstoffen in technischen und medizinischen Anwendungen. Die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die hohe Bruchzähigkeit, gehen auf den Mechanismus der Umwandlungsverstärkung zurück, welcher auf der spannungsinduzierten Phasenumwandlung metastabiler tetragonaler Partikel in die stabile monokline Phase im Spannungsfeld um Rissspitzen basiert. In feuchten oder wässrigen Umgebungen ist jedoch auch ihre Lebensdauer durch die Phasenumwandlung geprägt, da diese auch durch chemische Reaktion mit Wasser induziert werden kann und in der Folge zur Degradation der mechanischen Eigenschaften führt. In dieser Arbeit wurde das Phasenumwandlungsverhalten von verschiedenen Y2O3-stabilisierten ZrO2-Keramiken zunächst unter dem Einfluss von hydrothermaler Alterung untersucht. Weiter wurden in-situ Studien mittels Röntgendiffraktometrie unter uniaxialer Spannung bei Raumtemperatur durchgeführt, sowie ex-situ Untersuchungen unter dem kombinierten Einfluss von Wasser und uniaxialer Spannung von bis zu 400 MPa bei 80 °C. Zusätzlich dazu wurden zyklisch in trockener und wässriger Umgebung belastete ZrO2-Proben analysiert, um Erkenntnisse über den Einfluss der Phasenumwandlung auf das tribologische Verhalten zu gewinnen. Unter Hydrothermalalterung zeigten alle untersuchten ZrO2-Keramiken das bekannte Umwandlungsverhalten, welches sich durch lineares Schichtwachstum einer umgewandelten Zone von der Oberfläche in das Material hinein auszeichnet. Die Kinetik der Startphase scheint von der Art und Weise beeinflusst zu sein, wie die Oberflächen vor der Auslagerung im Autoklaven bearbeitet wurden. In den Biegeversuchen mit in-situ Phasenanalyse konnte keine Umwandlung in die monokline Phase vor Erreichen der Biegefestigkeit der 3Y-TZP-Materialien festgestellt werden. Daraus kann geschlossen werden, dass die kritische Zugspannung zur Bewerkstelligung der Phasenumwandlung in diesen Materialien höher ist als ihre Biegefestigkeit. Unter dem kombinierten Einfluss von uniaxialer Spannung und heißem Wasser konnte kein eindeutiger Zusammenhang zwischen Art und Höhe der angelegten, externen Spannungen und der Degradationsrate festgestellt werden. Zwar deuten leicht erhöhte Umwandlungsraten auf den unter Zugbelastung stehenden Flächen einen Einfluss von Zugspannungen auf die Phasenumwandlung an, die Differenz der monoklinen Phasenanteile zwischen den verschiedenen Belastungszuständen war aber insgesamt nur äußerst gering und überstieg kaum die normalen statistischen Schwankungen. Die Untersuchungen an zyklisch mit einem sphärischen Indenter belasteten 3Y-TZP-Proben ergab, dass die t-m Phasenumwandlung stark mit Reibverschleiß und daher mit Scherspannungen assoziiert ist. In Bereichen hoher Druck- und Zugbelastung konnte dagegen auch nach hohen Zyklenzahlen keine Phasenumwandlung festgestellt werden. Aus den Ergebnissen dieser Arbeit ergibt sich als Folge für die Anwendung von Keramiken aus tetragonalem ZrO2, dass vornehmlich Schubspannungen als kritischer Faktor für die Degradation berücksichtigt werden müssen. Zug- und Druckspannungen stellten sich in den durchgeführten Experimenten dagegen als weniger kritisch heraus und beeinträchtigen die Lebensdauer in feuchten Umgebungen wahrscheinlich nur unwesentlich.

Due to their exceptional mechanical and aesthetical properties as well as excellent biocompatibility, ceramics based on tetragonal zirconia belong to the most important oxide ceramic materials for both technical and medical applications. Their high strength and toughness is achieved by a toughening mechanism based on the transformation of tetragonal grains in the stress field surrounding cracks. However, in moist environments the transformation may also be triggered by chemical action of water on the surface, leading to a degradation of mechanical properties and thus limiting the life time of zirconia parts. In the course of this study, the phase transformation behaviour of several yttria-stabilised zirconia ceramics was at first investigated by means of hydrothermal aging. In order to study the phase transformation under pure tensile stress, bending tests with in-situ phase analysis by X-ray diffraction were conducted at room temperature. Furthermore, the interaction of hydrothermal degradation and externally applied stress was investigated in a specially designed experimental setup. Finally, the impact of phase transformation on tribological processes was studied by performing phase analysis on zirconia samples after cyclic loading in dry and moist environment Under hydrothermal aging all the ceramics studied showed the well-known phase transformation behaviour, which is characterised by linear growth of a transformed layer from the surface into the bulk material. The kinetics in the starting phase seem to depend on the sample preparation procedure. No phase transformation was found to take place under uniaxial loading at room temperature before failure of the samples occurred. From this observation it can be concluded that the critical tensile stress to induce phase transformation is higher than the bending strength for the studied materials. In experiments utilising both hydrothermal aging and uniaxial load, no clear correlation was found between type and level of the applied stress and the degradation rate of zirconia. Slightly higher transformation rates on the tensile faces seem to indicate an accelerating effect of tensile stress, however the differences in monoclinic phase hardly exceeded statistical variation. The analysis of zirconia samples after cyclic loading with spherical indenter revealed a strong relation between phase transformation and fretting damage. Therefore, it can be concluded that shear stresses rather than tensile or compressive stresses trigger the phase transformation. In summary, the results of this work show that shear stresses have to be considered as a critical factor with regard to the degradation and lifetime of zirconia parts in typical application scenarios. Tensile and compressive stresses on the other hand were found to be less critical.