The effect of residual stress on mechanical resistance of ZrSiO4/Al2O3 laminates

Layered ceramics were obtained by sequential slip casting of suspensions containing different proportions of zircon (Z) and alumina (A) as follow; 60Z40A, 40Z60A, 50Z50A and 80Z20A. Three laminar samples were fabricated using five thick layers and four thin layers, being the composition 60Z40A used for the thick layers and 40Z60A, 50Z50A and 80Z20A for the thin layers. From those thick/thin layers configurations, the residual stresses were: −46.27MPa/+173.53MPa, −11.25MPa/+42.19MPa and +9.70MPa/−36.38MPa for 60Z40A/40Z60A, 60Z40A/50Z50A and 60Z40A/80Z20A, respectively. The CTE (thermal expansion coefficient) was determined using monolithic samples of each composition; all laminar components were characterized by SEM and by the determination of the modulus of rupture. The result showed that the modulus of rupture were higher than the properties obtained for a monolithic 60Z40A sample, being 218% and 182% higher for laminar components configuration of 60Z40A/50Z50Aand 60Z40A/80Z20A, respectively. Also, due to high strain mismatch the laminar component 60Z40A/40Z60A showed lower mechanical properties than the 60Z40A monolithic sample. Se fabricaron materiales laminares mediante colado secuencial de suspensiones sobre molde de escayola, y las suspensiones se formularon con diferentes porcentajes de alúmina (A) y circón (Z) con el siguiente acomodo: 60Z40A, 40Z60A, 50Z50A y 80Z20A, siendo 60Z40A la composición utilizada como capa gruesa y 40Z60A, 50Z50A y 80Z20A como capas delgadas. Para las configuraciones de capa gruesa/delgada, las tensiones residuales fueron: −46,27MPa/+173,53MPa, −11,25MPa/+42,19MPa y +9,70MPa/−36,38MPa por 60Z40A/40Z60A, 60Z40A/50Z50A y 60Z40A/80Z20A, respectivamente. El coeficiente de expansión térmico se determinó utilizando muestras monolíticas de cada composición; todos los componentes laminares se caracterizaron por microscopia electrónica de barrido y se determinó su módulo de ruptura. Los resultados muestran que las propiedades mecánicas son mayores que las propiedades obtenidas para la muestra monolítica 60Z40A, incrementando un 218 y un 182% la configuración de componentes laminares de 60Z40A/50Z50A y 60Z40A/80Z20A, respectivamente. Por otra parte, debido a la presencia de tensiones residuales altas, el componente laminar 60Z40A/40Z60A mostró una disminución en las propiedades mecánicas respecto a la muestra monolítica 60Z40A.