Numéro |
J. Phys. III France
Volume 3, Numéro 12, December 1993
|
|
---|---|---|
Page(s) | 2189 - 2210 | |
DOI | https://doi.org/10.1051/jp3:1993269 |
J. Phys. III France 3 (1993) 2189-2210
Impurities in silicon carbide ceramics and their role during high temperature creep
M. Backhaus-Ricoult, N. Mozdzierz and P. EvenoLaboratoire de Physique des Matériaux, CNRS, 92195 Meudon, France
(Received 11 May 1992, revised 5 July 1993, accepted 14 September 1993)
Abstract
The high-temperature compressive creep behaviour of hot-pressed silicon carbide
ceramics with different additive packages (boron and carbon or no additive) is
investigated as a function of several parameters: the microstructure, the nature
of the additives and that of the impurities. Additional carbon is present in all the
materials investigated, as graphite precipitates of various size and amount. In materials
densified with addition of boron, large precipitates of B
25C and small amorphous
silica pockets are identified. In the case of materials containing impurities, small
precipitates of FeSi, Fe or Ti
5Si
3 are detected. Creep experiments are conducted
on materials with no additives and on others containing boron and carbon additives,
at temperatures ranging from 1 773 K to 1 973 K and under stresses from 100 to 1 100 MPa.
A comparison of the creep behaviour of the various materials points out to the destructive
effect of carbon precipitates on the creep rate: the stationary creep rate of the material
containing carbon (and boron) additives is by a factor 2.5-5 faster, eventhough its grain
size is much larger! The creep of both investigated materials is described by a power
law with a stress exponent of 1.5 in a low stress range and 3.5-4 in a high stress range.
The corresponding activation energies are 364 kJ/mole and 453 kJ/mole in the low stress
range and about 629 kJ/mole in the high stress range. At low stresses the materials deform
by grain boundary sliding compensated mainly by diffusion along the grain boundaries
and to a lesser extent by limited cavitation, as a result of the barrier role played by grain
boundaries for dislocations. At high stresses the grain boundaries are no longer an obstacle
to dislocation motion, which becomes the dominant deformation mechanism.
Résumé
La microstructure de deux céramiques, SiC sans ajouts et SiC avec bore et carbone,
est étudiée par microscopie électronique à transmission dans le but d'évaluer
l'influence des additifs sur les propriétés mécaniques à haute température. Dans tous
les matériaux, des précipités de graphite de différentes tailles sont observés.
Le carbure de silicium fabriqué avec du bore contient des grands précipités
de B
25C et des petites poches de silice amorphe. A partir de nos observations
de la microstructure, une prévision des propriétés mécaniques des matériaux
est possible. Ces prévisions sont comparées aux résultats de fluage à haute
température. Les matériaux sans ajouts et ceux avec carbone et bore sont déformés
entre 1 773 K et 1 973 K, sous des contraintes de 100 à 1 100 MPa. Le comportement
des deux matériaux suit une loi de puissance avec un exposant de contrainte
de 1,5 pour les faibles contraintes et de 3,5-4 pour les fortes contraintes.
Les valeurs d'énergie d'activation des deux types de matériaux sont
respectivement 364 et 453 kJ/mole dans le domaine de faibles contraintes
et 629 kJ/mole aux fortes contraintes. L'observation de la microstructure
des matériaux déformés montre comme mécanisme principal de fluage le glissement
aux joints de grains accommodé par la diffusion et accompagné par une faible
cavitation due à la non-perméabilité des joints de grains pour les dislocations.
Aux plus fortes contraintes, les joints de grains deviennent plus perméables,
et la déformation par mécanismes de dislocations devient alors prépondérante.
© Les Editions de Physique 1993