A Method to Compare the Thermal Shock Resistances and the Severity of Quenching Conditions of Brittle Solids

(Received 6 March 1996, revised 1 October 1996, accepted 16 December 1996)

Abstract
The thermal shock behavior and resistance of brittle materials are mostly investigated through the determination of a critical quenching temperature difference, . This technique, however, needs a large number of, almost, identical samples and is thus poorly adapted to products being in the stage of research and development. In order to overcome this difficulty, the indentation technique has been used in this work. The residual contact stresses, created during indentation, permit a stage of stable extension of the indentation cracks under the action of further stressing. The relative increase of radial crack length as a function of Vickers indentation load, c/c₀ vs. P, is taken as a criterion, or indicator, of relative thermal shock resistance, or of the severities of quenching conditions. This is validated, first in quenching materials whose empirical ranking is well established, and second in varying parameters of the Biot number. Finally, are two batches of a functional ceramic compared. The proposed criterion reflects the competition between the toughness of the quenched material, as an intrinsic property, and the thermal transient stresses, as a consequence of the physical properties of both the quenched sample and the quenching medium. Possibilities for extending the developed approach towards a more accurate description of quenching phenomena and stress states such as to refine theoretical models are discussed.

Résumé
La détermination d'une différence de température critique, , est la technique la plus souvent utilisée dans l'étude de la résistance et du comportement au choc thermique des matériaux fragiles. Elle nécessite cependant un grand nombre d'échantillons, presque identiques et est donc peu adaptée aux produits dans le stade de recherche et développement. Afin de lever cet obstacle, la méthode de l'indentation de dureté est utilisée dans ce travail. L'indentation crée des contraintes résiduelles de contact qui permettent une extension stable des fissures d'indentation pendant une sollicitation ultérieure. L'accroissement relatif de la longueur des fissures radiales en fonction de la charge d'indentation Vickers, c/c₀ vs. P, est ainsi proposé comme critère, ou indicateur, de la résistance relative au choc thermique ou de la sévérité des conditions de trempe. Ce critère est validé, premièrement en trempant des matériaux dont la résistance relative est établie et deuxièmement, en faisant varier des paramètres du nombre de Biot. Finalement, nous comparons deux céramiques fonctionnelles. Le critère proposé rend compte de la résistance à la fissuration du matériau, en tant que propriété intrinsèque, et de la contrainte thermique transitoire résultant des propriétés physiques à la fois de l'échantillon et du milieu de trempe. Nous évoquons finalement les possibilités d'utiliser cette démarche aux fins d'une description précise du phénomène de trempe et des contraintes qui en résultent, pour affiner les modèles existants.