Analysis of Toughening of Magnesia Partially Stabilized Zirconia, Due to Dilatational Transformation

-An analysis of toughening of magnesia partially stabilized zirconia (Mg-PSZ) due to dilatational transformation is presented in this paper. Transformation toughening of Mg-PSZ is attributed to the stress-induced phase transformation of tetragonal zirconia to monoclinic structure in the neighborhood of a macro-crack tip. A rate (incremental) type constitutive model is developed, using a micromechanics approach, wherein the interaction between a transformed zirconia particle and the rest of the material is considered. Problems of stationary and stably propagating cracks are analyzed, using a finite element method. The results of finite element analysis are compared to those of an experimental study by Perry et al. In the comparison, it is found that the displacement field and toughness enhancement during stable crack propagation, predicted by the finite element analysis, are very analogous to those obtained in the experimental study. Moreover, the present constitutive model is capable of revealing detailed information, such as the distribution of transformed zirconia in the wake zone. Rrsmnr--Dans cet article on prrsente une analyse de la trnacit6 d'une zircone partiellement stabilisre par la magnrsie (Mg-PSZ) ~i la suite d'une transformation par dilatation. La trnacit6 de transformation du Mg-PSZ est attribure fi la transformation de phase, induite par la contrainte, de la zircone quadratique une structure monoclinique au voisinage de l'extrrmit6 d'une marofissure. On drveloppe un modrle de vitesse (incrrmental) qui utilise une approche micromrcanique oti l'on considrre l'interaction entre une particule de zircone transformre et le reste du matrriau. Les problrmes de fissures stationnaires et de fissures se propageant d'une manirre stable sont analysrs en utilisant une mrthode d'616ments finis. Les rrsultats de l'analyse par 616ments finis sont comparrs ~. ceux obtenus dans une 6tude exprrimentale par Perry et al. Cette comparaison montre que les valeurs du champ de drplacement et l'augmentation de trnacit6 pendant la propagation d'une fissure stable, prrvus par l'analyse par 616ments finis, sont trrs semblables ~ ceux obtenus dans l'rtude exprrimentale. De plus, le prrsent moddle est capable de fournir une information d&aillre telle que la rrpartition de la zircone transformre dans le sillage de la fissure. Zusammenfassung--Die Erh6hung der Z/ihigkeit von MgO mit teilstabilisiertem Zirkonoxid (Mg-PSZ) durch Dilatations-Umwandlungen wird analysiert. Diese Z~higkeitserh6hung wird der in der Umgebung der Spitze eines Makrorisses ablaufenden spannungsinduzierten Phasenumwandlung des tetragonalen Zirkonoxids in die monokline Struktur zugeschrieben. Mit einer mikromechanischen N/iherung wird ein auf der Geschwindigkeit aufbauendes Grundmodell entwickelt, welches die Wechselwirkung zwischen einem umgewandelten Zirkonoxidteilchen und dem restlichen Material betrachtet. Fragen zu station/Jr und stabil fortschreitenden Rissen werden mit einer Finit-Element-Methode behandelt. Die Ergebnisse dieser Finit-Element-Betrachtung werden verglichen mit den experimentellen Ergebnissen von Perry et al. Danach sind die Finit-Element-Voraussagen fiber Verschiebungsfeld und Verbesserung der Z/ihigkeit w/ihrend des stabilen RiBfortschritts dem Experiment analog sind. Darfiber hinaus kann das vorgelegte Modell Einzelheiten, wie etwa die Verteilung des umgewandelten Zirkonoxids nach Ril3durchgang, beschreiben.