Cyclic fatigue-crack propagation along ceramic/metal interfaces

The integrity of ceramic/metal joints is investigated under mechanically applied cyclic stresses using double-cantilever-beam, and compact-tension, sandwich test specimens. Specifically, fatigue-crack propagation rates for interfacial cracks are characterized over a range of velocities from 10 -9 to 10 -4 m/s for glass/copper and alumina/aluminum-alloy interfaces tested in moist air. Compared to corresponding (stress-corrosion) results under sustained loading, it is found that true interfacial cracks in glass-copper joints are significantly accelerated under cyclic loads. In addition, crack extension force (G) thresholds for interfacial crack growth under cyclic loads are some 46% lower than under sustained loads and are typically over six times lower than the interface toughness (Go). For the alumina/aluminum-alloy system, conversely, fracture never occurs in the interface; under monotonic loading cracking progresses near the interface in the ceramic layer whereas under cyclic loading failure may occur either in the ceramic or in the metal. Based on a comparison with fatigue-crack growth data in bulk alumina and bulk aluminum alloys, it is found that near interfacial crack-growth rates in the metal are much lower than those of the bulk ceramic and show a far higher dependency on the range of G than behavior in the bulk metal. Rfsumf----L'intfgrit6 des jonctions ma sous charge monotone; la fissuration progresse au voisinage de l'interface dans la couche de cframique, alors que sous charge cyclique, il peut y avoir rupture soit dans la cframique soit dans le mftal. En comparant les rfsultats concernant la croissance des fissures de fatigue dans de l'alumine massive d'une part et dans des alliages d'aluminium massifs de l'autre, on trouve que les vitesses de croissance des fissures proches de l'interface, dans le mftal, sont bien inffrieures ~i celles qu'on mesure dans la cframique massive, et qu'elles d6pendent bien plus de la gamme de G que dans le cas du mftal massif. Zusammenfassung--Die Best~indigkeit von Keramik-Metall-Verbindungen wird unter/iuBerer zyklischer Spannung im Umlauf-Biegeversuch und im Zugversuch an Sandwich-Proben untersucht. Insbesondere werden Ausbreitungsraten der Ermiidungsrisse an der Glas/Kupfer- und Aluminiumoxid/ Aluminiumlegierungs-Grenzflfiche im Bereich zwischen 10 -9 bis l0 -4 m/s in feuchter Luft gemessen. Im Vergleich zu entsprechenden (Spannungs-Korrosions-) Ergebnissen unter konstanter Spannung ergibt sich, dab die echten Grenzflfichenrisse in den Glas-Kupfer-Grenzfl~ichen unter zyklischer Spannung betrfichtlich schneller sind. AuBerdem ist die Schwelle der Ril3ausbreitungskraft G ffir Wachstum der Grenzfl/ichenrisse unter zyklischer Belastung etwa 46% niedriger als unter konstanter Last und typischw- erweise sechsmal geringer als die Grenzflfichenz~ihigkeit G c. Dagegen tritt bei dem System Aluminiu- moxid/Aluminiumlegierung Bruch niemals in der Grenzflfiche auf; unter monotoner Belastung schreitet die Ril3bildung in der Niihe der GRenzflfiche fort, dagegen unter zyklischer Belastung entweder in der Keramik oder in dem Metall. Aus einem Vergleich mit dem RiBverhalten im Volumen yon Aluminiumoxid oder der Legierung folgt, dab die Wachstumsraten der Risse in der N/ihe der Grenzfl/iche im Metall viel geringer sind als in Keramikvolumen und weitaus stiirker abh~ingen yon dem Bereich yon G als dem Verhalten im Metallvolumen.