A Nanoscale Mechanism of Fatigue in Ionic Solids

Abstract

We employ periodic density functional theory to explore the effect of cyclic tensile loading on the behavior of alumina in the threshold region of crack formation. We find evidence for nanoscale fatigue when the alumina lattice is subjected to uniaxial tensile loading and unloading and tensile stresses normal to the applied load. It is possible that such atomic-scale fatigue impacts the durability of ceramics, since the highly ionic bonding requires near-ideal lattice structures in order to maintain cohesive strength.

α-Al2O3 nanoslab fracture and fatigue behavior

“…7), is in agreement with earlier DFT results [9]. According to these, such crack healing can be expected for structures with zero or negative lateral pre-strain levels [9], which explains the negligible amount of healing for the pre-expanded structure (Fig. 6).…”

“…The interface strengthening effects, along with splat cracking and void coalescence development mechanisms, of Al 2 O 3 coating application, e.g., for steel substrates [8], have also been studied. However, to the best of our knowledge, no atomistic fatigue studies beyond unit cell a-Al 2 O 3 calculations [9] have been done. Yet, according to an experimental study [10], transgranular fracture, which may be dominant for unstable fracture [3,10], constitutes $30% of fatigue fracture surfaces.…”

Generic principles of crack-healing ceramics

“…High activation energies for solid state diffusion inhibit long range material transport required to heal macro-cracks. Furthermore, crack surface relaxation phenomena triggered by the ionic and covalent bonding character in ceramics inhibit healing of nano-cracks [13]. Work on damage regeneration in brittle ceramic materials therefore mainly referred to high temperature healing processes [14].…”

Особенности кристаллической структуры и магнитных свойств наночастиц Al-=SUB=-2-=/SUB=-O-=SUB=-3-=/SUB=- по данным ЯМР -=SUP=-27-=/SUP=-Аl

“…Таким образом, с точностью до 1% мы не наблюдаем каких либо следов металлического алюминия в этих образ-цах. Возможно, те слои " недоокисленного" алюминия в оксиде, появление которых ранее было предсказано в расчетах из первых принципов [12], значительно от-личаются по кристаллической и электронной структуре от металлического алюминия, либо их относительный объем очень мал.…”

“…Принято считать, что концентрация структурных дефектов мак-симальна вблизи поверхности наночастиц. В последних работах высказывается гипотеза, что в поверхностном слое наночастиц степень окисления алюминия может значительно уменьшаться вплоть до появления метал-лического алюминия [9,12]. Однако до настоящего вре-мени никаких других экспериментальных свидетельств этого необычного пространственного расслоения в ли-тературе не появилось.…”