Wpływ udziału objętościowego TiB2 na mikrostrukturę i właściwości mechaniczne kompozytu ziarnistego SiC-TiB2

• Autorzy: Górny G. , Grabowski G. , Rączka M. , Rutkowski P. , Stobierski L.

Warianty tytułu

EN

The effect of TiB2 volume fraction on microstructure and mechanical properties of SiC-TiB2 particulate composite

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy przedstawiono wyniki badań wpływu udziału objętościowego zdyspergowanej fazy TiB2 na mikrostrukturę i właściwości mechaniczne kompozytu SiC-TiB2. Badane materiały to ceramiczne kompozyty ziarniste o osnowie z węglika krzemu SiC, zawierające od 5 do 20% obj. cząstek zdyspergowanej fazy TiB2 oraz spiek SiC. Kompozyty otrzymano z mieszaniny proszków SiC i TiB2 oraz aktywatorów spiekania (boru i węgla) metodą prasowania na gorąco pod ciśnieniem 25 MPa, w temperaturze 2150°C przez 60 minut, w atmosferze argonu. Spiek SiC otrzymano w takich samych warunkach, używając takiego samego proszku SiC i aktywatorów spiekania jak w przypadku kompozytów. Obserwacje mikrostruktury badanych kompozytów prowadzono na powierzchni zgładów kompozytów za pomocą elektronowego mikroskopu skaningowego (SEM). Przeprowadzono komputerowo wspomaganą ilościową analizę mikrostruktury otrzymanych kompozytów i wyznaczono wartości wybranych parametrów stereologicznych opisujących morfologię i rozmieszczenie cząstek TiB2 w osnowie kompozytu. Wykonano pomiary następujących właściwości kompozytów i spieku SiC: gęstości, modułu Younga, twardości Vickersa, wytrzymałości na zginanie i odporności na kruche pękanie. Analiza wyników badań wskazuje na wpływ wzrostu udziału objętościowego cząstek TiB2 na ich wielkość i wzajemną odległość w osnowie kompozytu oraz na wzrost wytrzymałości na zginanie i odporności na kruche pękanie kompozytu SiC-TiB2. Zmiany mikrostrukturalne powodują zmiany stanu naprężeń wewnętrznych w kompozycie i w ten sposób wpływają na przebieg procesów powodujących wzrost odporności na kruche pękanie kompozytu.

EN

The paper presents the results of research on the influence of dispersed TiB2 phase volume fraction changes on the microstructure and mechanical properties of SiC-TiB2 composites. The test materials are ceramic particulate composites with a silicon carbide matrix containing from 5 to 20 volume percent TiB2 dispersed particles. The composites were prepared from a mix of SiC and TiB2 powders and sintering activators (boron and carbon) by hot-pressing at a pressure of 25 MPa and at a temperature of 2150°C for 60 minutes in an argon environment. Microstructure observations were performed on the images of polished crosssections surfaces of composites obtained by scanning electron microscopy (SEM). Computer-aided quantitative analysis of the composites microstructure was carried out and the values of selected stereological parameters describing the morphology and distribution of the TiB2 particles were determined. The following properties of the composites were measured: density, Young’s modulus, Vickers hardness, flexural strength and fracture toughness. Analysis of the research results shows the effect of an increase in volume fractions of TiB2 particles on their size and mutual distance in the composite matrix and increase in the flexural strength and fracture toughness of the SiC-TiB2 composite. Microstructural changes cause changes in the state of internal stresses in the composite and thus influence on the processes causing the increase of the fracture toughness of the composite.

Słowa kluczowe

PL

kompozyt ziarnisty SiC-TiB2; mikrostruktura; właściwości mechaniczne

EN

SiC-TiB2 particulate composite; microstructure; mechanical properties

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2014
• Tom: Vol. 35, nr 4
• Strony: 308--315
• Opis fizyczny: Bibliogr. 30 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Górny G.

• Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Katedra Ceramiki i Materiałów Ogniotrwałych, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki

autor

Grabowski G.

• Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Katedra Ceramiki i Materiałów Ogniotrwałych, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki

autor

Rączka M.

• Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Katedra Ceramiki i Materiałów Ogniotrwałych, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki

autor

Rutkowski P.

• Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Katedra Ceramiki i Materiałów Ogniotrwałych, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki

autor

Stobierski L.

• Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Katedra Ceramiki i Materiałów Ogniotrwałych, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki

Bibliografia

• [1] Wysiecki M.: Nowoczesne materiały narzędziowe stosowane w obróbce skrawaniem. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa (1997).
• [2] Davidge R. W., Green T. J.: The strength of two-phase ceramic/glass materials. J. Mater. Sci. 3 (1968) 629÷634.
• [3] Yasuda K. K., Sekigguchi Y., Tatami J., Matsuo Y.: Derivation of crack path in particle-dispersed ceramic composites with finite element method. Proc. of the 2 nd Int. Symp. on the Science of Engineering Ceramics, CSJ Series – Publication of the Ceramic Society of Japan, Trans Tech Publication, Switzerland (1999) 577÷580.
• [4] Jiang D. L., She J. H.: Silicon carbide based ceramics: a review. Key Engineering Materials 108-110 (1995) 67÷84.
• [5] McMurty C. H., Boecker W. D. G., Seshadri S. G., Zanghi J. S., Garnier J.: Microstructure and materials properties of SiC-TiB2 particulate composites. Am. Ceram. Soc. Bull. 66 (1987) 325÷329.
• [6] Taya M., Hayashi S., Kobayashi A. S., Yoon H. S.: Toughening of a particulate reinforced ceramic-matrix composite by thermal residual stress. J. Am. Ceram. Soc. 73 (1990) 1382÷1391.
• [7] McMurty C. H., Boecker W. D. G., Seshadri S. G., Zanghi J. S., Garnier J.: Microstructure and materials properties of SiC-TiB2 particulate composites. Am. Ceram. Soc. Bull. 66 (1987) 325÷329.
• [8] Cho K. S., Kim Y. W., Choi H. J., Lee J. G.: SiC-TiC and SiC-TiB2 composites densified by liguid-phase sintering. J. Mater. Sci. 31 (1996) 6223÷6228.
• [9] Li Z., Bradt R. C.: Thermal expansion of the hexagonal (6H) polytype of silicon nitride. J. Am. Ceram. Soc. 69 (1986) 863÷866.
• [10] Blanc C., Thevenot, Goeuriot D.: Microstructural and mechanical characterization of SiC-submicron TiB2 composites. J. of the European Ceram. Soc. 19 (1999) 561÷569.
• [11] Munro R. G.: Material properties of titanium diboride. J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol. 105 (2000) 709÷720.
• [12] Mroz C.: Titanium diboride. Am. Ceram. Soc. Bull. 75 (1995) 158÷159.
• [13] Munro R. G.: Material properties of a sintered alpha-SiC. J. of Physical and Chemical Reference Data 26 (1997) 1195÷1203.
• [14] Grabowski G.: Wpływ mikrostruktury na rozkład naprężeń cieplnych i odporność na kruche pękanie w kompozytach SiC-TiB2. Materiały ceramiczne 63 (2011) 454÷458.
• [15] Tani T.: Processing, microstructure and properties of in-situ reinforced SiC matrix composites. Composites: Part A 30 (1999) 419÷423.
• [16] Ohya Y., Hoffmann M., Petzow G.: Sintering of in-situ synthesized SiC-TiB2 composites with improved fracture toughness. J. Am. Ceram. Soc. 75 (1992) 2479÷2483.
• [17] Kuo D.-H., Kriven W. M.: Mechanical behaviour and microstructure of SiC and SiC/TiB2 ceramics. J. of the European Ceram. Soc. 18 (1998) 51÷57.
• [18] Bucevac D., Krstic V.: Microstructure-mechanical properties relations in SiC-TiB2 composite. Materials Chemistry and Physics 133 (2012) 197÷204.
• [19] Pampuch R.: Materiały ceramiczne: zarys nauki o materiałach nieorganiczno-niemetalicznych. Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa (1988).
• [20] Chermant J.-L.: Characterization of the microstructure of ceramics by image analysis. Ceramics International 12 (1986) 67÷80.
• [21] Warren R., Sarin V. K.: Particulate ceramic-matrix composites. Ceramic-matrix composites. Wyd. Warren R., Blackie and Son Ltd., Glasgow and London (1992).
• [22] Górny G., Rączka M., Rutkowski P., Stobierski L.: Wpływ rozdrobnienia proszku fazy osnowy na mikrostrukturę i właściwości mechaniczne kompozytu ziarnistego SiC-TiB2. Inżynieria Materiałowa 35 (2014) 245÷251.
• [23] Ryś J.: Stereologia materiałów. Fotobit Design, Kraków (1995).
• [24] Kurzydłowski K. J., Ralph B.: The quantitative description of the microstructure of materials. CRC Press, New York (1995).
• [25] Wojnar L.: Image analysis. Application in Materials Engineering. CrC Press, New York (1999).
• [26] Rożniatowski K.: Metody charakteryzowania niejednorodności rozmieszczenia elementów strukturalnych w materiałach wielofazowych. Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej – Inżynieria Materiałowa, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 22 (2008).
• [27] Yet-Ming Ch., Birnie D. B. III, Kingery W. D.: Physical ceramics. Principles for ceramic science and engineering. John Wiley & Sons, New York (1997).
• [28] Cho K. S., Choi H. J., Lee J. G., Kim Y. W.: In situ enhancement of toughness of SiC-TiB2 composites. J. Mater. Sci. 33 (1998) 211÷214.
• [29] Liu D., Winn J.: Microstresses in particulate-reinforced brittle composites. J. Mater. Sci. 36 (2001) 3487÷3495.
• [30] Grabowski G., Stobierski L.: Wpływ naprężeń cieplnych na właściwości mechaniczne ziarnistych kompozytów ceramicznych. Ceramika 91 (2005) 627÷634.