Wpływ rodzaju wtrąceń na stan naprężeń, wytrzymałość i niezawodność kompozytów ziarnistych na osnowie tlenku glinu

• Autorzy: Pędzich Z. , Grabowski G.

Warianty tytułu

EN

Influence of type of inclusions on stress state, strength and reliability of particulate composites with alumina matrix

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Opisano różnice w wybranych właściwościach mechanicznych kompozytów ziarnistych na osnowie tlenku glinu (odmiana [alfa], korund), zróżnicowanych ze względu na rozdaj zastosowanych wtrąceń. Badano materiały uzyskane przez dodanie do korundowej osnowy 10% obj. wtrąceń dwutlenku cyrkonu lub węglika wolframu. Porównano mikrostruktury obu wytworzonych kompozytów. Stwierdzono, że morfologia wtrąceń ZrO2 i WC nie jest identyczna - różne są powstające agregaty i wielkość pojedynczych ziaren wtrąceń. Obliczono dla obu typów materiału kompozytowego stan naprężeń resztkowych wywołanych niedopasowaniem współczynników rozszerzalności cieplnej faz składowych. Metodą elementów skończonych określono rozkład naprężeń głównych oraz naprężeń von Missesa w kompozytach. W kompozycie Al2O3/ZrO2 osnowa jest w stanie naprężeń ściskających, a w kompozycie Al2O3/WC osnowa jest w stanie naprężeń rozciągających. Wartości tych naprężeń lokalnie osiągają wartości powyżej 1,5 GPa. Potwierdzono poprzez obserwacje mikrostrukturalne, że istotne różnice w stanie naprężeń w obu materiałach wpływają na sposób rozprzestrzeniania się pęknięć w tworzywach. W kompozycie Al2O3/WC pękanie następuje na granicy międzyfazowej, natomiast w kompozycie Al2O3/ZrO2 droga pęknięcia biegnie poprzez fazę korundową. Wpływa to istotnie na zmierzone parametry wytrzymałościowe i niezawodność kompozytów. W pracy określono wytrzymałość na zginanie i współczynnik Weibulla jako miarę niezawodności dla wytworzonych kompozytów. Wartości te porównano z właściwościami czystej osnowy korundowej. Potwierdzono, że wprowadzenie do osnowy naprężeń ściskających jest elementem wzmacniającym tworzywo. W przypadku kompozytu Al2O3/ZrO2 stwierdzono spektakularny wzrost wytrzymałości na zginanie z 600 do 1200 MPa. Stwierdzono, że zmierzony wzrost wartości modułu Weibulla kompozytów w stosunku do osnowy jest efektem zmniejszenia rozmiarów defektów krytycznych poprzez zmniejszenie wielkości ziaren w spiekach.

EN

The paper describes differences in selected mechanical properties of particulate composites with alumina matrix with different type of inclusions. Materials containing 10 vol. % of zirconia or tungsten carbide were investigated. Microstructures of both composites were compared. I was stated that morphologies of zirconia and tungsten carbide inclusions were not the same. They differ in created aggregates and the size of single inclusion grains. For both types of composite residual stress state caused by thermal expansion coefficients mismatch of constituent phases was calculated. By the finite elements method distribution of the main stresses and the von Misses stresses were calculated. In Al2O3/ZrO2 composite the matrix is under compres-sive stresses and in Al2O3/WC composite the matrix is under tensile stresses. Values of these stresses locally reached even over 1.5 GPa. It was confirmed by microstructural observation that essential differences in the stress state in both compared materials influenced decisively the way of cracking in the composite. In Al2O3/WC composite cracks went along the interphase boundary, while in Al2O3/ZrO2 composite crack went through alumina phase. It influenced essentially measured mechanical properties (bending strength) and reliability. In the paper the bending strength and the Weibull modulus as a reliability measure of composites, were determined. Obtained results were compared to pure alumina properties. It was confirmed that incorporation of compressive stresses into the matrix is the strengthening factor for the material. In Al2O3/ZrO2 composite case, it was stated the spectacular bending strength increased from 600 to 1200 MPa. It was also stated that the increase of the Weibuill modulus value observed for composites was an effect of decrease of critical flaw size by the decreasing of the grains size in sinters.

Słowa kluczowe

PL

kompozyt; tlenek glinu; dwutlenek cyrkonu; węglik wolframu; naprężenie resztkowe; niezawodność

EN

composite; alumina; zirconia; tungsten carbide; residual stress; reliability

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Kompozyty
• Rocznik: 2009
• Tom: R. 9, nr 2
• Strony: 149--153
• Opis fizyczny: Bibliogr. 10 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Pędzich Z.

autor

Grabowski G.

• Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Katedra Ceramiki Specjalnej, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków,

Bibliografia

• [1] Tuan W.H., Chen R.Z., Wang T.C., Cheng C.H., Kuo P.S., Mechanical properties of Al2O3/ZrO2 composites, Jour. Europ. Ceram. Soc. 2002, 22 (16), 2827-2833.
• [2] Pérez-Rigueiro J., Pastor J.Y., Liorca J., Elices M., Miranzo P., Moya J.S., Revisiting the mechanical behavior of alumina/silicon carbide nanocomposites, Acta Materialia 1998, 46(15), 5399-5411.
• [3] Kim S.-H., Kim Y.-H., Sekino T., Niihara K., Lee S.W., Tribological Properties of Hot-Pressed Alumina-silicon carbide nanocomposite, Advances in Technology of Materials and Materials Processing 2004, 6(1), 17-22.
• [4] Galusek D, Sedlacek J., Svancarek P., Riedel R., Abrasive wear of Al2O3-SiC and Al2O3-(SiC)-C composites with micrometer- and submicrometer-sized alumina matrix grains, Jour. Europ. Ceram. Soc. 2007, 27 (2-3), 1237-1245.
• [5] Pyda W., Brzezińska-Miecznik J., Bucko M.M., Pędzich Z., Pyda A., 3Y-TZP/Al2O3 composites derived from zirconia nanopowders containing alumina particles incorporated in the physical or chemical way, Glass Phisics and Chemistry (fizika i Khimya Stekla) 2005, 31(4), 554-561.
• [6] Grabowski G., Pędzich Z., Residual stresses in particulate composites with alumina and zirconia matrices, Jour. Europ. Ceram. Soc. 2007, 27(2-3), 287-1292.
• [7] Pędzich Z., Grabowski G., Naprężenia resztkowe w kompozytach ziarnistych na osnowach tlenku glinu i tlenku cyrkonu, Kompozyty(Composites) 2006, 6, 2, 76-80.
• [8] DIN 51 110-3.
• [9] Pro/Mechanica - computer program user book (documentation).
• [10] Pędzich Z., Grabowski G., Maziarz W., Wybrane kompozyty ceramiczne o fazach ciągłych - analiza stanu naprężeń, Materiały Ceramiczne 2008, 60(4).