Wybrane właściwości mechaniczne kompozytów warstwowych Al2O3/Mo

• Autorzy: Matysiak H. , Olszyna A. , Strzeszewski J.

Warianty tytułu

EN

Mechanical properties of multilayered composites Al2O3/Mo

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Badano kompozyty warstwowe typu .../Al2O3/Al2O3+x%obj.Mo/AI2O3/... wytworzone metodą „type casting" (odlewania folii ceramicznych). Udział objętościowy molibdenu w poszczególnych warstwach kompozytów wynosił (4, 9, 14, 21, 28)%. Przeprowadzono następujące badania; pomiar gęstości i porowatości (metodą Archimedesa), wyznaczono moduł Younga (metodą ultradźwiękową), wytrzymałości na zginanie (trójpunktowe zginanie belek) i odporności na pękanie (trójpunktowe zginanie belek z karbem). Ponadto dokonano analizy stanu naprężeń resztkowych w warstwach kompozytu przy zastosowaniu spektroskopu Kamana. Jakościowa analiza rentgenowska ujawniła obecność w badanych kompozytach następujących faz: alfa-Al2O3, Mo i Mo2C. Uzyskane spieki badanych kompozytów warstwowych cechowały się stosunkowo dobrą gęstością względną (porowatość Pc nie przekraczała 10%). Wraz ze wzrostem udziału objętościowego molibdenu w kompozytach zwiększały się liniowo ich ciężary właściwe, malały natomiast ich moduły Younga E. Wytrzymałość na zginanie betab (819 MPa), współczynnik intensywności naprężeń KIc (7,75 MPam"2) i energia pękania gamma (102 J/m2) osiągają wartość ekstremalną dla kompozytu mającego 14% obj. Mo w warstwie. Wytrzymałość oj, i odporność na kruche pękanie tego kompozytu jest przeszło 2-krotnie, a energia pękania przeszło 6-krotnie wyższa w porównaniu z Al2O3. Na podstawie dokonanych pomiarów naprężeń resztkowych przy zastosowaniu spektroskopu Ramana można stwierdzić, że w próbce z polikrystalicznego zostały wygenerowane naprężenia ściskające o wartości betaH = -46 MPa. W kompozytach, w warstwie Al2O3 ziarna są pod wpływem naprężeń ściskających (w odniesieniu do szafiru). Ziarna Al2O3 w warstwach kompozytowych Al2O3+x% obj.Mo również są pod wpływem naprężeń ściskających (w odniesieniu do szafiru), jednak ich wartość jest wyższa w porównaniu do wartości naprężeń, pod wpływem których znajdują się ziarna w warstwie Al2O3. Wartość naprężeń rośnie wraz ze wzrostem udziału Mo w kompozycie.

EN

The study was concerned with the multi-layered composites of the .../Al2O3/Al2O3+xvol.%Mo/Al2O3/... type produced by the type casting method. The volumetric contents of molybdenum in the individual layers of the composites were: (4, 9, 14, 21, 28) vol. %. The parameters examined included: density and porosity (by the Archimedes method), Young modulus (by the ultrasonic method), bending strength (three-points bending) and fracture toughness (three-points bending of notched beams). The phases identified in the multi-layered composites by the X-ray analysis were: a-Al2O3, Mo and Mo2C. The sintered composites have a relatively high relative density (the porosity does not exceed 10%) (Table 1, Fig. 3). As the volumetric share of Mo increases, their weight densities increase, whereas the Young moduli E decrease (Table 1, Figs. 3 and 4). The bending strength, the stress intensity factor KIc and the cracking energy are at a maximum in the composite with 14 vol.% of Mo in the layer. The strength and the fracture toughness of this composite are more than twice as great as that of Al2O3, and the fracture energy more than 6 times as great (Table 1, Figs. 4 and 5). The magnitudes of the residual stresses measured during the experiments show that (Table 2 and Fig. 6). The measured magnitude of the stresses depends on two effects. One is associated with the crystallographic anisotropy of the coefficient in corundum, and the other - with the interaction between the components of the composite. Taking these two effects into account, we can state that, with the Mo content between 9 and 21 vol.%, the Al2O3 grains in the Al2O3 layers of the composite are under slight tension, whereas in the composites that contain 4 and 28 vol.% Mo, they are compressed. The Al2O3 grains in the composite Al2O3+xvol%Mo layers are under compression in all the composites. The analysis of the residual stress magnitude in the composites examined is in addition complicated by the appearance of the third phase Mo2C. Its thermal and mechanical properties differ from those of Al2O3 and Mo, and it was probably this phase which is responsible for the disagreement between the expected and measured stress distributions in the composite layers. Moreover, in the composites containing above 14 vol.% of Mo, cracks appear in the Al2O3 layers (Figs. 1 and 2). They result from the tensile strength of the layer material being exceeded. The presence of the cracks also affects the magnitudes and distribution of stresses in the layers (relaxation processes) and in addition reduces the strength and fracture toughness of the composites.

Słowa kluczowe

PL

kompozyty warstwowe; pękanie; naprężenia

EN

multilayered composites; fracture toughness; residual stresses

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Kompozyty
• Rocznik: 2003
• Tom: R. 3, nr 7
• Strony: 265--270
• Opis fizyczny: Bibliogr. 24 poz., tab., wykr., rys.

Twórcy

autor

Matysiak H.

• Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Materiałowej, ul. Wołoska 141, 02-505 Warszawa

autor

Olszyna A.

• Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Materiałowej, ul. Wołoska 141, 02-505 Warszawa

autor

Strzeszewski J.

• Politechnika Warszawska, Wydział Fizyki, ul. Koszykowa 141, 00-662 Warszawa

Bibliografia

• [1] Cahn R.W., Haasen P., Kramer E.J., Materials Science and Technology. Structure and Properties of Ceramics, vol. 11, Weinheim - New York - Basel - Cambridge - Tokyo 1994, 10-11, 341-404, 410-458, 557-563.
• [2] Pampuch R., Budowa i właściwości materiałów ceramicznych, Wydawnictwo AGH, Kraków 1995, 85-138, 231-265.
• [3] Oczoś K.E., Kształtowanie ceramicznych materiałów technicznych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 1996, 56-76.
• [4] Kovar D., Thouless M.D., Halloran J.W., Crack Deflection and Propagation in Layered Silicon Nitride/Boron Nitride Ceramics, Journal of the American Ceramic Society 1998, 81(4), 1004-12.
• [5] Huang Y., Cai S., Guo H., Wang C., Xie Z., The Biomimetric Structure Design and Preparation of Si3N4 Matrix Composites with High Toughness, 9th Cimtec-World Ceramics Congress 2000, 881-888.
• [6] Tomaszewski H., Węglarz H., Boniecki M., Rećko W.M., Mikrowarstwowe kompozyty ceramiczne, Inżynieria Materiałowa 1998, 5, 1288-1296.
• [7] Zeng Y., Jiang D., Fabrication and properties of laminated Al2O3/TiC composites, Ceramics International 2002, 27, 597-602.
• [8] Ming L.Y., Wei P., Shugin L., Jian Ch., Ruigang W., Jian-quing Li., Mechanical Properties and Microstructure of a Si3N4/Ti3SiC2 Multilayer Composite, Ceramics International 2002, 28, 223-226.
• [9] Drewny E.N., Moon R.J., Bowman K.J., Trumble K.P., Bremm J., Fracture Behavior of Centrifugally Cast Multilayer Alumina/Alumina Composites, Scripta Materialia 1999, 41, 7, 749-754.
• [10] Cai P.Z., Green D.J., Messing G.L., Constrained Densification of Alumina/Zirconia Hybrid Laminates, I: Experimental observations of processing defects, Journal of the American Ceramic Society 1997, 80(8), 1929-39.
• [11] Cai P.Z., Green D.J., Messing G.L., Constrained Desification of Alumina/Zirconia Hybrid Laminates, II: Viscoelastic Stress Computation, Journal of the American Ceramic Society 1997, 80(8), 1940-48.
• [12] Green D.J., Cai P.Z., Messing G.L., Residual Stresses in Alumina-Zirconia Laminates, Journal of the European Ceramic Society 1999, 19, 2511-2517.
• [13] Folsom C.A., Zok F.W., Lange F.F., Flexural Properties of Brittle Multilayer Materials I - Modeling, Journal of the American Ceramic Society 1994, 77(3), 689-96.
• [14] Oechsner M., Hillman C., Lange F.F., Crack Bifurcation in Laminar Ceramic Composites, Journal of the American Ceramic Society 1996, 79(7), 1834-38.
• [15] Sergo V., Lipkin D.M., De Portu G., Clarke D.R., Edge Stresses in Alumina/Zircomia Laminates, Journal of the American Ceramic Society 1997, 80(7), 1633-386.
• [16] Lakshminarayanan R., Shetty D.K., Cutler R.A., Toughening of Loayered Ceramic Composites with Residual Surface Compresion, Journal of the American Ceramic Society 1996, 79(1), 79-87.
• [17] Marshall D.B. Morgan P.E.D., Housley R.M., Debonding in Multilayered Composites of Zirconia and LaPO4, Journal of American Ceramic Society 1997, 80(7), 1677-83.
• [18] Cutler W.A., Zok F.W., Lange F.F., Delamination Resistance of Two Hybrid Ceramic-Composite Laminates, Journal of American Ceramic Society 1997, 80(12), 3029-37.
• [19] Moon R.J., Bowman K.J., Trumble K.P., Rodel J., Fracture Resistance Curve Behaviour of Multilayered Alumina - Zir-conia Composites Produced by Centrifugation, Acta Mater. 2001, 49, 995-1003.
• [20] Lucchini E., Sbaizero O., Alumina/Zirconia Multilayer Composites Obtained by Centrifugal Consolidation, Journal of European Ceramic Society 1995, 15, 975-981.
• [21] Cai P.Z., Green D.J., Messing G.L., Mechanical Characterization of Al2O3/ZrO2 Hybrid Laminates, Journal of European Ceramic Society 1998, 5, 2025-2034.
• [22] Hwu K.L., Derby B., Fracture of Metal/Ceramic Laminates - II. Crack Growth Resistance and Toughness, Acta Mater. 1999, 47, 2, 545-563.
• [23] Cheng Z., Mecholsky J.J., Toughening by Metallic Lamina in Nickel/Alumina Composites, Journal of the American Ceramic Society 1993, 76(5), 1258-64.
• [24] Niezgoda T., Szymczyk W., Boniecki M., Wyznaczanie naprężeń własnych w ceramice Al2O3 metodą piezospektroskopową, Inżynieria Materiałowa 1997, 5, 193-197.