Modeling of thermal residual stresses in the SiC-TiB2 composite system considering real microstructure and thermo-mechanical properties anisotropy

• Autorzy: Grabowski G. , Pędzich Z.

Warianty tytułu

PL

Modelowanie cieplnych naprężeń resztkowych w kompozytach z układu SiC-TiB2 z uwzględnieniem rzeczywistej mikrostruktury i anizotropii właściwości termo-mechanicznych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The results are presented concerning simulations of the distribution of thermal residual stresses in a ceramic matrix particulate-reinforced composite in the SiC-TiB2 system. The stresses arise during cooling of the material after sintering due to differences in thermal expansion and elastic properties of the component phases, and belong to the most important factors for increasing fracture toughness of ceramic composites. A computational model was built on the basis of the real microstructure of the SiC-TiB2 composite. The material properties of component phases used in calculations included their temperature dependences. A temperature difference caused shrinkage and residual stress was adopted by means of the analysis of the sintering curves. The simulations were performed by using the finite element method. The results of simulations were compared with the calculated values of residual stresses, basing on analytical models and experimental data. The comparison shows good agreement. This allows an elaborated model to be used to solve more complex problems concerning fracture analysis of ceramic matrix composites.

PL

Zaprezentowano wyniki dotyczące symulacji rozkładu cieplnych naprężeń resztkowych w kompozycie dyspersyjnych z osnową ceramiczną z układu SiC-TiB2. Naprężenia powstały podczas studzenia materiału po spieczeniu z powodu różnic w rozszerzalności cieplnej i właściwościach sprężystych składowych, a należą one do najważniejszych czynników odpowiedzialnych za zwiększenie odporności na pękanie kompozytów ceramicznych. Model obliczeniowy został zbudowany na bazie rzeczywistej mikrostruktury kompozytu SiC-TiB2. Właściwości materiałowe składowych faz użyte w obliczeniach uwzględniały ich zależność od temperatury. Różnica temperatury powodująca skurcz i naprężenia resztkowe została uzyskana za pomocą analizy krzywych spiekania. Symulacje przeprowadzono z wykorzystaniem metody elementów skończonych. Otrzymane wyniki porównano z wynikami obliczeń naprężeń resztkowych opartych na modelach analitycznych i danych eksperymentalnych, uzyskując dobrą zgodność, co pozwoliło na opracowanie modelu użytecznego do rozwiązywania bardziej skomplikowanych problemów dotyczących analizy pękania kompozytów z osnową ceramiczną.

Słowa kluczowe

EN

SiC-TiB2; ceramic matrix composites; fracture toughness; thermal residual stresse; finite element method

PL

SiC-TiB2; kompozyty z osnową ceramiczną; odporność na pękanie; naprężenia resztkowe cieplne; metoda elementów skończonych

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Ceramiczne
• Czasopismo: Materiały Ceramiczne
• Rocznik: 2016
• Tom: T. 68, nr 2
• Strony: 176--182
• Opis fizyczny: Bibliogr. 33 poz., rys., wykr., tab.

Twórcy

autor

Grabowski G.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Materials Science and Ceramics, Department of Ceramics and Refractory Materials, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland

autor

Pędzich Z.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Materials Science and Ceramics, Department of Ceramics and Refractory Materials, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland

Bibliografia

• [1] Munro, R. G.: Material Properties of a Sintered α-SiC, J. Phys. Chem. Ref. Data, 26, (1997), 1195-1203. doi:10.1063/1.556000.
• [2] Gubernat, A., Stobierski, L., Łabaj, P.: Microstructure and mechanical properties of silicon carbide pressureless sintered with oxide additives, J. Eur. Ceram. Soc., 27, (2007), 781-789. doi:10.1016/j.jeurceramsoc.2006.04.009.
• [3] Snead, L. L., Nozawa, T., Katoh, Y., Byun, T. S., Kondo, S., Petti, D. A.: Handbook of SiC properties for fuel performance modeling, J. Nucl. Mater., 371, (2007), 329-377. doi:10.1016/j.jnucmat.2007.05.016.
• [4] King, D. S., Fahrenholtz, W. G., Hilmas, G. E.: Silicon carbide-titanium diboride ceramic composites, J. Eur. Ceram. Soc., 33, (2013), 2943-2951. doi:10.1016/j.jeurceramsoc.2013.03.031.
• [5] Grabowski, G., Stobierski, L., Rutkowski, P.: Internal sources of damage in ceramic materials, Ceramika/Ceramics, 97, (2006), 293-298.
• [6] Górny, G., Stobierski, L., Rutkowski, P., Rączka, M.: Effect of Processing Conditions on Microstructure of SiC-TiB2 Composite, Solid State Phenom., 197, (2013), 250-255. doi:10.4028/www.scientific.net/SSP.197.250.
• [7] Khaund, A. K., Krstic, V. D., Nicholson, P. S.: Influence of elastic and thermal mismatch on the local crack-driving force in brittle composites, J. Mater. Sci., 12, (1977), 2269-2273. doi:10.1007/BF00552248.
• [8] Taya, M., Hayashi, S., Kobayashi, A. S. A. S., Yoon, H. S. S.: Toughening of a Particulate-Reinforced/Ceramic-Matrix Composite, J. Am. Ceram. Soc., 73, (1989), 1382-1391. doi:10.1111/j.1151-2916.1990.tb05209.x.
• [9] Yoon, J. D., Kang, S. G.: Strengthening and toughening behaviour of SiC with additions of TiB2, J. Mater. Sci. Lett., 14, (1995), 1065-1067. doi:10.1007/BF00258166.
• [10] K.-S. Cho, Y.-W. Kim, H.-J. Choi, J.-G. Lee: SiC-TiC and SiC-TiB2 composites densified by liquid-phase sintering, J. Mater. Sci., 31, (1996), 6223-6228. doi:10.1007/BF00354442.
• [11] Kim, Y., Mitomo, M., Hirotsuru, H.: Microstructural Development of Silicon Carbide Containing Large Seed Grains, J. Am. Ceram. Soc., 80, (1997), 99-105. doi:10.1111/j.1151-2916.1997.tb02796.x.
• [12] Blanc, C.,Thevenot, F., Goeuriot, D.: Microstructural and mechanical characterization of SiC-submicron TiB2 composites, J. Eur. Ceram. Soc., 19, (1999), 561-569. doi:10.1016/S0955-2219(98)00227-1.
• [13] Bucevac, D., Matovic, B., Boskovic, S., Zec, S., Krstic, V.: Pressureless sintering of internally synthesized SiC-TiB2 composites with improved fracture strength, J. Alloys Compd., 509, (2011), 990-996. doi:10.1016/j.jallcom.2010.09.152.
• [14] Wei, G. C., Becher, P. F.: Improvements in Mechanical Properties in SiC by the Addition of TiC Particles, J. Am. Ceram. Soc., 67, (1984), 571-574. doi:10.1111/j.1151-2916.1984.tb19174.x.
• [15] Winholtz, R. A., Separation of Microstresses and Macrostresses, in: M. T. Hutchings, A. D. Krawitz (Eds.), Meas. Residual Appl. Stress Using Neutron Diffr., Springer Netherlands, Dordrecht, 1992, 131-145. doi:10.1007/978-94-011-2797-4_8.
• [16] Oden, M.: Residual Stress in Ceramics and Ceramic Composites, Linköping University, 1992.
• [17] Selsing, J.: Internal Stresses in Ceramics, J. Am. Ceram. Soc., 44, (1961), 419-419. doi:10.1111/j.1151-2916.1961.tb15475.x.
• [18] Stobierski, L., Gubernat, A., Sintering of silicon carbide I. Effect of carbon, Ceram. Int., 29, (2003), 287-292. doi:10.1016/S0272-8842(02)00117-7.
• [19] L. Stobierski, A. Gubernat, Sintering of silicon carbide II. Effect of boron, Ceram. Int. 29 (2003) 355-361. doi:10.1016/S0272-8842(02)00144-X.
• [20] Li, Z., Bradt, R.C.: The single crystal elastic constants of hexagonal SiC to 1000°C, Int. J. High Technol. Ceram., 4, (1988), 1-10. doi:10.1016/0267-3762(88)90060-4.
• [21] Spoor, P., Maynard, J., Pan, M., Green, D., Hellmann, J., Tanaka, T.: Elastic constants and crytal anisotropy of TiB2, Appl. Phys. Lett., 70, (1997), 1959-1961. doi:10.1063/1.118791.
• [22] Sakaguchi, S., Murayama, N., Kodama, Y., Wakai, F.: The Poisson’s ratio of engineering ceramics at elevated temperature, J. Mater. Sci. Lett., 10, (1991), 282-284. doi:10.1007/BF00735658.
• [23] Munro, R. G.: Material properties of titanium diboride, J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol., 105, (2000), 709-720. doi:10.6028/jres.105.057.
• [24] Hill, R.: The elastic behaviour of a crystalline aggregate, Proc. Phys. Soc. Sect. A, 349, (1952), 349.
• [25] Li, Z., Bradt, R. C., Thermal expansion of the hexagonal (6H) polytype of silicon carbide, J. Am. Ceram. Soc., 66, (1986), 863-866. doi:10.1111/j.1151-2916. 1986.tb07385.x.
• [26] Inoue, Z.: Kurachi, Y.: Structure Change of SiC at High Temperature, in: S. Somiya, E. Kanai, K. Ando (Eds.), in Proc. Int. Symp. Ceram. Components Engines, KTK Scientific Publisher, Tokyo, 1983, 519-527.
• [27] Touloukian, Y. S., Kirby, R. K., Taylor, R. E., Lee, T. Y. R.: Thermophysical Properties of Matter: Thermal Expansion of Nonmetallic Solids, IFI/Plenum, 1977.
• [28] Espinosa, H. D., Zavattieri, P. D.: A grain level model for the study of failure initiation and evolution in polycrystalline brittle materials. Part I: Theory and numerical implementation, Mech. Mater., 35, (2003), 333-364. doi:10.1016/S0167-6636(02)00285-5.
• [29] Sfantos, G. K., Aliabadi, M. H.: Multi-scale boundary element modelling of material degradation and fracture, Comput. Methods Appl. Mech. Eng., 196, (2007), 1310-1329. doi:10.1016/j.cma.2006.09.004.
• [30] Kim, K., Geringer, J., Macdonald, D. D.: Crack simulation of nano-bioceramic composite microstructures with cohesive failure law: effects of sintering, loads and time, J. Mech. Behav. Biomed. Mater., 15, (2012), 1-12. doi:10.1016/j.jmbbm.2012.07.003.
• [31] Tanaka, H., Hirosaki, N., Nishimura, T., D.-W. Shin, S.-S. Park: Nonequiaxial Grain Growth and Polytype Transformation of Sintered α-Silicon Carbide and β-Silicon Carbide, J. Am. Ceram. Soc., 86, (2003), 2222-2224. doi:10.1111/j.1151-2916.2003.tb03638.x.
• [32] G.-D. Zhan, Mitomo, M., Y.-W. Kim: Microstructural Control for Strengthening of Silicon Carbide Ceramics, J. Am. Ceram. Soc., 82, (2004), 2924-2926. doi:10.1111/j.1151-2916.1999.tb02181.x.
• [33] Wereszczak, A. A., Lin, H. T., Gilde, G. A. : The effect of grain growth on hardness in hot-pressed silicon carbides, J. Mater. Sci., 41, (2006), 4996-5000. doi:10.1007/s10853-006-0110-z.

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.