With the development of manufacturing processes, an increase in the importance of metal-fibre composites in materials engineering is observed. These are materials consisting of appropriately arranged layers of metal and various types of fibres. The very wide use of composite materials in the construction of machine and equipment components means they are often exposed to work in variable temperature conditions. The aim of this article was analysis of the thermal expansion of typical composites: carbon fibre-reinforced polymer, glass fibre-reinforced polymer, glass-reinforced aluminium laminate and carbon-fibre reinforced aluminium laminate. EN AW-6060 aluminium alloy was used as the reference material. The aim of the dilatometric tests was to determine the coefficient of thermal expansion and the dimensional stability of composite materials at elevated temperatures up to 100 °C. The EN AW-6060 aluminium alloy was characterized by the highest linear expansion coefficient (20.27×10−6 1/K). Composites containing glass fibres were characterized by the lowest positive linear thermal expansion coefficient. Among the composite materials tested, CARALLs exhibit the lowest thermal expansion coefficient.
PL
Wraz z rozwojem techniki, możemy zaobserwować wzrost znaczenia kompozytów metalowo-włóknistych w inżynierii mechanicznej. Są to materiały składające się z odpowiednio ułożonych warstw metalu oraz różnego rodzaju włókien. Bardzo szerokie zastosowanie materiałów kompozytowych w budowie elementów maszyn i urządzeń powoduje, że niejednokrotnie są one narażone na pracę w warunkach zmiennych temperatur. Celem tego artykułu była analiza rozszerzalności cieplnej typowych materiałów kompozytowych wzmocnionych włóknami węglowymi i szklanymi oraz laminatów typu GLARE i CARALL. Jako materiał referencyjny wykorzystano stop aluminium EN AW-6060. Celem badań dylatometrycznych było określenie rozszerzalności cieplnej i stabilności wymiarowej materiałów kompozytowych w podwyższonych temperaturach do 100°C z szybkością nagrzewania 5°C/min. Największym współczynnikiem rozszerzalności liniowej (20,27×10−61/K) charakteryzował się stop aluminium EN AW-6060. Najmniejszym dodatnim liniowym współczynnikiem rozszerzalności cieplnej charakteryzowały się kompozyty zawierające włókna szklane. Spośród materiałów kompozytowych, najmniejszym współczynnikiem rozszerzalności cieplnej charakteryzował się kompozyt typu CARALL.
Purpose: The paper aims to find the magnitude and nature of thermal residual stresses that occur during cooling of a copper sample with a thermally synthesized oxide layer of Cu2O. Design/methodology/approach: Thermo-mechanical analysis was performed by the finite element method using Ansys Software. The results of thermal analysis were used to study the resulting stress-strain state of the thin film/coating system after cooling. Findings: Based on the modeling results, the paper determined the most stress-strain areas of the sample with a coating, which are the free edges of the interfaces between the copper substrate and the Cu2O oxide layer. Research limitations/implications: The main limitations of the study are the use of certain simplifications in the condition setup, for instance, uniform cooling of the thin film/coating system, homogeneity and isotropy of substrate and thin film materials, invariance of their properties with temperature changes, etc. Practical implications: The results obtained can be used to control the stress-strain state of the thin film/coating system and prevent deformations and destruction of thin-film structures during their production and operation of products with them. Originality/value: The study of new promising methods for the formation of oxide nanostructures, for instance in a plasma environment, requires a sufficient theoretical basis in addressing the origin and development of stresses.
Trace elements Co, Cr were added to investigate their influence on the microstructure and physical properties of Al-Si extruded alloy. The Co, Cr elements were randomly distributed in the matrix, forms intermetallic phase and their existence wereconfirmed by XRD, EDS and SEM analysis. With addition of trace elements, the microstructure was modified, Si particle size was reduced and the growth rate of β-(Al5 FeSi) phase limited. Compared to parent alloy, hardness and tensile strength were enhanced while the linear coefficient of thermal expansion (CTE) was significantly reduced by 42.4% and 16.05% with Co and Cr addition respectively. It is considered that the low CTE occurs with addition of Co was due to the formation of intermetallic compound having low coefficient of thermal expansion. The results suggested that Co acts as an effective element in improving the mechanical properties of Al-Si alloy.
Często stosowaną techniką naprawy zdegradowanej powierzchni zbiornika, komina, chłodni czy silosu jest pokrycie tej powierzchni materiałem naprawczym. Jest to zazwyczaj włóknokompozyt na bazie włókien szklanych, bazaltowych lub węglowych o istotnie różnych parametrach rozszerzalności termicznej od materiału powierzchni naprawianej. Przedmiotem rozważań jest określenie rozkładu naprężeń w warstwie naprawianej oraz w powłoce naprawczej w warunkach zmiany temperatury w stosunku do temperatury, w której doszło do połączenia obu warstw. W pracy zaprezentowano wzory na naprężenia wyprowadzone na podstawie ogólnych zasad teorii sprężystości oraz mechaniki naczyń cienkościennych. Przedstawiono przykład numeryczny potwierdzający trafność oszacowania naprężeń za pomocą wyprowadzonych wzorów. W pracy zamieszczono także rozwiązanie numeryczne pewnego realnego problemu inżynierskiego.
EN
A frequently used technique of repairing a degraded area of a tank, chimney, cold store or silo is to cover this surface with repair material. It is usually a fiber composite based on glass, basalt or carbon fibers with thermal expansion parameters which differ significantly from those of the material of the repaired surface. The article discusses the issue of determining the distribution of stresses in the repaired layer and in the repair coat in the conditions of temperature change in relation to the temperature at which the two layers were joined. The paper presents stress formulas derived from the general principles of the theory of elasticity and the mechanics of thin-walled vessels. A numerical example confirming the accuracy of stress estimation using derived formulas is presented. The work also includes a numerical solution to a certain real engineering problem.
The quality of predicted microstructural and mechanical properties in hot stamping simulations relies considerably on the material model. Many researchers studied the effect of the plastic deformation on the phase transformation of the most commonly used hot stamping steel 22MnB5, and proved that the deformation applied at high temperature promotes the formation of ferrite, pearlite and bainite. This behaviour has to be integrated into materials modelling. In this study, the effect of pre-strain on the phase transformation of the material is considered. The specimens are heated to austenitization temperature, isothermally deformed at 700°C, and quenched down to room temperature. The phase fractions and the temperature-dilatation behaviour obtained from the experiments are used to calibrate the material model. By using the experimental data obtained from dilatometer testing, the accuracy of the material model is evaluated. Additionally, an attempt to predict the results between the tested data points by using interpolation was made and compared with the simulation results.
6
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
SrO-Sb2O3-P2O5 glass system was prepared by high temperature melting method. The effects of Sb2O3 and P2O5 content on the structure, thermal behavior and chemical durability of the glasses were studied by infrared spectrometer, thermal dilatometer, differential thermal analyzer and constant temperature water bath heating. It can be concluded that the characteristic temperatures of the glasses increased firstly and then decreased with the increasing of Sb2O3 content, whereas the tendency of the coefficient of thermal expansion (CTE) varied inversely. The crystallization ability of the glasses was significantly increased and the water resistance was reduced for Sb2O3 content of 35 mol % and 40 mol %. The glasses with 20 mol %, 25 mol % and 30 mol % Sb2O3 showed better performance in every respect than the others and the glasses containing 25 mol % Sb2O3, characterized by the best performance, can be chosen as host glasses for further research.
7
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
An analysis of the impact of long-term sulphate examination conditions on the thermal expansion of ordinary cement concrete made with the use of various limestone aggregates is presented in the paper. The article contains the results of selected chemical and temperature laboratory testing. This issue is of significant value for the description of cement concrete durability under aggressive conditions in a wide range of temperatures. The experimental results can usefully be applied to predicting the sustainability of ordinary cement concrete as well as its joints working under defined aggressive conditions.
PL
Przedmiotem artykułu jest analiza wpływu długoterminowego oddziaływania siarczanów na rozszerzalność termiczną betonu cementowego z kruszywem wapiennym. Opisano laboratoryjne badania chemiczne oraz termiczne. Zagadnienie to ma istotne znaczenie dla opisu pracy betonu w środowisku agresywnym w szerokim zakresie temperatury. Wyniki badań mogą być wykorzystane w zagadnieniach związanych z opisem trwałości zarówno elementów betonowych, jak i ich połączeń.
8
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
W najnowszym podręczniku mechanistyczno-empirycznego projektowania nawierzchni drogowych (MEPDG) przy analizie i projektowaniu nawierzchni sztywnych większy nacisk położono na uwzględnienie naprężeń wywołanych termicznym paczeniem się płyt betonowych. Skład mieszanki betonowej ma duży wpływ na parametry termiczne betonu, takie jak współczynnik przewodzenia ciepła, współczynnik rozszerzalności cieplnej oraz ciepło właściwe. W dużym stopniu zależą one od rodzaju i zawartości kruszywa. W stanie wilgotnym beton charakteryzuje się wyższym ciepłem właściwym oraz współczynnikiem przewodzenia ciepła. W artykule omówiono wpływ składu mieszanki na właściwości termiczne betonu stwardniałego, a także na właściwości w początkowym okresie twardnienia. Omówiono również wpływ, jaki na funkcjonalność nawierzchni sztywnych mają sezonowe i dobowe zmiany temperatury. W przypadku nawierzchni lotniskowych cykliczne oddziaływanie gorących spalin wyrzucanych przez silniki odrzutowe powoduje powstawanie mikrospękań, zwiększenie wielkości porów oraz pogorszenie wytrzymałości na ściskanie i na rozciąganie przy zginaniu. Beton poddawany cyklicznemu oddziaływaniu podwyższonej temperatury podlega niszczeniu, którego widoczne skutki przypominają skutki naprzemiennego zamrażania i rozmrażania.
EN
Th e recent mechanistic-empirical pavement design guide (MEPDG) put more emphasis on the effects of thermal curling stresses on rigid pavement analysis and design. Mix design of concrete has significant influence on its thermal properties such as thermal conductivity, coefficient of thermal expansion, and specific heat. Aggregate type and content significantly alter the thermal properties of concrete incorporating them. The moisture state of the concrete increases its specific heat and thermal conductivity. A review of the effect of temperature of fresh concrete on early age properties is also presented. The performance of rigid pavements exposed to seasonal and daily fluctuations in temperature is discussed. Airfield concrete pavements which are subjected to jet engine exhausts experience heat cycles micro-cracking, coarsening of microstructure and loss of compressive and flexural strength. These effects are mostly the result of the dehydration and decomposition of paste matrix in concrete. Heat cycles result in concrete deterioration similar in appearance to freezing and thawing deterioration.
Hot shock compaction method was utilized for the consolidation of MAX phase composites consisting of Ti, Al and C. This paper presents the production of dense, crack-free composites by combining the combustion synthesis with explosive detonation. Another objective is to investigate various properties of the obtained shock-compacts. The shock compacted materials were post-annealed at 1173 K for releasing the shock-induced strain. As a result, these compacts had strong interparticle bonding strength and few macro cracks. Intermetallic compounds (TiAl, Ti2Al and Ti3Al) and non-oxide ceramics (TiC and Ti4Al2C2) were detected in as-synthesized and annealed materials by X-ray diffraction experiments. Also, lamella structures of Ti4Al2C2 phase were observed by SEM. It was known that the coefficient of thermal expansion increased with increasing temperature, and decreased with increasing TiC content.
PL
Metodę udarowego zagęszczania na gorąco wykorzystano do konsolidacji fazy MAX kompozytów na bazie Ti, Al oraz C. Celem przeprowadzonych badań było wytworzenie zagęszczonych, wolnych od pęknięć kompozytów oraz analiza ich właściwości. Zagęszczone z wykorzystaniem technik udarowych materiały wstępnie wyżarzono w 1173 K w celu usunięcia skutków odkształcenia udarowego. Uzyskany materiał charakteryzował się silnym wiązaniem międzycząsteczkowym, ale zaobserwowano równie występowanie mikropęknięć. W syntezowanych i wyżarzonych materiałach, wykorzystaniem techniki dyfrakcji promieni rentgenowskich stwierdzono obecność związków międzymetalicznych typu TiAl, Ti2Al oraz Ti3Al, a także ceramik wolnych od tlenków typu TiC oraz Ti4Al2C2. Przy pomocy SEM analizowanor ównież warstwową strukturę fazy Ti4Al2C2. Zaobserwowano również, iż współczynnik wydłużenia cieplnego wzrastał wraz ze wzrostem temperatury i obniżał się wraz ze zmniejszaniem się koncentracji TiC.
W artykule zaprezentowano unikalną metodologię i wyniki wyznaczenia współczynnika rozszerzalności termicznej oraz kalibracji pary wzorców liniowych do sytemu fotogrametrycznego DPA Pro firmy AICON 3D Systems GmbH o długości 1,34 m. Stosowne badania przeprowadzono w Geodezyjnym Laboratorium Metrologicznym Wydziału Geodezji Górniczej i Inżynierii Środowiska AGH w Krakowie na zlecenie firmy MAN Bus Sp. z o.o., Oddział w Starachowicach.
EN
The paper presents a unique methodology and results of determining the coefficient of thermal expansion and calibration of a pair of measurement standards of a DPA Pro photogrammetric system (Fig. 1) produced by AICON 3D Systems. The tests were carried out in the Geodetic Metrology Laboratory at Department of Mining Surveying and Environmental Engineering, AGH University of Science and Technology in Krakow, on behalf of MAN Bus, Branch Starachowice. Determination of the coefficient of thermal expansion was performed in a specially adapted thermal chamber (Fig. 2). The temperatures obtained in the thermal chamber during measurements of changes of the length caused by thermal factor ranged from 7 °C to 37 °C, at the average temperature of 22 °C (Fig. 3). The resulting thermal expansion coefficient was 0.31 μm/m/°C with the measurement uncertainty at 95% confidence level (2 sigma) of ± 0.06 μm/m/°C. Calibration of a pair measurement standards was made in a vertical (Fig. 5) and horizontal (Fig. 6) position twice, independently. As a master of lenght there was used the Hewlett-Packard HP 5529 laser interferometer. A two-axis measurement system of a vertical comparator allowed simultaneous measurement of microscope inclination (Fig. 4). Length of the measurement standards in the horizontal and vertical positions differs by about 8 μm, because the pattern in the horizontal position is shorter due to sagging under its own weight (Table 1). The measurement uncertainty of the DPA Pro standard length at the 95% confidence level was ± 3.9 μm.
11
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
Przedstawiono model numeryczny pozwalający na przewidywanie deformacji powstających w procesie wytwarzania elementów z preimpregnatu węglowo-epoksydowego utwardzanego poza autoklawem. Za jedyną przyczynę powstawania deformacji przyjęto rozszerzalność cieplną wyrobu. Wyniki obliczeń zweryfikowano eksperymentalnie. Następnie przeanalizowano czynniki powodujące powstanie rozbieżności między wynikami numerycznymi a eksperymentalnymi.
EN
In present work a numerical model that enables prediction of process-induced deformations of Out-of-Autoclave carbon--epoxy prepreg elements was developed. The only reason of process-induced deformations taken into account was thermal expansion of the prepreg. The numerical results were verified experimentally. Factors influencing discrepancies between the numerical and experimental results were investigated afterwards.
The main purpose of the preliminary analyses presented in the paper was to compare the behaviour of the combustion engine piston made of different type of materials under thermal load. A thermomechanical FE analysis of the engine piston made of composite material was shown. A selected engine is installed in one of the popular polish tanks. The proposed new material is characterized by a low hysteresis – the differences of the coefficient of thermal expansion for heating and cooling are not significant. The results obtained for the piston made of a new material were compared with those for the current standard material. The piston was loaded by a temperature field inside it. Appropriate averaged thermal boundary conditions such as temperatures and heat fluxes were set on different surfaces of the FE model. FE analyses were carried out using MSC.Marc software. Development of the FE model was also presented. Geometrical CAD model of the piston was developed based on the actual engine piston, which was scanned using a 3D laser scanner. A cloud of points obtained from the scanner was processed and converted into a 3- dimensional solid model. FE model of a quarter part of the piston was developed for the preliminary analysis presented in the paper. 4-node tetrahedron finite elements were applied since there was no axial symmetry of the considered object. The temperature field inside the piston was determined and presented in the form of contour bands. Contours of displacement and stress in a radial direction were shown as well.
13
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
Przedstawiono wyniki badań rozszerzalności cieplnej kompozytów metalowych na osnowie stopu AlMg9. W celu przeprowadzenia badań wytworzono kompozyty zawierające zbrojenie w postaci ciętych włókien węglowych oraz cząstek grafitu. Stosowano włókna węglowe o długości 4 mm i średnicy 7 žm a średnia wielkości grafitu mieściła się w przedziale od 100 do 160 žm. Udziały objętościowe zbrojenia w kompozytach wynosiły odpowiednio 5, 10 i 20%. Odlewy kompozytowe wykonane zostały poprzez zasysanie uprzednio przygotowanej zawiesiny kompozytowej do rurek kwarcowych o średnicy 9 mm. Badania rozszerzalności cieplnej przeprowadzono za pomocą dylatometru automatycznego. Próbki do badań dylatometrycznych miały kształt walcowy o długości ok. 35 mm i średnicy 7 mm. W celu określenia stabilizacji wymiarowej próbki nagrzewano do temperatury 400°C z prędkością 1 K/s i następnie chłodzono do temperatury otoczenia z tą samą prędkością. Z zarejestrowanych zmian długości próbki wraz ze wzrostem temperatury wykreślono krzywe dylatometryczne. Na podstawie przebiegu krzywych dylatometrycznych określono zmiany wymiarowe próbek po cyklu nagrzewania i chłodzenia. Największym skróceniem próbek charakteryzował się stop osnowy - skrócenie próbki wynosi 0,046 mm, najmniejszym kompozyt zawierający 20% cząstek grafitu, w którym w ogóle nie zaobserwowano zmian wymiarowych. Następnie obliczono chwilowe współczynniki liniowej rozszerzalności cieplnej badanych materiałów ze wzoru (1). Wyniki badań pokazują, że współczynnik rozszerzalności cieplej w badanych kompozytach jest wyższy niż dla stopu osnowy. Dla kompozytów zawierających cząstki grafitu różnice te nie są aż tak znaczące, natomiast dla kompozytów z krótkimi włóknami węglowymi współczynniki rozszerzalności cieplnej przyjmują znacznie wyższe wartości. Przyczyną tego zjawiska może być mikroporowatość odlewów kompozytowych, której podczas wytwarzania zawiesin kompozytowych bardzo trudno uniknąć. Inną przyczyną może być również brak połączeń adhezyjnych pomiędzy osnową a zbrojeniem w badanych kompozytach. Z przeprowadzonych badań jednoznacznie wynika, że wprowadzenie do stopu osnowy zbrojenia w postaci cząstek grafitu powoduje stabilizację wymiarową odlewów, natomiast wprowadzenie krótkich włókien węglowych poprawia stabilizację wymiarową stopu osnowy jednak w dużo mniejszym stopniu niż cząstki grafitu.
EN
The examination results concerning thermal expansion of AlMg9 alloy matrix composites have been presented in the work. Composites reinforced with chopped carbon fibre or graphite particles have been produced for experimental purpose. The length and the diameter of the applied carbon fibre has been equal to 4 mm and 7 žm, respectively, while graphite particles has been of 100-160 žm average size. The volume percentage of the reinforcement has been selected to be 5, 10, or 20%. The composite castings have been produced by suction of beforehand prepared composite suspension into silica pipes of 9 mm diameter. The examination of thermal expansion has been held by means of an automatic dilatometer. The examined cylindrical specimens have the length of about 35 mm and 7 mm diameter. Specimens have been heated up to 400°C at the rate of 1K/s and then cooled to the ambient temperature at the same rate to determine their dimensional changes. The recorded changes of length against temperature have been presented in the form of dilatometric curves, which in turn have enabled to determine dimensional changes after heating and cooling cycle. The greatest shortening of specimens - 0.046 mm - has been observed for pure matrix alloy, the least one has been recorded for composite with 20% of graphite, which has revealed no dimensional changes at all. Then the instantaneous coefficients of thermal expansion have been calculated according to Formula 1. The results of examinations show that the coefficient of thermal expansion is greater for composites than for matrix alloy. The differences are of minor significance for composites containing graphite particles, but for composites with carbon fibre the coefficient of thermal expansion reaches much greater values. The reason of this phenomenon can be the microporosity of composite castings, which is difficult to avoid during production of composite suspension. Another reason can be also the lack of adhesive bond between the matrix and the reinforcement in the examined composites. The performed tests allow for undoubted conclusion that introducing particulate graphite reinforcement into the matrix alloy results in the dimensional stability of castings, while introducing chopped carbon fibre, though improves the dimensional stability, nevertheless to the significantly less degree than graphite particles.
The aim of realized works in the area of materials on pistons is: low thermal expansion, small differences of coefficient of thermal expansion between heating and cooling, high stiffness at elevated temperatures, high hardness and wear resistance. Changes in thermal expansion coefficient during heating and cooling may be very large, as well as during subsequent cycles of heating and cooling of an internal combustion engine pis ton with respect to standard silumin alloys usedfor pistons of internal combustion engines. The paper presents: coefficient of linear expansion a for the AlSi standard alloy, coefficient of linear expansion a for the AlSi alloy with the apositive differences between cooling and heating, coefficient of linear expansion a for the AlSi alloy with the a negative differences between cooling and heating, coefficient of linear expansion a for the AlSi alloy with the apositive and negative differences between cooling and heating, coefficient of linear expansion a for the AlSi alloy with the apositive, negative and positive differences between cooling and heating, coefficient of linear expansion a for the AlSi alloy with the very small a differences between cooling and heating, coefficient relative elongation as afunction of temperature with the positive elongation differences between cooling and heating, coefficient relative elongation with the very small elongation differences between cooling and heating, coefficient the course of derivative as a function of temperature (T) during heating and cooling with the positive elongation differences.
W celu zminimalizowania wpływów instrumentalnych na wyniki niwelacji precyzyjnej wprowadza się do pomierzonych przewyższeń dwie poprawki: termiczną i kalibracyjną. Do określenia tych poprawek trzeba laboratoryjnie wyznaczyć współczynnik rozszerzalności termicznej wstęgi inwarowej oraz zrealizować procedurę wzorcowania łaty. Zaprezentowano zależności między przyjętą technologią badań laboratoryjnych a wartościami poprawek: termicznej i kalibracyjnej, liczonych na podstawie wyników tych badań. Badania wykonano w Geodezyjnym Laboratorium Metrologicznym AGH w Krakowie. Zaprezentowano sposoby wyznaczania poprawek termicznej i kalibracyjnej oraz ich wpływ na wyznaczane przewyższenie. Zaplanowano i przeprowadzono eksperyment statystyczny, który polegał na losowym generowaniu wyników niwelacji oraz określaniu dla nich wartości poprawek liczonych różnymi sposobami. Stwierdzono istotny wpływ przyjętego sposobu badania łat oraz określenia wartości poprawek kalibracyjnej i termicznej na wynik niwelacji precyzyjnej.
EN
To minimize instrumental influences on the results of the precise levelling one introduces thermal and calibration correction of measured exceedings. In order to determine corrections one must calculate the coefficient of the thermal expansion of the invar tape in a laboratory as well as realize the procedure of the staff calibation. The author presents the correlation between the accepted technology of laboratory research and the values of thermal and calibration corrections which were calculated on the basis of the results of the research. The appropriate research has been done in Geodetic Metrological Laboratory AGH in Cracow. The ways of calculation of thermal and calibration correction and their influence on the measured exceedings have been shown. A statistical experiment has been planned and carried out. It consisted in generating the results of levelling at random and determining for them the correction values which were calculated in different ways. A significant influence of the accepted way of the staffs study as well as determination of the values of calibration and thermal corrections on the results of precise levelling has been found.
JavaScript jest wyłączony w Twojej przeglądarce internetowej. Włącz go, a następnie odśwież stronę, aby móc w pełni z niej korzystać.