Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Spring method for modelling of particulate solid composed of spherical particles and weak matrix

Zabulionis D., Kačianauskas R., Rimša V., Rojek J., Pilkavičius S.

Archives of Civil and Mechanical Engineering

|

2015

|

Vol. 15, no. 4

775--785

EN

In the present paper, a possibility of an approximation of elastic particulate composite with a network of elastic springs that undertake only axial forces is considered. It is assumed that the springs are equivalent to two hemispheres interacting through a weaker interface member. In a frame of the suggested approach, the description of the composite is limited to translational degrees of freedom, therefore, only a normal interaction between the spheres was considered. The methodology for calculation of the axial stiffness of the elastic springs and obtained solutions of the stiffness in explicit form are the main novelty of the article. A comparison of the stiffnesses of the springs obtained by the proposed methodology and by the three dimensional Finite Element Method (FEM) has shown a good agreement between them in a wide range of the ratio of the modulus of elasticity of the particles and matrix at four different distances between surfaces of the particles. A possibility of the approximation of particulate composite by springs was tested and discussed in details by comparing results of a mechanical response of a sample (under three different loading cases) modelled as a three dimensional solid and as a system comprised of the springs. The solutions were obtained by the FEM.

2

Badania odporności na pękanie kompozytów ziarnistych na osnowie tlenku glinu przeznaczonych na ostrza narzędzi skrawających

Szutkowska M, Smuk B, Boniecki M

Mechanik

|

2012

|

R. 85, nr 7

569--573

3

Materiał kompozytowy w układzie Al2O3-YAG (20% obj.)

Lach R., Haberko K., Trybalska B.

Kompozyty

|

2010

|

R. 10, nr 4

362-367

PL

Do intensywnie mieszanej zawiesiny tlenku glinu wprowadzono azotan itru. Alkalizacja układu węglanem amonu doprowadziła do wytrącenia prekursora Y2O3 wśród ziaren Al2O3. Następnie zawiesinę tę wysuszono i wyprażono w temperaturze 600°C, uzyskując tym sposobem jednorodną mieszaninę ziaren Al2O3 i Y2O3. Cząstki tlenku itru były znacznie mniejsze od ziaren Al2O3. Opisaną mieszaninę poddano dodatkowej homogenizacji poprzez krótkie mielenie w młynie mieszadłowym w środowisku wody o wartości pH dobranej na podstawie pomiarów potencjału dzeta (ζ). Stwierdzono, że mieszanina przygotowana w kwaśnym środowisku (uzyskanym poprzez wprowadzanie do układu HNO3) charakteryzuje się po wysuszeniu obecnością twardych, wytrzymałych mechanicznie aglomeratów. Proszek taki nie pozwala uzyskać gęstych spieków. Z tego punktu widzenia proszki homogenizowane w środowisku alkalicznym wykazują wyraźnie lepsze właściwości, również pod względem zagęszczenia przygotowanych z nich spieków. W mikrostrukturze tych spieków obok itru (YAG), powstający wskutek reakcji Y2O3 z Al2O3. Homogenizacja proszków w środowisku o pH = 8, co odpowiada warunkom heterokoagulacji, prowadzi do spieków o bardziej równomiernie rozłożonych wtrąceniach cząstek YAG w osnowie Al2O3, niż ma to miejsce w przypadku homogenizacji proszku wyjściowego w warunkach pH = 10. Wtrącenia cząstek YAG w osnowie Al2O3 podnoszą twardość i odporność na pękanie materiału w porównaniu do spieków czystego tlenku glinu.

EN

YAG (Y3Al5O12) is one of three phases existing in the Al2O3-Y2O3. system. This compound contains the highest alumina content. So, it seems justified to assume that heat treatment of the alumina - yttria mixture, with alumina being dominating constituent should result in YAG inclusions within alumina matrix. Proportion of yttria in the present study corresponded to 20 vol. % YAG after this reaction. Yttrium nitrate, prepared by dissolving yttria in nitric acid was introduced into αAl2O3 suspension of 50 vol. % concentration. The vigorously stirred suspension was treated with (NH4)2CO3 until pH of the suspension reached value of 8.5. Under such conditions quantitative precipitation of yttria precursor occurs. Drying of the suspension and its calcination at 600°C resulted in the homogenous mixture of alumina and yttria particles. Size of the latter were several times smaller than the former ones. In order to remove agglomerates this mixture was subjected to short attrition milling in aqueous suspension of pH selected on the basis of zeta (ζ) potential measurements. It was found that acidic conditions, pH = 3, (realized with HNO3) resulted after drying in hard agglomerates. At elevated temperatures this powder showed emission of NO and NO2 coming most probably from the decomposition of aseotropic nitric acid solution filling the inter-particle space and playing the role of "glue" responsible for the high strength of agglomerates. That is why compacts of the powder homogenized under acidic conditions show poor sintering ability. Much better properties showed powders homogenized under basic condition, i.e. at pH = 8 and 10. At sintering temperatures of 1500 and 1600°C they give dense materials composed of YAG inclusions within alumina matrix. YAG particles resulted from the reaction of Y2O3 with Al2O3 during heat treatment. Microstructure of the material derived from the powder homogenized at pH = 8 is more uniform and shows smaller alumina and YAG grains than that prepared at pH = 10. As is indicated by the zeta (ζ) potential measurements, pH = 8 of the alumina/yttria suspension corresponds to the hetero-flocculation effect. Microscopic observations reveal that YAG inclusions limit grain-growth of alumina matrix compared to the pure alumina polycrystal. This effect is more visible in the material derived from the powder homogenized at pH = 8 than that at pH = 10. In both cases the materials are characterized by higher fracture toughness and hardness than that observed in pure alumina polycrystal sintered at the same temperature. It is worth to notice that KIc values approach those characteristic for yttria stabilized tetragonal zirconia (3Y-TZP), a material which is known from its high toughness.

4

Wpływ kształtu wtrąceń na naprężenia cieplne w kompozycie regularny ZrO2-Al2O3

Bućko M.M., Pyda W., Grabowski G., Pędzich Z.

Kompozyty

|

2006

|

R. 6, nr 3

59-64

PL

Posługując się kryterium kształtu, dokonano klasyfikacji wtrąceń w kompozytach regularny ZrO2-Al2O3 na wypukłe i o zmiennej krzywiźnie zarówno dodatniej, jak i ujemnej (rys. 1). Wskazano prawdopodobne mechanizmy odpowiedzialne za powstawanie wtrąceń o sklasyfikowanym kształcie, m.in. związany z kształtem cząstek wyjściowego proszku Al2O3 (rys. 2). Do oceny wpływu kształtu wtrąceń na rozwój pęknięcia określono stan naprężeń cieplnych wywołanych niedopasowaniem współczynników rozszerzalności cieplnej osnowy cyrkoniowej i wtrącenia korundu, stosując metodę elementów skończonych (MES). Analizę stanu naprężeń prowadzono dla układu izolowane wtrącenie Al2O3 - osnowa regularnego ZrO2 (rys. 3). Stwierdzono, że wartość naprężenia rozciągającego w osnowie i naprężenia ściskającego we wtrąceniu zależy od krzywizny granicy międzyfazowej (rys. rys. 4 i 5). Krzywizny dodatnie (granice wypukłe) prowadzą do zwiększenia naprężeń rozciągających w osnowie, krzywizny ujemne (granice wklęsłe) prowadzą natomiast do zmniejszenia naprężeń ściskających we wtrąceniu w obszarach przewężeń. Stwierdzono zależność pomiędzy kierunkiem propagacji pęknięcia (rys. 6) a wartością naprężeń ściskających we wtrąceniu. Uwzględniono wpływ kształtu wtrąceń korundu na odporność na pękanie kompozytów regularny ZrO2-Al2O3.

EN

Classification of inclusions for cubic zirconia-alumina composites was made using the shape criterion (Fig. 1). Two classes were selected: (i) convex inclusions, (ii) inclusions with variable positive or negative curvature. Mechanisms responsible for the inclusion formation with the classified shape were indicated. Among other things it was the mechanism related to the particle shape of initial alumina powder (Fig. 2). Influence of the inclusion shape on crack propagation was assessed by determination of thermal stress distribution caused by thermal expansion coefficient mismatch between zirconia matrix and alumina mclusion. The finite element method was used. The stress distribution in the system isolated inclusion - cubic zirconia matrix was analysed (Fig. 3). It was found that the value of tensile stress in the matrix as well as of compressive stress in the inclusion were affected by an interface curvature (Figs. 4 and 5). The positive curvatures (convex interfaces) led to an increase of the tensile stress in the matrix whereas the negative curvatures (concave interfaces) led to a decrease of the compressive stress in the inclusion. The relationship between crack propagation (Fig. 6) and the decrease of the compressive stress in the inclusion was stated. Influence of the alumina inclusion shape on fracture toughness of the cubic zirconia--alumina composites was considered.

5

Wpływ metody wprowadzania Al2O3 do tworzyw 3Y-TZP na ich mikrostrukturę i właściwości

Pyda W., Pędzich Z., Brzezińska-Miecznik J., Pyda A.

Kompozyty

|

2004

|

R. 4, nr 11

311-318

PL

Przedstawiono dwie metody wprowadzenia wtrąceń Al2O3 do polikrystalicznej osnowy tetragonalnego dwutlenku cyrkonu stabilizowanego tlenkiem itru (3Y-TZP) oraz zbadano ich wpływ na mikrostrukturę i właściwości kompozytów SY-TZP/Al2O3. Pierwsza metoda polegała na fizycznym mieszaniu składowych proszków w warunkach intensywnego mielenia. Druga wykorzystywała możliwości techniki współstrącania chemicznie jednorodnych osadów z wodnych roztworów soli cyrkonu, itru i glinu z następczą krystalizacją w warunkach prażenia. Próbki do badań formowano metodą prasowania izostatycznego proszków pod ciśnieniem 300 MPa, a następnie spiekano swobodnie w powietrzu przez 2 h w temperaturach 1500-1650°C. Kompozyty zawierały od 0 do 20% obj. wtrąceń o rozmiarach zależnych od użytej metody otrzymywania proszków. Scharakteryzowano morfologię wytworzonych proszków, ich skład fazowy, mikrostrukturę wyprasek oraz spieczonych tworzyw. W przypadku optymalnie zagęszczonych tworzyw zmierzono wytrzymałość na zginanie i odporność na pękanie. Metoda współstrącania z udziałem kationów glinu umożliwiła wytworzenie kompozytów zawierających wtrącenia korundu o rozmiarach leżących w zakresie nanometrycznym (100-500 nm) i znacznie mniejszych w porównaniu z metodą fizycznego mieszania (300-1200 nm). Kompozyty te miały podwyższoną wytrzymałość mechaniczną przy nieznacznie zmniejszonej odporności na pękanie.

EN

In the study, two methods of incorporation of Al2O3 inclusions into a polycrystalline matrix of tetragonal zirconia stabilised with yttria (3Y-TZP) were used and their influence on a microstructure and properties of 3Y-TZP/Al2O3 composites has been studied. The first method consisted in physical mixing of component powders by means of intensive milling. The second one utilised possibilities of the co-precipitation method of chemically homogeneous deposits followed by their calcination. Ań aqueous solution of zirconium, yttrium and aluminium salts was used. Green compacts were shaped by cold isostatic pressing under a pressure of 300 MPa and then they were pressurelessly sintered for 2 h at 1500-1650°C in air. The composites contained from O to 20 vol.% of inclusions of a size which depended on the powder preparation method upplied. Morphology and phase composition of the powders, microstructure of the green compacts and sintered materials was characterised. Bending strength and fracture toughness was measured in the case of the bodies of optimal density. The co-precipitation method with participation of aluminium cations enables to produce the composites which contained the alumina inclusions of the size falling in the nanometric range (100-500 nm). The inclusions derived from this method were much smaller than those derived from the physical mixing one (300-1200 nm). The composites with the former inclusions showed increased values of mechanical strength and slightly decreased values of fracture toughness.

6

Residual stress in particulate Al2O3/Mo composites.

Matysiak H., Krzesiński G., Strzeszewski J., Olszyna A.

Inżynieria Materiałowa

|

2001

|

R. XXII, nr 5

620-623

PL

W prezentowanej pracy badano wpływ Mo na wartość naprężeń resztkowych w kompozytach ziarnistych Al2O3/Mo. Wartości średnich naprężeń resztkowych badano metodą piezoelektroskopową i porównywano z wartościami uzyskanymi za pomocą obliczeń numerycznych, metodą elementów skończonych.

EN

The present study is cncerned with the effect of Mo on the magnitude of residual stresses in the granular Al2O3/Mo composites. The average magnitudes of these stresses were determined by the piezospectroscopic method and compared with the values obtained numerically using the finite element method.

7

Mikrostruktura kompozytów ziarnistych z osnową tetragonalnych polikryształów ZrO2 i wtrąceniami węglikowymi.

Faryna M.

Inżynieria Materiałowa

|

2000

|

R. XXI, nr 2

62-75

PL

Tetragonalne polikryształy tlenku cyrkonu (TZP) charakteryzują się znaczną wytrzymałością mechaniczną i jedną z najwyższych wśród tworzyw ceramicznych odpornością na pękanie. Istotną z użytkowego punktu widzenia cechą tego materiału jest jego znaczna odporność na ścieranie. Okazuje się, że cecha ta może być wydatnie poprawiona wprowadzaniem do osnowy TZP wtrąceń węglików. Równocześnie obserwuje się w takich układach wzrost odporności na pękanie w porównaniu do czystej osnowy. Wyjaśnienie tego zjawiska leży w rozpoznaniu mikrostruktury tworzyw oraz zjawisk na kontakcie osnowa-wtrącenie. Zagadnieniom tym poświęcona była niniejsza praca. Uzyskane wyniki sprowadzają się do trzech grup problemów. Były to: a) opracowanie modelu kompozytu ze szczególnym uwzględnieniem stanu naprężeń wewnątrz tworzywa, b) weryfikacja modelu i próba powiązania wyników badań w transmisyjnym i skaningowym mikroskopie elektronowym z własnościami tworzyw, c) opracowanie metody przygotowywania cienkich folii kompozytów zdatnych do obserwacji w transmisyjnej mikroskopii elektronowej. Różnice współczynników rozszerzalności cieplnej wtrąceń i osnowy powodują powstawanie naprężeń w tworzywach. Dla analizowanych przypadków materiałów z wtrąceniami WC, TiC, (Ti, W)C, CrxCy i Cr2O3 oceniono wielkości tych naprężeń. Wykonane badania pozwoliły lepiej zrozumieć korzystne własności nowej klasy tworzyw, jaką są kompozyty z osnową TZP i wtrąceniami WC, TiC, (Ti, W)C, CrxCy i Cr2O3. Niewątpliwie wpłynie to na dalsze udoskonalenie tych materiałów.

EN

Tetragonal zirconia polycrystals (TZP) show good mechanical properties, i.e. high fracture toughness and strength. Such a material revels also better wear resistance comparing with other types of ceramics. All important mechanical properties can be significantly improved by the incorporation of hard and stiff carbide inclusions into the TZP matrix. Dense bodies with WC, TiC, (Ti, W)C, CrxCy and Cr2O3 additives were widely investigated during this work. Higher fracture toughness in these systems was correlated with the microstructure and interphase boundary behaviour. There were three main aims of this work: a) to present a theoretical model of composites, paying particularly attention to stress distribution around ridgid inclusion in a sinterable matrix, b) to verify this model by electron microscopy investigations (both transmission and scanning) and correlate the results with mechanical properties of the composites, c) to elaborate a new way of the thin foil preparation in the composite samples containing two phases with different thermal expansion coefficients. The differences of these coefficients create internal stresses in the studied materials. They are negative in the zirconia matrix and positive in the inclusions. The values of stresses in the systems containing TZP with WC, TiC, (Ti, W)C, CrxCy and Cr2O3 additives were also calculated in this work. The results allow us to understand better the processes undergoing in these composites during sintering, mainly, to recognise the factors responsible for the toughness increase.