Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Numeryczne modelowanie warstw powierzchniowych na wybranych przykładach w aspekcie wyznaczania naprężeń resztkowych

Szymczyk Wiesław, Włodarczyk Joanna

Przegląd Mechaniczny

|

2020

|

nr 7-8

26--37

PL

Na warstwy powierzchniowe na elementach metalowych stosuje się różnorodne materiały. Warstwy powierzchniowe powstają zazwyczaj w warunkach wysokiej temperatury. Zasadniczy problem w warstwach powierzchniowych stanowią naprężenia resztkowe. Naprężenia resztkowe są pierwotną przyczyną zniszczenia warstwy powierzchniowej i ograniczenia trwałości elementu, na który ją naniesiono. Przyczyną powstania naprężeń własnych są znaczące różnice we właściwościach termomechanicznych łączonych faz materiałowych pokrycia i podłoża. W artykule przedstawiono zestawienie modeli numerycznych, które reprezentują zróżnicowane podejście do modelowania i wyznaczania wartości oraz rozkładów naprężeń resztkowych. Mogą one być stosowane przy zachowaniu świadomości konsekwencji dopuszczanych w nich uproszczeń oraz jakości symulacji uwzględniających określone cechy mikrostruktury.

EN

Various materials are used as a surface layers on metal parts. Surface layers are usually formed under high temperature conditions. Residual stresses are a major problem concerning surface layers. Residual stresses are the primary cause of the surface layer’s deterioration and limit the life span of the component on which it is applied. The cause of residual stresses is the significant differences in the thermomechanical properties of the combined material phases of the coating and substrate. The paper presents a list of numerical models which represent a different approach to modeling and determining values and distributions of residual stresses. They can be used with the awareness of the consequences of simplifications allowed in them and the quality of simulations taking into account specific microstructure features.

2

Gradientowe kompozyty epoksydowe napełniane stopem Wood’a

Wierzbicki Ł.

Przetwórstwo Tworzyw

|

2015

|

T. 21, Nr 2 (164)

182--186

PL

Artykuł opisuje funkcjonalne polimerowe materiały gradientowe podstawowe techniki ich wytwarzania oraz wyniki badań wybranych charakterystyk fizycznych. W badaniach wykorzystano stop Wood’a oraz żywicę epoksydową (Epidian 6) sieciowaną trietylenotetraaminą (utwardzacz Z1). Wykonane kompozyty zawierały nominalnie 20, 40, 60 i 80 % stopu Wood’a. Próbki wykonano metodą odlewania grawitacyjnego w formach umożliwiających sedymentację składników kompozytu. Następnie przedstawiono wyniki badań wytrzymałości warstw o różnej zawartości procentowej napełniacza.

EN

The article describes the functional polymeric graded materials and their basic manufacturing techniques and the results of selected physical characteristics. In the research Wood’s alloy and epoxy resin (Epidian 6) cured with triethylenetetraamine (Z1 hardener) were used. Composites were made with nominally 20, 40, 60 and 80% by weight contents of the Wood’s alloy. The samples were made using gravity casting to the forms which allow to sedimentation of the components of composite. Next results of strength of the layers with different percentages of filler are presented.

3

Sprężystoplastyczny kontakt toczny z materiałami gradientowymi

Myśliński A., Chudzikiewicz A.

Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Mechanika

|

2015

|

z. 267

19--24

PL

Praca poświęcona jest numerycznemu wyznaczeniu maksymalnego naprężenia na brzegu kontaktu w zagadnieniu kontaktu tocznego. Naprężenie to powoduje szybkie zużycie powierzchni znajdujących się w kontakcie. Chociaż zagadnienie kontaktowe najczęściej rozważane jest jako sprężyste uważa się, że przyczyny zużycia powierzchni kontaktowych powodowane są pojawiającymi się odkształceniami plastycznymi. Badania eksperymentalne oraz symulacje numeryczne wskazują, że pokrycie powierzchni w kontakcie warstwą materiału gradientowego może zredukować kontaktowe naprężenia mechaniczne i cieplne. W pracy zostanie rozważone zagadnienie kontaktu tocznego pomiędzy sprężysto plastycznym ciałem a sztywnym kołem przy założeniu, że jedna z powierzchni jest pokryta materiałem gradientowym, którego własności zmieniają się wraz z jego grubością. Zjawisko kontaktu obejmujące tarcie i przepływ ciepła generowanego przez tarcie jest opisane sprzężonym układem równań sprężysto-plastycznego oraz przewodnictwo cieplnego. Pół-gładka metoda Newtona jest wykorzystana jako metoda obliczeniowa. Rozkłady temperatury i naprężenia na brzegu kontaktu są wyznaczone i przedyskutowane.

EN

The determination of maximal contact stress generating the rolling contact fatigue is one of the main goals in modeling wheel-rail dynamics. This damaging process is linked to plasticity usually neglected in wheel-rail contact models. Numerous laboratory and numerical experiments indicate that the use of a coating graded material layer attached to the conventional steel body can reduce the magnitude of contact and/or thermal stresses. Therefore in this paper we solve numerically the wheel-rail contact problem assuming the existence of a small layer on the rail. The mechanical and thermal properties are changing with its depth. The contact problem includes friction, frictional heat generation as well as heat transfer across the contact surface and wear. This contact problem is governed by the coupled elastoplatic and heat conductive equations. Temperature and stress distributions on the contact boundary are provided and discussed.

4

Gradient composite materials for artificial intervertebral discs

Migacz K., Chłopek J., Morawska-Chochół A.

Acta of Bioengineering and Biomechanics

|

2014

|

Vol. 16, no. 3

3--12

EN

Composites with the gradient of the Young’s modulus constitute a new group of biomimetic materials which affect the proper distribution of stresses between the implant and the bone. The aim of this article was to examine the mechanical properties of gradient materials based on carbon fibre-polysulfone composite, and to compare them to the properties of a natural intervertebral disc. Gradient properties were provided by different orientation or volume fraction of carbon fibres in particular layers of composites. The results obtained during in vitro tests displayed a good durability of the gradient materials put under long-termstatic load. However, the configuration based on a change in the volume fraction of the fibres seems more advantageous than the one based on a change of the fibres’ orientation. Studied materials were designed to replace the intervertebral disc. The effect of the Young’s modulus of the material layers on the stress distribution between the tissue and the implant was analyzed and the biomimetic character of the gradient composites was stated. Unlike gradient materials, the pure polysulfone and the non-gradient composite resulted in the stress concentration in the region of nucleus pulposus, what is highly disadvantageous and does not occur in the stress distribution of natural intervertebral discs.

5

Wpływ cząstek węgla kamiennego na twardość i ścieralność polimerowych materiałów gradientowych

Chomiak M., Stabik J.

Przetwórstwo Tworzyw

|

2013

|

[R.] 19, nr 6 (156)

582--591

PL

Artykuł przedstawia ocenę właściwości mechanicznych epoksydowych kompozytów gradientowych z cząstkami węgla kamiennego. Określono twardość Brinellai odporność na zużycie ścierne metodą Schoppera-Schlobacha kompozytów przy różnym udziale objętościowym napełniacza węglowego oraz dla kilku badanych warstw. Stwierdzono wyraźny wpływ cząstek węgla kamiennego na twardość oraz niewielki, statystycznie nieistotny spadek odporności na zużycie ścierne kompozytów z dodatkiem węgla kamiennego w relacji do żywicy epoksydowej nienapełnionej.

EN

Thias paper presents the evaluation of mechanical properties of graded epoxy composites with hard coal particles. Brinell hardness and wear resistance, tested with the Schopper-Schlobach method, of composites with different volume fractions of the hard coal filler and for the several testing layers were determined. There was a significant influence of coal particles on the hardness and a small, statistically insignificant, decrease in wear resistance of composites with the addition of coal in relation to epoxy resin without a filler were observed.

6

Struktura gradientowego kompozytu epoksydowego z napełniaczem węglowym

Stabik J., Chomiak M.

Przetwórstwo Tworzyw

|

2013

|

[R.] 19, nr 1 (151)

46--53

PL

Artykuł zawiera przegląd technik wykonania polimerowych materiałów gradientowych. Przedstawiono mikroskopowe badania struktury kompozytów oraz pokazano ich zalety i ograniczenia. W artykule omówiono zagadnienia przygotowania powierzchni próbek polimerowego materiału gradientowego do badań mikroskopowych. Następnie przedstawiono rezultaty badań struktury materiałów gradientowych o osnowie polimerowej napełnionej węglem kamiennym. Do wykonania kompozytów wykorzystano żywicę epoksydową, jako materiał osnowy oraz dwa rodzaje węgla kamiennego o różnej granulacji i własnościach. Kompozyty wytworzono stosując metodę odlewania grawitacyjnego i odśrodkowego.

EN

In the introduction article provides an overview of manufacture techniques of graded polymer materials. Microscopic examination techniques of composites structure are presented and discussed are their advantages and limitations. The article discusses the issues of surface preparation of polymeric graded materials specimens for microscopic examination. Next the paper presents the results of a study of the structure of polymeric graded materials with hard coal filler. For the production of composites material were used epoxy resin as the matrix and the two types of hard coal with different grain size and properties. The composites were prepared using the gravitational and centrifugal casting methods.

7

Metodyka przygotowania próbek polimerowego materiału gradientowego do badań mikroskopowych

Stabik J., Chomiak M., Suchoń Ł.

Przetwórstwo Tworzyw

|

2012

|

[R.] 18, nr 4

356-360

PL

W artykule omówiono zagadnienia przygotowania powierzchni próbek polimerowego materiału gradientowego do badań mikroskopowych. Próbki wykorzystane do badań wykonane były z żywicy epoksydowej jako materiału osnowy oraz proszku węgla kamiennego jako napełniacza. Kompozyty wytworzono stosując metodę odlewania odśrodkowego. Na podstawie analizy zdjęć mikroskopowych wybrano metodę pozwalającą na obserwacje próbek na mikroskopie świetlnym. Badania wykazały, że procedura szlifowania papierem ściernym a następnie polerowania na mokro, bez użycia materiału ściernego, pozwala na uzyskanie zdjęć mikroskopowych o najlepszej jakości z dobrze widocznymi ziarnami napełniacza.

EN

The article discusses the issues of surface preparation of polymeric gradient material for microscopic examination. Specimens used for research were made of epoxy resin as a matrix and coal powder as a filler. The composites were prepared using centrifugal casting method. The selected method allows the observation of the specimens using light microscopy on the basis of the analysis of microscopic images. Research has shown that the procedure of grinding with abrasive paper and then wet polishing, without the use of abrasive, allows to obtain microscopic images of best quality with clearly visible filler grains.

8

Wytwarzanie materiałów gradientowych technologiami przetwórstwa tworzyw polimerowych

Stabik J., Chomiak M., Dybowska A., Suchoń Ł.

Przetwórstwo Tworzyw

|

2011

|

[R.] 17, nr 3

221-225

PL

W artykule przedstawiono możliwości wykorzystania technologii przetwórstwa tworzyw polimerowych do wytwarzania materiałów gradientowych. Na wstępie krótko scharakteryzowano polimerowe materiały gradientowe a następnie przedstawiono wybrane technologie ich wytwarzania. Uwagę skupiono na takich technologiach jak odlewanie swobodne, odlewanie odśrodkowe, prasowanie, współwytłaczanie oraz polimeryzacja "in situ". Podano również przykłady wytworzonych materiałów i możliwości ich wykorzystania.

EN

The paper presents possibilities of application of plastics processing technologies to graded materials manufacturing. At the beginning Polymer Graded Materials (PGMs) are shortly characterized, next chosen technologies of their manufacture are presented. Attention is focused on such technologies as casting, centrifugal casting, pressing, co-extrusion and "in situ" polymerization. Examples of ready Polymer Gradient Materials and possibilities of their applications are also presented.

9

Gradientowa struktura epoksydowych materiałów kompozytowych napełnionych grafitem

Stabik J., Chomiak M.

Przetwórstwo Tworzyw

|

2011

|

[R.] 17, nr 6

515-520

PL

We wprowadzeniu artykuł zawiera przegląd technik wykonania polimerowych materiałów gradientowych, ze szczegółową charakterystyką metody odlewania. W części eksperymentalnej w artykule przedstawiono rezultaty badań struktury i właściwości elektrycznych materiałów gradientowych o osnowie polimerowej wzmocnionej grafitem. Do wykonania kompozytów wykorzystano żywicę epoksydową, jako materiał osnowy oraz dwa rodzaje grafitu o różnej granulacji i własnościach. Kompozyty wytworzono stosując metodę odlewania odśrodkowego.

EN

Introduction to this paper contents methods overview of gradient materials manufacture and describe in detail basic characteristics of casting method. In the experimental part the article describes results of structure and electric properties investigations of gradient materials with epoxy matrix and graphite reinforcement. Composites were made with epoxy resin as a matrix and two types of graphite with different granulations and features as reinforcements. Composites were manufactured using centrifugal casting methods.

10

Modelling of matrix degradation in piezocomposite actuators using graded material approximation

Pietrzakowski M.

Mechanics / AGH University of Science and Technology

|

2009

|

Vol. 28, no. 2

50-54

EN

The work deals with modelling of material degradation in piezoelectric fiber composite (PFC) layers, which operate as actuators in active laminated plates. The considered degradation process concerns reduction of the matrix material stiffness and is described based on the functionally graded material approach. It is assumed that distribution of the matrix damage, which develops at the outer surface of the actuator layer and progresses toward its inner part, can be approximated according to a power function. The dynamic analysis and calculations are focused on changes in the natural frequencies and amplitude-frequency characteristics of the active laminated plate depending on the degradation level.

PL

Praca dotyczy modelowania degradacji materiałowej w warstwach piezokompozytowych stosowanych jako aktuatory w aktywnych płytach laminowanych. Rozważany proces degradacji ograniczono do redukcji sztywności osnowy i opisano zgodnie z koncepcją materiału gradientowego. Założono, że rozkład uszkodzenia osnowy, które rozwija się na powierzchni zewnętrznej warstwy aktuatora i rozszerza do jej wnętrza, można w przybliżeniu opisać funkcją potęgową. Analizę dynamiczną i obliczenia ukierunkowano na określenie zmian częstości drgań własnych i charakterystyk amplitudowo-częstotliwościowych badanej aktywnej płyty w zależności od zakresu degradacji osnowy.

11

Effect of the substrate geometry on the residual stress state induced in a heat sink-laser diode system

Chmielewski M., Kaliński D., Pietrzak K., Golański D.

Materiały Elektroniczne

|

2009

|

T. 37, nr 3

21-29

EN

The thermal residual stresses generated during the joining process are very important in the technology of ceramic-metal joints. The distribution and magnitude of these stresses mostly depend on the differences in the thermal and mechanical properties of the components being joined, on the joining technique employed and also on the geometry of the joint. The knowledge of the effects exerted by each of these factors permits designing joints with the most advantageous distribution of stresses, so as to avoid or restrict their adverse effect on the operation of the system. In the present study, the residual stress state induced in a heat sink-laser diode system with various geometries of the heat-dissipating component was analyzed using the finite element method. The substrate was an aluminum nitride ceramic/copper joint. The variation of the stress level on a cross-section of the joint was examined and the stress concentration regions were determined. Based on the results obtained, the optimum configuration of the joint was found, such that ensured the maximum possible reduction of residual stresses.

PL

W technologii połączeń ceramiczno - metalowych bardzo istotnym czynnikiem są termiczne naprężenia własne, generowane w trakcie procesu spajania. Na ich rozkład i wielkość największy wpływ mają różnice we właściwościach cieplnych i mechanicznych spajanych elementów, rodzaj techniki spajania, a także geometria samego układu. Znajomość oddziaływania poszczególnych czynników pozwala projektować połączenia o najkorzystniejszym rozkładzie naprężeń, tak aby uniknąć bądź ograniczyć ich niekorzystny wpływ na pracę gotowych wyrobów. W pracy wykorzystano metodę elementów skończonych do analizy stanu termicznych naprężeń własnych w układzie odbiornik ciepła - dioda laserowa dla różnych geometrii układu odprowadzającego ciepło. Jako podłoże wykorzystano połączenie ceramiki z azotku glinu z miedzią. Analizowano zmiany poziomu naprężeń na przekroju złącza oraz wyznaczono obszary ich koncentracji. Na podstawie przeprowadzonych badań określono optymalną konfigurację złącza z punktu widzenia termicznych naprężeń własnych.

12

Biomateriały kompozytowe

Chłopek J.

Kompozyty

|

2009

|

R. 9, nr 1

3-18

PL

Przedstawiony artykuł ma charakter przeglądowy i prezentuje możliwości wykorzystania materiałów kompozytowych w medycynie. Stosując podejście biomimetyczne związane z naśladowaniem budowy i właściwości naturalnych tkanek, pokazuje zasady projektowania syntetycznych kompozytów spełniających kryteria biozgodności i biofunkcyjności. Analiza dotyczy zarówno kompozytów włóknistych, jak i ziarnistych i prezentuje, jak stosując materiały kompozytowe zawierające aktywne fazy biologiczne, można uzyskać efekty synergiczne prowadzące dodatkowo do wspomagania procesu regeneracji uszkodzonych tkanek. Takie podejście jest możliwe przy ścisłej współpracy głównie dwóch dyscyplin naukowych - nauki o materiałach i biologii. Większość przedstawionych zagadnień opiera się na badaniach własnych autora z uwzględnieniem najnowszych tendencji w rozwoju biomateriałów. W szczególności dotyczy to bioaktywnych kompozytów, kompozytów z udziałem włókien węglowych i organicznych, głównie dla spełnienia funkcji biomechanicznej, nanokompozytów, kompozytów gradientowych oraz zjawisk na styku materiał kompozytowy-środowisko biologiczne (płyny fizjologiczne, komórki, tkanki). Przeprowadzona analiza właściwości mechanicznych i biologicznych kompozytów stwarza dobrą podstawę do projektowania i otrzymywania wielofunkcyjnych materiałów implantacyjnych.

EN

The presented article has a review character and it shows the possibilities of using the composite materials in medicine. Applying the biomimetic approach connected with mimicking the structure and properties of natural tissues, it presents the principles of designing synthetic composites fulfilling the biocompatibility and biofunctionality criteria. The analysis concerns both fibrous and particle composites and it shows how it is possible to achieve the synergetic effect leading additionally to supporting the regeneration process of damaged tissues using the composite materials with biologically active phases. Such an approach is possible thanks to the cooperation of mainly two disciplines: materials science and biology. The majority of presented problems is based on author's researches, taking into consideration the latest trends in biomaterials development. Particularly, it concerns bioactive composites, composites with carbon and organic fibers, mainly for fulfilling biomechanical function, nanocomposites, graded composites and phenomena on the border of composite material-biological environment (physiological fluids, cells, tissues). In the case of bioactive composites it has been shown how it is possible to obtain biologically active composite with enhanced mechanical properties and osteointegration ability by modification of the carbon-carbon composites manufacture process by hydroxyapatite particles addition. This effect was caused by the presence of two mechanisms: one connected with hydroxyapatite, the second one with TCP formed after hydroxyapatite decomposition. The investigations conducted on composites made of resorbable polymers, mainly by means of FTIR method, showed that the presence of modifying phases changes the resorption rate of polymer and influences bone tissue regeneration process. The modifiers (particles or fibers) can act as active scaffolds which stimulate the growth of bone tissue. The properties and the geometry of these phases can decide about cellular and tissue reactions. The presence of strongly developed interfaces in composite materials influences durability of the received implants. Creep tests at various stress levels carried out on polisulfone-carbon fiber composite revealed that life-time of such implants is shorter than for pure polymers. Graded materials with Young's modulus, porosity and resorption rate gradients can decide about the stress distribution, ability to overgrowth with bone tissue and blood vessels creation (vascularization). The analysis of properties of composite materials is a good base for designing and manufacturing multifunctional implants with controlled mechanical and biological behaviour.

13

Structure of sintered gradient tool materials

Matula G., Gołombek K., Mikuła J., Dobrzański L. A.

Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering

|

2009

|

Vol. 32, nr 1

23-28

EN

Purpose: Investigation of influence of sintering conditions onto the structure of composite gradient tool materials. The chemical composition of the investigated materials’ core was corresponding to the M2 high-speed steel and was reinforced with the WC and TiC type hard carbide phases with the growing portions of these phases in the outward direction from the core to the surface. Design/methodology/approach: Powder Metallurgy, SEM, X-Ray Microanalysis. Findings: Changing of technological properties and structure of composite gradient tool materials (depending on the compositions of used mixtures and sintering temperature) was analyzed and described. Practical implications: Tool materials used especially for cutting tools and plastic forming tools. Originality/value: Providing of high properties characteristic of cemented carbides keeping high ductility characteristic of steel was achieved.

14

A new industrial-scale method of the manufacturing of the gradient structure materials and its application

Uliasz P., Knych T., Mamala A.

Archives of Metallurgy and Materials

|

2009

|

Vol. 54, iss. 3

711-721

EN

The article describes a novel manufacturing method of materials which exhibit variation in microstructure and thus functional properties along the direction perpendicular to the surface of material. The practical realization of the technological process is based on the combination of surface burnishing with friction heating resulted from the interaction of the tool tip with the material surface. This combination, by creation of specific conditions for plastic deformation, results in the formation of a material with the gradient microstructure which, in turn, contributes to the superior surface layer quality. The obtained results showed that the application of this method, in industrial practice, to porous materials may lead to the formation of the compact, void-free layers with the variable thickness on material surfaces and simultaneously keep geometrical dimensions of the final product with a required accuracy. The presented research pertains to the application of this method to the cast aluminum alloys used for casings of high-voltage switchgear and control gear which are filled with electroinsulating SF6 gas. The commonly used alloy for this purpose is an aluminum alloy in EN AC-42100 temper (Si 6.5 - 7.5 wt%, Mg 0.25 - 0.45 wt%). The alloy is characterized by good casting and mechanical properties as well as heat treatment ability. However, the products obtained in the casting technology may contain structural discontinuities (porosity, shrinkage porosity). During machining operations, the presence of porosity in a material may be a cause of defectiveness due to high requirements imposed by the leak tightness of flange joints.

PL

Praca dotyczy badań nad nową technologią uzyskiwania wyrobów o zmiennej strukturze i własnościach użytkowych na kierunku prostopadłym do powierzchni materiału. Praktyczna realizacja procesu technologicznego polega na połączeniu nagniatania powierzchniowego z nagrzewaniem tarciowym w celu wytworzenia warunków niezbędnych do odkształcenia plastycznego materiału. Zastosowane rozwiązanie umożliwia uzyskiwanie materiału o strukturze gradientowej. Zaprezentowana metoda ingerencji w materiał pozwala m.in. na otrzymanie wyrobów o podwyższonej jakości warstwy przypowierzchniowej. Uzyskane wyniki badan własności użytkowych wyrobów, cechujących się struktura porowata, wskazują na mozliwość wytwarzania litych, pozbawionych nieciągłości warstw powierzchniowych o zmiennej grubości w warunkach przemysłowych, przy jednoczesnym zagwarantowaniu wymiarów geometrycznych wyrobu. Aplikacyjny charakter pracy dotyczy przemysłowej technologii uszczelniania powierzchni odlewów przeznaczonych na osłony wysokonapięciowych rozdzielnic napełnianych elektroizolacyjnym gazem SF6. Materiałem konstrukcyjnym stosowanym do produkcji tego typu wyrobów jest stop aluminium w gatunku EN AC-42100 (Si 6,5 - 7,5 % mas., Mg 0,25 - 0,45 % mas.). Stopy te cechują się dobrymi własnościami odlewniczymi i mechanicznymi oraz zdolnością do obróbki cieplnej. Elementy uzyskiwane w technologii odlewania narażone są na niebezpieczenstwo występowania nieciągłości strukturalnych (porowatości, rzadzizny). Występujące w materiale porowatości mogą być powodem wybraków ze względu na wysokie wymagania dotyczące szczelności połączeń kołnierzowych.

15

FGMs generated method SHSM

Fraś E., Olejnik E., Janas A., Kolbus A.

Archives of Foundry Engineering

|

2009

|

Vol. 9, iss. 2

123-128

EN

In this study, a new SHSF (Self-Propagating High-Temperature Synthesis in Mould) process of synthesis of the functionally gradient materials (FGMs) was described. The said method enabled generating a thin, sub-surface layer of the MMC type in two alloys, i.e. in cast iron/NbC and Ni3Al/NbC systems. The layer was composed of fine-dispersed niobium carbides present in high volume content. The cast iron/NbC and Ni3Al/NbC materials fabricated by the SHSF process were next subjected to metallographic and structural examinations, combined with testing of mechanical properties.

16

Stability of Slender Non-Conservative Columns Made of Thermo-Active Gradient Materials

Kurnik W.

Machine Dynamics Problems

|

2008

|

Vol. 32, No. 4

50-66

EN

The paper is concerned with stability analysis of slender thin-walled cantilever beam subjected to axial distributed follower load, modelled as Leipholz columns and made of functionally gradient materials. Both transverse and longitudinal material gradients are studied as a result of different phase mixture with inclusion of thermo-active shape memory alloy (SMA). Attention is focused on the effect of phase transformation in SMA caused by increase of temperature and resulting in considerable changes of the local visco-elastic material properties which in turn affect system stability. Equivalent homogeneous beam stiffness and internal Kelvin-Voigt loss factor are determined using Kirchhoff's hypothesis and the visco-elastic principle. Partial equation of transverse column vibration is transformed to ordinary equations by means of two-mode Galerkin's discretisation based on the cantilever beam functions. Eigen-value behaviour and critical follower force are studied for various material gradient configurations. A concept of intelligent column is proposed utilizing longitudinal material functionality induced by non-uniform temperature distribution.

17

Kompozyty ceramika-metal otrzymywane z wykorzystaniem ceramicznych mas lejnych

Gizowska M., Szafran M., Bobryk E., Wasilewski Ł., Konopka K.

Kompozyty

|

2008

|

R. 8, nr 1

53-58

PL

Przedstawiono wyniki badań nad otrzymywaniem kompozytów ceramika-metal metodą odlewania mas lejnych na bazie proszków metalicznego i ceramicznego w formach gipsowych. Otrzymano kompozyty o osnowie z tlenku glinu z dwoma rodzajami fazy rozproszonej: z proszkiem żelaza oraz proszkiem niklu, dodawane w ilości 3% obj. w stosunku do fazy stałej. W roli rozpuszczalnika stosowano wodę destylowaną. W skład masy wchodziła także kompozycja upłynniaczy, nadająca masie lejnej odpowiednie właściwości reologiczne, związki powierzchniowo czynne oraz spoiwo. Środowisko masy lejnej i zjawiska zachodzące w obszarze podwójnej warstwy elektrycznej otaczające cząstki wpływają na mikrostrukturę kompozytów. Stosując proszek żelaza, można otrzymać kompozyty z gradientem stężenia cząstek żelaza poprzez dobór warunków (stężenie fazy stałej w masie lejnej, sił powodujących ruch cząstek żelaza). W przypadku proszku niklu w stosowanym środowisku występuje efekt heteroflokulacji (związany z przyciąganiem elektrostatycznym cząstek Al2O3 i Ni o przeciwnym wypadkowym ładunku warstwy podwójnej), sprzyjający równomiernej dystrybucji cząstek metalu w objętości próbki.

EN

In the study the results of researches considering the use of slip casting method in fabrication ceramic-metallic composites are presented. Slurry consisted of ceramic ([alpha]-Al2O3) and metallic powder suspended in water with addition of a liquidizers' composition (citric acid and diammonium citrate), surface-active agents and binders. Nickel (of average particle diameter 2.13 žm and density of 8.9 g/cm3) and iron (of average particle diameter 4 žm and density of 7.81 g/cm3) powders were used as a metallic phase. Both were added in amount of 3% by volume (in reference with total solid state amount). In the proposed environment (e.i. water as liquid medium, deflocculants) it is possible to control the distribution of iron particles in alumina matrix by means of solid state content in slurry, the forces causing the metal particles movement etc. Ceramic-metallic composites Al2O3-Fe with graded concentration of Fe particles were obtained by gravity sedimentation of heavier iron particles and by additional forcing the movement of iron particles in magnetic field. In the latter case higher concentration of solid state in the slurry could be used. The double layer surrounding the suspended iron and alumina particles has in both cases positive charge and there is so electrostatic attraction between them. The gradient of metallic particles concentration can be obtained when distance between the suspended particles in the slurry is bigger then the average metal particle diameter. Nickel particles in water show very low pH value of isoelectric point and in the produced slurry heterofloculation was observed. This effect can guarantee homogeneous distribution in Al2O3-Ni composites obtained via slip casting method.

18

Sintered composite gradient tool materials

Mikuła J., Matula G., Gołombek K., Dobrzański L.

Archives of Materials Science and Engineering

|

2008

|

Vol. 32, nr 1

25-28

EN

Purpose: Development of a new generation of the composite gradient tool materials with the core sintered with the matrix obtained using the powder metallurgy of the chemical composition corresponding to the HS6-5-2 highspeed steel reinforced with the WC and TiC type hard carbide phases with the growing portions of these phases in the outward direction from the core to the surface. Design/methodology/approach: Powder Metallurgy, SEM, X-Ray Microanalysis. Findings: Powder metallurgy processes were used to fabricate the proposed gradient materials, i.e., compacting in the closed die and sintering. The method of sequential pouring of the successive portions of the powder mixes into the die was used to ensure a high ductility of the fabricated material core with the HS6-5-2 steel matrix reinforced with the hard WC and TiC carbides phases, so that portions of powder with the high percentage of the hard carbides phases would form the outer layers of the prepreg. Practical implications: Employment of powder metallurgy for fabricating the steel based tool materials gives the possibility to preserve properties characteristic of the traditional cemented carbides and with the high ductility characteristic of steel, yet better than the traditional sintered high-speed steels obtained with the ASP method. Originality/value: Providing of high properties characteristic of cemented carbides with the high ductility characteristic of steel can be mostly because of the possibility of ensuring the gradients of the chemical composition and properties, cutting simultaneously fabrication costs thanks to savings made on the hard carbide phase, used in the tool surface layer only.

19

Zastosowanie mas lejnych do otrzymywania kompozytów ceramika-metal z gradientem stężenia cząstek metalu

Szafran M., Bobryk E., Gizowska M., Rosłoniec G., Konopka K.

Kompozyty

|

2007

|

R. 7, nr 3

126-129

PL

Przedstawiono badania nad zastosowaniem mas lejnych do otrzymywania kompozytów ceramika-metal z gradientem stężenia cząstek metalu. Masy lejne przygotowano z mieszaniny proszku Al2O3 i Fe, gdzie żelazo stanowiło 3% objętości mieszaniny. Zastosowanym rozpuszczalnikiem była woda destylowana. Ponadto w skład masy wchodziły spoiwo i taki układ upłynniaczy, który nadaje masie lejnej odpowiednie właściwości reologiczne. Masy lejne odlewano do form gipsowych, otrzymując kształtki o średnicy ok. 10 mm i wysokości 20 mm. Gradient stężenia cząstek metalu realizowano na dwa sposoby. Pierwszy z nich polegał na swobodnej sedymentacji cięższych cząstek żelaza pod wpływem siły ciężkości. Takie zjawisko może zajść jedynie wtedy, kiedy średnia odległość między cząstkami proszku ceramicznego w masie lejnej jest większa od średnicy cząstek metalu. Należy przy tym pamiętać, że odległości te są tym mniejsze, im mniejsza jest średnica zdyspergowanego proszku oraz im większe jest stężenie fazy stałej w zawiesinie. Przy zastosowaniu tej metody gradient stężenia cząstek metalu na wysokości kształtki otrzymano, wychodząc z masy lejnej o stężeniu fazy stałej 39,5% obj. W przypadku wymuszenia ruchu cząstek żelaza w polu magnetycznym w kierunku silnego magnesu możliwe jest uzyskanie gradientu stężenia cząstek metalu, stosując wyjściową masę lejną o stężeniu fazy stałej równej 42,6-50% obj.

EN

The main advantage of ceramic-metal composites is an increase of the fracture toughness of the brittle ceramic matrix. Functionally graded materials (FGM) in the mentioned system provides possibility to obtain material which properties such as fracture toughness, thermal, electrical conductivity etc. change as a function of distance from the surface of material. In the paper the method of ceramic-metal composites with gradient concentration of metal particles is presented. Slip casting was chosen as a composite forming method. The gradient was obtained by means of iron particles sedimentation under gravitation force. In the samples produced from more concentrated slurries magnetic field had to be used in order to obtain a FGM. The slurry consisted of a mixture of iron and alumina powders, liquidizers, surface-active agents and binders and water as a solvent. The composites Al2O3-Fe were fabricated from the slip casting slurry containing 39.5, 42.6, 50% (by volume) solid state. Obtaining FGM by the sedimentation in the gravity force field is possible only when the distance between the dispersed particles/agglomerates is bigger then the diameter of metal particle. Otherwise magnetic field applying is indispensable. Using magnetic field leads to graded character of iron particles distribution in samples produced from more concentrated slurries. Moreover metal particles agglomerates are situated along the magnetic field lines. A fluctuation of iron particles surface in a sample produced from slurry with high solid state concentration of 50% by volume, which is desirable in ceramic technological processes, proving graded distribution of iron along the axis of the composite sample.

20

Wytwarzanie kompozytów gradientowych Al2O3-Fe metodą odlewania z mas lejnych

Konopka K., Szafran M., Bobryk E.

Kompozyty

|

2006

|

R. 6, nr 1

57-61

PL

Przedstawiono metodę wytwarzania kompozytów ceramika-metal z gradientem stężenia cząstek metalu z wykorzystaniem metody odlewania z mas lejnych. Metoda ta polega na odpowiednim przygotowaniu ceramicznej masy lejnej składającej się z rozpuszczalnika, upłynniacza, spoiwa oraz proszku ceramicznego i proszku metalu. W pracy przedstawiono sposób dobierania mas lejnych, sposób wymuszenia gradientu pod wpływem siły ciężkości, a także pola magnetycznego (rys. 1). Wytworzono i zbadano kompozyty Al2O3-Fe z masy lejnej o stężeniu fazy stałej 40 i 50% i o zawartości Fe 5% obj. w stosunku do tlenku glinu. Sedymentacja cząstek metalu o gęstości znacznie wyższej od gęstości proszku ceramicznego pod wpływem siły ciężkości może zachodzić tylko wówczas, gdy odległości pomiędzy cząstkami proszku ceramicznego w ceramicznej masie lejnej są większe od średnicy cząstek metalu. W przypadku gdy rozmiar cząstek metalu jest porównywalny lub większy od odległości pomiędzy cząstkami proszku ceramicznego, rozmieszczenie cząstek żelaza w kompozycie jest równomierne (rys. 2). Gradient stężenia cząstek metalu może być wymuszony, gdy zastosuje się odlewanie w obecności magnesu umieszczonego pod formą gipsową. Pole magnetyczne powoduje ruch cząstek żelaza w kierunku magnesu (rys. 3). W kompozytach stwierdzono aglomeraty cząstek Fe (rys. 4).

EN

The principal advantage of ceramic-metal composites is an increase of the resistance to brittle fracture compared to that of the ceramic matrix. Functionally gradient composites is the special kind of composites because the variation of the percent content of the metallic phase in ceramic matrix allow to change the fracture toughness as a function of the distance from the surface of material. Moreover, it is possible to modify its electric, thermal and magnetic properties. In the paper the way of ceramic-metal composites with gradient concentration of metal particles is presented. As a method of composites fabrication the slip casting method was chosen. The process of metal particles sedimentation under gravitation force and magnetic field (Fig. 1) was used to achieve the gradient concentration of metal particles. In slip casting method the mixture of powders with addition of liquidizers, surface-active agents and binders is used. The proper selection of components in slip casting mass is crucial for obtaining the material, especially composites in which powders with different density are mixed. In the paper the way of preparing of slip casting mass is discussed. The AlaOj-Fe composites were fabricated from the slip casting mass containing 40 and 50 vol.% of solid phase (volume % of Fe equal to 5). The mkrostructure of composites were characterized by optical microscope and scanning electron microscope. Process of metal particles with higher density than the density of ceramic powder sedimentation under gravity force is possible when the distance between the ceramic powder particles are bigger than the size of metal particles. When the size of metal particles is equal or higher than the distance between the Al2O3 particles the distribution of Fe particle is uniform as it is shown in Figure 2. Magnetic force leads to gradient concentration of metal particles according to the schema presented in Figure 1, moreover the metal particles are situated along the line of magnetic field (Fig. 3). In the composites the Fe particles make agglomerates (Fig. 4).