Warianty tytułu
The role of thermal stresses in developing mechanical properties of ceramic composites
Języki publikacji
Abstrakty
Podczas studzenia wielofazowych tworzyw ceramicznych, w spieczonym materiale powstają naprężenia wewnętrzne wynikające z różnic rozszerzalności cieplnej faz składowych tworzywa. Badania nad wpływem naprężeń cieplnych na właściwości mechaniczne tworzyw kompozytowych przeprowadzone zostały na kompozycie AIN - TiB2 Rolę osnowy pełnił azotek glinu, w którym zdyspergowano dwuborek tytanu w ilościach: 5, 10, 15, 20 i 30 % obj. Współczynnik rozszerzalności cieplnej TiB2 jest blisko dwukrotnie większy od wrc AIN, tak, więc należało oczekiwać, że osnowa znajdować się będzie w stanie naprężeń ściskających, a zmiany udziałów objętościowych prowadzić będą do stopniowego nakładania się pól naprężeń wytwarzanych wokół ziaren fazy zdyspergowanej. Na wytworzonych techniką prasowania na gorąco materiałach określono właściwości sprężyste kompozytów, wykonano pomiary twardości, wytrzymałości na zginanie oraz określono wielkość krytycznego współczynnika koncentracji naprężeń. Ponadto przeprowadzono obserwacje mikroskopowe drogi pękania. Wykonano także obliczenia wielkości naprężeń cieplnych przy użyciu modeli analitycznych Selesinga i Taya oraz symulacje komputerowe stanu naprężeń przy pomocy programu Pro/Mechanica. W badaniach empirycznych stwierdzono występowanie maksimum wytrzymałości na zginanie w tworzywach o zawartości 10 % obj. fazy zdyspergowanej. Zmiany odporności na kruche pękanie miały charakter monotoniczny i wartość współczynnika Klc wzrastała w całym badanym zakresie składów. Poczynione obserwacje można wyjaśnić w oparciu o wyniki prac modelowych. Zwiększanie wytrzymałości na zginanie obserwowano w zakresie udziałów objętościowych, przy których ziarna fazy zdyspergowanej były od siebie oddalone a pola naprężeń wokół nich nie pokrywały się, a stan naprężeń matrycy można określić jako jednorodny. Zbliżanie ziaren fazy zdyspergowanej do siebie prowadzi, jak wykazują to symulacje komputerowe do powstania w ich obszarze naprężeń przeciwnego znaku ("rozciągających"). Ich obecność wspomaga wikłanie, odchylanie i rozgałęzianie drogi niszczenia, zatem prowadzi do zwiększania odporności na kruche pękanie jednak może niekorzystnie wpływać na wytrzymałość mechaniczną wskutek wewnętrznej nukleacji pęknięć.
During cooling of multiphase ceramic materials internal stresses build up. The result from different coefficients of thermal expansion of the constituent phases. The AIN - TiB2 system was used to study the influence of these stresses on the mechanical properties of the resulting composites. AIN played the role of the matrix into which 5 to 30 vol. % TiB2 inclusions were introduced. Coefficient of thermal expansion of TiB2 in nearly two times larger than that of AIN. This implies that the matrix should be under compressive stresses. It should also be expected that stress field around isolated inclusion grains will be more and more overlap with the increased TiB2 concentration. Hot pressing technique was applied to prepared samples suitable for elastic properties, fracture toughness and bending strength determination. Crack path were followed by microscopic observations. The stresses were calculated using Selsing and Taya equations. Also computer analyses of stress distribution using Pro/Mechanica programme were performed. Maximum strength was found in the system of 10 vol. % TiB2 content. Within the whole studied range KIc increased monotonically with the inclusion concentration. Model considerations allowed us to understand these results. Increase of strength occurred in the composition range of lower inclusion concentration. Within this range stresses around the neighbouring grains of inclusions do not overlap and stresses in the matrix are of the same sign. Inclusions grains approaching with their concentration lead to the overlapping of the stress fields related to them. Computer simulations indicates that it causes tensile stresses build up in these areas. Such stress field results in the crack deflection and branching and by itself leads to the fracture toughness increase.
Czasopismo
Rocznik
Tom
Strony
69-75
Opis fizyczny
Bibliogr. 8 poz., rys., wykr., tab.
Twórcy
autor
- Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Katedra Ceramiki Specjalnej
autor
- Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Katedra Ceramiki Specjalnej
autor
- Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Katedra Ceramiki Specjalnej
Bibliografia
- [1] K.T. Faber, G. Evans, “Crack deflection processes-I. Theory", Acta metall., 31 [4] (1983) 565-576.
- [2] K.K. Chawla, “Ceramic matrix composites”, London & Hall, 1993 str. 296-298.
- [3] Peter L. Swanson. Carolyn J. Fairbanks, Brian R. Lawn, Yiu- Wing Mai, Bernard J. Hoskey, “Crack-Interface Grain Bridging as a Fracture Resistance Mechanism in Ceramics: I, Experimental Study on Alumina”, J. Am. Ceram. Soc., 70 [4] (1987) 279- 289.
- [4] J. Lis, “Spiekalne proszki związków kowalencyjnych otrzymywane metodą samorozwijającej się syntezy wysokotemperaturowej (SHS)", Ceramika 44, 1994 str. 34-38.
- [5] J. Seising, “Internal Stresses in Ceramics”, J. Am. Ceram. Soc., 419(1961)
- [6] M. Taya, S. Hayashi, A. S. Kobayashi, H. S. Yoon. “Toughening of a Particulate-Reinforced Ceramic-Matrix Comoposite by Thermal Residual Stress", J. Am. Ceram. Soc., 73 [5] (1961) 1382-1391.
- [7] Dokumentacja programu Pro/Mechanica firmy PTC.
- [8] K.E. Oczoś. Kształtowanie ceramicznych materiałów technicznych. Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 1996 str. 92-93.
Typ dokumentu
Bibliografia
Identyfikatory
Identyfikator YADDA
bwmeta1.element.baztech-article-AGH1-0008-0044
JavaScript jest wyłączony w Twojej przeglądarce internetowej. Włącz go, a następnie odśwież stronę, aby móc w pełni z niej korzystać.