FÁRADÁSOS REPEDÉSTERJEDÉS KÜLÖNBÖZŐ TÍPUSÚ KOMPOZITOKBAN Dr. Lukács János Mechanikai Technológiai Tanszék Csomós Zília Mechanikai Technológiai Tanszék Dr. Gácsi Zoltán Fémtani Tanszék Karcagi Rita Mechanikai Technológiai Tanszék Magyar Anita Analitikai Kémia Tanszék Tomolya Kinga Fémtani Tanszék VIII. Országos Törésmechanikai Szeminárium Miskolc, 2004. április 26-27.
A fáradásos repedésterjedés kinetikai diagramja Kinetic diagram of fatigue crack growth
A fáradásos repedésterjedés kinetikai diagramja különböző anyagokra Kinetic diagram of fatigue crack growth for different materials (R. O. Ritchie)
A vizsgált kompozit anyagok Investigated composite materials Mátrix Matrix
Erősítő fázis Reinforcing phase
Al99.5
SiC részecske
Al99.5
SiC particle
Előállítási módszer Manufacturing process sajtolás és állandó hőmérsékletű szinterelés pressing and isothermal sintering
kohóalumínium, Panex 33, Incofiber Al99.99, GDAlSi9Cu3 12K20 és Incofiber 12K50 karbon szál virgin aluminium, Panex 33, Incofiber Al99.99, GDAlSi9Cu3 12K20 and Incofiber 12K50 carbon fiber
folyékony infiltráció
poliészter polyester
pullwinding pullwinding
E-üveg szál E-glass fiber
liquid infiltration
MTS gyártmányú anyagvizsgáló rendszer a Miskolci Egyetem Mechanikai Technológiai Tanszékén MTS type electro-hydraulic test system at the Department of Mechanical Engineering University of Miskolc
Fárasztott próbatest az optikai repedéskövetéshez használt karcokkal Fatigued specimen with scratches using for optical method
A fáradásos repedés terjedése fém mátrixú részecske erősítéses kompozitokban Fatigue crack paths in particle reinforced MMCs (J.-B. Bailon; Z.-X. Tong) ¾
¾
¾
(a): a repedés megkülönböztetés nélkül keresztezi a mátrixot vagy az erősítő részecskéket – the crack arbitrarily crosses the matrix or the reinforcing particles, without preference (b): a repedés kanyarog a mátrixban, elkerülve az erősítő részecskéket – the crack meanders mainly through the matrix and avoids the reinforcing particles to a certain extent (c): a repedés úgy halad, hogy kölcsönhatásba lép az erősítő részecskékkel – the crack tends to preferably interact with the reinforcing particles
A vizsgált SiC részecske erősítésű Al99.5 mátrixú kompozitok fő jellegzetességei Main characteristics of the investigated SiC particle reinforced Al99.5 matrix composites Próbatest SiC mennyiség, K_1
Szemcseméret
tömeg%
jel
méret, µm
15
P500
kb. 14
10
kevert
K_10 K_8
5
kevert
K_12 K_2
15 10
K_11
kb. 7
kevert
K_9 K_8
P800
kevert
K_3 K_6
kevert
K_4 K_5
Megjegyzés
5
kevert
SiC részecske erősítésű Al99.5 mátrixú kompozit próbatest fáradásos repedésterjedési sebesség vizsgálata Fatigue crack growth test of SiC particle reinforced Al99.5 matrix composite specimen
A vizsgált SiC részecske erősítésű Al99.5 mátrixú kompozitok repedésméret-cikluszám görbéi Crack length vs. cycle number diagrams of tested SiC particle reinforced Al99.5 matrix composites
3.5 SiC_P500/Al_15w t%
Crack length, m m
3
SiC_P500/Al_15w t%
2.5
SiC_P500/Al_10w t%
2
SiC_P800/Al_15w t%
1.5
SiC_P800/Al_5w t%
1 0.5 0 0
10000
20000
30000
40000
Num ber of cycles, cycle
50000
60000
Fatigue crack growth, mm/cycle
A vizsgált SiC részecske erősítésű Al99.5 mátrixú kompozitok kinetikai diagramjai Kinetic diagrams of tested SiC particle reinforced Al99.5 matrix composites 1.00E-02
1.00E-03 SiC_P500/Al_15w t%
1.00E-04
SiC_P500/Al_15w t% SiC_P500/Al_10w t%
1.00E-05
SiC_P800/Al_15w t% SiC_P800/Al_5w t%
1.00E-06 1
10 Stress intensity factor range, MPam 1/2
Következtetések Ia. Conclusions Ia. A fáradásos repedés terjedése fém mátrixú részecske erősítésű kompozitokban elsődlegesen három típus szerint mehet végbe: a repedés keresztezi a mátrixot vagy a részecskét; a repedés kanyarog a mátrixban, elkerülve a részecskéket; a repedés kölcsönhatásba lép a részecskékkel. Fatigue crack propagation in particle reinforced metal matrix composites can be classified into three primary types of behaviour: the crack crosses the matrix or the particles; the crack meanders through the matrix avoiding the particles; the crack interacts with the particles.
Következtetések Ib. Conclusions Ib. A vizsgált alumínium mátrixú SiC részecske erősítésű kompozit anyagok esetében a fáradásos repedés különböző mechanizmus (típus) szerint terjedt. The fatigue cracks have propagated according to different mechanisms (types) in the tested SiC particle reinforced aluminium matrix composite materials.
Fáradásos repedésterjedési mechanizmusok fém mátrixú szálerősítéses kompozitokban I. A száltörés meghatározó – „erős” határfelület, „gyenge” erősítő szál Fatigue crack growth mechanisms in fiber reinforced MMCs I. Fiber fracture dominated – „strong” interface, „weak” reinforcement (K. S. Chan; D. L. Davidson)
Fáradásos repedésterjedési mechanizmusok fém mátrixú szálerősítéses kompozitokban II. A határfelületi dekohézió meghatározó – „gyenge” határfelület, „gyenge” erősítő szál Fatigue crack growth mechanisms in fiber reinforced MMCs II. Interface decohesion dominated – „weak” interface, „weak” reinforcement
Fáradásos repedésterjedési mechanizmusok fém mátrixú szálerősítéses kompozitokban III. A szál áthidalás a meghatározó – „gyenge” határfelület, „erős” erősítő szál Fatigue crack growth mechanisms in fiber reinforced MMCs III. Fiber bridging dominated – „weak” interface, „strong” reinforcement
Fém mátrixú szálerősítéses kompozitok károsodásának mikromechanikai modellezése Micromechanical modeling of failure of fiber reinforced MMCs (K. S. Chan)
lokális mátrix alakváltozás – localized matrix yielding ¾ határfelületi kötés megszakadás – interface debonding ¾ egyedi szál áthidalás – single fiber bridging ¾
Fém mátrixú szálerősítéses kompozitok törési mechanizmusai Fracture mechanisms diagram for MMCs (K. S. Chan)
¾
¾
¾
¾
A: mátrix képlékeny alakváltozás és száltörés – matrix yielding and fiber fracture B: korlátozott méretű határfelületi repedés és száltörés – limited interfacial cracking and fiber fracture C: jelentős méretű határfelületi repedés és száltörés – extensive interfacial cracking and fiber fracture D: szál áthidalás – fiber bridging
Rézzel bevont karbon szál mikroszerkezete (SEM vizsgálatok: Miskolci Egyetem Fémtani Tanszék)
Microstructure of Cu coated carbon fiber (SEM investigations: Physical Metallurgy Department of University of Miskolc)
A vizsgált karbon szál erősítésű alumínium mátrixú kompozitok fő jellegzetességei Main characteristics of the investigated carbon fiber reinforced aluminium matrix composites Matrix material
Type of C fiber
Vol % of fibers
Surface treatment
virgin aluminium
Panex 33
20
17.9 wt% Ni coating
Panex 33
20
48.9 wt% Ni coating
Panex 33
20
treatment in K2TiF6 solution
Panex 33
20
treatment in K2ZrF6 solution
Panex 33
20, 40
without treatment
Incofiber 12K20
40
20 wt% Ni coating
Incofiber 12K50
20, 40
50 wt% Ni coating
Incofiber 12K20
8
20 wt% Ni coating
Incofiber 12K50
8
50 wt% Ni coating
Panex 33
8
treatment in K2ZrF6 solution
Al99.99
GDAlSi9Cu3
A C/Al kompozitok előállítása Production of C/Al composites
Felületkezeletlen és nikkellel bevont karbon szál Al99.99 mátrixban (SEM vizsgálatok: Miskolci Egyetem Fémtani Tanszék)
Carbon fiber without surface treatment and Ni coated carbon fiber in Al99.99 matrix (SEM investigations: Physical Metallurgy Department of University of Miskolc)
A kohóalumínium mátrixú karbon szál erősítésű kompozitok vizsgálatainak főbb adatai Main data of the tests of carbon fiber reinforced virgin aluminium matrix composites Specimen
Material
Fiber vol%
Fmin/Fmax N/N
afinal mm
? Kfinal MPam1/2
A_1
Al matrix
-
1000/100
2.34
4.9
A_6
Al matrix
-
1400/140
4.84
14.0
A_2
C+Ni17,9%/Al
20
800/80
2.51
4.1
A_3
C+Ni48,9%/Al
20
1600/160
4.76
15.2
A_4
C+K2TiF6/Al
20
800/80
4.63
7.5
A_5
C+K2ZrF6/Al
20
800/80
2.53
4.1
A vizsgált kohóalumínium mátrixú kompozitok repedésméret-cikluszám görbéi Crack length vs. cycle number diagrams of tested virgin aluminium matrix composites
4 Crack length, mm
3.5
Al matrix Al matrix
3
C+Ni17,9% /Al_20v ol% C+K2TiF6/Al_20v ol%
2.5
C+K2ZrF6/Al_20v ol%
2 1.5 1 0.5 0 0
100000
200000
300000
Num ber of cycles, cycle
400000
500000
A vizsgált kohóalumínium mátrixú kompozitok kinetikai diagramjai Kinetic diagrams of tested virgin aluminium matrix composites
Fatigue crack grow th, m m /cycle
1.0E-02
1.0E-03
A l m a trix
1.0E-04
A l m a trix C +17 ,9% N i/A l_ 20 vol%
1.0E-05
C +K 2 T iF 6 /A l_ 2 0 v o l% C +K 2 Z rF 6 /A l_2 0 v o l%
1.0E-06
1
10 Stress intensity factor range, MPam 1/2
100
Kohóalumínium mátrix és karbon szállal erősített kompozit próbatestek a fáradásos repedésterjedési sebesség vizsgálatok után Virgin aluminium matrix and Carbon fiber reinforced composite specimens after fatigue crack growth tests
Az Al99.99 mátrixú karbon szál erősítésű kompozitok vizsgálatainak főbb adatai Main data of the tests of carbon fiber reinforced Al99.99 matrix composites Specimen
Material
Fiber vol%
Fmin/Fmax N/N
afinal mm
? Kfinal MPam1/2
R_1
Al matrix
-
1000/100
1.86
4.1
R_2
C/Al
20
900/90
1.69
3.4
R_3
C/Al
40
600/60
3.83
3.9
R_4
C+20%Ni/Al
40
800/80
2.23
3.6
R_5
C+50%Ni/Al
20
800/80
3.69
5.2
R_6
C+50%Ni/Al
20
600/60
3.82
4.0
R_7
C+50%Ni/Al
40
700/70
3.21
3.9
R_8
C+50%Ni/Al
40
800/80
2.93
4.2
A vizsgált karbon szál erősítésű Al99.99 mátrixú kompozitok repedésméret-cikluszám görbéi Crack length vs. cycle number diagrams of tested carbon fiber reinforced Al99.99 matrix composites 3 Al matrix
Crack length, mm
2,5
C/Al_20vol% C/Al_40vol%
2
C+20% Ni/Al_40vol% C+50% Ni/Al_20vol%
1,5
C+50% Ni/Al_20vol% C+50% Ni/Al_40vol%
1
C+50% Ni/Al_40vol%
0,5 0 0
1000000
2000000
3000000
Num ber of cycles, cycle
4000000
5000000
A vizsgált karbon szál erősítésű Al99.99 mátrixú kompozitok kinetikai diagramjai Kinetic diagrams of tested carbon fiber reinforced Al99.99 matrix composites
Fatigue crack growth, mm/cycle
1.0E-03
1.0E-04
1.0E-05
Al matrix
1.0E-06
C/Al_20vol% C/Al_40vol% C+20% Ni/Al_40vol% C+50% Ni/Al_20vol%
1.0E-07
C+50% Ni/Al_20vol% C+50% Ni/Al_40vol% C+50% Ni/Al_40vol%
1.0E-08 1
10 Stress intensity factor range, MPam1/2
A GDAlSi9Cu3 mátrixú karbon szál erősítésű kompozitok vizsgálatainak főbb adatai Main data of the tests of carbon fiber reinforced GDAlSi9Cu3 composites Specimen
Material
Fiber vol%
Fmin/Fmax N/N
afinal mm
? Kfinal MPam1/2
R_9
C+20%Ni/Al
8
650/65
3.31
4.0
R_10
C+50%Ni/Al
8
1800/180
3.79
12.5
R_11
C+K2ZrF6/Al
8
1800/180
3.54
11.7
A vizsgált karbon szál erősítésű GDAlSi9Cu3 mátrixú kompozitok repedésméret-cikluszám görbéi Crack length vs. cycle number diagrams of tested carbon fiber reinforced GDAlSi9Cu3 matrix composites 3 C+20% Ni/Al_8v ol%
Crack length, mm
2,5
C+50% Ni/Al_8v ol% C+K2ZrF6/Al_8v ol%
2 1,5 1 0,5 0 0
50000
100000
150000
Num ber of cycles, cycle
200000
A vizsgált karbon szál erősítésű GDAlSi9Cu3 mátrixú kompozitok kinetikai diagramjai Kinetic diagrams of tested carbon fiber reinforced GDAlSi9Cu3 matrix composites 1,0E-01
Fatigue crack growth, mm/cycle
C+20%Ni/Al_8vol%
1,0E-02
C+50%Ni/Al_8vol% C+K2ZrF6/Al_8vol%
1,0E-03
1,0E-04
1,0E-05
1,0E-06 1
10 Stress intensity factor range, MPam 1/2
100
A vizsgált karbon szál erősítésű aluminium mátrixű kompozitok kinetikai diagramjai Kinetic diagrams of tested carbon fiber reinforced aluminium matrix composites 1.0E-01 Fatigue crack growth rate, da/dN, mm/cycle
Al matrix_virgin Al Al matrix_virgin Al C+17,9%Ni/Al_20vol%
1.0E-02
1.0E-03
C+K2TiF6/Al_20vol% C+K2ZrF6/Al_20vol%
1.0E-04
Al matrix_Al99.99 C/Al_20vol%
1.0E-05
C+20%Ni/Al_40vol% C+50%Ni/Al_20vol%
1.0E-06
C+50%Ni/Al_20vol% C+50%Ni/Al_40vol%
C/Al_40vol%
C+50%Ni/Al_40vol% C+20%Ni/Al_8vol%
1.0E-07
C+50%Ni/Al_8vol% C+K2ZrF6/Al_8vol%
1.0E-08 1
10 Stress intensity factor range, ∆ K, MPam 1/2
100
Következtetések IIa. Conclusions IIa. A fáradásos repedés terjedése fém mátrixú szálerősítéses kompozitokban alapvetően három mechanizmus szerint mehet végbe, amely elsődlegesen a mátrix és az erősítő fázis relatív szilárdságától, valamint a határfelületi nyírószilárdságtól függ. Fatigue crack propagation in fiber reinforced metal matrix composites can be classified into three primary types of behaviour, which depend principally upon the relative strengths of the matrix and reinforcement, and the interfacial shear strength.
Következtetések IIb. Conclusions IIb. A vizsgált alumínium mátrixú karbon szál erősítésű kompozit anyagok esetében a határfelület tulajdonságai befolyásolták legerősebben a fáradásos repedés terjedését. The fatigue crack propagation behaviour of the investigated carbon fiber reinforced aluminium matrix composite materials was influenced strongest by the interfacial properties.
Következtetések IIc. Conclusions IIc. A vizsgált alumínium mátrixú karbon szál erősítésű kompozit anyagok esetében a legkedvezőbb fáradásos repedésterjedéssel szembeni ellenállást eredményező határfelület meghatározása további vizsgálatokat igényel. The determination of the most advantageous interface against fatigue crack propagation in tested carbon fiber reinforced aluminium matrix composite materials requires further investigations.
Ti mátrixú karbon szál erősítésű kompozitok kinetikai diagramjai Kinetic diagrams of carbon reinforced Ti matrix composites (X.H. Wu; P. Bowen)
Polimer mátrixú szálerősítéses kompozitok törési mechanizmusai Fracture mechanisms of fiber reinforced PMCs (R.G. Kander; A. Siegmann ) ¾ ¾ ¾ ¾ ¾
a: száltörés – fiber fracture b: mátrix törés – matrix fracture c: szálkihúzódás – fiber pull-out d: mátrix alakváltozás – matrix deformation e: határfelületi kötés megszakadás – fiber/matrix interface debounding
A vizsgált üvegszál erősítésű polimer mátrixú kompozit fő jellegzetességei Main characteristics of the investigated glass fiber reinforced polymer matrix composite Matrix material
Type of fiber
Vol% of fibers
Manufacturing process
polyester
E-glass
52
pullwinding
Az üvegszál erősítésű, polimer mátrixú kompozitok előállítása – pullwinding eljárás Production of glass fiber reinforced PMC – pullwinding process
A vizsgált poliészter mátrixú üvegszál erősítésű kompozit COD tartomány-cikluszám görbéi I. COD range vs. number of cycles diagrams of tested glass fiber reinforced polyester matrix composite II. 0.1
COD range, ∆ COD, mm
0.08
0.06
0.04 Specimen No.1
0.02
Specimen No.4
0 0
100000
200000
300000
400000
Number of cycles, N, cycle
500000
600000
A vizsgált poliészter mátrixú üvegszál erősítésű kompozit COD tartomány-cikluszám görbéi II. COD range vs. number of cycles diagrams of tested glass fiber reinforced polyester matrix composite II. 0.14 Specimen No.2
COD range, ∆ COD, mm
0.12
Specimen No.3
0.1
Specimen No.5
0.08 0.06 0.04 0.02 0 0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
Number of cycles, N, cycle
70000
80000
90000
Üvegszál erősítésű poliészter mátrixú kompozit próbatestek a fáradásos repedésterjedési sebesség vizsgálatok után Glass fiber reinforced polyester matrix specimens after fatigue crack growth tests
Következtetések IIIa. Conclusions IIIa. A polimer mátrixú szálerősítéses kompozitokban a tönkremenetel különböző formákban következthet be: száltörés, mátrix törés, szálkihúzódás, mátrix alakváltozás és határfelületi kötés megszakadás. Different failure types of fibre reinforced polymer matrix composites can be experienced: fibre fracture, matrix fracture, fibre pull-out, matrix deformation and fiber/matrix interface debounding.
Következtetések IIIb. Conclusions IIIb. A fáradásos repedésterjedés folyamata a vizsgált üvegszál erősítésű poliészter mátrixú kompozitban három szakaszra osztható, ahol a harmadik szakasz a kötés hosszirányú megszakadása (hasadás) a szál/mátrix határfelületen. Fatigue crack propagation in the tested glass fiber reinforced polyester matrix composite can be divided into three phases. The third phase belongs to the longitudinal debounding (cleavage) of the fibre/matrix interface.
Következtetések IIIc. Conclusions IIIc. A fáradásos repedésterjedés törésmechanikai paraméterekkel (például ∆K, ∆G or ∆J) való jellemzésére – üvegszál erősítésű polimer mátrixú kompozitban – további vizsgálatok szükségesek. Characterisation of fatigue crack propagation in glass fibre reinforced polymer matrix composite based on fracture mechanical parameters (e.g. ∆K, ∆G or ∆J) requires further investigations.
A szerzők köszönetüket fejezik ki az Országos Tudományos Kutatási Alapprogramok-nak (OTKA T034503 és T037432) és a Magyar Tudományos Akadémiának (Bolyai János Kutatási Ösztöndíj) a kutató munka támogatásáért.
Köszönöm a figyelmet! Authors wish to acknowledge the assistance given by the National Scientific Research Foundation (OTKA T034503 and T037432) and the Hungarian Academy of Sciences (Bolyai János Scholarship) for supporting the research.
Thank you for your attention!
