Keramika. 1) Keramika jako nejstarší konstrukční materiál

Keramika 1)

2) 3) 4) 5) 6)

Keramika jako nejstarší konstrukční materiál Modul pružnosti a pevnost Podstata křehkosti Statistická povaha pevnosti Zkoušení keramik Zhouževnaťování

1

Keramika

Nejstarší konstrukční materiál mostní konstrukce, vodovody (tlakové zatížení) užitná a okrasná keramika Technologický vývoj – renesance použití Užitná keramika – nepřenáší mechanické napětí – odolnost vůči teplotním šokům, vůči korozi a opotřebení Stavební materiály – pevnostní vlastnosti dominantní úloha – těžké konstrukce Konstrukční keramika – biokeramika, lopatky čerpadel, sedla ventilů, filtry – lehké konstrukce Abraziva a nástroje – obráběcí nástroje pro práci za studena i za tepla, manipulační nástroje 2

Těsnící kroužky - SiC

3

Motivace

Aplikace u extrémně namáhaných součástí Řezné nástroje (Al2O3/SiCW) Otěruvzdorné součásti (Al2O3/SiC+ZrO2 apod. ) Stavební prvky Sedla ventilů Komponenty motorů (Si3Ni4/SiC… SiC/SiC) Pancíře (SiAlON /SiC … SiC/SiC) Biokompatibilní implantáty (CaO.SiO2 sklo / C, SiC) Kosmické aplikace (sklo/C) Synergie účinků Principiálně nové užitné vlastnosti Mechanické a fyzikální vlastnosti Autodiagnostika Obnova vlastností (zaléčování trhlin)

4

Keramika co by mělo lákat konstruktéry použít keramiku jako konstrukční materiál velká hodnota specifického modulu pružnosti tvrdost odolnost vůči abrazi žáruvzdornost odolnost proti korozi, chemická stálost atd. daň: křehkost (odolnost vůči teplotním šokům) 5

Moduly pružnosti materiálů KOMPOZITY

POLYMERY

KOVY

KERAMIKA

6

Specifický modul pružnosti ρ [Mg/m3] 7.8

E/ρ

Ocel

E [GPa] 210

Al slitiny

70

2.7

26

Al2O 3 korund

390

3.9

100

Materiál

27

7

Iontová vazba - keramika

8

Kovalentní vazba - keramika

Diamant Křemen Mřížka se vzdaluje od těsného uspořádání 9

Kovalentní vazba - sklo

Křemenné sklo – teplota tavení 1200°C Na, Ca, Fe – terminátoři – 700°C 10

Podstata křehkosti

Míra pevnosti

iontová a kovalentní vazba - inherentně pevný a tvrdý materiál = vysoký odpor proti pohybu dislokací tvrdý a lehký materiál chceme - křehkost je daní za tyto vlastnosti

Míra pevnosti H/E (H ≈ 0,3Re) Čisté kovy H/E ≈ 10-3-10-4 Volné dislokace

Slitiny kovů H/E ≈ 10-2 Zablokovan é dislokace

Keramika H/E ≈ 8.10-2 Ideální pevnost Nepohyblivé dislokace 11

Keramika 1)

2) 3) 4) 5) 6)


12

Podstata křehkosti iontová a kovalentní vazba - inherentně pevný a tvrdý materiál = vysoký odpor proti pohybu dislokací = nemožnost relaxace napětí na defektech

13

Podstata křehkosti Podstata křehkosti

póry, aglomeráty, částice nečistot (inkluze), velká zrna, povrchové trhliny, poškození v důsledku kontaktu, trhliny v důsledku tepelných šoků

14

Podstata křehkosti MATERIÁL

KIc [ MPa.m1/2 ]

Šedá litina

10 až 25

Ocel

20 až 200

Sklo

0,6 - 1

Al2O3

1 – 3,5

SiC

2,5 – 4

ZrO2

1 - 10 15

Podstata křehkosti

16

PodstataMotivace křehkosti

17

Podstata křehkosti Přípustná velikost vad pevnost v tahu Rm ≈ 200 MPa lomová houževnatost KIC ≈ 2 MPa.m 1/2

σ f = Rm

K IC = πa

velikost trhliny 2amax = 60 µm 18

Podstata křehkosti

Zvýšení pevnosti keramik

σ f = Rm

K IC = πa

1)

Zmenšením přítomných vad - amax (zjemněním zrna, vysokou čistotou, precizní výroba, lapováním součástí)

2)

Zvýšením lomové houževnatosti (zvýšením odporu proti šíření trhliny – design materiálu ) 19

Statistická povaha křehkého lomu


neexistuje jedna určitá tahová pevnost dané keramiky, ale pouze pravděpodobnost, že daný vzorek (komponenta) má danou pevnost dva nominálně stejné vzorky A a B mají rozdílnou pevnost20


dva nominálně stejné vzorky A a B mají rozdílnou pevnost větší vzorek má nižší pevnost (podle největšího defektu) pevnost v ohybu je větší než pevnost v tahu (cca 1,7 x)

21


Konstrukční návrh z keramiky pravděpodobnost lomu (přežití) křída: Pf = 0,3 řezný nástroj: Pf = 10-2 kosmická komponenta: Pf = 10-8 aplikovaná KI

materiálová KIC , KR

četnost

pravděpodobnost lomu

faktor intenzity napětí

22


Weibullova statistika pravděpodobnost přežití (neporušení) PS(V0) jako poměr identických vzorků, každý o objemu V 0, který přežije zatížení napětím σ k celkovému počtu vzorků   σ  m  Ps (V0 ) = exp −      σ 0  

m – Weibullův modul, σ0 – parametr měřítka 23


m – Weibullův modul σ0 – parametr měřítka pravděpodobnost porušení Pf(V 0) Pf (V0 ) = 1 − Ps (V0 )   σ m      Pf (V0 ) = 1 − exp −      σ 0  

v poli nehomogenního napětí  1  σ m    dV  Pf = 1 − exp − ∫  V0 V  σ 0     24

  σ  m  Ps (V0 ) = exp −      σ 0  


když σ =0, všechny vzorky jsou celé a tedy Ps(V0) = 1 když σ roste, pak Ps(V0) klesá dosadíme-li do rovnice za σ = σ0 zjistíme Ps(V0) = 1/e = 0,37, tj. při napětí σ = σ0 zůstane 37% vzorků neporušených a pravděpodobnost porušení je 63 % (Weibullovo napětí) m - Weibullův modul - charakterizuje rozptyl, tj. jak moc se mění pevnost v okolí σ0 (m ≈ 5 – cihla, m ≈ 10 – korundová keramika)

25

Podstata křehkosti

  σ m      Pf (V0 ) = 1 − exp −    σ 0  

26

Keramika 1)

2) 3) 4) 5) 6)


27

tahová zkouška

Experimentální techniky Zkoušení keramik

28

techniky ohybová zkouška – pevnostExperimentální v ohybu

Fd1 σ0 = 2W0

W0 = h2b/6

( F2 − F1 )3d1d 22 E= (y 2 − y1)bh3

29

techniky ohybová zkouška – pevnostExperimentální v ohybu

vliv kvality povrchu !!! (Al2O3)

2

povrch po řezání

ln[ln(1/(1-Pfi ))]

1 0 -1

1

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

1,6

-2 -3 -4

ln(K IC )

2

povrch po broušení

ln[ln(1/(1-Pfi ))]

1 0 1

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

1,6

-1 -2 -3 -4

ln(KIC)

30

Určení lomové houževnatosti indentační metody – Vickers, Knoop ohybové zkoušky trámečků se zárodečným defektem - ostrá trhlina cyklickým zatěžováním - povrchová trhlina indentací - povrchová trhlina můstkovou metodou - rovný ostrý vrub - vrub typu chevron zkoušky excentrickým tahem s vrubem typu chevron

31

Experimentální techniky Určení lomové houževnatosti indentační metody

KIC

c = 0,035   r 

KIC

c = 0,129  r 

používat jen v krajním případě !!!

−1 / 2

 Ek     HV 

−3 / 2

2/5

HVr 1/ 2 MPam 1/ 2 k

[

]

2/5

HVr 1/ 2 MPam 1/ 2 k

[

]

 Ek    HV  

32

Experimentální techniky Určení lomové houževnatosti ohybové zkoušky

3 (4) bodový ohyb přímé měření průhybu akusticko emisní analýza aplikovatelný při vysokých teplotách jak připravit zárodečnou trhlinu (a vyhodnocovat)

33


Y*min FM K Ic = ────── B W1/2

Fc Y K Ic = ────── B W1/2 34


Y*min FM K Ic = ────── B W1/2

Vrub typu chevron pro určování lomové houževnatosti – „geniální“ předpoklady : ve vzorku není nutné vytvářet trhlinu a měřit její délku po zkoušce trhlina je držena ve stabilním režimu (hnací síla trhliny kompenzována vzrůstající šířkou čela trhliny = vrubu) trajektorie trhliny je držena v rovině chevronového vrubu

35

Určení lomové houževnatosti ohybové zkoušky 2mm

load [ N ]

14

Fmax

glass as rec

2

12

1 10

1 mm

stable

8

0.004

0.006

0.008

unstable

0.01

deflection [mm]

Y*min FMax K Ic = ────── B W1/2

36

14

12

Síla [N]

10

8

6

4

2

0 0

1

2

3

4

5

6

Průhyb [µm]

37


1

Fc Y KIc = ────── B W1/2

vzorky s rovným vrubem (trhlinou)

ln (ln(1/(1-P f)))

Glass 0

-1

chevron straight

-2

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

ln (KIC)

0

0.2

0.4

38


rozložení hlavních napětí

zkouška pevnosti ve vícesměrovém ohybu ring on ring test

39


uspořádání zkoušky

σ max = f .

plný 3D MKP model

F t2 rozložení hlavních napětí

zkouška pevnosti ve vícesměrovém ohybu ball on three ball test 40

Podstata křehkosti

Zvýšení pevnosti keramik

σ f = Rm

K IC = πa

1)

Zmenšením přítomných vad - amax (zjemněním zrna, vysokou čistotou, precizní výroba, lapováním součástí)

2)

Zvýšením lomové houževnatosti (zvýšením odporu proti šíření trhliny – design materiálu ) 41

Zhouževnaťující mechanismy změna křivky odporu proti šíření trhliny Stínícími účinky na čele trhliny (crack tip shielding)

Přemostěním trhliny (crack bridging)

(Zhouževnatění vyvolané trajektorií trhliny)

42

Zhouževnaťující mechanismy výztuž vlákna krátká, dlouhá

matrice

částice disperse

mikro -nano

částice hrubozrnná polykrystalická

jemnozrnná polykrystalická

skelná až nanokrystalická

Mikrostrukturní zdroje produkující „stínění“

43

Zhouževnaťující mechanismy

Změna geometrie trhliny (směru šíření, větvení, prohnutí) mikrostrukturně kontrolované – velké částice v jemnozrnné matrici (self-reinforcement) částicový kompozit s křehkými částicemi

44


Drsnostně indukované zhouževnatění

45


Vzájemná interakce mezi magistrální trhlinou a sítí mikrotrhlin

46


Transformační zpevnění procesní zóna

částice netransformovaná

transformující se

transformovaná 47


Přemostění trhliny křehkými částicemi jiné fáze

48


fracture toughness KIC [ MPam1/2 ]

Přemostění trhliny křehkými částicemi jiné fáze

2.5 KIC = Ra / 4 + 0.65 2

1.5

1

0.5

glass + Al2 O3 0 0

1

2

3

roughness Ra [ µm ]

4

5

49


Přemostění trhliny a vytahování vláken (a částic) synergie základních zhouževnaťujících mechanismů: přenos zatížení v elastické oblasti přemostění trhliny tření při elastické deformaci matrice tření a vytrhávání vlákna z matrice

50


Přemostění trhliny a vytahování vláken (a částic) komerčně dostupný kompozit (Shott Glass Meinz) Youngův modul [GPa]

Poisson. konst.

Koef. tepl. rozt. [K-1]

Pevnost v Lomová tahu houževnatost [MPa] [MPam0.5]

skelná matr. DURAN®

63

0,22

3,25.10-6

60

0 ,6

vlákno SiC Nicalon®

198

0,20

3,0 .10-6

2750

?? (0,5)

kompozit

118

0,21

3,1 .10-6

600-700

~ 26

sklo

SiC

BCN

51

Skelná matrice s vlákny

52

uhlíková matrice + čedičová vlákna

3

MPa.m0.5

Přemostění trhliny a vytahování vláken

15 MPa.m0.5

53

Motivace

Vývojový cyklus – design mikrostruktury podle součásti Design komponenty Výběr matrice Výběr vyztužující fáze Aplikace výztuže do matrice a výroba Vlastnosti, jejich zkoušení a optimalizace

Hodnocení lomového chování součástí konstrukce a vývoje technologie !!! 54

Keramika. 1) Keramika jako nejstarší konstrukční materiál

Recommend Documents