Transcript kompozyty o osnowie metalicznej

Kompozyty - wprowadzenie
Kompozyt – materiał złożony, utworzony z co najmniej dwóch komponentów (faz) o różnych właściwościach w taki
sposób, ze ma właściwości lepsze lub nowe w stosunku do komponentów użytych osobno lub wynikających
z prostego sumowania tych właściwości. Jest materiałem zewnętrznie monolitycznym, jednakże z widocznymi
granicami między komponentami.
Istotna cecha- możliwość przewidywania z dość dużą dokładnością uzyskania żądanych właściwości.
Uzyskiwane wskaźniki wytrzymałościowe – nieosiągalne w innych „klasycznych” materiałach.
Podstawowy problem przy projektowaniu i wytwarzaniu kompozytów – wykorzystanie pożądanych dla danego
zastosowania właściwości, z jednoczesnym wyeliminowaniem wad komponentów kompozytu.
Klasyfikacja kompozytów
1. Podział ze względu na pochodzenie:
a) „kompozyty naturalne”
b) kompozyty zaprojektowane i wytwarzane przez człowieka
2. Podział według przeznaczenia:
a) kompozyty konstrukcyjne,
b) kompozyty o szczególnych właściwościach fizycznych (lub chemicznych).
3. Podział według rodzaju osnowy:
a) kompozyty o osnowie niemetalicznej:
- polimerowej,
- ceramicznej,
- półprzewodnikowej,
b) kompozyty o osnowie metalicznej.
Kompozyty- projektowanie
„Filozofia” projektowania kompozytów
Dobór komponentów kompozytu opiera się na przewidywaniu jednego z dwóch typów
uzyskiwanych właściwości: sumarycznych lub wynikowych.
Właściwości sumaryczne
X-Y
X
Y

X-Y

Przykład: moduł Younga E w kierunku włókien w kompozytach zbrojonych włóknem ciągłym
EK = V E + (1-V )E
O

O

Gdzie VO – udział objętościowy składnika .
Kompozyty- projektowanie
Właściwości wynikowe (synergiczne)
X
X-Y



Y-Z
Przykład: Efekt magnetoelektryczny w kompozycie składającym się
z fazy magnetostrykcyjnej i piezoelektrycznej
Kompozyty- projektowanie
Podstawowa koncepcja budowy kompozytu: Osnowa + zbrojenie
Możliwe rodzaje zbrojenia:
1) Cząstki o średnicy 0,01 – 1,0 m (od 1 do 15%) równomiernie rozmieszczone w objętości osnowy
- mechanizm umocnienia dyspersyjnego.
2) Cząstki o średnicy większej niż 1m (powyżej 25%) - ograniczenie zdolności osnowy do odkształcania się.
3) Włókna o średnicy wynoszącej ułamek m do kilkuset m (od kilku do 70% i więcej
– rola osnowy polega na przenoszeniu obciążenia na wysoko wytrzymałe włókno.
Współczynnik wzmocnienia kompozytu:
Kompozyty- zbrojenie
Kompozyty- zbrojenie
Kompozyty- zbrojenie
Kompozyty- zbrojenie
Kompozyty- zbrojenie
Wyroby z włókna stosowane do zbrojenia kompozytów
Kompozyty- wytwarzanie
Wytwarzanie kompozytów - tym trudniejsze - im bardziej różnią się właściwościami jego
komponenty. Im bardziej różnią się właściwościami komponenty - tym lepsze (pożądane)
właściwości kompozytu.
Główne warunki technologii wytwarzania kompozytu dobrej jakości:

uniknięcie uszkodzeń włókien (komponentów zbrojenia)

zapewnienie ich rozmieszczenia zgodnie z projektem konstruktora

odpowiednie związanie zbrojenia z osnową – warunek najważniejszy i najtrudniejszy
do spełnienia
Najczęściej stosowane techniki łączenia włókna (zbrojenia) z osnową metaliczną:
zalewanie, nasycanie, infiltracja, natryskiwanie – osnowa znajduje się w stanie
ciekłym
przeróbka plastyczna – oba komponenty znajdują się w stanie stałym
metalurgia proszków – osnowa znajduję się w stanie stałym lub ciekłym, w zależności
od przyjętego wariantu technologicznego
Dobre związanie włókna z osnową – podstawowy i konieczny warunek dla uzyskania
kompozytu o wysokich wskaźnikach wytrzymałościowych.
Brak odpowiednio silnego związania – brak efektu wzmocnienia. Obciążenie zewnętrzne nie
jest przekazywane na zbrojenie (np. włókna) wprost przeciwnie – następuje zmniejszenie
przekroju czynnego osnowy.
Kompozyty- MMC
Kompozyty o osnowie metalicznej zbrojone cząstkami
Zalety zbrojenia cząstkami:
Znacznie mniejszy koszt kompozytu w porównaniu ze zbrojeniem włóknami ciągłymi
(tańsze wytwarzanie, tańsze - nawet o dwa rzędy wielkości – zbrojenie,
Możliwość wytwarzania metodami metalurgicznymi (odlewanie, metalurgia
proszków)
Właściwości zbliżone do izotropowych.
Najczęściej stosowane osnowy:
metale i stopy Al, Ti, Mg, miedź i fazy międzymetaliczne
Najczęściej stosowane cząstki zbrojenia:
tlenki - Al2O3; węgliki – SiC; borki – TiB
Zmiana właściwości osnowy zależy od:
ilości wprowadzonych cząstek,
kształtu i wymiarów cząstek (od kilku do kilkuset m),
zdolności zwilżania przez osnowę.
Kompozyty- MMC
Mechanical and physical properties of various ceramic particulate reinforcements commonly used
in the manufacture of modern discontinuously reinforced metal-matrix composites
Density,
g/cm3
Elastic
modulus
Knoop
hardness
GPa 106psi
Ceramic
Compressive
strength
MPa
ksi
Coefficient of
thermal
Specific thermal
expansion
conductivity, W ·
Btu ·
m2/kg · K
W/m
10–
10–6/
ft/h · 6
·K
/K
°F
ft2 ·°F
Thermal
conductivity
SiC
3.21
430 62.4
2480
2800
406.1
132
76.6
3.4
6.1
41.1
B4C
2.52
450 65.3
2800
3000
435.1
29
16.8
5.0
9.0
11.5
Al2O3
3.92
350 50.8
2000
2500
362.6
32.6
18.9
6.8
12.2
8.3
TiC
4.93
345 50.0
2150
2500
362.6
20.5
11.9
7.4
13.3
4.2
Materials properties and formability as a function of reinforcement particle size
Kompozyty- MMC
Kompozyty- MMC
Własności kompozytów metalicznych na osnowie stopów aluminium do przeróbki plastycznej
Modulus Yield strength Tensile strength
Ductility, %
Particle content, vol% GPa 106 psi MPa
ksi
MPa
ksi
6092 (Al-Mg-Si)-SiC
0
68.9 10.0
379
55
447.8
64.9
11
5
75.8 11.0
385.8
55.9
440.9
63.9
8
10
84.1 12.2
399.6
57.9
454.7
65.9
6
15
91.6 13.3
413.4
59.9
468.5
67.9
5
20
100
14.5
427.2
61.9
482.3
69.9
4.5
25
108.2 15.7
447.9
64.9
503.0
72.9
3
30
119.9 17.4
461.6
66.9
516.8
74.9
1.5
35
124.0 18.0
475.4
68.9
537.4
77.9
1.0
40
131.6 19.1
482.3
69.9
544.3
78.9
0.8
0
68.9 10.0
379
55
447.8
64.9
11
5
77.9 11.3
358.3
52.0
427.2
61.9
12
10
86.8 12.6
372.1
54.0
454.7
65.9
6
15
95.7 13.9
365.2
53.0
447.8
64.9
6
20
104.7 15.2
258.3
37.4
427.2
61.9
3
25
113.7 16.5
379
55
461.6
66.9
3
30
122.6 17.8
365.2
53.0
447.9
64.9
1
35
131.6 19.1
258.3
37.4
441
63.9
0.8
6092 (Al-Mg-Si)-B4C
Kompozyty- MMC
Własności kompozytów metalicznych na osnowie magnezu
Composite/vol% Yield stress Tensile strength
reinforcement
MPa
ksi
MPa
ksi
Modulus
Ductility, % GPa 106 psi
Comments
Pure Mg (Ref 61)
Mg
135
19.6 196
28.4
12
38
5.5
P/M
+ 20 SiCp
229
33.2 258
37.4
2
59
8.6
Cast
+ 10 SiCp
222
32.2 280
40.6
1.2
57
8.3
P/M
+ 20 SiCp
232
33.6 250
36.3
0.3
59
8.6
P/M
+ 30 SiCp
217
31.5 217
31.5
0.1
77
11.2
P/M
Kompozyty- MMC
Własności kompozytów metalicznych na osnowie stopów tytanu
Yield stress
Composite/alloy
MPa
ksi
Tensile strength
MPa
Modulus
Ductility, %
ksi
GPa 106 psi
Ti-6Al-4V + TiB (in situ during powder atomization, consolidation via powder extrusion) (Ref 66)
Ti-6Al-4V-0.9B
1190
173
1312
190
5
127
18.4
Ti-6Al-4V-1.4B
1135
165
1297
188
6.7
140
20.3
Ti-6Al-4V-1.7B
1202
174
1359
197
3.3
136
19.7
Ti-6Al-4V-2.2B
1315
191
1470
213
3.1
144
20.9
Ti-6Al-4V-1.3B-0.5C
1424
207
1424
207
6.7
138
20.0
Ti-6Al-4V + TiC (in situ during powder atomization, consolidation via powder extrusion) (Ref 66)
Ti-6Al-4V-0.5C
1183
172
1306
189
6.3
127
18.4
Ti-6Al-4V-0.9C
1124
163
1237
179
4.7
123
17.8
Ti-6Al-4V-1.8C
1329
193
1329
193
0
145
21.0
Ti-6Al-4V + TiC (mixed powders cold and hot pressed) (Ref 63)
Ti-6Al-4V + 10 vol% TiC
792
114.8
799
116
1.1
…
…
Ti-6Al-4V + 20 vol% TiC
943
136.7
959
139
0.3
139
20.2
Kompozyty- „in situ”
Kompozyty metaliczne in situ
Kompozyt tworzy się w wyniku krystalizacji zorientowanej (ukierunkowanej), która jest skutkiem
wywołania jednokierunkowego odprowadzania ciepła w czasie krzepnięcia. Celem jest otrzymanie
w całej objętości równoległego, ukierunkowanego rozmieszczenia faz.
Kompozyty- in situ
Właściwości i możliwości zastosowania kompozytów in situ
Główne zastosowanie – do pracy w wysokich temperaturach dzięki stabilności cieplnej struktury
np. łopatki turbin. Degradacji płytek fazy zbrojącej w wyniku procesów dyfuzyjnych zapobiega się
przez wprowadzanie dodatków utrudniających dyfuzję w osnowie.
Kompozyty- stosowanie
Problemy z upowszechnieniem stosowania kompozytów
Wymagane inne metody obliczeniowe niż dla materiałów jednolitych. Konieczność
komputerowego wspomagania projektowania – zweryfikowane programy są trudno
dostępne.
Trudności technologiczne wytwarzania odpowiednich włókien i kompozytów – wymagana
duża dyscyplina technologiczna.
Duży koszt jednostkowy kompozytu: od 10 do 100 razy większy niż dla materiałów
tradycyjnych.
Brak gwarancji uzyskania wymaganej jakości nawet przy 100% powtarzalności tej samej
techniki.
Potrzeba stosowania nowych metod obróbki, cięcia i łączenia – wzrasta rola klejenia.
Konieczność dostosowania rozwiązań konstrukcyjnych do wymagań techniki wytwarzania.
Powstawanie dość kosztownych odpadów produkcyjnych.
Kompozyty- zastosowanie MMC
Engine with integrally cast aluminum MMC cylinder liners
Discontinuously reinforced titanium (DRTi) automotive valves for the Toyota Altezza
Prototype aluminum MMC connecting rod
Kompozyty- zastosowanie MMC
Aluminum MMC driveshaft
Aluminum MMC brake rotors