Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

1 1) Keramika jako nejstarší konstrukční materiál 2) Modul pružnosti a pevnost 3) Podstata křehkosti 4) Statistická povaha pevnosti 5) Zkoušení keramik.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "1 1) Keramika jako nejstarší konstrukční materiál 2) Modul pružnosti a pevnost 3) Podstata křehkosti 4) Statistická povaha pevnosti 5) Zkoušení keramik."— Transkript prezentace:

1 1 1) Keramika jako nejstarší konstrukční materiál 2) Modul pružnosti a pevnost 3) Podstata křehkosti 4) Statistická povaha pevnosti 5) Zkoušení keramik 6) Zhouževnaťování Keramika

2 2 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 Keramika

3 3 Těsnící kroužky - SiC

4 4 Motivace  Aplikace u extrémně namáhaných součástí  Řezné nástroje (Al 2 O 3 /SiC W )  Otěruvzdorné součásti (Al 2 O 3 /SiC+ZrO 2 apod. )  Stavební prvky  Sedla ventilů  Komponenty motorů (Si 3 Ni 4 /SiC… SiC/SiC)  Pancíře (SiAlON /SiC … SiC/SiC)  Biokompatibilní implantáty (CaO.SiO 2 sklo / C, SiC)  Kosmické aplikace (sklo/C)  Synergie účinků  Principiálně nové užitné vlastnosti  Mechanické a fyzikální vlastnosti  Autodiagnostika  Obnova vlastností (zaléčování trhlin)

5 5 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) Keramika

6 6 KERAMIKA KOVY POLYMERY KOMPOZITY Moduly pružnosti materiálů

7 7 MateriálE[GPa] [Mg/m 3 ] E/  Ocel Al slitiny Al 2 O 3 korund Specifický modul pružnosti

8 8 Iontová vazba - keramika

9 9 Diamant Diamant Křemen Křemen Mřížka se vzdaluje od těsného uspořádání Kovalentní vazba - keramika

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

11 11 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 Podstata křehkosti Míra pevnosti Čisté kovy H/E  Volné dislokace Slitiny kovů H/E  Zablokované dislokace Keramika H/E  Ideální pevnost Nepohyblivé dislokace Míra pevnosti H/E (H  0,3Re)

12 12 1) Keramika jako nejstarší konstrukční materiál 2) Modul pružnosti a pevnost 3) Podstata křehkosti 4) Statistická povaha pevnosti 5) Zkoušení keramik 6) Zhouževnaťování Keramika

13 13 Podstata křehkosti iontová a kovalentní vazba - inherentně pevný a tvrdý materiál = vysoký odpor proti pohybu dislokací = nemožnost relaxace napětí na defektech

14 14 póry, aglomeráty, částice nečistot (inkluze), velká zrna, povrchové trhliny, poškození v důsledku kontaktu, trhliny v důsledku tepelných šoků Podstata křehkosti

15 15 MATERIÁL K Ic [ MPa.m 1/2 ] Šedá litina 10 až 25 Ocel 20 až 200 Sklo 0,6 - 1 Al 2 O 3 1 – 3,5 SiC 2,5 – 4 ZrO Podstata křehkosti

16 16 Podstata křehkosti

17 17 Motivace Podstata křehkosti

18 18 Přípustná velikost vad pevnost v tahu R m  200 MPa lomová houževnatost K IC  2 MPa.m 1/2 velikost trhliny 2a max = 60  m Podstata křehkosti

19 19 Zvýšení pevnosti keramik 1)Zmenšením přítomných vad - a max (zjemněním zrna, vysokou čistotou, precizní výroba, lapováním součástí) 2)Zvýšením lomové houževnatosti (zvýšením odporu proti šíření trhliny – design materiálu) Podstata křehkosti

20 20 Podstata křehkosti 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 pevnost Podstata křehkosti Statistická povaha křehkého lomu

21 21 Podstata křehkosti  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) Podstata křehkosti

22 22 Podstata křehkosti Konstrukční návrh z keramiky pravděpodobnost lomu (přežití) křída: P f = 0,3 řezný nástroj: P f = kosmická komponenta: P f = četnost faktor intenzity napětí aplikovaná K I pravděpodobnost lomu materiálová K IC, K R Podstata křehkosti

23 23 Podstata křehkosti Weibullova statistika pravděpodobnost přežití (neporušení) P S (V 0 ) jako poměr identických vzorků, každý o objemu V 0, který přežije zatížení napětím  k celkovému počtu vzorků m – Weibullův modul,  0 – parametr měřítka Podstata křehkosti

24 24 Podstata křehkosti m – Weibullův modul  0 – parametr měřítka pravděpodobnost porušení P f (V 0 ) v poli nehomogenního napětí Podstata křehkosti

25 25 Podstata křehkosti  když  =0, všechny vzorky jsou celé a tedy P s (V 0 ) = 1  když  roste, pak P s (V 0 ) klesá  dosadíme-li do rovnice za  =  0 zjistíme P s (V 0 ) = 1/e = 0,37, tj. při napětí  =  0 zůstane 37% vzorků neporušených a pravděpodobnost porušení je 63 % (Weibullovo napětí)  m - Weibullův modul - charakterizuje rozptyl, tj. jak moc se mění pevnost v okolí  0  (m  5 – cihla, m  10 – korundová keramika) Podstata křehkosti

26 26 Podstata křehkosti

27 27 1) Keramika jako nejstarší konstrukční materiál 2) Modul pružnosti a pevnost 3) Podstata křehkosti 4) Statistická povaha pevnosti 5) Zkoušení keramik 6) Zhouževnaťování Keramika

28 28 Experimentální techniky tahová zkouška Zkoušení keramik

29 29 Experimentální techniky W 0 = h 2 b/6 ohybová zkouška – pevnost v ohybu

30 30 vliv kvality povrchu !!! (Al 2 O 3 ) povrch po řezání povrch po broušení Experimentální techniky ohybová zkouška – pevnost v ohybu

31 31 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 Určení lomové houževnatosti

32 32 Experimentální techniky používat jen v krajním případě !!! Určení lomové houževnatosti indentační metody

33 33 Experimentální techniky  3 (4) bodový ohyb  přímé měření průhybu  akusticko emisní analýza  aplikovatelný při vysokých teplotách  jak připravit zárodečnou trhlinu (a vyhodnocovat) Určení lomové houževnatosti ohybové zkoušky

34 34 Experimentální techniky Y* min F M Y* min F M K Ic = ────── B W 1/2 B W 1/2 F c Y F c Y K Ic = ────── B W 1/2 B W 1/2 Určení lomové houževnatosti ohybové zkoušky

35 35 Experimentální techniky Y* min F M Y* min F M K Ic = ────── B W 1/2 B W 1/2 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 Určení lomové houževnatosti ohybové zkoušky

36 36 stable unstable 2mm 1 mm Určení lomové houževnatosti ohybové zkoušky Y* min F Max Y* min F Max K Ic = ────── B W 1/2 B W 1/2

37 37

38 38 Experimentální techniky vzorky s rovným vrubem (trhlinou) F c Y F c Y K Ic = ────── B W 1/2 B W 1/2 Určení lomové houževnatosti ohybové zkoušky

39 39 Experimentální techniky zkouška pevnosti ve vícesměrovém ohybu ring on ring test rozložení hlavních napětí Určení lomové houževnatosti ohybové zkoušky

40 40 uspořádání zkoušky plný 3D MKP model rozložení hlavních napětí zkouška pevnosti ve vícesměrovém ohybu ball on three ball test Experimentální techniky Určení lomové houževnatosti ohybové zkoušky

41 41 Zvýšení pevnosti keramik 1)Zmenšením přítomných vad - a max (zjemněním zrna, vysokou čistotou, precizní výroba, lapováním součástí) 2)Zvýšením lomové houževnatosti (zvýšením odporu proti šíření trhliny – design materiálu) Podstata křehkosti

42 42 změna křivky odporu proti šíření trhliny   Stínícími účinky na čele trhliny (crack tip shielding)  Přemostěním trhliny (crack bridging)  (  (Zhouževnatění vyvolané trajektorií trhliny) Zhouževnaťující mechanismy

43 43 výztuž výztuž  vlákna  částice -  mikro -nano krátká, dlouhá disperse částice matrice matrice  hrubozrnná polykrystalická  jemnozrnná polykrystalická  skelná až nanokrystalická Mikrostrukturní zdroje produkující „stínění “ Zhouževnaťující mechanismy

44 44  Změna geometrie trhliny (směru šíření, větvení, prohnutí)  mikrostrukturně kontrolované – velké částice v jemnozrnné matrici (self-reinforcement)  částicový kompozit s křehkými částicemi Zhouževnaťující mechanismy

45 45  Drsnostně indukované zhouževnatění Zhouževnaťující mechanismy

46 46  Vzájemná interakce mezi magistrální trhlinou a sítí mikrotrhlin Zhouževnaťující mechanismy

47 47 Zhouževnaťující mechanismy  Transformační zpevnění procesní zóna částice netransformovaná transformující se transformovaná

48 48  Přemostění trhliny křehkými částicemi jiné fáze Zhouževnaťující mechanismy

49 49  Přemostění trhliny křehkými částicemi jiné fáze Zhouževnaťující mechanismy

50 50 synergie základních zhouževnaťujících mechanismů:  přenos zatížení v elastické oblasti  přemostění trhliny  tření při elastické deformaci matrice  tření a vytrhávání vlákna z matrice  Přemostění trhliny a vytahování vláken (a částic) Zhouževnaťující mechanismy

51 51 komerčně dostupný kompozit (Shott Glass Meinz) Youngův modul [GPa] Poisson. konst. Koef. tepl. rozt. [K -1 ] Pevnost v tahu [MPa] Lomová houževnatost [MPam 0.5 ] skelná matr. DURAN®630,223, ,60,60,60,6 vlákno SiC Nicalon®1980,203, ?? (0,5) kompozit1180,213, ~ 26 SiC sklo BCN  Přemostění trhliny a vytahování vláken (a částic) Zhouževnaťující mechanismy

52 52 Skelná matrice s vlákny

53 53 uhlíková matrice + čedičová vlákna 3 MPa.m MPa.m 0.5 Přemostění trhliny a vytahování vláken

54 54 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 !!!


Stáhnout ppt "1 1) Keramika jako nejstarší konstrukční materiál 2) Modul pružnosti a pevnost 3) Podstata křehkosti 4) Statistická povaha pevnosti 5) Zkoušení keramik."

Podobné prezentace


Reklamy Google