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

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

Těsnící kroužky - SiC

Aplikace u extrémně namáhaných součástí Řezné nástroje (Al2O3/SiCW) 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)

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)

Moduly pružnosti materiálů KOMPOZITY POLYMERY KOVY KERAMIKA

Specifický modul pružnosti Materiál E [GPa]  [Mg/m3] E/ Ocel 210 7.8 27 Al slitiny 70 2.7 26 Al2O3 korund 390 3.9 100

Iontová vazba - keramika

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

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

Míra pevnosti H/E (H  0,3Re) 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 Zablokované dislokace Keramika H/E  8.10-2 Ideální pevnost Nepohyblivé dislokace

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

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

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

Podstata křehkosti MATERIÁL KIc [ MPa.m1/2 ] Šedá litina 10 až 25 Ocel Sklo 0,6 - 1 Al2O3 1 – 3,5 SiC 2,5 – 4 ZrO2 1 - 10

Podstata křehkosti

Motivace Podstata křehkosti

Podstata křehkosti Přípustná velikost vad pevnost v tahu Rm  200 MPa lomová houževnatost KIC  2 MPa.m1/2 velikost trhliny 2amax = 60 m

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

Podstata křehkosti Podstata křehkosti 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 pevnost

Podstata křehkosti 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 pravděpodobnost lomu (přežití) křída: Pf = 0,3 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

Podstata křehkosti Weibullova statistika pravděpodobnost přežití (neporušení) PS(V0) jako poměr identických vzorků, každý o objemu V0, který přežije zatížení napětím  k celkovému počtu vzorků m – Weibullův modul, 0 – parametr měřítka

Podstata křehkosti 0 – parametr měřítka m – Weibullův modul 0 – parametr měřítka pravděpodobnost porušení Pf(V0) v poli nehomogenního napětí

Podstata křehkosti Podstata křehkosti když  =0, všechny vzorky jsou celé a tedy Ps(V0) = 1 když  roste, pak Ps(V0) klesá dosadíme-li do rovnice za  = 0 zjistíme Ps(V0) = 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

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

tahová zkouška Experimentální techniky Zkoušení keramik

ohybová zkouška – pevnost v ohybu Experimentální techniky W0 = h2b/6

ohybová zkouška – pevnost v ohybu Experimentální techniky vliv kvality povrchu !!! (Al2O3) povrch po řezání povrch po broušení

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

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

Určení lomové houževnatosti ohybové zkoušky Experimentální techniky ohybové zkoušky 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 Experimentální techniky ohybové zkoušky Y*min FM KIc = ────── B W1/2 Fc Y

Určení lomové houževnatosti ohybové zkoušky Experimentální techniky ohybové zkoušky Y*min FM KIc = ────── 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

Určení lomové houževnatosti ohybové zkoušky 2mm ohybové zkoušky 1 mm stable unstable Y*min FMax KIc = ────── B W1/2

Určení lomové houževnatosti ohybové zkoušky Experimentální techniky ohybové zkoušky Fc Y KIc = ────── B W1/2 vzorky s rovným vrubem (trhlinou)

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

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

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

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

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

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

Zhouževnaťující mechanismy Drsnostně indukované zhouževnatění

Zhouževnaťující mechanismy Vzájemná interakce mezi magistrální trhlinou a sítí mikrotrhlin

Zhouževnaťující mechanismy Transformační zpevnění procesní zóna částice netransformovaná transformující se transformovaná

Zhouževnaťující mechanismy Přemostění trhliny křehkými částicemi jiné fáze

Zhouževnaťující mechanismy Přemostění trhliny křehkými částicemi jiné fáze

Zhouževnaťující mechanismy 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

Lomová houževnatost [MPam0.5] Zhouževnaťující mechanismy 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 tahu [MPa] Lomová houževnatost [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

Skelná matrice s vlákny

uhlíková matrice + čedičová vlákna Přemostění trhliny a vytahování vláken 3 MPa.m0.5 15 MPa.m0.5

Vývojový cyklus – design mikrostruktury podle součásti 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 !!!