Keramika jako nejstar

1
Keramika

• Keramika jako nejstarší konstrukcní materiál
• Modul pružnosti a pevnost
• Podstata krehkosti
• Statistická povaha pevnosti
• Zkoušení keramik
• Zhouževnatování

2
Keramika

• Nejstarší konstrukcní materiál
• mostní konstrukce, vodovody (tlakové zatížení)
• užitná a okrasná keramika
• Technologický vývoj renesance použití
• Užitná keramika neprenáší mechanické napetí
  odolnost vuci teplotním šokum, vuci korozi a
  opotrebení
• Stavební materiály pevnostní vlastnosti
  dominantní úloha težké konstrukce
• Konstrukcní keramika biokeramika, lopatky
  cerpadel, sedla ventilu, filtry lehké
  konstrukce
• Abraziva a nástroje obrábecí nástroje pro práci
  za studena i za tepla, manipulacní nástroje

3
Tesnící kroužky - SiC
4
Motivace

• Aplikace u extrémne namáhaných soucástí
• Rezné nástroje (Al2O3/SiCW)
• Oteruvzdorné soucásti (Al2O3/SiCZrO2 apod. )
• Stavební prvky
• Sedla ventilu
• Komponenty motoru (Si3Ni4/SiC SiC/SiC)
• Pancíre (SiAlON /SiC SiC/SiC)
• Biokompatibilní implantáty (CaO.SiO2 sklo / C,
  SiC)
• Kosmické aplikace (sklo/C)
• Synergie úcinku
• Principiálne nové užitné vlastnosti
• Mechanické a fyzikální vlastnosti
• Autodiagnostika
• Obnova vlastností (zalécování trhlin)

5
Keramika
co by melo lákat konstruktéry použít keramiku
jako konstrukcní materiál velká hodnota
specifického modulu pružnosti tvrdost odolnost
vuci abrazi žáruvzdornost odolnost proti korozi,
chemická stálost atd. dan krehkost (odolnost
vuci teplotním šokum)
6
Moduly pružnosti materiálu
KOMPOZITY
POLYMERY
KOVY
KERAMIKA
7
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
8
Iontová vazba - keramika
9
Kovalentní vazba - keramika

• Diamant
• Kremen
• Mrížka se vzdaluje od tesného usporádání

10
Kovalentní vazba - sklo

• Kremenné sklo teplota tavení 1200C
• Na, Ca, Fe terminátori 700C

11
Míra pevnosti
Podstata krehkosti
iontová a kovalentní vazba - inherentne pevný a
tvrdý materiál vysoký odpor proti pohybu
dislokací tvrdý a lehký materiál chceme -
krehkost je daní za tyto vlastnosti
Míra pevnosti H/E (H ? 0,3Re)
Cisté kovy H/E ? 10-3-10-4 Volné dislokace Slitiny kovu H/E ? 10-2 Zablokované dislokace Keramika H/E ? 8.10-2 Ideální pevnost Nepohyblivé dislokace
12
Keramika

• Keramika jako nejstarší konstrukcní materiál
• Modul pružnosti a pevnost
• Podstata krehkosti
• Statistická povaha pevnosti
• Zkoušení keramik
• Zhouževnatování

13
Podstata krehkosti
iontová a kovalentní vazba - inherentne pevný a
tvrdý materiál vysoký odpor proti pohybu
dislokací nemožnost relaxace napetí na defektech
14
Podstata krehkosti
Podstata krehkosti

• póry, aglomeráty, cástice necistot (inkluze),
  velká zrna, povrchové trhliny, poškození v
  dusledku kontaktu, trhliny v dusledku tepelných
  šoku

15
Podstata krehkosti
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
16
Podstata krehkosti
17
Podstata krehkosti
Motivace
18
Podstata krehkosti

• Prípustná velikost vad pevnost v tahu
• Rm ? 200 MPa
• lomová houževnatost
• KIC ? 2 MPa.m1/2
• velikost trhliny
• 2amax 60 ?m

19
Podstata krehkosti
Zvýšení pevnosti keramik 1) Zmenšením
prítomných vad - amax (zjemnením zrna, vysokou
cistotou, precizní výroba, lapováním
soucástí) 2) Zvýšením lomové houževnatosti
(zvýšením odporu proti šírení trhliny
design materiálu)
20
Podstata krehkosti
Podstata krehkosti
Statistická povaha krehkého lomu
neexistuje jedna urcitá tahová pevnost dané
keramiky, ale pouze pravdepodobnost, že daný
vzorek (komponenta) má danou pevnost dva
nominálne stejné vzorky A a B mají rozdílnou
pevnost
21
Podstata krehkosti
Podstata krehkosti

• dva nominálne stejné vzorky A a B mají rozdílnou
  pevnost
• vetší vzorek má nižší pevnost
• (podle nejvetšího defektu)
• pevnost v ohybu je vetší než pevnost v tahu
• (cca 1,7 x)

22
Podstata krehkosti
Podstata krehkosti
Konstrukcní návrh z keramiky pravdepodobnost
lomu (prežití) krída Pf 0,3 rezný
nástroj Pf 10-2 kosmická komponenta Pf
10-8
aplikovaná KI
materiálová KIC , KR
cetnost
pravdepodobnost lomu
faktor intenzity napetí
23
Podstata krehkosti
Podstata krehkosti
Weibullova statistika pravdepodobnost prežití
(neporušení) PS(V0) jako pomer identických
vzorku, každý o objemu V0, který prežije zatížení
napetím ? k celkovému poctu vzorku m
Weibulluv modul, ?0 parametr merítka
24
Podstata krehkosti
Podstata krehkosti
m Weibulluv modul ?0 parametr
merítka pravdepodobnost porušení Pf(V0) v
poli nehomogenního napetí
25
Podstata krehkosti
Podstata krehkosti

• 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. pri napetí ? ?0 zustane 37 vzorku
  neporušených a pravdepodobnost porušení je 63
  (Weibullovo napetí)
• m - Weibulluv modul - charakterizuje rozptyl, tj.
  jak moc se mení pevnost v okolí ?0
• (m ? 5 cihla, m ? 10 korundová keramika)

26
Podstata krehkosti
27
Keramika

• Keramika jako nejstarší konstrukcní materiál
• Modul pružnosti a pevnost
• Podstata krehkosti
• Statistická povaha pevnosti
• Zkoušení keramik
• Zhouževnatování

28
Zkoušení keramik
tahová zkouška
Experimentální techniky
29
ohybová zkouška pevnost v ohybu
Experimentální techniky
W0 h2b/6
30
ohybová zkouška pevnost v ohybu
Experimentální techniky
vliv kvality povrchu !!! (Al2O3) povrch po
rezání povrch po broušení
31
Urcení lomové houževnatosti
indentacní metody Vickers, Knoop ohybové
zkoušky trámecku se zárodecným defektem - ostrá
trhlina cyklickým zatežováním - povrchová
trhlina indentací - povrchová trhlina mustkovou
metodou - rovný ostrý vrub - vrub typu
chevron zkoušky excentrickým tahem s vrubem typu
chevron
32
Urcení lomové houževnatosti
Experimentální techniky
indentacní metody
používat jen v krajním prípade !!!
33
Urcení lomové houževnatosti
Experimentální techniky
ohybové zkoušky

• 3 (4) bodový ohyb
• prímé merení pruhybu
• akusticko emisní analýza
• aplikovatelný pri vysokých teplotách
• jak pripravit zárodecnou trhlinu (a vyhodnocovat)

34
Urcení lomové houževnatosti
Experimentální techniky
ohybové zkoušky
Ymin FM KIc ------
B W1/2 Fc Y KIc ------
B W1/2
35
Urcení lomové houževnatosti
Experimentální techniky
ohybové zkoušky
Ymin FM KIc ------ B W1/2

• Vrub typu chevron pro urcování lomové
  houževnatosti geniální predpoklady
• ve vzorku není nutné vytváret trhlinu a merit
  její délku po zkoušce
• trhlina je držena ve stabilním režimu (hnací
  síla trhliny kompenzována vzrustající šírkou cela
  trhliny vrubu)
• trajektorie trhliny je držena v rovine
  chevronového vrubu

36
Urcení lomové houževnatosti
ohybové zkoušky
Ymin FMax KIc ------ B W1/2
37
(No Transcript)
38
Urcení lomové houževnatosti
Experimentální techniky
ohybové zkoušky
Fc Y KIc ------ B W1/2
vzorky s rovným vrubem (trhlinou)
39
Urcení lomové houževnatosti
Experimentální techniky
ohybové zkoušky
rozložení hlavních napetí
zkouška pevnosti ve vícesmerovém ohybu ring on
ring test
40
Urcení lomové houževnatosti
Experimentální techniky
ohybové zkoušky
usporádání zkoušky
plný 3D MKP model
rozložení hlavních napetí
zkouška pevnosti ve vícesmerovém ohybu ball on
three ball test
41
Podstata krehkosti
Zvýšení pevnosti keramik 1) Zmenšením
prítomných vad - amax (zjemnením zrna, vysokou
cistotou, precizní výroba, lapováním
soucástí) 2) Zvýšením lomové houževnatosti
(zvýšením odporu proti šírení trhliny
design materiálu)
42
Zhouževnatující mechanismy

• zmena krivky odporu proti šírení trhliny
• Stínícími úcinky na cele trhliny (crack tip
  shielding)
• Premostením trhliny (crack bridging)
• (Zhouževnatení vyvolané trajektorií trhliny)

43
Zhouževnatující mechanismy

výztuž ? vlákna ? cástice -
? mikro -nano krátká, dlouhá
disperse cástice

• matrice
• hrubozrnná polykrystalická
• jemnozrnná polykrystalická
• skelná až nanokrystalická

Mikrostrukturní zdroje produkující stínení
44
Zhouževnatující mechanismy

• Zmena geometrie trhliny (smeru šírení, vetvení,
  prohnutí)
• mikrostrukturne kontrolované velké cástice v
  jemnozrnné matrici (self-reinforcement)
• cásticový kompozit s krehkými cásticemi

45
Zhouževnatující mechanismy

• Drsnostne indukované zhouževnatení

46
Zhouževnatující mechanismy

• Vzájemná interakce mezi magistrální trhlinou a
  sítí mikrotrhlin

47
Zhouževnatující mechanismy

• Transformacní zpevnení

48
Zhouževnatující mechanismy

• Premostení trhliny krehkými cásticemi jiné fáze

49
Zhouževnatující mechanismy

• Premostení trhliny krehkými cásticemi jiné fáze

50
Zhouževnatující mechanismy

• Premostení trhliny a vytahování vláken (a cástic)

• synergie základních zhouževnatujících mechanismu
• prenos zatížení v elastické oblasti
• premostení trhliny
• trení pri elastické deformaci matrice
• trení a vytrhávání vlákna z matrice

51
Zhouževnatující mechanismy

• Premostení trhliny a vytahování vláken (a cástic)

• komercne dostupný kompozit (Shott Glass Meinz)

sklo
SiC
BCN
52
Skelná matrice s vlákny
53
uhlíková matrice cedicová vlákna
Premostení trhliny a vytahování vláken
3 MPa.m0.5 15 MPa.m0.5
54
Motivace

• Vývojový cyklus design mikrostruktury podle
  soucásti
• Design komponenty
• Výber matrice
• Výber vyztužující fáze
• Aplikace výztuže do matrice a výroba
• Vlastnosti, jejich zkoušení a optimalizace
• Hodnocení lomového chování soucástí konstrukce a
  vývoje technologie !!!