Keramika. 1) Keramika jako nejstarší konstrukční materiál
|
|
- Jaromír Navrátil
- před 9 lety
- Počet zobrazení:
Transkript
1 Keramika 1) Keramika jako nejstarší konstrukční materiál 2) Modul pružnosti a pevnost 3) Podstata křehkosti 4) Statistická povaha pevnosti 5) Zkoušení keramik 6) Zhouževnaťování 1
2 Nejstarší konstrukční materiál mostní konstrukce, vodovody (tlakové zatížení) užitná a okrasná keramika 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
3 Těsnící kroužky - SiC 3
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 Pancíře Biokompatibilní implantáty (Si 3 Ni 4 /SiC SiC/SiC) (SiAlON /SiC SiC/SiC) Kosmické aplikace (sklo/c) Synergie účinků Principiálně nové užitné vlastnosti Mechanické a fyzikální vlastnosti Autodiagnostika Obnova vlastností (zaléčování( trhlin) (CaO.SiO 2 sklo / C, SiC) 4
5 co by mělo lákat konstruktéry použít keramiku jako konstrukční materiál Keramika velká hodnota specifického modulu pružnosti tvrdost odolnost vůči abrazi žáruvzdornost odolnost proti korozi, chemická stálost atd. daň: křehkost (odolnost vůči teplotním šokům) 5
6 Moduly pružnosti materiálů KOMPOZITY POLYMERY KOVY KERAMIKA 6
7 Specifický modul pružnosti Materiál E ρ E/ρ [GPa] [Mg/m 3 ] Ocel Al slitiny Al 2 O 3 korund
8 Iontová vazba - keramika 8
9 Kovalentní vazba - keramika Diamant Mřížka se vzdaluje od těsného uspořádání Křemen 9
10 Kovalentní vazba - sklo Křemenné sklo teplota tavení 1200 C Na, Ca, Fe terminátoři 700 C 10
11 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 Re) Čisté kovy H/E Volné dislokace Slitiny kovů H/E 10-2 Zablokované dislokace Keramika H/E Ideální pevnost Nepohyblivé dislokace 11
12 Keramika 1) Keramika jako nejstarší konstrukční materiál 2) Modul pružnosti a pevnost 3) Podstata křehkosti 4) Statistická povaha pevnosti 5) Zkoušení keramik 6) Zhouževnaťování 12
13 Podstata křehkosti iontová a kovalentní vazba - inherentně pevný a tvrdý materiál = vysoký odpor proti pohybu dislokací = nemožnost relaxace napětí na defektech 13
14 Podstata křehkosti Podstata křehkosti póry, aglomeráty, částice nečistot (inkluze( inkluze), velká zrna, povrchové trhliny, poškození v důsledku kontaktu, trhliny v důsledku tepelných šoků 14
15 Podstata křehkosti MATERIÁL Šedá litina Ocel Sklo Al 2 O 3 SiC ZrO 2 K Ic Ic [ MPa.m 1/2 10 až až 200 0, ,5 2, /2 ] 15
16 Podstata křehkosti 16
17 Motivace Podstata křehkosti 17
18 Přípustná velikost vad pevnost v tahu R m 200 MPa lomová houževnatost K IC IC 2 MPa.m.m 1/2 Podstata křehkosti σ = R = f m K IC π a velikost trhliny 2a max = 60 µm 18
19 Podstata křehkosti Zvýšení pevnosti keramik σ = R = f m KIC πa 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) 19
20 Statistická povaha křehkého lomu Podstata křehkosti 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 20
21 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) 21
22 Konstrukční návrh z keramiky pravděpodobnost lomu (přežití) křída: P f = 0,3 řezný nástroj: P f = 10-2 kosmická komponenta: P f = 10-8 Podstata křehkosti Podstata křehkosti četnost aplikovaná K I materiálová K IC, K R pravděpodobnost lomu faktor intenzity napětí 22
23 Weibullova statistika Podstata křehkosti Podstata křehkosti pravděpodobnost přežití (neporušení) P S (V 0 ) jako poměr identických vzorků, každý o objemu V 0, který přežije zatížení napětím σ k celkovému počtu vzorků P s ( V ) 0 = exp σ σ0 m m Weibullův modul, σ 0 parametr měřítka 23
24 pravděpodobnost porušení P f (V 0 ) P ( ) ( ) f V0 = 1 Ps V 0 σ 0 = 1 exp σ ( ) P f V 0 Podstata křehkosti m Weibullův modul σ 0 parametr měřítka m Podstata křehkosti v poli nehomogenního napětí P f m 1 σ = 1 exp dv V0 V σ 0 24
25 σ 0 = exp σ ( ) P s V 0 m Podstata křehkosti Podstata křehkosti když σ =0, všechny vzorky jsou celé a tedy P s (V 0 ) = 1 když σ roste, pak P s (V 0 ) klesá dosadíme-li do rovnice za σ = σ 0 zjistíme P s (V 0 ) = 1/e = 0,37, tj. při napětí σ = σ 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 σ 0 (m 5 cihla, m 10 korundová keramika) 25
26 Podstata křehkosti P f ( V0 ) = 1 exp σ σ 0 m 26
27 Keramika 1) Keramika jako nejstarší konstrukční materiál 2) Modul pružnosti a pevnost 3) Podstata křehkosti 4) Statistická povaha pevnosti 5) Zkoušení keramik 6) Zhouževnaťování 27
28 tahová zkouška Zkoušení keramik Experimentální techniky Zkoušení keramik 28
29 ohybová zkouška pevnost v ohybu Experimentální techniky σ 0 = Fd 2W 1 0 E = W 0 = h 2 b/6 ( F ) 2 F1 3d1d ( ) 3 y y bh
30 ohybová zkouška pevnost v ohybu vliv kvality povrchu!!! (Al 2 O 3 ) 2 1 Experimentální techniky povrch po řezání ln[ln(1/(1-pfi))] ,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1, ln(k IC ) 2 povrch po broušení ln[ln(1/(1-pfi))] ,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1, ln(k IC ) 30
31 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
32 Experimentální techniky Určení lomové houževnatosti indentační metody K K IC IC = = 1/2 2 /5 1/ 2 [ 1/ 2] c Ek HVr 0,035 MPam r HV k 3 / 2 2 /5 1/ 2 [ 1/ 2] c Ek HVr 0,129 MPam r HV k používat jen v krajním případě!!! 32
33 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
34 Experimentální techniky Určení lomové houževnatosti ohybové zkoušky K Ic Y* min Y* min F M Ic = B W 1/2 K Ic F c Y Ic = B W 1/2 34
35 Experimentální techniky Určení lomové houževnatosti ohybové zkoušky K Ic Y* min Y* min F M Ic = 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 35
36 Určení lomové houževnatosti ohybové zkoušky 2mm ohybové zkoušky 14 glass as rec F max 2 load [ N ] mm 8 stable unstable deflection [mm] K Ic Y* min Y* min F Max Ic = B W 1/2 36
37 Síla [N] Průhyb [µm] 37
38 Experimentální techniky Určení lomové houževnatosti ohybové zkoušky 1 K Ic F c Y Ic = B W 1/2 ln (ln(1/(1-p f ))) 0-1 Glass vzorky s rovným vrubem (trhlinou) -2 chevron straight ln (K IC ) 38
39 Experimentální techniky Určení lomové houževnatosti ohybové zkoušky rozložení hlavních napětí zkouška pevnosti ve vícesměrovém ohybu ring on ring test 39
40 Experimentální techniky Určení lomové houževnatosti ohybové zkoušky uspořádání zkoušky plný 3D MKP model σ max = f. t F 2 rozložení hlavních napětí zkouška pevnosti ve vícesměrovém ohybu ball on three ball test 40
41 Podstata křehkosti Zvýšení pevnosti keramik σ = R = f m KIC πa 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) 41
42 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
43 Zhouževnaťující mechanismy matrice částice výztuž vlákna částice - mikro -nano krátká, dlouhá disperse hrubozrnná polykrystalická jemnozrnná polykrystalická skelná až nanokrystalická Mikrostrukturní zdroje produkující stínění 43
44 Zhouževnaťující mechanismy Změna geometrie trhliny (směru šíření, větvení, prohnutí) mikrostrukturně kontrolované velké částice v jemnozrnné matrici (self-reinforcement) částicový kompozit s křehkými částicemi 44
45 Drsnostně indukované zhouževnatění Zhouževnaťující mechanismy 45
46 Zhouževnaťující mechanismy Vzájemná interakce mezi magistrální trhlinou a sítí mikrotrhlin 46
47 Transformační zpevnění Zhouževnaťující mechanismy procesní zóna částice netransformovaná transformující se transformovaná 47
48 Zhouževnaťující mechanismy Přemostění trhliny křehkými částicemi jiné fáze 48
49 Zhouževnaťující mechanismy Přemostění trhliny křehkými částicemi jiné fáze fracture toughness K IC [ MPam 1/2 ] K IC = Ra / glass + Al 2 O roughness Ra [ µm ] 49
50 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 50
51 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 [MPam 0.5 ] skelná matr. DURAN 63 0,22 3, ,6 vlákno SiC Nicalon 198 0,20 3, ?? (0,5) kompozit 118 0,21 3, ~ 26 sklo SiC BCN 51
52 Skelná matrice s vlákny 52
53 uhlíková matrice + čedičová vlákna 3 MPa.m Přemostění trhliny a vytahování vláken.m MPa.m.m
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!!! 54
TECHNICKÉ MATERIÁLY II
Vysoká škola báňská Technická univerzita Ostrava TECHNICKÉ MATERIÁLY II učební text Zdeněk Jonšta Ostrava 2012 Recenze: Doc. Ing. Miroslav Greger, CSc. Mgr. Tomáš Fismol Název: Technické materiály II Autor:
Více1 Přednáška Konstrukční materiály
1 Přednáška Konstrukční materiály Stručný obsah přednášky: Základní skupiny konstrukčních materiálů. Vazby v pevných látkách. Vlastnosti materiálů. Krystalová stavba kovů. Millerovy indexy Motivace k přednášce
VíceEFEKTIVNÍ TERMOMECHANICKÉ VLASTNOSTI ZDIVA
EFEKTIVNÍ TERMOMECHANICKÉ VLASTNOSTI ZDIVA Vypracoval: Vedoucí diplomové práce: Prof. Ing. Jiří Šejnoha, DrSc. Datum: 20. 12. 2005 PODĚKOVÁNÍ Na tomto místě bych rád poděkoval všem, kteří se zasloužili
VíceVLIV TECHNOLOGIE SVAŘOVÁNÍ NA ZMĚNY MECHANICKÝCH HODNOT U MIKROLEGOVANÝCH OCELÍ
VLIV TECHNOLOGIE SVAŘOVÁNÍ NA ZMĚNY MECHANICKÝCH HODNOT U MIKROLEGOVANÝCH OCELÍ INFLUENCE OF WELDING TECHNOLOGY ON CHANGES OF MECHANICAL VALUES OF MICRO-ALLOYED STEELS Antonín Kříž Department of Material
VíceMATERIÁLY PRO ŘEZNÉ NÁSTROJE
VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV STROJÍRENSKÉ TECHNOLOGIE MATERIÁLY PRO ŘEZNÉ NÁSTROJE Interaktivní multimediální text pro všechny studijní programy FSI Doc. Ing. Anton
Více4.ZÁKLADNÍ VLASTNOSTI MATERIÁLů A JEJICH ZKOUŠENÍ
1 4.ZÁKLADNÍ VLASTNOSTI MATERIÁLů A JEJICH ZKOUŠENÍ Abychom mohli správně a hospodárně využívat technické materiály, musíme dobře znát jejich vlastnosti a umět je co nejpřesněji zjišťovat. V technické
VíceTECHNOLOGIE I TECHNOLOGIE OBRÁBĚNÍ 3. část
VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV STROJÍRENSKÉ TECHNOLOGIE TECHNOLOGIE I TECHNOLOGIE OBRÁBĚNÍ 3. část Interaktivní multimediální text pro bakalářský a magisterský studijní
VíceElektrický perkolační práh a dielektrické vlastnosti elastomerních nanokompozitů
Elektrický perkolační práh a dielektrické vlastnosti elastomerních nanokompozitů Electric percolation treshold and dielectric properties Bc. Martin Winkler Diplomová práce 2008 ***nascannované zadání s.
VíceThe Brave may not live forever but the cautious do not live at all!
The Brave may not live forever but the cautious do not live at all! Z knihy Byznys v plné nahotě od Richarda Bransona Úvodem bych chtěl poděkovat svému školiteli docentu Antonínu Blahovi za jeho podněty
VíceMetody studia mechanických vlastností kovů
Metody studia mechanických vlastností kovů 1. Zkouška tahem Zkouška tahem při pomalém zatěžování a za tzv. okolní teploty (10 C 35 C) je zcela základní a nejběžněji prováděnou zkouškou mechanických vlastností
VíceŘezná keramika. Moderní a produktivní způsob obrábění žárovzdorných slitin
Řezná keramika Moderní a produktivní způsob obrábění žárovzdorných slitin Obrábění pomocí řezné keramiky Použití Keramické třídy je možné použít pro široký okruh aplikací a materiálů, přičemž nejčastěji
VíceDLOUHODOBÉ MECHANICKÉ POD VLIVEM KOROZNÍHO PROSTŘEDÍ. INIS-mf 10145 SEMINÁŘ
Krajské rada čtskoslovtntké spolatnosti Sa kraj* ÓstřtdM odbornừkc«csvtf Žéruptvné aattrtélr Cs. společnost pro nauku a«t«m*ltefc f>»4 ČSAV Pobočka ÍSVTS VÔHŽ ftobré - étffewrné *«N*4IM Octli pro tntrff«f4kw
VíceTERMOMECHANICKÉ VLASTNOSTI
TERMOMECHANICKÉ VLASTNOSTI ŽÁROBETONŮ (ŽB) Jiří Hamáček, Jaroslav Kutzendörfer VYSOKÁ ŠKOLA CHEMICKO-TECHNOLOGICKÁ V PRAZE Ústav skla a keramiky & ŽÁROHMOTY, spol. s r.o. Třemošná VŠCHT, Praha 2008 TERMOMECHANICKÉ
VíceBrousicí kotouče a segmenty
Brousicí kotouče a segmenty Program úspěšnosti pro nejvyšší požadavky Velký výběr pro správné broušení Použití výkonných brousicích nástrojů je dnes důležitým faktorem pro funkci a hospodárnost produktů
VícePredikce vlastností kompozitů s. Technická univerzita v Liberci
Predikce vlastností kompozitů s textilní výztuží Optimalizace výrobního procesu Ing.. Blanka Tomková, Ph.D. Technická univerzita v Liberci Katedra textilních materiálů Kompozitní materiály nejdynamičtěji
VíceKompozitní materiály definice a rozdělení
Kompozitní materiály definice a rozdělení Technická univerzita v Liberci Doc. Ing. Karel Daďourek 2008 Rozdělení materiálů Požadavky na technické materiály Struktura technických materiálů Technické materiály
VíceOVMT Mechanické zkoušky
Mechanické zkoušky Mechanickými zkouškami zjišťujeme chování materiálu za působení vnějších sil, tzn., že zkoumáme jeho mechanické vlastnosti. Některé mechanické vlastnosti materiálu vyjadřují jeho odpor
VíceO POŽADAVCÍCH NA PROJEKT JADERNÝCH ZAŘÍZENÍ k zajištění jaderné bezpečnosti, radiační ochrany, fyzické ochrany a havarijní připravenosti
Státní úřad pro jadernou bezpečnost jaderná bezpečnost O POŽADAVCÍCH NA PROJEKT JADERNÝCH ZAŘÍZENÍ k zajištění jaderné bezpečnosti, radiační ochrany, fyzické ochrany a havarijní připravenosti bezpečnostní
Více4. OPOTŘEBENÍ STROJNÍCH SOUSTAV A VZNIK PORUCH
4. OPOTŘEBENÍ STROJNÍCH SOUSTAV A VZNIK PORUCH Po úspěšném a aktivním absolvování této KAPITOLY Budete umět: orientovat se v pojmech souvisejících s poruchami, jejich rozsahem, závažností a vznikem, popsat
VíceInnovatIon InovaCE CS
Innovation INOVACE CS 2 Nová rodina CF sort Korozivzdorné sorty Korozivzdorné sorty CF-S18Z zvýšená lomová houževnatost dovoluje nasazení velmi jemnozrnné sorty pro aplikace s vyšším ohybovým namáháním
VíceElektrické vlastnosti. Základní pojmy Elektrická vodivost Elektrostatické chování polymerů
Elektrické vlastnosti Základní pojmy Elektrická vodivost Elektrostatické chování polymerů Typy materiálů Látky umístěné v elektrickém poli: transport elektricky nabitých částic, tj. vzniká elektrický proud
VíceINFRA PVC QUANTUM KANALIZAČNÍ SYSTÉM QUANTUM KANALIZAČNÍ SYSTÉM QUANTUM SN 12, SN 16
INFRA KANALIZAČNÍ SYSTÉM QUANTUM PVC QUANTUM KANALIZAČNÍ SYSTÉM QUANTUM SN 12, SN 16 PIPES FOR LIFE KANALIZAČNÍ SYSTÉMY PVC QUANTUM Obsah 1. Základní údaje o systému 4 1.1 Konstrukce trubek 5 1.2. Chemická
VíceUčinit správnou volbu
Jak řešit problémy Učinit správnou volbu V katalogu Jak řešit problémy si snadno vyberete z nabídky výrobků Henkel ten nejlepší produkt Loctite, se kterým vyřešíte problémy v oblasti strojírenství, jak
VíceZPRACOVATELSKÉ VLASTNOSTI TEXTILNÍCH VLÁKEN
ZPRACOVATELSKÉ VLASTNOSTI TEXTILNÍCH VLÁKEN Literatura: Militký J. - Vaníček J. - Kryštůfek J. - Hartych W. Modifikovaná polyesterová vlákna. SNTL PRAHA, 1984 Blažek A. - Šutá Š. Vlastnosti textilních
VíceČÁST IX - M A K R O S K O P I C K É S Y S T É M Y
ČÁST IX - M A K R O S K O P I C K É S Y S T É M Y 38 Struktura makroskopických systémů 39 Mechanické vlastnosti 40 Tepelné vlastnosti 41 Elektrické vlastnosti 42 Magnetické vlastnosti 43 Termoelektrické
VíceVlastnosti cementových a polyuretanových lepidel
V Ý Z K U M N Ý Ú S T A V M A L T O V I N P R A H A spol. s r.o. Na Cikánce 2, Praha 5 - Radotín, PSČ 153 00 Vlastnosti cementových a polyuretanových lepidel Identifikační údaje Název organizace: Výzkumný
Více3. Elektricky vodivé materiály
3. Elektricky vodivé materiály Elektrické materiály posuzujeme podle jejich elektrické vodivosti KONDUKTIVITY (S/m) častěji RESISTIVITY (Ω/m) Konduktivita charakterizuje schopnost materiálu vést elektrický
VíceTechnické údaje. Nástroje pro soustružení Utvařeče
Řezné nástroje Nástroje pro soustružení Utvařeče... 8 Frézovací nástroje... 1 Celokarbidové frézy... Nástroje pro vrtání Celokarbidové a pájené vrtáky... 19 TAC vrtací nástroje... 2 Dělové vrtáky... 29...
VíceTERMOPLASTICKÉ ELASTOMERY - MODERNÍ POLYMERNÍ MATERIÁLY
Chem. Listy 91, 23-29 (1997) TERMOPLASTICKÉ ELASTOMERY - MODERNÍ POLYMERNÍ MATERIÁLY VRATISLAV DUCHÁČEK Pryž (vulkanizovaný elastomer) je charakterizována chemickými, tzv. příčnými" vazbami mezi polymerními
VíceSystémy pro opravy betonových konstrukcí a speciální malty.
Dodavatel speciálních stavebních materiálů Systémy pro opravy betonových konstrukcí a speciální malty. Systém Antol CLS Speciální malty Hydroizolace je již více než 140 let předním výrobcem v technologii
Více