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
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
Těsnící kroužky - SiC 3
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
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
Moduly pružnosti materiálů KOMPOZITY POLYMERY KOVY KERAMIKA 6
Specifický modul pružnosti Materiál E ρ E/ρ [GPa] [Mg/m 3 ] Ocel 210 7.8 27 Al slitiny 70 2.7 26 Al 2 O 3 korund 390 3.9 100 7
Iontová vazba - keramika 8
Kovalentní vazba - keramika Diamant Mřížka se vzdaluje od těsného uspořádání Křemen 9
Kovalentní vazba - sklo Křemenné sklo teplota tavení 1200 C Na, Ca, Fe terminátoři 700 C 10
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 10-3 -10-4 Volné dislokace Slitiny kovů H/E 10-2 Zablokované dislokace Keramika H/E 8.10-2 Ideální pevnost Nepohyblivé dislokace 11
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
Podstata křehkosti iontová a kovalentní vazba - inherentně pevný a tvrdý materiál = vysoký odpor proti pohybu dislokací = nemožnost relaxace napětí na defektech 13
Podstata křehkosti Podstata křehkosti póry, aglomeráty, částice nečistot (inkluze( inkluze), velká zrna, povrchové trhliny, poškození v důsledku kontaktu, trhliny v důsledku tepelných šoků 14
Podstata křehkosti MATERIÁL Šedá litina Ocel Sklo Al 2 O 3 SiC ZrO 2 K Ic Ic [ MPa.m 1/2 10 až 25 20 až 200 0,6-1 1 3,5 2,5 4 1-10 1/2 ] 15
Podstata křehkosti 16
Motivace Podstata křehkosti 17
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
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
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
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
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
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
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
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
Podstata křehkosti P f ( V0 ) = 1 exp σ σ 0 m 26
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
tahová zkouška Zkoušení keramik Experimentální techniky Zkoušení keramik 28
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 2 1 2 2 29
ohybová zkouška pevnost v ohybu vliv kvality povrchu!!! (Al 2 O 3 ) 2 1 Experimentální techniky povrch po řezání ln[ln(1/(1-pfi))] 0-1 -2 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6-3 -4 ln(k IC ) 2 povrch po broušení ln[ln(1/(1-pfi))] 1 0-1 -2 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6-3 -4 ln(k IC ) 30
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
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
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
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
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
Určení lomové houževnatosti ohybové zkoušky 2mm ohybové zkoušky 14 glass as rec F max 2 load [ N ] 12 10 1 1 mm 8 stable unstable 0.004 0.006 0.008 0.01 deflection [mm] K Ic Y* min Y* min F Max Ic = B W 1/2 36
14 12 10 Síla [N] 8 6 4 2 0 0 1 2 3 4 5 6 Průhyb [µm] 37
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 -1-0.8-0.6-0.4-0.2 0 0.2 0.4 ln (K IC ) 38
Experimentální techniky Určení lomové houževnatosti ohybové zkoušky rozložení hlavních napětí zkouška pevnosti ve vícesměrovém ohybu ring on ring test 39
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
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
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
Zhouževnaťující mechanismy matrice částice výztuž vlákna částice - mikro -nano krátká, dlouhá disperse hrubozrnná polykrystalická jemnozrnná polykrystalická skelná až nanokrystalická Mikrostrukturní zdroje produkující stínění 43
Zhouževnaťující mechanismy Změna geometrie trhliny (směru šíření, větvení, prohnutí) mikrostrukturně kontrolované velké částice v jemnozrnné matrici (self-reinforcement) částicový kompozit s křehkými částicemi 44
Drsnostně indukované zhouževnatění Zhouževnaťující mechanismy 45
Zhouževnaťující mechanismy Vzájemná interakce mezi magistrální trhlinou a sítí mikrotrhlin 46
Transformační zpevnění Zhouževnaťující mechanismy procesní zóna částice netransformovaná transformující se transformovaná 47
Zhouževnaťující mechanismy Přemostění trhliny křehkými částicemi jiné fáze 48
Zhouževnaťující mechanismy Přemostění trhliny křehkými částicemi jiné fáze fracture toughness K IC [ MPam 1/2 ] 2.5 2 1.5 1 0.5 0 K IC = Ra / 4 + 0.65 glass + Al 2 O 3 0 1 2 3 4 5 roughness Ra [ µm ] 49
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
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 3,25.10-6 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 51
Skelná matrice s vlákny 52
uhlíková matrice + čedičová vlákna 3 MPa.m Přemostění trhliny a vytahování vláken.m 0.5 15 15 MPa.m.m 0.5 53
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