FÁRADÁSOS REPEDÉSTERJEDÉS KÜLÖNBÖZŐ TÍPUSÚ KOMPOZITOKBAN

FÁRADÁSOS REPEDÉSTERJEDÉS KÜLÖNBÖZŐ TÍPUSÚ KOMPOZITOKBAN Dr. Lukács János Mechanikai Technológiai Tanszék Csomós Zília Mechanikai Technológiai Tanszék Dr. Gácsi Zoltán Fémtani Tanszék Karcagi Rita Mechanikai Technológiai Tanszék Magyar Anita Analitikai Kémia Tanszék Tomolya Kinga Fémtani Tanszék VIII. Országos Törésmechanikai Szeminárium Miskolc, 2004. április 26-27.

A fáradásos repedésterjedés kinetikai diagramja Kinetic diagram of fatigue crack growth

A fáradásos repedésterjedés kinetikai diagramja különböző anyagokra Kinetic diagram of fatigue crack growth for different materials (R. O. Ritchie)

A vizsgált kompozit anyagok Investigated composite materials Al99.5 Al99.5 kohóalumínium, Al99.99, GDAlSi9Cu3 virgin aluminium, Al99.99, GDAlSi9Cu3 poliészter polyester Mátrix Matrix Erősítő fázis Reinforcing phase SiC részecske SiC particle Panex 33, Incofiber 12K20 és Incofiber 12K50 karbon szál Panex 33, Incofiber 12K20 and Incofiber 12K50 carbon fiber E-üveg szál E-glass fiber Előállítási módszer Manufacturing process sajtolás és állandó hőmérsékletű szinterelés pressing and isothermal sintering folyékony infiltráció liquid infiltration pullwinding pullwinding

MTS gyártmányú anyagvizsgáló rendszer a Miskolci Egyetem Mechanikai Technológiai Tanszékén MTS type electro-hydraulic test system at the Department of Mechanical Engineering University of Miskolc

Fárasztott próbatest az optikai repedéskövetéshez használt karcokkal Fatigued specimen with scratches using for optical method

A fáradásos repedés terjedése fém mátrixú részecske erősítéses kompozitokban Fatigue crack paths in particle reinforced MMCs (J.-B. Bailon; ; Z.-X. Tong) (a): : a repedés megkülönböztetés nélkül keresztezi a mátrixot vagy az erősítő részecskéket the crack arbitrarily crosses the matrix or the reinforcing particles, without preference (b): : a repedés kanyarog a mátrixban, elkerülve az erősítő részecskéket the crack meanders mainly through the matrix and avoids the reinforcing particles to a certain extent (c): : a repedés úgy halad, hogy kölcsönhatásba lép az erősítő részecskékkel the crack tends to preferably interact with the reinforcing particles

A vizsgált SiC részecske erősítésű Al99.5 mátrixú kompozitok fő Main characteristics of Próbatest K_1 K_4 K_5 K_10 K_8 K_12 K_2 K_3 K_6 K_9 K_8 K_11 SiC mennyiség, tömeg% 15 10 5 15 10 5 jellegzetességei of the investigated SiC particle reinforced Al99.5 matrix composites jel P500 P800 Szemcseméret méret, µm kb. 14 kb. 7 Megjegyzés - kevert - kevert - kevert - kevert - kevert - kevert

SiC részecske erősítésű Al99.5 mátrixú kompozit próbatest fáradásos repedésterjedési sebesség vizsgálata Fatigue crack growth test of SiC particle reinforced Al99.5 matrix composite specimen

A vizsgált SiC részecske erősítésű Al99.5 mátrixú kompozitok repedésméret-cikluszám görbéi Crack length vs. cycle number diagrams of tested SiC particle reinforced Al99.5 matrix composites Crack length, mm 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 SiC_P500/Al_15w t% SiC_P500/Al_15w t% SiC_P500/Al_10w t% SiC_P800/Al_15w t% SiC_P800/Al_5w t% 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 Number of cycles, cycle

A vizsgált SiC részecske erősítésű Al99.5 mátrixú kompozitok kinetikai Kinetic diagrams of diagramjai of tested SiC particle reinforced Al99.5 matrix composites Fatigue crack growth, mm/cycle 1.00E-02 1.00E-03 1.00E-04 1.00E-05 1.00E-06 SiC_P500/Al_15w t% SiC_P500/Al_15w t% SiC_P500/Al_10w t% SiC_P800/Al_15w t% SiC_P800/Al_5w t% 1 10 Stress intensity factor range, MPam 1/2

Következtetések Ia. Conclusions Ia. A fáradásos repedés terjedése fém mátrixú részecske erősítésű kompozitokban elsődlegesen három típus szerint mehet végbe: a repedés keresztezi a mátrixot vagy a részecskét; a repedés kanyarog a mátrixban, elkerülve a részecskéket; a repedés kölcsönhatásba lép a részecskékkel. Fatigue crack propagation in particle reinforced metal matrix composites can be classified into three primary types of behaviour: the crack crosses the matrix or the particles; the crack meanders through the matrix avoiding the particles; the crack interacts with the particles.

Következtetések Ib. Conclusions Ib. A vizsgált alumínium mátrixú SiC részecske erősítésű kompozit anyagok esetében a fáradásos repedés különböző mechanizmus (típus) szerint terjedt. The fatigue cracks have propagated according to different mechanisms (types) in the tested SiC particle reinforced aluminium matrix composite materials.

Fáradásos repedésterjedési mechanizmusok fém mátrixú szálerősítéses kompozitokban I. A száltörés meghatározó erős határfelület, gyenge erősítő szál Fatigue crack growth mechanisms in fiber reinforced MMCs I. Fiber fracture dominated strong strong interface,, weak weak reinforcement (K. S. Chan; ; D. L. Davidson)

Fáradásos repedésterjedési mechanizmusok fém mátrixú szálerősítéses kompozitokban II. A határfelületi dekohézió meghatározó gyenge határfelület, gyenge erősítő szál Fatigue crack growth mechanisms in fiber reinforced MMCs II. Interface decohesion dominated weak weak interface,, weak weak reinforcement

Fáradásos repedésterjedési mechanizmusok fém mátrixú szálerősítéses kompozitokban III. A szál áthidalás a meghatározó gyenge határfelület, erős erősítő szál Fatigue crack growth mechanisms in fiber reinforced MMCs III. Fiber bridging dominated weak weak interface,, strong strong reinforcement

Fém mátrixú szálerősítéses kompozitok károsodásának mikromechanikai modellezése Micromechanical modeling of failure of fiber reinforced MMCs (K. S. Chan) lokális mátrix alakváltozás localized matrix yielding határfelületi kötés megszakadás interface debonding egyedi szál áthidalás single fiber bridging

Fém mátrixú szálerősítéses kompozitok törési mechanizmusai Fracture mechanisms diagram for MMCs (K. S. Chan) A: mátrix képlékeny alakváltozás és száltörés matrix yielding and fiber fracture B: korlátozott méretű határfelületi repedés és száltörés limited interfacial cracking and fiber fracture C: jelentős méretű határfelületi repedés és száltörés extensive interfacial cracking and fiber fracture D: szál áthidalás fiber bridging

Rézzel bevont karbon szál mikroszerkezete (SEM vizsgálatok: Miskolci Egyetem Fémtani Tanszék) Microstructure of Cu coated carbon fiber (SEM investigations: Physical Metallurgy Department of University of Miskolc)

A vizsgált karbon szál erősítésű alumínium mátrixú kompozitok fő jellegzetességei Main characteristics of the investigated carbon fiber reinforced aluminium matrix composites Matrix material Type of C fiber Vol % of fibers Surface treatment virgin aluminium Panex 33 20 17.9 wt% % Ni coating Panex 33 20 48.9 wt% % Ni coating Panex 33 20 treatment in K 2 TiF 6 solution Panex 33 20 treatment in K 2 ZrF 6 solution Al99.99 Panex 33 20, 40 without treatment Incofiber 12K20 40 20 wt% % Ni coating Incofiber 12K50 20, 40 50 wt% % Ni coating GDAlSi9Cu3 Incofiber 12K20 8 20 wt% % Ni coating Incofiber 12K50 8 50 wt% % Ni coating Panex 33 8 treatment in K 2 ZrF 6 solution

A C/Al kompozitok előállítása Production of C/Al composites

Felületkezeletlen és nikkellel bevont karbon szál Al99.99 mátrixban (SEM vizsgálatok: Miskolci Egyetem Fémtani Tanszék) Carbon fiber without surface treatment and Ni coated carbon fiber in Al99.99 matrix (SEM investigations: Physical Metallurgy Department of University of Miskolc)

A kohóalumínium mátrixú karbon szál erősítésű kompozitok vizsgálatainak főbb adatai Main data of the tests of carbon fiber reinforced virgin aluminium matrix composites Specimen Material Fiber vol% F min /F max N/N a final mm?k final 1/2 MPam 1/2 A_1 Al matrix - 1000/100 2.34 4.9 A_6 Al matrix - 1400/140 4.84 14.0 A_2 C+Ni Ni17,9%/Al 20 800/80 2.51 4.1 A_3 C+Ni48,9%/Al 20 1600/160 4.76 15.2 A_4 C+K 2 TiF 6 /Al 20 800/80 4.63 7.5 A_5 C+K 2 ZrF 6 /Al 20 800/80 2.53 4.1

A vizsgált kohóalumínium mátrixú kompozitok repedésméret-cikluszám görbéi Crack length vs. cycle number diagrams of tested virgin aluminium matrix composites Crack length, mm 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 Al matrix Al matrix C+Ni17,9% /Al_20v ol% C+K2TiF6/Al_20v ol% C+K2ZrF6/Al_20v ol% 0 100000 200000 300000 400000 500000 Number of cycles, cycle

A vizsgált kohóalumínium mátrixú kompozitok kinetikai diagramjai Kinetic diagrams of tested virgin aluminium matrix composites 1.0E-02 Fatigue crack growth, mm/cycle 1.0E-03 1.0E-04 1.0E-05 1.0E-06 Al matrix Al matrix C+17,9%Ni/Al_20vol% C +K 2TiF6/A l_20vol% C +K 2ZrF6/A l_20vol% 1 10 100 Stress intensity factor range, MPam 1/2

Kohóalumínium mátrix és karbon szállal erősített kompozit próbatestek a fáradásos repedésterjedési sebesség vizsgálatok után Virgin aluminium matrix and Carbon fiber reinforced composite specimens after fatigue crack growth tests

Az Al99.99 mátrixú karbon szál erősítésű kompozitok vizsgálatainak főbb adatai Main data of the tests of carbon fiber reinforced Al99.99 matrix composites Specimen Material Fiber vol% F min /F max N/N a final mm?k final 1/2 MPam 1/2 R_1 Al matrix - 1000/100 1.86 4.1 R_2 C/Al 20 900/90 1.69 3.4 R_3 C/Al 40 600/60 3.83 3.9 R_4 C+20 20%Ni/Al 40 800/80 2.23 3.6 R_5 C+50 50%Ni/Al 20 800/80 3.69 5.2 R_6 C+50 50%Ni/Al 20 600/60 3.82 4.0 R_7 C+50 50%Ni/Al 40 700/70 3.21 3.9 R_8 C+50 50%Ni/Al 40 800/80 2.93 4.2

A vizsgált karbon szál erősítésű Al99.99 mátrixú kompozitok repedésméret-cikluszám görbéi Crack length vs. cycle number diagrams of tested carbon fiber reinforced Al99.99 matrix composites Crack length, mm 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Al matrix C/Al_20vol% C/Al_40vol% C+20% Ni/Al_40vol% C+50% Ni/Al_20vol% C+50% Ni/Al_20vol% C+50% Ni/Al_40vol% C+50% Ni/Al_40vol% 0 1000000 2000000 3000000 4000000 5000000 Number of cycles, cycle

A vizsgált karbon szál erősítésű Al99.99 mátrixú kompozitok kinetikai diagramjai Kinetic diagrams of tested carbon fiber reinforced Al99.99 matrix composites 1.0E-03 Fatigue crack growth, mm/cycle 1.0E-04 1.0E-05 1.0E-06 1.0E-07 1.0E-08 Al matrix C/Al_20vol% C/Al_40vol% C+20% Ni/Al_40vol% C+50% Ni/Al_20vol% C+50% Ni/Al_20vol% C+50% Ni/Al_40vol% C+50% Ni/Al_40vol% 1 10 Stress intensity factor range, MPam1/2

A GDAlSi9Cu3 mátrixú karbon szál erősítésű kompozitok vizsgálatainak főbb adatai Main data of the tests of carbon fiber reinforced GDAlSi9Cu3 composites Specimen Material Fiber vol% F min /F max N/N a final mm?k final 1/2 MPam 1/2 R_9 C+20 20%Ni/Al 8 650/65 3.31 4.0 R_10 C+50 50%Ni/Al 8 1800/180 3.79 12.5 R_11 C+K 2 ZrF 6 /Al 8 1800/180 3.54 11.7

A vizsgált karbon szál erősítésű GDAlSi9Cu3 mátrixú kompozitok repedésméret-cikluszám görbéi Crack length vs. cycle number diagrams of tested carbon fiber reinforced GDAlSi9Cu3 matrix composites 3 Crack length, mm 2,5 2 1,5 1 0,5 0 C+20% Ni/Al_8v ol% C+50% Ni/Al_8v ol% C+K2ZrF6/Al_8v ol% 0 50000 100000 150000 200000 Number of cycles, cycle

A vizsgált karbon szál erősítésű GDAlSi9Cu3 mátrixú kompozitok kinetikai diagramjai Kinetic diagrams of tested carbon fiber reinforced GDAlSi9Cu3 matrix composites 1,0E-01 C+20%Ni/Al_8vol% Fatigue crack growth, mm/cycle 1,0E-02 1,0E-03 1,0E-04 1,0E-05 C+50%Ni/Al_8vol% C+K2ZrF6/Al_8vol% 1,0E-06 1 10 100 Stress intensity factor range, MPam 1/2

A vizsgált karbon szál erősítésű aluminium mátrixű kompozitok kinetikai diagramjai Kinetic diagrams of tested carbon fiber reinforced aluminium matrix composites Fatigue crack growth rate, da/dn, mm/cycle 1.0E-01 1.0E-02 1.0E-03 1.0E-04 1.0E-05 1.0E-06 1.0E-07 1.0E-08 1 10 100 Stress intensity factor range, K, MPam 1/2 Al matrix_virgin Al Al matrix_virgin Al C+17,9%Ni/Al_20vol% C+K2TiF6/Al_20vol% C+K2ZrF6/Al_20vol% Al matrix_al99.99 C/Al_20vol% C/Al_40vol% C+20%Ni/Al_40vol% C+50%Ni/Al_20vol% C+50%Ni/Al_20vol% C+50%Ni/Al_40vol% C+50%Ni/Al_40vol% C+20%Ni/Al_8vol% C+50%Ni/Al_8vol% C+K2ZrF6/Al_8vol%

Következtetések IIa. Conclusions IIa. A fáradásos repedés terjedése fém mátrixú szálerősítéses kompozitokban alapvetően három mechanizmus szerint mehet végbe, amely elsődlegesen a mátrix és az erősítő fázis relatív szilárdságától, valamint a határfelületi nyírószilárdságtól függ. Fatigue crack propagation in fiber reinforced metal matrix composites can be classified into three primary types of behaviour, which depend principally upon the relative strengths of the matrix and reinforcement, and the interfacial shear strength.

Következtetések IIb. Conclusions IIb. A vizsgált alumínium mátrixú karbon szál erősítésű kompozit anyagok esetében a határfelület tulajdonságai befolyásolták legerősebben a fáradásos repedés terjedését. The fatigue crack propagation behaviour of the investigated carbon fiber reinforced aluminium matrix composite materials was influenced strongest by the interfacial properties.

Következtetések IIc. Conclusions IIc. A vizsgált alumínium mátrixú karbon szál erősítésű kompozit anyagok esetében a legkedvezőbb fáradásos repedésterjedéssel szembeni ellenállást eredményező határfelület meghatározása további vizsgálatokat igényel. The determination of the most advantageous interface against fatigue crack propagation in tested carbon fiber reinforced aluminium matrix composite materials requires further investigations.

Ti mátrixú karbon szál erősítésű kompozitok kinetikai diagramjai Kinetic diagrams of carbon reinforced Ti matrix composites (X.H. Wu; ; P. Bowen)

Polimer mátrixú szálerősítéses kompozitok törési mechanizmusai Fracture mechanisms of fiber reinforced PMCs (R.G. Kander; A. Siegmann ) a: száltörés fiber fracture b: mátrix törés matrix fracture c: szálkihúzódás fiber pull-out d: mátrix alakváltozás matrix deformation e: határfelületi kötés megszakadás fiber/matrix interface debounding

A vizsgált üvegszál erősítésű polimer mátrixú kompozit fő jellegzetességei Main characteristics of the investigated glass fiber reinforced polymer matrix composite Matrix material Type of fiber Vol% of fibers Manufacturing process polyester E-glass 52 pullwinding

Az üvegszál erősítésű, polimer mátrixú kompozitok előállítása pullwinding eljárás Production of glass fiber reinforced PMC pullwinding process

A vizsgált poliészter mátrixú üvegszál erősítésű kompozit COD tartomány-cikluszám görbéi I. COD range vs. number of cycles diagrams of tested glass fiber reinforced polyester matrix composite II. 0.1 COD range, COD, mm 0.08 0.06 0.04 0.02 Specimen No.1 Specimen No.4 0 0 100000 200000 300000 400000 500000 600000 Number of cycles, N, cycle

A vizsgált poliészter mátrixú üvegszál erősítésű kompozit COD tartomány-cikluszám görbéi II. COD range vs. number of cycles diagrams of tested glass fiber reinforced polyester matrix composite II. 0.14 COD range, COD, mm 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 Specimen No.2 Specimen No.3 Specimen No.5 0.02 0 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000 Number of cycles, N, cycle

Üvegszál erősítésű poliészter mátrixú kompozit próbatestek a fáradásos repedésterjedési sebesség vizsgálatok után Glass fiber reinforced polyester matrix specimens after fatigue crack growth tests

Következtetések IIIa. Conclusions IIIa. A polimer mátrixú szálerősítéses kompozitokban a tönkremenetel különböző formákban következthet be: száltörés, mátrix törés, szálkihúzódás, mátrix alakváltozás és határfelületi kötés megszakadás. Different failure types of fibre reinforced polymer matrix composites can be experienced: fibre fracture, matrix fracture, fibre pull-out, matrix deformation and fiber/matrix interface debounding.

Következtetések IIIb. Conclusions IIIb. A fáradásos repedésterjedés folyamata a vizsgált üvegszál erősítésű poliészter mátrixú kompozitban három szakaszra osztható, ahol a harmadik szakasz a kötés hosszirányú megszakadása (hasadás) a szál/mátrix határfelületen. Fatigue crack propagation in the tested glass fiber reinforced polyester matrix composite can be divided into three phases. The third phase belongs to the longitudinal debounding (cleavage) of the fibre/matrix interface.

Következtetések IIIc. Conclusions IIIc. A fáradásos repedésterjedés törésmechanikai paraméterekkel (például K, G G or J) való jellemzésére üvegszál erősítésű polimer mátrixú kompozitban további vizsgálatok szükségesek. Characterisation of fatigue crack propagation in glass fibre reinforced polymer matrix composite based on fracture mechanical parameters (e.g. K, G G or J) requires further investigations.

A szerzők köszönetüket fejezik ki az Országos Tudományos Kutatási Alapprogramok-nak (OTKA T034503 és T037432) és a Magyar Tudományos Akadémiának (Bolyai János Kutatási Ösztöndíj) a kutató munka támogatásáért. Köszönöm a figyelmet! Authors wish to acknowledge the assistance given by the National Scientific Research Foundation (OTKA T034503 and T037432) ) and the Hungarian Academy of Sciences (Bolyai( János Scholarship) for supporting the research. Thank you for your attention!