Strength prediction of particulate reinforced metal matrix composit

Chen, Geng; Weichert, Dieter; Broeckmann, Christoph

doi:978-3-8440-4725-7

Strength prediction of particulate reinforced metal matrix composit = Festigkeitsvorhersage von partikelverstärkten Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen

Chen, Geng

2016

VerantwortlichkeitsangabeGeng Chen

ImpressumAachen : Shaker 2016

Umfang1 Online-Ressource (206 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-8440-4725-7

ReiheWerkstoffanwendungen im Maschinenbau ; 12

Dissertation, RWTH Aachen University, 2016

Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Broeckmann, Christoph (Thesis advisor)^RWTH* ; Weichert, Dieter (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-07-15

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-085426
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/673258/files/673258.PDF

Einrichtungen

Lehrstuhl für Werkstoffanwendungen im Maschinenbau und Institut für Werkstoffkunde (418110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
metal matrix composites (MMC) (frei) ; direct methods (frei) ; shakedown (frei) ; random heterogeneous materials (frei) ; fatigue (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Partikelverstärkten Metall-Matrix Verbundwerkstoffen (PRMMC’s) werden durch Dispergieren von Verstärkungspartikeln in einer Metallmatrix und anschließendes Sintern hergestellt. Durch Optimierung der Verfahrensparameter und Zusammensetzung der beiden Phasen können die Vorteile von Keramik und Metallen kombiniert werden und Dies führt zu einem Material mit hervorhagenden Härte, Verschleißfestigkeit und ausreichender Zähigkeit. Bei Einsatz PRMMC als Strukturmaterial, wird dessen Versagen oft durch allmähliche Degradation infolge zyklischer Belastung verursacht. Da PRMMC’s aus mindestens zwei Phasen bestehen, können diese als mesoskopische mechanische Systeme angesehen werden. Daher ist ihr gesammtes mechanisches Verhalten stark von der Ausrichtung der Verstärkungsphase und der vorliegenden Gefügemorphologie abhängig. Deshalb besteht die zentrale Aufgabe innerhalb dieser Arbeit darin, zu verstehen, wie die Ausprägung der Mikrostruktur zum globalen Materialverhalten beiträgt. Der Fokus wird dabei auf die Beeinflussung der makroskopischen Festigkeit gelegt.In der vorliegenden Studie wird eine numerische Methodik zur Festigkeitsvorhersage von PRMMC’s unter monotoner und zyklischer Belastung vorgestellt. Um den Einfluss des Mikrogefüges auf das globale Verhalten von PRMMCs zu bewerten, wurde ein Multiskalenansatz präsentiert, der die Homogenisierung mit der Einspielanalyse kombiniert. Zur Berücksichtigung der Zufälligkeit in der Werkstoffmikrostruktur, wurden statistische Methoden angewendet, um die numerischen Ergebnisse zu interpretieren. Ein Rechenwerkzeug zur automatischen Erzeugung von repräsentativen Volumenelement (RVE) Modelle wurde entwickelt, um eine ausreichende Anzahl von Gefügemodellen für die statistische Untersuchung bereitzustellen.Der allgemeine Arbeitsablauf des o. g. etablierten numerischen Ansatzes lässt sich wie folgt zusammenfassen: Zuerst wurden durch das o. g. eigene Programm eine große Anzahl von RVE’s als Finite-Elemente-Modelle, auf Basis von künstlichen oder realen Materialgefügen, konsruiert. Als nächstes wurden die von Traglast- und Einspielanalyse generalisierten Optimierungsprobleme mit der Innenpunktmethode gelöst. Schließlich wurden die Ergebnisse zu ihrer entsprechenden makrogröße umgerechnet und statistisch ausgewertet. Mit diesem etablierten numerischen Verfahren wurde ein repräsentatives PRMMC Material, WC/Co, untersucht. Basierend auf dem o. g. numerischen Verfahren wurden die Endfestigkeit und Dauerfestigkeit des Materials vorhergesagt. Die Beziehung zwischen diesen Größen und anderen Materialparametern, wie beispielsweise dem effektiven Elastizitätsmodul und dem Bindemittelgehalt, wurde untersucht. Die Studie zeigte, wie die vorhergesagten Festigkeiten von der Größe des RVEs und der Größe der Verstärkungspartikel beeinflusst werden. Weiterhin wurde dargestellt, welche Veränderungen der zulässige Lastraum erfährt, wenn die kinematische Verfestigung der Binderphase betrachtet oder mehrere variierende und unabhängige Lasten gleichzeitig angelegt werden. Darüber hinaus wurde in der Studie durch die statistischen Vorhersagemodelle hergeleitet, welche entscheidenden Einflussfaktoren die Dauerfestigkeit von PRMMC bestimmen.

Particulate reinforced metal matrix composite (PRMMC) are made by dispersing reinforcement particles into a metal matrix and sintering. By optimizing the process parameters and the composition of the material, the major advantages of ceramics and metals can be combined and resulting in a material with high hardness, high wear resistance and sufficient toughness. When used as a structural material, failure of the PRMMCs are often caused by material deterioration accumulated over a large number of load cycles. As composed of two phases, PRMMCs can be regarded as mechanical systems on the mesoscale, therefore their overall responses are greatly influenced by the alignment of the reinforcement phase and the underlying material morphology. Understanding how the microstructure contributes to the global material behavior, above all the macroscopic strengths, is one of the central tasks of the thesis.In the present study, a numerically based methodology for determining the load bearing capacity of PRMMCs under both monotonic and cyclic loadings is presented. To evaluate the influence of the composite structure on the global behavior of PRMMCs, a multi scale approach which combines the shakedown analysis with homogenization was used. To take into account the randomness associated with the composite structure of the material, statistical methods have been applied to interpret the results. To prepare a sufficient number of representative volume element (RVE) models for the statistical study, a computational tool was developed to automate the generation of RVE samples. The general work flow of the established numerical approach can be summarized as follows: first, a large number of RVE was constructed as finite element models from either real or artificial material microstructures using the aforementioned in-house code. Next, lower and upper bound limit and shakedown problems were carried out by means of the interior-point method. Finally, results were converted to their corresponding macro quantities and evaluated statistically. With this approach a representative PRMMC material, WC/Co, was studied.Based on the established numerical work flow, ultimate strength and endurance limit of the material were predicted. The relationship between them and other material parameters, such as the effective Young’s modulus and the binder content was examined. The study investigated how the predicted strength is influenced by the RVE size and the size of reinforcement particles. The study also exposed the change of the feasible load domain, when the kinematic hardening of the binder phase is considered or when multiple independently varied loads are applied simultaneously. In addition to that, the study built predictive models and used them to explain, what are the decisive factors that determine the endurance limit of the overall composite material.

OpenAccess:
PDF
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