Cercetari Experimentale Asupra Compozitelor (2)

7/22/2019 Cercetari Experimentale Asupra Compozitelor (2)

1/13

Universitatea Tehnic Gheorghe Asachi Iai

Facultatea de Mecanic

CERCETARI EXPERIMENTALE ASUPRACOMPOZITELOR

ALUMINIU-GRAFIT

Nume: Zamfir CiprianGrupa: DETIM

Anul universitar 2013-2014


2/13

CERCETARI EXPERIMENTALE ASUPRA COMPOZITELOR

ALUMINIU-GRAFIT

1. Introducere

Materialele compoziteau fost folosite cu mult nainte de a fi fost definite (piatra, lemnul,iar mai trziu, dar cu peste o sut de ani n urm, betonul).

Au trecut aproape 60 de ani de cnd materialele plastice armate cu fibre de sticl au fostutilizate pentru prima oar datorit calitilor lor deosebite n comparaie cu ale materialelorclasice.

Performanele tot mai nalte cerutestructurilor de rezisten n general, dar mai ales celordestinate aeronauticii i aplicaiilor militare, impun acestora condiii foarte severe n timpulfuncionrii.

n general, prioritare sunt considerentele aerodinamice de optimizare funcional aprofilelor structurilor aeronautice i satisfacerea condiiilor restrictive legate de: rezistenemecanice deosebite ntr-un interval larg de valori ale temperaturii ambientale, vibraii, rezistenla oboseal, rigiditate, greutate minim i fiabilitate maxim.

Ca urmare, apar tot mai frecvent situaii n care materialele tradiionale nu pot satisface ntotalitate multitudinea restriciilor menionate iar cum configuraia geometric a structurilor esten general impus, singura prghie unde se poate aciona, rmne cea a utilizrii de materiale noi,cu caliti deosebite.

Pentru o structur mecanic cu configuraie geometric i condiii de lucru cunoscute,este necesar s se proiecteze i s se realizeze materialul adecvat din care aceasta s fieconfecionat.

Au aprut astfel materialele compozite, care sunt o nou clas de materiale ce prezint omare importan tehnologic i ale cror aplicaii cunosc n prezent o dezvoltare intens n maimulte domenii [1].

Materialele compozite fac parte din categoria noilor materiale i sunt create specialpentru a rspunde unor exigene deosebite n ceea ce privete:

- rezistena mecanic i rigiditatea;- rezistena la coroziune;- rezistena la aciunea agenilor chimici;- greutatea sczut;- stabilitatea dimensional;

- rezistena la solicitri variabile, la oc i la uzur;-proprietile izolatoare i estetica.


3/13

Principalul avantaj al acestor materiale este raportul ridicat ntre rezistena i greutatea lorvolumic.

Fig. 1.1 Consumul de materiale compozite

Aceste caracteristici nu numai c au asigurat utilizarea pe scar din ce n ce mai larg amaterialelor compozite, dar au stimulat cercetrile pentru descoperirea unor noi tipuri demateriale compozite cu proprieti mbuntite. Preocupri majore i realizri de materialecompozite performante exist n toate rile dezvoltate, ca urmare a dorinei de a continuaprocesul de dezvoltare tehnologic, prin utilizarea unor materiale calitativ superioare i posibilde realizat prin procedee i tehnologii eficiente i nepoluante. n figura 1.1 se prezint consumulunor asemenea materiale pn n anul 2010, n comparaie cu materialele clasi ce ori cu produselenaturale. n Japonia, producia de materiale compozite aanului 2002 s-a ridicat la aproximativtrei miliarde de dolari.

Materialele compozite constituie o soluie tot mai des adoptat n realizarea structurilorperformante, cu aplicabilitate n toate ramurile industriale. Implementarea acestora n diversedomenii, ca alternative avantajoase ale materialelor clasice, sau pentru obinerea de noi aplicaii,altfel greu sau imposibil de realizat, ridic ns i o serie de probleme generate de structuradeosebit de complex a acestora i de posibilitile de obinere, de comportamentul nc

insuficient cunoscut la diverse solicitri.n toate rile industrializate, materialele compozite reprezint un domeniu prioritar,

situat n avangardaprocesului continuu de inovare tehnologic.Apariia acestor materiale i utilizarea lor n realizarea unor structuri de rezisten a

impus att determinarea caracteristicilor elastice i de rezisten ale compozitelor, ct iefectuarea unor calcule de rezisten, diferite (ca mod de realizare) de la un material la altul.

Un interes aparte este acordat, printre altele, determinrii deteriorrilor ce pot s aparsub sarcin, a efectului lor asupra capacitii portante a structurilor, precum i analizei

0

400

800

1200

1600

2000

2400

2800

1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010

Consumulx106t

Anul

Produse naturale


4/13

comportrii compozitelor n condiii dificile de lucru (variaii de temperatur i umiditate,vibraii, aciunea agenilor chimici etc). Acestea reprezint numai o parte din aspectele abordaten ultimul timp de ctre cercettorii n domeniu, multitudinea lucrrilor aprute demonstrnd cproblemele sunt departe de a fi rezolvate.

1.2 Clasificarea materialelor compozite

Materialele compozite suscit din partea specialitilor din cercetare, nvmnt iproducie un interes crescnd, interesnd mai ales comportarea lor n diferite condiii deexploatare (solicitri mecanice simple sau complexe i aciunea mediului).

Materialele compozite se definesc ca fiind sisteme de corpuri solide, deformabile,

obinute prin combinaii la scar macroscopic ale mai multor materiale.R. M. Jones clasific materialele compozite astfel[3]:-materiale compozite fibroase, obinute din materiale sub form de fibre, introduse ntr-

un material de baz numit matrice;

-materiale compozite laminate, rezultnd din straturi suprapuse din diferite materiale;-materiale compozite speciale, alctuite din particule introduse n matrice.N. Cristescu prezint o alt clasificare a materialelor compozite [4]:-materiale compozite armate cu fibre (fibroase) - fibre lungi plasate ntr-un aranjament

prestabilit sau fibre scurte plasate aleatoriu;-materiale compozite hibride, alctuite din mai multe fibre;-materiale compozite stratificate, realizate din mai multe straturi, lipite ntre ele;-materiale compozite armate cu particule.

Materiale compozite stratificate

Materialele compozite stratificate (laminate) sunt constituite din straturi din cel puindou materiale lipite mpreun printr-un adeziv. Din aceast categorie fac parte [4], [5]:

a) Materialele stratificate, obinute din materiale care pot fi saturate cu diversesubstane plastice i apoi tratate n mod corespunztor.

b) Materialele compozite fibroase i stratificate, cunoscute i sub denumirea demateriale compozite stratificate i armate cu fibre (stratificate), realizate dintr-o succesiune destraturi (lamine) suprapuse astfel nct fibrele unui strat s fie paralele i fiecare strat s fieorientat n mod corespunztor, pentru a obine o ct mai bun rezisten i rigiditate.

c) Bimetalele, obinute din dou metale diferite, cu coeficieni de dilatare termicsemnificativ diferii. La schimbarea temperaturii bimetalul se deformeaz i poate fi folosit camijloc de msurare a temperaturii.

d) Metalele de protecie, rezultate n urma acoperirii unui metal cu un alt metal,obinndu-se astfel un material compozit cu anumite proprieti mbuntite fa de materialulde baz.

e) Sticla laminat (securitul), material compozit care se obine prin lipirea unuistrat de polivinil ntre dou straturi de sticl.


5/13

Materiale compozite armate cu particule

Aceast categorie de materiale compozite const din nglobarea ntr-o matrice a unuia sau

mai multor materiale.Particulele i matricea pot fi metalice sau nemetalice n urmtoarele variante [4], [5]:a) Particule nemetalice n matrice nemetalic.

Un exemplu din aceast categorie de materiale l constituie cel rezultat din particule denisip i roc ntr-un amestec de ciment i ap, care reacioneaz chimic i se ntrete. Altexemplu l constituie i particulele de mic sau de sticl, nglobate ntr-o matrice de materialplastic.

b) Particule metalice n matrice nemetalic.Un astfel de material compozit l reprezint carburantul pentru rachete, alctuit din pudr

de aluminiu i anumii oxizi ncorporai ntr-o legtur organic flexibil (poliuretan sau cauciucpolisulfid).

c) Particule metalice n matrice metalic.n aceast categorie putem include materialul compozit rezultat din nglobarea unorparticule de plumb ntr-o matrice realizat dintr-un aliaj de cupru sau oel. Pentru realizarea unormateriale ductile i rezistente la temperaturi ridicate se recomand armarea unei matrice metalicecu particule de tungsten, crom sau molibden.

d) Particule nemetalice n matrice metalic.Particulele nemetalice (particule ceramice) nglobate ntr-o matrice metalic dau natere

unui material compozit numit cermet.Atunci cnd n matrice se introduc particule de oxizi se obin cermei pe baz de oxizi, ce

au rezisten mare la uzur i temperaturi nalte.n urma nglobrii n matrice metalice a unor particule de carburi de tungstem, crom sau

titan se obin cermei pe baz de carburi. Cnd matricea este din cobalt se obine un materialcaracterizat printr-o duritate ridicat i prin rezisten mare la uzur i coroziune.


6/13

2. Metodica de cercetare

Procedura experimentala urmrit:- elaborarea unor materiale compozite cu matrice de aluminiu i grafit (material

complementar);

- analiza CMM-urilor elaborate, determinarea structurii i proprietilor acestora; -stabilirea influenei factorilor (natura i fracia volumica ranfortului) asupra structurii iproprietilor CMM- urilor; - stabilirea unor modele matematice ale influenei factorilorasupra mrimilor de ieire (structur, proprieti);- optimizarea factorilor i recomandri pentru elaborarea i utilizarea CMM-urilor

cercetate.n planul experimental, drept variabile de intrare (variabile independente) s-au considerat

componena volumic a CMM-ului (fracia volumic, n %, a ranfortului), iar variabilele deieire (variabilele dependente sau variabilele rspuns) s-au considerat structura i proprietilefizice, mecanice sau tribologice ale materialului cercetat.

n cadrul lucrrii compozitul experimentat a fost de tipul aluminiu (matrice)-grafit

(materialul complementar) . Compozitul a fost elaborat n Laboratorul de tiina Materialelor alFacultii de Inginerie Mecanic, Mecatronici Management din Suceava.Pe materialele elaborate s-au fcut analize de structur i ncercri mecanice pentru

determinarea caracteristicilor structurale i mecanice.Materiale compozite pe baz de aluminiu au aplicabilitate mare ntruct au proprieti

bune antifriciune (Rohatgi i colab.1993, Bell, 1996).n ultimii ani sunt produse prin diferite tehnologii din care se remarcprocedeul Vortex

de amestecare intensa pulberii de grafit n topituri de aliaje de aluminiu.Prezena grafitului dispersat ntr-o matrice pe baz de aluminiu conduce la creterea

rezistenei la uzura prin frecare, aceste materiale nlocuind cu succes unele bronzuri la fabricarealagrelor. Materialele compozite cu grafit cu matricea de Al Si eutectic sunt destinate fabricriicilindrilor pentru motoare cu ardere intern.

Elaborarea compozitelor Al - grafit prin topire i turnare obinuitnu este posibilpracticdeoarece particulele de grafit nu sunt umectate uor de aluminiul topit dect la temperaturi depeste 1353 K (10800C). Pentru a realiza ncorporarea lubrifiantului solid (grafit) n topituri pebaz de Al, particulele de grafit se acoper cu Ni, Cu sau se iau msuri de mbuntire aumectabilitii grafit topiturde Alcu adaosuri care micoreaztensiunea interfazic.Creterea coninutului de grafit acoperit cu Ni conduce la scderea rezistenei de rupere latraciune i a alungirii, dar nu afecteaz prea mult limita de elasticitate. Prezena compuilorintermetalici NiAl este unul dintre factorii care micoreazalungirea. Datoritefectului negatival nichelului asupra alungirii nu se pot obine compozite cu coninut mare de grafit acoperit cunichel. Adugarea de particule de grafit acoperit cu cupru n aliajele Al 11,8% Si conduce lascderea rezistenei la rupere, la traciune i a alungirii, i la o scdere a limitei de elasticitate.

n general, rezistena mecanica compozitelor Al Si grafit cu coninut de Ni este maimare dect a celor cu coninut de cupru netratate termic. Totui alungirea compozitelor cuconinut de cupru nainte de rupere este i mai mare dect a celor cu coninut de nichel.

Deci, compozitele cu coninut de cupru pot conine o cantitate mai mare de grafit. Unuldin dezavantajele compozitelor cu coninut de cupru este rezistena mai redusla coroziune.

La elaborarea compozitelor pe bazde aluminiu-siliciu cu grafit o importanmare o areinfluena retopirii i degazrii asupra micorrii coninutului de grafit n topitur.


7/13

Rezultatele ncercrilor experimentale aratcn absena degazrii, dupprima retopire,peste 91% din grafitul prezent n compoziia iniial rmne n materialul final. Totui dup 3retopiri, coninutul de grafit scade foarte mult ajungnd la 15% din coninutul iniial.

Cnd topitura se degazeazcu azot, dupretopire peste 75% din grafitul iniial rmne ncomponena compozitului, totui duptrei retopiri i 3 degazri cu hexacloretan, tot grafitul se

separdin aliaj chiar dupprima retopire.Adaosul de Cu sub formde particule de acoperire a particulelor de grafit n compoziteleAl Si grafit conduce la o scdere nensemnat a vscozitii. Particule fine de grafitmicoreaz i mai mult fluiditatea dect particulele mari sau fulgii de grafit. Mic orareafluiditii se poate atribui variaiei vitezei de rcire i a mecanismului de solidificare precum icreterii vscozitii topiturii.

Fluiditatea compoziiei Al Si-grafit scade cu creterea ariei suprafeei particulei de grafiti se mrete cu creterea distanei dintre ele.

Aliajul de aluminiu a fost topit n creuzet metalic n cuptorul electric cu bare de silit dinLaboratorul de Tratamente Termice . Temperatura de topire a fost de 7100C.

Ca procedee de realizare a aliajelor compozite aluminiugrafit se mai pot folosi:

- turnarea centrifugal;- procedeul de semisinterizare;- turnare static.

n laborator turnarea a fost efectuatdupprocedeul turnrii statice cu agitarea violentpnla solidificare.

Pentru elaborarea compozitelor aliaj de aluminiu grafit s-a urmrit planul experimentalurmtor, tab.1.Tab.1.- Componena compozitelor aluminiugrafit

Caracteristicile grafitului folosit ca material complementar n compozitul cu matrice dealiaj de aluminiu elaborat n laborator sunt date n tab.2.

Tab.2.- Caracteristicile fizico-mecanice ale diferitelor ranforturi

ntruct nu am avut posibilitatea s procurm grafit acoperit cu nichel sau cupru, amutilizat n cadrul experimentrilor grafit neacoperit, ceea ce ne-a determinat s gsim soluiipentru o bunamestecare a grafitului n aliajul topit i creterii umectabilitii acestuia.

Soluia aleas de noi a fost amestecarea mecanic i intensificarea amestecrii icontinuarea acesteia pnn faza semisolida aliajului de aluminiu.


8/13

Varianta aleasa dat rezultate bune i s-a dovedit i economic, dar necesito atenie i oconducere mai precis a procesului, deci i o pregtire mai bun a operatorilor care produc iproceseazmaterialul compozit.

3. Caracterizarea experimentala compozitelor Al-grafitDeterminarea densitii

Pentru stabilirea efectului ranforsrii cu grafit asupra densitii materialului compozit s -astabilit iniial (prin calcul) densitatea matricei folosite, apoi s-a msurat experimental densitateaepruvetelor turnate cu diferite coninuturi de grafit, valorile fiind date n tab.3. Densitateamatricei (a aliajului de Al ) este de 2568 kg/m3.

Variaia grafic a densitii medii este reprezentat n fig.1 (valorile determinateexperimental) i n fig.2 (densitatea calculat teoretic).

Densitatea teoretic s-a calculat cu relaia:

MC = ( AlVAl + GVG)/100unde: Al , G densitile aliajului de aluminiu i respectiv grafitului, g/cm3; VAl , VG fraciile volumice de aluminiu i grafit, %.

Tabelul 3.- Variaia densitii compozitelor Al-Grafit n funcie de % de grafit

Obs.: densitatea matricei (nainte de amestecare cu grafit ) este de 2568 kg/m3


9/13

Densitatea experimentala a compoyitului Al-grafitDE=2551,7-16,186*VG , g/cm3

Fig.1.- Variaia densitii experimentale a compozitului aluminiu-grafit

funcie de fracia volumicde grafit

Densitatea teoretica a compozitului Al-grafitDT=2632,996-50,949*VG , g/cm3

Fig.2.- Variaia densitii teoretice a compozitului aluminiu-grafit funcie de fracia volumicde grafit


10/13

Densitatea teoretic a compozitului cu matrice din aliaj de aluminiu i grafit dreptmaterial complementar (ranfort) se poate determina n funcie de fracia volumic de grafit curelaia:

T = 2632,996 50,949 VG (g/cm3)

unde : VGfracia volumetric, n %, de grafit adugat.Pentru densitatea msurat experimental pe probele turnate, relaia analitic de calcul

este:

E = 2551,7 16,186 VG , (g/cm3)

Din analiza msurtorilor efectuate asupra densitii se poate spune c densitateamaterialului scade odat cu creterea procentului de grafit.

Diferena dintre densitatea teoretic i cea real, determinat experimental, se poateexplica prin urmtoarele :

1.- datorit diferenei dintre densitile grafitului i ale matricei metalice(gr < Al ) i mai ales slabei umectabiliti a grafitului de ctre aliajul de aluminiulichid, o parte din grafitul dozat pentru inoculare se poate pierde prin separare lasuprafa sau n zgur;

2.- prin apariia unor defecte de necompactitate (pori, sufluri,microretasuri etc.). Introducerea grafitului face aceste materiale mai sensibile laapariia acestor defecte. Ca urmare, utilizarea unor procedee de turnare subpresiune sau turnare centrifugal, ar conduce la obinerea unor piese maicompacte, lipsite de prezena unor defecte de asemenea natur.

Din analiza microscopics-a constatat de asemenea o tendinde segregare a grafitului

spre partea superioara probei turnate.Atacul metalografic s-a fcut cu acid fluorhidric concentrat timp de 35 secunde.


11/13

Probele atacate au fost supuse analizei metalografice optice cu ajutorul microscopuluimetalografic MC 2. Pentru probele turnate conform programului experimental, structurilemetalografice sunt urmtoarele (fig.3):

Fig. 3.- Microstructura compozitelor: a) cu 0,5% grafit ; b) cu 1,0% grafit;

c) cu 2,5% grafit; d) cu 5,0% grafit ( ordin de mrire 500, atac cu HF, timp de 35

secunde) : eutectic fin (fond nchis) + soluie solid (culoare deschis) + grafit

dispus interdendritic (culoare neagr).


12/13

Determinarea duritii

Pentru msurarea duritii compozitelor elaborate am folosit un aparat Brinell cu sarcinade 187,5 daN i cu o bilpenetrator de 2,5 mm.

Msurarea duritii s-a fcut pe 3 amprente la fiecare epruvet apoi s-a fcut media

aritmetic. Valorile determinate experimental prin metoda Brinell, sunt date n tab.4.Tabelul 4.- Variaia duritii Brinell al compozitului Al-Grafit

Obs: - duritatea este medie a 3 ncercri pentru fiecare probVariaia duritii se prezintn fig.4.


13/13

Duritatea compozitului Al - grafitHB=171.7-5.9*VG (daN/mm2)

Fig.4.- Variaia duritii compozitului aluminiu grafit, funcie de fracia

volumic de grafit adugat

Analitic, duritatea n funcie de fracia volumicde grafit se poate determina cu relaia:

HB = 171,7 5,9VG (daN/mm2)

unde: VGfracia volumicde grafit, %.

CONCLUZII

1.- Compozitele Al-grafit fac parte din clasa materialelor autolubrifiante, caracterizateprintr-un coeficient de frecare redus, datoritgrafitului inoculat.

2.- Datoritdiferenei de greutate specific dintre matrice i grafit (grafitul fiind maiuor) pentru obinerea unui amestec compozit omogen este necesaro agitare fie mecanic, fiecu ultrasunete sau alte metode.

3.-Introducerea grafitului n compozit a condus la reducerea densit ii i duritiiacestuia.

Aplicaii: pentru sectoare de automobile, aeronautic, aerospaiale, industria dearmament.

Cercetari Experimentale Asupra Compozitelor (2)

Documents

Transcript of Cercetari Experimentale Asupra Compozitelor (2)