Optimierung der Keramikgeometrie in Hochchrom-Gusseisen/Zirkonid-gehärteten Aluminiumoxid-Verbundwerkstoffen durch Partikelskalen-Numerische Modellierung

Zusammenfassung

Um den thermischen Spannungen in hochchromhaltigem Gusseisen (HCCI) Matrixverbundwerkstoffen, die durch zirkonid-gehärtetes Aluminiumoxid (ZTA) Keramikpartikel verstärkt sind, zu reduzieren, wird eine Finite-Elemente-Simulation durchgeführt, um die geometrische Konfiguration der Keramikpreform zu optimieren. Das vorherige Modell vereinfacht die Gesamtstruktur des Keramikpartikel-Preforms und fügt Randbedingungen hinzu, um die Partikel zu simulieren, was zu unkontrollierbaren Fehlern in den Ergebnissen führt. In dieser Arbeit werden äquivalente Kornmodelle verwendet, um den tatsächlichen Preform zu beschreiben, wodurch die Simulationsergebnisse den tatsächlichen experimentellen Ergebnissen näher kommen. Der Erstarrungsprozess des Verbundwerkstoffs wird simuliert, und die Infiltration zwischen geschmolzenem Eisen und Keramikpartikeln wird realisiert. Thermische Spannungen im Erstarrungsprozess und Druckspannungsverteilungen werden ermittelt. Die Ergebnisse zeigen, dass das Hinzufügen von 10-mm-Rundlöchern in den Preform die Leistung des Verbundwerkstoffs verbessern kann, was hilft, Risse zu verhindern und die Plastizität des Materials zu erhöhen.

Einleitung

Mit dem kontinuierlichen Fortschritt des Industrialisierungsprozesses sind traditionelle einzelne verschleißfeste Materialien allmählich schwer in der Lage, die Leistungsanforderungen von verschleißfesten Teilen in den Bereichen Metallurgie, Elektrizität und Baustoffe zu erfüllen [1, 2]. Keramikpartikel-verstärkte Metallmatrix-Verbundwerkstoffe, wie hochchromhaltiges Gusseisen (HCCI) Matrixverbundwerkstoffe, verstärkt durch zirkonid-gehärtetes Aluminiumoxid (ZTA) Keramikpartikel (im Folgenden als HCCI/ZTA_P Verbundwerkstoffe bezeichnet), gehören zu den beliebtesten verschleißfesten Materialien, die die hohe Härte von ZTA-Keramik mit der hervorragenden Zähigkeit von HCCI perfekt kombinieren und die komplementäre Beziehung zwischen den beiden voll ausnutzen, was den Metallmatrix-Verbundwerkstoffen hervorragende Verschleißfestigkeit verleiht [3, 4].

HCCI/ZTA_P Verbundwerkstoffe weisen immer noch eine gewisse Rissneigung auf, die das Erscheinungsbild und die Stabilität der Produktion beeinträchtigen kann [5-7]. Die Rissbildung von Verbundwerkstoffen steht in Zusammenhang mit der Plastizität und dem Spannungszustand. Ausgezeichnete Plastizität und geringere thermische Spannungen können die Risswahrscheinlichkeit von Verbundwerkstoffen verringern [8]. Wenn der Unterschied des thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Keramikpartikeln und Metall zu groß ist, erhöht sich die thermische Spannung in den Verbundwerkstoffen entsprechend. Bei hoher thermischer Spannung können Risse im Inneren des Verbundwerkstoffs initiiert werden, insbesondere an der Grenzfläche zwischen Keramikpartikeln und Metall. Die kontinuierliche Ausdehnung und Ausbreitung von Rissen kann schließlich zum Bruch des Verbundwerkstoffs oder sogar zum Ablösen der gesamten Schicht führen [9, 10]. HCCI/ZTA_P Verbundwerkstoffe haben auch die oben genannten Probleme. Wenn das geschmolzene Metall in die aggregierten Partikel eindringt, sinkt die Temperatur, was zu einer schlechten Verbindungsfähigkeit des Metalls mit den Keramikpartikeln führt. Daher ist es wichtig, die Rissneigung von HCCI/ZTA_P Verbundwerkstoffen zu untersuchen und zu reduzieren, um deren Leistung weiter zu verbessern [11, 12].

In HCCI/ZTA_P Verbundwerkstoffen ist die Verbundschicht als Arbeitsfläche ausgelegt und der Rest der Matrix ist Metall, was dem Verbundwerkstoff gleichzeitig hohe Verschleißfestigkeit und Plastizität verleiht [13]. Die Verbundschicht wird in HCCI/ZTA_P Verbundwerkstoffen durch das Infiltrationsverfahren hergestellt. Eine der bemerkenswerten Eigenschaften von Verbundwerkstoffen ist ihre Designbarkeit [14]. Je nach tatsächlichem Bedarf werden die Keramikpartikel in einen Preform mit besonderer Struktur und Größe vorbereitet, und dann wird der Preform eng mit dem geschmolzenen Metall kombiniert, um einen ZTA_P/HCCI-Verbundwerkstoff herzustellen [15].

Um die thermische Spannung zu reduzieren, wählen wir den Keramikpartikel-Preform in sechseckiger Form. Im sechseckigen Preform ist die maximale Distanz, die das geschmolzene Metall in den Preform eindringt, unabhängig von der Richtung gleich, was die Gleichmäßigkeit der Metalleindringung verbessert und die Spannungskonzentration im Preform verringert [16, 17]. Obwohl der sechseckige Preform verwendet wird, um die Rissneigung des Materials zu reduzieren, existiert die thermische Spannung im Materialformprozess immer noch. Die Verbesserung der Struktur des Keramikpartikel-Preforms kann die Spannungskonzentration effektiv reduzieren.

Bei der Optimierung der Verbundwerkstoff-Preformstruktur kann die Finite-Elemente-Methode wiederholte Experimente reduzieren. In früheren Studien wurde der Keramikpartikel-Preform aufgrund der Komplexität der Keramikpartikel-Zeichnung und -Berechnung meist als Ganzes vereinfacht. Gründliche Forschung ergab, dass das vereinfachte Modell einige Mängel aufweist und nicht in einem breiteren Bereich verwendet werden kann. Die Etablierung eines äquivalenten Partikelmodells kann das Modell weiter mit der tatsächlichen Situation kombinieren und den durch das Modell verursachten Fehler reduzieren [18]. Die Finite-Elemente-Analyse-Software COMSOL Multiphysics wird verwendet, um die Spannungsfelder im Erstarrungsprozess und Kompressionsprozess des HCCI/ZTA_P Verbundwerkstoffs zu modellieren [19]. COMSOL Multiphysics ist eine großskalige fortschrittliche numerische Simulationssoftware [20, 21].

In dieser Arbeit verwenden wir Finite-Elemente-Software, um die Spannung von Verbundwerkstoffen unter verschiedenen Bedingungen zu simulieren. Die Version von COMSOL Multiphysics, die in dieser Arbeit verwendet wird, ist 4.5a. Diese Studie analysiert systematisch den Einfluss des geometrischen Modells in der Finite-Elemente-Software auf die Berechnungsergebnisse, was dem Design und der Entwicklung poröser Preforms zugutekommt. Die Simulation und das Experiment werden miteinander verglichen, und das Modell wird kontinuierlich optimiert.

Methoden

Eines der Hauptprobleme in der Verbundwerkstoffproduktion ist die Spannungskonzentration, die direkt die Verschleißfestigkeit und Plastizität von Verbundwerkstoffen beeinflusst. Die Verbesserung der Struktur des Keramikpartikel-Preforms kann die Spannungskonzentration effektiv reduzieren. Ziel dieser Studie ist es, den Einfluss der Preformstruktur auf die Spannungsverteilung zu untersuchen und die Leistung von Verbundwerkstoffen zu verbessern.

Etablierung und Optimierung des geometrischen Modells

Im Erstarrungsprozess sind die Temperaturen von Form und flüssigem Metall unterschiedlich und das flüssige Metall erstarrt schnell, sodass der Wärmeübergang zwischen jeder Position im Gießprozess instationär ist, und die Wärmeleitungsgleichung kann wie folgt geschrieben werden [22]:

$$\rho C_P \frac{\partial T}{\partial x} = \frac{\partial}{\partial x}\left( \lambda \frac{\partial T}{\partial x} \right) + \frac{\partial}{\partial y}\left( \lambda \frac{\partial T}{\partial y} \right) + \frac{\partial}{\partial z}\left( \lambda \frac{\partial T}{\partial z} \right) + \rho Q \quad (1)$$

wobei \(\rho\) die Dichte ist; \(C_P\) die Wärmekapazität; \(\lambda\) die Wärmeleitfähigkeit; \(T\) die transiente Temperatur; \(Q\) die Wärme; die Koordinaten \(x\), \(y\) und \(z\) die relativen Koordinaten des Teilsystems sind.

Da die Temperatur jedes Punkts im Erstarrungsprozess unterschiedlich ist, besteht eine variable innere Spannung im Gussstück. Wenn der Guss als linear-elastischer Körper betrachtet werden kann, wenn die innere Spannung kleiner als die Fließgrenze ist, können wir das Hookesche Gesetz verwenden, um den Prozess der elastischen Verformung zu beschreiben:

$$\left\{ \begin{array}{l} \varepsilon_{xx} = \frac{1}{E}\left[ \sigma_{xx} - \nu\left( \sigma_{yy} + \sigma_{zz} \right) \right] \\ \varepsilon_{yy} = \frac{1}{E}\left[ \sigma_{yy} - \nu\left( \sigma_{xx} + \sigma_{zz} \right) \right] \\ \varepsilon_{zz} = \frac{1}{E}\left[ \sigma_{zz} - \nu\left( \sigma_{xx} + \sigma_{yy} \right) \right] \to \varepsilon_{ij} = \frac{1 + \nu}{E}\sigma_{ij} - \frac{\nu}{E}\delta_{ij} \sigma \\ \varepsilon_{xy} = \frac{1}{2G}\sigma_{x} \\ \varepsilon_{yz} = \frac{1}{2G}\sigma_{yz} \\ \varepsilon_{zx} = \frac{1}{2G}\sigma_{zx} \end{array} \right. \quad (2)$$

wobei \(E\) der Elastizitätsmodul ist; \(\sigma = \sigma_{ii} + \sigma_{11} + \sigma_{22} + \sigma_{33}\); \(\nu\) die Poissonsche Zahl; der Einheitstensor \(\varepsilon_{ij} = \frac{1}{2}\gamma_{ij}\); der Schubmodul \(G = \frac{E}{2(1 + \nu)}\).

Dann ist die innere Spannung größer als die Fließgrenze, und der Guss hat mehr Verformung. Die Gesamtdehnung setzt sich aus elastischer und plastischer Dehnung zusammen, \(\sigma_{ij} = \sigma_{ij}^e + \sigma_{ij}^p\). Diese Gleichung kann als elastisch-plastisches lineares Verfestigungsmodell behandelt werden. Elastische und plastische Verformung sind linear, und die Konstitutivgleichung kann wie folgt geschrieben werden [23]:

$$\sigma = \left\{ \begin{array}{ll} E\varepsilon & \varepsilon \le \varepsilon_s \\ \sigma_s + E_1 (\varepsilon - \varepsilon) & \varepsilon > \varepsilon_s \end{array} \right. \quad (3)$$

wobei \(\sigma\) die Spannung ist; \(E\) der Elastizitätsmodul; \(\varepsilon\) die Dehnung; \(\varepsilon_s\) die Fließfestigkeit.

Die Lebensdauer von hochchromhaltigem Gusseisen-Werkstücken ist aufgrund schlechter Verschleißfestigkeit kürzer. Verbundwerkstoffe haben viele Vorteile gegenüber einzelnem HCCI. Im Herstellungsprozess von HCCI/ZTA_P Verbundwerkstoffen werden die ZTA-Keramikpartikel im Voraus in einen porösen Preform vorbereitet. Der Preform bewirkt, dass die ZTA-Keramikpartikel und das HCCI enger kombiniert sind, und die Keramikpartikel fallen bei Belastung nicht so leicht ab. Um die Leistung der HCCI/ZTA_P Verbundwerkstoffe weiter zu verbessern, ist es notwendig, die Struktur der Preforms zu optimieren.

Während des Gießprozesses kann das geschmolzene Metall die runden Löcher füllen und den Metallanteil erhöhen. Im Anwendungsprozess von HCCI/ZTA_P Verbundwerkstoffen wurde festgestellt, dass die Partikelaggregationsposition anfälliger für Risse ist, daher wird an dieser Position das runde Loch hinzugefügt.

Die Form der ZTA-Keramikpartikel ist ein beliebiges Polygon, und es gibt viele Partikel im Preform. Wenn alle Partikel gezeichnet werden, ist der Arbeitsaufwand groß. In früheren Simulationen von Keramik-Metallmatrix-Verbundwerkstoffen wurden die meisten Preforms von Keramikpartikeln als Ganzes betrachtet. Wie in Abb. 1 gezeigt, erstellt das Papier Modelle auf der Makro- und Mikroskala. Die Etablierung eines vernünftigen Modells erfordert wiederholte gegenseitige Verifikation mit Experimenten. Im Optimierungsmodell stimmen die berechneten Ergebnisse gut mit den experimentellen Ergebnissen überein. Die Simulationsergebnisse umfassten thermische Spannung, Temperaturfeld, Phasenübergangsfeld während der Erstarrung und Spannungs-Dehnung des Gussstücks unter Last. Vernünftige und effektive Anpassungen am etablierten Finite-Elemente-Modell werden vorgenommen, damit das optimierte Finite-Elemente-Modell in einem breiteren Bereich verwendet werden kann.

Bei der Etablierung des geometrischen Modells mit der Finite-Elemente-Software wird oft das vereinfachte geometrische Modell verwendet, um die Berechnungszeit und den Modellierungsaufwand zu reduzieren. Wie in Abb. 2 gezeigt, gibt es Lücken zwischen den Partikeln, weil der dreidimensionale sechseckige poröse Preform zu einem zweidimensionalen Modell vereinfacht wird und nur eine Partikelschicht ausgewählt wird, um das zweidimensionale Modell zu projizieren. Auf diese Weise kann das Stapeln der Partikel im dreidimensionalen Raum den Einfluss auf das zweidimensionale geometrische Modell effektiv vermeiden und das Modell vernünftig vereinfachen und die Berechnungseffizienz verbessern.

In dieser Arbeit werden ZTA-Keramikpartikel als Verstärkungsphase des Verbundwerkstoffs ausgewählt. ZTA-Keramikpartikel sind ein mehrphasiges Strukturkeramik, das durch Zugabe von Zirkonid zu Aluminiumoxid und anschließendes Sintern hergestellt wird, wobei der Zirkonid-Massenanteil 18 % und der Aluminiumoxid-Massenanteil 82 % beträgt. Hochchromhaltiges Gusseisen ist die Matrix des Verbundwerkstoffs, das mehr als 12 % Chrom enthält und ein hervorragendes verschleißfestes Material ist.

Die Materialparameter haben großen Einfluss auf das Ergebnis der Finite-Elemente-Berechnung. Die für die Simulationsberechnung in dieser Arbeit erforderlichen Materialparameter werden durch Experimente und Literatur ermittelt. Die Materialparameter von ZTA-Keramikpartikeln und HCCI sind in Tabelle 1 dargestellt.

Experimente

Zur Prüfung der Plastizität und Verschleißfestigkeit des HCCI/ZTA_P Verbundwerkstoffs wurde ein systematischer Test am Verbundwerkstoff durchgeführt, um den Einfluss der Preformstruktur weiter zu bestimmen. Eine SHT4305 Universalprüfmaschine wurde verwendet, um die Druckeigenschaften von HCCI/ZTA_P Verbundwerkstoffen zu messen. Die Größe des Druckprüfproben beträgt 10 × 10 × 25 mm, die angewendete Last beträgt 30 Tonnen, und die Druckgeschwindigkeit beträgt 0,5 mm/min.

Der Verschleißfestigkeitstest des HCCI/ZTA_P Verbundwerkstoffs ist notwendig. Ausgezeichnete Abriebfestigkeit ist das wichtigste Kriterium für die Prüfung der Leistung von verschleißfesten Verbundwerkstoffen. HCCI/ZTA_P Verbundwerkstoffe werden hauptsächlich in der Mineralverarbeitung, Zementherstellung und Papierherstellung eingesetzt, und die meisten Arbeitsbedingungen sind Dreikörper-Abrasivverschleiß. Um die Betriebsleistung von HCCI/ZTA_P Verbundwerkstoffen unter tatsächlichen Arbeitsbedingungen so weit wie möglich zu simulieren, wurde der HCCI/ZTA_P Verbundwerkstoff mit einem MMH-5 Dreikörper-Abrasivverschleißprüfgerät getestet. Das Bahnmaterial des Prüfgeräts ist M2-Werkzeugstahl, Härte 820–860 HV, Außendurchmesser 380 mm, Breite 20 mm. Art und Größe der Schleifmittel werden je nach unterschiedlichen Arbeitsbedingungen ausgewählt. In dieser Arbeit wird Quarzsand als Schleifmittel verwendet, die Härte beträgt 1000–1200 HV, die Prüfkraft 40 N, und die Probenrotationsgeschwindigkeit 30 U/min.

Ein Nanoindenter wird verwendet, um einen 100-Punkte-Elastizitätsmodul-Test im ausgewählten 100 × 100 µm² Mikrobereich durchzuführen. Das Modell des Nanoindenter ist iMicro.

Der Verschleiß von Materialien kann mit Massenverlust, Volumenverlust usw. gemessen werden. Der Volumenverlust, gemessen mit einem Messzylinder mit kleinen Änderungen, kann leicht Fehler in menschlichen Messwerten verursachen. Daher wird unter gleichen Verschleißbedingungen der Massenverlust Δm verwendet, um die Verschleißleistung des Materials zu bewerten. Die Formel zur Berechnung des Materialverlusts lautet wie folgt:

$$\Delta m = m_1 - m_2 \quad (4)$$

wobei \(m_1\) und \(m_2\) jeweils die Masse der Proben vor und nach dem Verschleiß darstellen.

Ergebnisse und Diskussion

Simulation basierend auf vereinfachtem Gesamtmodell

In der Simulation der thermischen Spannung im Erstarrungsprozess von HCCI/ZTA_P Verbundwerkstoffen in dieser Studie wird die thermische Spannungsverteilung bei 10 s für alle Simulationsergebnisse ausgewählt, da sich die thermische Spannung vor und nach 10 s signifikant ändert. Im Vergleich zur Skala rechts in Abb. 3 zeigt die rote Farbe höhere Spannung und die blaue Farbe niedrigere Spannung an. In Abb. 3a trat Spannungskonzentration am Rand des Preforms auf, insbesondere in der mittleren Position, die obere und untere Seite des Preforms erschien rot. Im Vergleich zur rechten Skala von Abb. 3a zeigt dies, dass die Spannung hier enorm ist. Blaue Farbe erscheint an der Stelle, an der die Partikel zusammenkommen, also an der Kreuzung der sechseckigen Lochwände, was anzeigt, dass die Spannung hier gering ist. In dem geometrischen Modell in Abb. 3c werden runde Löcher zu den Partikelaggregaten des Preforms hinzugefügt. Die Spannungsverteilung in Abb. 3c ähnelt Abb. 3a, außer dass es eine offensichtlichere Spannungskonzentration um die runden Löcher gibt. Die Spannungsverteilung um das runde Loch des Preforms in Abb. 4 ist ähnlich wie in Abb. 3.

Die endgültigen Berechnungsergebnisse müssen intuitiv sein, daher wurden die Ergebnisse nachbearbeitet und ein Spannungsquerschnittsvergleichsdiagramm gezeichnet. Zuerst wird ein 2D-Querschnitt im geometrischen Modell gezeichnet, da der Hauptbeobachtungsbereich um das runde Loch herum liegt, also dort, wo die Partikel zusammenkommen, verläuft der 2D-Querschnitt durch das runde Loch. Die Ordinate des Spannungsdiagramms ist der Spannungswert auf der Schnittlinie, und die Abszisse ist die x-Achsen-Koordinate des Modells, wie in Abb. 5 gezeigt. Im vereinfachten Modell betragen die Koordinaten der runden Löcher (12, 14), (27, 14). Abb. 5c ist ein Liniendiagramm der Erstarrungsspannung. In Abb. 5c zeigt der Preform mit runden Löchern einen signifikanten Anstieg der Spannung an den Abszissen 12 und 27 im Vergleich zum Preform ohne runde Löcher. Abb. 5d ist ein Vergleichsdiagramm der Druckspannung. Der allgemeine Trend der Kurve ist derselbe wie in Abb. 5c, und die Spannung an der Position des runden Lochs wird signifikant erhöht.

Simulation basierend auf äquivalentem Kornmodell

Abb. 6 zeigt die thermische Spannungsverteilung des HCCI/ZTA_P Verbundwerkstoffmodells basierend auf tatsächlichen Partikeln, was Abb. 3 ähnelt. In Abb. 6 werden die ZTA-Keramikpartikel jedoch nicht mehr als gesamter Preform vereinfacht, sondern als einzelne Partikel etabliert, und es kann beobachtet werden, dass die meisten umliegenden Partikel rot erscheinen. Die Form der ZTA-Keramikpartikel ist nicht einheitlich, und die Spannung ist höher als der umgebende Wert, insbesondere an den scharfen Spitzen der Partikel. Die thermischen Spannungsverteilungen in Abb. 3b und 6b sind offensichtlich unterschiedlich. Das runde Loch des Preforms in Abb. 6b erscheint blau, was anzeigt, dass die Spannung hier gering ist. Die Berechnungsergebnisse der Spannungskonzentration um das runde Loch sind entgegengesetzt. Der Grad der Vereinfachung und die Zeichnungsmethoden der geometrischen Modelle führen zu unterschiedlichen Berechnungsergebnissen.

Das geometrische Modell, das zur Simulation der Druckspannung in Abb. 7 verwendet wird, ist ähnlich wie Abb. 6. In Abb. 7 ist, im Vergleich zur Skala rechts, die Spannung auf dem oberen Teil des Modells und dem Preform konzentriert, insbesondere die Kanten auf beiden Seiten des Keramikpreforms, die gelb-grün sind. Im Partikelaggregationsbereich des Preforms wird diese Zone in Abb. 7a grün dargestellt, was anzeigt, dass die Spannung hier gering ist. In Abb. 7b werden runde Löcher an den Aggregaten des Preforms hinzugefügt. Die Farbe des runden Lochbereichs ist grün und gelb, was anzeigt, dass keine offensichtliche Spannungskonzentration besteht.

Im Modell basierend auf tatsächlichen Partikeln betragen die Koordinaten der runden Löcher (12, 14) (27, 14). Abb. 8 ist ein Vergleichsdiagramm der Erstarrungsspannung, das den Effekt des Vorhandenseins oder Fehlens von runden Löchern auf die Spannung vergleicht. Die Spannung des Preforms mit runden Löchern zeigte einen signifikanten Rückgang an den Abszissen 12 und 27, und ihre Position stimmte im Wesentlichen mit der Position der runden Löcher überein. Die Spannung der verbleibenden Koordinaten des Preforms mit runden Löchern hat einen leichten Anstieg. In Abb. 8a, b fallen die beiden Kurven im Wesentlichen zusammen, außer im Preform mit runden Löchern; die Spannung in der Nähe der runden Lochkoordinaten fällt signifikant ab.

Experimentelle Validierungen

Wie aus Abb. 9 ersichtlich, ist der Massenverlust der Verbundwerkstoffe mit dem optimierten Preform und der Verbundwerkstoffe mit dem ursprünglichen Preform im Verschleißtest nicht sehr unterschiedlich, was darauf hindeutet, dass die Verschleißfestigkeit nicht signifikant geopfert wird und auch die Gesamtplastizität der HCCI/ZTA_P Verbundwerkstoffe verbessert werden kann.

Der poröse Preform wurde durch Hinzufügen von kleinen zylindrischen Löchern an den Partikelaggregationszonen optimiert, was den Volumenanteil der Keramikpartikel in den HCCI/ZTA_P Verbundwerkstoffen veränderte. Der Gehalt an ZTA-Keramikpartikeln im Verbundwerkstoff ist ein wichtiger Faktor, der seine mechanischen Eigenschaften beeinflusst. Wie in Abb. 9 gezeigt, nehmen die Druckfestigkeit und Druckverformung der Probe mit Preforms mit runden Löchern im Vergleich zur Probe mit dem initialen Preform signifikant zu, was darauf hindeutet, dass kleine runde Löcher an den Aggregationszonen der ZTA-Keramikpartikel förderlich für die Verbesserung der Festigkeit und Plastizität der HCCI/ZTA_P Verbundwerkstoffe sind. Die Hinzufügung kleiner zylindrischer Löcher an den Agglomerationszonen des porösen Preforms erhöht den Gehalt an der Metallmatrix mit besserer Plastizität, was die Druckdehnung der HCCI/ZTA_P Verbundwerkstoffe unter Druckspannung erhöht und auch deren Druckfestigkeit beeinflusst. Wenn die Spannung den Spitzenwert erreicht, kann man davon ausgehen, dass im Probenstück bereits Schaden aufgetreten ist. Mit der kontinuierlichen Zunahme der Dehnung akkumuliert sich der innere Schaden des Materials auch, der Dehnungswiderstand nimmt allmählich ab, und schließlich tritt Scherbruch auf.

Die Mikroanalysen der Härte aller Proben sind in Abb. 10 dargestellt. Wie in Abb. 10a, b gezeigt, wird der Testbereich jeweils um die runden Partikel und scharfen Eckenteilchen ausgewählt, um besser mit den Simulationsergebnissen korrespondieren zu können. Abb. 10c, d wird mit dem vergrößerten Teilansicht der Spannung verglichen. In der Simulation neigt die Spannungskonzentration dazu, um die scharfen Ecken der Partikel aufzutreten. In den Testergebnissen ist der Modul in der Nähe der scharfen Eckenteilchen größer als die Metallmatrix in der Nähe der runden Ecken, was die Rationalität des Modells basierend auf dem tatsächlichen Partikel weiter verifiziert.

Ein rundes Loch wird zu den Partikelaggregationszonen der Preforms hinzugefügt, was drei Funktionen hat. Die erste Funktion ist, den Volumenanteil der Keramikpartikel im HCCI/ZTA_P Verbundwerkstoff zu verringern und die Restspannung zu reduzieren; die zweite Funktion ist, die Agglomeration der Keramikpartikel des Preforms zu verringern; die dritte Funktion ist, den Volumenanteil der Metallmatrix mit besserer Plastizität zu erhöhen, um die Rissausbreitung zu behindern. Die Plastizität der HCCI/ZTA_P Verbundwerkstoffe nimmt mit der Zunahme der Restspannung ab. Der Volumenanteil der Keramikpartikel nimmt ab, und die Restspannung wird relativ gering. Die Hinzufügung runder Löcher in den ZTA-Keramikpartikel-Preform kann Risse reduzieren, weil die Rissinstabilität dazu neigt, sich entlang einer geraden Linie auszudehnen. Wenn Risse in der Verbundzone des HCCI/ZTA_P Verbundwerkstoffs erzeugt werden, breiten sich die Risse leicht entlang der sechseckigen Lochwand im Preform aus, um Rissausbreitung zu erzeugen. Das runde Loch erhöht den HCCI-Matrixgehalt an der Verbindung der sechseckigen Lochwand, behindert die Rissausbreitung und spielt somit eine Rolle bei der Zähigkeit der Struktur.

Fazit

Der große Unterschied im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen HCCI und ZTA_P verursacht Risse im Verbundwerkstoff. Der Erstarrungs- und Kompressionsprozess von HCCI/ZTA_P Verbundwerkstoffen wird mit der Finite-Elemente-Software simuliert, und die numerischen Werte und Verteilungen der Spannungen werden basierend auf dem vereinfachten Gesamtmodell und dem äquivalenten Kornmodell für den Preform analysiert. Gemäß den Berechnungsergebnissen wird die Preformstruktur optimiert. Durch Analyse der Simulations- und experimentellen Ergebnisse kann geschlossen werden, dass die Hinzufügung runder Löcher zum sechseckigen porösen Preform zu einer Verringerung der thermischen Spannung und Druckspannung während der Erstarrung führt. Nach Optimierung und Anpassung des Modells neigen die Simulationsergebnisse dazu, mit den experimentellen Ergebnissen konsistent zu sein. Die Methoden in dieser Arbeit können wichtige Referenzen für die Simulation und Optimierung von Verarbeitungsparametern in Gießsystemen verschiedener Metallmatrix-Verbundwerkstoffe bieten.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Die Datensätze, die die Schlussfolgerungen dieses Artikels unterstützen, sind im Artikel enthalten.

Abkürzungen

HCCI:

Hochchrom-Gusseisen (High Chromium Cast Iron)

ZTA:

Zirkonid-gehärtetes Aluminiumoxid (Zirconia Toughened Alumina)

HCCI/ZTA_P:

Hochchrom-Gusseisen-Matrixverbundwerkstoffe, verstärkt durch Zirkonid-gehärtetes Aluminiumoxid-Keramikpartikel