Investigation of quasi-static and dynamic mechanical properties of functionally graded SiC-particulate reinforced aluminum metal matrix composites

Abstract

oz Değişen takviye hacim oranlarına sahip SiC parçacık takviyeli Al matriks Metal Matriks Kompozitlerden (MMK) oluşan Fonksiyonel Dereceli Malzemeler (FDM), toz metalürjisi yöntemiyle hazırlanarak, statik ve dinamik yükler altındaki ezilme davranışları incelenmiştir. Dinamik testler basma tipi Split Hopkinson Basınç Çubuğu (SHBÇ) kullanılarak 1000-3000S`1 aralığında yapılmıştır. Test edilen elastik-plastik FDM sistemlerinin gerçek gerilme-genleme eğrileri eşit gerilme yöntemi kullanılarak tahmin edilebilirken, SHBÇ ile yapılan dinamik testler FDM nin katmanları arasında kompleks dalga yayılmaları göstermiştir. Numuler yüksek hızlarda yapılan dinamik basma testlerinde özellikle, empedansı en düşük olan katmanın ara yüzeyinden kırılmıştır. Bu sonuç, %10 ve %20 SiC katmanlı kompozit malzeme sisteminin LSDYNA-3 kullanılarak yapılan sonlu elemanlar modeliyle de doğrulanmıştır. Modelleme sonucunda, dinamik basma testleri esnasında en düşük empedansa sahip katmanın daha yüksek basma gerilme-zaman geçmişine sahip olduğu görülmüştür. Kırılan numunelerin mikroskobik olarak incelenmesi, katmanlı numunelerde mekanik olarak en zayıf bağın katmanlar arasındaki ara yüzeyler olduğunu göstermiştir. Bunun tek nedeni ara yüzeylerde ince bir oksit tabakasının oluşmasıdır. Modelleme sonuçları, FDM sistemlerinin ileriki araştırmalar için modellenmesinde umut vermektedir.

ABSTRACT Functionally Graded Material (FGM) systems composing of SiC-particulate reinforced Al Metal Matrix Composites (MMCs) of varying reinforcement volume fractions were prepared using a powder metallurgy route and investigated for mechanical properties under compression at quasi-static and high strain rates. High strain rate tests in the range of 1000-3 000s` were conducted using a compression type Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB) set-up. The compression true stress-strain curves of the tested elastic-plastic FGM systems were satisfactorily approximated using the equal-stress model while the high strain rate testing in SHPB involved complex wave propagation events between the layers of FGM. The samples failed under compression at high strain rates particularly at the interface of the layer of the lowest impedance. This result was also confirmed with LSDYNA3 finite element modeling of a 10 and 20% SiC layered composite material system. The model has shown that higher compressive stress-time history occurred in the layer of the lowest impedance during SHPB testing. Microscopic observation of the failed samples was further shown that the mechanically weakest link of the layered samples was the interfaces between the layers. This was solely due to the formation of a thin oxide layer at the interfaces. The modeling results were further found to be promising in modeling of FGM systems for future investigations. IV