title: Microstructural mechanics of Mg-SiC nanocomposite materials: a computational and experimental study on compaction and deformation behavior
Creators: name: Rahimi Mehr, Fatemeh
Publisher: name: Technische Universität Berlin
Year: 2024
Subjects: subject: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::629 Andere Fachrichtungen der Ingenieurwissenschaften
subject: Mg-SiC nanocomposite
subject: compaction behavior
subject: deformation behavior
subject: MDPC model
subject: DIC2d
subject: RVE

description: Improving mechanical strength while maintaining ductility by incorporating nano-sized reinforcement particles positions magnesium (Mg) nanocomposites essential for lightweight engineering in automotive, aerospace, and electronics industries. The role of SiC nanoparticles as a reinforcement agent is highlighted due to their outstanding specific fracture toughness and harmonious interaction with Mg, providing a stable and potent reinforcement method. The central challenge addressed in this work is the production of fully dense Mg-SiC composites with uniformly dispersed nanoparticles, crucial for improving strength and ductility. This thesis addresses this challenge through various cost-effective processing techniques, including mechanical milling, cold isostatic pressing (CIP), sintering, and hot extrusion. Particular focus is given to CIP as a critical step to ensure uniform density and prevent failure in subsequent processes. The study innovatively employs finite element method (FEM) simulations, utilizing the modified Drucker-Prager Cap (MDPC) model, to predict and analyze powder densification behavior, a more efficient alternative to traditional, labor-intensive experimental methods. The research initially applies the MDPC model to simulate the CIP process, with parameters derived from experimental studies focusing on the effects of SiC volume percentage and particle size on compaction behavior, particularly density distribution homogeneity within the Mg-SiC nanocomposite. Findings indicate that an increase in SiC nanoparticle volume by up to 10% reduces compressibility, relative density, and homogeneity of density distribution. Interestingly, a comparison between micro and nano-sized SiC particles at equivalent volumes shows higher compressibility and density homogeneity with micro-sized particles. Consequently, deformation behavior analysis was conducted exclusively on Mg-SiC nanocomposites containing micro-scale SiC particles, utilizing digital image correlation (DIC2d) and representative element volume (RVE) techniques. The observed ductile deformation behavior is attributed to grain refinement and uniform dispersion of SiC particles achieved through mechanical milling. The study underscores the effectiveness of computational methods, particularly FEM simulations, in investigating and optimizing the mechanical properties of Mg-SiC nanocomposites. This research contributes to a deeper understanding of the material's microstructural mechanics and illuminates efficient and precise processing techniques in developing advanced composite materials. Keywords: Mg-SiC nanocomposite, compaction behavior, deformation behavior, MDPC model, DIC2d, RVE.
description: Die Verbesserung der mechanischen Festigkeit bei gleichzeitiger Beibehaltung der Duktilität durch die Integration von nanogroßen Verstärkungspartikeln positioniert Magnesium (Mg)-Nanokomposite als wesentlich für den Leichtbau in der Automobil-, Luft- und Raumfahrt- sowie Elektronikindustrie. Die Rolle von SiC Nanopartikeln als Verstärkungsmittel wird aufgrund ihrer herausragenden spezifischen Bruchzähigkeit und der harmonischen Wechselwirkung mit Mg hervorgehoben, was eine stabile und wirksame Verstärkungsmethode bietet. Die zentrale Herausforderung, die in dieser Arbeit angegangen wird, besteht in der Herstellung von vollständig dichten Mg-SiC Verbundwerkstoffen mit gleichmäßig verteilten Nanopartikeln, die für die Verbesserung von Festigkeit und Duktilität entscheidend sind. Diese Arbeit geht auf diese Herausforderung durch verschiedene kostengünstige Verarbeitungstechniken ein, einschließlich mechanischer Fräsen, kaltpressendem isostatischem Pressen (CIP), Sintern und Heißextrusion. Besonderes Augenmerk wird auf CIP als kritischen Schritt gelegt, um eine gleichmäßige Dichte sicherzustellen und Versagen in nachfolgenden Prozessen zu verhindern. Die Studie setzt innovativ Finite-Elemente-Methode (FEM) Simulationen ein, die das modifizierte Drucker Prager Cap (MDPC) Modell verwenden, um das Verdichtungsverhalten von Pulvern vorherzusagen und zu analysieren, eine effizientere Alternative zu traditionellen arbeitsintensiven experimentellen Methoden. Die Forschung wendet das MDPC-Modell zunächst auf die Simulation des CIP Prozesses an, wobei die Parameter aus experimentellen Studien abgeleitet werden, die sich auf die Auswirkungen des SiC Volumenprozentsatzes und der Partikelgröße auf das Kompaktierverhalten konzentrieren, insbesondere auf die Homogenität der Dichteverteilung innerhalb des Mg-SiC Nanokomposits. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine Erhöhung des SiC Nanopartikelvolumens um bis zu 10% die Kompressibilität, die relative Dichte und die Homogenität der Dichteverteilung verringert. Interessanterweise zeigt ein Vergleich zwischen Mikro und Nanogrößen der SiC Partikel bei gleichem Volumen eine höhere Kompressibilität und Dichtehomogenität mit Mikrogrößenpartikeln. Folglich wurde eine Deformationsverhaltensanalyse ausschließlich an Mg-SiC-Nanokompositen durchgeführt, die mikroskalige SiC Partikel enthalten, wobei die digitale Bildkorrelation (DIC2d) und Techniken des repräsentativen Elementvolumens (RVE) verwendet wurden. Das beobachtete duktile Deformationsverhalten wird auf die Kornverfeinerung und gleichmäßige Dispersion der SiC Partikel zurückgeführt, die durch mechanisches Fräsen erreicht wurden. Die Studie unterstreicht die Wirksamkeit von Rechenmethoden, insbesondere FEM Simulationen, um die mechanischen Eigenschaften von Mg-SiC Nanokompositen zu untersuchen und zu optimieren. Diese Forschung trägt zu einem tieferen Verständnis der mikrostrukturellen Mechanik des Materials bei und beleuchtet effiziente und präzise Verarbeitungstechniken bei der Entwicklung fortschrittlicher Verbundwerkstoffe.