Μελέτη δομής και ιδιοτήτων κονιομεταλλουργικά παραχθέντων σύνθετων μεταλλικών αφρών αλουμινίου
Creators: name: Βογιατζής, Χρήστος Α.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2017
Subjects: Σύνθετοι μεταλλικοί αφροί αλουμινίου
Κονιομεταλλουργία
Μηχανικές ιδιότητες
Διάβρωση
Metal matrix syntactic foams
Power metallurgy
Mechanical properties
Corrosion

description: Η παρούσα εργασία πραγματεύεται τη μελέτη της δομής και ιδιοτήτων Σύνθετων Μεταλλικών Αφρών Αλουμινίου (ΣΜΑΑκ) ή Συντακτικών Αφρών Αλουμινίου παραγόμενων με την τεχνική της κονιομεταλουργίας. Οι ΣΜΑΑκ αποτελούν μια σχετικά νέα κατηγορία υλικών με αυξανόμενο τεχνολογικό ενδιαφέρον λόγω των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών τους και ειδικότερα της μεγάλης δυνατότητας απορρόφησης ενέργειας σε σχέση με το πολύ μικρό ειδικό τους βάρος. Τα υλικά αυτά αποτελούνται από μήτρα αλουμινίου στην οποία ενσωματώνονται κεραμικές κενόσφαιρες οι οποίες είναι υπεύθυνες για το αναπτυσσόμενο πορώδες. Τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα εργασία ήταν καθαρό αλουμίνιο και κεραμικές κενόσφαιρες από μουλίτη. Για τον έλεγχο της τελικής μικροδομής και διαφόρων φυσικο – μηχανικών ιδιοτήτων τους χρησιμοποιήθηκαν διάφορες τεχνικές όπως ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης, περιθλασίμετρο κόνεων ακτίνων –Χ, αξονικός τομογράφος ακτίνων –Χ, μηχανή εφελκυσμού – θλίψης. Οι έλεγχοι της διάβρωσης σε περιβάλλον υδατικού διαλύματος προσομοίωσης θαλασσινού νερού περιλάμβαναν μετρήσεις δυναμικού ανοιχτού κυκλώματος, ποτενσιοδυναμικών πολώσεων, φασματοσκοπίας σύνθετης αντίστασης και πειράματα πόλωσης. Παρήχθησαν ΣΜΑΑκ με ποσοστά ενίσχυσης από 10% έως και 40% κ.ο. Εξετάστηκε για πρώτη φορά ο βαθμός συσσωμάτωσης των κενοσφαιρών στους ΣΜΑΑκ χρησιμοποιώντας την τεχνική της ψηφιοποίησης κατά Dirichlet. Εξηγήθηκε η μικροδομή των ΣΜΑΑκ βάσει των πειραματικών αποτελεσμάτων και των θεωριών που αφορούν την πυροσυσσωμάτωση. Αναπτύχθηκε μηχανισμός περιγραφής των σταδίων της συσσωμάτωσης των ΣΜΑΑκ κατά τη διάρκεια της παραγωγής και εξετάστηκε η επίδραση της διάχυσης ποσοτήτων πυριτίου από τις κενόσφαιρες στο μητρικό μεταλλικό υλικό. Καταγράφηκαν οι τύποι παραμόρφωσης των ΣΜΑΑκ και υπολογίστηκαν χρήσιμα μεγέθη αντοχής σε θλίψη ενώ προτάθηκε νέα μαθηματική σχέση η οποία συνδέει άμεσα την αντοχή των σύνθετων υλικών με τις αρχικές συνθήκες παραγωγής και ιδιότητες των πορωδών συσσωματωμάτων. Χρησιμοποιήθηκαν και αξιολογήθηκαν για πρώτη φορά στους ΣΜΑΑκ τα διαγράμματα απορρόφησης ενέργειας/αναπτυσσόμενων μηχανικών τάσεων και πυκνότητας/αναπτυσσόμενων μηχανικών τάσεων. Προτάθηκε νέα μεθοδολογία μοντελοποίησης των ΣΜΑΑκ με χρήση της μεθοδολογίας τριγωνοποίησης κατά Delaunay και έγινε μέσω ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων (FEM) προσδιορισμός μηχανικών ιδιοτήτων. Αναλύθηκαν οι μηχανισμοί θραύσης των ΣΜΑΑκ υπό θλιπτικά φορτία βάσει των πειραματικών και υπολογιστικών αποτελεσμάτων. Τέλος, καταγράφηκαν οι παράγοντες που επιδρούν στη διάβρωση και οι συσχετισμοί που υφίστανται μεταξύ τους. Αναπτύχθηκε ηλεκτρικό κύκλωμα προσομοίωσης των αρχικών σταδίων διάβρωσης των ΣΜΑΑκ και αναπτύχθηκε ο μηχανισμός περιγραφής των αρχικών σταδίων διάβρωσης. Από την όλη μελέτη διαπιστώθηκε ότι οι τεχνικές της κονιομεταλλουργίας μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή ΣΜΑΑκ με ποσοστά ενισχυτικής φάσης έως 40% κ.ο., με μηχανικές ιδιότητες εφάμιλλες ή και καλύτερες από άλλα είδη σύνθετων αφρών. Η διάχυση ποσοτήτων πυριτίου από τις κενόσφαιρες στο μητρικό υλικό επιδρά σημαντικά στην τελική μικροδομή των ΣΜΑΑκ (π.χ. μείωση ακούσιου μικροπορώδους). Το πυρίτιο επιδρά στον μηχανισμό της πυροσυσσωμάτωσης των σύνθετων διότι βοηθάει στην αύξηση των ποσοτήτων ευτηκτικού μητρικού υλικού (υγρής φάσεως). Αύξηση του ποσοστού των κενοσφαιρών οδηγεί σε μείωση της αντοχής σε διάβρωση των ΣΜΑΑκ. Το προτεινόμενο ηλεκτρικό κύκλωμα περιγράφει ικανοποιητικά τις διαδικασίες διάβρωσης των ΣΜΑΑκ με πολύ καλή ταύτιση πειραματικών αποτελεσμάτων με τα αποτελέσματα της προσομοίωσης. Βάσει των πειραματικών αποτελεσμάτων η δημιουργία μικροτρημάτων σε ενεργές περιοχές στην επιφάνεια των ΣΜΑΑκ (π.χ. διεπιφάνειες κεραμικής - μεταλλικής φάσης) και η ανάπτυξη αυτών με το χρόνο φαίνεται να αποτελούν το βασικό μηχανισμό διάβρωσης.
description: This study is related to the investigation of the microstructure and properties of Aluminium Matrix Syntactic Foams (Al-MSFs) fabricated by a powder metallurgy technique. The research led to the development of mechanisms that describe the evolution of procedures and properties of this type of composite. Al-MSFs represent an emerging class of materials and their main advantage is their high-energy dissipation capacity in relation to their weight. The porosity of Al-MSFS results from ceramic hollow microspheres (cenospheres) embedded in a continuous metal matrix. Commercial pure aluminium with commercial ceramic cenospheres from mullite were selected as matrix and reinforcement material, respectively. Microstructural characteristics as well as different kind of physical and mechanical properties (like compressive strength) were examined by using techniques like scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), micro computed tomography (μCT), micro hardness Vickers and static compression testing machine. The corrosion behavior in simulated see water environment was investigated by using electrochemical techniques like open circuit potential, potentiodynamic polarization techniques, electrochemical impedance spectroscopy (EIS) measurements and stable potential experiment. Finally, commercial software for 3D drawings and finite elements analysis was used. Al-MSFs with a 10 % - 40 % v/v cenospheres were produced. The degree of agglomeration (coefficient – of – variance of the mean neighbor distance (COV)) of the cenospheres in the aluminium matrix was calculated by using Dirichlet triangulation. Furthermore, a description of the sintering stages (mechanisms) is presented for different composites produced at different sintering temperatures. Also, the influence of the powder metallurgy technique on the fracture mechanism of the Al-MSFs is analyzed. A new mathematic equation is proposed for the calculation of the compressive stress of Al-MSFs, based on existing formulations, while considering the production conditions (compact pressure) of the “green body”. Apart from that, a methodology of 3D design of the structure of the Al-MSFs is proposed based on Delaunay triangulation. Finally, the parameters and interrelations that influence the corrosion behavior of the composites in simulated sea water environment are reported. Appropriate equivalent electrical circuit and the mechanism of the early stages of corrosion of Al-MSFs were proposed and described. The investigation showed that powder metallurgy can successfully be used to produce Al-MSFs with a maximum 40 % v/v cenospheres with enhanced mechanical properties compared with relevant types of syntactic foams. Furthermore, the observed diffusion of Si from the cenospheres in the matrix structure highly influence the microstructure of the composite (e.g. the reduction of voids in the matrix). Even relative small quantities of diffused Si in the matrix can increase the quantities of eutectic phase in the aluminium matrix microstructure. Corrosion experiments showed that the corrosion rates are higher for the Al-MSFs compared to pure sintered aluminium. The formation of micro – pits at reaction zones (e.g. interfaces between ceramic and metal) and the evolution of them into pits through time seems to be the main mechanism of the early stages of Al-MSFs corrosion.