Bruch Härte von Si3N4-/S45CGelenk mit einem Schnittstellen-Sprung

Die keramischen/Metallgelenke sind in einer großen Auswahl von Technikfeldern in zunehmendem Maße angewandt gewesen-, weil das keramische stabile mechanische Eigenschaften an der hohen Temperatur und am guten Widerstand zur Abnutzung, zur Abnutzung und zur Oxidation hat. Jedoch verursacht der Unterschied von Materialeigenschaften zwischen Metall und das keramische Druckeigenheiten am Schnittstellenrand. Außerdem wird hohe thermische Eigenspannung während des abkühlenden Prozesses wegen der Fehlanpassung der Koeffizienten der thermischen Expansion verursacht. Die Druckeigenheit zusammen mit der thermischen Eigenspannung vermindert die Stärke des keramischem/Metallgelenkes und macht die Bewertung von der Stärke schwierig. Viele Arbeiten sind über die Eigenspannung und die Stärkebewertung von keramischen/Metallgelenken erledigt worden. Zum Beispiel haben Kobayashi et al. [1, 2] die Biegefestigkeit und die Eigenspannung von SiN-/S45Cgelenk₃₄ und den Effekt der Größe des Exemplars auf die Biegefestigkeit nachgeforscht. Qiu et al. [3] haben den Einfluss der Eigenspannung und zyklische Last infolge SiN-/S45Cgelenkes₃₄ nachgeforscht. Jedoch wegen der Komplexität des Problems, ist ein generalisiertes Bewertungsverfahren für das keramische/Metallgelenk nicht noch vorgeschlagen worden.

Die elastische Lösung des einzigartigen Spannungsfelds des Schnittstellensprunges ist seit 1959 studiert worden [4-9]. Reis [10] hat die Arbeit auf diesem Gebiet zusammengefasst und die elastischen Bruchmechanikkonzepte für Zwischenflächen- Sprünge gegründet. Yuuki et al. [11, 12] haben die maximalen Kriterien des normalen Druckes für Vorhersagebruchweg und Stärke des keramischem/Metallgelenkes vorgeschlagen, das auf der elastischen Theorie basiert. Die Plastikdeformation des Metalls erscheint unvermeidlich nahe der Sprungsspitze wegen der Druckeigenheit. Für die meisten keramischen/Metallgelenke, hat die Plastikdeformation des Metalls einen bedeutenden Einfluss infolge des keramischen/Metallgelenkes. Wegen der analytischen Komplexität, der Bewertung des Bruchweges und der Stärke des keramischem/Metallgelenkes, das auf der elastoplastischen Theorie basiert, ist nicht noch gemacht worden.

In dieser Studie wurden vier Biegeversuche des Punktes von₃₄ SiN-/S45Cgelenkexemplaren mit einem Schnittstellensprung durchgeführt. Bewertung des Bruchweges und der Bruchhärte wurde basierte auf der elastoplastischen Analyse versucht.

Tabelle 1 stellt dar, dass die Geometrie und die Maße von SiN/S45C₃₄ Exemplar verbinden. Das silberne basierte Hartlot (WT % ist: AG, 71%, Cu, 27%, Ti, 2%) mit 60 μm Stärke wurde für das Abbinden zwischen Sündenkeramik₃₄ und S45C-Stahl benutzt. Dem Bronzieren wurde herein ein Vakuumofen (Torr 2.5x10^-5 ) getragen. Die Temperatur des Ofens wurde mit einer Rate von 20C/min bis^o zur bronzierenden Temperatur von 850C erhöht^o und gehalten für Minute 10, dann verringert mit einer Rate von 10C/min.^o Die Verbindungsoberflächen wurden mit Diamantpulver von 0,25 μm Durchmesser poliert. Während des Bronzierens war ein Kontaktdruck von 0,002 MPa angewandt.

Nachdem man bronziert hatte wurde ein Schnittstellensprung durch die Methode der elektrischen Entladung mit dem Ausschnittdraht von 0,1 Millimeter-Durchmesser eingeführt. Vier Exemplare mit verschiedenen Sprungslängen wurden vorbereitet. Zwei der Exemplare hatten Sprungslängen von 4,0 Millimeter und die anderen zwei Exemplare hatten Sprungslängen von 1,0 Millimeter und von 2,0 Millimeter.

Vier Biegeversuche des Punktes wurden auf den Bruchhärteexemplaren mit einer Zwischenüberschriftgeschwindigkeit von 0,5 Shows mm-/min.Tabelle 1 die Ergebnisse der Bruchhärte durchgeführt. Die offensichtliche Bruchhärte wird wie definiert:

(1)

mit

(2)

(3)

Wo P_f die Bruchlast ist, ist a die Sprungslänge, das w die Exemplarbreite, das t die Exemplarhoheit, das L₂ die äußere Spanne und das L₁ die innere Spanne.

Tabelle 1. Ergebnis der Bruchhärte prüft.

Wie in Tabelle 1 gesehen werden kann, zeigen die Exemplare mit einer Sprungslänge von 4,0 Millimeter eine höhere Bruchlast als die mit kürzeren Sprungslängen von 1,0 und 2,0 Millimeter an. Da die Eigenspannung nach dem Schnitt [2] neuverteilt, ist möglicherweise das Entspannung der thermischen Eigenspannung für längere Sprungslänge ein möglicher Grund.

Tabelle 2 zeigt die makroskopische Beobachtung des zerbrochenen Exemplars. Für die Exemplare mit einer Sprungslänge von 1,0 und 2,0 Millimeter, Sprung fortgepflanzt in Sünde₃₄ direkt von der Anfangssprungsspitze in Richtung ungefähr 40^o. Für die Exemplare mit einer Sprungslänge von 4,0 Millimeter, pflanzte der Sprung entlang der Schnittstelle für ungefähr 1,0 Millimeter fort und knick dann in Sünde₃₄ in einer Richtung von ungefähr 10^o zur Schnittstelle.

Die elastische Lösung des Spannungsfelds eines Schnittstellensprunges ist durch das Willims [4], Erdogan [5, 6], England [7] und Sih et al. vollendet worden [8, 9]. Es ist gefunden worden, dass das Spannungsfeld nahe der Schnittstellensprungsspitze die Schwingungseigenheit hat. Unter der polaren Koordinate mit dem Ursprung, der an der Sprungsspitze gelegen ist, kann das Spannungsfeld wie ausgedrückt werden

(4)

Ist Hier die Bimaterial Konstante, die wie ausgedrückt werden kann

(5)

(6)

wo µ_j und v_j das Schubmodul und das Poissons Verhältnis der Materialien sind, beziehungsweise.

Die Druckintensitätsfaktoren des einzigartigen SchwingungsSpannungsfelds werden wie definiert

(7)

wo, L die Bezugslänge ist, zum des Maßes des Schwingungsausdruckes zu beseitigen. Normalerweise nimmt L den Wert der ganzen Sprungslänge, d.h. l=2a.

Wenn der Druck entlang der Schnittstelle bekannt, können die Druckintensitätsfaktoren sein können wie extrapoliert werden:

(8)

(9)

Yuuki et al. [11, 12] haben herauf die maximalen Kriterien des normalen Druckes für den Bruch des Schnittstellensprunges vorgeschlagen. Der Ansicht Seiend, dass der Wert vonsehr klein ist, kann der normale Druck wie ungefähr ausgedrückt werden

(10)

wo

(11)

W=₁ e^-ε(π-θ), W=₂ e^ε(π+θ) (12)

(13)

Die Richtung des maximalen normalen Druckes kann von entschlossen sein:

∂B (θ, ε, y)-/∂θ = 0 (14)

Lassen Sie θ₀ die Richtung des maximalen normalen Druckes darstellen, der entsprechende Druckintensitätsfaktor kann wie ausgedrückt werden:

(15)

Bruch tritt entlang der Richtung von θreaches_0θmax der K-_IC Wert des Grundmaterials auf. Es sollte gemerkt werden, dass Bruch möglicherweise entlang der Schnittstelle auftritt, wenn θ₀ kleiner als bestimmter Wert wird, da die Stärke der Schnittstelle normalerweise niedriger als die des Grundmaterials ist.

Das elastoplastische einzigartige Spannungsfeld für ein lineares Verhärtungsmaterial [13] ist gefunden worden, um das selbe wie das des elastischen Materials im Wesentlichen zu sein, dessen elastische Konstanten wie definiert werden:

(16)

wo E das Elastizitätsmodul und das H' der Verhärtungskoeffizient ist.

Deshalb ist das elastoplastische einzigartige Spannungsfeld an der Schnittstellensprungsspitze im Wesentlichen das selbe wie das elastische einzigartige Spannungsfeld der Schnittstellensprungsspitze. Die Regelungsregion des elastoplastischen einzigartigen Spannungsfelds wird in einer kleinen Region um die Sprungsspitze innerhalb der Ertragzone begrenzt. Für keramisches/asphaltieren Sie das Gelenk und der Ansicht sein, dass der Wert der Verhärtung des Koeffizienten viel kleiner als der Wert des Elastizitätsmoduls ist, es, kann von Eq gefunden werden. (16) und Eq. (5) das

(17)

FEM-Analyse wurde unter Bedingung des flachen Druckes unter Verwendung des Programms von ABAQUS durchgeführt. Sünde₃₄ wird als elastisches Material angenommen, dessen Materialkennwerte Unabhängiges der Temperatur und des E=289 GPa, v=0.25 und CTE=4.2x10 sind^-6. S45C-Stahl wird als lineares Verhärtungsmaterial mit den Materialkennwerten angenommen, die in Tabelle 2 [14] aufgelistet werden. Die freie Temperatur des Druckes wird als 550C für^o die Analyse der thermischen Eigenspannung betrachtet.

Tabelle 2. Materialkennwerte von S45C

Für Vergleich wurde die elastische Analyse auch durchgeführt. Berechnet von den elastischen Konstanten von 25C^o, ist das Bimaterial, dasfür elastischen Fall konstant ist, 0,01588. Tabelle 3 listet die Druckintensitätsfaktoren sowie die Richtung des maximalen normalen Druckes auf, der durch die elastische Analyse erreicht wird. Es kann gefunden werden, dass der Wert wegen der Eigenspannung viel höher ist, als und die Werte von θ₀ wegen der Eigenspannung fast die selben sind, die ungefähr 70 sind^o. Das Exemplar mit einer Sprungslänge von 2,0 Millimeter hat den Grenzwert von K_θmax wegen der Eigenspannung. Die Werte von K_θmax wegen des Superposition der Eigenspannung und des angewendeten Druckes während des Bruchhärtetests sind zu denen wegen der Eigenspannung nah.

Tabelle 3. Druck-Intensitätsfaktoren und die Richtung des maximalen normalen Druckes entsprechend der elastischen Analyse.

Jedoch widersprechen die Ergebnisse der elastischen Analyse anscheinend mit dem, das der Wert von K_θmax viel höher als IC- Wert der Sünde ist₃₄, die ungefähr 6,0 MPa√m [15] ist. Auch die elastische Analyse kann nicht erklären, warum das Exemplar mit a=4.0 Millimeter höhere Bruchlast als das Exemplar mit a=1.0 Millimeter anzeigt, da K_θmax wegen der Eigenspannung für a=4.0 Millimeter größer als das für a=1.0 Millimeter ist.

Tabellen 3 und 4 zeigen der Druckverteilung die Schnittstelle, die durch die elastoplastische Analyse erhalten wird. Eine Linie mit dem Schweinefutter von - 0,5 wird auch in den Zahlen als Referenz grafisch dargestellt. Wir können sehen, dass die Kurven zur Nullinie in der Region r<10m fast parallel sind^-6, die anzeigt, dass der Druck nahe der Sprungsspitze durch das elastoplastische einzigartige Spannungsfeld beherrscht wird.

Tabellen 5 und 6 zeigen die gelösten Komponenten, die durch Eq definiert werden. (8) und Eq. (9). Unterschiedlich zu dem elastischen Fall, hier nimmt die Bezugslänge L den Wert von 1,0^-6 m, das zur Größe der Regelungsregion des elastoplastischen einzigartigen Spannungsfelds nah ist. Tabelle 5 Shows betonen die Verteilung wegen der Eigenspannung und Tabelle 6 zeigt die Druckverteilung wegen der Eigenspannung und der angewandten Last. Es kann gefunden werden, dass die Kurven zur Nullinie in der Region r<1.0 M. fast parallel^-5 sind.

Tabelle 4 listet die Druckintensitätsfaktoren und die Richtungen des maximalen normalen Druckes auf, der durch die elastoplastische Analyse erreicht wird. Es kann gefunden werden, dass K_θmax wegen der Eigenspannung in die Reihenfolge von a=2.0 Millimeter, von a=1.0 Millimeter und von a=4.0 Millimeter sich verringert. Dieses Ergebnis kann erklären, warum das Exemplar mit einer Sprungslänge von 4,0 Millimeter die höhere Bruchlast anzeigt, die mit den anderen Exemplaren verglichen wird. Die angewandte Last neigt, den Wert von K. zu verringern.₂ Die Abnahme von K₂ für a=4.0 Millimeter liegt besonders auf der Hand und der Wert von θ₀ für a=4.0 Millimeter ist 33^o, das viel kleiner als die für a=1.0 Millimeter und a=2.0 Millimeter ist. Dieses mit dem Versuchsergebnis, in dem die Exemplare mit a=1.0 Millimeter und a=2.0 übereinstimmt, Millimeter, die mit einem Winkel von ungefähr 40^o von der Schnittstelle, während die Exemplare von a=4.0 zerbrochen werden Millimeter, das entlang der Schnittstelle zerbrochen wird. Die Werte von K_θmax sind Sie auch nah an dem K-_IC Wert der Sünde₃₄, obgleich kleiner als es. Kobayashi et al. [1] haben in den Biegeversuchen von SiN-/S45Cgelenk₃₄ gefunden, dass die Ergebnisse in zwei Gruppen, in unterteilt werden können, zeigt welches ein verhältnismäßig hochfestes, während das andere einen sehr niedrigen Wert zeigt. Nach der Verbindung, Ein Grund für eine niedrige Stärke wird das als Bestehen eines Sprunges im keramischen betrachtet, da die Sprünge leicht vom inhärenten Defekt während des Ausschnitts eingeleitet werden. Dieses kann auch betrachtet werden, um einer der Gründe, warum die K-Werte_θmax, als Bruch auftrat, kleiner, als sind der K-Wert_IC der Sünde zu sein₃₄.

Tabelle 4. Druck-Intensitätsfaktoren und die Richtung des maximalen normalen Druckes entsprechend der elastoplastischen Analyse.

Bruchhärtetests wurden auf SiN-/S45Cgelenk₃₄exemplaren mit Schnittstellensprüngen von verschiedenen Längen durchgeführt. Bewertung des Bruchweges und der Bruchhärte wurde basierte auf elastoplastischer Analyse durchgeführt, in der S45C-Stahl als lineares Verhärtungsmaterial angenommen wurde. Die erreichten Ergebnisse können wie zusammengefasst werden:

•         Die thermische Eigenspannung hat eine erhebliche Auswirkung auf die Bruchhärte des Gelenkes. Wegen des Effektes der Eigenspannung, hat das Exemplar mit einer Sprungslänge von 4,0 Millimeter höhere Bruchhärte als die mit Sprungslängen von 1,0 Millimeter und von 2,0 Millimeter. Ein Sprung fortgepflanzt in Sünde₃₄ direkt von der Anfangssprungsspitze in Richtung 40^o für Sprungslängen von 1,0 Millimeter oder von 2,0 Millimeter, während sie entlang der Schnittstelle für die Sprungslänge von 4,0 Millimeter fortpflanzte.

•         Betonen Sie nahe der Sprungsspitze wird vorgeherrscht durch das elastoplastische einzigartige Spannungsfeld. Maximales σ_θKriterium, das auf dem elastoplastischen einzigartigen Spannungsfeld basierte, konnte die Bewertung des Bruchweges und der Bruchschlagzähigkeit erfolgreich beantragt werden. 3. K-_θmaxWert wegen der Eigenspannung verringert sich in die Reihenfolge von a=2.0 Millimeter, von a=1.0 Millimeter und von a=4.0 Millimeter. Dieses ist die gleiche Reihenfolge der Bruchlast der Exemplare mit a=2.0 Millimeter, a=1.0 Millimeter und a=4.0 Millimeter. Der angewandte Druck ergab eine Abnahme des Wertes von K.₂ Die Abnahme von K₂ für a=4.0 Millimeter war bedeutend und der Wert von θ₀ für a=4.0 Millimeter war viel kleiner als die für a=1.0 Millimeter und a=2.0 Millimeter. Dieses stimmt mit dem Versuchsergebnis dass die Exemplare mit a=1.0 Millimeter und a=2.0 Millimeter zerbrochen mit einem Winkel von ungefähr 40^o zur Schnittstelle, während die Exemplare von a=4.0 überein Millimeter, das entlang der Schnittstelle zerbrochen wird. Die K-_θmaxWerte am Bruch von Exemplaren waren fast selben für das ganzes Exemplar und waren zum K-Wert_IC der Sünde nah₃₄.

1. H. Verbindet Kobayashi, Y. Arai, H. Nakamura und T. Sato, „Stärke-Bewertung des Cermets“, Material-Wissenschaft und Engineering, A143 (1991) 91-102.

2. H. verbindet Kobayashi, H., Nakamura, A. Todoroki, W. Park, T. Koide und H. Taniai, der Effekt des Exemplars abgeschnitten und die Größe auf Biegefestigkeit von keramischem/von Metall, Trans. von JSME, A60-569 (1994) 65-70.

3. J.H. Qiu, S. Nakamura, M. Kawagoe und M. Morita, „Einfluss der VerbindungsStärke von Si3N4/S45C auf Eigenspannung“, Zeitschrift von Anorganischen Materialien, 13-4 (1998) 167-172.

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7. A.H. England, „ein Sprung zwischen Unähnlichen Medien“, J. Appl. Mech., 32 (1965) 400-407.

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13.   J.Q. Xu und L. Fu, „Spannungsfeld nahe einem Schnittstellen-Rand von Linearen VerhärtungsMaterialien“, Zeitschrift von Zhejiang-Universität: Wissenschaft V No.3-1 (2002) 13-18.

14.   N. verbindet Okabe, M. Takahashi, X. Zhu, K. Kagawa und Eigenschaften M. Maruyama, „der Eigenspannung und der Ermüdungsfestigkeit von Keramischem/von Metall“, J. Soc. Matte. Sci., Japan, 48-12 (1999) 1416-1422.

15.   Y. Verbindet Mutoh und I. Yumoto, „Bruch-Härte-Bewertung für Keramik/Metall“, Trans. des Symposiums der Materiellen Mechaniker von JSME, No.900-50 (1990) 185-190.