The research trends for metal matrix composites have been on basic mechanical properties, fatigue behavior after aging and fractographic observations. In this study, the fatigue crack initiation as well as the fatigue crack growth behavior and the fracture mechanism were investigated through observations of the fracture surface on silicon carbide particles reinforced aluminum metal matrix composites(SiCp/Al). Based on the fractographic study done by scanning electron microscope and replica, crack growth path model and fracture mechanism are presented. The mechanical properties, such as the tensile strength, yield strength and elongation of SiCp/Al composites are improved in a longitudinal direction, however, the fatigue life is shorter than the basic Al6061 alloys. From fractographic observations, it is found that the failure mode is ductile in basic Ai6061 alloys. And because some SiC particles were pulled out from the matrix and a few SiC particles could be seen on the fracture surface of SiCp/Al, crack growth paths are believed to follow the interface of the matrix and its particles.
Delamination crack detection is very important for improving the structural reliability of laminated composite structures. This requires real-time delamination detection technologies. For composite laminates that are reinforced with carbon fiber, an electrical potential method uses carbon fiber for reinforcements and sensors at the same time. The use of carbon fiber for sensors does not need to consider the strength reduction of smart structures induced by imbedding sensors into the structures. With carbon fiber reinforced (CF/) epoxy matrix composites, it had been proved that the delamination crack was detected experimentally. In the present study, therefore, similar experiments were conducted to prove the applicability of the method for delamination crack detection of CF/polyetherethereketone matrix composite laminates. Mode I and mode II delamination tests with artificial cracks were conducted, and three point bending tests without artificial cracks were conducted. This study experimentally proves the applicability of the method for detection of delamination cracks. CF/polyetherethereketone material has strong electric resistance anisotropy. For CF/polyetherethereketone matrix composites, a carbon fiber network is constructed, and the network is broken by propagation of delamination cracks. This causes a change in the electric resistance of CF/polyetherethereketone matrix composites. Using three point bending specimens, delamination cracks generated without artificial initial cracks is proved to be detectable using the electric potential method: This method successfully detected delamination cracks.
The effects of additional Mg content, the size and volume fraction of reinforcement phase on the mechanical properties of ceramic particle reinforced aluminium matrix composites fabricated by pressureless metal infiltration process were investigated. The hardness of $SiC_p/AC8A$ composites increased gradually with an increase in the additive Mg content, while the bending strength of $SiC_p/AC8A$ composites increased with an increase in additive Mg content up to 5%. However, this decreased when the level of additive Mg content was greater than 5% due to the formation of coarse precipitates by excessive Mg reaction and an increase in the porosity level. The hardness and strength of the composites increased with decreasing the size of SiC particle. It was found that the composites with smaller particles enhanced the interfacial bonding than those with bigger particles from fractography of the composites. The hardness of $Al_2O_{3p}/AC8A$ composites increased gradually with an increase in the volume fraction, however, the bending strength of $Al_2O_{3p}/AC8A$ composites decreased when the volume fraction of alumina particle was greater than 40% owing to the high porosity level.
TiC particulate reinforced magnesium matrix composites were fabricated by melt stirring method. The effect of alloying elements on TiC particulate dispersion into molten magnesium and mechanical properties were investigated. The incorporation time is defined as the time required for dispersion of solid particles into molten metal. The incorporation time of TiC particles into molten pure magnesium was remarkably shorter and the particulated dispersion was more uniform than that of pure aluminum which was reported previously. The incorporation time was, prolonged by the addition of Al, Bi, Ca, Ce, Pb, Sn or Zn. The tensile strength increased and elongation decreased by the addition of Cu or Sn into the matrices and composites. Although, the tensile strength of the matrices and composites increased by alloying with Ca or Ce, the maximum elongation was observed at a content of about 1% for the matrices. By alloying with Zn, the tensile strength increased for the matrices and composites, but the elongation of the matrices increased. The pure magnesium and its alloy matrix composites reinforced with 20vol% TiC have the tensile strength of about 400MPa. This value is compared with the tensile strength of SiC whisker reinforced magnesium matrix composites fabricated by liquid infiltration method at the same volume fraction. There fore, the melt strirring method which has the advantages of simple process is considered to be efficient in fabricating magnesium matrix composites.
A closed form solution of a composite mechanics system is performed for the investigation of elastic-plastic behavior in order to predict fiber stresses, fiber/matrix interfacial shear stresses, and matrix yielding behavior in short fiber reinforced metal matrix composites. The model is based on a theoretical development that considers the stress concentration between fiber ends and the propagation of matrix plasticity and is compared with the results of a conventional shear lag model as well as a modified shear lag model. For the region of matrix plasticity, slip mechanisms between the fiber and matrix which normally occur at the interface are taken into account for the derivation. Results of predicted stresses for the small-scale yielding as well as the large-scale yielding in the matrix are compared with other theories. The effects of fiber aspect ratio are also evaluated for the internal elastic-plastic stress field. It is found that the incorporation of strong fibers results in substantial improvements in composite strength relative to the fiber/matrix interfacial shear stresses, but can produce earlier matrix yielding because of intensified stress concentration effects. It is also found that the present model can be applied to investigate the stress transfer mechanism between the elastic fiber and the elastic-plastic matrix, such as in short fiber reinforced metal matrix composites.
Microstructure plays an important role in controlling the fracture behaviour of carbon-carbon composites and hence their mechanical properties. In the present study effort was made to understand how the different interfaces (fiber/matrix interactions) influence the development of microstructure of the matrix as well as that of carbon fibers as the heat treatment temperature of the carbon-carbon composites is raised. Three different grades of PAN based carbon fibres were selected to offer different surface characteristics. It is observed that in case of high-strength carbon fiber based carbon-carbon composites, not only the matrix microstructure is different but the texture of carbon fiber changes from isotropic to anisotropic after HTT to $2600^{\circ}C$. However, in case of intermediate and high modulus carbon fiber based carbon-carbon composites, the carbon fiber texture remains nearly isotropic at $2600^{\circ}C$ because of relatively weak fiber-matrix interactions.
고온에서 열화학적 분해 현상을 겪는 고분자 기지 복합재료는 기지 내부의 기공도가 급격히 증가한다. 기공의 생성은 재료의 탄성 계수와 파손 강도를 감소시키며, 기공 내부의 가스 압력은 재료의 열기계적 거동에 영향을 준다. 본 논문에서는 기지 내부에 많은 기공이 포함된 일방향 섬유 강화 복합재료의 이차원 대표 체적 요소를 설정하고 유한요소 해석을 수행하였다. 이를 통해 기공 상태에 따른 복합재료의 유효 탄성 계수, 기공 탄성 계수, 파손 강도 등을 산출하였다. 특히, 기지 재료의 특성에 많은 영향을 받는 섬유 수직 방향의 파손 강도가 원래 기지 강도보다 현격히 낮게 산출되며, 기공도가 증가함에 따라 지속적으로 떨어지는 경향을 확인하였다.
Mechanical properties of aluminum-matrix composites, fabricated by dispersion of fine SiC particulates of which size was less than 1 ${\mu}m$ into 2024 and 7075 aluminum alloys, have been investigated. Homogeneous mixing between the matrix and SiC particulates could be achieved by jar milling for 8 hours with appropriate processing agent. At temperatures below 473K, high-temperature tensile strength of the composites was higher than that of the 2024 and 7075 aluminum alloys which were used as matrix materials. However, tensile strength of the composites was approximated to that of the matrix materials at 573K. Thus, it could be suggested that effects of particle dispersion on tensile strength of aluminum alloys was diminished at temperatures higher than 573K.
The characteristics of thixoforming process can decrease liquid segregation because of the improvement in fluidity in a globular microstructure state and utilizes flow without an air entrapment. Therefore, in order to obtain the sound parts of metal matrix composites by using thixoforming process which is co-existing solidus-liquidus phase, it is very important to obtain a die design, fabrication conditions which affects the uniformity of the solid fraction on unfilling state and various defects throughout the fabricated parts. The die designs and fabrication conditions to obtain the good piston part are proposed for thixogorging process of metal matrix composites.
This study has been focused on properties of mirror surface grinding technology by ELID(Electrolytic In-process Dressing) for metal matrix ceramic composites using in high precision mirror for optics. The experimental studies have been carried out to get mirror surface by grinding for composites, Al-SiC, Al-graphite and Mg-SiC. Grinding process is carried out with varying abrasive mesh type, depth of cut and feed rate using diamond wheel. The machining result of the surface roughness and condition of ground surface, have been analyzed by use of surface roughness tester and SEM measurement system. ELID grinding technology could be applied successfully for the mirror-surface manufacturing processes in spite of ductility of metal matrix material. As the results of experiments, surface roughness of Al-SiC(45 wt%) has been the most superior in these experimental work-pieces as 0.021 ${\mu}m$ Ra.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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