Optimasi Numerik untuk Konfigurasi Geometris Keramik Berperforma di Komposit Tahan Aus HCCI/ZTAP Berdasarkan Model Partikel Aktual

Abstrak

Untuk mengurangi tegangan termal pada komposit matriks high chromium cast iron (HCCI) yang diperkuat dengan partikel keramik zirconia toughened alumina (ZTA), dilakukan simulasi elemen hingga untuk mengoptimalkan kinerja konfigurasi geometrik keramik. Model sebelumnya menyederhanakan struktur keseluruhan dari bentuk partikel keramik dan menambahkan kondisi batas untuk mensimulasikan partikel, yang akan menyebabkan kesalahan tak terkendali dalam hasil. Dalam karya ini, model butir setara digunakan untuk menggambarkan bentuk awal yang sebenarnya, membuat hasil simulasi lebih dekat dengan hasil eksperimen yang sebenarnya. Proses pemadatan material komposit disimulasikan, dan infiltrasi antara besi cair dan partikel keramik direalisasikan. Tegangan termal pada proses solidifikasi dan distribusi tegangan tekan diperoleh. Hasil penelitian menunjukkan bahwa penambahan lubang bundar 10 mm pada preform dapat meningkatkan kinerja komposit, yang berguna untuk mencegah retak dan meningkatkan plastisitas material.

Pengantar

Dengan kemajuan proses industrialisasi yang berkelanjutan, bahan tahan aus tunggal tradisional secara bertahap menjadi sulit untuk memenuhi persyaratan kinerja suku cadang tahan aus di bidang metalurgi, tenaga listrik, dan bahan bangunan [1, 2]. Partikel keramik komposit matriks logam yang diperkuat, seperti komposit matriks besi tuang krom tinggi (HCCI) yang diperkuat oleh partikel keramik alumina dikeraskan zirkonia (ZTA) (disebut sebagai HCCI/ZTA_P komposit selanjutnya), adalah salah satu bahan tahan aus yang paling populer, yang secara sempurna menggabungkan kekerasan tinggi keramik ZTA dengan ketangguhan HCCI yang luar biasa dan memanfaatkan sepenuhnya hubungan komplementer antara keduanya, memberikan ketahanan aus yang sangat baik terhadap matriks logam komposit [3, 4].

HCCI/ZTA_P komposit masih memiliki beberapa kecenderungan retak, yang dapat mempengaruhi penampilan dan stabilitas produksi [5,6,7]. Retak material komposit berkaitan dengan plastisitas dan kondisi tegangan. Plastisitas yang sangat baik dan tegangan termal yang lebih rendah dapat mengurangi kemungkinan retak pada material komposit [8]. Jika perbedaan koefisien muai panas antara partikel keramik dan logam terlalu besar, tegangan termal dalam komposit akan meningkat. Ketika tegangan termal tinggi, retakan dapat dimulai di dalam komposit, terutama pada antarmuka antara partikel keramik dan logam. Perpanjangan dan perambatan retak yang terus menerus pada akhirnya dapat menyebabkan patahnya material komposit atau bahkan seluruh lapisan terkelupas [9, 10]. HCCI/ZTA_P bahan komposit juga memiliki masalah di atas. Ketika logam cair menyusup ke dalam partikel agregat, suhu menurun, menghasilkan kemampuan kombinasi logam dengan partikel keramik yang buruk. Oleh karena itu, untuk lebih meningkatkan kinerja HCCI/ZTA_P komposit, penting untuk mempelajari dan mengurangi kecenderungan retaknya [11, 12].

Di HCCI/ZTA_P komposit, lapisan komposit dirancang sebagai permukaan kerja dan matriks sisanya adalah logam, yang membuat komposit memiliki ketahanan aus dan plastisitas yang tinggi pada saat yang bersamaan [13]. Lapisan komposit disiapkan dengan metode infiltrasi di HCCI/ZTA_P gabungan. Salah satu karakteristik material komposit yang luar biasa adalah designability-nya [14]. Sesuai dengan permintaan aktual, partikel keramik disiapkan menjadi bentuk awal dengan struktur dan ukuran khusus, dan kemudian bentuk awal digabungkan dengan logam cair untuk membuat ZTA_P /HCCI komposit [15].

Untuk mengurangi tegangan termal, kami memilih partikel keramik berbentuk segi enam. Pada preform heksagonal, jarak maksimum penetrasi logam cair ke preform adalah sama terlepas dari arahnya, sehingga keseragaman penetrasi logam ditingkatkan dan konsentrasi tegangan di preform berkurang [16, 17]. Meskipun preform heksagonal digunakan untuk mengurangi kecenderungan material untuk retak, tegangan termal dalam proses pencetakan material masih ada. Memperbaiki struktur bentuk awal partikel keramik dapat secara efektif mengurangi konsentrasi tegangan.

Dalam optimasi struktur komposit preform, metode elemen hingga dapat mengurangi percobaan berulang. Dalam penelitian sebelumnya, karena kerumitan menggambar dan menghitung partikel keramik, bentuk awal partikel keramik biasanya disederhanakan secara keseluruhan. Penelitian menyeluruh menemukan bahwa model yang disederhanakan memiliki beberapa cacat dan tidak dapat digunakan dalam jangkauan yang lebih luas. Pembentukan model partikel ekuivalen dapat lebih menggabungkan model dengan keadaan sebenarnya dan mengurangi kesalahan yang disebabkan oleh model [18]. Perangkat lunak analisis elemen hingga metode COMSOL Multiphysics digunakan untuk memodelkan medan tegangan pada proses solidifikasi dan proses kompresi HCCI/ZTA_P bahan komposit [19]. COMSOL Multiphysics adalah perangkat lunak simulasi numerik canggih berskala besar [20, 21].

Dalam makalah ini, kami menggunakan perangkat lunak elemen hingga untuk mensimulasikan tegangan material komposit di bawah kondisi yang berbeda. Versi COMSOL Multiphysics yang digunakan dalam makalah ini adalah 4.5a. Penelitian ini secara sistematis menganalisis pengaruh model geometrik pada perangkat lunak elemen hingga pada hasil perhitungan, yang menguntungkan desain dan pengembangan kinerja berpori. Simulasi dan eksperimen dibandingkan satu sama lain, dan model terus dioptimalkan.

Metode

Salah satu masalah utama dalam produksi komposit adalah konsentrasi tegangan, dan secara langsung mempengaruhi ketahanan aus dan plastisitas bahan komposit. Memperbaiki struktur preform partikel keramik dapat secara efektif mengurangi konsentrasi tegangan. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh struktur preform terhadap distribusi tegangan dan meningkatkan kinerja material komposit.

Pembentukan dan Optimalisasi Model Geometris

Dalam proses pemadatan, temperatur cetakan dan logam cair berbeda dan logam cair membeku dengan cepat, sehingga perpindahan panas antara setiap posisi dalam proses pengecoran tidak stabil, dan persamaan perpindahan panas dapat ditulis sebagai [22]:

$$\rho C_{{\text{P}}} \frac{\partial T}{{\partial x}} =\frac{\partial }{\partial x}\left( { \lambda \frac{\ parsial T}{{\partial x}}} \kanan) + \frac{\partial }{\partial y}\left( { \lambda \frac{\partial T}{{\partial y}}} \kanan) + \frac{\partial }{\partial z}\left( { \lambda \frac{\partial T}{{\partial z}}} \right) + \rho Q$$ (1)

di mana $\rho$ adalah kepadatan; $C_{{\text{P}}}$ adalah kapasitas panas; $\lambda$ adalah konduktivitas termal; T adalah suhu sementara; T adalah panas; koordinat x , y , dan z disebut koordinat relatif subsistem.

Karena suhu setiap titik berbeda dalam proses pemadatan, ada tegangan internal yang bervariasi dalam pengecoran. Jika pengecoran dapat dianggap sebagai benda elastis linier, ketika tegangan internal lebih kecil dari batas leleh, dengan proses deformasi elastis, kita dapat menggunakan persamaan hukum Hooke untuk menggambarkannya.

$$\left\{ {\begin{array}{*{20}l} {\varepsilon_{xx} =\frac{1}{E}\left[ {\sigma_{xx} - v\left( {\ sigma_{yy} + \sigma_{zz} } \right)} \right]} \hfill \\ {\varepsilon_{yy} =\frac{1}{E}\left[ {\sigma_{yy} - v\ kiri( {\sigma_{xx} + \sigma_{zz} } \right)} \kanan]} \hfill \\ {\varepsilon_{zz} =\frac{1}{E}\left[ {\sigma_{zz } - v\left( {\sigma_{xx} + \sigma_{yy} } \right)} \right] \to \varepsilon_{ij} =\frac{1 + v}{E}\sigma_{ij} - \frac{v}{E}\delta_{ij} \sigma } \hfill \\ {\varepsilon_{xy} =\frac{1}{2G}\sigma_{x} } \hfill \\ {\varepsilon_{yz } =\frac{1}{2G}\sigma_{yz} } \hfill \\ {\varepsilon_{zx} =\frac{1}{2G}\sigma_{zx} } \hfill \\ \end{array} } \benar.$$ (2)

dimana E adalah modulus Young; $\sigma =\sigma_{{ii + \sigma_{11} }} + \sigma_{22 + } \sigma_{33}$; $v$ adalah rasio Poisson; satuan tensor $\varepsilon_{ij} =\frac{1}{2}\gamma_{ij}$; modulus geser $G =\frac{E}{{2\left( {1 + v} \kanan)}}$.

Kemudian tegangan internal lebih besar dari batas hasil, dan pengecoran memiliki lebih banyak deformasi. Regangan total terdiri dari regangan elastis dan regangan plastis, $\sigma_{ij} =\sigma_{ij}^{e} + \sigma_{ij}^{p}$. Persamaan ini dapat diperlakukan sebagai model pengerasan linier plastis elastis. Deformasi elastis dan deformasi plastis adalah linier, dan persamaan konstitutif dapat ditulis sebagai [23]:

$$\sigma =\left\{ {\begin{array}{*{20}l} {E\varepsilon } \hfill &{\varepsilon \le \varepsilon_{{\text{s}}} } \hfill \ \ {\sigma_{{\text{s}}} + E_{1} \left( {\varepsilon - \varepsilon } \right)} \hfill &{\varepsilon> \varepsilon_{{\text{s}}} } \hfill \\ \end{array} } \right.$$ (3)

di mana $\sigma$ adalah regangan; E adalah modulus Young; $\varepsilon$ adalah stres; $\varepsilon_{{\text{s}}}$ adalah kekuatan luluh.

Masa pakai benda kerja besi cor kromium tinggi lebih pendek karena ketahanan aus yang buruk. Material komposit memiliki banyak keunggulan dibandingkan HCCI tunggal. Dalam proses pembuatan HCCI/ZTA_P komposit, partikel keramik ZTA disiapkan terlebih dahulu menjadi preform berpori. Bentuk awal membuat partikel keramik ZTA dan HCCI lebih menyatu, dan partikel keramik tidak mudah lepas saat terkena benturan. Untuk lebih meningkatkan kinerja HCCI/ZTA_P komposit, perlu untuk mengoptimalkan struktur preforms.

Selama proses pengecoran, logam cair dapat mengisi lubang melingkar dan meningkatkan proporsi logam. Dalam proses aplikasi HCCI/ZTA_P komposit, ditemukan bahwa posisi agregasi partikel lebih rentan terhadap retak, sehingga pada posisi ini ditambahkan lubang melingkar.

Bentuk partikel keramik ZTA adalah poligon sewenang-wenang, dan ada banyak partikel dalam bentuk awal. Jika semua partikel ditarik, beban kerjanya besar. Dalam simulasi sebelumnya dari komposit matriks logam keramik, sebagian besar bentuk awal partikel keramik dianggap secara keseluruhan. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1, makalah ini menetapkan model pada skala makro dan skala mikro, masing-masing. Pembentukan model yang masuk akal membutuhkan verifikasi timbal balik berulang dengan eksperimen. Dalam model optimasi, hasil yang dihitung sesuai dengan hasil eksperimen. Hasil simulasi meliputi tegangan termal, medan suhu, medan transisi fasa selama pemadatan dan tegangan regangan pengecoran di bawah beban. Buat penyesuaian yang wajar dan efektif pada model elemen hingga yang telah ditetapkan sehingga model elemen hingga yang dioptimalkan dapat digunakan dalam jangkauan yang lebih luas.

Diagram alir optimasi model geometrik untuk HCCI/ZTA_P bahan

Dalam pembentukan model geometrik menggunakan perangkat lunak elemen hingga, untuk mengurangi waktu perhitungan dan beban kerja pemodelan, model geometris yang disederhanakan sering digunakan. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2, ada celah di antara partikel karena preform berpori heksagonal tiga dimensi disederhanakan menjadi model dua dimensi, dan hanya satu lapisan partikel yang dipilih untuk memproyeksikan model dua dimensi. Dengan cara ini, penumpukan partikel dalam ruang tiga dimensi dapat secara efektif menghindari pengaruh pada model geometrik dua dimensi dan secara wajar menyederhanakan model dan meningkatkan efisiensi perhitungan.

Partikel keramik ZTA dan model geometris HCCI/ZTA_P komposit. a Performa keropos, b zona komposit HCCI/ZTA_P komposit, c model geometris yang dioptimalkan berdasarkan partikel sebenarnya, d model geometri awal

Dalam makalah ini, partikel keramik ZTA dipilih sebagai fasa penguat komposit. Partikel keramik ZTA adalah keramik struktural multifase yang dibuat dengan menambahkan zirkonia ke alumina dan kemudian disinter, di mana pada fraksi massa zirkonia adalah 18% dan fraksi massa alumina adalah 82%. Besi cor kromium tinggi adalah matriks bahan komposit, yang mengandung lebih dari 12% kromium, dan merupakan bahan tahan aus yang sangat baik.

Parameter material sangat berpengaruh terhadap hasil perhitungan elemen hingga. Parameter material yang diperlukan untuk perhitungan simulasi dalam makalah ini diperoleh dengan eksperimen dan literatur. Parameter material partikel keramik ZTA dan HCCI ditunjukkan pada Tabel 1.

Eksperimen

Untuk menguji plastisitas dan ketahanan aus HCCI/ZTA_P material komposit, pengujian sistematis dilakukan pada komposit untuk mengetahui lebih lanjut pengaruh struktur preform. Mesin uji universal SHT4305 digunakan untuk mengukur sifat kompresi HCCI/ZTA_P komposit. Ukuran sampel uji kompresi adalah 10 × 10 × 25 mm, beban yang diterapkan adalah 30 ton, dan kecepatan kompresi 0,5 mm/menit.

Uji ketahanan aus HCCI/ZTA_P komposit diperlukan. Ketahanan abrasi yang sangat baik adalah kriteria yang paling penting untuk menguji kinerja bahan komposit tahan aus. HCCI/ZTA_P komposit terutama digunakan dalam pemrosesan mineral, manufaktur semen, dan industri pembuatan kertas, dan sebagian besar kondisi kerja adalah keausan abrasif tiga badan. Untuk mensimulasikan kinerja layanan HCCI/ZTA_P komposit di bawah kondisi kerja yang sebenarnya sebanyak mungkin, menguji HCCI/ZTA_P komposit menggunakan MMH-5 three-body abrasive wear tester. Material track tester adalah baja perkakas M2, kekerasan 820–860 Hv, diameter luar 380 mm, lebar 20 mm. Jenis dan ukuran abrasive dipilih sesuai dengan kondisi kerja yang berbeda. Dalam makalah ini, pasir kuarsa digunakan untuk bahan abrasif, kekerasannya 1000–1200 Hv, beban uji 40 N, dan kecepatan putar sampel 30 putaran/menit.

Sebuah nanoindentor digunakan untuk melakukan uji modulus Young 100 poin dalam 100 × 100 m yang dipilih² wilayah mikro. Model nanoindentornya adalah iMicro.

Ketahanan aus bahan dapat diukur dengan pengurangan massa, pengurangan volume, dan sebagainya. Kehilangan volume yang diukur dengan silinder pengukur dengan perubahan kecil dapat dengan mudah menyebabkan kesalahan dalam pembacaan manusia. Oleh karena itu, di bawah kondisi keausan yang sama, kehilangan massa m digunakan untuk mengevaluasi kinerja keausan material. Rumus untuk menghitung kerugian material adalah sebagai berikut:

$$\Delta m =m_{1} - m_{2}$$ (4)

dimana m ₁ dan m ₂ , masing-masing, mewakili massa sampel sebelum dan sesudah dipakai.

Hasil dan Diskusi

Simulasi Berdasarkan Seluruh Model yang Disederhanakan

Pada simulasi tegangan termal pada proses solidifikasi HCCI/ZTA_P komposit dalam penelitian ini, distribusi tegangan termal pada 10 detik dipilih untuk semua hasil simulasi, karena tegangan termal berubah secara signifikan sebelum dan setelah 10 detik. Dibandingkan dengan skala di sebelah kanan Gbr. 3, warna merah menunjukkan stres yang lebih tinggi dan warna biru menunjukkan stres yang lebih rendah. Pada Gbr. 3a, konsentrasi tegangan muncul di tepi preform, terutama di posisi tengah, sisi atas dan sisi bawah preform tampak merah. Dibandingkan dengan skala yang tepat dari Gambar 3a, ini menunjukkan bahwa stres sangat besar di sini. Warna biru muncul di tempat partikel berkumpul, yaitu persimpangan dinding lubang heksagonal, menunjukkan bahwa tegangannya kecil di sini. Dalam model geometris pada Gambar. 3c, lubang melingkar ditambahkan ke agregat partikel bentuk awal. Distribusi tegangan pada Gambar 3c mirip dengan Gambar 3a, kecuali bahwa ada konsentrasi tegangan yang lebih jelas di sekitar lubang melingkar. Distribusi tegangan di sekitar lubang melingkar pertunjukan pada Gbr. 4 mirip dengan Gbr. 3

Distribusi tegangan termal selama pemadatan dalam model yang disederhanakan. a Penampilan awal, b tampilan sebagian diperbesar dari pertunjukan awal, b bentuk awal dengan lubang melingkar ditambahkan, d tampilan pertunjukan yang diperbesar sebagian dengan tambahan lubang melingkar

Tegangan tekan dalam model yang disederhanakan. a Penampilan awal, b tampilan sebagian diperbesar dari pertunjukan awal, b bentuk awal dengan lubang melingkar ditambahkan, d tampilan pertunjukan yang diperbesar sebagian dengan tambahan lubang melingkar

Hasil perhitungan akhir perlu intuitif, sehingga hasilnya pasca-proses dan grafik perbandingan tegangan transversal digambar. Pertama, gambarkan transversal 2D dalam model geometrik, karena bagian pengamatan utama berada di sekitar lubang melingkar, yaitu tempat partikel berkumpul, sehingga transversal 2D melewati lubang melingkar. Koordinat grafik tegangan adalah nilai tegangan pada garis penampang, dan absisnya adalah x -koordinat sumbu model, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5. Dalam model yang disederhanakan, koordinat lubang melingkar adalah (12, 14), (27, 14). Gambar 5c adalah grafik garis tegangan solidifikasi. Pada Gambar 5c, bentuk awal dengan lubang melingkar memiliki peningkatan tegangan yang signifikan pada absis 12 dan 27, dibandingkan dengan bentuk awal tanpa lubang lingkaran. Gambar 5d adalah grafik perbandingan tegangan tekan. Tren umum kurva sama seperti pada Gambar 5c, dan tegangan lokasi lubang melingkar akan meningkat secara signifikan.

Posisi transversal 2D dari model yang disederhanakan dan perbandingan tegangan transversal. a Penampilan awal, b tampilan sebagian diperbesar dari penampilan awal, c bentuk awal dengan lubang melingkar ditambahkan, d tampilan pertunjukan yang diperbesar sebagian dengan tambahan lubang melingkar

Simulasi Berdasarkan Model Butir Setara

Gambar 6 menunjukkan distribusi tegangan termal HCCI/ZTA_P model komposit berdasarkan partikel yang sebenarnya, yang mirip dengan Gambar. 3. Namun, pada Gambar. 6, partikel keramik ZTA tidak lagi disederhanakan sebagai keseluruhan bentuk awal, tetapi ditetapkan sebagai partikel individu, dan dapat diamati bahwa sebagian besar partikel di sekitar muncul warna merah. Bentuk partikel keramik ZTA tidak seragam, dan tegangan lebih tinggi dari nilai sekitarnya, terutama pada titik tajam partikel. Distribusi tegangan termal pada Gambar. 3b dan 6b jelas berbeda. Lubang melingkar dari bentuk awal pada Gbr. 6b tampak berwarna biru, menunjukkan bahwa tegangannya kecil di sini. Hasil perhitungan konsentrasi tegangan di sekitar lubang lingkaran adalah kebalikannya. Derajat penyederhanaan dan metode menggambar model geometris menghasilkan hasil perhitungan yang berbeda.

Distribusi tegangan termal selama pemadatan dalam model yang dioptimalkan. a Penampilan awal, b tampilan sebagian diperbesar dari penampilan awal, c bentuk awal dengan lubang melingkar ditambahkan, d tampilan pertunjukan yang diperbesar sebagian dengan tambahan lubang melingkar

Model geometrik yang digunakan untuk mensimulasikan tegangan tekan pada Gambar 7 sama dengan Gambar 6. Pada Gambar 7, dibandingkan dengan skala di sebelah kanan, tegangan terkonsentrasi pada bagian atas model dan bentuk awal, terutama tepi di kedua sisi preform keramik, yang berwarna kuning-hijau. Di bagian agregasi partikel dari bentuk awal, zona ini ditunjukkan dengan warna hijau pada Gambar 7a, yang menunjukkan bahwa tegangan di sini kecil. Pada Gambar 7b, lubang melingkar ditambahkan pada agregat bentuk awal. Warna zona lubang melingkar adalah hijau dan kuning, menunjukkan bahwa tidak ada konsentrasi tegangan yang jelas.

Tegangan tekan dalam model yang dioptimalkan. a Penampilan awal, b tampilan sebagian diperbesar dari kinerja yang dioptimalkan, c bentuk awal dengan lubang melingkar ditambahkan, d tampilan pertunjukan yang diperbesar sebagian dengan tambahan lubang melingkar

Dalam model berdasarkan partikel sebenarnya, koordinat lubang melingkar adalah (12, 14) (27, 14). Gambar 8 adalah diagram perbandingan tegangan solidifikasi, yang membandingkan efek ada atau tidak adanya lubang melingkar pada tegangan. Tegangan bentuk awal dengan lubang melingkar menunjukkan pengurangan yang signifikan pada absis 12 dan 27, dan posisinya pada dasarnya bertepatan dengan posisi lubang lingkaran. Tegangan dari koordinat yang tersisa dari bentuk awal dengan lubang melingkar memiliki sedikit peningkatan. Pada Gambar 8a, b, kedua kurva pada dasarnya bertepatan, kecuali dalam bentuk awal dengan lubang melingkar; tegangan di dekat koordinat lubang melingkar turun secara signifikan.

Posisi transversal 2D dari model yang dioptimalkan dan perbandingan transversal tegangan. a Penampilan awal, b bentuk awal dengan lubang melingkar ditambahkan, c tegangan pemadatan, d tekanan kompresi

Validasi Eksperimental

Dapat dilihat dari Gambar 9, pada pengujian keausan, kehilangan massa komposit menggunakan preform yang dioptimalkan dan komposit dengan preform asli tidak jauh berbeda, menunjukkan bahwa ketahanan aus tidak dikorbankan secara signifikan dan juga dapat meningkatkan ketahanan aus. plastisitas keseluruhan HCCI/ZTA_P komposit.

Kurva tegangan-regangan kompresi HCCI/ZTA_P material komposit dan kehilangan massa abrasif tiga benda di persimpangan dinding sarang lebah komposit

Preform berpori dioptimalkan dengan menambahkan lubang silinder ukuran kecil di zona agregasi partikel, yang mengubah fraksi volume partikel keramik di HCCI/ZTA_P komposit. Kandungan partikel keramik ZTA dalam material komposit merupakan faktor penting yang mempengaruhi sifat mekaniknya. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 9, kekuatan tekan dan deformasi kompresi sampel yang memiliki bentuk awal dengan lubang melingkar meningkat secara signifikan dibandingkan dengan sampel dengan bentuk awal, menunjukkan bahwa lubang lingkaran kecil di zona agregasi partikel keramik ZTA kondusif untuk meningkatkan kekuatan dan plastisitas HCCI/ZTA_P komposit. Penambahan lubang silinder kecil pada zona aglomerasi porous preform akan meningkatkan kandungan matriks logam, sehingga meningkatkan regangan tekan HCCI/ZTA_P komposit di bawah tegangan tekan dan juga mempengaruhi kekuatan tekannya. Ketika tegangan mencapai nilai puncak, dapat dianggap bahwa kerusakan telah terjadi pada spesimen. Dengan peningkatan regangan yang terus menerus, kerusakan internal material juga terakumulasi, resistensi regangan secara bertahap berkurang, dan akhirnya terjadi keruntuhan geser.

Analisis mikro kekerasan semua sampel ditunjukkan pada Gambar 10. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 10a, b, area uji dipilih di sekitar partikel bulat dan partikel bersudut tajam, sehingga lebih sesuai dengan hasil simulasi. Gambar 10c, d dibandingkan dengan tampilan tegangan parsial yang diperbesar. Dalam simulasi, konsentrasi tegangan cenderung terjadi di sekitar sudut tajam partikel. Dalam hasil pengujian, modulus di dekat partikel sudut tajam lebih besar daripada matriks logam di dekat sudut bulat, yang selanjutnya memverifikasi rasionalitas model berdasarkan partikel sebenarnya.

Distribusi lekukan material komposit dan distribusi modulus Young di sekitar partikel material komposit. a Bentuk partikelnya tajam, b bentuk partikelnya bulat, c bentuk partikelnya tajam, d bentuk partikelnya bulat

Sebuah lubang melingkar ditambahkan ke zona agregasi partikel dari bentuk awal, yang memiliki tiga fungsi. Fungsi pertama adalah untuk mengurangi fraksi volume partikel keramik di HCCI/ZTA_P bahan komposit dan mengurangi tegangan sisa; fungsi kedua adalah untuk mengurangi aglomerasi partikel keramik dari bentuk awal; fungsi ketiga adalah untuk meningkatkan fraksi volume matriks logam dengan plastisitas yang lebih baik untuk menghambat perambatan retak. Plastisitas HCCI/ZTA_P komposit menurun dengan meningkatnya tegangan sisa. Fraksi volume partikel keramik berkurang, dan tegangan sisa menjadi relatif kecil. Penambahan lubang melingkar pada preform partikel keramik ZTA dapat mengurangi retak karena ketidakstabilan retak cenderung memanjang sepanjang garis lurus. Ketika retakan dihasilkan di zona komposit HCCI/ZTA_P material komposit, retakan mudah diperpanjang sepanjang dinding lubang heksagonal dalam bentuk awal untuk menghasilkan perambatan retak. Lubang melingkar meningkatkan kandungan matriks HCCI di persimpangan dinding lubang heksagonal, menghambat perambatan retak, dan dengan demikian berperan dalam memperkuat struktur.

Kesimpulan

Perbedaan besar dalam koefisien ekspansi termal antara HCCI dan ZTA_P menyebabkan keretakan pada material komposit. Proses solidifikasi dan kompresi HCCI/ZTA_P material komposit disimulasikan dengan menggunakan perangkat lunak elemen hingga, dan nilai numerik dan distribusi tegangan dianalisis berdasarkan seluruh model yang disederhanakan dan model butir ekivalen untuk bentuk awal. Menurut hasil perhitungan, struktur preform dioptimalkan. Dengan menganalisis hasil simulasi dan eksperimen, dapat disimpulkan bahwa penambahan lubang melingkar pada preform berpori heksagonal akan menyebabkan penurunan tegangan termal dan tegangan tekan selama pemadatan. Setelah dilakukan optimasi dan penyesuaian model, hasil simulasi cenderung konsisten dengan hasil eksperimen. Metode dalam makalah ini dapat memberikan referensi penting untuk simulasi dan optimalisasi parameter pemrosesan dalam sistem pengecoran berbagai komposit matriks logam.

Ketersediaan Data dan Materi

Kumpulan data yang mendukung kesimpulan artikel ini disertakan dalam artikel.

Singkatan

HCCI:: Besi cor kromium tinggi
ZTA:: Zirkonia dikeraskan alumina
HCCI/ZTA_P :: Komposit matriks besi cor kromium tinggi yang diperkuat oleh komposit partikel keramik alumina zirkonia yang diperkuat

Percakapan dari MnBr2 antiferromagnetik ke monolayer Mn3Br8 feromagnetik dengan MAE besar Penginderaan Gas H2S yang Sangat Sensitif dan Selektif Menggunakan Film Tebal CuO/SnO2 Buatan Presipitasi dan Impregnasi

bahan nano