実際の粒子モデルに基づくHCCI / ZTAP耐摩耗性複合材料で実行されるセラミックの幾何学的構成の数値最適化

要約

ジルコニア強化アルミナ（ZTA）セラミック粒子で強化された高クロム鋳鉄（HCCI）マトリックス複合材料の熱応力を低減するために、有限要素シミュレーションを実行して、セラミックの幾何学的構成を最適化します。以前のモデルは、セラミック粒子プリフォームの全体的な構造を単純化し、粒子をシミュレートするための境界条件を追加します。これにより、結果に制御できないエラーが発生します。この作業では、同等の粒子モデルを使用して実際のプリフォームを記述し、シミュレーション結果を実際の実験結果に近づけます。複合材料の凝固過程をシミュレートし、溶鉄とセラミック粒子間の浸透を実現します。凝固過程における熱応力と圧縮応力分布が得られます。結果は、プリフォームに10 mmの丸い穴を追加すると、複合材料の性能が向上することを示しています。これは、亀裂を防ぎ、材料の可塑性を高めるのに役立ちます。

はじめに

工業化プロセスの継続的な進歩に伴い、従来の単一耐摩耗性材料は、冶金、電力、および建築材料の分野における耐摩耗性部品の性能要件を満たすことが徐々に困難になっています[1、2]。ジルコニア強化アルミナ（ZTA）セラミック粒子（HCCI / ZTA _Pと呼ばれる）で強化された高クロム鋳鉄（HCCI）マトリックス複合材料などのセラミック粒子強化金属マトリックス複合材料複合材料）は、最も人気のある耐摩耗性材料の1つであり、ZTAセラミックの高硬度とHCCIの優れた靭性を完全に組み合わせ、両者の補完関係を最大限に活用して、金属マトリックスに対する優れた耐摩耗性を提供します。コンポジット[3、4]。

HCCI / ZTA _P 複合材料にはまだ亀裂が発生する傾向があり、製造の外観と安定性に影響を与える可能性があります[5、6、7]。複合材料の亀裂は、塑性と応力条件に関係しています。優れた可塑性と低い熱応力により、複合材料の亀裂の可能性を減らすことができます[8]。セラミック粒子と金属の熱膨張係数の差が大きすぎると、それに応じて複合材料の熱応力が増加します。熱応力が高い場合、特にセラミック粒子と金属の間の界面で、複合材料の内部で亀裂が発生する可能性があります。亀裂の継続的な拡大と伝播は、最終的には複合材料の破壊、または層全体の剥離につながる可能性があります[9、10]。 HCCI / ZTA _P 複合材料にも上記の問題があります。溶融金属が凝集粒子に浸透すると、温度が低下し、金属とセラミック粒子の結合能力が低下します。したがって、HCCI / ZTA _Pのパフォーマンスをさらに向上させるために複合材料の場合、亀裂の傾向を調べて減らすことが重要です[11、12]。

HCCI / ZTA _P 複合材料の場合、複合材料層は作業面として設計され、残りのマトリックスは金属であるため、複合材料は高い耐摩耗性と可塑性を同時に備えています[13]。複合層は、HCCI / ZTA _Pの浸透法によって調製されます。複合。複合材料の顕著な特徴の1つは、その設計性です[14]。実際の需要に応じて、セラミック粒子を特殊な構造とサイズのプリフォームに調製し、次にプリフォームを溶融金属と緊密に組み合わせてZTA _Pを調製します。 / HCCIコンポジット[15]。

熱応力を低減するために、六角形のセラミック粒子プリフォームを選択します。六角形のプリフォームでは、溶湯がプリフォームに浸透する最大距離が方向に関係なく同じであるため、金属の浸透の均一性が向上し、プリフォームの応力集中が減少します[16、17]。六角形のプリフォームは、材料に亀裂が入る傾向を減らすために使用されますが、材料成形プロセスでの熱応力は依然として存在します。セラミック粒子プリフォームの構造を改善すると、応力集中を効果的に減らすことができます。

複合プリフォーム構造の最適化では、有限要素法により繰り返しの実験を減らすことができます。以前の研究では、セラミック粒子の描画と計算が複雑であるため、セラミック粒子プリフォームは通常、全体として単純化されています。徹底的な調査により、簡略化されたモデルにはいくつかの欠陥があり、より広い範囲で使用できないことがわかりました。同等の粒子モデルを確立することで、モデルを実際の状況とさらに組み合わせ、モデルによって引き起こされるエラーを減らすことができます[18]。有限要素解析ソフトウェアCOMSOLMultiphysics法を使用して、HCCI / ZTA _Pの凝固プロセスおよび圧縮プロセスにおける応力場をモデル化します。複合材料[19]。 COMSOL Multiphysicsは、大規模で高度な数値シミュレーションソフトウェアです[20、21]。

この論文では、有限要素ソフトウェアを使用して、さまざまな条件下での複合材料の応力をシミュレートします。このホワイトペーパーで使用されているCOMSOLMultiphysicsのバージョンは4.5aです。この研究では、有限要素ソフトウェアの幾何学的モデルが計算結果に与える影響を体系的に分析します。これは、多孔質性能の設計と開発に役立ちます。シミュレーションと実験は相互に比較され、モデルは継続的に最適化されます。

メソッド

複合材料の製造における主要な問題の1つは応力集中であり、それは複合材料の耐摩耗性と可塑性に直接影響します。セラミック粒子プリフォームの構造を改善することで、応力集中を効果的に減らすことができます。この研究の目的は、応力分布に対するプリフォーム構造の影響を調査し、複合材料の性能を向上させることです。

幾何学的モデルの確立と最適化

凝固過程では、金型と液体金属の温度が異なり、液体金属は急速に凝固するため、鋳造プロセスの各位置間の熱伝達は不安定であり、熱伝達方程式は次のように記述できます[22]：

$$ \ rho C _ {{\ text {P}}} \ frac {\ partial T} {{\ partial x}} =\ frac {\ partial} {\ partial x} \ left（{\ lambda \ frac {\部分的T} {{\ partial x}}} \ right）+ \ frac {\ partial} {\ partial y} \ left（{\ lambda \ frac {\ partial T} {{\ partial y}}} \ right） + \ frac {\ partial} {\ partial z} \ left（{\ lambda \ frac {\ partial T} {{\ partial z}}} \ right）+ \ rho Q $$（1）

ここで、\（\ rho \）は密度です。 \（C _ {{\ text {P}}} \）は熱容量です。 \（\ lambda \）は熱伝導率です。 T 過渡温度です。 Q 熱です。座標 x 、 y 、および z サブシステムの相対座標と呼ばれます。

凝固過程では各点の温度が異なるため、鋳造には可変の内部応力があります。鋳造物を線形弾性体と見なすことができ、内部応力が降伏限界未満の場合、弾性変形の過程で、フックの法則の式を使用してそれを記述することができます。

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

ここで E ヤング率です。 \（\ sigma =\ sigma _ {{ii + \ sigma_ {11}}} + \ sigma_ {22 +} \ sigma_ {33} \）; \（v \）はポアソン比です。単位テンソル\（\ varepsilon_ {ij} =\ frac {1} {2} \ gamma_ {ij} \）;せん断弾性率\（G =\ frac {E} {{2 \ left（{1 + v} \ right）}} \）。

その場合、内部応力は降伏限界よりも大きくなり、鋳造物はより多くの変形を起こします。全ひずみは、弾性ひずみと塑性ひずみ\（\ sigma_ {ij} =\ sigma_ {ij} ^ {e} + \ sigma_ {ij} ^ {p} \）で構成されます。この方程式は、弾性塑性線形硬化モデルとして扱うことができます。弾性変形と塑性変形は線形であり、構成方程式は[23]：

と書くことができます。 $$ \ sigma =\ left \ {{\ begin {array} {* {20} l} {E \ varepsilon} \ hfill＆{\ varepsilon \ le \ varepsilon _ {{\ text {s}}}} \ hfill \ \ {\ sigma _ {{\ text {s}}} + E_ {1} \ left（{\ varepsilon- \ varepsilon} \ right）} \ hfill＆{\ varepsilon> \ varepsilon _ {{\ text {s}}} } \ hfill \\ \ end {array}} \ right。$$（3）

ここで、\（\ sigma \）はひずみです。 E ヤング率です。 \（\ varepsilon \）はストレスです。 \（\ varepsilon _ {{\ text {s}}} \）は降伏強度です。

高クロム鋳鉄ワークの耐用年数は、耐摩耗性が低いために短くなります。複合材料には、単一のHCCIに比べて多くの利点があります。 HCCI / ZTA _Pの製造工程複合材料の場合、ZTAセラミック粒子は事前に多孔質プリフォームに準備されます。プリフォームは、ZTAセラミック粒子とHCCIをより緊密に結合させ、セラミック粒子は衝撃を受けたときに簡単に落下しません。 HCCI / ZTA _Pのパフォーマンスをさらに向上させるため複合材料の場合、プリフォームの構造を最適化する必要があります。

鋳造プロセス中に、溶融金属は円形の穴を埋め、金属の割合を増やすことができます。 HCCI / ZTA _Pの申請プロセス複合材料の場合、粒子の凝集位置は亀裂が発生しやすいことがわかっているため、この位置に円形の穴が追加されます。

ZTAセラミック粒子の形状は任意の多角形であり、プリフォームには多くの粒子があります。すべてのパーティクルが描画されると、ワークロードが大きくなります。セラミック金属マトリックス複合材料の以前のシミュレーションでは、セラミック粒子のプリフォームのほとんどが全体として考慮されていました。図1に示すように、この論文では、それぞれマクロスケールとマイクロスケールのモデルを確立しています。合理的なモデルを確立するには、実験による相互検証を繰り返す必要があります。最適化モデルでは、計算結果は実験結果とよく一致しています。シミュレーション結果には、熱応力、温度場、凝固中の相転移場、および荷重下の鋳造物の応力ひずみが含まれていました。最適化された有限要素モデルをより広い範囲で使用できるように、確立された有限要素モデルを合理的かつ効果的に調整します。

有限要素ソフトウェアを使用した幾何学モデルの確立では、計算時間とモデリングの作業負荷を軽減するために、簡略化された幾何学モデルがよく使用されます。図2に示すように、3次元の六角形の多孔質プリフォームが2次元モデルに簡略化され、2次元モデルを投影するために粒子の1つの層のみが選択されるため、粒子間にギャップがあります。このように、3次元空間での粒子の積み重ねは、2次元の幾何学的モデルへの影響を効果的に回避し、モデルを合理的に単純化し、計算効率を向上させることができます。

この論文では、ZTAセラミック粒子が複合材料の強化相として選択されています。 ZTAセラミック粒子は、アルミナにジルコニアを添加して焼結することにより調製された多相構造セラミックであり、ジルコニアの質量分率は18％、アルミナの質量分率は82％です。高クロム鋳鉄は、12％以上のクロムを含む複合材料のマトリックスであり、優れた耐摩耗性材料です。

材料パラメータは、有限要素計算の結果に大きな影響を与えます。この論文のシミュレーション計算に必要な材料パラメータは、実験と文献によって得られます。 ZTAセラミック粒子とHCCIの材料パラメータを表1に示します。

<図>

実験

HCCI / ZTA _Pの可塑性と耐摩耗性をテストするため複合材料では、プリフォーム構造の影響をさらに判断するために、複合材料に対して体系的なテストが実行されました。 SHT4305万能試験機を使用して、HCCI / ZTA _Pの圧縮特性を測定しました。コンポジット。圧縮試験サンプルのサイズは10×10×25mm、加えられた荷重は30トン、圧縮速度は0.5 mm / minです。

HCCI / ZTA _Pの耐摩耗性試験コンポジットが必要です。優れた耐摩耗性は、耐摩耗性複合材料の性能をテストするための最も重要な基準です。 HCCI / ZTA _P 複合材料は主に鉱業、セメント製造業、製紙業で使用されており、ほとんどの作業条件は3体のアブレシブ摩耗です。 HCCI / ZTA _Pのサービスパフォーマンスをシミュレートするため可能な限り実際の作業条件下で複合材料をテストし、HCCI / ZTA _P MMH-5スリーボディアブレシブ摩耗試験機を使用した複合材料。テスターのトラック材料は、M2工具鋼、硬度820〜860 Hv、外径380 mm、幅20mmです。研磨剤の種類とサイズは、さまざまな作業条件に応じて選択されます。この論文では、研磨剤に石英砂を使用し、硬度は1000〜1200 Hv、試験荷重は40 N、サンプルの回転速度は30 r / minです。

ナノインデンターを使用して、選択した100×100μm² で100ポイントのヤング率テストを実行します。ミクロ地域。ナノインデンターのモデルはiMicroです。

材料の耐摩耗性は、質量減少、体積減少などで測定できます。小さな変化でメスシリンダーによって測定された体積損失は、人間の測定値にエラーを簡単に引き起こす可能性があります。したがって、同じ摩耗条件下で、質量損失Δmを使用して材料の摩耗性能を評価します。材料損失の計算式は次のとおりです。

$$ \ Delta m =m_ {1} --m_ {2} $$（4）

ここで m ₁ および m ₂ 、はそれぞれ、着用前後のサンプルの質量を表します。

結果と考察

簡略化されたモデル全体に基づくシミュレーション

HCCI / ZTA _Pの凝固過程における熱応力のシミュレーションこの研究の複合材料では、熱応力が10秒の前後で大幅に変化するため、すべてのシミュレーション結果に対して10秒での熱応力分布が選択されています。図3の右側の目盛りと比較すると、赤い色はストレスが高いことを示し、青い色はストレスが低いことを示します。図3aでは、応力集中がプリフォームの端に現れ、特に中央の位置で、プリフォームの上側と下側が赤く見えました。図3aの正しいスケールと比較すると、ここではストレスが非常に大きいことがわかります。粒子が集まる場所、つまり六角形の穴の壁の交点に青色が現れ、ここでは応力が小さいことを示しています。図3cの幾何学的モデルでは、プリフォームの粒子集合体に円形の穴が追加されています。図3cの応力分布は、図3aと似ていますが、円形の穴の周りにより明確な応力集中がある点が異なります。図4のパフォームの円形の穴の周りの応力分布は、図3のそれと似ています

最終的な計算結果は直感的である必要があるため、結果は後処理され、応力横断比較チャートが作成されました。最初に、ジオメトリモデルで2D横断線を描画します。これは、主要な観測部分が円形の穴の周り、つまり粒子が集まる場所であり、2D横断線が円形の穴を通過するためです。応力グラフの縦軸は断面線の応力値、横軸は x です。 -図5に示すように、モデルの軸座標。簡略化されたモデルでは、円形の穴の座標は（12、14）、（27、14）です。図5cは、凝固応力の線グラフです。図5cでは、円形の穴のあるプリフォームは、円形の穴のないプリフォームと比較して、横座標12と27で応力が大幅に増加しています。図5dは、圧縮応力の比較表です。曲線の一般的な傾向は図5cの傾向と同じであり、円形の穴の位置応力が大幅に増加します。

同等の粒子モデルに基づくシミュレーション

図6は、HCCI / ZTA _Pの熱応力分布を示しています。図3と同様に、実際の粒子に基づく複合材料モデル。ただし、図6では、ZTAセラミック粒子はプリフォーム全体として単純化されておらず、個別の粒子として確立されており、ほとんどの粒子が周りの粒子は赤い色で表示されます。 ZTAセラミック粒子の形状は均一ではなく、特に粒子の鋭い点で、応力は周囲の値よりも高くなります。図1および2の熱応力分布。 3bと6bは明らかに異なります。図6bのプリフォームの円形の穴は青色で表示され、ここでは応力が小さいことを示しています。円形の穴の周りの応力集中の計算結果は反対です。幾何学的モデルの単純化と描画方法の程度は、異なる計算結果につながります。

図7の圧縮応力をシミュレートするために使用される幾何学的モデルは図6と同様です。図7では、右側のスケールと比較すると、応力はモデルの上部とプリフォーム、特にセラミックプリフォームの両側のエッジは黄緑色です。プリフォームの粒子凝集部分では、このゾーンが図7aに緑色で示されています。これは、ここでの応力が小さいことを示しています。図7bでは、プリフォームの骨材に円形の穴が追加されています。円形の穴ゾーンの色は緑と黄色で、明らかな応力集中がないことを示しています。

実際の粒子に基づくモデルでは、円形の穴の座標は（12、14）（27、14）です。図8は、凝固応力の比較図であり、応力に対する円形の穴の有無の影響を比較しています。円形の穴のあるプリフォームの応力は、横軸12と27で大幅な減少を示し、その位置は基本的に円形の穴の位置と一致していました。円形の穴があるプリフォームの残りの座標の応力はわずかに増加します。図8a、bでは、円形の穴のあるプリフォームを除いて、2つの曲線は基本的に一致しています。円形の穴の座標付近の応力が大幅に低下します。

実験的検証

図9からわかるように、摩耗試験では、最適化されたプリフォームを使用した複合材料と元のプリフォームを使用した複合材料の質量損失に大きな違いはなく、耐摩耗性が大幅に犠牲にならず、 HCCI / ZTA _Pの全体的な可塑性コンポジット。

多孔質プリフォームは、粒子凝集ゾーンに小さなサイズの円筒形の穴を追加することで最適化されました。これにより、HCCI / ZTA _Pのセラミック粒子の体積分率が変化しました。コンポジット。複合材料中のZTAセラミック粒子の含有量は、その機械的特性に影響を与える重要な要素です。図9に示すように、円形の穴のあるプリフォームを使用したサンプルの圧縮強度と圧縮変形は、最初のプリフォームを使用したサンプルの圧縮強度と圧縮変形に比べて大幅に増加しています。これは、ZTAセラミック粒子の凝集ゾーンにある小さな円形の穴が改善につながることを示しています。 HCCI / ZTA _Pの強度と可塑性コンポジット。多孔質プリフォームの凝集ゾーンに小さな円筒形の穴を追加すると、金属マトリックスの含有量が増加し、HCCI / ZTA _Pの圧縮ひずみが増加します。圧縮応力下にあり、その圧縮強度にも影響を与える複合材料。応力がピーク値に達した時点で、すでに試験片に損傷が発生していると考えられます。ひずみが継続的に増加すると、材料の内部損傷も蓄積し、ひずみ抵抗が徐々に減少し、最終的にせん断破壊が発生します。

すべてのサンプルの硬度の微量分析を図10に示します。図10a、bに示すように、シミュレーション結果によりよく対応するように、テスト領域は丸みを帯びた粒子と鋭角の粒子の周囲にそれぞれ選択されています。図10c、dは、応力の拡大部分図と比較されています。シミュレーションでは、応力集中は粒子の鋭い角の周りで発生する傾向があります。テスト結果では、鋭い角の粒子の近くの弾性率は、丸い角の近くの金属マトリックスよりも大きく、実際の粒子に基づくモデルの合理性をさらに検証します。

プリフォームの粒子凝集ゾーンに円形の穴が追加され、3つの機能があります。最初の機能は、HCCI / ZTA _P内のセラミック粒子の体積分率を減らすことです。複合材料と残留応力を低減します。 2番目の機能は、プリフォームのセラミック粒子の凝集を減らすことです。 3番目の機能は、亀裂の伝播を妨げるために、より優れた可塑性で金属マトリックスの体積分率を増加させることです。 HCCI / ZTA _Pの可塑性複合材料は、残留応力の増加とともに減少します。セラミック粒子の体積分率が低下し、残留応力が比較的小さくなります。 ZTAセラミック粒子プリフォームに円形の穴を追加すると、亀裂の不安定性が直線に沿って広がる傾向があるため、亀裂を減らすことができます。 HCCI / ZTA _Pの複合ゾーンに亀裂が発生した場合複合材料の場合、亀裂はプリフォームの六角形の穴の壁に沿って容易に伸び、亀裂の伝播を生成します。円形の穴は、六角形の穴の壁の接合部でHCCIマトリックスの含有量を増やし、亀裂の伝播を妨げ、構造を強化する役割を果たします。

結論

HCCIとZTA _Pの熱膨張係数の大きな違い複合材料に亀裂が発生します。 HCCI / ZTA _Pの凝固および圧縮プロセス複合材料は有限要素ソフトウェアを使用してシミュレーションされ、応力の数値と分布は、プリフォームの簡略化されたモデル全体と同等の粒子モデルに基づいて分析されます。計算結果により、プリフォーム構造が最適化されます。シミュレーションと実験結果を分析することにより、六角形の多孔質プリフォームに円形の穴を追加すると、凝固中の熱応力と圧縮応力が減少すると結論付けることができます。モデルの最適化と調整後、シミュレーション結果は実験結果と一致する傾向があります。この論文の方法は、さまざまな金属マトリックス複合材料の鋳造システムにおける処理パラメータのシミュレーションと最適化のための重要な参考資料を提供する可能性があります。