در جهت فهم مکانیزم برش و شکست در کامپوزیت زمینه سرامیکی

Towards understanding the cutting and fracture mechanism in Ceramic Matrix Composites

چکیده

کامپوزیت زمینه سرامیکی (CMC) به وسعت برای ساخت بخش های با ارزش برای چندین صنعت مانند هوافضا، هسته ای و خودرو استفاده می شود. با این وجود، ماهیت ناهمگن، ناهمسانگرد و ترد آن ها، شناسایی فرایند ماشین کاری را سخت می کند و بنابراین فهم کاملی از مکانیک های برش نیاز است. در این رابطه، این مقاله قصد دارد تا رفتارهای مختلف CMCها را با به کارگیری برش متعامد، بفهمد. اولین بخش این مقاله یک رویکرد تئوری جدید را برای توضیح انواع مختلف رفتارهای برش (برش شکست و برشی) بر اساس خواص غیر الاستیک و ارتوتروپیک CMCها با استفاده از یک سیستم تصویربرداری بالا و اندازه گیری نیروهای برش پیشنهاد کرده است.

بخش دوم قصد دارد تا مکانیزم برش و شکست کامپوزیت سرامیکی را توسط یک مدل تحلیلی توسعه یافته برای اولین بار برای هر سه جهت متعامد اصلی تعریف شده توسط سه جهت الیاف نسبی اصلی نسبت به جهت تغذیه که در برش CMCها پیدا می شوند، بفهمد. این مورد توسط محاسبه انرژی برش ویژه ای که برای شکست CMCها در طی برش نیاز است (نرخ رهایش انرژی، G_C) با استفاده از مکانیک های شکست و تئوری های برش، به دست آمده است.

این مدل تحلیلی به طور موفقیت آمیز برای کامپوزیت های کربن/کربن با داده های تجربی به دست آمده برای برش ترد و توسط معرفی مفهوم یک منحنی-R متصاعد در مدل های برش، تایید شده است. علاوه بر این، با مقایسه نتایج به دست آمده برای نرخ رهایش انرژی برای حالت ترد و شبه نرم، مشاهده شده است که مواد تغییری مهم در نرخ رهایش انرژی بر طبق گذار ترد به شبه نرم رخ داده شده با کاهش عمق برش، تجربه می کنند. نهایتا، یک روش پایش جدید موفق بر اساس ارتعاشات نمونه برای فهم نوع تشکیل ترک ظاهر شده با برش CMCها پیدا شده است.

جهت دانلود ترجمه تخصصی و فارسی این مقاله می توانید وجه آنرا پرداخت نموده و بلافاصله دریافت نمایید.

ABSTRACT

Ceramic Matrix Composites (CMCs) are increasingly used for the manufacture of high-value parts for several industries such as the aerospace, nuclear and automotive. Nevertheless, their heterogenic, anisotropic and brittle nature make difficult to characterise the machining process and therefore, an in-depth understanding of the cutting mechanics is needed. In this regard, this paper aims to understand the different behaviours of CMCs while employing orthogonal cutting. The first part of this article proposes a novel theoretical approach to explain the different types of cutting behaviours (fracture and shear cutting) based on the inelastic and orthotropic properties of the CMC’s by using a high imaging system and measuring the cutting forces.

The second part aims to understand the cutting and fracture mechanism by developing for the first time a specific analytical model for each of the three main orthotropic orientations, defined by the three main relative fibre orientations respect to the feed direction, which are found in cutting of CMCs. This is approached by the calculation of the specific cutting energy needed to fracture the CMC’s during cutting (energy release rate, Gc) using fracture mechanics and cutting theories.

This analytical model has been successfully validated for a Carbon/Carbon composite with the experimental data obtained for the brittle cutting and by introducing the concept of a rising R-curve in cutting models. Moreover, comparing the results obtained for the energy release rate for the brittle and semiductile mode, it is observed that the material experiences an important change in the energy release rate according to the brittle-to-semi-ductile transition occurring while reducing the depth of cut. Finally, a novel monitoring method based on the vibrations of the sample has been found successful to understand the type of crack formation appearing while cutting CMCs.