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7/21/2019 Tema 5. Compuestos de Matriz metlica.pdf

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Materiales Metlicos No FrreosCurso de Tecnologa de Materiales Metlicos

Ingeniera de Materiales

Departamento de Ingeniera Mecnica y de los Materiales

MATERIALES METLICOS NO FERREOS

Compuestos metlicosde matriz metlica


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Compuestos de matriz metlica

Matrices tpicas empleadas:

Aluminio y Titanio.

Reforzadas con fibras cermicas

continuas o discontinuas, partculas

o whiskers.

Brinda una mejorar de la

resistencia especfica y la rigidez.

El coste es relativamente alto. 99% Al2O3Su=3000 MPa

E = 400 Gpa

= 3.95 g/cm3


Compuestos de matriz metlica

Superiores a los compuestos

polimricos en mdulo elstico,

tenacidad, ductilidad y resistencia a

altas temperaturas

Son ligeramente ms denso y

difciles de fabricar partes tiles.

Los MMC son usualmente de Al,

Mg, Cu, Ti, superaleaciones.99% Al2O3Su=3000 MPa

E = 400 Gpa

= 3.95 g/cm3


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Magnesio Baja densidad (37% menor que el Al)

Aplicaciones aeroespaciales

Fluye a bajas temperaturas

Baja resistencia

Susceptible a varios tipos de corrosin

Aluminio

Fcil de procesar y econmico

35% de la densidad del acero

Puede ser aleado y alcanzar una resistencia elevada 57% mas rgido que el Mg

Excelente resistencia a la corrosin

Material ampliamente usado

Matriz


Matriz

Titanio

Resiste el doble que el Al

65% mas pesado que el Al y 65% mas rgido

Resistencia a la corrosin y temperatura

Cobre, Hierro, Nquel, Wolframio

Aleaciones de usos especiales

Circuitos electrnicos

Punzones de metal

Motores de aviones

Aplicaciones militares


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Cermicas

SiC

Al2O3 TiC

B4C

Otros

Grafito

TiB2

Filamentos metlicos

Boro

Acero

Wolframio

La eleccin de la matriz y el refuerzo depende de:

Propiedades deseadas

Compatibilidad de la matriz y el refuerzo Vias de procesamiento

Refuerzo


Particulate Composite Short-Fiber Composite

Long-Fiber Composite Laminated Composite

Refuerzo


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c m m r r X X V X V

D o n d e

X p ro p ied a d a c o n sid e ra r

V fr a cc i n v olu m tr ic a

c c o m p u e sto

m m atriz

r refu erzo

Regla de las mezclas


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AplicacionesCompuestos de Matriz Metlicas


Aplicaciones


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Aplicaciones


Pistn de unmotor diesel

fabricado con Alreforzado defibras cortas

Frenos de disco de Almoldeado con refuerzos

de partculas

Calliper para el sistema de frenos dedisco, a la izquierda el convencionalde Fe colado y a la derecha AMC (Almatrix composites) con fibrascermicas


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Aplicaciones


Lightweight racing motorcycle brakes madeof SiC distributed in aluminium

Aplicaciones


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Fracture surface of a SiC fibre-reinforcedCu metal matrix composite

Aplicaciones


Welding Handbook, AWS


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Aluminio reforzado con Carburo de Boro

B4C en matriz de Al

Densidad menor que las aleaciones de Al.

Pueden ser soldados empleando equiposestandares de TIG.

Disponible en las mismas formas que los aleacionesconvencionales. Puede ser moldeado, extruido yforjado.

Disponible en lminas tan delgadas como papel.

Nombres comerciales Boralyn; H=baja resistencia,alta ductilidad, E = aleacin de alta resistencia.


Aluminio reforzado con Carburo de Boro

AMC220bc

Material Grade:AMC220bc

Material Type:Metal Matrix Composite -

Boron Carbide ParticleReinforced Aluminium Alloy

Description:AMC220bc is a high qualityaerospace grade aluminiumalloy (AA2124) reinforcedwith 20% by volume ofultra-fine / high purityparticles of boron carbide. Itis manufactured by apowder metallurgy routeusing high-energy mixing toensure excellent particledistribution and to enhancemechanical properties.60% Mas resistente que la aleacin original


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Continuous Fiber-Aluminum Matrix Composites (CF-AMC)

Al-2wt%Cu con 60vol% Al2O3 fibras

Ofrece alta resistencia longitudinal (1500 MPa) y buena transversal(270 MPa)

Formas disponibles: productos near net-shape

Alta rigidez Ligero

Al puro con 60vol% Al2O3 fibras

Muy alta resistencia longitudinal (1650 MPa) y moderadaresistencia transversal (140 MPa)

Alta rigidez

Ligero

Buena resistencia a la corrosin

Buena conductividad elctrica

Formas disponibles: componentes near net-shape y cable continuo


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Prop

iedadesdelAMC


AMC Propiedades especficas


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Figure 3. Elevated temperature strength of a Ti6Al4V alloyunreinforced and reinforced with silicon carbide

monofilament.

Continuous Fiber-Ti6Al4V Matrix Composites


Mtodos de Produccin

Estado lquido

Estado semi-slido Estado slido


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Mtodos de Produccin Procesos metalrgicos en fase lquida Infiltracin de preformas de fibra corta y/o partculas

Infiltracin reactiva de preformas de fibras o partculas

Mezclado del lquido metlico y las partculas, seguido de un moldeo enarena o bajo presin

Procesos metalurgicos en fase slido (polvos, PM) Compactacin y sinterizado y/o forja de los polvos metlicos y de refuerzo

Extrusin y forja de la mezcla de partculas metlicas y refuerzos.

Extrusin y forja de un spray de material MMC compatible

HIP de mezcla de polvos y partculas de refuerzoMoldeo tixoplstico, extrucin, etc

Soldadura de productos semimanufacturados

Combinacin de deformacin de grupos de metales

(superconductores)



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Procesos de infiltracin


Procesos de infiltracin de preformas


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Diffusion bondingprocess:

(a) apply metal foil and cut

to shape,

(b) lay up desired plies,

(c) vacuum encapsulate

and heat to fabrication

temperature,

(d) apply pressure andhold for consolidation

cycle, and

(e) cool, remove, and

clean part.

Procesos de unin por difusin


Procesos de unin por difusin

Composite

superconductor

type Vacryflux NS 13 000

Ta: 13000 Nb filaments inCuSn and 35 % stabilization

material 30% Cu+5% Ta in

a shell


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Procesos PM por prensado y extrusin


Caption: (a) Microstructure of SiC particle reinforced 2080 Almatrix composite after hot extrusion and (b) Orientation image

map showing random orientation of grains at the particle/matrix

interface due to dynamic recrystallization, and textured grains

away from the interface

Procesos PM por prensado y extrusin


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Procesos PM y forja


(a) Microstructure of multilayered Al/SiC composite deposited by PVD. The

thickness of the layers increases progressively with distance from the Si

substrate. (b) Comparison of tensile behavior between Al/SiC multilyer (500

nm, with homogeneous individual layer thickness) compared to Al film. Note

the significantly higher strength in the multilayer MMC

Procesos por deposicin PVD

SiC

Si

Al

Al

AlSiCAlSiAl

SiSiC


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Figure 21. Caption: Stress versus cycles

(S-N) behavior of a particle reinforced

MMC. With increasing volume fraction of

particles the fatigue strength of the

composite increases (from

ref.42).

Figure 22. Caption: Elevated temperature

fatigue behavior of a patricle reinforced

MMC. With increasing temperature, the

matrix strength decreases resulting in

decreased fatigue resistance

Propiedades Mecnicas


InteraccinFibra Matriz


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Al aumentar la superficie en contacto y el ngulo de mojado

se aumenta la resistencia de la interface matriz-fibra



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Fig. 1.46 Fracture surfaces in aluminum composite materials after tensile strain vertical to thefiber orientation: (a) fiber/matrix- delamination (C/Al, weak adhesion); (b) shearing of fibers and

dimple formation of a deformed matrix on the fibers (Al2O3/Al-2.5Li, medium adhesion); (c)

Fracture in the matrix (SiC/Al good adhesion); (d) fracture run in multiple broken fibers (SiC/Al good

adhesion).

InteraccinFibra Matriz

C/Al, weak adhesion Al2O3/Al-2.5Li, medium adhesion

SiC/Al good adhesion SiC/Al good adhesion


Figure 24. Caption: Reinforcement and crack tip interactions in a particulate composite:

(a) low Kmax, K, smaller plastic zone tortuous crack growth takes place ( b)high Kmax, K, larger plastic zone envelops several particles particle fracture takesplace ahead of the crack tip, resulting in planar crack growth.

Propiedades Mecnicas


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Figure 25. Caption: Fatigue crack growth profile in a SiC particle

reinforced Al matrix composite, exhibiting crack trapping andcrack deflection mechanisms.


Crack growth vs cyclic intensity factor for a

particulate MMC versus the unreinforced alloy


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Bibliografa

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Advanced Technical Ceramics, S. Somiya, Ed., AcademicPress, Tokyo, Caps. 11 y 12.

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S. Musikant, What every engineer should know aboutceramics, Marcel Dekker, Inc., New York, 1991. Caps. 2, 5 y6.

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Bibliografa


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Bibliografa


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