Modeling and simulation of diffusion bonding and interface properties of long fiber reinforced NiAl composites [Elektronische Ressource] / Hao Chen

Heinjochen

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• Publié le: 01 janvier 2006
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• Langue: Deutsch
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Extrait

Modeling and Simulation of Diffusion Bonding and Interface
Properties of Long Fiber-reinforced NiAl Composites
Von der Fakultät für Georessourcen und Materialtechnik
der Rheinisch - Westfälischen Technischen Hochschule Aachen
Zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Ingenieurwissenschaften
genehmigte Dissertation
Vorgelegt von M. Sc.
Hao Chen
aus Henan Province, China
Berichter: Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Günter Gottstein
Prof. Dr. -Ing. Dierk Raabe
Tag der mündlichen Prüfung: 28. September 2006
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfügbar Berichte aus der Materialwissenschaft
Hao Chen
Modeling and Simulation of
Diffusion Bonding and Interface Properties of
Long Fiber-reinforced NiAl Composites
D 82 (Diss. RWTH Aachen)
Shaker Verlag
Aachen 2006Bibliographic information published by the Deutsche Nationalbibliothek
The Deutsche Nationalbibliothek lists this publication in the Deutsche
Nationalbibliografie; detailed bibliographic data are available in the Internet
at http://dnb.d-nb.de.
Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2006
Copyright Shaker Verlag 2006
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Printed in Germany.
ISBN-10: 3-8322-5678-4
ISBN-13: 978-3-8322-5678-4
ISSN 1618-5722
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Die vorliegende Arbeit wurde am Institut für Metallkunde und Metallphysik der RWTH
Aachen durchgeführt.
Herrn Prof. Dr. rer. nat. G. Gottstein danke ich herzlich für seine intensive Betreuung, für
seine zahlreichen richtungsweisenden Diskussionen sowie für seine Unterstützung.
Herrn Prof. Dr. -Ing. D. Raabe vom Max-Plank-Institut für Eisenforschung in Düsseldorf
danke ich herzlich für die Übernahme des Korreferates.
Herrn Dr. -Ing. W. Hu vom Institut für Metallkunde und Metallphysik danke ich besonders
für seine erfolgreiche Hilfe und stete Diskussionsbereitschaft bei meiner Doktorarbeit.
Mein Kollegen Vladimir Ivanov danke ich für die angenehme und lockere Arbeitsatmosphäre
und seine erfolgreiche Hilfe. Herrn Dr. rer. nat. Volker Mohles danke ich herzlich für seine
hilfreichen Diskussionen.
Bedanken möchte ich mich natürlich bei allen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des Instituts
für Metallkunde und Metallphysik für die hervorragende Zusammenarbeit, aber insbesondere:
Matthias Frommert und Thomas Burlet für ihre Hilfe im Prüflabor; Matthias Loeck und
Sergej Laiko für die Hilfe bei allen Software- und Hardware-Problemen; Keyun Wen und
Yunlong Zhong für die enge Zusammenarbeit.
Meinen Eltern und meinen Schwiegereltern danke ich sehr für das Halten und das Aushalten.
Der letzte und größte Dank gilt meiner Frau Feng Mei und meinem Sohn YiFan Chen für ihre
Unterstützung, Geduld und Motivation. Contents i
Abstract
1 Introduction………………………………………………………….…….....1
1.1 Research Background……………………………………………………….………..1
1.2 Overview of this work……………………………………………………….………..3
2 Long Fiber-reinforced Composites………………………………….……....7
2.1 Matrix-NiAl………………………………………………………………….………..7
2.1.1 Creep theory…………………………………………………………….………7
2.1.2 Creep behavior of NiAl………………………………………………….…….. 9
2.2 Fiber-single crystalline Al O fiber……………………………………………...…10 2 3
2.3 Interfaces in composites…………………………………………………..…….…...12
2.3.1 Theories of interface adhesion ……….………………………………………12
2.3.2 Interface related fracture toughness theories………………………………..15
2.3.3 Toughening methods with controlled interface……………………………...16
2.3.4 Single-fiber push-out test and interface model………………………………18
2.3.4.1 Single-fiber push-out test……………………………………………...18
2.3.4.2 Interface models……………………………………………………….21
2.3.4.3 Basic fracture modes…………………………………………………..22
2.4 Thermal residual stress (TRS) in a single fiber model….………………………...23
3 High Temperature Creep Behavior of NiAl……………………………….27
3.1 Experimental procedure…………………………………………………………….27
3.2 Results………………………………………………………………………………..28
3.2.1 Dynamic tests………………………………………………………………….28
3.2.2 Creep tests……………………………………………………………………..32
3.3 Discussion……………………………………………………………………………34
3.4 Summary…………………………………………………………………………….35
4 Diffusion Bonding Model of the Consolidation Process………………….37
4.1 Introduction………………………………………………………………………….37
4.2 Model description……………………………………………………………………39
4.2.1 Geometry ………………..……………………………………………………..39
4.2.2 Mass transport mechanisms…………………………………………………..41 ii Contents
4.2.2.1 Diffusion and vapor transport (Mechanisms 1-5)…………………...43
4.2.2.2 Plastic deformation (Mechanisms 6-7)……………………………….45
4.3 Discussion…………………………………………………………………………….47
4.3.1 Influence of different mechanisms on the consolidation kinetics…………..48
4.3.2 Influence of hot pressing parameters on the consolidation mechanisms…..50
4.4 Summary……………………………………………………………………………..52
Appendix A………………………………………………………………………………53
Mass transfer from the void surface to the neck (Mechanisms 1-3 in stage 1)
Appendix B………………………………………………………………………………55 m the interfacial source to the neck (Mechanisms 4-5 in stage 1)
Appendix C………………………………………………………………………………56
Mass transfer from the interfacial in stage 2)
Appendix D………………………………………………………………………………57
Volume flux due to diffusion from the grain boundary sources
5 Finite Element Analysis of the Consolidation Process……………………59
5.1 Introduction………………………………………………………………………….59
5.2 Deformation mechanisms of NiAl and model set-up……………………………...59
5.2.1 Deformation mechanisms……………………………………………………..59
5.2.2 Geometrical relations…………………………………………………………60
5.2.3 Finite element model…………………………………………………………..62
5.3 Results………………………………………………………………………………..65
5.3.1 Deformation and stress distribution during the consolidation process……65
5.3.2 Influence of temperature and pressure on consolidation kinetics………….66
5.3.3 Influence of fiber volume fraction on consolidation kinetics……………….67
5.3.4 Influence of fiber arrangement on consolidation kinetics…………………..69
5.4 Discussion…………………………………………………………………………….70
5.4.1 Primary creep of the NiAl matrix…………………………………………….70
5.4.2 Optimization of hot pressing parameters……………………………………70
5.4.3 Comparison with experimental results………………………………………72
5.5 Summary……………………………………………………………………………..73
6 Thermal Residual Stress (TRS) and Fiber Damage………………………75
6.1 Introduction………………………………………………………………………….75
6.2 Model description and experimental procedure…………………………………..76 Contents iii
6.2.1 Finite element model…………………………………………………………..76
6.2.2 Determination of interfacial friction coefficient for BN interlayer………...79
6.2.3 Principle of nano-indentation method for TRS determination…………….80
6.3 Results………………………………………………………………………………..82
6.3.1 Simulation results……………………………………………………………...82
6.3.1.1 Determination of the critical sample thickness and the critical radius
of a surrounding composite for TRS simulation ……………………………...82
6.3.1.2 TRS distribution…………………………………………………………84
6.3.2 Nano-indentation measurements……………………………………………..88
6.4 Discussion…………………………………………………………………………….90
6.4.1 Fiber damage in NiAl composites caused by TRS ……………..…………...90
6.4.2 Comparison of FEM simulations and nanoindentation measurements……94
6.5 Summary……………………………………………………………………………..94
7 Simulation of Push-out Tests and Interfacial Shear Strength………..….97
7.1 Introduction………………………………………………………………………….97
7.2 Interface model of NiAl composites………………………………………………..98
7.3 FEM model of push-out tests..…………………………………………………….100
7.4 Results………………………………………………………………………………102
7.4.1 Interfacial shear stress distribution…………………………………………102
7.4.2 Extraction of interface properties.………………………………………….104
7.5 Discussion..………………………………………………………………………….105
7.5.1 Top/bottom debonding………………………………………………………105
7.5.2 Influence of temperature on push-out behavior…………………………....110
7.6 Future work………………………………………………………………………...113
8 Conclusions………………………………………………………………...115
8.1 High temperature creep behavior………………………………………………...115
8.2 Modeling and Simulation of the Diffusion Bonding Process……………………115
8.3 Thermal Residual Stress…………………………………………………………..116
8.4 Simulation of Push-out Tests..…………………………………………………….117 iv Contents
Zusammenfassung………………………………………………………..…119
References……………………………………………………………………123
Lebenslauf