Análisis y modelado de materiales compuestos de matriz de aluminio reforzados con intermetálicos

Abstract

[ES] A lo largo de los veinte últimos años, los materiales compuestos de matriz metálica (MMC) han aparecido como un tipo de material muy interesante con propiedades de alta eficacidad empleados en los campos aeroespacial, automóvil, químico, y de la industria de transporte gracias a su mayor resistencia a rotura, su alto modulo de elasticidad, su densidad, sus propiedades eléctricas y térmicas, y su mayor resistencia al desgaste respeto a las aleaciones metálicas convencionales. Con el objetivo de reducir el impacto ambiental desde los procesos de fabricación hasta el paso del reciclaje, estos materiales han generado interés entre la comunidad científica por aquellas propiedades excepcionales que ya prometían el desarrollo de materiales cada vez más eficientes. El propósito de este trabajo de fin de máster es centrarse en la modelización del comportamiento térmico y mecánico de materiales compuestos con matriz de aluminio y reforzados con intermetálicos como TiB2, ZrB2 or CrB2 gracias al software ABAQUS FEA®(Dassault Systèmes). Para llevar al cabo este estudio mecánico, se consideraron dos parámetros: el porcentaje de partículas, y la naturaleza y propiedades de los refuerzos. Para el estudio térmico, se calculó el coeficiente de dilatación térmica según la dirección axial pero también transversal con un material reforzado con TiB2. También se estudiaron comportamientos térmicos de varias configuraciones de refuerzos al aplicar un flujo de calor en una pared del material. Se ha creado un modelo completo gracias al software ABAQUS FEA®, para simular el comportamiento mecánico de un material compuesto de matriz metálica de aluminio mediante la aplicación de un desplazamiento normal en la superficie de la muestra. Como se esperaba, los resultados mostraron que al aumentar las propiedades elásticas de los intermetálicos, también aumentamos las propiedades elásticas de los compuestos. Se ha demostrado que el módulo Young del composite aumenta linealmente con el porcentaje de partículas, en dirección axial pero también transversal. Finalmente, el estudio térmico mostró que el refuerzo de una muestra de aluminio con intermetálicos mejora el comportamiento refractario del material, pero también depende de su dispersión dentro de la matriz. En cuanto a los coeficientes de expansión térmica, el refuerzo de un material con un material de bajo coeficiente de dilatación térmica en comparación con la matriz reduce las propiedades de expansión del material compuesto, ya sea en dirección axial o transversal. El futuro de ese trabajo podría ser cambiar el tipo de cargas mecánicas e intentar estudiar el comportamiento del material aplicando cargas mecánicas dinámicas. Además, las propiedades de la resistencia al desgaste podrían simularse mediante la aplicación de un modelo explícito en ABAQUS FEA®.

[CA] Al llarg dels vint últims anys, els materials compostos de matriu metàl·lica (MMC) han aparegut com un tipus de material molt interessant amb propietats d’alta eficàcia empleats en els camps de l’enginyeria aeroespacial y de l’automòbil, de la industria químia, i de la indústria del transport gràcies a la seua major resistència a ruptura, el seu alt mòdule d’elasticitat, la seua densitat, les seues propietats l’elèctriques i tèrmiques, i la seua millor resistència al desgast respecte als aliatges metàl·lics convencionals. Amb l’objectiu de reduir l’impacte ambiental des dels processos de fabricació el reciclatge, estos materials han generat un gran interès a la comunitat científica, per aquelles propietats excepcionals que ja prometien el desenvolupament de materials cada vegada més eficients. L’objectiu d’aquest treball fi de màster es centra en la modelització del comportament tèrmic y mecànic dels materials compostos amb matriu d’alumini i reforçats amb compostos intermetàl·lics com el TiB2, ZrB2 o CrB2 gràcies al programari ABAQUS FEA (Dassault Systems). Per a portar a terme aquest estudi mecànic s’han considerat dos paràmetres: el percentatge de partícules, la seua natura i les propietats dels reforços. Per a l’estudi tèrmic s’ha considerat el coeficient de dilatació lineal segons les direccions axial i transversal amb un material reforçat amb TiB2. També s’estudiaren els comportaments tèrmics de varies configuracions de reforços al aplicar un flux de calor a una de les parets del material. S’ha creat un model complet gràcies al programari ABAQUS FEA per a simular el comportament metàl·lic d’un material d’alumini mitjançant l’aplicació d’un desplaçament normal a la superfície de la mostra. Com era d’esperar, els resultats mostraren que al augmentar les propietats elàstiques dels materials intermetàl·lics, també es milloren les propietats elàstiques dels MMC. També s’ha demostrat que el mòdul de Young del material augmenta linealment amb el percentatge de partícules tant en direcció axial com en direcció transversal. Finalment l’estudi tèrmic demostrà que el reforç d’una mostra d’alumini amb compostos intermetàl·lics milloren el comportament refractari del material depenent de la seva dispersió dins del material. Respecte al coeficient de dilatació tèrmica, el reforç d’una matriu amb un material de baix coeficient de dilatació lineal respecte al de la matriu, redueix les propietats de dilatació del material compost tant en direcció axial o en direcció transversal. L’estudi portat a terme en aquest present treball fi de màster podria ampliar-se aplicant càrregues mecàniques dinàmiques. A més, les propietats de la resistència al desgast podrien simular-se mitjançant l’aplicació d’un model explícit amb el ABAQUS FEA.

[EN] Since the last two decades, metal matrix composites (MMC) have emerged as an important class of high performances materials for use in aerospace, automobile, chemical and transportation industries because of their improved strength, high elastic modulus, density, thermal and electrical properties and increased wear resistance over conventional base alloy. With the aim of reducing the environmental impact since manufacture processes to the step of recycling, those materials have generated interest among the scientific community for those exceptional properties that promised the development of ever more efficient materials. The purpose of this Master’s thesis is to focus on the modelling of thermal and mechanical behaviours of aluminium matrix composites reinforced with intermetallics such as TiB2, ZrB2 or CrB2 thanks to the software ABAQUS FEA®(Dassault Systèmes). To carry out this mechanical study, two parameters were considered: the volume content of particles and the properties of reinforcements. For the thermal study, coefficients of thermal expansion were estimated of a composite material reinforced with TiB2 at a certain volume fraction, and thermal behaviours of several configurations of reinforcements were studied. A whole model has been created thanks to ABAQUS FEA®, to simulate the mechanical behaviour of an aluminium based metal matrix composite by applying a normal displacement on the surface of the specimen. As expected, the results revealed that by increasing elastic properties of intermetallics, we also increased elastic properties of the composites. It has been shown that the Young modulus of the whole material increases linearly with the volume fraction of particulates. Finally, the thermal study shown that the reinforcement of a specimen of aluminium with intermetallics improves the refractory behaviour of the material, but it also depends of their dispersion into the matrix. About coefficients of thermal expansion, reinforcing a material with low-CTE material compared to the matrix reduces expansion properties of the composite material, whether in axial or transverse direction. The perspectives of this work would be to change the type of mechanical loads and try to study the material behaviour by applying dynamic mechanical loads. Also, properties of wear resistance could be simulated by implementing an explicit model on ABAQUS. FEA®. Behaviours of such materials could also be studied at high temperature, for which elastic and thermal properties may change