Κατασκευή σύνθετων υλικών μήτρας κράματος αλουμινίου με ενίσχυση νιφάδων χαλκού και συγκριτική αξιολόγηση μηχανικών και φυσικών ιδιοτήτων

Δεμερτζής, Δημήτριος

Manufacturing of copper flake reinforced aluminum alloy matrix composites and comparative evaluation of mechanical and physical properties

Διπλωματική εργασία

Author

Δεμερτζής, Δημήτριος

Date

2023-10-31

Advisor

Δημητρέλλου, Σωτηρία
Ιακωβίδης, Ισίδωρος

Διπλωματική Εργασία (9.167Mb)

Keywords

Σύνθετα υλικά ; Μήτρα αλουμινίου ; Νιφάδες χαλκού ; Χύτευση σε άμμο ; Αντοχή σε εφελκυσμό ; Αντοχή σε κρούση

Abstract

Τα τελευταία χρόνια, η ραγδαία τεχνολογική ανάπτυξη οφείλεται, σε μεγάλο βαθμό, στην πρόοδο που συντελείται στον τομέα των υλικών. Τα σύνθετα υλικά αντιπροσωπεύουν την προσπάθεια ενίσχυσης των υλικών για χρήση σε διάφορες εφαρμογές με αυξημένες απαιτήσεις για αντοχή και για βελτιωμένα φυσικά ή/και μηχανικά χαρακτηριστικά. Κύριος στόχος της ενδελεχούς μελέτης των σύνθετων υλικών είναι η μεγιστοποίηση των μηχανικών ιδιοτήτων τους και η εξάλειψη των «αδυναμιών» των αυτούσιων, καθαρών, μητρικών υλικών, σε συνδυασμό με την αποτελεσματικότητα, την απόδοση και το χαμηλό οικονομικό κόστος της μεθόδου παραγωγής τους. Το αλουμίνιο (Al) είναι ένα από τα ελαφρύτερα μέταλλα (με ειδικό βάρος ίσο με το 1/3 του χάλυβα), με χαμηλή πυκνότητα (2,7g/cm3), το οποίο υπάρχει σε αφθονία στον φλοιό της Γης. Η μεγάλη αντοχή στη διάβρωση και η εύκολη κατεργασιμότητα, σε συνδυασμό με την εγγενή του ιδιότητα να δημιουργεί εύκολα κράματα, το έχουν καταστήσει αρκετά δημοφιλές στους διάφορους τομείς της βιομηχανίας, όπως και στη ναυπηγική. Η παρούσα Διπλωματική Εργασία επικεντρώνεται στην κατασκευή σύνθετων μεταλλικών υλικών μήτρας αλουμίνιου (Al) με την προσθήκη νιφάδων (flakes) χαλκού (Cu), με τη μέθοδο χύτευσης σε άμμο και στη συνέχεια στη μελέτη των μηχανικών ιδιοτήτων τους. Το θεωρητικό μέρος της εργασίας περιλαμβάνει τη βιβλιογραφική ανασκόπηση του αλουμινίου και των κραμάτων του στο 1ο κεφάλαιο, των σύνθετων υλικών, των μεθόδων κατασκευής και των κυριότερων ιδιοτήτων τους στο 2ο κεφάλαιο, και των κυριότερων μεθόδων χύτευσης που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία στο 3ο κεφάλαιο. Το πειραματικό μέρος της εργασίας περιλαμβάνει την κατασκευή δοκιμίων σύνθετων υλικών με χύτευση και ανάμιξη αλουμινίου και νιφάδων χαλκού σε ποσοστό 95%Al - 5%Cu και 85%Al - 15%Cu κ.β. και ακολούθως τον προσδιορισμό των μηχανικών ιδιοτήτων των χυτών δοκιμίων μέσω δοκιμασιών αντοχής σε εφελκυσμό και κρούση, μέτρησης σκληρότητας και μέτρησης πυκνότητας. Τέλος, η εργασία περιλαμβάνει μικροσκοπική εξέταση, οπτικά και ηλεκτρονικά (SEM/EDS), εξωτερικών και εσωτερικών επιφανειών των χυτών δοκιμίων των σύνθετων υλικών που κατασκευάστηκαν. Τέλος, οι πειραματικές μετρήσεις και τα αποτελέσματα αναλύονται και συγκρίνονται, αποδεικνύοντας τη διαφοροποίηση των μηχανικών ιδιοτήτων των σύνθετων υλικών ανάλογα με το ποσοστό ανάμιξης του αλουμινίου - χαλκού.

Abstract

In recent years, the rapid technological development is largely attributed to the progress made in the field of materials. Composite materials represent the effort to strengthen materials for use in various applications with increased requirements for strength and for improved physical and/or mechanical characteristics. The main objective of the thorough study of composite materials is to maximize their mechanical properties and eliminate the "weaknesses" of the pure, matrix materials, along with the efficiency, performance, and low economic cost of their production method. Aluminum (Al) is one of the lightest metals (with a specific gravity equal to 1/3 that of steel), with a low density (2.7g/cm3), which is abundant in the Earth's crust. Its high corrosion resistance and easy machinability, combined with its inherent ability to easily form alloys, have made it quite popular in various sectors of industry, including shipbuilding. This Diploma Thesis focuses on the manufacture of composite metal materials of aluminum (Al) matrix with the addition of copper (Cu) flakes, using the sand-casting method and the study of their mechanical properties. The theoretical part of the work includes the literature review of aluminum and its alloys in the 1st chapter, composite materials, their manufacturing methods and their main properties in the 2nd chapter, and the main casting methods used in the industry in the 3rd chapter. The experimental part of the work includes the manufacture of composite material samples by sand-casting and mixing aluminum and copper flakes in a percentage of 95%Al - 5%Cu and 85%Al - 15%Cu by weight, and subsequently the determination the mechanical properties of the cast specimens through tensile and impact strength tests, hardness measurement and density measurement. Finally, this work includes the microscopic examination, optically and electronically (SEM/EDS), of external and internal surfaces of the cast specimens of the fabricated composites. Finally, the experimental measurements and results are analyzed and compared, demonstrating the differentiation of the mechanical properties of the composite materials depending on the aluminum - copper mixing percentage.