Matériaux | Texte intégral gratuit | Effet des moustaches de fibre de carbone et de titanate de potassium sur les propriétés mécaniques et tribologiques d’impact de la matrice de forets diamantés imprégnés à base de Fe

Les résultats expérimentaux des échantillons avec différentes teneurs en matériaux de trempe sont présentés dans la figure 2. On peut voir qu’une petite quantité de CF et de PTW a eu un effet positif sur la dureté Rockwell (HRB) et la résistance à la flexion de la matrice vierge sans diamants. Lorsque la fraction massique des deux matériaux de trempe a augmenté de 0 à 1 % en poids, la dureté et la résistance à la flexion de l’échantillon de matrice pure ont augmenté. Lorsque la teneur des deux matériaux dépassait 1 % en poids, la dureté et la résistance à la flexion commençaient à diminuer progressivement avec l’augmentation de la teneur. Comme le montre la figure 2a, sans ajouter les deux matériaux de renforcement, la dureté de l’échantillon était de 92,5 HRB. À une teneur de 1 % en poids de matériaux de trempe, la valeur de dureté du groupe CF a augmenté de 11,71 %, tandis que celle du groupe PTW a augmenté de 2,60 %. Dans l’ensemble, l’impact du CF sur la dureté de la matrice a dépassé celui du PTW. Sur la figure 2b, lorsque la quantité ajoutée était de 0, la résistance à la flexion du composite à matrice métallique (MMC) était de 1 167 MPa. Avec l’augmentation des quantités de matériaux de renforcement, la résistance à la flexion du MMC a d’abord augmenté puis diminué. Lorsque la fraction massique des deux matériaux ajoutés était de 1 % en poids, la résistance à la flexion des deux MMC était maximale. Les résistances à la flexion des groupes CF et PTW étaient respectivement de 1 387 MPa et 1 237 MPa, soit respectivement 18,85 % et 6,00 % supérieures à celles du groupe sans renfort. Les figures 2c, d montrent que la résistance à la flexion et la résistance aux chocs du composite à matrice diamant (DMC) ont été affectées par une augmentation de la teneur en matériau. La différence était que pour les échantillons MMC, la résistance à la flexion de l’échantillon contenant du PTW était supérieure à celle de l’échantillon contenant du CF. Comme le montre la figure 2e, la densité relative de la plupart des échantillons était supérieure à 97,70 %, à l’exception des échantillons CF avec une fraction massique supérieure à 3 % en poids, mais leurs densités relatives étaient également supérieures à 96 %. De toute évidence, les deux matériaux pourraient renforcer une matrice IDB à base de Fe, mais le CF avait un meilleur effet de renforcement.

Les résultats des images SEM de la surface de fracture après le test de résistance à la flexion sont présentés dans les figures 3 et 4. On peut observer qu’il y avait plus ou moins de pores dans la matrice, ce qui était dû au processus de frittage par pressage à chaud. L’augmentation de la teneur en matériaux ajoutés peut être clairement observée sur la figure. Les états de répartition des CF et des PTW dans la matrice étaient également différents. Les CF ont bien conservé leur état d’origine et ont été complètement intégrés dans la matrice, tandis que les PTW, en raison de leur petite taille, ont subi une agrégation importante après mélange et frittage, et la liaison avec la matrice n’était pas trop étroite. L’ajout d’une petite quantité de CF et de PTW a augmenté la dureté de la matrice. D’une manière générale, plus la taille des grains est petite, plus la résistance de l’interface est grande. [38]. Par conséquent, l’augmentation de la dureté de la matrice pourrait être due à l’obstruction de la croissance granulométrique par les CF et les PTW. Les surfaces de fracture des figures 3a à c et 4a à c montrent que l’ajout d’une quantité appropriée de CF et de PTW a amélioré l’uniformité des grains du matériau de matrice. Cependant, la dureté a commencé à diminuer à mesure que la teneur a continué à augmenter. Un ajout excessif de matériaux réduisait l’uniformité de la taille des grains de la matrice et il y avait une plus grande probabilité que le point de mesure tombe sur le matériau ajouté pendant la mesure.

La résistance à la flexion de l’échantillon était principalement influencée par les conditions de liaison entre les matériaux et la densité relative. Pour un même matériau, plus la densité relative est élevée, plus le matériau est résistant. Lorsque d’autres matériaux étaient ajoutés, la résistance du composite était également liée aux propriétés du matériau nouvellement ajouté, ainsi qu’à la force de liaison entre les interfaces des différents matériaux. Comme le montre la figure 5, l’essai de flexion trois points est une méthode expérimentale permettant de tester les propriétés mécaniques des composites. L’éprouvette a été placée sur deux poutres cylindriques de support à une portée spécifiée de 24,5 mm, et une charge vers le bas à une vitesse de chargement de 20 N/s a été appliquée à l’éprouvette au milieu de l’envergure. Lorsque les trois points de contact de l’éprouvette formaient deux couples égaux, une flexion en trois points se produisait et l’éprouvette se fracturait au milieu. Les fibres de carbone étaient réparties de manière aléatoire dans l’échantillon, et les états 1 et 2 étaient les deux états critiques présentés par les CF dans la matrice. Là, CF1 était perpendiculaire à la surface de fracture et à la direction de la force de chargement, tandis que CF2 était parallèle à la surface de fracture et à la direction de la force de chargement. Cependant, en fait, les CF dans d’autres directions de l’espace pourraient également décomposer la force de chargement en forces perpendiculaires et parallèles aux CF, et ce type d’éprouvette renforcée par les CF avec des CF perpendiculaires à la force de chargement présentait la plus forte résistance à la rupture. Pour les conditions de chargement de la figure 5, lorsque l’éprouvette s’est rompue, il y avait non seulement la force de liaison entre les CF et la matrice, mais également la résistance à la rupture du CF1. Pour CF2, seule la force de liaison existait entre les CF et la matrice. Lorsque des forces externes agissent sur la matrice, les CF pourraient réduire la concentration de contraintes dans la matrice en absorbant et en dispersant les contraintes tout en inhibant également la propagation des fissures. Lorsque la teneur en CF a continué à augmenter, les CF ont commencé à entrer en contact les uns avec les autres, réduisant ainsi la résistance à la flexion du MMC. Un petit nombre de PTW pourrait être réparti uniformément dans la matrice. En raison des différents coefficients de dilatation thermique, des contraintes résiduelles ont été générées après frittage à l’interface entre les PTW et la matrice. Lorsque des forces externes étaient exercées sur l’échantillon, des fissures étaient générées et s’étendaient jusqu’à l’interface. Les moustaches ont empêché la propagation des fissures par pontage, déviation des fissures, effet d’arrachement des moustaches et rupture des cristaux, améliorant ainsi la résistance à la flexion du MMC. Cependant, lorsqu’un PTW excessif s’agglomère, la résistance à la flexion du MMC diminue.

Les performances des échantillons contenant du diamant dépendaient principalement de la force de maintien de la matrice sur le diamant. Généralement, la force de maintien de la matrice sur le diamant consistait en des forces d’enrobage mécanique et de liaison chimique. La capacité de rétention déterminait en grande partie la résistance à la flexion du DMC. L’incrustation mécanique s’est produite pendant le processus de refroidissement après le frittage par pressage à chaud. Étant donné que le coefficient de dilatation thermique de la matrice métallique était beaucoup plus élevé que celui des diamants, la matrice générait une contrainte de compression sur les diamants pendant le processus de refroidissement, formant finalement une contrainte résiduelle sur les surfaces du diamant pour maintenir efficacement les diamants. La force de liaison chimique a été générée par la réaction chimique entre certains composants de la matrice et l’interface de contact des diamants lors du processus de frittage à chaud. La force interatomique peut retenir efficacement les diamants. Un balayage ponctuel par spectroscopie à dispersion d’énergie a été effectué sur la surface du diamant sur la surface de fracture du DMC ; les résultats sont présentés dans la figure 6. Pour la surface du diamant des échantillons DMC contenant du CF, seuls les éléments C, Fe, Cu et O ont été détectés, tandis que pour les échantillons contenant du PTW, K et Ti ont également été détectés, ce qui indique que certains éléments de la matrice s’étaient infiltrés ou diffusés sur les surfaces diamantées. Cependant, dans l’ensemble, l’ajout des deux matériaux a réduit la résistance à la flexion du DMC, car la capacité de la matrice à retenir les diamants a diminué. Comme le montre la figure 7, CF et PTW peuvent être clairement observés à l’interface entre les diamants et la matrice, ce qui a considérablement affaibli dans une certaine mesure la force mécanique d’encastrement de la matrice.