Heat transfer and stress concentrations in a two-phase polycrystalline composite structure. Part Ⅰ: Theoretical modelling of heat transfer

摘要

Ziel dieser Arbeit ist die numerische Analyse der Wärmeübertragung in polykristallinen Verbunden mit metallischen oder elastischen Grenzflächen, das heißt Metallmatrix-Verbundwerkstoffe (MMV) oder Verbundwerkstoffe mit keramischer Matrix (KMV). Ein Beispiel eines MMV ist ein Zweiphasenmaterial bestehend aus sprödem Wolframkarbid mit Kobalt als plastischem Bindemittel. Die Arbeit konzentriert sich auch auf die Beschreibung von Wärmekonzentrationen in Verbunden durch Temperaturunterschiede unter Berücksichtigung der realen inneren Materialstruktur, die die Korngestalt und Grenzflächen berücksichtigt. Unter thermischer Belastung erfolgt die Wärmeübertragung in MMV hauptsächlich durch metallische Grenzflächen, an denen die Wärmestromkonzentrationen auf Grund der unterschielichen thermischen Eigenschaften beider Phasen auftreten. Diese können auch Spannungskonzentrationen erzeugen und fungieren als Quelle von Schädigungsinitiatoren an der Binder-Karbidkörner Grenzfläche. Der unterschiedliche Anteil der Grenzfläche zwischen den elastischen Körnern wurde in die Analyse einbezogen, ausgehend von einer Grenzfläche mit kleiner Dicke (2-4 μm und einem Volumenanteil von ca. 10% (z.B. Co)) bis hin zu größeren Werten von bis zu 30%. Die wichtigste Schlussfolgerung ist wie folgt: Der Volumenanteil der metallischen Phase (Co Binder) und ihre Anordnung (räumliche Verteilung) im Material beinflussen beträchtlich die Wärmeübertragung im Verbund.%The aim of the paper is a numerical analysis of heat transfer in polycrystalline composites, containing metallic or elastic interfaces, i.e. metal-ceramic composites (MCCs) or ceramic matrix composites (CMCs). An example of MCCs is a two-phase material composed of brittle grains WC joined by the plastic binder Co. The work focuses also on the description of the heat concentrations in composites due to temperature changes, taking into account the real material internal structure, which includes grain shapes and interfaces. Under thermal loading the heat transfer in MMCs is mainly through metallic interfaces, where the heat flux concentrations occur due to different thermal properties of both phases. They can cause also stress concentrations and act as sources of damage initiators at the binder/carbide grains interfaces. The different contents of the interphase between elastic grains were taken into account in the analysis, starting from the interfaces of the small thickness: 2-4 μm and volume content approximately 10% (e.g. Co), to the higher values up to 30%. The major conclusion is the following: the volume content of the metallic phase (Co binder) and its architecture (spatial distribution) inside the material strongly influences the heat transfer through the composites.