FUNCTIONALLY GRADED HYBRID SIALON-BASED CUTTING TOOLS INSERTS. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Amer_MS_g201801360.pdf Restricted to Repository staff only until 10 February 2024. Download (34MB)

Arabic Abstract

يركز هذا البحث على تصميم وتصنيع واختبار أدوات القطع المتدرجة وظيفيا. يتم تنفيذ التصميم الحسابي للمادة باستخدام متوسط التقريب الفعال ومتوسط تجانس المجال متبوعا بمحاكاة العناصر المحدودة. يتم تقدير الخواص الحرارية الميكانيكية للمادة المتدرجة وظيفيا (مثل معامل المرونة والتوصيل الحراري ومعامل التمدد الحراري) من خلال المحاكاة الحسابية. يتم تنفيذ عمليات المحاكاة باستخدام مجموعات مختلفة من مواد تعزيزة مضافة. يسمح هذا التصميم للأداة بمواجهة أحمال الشد الناتجة من عمليات القطع وكما هو متداول احمال الشد تأثر وبشكل كبير على ادوات القطع المصنوعة من السيراميك. الهدف الآخر من التدرج الوظيفي هو السماح باستخدام مواد مزلقة صلبة فقط على الطبقات الخارجية لأن هذه المزلقات الصلبة عند إضافتها إلى كافة حجم اداة القطع تقلل بشكل كبير من خصائصها الميكانيكية. في هذه الرسالة، يعتبر نيتريد البورون سداسي الشكل بمثابة مادة مزلقة صلبة. تم تصميم و تصنيع, من خلال ال (SPS) سبع عينات مختلفة، ثلاث منها متدرجة وظيفيًا، وثلاث عينات متناسقة وعينة سايلون نقية كمرجع. تم اختيار كربونات التيتانيوم ومعدن الكوبولت كمواد ضرورية للحث على إجهاد ضغوط على سطح اداة القطع بنسبة %20 و %4 من الحجم على التوالي. تم اختيار الالفا سايلون كمصفوفة لجميع العينات المركبة بقيمتي م و ن 1.3 و 0.8 على التوالي. تم اختبار ومعاينة هذه العينات من خلال المسح المجهري الإلكتروني للانبعاثات والطاقة المشتتة للتحليل الطيفي (FEM / EDX) وتم تحليل الاشعاع الطيفي بواسطة حيود الأشعة السينية (XRD). تم إجراء فحص حراري لقياس التوصيل الحراري الفعال ومعامل التمدد الحراري. تم فحص الخواص الميكانيكية عن طريق المسافة البادئة الدقيقة للحصول على المرونة وتم الحصول على الصلابة وصلابة الكسر بواسطة جهاز اختبار الصلابة الشامل. وقد لوحظ أن نيتريد البورون سداسي الشكل الوظيفي تم تشتيته بالكامل في مصفوفة السايلون وأنه كان هناك تحسين في قساوة الكسر للعينات المركبة. زاد التمدد الحراري لعينات كربونات التيتانيوم كما هو مقصود في مرحلة التصميم ولكن العينات المحتوية على الكوبالت لم يظهر فيها اي تحسن. تم إثبات قابلية تطبيق استخدام الحسابات للتنبؤ بخصائص المواد المركبة وبالأخص التي تحتوي على كربونات التيتانيوم.

English Abstract

This research focuses on functionally graded cutting tool inserts' design, synthesis, and characterization. Material computational design is conducted utilizing effective medium approximation and mean-field homogenization followed by finite element simulations. Alpha-SiAlON was selected as the matrix for all synthesized samples with M and N values of 1.3 and 0.8, respectively. Characterization was done by FEM/EDX. The phase composition was analyzed by XRD. Experimental measurements evaluated the effective thermal conductivity and thermal expansion coefficient of the synthesized samples. The composite samples' elastic modulus, hardness, and fracture toughness were estimated using the micro-indentation technique. The functionalized hBN was observed to be fully dispersed in the SiAlON matrix. The TiCN samples' thermal expansion increased as intended and caused the desired residual stresses. Fracture toughness was substantially increased by 56% in the homogeneous SiAlON-TiCN sample. The functionally graded TiCN sample fracture toughness has also increased by 35% at the core layer and slightly reduced to 4.4 MPa.m^0.5 at the outer layer compared to the 4.8 MPa.m^0.5 of pure SiAlON due to the presence of the solid lubricant. The synthesized cobalt samples did not produce the predicted results due to the larger thermal expansion mismatch. The functionally graded TiCN+hBN+SiAlON composite of five layers has satisfied the design objective and approximately matched the thermal computations. It is considered a novel design.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Research Mechanical
Department:	College of Chemicals and Materials > Materials Science and Engineering
Committee Advisor:	Akhtar, Syed Sohail
Committee Members:	Al-Athel, Khaled S. and Mohammed, Abdul Samad
Depositing User:	AMER ALOTAIBI (g201801360)
Date Deposited:	12 Feb 2023 07:55
Last Modified:	12 Feb 2023 07:55
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142337