Title: Thermal expansion and stiffness of continuous fiber reinforced Al and Mg plates
Language: English
Authors: Aly, Mohammed Safwat 
Qualification level: Doctoral
Advisor: Böhm, Helmut 
Assisting Advisor: Degischer, Hans Peter
Issue Date: 2004
Number of Pages: 150
Qualification level: Doctoral
Abstract: 
Metallmatrix-Verbundwerkstoffe mit Endlosfaserverstärkung (CFRM) zählen zu den Hochleistungsmaterialien, die für den Einsatz in der Raumfahrt und im Kraftfahrzeugrennsport von Interesse sind, wo hohe mechanische Belastbarkeit bei wechselnden Temperaturen von Leichtbaukomponenten zu ertragen sind.
Es werden folgende Materialkombinationen untersucht, die mittels Gasdruckinfiltration als Prüfplatten hergestellt worden sind:
Endlosfasern aus hochmoduligen (HM) bzw. hochfesten (HS) PAN-Kohlenstofffasern und Aluminiumoxidfasern (Nextel 610) in Aluminium- oder Magnesiummatrix. Für die Kohlenstoffaserverstärkung werden neben unidirektionaler Faserausrichtung auch Fasergelege und -gewebe untersucht.
Die Eigenschaften und ihre Anisotropie werden in der Plattenebene wie folgt bestimmt: * Die Steifigkeit bzw. die Elastizitätseigenschaften mittels 4-Punktbiegeversuchen, dynamisch-mechanischer Analyse (DMA), Resonanzmethoden und mit über gepulsten Laser erzeugtem Ultraschall. * Im 4-Punktbiegeversuch wird die Festigkeit in verschiedenen Richtungen gemessen.
* Die thermische Ausdehnung wird mittels thermisch-mechanischem Analysator (TMA) und dynamischem Dilatometer bei Aufheiz- und Abkühlzyklen zwischen -40°C und 120°C bzw. 200°C (einzelne bis 500°C) bestimmt.
Die thermische Ausdehnung wird mittels physikalischem Temperaturausdehnungs-koeffizienten charakterisiert, der zwischen Aufheiz- und Abkühlfall eine beträchtliche Hysterese aufweist. Es werden elastische, plastische und viskose Verformungsbereiche der Matrix unterschieden, woraus qualitativ auf die Eigenspannungen in den CFRM geschlossen wird. Sich ändernde Eigenspannungen führen zu makroskopischen Längenänderungen. Die größten Spannungsamplituden treten in den Mischkristallen AlMg und MgAl auf, während reine Al-Matrix hauptsächlich plastisch verformt. Aus den anisotropen, thermischen Dehnungen werden die thermischen Volumsänderungen bestimmt, die bei bestimmten CFRM Anomalitäten aufweisen. Die Anisotropie des thermischen Ausdehnungsverhaltens und der Steifigkeit der CFRM wird mittels Modellen nach Schapery und Berechnungen nach der Laminattheorie nachvollzogen. Es werden die für die Bauteilauslegung wichtigen Kennwerte der CFRM und ihre Veränderlichkeit durch den Eigenspannungszustand dargestellt.

Metal matrix composites reinforced with continuous fibers (CFRM) are candidate materials for aerospace and automotive racing components, where they can withstand high mechanical loads and temperature cycles at low weight. Different combinations of continuous fibers and matrices are investigated: high modulus (HM), as well as high strength (HS) PAN carbon fibers and alumina Nextel 610 fibers with matrices of aluminium and magnesium.
C-fiber reinforcements are studied not only in unidirectionally reinforced matrices but as well with stacked preforms or woven fabrics.
Material tests are performed in order to obtain in-plane properties of different CFRM:
* The elastic properties by four point bending test, dynamic mechanical analysis, resonant beam, resonant bar and pulsed laser ultrasonic techniques. * The strength by four point bending tests.
* The thermal expansion by dilatometry during heating and cooling in temperature cycles between -40 and 120°C and up to 200°C (some heating tests up to 500°C). An hysteresis in temperature - strain diagrams is observed between heating and cooling, which depends on the constituents of the investigated CFRM and the temperature range. Elastic, plastic and viscous deformation stages are distinguished and the residual stresses are qualitatively deduced. The residual macroscopic strains observed depend on the preceding thermal exposure of the specimen. The highest stress levels are reached by the solid solution matrices of Al-Mg and Mg-Al, whereas pure Al deforms mainly plastically. The thermal changes in volume are calculated from the anisotropic linear expansion, which exhibit anomalities in some cases.
The obtained experimental results are compared with the theoretical estimations using lamination theory for the mechanical properties and Schapery's model for the coefficient of thermal expansion (CTE). The properties relevant for the design of components are presented and their dependence on the residual stress state is described.
URI: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-10212
http://hdl.handle.net/20.500.12708/9594
Library ID: AC04467829
Organisation: E308 - Institut für Werkstoffkunde und Materialprüfung 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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