Fiber Fracture during the Consolidation of Metal Matrix Composites

-A detailed study of conditions leading to fiber fracture during the consolidation of Ti-14wt %A~21 wt%Nb/SiC (SCS-6) composite monotapes has been conducted. For this continuous fiber reinforced composite system, the incidence of fracture increases with consolidation rate at higher process temperatures. Increasing consolidation temperature at a fixed pressure reduces the number of breaks per unit length of fiber. Examination of partially densified compacts has revealed the existence of significant fiber bending and ultimately fracture due to monotape surface roughness (asperities) which places the fibers in three point bending. A representative volume element has been defined for the consolidating lay-up and its response analyzed to predict the fiber deflection (and hence probability of failure) when the surface asperities deform either by plasticity or by steady state creep. The relationships between fiber fracture and process conditions predicted using the volume element are similar to those observed experimentally. The cell analysis suggests that fiber fracture is decreased by increases in fiber stiffness, strength, and diameter and by decreases in matrix yield and creep strength and monotape surface roughness. Rfsum~--Une &ude d&aill6e des conditions qui mdnent ~. la fissure des fibres pendant la consolidation des monotapes compos6s Ti-14wt%A1-21wt%Nb/SiC (SCS-6) a 6t6 effectu6e. Pour ce systdme compos6 r6inforc6 de fibres continues, l'incidence de fissure augmente avec le taux de consolidation fi des temp6ratures de processus 61ev6es. L'augmentation de la temp6rature de consolidation ~i une pression fix6e r6duit le nombre de fissures par unit6 de longueur dans les fibres. Une examination des compacts partiellement densifi& a r6v616 l'existence d'une courbature importante des fibres et une 6ventuelle fissure due aux fipretds de la surface du monotape, ce qui fait courber les fibres fi un point lorsque les bouts des fibres restent fixes. Un 616ment de volume repr6sentatif a 6t6 d6fini pour le compos6 consolid6 et sa r6ponse a 6t/~ analys6e pour prddire la d6flexion des fibres (et done la probabilit6 d'6chec) lors de la d6formation des fipret6s de la surface soit par la plasticit6 soit par la d6formation non-temporelle ~i haute temp6rature (steady state creep). Les relations pr6dites entre les fissures dans les fibres et les conditions des processus en utilisant l'616ment de volume sont semblables ~, celles qui ont 6t6 observ6es dans les exp6riences. L'analyse des cellules sugg6re que la fissure des fibres d6croit avec des augmentations en rigidit6, fortitude et diam&re, et avec des d6croits en r6sistance totale de la matrice fi la d6formation et en r6sistance de celle-ci fi la d6formation fi haute temp6rature ainsi qu'en fipret6 de la surface du monotape. Zusammenfassung--Eine detaillierte Untersuchung der Bedingungen wurde durchgefiihrt, die bei der Verdichtung von Ti-24AI 1Nb(gew.%)/SiC(SCS-6)-Verbundwerkstoff-Monotapes zum Faserbruch ffihren. Bei diesem faserverst/irkten Verbundwerkstoffsystem nimmt die Fasersch/idigung bei h6heren Temperaturen mit der Verdichtungsrate zu. Die Zahl der Briiche pro L/ingeneinheit nimmt bei konstanter Spannung mit steigender Temperatur ab. Bei Untersuchungen von unvollstfindig verdichteten Proben wurden h/iufig gebogene Fasern und, durch diese Verformung verursachte Briiche, beobachtet; die Biegung ist der Oberflfichenrauhigkeit der Verbundwerkstoff-Monotapes zuzuschreiben. Mit Hilfe einer Analyse eines verdichtenden Volumenelements, in dem der EinfluB eines viskoplastisch verformenden Kontakts auf der elastischen Faser beschrieben wird, konnte die Faserbiegung (und dadurch die Versagswahrscheinlichkeit) vorhergesgt werden. Das Modell zeigte eine gute ~lbereinstimmung gegeniiber den experimentell beobachteten Verhfiltnissen zwischen Fasersch/idigung und ProzeBbedingungen. Dem Modell zur Folge werden Verbundwerkstoffe mit minimaler Fasersch/idigung hergesteUt, in dem man Fasern verwendet mit mfglichst hohem E-Modul, hoher Bruchfestigkeit und groBem Durchmesser. Die Matrixmaterialien sollen eine mfglichst niedrige Streckgrenze und Kriechfestigkeit haben, die Monotapes eine minimale Oberfl/ichenrauhigkeit.