Implementazione di un approccio bi-fasico per l'integrità strutturale di compositi carbo-ceramici

Carbon-ceramic composites, whose matrix is made of silicon carbide reinforced with short carbon fibers (C/SiC), are a class of materials used for the design of components subjected to high thermo-mechanical loads, including brake discs for high performance automotive systems. The Department of Aerospace Engineering of Politecnico di Milano and Brembo SGL Carbon Ceramic Breaks S.p.A. are carring out research whose purpose is the characterization, the development of a material model and the definition of a limit criterion that can be used in the industrial field. The composites under examination show orthotropic and asymmetrical behavior and guarantee an excellent toughness of the material showing, however, strong non-linearity already at low stress levels. The presence of voids, inclusions and cracks is the cause of local stress peaks characterized by strong gradients that can be analyzed using the tools of fracture mechanics. During the past research activities, a model of bi-phasic material whose failure criterion was based on the Theory of Critical Distances was developed. The present thesis work is part of this collaborative project and focuses on the development of a calibration procedure. Once the material has been characterized, numerical analysis were carried with the aim to reproduced the experimental tests of traction, bending, OpenHole, Bearing and Compact Tension and verify the failure criterion established through the TCD. Subsequently, the obtained model was applied to complex numerical analysis, e.g. centrifuges of disks and traction of disk sectors, to verify the correlation with the experimental tests. The results obtained generally show a good correlation with the experimental data, providing a solid basis for the industrial application of this methodology.

I compositi carbo-ceramici, matrice realizzata in carburo di silicio rinforzata da fibre di carbonio corte (C/SiC), sono una classe di materiali utilizzati per la progettazione di componenti sottoposti a carichi termo-meccanici elevati, tra i quali i dischi freno per impianti automobilistici ad alte prestazioni. Il Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale del Politecnico di Milano e Brembo SGL Carbon Ceramic Breaks S.p.A. svolgono attività di ricerca il cui scopo è la caratterizzazione, la messa a punto di un modello di materiale e la definizione un criterio di cedimento impiegabili in campo industriale. I compositi in esame presentano un comportamento ortotropo e asimettrico e garantiscono un'ottima tenacità del materiale mostrando, tuttavia, forti non-linearità già a bassi livelli di sforzo. La presenza di vuoti, inclusioni e cricche è causa di picchi di sforzo locali caratterizzati da forti gradienti che affrontabili tramite gli strumenti della meccanica della frattura. Nel corso delle passate attività di ricerca è stato sviluppato un modello di materiale bi-fasico il cui criterio di cedimento fosse basato sulla Teoria delle Distanze Critiche. Il presente lavoro di tesi si inserisce in questo progetto di collaborazione focalizzandosi sulla messa a punto di una procedura di calibrazione. Una volta caratterizzato il materiale, si sono svolte analisi numeriche che riproducessero le prove sperimentali di trazione, flessione, OpenHole, Bearing e Compact Tension per verificare il criterio di cedimento determinato attraverso la TCD. Successivamente, il modello ottenuto è stato applicato ad analisi numeriche complesse, nel dettaglio centrifughe di fasce e trazione di settori di disco, per verificare la correlazione con le relative prove sperimentali. I risultati ottenuti mostrano in generale una buona correlazione con i dati sperimentali fornendo una solida base per l'applicazione in ambito industriale di questa metodologia.