Wpływ warunków kriogenicznych na krytyczną wartość rozwarcia wierzchołka pęknięcia stopu tytanu Ti6Al4V

• Autorzy: Kotyk Maciej , Stachowiak Radosław , Ziółkowski Wojciech , Swacha Piotr

Identyfikatory

DOI

10.37660/dme.2021.17.9.2

Warianty tytułu

EN

Influence of cryogenic conditions on the critical crack tip opening displacement of Ti6Al4V titanium alloy

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Cel badania to wyznaczenie krytycznej wartości rozwarcia wierzchołka pęknięcia CTOD na podstawie przeprowadzonego badania laboratoryjnego dla stopu tytanu Ti6Al4V w warunkach otoczenia i w warunkach kriogenicznych oraz określenie wpływu temperatury na własności badanego stopu. W celu wyznaczenia CTOD dla stopu tytanu wykonano znormalizowane próbki CT. Badanie składało się z dwóch etapów. Pierwszy z nich polegał na wygenerowaniu pęknięcia zmęczeniowego poprzecznie do linii działania siły. Drugi, główny etap badań, polegał na poddaniu próbek monotonicznej próbie rozciągania w dwóch różnych warunkach temperaturowych. W pracy zaprezentowano wyniki przeprowadzonych badań oraz dokonano analizy wybranych wielkości mechanicznych związanych z eksperymentem. Na podstawie przeprowadzonej analizy zauważono, że temperatura wpływa na wartość CTOD wyznaczonego dla danego stopu. W warunkach kriogenicznych stop Ti6Al4V charakteryzuje się znacznie niższą wartością CTOD. Przeprowadzone badania stanowią bazę wyników i informacji, która jest punktem wyjścia do przeprowadzenia analizy wybranych charakterystyk mechanicznych materiału warstwowego AA2519-AA1050-Ti6Al4V, w tym jego wartości CTOD w warunkach otoczenia i w warunkach kriogenicznych.

EN

The aim of the study was to determine the critical value of the crack tip CTOD, based on the laboratory test, for the Ti6Al4V titanium alloy under ambient and cryogenic conditions, and to determine the influence of temperature on the properties of the tested alloy. In order to determine the CTOD for the titanium alloy, standardized CT samples were made. The study consisted of two stages. The first consisted in generating a fatigue crack transversely to the line of action of the force. The second, main stage of the tests was to subject the samples to a monotonic tensile test under two different temperature conditions. The paper presents the results of the research carried out and the analysis of selected mechanical quantities related to the experiment. On the basis of the analysis, it was noticed that the temperature influences the CTOD value determined for a given alloy. Under cryogenic conditions, the Ti6Al4V alloy has a much lower CTOD value. The conducted tests constitute the basis of the results and information, which is the starting point for the analysis of selected mechanical characteristics of the AA2519-AA1050-Ti6Al4V layered material, including its CTOD values in ambient and cryogenic conditions.

Słowa kluczowe

PL

CTOD; RWP; pękanie zmęczeniowe; wpływ warunków otoczenia; tytan; stopy tytanu

EN

CTOD; RWP; fatigue cracking; influence of environmental conditions; titanium; titanium alloys

• Wydawca: Wydawnictwa Uczelniane Politechniki Bydgoskiej im. Jana i Jędrzeja Śniadeckich
• Czasopismo: Developments in Mechanical Engineering
• Rocznik: 2021
• Tom: nr 17(9)
• Strony: 17--31
• Opis fizyczny: Bibliogr. 34 poz., fot., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Kotyk Maciej

• Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy, Al. prof. S. Kaliskiego 7, 85-796 Bydgoszcz, Polska

autor

Stachowiak Radosław

• Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy, Al. prof. S. Kaliskiego 7, 85-796 Bydgoszcz, Polska

autor

Ziółkowski Wojciech

• Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy, Al. prof. S. Kaliskiego 7, 85-796 Bydgoszcz, Polska

autor

Swacha Piotr

• Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy, Al. prof. S. Kaliskiego 7, 85-796 Bydgoszcz, Polska

Bibliografia

• [1] Bazarnik, P., et al., “Mechanical and microstructural characteristics of Ti6Al4V/AA2519 and Ti6Al4V/AA1050/AA2519 laminates manufactured by explosive welding”, Mater. Des. 111, (2016), 146–157, doi: 10.1016/j.matdes.2016.08.088.
• [2] Boroński, D., Dzioba, I., Kotyk, M., Krampikowska, A., Pala, R., “Investigation of the fracture process of explosively welded AA2519-AA1050-Ti6Al4V layered material”, Materials (Basel). 13(10), (2020), 2226, doi: 10.3390/ma13102226.
• [3] Boroński, D., Kotyk, M., Maćkowiak, P., “Fracture Toughness of Explosively Welded Al/Ti Layered Material in Cryogenic Conditions”, Procedia Struct. Integr. 2, (2016), 3764–3771, doi: 10.1016/j.prostr.2016.06.468.
• [4] Boroński, D., Kotyk, M., Maćkowiak, P., “Crack initiation and growth analysis in explosively welded AA2519-AA1050-Ti6Al4V layered material in ambient and cryogenic conditions”, Proc. Inst. Mech. Eng. Part C J. Mech. Eng. Sci. 232(8), (2018),1470–1480, doi: 10.1177/0954406217741516.
• [5] Boroński, D., Kotyk, M., Maćkowiak, P., Śnieżek, L., “Mechanical properties of explosively welded AA2519-AA1050-Ti6Al4V layered material at ambient and cryogenic conditions”, Mater. Des. 133, (2017), 390–403, doi: 10.1016/j.matdes.2017.08.008.
• [6] Boyce, B.L., Ritchie, R.O., “Effect of load ratio and maximum stress intensity on the fatigue threshold in Ti-6Al-4V”, Eng. Fract. Mech. 68(2), (2001), 129–147, doi: 10.1016/S0013-7944(00)00099-0.
• [7] Brunette, P., Tengvall, D.M., Textor, P., Thomsen, M., “Titanium in Medicine, Material Science, Surface Science, Engineering, Biological Responses and Medical Applications”, Springer, Heidelberg – Berlin 2000.
• [8] “BS 7448-4:1997 – Fracture mechanics toughness tests. Method for determination of fracture resistance curves and initiation values for stable crack extension in metallic materials”.
• [9] Dobrzański, L.A., "Materiały inżynierskie i projektowanie materiałowe. Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo”, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 2006.
• [10] Garbacz, H., Ossowski, M., Wieciński, P., Wierzchoń, T., Kurzudłowski, K.J., "Mikrostruktura i właściwości warstw międzymetalicznych na stopie Ti-6Al-4V”, Probl. Eksploat. 1, (2007), 45–56.
• [11] Han, K., Shuai, J., Deng, X., Kong, L., Zhao, X., Sutton, M., “The effect of constraint on CTOD fracture toughness of API X65 steel”, Eng. Fract. Mech. 124–125, (2014), 167–181, doi: 10.1016/j.engfracmech.2014.04.014.
• [12] Hollander, D.A., et al., “Structural, mechanical and in vitro characterization of individually structured Ti-6Al-4V produced by direct laser forming”, Biomaterials 27(7), (2006), 955–963, doi: 10.1016/j.biomaterials.2005.07.041.
• [13] Horiya, T., Kishi, T., “Relationship between fracture toughness and crack extension resistance curves (R curves) for Ti-6Al-4V alloys”, Metall. Mater. Trans. A Phys. Metall. Mater. Sci. 29 A(3), (1998), 781–789, doi: 10.1007/s11661-998-0269-9.
• [14] Inagaki, I., Takechi, T., Shirai, Y., Ariyasu, N., “Application and features of titanium for the aerospace industry”, Nippon Steel Sumitomo Met. Tech. 106(106), (2014), 22–27, https://www.nipponsteel.com/en/tech/report/nssmc/pdf/106-05.pdf (dostęp: 17.07.2017).
• [15] Jedynak, B., Mierzwińska-Nastalska, E., „Tytan – właściwości i zastosowanie w protetyce stomatologicznej”, Dental Forum 41(1), (2013), 75–78.
• [16] Karolewska, K., Ligaj, B., “Comparison analysis of titanium alloy Ti6Al4V produced by metallurgical and 3D printing method”, AIP Conference Proceedings, 2077, 2019, doi: 10.1063/1.5091886.
• [17] Kerr, W.R., “The effect of hydrogen as a temporary alloying element on the microstructure and tensile properties of Ti-6Al-4V”, Metall. Trans. A 16(6), (1985), 1077–1087, doi: 10.1007/BF02811677.
• [18] Kłysz, S., "Podstawy mechaniki pękania i wytrzymałości zmęczeniowej materiałów”, Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych, Warszawa 2015.
• [19] Koike, M., Cai, Z., Fujii, H., Brezner, M., Okabe, T., “Corrosion behavior of cast titanium with reduced surface reaction layer made by a face-coating method”, Biomaterials 24(25), (2003), 4541–4549, doi: 10.1016/S0142-9612(03)00063-2.
• [20] Kotyk, M., "Analiza odporności na pękanie materiałów warstwowych”, Wydawnictwa Uczelniane Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodniczego im. Jana i Jędrzeja Śniadeckich, Bydgoszcz 2020.
• [21] Kotyk, M., “Analytic model of maximal experimental value of stress intensity factor Kq for AA2519–AA1050–Ti6Al4V layered material”, Materials (Basel). 13(19), (2020), 1–17, doi: 10.3390/ma13194439.
• [22] Kotyk, M., Boroński, D., Maćkowiak, P., “The influence of cryogenic conditions on the process of AA2519 aluminum alloy cracking”, Materials (Basel). 13(7), (2020), doi: 10.3390/ma13071555.
• [23] Kowalewski, Z.L., Szymczak, T., Kraskowski, J., Chojnacki, A., "Mechanika pękania na tropach awarii konstrukcji i defektów materiałowych”, XXIII Seminarium Nieniszczące Badania Materiałów, 2017, 39–74.
• [24] Nalla, R.K., Altenberger, I., Noster, U., Liu, G.Y., Scholtes, B., Ritchie, R.O., “On the influence of mechanical surface treatments-deep rolling and laser shock peening-on the fatigue behavior of Ti-6Al-4V at ambient and elevated temperatures”, Mater. Sci. Eng. A 355(1–2), (2003), 216–230, doi: 10.1016/S0921-5093(03)00069-8.
• [25] Niinomi, M., “Mechanical properties of biomedical titanium alloys”, Mater. Sci. Eng. A 243(1–2), (1998), 231–236, doi: 10.1016/s0921-5093(97)00806-x.
• [26] Ochonogor, O.F., Akinlabi, E.T., Nyembwe, D., “A review on the effect of creep and microstructural change under elevated temperature of Ti6Al4V alloy for Turbine engine Application”, Mater. Today Proc. 4(2), (2017), 250–256, doi: 10.1016/j.matpr.2017.01.019.
• [27] Rozumek, D., "Mieszane sposoby pęknia zmęczeniowego materiałów konstrukcyjnych”, Politechnika Opolska, Opole 2009.
• [28] Szachogluchowicz, I., Sniezek, L., Hutsaylyuk, V., “Low Cycle Fatigue Properties Laminate AA2519-TI6AL4V”, Procedia Eng. 114, (2015), 26–33, doi: 10.1016/j.proeng.2015.08.022.
• [29] Szachogluchowicz, I., Śnieżek, L., Torzewski, J., Grzelak, K., “Fatigue cracking of AA2519-Ti6al4V laminate bonded by explosion welding”, Solid State Phenom. 250, (2016), 182–190, doi: 10.4028/www.scientific.net/SSP.250.182.
• [30] Tagawa, T., et al., “Difference between ASTM E1290 and BS 7448 CTOD estimation procedures”, Weld. World 54(7–8), (2010), R182–R188, doi: 10.1007/BF03263504.
• [31] Vardiman, R.G., Kant, R.A., “The improvement of fatigue life in Ti-6Al-4V by ion implantation”, J. Appl. Phys. 53(1), (1982), 690–694, doi: 10.1063/1.329977.
• [32] Wang, P., Hu, M., Dang, E., “Study on CTOD fracture toughness of welded joint of X80 marine drilling riser”, Adv. Mater. Res. 228–229, (2011), 1163–1168, doi: 10.4028/www.scientific.net/AMR.228-229.1163.
• [33] Zhang, W., Wang, M., Chen, W., Feng, Y., Yu, Y., “Preparation of TiBw/Ti-6Al-4V composite with an inhomogeneous reinforced structure by a canned hot extrusion process”, J. Alloys Compd. 669, (2016), 79–90, doi: 10.1016/j.jallcom.2016.01.228.
• [34] Zhao, H., Liu, Q., Xie, Y., “The microstructure and texture analysis of Ti-6Al-4V alloy through linear friction welding”, International Conference on Materials, Environmental and Biological Engineering, 2015, doi: 10.2991/mebe-15.2015.73.