Multi-scale numerical and experimental analysis of cold wire drawing for hardly deformable biocompatible magnesium alloy

• Autorzy: Milenin A. , Kustra P. , Byrska-Wójcik D.

Warianty tytułu

PL

Wieloskalowe numeryczne modelowanie oraz analiza eksperymentalna procesu ciągnienia na zimno trudno odkształcalnych biozgodnych stopów magnezu

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The problem of determination the drawing schedule of the cold drawing of thin (less than 0.1 mm) wire from the hardly deformable magnesium alloy Ax30 with the aid of the multi-scale mathematical model is examined in the paper. The special feature of the alloy Ax30 is the mechanism of fracture on the grain boundaries. It is experimentally proven that the microscopic cracks during the tension tests occurs long before the complete fracture of samples. The state of metal, which directly precedes the appearance of these microscopic cracks, is proposed to consider it as optimum from the point of view of the restoration of plasticity with the aid of the annealing. The simulation of this state in the wire drawing process and development on this basis regimes of wire drawing is the purpose of paper. Solution of problem required the development of the fracture model of alloy in the micro scale, identification of the fracture model and its implementation into the FEM model of wire drawing. Two schedules of wire drawing are examined. The first of them is according to the results of simulation allowed the appearance of microscopic cracks. The second regime was designed so that the microscopic cracks would not appear during wire drawing. Experimental verification is executed in laboratory conditions on the specially developed device. The annealing was carried out before each passage. The initial diameter of billet was 0.1 mm. In the first regime it was possible to realize only 2-3 passages, after which the fracture of wire occurred. The cracks on the grain boundaries were observed in this case on the surface of wire. The second regime made it possible to carry out 7 passages without the fracture, the obtained wire with a diameter of 0.075 mm did not contain surface defects, it had high plastic characteristics and allowed further wire drawing. Thus, the validation of the developed multi-scale model is executed for two principally different conditions of deformation.

PL

Praca poświęcona jest opracowaniu procesu ciągnienia na zimno cienkich (o średnicy mniejszej niż 0,1mm) drutów z trudno odkształcalnego biozgodnego stopu magnezu Ax30 przy wykorzystaniu wieloskalowego modelu numerycznego. Cechą charakterystyczną stopu Ax30 jest mechanizm pękania po granicach ziaren. Udowodniono eksperymentalnie, że mikropęknięcia w trakcie próby rozciągania pojawiają się na długo przed pęknięciem próbki w skali makro. Stan metalu, który bezpośrednio poprzedza pojawienie się mikropęknięć, jest uznany za optymalny pod względem możliwości odzyskania plastyczności za pomocą wyżarzania. Głównymi celami pracy są symulacja takiego stanu materiału oraz opracowanie procesu ciągnienia na tej podstawie. Rozwiązanie przedstawionego problemu wymaga opracowania modelu pękania stopu w skali mikro, identyfikacji parametrów pękania oraz implementacji modelu w skali mikro do modelu MES procesu ciągnienia. Dwa przypadki procesu ciągnienia zostały zbadane. Pierwszy z nich, zgodnie z wynikami obliczeń, prowadzi do powstania mikro pęknięć. Drugi rozpatrywany schemat ciągnienia został dobrany tak, by nie pojawiły się mikropęknięcia w ciągnionym drucie. Eksperymentalna weryfikacja wyników obliczeń została przeprowadzona w warunkach laboratoryjnych w specjalnie do tego celu opracowanym narzędziu. Wyżarzanie było wykonywane przed każdym przepustem. Początkowa średnica drutu wynosiła 0,1 mm. W pierwszym przypadku możliwe było przeprowadzenie 2-3 przepustów, po których w materiale wystąpiły pęknięcia. W tym przypadku pęknięcia po granicach ziaren były obserwowane na powierzchni drutu. Drugi rozważany schemat ciągnienia pozwolił na przeprowadzenie 7 przepustów bez pojawienia się pęknięć, otrzymano drut o średnicy 0,075 mm bez defektów na powierzchni o plastyczności pozwalającej na dalsze ciągnienie. Tak więc, przeprowadzono walidację modelu na dwóch zasadniczo różnych przypadkach procesu ciągnienia.

Słowa kluczowe

EN

drawing process; multiscale modeling; magnesium alloys

• Wydawca: Wydawnictwa AGH
• Czasopismo: Computer Methods in Materials Science
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 13, No. 2
• Strony: 238--244
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., rys.

Twórcy

autor

Milenin A.

• AGH University of Science and Technology, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland

autor

Kustra P.

• AGH University of Science and Technology, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland

autor

Byrska-Wójcik D.

• AGH University of Science and Technology, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland

Bibliografia

• Crouch, S. L., Starfield, A. M., 1983, Boundary element methods in solid mechanics, GEORGE ALLEN & UNWIN London, Boston, Sydney.
• Diard, O., Leclercq, S., Rousselier, G., Cailletaud, G.,2002, Distribution of normal stress at grain boundaries in multicrystals: application to an intergranular damage modeling, Computational Materials Science, 18, 73-84.
• Haferkamp, H., Kaese, V., Niemeyer, M., Phillip, K., Phan-Tan, T., Heublein, B., Rohde, R., 2001, Exploration of Magnesium Alloys as New Material for Implantation; Mat.-wiss. u. Werkstofftech, 32, 116-120.
• Heublein, B., Rohde, R., Niemeyer, M., Kaese, V., Hartung, W., Röcken, C., Hausdorf, G., Haverich, A., 1999, Degradation of Magnesium Alloys: A New Principle in Cardiovascular Implant Technology, 11. Annual Symposium "Transcatheter Cardiovascular Therapeutics", New York.
• Kustra, P., Milenin, A., Schaper, M., Grydin, O., 2009, Multiscale modeling and interpretation of tensile test of magnesium alloy in microchamber for the SEM, Computer Methods in Materials Science, 2, 207-214.
• Milenin, A., 2005, Program komputerowy Drawing2d – narzędzie do analizy procesów technologicznych ciągnienia wielostopniowego, Hutnik-Wiadomości Hutnicze, 72, 100-104 (in Polish).
• Milenin, A., Byrska, D. J., Grydin, O., Schaper, M., 2010 a, The experimental research and the numerical modeling of the fracture phenomena in micro scale, Computer Methods in Material Science, 2, 61-68.
• Milenin, A., Kustra, P., 2010, Mathematical Model of Warm Drawing Process of Magnesium Alloys in Heated Dies, Steel Research International, 81, spec. ed., 1251–1254.
• Milenin, A., Kustra, P., Seitz, J.-M., Bach, Fr.-W., Bormann, D., 2010 b, Production of thin wires of magnesium alloys for surgical applications, Proc. Wire Ass. Int. Inc. Wire & Cable Technical Symposium, eds, M. Murray, Milwaukee, 61-70.
• Milenin, A., Byrska, D. J., Grydin, O., 2011, The multi-scale physical and numerical modeling of fracture phenomena in the MgCa0.8 alloy, Computers and Structures, 89, 1038-1049.
• Milenin, A., Byrska-Wójcik, D. J., Grydin, O., Schaper, M., 2012, The physical and numerical modeling of intergranular fracture in the Mg-Ca alloys during cold plastic deformation, 14th international conference on Metal Forming, eds, Pietrzyk, M., Kusiak, J., Kraków, 863-866.
• Rabotnov, Y. N.,1969, Creep Problems in Structural Members, North-Holland Publishing Company, Amsterdam/London.
• Seitz, J.-M., Utermohlen, D., Wulf, E., Klose, C., Bach, F.-W.,2011, The Manufacture of Resorbable Suture Material from Magnesium – Drawing and Stranding of Thin Wires, Advanced Engineering Materials, 13, 1087-1095.
• Thomann, M., Krause, Ch., Bormann, D., N. von der Hoh, Windhagen, H., Meyer-Lindenberg, A., 2009, Comparison of the resorbable magnesium alloys LAE442 and MgCa0.8 concerning their mechanical properties, their progress of degradation and the bone-implant-contact after 12 months implantation duration in a rabbit model, Mat.-wiss. u. Werkstofftech, 40, 82-87.
• Yoshida, K., 2004, Cold drawing of magnesium alloy wire and fabrication of microscrews, Steel Grips, 2, 199-202.