Analiza wpływu mikrostruktury stopu tytanu na siłę napędową rozwoju pęknięcia w próbie zginania

• Autorzy: Ziaja W. , Motyka M. , Sieniawski J.

Warianty tytułu

EN

The effect of surface treated titanium alloy microstructure on the crack driving force in bending test

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy wykonano symulację metodą elementów skończonych próby czteropunktowego zginania próbki stopu tytanu Ti-6Al-4V z utwardzoną warstwą wierzchnią. W warstwie wierzchniej złożonej z zewnętrznej powłoki sprężystej oraz warstwy dyfuzyjnej wprowadzono pęknięcie powierzchniowe, którego wierzchołek znajdował się w podłożu. Określono wpływ cech geometrycznych i właściwości modyfikowanej warstwy wierzchniej (grubości powłoki, głębokości warstwy dyfuzyjnej, właściwości wytrzymałościowych powłoki, warstwy dyfuzyjnej i materiału podłoża oraz stanu naprężeń własnych w powłoce) na wartość siły uogólnionej, wyrażonej całką J, działającej na szczelinę. Wartość całki J może być uznana za siłę napędową rozwoju pęknięcia.

EN

In the paper, numerical simulation of the four point bending test of the Ti-6Al-4V titanium alloy with a hardened surface layer was carried out using the two dimensional finite element method. The surface crack penetrating the hard elastic coating was introduced in the model. The effect of the coating thickness and stiffness, residual stresses in the coating, yield strength of the substrate material and yield properties of the diffusion hardened layer on the crack driving force expressed in terms of the J integral was determined. The results could be used to select the parameters of a surface layer with complex structure in the process of the design of load bearing components against fracture.

Słowa kluczowe

PL

mechanika pękania; całka J; stop tytanu Ti-6Al-4V; warstwa wierzchnia; metoda elementów skończonych

EN

fracture mechanics; J integral; Ti6Al4V titanium alloy; surface layer; finite element method

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2012
• Tom: Vol. 33, nr 3
• Strony: 151--154
• Opis fizyczny: Bibliogr. 27 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Ziaja W.

• Katedra Materiałoznawstwa, Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa, Politechnika Rzeszowska

autor

Motyka M.

• Katedra Materiałoznawstwa, Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa, Politechnika Rzeszowska

autor

Sieniawski J.

• Katedra Materiałoznawstwa, Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa, Politechnika Rzeszowska

Bibliografia

• [1] Zhecheva A., Sha W., Malinov S., Long A.: Enhancing the microstructure and properties of titanium alloys through nitriding and other surface engineering methods. Surface and Coatings Technology 200 (2005) 2192÷2207.
• [2] Liu X., Chu P. K., Ding C.: Surface modification of titanium, titanium alloys, and related materials for biomedical applications. Materials Science and Engineering R47 (2004) 49÷121.
• [3] Pazos L., Corengia P., Svoboda H.: Effect of surface treatments on the fatigue life of titanium for biomedical applications. Journal of the Mechanical Behaviour of Biomedical Materials 3 (2010) 416÷424.
• [4] Wierzchoń T.: Structure and properties of multicomponent and composite layers produced by combined surface engineering methods. Surface and Coatings Technology 180-181 (2004) 458÷464.
• [5] Filip R.: Alloying of surface layer of the Ti-6Al-4V titanium alloy through the laser treatment. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering 15 (2006) 174÷180.
• [6] Budzynski P., Youssef A. A., Sielanko J.: Surface modification of Ti-6Al-4V alloy by nitrogen ion implantation. Wear 261 (2006) 1271÷1276.
• [7] Garbacz H., Wieciński P., Ossowski M., Ortore M. G., Wierzchoń T., Kurzydłowski K. J.: Surface engineering techniques used for improving the mechanical and tribological properties of the Ti6Al4V alloy. Surface and Coatings Technology 202 (2008) 2453÷2457.
• [8] Bemporad E., Sebastiani M., Casadei F., Carassiti F.: Modelling, production and characterisation of duplex coatings (HVOF and PVD) on Ti-6Al-4V substrate for specific mechanical applications. Surface and Coatings Technology 201 (2007) 7652÷7662.
• [9] Costa M. Y. P., Venditti M. L. R., Cioffi M. O. H., Voorwald H. J. C., Guimarães V. A., Ruas R.: Fatigue behaviour of PVD coated Ti-6Al-4V alloy. International Journal of Fatigue 33 (2011) 759÷765.
• [10] Baragetti S.: Fatigue resistance of steel and titanium PVD coated spur gears. International Journal of Fatigue 29 (2007) 1893÷1903.
• [11] Bansal P., Shipway P. H., Leen S. B.: Finite element modelling of the fracture behaviour of brittle coatings. Surface and Coatings Technology 200 (2006) 5318÷5327.
• [12] Baragetti S., La Vecchia G. M., Terranova A.: Variables affecting the fatigue resistance of PVD-coated components. International Journal of Fatigue 27 (2005) 1541÷1550.
• [13] Smith G. A., Jennett N., Housden J.: Adhesion of thin coatings – the VAMAS (TWA 22-2) interlaboratory exercise. Surface and Coatings Technology 197 (2005) 336÷344.
• [14] Xie C., Tong W.: Cracking and decohesion of a thin Al2O3 film on a ductile Al-5% Mg substrate. Acta Materialia 53 (2005) 477÷485.
• [15] Chakravarthy S. S., Jordan E. H., Chiu W. K. S.: Thin film and substrate cracking under the influence of externally applied loads. Engineering Fracture Mechanics 72 (2005) 1286÷1298.
• [16] Ziaja W., Sieniawski J.: Tensile deformation behaviour of the titanium alloy with hard elastic coating. Advanced Engineering Materials 8 (2006) 205÷208.
• [17] Yang B. Q., Zhang K., Chen G. N., Luo G. X., Xiao J. H.: Effect of a laser pre-quenched steel substrate surface on the crack driving force in a coating- steel substrate system. Acta Materialia 55 (2007) 4349÷4358.
• [18] Stampfl J., Kolednik O.: The separation of the fracture energy in metallic materials. International Journal of Fracture 101 (2000) 321÷345.
• [19] Rouzaud A., Barbier E., Ernoult J., Quesnel E.: A method for elastic modulus measurements of magnetron sputtered thin films dedicated to mechanical applications. Thin Solid Films 270 (1995) 270÷274.
• [20] Dobrzański L. A., Łukaszkowicz K., Zarychta A.: Mechanical properties of monolayer coatings deposited by PVD techniques. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering 20 (2007) 423÷426.
• [21] Zhao Y., Tryon R.: Automatic 3-D simulation and microstress distribution of polycrystalline metallic materials. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 193 (2004) 3919÷3934.
• [22] Goh C.-H., McDowell D. L., Neu R. W.: Plasticity in polycrystalline fretting contacts. Journal of the Mechanics and Physics of Solids 54 (2006) 340÷367.
• [23] Kolednik O.: The yield stress gradient effect in inhomogeneous materials, International Journal of Solids and Structures 37 (2000) 781÷808.
• [24] Cheng Y. T., Cheng C. M.: Scaling relationships in conical indentation of elastic-perfectly plastic solids. International Journal of Solids and Structures 36 (1999) 1231÷1243.
• [25] Borgioli F., Galvanetto E., Fossati A., Pradelli G.: Glow-discharge and furnace treatments of Ti-6Al-4V. Surface and Coatings Technology 184 (2004) 255÷262.
• [26] Gołębiewski M., Krużel G., Major R., Mróz W., Wierzchoń T., Ebner R., Major B.: Morphology of titanium nitride produced using glow discharge nitriding, laser remelting and pulsed laser deposition. Materials Chemistry and Physics 81 (2003) 315÷318.
• [27] ADINA – Theory and Modeling Guide, ADINA R&D, Inc., Watertown MA 02472 USA (2010).