Modelowanie mechanizmu utraty spójności stopu MgCa0,8 w procesie odkształcenia na zimno

• Autorzy: Milenin A. , Byrska D. J. , Kustra P. , Heidenblut T. , Grydin O. , Schaper M.

Warianty tytułu

EN

A model of ductility phenomena of MgCa0,8 alloy in cold forming process

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Stopy magnezu o podwyższonej biozgodności posiadają niską plastyczność w temperaturze pokojowej. Opracowanie modelu utraty spójności jest niezbędne do projektowania technologicznych parametrów procesu ciągnienia tych stopów. W artykule zaproponowano model numeryczny procesu utraty spójności dla przykładowego stopu MgCa0,8 z uwzględnieniem mechanizmu mikropękania na poziomie mikrostruktury. Pierwsza część pracy jest poświęcona doświadczalnej analizie procesu rozciągania próbek w specjalnej mikrokomorze 10 000N Tensile/Compresion stage for SEM, która pozwala na obserwację odkształcanej mikrostruktury za pomocą mikroskopu skaningowego. Analiza wyników eksperymentu wykazała, że mikropękanie zarodkuje na granicach ziaren a następnie propaguje wzdłuż granicy, prowadząc do globalnego zerwania materiału. Uzyskano graniczne wartości odkształceń, niepowodujących powstawania mikropęknięć. Do interpretacji testów na poziomie makro wykorzystano symulacje procesu rozciągania za pomocą metody elementów skończonych. Do wyznaczenia mechanicznych charakterystyk badanego stopu na poziomie makro wykonano testy na rozciąganie w maszynie Zwick250. W dalszej części artykułu opisano model utraty spójności stopu MgCa0,8 w skali mikro. Zaproponowano podejście do symulacji zjawiska mikropękania po granicach ziaren, oparte na metodzie wprowadzenia cienkiej warstwy elementów modelujących granice. Dla materiału granicy zaproponowano model umocnienia oraz kryterium mikropękania. Weryfikacja modelu w skali mikro była oparta na porównaniu mikrostruktur z wynikami modelowania na różnych stadiach rozciągania próbki.

EN

The MgCa0,8 magnesium alloys can be applied to production of surgical threads. Low plasticity of this alloys cause difficulties with cold forming. Composition of alloys which are used in medicine is selected, so that surgical threads made from this alloys will have high bio-compatibility and adequate solubility in human body. The purpose of this work is development a mathematical model of MgCa0,8 fracture phenomena in micro scale. According to reached results, the analysis of fracture phenomena in macro scale is not sufficient and, therefore the model in micro scale is necessary. Model of wire drawing can be used to optimize the parameters of drawing process and to predict the ductility of material. The first part of the work is focused on experimental studies of tensile tests, which is used to work out micro scale fracture model. The experiment which was done at the University of Hannover show that fracture in MgCa0,8 alloy had started in grains boundaries and, in consequence had been propagated along grains boundaries. During the tensile test the photos of microstructure had been taken and then, this data were applied for modelling in micro scale. For simulation of test in macroscale, the FEM is used. For identification a yield stress curve for the macro scale model the experiments in Zwick250 were used. The second part of work was focused on development a multiscale numerical model of fracture phenomena. In micro scale model the finite element method was used. The Abaqus 6.7 was used in calculations. For modelling of boundaries of grains the Thin Layer Method was used. The properties of material in grain boundaries were determinate in the inverse analysis. The aim of this analysis was to obtain results of numerical calculations comparable with the experimental data. The boundary conditions and shape of model in micro scale were obtained from process simulation in macroscale. The fracture modelling of the material is made on the basis of the Johnson-Cook fracture initiation criterion and it is an integral component of the Abaqus software. The inverse analysis was used to obtain parameters of this criterion. The final results of numerical model of tensile test in micro-scale were performed and the prediction of fracture phenomena in grains boundaries is observed. The model described in this paper always predict ductility quite well, but sometimes the different with experiments are observed. It is mainly implicated by the fact that many simplifications were made in this approach. Using the FEM to modeling the microstructure makes impossible introduction the big number of grains, because it generates the big number of nodes. The originality of this paper is a new approach to fracture modelling in micro scale, based on physical and numerical methods of modelling.

Słowa kluczowe

PL

stopy magnezu; utrata spójności; analiza odwrotna; mikrostruktura; MgCa0.8

EN

MgCa0,8; magnesium alloys; ductility; inverse analysis; microstructure

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Rudy i Metale Nieżelazne
• Rocznik: 2010
• Tom: R. 55, nr 4
• Strony: 200--208
• Opis fizyczny: Bibliogr. 9 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Milenin A.

autor

Byrska D. J.

autor

Kustra P.

autor

Heidenblut T.

autor

Grydin O.

autor

Schaper M.

• Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej, Kraków

Bibliografia

• 1. Heublein B., Rohde R., Niemeyer M., Kaese V., Hartung W., Rocken C., Hausdorf G., Haverich A.: Degradation of Magnesium Alloys: A New Principle in Cardiovascular Implant Technology. Paper TCT-69, 11. Annual Symposium “Transcatheter Cardiovascular Therapeutics”. The American Journal of Cardiology, Expcerpta Media Inc. New York, 1999.
• 2. Haferkamp H., Kaese V., Niemeyer M., Phillip K., Phan-Tan T., Heublein B., Rohde R.: Exploration of Magnesium Alloys as New Material for Implantation. Mat.-wiss. u. Werkstofftech, 32: Wiley-VCH Verlag GmbH, Weinheim, 2001, s. 116-120.
• 3. Wittea F., Kaeseb V., Haferkampb H., Switzerc E., Meyer-Lindenbergc A., Wirtha C. J., Windhagena H.: In vivo corrosion of four magnesium alloys and the associated bone response. Biomateriale 2005, t. 26, s. 3557-3563.
• 4. Milenin A., Kustra P., Paćko M.: Model matematyczny procesu ciągnienia na ciepło stopu MgCa0,8 z uwzględnieniem tendencji do pękania. Mat. Konf. KomPlasTech 2010, Bukowina Tatrzanska, 12-14.01 2010, ISBN 978-83-60958-53-7.
• 5. Bach Fr.-W., Hassel T., Golovko A. N.: The Influence of the Chemical Composition and Extrution Parameters on the Mechanical Properties of Thin-Walled Tubes Made of Magnesium-Calcium Alloys. Sucasti problemi metalurgii. Naukovi visti. Plasticna deformacia metaliv. Dnipropetrovs’k: Sistemi tehnologii, 2005, t. 8, s. 379-384.
• 6. Bogatow A., Miziricki O. I., Smirnov S. V.: Resurs płastycznosti mietałłow pri obrabotkie dawleniem. Moskwa, Mietałurgia, 1984, s. 144 (in Russian).
• 7. Kustra P., Milenin A., Schaper M., Grydin O.: Multiscale modeling and interpretation of tensile test of magnesium alloy in microchamber for the SEM. Computer Methods in Materials Science, 2009, t. 9, nr 2, s. 207-214.
• 8. Milenin A., Kustra P.: The multiscale FEM simulation of wire fracture phenomena during drawing of Mg alloy. Steel Research International. 2008, t. 1, nr 79 spec. ed. s. 717-722.
• 9. Zienkiewicz O. C., Jain P. C.: Flow of solids during forming and extrusion. Some aspects of numerical solution. Int. J. Solids Struct. 1978, nr 14, s. 15-38.