Numerical modelling of the thermal fatigue of steel WCLV used for hot forging dies

• Autorzy: Gronostajski Z. , Hawryluk M. , Krawczyk J. , Marciniak M.

Warianty tytułu

PL

Modelowanie numeryczne zmęczenia cieplnego stali WCLV stosowanej na matryce w procesie kucia na gorąco

• Języki publikacji: EN PL

Abstrakty

EN

The paper presents an analysis of a numerical simulation of the low-cycle thermal fatigue of steel WCLV (X40CrMoV511) used in hot forging. As part of experimental studies a special test rig based on the rotating disc method was built and tests were carried out. Their results showed that the method can be used to reproduce the thermal fatigue conditions prevailing in the industrial forging process. For the given experimental conditions the instant when fatigue cracks appear was determined. A numerical model was built and the obtained finite element analysis results were compared with the laboratory test results in order to determine the amplitude of plastic strains at which a crack appears. As part of further research in the future the Coffin-Manson low-cycle fatigue model will be verified for other conditions and a low-cycle fatigue curve for steel WCLV will be determined.

PL

W pracy przedstawiono analizę symulacji numerycznej niskocyklowego zmęczenia cieplnego stali WCLV stosowanej podczas kucia na gorąco. W ramach badań doświadczalnych zostało zbudowane specjalne stanowisko bazujące na metodzie "wirującego krążka" [13], przeprowadzone zostały próby, które potwierdziły możliwość stosowania tej metody do odwzorowania warunków zmęczenia cieplnego panujących w przemysłowym procesie kucia. Dla danych warunków eksperymentu określono moment pojawienia się pęknięć zmęczeniowych. Następnie zbudowano model numeryczny, po czym porównano uzyskane wyniki z MES i prób laboratoryjnych w celu określenia amplitudy odkształceń plastycznych, przy których pojawia się pęknięcie. Dalsze prace pozwolą w przyszłości na weryfikację niskocyklowego modelu zmęczenia Coffina-Mansona dla innych warunków oraz pozwolą stworzyć krzywą niskocyklowego zmęczenia stali WClV.

Słowa kluczowe

EN

low cycle thermal fatigue; rotating disc method; numerical modelling; die life; hot forging

PL

niskocyklowe zmęczenie cieplne; metoda wirującego krążka; modelowanie numeryczne; trwałość matryc; kucie matrycowe na gorąco

• Wydawca: Polskie Naukowo-Techniczne Towarzystwo Eksploatacyjne
• Czasopismo: Eksploatacja i Niezawodność
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 15, no. 2
• Strony: 129--133
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz.

Twórcy

autor

Gronostajski Z.

autor

Hawryluk M.

autor

Krawczyk J.

autor

Marciniak M.

• Institute of Production Engineering and Automation ul. Ignacego Łukasiewicza 5, 50-371, Wrocław, Poland,

Bibliografia

• 1. Ebara R. Fatigue crack initiation and propagation behavior of forging die steels. International Journal of Fatigue 2010; 32: 830–840.
• 2. Gronostajski Z, Hawryluk M, Kaszuba M, Sadowski, Walczak S, Jabłoński D. Measuring &control system in industrial die forming processes. Eksploatacja i Niezawodnosc – Maintenance and Reliability 2011; 3: 62–69.
• 3. Gronostajski Z, Hawryluk M, Kaszuba M, Polak S, Niechajowicz A, Walczak S, Jabłoński D. Die Profile Optimization for forging constant velocity joint casings. Archives of Metallurgy and Materials 2011; 56(2): 551–558.
• 4. Gronostajski Z, Hawryluk M, Zwierzchowski M, Kaszuba M, Marciniak M. Analiza zmęczenia cieplnego stali wclv stosowanej na matryce do kucia na gorąco. Rudy i metale nieżelazne 2011; 56(11):654–660.
• 5. Grüning A, Lebsanft M, Scholtes B. Cyclic stress–strain behavior and damage of tool steel AISI H11 under isothermal and thermal fatigue conditions. Materials Science & Engineering 2010; 527(7-8): 1979–1985.
• 6. Katunin A. The conception of the fatigue model for layered composites considering thermal effects. Archives of Civil and Mechanical Engineering 2011; 11(2): 333–342.
• 7. Kot M. Contact mechanics of coating-substrate systems: Monolayer and multilayer coatings. Archives of Civil and Mechanical Engineering 2012; 12(4): 464–470.
• 8. Lavtar L, Muhic T, Kugler G, Tercelj M.Analysis of the main types of damage on a pair of industrial dies for hot forging car steering mechanisms. Review article. Engineering Failure Analysis 2012; 18(4): 1143–1152
• 9. Mrva P, Kottfer D, Kaczmarek Ł. Effect of shot peening and NiAl coating on fatigue limit of Mg-Al-Zn-Mn Alloy. Archives of Metallurgy and Materials 2011; 56(3): 743–748.
• 10. Paschke H, Weber M, Yilkiran T. Optimized Plasma Nitriding Processes for Efficient Wear Reduction of Forging Dies. Archives of Civil and Mechanical Engineering 2012; 12(4): 407–412.
• 11. Sjöström J, Bergström J. Thermal fatigue testing of chromium martensitic hot-work tool steel after different austenitizing treatments. Journal of Materials Processing 2004; 153-154: 1089–1096.
• 12. Smolik J. Hybrid Surface Treatment Technology for Increase of Hot Forging Dies. Archives of Metallurgy and Materials 2012; 57(3): 657–664.
• 13. Starling C, Branco J. Thermal fatigue of hot work tool steel with hard coatings. Thin Solid Films 1997; 308-309: 436–442.
• 14. Summerville E, Venkatesan, K, Subramanian C. Wear processes in hot forging press tools. Materials and Design 1995; 16(5): 289–294.
• 15. Szeliga D, Kuziak R, Pidvysotskyy V, Pietrzyk M. Rheological model of Cu based alloys accounting for the preheating prior to deformation. Archives of Civil and Mechanical Engineering 2011; 11(2): 451–467.
• 16. Świątoniowski A, Sińczak J, Łukaszek-Sołek A, Schmidt J. Analysis of Forging Process of the NiCrN Superalloy for Motor Boat Driving Shaft 2012; 57(3): 719–725.
• 17. Tomaszek H, Jasztal M, Zieja M. A simplified method to assess fatigue life of selected structural components of an aircraft for a variable load spectrum. Eksploatacja i Niezawodnosc – Maintenance and Reliability 2011; 4: 29–34.
• 18. Weroński A. Zmęczenie cieplne metali. Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1983.
• 19. Yilkiran T, Behrens B.-A, Paschke H, Weber M, Brand H. The potential of plasma deposition techniques in the application field of forging processes. Archives of Civil and Mechanical Engineering 2012; 12(3): 284–291.
• 20. Yong-an M, Xiao-chun W, Luo-ping X, Wen-jun T, et. al. Influence of different surface treatments of H13 hot work die steel on its thermal fatigue behaviors. Journal of Shanghai University 2001; 5(4): 326 – 330.
• 21. Yu TT, Liu P. Improved implementation of the extended finite element method for stress analysis around cracks. Archives of Civil and Mechanical Engineering 2011; 11(3): 787–805.