Numeryczne wyznaczanie rozkładów naprężeń resztkowych w warstwach powierzchniowych TiC i TiN na podłożu stalowym

• Autorzy: Szymczyk W. , Włodarczyk J.

Warianty tytułu

EN

Numerical determination of residual stresses distributions in TiC and TiN surface coatings on a steel substrate

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Przeprowadzono symulacje numeryczne warstwy powierzchniowej TiC na zaworze wydechowym silnika wewnętrznego spalania. Otrzymano rozkłady naprężeń resztkowych w obszarach współpracy warstw i podłoża. Symulacje przeprowadzono dla zaworu o brzegach fazowanych zaokrąglonych, z warstwą TiC obejmującą jedynie powierzchnię czołową, powierzchnię czołową fazowanie/zaokrąglenie oraz powierzchnię czołową, fazowanie/zaokrąglenie i powierzchnię boczną grzybka zaworu. Najkorzystniejsze rozkłady naprężeń resztkowych otrzymano dla zaworu z brzegiem zaokrąglonym i dla warstwy obejmującej jego powierzchnię czołową i boczną. Następnie dla zaworu zaokrąglonym brzegiem przeprowadzono symulacje numeryczne w celu wyznaczenia rozkładów naprężeń resztkowych w wybranej warstwie powierzchniowej TiN, naniesionej na osiowosymetryczną próbkę wykonaną ze stali zaworowej. Obliczenia wykonano dla 2 modeli: bez uwzględnienia i z uwzględnieniem warstwy pośredniej. Układ z warstwą pośrednią można traktować jako materiał gradientowy. Porównanie wyników dla tych modeli pozwala ocenić jakościowo wpływ warstwy pośredniej na rozkład naprężeń resztkowych w obszarze złącza.

EN

TiC surface coatings on an exhaust valve of an internal combustion engine were numerically simulated. The stresses distributions in the areas of collaboration of surfaces and substrates were obtained. Simulations were conducted for the valve with different shapes of the edge and for different finishes of the coating in this area. The best results were obtained for the valve with a rounded edge and the coating which covered not only the front but also circumferential surface of the considered axisymmetric body. Then, a TiN coating on an axisymmetric steel sample with rounded edges was investigated for two cases: with and without a NiCr interlayer. This allowed for comparison and assessment of influence of an interlayer on the residual stress distribution change.

Słowa kluczowe

PL

warstwa powierzchniowa; symulacje numeryczne; naprężenia resztkowe; materiał gradientowy

EN

surface coating; numerical simulations; residual stress; gradient material

• Wydawca: Wojskowa Akademia Techniczna im. Jarosława Dąbrowskiego
• Czasopismo: Biuletyn Wojskowej Akademii Technicznej
• Rocznik: 2006
• Tom: Vol. 55, nr 4
• Strony: 243--255
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz., il.

Twórcy

autor

Szymczyk W.

autor

Włodarczyk J.

• Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Mechaniczny, Zakład Mechaniki Ogólnej, 00-908 Warszawa, ul. S. Kaliskiego 2

Bibliografia

• [1] C. KRAL, W. LENGAUER, D. RAFAJA, P. ETTMAYER, Critical review on the elastic properties of transition metal carbides, nitrides and carbonitrides, Journal of Alloys and Compounds 265, 1998, 215-233.
• [2] S. J. BULL, D. G. BHAT, M. H. STAIA, Properties and performance of commercial TiCN coatings. Part 1: Coating architecture and hardness modeling, Surf. Coat. Techn., 163-164, 2003, 499-506.
• [3] I. DAHAN, U. ADMON, N. FRAGE, J. SARIEL, M. P. DARIEL, J. J. MOORE, The development of a functionally graded TiC-Ti mulyilayer hard coating, Surf. Coat. Techn., 137, 2001, 111-115.
• [4] W. GRZESIK, Experimental investigation of the cutting temperature when turning with coated indexable inserts, Int. J. Machine Tools Man., 39, 1999, 355-369.
• [5] I. S. JAWAHIR, C. A. VAN LUTTERVELT, Recent developments in chip control research and applications, Ann. CIRP 42 (1), 1993, 659.
• [6] Y. FUKUI, K. TAKASHIMA, C. B. PONTON, Measurement of Young's modulus and internal friction of an in-situ Al-Al3Ni functrionally gradient material, J. Mater. Sci., 29, 1994, 2281-2288.
• [7] Y.-D. LEE, F. ERDOGAN, Residual/thermal stresses in FGM and Laminated thermal barrier coatings, Int. J. Fract., 69, 1994/1995, 145-165.
• [8] F. ERDOGAN, Fracture mechanics of functionally graded materials, Comp. Eng., vol. 5, 1995, 753-770.
• [9] S. SURESH, M. OLSSON, A. E. GIANNAKOPOULOS, N. P. PADTURE, J. JITCHAROEN, Engineering the resistance to sliding-contact damage through controlled gradients in elastic properties at contact surfaces, Acta Mater. vol. 47, no. 14, 1999, 3915-3926.
• [10] M. FINOT, S. SURESH, Small and large deformation of thick and thin-film multi-layers: Effects of layer geometry, plasticity and compositional gradients, J. Mech. Phys. Solids, vol. 44, no 5, 1996, 683-721.
• [11] T. HIRANO, J. TERAKI, T. YAMADA, On the design of functionally gradient materials, Proc. 1st Int. Symp. on Functionally gradient Materials, ed. M. Yamanouchi, M. Koizumi, T. Hirai and I. Shiota, 1990, 5-10.
• [12] T. MORI, K. TANAKA, Average stress in matrix and average elastic energy of materials with misfitting inclusions, Acta Metall., 21, 1973, 571-574.
• [13] K. TANAKA, Y. TANAKA, K. ENOMOTO, V. F. POTERASU, Y. SUGANO, Design of thermoelastic materials using direct sensitivity and optimization methods. Reduction of thermal stresses in functionally gradient materials, Comp. Meth. Appl. Mech. Engng, 106, 1993a, 271-284.
• [14] K. TANAKA, Y. TANAKA, K. ENOMOTO, V. F. POTERASU, Y. SUGANO, An improved solution to thermoelastic material design in functionally gradient materials: scheme to reduce thermal stress, Comp. Meth. Appl. Mech. Engng, 109, 1993b, 377-389.
• [15] T. HIRANO, K. WAKASHIMA, Mathematical modelling and design, MRS Bull. Jan., 1995, 40-42.
• [16] A. J. MARKWORTH, J. H. SAUNDERS, A model of structure optimization for a functionally graded material, Mater. Lett., 22, 1995, 103-107.
• [17] A. J. MARKWORTH, K. S. RAMESH, W. P. PARKS, Review: modelling studies applied to functionally graded materials, J. Mater. Sci., 30, 1995, 2183-2193.
• [18] R. L. WILLIAMSON, B. H. RABIN, J. T. DRAKE, Finite element analysis of thermal residual stresses at graded ceramic-metal interfaces. Part I. Model description and geometrical effects, J. Appl. Phys. 74 (2), 1993, 1311-1320.
• [19] T. REITER, G. J. DVORAK, V. TVERGAARD, Micromechanical models for graded composite materials, J. Mech. Phys. Solids, vol. 45, no. 8, 1997, 1281-1302.
• [20] S. B. BINER, Thermo-elastic analysis of functionally graded materials using Voronoi elements, Mat. Sci. Eng. A315, 2001, 136-146.
• [21] L. L. SHAW, Thermal residual stresses in plates and coatings composed of multi-layered and functionally graded materials, Composites: Part B, 29B, 1998, 199-210.