Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Comparison of the Stress Relaxation of Biodegradable Surgical Threads Made of Mg and Zn Alloys and Some Commercial Synthetic Materials

Milenin A., Kustra P., Wróbel M., Paćko M., Byrska-Wójcik D.

Archives of Metallurgy and Materials

|

2019

|

Vol. 64, iss. 3

1139--1143

EN

The mechanical properties of the commercial synthetic surgical threads (i.e., monofilament MonosynR and polyfilament PolysorbTM) and threads made of pure zinc and selected magnesium alloys were compared. Tensile and relaxation tests of fine fibers/wires without and with a surgical knot were performed on a Zwick 250 tensile machine and on the specially constructed tensile machine dedicated for ultra-thin samples. An about 50% decrease in the maximum tensile load was registered for both synthetic and Mg-based threads due to the presence of a surgical knot while only an about 10% decrease was documented for the zinc threads.

2

Rheology-based approach of design the dieless drawing processes

Milenin A.

Archives of Civil and Mechanical Engineering

|

2018

|

Vol. 18, no. 4

1309--1317

EN

Dieless drawing process is based on local heating and simultaneously controlled stretching of the workpiece and allows elongation of the workpiece without using a deforming die. This process is usually used for deformation of wires, tubes and bars. The disadvantage of the dieless drawing process is the unevenness of the product diameter along its length. The present paper shows that unevenness can be substantially reduced by dividing the process into several stages. After each stage complete recrystallization of the material must be guaranteed for restoration of plasticity. The value of the strain in each stage must correspond to the area of intensive hardening on the stress–strain curve of the processed material. Thus, the proposed approach is based on the use of the special features of rheology properties of the material. The proposed approach was validated on the example of laser dieless drawing of magnesium alloy tubes.

3

Numerical analysis of temperature and residual stresses in hot-rolled steel strip during cooling in coils

Witek S., Milenin A.

Archives of Civil and Mechanical Engineering

|

2018

|

Vol. 18, no. 2

659--668

EN

The main factors influencing on the level of residual stresses in hot rolled steel strips are related with uneven temperature and microstructure changes during cooling on the run-out table and in a coil. That is why in this work, development of coil cooling model with taking into account the influence of radial stresses on the effective thermal conductivity in the radial direction was performed. In order to assess the influence of the phase transformations in the coil on the level of residual stresses, the different laminar cooling strategies were applied. The results of numerical simulations obtained in this work were validated in industrial conditions. It is shown that the end of phase transformations in the strip coil has a significant influence on the level of residual stresses.

4

Parallel FEM code for simulation of laser dieless drawing process of tubes

Milenin A.

Computer Methods in Materials Science

|

2017

|

Vol. 17, No. 4

176--183

EN

Paper is devoted to the development of FEM code for simulation of laser dieless drawing process of micro tubes made from magnesium alloy. Difficulties in the development of parameters of such technology are related to the fact that this process is based on the free forming of the workpiece. For this reason it is difficult to determine the parameters of the process allowing to receive specified tube dimensions. The proposed solution is based on the use of parallel computing. The parallel solution of the vector of problems, which was generated by the method of factorial experiment was considered. Solved tasks allow to generate acceptable window of process parameters and to determine the parameters that guarantee the dimensions of the final pipe. A numerical effectiveness of the developed code is based on the usage by all parallel processes the one matrix with addresses of non-zero elements in the stiffness matrix.

PL

Artykuł jest poświęcony opracowaniu kodu MES do symulacji procesu laserowego bez narzędziowego ciągnienia mikro rur ze stopu magnezu. Trudności wyznaczenia parametrów tej technologii są związane z faktem, że rozpatrywany proces jest oparty o swobodne odkształcenie wsadu. Z tego powodu wyznaczenie parametrów, które pozwalają otrzymać zadane wymiary rury, jest trudne. Proponowane rozwiązanie wykorzystuje obliczenia równolegle. Rozpatrzono równoległe rozwiązanie wektora zagadnień, które są wygenerowane na podstawie teorii eksperymentu czynnikowego. Rozwiązane zadania pozwalają na wygenerowanie okna dopuszczalnych parametrów procesu i wyznaczenie parametrów, które gwarantują zadane wymiary rury. Numeryczna wydajność opracowanego kodu jest oparta o wykorzystanie przez wszystkie równolegle procesy jednej macierzy zawierającej położenie nie zerowych elementów macierzy sztywności..

5

Rola badań modelowych w opracowaniu technologii wytwarzania blach cienkich do cięcia laserowego

Kuziak R., Pidvysots'kyy V., Mazur A., Zalecki W., Milenin A., Pietrzyk M.

Prace Instytutu Metalurgii Żelaza

|

2016

|

T. 68, nr 1

2--11

PL

Celem projektu było opracowanie technologii wytwarzania blach przeznaczonych do cięcia laserowego z uwzględnieniem składu chemicznego stali, parametrów procesu odlewania i walcowania ze szczególnym uwzględnieniem powstawania naprężeń własnych, spowodowanych odkształceniami termicznymi i zajściem przemian fazowych. W projekcie zrealizowano program badań laboratoryjnych i przemysłowych w celu określenia właściwości badanego materiału, zaś uzyskane wyniki wykorzystano w symulacjach numerycznych procesu walcowania przeprowadzonych z wykorzystaniem opracowanego systemu hybrydowego wspomagania technologii walcowania. Artykuł skupia się głównie na wynikach badań laboratoryjnych, przeprowadzonych w IMŻ, w aspekcie ich zastosowania w obszarach symulacji fizycznej i numerycznej.

EN

The aim of the project was to develop thin strips rolling technology for laser cutting. The chemical composition of steel, casting and rolling process parameters were accounted for in the investigation with special emphasis on the development of residual stresses connected with thermal dilatations and the occurrence of phase transformations. The scope of the investigations comprised determination of materials’ properties by means of laboratory trails and industrial experiments, and the obtained results were used in rolling process simulations using the developed hybrid system. The paper concentrates on the results of the laboratory investigations conducted at IMZ, taking into account their applications in physical and numerical rolling process simulations.

6

Modelowanie wpływu parametrów chłodzenia laminarnego na wielkość naprężeń własnych w blachach walcowanych na gorąco

Milenin A., Witek S., Kuziak R., Lech-Grega M., Pietrzyk M.

Hutnik, Wiadomości Hutnicze

|

2016

|

Vol. 83, nr 4

133-140

PL

Naprężenia własne w blachach walcowanych na gorąco są istotne w przypadku stosowania cięcia laserowego. W pracy przedstawiono modelowanie naprężeń własnych w blachach walcowanych na gorąco oraz określono wpływ parametrów chłodzenia laminarnego na poziom naprężeń własnych. W celu walidacji modelu naprężeń własnych wykonano eksperyment w warunkach przemysłowych. Pomiar naprężeń własnych w blachach wykonano metodą dyfrakcji rentgenowskiej sin2Ψ. Symulację naprężeń własnych w trakcie walcowania oraz chłodzenia przeprowadzono na podstawie opracowanych modeli. Wykazano, że zakończenie przemiany fazowej podczas chłodzenia kręgu ma istotny wpływ na poziom naprężeń własnych w blachach.

EN

The problem of calculations and experimental validation of residual stresses in hot-rolled strips was considered in the paper. Residual stresses become of practical importance when the laser cutting of strips is applied. The paper was devoted to prediction of the residual stresses in hot-rolled strips. Experimental verification of a model of residual stresses was performed in industrial conditions. For measurement of residual stress in strips the X-ray diffraction method was used. The main goal of this work was to evaluate the effect of laminar cooling on the level of residual stresses. Simulation of residual stresses in rolling and cooling were performed on the basis of the developed model. It was shown that the end of phase transformations in the coil has a significant influence on the level of residual stress.

7

Strategy for the selection of the best phase transformation model for simulation of metals processing

Rauch Ł., Bzowski K., Perzyński K., Madej Ł., Milenin A., Pietrzyk M.

Computer Methods in Materials Science

|

2016

|

Vol. 16, No. 4

224--237

EN

Connection of the finite element program with phase transformation models is often needed when prediction of distribution of phase composition in the product is of interest. Depending on the type of the phase transformation model this connection may involve long computing times. Moreover, when the optimization task has to be formulated and solved, the computing costs may radically increase. It is particularly troublesome when the objective function is composed of advanced microstructural parameters or product properties, evaluation of which requires an application of multiscale modelling techniques. In the present paper the possibilities of decreasing of the computing costs for optimization of metals processing were explored. Several case studies, which require connection of the FE code with phase transformation models, were analysed and computing times were compared. Efficiency of modelling depending on the complexity of the macro scale FE mesh was evaluated.

PL

Połączenie programu z metody elementów skończonych (MES) z modelem przemian fazowych jest niezbędne, kiedy potrzebna jest informacja o rozkładzie składu fazowego w wyrobie gotowym. W zależności od rodzaju modelu przemian fazowych takie połączenie może pociągać za sobą bardzo długie czasy obliczeń. Ponadto, kiedy dodatkowo musi zostać sformułowane i rozwiązane zadanie optymalizacyjne, koszty obliczeń mogą jeszcze radykalnie wzrosnąć. Jest to szczególnie kłopotliwe, kiedy funkcja celu zawiera zaawansowane parametry mikrostruktury lub własności wyrobu, których obliczenie wymaga zastosowania modelowania wieloskalowego. W niniejszej pracy analizowano możliwości skrócenia czasów obliczeń związanych z optymalizacją procesów przetwórstwa metali. Porównano czasy obliczeń dla symulacji różnych procesów, w których potrzebne jest połączenie MES z modelami przemian fazowych. Oceniono efektywność modelowania w zależności od złożoności siatki MES w skali makro.

8

Numerical modeling and experimental identification of residual stresses in hot-rolled strips

Milenin A., Kuziak R., Lech-Grega M., Chochorowski A., Witek S., Pietrzyk M.

Archives of Civil and Mechanical Engineering

|

2016

|

Vol. 16, no. 1

125--134

EN

The problem of calculations and experimental validation of residual stresses in hot-rolled strips is considered in the paper. Residual stresses become of practical importance when the laser cutting of strips is applied. The goal of this paper is development and experimental validation of a model of residual stresses in hot-rolled strips based on the elastic–plastic material model. The models of elastic–plastic deformation during cooling of hot rolled strips during laminar cooling and in the coil were developed. Elastic–plastic properties of the material were determined experimentally using tests on GLEEBLE 3800. Industrial testing of residual stress in strips after cooling in coil was performed. For measurement of residual stress in strips the X-ray diffraction method was used.

9

Fizyczne i matematyczne modelowanie termomechanicznych procesów i przemian fazowych w blachach podczas chłodzenia w kręgach

Milenin A., Witek S.

Rudy i Metale Nieżelazne Recykling

|

2015

|

R. 60, nr 12

688--693

PL

Termomechaniczne procesy i przemiany fazowe w blachach podczas chłodzenia laminarnego i w kręgach wpływają na poziom naprężeń rezydualnych. Wartość tych naprężeń w blachach walcowanych na gorąco jest istotna w przypadku stosowania cięcia laserowego. Wysokie wartości naprężeń rezydualnych prowadzą do deformacji (zginanie, skręcanie) blachy podczas cięcia laserowego. Matematyczne modelowanie termomechanicznych procesów i przemian fazowych pozwoli na optymalizacje procesów chłodzenia celem zmniejszenia poziomu naprężeń rezydualnych w blachach. Głównymi czynnikami wpływającymi na wielkość naprężeń rezydualnych są nierównomierne odkształcenie sprężysto-plastyczne, przemiana fazowa występująca podczas chłodzenia oraz relaksacja zachodząca w trakcie walcowania i chłodzenia. W procesie produkcji blach gorąco walcowanych, przemiana fazowa odbywa się podczas chłodzenia laminarnego i po zwijaniu blachy w kręg. Zbyt wysoki ułamek przemiany fazowej w kręgu może powodować jego nagrzewanie po zwijaniu. Znajomość zmiany pola temperatury podczas procesu produkcyjnego blach jest głównym elementem do budowy modelu służącego do analizy naprężeń w blachach. Celem niniejszej pracy jest opracowanie matematycznego modelu wymiany ciepła w blachach walcowanych na gorąco i w kręgu z uwzględnieniem termomechanicznych procesów i przemiany fazowej. Opracowany model chłodzenia kręgu jest oparty o MES. Pierwszy etap chłodzenia odpowiada zwijaniu blachy. Na tym etapie zastosowana jest zmienna w czasie siatka MES, na którą nakładane są kolejne zwoje blachy. Drugi etap chłodzenia jest związany z transportowaniem i chłodzeniem kręgu w ciągu kilku godzin. Po zmniejszeniu gradientów temperatury po zwijaniu, na tym etapie odbywa się modyfikacja siatki MES celem przyspieszenia obliczeń. Przedstawiono wyniki symulacji pola temperatury oraz składu strukturalnego. Przeprowadzono eksperyment przemysłowy, w którym wykonano pomiary temperatury kręgu za pomocą kamery termowizyjnej oraz skanera, zamontowanego w linii chłodzenia laminarnego.

EN

Thermo-mechanical processes and phase transformation in hot-rolled strips have an influence on the level of residual stresses. The level of residual stresses becomes of practical importance when the laser cutting of sheets is applied. High values of residual stresses lead to deformation (bending and twisting) of sheets during laser cutting. Mathematical modeling of thermo-mechanical processes and phase transformations allows to optimize the cooling process to reduce the level of residual stresses in the sheets. The main factors which have an influence on the residual stresses are the non-uniform distribution of elastic-plastic deformations, phase transformation occurring during cooling and stress relaxation during rolling and cooling. Phase transformation takes place during laminar cooling of hot-rolled strips and after coiling process. Too high fraction of phase transformation in the coil might cause increasing of temperature in the coil after coiling process. Knowledge of the change of the temperature field in the production process of hot-rolled strips i s t he m ain e lement for construction of a model for analyzing stresses in the sheets. The goal of this paper is the development of a mathematical model of heat transfer in hot-rolled strips and coil taking into account thermo-mechanical processes and phase transformation. The mechanical properties of material model for steels S235 and S355 were obtained in experiments for the range of temperatures 35÷1100 °C. Model parameters of ferritic, pearlitic, bainitic and martensitic transformation were determined on the basis of dilatometric tests and application of the inverse analysis. The development model of the coil cooling is based on FEM. The first cooling step corresponds to the coiling of the strip. In this stage FEM grids is changed with time. On the basic FEM grid additional layers of FEM elements are applied (additional layers of sheet). The second step of the cooling process is related to transportation and coil cooling within a few hours. The paper presents results of a simulation of the temperature field, the structural composition and residual stresses. Industrial experiment was carried out for measurement of the temperature in the strip using portable camera and thermal scanners which was installed in the laminar cooling line.

10

Physical and mathematical modeling of static recrystallization process in the wires of MgCa08 alloy after drawing in heated dies

Milenin A., Kustra P., Byrska-Wójcik D., Pietrzyk M.

Computer Methods in Materials Science

|

2015

|

Vol. 15, No.4

481--491

EN

Modeling of the manufacturing process of thin wires made of MgCa08 alloy is described in the paper. This process is composed of 25 drawing passes in heated dies for initial wire diameter of 1.0 mm and final diameter of 0.1 mm. Parameters of drawing process were chosen in such a way that complete recrystallization of the wireoccurred in all passes. The model of static recrystallization (SRX) for MgCa08 alloy was developed to enable design of the drawing process. The parameters of the model were determined on the basis of stress relaxation tests. The tests were performed on GLEEBLE 3800 physical simulator for three temperatures 250, 300, 350ºC and three strains 0.1, 0.2 and 0.3. SRX model was implemented into Drawing2D software, which allows simulation of drawing processes in heated dies. Two variants of drawing process were simulated. In the first variant all passes were performed with the die temperature of 350ºC. In the second variant one pass were carried out with the die temperature of 21ºC. The verification of simulations was done on the basis of microstructures observed in experiments and it was showed in the paper that the model predicts correctly final microstructure. Performed experiments and numerical simulations showed that contribution of the dynamic recrystallization is small and it may be neglected in simulation of multi-pass hot drawing of MgCa08 alloy. The results of simulations of the SRX showed that in this process only every second pass has to be realized in a hot die. After each cold pass the hot pass is required in order to restore the plasticity by recrystallization.

PL

Praca poświęcona jest modelowaniu numerycznemu procesu ciągnienia cienkich drutów ze stopu magnezu MgCa08. Opisywany proces składa się z 25 przepustów wykonanych w gorących ciągadłach przy początkowej średnicy drutu 1 mm oraz końcowej .1 mm. Parametry procesu ciągnienia dobrano w taki sposób, by w czasie ciągnienia zachodziła pełna rekrystalizacja. Dlatego konieczne było opracowanie modelu rekrystalizacji statycznej (SRX). Parametry modelu SRX określono na podstawie badań taksacji, które zostały wykonane na symulatorze GLEEBLE 800 dla trzech różnych temperatur 250, 300, 350 °C i trzech wartości odkształcenia 0.1, 0.2 oraz 0.3. Model rekrystalizacji statycznej został zaimplementowany do oprogramowania Drawing2D, które umożliwia symulację procesu ciągnienia w podgrzewanych ciągadłach. Wykonano dwa warianty symulacji procesu ciągnienia. W pierwszym wszystkie przepusty w procesie ciągnienia zostały wykonane w temperaturze 50 °C, w drugim zaś jeden z przepustów wykonano w temperaturze pokojowej. Weryfikacja modelu rekrystalizacji została wykonana w oparciu o zdjęcia mikrostruktur drutów po procesie ciągnienia. Przeprowadzone badania doświadczalne i symulacje numeryczne wykazały, że udział rekrystalizacji dynamicznej w badanym procesie jest niewielki i może ona zostać pominięta w modelu. Wyniki symulacji rekrystalizacji statycznej pokazały, że w procesie wielostopniowego ciągnienia drutów ze stopu MgCa08 wystarczy, jeżeli co drugi przepust jest wykonywany w podgrzewanym ciągadle. Po każdym przepuście w temperaturze otoczenia wymagany jest przepust w podgrzewanym ciągadle.

11

Numerical prediction of fracture during manufacturing of thick wall tubes from low ductility steels in flow forming process

Milenin A., Kustra P., Byrska-Wójcik D., Pietrzyk M.

Computer Methods in Materials Science

|

2015

|

Vol. 15, No.4

469--480

EN

Process of flow forming has been for a long time used for manufacturing of pipes from low workability alloys. In research on this process special attention was paid to workability (technological plasticity) of the pipe material. In a majority of published research prediction of the workability was made by various fracture criteria, which use stresses and strains calculated by finite element (FE) method. On the other hand, during manufacturing of thick wall tubes cyclic deformation involves repeating of the material loading and unloading. In consequence, residual stresses occur and are accumulated in the tube. These are compressive stresses at the outer surface and tensile stresses at the inner surface. Magnitude of these stresses is comparable with those occurring during deformation. It is expected that using FE program with constitutive laws, which do not account for the unloading phase, may lead to erroneous predictions of conditions of crack appearance as well as of localization of cracks. To prove this thesis two models of the flow forming process for thick wall tubes were developed. Constitutive law in the first model accounted for both elastic-plastic deformation and elastic unloading. The second simplified model used the rigid-plastic flow rule. The material flow stress model was the same in both solutions, with initial part representing elastic deformation. The models were implemented in the Qform8 software. Obtained results show that in the first case large tensile stresses at the inner surface were predicted, what means an increased risk of fracture. These stresses occur not only in the deformation zone but also along the tube. In the second solution, which did not account for the unloading, maximum stresses occur directly in the deformation zone. Distribution of the fracture criterion parameters shows differences in the localization of fracture for these two solutions. The first variant predicted fracture at the inner surface of the tube, while the second variant at the outer surface. The former was confirmed by experimental results. Necessity of accounting for unloading cycle in simulations of the flow forming for thick tubes was confirmed.

PL

Proces walcowania poprzecznego w nienapędzanych rolkach (ang. flow forming) od dawna jest stosowany dla produkcji rur z nisko plastycznych stopów. W badaniach tego procesu szczególną uwagę zwraca się na odkształcalność (technologiczną plastyczność) materiału rury. W większości prac odkształcalność jest oceniana przez odpowiednie kryteria utraty spójności, które wykorzystują wyniki modelowania naprężeń i odkształceń metodą elementów skończonych (MES). Tymczasem podczas walcowania rur grubościennych wielokrotne cykliczne odkształcenie materiału rolkami powoduje powtórzenia procesów odkształcenia i odprężenia. W konsekwencji w materiale powstają i akumulują się naprężenia własne: ściskające na zewnętrznej powierzchni i rozciągające na wewnętrznej. Wartość tych naprężeń jest porównywalna z naprężeniami powstającymi podczas odkształcenia materiału rolkami. W pracy pokazano, że stosowanie do modelowania procesów „flow forming" programów MES z modelem materiału nie uwzględniającym odprężenia powoduje błędne przewidywanie nie tylko warunków utraty spójności, ale również lokalizacji powstawania pęknięć. W celu udowodnienia tej tezy opracowano dwa modele procesu walcowania rury grubościennej, które różniły się zastosowanym prawem konstytutywnym. Pierwszy model uwzględniał nie tylko sprężysto-plastyczne odkształcenie materiału, ale również procesy odprężenia. Drugi model był sztywno-plastyczny i nie uwzględniał odprężenia. W obu rozwiązaniach przyjęto taki sam model naprężenia uplastyczniającego, z początkowym odcinkiem opisującym sprężystość. Implementację modeli materiału oraz kilku kryteriów utraty spójności wykonano w środowisku programu Qform8. Porównanie wyników symulacji dla obu praw konstytutywnych wykazało, że w pierwszym przypadku powstają duże rozciągające naprężenia własne na wewnętrznej powierzchni rury, § co podnosi ryzyko utraty spójności materiału w tych miejscach. Te naprężenia powstają nie tylko w strefie odkształcenia, ale wzdłuż całej rury. W drugim rozwiązaniu nie uwzględniającym odprężenia, maksymalne naprężenia powstają bezpośrednio w strefie odkształcenia. Rozkład parametrów kryteriów pękania pokazuje różną lokalizację pękania dla dwóch praw konstytutywnych. W pierwszym wariancie model przewiduje pękanie na wewnętrznej powierzchni rury, a w drugim wariancie na zewnętrznej. Z danych doświadczalnych wynika, że w analizowanych warunkach procesu pękanie rury powstaje na wewnętrznej powierzchni, na której wartości rozciągających rezydualnych naprężeń są największe. Potwierdza to konieczność uwzględnienia fazy odciążania materiału w symulacjach procesu dla rur grubościennych.

12

Numerical And Experimental Analysis Of Fracture Of Athrombogenic Coatings Deposited On Ventricular Assist Device In Micro-Shear Test

Kopernik M., Milenin A., Kąc S.

Archives of Metallurgy and Materials

|

2015

|

Vol. 60, iss. 2A

795--800

EN

The Polish left ventricular assist device (LVAD – RELIGA_EXT) will be made of thermoplastic polycarbonate-urethane (Bionate II) with deposited athrombogenic nano-coatings: gold (Au) and titanium nitride (TiN). Referring to the physical model, the two-scale model of LVAD developed in the previous works in the authors’ finite element code is composed of a macro-model of blood chamber and a micro-model of wall: TiN, Au and Bionate II. The numerical analysis of stress and strain states confirmed the possibility of fracture based on localization of zones of the biggest values of triaxiality factor. The introduction of Au interlayer between TiN and polymer improved the toughness of the connection, and increased the compressive residual stress in the coating what resulted in reduction of stress and strain close to the boundary between substrate and coating. However, the proper design of multilayer wall of the medical device requires the introduction of the real stress and strain states in the deposited coatings. The characteristics of TiN nano-coating such as residual stress, material model and fracture model were determined in the previously completed studies such as experimental and numercial nanoindentation tests, profilometry studies and in situ SEM’s micro-tension tests. The experimental in situ SEM’s micro-shear test was performed in the present paper and the corresponding numerical model of the test was also developed, and then, interpreted. The critical strains taken from experiment and considered as the effective strains in the model of test are the values which are the function of triaxiality factors for the tested samples. The developed in the authors’ FE code model of multilayer wall of VAD enriched with critical strain determined in the present paper enables prediction of fracture.

PL

Polska lewa komora wspomagania pracy serca (LVAD – RELIGA_EXT) zostanie wykonana z termoplastycznego poliwęglano-uretanu (Bionate II) z naniesionymi atrombogennymi powłokami: złota (Au) i azotku tytanu (TiN). W odniesieniu do modelu fizycznego, dwuskalowy model komory LVAD opracowany we wcześniejszych pracach w autorskim kodzie elementów skończonch jest złożony z modelu makro czaszy krwistej i z mikro-modelu ściany: TiN, Au i Bionate II. Analiza numeryczna stanów naprężenia i odkształcenia potwierdziła prawdopodobieństwo pękania poprzez zlokalizowanie stref o największej wartości współczynnika naprężenia trójosiowego. Wprowadzenie międzywarstwy złota pomiędzy TiN i polimer poprawiło wytrzymałość tego połączenia i powiększyło ściskające naprężenie własne w powłoce, co doprowadziło do redukcji naprężenia i odkształcenia blisko granicy pomiędzy podłożem i powłoką. Jednakże, właściwy projekt wielowarstwowej ściany urządzenia medycznego wymaga wprowadzenia rzeczywistych stanów naprężeń i odkształceń w naniesionych powłokach. Charakterystyki powłok TiN takie jak naprężenie własne, model materiału i model pękania zostały określone we wcześniej wykonanych badaniach takich jak doświadczalne i numeryczne testy nanoindentacji, badania profilometryczne, i testy mikrorozciągania prowadzone pod elektronowym mikroskopem skaningowym. W niniejszej pracy przeprowadzono doświadczalny test mikrościnania pod skaningowym mikroskopem elektronowym, opracowano model numeryczny tego testu, a następnie go zinterpretowano. Odkształcenia krytyczne otrzymane z doświadczenia i określone w modelu testu jako intensywność odkształcenia są wartościami będącymi funkcją współczynników naprężeń trójosiowych dla badanych próbek. Opracowany w kodzie własnym model elementów skończonych wielowarstwowej ściany komory VAD wzbogacony o określone w niniejszej pracy odkształcenia krytyczne umożliwia przewidywanie pękania.

13

Modeling with FCA-Based Model of Microstructure Evolution of MgCa08 Alloy During Drawing of Thin Wire in Heated Die

Svyetlichnyy D. S., Kustra P., Milenin A.

Archives of Metallurgy and Materials

|

2015

|

Vol. 60, iss. 4

2721--2728

EN

The paper deals with a modeling of manufacturing process of thin wire of MgCa08 alloy used as biocompatible soluble threads for medical application. Some difficulties in material deformation subjected with its hexagonal structure can be solved with accurate establishment of the deformation conditions, especially temperature history of the whole process. In drawing process with heated die, wire is preheated in furnace and then deformed. The only narrow temperature range allows for multi-pass drawing without wire breaking. Diameter below 0.1 mm required for the final product makes very important the consideration of microstructure evolution because grain size is comparable with the wire dimensions. For this reason the problem is considered in the micro scale by using the frontal cellular automata (FCA)-based model. The goals of present work are the development and validation of FCA-base model of microstructure evolution of MgCa0.8 magnesium alloy. To reach this objective, plastometric and relaxation tests of MgCA08 alloy were done on physical simulator GLEEBLE 3800. Results of the experimental studies were used for parameters identification of the hardening-softening model of the material. Then, initial microstructure and its evolution during the drawing passes were simulated with FCA-based model. FCA consider dislocation density and flow stress, hardening and softening including recovery and recrystallization, grain refinement and grain rotation, as well as grain growth. It allows one to obtain structures close to real ones. Two variants of the drawing process with different temperature history were considered. The deformation scheme was the same. Simulation results with following short discussion confirm usefulness of FCA-based model for explanation and selection of rational technological condition of thin wire drawing of MgCa08 alloy.

PL

W pracy rozpatrzono proces wytwarzania cienkich drutów z biozgodnego stopu MgCa0.8 z przeznaczeniem na resorbowalne nici chirurgiczne. W procesie ciągnienia drut nagrzewany jest w piecu a następnie odkształcany. Jednym z warunków, jaki musi być spełniony w technologicznym procesie jest zachodzenie rekrystalizacji w trakcie ciągnienia. Pozwala to na realizację wielo przepustowego procesu ciągnienia bez wyżarzania międzyoperacyjnego. Prognozowanie rekrystalizacji na etapie projektowania technologii wymaga stworzenia modelu rekrystalizacji. W przypadku ciągnienia drutów o średnicach mniejszych niż 0.1 mm konieczne jest zastosowania modelu w skali mikro. Celem pracy jest opracowanie modelu rekrystalizacji, opartego o frontalne automaty komórkowe (FCA) oraz przykładowa symulacja kilku przepustów ciągnienia. Do kalibracji modelu FCA wykorzystano badania plastometryczne oraz testy relaksacji stopu MgCa08 przy użyciu symulatora fizycznego GLEEBLE 3800. Wyniki tych badań pozwoliły wyznaczyć parametry modelu umocnienia-mięknięcia materiału. Następnie początkowa mikrostruktura i jej rozwój podczas procesu ciągnienia były analizowane za pomocą modelu opartego o FCA, który uwzględnia gęstość dyslokacji, naprężenie uplastyczniające, umocnienie i mięknięcie w tym zdrowienie i rekrystalizację, rozdrobnienie ziaren oraz ich rotację i rozrost, co pozwala na uzyskanie struktury bliskiej do rzeczywistej. Dwa warianty procesu ciągnienia o różnej historii zmiany temperatury rozpatrzono w pracy. Wyniki symulacji potwierdziły przydatność modelu opartego o FCA do uzasadnienia i wyboru racjonalnych warunków technologicznych ciągnienia cienkich drutów za stopu MgCa08. W pracy przedstawiono również praktyczną implementację procesu ciągnienia.

14

Model of Relaxation of Residual Stresses in Hot-Rolled Strips

Milenin A., Kuziak A., Pidvysots'kyy V., Kustra P., Witek S., Pietrzyk M.

Archives of Metallurgy and Materials

|

2015

|

Vol. 60, iss. 3A

1935--1940

EN

Residual stresses in hot-rolled strips are of practical importance when the laser cutting of these strip is applied. The factors influencing the residual stresses include the non uniform distribution of elastic-plastic deformations, phase transformation occurring during cooling and stress relaxation during rolling and cooling. The latter factor, despite its significant effect on the residual stress, is scarcely considered in the scientific literature. The goal of the present study was development of a model of residual stresses in hot-rolled strips based on the elastic-plastic material model, taking into account the stress relaxation. Residual stresses in hot-rolled strips were evaluated using the FEM model for cooling in the laminar cooling line and in the coil. Relaxation of thermal stresses was considered based on the creep theory. Coefficients of elastic-plastic material model and of the creep model for steels S235 and S355 were obtained from the experiments performed on the Gleeble 3800 simulator for the temperatures 35-1100°C. Experiments composed small tensile deformations of the sample (0.01-0.02) and subsequent shutter speed without removing the load. Model of the thermal deformation during cooling was obtained on the basis of the dilatometric tests at cooling rates of 0.057°C/s to 60°C/s. Physical simulations of the cooling process were performed to validate the model. Samples were fixed in the simulator Gleeble 3800, then heated to the temperature of 1200°C and cooled to the room temperature at a rate of 1-50°C/s. Changes of stresses were recorded. Good agreement between calculated and experimental values of stresses was observed. However, due to neglecting the effect of stress relaxation the stress at high temperatures was overestimated. Due to the change of their stress sign during the unloading process the resulting residual stresses were underestimated. Simulation of residual stresses in rolling and cooling were performed on the basis of the developed model. It was shown that the effect of stress relaxation and phase transformations on the distribution of residual stresses in strips is essential and neglecting these factors could lead to an underestimation of residual stresses.

PL

Naprężenia resztkowe w blachach walcowanych na gorąco są istotne w przypadku stosowania ciecia laserowego. Głównymi czynnikami wpływającymi na wielkość naprężeń resztkowych jest nierównomierne odkształcenie sprężystoplastyczne, przemiana fazowa występująca podczas chłodzenia oraz relaksacja zachodząca w trakcie walcowania i chłodzenia[1-2]. Ten ostatni czynnik pomimo znacznego wpływu na naprężenia resztkowe jest niedostatecznie opisany w literaturze. Celem niniejszej pracy jest opracowanie modelu naprężeń resztkowych w blachach walcowanych na gorąco z wykorzystaniem sprężysto-plastycznego modelu materiału z uwzględnieniem relaksacji naprężeń. Wpływ odkształcenia oraz przemiany fazowej na wielkość naprężeń resztkowych w blach walcowanych na gorąco przedstawiono w pracy [3]. Model MES procesów chłodzenia laminarnego oraz w kręgu wykorzystuje elasto-plastyczny model materiału zależny od temperatury. Relaksacja naprężeń termicznych rozpatrywana jest w oparciu o równania teorii pełzania. Współczynniki modelu materiału oraz modelu pełzania uzyskano z danych eksperymentalnych dla stali S235 i S355 w zakresie temperatur 35-1100°C. W eksperymencie próbkę rozciągano z odkształceniem 0.01-0.02, a następnie wytrzymywano bez zdejmowania obciążenia. Testy przeprowadzono na symulatorze fizycznym GLEEBLE 3800. Model odkształcenia termicznego podczas chłodzenia uzyskano na podstawie testów dylatometrycznych przy prędkościach chłodzenia od 0.057°C/s do 60°C/s. Fizyczną symulacje naprężeń własnych wykonano celem sprawdzenia poprawność modelu materiału i relaksacji naprężeń. Próbki sztywno zamocowano w symulatorze GLEEBLE, po czym ogrzewano do temperatury 1200°C i chłodzono do temperatury pokojowej z szybkością 1-50°C/s. W trakcie prób rejestrowano zmianę naprężeń. Badania wykazały dobrą zgodność pomiędzy danymi eksperymentalnymi oraz obliczeniami. Pokazano, że pominięcie efektu relaksacji naprężeń w modelu może prowadzić do przeszacowania naprężeń w wysokich temperaturach i niedoszacowania powstałych naprężeń z powodu zmiany ich znaku w trakcie procesu. Symulacja naprężeń resztkowych w trakcie walcowania oraz chłodzenia przeprowadzono na podstawie opracowanych modeli. Wykazano, że relaksacja naprężeń oraz przemiana fazowa ma istotny wpływ na rozkład naprężeń resztkowych w blachach gorąco walcowanych a zaniedbanie tych zjawisk może prowadzić do ich niedoszacowania.

15

Digital image correlation of coated and uncoated Religa Heart_Ext ventricular assist device

Kopernik M., Gawlikowski M., Milenin A., Altyntsev I., Kustosz R., Kąc S.

Acta of Bioengineering and Biomechanics

|

2015

|

Vol. 17, no. 4

49--58

EN

The digital image correlation is used to estimate influence of deposited heamocompatible coatings (gold and titanium nitride) on mechanical response of ventricular assist device Religa Heart_Ext made of Bionate II (thermoplastic polycarbonate urethane) under working conditions by comparison of the coated Religa Heart_Ext with uncoated Religa Heart_Ext. The DIC is applied for experimental investigation of the strains and displacements distribution on external surface of the blood chamber of ventricular assist device during loading. The experiment was conducted in a hydraulic system with water at operating temperatures of 25 and 37 °C, as well as under static pressures: 80, 120, 180, 220 and 280 mmHg, and static underpressures: –25, –45, –75 mmHg. The subsequent images were taken after stabilization of pressure on a set level. The applied research method shows that the nano-coating of 30 nm in thickness significantly affects deformation of the blood chamber of Religa Heart_Ext in macro scale. The proposed composition of coatings increases strain on external surface of the ventricular assist device.

16

Model MES procesu ciągnienia w podgrzewanych ciągadłach drutów ze stopów Mg z uwzględnieniem procesów rekrystalizacji w skali makro

Milenin A., Kustra P., Pietrzyk M.

Hutnik, Wiadomości Hutnicze

|

2014

|

Vol. 81, nr 1

7--10

PL

W poprzednich pracach autorów przedstawiono nowy proces produkcji drutów z biozgodnych stopów Mg, realizowany poprzez ciągnienie w podgrzewanych ciągadłach. Istota procesu polega na takim prowadzeniu procesu, aby w trakcie ciągnienia w drucie zachodziła pełna rekrystalizacja. To pozwala na realizację wielo przepustowego ciągnienia bez wyżarzania międzyoperacyjnego. W związku z tym, że kontrola metodami doświadczalnymi procesu rekrystalizacji stopów Mg po każdym ciągu jest bardzo złożona, racjonalnym sposobem opracowania parametrów procesu jest symulacja MES. Symulacja uwzględnia zjawiska cieplne w metalu i narzędziu, plastyczność materiału, stan naprężeń i odkształceń oraz rozwój mikrostruktury. W pracy przedstawiono kompleksowy model MES procesu ciągnienia, zawierający empiryczny model rekrystalizacji. Wyniki symulacji procesu, porównano z danymi doświadczalnymi otrzymanymi na urządzeniu własnej konstrukcji.

EN

In Authors, previous work a new manufacturing process of thin wires made of biocompatible Mg alloys, including drawing in heated dies, was developed. Carrying out drawing in conditions, in which recrystallization occurs, is the basis of the process. This allows for multi-pass drawing without intermediate annealing. Since controlling of recrystallization process after every pass using experimental method is very complex, FEM simulation seems to be a rational method to develop the process parameters. FEM simulation takes into account thermal processes in the workpiece and in the tool, plastic flow of the material, stress-strain state and recrystallization. This paper presents a comprehensive FEM model of drawing process, including empirical model of the recrystallization. Simulation results were compared with experimental data obtained on own construction device.

17

Model MES do optymalizacji procesu wyciskania rur ze stopów Mg o podwyższonej biozgodności, oparty na obliczeniach równoległych

Milenin A., Kustra P.

Hutnik, Wiadomości Hutnicze

|

2014

|

Vol. 81, nr 4

192--196

PL

Opracowano model MES (Metoda Elementów Skończonych) procesu wyciskania na trzpieniu rur i profili ze specjalnych stopów magnezu z przeznaczeniem na resorbowalne implanty do usztywniania kości po złamaniu lub resorbowalne stenty. Rozpatrywane stopy Mg mają niską technologiczną plastyczność podczas wyciskania. Opracowany model jest przeznaczony do optymalizacji parametrów wyciskania, stosując stopień wykorzystania zapasu plastyczności wyciskanego stopu jako funkcję celu oraz wartość maksymalnej temperatury w kotlinie odkształcenia jako ograniczenie. Ponieważ obliczenia optymalizacyjne wymagają dużej liczby symulacji MES, zaproponowano rozwiązanie, wykorzystujące możliwości obliczeń równoległych. Opracowany program generuje wektor wariantów symulacji i uruchamia je równolegle na kastrze komputerowym w infrastrukturze PLGrid. W niniejszej pracy pokazano praktyczny przykład optymalizacji oraz procedurę otrzymania niezbędnych do symulacji danych materiałowych na przykładzie stopu MgCa08.

EN

This paper is devoted to the development of the FEM (Finite Element Method) model of the extrusion process of tubes on mandrel and profiles from Mg alloy for the purpose of resorbable implants to stiffen the bones after fracture or resorbable stents. Mg alloys are characterized by low technological plasticity during extrusion. Presented model was designed to optimize the parameters of extrusion tubes on mandrel and profiles using ductility of material as objective function and maximum value of temperature in the deformation zone as a limitation. Since the optimization requires a large number of FEM simulations, solution based on parallel computing capabilities was used. The developed software generates vector of simulation variants and runs them on the computer cluster in parallel mode on PLGrid infrastructure. In this work example of optimization process and the material model identification procedure for the MgCa08 alloy was shown.

18

Computer Aided Design of Wires Extrusion from Biocompatible Mg-Ca Magnesium Alloy

Milenin A., Gzyl M., Rec T., Płonka B.

Archives of Metallurgy and Materials

|

2014

|

Vol. 59, iss. 2

551--556

EN

Mathematical model of small-diameter wires extrusion from biocompatible MgCa08 (Mg - 0.8% Ca) magnesium alloy was developed in the current paper in order to determine window of allowable technological parameters. Compression and tensile tests were carried out within temperature range 250-400°C and with different strain rates to determine the fracture conditions for the studied alloy. Finite element (FE) analysis was used to predict the billet temperature evolution and material damage during processing. The extrusion model takes into account two independent fracture mechanisms: a) surface cracking due to exceeding of the incipient melting temperature and b) utilization of material formability. FE simulations with different initial billet temperatures and pressing speeds were performed in order to determine the extrusion limit diagram (ELD) for MgCa08 magnesium alloy. The developed ELD was used to select the parameters for the direct extrusion of wires with diameter of 1 mm. Then, the extrusion of twelve wires was conducted at 400°C with pressing speed 0.25 mm/s. It was reported that the obtained wires were free from defects, which confirmed the good agreement between numerical and experimental results.

PL

W pracy zaproponowano model matematyczny procesu wyciskania prętów o małych średnicach z biokompatybilnego stopu magnezu MgCa08 (Mg - 0.8% Ca). Na podstawie opracowanego modelu możliwy jest dobór parametrów technologicznych rozpatrywanego procesu. Model procesu wyciskania zawiera model do prognozowania utraty spójności materiału, który został opracowany w oparciu o próby spęczania oraz jednoosiowego rozciągania w zakresie temperatur 250-400°C dla różnych prędkości odkształcenia. W oparciu o metodę elementów skończonych (MES) przeprowadzona została analiza numeryczna rozkładu temperatury oraz wskaźnika wykorzystania odkształcalności materiału w procesie wyciskania. Zaproponowany model zawiera dwa możliwe mechanizmy utraty spójności: a) wynikający z lokalnego przekroczenia temperatury topnienia, b) wynikający z wyczerpania zapasu plastyczności. W oparciu o przeprowadzoną analizę MES procesu wyciskania dla różnych temperatur oraz prędkości wyciskania opracowano diagram ELM (extrusion limit diagram) dla stopu MgCa08. Na podstawie opracowanego diagramu ELM dobrano parametry procesu wyciskania prętów o średnicy 1 mm. Weryfikację modelu procesu wyciskania dla stopu MgCa08 wykonano w warunkach laboratoryjnych, gdzie przeprowadzono dwunasto żyłowy proces wyciskania prętów w temperaturze 400°C i prędkości 0.25 mm/s. Otrzymane pręty były| wolne od wad. co potwierdziło dobrą zgodność pomiędzy wynikami numerycznymi i eksperymentalnymi.

19

Numerical modeling of substrate effect on determination of elastic and plastic properties of TiN nanocoating in nanoindentation test

Kopernik M., Milenin A.

Archives of Civil and Mechanical Engineering

|

2014

|

Vol. 14, no. 2

269--277

EN

The wall of a ventricular assist device is composed of a titanium nitride (TiN) nanocoating deposited on a biopolymer. Because of difficulties of the precise measurement of the force–displacement data for the soft substrate of polymer and for the very thin hard nanocoating of TiN in the nanoindentation test, it is assumed that the correctness of the results measured for these coatings deposited on steel is better. The sensitivity of results of nanoindentation test reached for different substrates with respect to properties of TiN influences the accuracy of the determination of mechanical properties in inverse analysis. In this work it is proved that the use of the steel instead of the biopolymer as a substrate for the measurement of the properties of the TiN increases the accuracy of determination of the plastic properties of the coating TiN in the nanoindentation test without significant reduction the accuracy of the determination of the elastic properties.

20

Wieloskalowy numeryczny model ciągnienia na zimno drutów z niskoplastycznych stopów magnezu z uwzględnieniem mechanizmu utraty spójności

Milenin A., Byrska-Wójcik D. J.

Rudy i Metale Nieżelazne

|

2013

|

R. 58, nr 11

731--736

PL

Rozpatrywane stopy Mg zostały opracowane w celu wytworzenia resorbowalnych bio implantów. Ich skład chemiczny cechuje się dodatkami takimi jak Ca i Li (MgCa0,8, A×30, LA63). Te dodatki zwiększają biozgodność stopu, optymalizują intensywność korozji, ale obniżają technologiczną plastyczność przy przeróbce plastycznej [1, 2]. Technologia produkcji nici chirurgicznych zawiera etapy wyciskania półwyrobu, ciągnienia w podgrzewanych ciągadłach oraz przewiduje ciągnienie na zimno w celu kształtowania odpowiedniej jakości powierzchni i własności. Problem stanowi jednak niska plastyczność rozpatrywanych stopów w temperaturze pokojowej, co utrudnia ostatni etap cyklu produkcyjnego [3]. Celem pracy jest opracowanie numerycznego modelu ciągnienia na zimno niskoplastycznych stopów magnezu z uwzględnieniem mechanizmu utraty spójności w skali mezo i wykorzystanie go do optymalizacji technologicznych parametrów procesu. Model utraty spójności opracowano za pomocą metody elementów brzegowych. Model został skalibrowany za pomocą badań in situ. Walidacja wykonana została na podstawie porównania mikrostruktury i powstających defektów w drucie z wynikami symulacji.

EN

Magnesium alloys with high biocompatibility containing Ca, Li and rare earths are the alternative for nowadays used materials for implants and surgical threads. The main advantage of those alloys are properties similar to properties of human bones. However the low ductility in cold deformation of this alloys is a problem [1-3]. In the case of production of surgical threads the high temperature causes an oxidation of the surface, but cold deformation is very difficult because of the low plasticity. In work [4] the technology of thin surgical threads production from magnesium alloys is proposed. The described technology contains: extrusion to diameter 1 mm, hot drawing to diameter 0.1-0.2 mm and cold drawing to diameter 0.1-0.05 mm to improve the surface quality. The last stage of presented technology requires the development of the mathematical model of the process, because identification of the parameters is very difficult for materials with such low plasticity. Furthermore, the experimental research proved, that the model in the macro scale is not adequate [5, 6]. The developed model in macro scale use the finite element method, and the model in meso scale use the boundary element method and considers the microstructure mechanisms: intergranular fracture mechanism, grain orientation and the effect of micro cracks on the plasticity restoring during annealing. The macro and meso models are coupled and finally the multiscale model is obtained.