Identyfikacja własności i ewolucja stanu technologicznej warstwy wierzchniej elementów obiciążonych monotonicznie i cyklicznie

• Autorzy: Kucharski, S.

Warianty tytułu

EN

Identification of properties and state evolution of material surface layer subjected to monotonic and cyclic loading

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Pierwszą część pracy poświęcono modelowaniu procesu zmęczenia elementów z warstwą wierzchnią. Rozwiązanie tego problemu składa się z dwóch etapów: obliczania pól naprężeń i odkształceń w elemencie z warstwą oraz wyznaczania lokalnych stanów uszkodzeń i krzywych zmęczeniowych odpowiadających stanom naprężenia w różnych strefach warstwy rdzenia. Dla wyznaczenia pola naprężeń zaproponowano model elementu z warstwą. W modelu uwzględniono fakt, że w elemencie z warstwą gradjent własności materiałowych, oraz duże wartości naprężeń własnych występują w obszarze położonym blisko powierzchni. Obszar warstwy wierzchniej podzielono na szereg cienkich jednorodnych błon, w których występuje płaski stan naprężenia, oraz mogą występować naprężenia początkowe. Na połączeniu warstwa-rdzeń spełnione są warunki równowagi oraz warunki zgodności przemieszczeń i odkształceń. Model materiału przyjęto jako sprężysto-plastyczny z uwzględnieniem plastycznego płynięcia, wzmocnienia kinematycznego i izotropowego. Opracowano dwie wersje modelu elementu z warstwą. Pierwsza z nich oparta na rozwiązaniu analitycznym to model sprężysto-plastycznego skręcania elementu walcowego z warstwą, w której uwzględniono początkowy stan naprężeń własnych. Druga bardziej ogólna wersja modelu oparta jest o metodę elementów skończonych (MES). Opracowany został program MESl, w którym zaimplementowano wspomniany wyżej model materiału oraz elementy membranowe umożliwiające modelowanie stref warstwy wierzchniej. Opracowane modele elementów z warstwą zastosowano w przykładach obliczeniowych. Dla weryfikacji modelu wyznaczono ewolucje stanu naprężeń własnych w procesie obciążeń cyklicznych w elemencie walcowym z warstwą kulowaną. Otrzymane wyniki porównano z wynikami badań doświadczalnych dostępnych w literaturze. Uzyskano ilościową zgodność wyników obliczeń i badań doświadczalnych. Korzystając z opracowanych programów wykonano symulację komputerową obiążeń cyklicznych elementu z karbem i z warstwą wierzchnią. Zbadano wpływ parametrów warstwy, takich jak wzmocnienie kinematyczne, wzmocnienie izotropowe, granica plastyczności, naprężenia własne początkowe na ewolucję naprężeń, ustalone pętle histerezy i na naprężenia resztkowe w warstwie wierzchniej w dnie karbu. Wyznaczono również lokalne trajektorie naprężeń głównych oraz trajektorie środka powierzchni płynięcia materiału. Porównano asymetrię cyklicznego obiążenia zewnętrznego próbki z karbem i asymetrię lokalnych naprężeń w dnie karbu. W drugim etapie modelowania korzystając z pól naprężeń i odkształceń wyznacza się lokalne krzywe zmęczeniowe odpowiadające stanowi naprężeń w różnych punktach elementu korzystając z koncepcji wytrzymałości lokalnej i wybranego kryterium zmęczeniowego. Część II rozprawy poświęcona jest identyfikacji własności warstw wierzchnich. Zaproponowano kilka metod wykorzystania parametrów mierzonych w teście wciskania kuli do identyfikacji własności plastycznych materiału. W części II pracy przedstawiono również metodę wyznaczania zredukowanego modułu Younga, w której wykorzystuje się pochodne początków krzywych odciążenia kuli odpowiadających różnym wartościom zwrotu siły.

EN

In the first part of the thesis the problem of modeling of fatigue failure of structural components with technological surfaces layer is investigated. This problem is solved in two steps. In the first step the stress and strain fields are determined in the material element. For the determination of stress fields a model of element with surface layer was proposed. The model accounts for large gradient of material properties and initial residual stress in the vicinity of the surface. The rapid changes of the yield poind and the stresses in the direction normal to the surface take place within the surface layer. In the model the region of surface layer is divided into thin homogeneous membranes in which plane stress state is assumed and initial residual stress may appear. At the interface of the sufrace layer and the core the aquilibrium equation, and consistency conditions for strains and displacements are fulfilled. The elastic-plastic material model with combined kinematic and isotropic hardening the associated flow rule are applied. Two versions of the model of surface treated element were developed. The first version is based on analytical solution of a problem of elastic-plastic torsion of cylidrical element with sufrace layer in which initial residual stress exits. The second version is more general and is base on finite element method (FEM). The FEM program was developed in which the material model and special membrane elements were implemented. The proposed models of element with surface layer are applied in numerical examples. For verification of the model, the evolution of stress state due to cyclic loading (tension-compression) of cylindrical element with the shot peened surface layer was calculated. The result of calculations was compared with experimental data given in the literature. A satisfactory agreement of experimental and numerical results was obtained.

Słowa kluczowe

PL

wytrzymałość materiałów; wytrzymałość zmęczeniowa; obróbka plastyczna

EN

strength of materials; fatigue strength; plastic processing

• Czasopismo: Prace Instytutu Podstawowych Problemów Techniki PAN
• Rocznik: 2002
• Tom: nr 4
• Strony: 3-291
• Opis fizyczny: Bibliogr. 45 poz.

Twórcy

autor

Kucharski, S.

• Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN, Pracownia Warstwy Wierzchniej

Bibliografia

• [1] J L Loubet, J.M.Georges, O.Marchesini and G.Meille, “Vickers Indentation curves of Magnesium Oxide (MgO)”, J.Tribol. 106,43-51,1984
• [2] R.F Cook, G.M.Pharr, “Direct Observation and Analysis of Indentation Cracking in Glasses and Ceramics”, J.Am.Ceram. Soc 73, 787-817, 1990
• [3] M.Sakai, “ Energy principle of the indentation induced inelastic surface deformation and hardness of brittle materials”, Acta metali mater. 41, 1751-1763, 1993
• [4] W C.OHver, R.Hutchings, J.B.Pethica, “Microindentation Techniques in Materials Science and Engineering”, “ASTM STP 889”, 90, ASTM 1986
• [5] J.P.Pethica, R.Hutchings, W.C.OIiver, “Hardness measurement at penetration depths as smali as 20nm”, Phil. Mag. A 48, 593-605, 1983
• [6] W.D.Nix, „Elastic and plastic properties of thin films on substrates: nanoindentation techniques”, Materials Science & Engineering, A234-236, 37-44, 1997
• [7] C J Lu, D Bogy, R.Kaneko, “Nanoindentation Hardness Tests Using a Point Contact Microscope”, Journal ofTribology, Vol. 116, 175-180, 1994
• [8] A.E.Giannakopoulos, P.-L.Larsson, R.Vestergaard, “Analysis of Vickers indentation”, Vol,31, 19, 2679-2708, 1994
• [9] K.Zeng, K.Soderland, A.E.Giannakopoulos, D.J.Rowcliffe, “Controlled indentation: a generał approach to determine mechanical properties of brittle materials”, Acta matr. Vol. 44, 3, 1127-1141, 1996
• [10] M.F.Doemer, W.D Nix, “A method of interpreting the data from depth- sensing indentations measurements”, Journal of Materials Research 4,601, 1986
• [11] W.C 01iver, G.M.Pharr, “An improved technique for determming hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments”, Journal of materials Research 7, 1564-1583, 1992
• [12] R F Bishop, R.Hill, N.F.Mott, “The theory of indentation and hardness tests”, The Proceedings ofthe Physical Society 57, 147, 1945
• [13] D.Tabor, “The Hardness of Metals”, Clarendon Press, Oxford, 1951
• [14] K.L.Johnson, “The correlation of indentation experiments”, J.Mech. Phys Solids, Vol 18, 115-126, 1970
• [15] S Carlsson, P.L.Larsson, “On the determination of residual stress and strain fields by sharp indentation testmg, Part I: Theoretical and numerical analysis”, Acta Materialia, 49, 2179-2191, 2001
• [16] S.Carlsson, P.L.Larsson, “On the determination of residual stress and strain fields by sharp indentation testing, Part II: Experimental investigation”, Acta Materialia, 49, 2193-2203, 2001
• [17] A.K.Bhattacharya, W D.Nix, “Finite element analysis of cone indentation”, International Journal of Solids and Structures 27, 1047-1058, 1991
• [18] S.Jayaraman, G.T.Hahn, W.C.OHvier, CA.Rubin, P.C.Bastias, “Determination of monotonie stress-strain curve of hard materials fforn ultra-low-load indentation tests”, Int. J Solids Structures, Vol. 35, 5-6, 365-381, 1998
• [19] E.Meyer, „Untersuchen ueber Haertepruefung und Haerte“, Z. Ver Deutsche Ing. 52, 645-654, 1908
• [20] A.G.Tangena, G.A.M.Hurkx, “The determination of stress-strain curve of thin layers using indentation tests”, Journal Of Engineering Materials and Technology, TR. of ASME, Vol.l08, 230-232, 1986
• [21] W.H.Robinson, S.D.Truman, “Stress-strain curve for aluminium from a continuous indentation test”, Journal of Materials Sciences Vol. 12, 1961- 1965, 1977
• [22] C.Hardy, C.N Baronet, G.V.Tordion, “The elasto-plastic indentation of a half-space by a rigid sphere”, Int.J.Num Mth. Engng 3,451-462, 1971
• [23] C H.Lee, S.Masaki S.Kobayashi, “Analysis of bali indentation”, Int. J. Mech. Sci. 14, 417-426, 1972
• [24] P S Follansbee; G B.Sinclair, “Quasi-statistic normal indentation of an elasto-plastic half-space by a rigid sphere-I”, Int J Solids Structures, Vol 20, 1,81-91, 1984
• [25] GB.Sinclair, PS.Follansbee, K.LJohnson, “Quasi-static normal indentation of an elastoOplastic half-space by a rigid sphere-II Results”, Int. J Solids Struct. 21, 865-888, 1985
• [26] Y. Murakami, L.P.Yuan, “Finite element method (FEM) analysis of elastic-linear-hardening materials and comparison with measurements on commercial materials”, J. Test. Eval 20, 15-24, 1992
• [27] P Montmitonnet, M.L.Edlinger, E.Felder, “Finite element analysis of elastoplastic indentation: part II-application to hard coatings”, Trans. ASME. J.Tribol. 115,(10),. 15-19, 1993
• [28] E R Kral, K. Komvopoulos, D.B Bogy, “Elastic-plastic finite element analysis of repeated indentation of a half-space by a rigid sphere”, Journal of Applied Mechanics, Vol. 60 829-841, 1993
• [29] R.Hill, “Similarity analysis of creep indentation tests”, Proc. R Soc Lond. 436,617-630, 1992
• [30] R.Hill, F R.S.B.Storakers, A.B.Zdunek, “A theoretical study of the Brinell hardness test”, Proc. R.Soc. Lond. A 423, 301-330, 1989
• [31] S. Biwa, B.Storakers, “An analysis of fully plastic Brinell indentation”, J.Mech.Phys.Solids, Vol. 43, 8, 1303-1333, 1995
• [32] B Storakers, S Biwa, Per-L.Larsson, “Similarity analysis of inelastic contact”, Int. J. Solids Structures, Vol 34, 24, 3061-3083, 1997
• [33] T. A. Adler, O. N.Dogan, “Damage by indentation and single impact of hard particles on a high chromium white cast iron”, Wear, 203-204, 1997
• [34] J.S.Field, M.V.Swain, “Determining the mechanical properties of smali volumes of materiał from submicrometer spherical indentations”, J.Mater. Res , Vol 10, 1, 101-112, 1995
• [35] B Taliat, T Zacharia, F.Kosel, “New analytical procedurę to dermine stress-strain curve from spherical indentation data”, Int J Solids Structures, 35, (33), 4411-4426, 1998
• [36] H.A.Francis, “Phenomenological analysis of plastic spherical indentation”, Trans ASME, J. Eng. Mater. Technol., 98, 272-281, 1976
• [37] N Huber, Ch.Tsakmakis, “A finite element analysis of the effect of hardening rules on the indentation test”, Trans. ASME J Eng. Mater. Technol, Vol. 120, 143-148, 1998
• [38] E.R.Kral, K.Komvopoulos, D.B.Bogy, “Finite Elements Analysis of Repeated Indentation of an Elastic-Plastic Layered Medium by a Rigid Sphere, Part I: Surface Results”, Transactions of the ASME, Vol 62, 20- 28,1995
• [39] E.R.Kral, K Komvopoulos, D.B.Bogy, “Finite Element Analysis of Repeated Indentation of an Elastic-Plastic Layered Medium by a Rigid Sphere, Part II: Subsurface Results”, Journal of Applied Mechanics , Vol. 62 , 29-42, 1995
• [40] S. DJ.Mesarovic, N A. Fleck, “Spherical indentation of elastic-plastic solids”, Proc R.Soc.Lond A 455, 2707-2728, 1999
• [41] J.Radziejewska, “Wpływ stopowania laserowego na strukturę geometryczną i stan warstwy wierzchniej” Praca Doktorska, Instytut Mechaniki Precyzyjnej, Warszawa 1999
• [42] S. Kucharski, Z. Mróz, “Identification of hardening parameters of metals from spherical indentation test ”, Trans. ASME J. Eng. Mater. Technol., Vol. 123, 245-250, 2001
• [43] S Kucharski, Z. Mróz, “Identification of plastic hardening parameters of metals from spherical indentation tests”, Mater. Sci. Eng. A, Vol. 318 (1- 2), 65-76, 2001
• [44] S. Kucharski, J. Radzejewska, „Microindenttion test for characterization of plastic properties of laser alloyed layers” przyjęte do druku w Journal of testing and evaluation 2002
• [45] S. Kucharski, „Identification of plastic material properties base on indentation measurement of a rigid spherical indenter”, The Archive of Mechanical Engineering, Vol. XLVI, 4, 349-367, 1999