Investigation of Structural Factors that Increase the Mechanical Properties of Surface Layers Modified by Pulsed Electro-Beam Irradiation

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction Currently, a significant part of the cutting elements of the processing equipment is made of composite materials based on a metal matrix with dispersed ceramic inclusions. As a rule, such compositions are synthesized by powder metallurgy methods from a mixture of powders with a characteristic particle size from a few micrometers to tens of micrometers. Durability of cutting element is determined by the mechanical properties (including strength, hardness and fracture toughness) of thin surface layers of the composite. It is known that mechanical properties of the surface layers of the composites with microscale reinforcing ceramic inclusions are significantly inferior to the properties of these same compositions with characteristic sizes of reinforcing ceramic particles of tens to hundreds of nanometers. One of the successful ways to solve this problem is to modify the structure of the surface layers of synthesized composite with microscopic ceramic inclusions by the method of high-energy pulsed electron-beam irradiation in inert gas plasma. In the previous papers, the authors have shown that such processing leads to qualitative change in the structure of the surface layers, namely, to multiple crushing of original stochastically packed ceramic inclusions, their dissolution and subsequent precipitation in the form of regularly packed columnar particles with the preferential orientation normal to the surface. The change in the parameters of the internal structure determines a significant change in the mechanical properties of the surface layers and requires detailed parametric study. The aim of the work was to numerically study the influence of the key structural parameters, namely, the type of packing, the size and non-equiaxiality of ceramic particles on strength and fracture toughness of the modified surface layers. Results and discussion. The performed numerical analysis has revealed the key factors that determine the increase in the mechanical and tribological properties of modified surface layers of metal-ceramic composites. These are the features of packing and geometrical characteristics of ceramic inclusions. We showed that multiple decrease in the size of inclusions together with a change in their shape from equiaxial to substantially non-equiaxial and regular packing of inclusions with a preferential orientation normal to the surface lead to change in the pattern of stress distribution under compression from dispersed to frame-like as well as to elongation and complication of crack paths. This results in increase in the values of strength, yield stress and strain hardening of the surface layers. We explained that by varying the degree of non-equiaxiality of ceramic inclusions it is possible to achieve a necessary balance of competing mechanical characteristics like strength and fracture toughness.

About the authors

I. S. Konovalenko

Email: igkon@ispms.tsc.ru
Ph.D. (Physics and Mathematics), 1. Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation; 2. National Research Tomsk Polytechnic University, 30 Lenin Avenue, Tomsk, 634050, Russian Federation, igkon@ispms.tsc.ru

E. V. Shilko

Email: shilko@ispms.tsc.ru
D.Sc. (Physics and Mathematics), Professor, 1. Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation; 2. National Research Tomsk State University, 36 Lenin Avenue, Tomsk, 634050, Russian Federation, shilko@ispms.tsc.ru

V. E. Ovcharenko

Email: ove45@mail.ru
D.Sc. (Engineering), Professor, Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, ove45@mail.ru

S. G. Psakhie

Email: sp@ispms.tsc.ru
D.Sc. (Physics and Mathematics), Professor, Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, sp@ispms.tsc.ru

References

  1. Mortensen A., Llorca J. Metal matrix composites // Annual Review of Materials Research. – 2010. – Vol. 40. – P. 243–270. – doi: 10.1146/annurev-matsci-070909-104511.
  2. Suryanarayana C., Al-Aqeeli N. Mechanically alloyed nanocomposites // Progress in Materials Science. – 2013. – Vol. 58. – P. 383–502. – doi: 10.1016/j.pmatsci.2012.10.001.
  3. Casati R., Vedani M. Metal matrix composites reinforced by nano-particles – a review // Metals. – 2014. – Vol. 4. – P. 65–83. – doi: 10.3390/met4010065.
  4. Frazier W.E. Metal additive manufacturing: a review // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2014. – Vol. 23. – P. 1918–1928. – doi: 10.1007/s11665-014-0958-z.
  5. Kelbassa I., Wohlers T., Caffrey T. Quo vadis, laser additive manufacturing? // Journal of Laser Applications. – 2012. – Vol. 24. – P. 050101/1–050101/10. – doi: 10.2351/1.4745081.
  6. Nanocrystalline TiC reinforced Ti matrix bulk-form nanocomposites by Selective Laser Melting (SLM): densification, growth mechanism and wear behavior / D. Gu, Y.-C. Hagedorn, W. Meiners, K. Wissenbach, R. Poprawe // Composites Science and Technology. – 2011. – Vol. 71. – P. 1612–1620. – doi: 10.1016/j.compscitech.2011.07.010.
  7. Microstructure and tensile behavior of hybrid nano-micro SiC reinforced iron matrix composites produced by selective laser melting / B. Song, S. Dong, P. Coddet, Ch. Coddet // Journal of Alloys and Compounds. – 2013. – Vol. 579. – P. 415–421. – doi: 10.1016/j.jallcom.2013.06.087.s.
  8. Singh H., Sidhu T.S., Kalsi S.B.S. Cold spray technology: future of coating deposition processes // Fracture and Structural Integrity. – 2012. – Vol. 22. – P. 69–84. – doi: 10.3221/IGF-ESIS.22.08.
  9. Cold spray coating: review of material systems and future perspectives / A. Moridi, S.M. Hassani-Gangaraj, M. Guagliano, M. Dao // Surface Engineering. – 2014. – Vol. 36. – P. 369–395. – doi: 10.1179/1743294414Y.0000000270.
  10. Sobolev V.V., Guilemany J.M., Nutting J. High velocity oxy-fuel spraying: theory, structure-property relationships and applications / consulting editor: S. Joshi. – David Brown Book Company, 2004. – 397 p. – ISBN 9781902653723.
  11. Development of particle-reinforced nanostructured iron-based composite alloys for thermal spraying / T. Lampke, B. Wielage, H. Pokhmurska, C. Rupprecht, S. Schuberth, R. Drehmann, F. Schreiber // Surface and Coating Technology. – 2011. – Vol. 205. – P. 3671–3676. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2011.01.003.
  12. Sharma V., Pra-kash U., Kumar B.V.M. Surface composites by friction stir processing: a review // Journal of Materials Processing Technology. – 2015. – Vol. 224. – P. 117–134. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2015.04.019.
  13. Yuvaraj N., Aravindan S., Vipin S. Fabrication of Al5083/B4C surface composite by friction stir processing and its tribological characterization // Journal of Materials research and technology. – 2015. – Vol. 4 (4). – P. 398–410. – doi: 10.1016/j.jmrt.2015.02.006.
  14. Упрочнение поверхности и повышение износостойкости металлических материалов при обработке потоками высокотемпературной плазмы / Б.А. Калин, В.Л. Якушин, В.И. Польский, П.С. Джумаев, К.К. Дмитриева, О.В. Емельянова, В.И. Аверин // Физика и химия обработки материалов. – 2010. – № 2. – С. 21–27.
  15. Modification of the structural-phase of ferritic-martensitic steels by high-temperature pulsed plasma flows / V.L. Yakushin, A.T. Khein, P.S. Dzhumaev, M.G. Isaenkova, B.A. Kalin, M.V. Leont’;eva-Smirnova, I.A. Naumenko, Yu.A. Perlovich, V.I. Pol’;skii // Inorganic Materials: Applied Research. – 2013. – Vol. 4, iss. 5. – P. 376–384. – doi: 10.1134/S2075113313050195.
  16. Ионно-лучевая и ионно-плазменная модификация материалов / К.К. Кадыржанов, Ф.Ф. Комаров, А.Д. Погребняк, В.С. Русаков, Т.Е. Туркебаев. – М.: Изд-во МГУ, 2005. – 634 с. – ISBN 5-211-05153-X.
  17. Модифицирование и легирование поверхности лазерными, ионными и электронными пучками / под ред. Дж. Поута, Г. Фоти и Д. Джекобсона. – М.: Машиностроение, 1987. – 424 с.
  18. Леонтьев П.А., Хан М.Г., Чекалова М.Т. Лазерная поверхностная обработка металлов и сплавов. – М.: Металлургия, 1986. – 142 с.
  19. Наномодифицирование сварных соединений при лазерной сварке металлов и сплавов / А.М. Оришич, А.Н. Черепанов, В.Н. Шапеев, Н.Б. Пугачева. – Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2014. – 252 с. – ISBN 978-5-7692-1379-3.
  20. Ovcharenko V.E., Baohai Yu., Psahie S.G. Electron-beam treatment of tungsten-free TiC/NiCr cermet. I: infiuence of subsurface layer microctructure on resistance to wear during cutting of metals // Journal of Materials Science & Technology. – 2005. – Vol. 21, N 3. – P. 427–429.
  21. Electron-beam Treatment of Tungsten-free TiC/NiCr cermet II: structural transformation in the subsurface layer / Yu. Baohai, V.E. Ovcharenko, S.G. Psakhie, O.V. Lapshin // Journal of Materials Science & Technology. – 2006. – Vol. 22, N 4. – P. 511–513.
  22. Modification of the structural-phase state of the surface layer of a cermet composite under electron beam irradiation in inert gas plasmas / V.E. Ovcharenko, K.V. Ivanov, Yu.F. Ivanov, A.A. Mokhovikov, Yu. Baohai // Russian Physics Journal. – 2017. – Vol. 59 (12). – P. 2114–2121. – doi: 10.1007/s11182-017-1022-x.
  23. Формирование многомасштабной структуры в поверхностных слоях и стойкость металлокерамического сплава в условиях механических воздействий / С.Г. Псахье, В.Е. Овчаренко, А.Г. Князева, Е.В. Шилько // Физическая мезомеханика. – 2011. – Т. 14, № 6. – С. 23–34.
  24. Nanostructured titanium-based materials for medical implants: modeling and development / L.Jr. Mishnaevsky, E. Levashov, R.Z. Valiev, J. Segurado, I. Sabirov, N. Enikeev, S. Prokoshkin, A.V. Solov’;yov, A. Korotitskiy, E. Gutmanas, I. Gotman, E. Rabkin, S. Psakhie, L. Dluhoš, M. Seefeldt, A. Smolin // Materials Science and Engineering R. – 2014. – Vol. 81. – P. 1–19. – doi: 10.1016/j.mser.2014.04.002.
  25. Laser clad Zr02-Y203 ceramic/Ni-base alloy composite coatings / Y.T. Pei, J.H. Ouyang, T.C. Lei, Y. Zhou // Ceramics International. – 1995. – Vol. 21. – P. 131–136. – doi: 10.1016/0272-8842(95)95884-K.
  26. Formation of c-axis-oriented columnar structures through controlled epitaxial growth of hydroxyapatite / W. Wang, Y. Oaki, Ch. Ohtsuki, T. Nakano, I. Hiroaki // Journal of Asian Ceramic Societies. – 2013. – Vol. 1. – P. 143–148. – doi: 10.1016/j.jascer.2013.03.009.
  27. Increased resistance to mechanical shock of metallic materials by metal-ceramic surface coatings / C. Biniuc, B. Istrate, C. Munteanu, L. Dorin // Key Engineering Materials. – 2015. – Vol. 638. – P. 316–321. – doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/KEM.638.316' target='_blank'>www.scientific.net/KEM.638.316.
  28. Chiang S.S., Marshall D.B., Evans A.G. A simple method for adhesion measurements // Surfaces and interfaces in ceramic and ceramic-metal systems / ed. by J. Pask, A. Evans. – New York: Springer US, 1981. – P. 603–617. – (Materials science research; vol. 14).
  29. Overcoming the limitations of distinct element method for multiscale modeling of materials with multimodal internal structure / E.V. Shilko, S.G. Psakhie, S. Schmauder, V.L. Popov, S.V. Astafurov, A.Yu. Smolin // Computational Materials Science. – 2015. – Vol. 102. – P. 267–285. – doi: 10.1016/j.commatsci.2015.02.026.
  30. Modeling mechanical behaviors of composites with various ratios of matrix-inclusion properties using movable cellular automaton method / A.Yu. Smolin, E.V. Shilko, S.V. Astafurov, S.G. Psakhie // Defence Technology. – 2015. – Vol. 11. – P. 18–34. – doi: 10.1016/j.dt.2014.08.005.
  31. Potyondy D.O., Cundall P.A. A bonded-particle model for rock // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. – 2004. – Vol. 41. – P. 1329–1364. – doi: 10.1016/j.ijrmms.2004.09.011.
  32. Bicanic N. Discrete element methods // Encyclopedia of computational mechanics / ed. by E. Stein, R. De Borst, T.J.R. Hughes. – 2nd ed. – John Wiley & Sons, Ltd, 2017. – P. 1–38. – doi: 10.1002/9781119176817.ecm2006.
  33. Petersen K.E. Silicon as a mechanical material // Proceedings of the IEEE. – 1982. – Vol. 70, N 5. – P. 420–457.
  34. Dudova N., Kaibyshev R., Valitov V. Short-range ordering and the abnormal mechanical properties of a Ni-20% Cr alloy // The Physics of Metals and Metallography. – 2010. – Vol. 08 (6). – P. 625–633. – doi: 10.1134/S0031918X0912014X.
  35. Alejano L.R., Bobet A. Drucker–Prager criterion // Rock Mechanics and Rock Engineering. – 2012. – Vol. 45 (6). – P. 995–999. – doi: 10.1007/s00603-012-0278-2.
  36. Park K., Paulino G.H. Cohesive zone models: a critical review on traction-separation relationships across fracture surfaces // Applied Mechanics Reviews. – 2011. – Vol. 64. – P. 060802/1–060802/20. – doi: 10.1115/1.4023110.
  37. Geubelle P.H., Baylor J.S. Impact-induced delamination of composites: a 2D simulation // Composites Part B: Engineering. – 1998. – Vol. 29. – P. 589–602. – doi: 10.1016/S1359-8368(98)00013-4.
  38. Influence of features of interphase boundaries on mechanical properties and fracture pattern in metal-ceramic composites / S. Psakhie, V. Ovcharenko, Yu. Baohai, A. Mokhovikov // Journal of Materials Science and Technology. – 2013. – Vol. 29. – P. 1025–1034. – doi: 10.1016/j.jmst.2013.08.002.
  39. A numerical study of plastic strain localization and fracture in Al/SiC metal matrix composite / S.V. Smirnov, A.V. Konovalov, M.V. Myasnikova, Yu.V. Khalevitsky, A.S. Smirnov, A.S. Igumnov // Physical Mesomechanics. – 2018. – Vol. 21 (4). – P. 305–313. – doi: 10.1134/S1029959918040045.
  40. Mishnaevsky L. Nanostructured interfaces for enhancing mechanical properties of composites: computational micromechanical studies // Composites Part B: Engineering. – 2015. – Vol. 68. – P. 75–84. – doi: 10.1016/j.compositesb.2014.08.029.
  41. Shinohara K. Relationship between work-hardening exponent and load dependence of Vickers hardness in copper // Journal of Materials Science. – 1993. – Vol. 28. – P. 5325–5329.
  42. Lan H., Venkatesh T.A. On the relationships between hardness and the elastic and plastic properties of isotropic power-law hardening materials // Philosophical Magazine. – 2014. – Vol. 94, N 1. – P. 35–55. – doi: 10.1080/14786435.2013.839889.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».