Engineering, Metallurgy, Architecture and Transport Sciences
Department or equivalent
Bay Zoltán Nonprofit Ltd.
Participants
Barkai, István Csitkó, Zsolt Lenkeyné dr. Biró, Gyöngyvér Mertinger, Valéria Rózsahegyi, Péter
Starting date
2012-02-01
Closing date
2015-08-31
Funding (in million HUF)
23.601
FTE (full time equivalent)
5.31
state
closed project
Summary in Hungarian
A projekt egyik célja tömbi ultra-finomszemcsés (UFSZ), kereskedelmi tisztaságú titán előállítása intenzív képlékeny alakító (IKA) és hagyományos képlékeny alakító eljárások kombinációival, amelyekkel a további alkalmazás számára optimális mikro szerkezetet hozunk létre. Az IKA sajátossága, hogy anizotrop tulajdonságú anyag készíthető vele. A projekt másik célkitűzése a fenti módon előállított UFSZ titán statikus és ciklikus terhelés alatti mechanikai és mikro szerkezeti törvényszerűségeinek feltárása, a mikroszkopikus anyagszerkezeti jellemzők és a mechanikai tulajdonságokat leíró paraméterek közötti kapcsolat alapján, azaz a mikoszerkezeti jellemzőket is figyelembe vevő, a kontinuum-mechanikai méretezést szolgáló anyagegyenlet felállítása. A kutatás aktualitását az adja, hogy a vizsgálni kívánt anyagok az emberi testbe építhető implantátumok, protézisek perspektivikus anyagai, így az eredmények birtokában megbízható tervezés, élettartambecslés érhető el. Ehhez kapcsolódik, hogy a vizsgálatok egy részét az emberi szervezet testnedveit modellező környezetben végezzük el. A kutatási munka eredményeként meghatározzuk az UFSZ titán károsodását leíró fizikai egyenleteket, amelyek tükrözik az állapottényezők, a folyamat ciklikus jellegének valamint a mikro szerkezet változásának a hatását. Részletesen elemezzük a különleges anyagszerkezet stabilitásának feltételeit. A kutatáshoz kapcsolódó beszerzések révén a meglévő unikális anyagvizsgálati háttér méréstechnikai feltételei fejlődnek.
Summary
The project is focusing on the following achievements: • Producing bulk ultra-fine grained (UFG) commercial titanium by combination of different forming techniques based on severe plastic deformation (SPD). By the use of SPD anisotropic material can be produced wit optimal microstructure for further usage. • Investigation the relations between parameters of microstructure and the mechanical properties of the base material under static, thermo-mechanical and cyclic loading. Some tests will be made in the environment which can simulate the chemical effect in human body. • The necessary parameters of applicable constitutive laws will be investigated to describe the stress, strain and strain rate fields in the UFG materials taking into account the effect of temperature, anisotropy, and different loading conditions. The importance of this research is confirmed by the fact that ultra-fine grained materials are one of the most promising application in biomedical engineering.(implants, prosthesis, etc.). The design, life time assessment can be made in more reliable bases by the use of the test results. The stability, failure condition and failure limit of this special material structure will be also investigated. The infrastructure of material testing and measurement techniques will be improved by mounting new facilities under the project.
Final report
Results in Hungarian
A projektben két fő, egymással kapcsolatban lévő irányban végeztünk vizsgálatokat. Az egyik terület a tömbi ultra-finomszemcsés (UFSZ) Grade 2 titán anyag előállítása, a másik terület az így előállított anyag statikus és ciklikus igénybevétellel történő terhelése.
Előzetes kutatásaink alapján megállapítottuk, hogy az intenzív képlékenyalakító eljárások közül a hengerlés és a többirányú kovácsolás olyan módszerek, amelyek könnyen alkalmazhatók ipari környezetben is. Esetünkben az egyik módszer a kaliberhengerlés, a másik egy kombinált eljárás, amelyben a többirányú kovácsolást kapcsoltuk össze a síkhengerlés folyamatával.
A képlékenyalakítás termo-mechanikai elemzése érdekében véges elemes számításokat végeztünk. Igazoltuk, hogy az általunk használt módszerek nem-monoton jellegűek .
Az alakított anyag mikro szerkezetének elemzése érdekében TEM és röntgen diffrakciós vizsgálatokat végeztünk. Az eredmények azt mutatták, hogy a különböző technológiai paraméterek mellett alakított Grade 2 titán esetében UFSZ anyagszerkezetet sikerült előállítani.
Kutatási munkánk másik részében UFSZ titánból előállított próbatesteken ciklikus terhelési vizsgálatokat végeztünk egytengelyű és biaxiális körülmények között. A kísérletek során a vizsgálati közeg levegő és fiziológiás oldat volt. A fárasztó vizsgálati eredmények arról tanúskodtak, hogy az UFSZ anyag nagyobb kifáradási határral rendelkezik, mint hagyományos szemcseméretű megfelelője.
Results in English
The project has two main directions in relation to each other. One area is the production of bulk ultrafine grained titanium material (UFG), the another one is the static and cyclic loading of the produced material, which was accompanied by microstructural investigations.
Based on our preliminary research, it was found that among the SPD methods, rolling and multi-directional forging can easily be applied to industrial environments. In our case caliber rolling and a combined procedure, consisting of multi-directional forging and plane rolling, were applied.
For the thermo-mechanical process analysis finite element calculations were performed, from which we determined the so called deformation history. It was confirmed that our processes have non-monotonous nature. We have elaborated an indicator for the determination of the non-monotonicity.
In order to analyze the microstructure of the deformed material TEM and X-ray diffraction studies were carried out. The results showed that, using these different processes, Grade 2 titanium with UFG material structure could be produced. Another part of the research work on UFG titanium specimen cyclic loading tests were carried out under uniaxial and biaxial conditions. During the experiments the test medium was air and a physiological solution. The fatigue test results showed that the UFG material has a higher fatigue limit than its conventional counterpart.
G.Krallics, J.Gubicza, Z.Bezi: Production of ultrafine-grained titanium by industrial caliber rolling., Proceedings of ICANM 2015: International conference &exhibition on advanced and nanomaterials.pp.211-221., 2015
Szucs M, Krallics G, Lenard JG: The stribeck curve in cold flat rolling, INT J MATER FORM 36: , 2015
Krállics G, Gubicza J, Bezi Z, Barkai I: Manufacturing of ultrafine-grained titanium by caliber rolling in the laboratory and in industry, J MATER PROCESS TECH 214: (7) 1307-1315, 2014
Révész Á, Gajdics M, Varga LK, Krállics Gy, Péter L, Spassov Tony: Hydrogen storage of nanocrystalline Mg–Ni alloy processed by equal-channel angular pressing and cold rolling, INT J HYDROGEN ENERG 39: (18) 9911-9917, 2014
Tareg S Ben Naser, György Krállics: Mechanical behavior of multiple forged Al 7075 aluminium alloy, ACTA POLYTECH HUNG 11: (7) 103-117, 2014
P. Bereczki, V. Szombathelyi, G. Krállics: Determination of flow curve at large cyclic plastic strain by multiaxial forging on MaxStrain System, International Journal of Mechanical Sciences, 2014
V.Szombathelyi, G.Krállics, P. Rózsahegyi: Determination of Flow Curve by Cylindrical Upsetting Based on the Principle of Virtual Velocities, MATERIALS SCIENCE, TESTING AND INFORMATICS VI Book Series: Materials Science Forum, 2014
P. Bereczki, V. Szombathelyi, G.Krallics: Producing of Ultrafine grained Metals by Cyclic Severe Plastic Deformation at Room Temperature, Nanospd 6 konferencia kiadványa, 2014
