Acoustic-Emission Features of Fatigue Crack Propagation in TC4 Titanium Alloy after Laser Shock Peening

Abstract


The study aims at describing characteristic features of acoustic emission (AE) signals during fatigue crack development in the residual stress field pre-created by laser shock peening (LSP). This method consists in the formation of the residual stress field by high-power short-pulse laser impact and generation of the elastic-plastic wave in the material. As a result of such impact, the material structure in the surface layer undergoes changes that affect not only the possibilities of fatigue crack initiation and development, but also the AE characteristics in the process of cyclic deformation. In the course of work, a series of samples from titanium alloy TC4 were subjected to LSP in the stress concentrator zone in order to retard fatigue crack initiation and development. Further, the treated specimens were tested under cyclic deformation conditions to demonstrate the effectiveness of the selected LSP mode. The crack length was measured by the electric potential drop method. AE signals were recorded on the investigated specimens during testing. On the basis of the experimental data obtained, cluster analysis of AE signals was carried out. The AE data were clearly divided into two clusters, which may indicate the presence of two dominant sources of AE signals, qualitatively reflecting the two predominant fracture mechanisms. It has been shown that the value of the cumulative energy of the AE signals in each of the clusters is significantly higher in the post-LSP samples compared to the base samples before the moment of crack growth. Thus, as a result of LSP, significant changes in the evolution of AE signals during cyclic deformation of titanium alloy TC4 specimens with a lateral semicircular notch are observed. This indirectly indicates that LSP affects the structural characteristics of the material, creating a residual stress field and extending the fatigue life of the specimens.

Full Text

Метод акустической эмиссии (АЭ) широко используется как в качестве одного из методов неразрушающего контроля состояния ответственных деталей и конструкций, так и в качестве метода для исследования процессов, сопровождающих рост и развитие поврежденности материалов [1-4]. Усталостные трещины являются наиболее распространенной причиной отказа деталей, работающих при циклическом нагружении. Существует ряд способов поверхностной обработки материалов, которые улучшают прочностные свойства, повышают усталостную и коррозионную стойкость, к ним можно отнести лазерную обработку [5, 6], ионно-вакуумное азотирование [7, 8], дробеструйную обработку [9], ультразвуковую прокатку [10] и др. Одним из современных способов упрочнения материалов является метод лазерной ударной (ЛУ) обработки [11-13], который создает в поверхностном слое материала на глубину до 1 мм поле остаточных напряжений. Происходит перераспределение опасных напряжений из концентраторов в области с меньшим риском развития трещины. Метод ЛУ обработки заключается в том, что на поверхность материала воздействуют высокомощным короткоимпульсным лазером, длительность импульса составляет порядка 10 нс, энергия в импульсе от 1 до 9 Дж в зависимости от необходимого уровня остаточных напряжений. В результате такого воздействия на поверхности материала образуется плазма, которая, расширяясь, генерирует упруго-пластическую волну. Следствием её распространение в материале является появление поля наведенных остаточных напряжений. При эффективной ЛУ обработке полученное поле остаточных напряжений противодействует зарождению и развитию усталостной трещины, а также повышает коррозионную стойкость материала. Такой способ обработки является оптимальным для упрочнения деталей сложной геометрии и малых размеров, а также при предъявлении высоких требований к шероховатости поверхности и отсутствия объемного нагрева материала во избежание фазовых переходов. Ряд исследователей [14-19] отмечают, что после ЛУ обработки структура в тонком поверхностном слое становится более дефектной – повышается плотность дислокаций [17], структурных двойников [18], происходит измельчение и поворот зерен [19], что является дополнительными источниками генерации сигналов АЭ. Мониторинг состояния такого материала методами неразрушающего контроля, в частности методом АЭ, приобретает актуальность, поскольку для оценки остаточного ресурса детали после ЛУ обработки необходимо понимать не только особенности сигналов АЭ, регистрируемых в обработанном материале, но и связывать их со степенью развития поврежденности и, на дальнейших этапах, усталостной трещины. Таким образом, целью данной работы является определение характерных особенностей сигнала АЭ в процессе циклического деформирования плоского образца с концентратором напряжений из титанового сплава Вт6 после его ЛУ упрочнения. На первом этапе работы серия образцов подвергается ЛУ воздействию в зоне концентратора напряжений с целью замедления зарождения и развития усталостной трещины. Далее обработанные образцы испытываются в условиях циклического деформирования, демонстрируется эффективность режима ЛУ упрочнения. На трех образцах: одном базовом (без ЛУ обработки) и двух после ЛУ обработки, в процессе циклического деформирования регистрируются длина трещины методом падения электрического потенциала и сигналы АЭ. На основе полученных экспериментальных данных проводится кластерный анализ сигналов АЭ, определяется эволюция их кумулятивной энергии в каждом из выявленных кластеров в процессе испытания и проводится сравнительный анализ характеристик АЭ в базовом и обработанных образцах.

About the authors

A. Yu Iziumova

Institute of Continuous Media Mechanics of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Perm, Russian Federation; 2Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russia

A. N Vshivkov

Institute of Continuous Media Mechanics of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Perm, Russian Federation; 2Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russia

V. A Mubassarova

Institute of Continuous Media Mechanics of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Perm, Russian Federation; 2Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russia

I. A Panteleev

Institute of Continuous Media Mechanics of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Perm, Russian Federation; 2Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russia

M. V Ugolnikov

Institute of Continuous Media Mechanics of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Perm, Russian Federation; 2Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russia

A. V Ilyinykh

Institute of Continuous Media Mechanics of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Perm, Russian Federation; 2Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russia

O. A Plekhov

Institute of Continuous Media Mechanics of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Perm, Russian Federation; 2Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russia

References

  1. Spivak L. V., Shchepina N.E. Fiziko-khimicheskie osnovy protsessov mikro- i nanotekhnologii [Physicochemical foundations of micro- and nanotechnology processes]. Perm', 2018, pt. 1., 202 p.
  2. Butjagin P. Ju. Himicheskaja fizika tverdogo tela [Chemical physics of solids]. Moskva, Izd-vo Mosk. un-ta (MGU), 2006, 269 p
  3. Gorshkov V.S. Fizicheskaja himija silikatov i drugih tugoplavkih soedinenij [Physical chemistry of silicates and other refractory compounds], [Ucheb. dlja vuzov po spec. "Him. tehnologija tugoplavkih nemetal. i silikat. materialov"]. Moskva, Vyssh. shkola, 1988, 399 p
  4. Anciferov V.N., Gilev V.G. O roli ob#emnyh i massovyh jeffektov reakcij v processah reakcionnogo spekanija [On the role of volume and mass effects of reactions in reaction sintering processes]. Izv. vuzov. Poroshk. metallurgija i funkc. Pokrytija, 2015, no. 4, pp. 9–20 doi: 10.17073/1997-308X-2015-4-9-2
  5. Qilong Wu, Weimin Long, Lei Zhang, Hongwei Zhao. A review on ceramic coatings prepared by laser cladding technology. Optics Laser Technology, 2024, vol. 176, 110993. doi: 10.1016/j.optlastec.2024.11099
  6. Zigui Luo, Qi Jin, Rui Wang, Zhenjia Yang, Zhaoyang Wu, Guangqiang Li. Xi’an Fan High-performance FeSiAl/(Al 2 O3 -Ni) soft magnetic composites prepared by in situ synthesis method. Advanced Powder Technology, 2024, vol. 35, no. 10, 104624. doi: 10.1016/j.apt.2024.10462
  7. Shishkovskij I.V., Jadroitcev I.A., Smurov I.Ju. Sozdanie obemnyh izdelij iz nikelida titana metodom poslojnogo lazernogo plavlenija [Creation of volumetric products from titanium nickelide by the method of layer-by-layer laser melting]. Pis'ma v ZhTF, 2013, vol. 39, iss. 24, pp.15-2
  8. Fomin V.M. i dr. In-situ sintez v processe prjamogo lazernogo vyrashhivanija funkcional'nogo gradientnogo materiala na osnove polikristallicheskogo bora i splava Ti64 [In-situ synthesis in the process of direct laser growth of a functional gradient material based on polycrystalline boron and Ti64 alloy]. Fizicheskaja mezomehanika, 2022, vol. 25, no. 4, pp.34-43. doi: 10.55652/1683-805X_2022_25_4_3
  9. Tretyakov Yu. D. Tverdofaznye reaktsii [Solid phase reactions]. M.: Khimiya Publ., 1978, 360 p
  10. Mehrer H. Diffusion in Solids. Springer Series in Solid-State Sciences, 2007, vol. 155, 654 p. doi: 10.1007/978-3-540-71488-
  11. Braun. M. Reakcii tverdyh tel [Reactions of Solids]. M. : Mir, 1983, 359 p
  12. Rozovskij A. Ja. Kinetika topohimicheskih reakcij [Kinetics of topochemical reactions]. M.: Himija, 1976, 219 p
  13. Del'mon B. Kinetika geterogennyh reakcij [Kinetics of heterogeneous reactions]. Per. s franc, 1972, 556 p
  14. Tretyakov Yu.D. Solid phase reactions. Soros Educational Journal, 1999, no. 4, pp. 35-3
  15. Wyazovkin S., Wight C.A. Isothermal and non-isothermal kinetics of thermally stimulated reactions of solid. International Reviews in Physical Chemistry, 1998, vol. 17, no. 3, 407- 43
  16. Vyazovkin S., Wight C.A. Isothermal and Nonisothermal Reaction Kinetics in Solid: In Search of Ways toward Consensus. J. Phys. Chem. A, 1997, vol. 101, pp. 8279–8284. doi: 10.1021/jp971889
  17. Roduit B. Computational aspects of kinetic analysis. Part E: The ICTAC Kinetics Project-numerical techniques and kinetics of solid state processes. Thermochim. Acta, 2000, vol. 355, p. 171–180. doi: 10.1016/S0040-6031(00)00447-
  18. Khawam A., Flanagan D.R. Solid-state kinetic models: Basics and mathematical fundamentals. J. Phys. Chem. B, 2006, vol. 110, pp. 17315–17328. doi: 10.1021/jp062746a
  19. Khawam A., Flanagan D.R. Basics and Applications of Solid-State Kinetics: A Pharmaceutical Perspective. J. Pharm. Sci., 2006, vol. 95, pp. 472–498. doi: 10.1002/jps.20559 5-
  20. Prigozhin I., Kondepudi D. Sovremennaja termodinamika. Ot teplovyh dvigatelej do dissipativnyh struktur [Modern Thermodynamics: From Heat Engines to Dissipative Structures], 2002, 464 p.
  21. Yannis Vasilopoulos, Eliška Skoˇrepová, Miroslav Šoóš. COMF: Comprehensive Model-Fitting Method for Simulating Isothermal and Single-Step Solid-State Reactions. Crystals, 2020, vol. 10, pp. 139. doi: 10.3390/cryst1002013
  22. Capart R., Khezami L., Burnham A.K. Assessment of various kinetic models for the pyrolysis of a microgranular cellulose. Thermochim. Acta, 2004, vol. 417, pp. 79–89. doi: 10.1016/j.tca.2004.01.02
  23. Zhou D., Grant D.J.W. Model dependence of the activation energy derived from nonisothermal kinetic data. J. Phys. Chem. A, 2004, vol. 108, pp. 4239–4246. doi: 10.1021/jp037917
  24. Vyazovkin S., Chrissafis K., Di Lorenzo M.L., Koga N., Pijolat M., Roduit B., Sbirrazzuoli N., Suñol J.J. ICTAC Kinetics Committee recommendations for collecting experimental thermal analysis data for kinetic computations. Thermochim. Acta, 2014, vol. 590, pp. 1–23. doi: 10.1016/j.tca.2014.05.03
  25. Dickinson C.F., Heal G.R. A review of the ICTAC Kinetics Project, 2000: Part 1. Isothermal results. Thermochim. Acta, 2009, vol. 494, pp. 1–14. doi: 10.1016/j.tca.2009.05.003
  26. Urbanovici E., Segal E. General kinetic equation for solid state reactions. Journal of thermal analysis and Calorimetry, 1999, vol. 55, pp. 919-924
  27. Frank-Kameneckij D.A. Osnovy makrokinetiki. Diffuzija i teploperedacha v himicheskoj kinetike [Fundamentals of Macrokinetics. Diffusion and heat transfer in chemical kinetics]. Dolgoprudnyj: Intellekt, 2008, 408 p.
  28. Rogachev A.S., Mukasjan A.S. Gorenie dlja sinteza materialov: vvedenie v strukturnuju makrokinetiku [Combustion for the synthesis of materials: introduction to structural macrokinetics]. Moskva, 2013, 400 p
  29. Materialoobrazujushhie vysokojekzotermicheskie processy: metallotermija i gorenie sistem termitnogo tipa [Material-forming highly exothermic processes: metallothermy and combustion of thermite-type systems]. Alymov M.I., Juhvid V.I., Levinskij Ju.V. – red. Moskva, 2021, 376 p
  30. A. M. Stolin and P. M. Bazhin. SHS Extrusion: An Overview. International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis, 2014, vol. 23, no. 2, pp. 65–73. doi: 10.3103/S106138621402011
  31. A.P. Aldushin, A.G. Merzhanov, B.I. Khaikin. Some features of combustion of condensed systems with high melting-point reaction products. Dokl. Akad. Nauk SSSR, vol. 204, pp. 1139-1142
  32. A.P. Aldushin [i dr.] Propagation of the front of an exothermic reaction in condensed mixtures with the interaction of the components through a layer of high-melting product. Comb. Explos. Shock Waves, vol. 8 , pp. 202-212
  33. Semiohin I.A., Strakhov B.V. and Osipov A.I. Kinetics of Chemical Reactions. M, Publishing house of Moscow State University, 1995, 351 p
  34. Knjazeva A.G., Sorokova S.N. Modelirovanie formirovanija fazovoj struktury pokrytija v processe jelektronno–luchevoj obrabotki s ispol'zovaniem sinteza v tverdoj faze. Teoreticheskie osnovy himicheskoj tehnologij. [Simulation of coating phase structure formation in solid phase synthesis assisted by electron-beam treatment. Theoretical Foundations of Chemical Engineering], 2008, vol. 42, no. 4, pp. 457– 465
  35. Sorokova S.N., Knjazeva A.G. Matematicheskoe modelirovanie ob’emnyh izmenenij v processe spekanija poroshkov sistemy T-Al. Fizicheskaja mezomehanika [Mathematical modeling of volumetric changes in the process of sintering powders of the T-Al system. Physical mesomechanics], 2008, vol. 11, no. 6. pp. 95-101
  36. Knjazeva A.G. Two-Level Models of Composite Synthesis: History and Potential. Combustion Explosion and Shock Waves, 2024, vol. 60, no. 1, pp.48-62. doi: 10.15372/FGV2023.933
  37. Knyazeva A.G., Anisimova M.A. Two-level model of composite synthesis on a substrate from a powder mixture of TiO2 and Al. 1. Model description and simple examples. Nanoscience and Technology: An International Journal, 2023, vol. 14, no. 3, p. 73-102. doi: 10.1615/NanoSciTechnolIntJ.202304704
  38. Knjazeva A.G. Termomehanicheskaja svjazannaja model' sinteza pokrytija na podlozhke [Thermomechanical coupled model of coating synthesis on a substrate]. Vestnik Permskogo nacional'nogo issledovatel'skogo politehnicheskogo universiteta. Mehanika, 2024, no. 1, pp. 58–74. doi: 10.15593/perm.mech/2024.1.0
  39. Fan R., Liu B., Zhang J., Bi J., Y. Yin. Kinetic evaluation of combustion synthesis 3TiO2 + 7Al → 3TiAl + 2Al2O3 using non-isothermal DSC method. Materials Chemistry and Physics, 15 May 2005, vol. 91, iss. 1, p. 140-145. doi: 10.1016/j.matchemphys.2004.11.00
  40. Zhu H. G., Min J., Ai Y. L., Wu Q. Reaction Mechanism of an Al-TiO2 System. Advanced Materials Research, 2010, vol. 97–101, p. 1624–1627. doi: 10.4028/www.scientific.net/amr.97-101.16

Statistics

Views

Abstract - 4

PDF (Russian) - 5

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2024 Iziumova A.Y., Vshivkov A.N., Mubassarova V.A., Panteleev I.A., Ugolnikov M.V., Ilyinykh A.V., Plekhov O.A.

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

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies