FRACTURE SURFACE ANALYSIS OF SELECTIVE LASER SINTERED

Chem. Listy 105, s589s590 (2011) Materiál v inžinierskej praxi 2011

s589

FRACTURE SURFACE ANALYSIS OF SELECTIVE LASER SINTERED POLYAMIDE

MICHAELA VYROUBALOVÁ Department of Materials Engineering, Faculty of Mechanical Engineering, Czech Technical University in Prague, Karlovo náměstí 13, 121 35 Prague 2, Czech Republic [email protected]

Keywords: selective laser sintering, polyamide 12, fracture surface, microstructure

1. Introduction

Selective laser sintering (SLS) is one of the frequently used technologies suitable for rapid manufacturing of poly-meric materials. In SLS a layer of heated powder is spread on a piston and selected areas are fused by laser, the piston is then lowered and the whole process repeated. For better un-derstanding of correlation between manufacturing conditions and mechanical properties several investigations in the poly-mer surface microstructure have been presented in the litera-ture. Liu-Lan et al.1 studied the effect of the morphological development and fracture behaviour of the polyamide mate-rial manufactured by SLS method. It was shown the top sur-faces of specimens built under different values of fill laser power, powder bed temperature and different slice thickness. It was presented that higher laser power improved the fusion between particles, higher bed temperature decreases the width and depth of pores. Moeskops et al.2 approved the existence of spherulites within the laser sintered material. Spherulites were 50 m in diameter, which was the equal size of an indi-vidual powder particle before sintering. Zarringhalam et al.3 presented a microstructure of selective laser sintered parts, where it was demonstrated, that the unmelted particles were surrounded by spherulites. This occurred within larger powder grains while smaller grains were fully melted and thus recrys-tallized completely. It was reported6 that the energy density influences the internal microstructure in terms on improper solidification when lower energy density is applied. Greater energy density improves mechanical properties and reduces the occurrence of pores inside the manufactured part. Van Hooreweder et al.4 studied the microstructure of SLS polyam-ide 12 under dynamic tension and compression. Crack initia-tion started from inclusions in the material caused by improp-erly sintered powder particles. It was also found out, that the crack initiatiors were most usualy porosities or areas with powder particles that were not fully melted5. In this paper a closer investigation has been done due to the fact that high quality micrographs are often missing. Closer investigation revealed the unique common features within the all fracture surfaces.

2. Experimental Testing samples were manufactured by EOSINT P700

machine. As a testing material PA 2200 Fine Polyamide, which is a powder on the basis of polyamide 12, was used. Two different energy densities and two different orientations were applied.

Microstructure of the fracture surfaces was studied with the help of scanning electron microscope JSM 7600F. Chosen fracture surfaces of tensile testing and charpy impact testing bars were examined. Prior to the SEM analysis, all fracture surfaces were deposited with thin aluminium layer in the vac-uum evaporator to avoid charging.

3. Results and discussion

Firstly the fracture surfaces were studied from the gen-

eral point of view. Ductile as well as brittle type of fracture was found among all samples, even though the ductile area portion increased with the higher energy density and also the orientation influenced the brittle-ductile behaviour of the specimen.

Fig. 1 shows the typical deformation behaviour of not fully melted particle. Inside the cracks several lines of macro-molecules can be seen. Moreover spherulites grown around the unfused particle form the molten material. Fig. 2 shows another typical feature known as spherulite morphology. Spherulites are present due to the semicrystaline nature of this polymer. In Fig. 3 a porous morphology together with the crack propagation is presented. Pores act as initiators as well

Fig. 1. Particle deformation


s590

as propagators of the brittle crack. The crack can more easily propagate form one pore to another thus increasing the propa-gation rate. Fig. 4 shows an unsintered area mostly to be found near the sample surface. These particles obtained too low laser energy, so they did not fully melt and fuse together.

The evaluation of fracture surface area of SLS samples revealed that great improvements in the technology itself have to be done in order to obtain better mechanical properties in general. For example better distribution of powder when spread onto the surface during manufacturing could minimize the presence of pores. Also the adjustment of laser power among the not properly sintered areas could avoid the easy crack initiation. Fracture surfaces corelate with the measured mechanical properties and clarify the ductile or brittle behav-iour of the material.

This paper has been supported by the CTU project

SGS10/257/OHK2/3T/12 and by company Materialise that provided the samples. REFERENCES

1. Liu-Lan L., et al.: J. Wuhan University of Technology-Mater. Sci. Ed. 18/3, 60 (2003).

2. Moeskops E., et al.: Proc. of the Solid Freeform Fabrica-tion Symp. on Creep Behaviour of PA in SLS Univ. Texas in Austin, USA, (2004).

3. Zarringhalam H. et al.: Mater. Sci. Eng., A 435-436, 172 (2006).

4. Van Hooreweder B., et al.: Polym. Test. 29/3, 319 (2010).

5. Jollivet T., et al.: Int. J. Mater. Form. 2/1, 697 (2009).

M. Vyroubalová (Czech Technical University in Pra-gue, Czech Republic): Fracture Surface Analysis of Selec-tive Laser Sintered Polyamide

Selective laser sintering (SLS) is one of the frequently

used technologies suitable for rapid manufacturing of poly-meric materials. In SLS a layer of heated powder is spread on a piston and selected areas are fused by laser, the piston is than lowered and the whole process repeated. For better un-derstanding of correlation between manufacturing conditions and properties of sintered part, several studies have been done. In this study fracture surfaces of SLS polyamide 12 were analysed. Moreover variable manufacturing conditions were involved. Brittle and ductile fracture surfaces were found among all samples as well as characteristic microstruc-ture features. It was shown that manufacturing conditions affect not only mechanical properties but also character of fracture surfaces.

Fig. 2. Spherulites

Fig. 3. Porosity

Fig. 4. Unsintered particles


s591

FRANTIŠKA PEŠLOVÁa, EVGENIY ANISIMOVa,

MIROSLAVA OBUCHOVÁb

a České Vysoké Učení Technické v Praze, Fakulta strojní, Ústav materiálového Inženýrství, Karlovo nám. 13, 121 32 Praha 2, b Ústav fyzikálního inženýrství materiálů, Fakul-ta průmyslové techniky, Univerzita Alexandra Dubčeka v Trenčíně, Slovensko [email protected], [email protected], [email protected]

Klíčová slova: šedá litina, fosfidické eutektikum, mezní stav, vady struktury

1. Přístup k řešení daného problému

Vadou se rozumí každá odchylka rozměru, tvaru, struk-tury a vlastnosti materiálu od jejich předepsaných hodnot. Vady podle charakteru lze rozdělit na přípustné, které technic-ké normy připouští. Vady opravitelné, které vhodným techno-logickým zásahem lze převést na vady přípustné. A vady nepřípustné, které se nesmí v daném výrobku vyskytovat. Na vznik vad a iniciací porušení v odlitcích, má velký vliv pri-mární metalurgický proces.

Heterogenita struktury odlitku se může potom projevit ve velikosti zrna, chemickém složení, výskytu sulfidů, fosfi-dického eutektika, mikročistotě nebo v segregaci prvků. Pro zhodnocení struktury předkládaného materiálu bylo provede-no mikroskopické zkoumání, které umožnilo stanovit trhlinu, její charakter a případné změny struktury v jejím okolí. V této oblasti byla provedena chemická analýza prvků a zhodnocení matrice v okolí grafitických částic. Výskyt trhlin se identifi-koval na povrchu pláště válce motoru pomocí kapilární meto-dy, jejiž rozměr dosahoval až 40 mm.

Pro hodnocení velikosti, morfologie a rozložení grafitu byly vybrané vzorky leštěné (obr. 1). Další strukturní fáze a charakter kovové matrice šedé litiny se hodnotily na leptané struktuře, 2% Nitalem (obr. 2). Jednalo se o grafit lupínkový (I) s nerovnoměrným rozložením, kde se vyskytoval grafit (B) – růžicovité rozložení a v některých lokalitách grafit (C), různé velikosti 4, 5 (obr. 2). Ferit ve struktuře nepřekročil obsah 3 %.

V matrici a v okolí grafitických lupínků byl zaznamenán výskyt nehomogenit (vměstků, obr. 3, 4) a dalších fází, které byly detekované jako fosfidické eutektikum (obr. 5). Detail-nějším zkoumáním (při zvětšení 300 až 400 násobném) se objevovaly lokality s výskytem vměstků, které v průběhu přípravy vypadly ze struktury obr. 3, nebo zůstaly v matrici, jak zobrazuje obr. 4, kde je vidět charakteristický tvar nevy-padnutého vměstku. Tyto vměstky měly ostrohranný tvar, který odpovídá komplexům Fe-MnSi, a bylo i pozdější che-mickou analýzou prokázané (obr. 6).

Naleptaná struktura je výhodná pro identifikaci nežá-doucích fází, kde následnou chemickou analýzou a zkouškami mikrotvrdosti bylo vyhodnocené fosfidické eutektikum

(obr. 5). Toto fosfidické eutektikum netvoří souvislé síťoví, ale v průměru 30 až 80 m různě velké útvary. Charakter struktury fosfidického eutektika není lamelární ale pórovitý o různém průměru důlků (obr. 5b).

Na vybraných místech struktur byly plošně analýzovány oblasti fosfidického eutektika, perlitu, okolí grafitických čás-tic a trhlin (obr. 6).

Chemická analýza prvků prokázala, že se jedná o nerovnoměrné rozložení zásadních prvků (Cr, P, S). Tato nerovnoměrnost vede při ochlazování k heterogennímu vylu-čování jednotlivých fází. Oblast bohatá na fosfor dokazuje, že se jedná o fosfidické eutektikum.

Studium rozložení prvků v okolí trhliny prokázalo, že tyto oblasti jsou bohaté na kyslík, který tvoří oxidy v trhlině. Výskyt a charakteristické rozložení oxidů potvrzuje vznik

MEZNÍ STAVY PORUŠOVÁNÍ VLOŽKY VÁLCE MOTORU

Obr. 1. Šedá litina bez leptání Obr. 2. Šedá litina, lept. 2 % Nital

Obr. 4. Tvar vměstků Obr. 3. Vypadnutý vměstek

a b

Obr. 5. Fosfidické eutektikum a jeho detail


s592

trhlin v období ochlazování tekuté fáze šedé litiny. Velký obsah fosforu způsobuje výskyt ternární fáze, která je tvrdá, křehká a nežádoucí z pohledu deformačně-napěťových stavů v objemu sledované struktury.

3. Závěry

Hodnocená grafitická šedá litina se vyznačovala růžico-vitým rozložením lupínků grafitu což lze přisoudit nedokona-lému očkování a nerovnoměrné rychlosti ochlazování odlitků.

Výskyt fosfidického eutektika cca 20 % ukazuje také na hluboké odsíření v těchto oblastech (viz. chemická analýza) a kumulací fosforu v mikrolokalitách. Z těchto poznatků lze konstatovat, že dochází v mikrostruktuře k velkým deformač-ně-napěťovým stavům, které způsobují iniciaci trhlin a pod-porují jejich šíření.

Výskyt a morfologie trhlin (obr. 7) zobrazuje trhliny, které se v objemu litiny větví a procházejí oblastí nerovno-měrného rozložení fosforu, případně jiných prvků.

Vady v lité struktuře ovlivňují mezní stavy deformace odlitků v takové míře, jak tyto vady ovlivňují elastické a prů-řezové charakteristiky. Vměstky, které mají jiné elastické charakteristiky než základní materiál, mohou ovlivňovat glo-bální elastické charakteristiky základního materiálu. Necelist-vostí ovlivňují průřezové charakteristiky. Vznik mezních stavů, v návazností na porušování soudržností materiálu sou-visí s napjatostí v bodě tělesa, konkrétně s velikostí a časo-vým průběhem složek tenzorů napětí. Tyto napjatostní mezní stavy jsou superponovány dalšími vadami odlitku. V případě výskytu zbytkových napětí je nebezpečí, že se tyto budou za provozu více znásobovat ještě s napětími provozními. Velmi nebezpečná jsou tahová zbytková napětí, která se objevují v oblastech technologických trhlin a v místech koncentrátorů napětí, k nímž patří vměstky, staženiny, ale i dlouhé tenké lupínky grafitu.

Závěrem lze konstatovat, že takto vyrobená šedá litina nevyhovuje z pohledu porušení struktury, výskytu nežádou-cích vměstků a také rozložením a velikosti grafitických lu-pínků. Prokázané heterogenity svědčí o nepřípustných vadách ve struktuře vložek válců motoru, které se nedají následnými technologickými procesy ani odstranit ani eliminovat.

Článek vznikl za podpory EU proektu Inovační Centrum Diagnostiky a Aplikace Materiálů na ČVUT v Praze CZ.2.16/3.1.00/21037. LITERATURA

1. Kuchař L., Drápala J.: Metalurgie čistých kovů. Nadávka R. Kammela, Košice 2000.

2. Pešlová F., Borkowski S.: Opracowanie i redakcja nau-kowa. Wydawnistwo Menedžerskie, Waszawa 2006.

F. Pešlováa, E. Anisimova, M. Obuchováb (a České

vysoké učení technické v Praze, Czech Republic , b Univerzita Alexandra Dubčeka v Trenčíne, Slovakia): Limit States Breaches Engine Cylinder Liners.

This paper discusses the occurrence of undesirable de-

fects of the cylinder engine shell with aparticular focus on the limit state of the structure violation of cast material ASTM A-48-76.

Prvek hm.% at.% O K 4.81 14.54 Al K 0.36 0.64 Si K 2.53 4.36 P K 0.50 0.78 S K 0.17 0.26 Ca K 0.09 0.11 Cr K 0.51 0.47 Mn K 0.72 0.64 Fe K 90.31 78.20 Celkem 100.00

Obr. 6. Plošná analýza chemických prvků v oblasti kořenu trhliny

Obr. 7. Oblast větvení trhliny

a b


s593

IZABELA BERNÁTHOVÁ, MARTIN SOPKO

Katedra náuky o materiáloch, Hutnícka fakulta, Technická Univerzita Košice, Letná 9, 042 00 Košice, Slovenská republika [email protected], [email protected]

Kľúčové slová: ECAP, biomateriály, fraktografia, striácie, únava v krute

1. Úvod

Únava je proces prebiehajúci pri technickom využití

materiálov s progresívnym a lokalizovaným štruktúrnym po-škodením, ktoré nastáva v materiáli pôsobením cyklického zaťažovania. Maximálne hodnoty napätia pri zaťažovaní ne-dosahujú pevnosť materiálu a prevažne sú volené pod medzou klzu materiálu1. Únavu delíme na vysokocyklovú – počet cyklov 103 až 108 a nízkocyklovú – počet cyklov menej ako 103 cyklov. Čím väčšia je amplitúda rozkmitu, tým je kratšia únavová životnosť. Únavová životnosť je ovplyvnená aj iný-mi faktormi, ako napr. povrchová úprava, prítomnosť oxidač-ných alebo inertných prostredí, zvyškové napätia, teplota, atď. Únavový lom vzniká a šíri sa pôsobením premenlivých me-chanických napätí a väčšinou sa iniciuje na povrchu v miestach koncentrácie napätia.

V technickej praxi z konštrukčných materiálov má veľký priestor pre použitie titán, resp. jeho zliatiny. Pomerne novou aplikačnou oblasťou titánu, ktorý má vysokú biokompatibilitu k živému organizmu je v medicínskej praxi. Vzľadom na miniaturizáciu náhrad v ľudskom organizme sa hľadajú tech-nológie zvyšovania užitočných vlastností7 a to cestou napr. znižovania rozmeru zrna, ktorú umožňuje technológia uhlové-ho pretláčania (ECAP).

Štruktúra a vlastnosti titánu po technológii spracovania uhlovým pretláčaním sú ešte v malej miere preskúmané. V prácach2,6 sa venujú porovnaniu statických charakteristík komerčne čistého titánu s titánom po intenzivnej plastickej deformácii. Vzhľadom k tomu, že sa titán začína využívať pre biomedicínske účely je potrebné študovať okrem statických charakteristík aj jeho únavové vlastnosti pri cyklickom zaťa-žovaní. Z prác35 sú známe výsledky únavových vlastností pri namáhaní v ťahu. Predkladaný príspevok sa zameriava na doplnenie poznatkov o únavových charakteristikách pri namá-haní v krute. 2. Materiál a metodika experimentu

Ako experimentálny materiál bol titán s nanoštruktúrou nTi o priemere tyče Ø7,56 mm pripravený technológiou ECAP Equal Chanel Angular Pressing (uhlové pretláčanie kanálom rovnakého prierezu). Pri tomto technologickom pro-cese dochádza k zmene štruktúry materiálu, t.j. zmenšeniu štruktúrnych zŕn a taktiež k zmene mechanických vlastností, ktoré sú podstatne vyššie. Pre použitý experimentálny mate-

riál sú mechanické vlastnosti: Rp0,2 = 1290 MPa, Rm = 1310 MPa, A5 = 10,0 %, Z = 51 % a HV10 = 330. Únavové vlastnosti nTi boli sledované v podmienkach cyklického namáhania v krute pri súčiniteľovi nesúmernosti R = 1 na únavovom stroji PWOG firmy Carl Schenck. Pre skúšku kru-tom boli vyrobené skúšobné tyče, ktorých tvar je na obr. 1, resp. spôsob upnutia na obr. 2. Priemer namáhaného drieku bol 6,0 mm a frekvencia zaťažovania 35Hz

3. Experimentálne výsledky a ich rozbor

Na základe výsledkov únavových skúšok pri namáhaní v krute bola zostrojená závislosť napätie – počet cyklov, ktorá je graficky znázornená na obr. 3.

Pri daných podmienkach skúšky na únavu titánu s nanoštruktúrou boli sledované aj situácie okamihu iniciácie

VZNIK TRHLINY A CHARAKTER LOMOVÝCH PLÔCH U TITÁNU S NANOŠTRUKTÚROU PRI NAMÁHANÍ V KRUTE

Obr. 1. Tvar skúšobnej tyče s trhlinou pokrytou titánovým práš-kom na jej povrchu, zv. 4x

Obr. 2. Spôsob upnutia vzorky pri namáhaní v krute a tvorba viacerých trhlín titánového prášku na povrchu, zv. 4x

Obr. 3. Wöhlerová krivka pri namáhaní v krute


s594

trhliny, ktorá sa prejavila objavením Ti prášku na povrchu skúšanej vzorky (príklad prášku na povrchu je na obr. 1, obr. 2), resp. signalizáciou prístroja jeho vypnutím. Príklad objavenia sa produktov z únavového procesu na povrchu skú-šobných tyčí doposiaľ v odbornej literatúre nebol opísaný. Okamih objavenia sa Ti prášku na povrchu sme definovali ako iniciáciu trhliny a tieto hodnoty počtu cyklov na obr. 3 vymedzujú počiatočné pásmo pre iniciáciu trhliny. Pri skúš-kach boli pozorované viaceré iniaciačné pásma po obvode skúšanej vzorky ako to dokumentuje obr. 2. Naprašené miesta s nárastom počtu cyklov sa predlžovali, resp. šírka naprašené-ho miesta sa zväčšovala. V týchto miestach sa vytvorila trhli-na (resp. viacero trhlín s iniaciačným charakterom) ktorá bola orientovaná rovnobežne s osou vzorky. Detailný pohľad na trhlinu je na obr. 4. Povrch materiálu na skúšobných vzorkách počas iniciácie mikrotrhlín je všeobecne bez zvláštnych mak-roskopicky pozorovateľných znakov. Usudzuje sa, že niektoré častice sekundárnych fáz, alebo inklúzie môžu iniciovať úna-vovú trhlinku, ktorá rastie do rozmeru, ktorý už môže byť detekovaný. Kedy prasklinu označíme za makrotrhlinu, je vecou definície a rozlišovacej schopnosti analýzy.

K porušeniu dochádzalo pozdĺž osi vzorky a v šmyko-vých rovinách pod uhlom 45° nastalo dolomenie, obr. 5. Ob-javili sa aj prípady keď sa zo vzorky odlúpila časť tyče z na-máhaného drieku. Počty cyklov pri ktorých nastalo porušenie vzoriek ukončuje pásmo šírenia únavovej trhliny a predstavuje šikmú vetvu Wöhlerovej krivky, obr. 3.

Z nameraných výsledkov týkajúcich sa počtu cyklov do porušenia od aplikovaného napätia τ bola šikmá vetva únavo-vej závislosti matematicky opísaná parametrickou rovnicou priamky (1), s najmenšími odhadmi metódou najmenších štvorcov. Pre uvedenú rovnicu (1), boli stanovené hodnoty a, b a parametrická rovnica nadobudla tvar:

log N = 7,6692 – 0,0104 τ (1)

Výsledky fraktografického pozorovania dokázali rozdiel-nosti lomových charakteristík, najmä v prípadoch, keď vzorky vykazujú značné štruktúrne odlišnosti a rozdielne mechanické vlastnosti. Titánové materiály sa vyznačujú mnohotvárnosťou porušovania. Na lomových plochách môžeme sledovať trans-kryštalické štiepne porušenie a zmiešaný lom. Charakteristic-ký pohľad na porušené skúšobné tyče z nanoštruktúrneho titánu je na obr. 6, 7 a 8.

Povrchy únavových lomov v čistom titáne sú charakteri-zované aj výskytom striácií. Výskyt striácií je dôkazom toho, že študovaný lom je únavový1. Domnievame sa, že každá

Obr. 4. Vznik prvotných trhlín na skúšobných vzorkách v smere osi vzorky, zv. 4x

Obr. 5. Dolomenie nTi pod cca 45˚ uhlom

Obr. 6. Šípka znázorňuje iniciačné miesto na lomovej ploche nTi

Obr. 7. Šípka znázorňuje terasovité šírenie lomu u nTi

Obr. 8. Šípka znázorňuje oddychové čiary na lomovej ploche u nTi


s595

striácia reprezentuje jeden zaťažovací cyklus a vzdialenosť medzi následnými striáciami je úmerná rýchlosti rastu únavo-vej trhliny v danom okamihu.

Pomocou odpočinkových čiar a tvaru striácií, obr. 9 sa môžeme dostať k miestu iniciácie únavového lomu, ale ich neprítomnosť nevylučuje, že lom nevznikol únavovým proce-som. V takýchto prípadoch charakteristickým znakom únavo-vého lomu môže byť mierne terasovité šírenie lomu, objave-nie sa tzv. krížových čiar, vláknitý lom, alebo prítomnosť početných trhlín, rovnobežných s postupujúcim frontom úna-vovej trhliny. V oblasti finálneho lomu výskyt postupových čiar a striácií už nie je pozorovateľný. Charakteristický po-vrch únavového lomu so striáciami je znázornený na obr. 9.

4. Záver Na základe vykonaných skúšok na vzorkách z čistého

titánu s nanoštruktúrou nTi môžeme konštatovať nasledovné: Únavový proces u titánu s nanoštruktúrou priebeha ini-

ciáciou trhliny, ktorej predbieha tvorba titánového prášku na povrchu vzorky.

Iniciačné miesta na povrchu boli zistené na viacerých miestach po obvode skúšaných vzoriek

Hlavná trhlina sa šíri pozdĺžne v smere osi vzorky, kde sú maximálne normálové napätia a dolomenie vzniká pod uhlom cca 45°. LITERATÚRA

1. Hrivňák I.: Fraktografia. Slovenská Technická Univerzi-ta, Materiálovotechnologická fakulta, Bratislava 2009.

2. Petruželka J., et al.: Čes. Stomat. 106, 72 (2006). 3. Semanova I. P., et al.: Mater. Sci. Ing. A 503, 92 (2009). 4. Valiev R. Z., et al.: Adv. Eng. Mater. 8, 10 (2008). 5. Cavaliere P.: Int. J. Fatigue 31, 1476 (2009). 6. Greger M., Kocich R., Černý M., Kander L.: Metal 2009,

Hradec nad Moravicí, 19.-21. 5 2009. TANGER s.r.o. 2009.

7. Pernis R.: Teória a technológia výroby kalíškov. TnUAD v Trenčíne, Trenčín 2009.

I. Bernáthová, M. Sopko (Department of Materials

Science, Faculty of Metallurgy, TU of Košice, Slovakia): Crack Formation and the Character of Fractured Sur-faces of Nano-Titanium in Torsion Loading

In article is analyzed the fracture process of titanium

with the nanostructure produced by ECAP in torsion loading. The fracture process is overshooting by the cracks formation parallel to the specimen axis and is finalized by the angle of 45 degrees to it. The titanium powder has been observed on the crack surfaces which indicated the crack initiation. The fractured surfaces showed the features of transcrystalline cleavage fracture and the areas with the striations.

Obr. 9. Striácie na lomovej ploche u nTi

Documents

FRACTURE SURFACE ANALYSIS OF SELECTIVE LASER SINTERED