Edge damageability and fracture resistance of elements made of brittle and semibrittle materials

Розроблено технічний підхід для оцінювання опору руйнуванню та пошкоджуваності крайових зон елементів конструкцій з крихких та квазікрихких матеріалів, який дозволяє уникнути недоліки, що виникають при застосуванні гострого індентора й отримати можливість визначити безперервні та дискретні характеристики опору самої кромки. Спосіб тестування полягав в скануванні кромки при переміщенні навантажувального елемента з циліндричною поверхнею вздовж грані пластини. Як параметри пошкоджуваності використовують величини максимальних та середніх відколів по передній та торцевій поверхні та їх співвідношення, площу відколів. Як показники локального опору руйнуванню кромки використовується відношення навантаження до розмірів відколів. Визначено особливості механічної поведінки гострої кромки скла при локальному дискретному навантаженні та при безперервному скануванні. Для скла встановлено два механізми локального руйнування: сколювання з переважним впливом механізму відриву та викришування і роздрібнення фрагментів кромки з переважним впливом механізмів розсіяного руйнування. Виконано експериментальну оцінку характеру і ступеню пошкоджень та опору локальному руйнуванню твердосплавної різальної пластини у вихідному стані та із зносостійким PVD – покриттям TiAlN. Показано, що безперервне скануванняі дозволяє оцінити закономірності поведінки краю елементів при локальному навантаженні з урахуванням рівня та характеру дефектності.Technical approach for evaluation of the fracture resistance and damageability of edge areas for structural elements made of brittle and quasibrittle materials, which avoids drawbacks arising from the use of sharp indenter and enables to determine continuous and discrete characteristics of the edge resistance is developed. To implement the test of the parts edge a special arrangement is developed. The testing method is that a loading element with cylindrical surface is moving along the edge of the specimen and scanning one. As the load element carbide or polycrystalline superhard material plate is suggested. The test subjects were edges of flat glass plates and cemented carbide cutting tool. As the parameters of damageability maximum and mean sizes of chips on the front surface and the flank one and their ratio, as well as square of chips are used. As the indicator of local resistance to fracture of edges the ratio of load to the size of chips is proposed. The features of mechanical behavior of acute glass edge at a local discrete load and in continuous scanning are determined. Two mechanisms for local fracture of glass: chipping with the predominant influence of the breaking-off mechanism and microchipping and crushing of edge fragments with the predominant influence of mechanisms of scattered fracture were detected. The experimental evaluation of the nature and degree of damage and fracture resistance for cemented carbide cutting tool in its original condition and with wear-resistant PVD - coating TiAlN is obtained. It is shown that the application of brittle wear-resistant coating reduces cutting edge fracture under the local loading. The mechanisms of edge fracture of brittle and quasibrittle materials are revealed. It is proved that the ratio of mean sizes of chips on the front surface and the flank one as well as the indicator of local resistance to fracture of edges characterize brittleness of the material under the local loading. It is shown that the results of continuous scanning allow estimating the behaviour of elements’ edge under the local loading with the considering of level and nature of defects. Complex of characteristics obtained by the proposed method can be used to improve the load carrying capacity of brittle and quasibrittle elements by improving design solutions, edge technology and surface modification of materials

Strengthening of carbide cutting tool for heavy machinery on the base of surface and bulk modification by physical methods

Аналіз роботи та відмов інструменту при обробці на важких верстатах показав, що поряд з виходом з ладу інструменту внаслідок зносу майже половина відмов спричиняється крихким руйнуванням різальної частини твердосплавної пластини, яке проявляється у викришуванні різальних кромок та сколюванні різальної частини. Це зумовлює необхідність застосовування методів поверхневої та об’ємної модифікації для підвищення ресурсу й роботоздатності інструменту. Показано, що ефективним методом підвищення поверхневої міцності та зносостійкості твердого сплаву є нанесення PVD – покриттів дискретного типу з параметрами, які цілеспрямовано обираються за критеріями адгезійної та когезійної міцності. Отримано, що обробка твердосплавного інструменту імпульсним магнітним полем призводить до зростання границі міцності на згин при статичному навантаженні на 16…27%, підвищення періоду стійкості до руйнування на 17% та зменшує розкид величин показників, які характеризують експлуатаційну надійність різальних інструментів.Analysis of the tool work and refusals ,when heavy cutting, showed that in addition with the tool wear, almost half of refusals are caused by brittle fracture of the cutting carbides, which manifests itself in the microchipping of cutting edges and tool cutting part chipping. This determines necessity to use methods of surface and bulk modification to improve tool performance and life time. As the method of surface modification the plasma vapor deposition (PVD) was chosen and the pulsed magnetic field treatment was suggested as a method for bulk modification. It is proposed to create discrete surface topography coatings with purposeful chosen parameters that can prevent the loss of stability of coating elements under the action of compressive residual stresses and cohesion cracking under tensile stresses. For longitudinal compression, the discrete region size is calculated using the theory of stability of elastic systems; under tensile stresses сohesion cracking of a coating can be avoided if a coating region size would be determined from the calculated crack step. This increases the efficiency of PVD – coatings and extends the sphere of their application to carbide cutting tool for heavy machines. Tests in industrial conditions showed that the life time of replaceable insert SNMN 190912T with TiN discrete coating increases in 3.7 times and 1.45 times as compared with the uncoated tool and one with continuous coating. It is obtained that the treatment of carbide tool with pulsed magnetic field leads to an increase in bending strength limit under static load by 16 ... 27%. The dependence of this increase on the treatment regime and tool material was found. Laboratory tests for carbide cutting tool by "breaking feeding "method showed that the pulsed magnetic field treatment leads to an increase in the period of resistance to fracture by 17% and reduce the coefficient of variation by 34%. Application of pulsed magnetic field minimizes scatter values of indicators characterizing operational reliability of cutting tool. It is concluded that promising methods to improve tool performance and life time are techniques that combine surface and bulk modification

Estimation of local strength and damageability of brittle materials on experimental data distribution of statistical parameters

Проведен статистический анализ результатов испытаний листового стекла и алюмокерамики при царпании со скалыванием индентором Роквелла. Определены параметры распределения Вейбулла для экспериментальных результатов. Получены статистически обоснованные значения параметра повреждаемости при вероятности разрушения от 0,01 до 0,99, что позволило уточнить характеристики локальной прочности стекла и керамики и повысить достоверность прогноза работоспособности материала при заданной вероятности разрушения ответственных изделий. Показана неприемлемость линейной аппроксимации зависимости разрушающей нагрузки P от расстояния разрушения L при локальном нагружении хрупких материалов. Для листового стекла в области малых нагрузок обнаруженa аномально высокая повреждаемость, характеризующаяся возможными размерами скола до 0,520 мм, что в три раза превышает предельные размеры сколов для керамики Al2О3-1. Результаты могут быть использованы при выборе и оптимизации технологии изготовления оптического стекла, дентокерамики и режущего керамического инструмента.Local strength and the edge damageability of amorphous and crystalline brittle materials are estimated by the methods of statistical analysis. The Weibull distribution is used to analyze experimental data of scratching with edge chipping for the samples of float glass and dense ceramics Al2О3-1. The shape and the scale parameters of the Weibull distribution for the experimental results on the edge destruction, depending on the distance from the edge are determined. A fundamental difference in the mechanical behavior of amorphous and crystalline brittle materials under the local loading is detected. Statistically valid values of damageability parameter L for the fracture probability in the interval 0.01...0.99 are obtained. This allowed specifying the characteristics of the local strength of glass and ceramics, and improving the reliability of the forecast performance of the material at a given probability of failure. It is obtained, that dense ceramic is characterized by non-linear S-shaped form of the plot of the fracture load P versus fracture distance L. In the range of high loads of glass, a similar to ceramic S-shaped dependence P = f (L) is observed. Abnormally high damageability for float glass in the range of small loads characterized by chipping to the possible size of 0.520 mm, which is three times the size for chipping of ceramic Al2O3-1, is detected. It is shown that the estimation error in the parameter of fracture resistance to chipping FRS at the failure probability of 1% as an average value of the ratio P/L was 64% and 391% for ceramics and glass, respectively, compared with the predicted resistance to chipping, defined on the basis of a probabilistic approach. This proves the unacceptability of the linear approximation of the dependence P = f (L), which has been adopted in literature, especially for critical parts made of the brittle materials. The results are the basis for a focused selection of brittle materials, depending on their function. The results can be used for selecting and optimizing the manufacturing technology of optical glass, dental ceramics and ceramic cutting tool

A cyclic universe with colour fields

The topology of the universe is discussed in relation to the singularity problem. We explore the possibility that the initial state of the universe might have had a structure with 3-Klein bottle topology, which would lead to a model of a nonsingular oscillating (cyclic) universe with a well-defined boundary condition. The same topology is assumed to be intrinsic to the nature of the hypothetical primitive constituents of matter (usually called preons) giving rise to the observed variety of elementary particles. Some phenomenological implications of this approach are also discussed.Comment: 21 pages, 9 figures; v.4: final versio

Edge damageability and fracture resistance of elements made of brittle and semibrittle materials

Розроблено технічний підхід для оцінювання опору руйнуванню та пошкоджуваності крайових зон елементів конструкцій з крихких та квазікрихких матеріалів, який дозволяє уникнути недоліки, що виникають при застосуванні гострого індентора й отримати можливість визначити безперервні та дискретні характеристики опору самої кромки. Спосіб тестування полягав в скануванні кромки при переміщенні навантажувального елемента з циліндричною поверхнею вздовж грані пластини. Як параметри пошкоджуваності використовують величини максимальних та середніх відколів по передній та торцевій поверхні та їх співвідношення, площу відколів. Як показники локального опору руйнуванню кромки використовується відношення навантаження до розмірів відколів. Визначено особливості механічної поведінки гострої кромки скла при локальному дискретному навантаженні та при безперервному скануванні. Для скла встановлено два механізми локального руйнування: сколювання з переважним впливом механізму відриву та викришування і роздрібнення фрагментів кромки з переважним впливом механізмів розсіяного руйнування. Виконано експериментальну оцінку характеру і ступеню пошкоджень та опору локальному руйнуванню твердосплавної різальної пластини у вихідному стані та із зносостійким PVD – покриттям TiAlN. Показано, що безперервне скануванняі дозволяє оцінити закономірності поведінки краю елементів при локальному навантаженні з урахуванням рівня та характеру дефектності. Ключові слова: по