Frontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & Technologies2782-40392782-6074Togliatti State University98910.18323/2782-4039-2024-4-70-2ArticlesСтатьиResearch ArticleComputer prediction of fracture of magnesium alloy cylindrical billet during equal channel angular pressingКомпьютерное прогнозирование разрушения цилиндрической заготовки из магниевого сплава в процессе равноканального углового прессованияhttps://orcid.org/0009-0004-7183-4077VolkovaElena P.ВолковаЕлена Павловна
Russian Federation

junior researcher of the Research Institute of Physics of Advanced Materials

младший научный сотрудник Научно-исследовательского института физики перспективных материалов

epvolkova@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1273-8518KhudododovaGandzhina D.ХудододоваГанджина Дастамбуевна
Russian Federation

junior researcher of the Research Institute of Physics of Advanced Materials

младший научный сотрудник Научно-исследовательского института физики перспективных материалов

khudododova.gd@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-9522-280XBotkinAleksandr V.БоткинАлександр Васильевич
Russian Federation

Doctor of Sciences (Engineering), professor of Chair of Materials Science and Physics of Metals

доктор технических наук, профессор кафедры материаловедения и физики металлов

botkinav@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4340-4067ValievRuslan Z.ВалиевРуслан Зуфарович
Russian Federation

Doctor of Sciences (Physics and Mathematics), Professor, Director of the Research Institute of Physics of Advanced Materials

доктор физико-математических наук, профессор, директор Научно-исследовательского института физики перспективных материалов

ruslan.valiev@ugatu.suUfa University of Science and TechnologyУфимский университет науки и технологий28122024419282712202427122024Copyright ©; 2024, Volkova E.P., Khudododova G.D., Botkin A.V., Valiev R.Z.Copyright ©; 2024, Волкова Е.П., Худододова Г.Д., Боткин А.В., Валиев Р.З.2024Volkova E.P., Khudododova G.D., Botkin A.V., Valiev R.Z.Волкова Е.П., Худододова Г.Д., Боткин А.В., Валиев Р.З.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://vektornaukitech.ru/jour/article/view/989

The main challenge in using magnesium alloys, applied in medicine as biodegradable materials, is their difficult deformability, which in turn leads to frequent failure of samples during severe plastic deformation. This paper shows that the temperature mode of equal channel angular pressing (ECAP) of a Mg–Zn–Ca system magnesium alloy, which ensures deformation of samples without failure, can be determined based on the results of finite-element computer simulation of the stress-strain state of the billet, calculation of alloy damage using the Cockcroft–Latham model, and prediction of the sample failure area. Modelling showed that the surface area of the billet adjacent to the matrix inner corner during ECAP, is the area of possible failure of the magnesium alloy. The value of alloy damage during ECAP in this area at T=350 °C is less than 1, which corresponds to non-failure of the metal. To verify the computer simulation results, ECAP physical simulation was performed; billets without signs of failure were produced. A study of the mechanical properties of the Mg–1%Zn–0.06%Ca magnesium alloy was conducted before and after ECAP processing according to the selected mode: the ultimate strength limit increased by 45 %, the hardness increased by 16 %, while the plasticity increased by 5 %.

Основной сложностью в использовании магниевых сплавов, применяемых в медицине в качестве биоразлагаемых материалов, является труднодеформируемость, что, в свою очередь, приводит к частым разрушениям образцов во время интенсивной пластической деформации. В работе показано, что температурный режим равноканального углового прессования (РКУП) магниевого сплава системы Mg–Zn–Ca, обеспечивающий деформирование образцов без разрушения, возможно определять по результатам конечно-элементного компьютерного моделирования напряженно-деформированного состояния заготовки, расчета поврежденности сплава c использованием модели Кокрофта – Лэтэма и прогнозирования области разрушения образца. Моделирование показало, что поверхностная область заготовки, примыкающая при РКУП к внутреннему углу матрицы, является областью возможного разрушения магниевого сплава. Значение поврежденности сплава при РКУП в этой области при T=350 °C меньше 1, что соответствует неразрушению металла. Для верификации результатов компьютерного моделирования выполнено физическое моделирование РКУП, получены заготовки без признаков разрушения. Произведено исследование механических свойств магниевого сплава Mg–1%Zn–0,06%Ca до и после обработки РКУП по выбранному режиму: предел прочности повысился на 45 %, твердость увеличилась на 16 %, при этом пластичность повысилась на 5 %.

magnesium alloysstress-strain statefinite-element computer simulationalloy damageequal channel angular pressingmicrohardnessultimate strength limitмагниевые сплавынапряженно-деформированное состояниеконечно-элементное компьютерное моделированиеповрежденность сплаваравноканальное угловое прессованиемикротвердостьпредел прочностиThe work was supported by the Russian Science Foundation, project No. 24-43-20015 (https://rscf.ru/project/24-43-20015/). The experimental part was carried out using the equipment of the “Nanotech” Shared Research Facility of Ufa University of Science and Technology.Работа выполнена при поддержке РНФ, проект № 24-43-20015 (https://rscf.ru/project/24-43-20015/). Экспериментальная часть работы выполнена с использованием оборудования ЦКП «Нанотех» ФГБОУ ВО «УУНиТ».Sun Yu, Zhang Baoping, Wang Yin, Geng Lin, Jiao Xiaohu. Preparation and characterization of a new biomedical Mg-Zn-Ca alloy. Materials and Design, 2012, vol. 34, pp 58–64. DOI: 10.1016/j.matdes.2011.07.058.Sun Yu, Zhang Baoping, Wang Yin, Geng Lin, Jiao Xiaohu. Preparation and characterization of a new biomedical Mg-Zn-Ca alloy // Materials and Design. 2012. Vol. 34. P. 58–64. DOI: 10.1016/j.matdes.2011.07.058.Vinogradov A., Merson E., Myagkikh P., Linderov M., Brilevsky A., Merson D. Attaining High Functional Performance in Biodegradable Mg-Alloys: An Overview of Challenges and Prospects for the Mg-Zn-Ca System. Materials, 2023, vol. 16, no. 3, article number 1324. DOI: 10.3390/ma16031324.Vinogradov A., Merson E., Myagkikh P., Linderov M., Brilevsky A., Merson D. Attaining High Functional Performance in Biodegradable Mg-Alloys: An Overview of Challenges and Prospects for the Mg-Zn-Ca System // Materials. 2023. Vol. 16. № 3. Article number 1324. DOI: 10.3390/ma16031324.Valiev R.Z., Zhilyaev A.P., Lengdon T.Dzh. Obemnye nanostrukturnye materialy: fundamentalnye osnovy i primeneniya [Bulk nanostructural materials: fundamental principle and application]. Sankt Petersburg, Eko-Vektor Publ., 2017. 479 p.Валиев Р.З., Жиляев А.П., Лэнгдон Т.Дж. Объемные наноструктурные материалы: фундаментальные основы и применения. СПб.: Эко-Вектор, 2017. 479 с.Martynenko N.S., Anisimova N.Y., Rybalchenko O.V. et al. Rationale for Processing of a Mg-Zn-Ca Alloy by Equal-Channel Angular Pressing for Use in Biodegradable Implants for Osteoreconstruction. Crystals, 2021, vol. 11, article number 1381. DOI: 10.3390/cryst11111381.Martynenko N.S., Anisimova N.Y., Rybalchenko O.V. et al. Rationale for Processing of a Mg-Zn-Ca Alloy by Equal-Channel Angular Pressing for Use in Biodegradable Implants for Osteoreconstruction // Crystals. 2021. Vol. 11. Article number 1381. DOI: 10.3390/cryst11111381.Medeiros M.P., Lopes D.R., Kawasaki M., Langdon T.G., Figueiredo R.B. An Overview on the Effect of Severe Plastic Deformation on the Performance of Magnesium for Biomedical Applications. Materials, 2023, vol. 16, no. 6, article number 2401. DOI: 10.3390/ma16062401.Medeiros M.P., Lopes D.R., Kawasaki M., Langdon T.G., Figueiredo R.B. An Overview on the Effect of Severe Plastic Deformation on the Performance of Magnesium for Biomedical Applications // Materials. 2023. Vol. 16. № 6. Article number 2401. DOI: 10.3390/ma16062401.Rezaei-Baravati A., Kasiri-Asgarani M., Bakhsheshi-Rad H.R., Omidi M., Karamian E. Microstructure, Biodegradation, and Mechanical Properties of Biodegradable Mg-Based Alloy Containing Calcium for Biomedical Applications. Physical Mesomechanics, 2023, vol. 26, no. 2, pp. 176–195. DOI: 10.1134/S1029959923020078.Rezaei-Baravati A., Kasiri-Asgarani M., Bakhsheshi-Rad H.R., Omidi M., Karamian E. Microstructure, Biodegradation, and Mechanical Properties of Biodegradable Mg-Based Alloy Containing Calcium for Biomedical Applications // Physical Mesomechanics. 2023. Vol. 26. № 2. P. 176–195. DOI: 10.1134/S1029959923020078.Alper Incesu, Ali Gungor. Mechanical properties and biodegradability of Mg–Zn–Ca alloys: homogenization heat treatment and hot rolling. Journal of materials science. Materials in medicine, 2020, vol. 31, no. 12, article number 123. DOI: 10.1007/s10856-020-06468-5.Alper Incesu, Ali Gungor. Mechanical properties and biodegradability of Mg–Zn–Ca alloys: homogenization heat treatment and hot rolling // Journal of materials science. Materials in medicine. 2020. Vol. 31. № 12. Article number 123. DOI: 10.1007/s10856-020-06468-5.Roche V., Koga G.Y., Matias T.B., Kiminami C.S., Bolfarini C., Botta W.J., Nogueira R.P., Jorge Junior A.M. Degradation of Biodegradable Implants: The Influence of Microstructure and Composition of Mg-Zn-Ca Alloys. Journal of Alloys and Compounds, 2019, vol. 774, pp. 168–181. DOI: 10.1016/j.jallcom.2018.09.346.Roche V., Koga G.Y., Matias T.B., Kiminami C.S., Bolfarini C., Botta W.J., Nogueira R.P., Jorge Junior A.M. Degradation of Biodegradable Implants: The Influence of Microstructure and Composition of Mg-Zn-Ca Alloys // Journal of Alloys and Compounds. 2019. Vol. 774. P. 168–181. DOI: 10.1016/j.jallcom.2018.09.346.Kolmogorov V.L. Numerical simulation of large plastic deformations and failure of metals. Kuznechno-shtampovochnoe proizvodstvo, 2003, no. 2, pp. 4–16.Колмогоров В.Л. Численное моделирование больших пластических деформаций и разрушения металлов // Кузнечно-штамповочное производство. 2003. № 2. С. 4–16.Botkin A.V., Valiev R.Z., Stepin P.S., Baymukhametov A.Kh. Estimation of metal damage during cold plastic deformation using the Cockcroft–Latham failure model. Deformatsiya i razrushenie materialov, 2011, no. 7, pp. 17–22. EDN: NXAHSN.Боткин А.В., Валиев Р.З., Степин П.С., Баймухаметов А.Х. Оценка поврежденности металла при холодной пластической деформации с использованием модели разрушения Кокрофт – Латам // Деформация и разрушение материалов. 2011. № 7. С. 17–22. EDN: NXAHSN.Kwak Eun Jeong, Bok Cheon Hee, Seo Min Hong, Kim Taek-Soo, Kim Hyoung Seop. Processing and mechanical properties of fine-grained magnesium by equal channel angular pressing. Materials Transactions, 2008, vol. 49, no. 5, pp. 1006–1010. DOI: 10.2320/matertrans.MC200725.Kwak Eun Jeong, Bok Cheon Hee, Seo Min Hong, Kim Taek-Soo, Kim Hyoung Seop. Processing and mechanical properties of fine-grained magnesium by equal channel angular pressing // Materials Transactions. 2008. Vol. 49. № 5. P. 1006–1010. DOI: 10.2320/matertrans.MC200725.Christiansen P., Nielsen C.V., Martins P.A.F., Bay N. Predicting the onset of cracks in bulk metal forming by ductile damage criteria. Procedia Engineering, 2017, vol. 207, pp. 2048–2053. DOI: 10.1016/j.proeng.2017.10.1106.Christiansen P., Nielsen C.V., Martins P.A.F., Bay N. Predicting the onset of cracks in bulk metal forming by ductile damage criteria // Procedia Engineering. 2017. Vol. 207. P. 2048–2053. DOI: 10.1016/j.proeng.2017.10.1106.Vlasov A.V. On the application of the Cockroft–Latham criterion to predict fracture in cold forging. Izvestiya Tulskogo gosudarstvennogo universiteta. Tekhnicheskie nauki, 2017, no. 11-1, pp. 46–58. EDN: ZVLXNV.Власов А.В. О применении критерия Кокрофта – Лэтэма для прогнозирования разрушения при холодной объемной штамповке // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2017. № 11-1. C. 46–58. EDN: ZVLXNV.Matveev M.A. Numerical estimation of the probability of metal failure under hot plastic deformation by means of the Cockcroft – Latham criterion. Nauchno-tekhnicheskie vedomosti SPbPU. Estestvennye i inzhenernye nauki, 2017, vol. 23, no. 2, pp. 109–126. DOI: 10.18721/JEST.230211.Матвеев М.А. Оценка вероятности разрушения металла при горячей пластической деформации с помощью критерия Кокрофта – Латама // Научно-технические ведомости СПбПУ. Естественные и инженерные науки. 2017. Т. 23. № 2. С. 109–126. DOI: 10.18721/JEST.230211.Shtremel M.A. Razrushenie. Razrushenie materialov [Destruction. Destruction of materials]. Moscow, MISIS Publ., 2014. Kn. 1, 670 p.Штремель М.А. Разрушение. В 2-х кн. Кн. 1: Разрушение материалов. М.: МИСИС, 2014. 670 с.Chen Xuewen, Yang Zhen, Zhang Bo, Sun Jiawei, Su Zhiyi, Mao Yiran. An Inverse Optimization Method for the Parameter Determination of the High-Temperature Damage Model and High-Temperature Damage Graph of Ti6Al4V Alloy. Materials, 2023, vol. 16, article number 4770. DOI: 10.3390/ma16134770.Chen Xuewen, Yang Zhen, Zhang Bo, Sun Jiawei, Su Zhiyi, Mao Yiran. An Inverse Optimization Method for the Parameter Determination of the High-Temperature Damage Model and High-Temperature Damage Graph of Ti6Al4V Alloy // Materials. 2023. Vol. 16. Article number 4770. DOI: 10.3390/ma16134770.Khudododova G.D., Kulyasova O.B., Nafikov R.K., Islamgaliev R.K. The structure and mechanical properties of biomedical magnesium alloy Mg–1%Zn–0.2%Ca. Frontier Materials & Technologies, 2022, no. 2, pp. 105–112. DOI: 10.18323/2782-4039-2022-2-105-112.Худододова Г.Д., Кулясова О.Б., Нафиков Р.К., Исламгалиев Р.К. Структура и механические свойства биомедицинского магниевого сплава Mg–1%Zn–0,2%Ca // Frontier Materials & Technologies. 2022. № 2. С. 105–112. DOI: 10.18323/2782-4039-2022-2-105-112.Kulyasova O.B., Islamgaliev R.K. The influence of the structural changes in the Mg-1%Zn-0,2%Ca alloy, produced by ECAP on its mechanical properties. Vestnik Ufimskogo gosudarstvennogo aviatsionnogo tekhnicheskogo universiteta, 2018, vol. 22, no. 3, pp. 24–29. EDN: YAAWLZ.Кулясова О.Б., Исламгалиев Р.К. Влияние структурных изменений на механические свойства сплава Mg-1%Zn-0,2%Ca, полученного методом равноканального углового прессования // Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. 2018. Т. 22. № 3. С. 24–29. EDN: YAAWLZ.Cockcroft M.G., Latham D.J. Ductility and Workability of metals. Journal of the Institute of Metals, 1968, vol. 96, pp. 33–39.Cockcroft M.G., Latham D.J. Ductility and Workability of metals // Journal of the Institute of Metals. 1968. Vol. 96. P. 33–39.Botkin A.V., Valiev R.Z., Kublikova A.A., Dubinina S.V. Determining the shear plasticity of metals on the basis of torsion-tension tests. Steel in Translation, 2013, vol. 43, no. 6, pp. 360–364. DOI: 10.3103/S096709121306003X.Боткин А.В., Валиев Р.З., Кубликова A.A., Дубинина С.В. Исследование пластичности металла при сдвиге на основе результатов испытаний образцов кручением, совместным с растяжением (сжатием) // Известия высших учебных заведений. Черная Металлургия. 2013. № 6. С. 60–65. DOI: 10.17073/0368-0797-2013-6-60-65.Gao Lin, Zhao Jiang, Quan Guo-zheng, Xiong Wei, An Chao. Study on the Evolution of Damage Degradation at Different Temperatures and Strain Rates for Ti-6Al-4V Alloy. High Temperature Materials and Processes, 2018, vol. 38, pp. 332–341. DOI: 10.1515/htmp-2018-0091.Gao Lin, Zhao Jiang, Quan Guo-zheng, Xiong Wei, An Chao. Study on the Evolution of Damage Degradation at Different Temperatures and Strain Rates for Ti-6Al-4V Alloy // High Temperature Materials and Processes. 2018. Vol. 38. P. 332–341. DOI: 10.1515/htmp-2018-0091.Kozulyn A.A., Skripnyak V.A., Krasnoveikin V.A., Skripnyak V.V., Karavatskii A.K. An investigation of physico-mechanical properties of ultrafine-grained magnesium alloys subjected to severe plastic deformation. Russian Physics Journal, 2015, vol. 57, no. 9, pp. 1261–1267. DOI: 10.1007/s11182-015-0372-5.Козулин А.А., Скрипняк В.А., Красновейкин В.А., Скрипняк В.В., Каравацкий А.К. Исследование физико-механических свойств ультрамелкозернистых магниевых сплавов после интенсивной пластической деформации // Известия высших учебных заведений. Физика. 2014. Т. 57. № 9. С. 98–104. EDN: SXZFZX.Iwahashi Y., Wang J., Horita Z., Nemoto M., Langdon T.G. Principle of equal-channel angular pressing for the processing of ultra-fine-grained materials. Scripta Materialia, 1996, vol. 35, no. 2, pp. 143–146. DOI: 10.1016/1359-6462(96)00107-8.Iwahashi Y., Wang J., Horita Z., Nemoto M., Langdon T.G. Principle of equal-channel angular pressing for the processing of ultra-fine-grained materials // Scripta Materialia. 1996. Vol. 35. № 2. P. 143–146. DOI: 10.1016/1359-6462(96)00107-8.