Simulation of Residual Stresses in Cemented Carbide

Simulering av restspänningar i hårdmetall

KTH, Teknisk mekanik 2021

Cemented carbides are used in a multitude of applications within machining as they can withstand tough conditions. Therefore, the stress state in a virgin material is of interest. After cooling from the sintering stage during cemented carbide production, the large difference in coefficients of thermal expansion of the constituents results in thermal residual microstresses. These may be of significant magnitude that could influence the material's performance in later applications. The present work is therefore concerned with these thermal residual microstresses and deals with them through 2D finite element calculations in ANSYS APDL. The geometry was chosen to try to emulate different conditions that could happen within a cemented carbide grain. The tungsten phase was modeled as fully elastic and the cobalt phase as elastic-plastic with linear hardening. The results show that the stress levels reach such magnitudes that the simple material models used in this work, as well as in previous works, are not sufficient to accurately capture the behavior of the material. The stress levels far exceed the strength of the materials, which would cause them to fail. However, that is not the case in reality. Further, the simulations showed that the microgeometry plays a large role in the distribution of the stresses within each phase. In general, the cobalt phase is subjected to tension and the tungsten phase to compression. However, under certain conditions parts of the tungsten phase can also show tensile stresses.
Hårdmetaller används i många tillämpningar inom skärande bearbetning på grund av dess egenskaper. De klarar av de stora belastningar som uppstår under kontakter i processerna. På grund av obesvarade frågor när det gäller till exempel sprickbildning är spänningstillståndet i ett obelastat material av intresse. Under tillverkningen av hårdmetaller, måste kompositen kylas ned efter sintringen. Kobolt och wolframkarbid har mycket olika värmeutvidgningskoefficienter, vilket resulterar i att termiska restspänningar uppstår. Dessa kan nå en betydande storlek vilket kan påverka materialets prestation under senare användning. Detta arbete behandlar dessa termiska restspänningar genom finita elementberäkningar i ANSYS APDL. Geometrin gjordes i 2D, och valdes för att försöka efterlikna de förhållanden som kan råda inuti ett korn av hårdmetall. Wolframkarbiden modellerades som helt elastisk medan kobolten modellerades som elastisk-plastisk med linjärt hårdnande. Resultaten visar att spänningsnivåerna når sådana nivåer att materialet inte borde klara av belastningen. Materialmodellerna i detta arbete, och tidigare arbeten, är för enkla för att korrekt beskriva materialens beteende. Spänningsnivåerna överstiger materialets styrka, vilket skulle orsaka brott. Detta överensstämmer inte med verkligheten. Vidare visar simuleringarna att mikrogeometrin har spelar stor roll för spänningsfördelningen inom varje fas, där det kan vara stor skillnad inom samma fas. Generellt sett, hamnar kobolten i ett dragtillstånd och wolframkarbiden i tryck. Det finns dock vissa förutsättningar som leder till dragspänningar inom vissa delar av wolframkarbiden.

Applied Mechanics; Teknisk mekanik; Student thesis; info:eu-repo/semantics/bachelorThesis; text

Open access content. Open access content
info:eu-repo/semantics/openAccess

application/pdf
English

UPE oai:DiVA.org:kth-295154
1261905210

UPPSALA UNIV LIBR
From OAIster®, provided by the OCLC Cooperative.

edsoai.on1261905210