Advanced

Modeling and characterization of mechanical properties in Titanium alloys.

Olsson, Martin LU (2018) FYSM60 20181
Mathematical Physics
Department of Physics
Abstract (Swedish)
The industry today strives for the development of new materials and production methods to reduce CO2 emissions and production cost with lighter materials and more effective manufacturing processes. Scientists and engineers work with different methods and models to ensure the demands for new technology. The aim of this thesis is to experimentally measure the mechanical properties of two titanium alloys (ATI 425™ and Ti-6242) and compare the results to the well-known alloy Ti-6Al-4V. The two alloys were also correlated to the constitutive model proposed by Nemat-Nasser and Guo, [1] for Ti-6Al-4V; to predict the plastic hardening process of the titanium alloys. The elastic properties was measured and the first principle method called Density... (More)
The industry today strives for the development of new materials and production methods to reduce CO2 emissions and production cost with lighter materials and more effective manufacturing processes. Scientists and engineers work with different methods and models to ensure the demands for new technology. The aim of this thesis is to experimentally measure the mechanical properties of two titanium alloys (ATI 425™ and Ti-6242) and compare the results to the well-known alloy Ti-6Al-4V. The two alloys were also correlated to the constitutive model proposed by Nemat-Nasser and Guo, [1] for Ti-6Al-4V; to predict the plastic hardening process of the titanium alloys. The elastic properties was measured and the first principle method called Density Functional Theory (DFT) was studied as a method to calculate the elastic constants of titanium and titanium alloys.
The motivation for the project was the company GKN Aerospace interest in the new
material ATI 425™. The hoped result from the measurement is improved mechanical properties compared to the materials used today. Providing lower forming temperature which decreases the manufacturing time, energy consumption and cost. The motivation for the first principle and constitutive model simulations originate in the industry demand for improved simulations to reduce new development time. The thermo-mechanical properties were measured with uniaxial tensile tests to measure the stress vs strain curves and impulse excitation to measure the harmonic frequencies to calculate Young’s modulus. The constitutive model was applied for the two characterized alloys and fitted with the inverse modeling software INVSYS.
The first principle calculations using DFT were investigated for titanium alloys, as a preparatory study before performing calculations on the analyzed alloys in this project.
The results from the measurements and the constitutive model indicate that ATI 425
and Ti-6Al-4V have similar properties up to the engine running temperature. When the temperature reach over ∼400 °C ATI 425 becomes more ductile compared to Ti-6Al-4V. This indicate that the material can be formed at a lower temperature compared to Ti-6Al-4V. However, ATI 425 show better agreement than Ti-6242 which indicate that a number of parameters in the model which has been approximated as identical to Ti-6AL-4V are not entirely correct. The theoretical and preparatory work conducted on the method of Density Functional Theory gave valuable insights about the efficiency and accuracy of the method and that continuing work would be beneficial. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Titanlegeringar
”Supermaterial”, deras egenskaper och hur de modelleras.
Vetskapen om ett materials egenskaper är viktigt för tillverkningsprocessen, men framförallt
för den färdiga applikationen. Särskilt viktigt är det för produkter framställda av
titanlegeringar där användningsområdena är i kritiska miljöer och applikationer. Exempel på
användningsområden är satelliter, raketer, flygplansmotorer och kirurgiska implantat. GKN
Aerospace Engine Systems Sweden vill undersöka två olika materials egenskaper för att
förbättra tillverkningsprocessen av flygmotordetaljer. Vinnova finansierar projektet
LIGHTest som detta examensarbete är en del av.
Syftet med detta projekt var att analysera egenskaperna hos två titanlegeringar (ATI 425... (More)
Titanlegeringar
”Supermaterial”, deras egenskaper och hur de modelleras.
Vetskapen om ett materials egenskaper är viktigt för tillverkningsprocessen, men framförallt
för den färdiga applikationen. Särskilt viktigt är det för produkter framställda av
titanlegeringar där användningsområdena är i kritiska miljöer och applikationer. Exempel på
användningsområden är satelliter, raketer, flygplansmotorer och kirurgiska implantat. GKN
Aerospace Engine Systems Sweden vill undersöka två olika materials egenskaper för att
förbättra tillverkningsprocessen av flygmotordetaljer. Vinnova finansierar projektet
LIGHTest som detta examensarbete är en del av.
Syftet med detta projekt var att analysera egenskaperna hos två titanlegeringar (ATI 425 och Ti6242).
Titanlegeringen ATI 425 jämfördes med titanlegeringar som redan används i
flygplansmotorer idag (Ti-6Al-4V samt Ti-6242). Målet var att studera om ATI 425 skulle kunna
varmformas vid en lägre temperatur än vad som används idag för Ti-6Al-4V och Ti-6242, då
tillverkaren anser att ATI 425 kan formas vid en lägre temperatur. En sänkt formningstemperatur vid
tillverkningen av motor detaljen minskar energiförbrukningen och tillverkningstiden vilket minskar
kostnaden av produkten samt förbättra arbetsmiljön. Dock får inte det nya materialets egenskaper
under drift vara sämre än de traditionellt använda materialen. För att uppnå syftet delades projektet
in i tre delar.
Del ett var att experimentellt undersöka de elastiska och plastiska materialegenskaperna för ATI 425
och Ti-6242. I del två utvärderades om en konstitutiv modell, framtagen för Ti-6Al-4V, kunde
användas för att simulera det plastiska hårdnandet under spänning (Kraft/Area) för ATI 425 och Ti6242.
Del tre var att beräkna de elastiska konstanterna hos titan med en första principmetod så
kallad Densitets Funktional Teori (DFT).
Resultaten visar att ATI 425 har liknande egenskaper upp till driftstemperaturen som Ti-6Al-4V.
När temperaturen passerar 400°C uppmärksammades skillnader mellan materialen, dvs ATI 425 har
lägre sträckgräns och är mer duktilt . Detta tyder på att ATI 425 bör kunna tillverkas vid en lägre
temperatur ca 600°C än det tidigare använda materialet Ti-6AL-4V som tillverkas vid en temperatur
över 700°C. Resultatet visar också att Ti-6242 har högre stabilitet vid högre temperatur än ATI 425
och Ti-6Al-4V, vilket möjliggör användningsområden i flygplansmotorn där driftstemperaturen är
högre. Mätningarna av de elastiska egenskaperna visade att ATI 425 har en lägre elasticitets modul
vilket betyder att ATI 425 är mer elastiskt än Ti-6Al-4V och Ti-6242, samt att elasticitsmodulen
minskade med ökad temperatur.
Resultatet av jämförelsen mellan den konstitutiva modellen och experimenten visade att modellen
stämmer bättre överens med ATI 425 än med Ti-6242. Vilket indikerar att likheterna mellan ATI
425 och Ti-6Al-4V är större än med Ti-6242. DFT beräkningarna tog för lång tid på grund av
otillräcklig beräkningskapacitet. Däremot gav tidigare studier att DFT metoden är framgångsrik vid
beräkning av de elastiska egenskaperna för titanlegeringar vid olika temperaturer.
Kunskapen om materialegenskaperna är viktig då material används för kritiska applikationer i
samhället. Materialen väljs för rätt användningsområde, dels ur ett säkerhetsperspektiv men också
utifrån klimatpåverkan. För att kunna välja rätt material måste egenskaperna hos materialet vara
känt, men viktigt är också att känna till påfrestningarna vid tillverkningsprocess och
användningsområde. Höga krav ställ då på simulationerna av de olika processerna, vilket forskare
ständigt utvecklar. Det är därför av stor vikt att forska vidare om DFT metoden och konstitutiva modeller.

Handledare: Eva-Lis Odenberger
Projektet ingår i LIGHTest Diarenr: 2017-02452
GKN Aerospace Engine Systems Sweden
Examensarbete 60 hp i matematisk fysik 2018
Fysiska institutionen, Lunds universitet
Swerea IVF Olofström Examensarbete, Naturvetenskap, Lunds universitet (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Olsson, Martin LU
supervisor
organization
course
FYSM60 20181
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
keywords
Titanium, alloys, Density Functional Theory
language
English
id
8954267
date added to LUP
2018-07-10 10:09:10
date last changed
2018-07-10 10:09:10
@misc{8954267,
  abstract     = {The industry today strives for the development of new materials and production methods to reduce CO2 emissions and production cost with lighter materials and more effective manufacturing processes. Scientists and engineers work with different methods and models to ensure the demands for new technology. The aim of this thesis is to experimentally measure the mechanical properties of two titanium alloys (ATI 425™ and Ti-6242) and compare the results to the well-known alloy Ti-6Al-4V. The two alloys were also correlated to the constitutive model proposed by Nemat-Nasser and Guo, [1] for Ti-6Al-4V; to predict the plastic hardening process of the titanium alloys. The elastic properties was measured and the first principle method called Density Functional Theory (DFT) was studied as a method to calculate the elastic constants of titanium and titanium alloys.
The motivation for the project was the company GKN Aerospace interest in the new
material ATI 425™. The hoped result from the measurement is improved mechanical properties compared to the materials used today. Providing lower forming temperature which decreases the manufacturing time, energy consumption and cost. The motivation for the first principle and constitutive model simulations originate in the industry demand for improved simulations to reduce new development time. The thermo-mechanical properties were measured with uniaxial tensile tests to measure the stress vs strain curves and impulse excitation to measure the harmonic frequencies to calculate Young’s modulus. The constitutive model was applied for the two characterized alloys and fitted with the inverse modeling software INVSYS. 
The first principle calculations using DFT were investigated for titanium alloys, as a preparatory study before performing calculations on the analyzed alloys in this project.
The results from the measurements and the constitutive model indicate that ATI 425
and Ti-6Al-4V have similar properties up to the engine running temperature. When the temperature reach over ∼400 °C ATI 425 becomes more ductile compared to Ti-6Al-4V. This indicate that the material can be formed at a lower temperature compared to Ti-6Al-4V. However, ATI 425 show better agreement than Ti-6242 which indicate that a number of parameters in the model which has been approximated as identical to Ti-6AL-4V are not entirely correct. The theoretical and preparatory work conducted on the method of Density Functional Theory gave valuable insights about the efficiency and accuracy of the method and that continuing work would be beneficial.},
  author       = {Olsson, Martin},
  keyword      = {Titanium,alloys,Density Functional Theory},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {Modeling and characterization of mechanical properties in Titanium alloys.},
  year         = {2018},
}