Hành Vi Cơ Học của Tấm Thép Hình Cầu: Tác Động của Các Đặc Điểm Vi Cấu, Tải Trọng và Mô Hình Điều Kiện Biên

Journal of Materials Engineering and Performance - Tập 32 - Trang 6350-6364 - 2022
Mona Einolghozati1, Ahmad Assempour1
1Department of Mechanical Engineering, Sharif University of Technology, Tehran, Iran

Tóm tắt

Trong nghiên cứu này, các tác động của các đặc điểm vi cấu trúc lên hành vi cơ học của các tấm thép hình cầu được điều tra. Phương pháp phần tử hữu hạn tinh thể nhựa được sử dụng cho các mô phỏng. Để phục vụ cho mục đích này, một phần mềm tiền xử lý và sinh trưởng tinh thể 2D đã được phát triển. Một loạt các yếu tố thể tích đại diện (RVE) với các vi cấu trúc và điều kiện biên khác nhau đã được tạo ra. Các tham số cứng hóa trong các mô phỏng được hiệu chỉnh dựa trên dữ liệu thực nghiệm có sẵn trong tài liệu. Sau đó, hành vi chảy của các tấm thép dưới tải trọng kéo đơn trục và cắt tinh khiết đã được chiết xuất, và các tác động của tỷ lệ và kích thước hạt xi măng vào hành vi của tấm thép đã được điều tra. Khi tỷ lệ và kích thước hạt xi măng tăng lên, độ kéo dài đồng đều giảm đi. Ngoài ra, các tác động của điều kiện biên và phân bố hạt xi măng trong tấm thép cũng đã được nghiên cứu. Nó cũng cho thấy rằng các điều kiện biên đối xứng áp đặt nhiều hạn chế hơn lên vật liệu, khiến các tấm thép cứng hơn và hư hại bắt đầu sớm hơn. Ba RVE với các phân bố hạt khác nhau đã được mô hình hóa. Các kết quả mô phỏng cho thấy rằng bằng cách tăng tỷ lệ hạt trong cấu trúc phân băng, hư hại bắt đầu sớm hơn và độ biến dạng đồng đều giảm xuống.

Từ khóa

#vi cấu trúc #hành vi cơ học #tấm thép hình cầu #mô phỏng phần tử hữu hạn #điều kiện biên

Tài liệu tham khảo

A. Abdollah-Zadeh, A. Salemi and H. Assadi, Mechanical Behavior of CrMo Steel with Tempered Martensite and Ferrite–Bainite–Martensite Microstructure, Mater. Sci. Eng. A, 2008, 483, p 325–328. G. Krauss, Steels: processing, structure, and performance, ASM International, 2015. https://doi.org/10.31399/asm.tb.spsp2.9781627082655 A. Kamyabi-Gol and M. Sheikh-Amiri, Spheroidized Kinetics and Optimization of Heat Treatment Parameters in CK60 Steel using Taguchi Robust Design, J. Iron. Steel Res. Int., 2010, 17(4), p 45–52. R. Song, D. Ponge and D. Raabe, Mechanical Properties of an Ultrafine Grained C-Mn Steel Processed by Warm Deformation and Annealing, Acta Mater., 2005, 53(18), p 4881–4892. L. Hadji, M. Avcar and Ö. Civalek, An Analytical Solution for the Free Vibration of FG Nanoplates, J. Braz. Soc. Mech. Sci. Eng., 2021, 43(9), p 1–14. M. Al-Furjan, M. Habibi, G. Chen, H. Safarpour, M. Safarpour, A. Tounsi, (2020) Chaotic Simulation of the Multi-Phase Reinforced Thermo-Elastic Disk Using GDQM. Eng. Comput: 1–24. M. Al-Furjan, M. Habibi, A. Ghabussi, H. Safarpour, M. Safarpour and A. Tounsi, Non-Polynomial Framework for Stress and Strain Response of the FG-GPLRC Disk Using Three-Dimensional Refined Higher-Order Theory, Eng. Struct., 2021, 228, 111496. M. Al-Furjan, M. Habibi, J. Ni, A. Tounsi, Frequency Simulation of Viscoelastic Multi-Phase Reinforced Fully Symmetric Systems. Eng. Comput (2020) 1–17. M. Al-Furjan, M. Habibi, L. Shan and A. Tounsi, On the Vibrations of the Imperfect Sandwich Higher-Order Disk with A Lactic Core Using Generalize Differential Quadrature Method, Compos. Struct., 2021, 257, 113150. M. Al-Furjan, H. Safarpour, M. Habibi, M. Safarpour, A. Tounsi, A Comprehensive Computational Approach for Nonlinear Thermal Instability of the Electrically FG-GPLRC Disk Based on GDQ Method, Eng. Comput (2020) 1–18. X. Huang, H. Hao, K. Oslub, M. Habibi and A. Tounsi, Dynamic stability/Instability Simulation of the Rotary Size-Dependent Functionally Graded Microsystem, Eng. Comput., 2021 https://doi.org/10.1007/s00366-021-01399-3 A. Shariati, M. Habibi, A. Tounsi, H. Safarpour and M. Safa, Application of Exact Continuum Size-Dependent Theory for Stability and Frequency Analysis of a cuRVEd Cantilevered Microtubule by Considering Viscoelastic Properties, Eng. Comput, 2021, 37(4), p 3629–3648. S. Xi and Y. Su, Phase Field Study of the Microstructural Dynamic Evolution and Mechanical Response of NiTi Shape Memory Alloy Under Mechanical Loading, Materials, 2021, 14(1), p 183. S. Xi and Y. Su, A Phase Field Study of the Grain-Size Effect on the Thermomechanical Behavior of Polycrystalline NiTi Thin Films, Acta Mech., 2021, 232(11), p 4545–4566. X. Li and Y. Su, A Phase-Field Study of the Martensitic Detwinning in NiTi Shape Memory Alloys Under Tension or Compression, Acta Mech., 2020, 231(4), p 1539–1557. F. Harewood and P. McHugh, Investigation of Finite Element Mesh Independence in Rate Dependent Materials, Comput. Mater. Sci., 2006, 37(4), p 442–453. M. Karimpour, 2012. Modelling of Interfacial Problems at Various Length Scales in Polycrystalline Materials. Imperial college. london X. You, T. Connolley, P. McHugh, H. Cuddy and C. Motz, A Combined Experimental and Computational Study of Deformation in Grains of Biomedical Grade 316LVM Stainless Steel, Acta Mater., 2006, 54(18), p 4825–4840. X. Sun, K.S. Choi, W.N. Liu and M.A. Khaleel, Predicting Failure Modes and Ductility of Dual Phase Steels Using Plastic Strain Localization, Int. J. Plast, 2009, 25(10), p 1888–1909. L. Anand and S. Kalidindi, The Process of Shear Band Formation in Plane Strain Compression of Fcc Metals: Effects of Crystallographic Texture, Mech. Mater., 1994, 17(2–3), p 223–243. J. Kadkhodapour, A. Butz, S. Ziaei-Rad and S. Schmauder, A Micro Mechanical Study on Failure Initiation of Dual Phase Steels Under Tension Using Single Crystal Plasticity Model, Int. J. Plast, 2011, 27(7), p 1103–1125. T. Kanit, S. Forest, I. Galliet, V. Mounoury and D. Jeulin, Determination of the Size of the Representative Volume Element for Random Composites: Statistical and Numerical Approach, Int. J. Solids Struct., 2003, 40(13–14), p 3647–3679. A. Ramazani, K. Mukherjee, U. Prahl and W. Bleck, Modelling the Effect of Microstructural Banding on the Flow Curve Behaviour of Dual-Phase (DP) Steels, Comput. Mater. Sci., 2012, 52(1), p 46–54. G. Laschet, P. Fayek, T. Henke, H. Quade and U. Prahl, Derivation of Anisotropic Flow Curves of Ferrite–Pearlite Pipeline Steel Via A Two-Level Homogenisation Scheme, Mater. Sci. Eng., A, 2013, 566, p 143–156. R. Ekici, M.K. Apalak, M. Yıldırım and F. Nair, Effects of Random Particle Dispersion and Size On The Indentation Behavior of SiC Particle Reinforced Metal Matrix Composites, Mater. Des., 2010, 31(6), p 2818–2833. M. Yuan, Y. Yang, C. Li, P. Heng and L. Li, Numerical Analysis of the Stress–Strain Distributions in the Particle Reinforced Metal Matrix Composite SiC/6064Al, Mater. Des., 2012, 38, p 1–6. I.N. Orbulov, J. Dobranszky and A. Nemeth, Microstructural Characterisation of Syntactic Foams, J. Mater. Sci., 2009, 44(15), p 4013–4019. H. Qing, Automatic Generation of 2D Micromechanical Finite Element Model of Silicon–Carbide/Aluminum Metal Matrix Composites: Effects of the Boundary Conditions, Mater. Des., 2013, 44, p 446–453. M. Mazinani and W. Poole, Effect of Martensite Plasticity on the Deformation Behavior of a Low-carbon Dual-phase Steel, Metall. and Mater. Trans. A., 2007, 38(2), p 328–339. N. Jia, Y. Shen, J. Liang, X. Feng, H. Wang and R. Misra, Nanoscale Spheroidized Cementite Induced Ultrahigh Strength-ductility Combination in Innovatively Processed Ultrafine-grained Low Alloy Medium-carbon Steel, Sci. Rep., 2017, 7(1), p 1–9. J. Liang, Y. Shen, C. Zhang, X. Feng, H. Wang and X. Sun, In situ Neutron Diffraction in Quantifying Deformation Behaviors of Nano-sized Carbide Strengthened UFG Ferritic Steel, Mater. Sci. Eng., A, 2018, 726, p 298–308. J. Liang, Y. Shen, R. Misra and P. Liaw, High Strength-superplasticity Combination of Ultrafine-grained Ferritic Steel: The Significant Role of Nanoscale Carbides, J. Mater. Sci. Technol., 2021, 83, p 131–144. Y. Huang, A user-material subroutine incroporating single crystal plasticity in the ABAQUS finite element program, HaRVEard Univ, Cambridge, 1991. X. Zhuang, S. Ma and Z. Zhao, A Microstructure-based Macro-micro Multi-scale Fine-blanking Simulation of Ferrite-cementite Steels, Int. J. Mech. Sci., 2017, 128, p 414–427. O. Amelirad and A. Assempour, Experimental and Crystal Plasticity Evaluation of Grain Size Effect on Formability of Austenitic Stainless Steel Sheets, J. Manuf. Process., 2019, 47, p 310–323. C. Zheng, L. Li, Y. Wang, W. Yang and Z. Sun, Micromechanical Behavior of Eutectoid Steel Quantified by an Analytical Model Calibrated by in Situ Synchrotron-based X-ray Diffraction, Mater. Sci. Eng., A, 2015, 631, p 181–188. J.W. Hutchinson, (1976). Bounds and Self-consistent Estimates for Creep of Polycrystalline Materials. Proceed. R. Soc. Lond. A. Math. Phys. Sci. 348(1652) 101–127. D. Peirce, R.J. Asaro and A. Needleman, Material Rate Dependence and Localized Deformation in Crystalline Solids, Acta Metall., 1983, 31(12), p 1951–1976. P. Zhang, M. Karimpour, D. Balint and J. Lin, Cohesive Zone Representation and Junction Partitioning for Crystal Plasticity Analyses, Int. J. Numer. Meth. Eng., 2012, 92(8), p 715–733. J. Gaskell, F. Dunne, D. Farrugia and J. Lin, A Multiscale Crystal Plasticity Analysis of Deformation in A Two-Phase Steel, J. Multiscale. Modelli, 2009, 1(01), p 1–19. H. Wienecke, J. Brockenbrough and A. Romanko, A Three-dimensional Unit Cell Model with Application Toward Particulate Composites, J. Appl. Mech, 1995, 62(1), p 136–140. K. Terada, M. Hori, T. Kyoya and N. Kikuchi, Simulation of the Multi-scale Convergence in Computational Homogenization Approaches, Int. J. Solid. Struct., 2000, 37(16), p 2285–2311. O. Van der Sluis, P. Schreurs, W. Brekelmans and H. Meijer, Overall Behaviour of Heterogeneous Elastoviscoplastic Materials: Effect of Microstructural Modelling, Mech. Mater., 2000, 32(8), p 449–462. A. Anthoine, Derivation of the In-plane Elastic Characteristics of Masonry Through Homogenization Theory, Int. J. Solid. Struct., 1995, 32(2), p 137–163. F. Al-Abbasi, Predicting the Deformation Behavior of Ferrite–pearlite Steels Using Micro Mechanical Modeling of Cells, Mech. Mater., 2013, 63, p 48–64. M. Ashby, The Deformation of Plastically Non-homogeneous Materials, The Philosophical Magazine: A Journal of Theoretical Experimental and Applied, Physics, 1970, 21(170), p 399–424. Y.-W. Lee, Y.-I. Son and S.-J. Lee, Microstructure and Mechanical Properties of Spheroidized D6AC Steel, Mater. Sci. Eng. A, 2013, 585, p 94–99. M. Zhang and P. Kelly, Accurate Orientation Relationships Between Ferrite and Cementite in Pearlite, Scripta Mater., 1997, 37(12), p 2009–2015. C. Zheng, L. Li, W. Yang and Z. Sun, Relationship between Microstructure and Yield Strength for Plain Carbon Steel with Ultrafine or Fine (Ferrite+ Cementite) Structure, Mater. Sci. Eng. A, 2014, 617, p 31–38. Y. Wang, S. Clark, V. Janik, R. Heenan, D.A. Venero, K. Yan, D. McCartney, S. Sridhar and P. Lee, Investigating Nano-precipitation in a V-containing HSLA Steel using Small Angle Neutron Scattering, Acta Mater., 2018, 145, p 84–96. J. Kadkhodapour, S. Schmauder, D. Raabe, S. Ziaei-Rad, U. Weber and M. Calcagnotto, Experimental and Numerical Study on Geometrically Necessary Dislocations and Non-homogeneous Mechanical Properties of the Ferrite Phase in Dual Phase Steels, Acta Mater., 2011, 59(11), p 4387–4394.