Multi-scale deformation and failure prediction of polycrystalline metals: A case study on impact and localization
Polikristal metallerin farklı ölçeklerde deformasyon ve kırılma öngörüsü: Darbe ve lokalizasyon üzerine vaka çalışması
- Tez No: 442409
- Danışmanlar: Assoc. Prof. Dr. DEMİRCAN CANADİNÇ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2016
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 83
Özet
Polikristal malzemelerin temel ve ileri teknoloji alanlarında yaygın kullanılması için bu malzemelerin mekanik davranışlarının farklı ölçeklerde anlamlandırılması gerekmektedir. Toplu ulaşım araçlarının daha yüksek hızlarda hizmet verebilmesi için malzemelerin sert koşullara ve darbelere dayanıklı, yüksek güvenlikli yeni malzemelerin tasarımına ihtiyaç duyulmaktadır. Buna ek olarak, polikristal metallerin sünek kırılması plastik akış lokalizasyondan sonra başlamaktadır. Lokalizasyon mekanizmaları, malzemedeki boşlukların başlaması, büyümesi ve birleşmesi olaylarını içerir. Tipik olarak, lokalizasyonun kırılmadan önce meydana gelmekte ve sünek metalik malzemelerdeki tekdüze bir gerinimi sınırlandırmaktadır. Polikristal metalik malzemelerin farklı ölçeklerdeki darbe ve kırılma davranışlarını incelemek için iki vaka çalışması yapılmıştır. Birinci kısımda, yüksek-manganez östenitik çeliğin darbe yükü altındaki durumu mikroyapı-eksenli simülasyon ile analiz edilmiştir. Daha sonra, AISI 316L paslanmaz çeliğin in-situ SEM (taramalı elektron mikroskopu) testleri yardımıyla makroskobik plastik lokalizasyonu incelenmiştir. Birinci kısımda, yüksek-manganez östenitik çeliğin mikroyapı-eksenli makroskobik darbe davranışı ANSYS LS-DYNA doğrusal olmayan explicit sınırlı eleman (FE) kodu içerisine VPSC (visco-plastik self-consistent) kristal plastik modeli eklenerek modellenmiştir. Malzemelerin mikro-mekanik davranışlarını tahmin etmek için VPSC kristal plastik modelinde Voce sertleşmesi akış kuralları kullanılmıştır. Bu akış modeli tek eksenli statik çekme test sonuçları ve malzemenin başlangıç mikroyapı bilgileriyle kalibre edilmiştir. Özellikle, VPSC'deki kalibre edilmiş Voce parametreleri yardımıyla, yerel hız gradyant tansörü yeni sınır koşulları gibi kullanılarak modifiye edilmiş malzeme davranışları tahmin edilmiştir. Bu yararlanılan yerel hız gradyant tansörü başlangıçtaki FE analizlerinden elde edilmiştir. Malzemelerin güncellenmiş mikro-mekanik davranışları Johnson-Cook (JC) bünye ilişkisi ve eşlenik hasar parametreleri ile kalibre edilerek makro-yapı malzeme modeline entegre edilmiştir. Sonuç olarak, polikristal malzemelerin darbe davranışlarına uygun bir modellemenin yapılabilmesi için geometriye bağlı çok eksenli gerilim durumun (stress state) gerekliliğini ortaya çıkarılmıştır. Ayrıca, bahsi geçen metodun Hadfield çeliğinde darbe sonucu oluşan deformasyon davranışının deneysel ve numerik olarak analizinde kullanılabileceğini gösterdik. İkinci kısımda, AISI 316L paslanmaz çelikten yapılan numunelerin mikro ölçek in-situ SEM çekme testinde kaydedilen sıralı görüntülerini kullanarak plastik lokalizasyonunu inceledik. Küçük ölçekteki malzemelerin çekme testi için yeni bir yaklaşım olan HNE'yi (hybrid-numerical experimental) geliştirdik. Bu yaklaşım çerçevesinde, daha küçük ölçeklerde test yapabilmek ve in-situ SEM ölçümlerindeki yatay mekânsal yamulmanın oluşturduğu deplasman hatalarını azaltmak için çekme düzeneği özgün bir şekilde minyaturlaştırıldı. Numune deformasyon sırasında art arda çekilmiş iki görüntü daha sonra birkaç kez kopyalanıp tekrarlanarak dizi haline getirildi. Oluşturulan görüntü dizisi yardımıyla plastik lokalizasyon bölgeleri ortaya çıkarıldı. In-situ SEM çekme testlerinden elde edilen sonuçlar, geliştirdiğimiz metodun öncül plastik lokalizasyonu saptamada kullanılabileceğini kanıtlamaktadır.
Özet (Çeviri)
The widespread use of polycrystalline materials in advanced and infrastructural technologies demands a proper understanding of the mechanical response at multiple length scales. Today's high demand to foster higher speeds in public transportation media has introduced the need for designing new materials that can be safely employed under severe loading conditions, in addition to being impact-tolerant. Furthermore, ductile fracture of polycrystalline metals commonly ensue plastic flow localization through the mechanisms involving void nucleation, growth and coalescence. As a precursor of failure and a limit that mark uniform straining of ductile metallic materials, detection of the localization is highly crucial. In order to investigate multiscale impact and failure response of the polycrystalline metallic materials two case studies were considered here. In the first part a microstructural-sensitive simulation of the high-manganese austenitic steel under impact loading was performed. Next, using in-situ SEM tests of AISI 316L stainless steel macroscopic plastic localization was investigated. In part (I) microstructurally-informed macroscopic impact response of a high-manganese austenitic steel was modeled through incorporation of the visco-plastic self-consistent (VPSC) crystal plasticity model into the ANSYS LS-DYNA non-linear explicit finite element (FE) code. Voce hardening flow rule was utilized in the VPSC crystal plasticity model to predict the micro-mechanical response of the material, which was calibrated based on experimentally measured quasi-static uniaxial tensile deformation response and initially measured textures. Specifically, hiring calibrated Voce parameters in VPSC, a modified material response was predicted employing local velocity gradient tensors obtained from the initial FE analyses as a new boundary condition for loading state. The updated micro-mechanical response of the material was then integrated into the macro-scale material model by calibrating the Johnson-Cook (JC) constitutive relationship and the corresponding damage parameters. Consequently, we demonstrate the role of geometrically necessary multi-axial stress state for proper modeling of the impact response of polycrystalline metals, and validate the presented approach by experimentally and numerically analyzing the deformation response of the Hadfield steel under impact loading. In part (II) of this study, plastic localization was investigated by tracking the captured incremental images during the micro scale in-situ scanning electron microscope (SEM) tensile experiment of samples made from AISI 316L stainless steel. A novel hybrid-numerical experimental (HNE) approach for small scale tensile testing of materials is developed. An unconventional miniaturized test set-up was designed to reach smaller scales in testing and also to eliminate displacement errors due to vertical spatial distortion during the in-situ SEM measurements. By arranging each pair of sequentially taken surface images – over deformation history – in alternate order for several repetition, plastic localization regions became manifest on surface. Results clearly prove feasibility of the presented method in recording primary plastic localization events within an in-situ SEM tensile testing framework.
Benzer Tezler
- Modeling the severe plastic and cyclic deformations of structural and biomedical alloys by incorporating microstructure – mechanical property relationship
Mikroyapi - mekanik özellik i̇lişkisi yardımıyla yapısal ve biyomedikal alaşımların çevrimsel ve ağır plastik deformasyonlar altında modellenmesi
ORKUN ÖNAL
Doktora
İngilizce
2015
Makine MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DEMİRCAN CANADİNÇ
- Tectonic and magmatic structure of Lake Van basin and its structural evolution, Eastern Anatolia accretionary complex (EAAC), East-Turkey
Van Gölü havzasının tektonik ve magmatik yapısı ve yapısal evrimi, Doğu Anadolu yığışım karmaşığı (DAYK), Doğu Türkiye
MUSTAFA TOKER
Doktora
İngilizce
2011
Jeofizik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİklim ve Deniz Bilimleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. A. M. CELAL ŞENGÖR
- Seismic behaviour of historical stone masonry multi-leaf walls
Çok tabakalı tarihi taş yığma duvarların deprem yükleri altında davranışı
CEM DEMİR
Doktora
İngilizce
2012
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALPER İLKİ
- Artificial microstructures to investigate microstructure-property relationships in metallic glasses
Başlık çevirisi yok
BARAN SARAÇ
- A diffusive crack model for fiber reinforced polymer composites
Lifle güçlendirilmiş polimer kompozitler için yaygın çatlak modeli geliştirilmesi
FUNDA AKSU DENLİ
Doktora
İngilizce
2020
Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HÜSNÜ DAL