کالیبراسیون مدل ترکیبی آسیب نرم و تبدیل فاز مارتنزیتی ناشی از کرنش پلاستیک در فولاد ضد زنگ آستنیتی 304 در دمای فوق سرد به کمک آزمون های تجربی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد فارغ التحصیل کارشناسی ارشد، مهندسی مکانیک، دانشگاه تهران، تهران، ایران

2 دانشجوی دکتری دانشجوی دکتری، مهندسی مکانیک، دانشگاه تهران، تهران

3 استادیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تهران، تهران

4 دکتری استاد،‌دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تهران، تهران، ایران

چکیده

در این پژوهش، خواص توسعه ی آسیب نرم و تبدیل فاز مارتنزیتی در فوالد ضدزنگ 304 و در دمای فوق سرد، به صورت عددی و تجربی بررسی شده است. آزمون کشش ساده به صورت بارگذاری-باربرداری برای قطعهی غوطه ور در نیتروژن مایع، انجام شده است. برای این منظور، محفظه ی فوق سرد برای قرار گرفتن قطعه ی آزمون کشش در نیتروژن مایع، طراحی و ساخته شده است. به کمک آزمون های کشش ساده به صورت بارگذاری-باربرداری، نمودارهای نیرو-جابجایی و توسعه ی پارامتر آسیب در حین باربرداری االستیک، بدست آمده است. سپس قطعات کشیده شده، تحت آزمون پراش پرتوی ایکس قرار گرفته اند تا به کمک این آزمون، مقدار توسعه ی فاز مارتنزیت در ماده ی دو فازی حاصل، مشخص گردد. در تحلیل عددی، با ترکیب مدل تبدیل فاز گاریون و اسکوزن و مدل آسیب همسانگرد لمیتره، یک مدل ترکیبی برای حالت بارگذاری یکنواخت ارائه شده است. مدل تبدیل فاز گاریون به اسکوزن که برای شرایط فوق سرد تعریف شده، بر اساس فرض کرنشهای کوچک )کمتر از 2/0 )توسعه یافته است. عالوه بر این، قانون سخت شوندگی در ماده ی دو فازی به کمک همگن سازی موری-تاناکا استخراج شده است. در این پژوهش، تحلیل عددی به کمک اجرای کد زیرروال کاربر مدل ماده در نرمافزار آباکوس استاندارد برای این مدل ساختاری ترکیبی، انجام شده است. در نهایت، با مقایسه ی شبیه سازی عددی با نتایج تجربی، پارامترهای مدل کالیبره شده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Numerical and Experimental Analysis of Damage Evolution and Martensitic Transformation in AISI 304 Austenitic Stainless Steel at Cryogenic Temperature

نویسندگان [English]

  • Seyed Saied Kazemi 1
  • Milad Homayoun Fard 2
  • Seyed Mahdi Ganjiani 3
  • Nasser Soltani 4
1 Department of Mechanical Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran
2 PhD Student Department of Mechanical Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran
3 Department of Mechanical Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran
4 PhD PROFESSOR at Department of Mechanical Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran
چکیده [English]

In this research, properties of ductile damage evolution and martensitic phase transformation in an AISI 304 stainless steel at cryogenic temperature has been studied experimentally and numerically. Simple loading-unloading tension tests for specimens floating in liquid nitrogen have been performed. Accordingly, the cryogenic chamber has been designed and constructed to plunge the tensile test samples into the liquid nitrogen. From simple loading-unloading tension tests, the graph of force-deformation and the evolution of damage parameter during elastic unloadings have been determined. Afterwards, the x-ray diffraction tests have been performed on the stretched sample tests to evaluate the evolution of martensite phase in the resultant biphase material. In the numerical analysis, combining the phase transformation model of Garion and Skoczen and isotropic damage model of Lemaitre, a constitutive model for monotonic loadings has been introduced. The Garion and Skoczen model has been developed based on the assumption of small strains (under 0.2) for cryogenic condition. Furthermore, the hardening law for the biphase material has been obtained from the Mori-Tanaka homogenization. The numerical analysis in this study was carried out implementing the combined constitutive model by means of a user-defined material model subroutine in Abaqus/Standard. Finally, comparing the numerical simulation with the experimental data, parameters of the model has been calibrated.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Cryogenic Temperature
  • Ductile Damage
  • Austenitic stainless steel
  • Tensile Test
  • Numerical Analysis
[1] B.e.T. Skoczeń, Compensation systems for low temperature applications, Springer, Berlin ; New York, 2004.
[2] J. Lemaitre, A continuous damage mechanics model for ductile fracture, Transactions of the ASME. Journal of Engineering Materials and Technology, 107(1) (1985) 83-89.
[3] C. Garion, B. Skoczen, Modeling of Plastic Strain-Induced Martensitic Transformation for Cryogenic Applications, J Appl Mech, 69(6) (2002) 755-762.
[4] G. Olson, M. Cohen, Kinetics of strain-induced martensitic nucleation, Metall Mater Trans A, 6(4) (1975) 791-795.
[5] T. Iwamoto, T. Tsuta, Y. Tomita, Investigation on deformation mode dependence of strain-induced martensitic transformation in trip steels and modelling of transformation kinetics, Int J Mech Sci, 40(2) (1998) 173-182.
[6] C. Garion, B. Skoczen, Combined model of strain-induced phase transformation and orthotropic damage in ductile materials at cryogenic temperatures, Int J Damage Mech, 12(4) (2003) 331-356.
[7] C. Garion, B. Skoczeń, S. Sgobba, Constitutive modelling and identification of parameters of the plastic strain-induced martensitic transformation in 316L stainless steel at cryogenic temperatures, Int J Plast, 22(7) (2006) 1234-1264.
[8] K.J. Lee, M.S. Chun, M.H. Kim, J.M. Lee, A new constitutive model of austenitic stainless steel for cryogenic applications, Comput Mater Sci, 46(4) (2009) 1152-1162.
[9] S.R. Bodner, Unified plasticity for engineering applications, Springer Science & Business Media, 2001.
[10] Y. Tomita, T. Iwamoto, Constitutive modeling of TRIP steel and its application to the improvement of mechanical properties, Int J Mech Sci, 37(12) (1995) 1295-1305.
[11] H. Egner, B. Skoczeń, Ductile damage development in two-phase metallic materials applied at cryogenic temperatures, Int J Plast, 26(4) (2010) 488-506.
[12] C.-S. Lee, B.-M. Yoo, M.-H. Kim, J.-M. Lee, Viscoplastic damage model for austenitic stainless steel and its application to the crack propagation problem at cryogenic temperatures, Int J Damage Mech, 22(1) (2012) 95-115.
[13] R. Ortwein, B. Skoczeń, J.P. Tock, Micromechanics based constitutive modeling of martensitic transformation in metastable materials subjected to torsion at cryogenic temperatures, Int J Plast, 59 (2014) 152-179.
[14] R. Ortwein, M. Ryś, B. Skoczeń, Damage evolution in a stainless steel bar undergoing phase transformation under torsion at cryogenic temperatures, Int J Damage Mech, 25(7) (2016) 967-1016.
[15] H. Egner, M. Ryś, Total energy equivalence in constitutive modeling of multidissipative materials, Int J Damage Mech, 26(3) (2017) 417-446.
[16] M. Ryś, B. Skoczeń, Coupled constitutive model of damage affected two-phase continuum, Mechanics of Materials, 115 (2017) 1-15.
[17] J. Lemaitre, J.-L. Chaboche, Aspect phénoménologique de la rupture par endommagement, J Méc Appl, 2(3) (1978).
[18] H.P. Reed, Martensitic Transformations in Fe-Cr-Ni Stainless Steels, in: R.P. Reed, T. Horiuchi (Eds.) Austenitic Steels at Low Temperatures, Springer US, Boston, MA, 1983, pp. 41-67.
[19] A.A. Lebedev, V.V. Kosarchuk, Influence of phase transformations on the mechanical properties of austenitic stainless steels, Int J Plast, 16(7–8) (2000) 749-767.
[20] S. Murakami, Continuum damage mechanics: a continuum mechanics approach to the analysis of damage and fracture, Springer Science & Business Media, 2012.
[21] A.A.S.f. Testing, Materials, Standard test methods for tension testing of metallic materials, ASTM international, 2009.
[22] E. ISO, 6892-1. Metallic materials-Tensile testing-Part 3: Method of test at low temperature, International Organization for Standardization,  (2015).
[23] H. Ledbetter, Stainless‐steel elastic constants at low temperatures, J Appl Phys, 52(3) (1981) 1587-1589.
[24] M. Naghizadeh, H. Mirzadeh, Microstructural evolutions during annealing of plastically deformed AISI 304 austenitic stainless steel: martensite reversion, grain refinement, recrystallization, and grain growth, Metall Mater Trans A, 47(8) (2016) 4210-4216.
[25] D.R. Bland, The associated flow rule of plasticity, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 6(1) (1957) 71-78.