تحلیل تجربی و عددی اثر سه‌محوره‌ی تنش و زاویه‌ی لود بر شکست نرم آلیاژ تیتانیوم

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تهران، تهران، ایران

چکیده

در این مقاله، تأثیر سه‌محوره تنش و زاویه لود بر شکل‌پذیری آلیاژ تیتانیوم درجه دو مورد بررسی قرار گرفته است. برای این تحقیق، چهار نمونه با هندسه‌های مختلف شامل نمونه‌های دمبلی‌شکل، شیاردار و دو نمونه برشی طراحی و ساخته شد. آزمایش کشش تک‌محوره در دمای محیط بر روی این نمونه‌ها انجام پذیرفت. از نمونه دمبلی‌شکل برای استخراج خواص مکانیکی آلیاژ تیتانیوم استفاده شد. شبیه‌سازی‌ها در نرم‌افزار آباکوس صورت گرفت و رفتار شکست نمونه‌ها تا پایان ناحیه پلاستیک تحلیل گردید. برای مطابقت نمودارهای نیرو-جابجایی، معادله ترکیبی سویفت و چند جمله‌ای مرتبه چهار به‌کار گرفته شد. مقایسه نتایج آزمایشات تجربی و شبیه‌سازی با آباکوس نشاندهنده تطابق خوبی بین نمودارها تا انتهای ناحیه پلاستیک است. در این تحقیق، سه‌محوره تنش برای چهار نمونه مختلف بین صفر تا 5/0 متغیر بود. به‌طور خاص، برای یکی از نمونه‌های برشی سه‌محوره تنش عدد صفر و برای دیگر نمونه برشی 0/2 به‌دست آمد. همچنین، سه‌محوره تنش برای نمونه دمبلی‌شکل و شیاردار به ترتیب 0/33 و 0/5 ثبت شد. نتایج به‌دست آمده نشان می‌دهند که نزدیکی سه‌محوره تنش به صفر منجر به شکست برشی در آزمایشات می‌شود و روند تغییرات زاویه لود نیز تأثیر متناظری بر کرنش شکست دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Experimental and numerical analysis of the effect of stress triaxiality and Lode angle on ductile failure of Ti-6Al-4V alloy

نویسندگان [English]

  • Javad Ghafari
  • Mehdi Ganjiani
Faculty of Mechanical Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran
چکیده [English]

In this article, the effect of stress triaxiality and Lode angle on the ductility of titanium grade 2 alloy has been investigated. For this research, four samples with different geometries, including Dog-bone samples, notched samples, and two shear samples, were designed and manufactured. A uniaxial tensile test at ambient temperature was performed on these samples. A Dog-bone sample was used to extract the mechanical properties of titanium alloy. The simulations were done in Abaqus software and the failure behavior of the samples was analyzed until the end of the plastic zone. To match the force-displacement diagrams, Swift's combined equation and fourth-order polynomial were used. Comparing the results of experimental tests and simulation with Abaqus shows a good agreement between the diagrams up to the end of the plastic zone. In this research, the stress triaxiality varied between zero and 0.5 for four different samples. Specifically, for one of the triaxial shear samples, the stress value was zero, and for the other shear sample, 0.2. Also, the stress triaxiality for Dog-bone and notched sample was recorded as 0.33 and 0.5 respectively.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Ti-6AL-4V
  • Lode Angle
  • Stress Triaxiality
  • Fracture Strain

مراجع

[1] E. Tal-Gutelmacher, D. Eliezer, Hydrogen-assisted degradation of titanium based alloys, Materials transactions, 45(5) (2004) 1594-1600.
[2] R.R. Boyer, An overview on the use of titanium in the aerospace industry, Materials Science and Engineering: A, 213(1-2) (1996) 103-114.
[3] W. Ahmed, M.J. Jackson, Surgical tools and medical devices, Springer, 2016.
[4] G. Yoganjaneyulu, C.S. Narayanan, R. Narayanasamy, Investigation on the fracture behavior of titanium grade 2 sheets by using the single point incremental forming process, Journal of Manufacturing Processes, 35 (2018) 197-204.
[5] W. Dou, Z. Xu, Y. Han, F. Huang, A ductile fracture model incorporating stress state effect, International Journal of Mechanical Sciences, 241 (2023) 107965.
[6] V.V. Skripnyak, E.G. Skripnyak, V.A. Skripnyak, Fracture of titanium alloys at high strain rates and under stress triaxiality, Metals, 10(3) (2020) 305.
[7] M. Scales, N. Tardif, S. Kyriakides, Ductile failure of aluminum alloy tubes under combined torsion and tension, International Journal of Solids and Structures, 97 (2016) 116-128.
[8] C.M.A. Iftikhar, Y.L. Li, C.P. Kohar, K. Inal, A.S. Khan, Evolution of subsequent yield surfaces with plastic deformation along proportional and non-proportional loading paths on annealed AA6061 alloy: Experiments and crystal plasticity finite element modeling, International Journal of Plasticity, 143 (2021) 102956.
[9] M. Zistl, S. Gerke, M. Brünig, Biaxial experiments on the effect of non-proportional loading paths on damage and fracture behavior of ductile metals, Procedia Structural Integrity, 13 (2018) 57-62.
[10] S. Gerke, M. Zistl, A. Bhardwaj, M. Brünig, Experiments with the X0-specimen on the effect of non-proportional loading paths on damage and fracture mechanisms in aluminum alloys, International Journal of Solids and Structures, 163 (2019) 157-169.
[11] X. Liu, S. Yan, K.J. Rasmussen, G.G. Deierlein, Experimental investigation of the effect of Lode angle on fracture initiation of steels, Engineering Fracture Mechanics, 271 (2022) 108637.
[12] J.-M. Seo, H.-T. Kim, Y.-J. Kim, H. Yamada, T. Kumagai, H. Tokunaga, N. Miura, Effect of strain rate and stress triaxiality on fracture strain of 304 stainless steels for canister impact simulation, Nuclear Engineering and Technology, 54(7) (2022) 2386-2394.
[13] M. Chouksey, S.M. Keralavarma, Ductile failure under non-proportional loading, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 164 (2022) 104882.
[14] B. Wang, X. Xiao, V.P. Astakhov, Z. Liu, The effects of stress triaxiality and strain rate on the fracture strain of Ti6Al4V, Engineering Fracture Mechanics, 219 (2019) 106627.
[15] P. Abedinimanesh, F. Hazinia, M. Ganjiani, Numerically and Experimentally Investigation of the Effect of Anisotropy and Stress Triaxiality on the Fracture Strain, Sharif Journal of Mechanical Engineering, 39(1) (2023) 27-34.
[16] E.E. Cabezas, D.J. Celentano, Experimental and numerical analysis of the tensile test using sheet specimens, Finite Elements in Analysis and Design, 40(5-6 (2004) 555-575.
[17] H. Li, M. Fu, J. Lu, H. Yang, Ductile fracture: Experiments and computations, International journal of plasticity, 27(2) (2011) 147-180.
[18] M. Ganjiani, A damage model for predicting ductile fracture with considering the dependency on stress triaxiality and Lode angle, European Journal of Mechanics-A/Solids, 84 (2020) 104048.
[19] F. Šebek, J. Petruška, P. Kubík, Lode dependent plasticity coupled with nonlinear damage accumulation for ductile fracture of aluminium alloy, Materials & Design, 137 (2018) 90-107.
[20] Y. Lou, L. Chen, T. Clausmeyer, A.E. Tekkaya, J.W. Yoon, Modeling of ductile fracture from shear to balanced biaxial tension for sheet metals, International Journal of Solids and Structures, 112 (2017) 169-184.
[21] I. Astm, ASTM E8/E8M-16a: standard test methods for tension testing of metallic materials, West Conshohocken, PA, USA: ASTM International,  (2016).
[22] S. Gatea, B. Lu, J. Chen, H. Ou, G. McCartney, Investigation of the effect of forming parameters in incremental sheet forming using a micromechanics based damage model, International Journal of Material Forming, 12 (2019) 553-574.
[23] J. Cao, F. Li, W. Ma, D. Li, K. Wang, J. Ren, H. Nie, W. Dang, Constitutive equation for describing true stress–strain curves over a large range of strains, Philosophical Magazine Letters, 100(10) (2020) 476-485.
[24] W. Jiang, Y. Li, J. Su, Modified GTN model for a broad range of stress states and application to ductile fracture, European Journal of Mechanics-A/Solids, 57 (2016) 132-148.
[25] L. Malcher, F.A. Pires, J.C. De Sá, An assessment of isotropic constitutive models for ductile fracture under high and low stress triaxiality, International Journal of Plasticity, 30 (2012) 81-115.
[26] Y. Bai, T. Wierzbicki, Application of extended Mohr–Coulomb criterion to ductile fracture, International journal of fracture, 161(1) (2010) 1-20.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 56، شماره 6
شهریور 1403
صفحه 791-810

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار