تحلیل شکل گیری و رشد میکروترک درون دانه ای و مرزدانه ای در فولادهای دوفازی با استفاده از تصاویر میکروساختاری و روش پریداینامیک

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده فناوری های نوین و مهندسی هوافضا، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

2 دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

چکیده

یکی از مهم ترین پارامترها در مطالعه میکرومکانیکی رفتار مواد، امکان بررسی میکروترک ها و الگوهای شروع و انتشار آن در بخش های مختلف ماده می باشد. در کار حاضر سعی شده است تا خرابی در فولادهای دو فازی تحت بارگذاری شبه استاتیکی کششی تک محوره با استفاده از روش عددی پریداینامیک و تطبیق با نتایج تجربی مورد بررسی قرار گیرد. تصاویر تهیه شده توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی از نمونه‌ها نشان می دهند که حفره های مرزدانه ای و رشد آنها در مقیاس میکرو، به عنوان محل تجمع خرابی ها می‌تواند در نظر گرفته شود و همچنین در مقادیر زیاد بار اعمالی، تغییر شکل‌های شدید در فازهای تشکیل دهنده ماده دیده می‌شود. با توجه به تحلیل عددی انجام گرفته، مکانیزم شروع و انتشار مرزدانه ای و درون دانه ای میکروترک ها در میکروساختار فولاد دوفازی با استفاده از روش غیرموضعی پریداینامیک مورد مطالعه قرار گرفته است. تحلیل این مسئله با استفاده از روش پریداینامیک با توجه به هندسه ی نامنظم، غیر موضعی بودن روش تحلیل، بازفرمول نویسی مکانیک محیط‌های پیوسته به شکل معادلات انتگرودیفرانسیلی و مطالعه خرابی پیش رونده یکی از اهداف این کار است که مبتنی بر المان‌های حجمی نماینده به دست آمده از میکروساختار واقعی فولاد دوفازی انجام شده است. همچنین با توجه به امکان پیش بینی مکان های شروع خرابی به صورت هم‌زمان و نحوه انتشار آن ها در بخش های مختلف ماده بدون نیاز به در نظر گرفتن مسیرهای پیش فرض، شکست مرزدانه ای و درون دانه ای در مدل پریداینامیکی ارائه گردیده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Analysis of Intragranular and Intergranular Microcracks in DP Steels Using the Microstructural Images and Peridynamics Method

نویسندگان [English]

  • Behnam Anbarlooie 1
  • Hossein Hosseini-Toudeshky 2
1 Department of New Technologies & Aerospace Engineering, Shahid Beheshti University
2 424 Hafez Ave. Professor
چکیده [English]

One of the most important parameters in the micromechanical study of material behavior is the possibility of investigating microcracks and their initiation and propagation patterns in different parts of the materials. In the present work, an attempt has been made to examine the failure of dual-phase (DP) steels under uniaxial tensile quasi-static loading using the peridynamics method. The SEM images prepared from the samples show that the grain boundary voids and their growth on a micro scale can be considered the place of damage accumulation. According to the numerical analysis, the initiation and propagation mechanism of inter-grain and intra-grain microcracks in the microstructure of DP steel has been studied using the non-local peridynamics method. Analyzing this problem using the peridynamics method, considering the irregular geometry, the non-locality, reformulating the continuum mechanics in the form of integrodifferential equations, and studying progressive failure is one of the goals of this work, which have been carried out based on representative volume elements (RVE) obtained from the real microstructure. Also, due to the possibility of predicting the damage initiation and the propagation path in different parts of the material simultaneously without considering the default paths, inter-grain and intra-grain microcracks have been simulated using the peridynamics model.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Peridynamics
  • Microstructure
  • DP Steels
  • Grain Boundary
  • Intragranular Fracture

مراجع

[1] I. Benedetti, M.H. Aliabadi, A three-dimensional cohesive-frictional grain-boundary micromechanical model for intergranular degradation and failure in polycrystalline materials, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 265 (2013) 36-62. 
[2] M. Herbig, A. King, P. Reischig, H. Proudhon, E.M. Lauridsen, J. Marrow, J.-Y. Buffière, W. Ludwig, 3-D growth of a short fatigue crack within a polycrystalline microstructure studied using combined diffraction and phase-contrast X-ray tomography, Acta Materialia, 59(2) (2011) 590-601.
[3] J. Liang, Z. Zhao, B. Guo, B. Sun, D. Tang, Enhancing plasticity by increasing tempered martensite in ultra-strong ferrite-martensite dual-phase steel, Materials Research Express, 6(2) (2018) 026502.
[4] M. Maleki, H. Mirzadeh, M. Zamani, Effect of Intercritical Annealing Time at Pearlite Dissolution Finish Temperature (Ac1f) on Mechanical Properties of Low-Carbon Dual-Phase Steel, Journal of Materials Engineering and Performance, 28(4) (2019) 2178-2183.
[5] P. Lapouge, J. Dirrenberger, F. Coste, M. Schneider, Laser heat treatment of martensitic steel and dual-phase steel with high martensite content, Materials Science and Engineering: A, 752 (2019) 128-135.
[6] B. Anbarlooie, M. Hosseini, H. Hosseini-Toudeshky, Micromechanical Failure Analyses and Tensile Behavior of Dual Phase Steel Using Two and Three-Dimensional Representative Volume Elements, Mech. Eng, 51(3) (2019) 1-3 (In Persian).
[7] H. Hosseini-Toudeshky, P. Parandavar, B. Anbarlooie, Stress–strain prediction of dual phase steels using 3D RVEs considering both interphase hardness variation and interface debonding at grain boundaries, Archive of Applied Mechanics, 92(1) (2022) 255-270.
[8] M. Paggi, P. Wriggers, Stiffness and strength of hierarchical polycrystalline materials with imperfect interfaces, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 60(4) (2012) 557-572.
[9] N. Sukumar, D.J. Srolovitz, T.J. Baker, J.H. Prévost, Brittle fracture in polycrystalline microstructures with the extended finite element method, International Journal for Numerical Methods in Engineering, 56(14) (2003) 2015-2037.
[10] G.K. Sfantos, M.H. Aliabadi, Multi-scale boundary element modelling of material degradation and fracture, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 196(7) (2007) 1310-1329.
[11] G.K. Sfantos, M.H. Aliabadi, A boundary cohesive grain element formulation for modelling intergranular microfracture in polycrystalline brittle materials, International Journal for Numerical Methods in Engineering, 69(8) (2007) 1590-1626.
[12] Y. Liu, D. Fan, S.P. Bhat, A. Srivastava, Ductile fracture of dual-phase steel sheets under bending, International Journal of Plasticity, 125 (2020) 80-96.
[13] S.K. Basantia, P.K. Prusty, D. Das, N. Khutia, Micro-scale simulation of nanoindentation characteristics in dual-phase steel, Materials Today: Proceedings, 33 (2020) 5055-5060.
[14] H. Li, Z. Kong, J. Zhang, N. Kong, Numerical Study on the Effects of Chemical Composition and Microstructure Inconsistencies on Mechanical Properties of Dual-Phase Steel, steel research international, 90(1) (2019) 1800259.
[15] D. De Meo, E. Oterkus, Finite element implementation of a peridynamic pitting corrosion damage model, Ocean Engineering, 135 (2017) 76-83.
[16] E. Madenci, A. Barut, N. Phan, Peridynamic unit cell homogenization for thermoelastic properties of heterogenous microstructures with defects, Composite Structures, 188 (2018) 104-115.
[17] S. Gur, M.R. Sadat, G.N. Frantziskonis, S. Bringuier, L. Zhang, K. Muralidharan, The effect of grain-size on fracture of polycrystalline silicon carbide: A multiscale analysis using a molecular dynamics-peridynamics framework, Computational Materials Science, 159 (2019) 341-348.
[18] J. Zhao, Z. Chen, J. Mehrmashhadi, F. Bobaru, A stochastic multiscale peridynamic model for corrosion-induced fracture in reinforced concrete, Engineering Fracture Mechanics, 229 (2020) 106969.
[19] A.A. Griffith, VI. The phenomena of rupture and flow in solids, Philosophical transactions of the royal society of london. Series A, containing papers of a mathematical or physical character, 221(582-593) (1921) 163-198.
[20] S.A. Silling, Reformulation of elasticity theory for discontinuities and long-range forces, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 48(1) (2000) 175-209.
[21] E. Celik, I. Guven, E. Madenci, Simulations of nanowire bend tests for extracting mechanical properties, Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 55(3) (2011) 185-191.
[22] E. Madenci, E. Oterkus, Peridynamic theory, in:  Peridynamic theory and its applications, Springer, 2013, pp. 19-43.
[23] Y.K. Galadima, S. Oterkus, E. Oterkus, I. Amin, A.-H. El-Aassar, H. Shawky, Effect of phase contrast and inclusion shape on the effective response of viscoelastic composites using peridynamic computational homogenization theory, Mechanics of Advanced Materials and Structures, 31(1) (2024) 155-163.
[24] C. Mitts, E. C. Aifantis, E. Madenci, Peridynamics with strain gradient for modeling carbon nanotube under static and dynamic loading, Mechanics of Advanced Materials and Structures, 31(1) (2024) 147-154.
[25] T. Vaitkunas, P. Griskevicius, A. Adumitroaie, Peridynamic material model calibration based on digital image correlation experimental measurements, Mechanics of Advanced Materials and Structures, 30(20) (2023) 4132-4145.
[26] X.-P. Zhou, Y.-T. Wang, State-of-the-art review on the progressive failure characteristics of geomaterials in peridynamic theory, Journal of Engineering Mechanics, 147(1) (2021) 03120001.
[27] B. Kilic, E. Madenci, An adaptive dynamic relaxation method for quasi-static simulations using the peridynamic theory, Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 53(3) (2010) 194-204.
[28] B. Anbarlooie, H. Hosseini-Toudeshky, Damage mechanisms analyses in DP steels using SEM images, FEM, and nonlocal peridynamics methods, Mechanics of Advanced Materials and Structures,  (2024) 1-15.
[29] A. Alaie, J. Kadkhodapour, S.Z. Rad, M.A. Asadabad, S. Schmauder, Formation and coalescence of strain localized regions in ferrite phase of DP600 steels under uniaxial tensile deformation, Materials Science and Engineering: A, 623 (2015) 133-144.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 56، شماره 6
شهریور 1403
صفحه 833-856

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار