بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
تحلیل رفتار مکانیکی فولادهايTRIP با استفاده از روش انطباق تصاویردیجیتال(Digital Image Correlation)
چکیده
این مقاله به مطالعه رفتار مکانیکی فولادهاي (TRansformation Induced Plasticity) TRIP و تعیین پارامترهاي یک مدل مکانیکی کلاسیک با کارسختی سینماتیکی دو فولاد (Stainless steel 304L-Cu , TRIP 800) با استفاده از روش معکوس اختصاص داده شده است. آزمونهاي مکانیکی مختلفی جهت تعیین رفتار این دو نوع فولاد، تحت بارگذاري یکنواخت و مرحله اي (Monotonic and Sequential) و تست هاي غیرهمگن (Heterogeneous Tests) در دماي محیط به مرحله اجرا در آمد. جهت اندازه گیري کرنش هاي صفحه اي از تکنیک انطباق تصاویردیجیتال (Digital Image Correlation) استفاده شد. تحقیقات مشابهی توسط دیگر محققین E.S. Perdahcıoglu) ، (D. Kulawinski بر روي انواع دیگري از این نوع فولادها انجام شده است. همچنین این نتایج نشان می دهد که با شروع استحاله مارتنزیتی، نرخ کرنش پلاستیک کاهش می یابد و در تست هاي غیرهمگن، امکان ایجاد همزمان حالت هاي مختلف تنشی در قطعه وجود دارد.
-1 مقدمه
فولادهاي (TRansformation Induced Plasticity)TRIP به دلیل استحکام بالا و انعطاف پذیري خوب (Ductility) یکی از پر کاربرد ترین فلزات مورد استفاده در صنایع خودروسازي می باشند. این افزایش خواص مکانیکی به دلیل استحاله فاز ناپایدار آستنیت به فاز مارتنزیت در حین تغییر شکل پلاستیک می باشد .[1] تنش هاي برگشتی در حین شکل دهی فلزات می تواند خواص مکانیکی ماده را در جهت هاي مختلف تغییر دهد . در فولاد هاي ,TRIP تشکیل تیغه هاي مارتنزیت باعث ایجاد تنش هاي داخلی در فلز و تغییر تنش هاي برگشتی می شود . [2] آزمون هاي مکانیکی متعددي توسط محققین جهت تعیین رفتار این فولاد ها تحت بارهاي مکانیکی پیچیده و متوالی انجام شده است .[3]
مدل هاي مختلفی جهت تخمین رفتار مکانیکی در شرایط بارگذاري پیچیده ارائه شده است . برخی از این مدل ها شامل معادلات مربوط به کار سختی سینماتیکی هستند، مانند مدلArmstrong و مدل .[4] Lemaitre-Chaboche در این نوع از مدل ها، رفتار مکانیکی ماده بدون در نظر گرفتن استحاله مارتنزیتی بررسی میشود.
این مدل ها براي شرایط برگذاري پیچیده از قبیل: فورجینگ و کشش عمیق مناسب می باشند.از سوي دیگر دقت نتایج شبیه سازي مرتبط با نوع مدل به کار رفته و دقت پارامتر هاي شناسائی شده مدل میباشد.
-2 روش آزمایش
-1 -2 مشخصات مواد مورد استفاده
در این تحقیق خواص مکانیکی دو فولاد (Stainless steel 304L-Cu , TRIP 800 مورد بررسی قرار گرفت. نمونه هاي آزمایش از ورق هاي نازك 1/5)میلیمتري) نوردي بریده شدند. ورق هاي فولادي به ترتیب از شرکت هايThyssen Krupp و ARCELOR-Mittal تهیه گردیدند .[5] ترکیب شیمیائی این دو فولاد در جدول (1) داده شده است. فولاد اول Stainless steel 304L-Cu یک فولاد کاملا آستنیتی است. فاز آستنیت در این فولاد یک فاز ناپایدار است که میتواند تحت بارگذاري به فاز مارتنزیت تبدیل شود. فولاد دوم TRIP 800 یک فولاد چند فازي است که حاوي فاز هاي فریت ، بینیت و آستنیت ناپایدار می باشد.
-2 -2 تکنیک انطباق تصاویردیجیتال (Digital ImageCorrelation)
این روش، یک روش نوري بدون تماس با قطعه است که براي اندازه گیري کرنش هاي دو و سه بعدي در قطعه بکار میرود.[6] این روش شامل سه مرحله اساسی است -1 آماده سازي سطح قطعه -2 ثبت تصاویر -3 تجزیه و تحلیل تصاویر. در ابتدا سطح نمونه توسط رنگ سفید پوشیده شده و سپس لکه هاي رنگ سیاه روي آن اسپري میشود. شکل (1) یک نمونه پوشش داده شده را نشان میدهد. در مرحله دوم تصاویر نمونه تحت بارگذاري با دقت 1376×1040 pixels در طول آزمایش ثبت میشوند. شکل (2) تجهیزات مورد استفاده در این آزمایش را نشان میدهد. در مرحله آخر، تصاویر ثبت شده توسط دو نرم افزار Correli-Q4 یا Vic-2D پردازش شده و کرنش ها موجود در قطعه به روش DIC محاسبه میشوند .
-3 -2 آزمون هاي مکا نیکی
آزمون هاي مکانیکی متعددي جهت بررسی رفتار مواد مورد مطالعه تحت بارگذاري هاي مختلف و در دماي محیط انجام شدند. نمونه کششی مورد نیاز در سه جهت صفر، 45 و 90 درجه نسبت به جهت اصلی ورق نورد شده و با اندازه هاي داده شده در شکل (٣) توسط روش برش آبی تهیه شدند. بارگذاري کششی توسط دستگاه MTSبا بار اسمی حداکثر 50kN و با سرعت 0/5 mm/min انجام شد. کرنش هاي طولی به دو روش Extensometer و DIC محاسبه گردید.
تست کشش ساده بر روي نمونه هاي دیگري با هندسه غیر همگن انجام شد. هدف از انجام این تست ها، بررسی تغییرات کرنش در نقاط مختلف نمونه در حین آزمون کشش میباشد. شکل (4) یک نمونه با ابعاد غیر همگن را نشان میدهد. این نمونه ها با سرعت 1 mm/min کشیده شدند. نتایج این آزمون در روش شناسائی پارامتر هاي ماده به روش معکوس با آزمون هاي غیر همگن استفاده خواهد شد. نتایج این آزمون مکانیکی به دلیل محدودیت ها و فشردگی مطالب در بخش نتایج، گزارش نمیشود. اما بطور خلاصه میتوان گفت که مولفه هاي کرنش هاي بدست آمده در نقاط مختلف این نمونه متفاوت هستند. به همین دلیل آزمون هاي انجام شده با این نوع نمونه را تست هاي غیر همگن مینامیم که نشان دهنده حالت هاي مختلف تنشی در طول آزمون کشش ساده در این نمونه می باشد.
آزمون هاي کشش دو بعدي با نمونه صلیبی در این تحقیق با همکاري آزمایشگاه LMT در فرانسه انجام شد. دستگاه هیدرولیک از نوع ASTREE با 6 سیلندر در این تحقیق استفاده شد. جهت ایجاد کرنش هاي پلاستیک همگن در مرکز نمونه ، ابعاد نمونه صلیبی با کمک نرم افزار المان محدود ABAQUS بهینه شد(شکل5 -الف). سپس این نمونه ها توسط دستگاه برش با آب بریده شدند. این نمونه ها در مرکز 4 محور از محور هاي دستگاه جهت ایجاد کشش دو بعدي قرار گرفت(شکل5 -ب).
در این آزمون هر یک از محور ها با سرعت 0/5 mm/min حرکت میکردند. تصاویر سطح نمونه توسط یک دوربین Canon EOS 350D نصب شده در مقابل نمونه در طول مدت زمان آزمون ثبت شدند. مراحل ثبت تصاویر مشابه مراحل ذکر شده در تست هاي قبلی است. پس از ثبت تصاویر، کرنش هاي ایجاد شده در نمونه توسط روش DIC تحلیل و محاسبه شدند.
به منظور شناخت و مطاله اثر Bauschinger و بررسی رفتار کار سختی سینماتیکی، دو آزمون متوالی کشش - فشار و برش- برش معکوس با استفاده ازدو قالب ساخته شده در ضمن این کار تحقیقاتی انجام پذیرفت.
در طراحی این قالب ها توجه خاصی براي کاهش اصطکاك و کمانش قطعه شده است. شکل (6) و((7 قالب هاي مورد استفاده در این دو آزمون را نشان میدهند. این دو قالب بر روي دستگاه هیدرولیک INSTRON با توان 50 kN نصب شدند و با سرعت 0/5mm/min تحت حرکت رفت و برگشتی قرار گرفتند. نمونه مورد استفاده در این آزمون کشش - فشار همان نمونه کششی ساده می باشد وتصویر نمونه در آزمون برش- برش معکوس در شکل (8) نشان داد شده است. تصویر بخشی از سطح قطعه توسط تجهیزات مورد استفاده در روش DIC ثبت شدند .
-4 -2 مدل رفتار مکانیکی با کارسختی سینماتیکی
در این بخش مدل مورد استفاده براي تخمین رفتار مکانیکی فولاد هاي مورد نظر معرفی میگردد. در این مدل از معیار Von-Mises براي پیش بینی آغاز پلاستیسیته استفاده میشود. تابع تسلیم f و X تانسور تنش هاي برگشتی می باشد.[4]
R کارسختی ایزوتروپیک و تنش تسلیم اولیه و با توجه به اصل : Normality Rule
بطوریکه ضریب پلاستیسیته و dpبدین شکل تعریف میشود؛
در این روش معکوس از دو استراتژي براي شناسائی پارامتر ها استفاده شده است. در استراتژي اول تابع Cost Function ،رابطه (7)، بر اساس تنش محاسبه شده در آزمون هاي همگن ( تست کشش، برش و ...) میباشد و اما در استراتژي دوم، تابع Cost Function ،رابطه (8)، بر اساس کرنش هاي 460 نقطه از سطح مرکز نمونه غیر همگن و نیروهاي اعمالی در مرز بالائی نمونه آزمایش میباشد .
در این رابطه به ترتیب تعداد نقاط زمانی اندازه گیري شده و تعداد نقاط اندازه گیري شده در سطح نمونه می باشد.
روش DIC و Extensometer
منحنی هاي مربوط به روش DIC مربوط به اندازه گیري کرنش میانگین در مرکز نمونه با ابعاد ( (5 mm × 5mm میباشد. این نتایج انطباق قابل قبولی بین نتایج به دست آمده از روش Extensometer و DIC نشان میدهد. نتایج به دست آمده از آزمون کشش درسه جهت RD) ،QD و(TD در دماي محیط نشان میدهد که خواص کششی این دو فولاد ایزوتروپ میباشد. نتایج DIC با اندازه گیري روي منطقه اي با ابعاد ( (10 mm × 30mm در مرکز نمونه کششی انجام شد. فاصله نمونه تا دوربین 200 mm انتخاب شد و با انتخاب Subset به اندازه 16 pixels طول واقعی آن 0/75 mm به دست آمد. در این
