Analysis of the void volume fraction for S235JR steel at failure for low initial stress triaxiality

• Autorzy: Kossakowski P. G.

Identyfikatory

DOI

10.2478/ace-2018-0007

Warianty tytułu

PL

Analiza krytycznego udziału objętościowego pustek w momencie zniszczenia stali S235JR przy niskim wstępnym stopniu trójosiowości naprężeń

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper deals with problems of failure mechanisms of S235JR structural steel. One of the fundamental parameters of the Gurson-Tvergaard-Needleman damage mechanics-based material model is considered in order to describe the behaviour of the material at the plastic range. The analysis was performed on the void volume fraction fF determined at failure of S235JR steel. The case of low initial stress triaxiality η = 1/3 was taken into consideration. Different from the most popular methods such as curve-fitting, the experimental method based on the digital image analysis of the fracture surface of S235JR steel is proposed in order to determine the critical parameter fF.

PL

Tematem pracy są zagadnienia związane z mechanizmami towarzyszącymi procesowi niszczenia stali konstrukcyjnej S235JR. Zakres badań obejmował końcową fazę uplastycznienia materiału, aż do momentu jego zniszczenia. W przeprowadzonej analizie oparto się na podejściu mechaniki zniszczenia, wykorzystując model materiału porowatego Gursona-Tvergaarda-Needlemana (GTN). Zbadano jeden z podstawowych parametrów mikrostruktury GTN, krytyczny udział objętościowy pustek fF. Współczynnik ten determinuje proces niszczenia materiału od chwili wzrostu i łączenia się mikrodefektów struktury materiałowej, aż do dekohezji materiału w skali makro. Badania przeprowadzono dla przypadku niskiego wstępnego stopnia trójosiowości naprężeńη = 1/3. W odróżnieniu od najpopularniejszych metod, takich jak np. procedura dopasowania parametrów analizy do krzywych wzorcowych, zaproponowano metodę eksperymentalną, opartą na analizie rzeczywistych obrazów powierzchni pęknięć stali S235JR uzyskanych doświadczalnie. Cyfrowa analiza obrazowa powierzchni pęknięć pozwoliła na określenie wartości udziału objętościowego pustek fF w momencie zniszczenia materiału, co umożliwiło eksperymentalne wyznaczenie krytycznego parametru fF dla stali S235JR. W pracy przedstawiono również wyniki analizy numerycznej, weryfikującej rezultaty uzyskane w badaniach doświadczalnych. Symulowano przypadek rozciągania statycznego elementu o przekroju kołowym, który modelowano przy zastosowaniu modelu materiału GTN. Wyznaczone wartości parametru fF pozwoliły na symulację procesu uplastycznienia stali S235JR oraz przewidzenie momentu jej zniszczenia.

Słowa kluczowe

EN

volume fraction; void; failure; S235JR steel; Gurson-Tvergaard-Needleman model; low stress; stress triaxiality

PL

udział objętościowy; pustka; zniszczenie; stal S235JR; model Gursona-Tvergaarda-Needlemana; naprężenie małe; trójosiowość naprężeń

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2018
• Tom: Vol. 64, nr 1
• Strony: 101--115
• Opis fizyczny: Bibliogr. 28 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Kossakowski P. G.

• Kielce University of Technology, Faculty of Civil Engineering and Architecture, Kielce, Poland

Bibliografia

• 1. L. M. Kachanov, “Time of the rupture process under creep conditions”, Izvestiya Akademii Nauk SSSR, Otdelenie Tekhnicheskikh Nauk: 8, 26–31, 1958.
• 2. A. L. Gurson, “Continuum theory of ductile rupture by void nucleation and growth: Part I – Yield criteria and flow rules for porous ductile media”, Journal of Engineering Materials and Technology (ASME): 99, 2–15, 1977.
• 3. V. Tvergaard, “Influence of voids on shear band instabilities under plane strain conditions”, International Journal of Fracture: 17, 389 – 407, 1981.
• 4. P. Suquet, “Plasticité et homogénéisation”, Dissertation: Thèse d’Etat: Sciences Mathématiques (Mécanique théorique): Paris 6, Université Pierre et Marie Curie, Paris, 1982.
• 5. J. P. Cordebois, F. Sidoroff, “Endommanegament Anisotrope En Élasticité et Plasticité”, Journal de Mécanique Théorique et Appliquée, Numero Spécial, 45 – 60, 1982.
• 6. J. Lemaitre, “How to use damage mechanics”, Nuclear Engineering and Design: 80, 233–245, 1984.
• 7. J. Lemaitre, “A continuous damage mechanics model for ductile fracture”, Journal of Engineering Materials and Technology: 107, 83 – 89, 1985.
• 8. A. Dragon, A. Chihab, “Quantifying of ductile fracture damage evolution by homogenization approach”, Transactions of the 8th International Conference on Structural Mechanics in Reactor Technology, Centre de Conférences Albert Borschette, Brussels, Belgium, Aug. 19–23, 1985, v. L. Inelastic behaviour of materials and constitutive equations, 305– 310, 1985.
• 9. G. Rousselier, “Ductile fracture models and their potential in local approach of fracture”, Nuclear Engineering and Design: 105, 97–111, 1987.
• 10. J. Murzewski, “Brittle and ductile damage of stochastically homogeneous solids”, International Journal of Damage Mechanics: 1, 276– 289, 1992.
• 11. G. Z. Voyiadjis, P. I. Kattan, “A plasticity-damage theory for large deformation of solids – Part I: Theoretical formulation” International Journal of Engineering Science: 30, 1089–1108, 1992.
• 12. C. L. Chow, T. J. Lu, “An analytical and experimental study of mixed-mode ductile fracture under nonproportional loading” International Journal of Damage Mechanics: 1, 191–236, 1992.
• 13. K. Saanouni, C. H. Foster, F. B. Hatira, “On the anelastic flow with damage”, Int. J. Damage Mech.: 3, 140–169, 1994.
• 14. S. F. Taher, M. H. Baluch, A. H. Al-Gadhib, “Towards a canonical elastoplastic damage model”, Engineering Fracture Mechanics: 48, 151–166, 1994.
• 15. P. G. Kossakowski, “The influence of microstructural defects on the stress state of S235JR steel under plastic deformation”, Solid State Phenomena: 250, 69–76, 2016.
• 16. P. G. Kossakowski, “Microstructural failure criteria for S235JR steel subjected to spatial stress states”, Archives of Civil and Mechanical Engineering 15: 195–205, 2015.
• 17. V. Tvergaard, Influence of voids on shear band instabilities under plane strain conditions, International Journal of Fracture: 17, 389–407, 1981.
• 18. V. Tvergaard, A. Needleman, “Analysis of the cup-cone fracture in a round tensile bar”, Acta Metallurgica: 32, 157–169, 1984.
• 19. K. Nahshon, J.W. Hutchinson, “Modification of the Gurson Model for shear failure”, European Journal of Mechanics A/Solids: 27, 1–17, 2008.
• 20. P. G. Kossakowski, “Stress Modified Critical Strain criterion for S235JR steel at low initial stress triaxiality”, Journal of Theoretical and Applied Mechanics: 52, 995–1006, 2014.
• 21. P. G. Kossakowski, W. Wciślik, “Experimental determination and application of critical void volume fraction fc for S235JR steel subjected to multi-axial stress state”, in: T. Łodygowski, J. Rakowski, P. Litewka (Eds.), Recent Advances in Computational Mechanics, CRC Press/Balkema, London, 303–309, 2014.
• 22. W. Wciślik, “Numerical determination of critical void nucleation strain in the Gurson-Tvergaard-Needleman porous material model for low stress state triaxiality ratio”, Proceeding of METAL 2014: 23rd International Conference on Metallurgy and Materials, Brno, 794–800, 2014.
• 23. P. G. Kossakowski, W. Wciślik, “Effect of critical void volume fraction fF on results of ductile fracture simulation for S235JR steel under multi-axial stress states”, Key Engineering Materials – Fracture and Fatigue of Materials and Structures 598: 113–118, 2014.
• 24. P. G. Kossakowski, “An analysis of the Tvergaard parameters at low initial stress triaxiality for S235JR steel”, Polish Maritime Research: 21, 100–107, 2014
• 25. PN-EN 10025-2:2007 Hot-rolled structural steel. Part 2 – Technical delivery conditions for non-alloy structural steels.
• 26. PN-EN 10002-1:2004 Metallic materials – Tensile testing – Part 1: Method of test at ambient temperature.
• 27. Z. L. Zhang, C. Thaulow, J. Ødegård, “A Complete Gurson model approach for ductile fracture”, Engineering Fracture Mechanics: 67, 155–168, 2000.
• 28. K. Taghizadeh, “Implementation of a shear-modified Gurson-Model into the FE-Program Abaqus”, Master Thesis, Technische Iniversitat Bergakademie Freiberg, 2014.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).