Numerical prediction of fracture during manufacturing of thick wall tubes from low ductility steels in flow forming process

• Autorzy: Milenin, A. , Kustra, P. , Byrska-Wójcik, D. , Pietrzyk, M.

Warianty tytułu

PL

Numeryczne prognozowanie utraty spójności materiału podczas produkcji grubościennych rur z nisko plastycznych stali za pomocą procesu „flow forming"

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Process of flow forming has been for a long time used for manufacturing of pipes from low workability alloys. In research on this process special attention was paid to workability (technological plasticity) of the pipe material. In a majority of published research prediction of the workability was made by various fracture criteria, which use stresses and strains calculated by finite element (FE) method. On the other hand, during manufacturing of thick wall tubes cyclic deformation involves repeating of the material loading and unloading. In consequence, residual stresses occur and are accumulated in the tube. These are compressive stresses at the outer surface and tensile stresses at the inner surface. Magnitude of these stresses is comparable with those occurring during deformation. It is expected that using FE program with constitutive laws, which do not account for the unloading phase, may lead to erroneous predictions of conditions of crack appearance as well as of localization of cracks. To prove this thesis two models of the flow forming process for thick wall tubes were developed. Constitutive law in the first model accounted for both elastic-plastic deformation and elastic unloading. The second simplified model used the rigid-plastic flow rule. The material flow stress model was the same in both solutions, with initial part representing elastic deformation. The models were implemented in the Qform8 software. Obtained results show that in the first case large tensile stresses at the inner surface were predicted, what means an increased risk of fracture. These stresses occur not only in the deformation zone but also along the tube. In the second solution, which did not account for the unloading, maximum stresses occur directly in the deformation zone. Distribution of the fracture criterion parameters shows differences in the localization of fracture for these two solutions. The first variant predicted fracture at the inner surface of the tube, while the second variant at the outer surface. The former was confirmed by experimental results. Necessity of accounting for unloading cycle in simulations of the flow forming for thick tubes was confirmed.

PL

Proces walcowania poprzecznego w nienapędzanych rolkach (ang. flow forming) od dawna jest stosowany dla produkcji rur z nisko plastycznych stopów. W badaniach tego procesu szczególną uwagę zwraca się na odkształcalność (technologiczną plastyczność) materiału rury. W większości prac odkształcalność jest oceniana przez odpowiednie kryteria utraty spójności, które wykorzystują wyniki modelowania naprężeń i odkształceń metodą elementów skończonych (MES). Tymczasem podczas walcowania rur grubościennych wielokrotne cykliczne odkształcenie materiału rolkami powoduje powtórzenia procesów odkształcenia i odprężenia. W konsekwencji w materiale powstają i akumulują się naprężenia własne: ściskające na zewnętrznej powierzchni i rozciągające na wewnętrznej. Wartość tych naprężeń jest porównywalna z naprężeniami powstającymi podczas odkształcenia materiału rolkami. W pracy pokazano, że stosowanie do modelowania procesów „flow forming" programów MES z modelem materiału nie uwzględniającym odprężenia powoduje błędne przewidywanie nie tylko warunków utraty spójności, ale również lokalizacji powstawania pęknięć. W celu udowodnienia tej tezy opracowano dwa modele procesu walcowania rury grubościennej, które różniły się zastosowanym prawem konstytutywnym. Pierwszy model uwzględniał nie tylko sprężysto-plastyczne odkształcenie materiału, ale również procesy odprężenia. Drugi model był sztywno-plastyczny i nie uwzględniał odprężenia. W obu rozwiązaniach przyjęto taki sam model naprężenia uplastyczniającego, z początkowym odcinkiem opisującym sprężystość. Implementację modeli materiału oraz kilku kryteriów utraty spójności wykonano w środowisku programu Qform8. Porównanie wyników symulacji dla obu praw konstytutywnych wykazało, że w pierwszym przypadku powstają duże rozciągające naprężenia własne na wewnętrznej powierzchni rury, § co podnosi ryzyko utraty spójności materiału w tych miejscach. Te naprężenia powstają nie tylko w strefie odkształcenia, ale wzdłuż całej rury. W drugim rozwiązaniu nie uwzględniającym odprężenia, maksymalne naprężenia powstają bezpośrednio w strefie odkształcenia. Rozkład parametrów kryteriów pękania pokazuje różną lokalizację pękania dla dwóch praw konstytutywnych. W pierwszym wariancie model przewiduje pękanie na wewnętrznej powierzchni rury, a w drugim wariancie na zewnętrznej. Z danych doświadczalnych wynika, że w analizowanych warunkach procesu pękanie rury powstaje na wewnętrznej powierzchni, na której wartości rozciągających rezydualnych naprężeń są największe. Potwierdza to konieczność uwzględnienia fazy odciążania materiału w symulacjach procesu dla rur grubościennych.

Słowa kluczowe

EN

secondary metallurgy; ladle nozzle opening; modeling

• Czasopismo: Computer Methods in Materials Science
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 15, No.4
• Strony: 469--480
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz., rys.

Twórcy

autor

Milenin, A.

• AGH University of Technology, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Kustra, P.

• AGH University of Technology, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Byrska-Wójcik, D.

• AGH University of Technology, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków,

autor

Pietrzyk, M.

• AGH University of Technology, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

Bibliografia

• Avitzur, B., 1968, Analysis of central bursting defects in extrusion and wire drawing, Journal of Engineering for Industry, 90, 79-90.
• Biba, N., Vlasov, A., Stebunov, S., Maximov, A., 2015, An approach to simulation of flow forming using elastic-visco-plastic material model, 13th International Cold Forming Congress, Glasgow, 141-147.
• Depriester, D., Massoni, E., 2014, On the damage criteria and their critical values for flow forming of ELI grade Ti64, 2014, Key Engineering Materials, 622-623, 1221.
• Hensel, A., Spittel, T., 1979, Kraft- und Arbeitsbedarf Bildsamer Formgebungs-verfahren, FEB DeutscherVerlagfur Grundstofflndustrie, Leipzig.
• Hua, F. A., Yang, Y. S., Zhang, Y. N., Guo, M. H., Guo, D. Y., Tong, W. H., Hu, Z. Q., 2005, Three-dimensional finite element analysis of tube spinning, Journal of Materials Processing Technology, 168, 68-74.
• Ierusalimschy, R., 2013, Programming in Lua, 3rd edition,Lua.org, Rio de Janeiro.
• Kolmogorov, V., 1986, Mechanika obrabotki metallow dawleniem, Metallurgy, Moscow.
• Kuss, M., Buchmayr, B., 2014, Radialschmieden versus Zylinderdrückwalzen, BHM Berg- und Hiittenmdnnische Monatshefte, 159, 208-213.
• Laflen, J. H., Cook, T. S., 1982, Equivalent damage - a critical assessment, General Electric Company, Lewis Research Center, Prepared for NASA, NASA-CR-167874 19830009271, 193.
• Mohebbi, M. S., Akbarzadeh, A., 2010, Experimental study and FEM analysis of redundant strains in flow forming of tubes, Journal of Materials Processing Technology, 210,389-395.
• Stebunov, S., Biba, N., Vlasov, A., Maximov, A., 2011, Ther¬mally and mechanically coupled simulation of metal forming processes, 10th International Conference on Technology of Plasticity ICTP, Hirt, G., Tekkaya, A.E., Aachen, 171-175.
• Szeliga, D., Gawad, J., Pietrzyk, M., 2006, Inverse analysis for identification of rheological and friction models in metal forming, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 195, 6778-6798.
• Wong, C. C, Dean, T. A., Lin, J., 2003, A review of spinning, shear forming and flow forming processes, Internation¬al Journal of Machine Tools & Manufacture, 43, 1419-1435.