چكيده چدن نشكن به دليل استحكام مناسب، سهولت در ريخته¬گري و قيمت ارزان، كاربرد گسترده¬اي در صنايع گوناگون دارد. تاكنون تحقيقات بسيار گسترده¬اي بر روي خواص انواع چدن نشكن انجام شده است. در اين رساله به بررسي ميكرومكانيكي شكست در چدن نشكن فريتي با مكانيزم شكست نرم و چدن نشكن پرليتي با مكانيزم شكست ترد پرداخته شده است. ريزساختار چدن نشكن فريتي و پرليتي به طور كامل مطالعه شده است و پارامترهاي توصيف¬كننده ريزساختار ماده كه در نتايج تحليل‎هاي ميكرومكانيكي و نيز مكانيزم شكست چدن نشكن نقش عمده¬اي ايفا مي‎كنند، استخراج شده است. سپس سلول واحد مناسب كه بيشترين انطباق با پارامترهاي ريزساختار چدن نشكن را دارا باشد، تعيين شده است. با استفاده از آزمون‎هاي نانوسختي و نانوخراش، خواص الاستيك-پلاستيك فازهاي مختلف چدن نشكن استخراج شده است. از روش اصلاح شده اليور-فار براي استخراج مدول يانگ استفاده شده است. با استفاده از نتايج شبيه¬سازي اجزاي محدود نانوسختي و با انجام فرايند بهينه¬سازي، منحني سخت¬شوندگي كرنش (قانون تواني) براي فاز‎هاي مختلف چدن نشكن استخراج شده است. همچنين با انجام آزمون نانوسختي و تحليل اجزاي محدود آن، خواص در فصل مشترك بين دانه گرافيت و زمينه فريتي پيرامون آن مطالعه شده است. نتايج حاكي از آن است كه ضخامت لايه فصل مشترك اين دو فاز بسيار كوچك مي‎باشد و خواص فازهاي گرافيت و فريت در نزديكي فصل مشترك، مشابه با خواص اصلي اين فازها مي‎باشد. يك روش جديد براي استخراج همزمان منحني تنش-كرنش فازهاي فريت و پرليت و نيز پارامترهاي مدل مادي گرسون (GTN) ارائه شده است. با انجام تحليل‎هاي ميكرومكانيكي سلول واحد در حالت‎هاي كششي و فشاري، و انجام بهينه¬سازي عددي، منحني تنش-كرنش فازهاي فريت و پرليت استخراج شده است. با انجام آزمون‎هاي تجربي بر روي نمونه‎هاي ساده و شياردار تنش صفحه¬اي، كرنش صفحه¬اي، تقارن محوري و نمونه‎هاي شكست، تابع آسيب چدن نشكن فريتي استخراج شده است. كرنش شكست چدن نشكن فريتي براي مقادير مختلف نسبت سه محورگي تنش و پارامتر لود استخراج شده است. همچنين، با انجام تحليل‎هاي ميكرومكانيكي سلول واحد سه¬بعدي، تابع آسيب چدن نشكن به صورت تحليلي استخراج شده است. تاثير حضور دانه گرافيت در بارگذاري‎هاي با نسبت سه محورگي كوچك، مطالعه شده است. حضور دانه گرافيت سبب كاهش كرنش شكست در حالت‎هاي تنش با نسبت سه محورگي كوچك مي‎شود. قانون چسبناك حاكم بر فاز فريت و چدن نشكن فريتي براي حالت‎هاي مختلف تنش استخراج شده است. تحليل ميكرومكانيكي شكست نرم چدن نشكن فريتي با مدلسازي صريح حفره‎ها، براي چيدمان‎هاي مختلف دانه‎هاي گرافيت انجام شده است. از تئوري احتمالي ضعيف-ترين پيوند به كمك توزيع تنش ويبول براي پيش¬بيني رفتار شكست ترد چدن استفاده شده و نتايج حاصله با مقادير تجربي و عددي مقايسه شده¬اند. توزيع احتمالي شكست در چدن نشكن پرليتي ارتباط مستقيم با توزيع اندازه دانه‎هاي گرافيت دارد. اين ارتباط با استفاده از روابط توزيع ويبول تعيين شده است. واژه‌هاي كليدي: چدن نشكن، شكست نرم، ميكرومكانيك، نانوسختي و نانوخراش، مدل احتمالي شكست ترد

1395/11/26

3/20/2018 12:00:00 AM

Abstract: Ductile cast iron (DCI) due to sufficient strength, easy casting an​d low price is widely used in various industries. Up to now, extensive researches have been done on the properties of different grades of ductile iron. In this thesis, the micromechanical analysis of the fracture of ferritic ductile iron based on ductile fracture mechanism an​d the micromechanical fracture of pearlitic ductile iron based on brittle fracture mechanism have been investigated. Microstructures of ferritic an​d pearlitic ductile irons have been fully studied an​d the dominant parameters describing the material microstructure have been extracted. These parameters play a main role in the results of the micromechanical analyzes an​d fracture mechanism of DCI. Then, the appropriate unit cells that have the highest compatibility with the parameters of ductile iron microstructure have been determined. Using nanoindentation an​d nanoscratch tests, elastic-plastic properties of different phases of DCI have been extracted. The modified Oliver-Pharr method has been used to extract Young's modulus of different phases. Using the results of finite element (FE) simulation of nanoindentation an​d doing the optimization process, the strain hardening curve (power law) for different phases of DCI has been extracted. Also by doing the nanoindentation test an​d FE analysis, the properties at the interface between the graphite nodules an​d ferrite matrix have been studied. The results show that the thickness of interface layer between these two phases is very small an​d properties of graphite an​d ferrite phases near the interface are similar to the main properties of these phases. A new method to simultaneously extract the stress-strain curve of ferrite an​d pearlite phases an​d also the parameters of Gurson material model (GTN) has been presented. By doing micromechanical analyses of an axisymmetric unit cell in tensile an​d compressive states, an​d performing the numerical optimization, the properties of ferrite an​d pearlite phases have been obtained. By performing experimental tests on simple an​d notched samples of plane stress, plane strain, axisymmetric an​d fracture samples, the damage function of ferritic DCI has been extracted. Also, by performing the micromechanical analysis of a three-dimensional unit cell, the damage function of DCI has been analytically derived. The fracture strain of ferritic DCI for different values of stress triaxiality an​d Lode parameter has been extracted. Also the effect of presence of graphite nodule in stress state with small triaxiality has been studied. The presence of graphite nodule causes the reduction of fracture strain in such stress states. Cohesive laws of the ferrite phase an​d ferritic DCI have been extracted for various stress states. Micromechanical fracture analysis of ferritic DCI has been done by explicit modeling of voids for two different arrangements of graphite nodules. Weakest link probability theory using Weibull stress distribution has been used to predict the brittle fracture behavior of pearlitic DCI an​d the results have been compared with experimental an​d numerical values. Fracture probability distribution in pearlite DCI is directly related to the graphite nodules size distribution. This relationship has been determined using the Weibull distribution relationship. Keywords: Ductile cast iron, Ductile fracture, Micromechanics, Nanoindentation an​d nanoscratch, Brittle fracture, Weakest link method.