18672

۱۸۶۷۲

پيش‌بيني رفتار ترموالاستيك و ويسكوپلاستيك غيرخطي آلياژهاي غيرهمگن با استفاده از مدل همگن‌سازي ميدان متوسط

كارشناسي ارشد

شناسايي و انتخاب مواد فلزي

اسفند ماه ۱۳۹۶

دكتر محمدرضا ابوطالبي - دكتر سيد حسين سيدين

دكتر باقر محمدصادقي

مواد و متالورژي

اغلب مواد مهندسي مورد استفاده در صنعت ناهمگن بوده كه در حين كار در معرض بارگذاري در شرايط مختلف قرار مي‌گيرند. با توجه به اينكه خواص مكانيكي مؤثر يك ماده ناهمگن متأثر از مقدار و خواص فازهاي متشكل آن مي‌باشد، بنابراين مطالعه رفتار مكانيكي (الاستيك و ويسكوپلاستيك) اين مواد بر مبناي ريزساختار آنها و مرتبط ساختن مكانيسم‌هاي تغيير شكل با ريزساختار و شرايط بارگذاري و در نتيجه تعيين خواص مؤثر مواد غيرهمگن حائز اهميت است. به منظور مرتبط ساختن رفتار مكانيكي مواد ناهمگن در مقياس ميكروسكوپي با خواص ماكروسكوپي آنها از مدل هاي همگن‌سازي استفاده مي‌شود كه در آنها با توجه مشخصات ريز ساختاري ماده (شكل دانه، جهت گيري دانه ها، نوع و مقدار فازها) و تكنيك‌هاي يكنواخت‌سازي، خواص ميانگين و مؤثر ماده مورد ارزيابي قرار مي‌گيرد. در جهت اين هدف، مدل‌هاي همگن‌سازي متفاوتي ارائه و توسعه‌يافته كه در اين تحقيق، با مقايسه و مطالعه در ادبيات موضوع، روش انتقال مقياس ميدان متوسط خودسازگار، به‌عنوان ابزار پيش‌بيني خواص مؤثر براي مواد ناهمگن ازجمله پلي‌كريستال‌ها استفاده شد، اين روش بر پايه معادلات مكانيك پيوسته و معادلات بنيادي است كه براي حل عددي اين معادلات، روش تلفيقي افزايشي با استفاده از كد نويسي به زبان فرترن انجام شد. در مطالعه‌ي رفتار الاستيك، رفتار موضعي غير همسانگرد براي پلي كريستال مس، با تعداد 2000 جهت‌گيري اتفاقي و 938 جهت‌گيري واقعي، در المان حجمي معرف، بررسي شد و براي هر دو جهت‌گيري رفتار مؤثر همسانگرد تعيين شد. مدول يانگ با استفاده از مدل تقريباً برابر با 130مگاپاسگال براي مس بدست آمد كه با نتايج تجربي موجود هم‌خواني خوبي دارد. علاوه بر آن، رفتار الاستيك و ترموالاستيك ماده‌ي دوفازي مجازي در شرايط مرزي مختلف به‌روش همگن‌سازي و با استفاده از كدنويسي پيش‌بيني شده و با حل تحليلي معادلات حاكم بر آن‌‌ها مقايسه گرديد كه انطباق مناسبي بين آنها بدست آمد. هم‌چنين، با مقايسه‌ي رفتار غير همسانگرد الاستيك مس و برنج آلفا، مشخص شد كه شدت غير همسانگردي بيشتر باعث وقوع سيستم‌هاي لغزش اوليه است كه نتايج تجربي را نيز ارضا مي‌كند. در ادامه، يك مدل كامپيوتري توسعه يافت تا توانايي حل رفتار ويسكوپلاستيك غيرخطي را در بارگذاري سيكلي و محاسبه‌ي اتلاف انرژي داشته باشد كه با توجه به حلقه‌ي هيسترزيس، رابطه‌ي مستقيم پارامترهاي تنش و كارسختي و رابطه‌ي غيرمستقيم پارامتر فركانس، با اتلاف انرژي مشخص گرديد. با استفاده از پيش بيني هاي مدل نشان داده شد كه بين تنش با اتلاف انرژي رابطه درجه دو حاكم است كه با نتايج تجربي هم سازگاري دارد. بعلاوه با بررسي رفتار ويسكوپلاستيك در تنش‌ها و فركانس‌هاي مختلف مشخص شد كه غير همسانگردي موجب كاهش اتلاف انرژي مي‌شود. واژه‌هاي كليدي: همگن‌سازي، روش خودسازگار، معادلات بنيادي، پلي‌كريستال‌، بارگذاري سيكلي

1397/01/28

4/17/2018 12:00:00 AM

Most of the engineering materials used in industries are heterogeneous which are typically loaded under various conditions. Since the mechanical behaviors of inhomogeneous materials in macro- scale are related to the microstructure and micro-scale behavior, it is important to develop a model to correlate between the micro-mechanical and macro- mechanical behaviors of the nonhomogeneous materials. In this regard, homogenization models are developed and employed to correlate the micromechanical properties to the mechanical properties at macro-scale. The objective of this research work is to develop a self-consistence homogenization model to predict the effective elastic and non-linear visco-plastic behaviors of an inhomogeneous polycrystal. Reviewing different homogenization models reported in the literature, in this study, a self-consistent mean field model was considered as a key for broadcasting the specific properties for inhomogeneous materials such as polycrystals. This method is based on continuum mechanics and constitutive equations in which for the numerical calculation of these equations, incremental collocation method was applied by development of a Fortran program. In elastic part, anisotropic localized behavior for copper polycrystal with 2000 random and 938 real orientations in a representive volume element was considered and isotropic specific behavior was evaluated. Furthermore, elastic and thermoelastic behaviors of virtual dual-phase material under different boundary conditions were calculated by the developed Fortran program and compared the computed results with those obtained by analytical solutions which an excellent agreement was obtained. Also, from the comparison of the anisotropic elastic behavior of copper and α-brass, it has been observed that the more anisotropic intensity cause the occurrence of early-slip systems. In addition, the developed model has been able to analyze the non-linear viscoplastic behavior in cyclic loading and also to predict the dissipation energy because of the hysteresis loop. It has been shown that the dissipation energy has a direct relationship with stress and hardening parameters and indirect relationship with frequency. From computed results, it has been also confirmed that the variations of dissipation energy with stress follows a second-order equation of stress which is in conformity with experimental results. By studying the viscoplastic behavior in different stresses and frequencies, it has been shown that anisotropy causes to lower dissipation energy. Keywords: Homogenization, Self-consistent, Constitutive equations, Polycrystal, Cyclic loading