Multi-scale deformation and failure prediction of polycrystalline metals: A case study on impact and localization

Polikristal malzemelerin temel ve ileri teknoloji alanlarında yaygın kullanılması için bu malzemelerin mekanik davranışlarının farklı ölçeklerde anlamlandırılması gerekmektedir. Toplu ulaşım araçlarının daha yüksek hızlarda hizmet verebilmesi için malzemelerin sert koşullara ve darbelere dayanıklı, yüksek güvenlikli yeni malzemelerin tasarımına ihtiyaç duyulmaktadır. Buna ek olarak, polikristal metallerin sünek kırılması plastik akış lokalizasyondan sonra başlamaktadır. Lokalizasyon mekanizmaları, malzemedeki boşlukların başlaması, büyümesi ve birleşmesi olaylarını içerir. Tipik olarak, lokalizasyonun kırılmadan önce meydana gelmekte ve sünek metalik malzemelerdeki tekdüze bir gerinimi sınırlandırmaktadır. Polikristal metalik malzemelerin farklı ölçeklerdeki darbe ve kırılma davranışlarını incelemek için iki vaka çalışması yapılmıştır. Birinci kısımda, yüksek-manganez östenitik çeliğin darbe yükü altındaki durumu mikroyapı-eksenli simülasyon ile analiz edilmiştir. Daha sonra, AISI 316L paslanmaz çeliğin in-situ SEM (taramalı elektron mikroskopu) testleri yardımıyla makroskobik plastik lokalizasyonu incelenmiştir. Birinci kısımda, yüksek-manganez östenitik çeliğin mikroyapı-eksenli makroskobik darbe davranışı ANSYS LS-DYNA doğrusal olmayan explicit sınırlı eleman (FE) kodu içerisine VPSC (visco-plastik self-consistent) kristal plastik modeli eklenerek modellenmiştir. Malzemelerin mikro-mekanik davranışlarını tahmin etmek için VPSC kristal plastik modelinde Voce sertleşmesi akış kuralları kullanılmıştır. Bu akış modeli tek eksenli statik çekme test sonuçları ve malzemenin başlangıç mikroyapı bilgileriyle kalibre edilmiştir. Özellikle, VPSC'deki kalibre edilmiş Voce parametreleri yardımıyla, yerel hız gradyant tansörü yeni sınır koşulları gibi kullanılarak modifiye edilmiş malzeme davranışları tahmin edilmiştir. Bu yararlanılan yerel hız gradyant tansörü başlangıçtaki FE analizlerinden elde edilmiştir. Malzemelerin güncellenmiş mikro-mekanik davranışları Johnson-Cook (JC) bünye ilişkisi ve eşlenik hasar parametreleri ile kalibre edilerek makro-yapı malzeme modeline entegre edilmiştir. Sonuç olarak, polikristal malzemelerin darbe davranışlarına uygun bir modellemenin yapılabilmesi için geometriye bağlı çok eksenli gerilim durumun (stress state) gerekliliğini ortaya çıkarılmıştır. Ayrıca, bahsi geçen metodun Hadfield çeliğinde darbe sonucu oluşan deformasyon davranışının deneysel ve numerik olarak analizinde kullanılabileceğini gösterdik. İkinci kısımda, AISI 316L paslanmaz çelikten yapılan numunelerin mikro ölçek in-situ SEM çekme testinde kaydedilen sıralı görüntülerini kullanarak plastik lokalizasyonunu inceledik. Küçük ölçekteki malzemelerin çekme testi için yeni bir yaklaşım olan HNE'yi (hybrid-numerical experimental) geliştirdik. Bu yaklaşım çerçevesinde, daha küçük ölçeklerde test yapabilmek ve in-situ SEM ölçümlerindeki yatay mekânsal yamulmanın oluşturduğu deplasman hatalarını azaltmak için çekme düzeneği özgün bir şekilde minyaturlaştırıldı. Numune deformasyon sırasında art arda çekilmiş iki görüntü daha sonra birkaç kez kopyalanıp tekrarlanarak dizi haline getirildi. Oluşturulan görüntü dizisi yardımıyla plastik lokalizasyon bölgeleri ortaya çıkarıldı. In-situ SEM çekme testlerinden elde edilen sonuçlar, geliştirdiğimiz metodun öncül plastik lokalizasyonu saptamada kullanılabileceğini kanıtlamaktadır.