Modeling the stress-strain response and microstructure development of porous sintered steels

QC250507

Abstract

Denna avhandling behandlar utveckling av beräkningsmetoder för att förutsäga spännings-töjningsbeteende och mikrostrukturella förändringar i sintrade metaller som innehåller porer. Sintrade stål används i många strukturellatillämpningar, till exempel inom fordonsindustrin. Mekaniska egenskaper blir då av betydelse och densitet spelar en stor roll för att kontrollera dessa egenskaper. De mikroskaliga effekterna, så som storleken och formen på porerna påverkar även spänning-töjningsbeteendet. Dessa egenskaper påverkas i sin tur av sintringscykeln. Således används här en diffusionsmodell baserad på medelfältsteori tillsammans med en mikromekanisk modell med representativ volymelement (RVE) i ett försök att förutsäga experimentellt uppmätta egenskaper hos ett bainitiskt sintrat stål.

Artikel A presenterar en detaljerad karakterisering av enaxligt drag- och kompressionsbeteende, baserat på densitet. Mikro- och makrohårdhetstestning utförs och jämförs med dragprovsresultat. Tester på prover med samma densitet före sintring, utsatta för olika hålltider och temperaturer under sintringscykeln, genomförs också. Effekter av kolhalt, porstruktur och densitet på beteendet vid dragbelastning diskuteras.

Sintringsmodellen beskrivs och presenteras i Artikel B. En ny beräkningsmetod introduceras för "tvåpartikelmodellen", som innefattar fem olika transportmekanismer. Densitetsberoende introduceras genom att relatera partikelöverlappning till volymen i en tätpackad struktur. Simuleradmikroskopisk krympning jämförs med experimentellt uppmätt dimensionsförändring av sintrade dragprover för två olika sintringscykler.      Därefter genomfördes en parametrisk studie av effekten av olikaIVtransportmekanismer och partikelstorlek. Noggrannheten hos de numeriska resultaten och orsakerna till experimentellt observerade skillnader mellan två cykler diskuteras också.

Mikromekanisk modellering tas upp i Artiklar C och D. I Artikel C introducerasen RVE-modell i form av tätt packade överlappande sfäriska partiklar. Endetaljerad motivering ges för hur modellen beskriver densitet ochmikrostrukturella egenskaper hos porerna och partikelstorlek. Konstitutivaparametrar beräknas genom att anpassa den experimentella dragprovkurvanvid en densitet med antagandet om små deformationer och von Mises plasticitet. Med den mikromekaniska modellen beräknades spänning-töjningskurvor vidfem olika densiteten och jämfördes med de experimentella resultaten. God överenstämmelse erhölls. Slutligen presenteras en parametrerstudie som undersökte effekterna av sinterhalsens krökning.

I Artikel D utökas RVE-modellen med införandet av kohesiva zoner mellanpartiklar för att beskriva sprickbeteendet mellan partiklar. Kohesiva parametrar identifieras för en bilinjär kohesiv modell som ger god kvalitativöverensstämmelse med experimentella resultat. Effekten av olika antalsammanhängande zoner undersöks. Därefter diskuteras framtida förbättringarav den kohesiva modellen baserat på observationer av mikrostrukturellsprickutveckling presenterat tidigare i andra studier.I avhandlingens introduktions- och slutsatsavsnitt diskuteras hur denframtagna beräkningsmetoden passar in i ICME-metoden och senaste rön inomsinter- och porositetsmodellering. I avsnittet om möjliga framtida studierföreslås möjligheter för att förbättra prediktionsförmågan och utökaanvändbarheten av modellen.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-363171