JultikaUniversity of Oulu repository

Abstract

Understanding fatigue as a phenomenon is crucial, as most machine components fail due to fatigue fracture. The fatigue behavior of a component is highly dependent on the microstructure of the material. Crystal plasticity models are efficient computational tools for investigating the micromechanical behavior of the material and therefore obtaining a better understanding of fatigue. This work compares two different types of crystal plasticity models regarding fatigue modeling, a crystal plasticity finite element model and a self-consistent crystal plasticity model. The microstructure of the material can be modeled explicitly with crystal plasticity finite element model. The self-consistent model does not use an explicit microstructure, instead the grains experience the effects of neighboring grains through homogenization. The main goal of the work is to determine if the self-consistent model is able to produce comparable results to the computationally more demanding finite element model in fatigue loading.

The models are calibrated to fatigue and tensile test data of a martensitic steel with a new proposed fitting method separately addressing the plasticity and damage behavior. Two different types of microstructural morphologies are used to compare the models with only plasticity in fatigue loading, a prior austenite like microstructure and a martensitic microstructure, which both have their own grain orientation distributions. The damage behavior is compared with martensitic microstructures with embedded inclusions. With only plasticity active, the models produce quite similar results with a prior austenite structure. With the more intricate geometry of a martensitic structure, larger differences in plasticity and stress distribution are noticed. The difference in the model formulations causes obvious differences once the damage is introduced. While the finite element model can properly model the crack propagation, the self-consistent model can only estimate the damage in the microstructure.

Homogenisaatiokideplastisuusmallin ja elementtimenetelmäkideplastisuusmallin vertailu väsymisessä

Tiivistelmä

Väsymisen ymmärtäminen ilmiönä on tärkeää, sillä suurin osa koneenosien vaurioitumisesta johtuu väsymismurtumista. Väsymiskäyttäytyminen riippuu hyvin paljon käytetyn materiaalin mikrorakenteesta. Kideplastisuusmallit ovat tehokkaita laskennallisia työkaluja materiaalin mikromekaanisen käyttäytymisen ja täten väsymisen tutkimisessa. Tässä työssä vertaillaan kahta erilaista kideplastisuusmallia, kideplastisuuselementtimallia ja -homogenisaatiomallia. Elementtimalli mahdollistaa todellisuuden mukaisen mikrorakenteen mallintamisen, kun taas homogenisaatiomallilla materiaalin rakeet kokevat ympäröivän mikrorakenteen vuorovaikutukset homogenisaation kautta. Työn pääasiallinen tavoite on selvittää, kykeneekö homogenisaatiomalli tuottamaan vertailukelpoisia tuloksia laskennallisesti raskaamman elementtimallin kanssa väsymiskuormituksessa.

Työssä esitellään uusi menetelmä mallien kalibrointiin, jossa plastinen käyttäytyminen ja vauriokäyttäytyminen on erotettu toisistaan. Mallit kalibroidaan martensiittisen teräksen koetuloksiin. Malleja vertaillaan ilman vauriota jäännösausteniittisella ja martensiittisella mikrorakenteella, joilla on kummallakin oma raeorietaatiojakaumansa. Lisäksi malleja vertaillaan vaurion kanssa martensiittisella rakenteella sulkeuman kanssa. Ilman vauriota mallit tuottavat kohtalaisen samankaltaisia tuloksia austeniittisella rakenteella, mutta martensiittisella rakenteella, jossa mikrorakenteen geometrian rooli on merkittävämpi, havaitaan suurempia eroja plastisuus- ja jännitysjakaumissa. Kun vaurio aktivoidaan, havaitaan mallien välillä selkeä formulaation aiheuttama ero. Elementtimalli kykenee mallintamaan särönkasvun materiaalissa realistisesti, kun taas homogenisaatiomalli kykenee vain arvioimaan vaurion määrää rakenteessa.