Mesoscale modelling of crack initiation from inclusions in steel
No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering |
Master's thesis
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
Author
Date
2011
Department
Major/Subject
Lujuusoppi
Mcode
Kul-49
Degree programme
Language
en
Pages
66 s. + liitt. 3
Series
Abstract
Non-metallic inclusions are a major reason for fracture in high strength steels used in long life components. These inclusions are often very small, approximately the same size as the grains. At this microstructural level it can be no longer assumed that the material is homogeneous or isotropic. Here features such as grain orientations and grain boundaries determine the mechanical behaviour of the material. This is why mesoscale modelling has become a method of scientific interest as it allows microstructural features and micro-plasticity to be modelled. The aim of this thesis is to model the nucleation and early propagation of a microstructurally short fatigue crack (i.e. a micro-crack) in martensitic steel with oxide inclusions. This has been done by constructing a 2D model that takes into consideration local yielding as well as typical crystallographic properties of the grains. The model consists of a representative volume element of grains with a circular void in the middle that represents an oxide inclusion. The grains are modelled as either same sized hexagons or somewhat random polygons based on Voronoi tessellations. The material model is based on behaviour of ductile single crystals meaning that the yielding is shear dominated. The study concentrated on the effects of grain orientations on micro-crack nucleation and propagation. The micro-crack initiation lives where estimated with methods based on shear o stress and plastic shear strain. It was observed that preferential orientations were able to prevent nucleation from the stress concentration location and even arrest later propagation. Thus in the grain scale the material stiffness is very dependent on the directional properties of the grains as well as the effect of small inclusions.Epämetalliset sulkeumat ovat suurin syy pitkän eliniän komponenteissa käytettävien lujien terästen murtumiseen. Nämä sulkeumat ovat usein hyvin pieniä ja siten kooltaan samaa suuruusluokkaa metallin mikrorakenteen muodostavien rakeiden kanssa. Tällä mikrorakenteen tasolla ei voida enää olettaa, että materiaali olisi homogeenista tai isotrooppista, sillä mm. raeorientaatiot ja raerajat määrittävät materiaalin mekaanista käyttäytymistä. Mesoskaalamallinuksesta onkin tullut tieteellisesti kiinnostava menetelmä, sillä se mahdollistaa mikrorakenteen ja mikroplastisuuden mallintamisen. Tämän diplomityön tavoitteena on mallintaa mikrorakenteellisesti lyhyen väsymissärön, mikrosärön, syntymistä ja alkuvaiheen kasvua martensiittisessa teräksessä kun ydintäjänä toimii oksidisulkeuma. Tämä on toteutettu 2D mallilla, joka ottaa huomioon paikallisen myötämisen sekä materiaalin tyypillisiä kiderakenteellisia ominaisuuksia. Malli koostuu joukosta rakeita, sekä ympyrämäisestä huokosesta, joka edustaa oksidisulkeumaa. Rakeet mallinnetaan samankokoisina kuusikulmioina tai satunnaisina monikulmioina perustuen Voronoi tessellaatioihin. Materiaalimalli perustuu yksittäiskiteisiin, jotka myötävät kiderakenteen liukusuuntiin. Työssä keskityttiin määrittämään raeorientaation vaikutusta mikrosäröjen ydintymiseen. Ydintymiseen kuluvaa aikaa arvioitiin leikkausjännitykseen ja plastiseen leikkausvenymään perustuvilla menetelmillä. Tutkimuksessa havaittiin, että sopivat orientaatiot saattoivat estää mikrosärön ydintymisen jännityspiikistä ja jopa pysäyttää jo syntyneen mikrosärön. Raetasolla materiaalin jäykkyys on siis hyvin riippuvainen raeorientaatioista sekä pienten sulkeumien vaikutuksesta.Description
Supervisor
Marquis, GaryKeywords
fatigue, väsyminen, high strength steel, teräs, inclusions, sulkeumat, mesoscale modelling, mesoskaalamallinnus, micro-cracks, mikrosäröt
