Weryfikacja przyjętego modelu

Po wstępnej analizie obu rozwiązań w dalszej części pracy postanowiono skupić się na weryfikacji modelu RGB, jako modelu dedykowanego odkształceniom cyklicznym. W tym celu symulacji numerycznej poddane zostały cykliczne próby trójpunktowego zginania, ściskania/ rozciągania oraz skręcania dla materiałów o różnych strukturach sieci krystalicznej.

Dalsza weryfikacja modelu RGB była prowadzona w sposób analogiczny do wcześniejszej analizy. Wszystkie symulacje były wykonane dla takich samych warunków: wielkości odkształcenia, prędkości odkształcenia oraz temperatury jakie były przyjęte w rzeczywistych procesach odkształcenia. Część modeli próbek zaimportowane do programu Abaqus zostały uproszczone do reprezentacji 2D zachowując wymiary identyczne z próbkami wykorzystywanymi w badaniach doświadczalnych.

Wyniki modelowania próby cyklicznego trójpunktowego zginania dla dwóch wybranych materiałów przedstawiono na Rys. 9.7. Procesowi odkształcania została poddana stal niskowęglowa oraz stop modelowy o strukturze austenitycznej z mikrododatkiem Nb. Na Rys. 9.7 b i d zaprezentowano korespondujące do krzywych płynięcia zmiany średniej gęstości dyslokacji wyznaczone przy pomocy modelu RGB. Wynikiem występowania dodatkowego mechanizmu umocnienia wydzieleniowego w stali o strukturze austenitycznej jest obserwowana wyższa

137

wartość naprężenia uplastyczniającego. Również całkowita gęstość dyslokacji wyznaczona modelem RGB jest znacznie wyższa. Na skutek wymuszonej zmiany kierunku odkształcenia dyslokacje powstałe na początku drugiego cyklu ulegają procesowi anihilacji. Odkształcenie zadane w poszczególnych cyklach próby trójpunktowego zginania było stosunkowo niewielkie, dlatego też dyslokacje obliczane w kierunku powrotnym nie zdarzyły ulec procesowi anihilacji (Rys. 9.7 b i d) w tak dużym stopniu jak w przypadku próby skręcania wykonanej dla znacznie większych wartości odkształcenia w cyklu (Rys. 9.6).

a) b)

c) d)

Rys. 9.7 Porównanie krzywej płynięcia z cyklicznej próby trójpunktowego zginania oraz uzyskanej przy pomocy analizowanych modeli umocnienia dla stali austenitycznej -a) [148] oraz niskowęglowej -c); zmiana średniej gęstości dyslokacji obliczana przy pomocy modelu RGB dla stali austenitycznej -b) oraz

niskowęglowej -d).

Dodatkowym zjawiskiem wynikającym z zastosowania materiałów, w których występują cząstki fazy obcej w postaci niekoherentnych wydzieleń, prócz wzrostu wielkości naprężenia uplastyczniającego, jest zmiana prędkości odkształcenia. Występujące w mikrostrukturze stali o strukturze austenitycznej wydzielenia będą hamować proces odkształcania materiału.

Przykładowe mapy rozkładu poszczególnych parametrów uzyskanych podczas modelowania cyklicznej próby trójpunktowego zginania dla dwóch wybranych materiałów zostały przedstawione na Rys. 9.8 i Rys. 9.9. Wpływ zastosowanej zmiennej drogi odkształcenia dla analizowanych materiałów widać przede wszystkim w rozkładach intensywności naprężenia (Rys.

138

9.8a i Rys. 9.9a) oraz intensywności prędkości odkształcenia. Intensywność prędkości odkształcenia wykazuje najwyższe wartości w miejscu wygięcia próbki. Maksymalne wartości intensywności odkształcenia uzyskane podczas modelowania komputerowego dla stali o strukturze austenitycznej (Rys. 9.8c) są o ok. 24% niższe niż w przypadku stali niskowęglowej (Rys. 9.9c).

a) Intensywność naprężenia

b) Intensywność odkształcenia

c) Intensywność prędkości odkształcenia

Rys. 9.8 Przykładowe wyniki modelowania. Rozkład intensywności naprężenia-a), intensywności odkształcenia -b) oraz intensywności prędkości odkształcenia -c) na przekroju poprzecznym zginanych

139

a) Intensywność naprężenia

b) Intensywność odkształcenia

c) Intensywność prędkości odkształcenia

Rys. 9.9 Przykładowe wyniki modelowania. Rozkład intensywności naprężenia-a), intensywności odkształcenia -b) oraz intensywności prędkości odkształcenia -c) na przekroju poprzecznym zginanych

próbek ze stali niskowęglowej.

Rozkład wielkości odkształcenia uzyskany na drodze symulacji numerycznej został porównany z wynikami badań doświadczalnych. Do tego celu wykorzystana została analiza rozkładu pól odkształceń wykonana przy pomocy systemu DIC. Zmiana wielkości odkształcenia została wykonana wzdłuż dwóch linii oznaczonych na Rys. 9.10c. W przypadku stali o strukturze austenitycznej w pierwszym cyklu zarejestrowano niższe maksymalne wartości odkształcenia niż w cyklu drugim. Natomiast maksymalne wielkości odkształcenia zarejestrowane dla stali niskowęglowej są praktycznie takie same dla obu analizowanych cykli. Porównując odkształcenie zakumulowane w poprzednim cyklu odkształcania, można zaobserwować znaczny wzrost w obu przypadkach. Różnice występujące pomiędzy cyklami są większe w przypadku materiału, w którym nie występują cząstki fazy obcej. Wyniki uzyskane na podstawie symulacji numerycznej wykazały podobną tendencję, jednak w przypadku Fe30%Ni-Nb obliczone wartości było o ok. 10% niższe niż zarejestrowane przy pomocy systemu DIC. Dla stali niskowęglowej różnice pomiędzy wynikami modelowania komputerowego i analizy DIC były nieznaczne. Rozbieżności w dokładności wykonywanych obliczeń w porównaniu z analizą DIC związane są z różną morfologią struktury obu analizowanych materiałów. Jak już wcześniej wspomniano, istotne znaczenie w sposobie odkształcania odgrywają niekoherentne cząstki wydzieleń występujące w stali mikrostopowej.

140

Rys. 9.10 Zmiana wielkości odkształcenia wzdłuż linii charakterystycznych dla stali austenitycznej-a) oraz stali niskowęglowej-b); schematyczne przedstawienie miejsc wykonanej analizy.

W kolejnym etapie prac model RGB został poddany weryfikacji z wykorzystaniem cyklicznej próby ściskania/rozciągania. Próbie zostały poddane dwie próbki z tego samego materiału (stal ferrytyczna). Jedna z nich została odkształcona w temperaturze pokojowej z wielkością odkształcenia wstępnego równej 0.025. Druga próbka odkształcana była w temperaturze 800oC z wielkością odkształcenia wstępnego równą 0.07. Pierwszy cykl obejmował proces ściskania natomiast drugi rozciągania. Podczas ściskania porównując wyniki modelowania komputerowego z krzywą płynięcia wyznaczoną na drodze doświadczalnej można zauważyć dużą zgodność dla obu zastosowanych schematów procesu. Natomiast po zmianie kierunku odkształcenia, kiedy próbki zostały poddane procesowi rozciągania różnice w otrzymanych wynikach są znacznie większe. Zaobserwowano również, że w przypadku zwiększenia wartości odkształcenia powrotnego błąd obliczeń znacznie się zwiększa i wynosi ok. 70 MPa (Rys. 9.11 a). W drugim schemacie odkształcenia, w którym zastosowano wyższą wartość odkształcenia wstępnego maksymalne wartości naprężenia, nie wykazywały tak dużych różnic jak w pierwszym przypadku, ale charakterystyka krzywej odpowiadającej procesowi rozciągania odbiegała od krzywej doświadczalnej (Rys. 9.12 a). Dodatkowo, w sposób analogiczny jak w przypadku wcześniej wspomnianych prób plastometrycznych (cyklicznej próby skręcania oraz cyklicznej próby trójpunktowego zginania) wykonane zostały obliczenia zmiany średniej gęstości dyslokacji przy pomocy modelu RGB. Poprzez zastosowanie podwyższonej temperatury obserwowany jest znacznie szybszy spadek gęstości dyslokacji powstałych w początkowej fazie procesu rozciągania, spowodowany ich zwiększoną ruchliwością.

141

a) b)

Rys. 9.11 Porównanie krzywej płynięcia z cyklicznej próby ściskania/rozciągania wykonanej w temperaturze pokojowej oraz uzyskanej przy pomocy modelu RGB -a); zmiana średniej gęstości dyslokacji

obliczana przy pomocy modelu RGB dla analizowanej próby -b).

a) b)

Rys. 9.12 Porównanie krzywej płynięcia z cyklicznej próby ściskania/rozciągania wykonanej w temperaturze 800oC oraz uzyskanej przy pomocy modelu RGB -a); zmiana średniej gęstości dyslokacji

obliczana przy pomocy modelu RGB dla analizowanej próby -b).

Przedstawione wyniki z cyklicznych prób plastometrycznych wykazują rozbieżności pomiędzy naprężeniem obliczonym, a zmierzonym podczas rzeczywistych badań doświadczalnych. Najbardziej prawdopodobną przyczyną jest sposób opisu zmiany gęstości dyslokacji uzależniony od kierunku aktualnie działającego obciążenia. Dodatkowo, taki opis średniej gęstości dyslokacji znacznie ogranicza możliwość zastosowania modelu RGB do symulacji rzeczywistych procesów przeróbki plastycznej charakteryzujących się złożoną historią odkształcenia. Ponadto, w przypadku materiałów, w których występują niekoherentne cząstki fazy obcej, udział umocnienia wydzieleniowego w znacznym stopniu wpływa na zachowanie materiału podczas odkształcania. Konsekwencją prowadzonych badań i analizy otrzymanych wyników jest konieczność zaproponowania modyfikacji obecnej postaci modelu RGB. Niezbędne jest uwzględnienie mechanizmu umocnienia wydzieleniowego dla materiałów, w których występują cząstki fazy obcej. Dodatkowo modyfikacja sposobu opisu zmiany średniej gęstości dyslokacji podczas

142

odkształcania pozwoli na możliwość szerszego zastosowania modelu w opisie procesów charakteryzujących się zmienną drogą odkształcenia.