Materialparametere for rustfritt stål i numeriske analyser

Abstract

Austenittisk syrefast stål er attraktivt for konstruksjoner utsatt for høy belastning i korrosjonsutsatte miljø. I kjent litteratur eksisterer det ikke sanne spenning-tøyningskurver opp til brudd for AISI 316L (EN 1.4404) utført med Digital Image Correlation (DIC). Denne avhandlingen presenterer en eksperimentell studie av materialegenskaper og kalibrerte materialparametere til AISI 316L. I tillegg valideres materialparameterne gjennom numeriske analyser for både enaksielle (UT) og plan tøyning (PST) strekktester.

UT-tester ble utført for fem ulike temperaturer med to ulike tøyningshastigheter for hver temperatur og analysert med DIC. DIC-analysene beregnet testenes lengde-, bredde- og tykkelsetøyninger frem til brudd, og resultatene ble fremstilt som spenning-tøyningskurver. Resultatene viste at duktiliteten og flytespenningen ble redusert med økende temperatur. En økning av tøyningshastighet førte til økt styrke i starten av det plastiske spenning-tøyningsområdet. Styrkeforholdet avtok med økt plastisk tøyning, og ved brudd hadde de langsomme UT-testene en betydelig høyere styrke enn de raske.

Resultatene fra UT-testene ble brukt til å kalibrere to ulike materialmodeller; en generell modifisert Johnson-Cook- modell (JC) og en modell (DNV-GL) spesifikk for hver temperatur og tøyningshastighet. JC-modellen overestimerte generelt materialstyrken, spesielt for stor plastisk tøyning. DNV-GL-modellen estimerte materialstyrken godt, men underestimerte styrken i slutten av det elastiske og starten av det plastiske området.

En elementmodell av UT-testen ble benyttet for å beregne skadeparameteren for Cockcroft-Lathams bruddkriterium. I tillegg ble det utført simuleringer med de to kalibrerte materialmodellene for å undersøke kalibreringens kvalitet. Simuleringer med DNV-GL-modellen som materialoppførsel tilpasset UT-testene bedre enn JC-modellen, spesielt frem til kraftmaksimum.

For å undersøke hvor godt de kalibrerte materialmodellene klarte å gjenskape en mer kompleks tøyningstilstand, ble PST-tester utført. Testene ble utført for tre ulike temperaturer og én tøyningshastighet. En elementmodell av PST- testene ble simulert med de to ulike materialmodellene og sammenlignet med resultatene fra PST-testene. Ingen av materialmodellene klarte å simulere tøyningstilstanden til elementmodellen av PST-testen på en korrekt måte, og overestimerte styrken gjennom hele kraft-forskyvningsforløpet.

Austenitic stainless steel is often used for highly loaded constructions in corrosive environments. In known literature there are no studies of true stress-strain curves of AISI 316L (EN 1.4404) calculated with Digital Image Correlation (DIC). This thesis presents an experimental study of material properties and calibrated material parameters of 316L. The material parameters are validated by performing numerical analyses for both uniaxial tension tests (UT tests) and plain strain tension tests (PST tests).

UT tests were conducted for five different temperatures with two different strain rates for each temperature. The tests were analysed using DIC. The DIC analyses calculated the strain in the longitudinal, lateral and transversal direction for the entire UT tests and the results were presented as stress-strain curves. Both the ductility and yield stress were reduced with increasing temperature. Increasing the strain rate resulted in an increase in strength for small plastic strain values. As the plastic strains increased, the effect of increased strain rate was reduced. At fracture, the slow UT tests had a significant higher strength than the rapid UT tests.

The results from the UT tests were used to calibrate two different material models; a general modified Johnson- Cook model (JC) and a model (DNV-GL) specific for each temperature and strain rate. In general, the JC model overestimated the material strength, especially for large plastic strains. The DNV-GL model estimated the material strength well. It did however underestimate the strength at the end of the elastic and at the beginning of the plastic part of the stress-strain curve.

A finite element model of the UT test was used to calculate the fracture parameter used in the Cockcroft-Latham fracture criterion. To test the quality of the calibrations, numerical simulations were performed with both of the material models. Simulations using DNV-GL as material model predicted the behaviour of the UT tests more precisely than the simulations with the JC model, especially up to force maxima.

PST tests were performed to examine how well the calibrated material models managed to simulate a more complex strain state. The tests were conducted at three different temperatures and one strain rate. A finite element model of the PST test was simulated with the two different material models and compared with the results of the PST tests. For both material models the finite element model did not manage to simulate the strain state in a correct manner and overestimated the strength for the entire force-displacement curve.