مهندسی ساخت و تولید ایران

مهندسی ساخت و تولید ایران

پیش‌بینی رفتار شکست ورق نازک فولاد زنگ‌نزن 304 در مقیاس میکرو

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 فارغ‌التحصیل دکتری، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران
2 استاد، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران
3 جهاد دانشگاهی، تهران، ایران
4 استادیار، گروه مهندسی مکانیک، واحد قزوین، دانشگاه آزاد اسلامی، قزوین، ایران
5 دانشیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل، بابل، ایران
چکیده
اثر اندازه در مقیاس میکرو به علت وجود تعداد دانه­ های محدود در ناحیه تغییر شکل اتفاق می­افتد و رفتار مکانیکی ماده را تحت‌تأثیر قرار می­ دهد. براین ‌اساس، توصیف رفتار ماده در مقیاس میکرو نیازمند روابط و تئوری­ های جدیدی است. در این مقاله، رفتار شکست ورق نازک فولاد زنگ­ نرن سری 304 با انجام آزمون کشش تک­ محوری بر روی نمونه ­های با ضخامت و اندازه دانه متفاوت در مقیاس میکرو مورد آزمایش قرار گرفت. نتایج نشان داد که کرنش شکست نمونه­ های مختلف در مقیاس میکرو با کم‌شدن ضخامت یا زیادشدن اندازه دانه ورق، کاهش می ­یابد. به‌منظور درنظرگرفتن اثر هم­زمان ضخامت و اندازه دانه ورق، پارامتر نسبت ابعادی به‌صورت نسبت ضخامت به‌اندازه دانه میانگین ورق تعریف شد. براین‌ اساس، معیار شکست نرم پدیدارشناختی آیادا با درنظرگرفتن اثر اندازه در مقیاس میکرو اصلاح گردید. پیش­ بینی مکان هندسی شکست با استفاده از معیار اصلاح­ شده تطابق خوبی با کرنش شکست نمونه­ های مختلف در مقیاس میکرو دارد و این معیار می­تواند با بیشینه خطای 4.4 درصد مقدار کرنش شکست نمونه ­های مختلف را پیش ­بینی نماید. بر اساس نتایج به‌دست‌آمده، دریافت شد که می­توان از معیار شکست پیشنهادی برای پیش­بینی شکست در فرایندهای مقیاس میکرو استفاده نمود.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Predicting the fracture behavior of 304 stainless steel thin sheet in the micro scale

نویسندگان English

Mehdi Karimi Firouzjaei 1
Hasan Moslemi Naeini 2 3
Mohammad Mehdi Kasaei 4
Mohammad Javad Mirnia 5
1 PhD Graduate, Department of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
2 Professor, Department of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
3 Academic Center for Education, Culture and Research (ACECR), Tehran, Iran
4 Assistant Professor, Department of Mechanical Engineering, Qazvin Branch, Islamic Azad University, Qazvin, Iran
5 Associate Professor, Department of Mechanical Engineering, Babol Noshirnani University of Technology, Babol, Iran
چکیده English

The size effect in microscale occurs due to the presence of a limited number of grains in deformation area and affects the mechanical behavior of the material. Based on this, describing the material behavior in the micro scale requires new relations and theories. In this article, the fracture behavior of 304 stainless steel thin sheet was tested by performing a uniaxial tensile test on the specimens with different thicknesses and grain sizes in the micro scale. The results showed that the fracture strain of different specimens in the micro scale decreases with decreasing thickness or increasing the grain size of the sheet. In order to consider the interactive effect of sheet thickness and grain size, the aspect ratio parameter was defined as the ratio of thickness to the average grain size of the sheet. Based on this, Ayada phenomenological ductile fracture criterion was modified by considering the size effect in the micro scale. Predicting the fracture locus using the modified criterion is in accordance with the fracture strain of different specimens in the micro scale, and this criterion can predict the fracture strain of different specimens with a maximum error of 4.4%. Based on the obtained results, it was found that the proposed fracture criterion can be used to predict fracture in the micro scale processes.

کلیدواژه‌ها English

Ductile Fracture
Ayada Criterion
Stainless Steel Sheet
Micro Scale
[1] Engel U, Eckstein R. Microforming—from basic research to its realization. Journal of Materials Processing Technology. 2002 Sep 9;125:35-44. doi: 10.1016/s0924-0136(02)00415-6
[2] Karimi Firouzjaei M, Moslemi Naeini H, Kasaei MM, Mirnia MJ. A constitutive model for stainless steel 304 sheet considering size effect in micro-scale. Modares Mechanical Engineering. 2022 Aug 10;22(8):519-28. doi: 10.52547/mme.22.8.519 [In Persian]
[3] Hajiahmadi S, Naeini HM, Talebi-Ghadikolaee H, Safdarian R, Zeinolabedin-Beygi A. Effect of anisotropy on spring-back of pre-punched profiles in cold roll forming process: an experimental and numerical investigation. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2023 Dec;129(9):3965-78. doi: 10.1007/s00170-023-12516-5
[4] Karimi Firouzjaei M, Moslemi Naeini H, Farahmand HR, Abbaszadeh B, Kasaei MM. Numerical and experimental investigation on flower pattern design methods in cold roll forming process of a high strength steel pipe. Modares Mechanical Engineering. 2018 Jan 10;17(10):259-70. [In Persian]
[5] Talebi-Ghadikolaee H, Moslemi Naeini H, Rabiee AH, Zeinolabedin Beygi A, Alexandrov S. Experimental-numerical analysis of ductile damage modeling of aluminum alloy using a hybrid approach: ductile fracture criteria and adaptive neural-fuzzy system (ANFIS). International Journal of Modelling and Simulation. 2023 Sep 3;43(5):736-51. doi: 10.1080/02286203.2022.2121675
[6] Khademi M, Naeini HM, Mirnia MJ, Kasaei MM, da Silva LF. Fracture prediction of AA6061-T6 sheet in bending process using Gurson–Tvergaard–Needleman model. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part L: Journal of Materials: Design and Applications. 2023 Dec;237(12):2506-19. doi: 10.1177/14644207221134504
[7] Kasaei MM, Naeini HM, Abbaszadeh B, Mohammadi M, Ghodsi M, Kiuchi M, Zolghadr R, Liaghat G, Tafti RA, Tehrani MS. Flange wrinkling in flexible roll forming process. Procedia Engineering. 2014 Jan 1;81:245-50. doi: 10.1016/j.proeng.2014.09.158
[8] Amini A, Naeini HM, Azodi HD, Talebi-Ghadikolaee H, Badparva H, Zeinolabedin-Beygi A. Hydro-mechanical deep drawing of conical components: Wrinkling behavior and process enhancement. Journal of Engineering Research. 2024 Apr 9. doi: 10.1016/j.jer.2024.04.005
[9] Talebi-Ghadikolaee H, Elyasi M, Dadgar Asl Y, Zeinolabedin Beygi A, Davoudi M. Feasibility of forming U-shaped microchannels by flexible-die forming process. Karafan Quarterly Scientific Journal. 2022 Nov 22;19(3):53-70. doi: 10.48301/kssa.2022.336972.2063 [In Persian]
[10] Karimi Firouzjaei M, Moslemi Naeini H, Kasaei MM, Abbaszadeh B, da Silva LF. Effect of flower pattern design on the springback of high strength steel in cold roll forming process of pipes. InInternational Conference on Mechanics of Solids 2022 Nov 3 (pp. 49-61). Cham: Springer International Publishing. doi: 10.1007/978-3-031-26797-0_5
[11] Elyasi M, Talebi-Ghadikolaee H, Zeinolabedin-Beygi A, Modanloo V, Khatir FA. The effect of aging heat treatment on the formability and microstructure of the AA6063 tube in the rotary draw bending process. Journal of Engineering Research. 2023 Oct 11. doi: 10.1016/j.jer.2023.10.017
[12] Firouzjaei MK, Naeini HM, Kasaei MM, Mirnia MJ, da Silva LF. A microscale constitutive model for thin stainless steel sheets considering size effect. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part L: Journal of Materials: Design and Applications. 2023 Oct;237(10):2104-14. doi: 10.1177/14644207231169456
[13] Fu MW, Chan WL. Geometry and grain size effects on the fracture behavior of sheet metal in micro-scale plastic deformation. Materials & Design. 2011 Dec 1;32(10):4738-46. doi: 10.1016/j.matdes.2011.06.039
[14] Parasiz SA, VanBenthysen R, Kinsey BL. Deformation size effects due to specimen and grain size in microbending. Journal of manufacturing science and engineering. 2010 Jan;132(1):327-36. doi: 10.1115/msec2010-34038
[15] Meng B, Zhang YY, Cheng C, Han JQ, Wan M. Effect of plastic anisotropy on microscale ductile fracture and microformability of stainless steel foil. International Journal of Mechanical Sciences. 2018 Nov 1;148:620-35. doi: 10.1016/j.ijmecsci.2018.09.027
[16] Xu ZT, Peng LF, Lai XM, Fu MW. Geometry and grain size effects on the forming limit of sheet metals in micro-scaled plastic deformation. Materials Science and Engineering: A. 2014 Aug 12;611:345-53. doi: 10.1016/j.msea.2014.05.060
[17] Ran JQ, Fu MW. Applicability of the uncoupled ductile fracture criteria in micro-scaled plastic deformation. International Journal of Damage Mechanics. 2016 Apr;25(3):289-314. doi: 10.1177/1056789515578181
[18] Bao ME, Jiejie SH, Zhang Y, Cheng C, Bolin MA, Min WA. Feasibility evaluation of failure models for predicting forming limit of metal foils. Chinese Journal of Aeronautics. 2020 Sep 1;33(9):2461-71. doi: 10.1016/j.cja.2019.09.002
[19] Firouzjaei MK, Naeini HM, Kasaei MM, Mirnia MJ, da Silva LF. Microscale modeling of the ductile fracture behavior of thin stainless steel sheets. Thin-Walled Structures. 2024 Mar 1;196:111457. doi: 10.1016/j.tws.2023.111457