مکانیزم شکست پروفیل های صنعتی ساخته شده از فولادهای مارتنزیتی

[rkiahoseyni]

مقدمه:
صنعت خودرو به طور فزاینده ای از فولادهای با استحکام فوق العاده بالا (UHSS) مانند گریدهای مارتنزیتی برای بهبود ایمنی و کاهش وزن استفاده می کند. به خوبی شناخته شده است که فولادهای مارتنزیتی علیرغم استحکام بالا، استحکام کششی بسیار محدودی در دمای اتاق دارند. شکل دهی غلتکی، که اساساً یک فرآیند خمشی با کرنش صفحه ای است، برای شکل دهی موادی که استحکام بالا و شکل پذیری همزمان خوبی دارند، در دمای اتاق مناسب است. بنابراین به طور فزاینده ای در صنعت خودرو استفاده می شود. 

رول فرمینگ:
در رول فرمینگ، سیم‌پیچ از چندین ایستگاه شکل‌دهی عبور داده می‌شود تا مواد را به صورت فزاینده به شکل دلخواه خم کند. و به طور کلی می‌توان شعاع خمشی کوچک‌تری را در مقایسه با عملیات خمشی ساده به دست آورد. بر اساس یک مطالعه عددی، لوندبرگ (2008) به این نتیجه رسید که شکل پذیری بیشتر در شکل دهی غلتکی در مقایسه با خمش ساده به دلیل ماهیت افزایشی فرآیند شکل دهی غلتکی است که منجر به افزایش آهسته در تنش هیدرواستاتیک و افزایش تدریجی در تجمع عیوب بلوری می شود. این بر خلاف خمش است که در آن تنش هیدرواستاتیکی بالا از ابتدای فاز بارگذاری مشاهده شده و باعث تجمع عیوب بیشتر می شود. بدر و همکاران (2017) پیشنهاد کردند که یک سطح موضعی اما پایین‌تر از کرنش مؤثر در شعاع پروفیل شکل‌گرفته غلتک در مقایسه با همتای خم‌شده ممکن است دلیل محدودیت‌های شکل‌دهی بالاتر در رول‌سازی باشد. اگرچه تفاوت شکل پذیری مربوط به تغییر شکل افزایشی در این مطالعات بود، اما دلیل دقیق آن هنوز مشخص نیست.

شکست در شکل دهی پروفیل های فولادی مارتنزیتی:
حالت غالب تغییر شکل در نورد، حالت خمشی است و شکست معمولاً با شکستگی در سطح کششی بیرونی خم‌های طولی همراه است. مطالعه وانگ و همکاران نشان داد که در شکل‌دهی غلتکی، علاوه بر خمش، مواد در حالت‌های تنش پیچیده که شامل برش است تغییر شکل می‌دهند. با توجه به اینکه نمودار حد شکل دهی معمولی (FLD) به کرنش های غشایی محدود می شود، برای تعیین شکست مواد در فرآیندهایی مانند شکل دهی و خمش غلتکی که اثرات ضخامت و انحنا دارد مناسب نیست. 

معیارهای شکست پروفیل ها:
معیارهای شکست شکل پذیر در سال های اخیر به دلیل توانایی آنها در پیش بینی شکست مواد پس از گلویی شدن برای طیف گسترده ای از شرایط بارگذاری توجه گسترده ای را به خود جلب کرده است. معیارهای شکست انعطاف پذیر را می توان به طور عمده به دو نوع طبقه بندی کرد. معیارهای شکستگی جفت شده و معیارهای شکستگی غیر جفت شده. معیارهای شکست جفت بر اساس شکل پذیری متخلخل است. مکانیسم هسته زایی، رشد فضای خالی و ادغام  که به صورت ریاضی به عنوان تابعی از کسر حجمی جاهای خالی که با تابع تسلیم همراه است، فرموله می شود. شروع شکست زمانی اتفاق می‌افتد که تابع تسلیم به نقطه‌ای منقبض می‌شود که نشان‌دهنده شکست نهایی حجم خالی است. این مدل‌ها بیشتر برای توضیح رفتار شکست در برش بهبود یافتند. اگرچه مدل‌های شکستگی جفت شده پایه فیزیکی مناسبی دارند، کالیبراسیون این مدل‌ها پیچیده است. همچنین، شبیه‌سازی واقعی فرآیند شکل‌دهی فلز در مقایسه با شبیه‌سازی‌هایی که از معیارهای شکست غیر جفت شده استفاده می‌کنند، به زمان طولانی‌تری نیاز دارد. به همین دلیل، معیارهای شکست انعطاف پذیر غیر جفت شده ایجاد شده است. معیارهای اولیه شکست رشد فضای خالی را عمدتاً با سه محوری تنش کنترل می‌کنند و به دلیل روش کالیبراسیون ساده‌شان که نیاز به آزمایش‌های تجربی کمتری دارد، به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند. Bao و Weirzbicki کرنش شکست را با استفاده از پانزده آزمایش مختلف که در طیف وسیعی از شرایط بارگذاری انجام شد، اندازه‌گیری کردند. نتایج تجربی آن‌ها نشان می‌دهد که مدل‌های مبتنی بر سه محوری تنش، η، برای توصیف دقیق شکست در سه محوری‌های تنش کم که شامل حالات تنش برشی و فشاری هستند، کافی نیستند. آنها مدل Mohr-Coulomb Modified (MMC) را برای توصیف رفتار شکست در ناحیه سه محوری استرس کم با گنجاندن زاویه لید در مدل خود پیشنهاد کردند. مدل‌های شکستگی ساده شده معرفی شدند که برای کالیبره کردن مدل تنها به سه آزمایش شکستگی نیاز داشتند. لو و هو یک مدل شکست مبتنی بر رفتار میکرومکانیکی همراه با مقدار ثابت 3/1- را مطابق بائو و ویرزبیکی پیشنهاد کردند. این مدل با هسته‌زایی، رشد و ادغام حفره‌ها انجام می شود، در حالی که آسیب از نظر سه محوری تنش و پارامتر lode تعریف می گردد. خان و لیو گزارش کردند که شکست در سه محور تنش 0.497- برای آلیاژ AA 2024-T351 در فشرده سازی چند محوری مشاهده شده که کمتر از مقدار قطع ثابت 3/1- است. معیارهای شکست انعطاف پذیر لو و هو برای محاسبه مقدار برش متغیر سه محوری تنش اصلاح شد. مدل‌های اخیر مانند مدل شکست مبتنی بر مدل میکرو مکانیکی توسط لو و همکاران وابستگی زاویه نیرو را برای توصیف شروع شکست برای محدوده های وسیع تری از تنش سه محوری توضیح می دهند. در همین حال، یک روش ترکیبی- تجربی و عددی برای ساده‌سازی روش تجربی مورد نیاز برای اندازه‌گیری کرنش معادل به شکست برای شرایط مختلف بارگذاری توسعه داده شده است. در این روش از یک نمونه برشی، یک نمونه با سوراخ دایره‌ای و یک نمونه کششی برشی استفاده می‌شود که به ترتیب در کرنش برشی، تک محوری و صفحه، کرنش معادل شکست را فراهم می‌کند. مشاهده شد که تکامل سه محوری تنش در مرکز نمونه کششی کرنش صفحه شکافی غیرمتناسب است. حالت تنش در آن اشکال از حالت تنش کرنش صفحه ای به سه محوری های بالاتر دور می شود و این می تواند منجر به تخمین بیش از حد محدودیت های شکست در خمش کرنش صفحه شود.

گردآورنده: سید رحیم کیاحسینی