Development of material flow stress and damage models for 304 stainless steel

Abstract

Paslanmaz çelik 304 alaşımı üzerine yapılan önceki deneysel ve sayısal çalışmalar çoğunlukla martensitin hacim kesrine bağlı akış gerilimi davranışının belirlenmesine odaklanmıştır. Alaşımın hasar davranışı darbe ile ilgili uygulamalarda eşit derecede önemlidir. SS 304 alaşımının dinamik yükleme davranışını simüle etmek amacıyla hasar modellerinin belirlenmesi konusunda henüz sistematik bir çalışma yapılmamıştır. Bu tezde, Johnson ve Cook (JC) akış gerilimi ve JC hasar denklemlerinin parametreleri bir paslanmaz çelik 304 alaşımı için deneysel olarak belirlenmiştir. Belirlenen parametreler daha sonra bu parametreleri çıkarmak için kullanılan deneysel testlerin modellenmesiyle doğrulanmış ve kalibre edilmiştir. Sayısal modeller LS-Dyna'da uygulanmıştır. B4C kaplı ve kaplanmamış SS 304 plakalar üzerinde 800 m s-1'de gerçekleştirilen deneysel balistik testler, belirlenen model parametreleri kullanılarak Ls-Dyna'da simüle edilmiştir. Son olarak, mikroskobik çalışmalar test edilen alaşımdaki martensitik dönüşümün ve yüksek gerinim oranlarındaki adiabatik ısının martensit oluşumunun kapsamını azalttığını açıkça göstermiştir. Son olarak, martensit fraksiyonu literatürdeki denklemler kullanılarak farklı gerinim oranlarında analitik olarak tahmin edilmiştir.

Previous experimental and numerical studies on stainless steel (SS) 304 alloy have been mostly focused on the determination of the flow stress behaviour as function of the volume fraction of martensite. The failure behaviour of the alloy is equally important in the impact related applications. No systematic studies have been yet performed on the determination of the damage models of SS 304 alloy in order to simulate its dynamic loading behaviour. In this thesis, the parameters of the Johnson and Cook (JC) flow stress and JC damage equations were experimentally determined for an SS 304 alloy. The determined parameters were then verified and also calibrated by modelling the experimental tests used to extract these parameters. The numerical models were implemented in LS-Dyna. The experimental ballistics tests performed at 800 m s-1 on B4C coated and uncoated SS 304 plates were further simulated in Ls-Dyna using the determined model parameters. Finally, the microscopic studies have clearly indicated the martensitic transformation in the tested alloy and adiabatic heat at high strain rates reduced the extent of the martensite formation. Finally, the fraction of martensite was predicted analytically at different strain rates using the equations from the literature.