Metallerde sıcaklık tabanlı gevrek-sünek geçiş kırılmasının modellenmesi için sürekli ortamlar hasar mekaniği ile bütünleşik gözenekli plastisite teorisi üzerine yaklaşımlar
Coupled continuum damage mechanics and porous plasticity approaches for modeling temperature driven ductile to brittle transition fracture in metals
Yazar: İSMAİL CEM TÜRTÜK
Danışman: PROF. DR. BABÜR DELİKTAŞ
Bursa Uludağ Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Metalik malzemelerdeki kırılma iki farklı karakterde olabilmektedir. Sünek ve gevrek olarak tanımlanan bu kırılma tipleri, birim şekil değiştirme hızı, ortam sıcaklığı ve ge-rilme üç eksenliği etkisi altında ortaya çıkmaktadır. Sıcaklık artığı sünekliği arttırırken, gerilme üç eksenliği ve birim şekil değiştirme hızının artması gevrekliği arttırmaktadır. Bu çevresel durumlara bağlı olarak sünek ve gevrek bölgeler arasında kalan kırılma tipi geçiş kırılması olarak adlandırılmaktadır.

Bu çalışma dahilinde, metal malzemelerdeki sıcaklığa bağlı geçiş kırılmasının teorik ve sayısal olarak modellenmesi için iki farklı yaklaşım geliştirilmiştir. Bu yaklaşımların her ikisinde de, sünek kırılma, Gurson-Tvergaard-Needleman gözenekli plastik potansiyeli üzerinden modellenirken, gevrek kırılma için sürekli ortam hasar mekaniği dahilinde tanımlanmış hasar mekaniği modelleri kullanılmıştır. Gevrek kırılma için Leckie-Hayhurst tipi sürünme modeli modifiye edilerek hasar modeli olarak önerilmiştir. Gevrek kırılma için önerilen bir başka modelse Lemaitre tipi plastik hasar modeli olmuştur. Önerilen ilk model, sürekli ortamlar mekaniği tabanlı hipoelastik çerçeveyi baz almaktadır. Bu model ABAQUS Sonlu Elemanlar yazılımına kodlanmış ve Turba ve arkadaşları (2011) tarafından yayınlanmış olan deneysel küçük zımba deneyleri ile nümerik sonuçlar karşılaştırılmıştır. Yapılan karşılaştırma sonucunda gevrek ve sünek kırılmanın model tarafından doğru olarak hesaplandığı görülmüştür. Model ayrıca geçiş kırılması bölgesindeki hasarı da deneysel çalışmalarla uyumlu olarak öngörmektedir. Diğer taraftan, deneylerden elde edilen yükleme eğrileri ile nümerik sonuçlar oldukça tutarlı elde edilmiştir. Önerilen  ikinci modelse, yine sürekli ortamlar mekaniği tabanlı hiperelastik formülasyonu baz almıştır. Bu formülasyon dahilinde gevrek hasarın anizotrop koşullarda tanımlanması için gerekli teorik altyapı formülize edilmiştir. Ayrıca hiperelastik model ile termodinamik uyumluluk prensibi tam olarak sağlanmıştır.

Abstract:
Fracture in metals is generally characterized in two different categories. Named as ductile and brittle, these fracture types heavily depend on environmental conditions such as, temperature, strain rate and stress triaxiality. Increasing temperature increases the degree of ductility while increasing strain rates and stress triaxiality ratios increase the degree of brittleness. Depending on these conditions, the mode of fracture changes from ductile to brittle and vice versa, which is called the ductile to brittle transition phenomenon.

Within the context of this work, two different theoretical constitutive models for temperature driven ductile to brittle transition fracture have been developed. In both of these approaches, Gurson-Tvergaard-Needleman porous plasticity model has been employed to represent void-growth and coalescence dependent ductile fracture. Void-Volume ratio has been utilized as main ductile fracture indicator for GTN model. For brittle fracture, two different models have been proposed. Leckie-Hayhurst creep model has been modified to represent principal stress effects on microcrack initiation and growth prior to brittle fracture. Another brittle damage model has been chosen as Lemaitre-type continuous damage model, which also represents microcrack growth driven brittle failure, while representing softening effects due to crack initiation and growth. Ductile and brittle damage effects have been coupled over classical effective stress framework.First transition fracture model has been developed based on hypoelasticity of continuum mechanics. Developed model has been implemented in ABAQUS as a user defined material model. Single element tests have been performed to validate implementation. Later, small punch fracture tests performed by Turba et.al. (2011) has been modeled and its experimental results have been compared with developed models numerical results. Second approach to transition fracture has been developed based on hyperelastic framework of continuum mechanics. This approach not only serves as a basis to further extend the brittle fracture considering anisotropy of microcracks.