Nghiên cứu tính chất phá hủy của thép TRIP dưới biến dạng uốn sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn

Trong nghiên cứu này, mô hình phần tử hữu hạn 3D được xây dựng cho mẫu có vết nứt dưới biến dạng uốn để nghiên cứu tính chất phá hủy của thép TRIP. Các kết quả mô phỏng được kiểm chứng thông qua so sánh với kết quả thực nghiệm đã được công bố trong nghiên cứu trước đây.

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 17, NO 7, 2019 29 NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT PHÁ HỦY CỦA THÉP TRIP DƯỚI BIẾN DẠNG UỐN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN INVESTIGATION ON FRACTURE TOUGHNESS OF TRIP STEEL UNDER BENDING DEFORMATION BY FINITE ELEMENT SIMULATION Phạm Thị Hằng Học viện Nơng nghiệp Việt Nam; pthang@vnua.edu.vn Tóm tắt - Thép có chuyển biến pha (gọi tắt thép TRIP: transformation-induced plasticity) nhiều nghiên cứu công bố loại thép có tính chất học tốt độ bền cao, dẻo dai tốt, dễ tạo hình thép có chuyển biến pha từ austenite sang pha martensite trình biến dạng dẻo Do chế ảnh hưởng trình chuyển biến pha biến dạng thép xảy phức tạp, việc mô máy tính phương pháp phần tử hữu hạn trình biến dạng thép TRIP cần thiết Trong nghiên cứu này, mơ hình phần tử hữu hạn 3D xây dựng cho mẫu có vết nứt biến dạng uốn để nghiên cứu tính chất phá hủy thép TRIP Các kết mô kiểm chứng thông qua so sánh với kết thực nghiệm công bố nghiên cứu trước Đồng thời, tính chất phá hủy thép tốc độ biến dạng thấp ảnh hưởng trình chuyển biến pha đến tính chất phá hủy nghiên cứu thảo luận Abstract - Some past studies showed that transformation-induced plasticity (TRIP) steel has excellent mechanical properties, such as high strength, good ductility and excellent formability because of strain-induced martensitic transformation (SIMT) Since the mechanism of the effect of SIMT during deformation of TRIP steel is very complicated, a finite element simulation is indispensable In this paper, three-dimentional finite element simulation is carried out for pre-cracked specimen under bending deformation in order to investigation on fracture toughness of TRIP steel The obtained computational results are confirmed by a comparison with experimental results of the past study Moreover, the fracture characteristics of TRIP steel at low rate of deformation and the effect of martensitic transformation during deformation on fracture toughness are also examined and discussed Từ khóa - Thép TRIP; phần tử hữu hạn; chuyển biến martensite; tính chất phá hủy Key words - TRIP steel; finite element simulation; martensitic transformation; fracture toughness Đặt vấn đề Thép TRIP tên viết tắt tiếng Anh loại thép có chuyển biến pha sinh biến dạng dẻo (transformation - induced plasticity) Nhờ có tính chất học ưu việt độ bền cao, dẻo dai tốt, dễ tạo hình; năm vừa qua, thép TRIP thu hút quan tâm cộng đồng nghiên cứu khoa học giới [1] Loại thép có tổ chức hồn tồn austenite phần austenite sau nhiệt luyện chế độ thích hợp Thành phần thép chứa nhiều niken nguyên tố hợp kim đắt tiền khác để ổn định austenite Trong q trình biến dạng dẻo, pha austenite chuyển biến thành pha martensite độ biến dạng sinh ra, gọi chế SIMT (strain-induced martensitic transformation) [2] Nhiều nghiên cứu chứng minh trình chuyển biến pha martensite theo chế SIMT làm tăng độ bền, độ dẻo độ dai thép TRIP [3, 4] Một số nhà khoa học giới sử dụng mẫu có vết nứt ban đầu để nghiên cứu độ dai phá hủy thép TRIP Antolovich cộng [5] cho rằng, lượng tiêu hao đỉnh vết nứt dạng dày trường hợp có ảnh hưởng SIMT nhiều trường hợp khơng có ảnh hưởng SIMT Những chứng thực nghiệm rằng, chuyển biến pha martensite trình biến dạng dẻo chế tiêu hao lượng trình lớn trình tiêu hao lượng để mở rộng vết nứt, dẫn đến cải thiện độ dai phá hủy thép TRIP [6] Hallerg cộng [7] cho rằng, khu vực xảy chuyển biến pha thép không gỉ họ austenite, loại thép TRIP điển hình, có dạng hình cánh bướm quanh khu vực đỉnh nứt Nghiên cứu tạo thành pha martensite gần đỉnh vết nứt làm trì hỗn lớn lên vết nứt nhiệt độ môi trường thấp Trong đó, theo Iwamoto Tsuta [8], chuyển biến pha martensite nhiều với độ giòn cao, độ dai phá hủy thép TRIP bị giảm Mặc dù, thép TRIP nhận ý cộng đồng khoa học, chế ảnh hưởng SIMT đến tính chất phá hủy thép chưa rõ ràng sáng tỏ kết thực nghiệm [9] Để tối ưu hóa việc sử dụng thép TRIP kỹ thuật, mơ máy tính ảnh hưởng chuyển biến martensite đến độ dai phá hủy cần thiết Trong nghiên cứu này, biến dạng thép không gỉ họ austensite mác 304, loại thép TRIP điển hình, biến dạng uốn ba điểm cho mẫu có vết nứt mơ phương pháp phần tử hữu hạn Đồng thời, mơ hình động học chuyển biến pha SIMT Iwamoto Tsuta [8] áp dụng để nghiên cứu chuyển biến pha austenite-martensite q trình biến dạng thép Mơ hình phần tử hữu hạn xây dựng kiểm chứng kết thực nghiệm nghiên cứu trước cơng bố [10] Đồng thời, ảnh hưởng q trình chuyển biến pha martensite đến tính chất phá hủy thép TRIP xem xét thảo luận Vật liệu phương pháp nghiên cứu 2.1 Thí nghiệm uốn ba điểm sử dụng mẫu có vết nứt Kích thước mẫu sử dụng nghiên cứu thể Hình Mẫu chế tạo theo tiêu chuẩn ASTM [11], chiều dài vết nứt ban đầu ao tạo thành thiết bị tạo vết nứt trước Hình thể bố trí thí nghiệm uốn ba điểm thực tế có sử dụng mẫu có vết nứt Mẫu đặt đồ gá với hai đầu đỡ Tải trọng tác dụng mẫu Thí nghiệm 30 Phạm Thị Hằng tiến hành mẫu xuất vết nứt dừng Các kết thí nghiệm trình bày thảo luận nghiên cứu trước tác giả [10] Trong báo này, vật liệu kích thước mẫu mơ chọn giống thí nghiệm trước Thành phần thép không gỉ họ austenite 304, loại thép TRIP điển hình sử dụng nghiên cứu thể Bảng Hình Mẫu có vết nứt sử dụng thí nghiệm biên đối xứng theo phương ngang bị giới hạn bậc tự theo phương x, nút miền biên đối xứng theo phương vng góc bị giới hạn bậc tự theo phương z, nút miền tiếp xúc với đồ gá bị giới hạn bậc tự theo phương y Do đó, tốc độ dịch chuyển nút biên đối xứng điểm tiếp xúc với đồ gá theo phương tương ứng cài đặt Mô thực nhiệt độ 298K để phù hợp với điều kiện thí nghiệm nhiệt độ phịng Như trình bày trên, trình biến dạng thép TRIP, pha austenite chuyển biến phần thành pha martensite Trong nghiên cứu này, mơ hình động học chuyển biến pha đề xuất Iwamoto Tsuta [8] áp dụng Mơ hình trình bày công thức (1) ′ 𝑝𝑠𝑙𝑖𝑝 𝑓̇ 𝛼′ = (1 − 𝑓 𝛼 )(𝐴𝜀̅̇ + 𝐵𝑔̇ ), (1) (𝛾) 𝑠𝑏 )𝑛−1 (1 𝐴 = 𝛼𝛽(𝑓 − 𝑓 𝑠𝑏 ), 𝑠𝑏 𝑛 𝐵 = 𝜂𝑛𝑣 (𝑔)(𝑓 ) 𝐻(𝑔̇ ), 𝑀 ̇𝑝𝑠𝑙𝑖𝑝 𝜀̅(𝛾) 𝛼＝(𝛼1 𝑇 + 𝛼2 𝑇 + 𝛼3 − 𝛼4 𝛴) [ ] , 𝜀̇𝑦 𝛽= 𝜂 √2𝜋𝜎𝑔 𝑔 ∫ exp {− (𝑔′ − 𝑔0 ) −∞ 2𝜎𝑔2 } 𝑑𝑔′ , 𝛼′ 𝐾𝑣̅ 𝜎𝑖𝑖 , 𝑔 = −𝑇 + 𝑔1 𝛴, 𝛴 = , 𝑠𝑏 𝑣̅ 3𝜎̅ Trong đó, 𝑓̇ 𝛼′ tốc độ thay đổi phần thể tích martensite theo ̇𝑝𝑠𝑙𝑖𝑝 tốc độ biến dạng dẻo biến dạng trượt thời gian, 𝜀̅(𝛾) austenite; 𝑓 𝑠𝑏 phần thể tích mặt trượt; g lực dẫn động chuyển biến martensite; p is khả phần giao cắt mặt trượt diễn trình chuyển biến pha; 𝐻(𝑔̇ ) hàm bước Heaviside ứng với 𝑔̇ để mơ tả q trình chuyển biến ngược; n 𝜂 thơng số hình học; 𝛼 thông số phụ thuộc vào nhiệt độ tuyệt đối, trạng thái ứng suất tốc độ biến dạng, 𝛴 thông số trạng thái ứng suất, M hệ số mũ tốc độ biến dạng, 𝜀̇𝑦 tốc độ biến dạng tham khảo, 𝛼1 − 𝛼4 thông số vật liệu 𝜎𝑖𝑗 ứng suất Cosi 𝜂= Hình Thí nghiệm biến dạng uốn ba điểm sử dụng mẫu có vết nứt Bảng Thành phần thép khơng gỉ họ austenite mác 304 (% khối lượng) C 0,06 Mn Cr Ni Mo 1,54 18 0,3 Cu Si Nb Fe 0,37 0,48 0,027 Cịn lại 2.2 Mơ hình phần tử hữu hạn Mơ hình phần tử hữu hạn xây dựng với điều kiện biên gần với điều kiện thí nghiệm Mơ hình phần tử hữu hạn 3D cho biến dạng uốn ba điểm sử dụng mẫu có vết nứt thể Hình Do biến dạng đối xứng, có phần tư mẫu mô để giảm số lượng phần tử hữu hạn, giảm thời gian mơ Phần tử hữu hạn dạng lập phương với 20 nút sử dụng mơ thể Hình Kích thước phần tử hữu hạn theo phương trục x trục z gần đỉnh vết nứt nhỏ dần theo hàm mũ Kích thước nhỏ phần tử hữu hạn gần đỉnh nứt 0,15mm Các nút miền Công thức cấu thành cho biến dạng thép TRIP có xét đến ảnh hưởng nhiệt - đàn dẻo - nhớt dẻo ảnh hưởng tốc độ chuyển biến pha xây dựng công thức (2) [8] 𝑣 ̇ = (𝐷𝑖𝑗𝑘𝑙 𝑆𝑖𝑗 − 𝐹′𝑖𝑗𝑘𝑙 )𝑑𝑘𝑙 − 𝐵𝑖𝑗𝑒 𝑇̇ − 𝑃𝑖𝑗 𝛩1 − (2) ′ −(𝑄𝑖𝑗 − 𝜎𝑖𝑗 )∆𝑣𝑓̇ 𝛼 , 𝑣 𝑒 𝐷𝑖𝑗𝑘𝑙 = 𝐷𝑖𝑗𝑘𝑙 − 𝛩2 𝑃𝑖𝑗 𝑃𝑘𝑙 , 𝑃𝑖𝑗 = 3𝐸 𝜕𝑓 , 2𝜎̅(1 + 𝜈) 𝜕𝜎𝑖𝑗 𝐸 𝛼 𝛿 , − 2𝜈 𝑇 𝑖𝑗 𝐸 𝑄𝑖𝑗 = −𝑃𝑖𝑗 𝛴 + 𝛿𝑖𝑗 , − 2𝜈 𝑒 𝐵𝑖𝑗 = ̇ tốc độ ứng suất Kirchhoff stress, Trong đó, 𝑆𝑖𝑗 tensơ độ cứng đàn hồi, 𝛼 𝑇 hệ số giãn nở nhiệt, E modun đàn hồi, 𝑣 hệ số Poisson 𝛩1 hệ số modun tiếp tuyến Ngoài ra, mối quan hệ ứng suất - biến dạng pha austenite martensite thể công thức sau: 𝑒 𝐷𝑖𝑗𝑘𝑙 𝜎̅(𝐼) = 𝜎̅0(𝐼) [ 𝑝𝑠𝑙𝑖𝑝 𝜀̅̇(𝐼) 𝜀̇ 𝑦 𝑚 ] , (3) ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 17, NO 7, 2019 𝑝𝑠𝑙𝑖𝑝 𝜎̅0(𝐼) = 𝜎𝑦(𝐼) + 𝐶1(𝐼) {1 − 𝑒𝑥𝑝(−𝐶2(𝐼) 𝜀̅(𝐼) )} 𝐶3(𝐼) , 𝜎𝑦(𝐼) = 𝐶4(𝐼) exp(−𝐶5(𝐼) 𝑇) Trong đó, I biểu tượng cho pha austenite martensite 𝑝𝑠𝑙𝑖𝑝 ̇𝜀̅(𝐼) tốc độ biến dạng dẻo tương đương sinh trượt pha austenite martensite; 𝜀̇𝑦 tốc độ biến dạng lựa chọn; 𝐶1(𝐼) ∼ 𝐶5(𝐼) số vật liệu; m lũy thừa độ nhạy tốc độ biến dạng Sự phụ thuộc ứng suất tới hạn 𝜎𝑦 vào nhiệt độ thể công thức Mô thực phần mềm Fortran với số vật liệu nhập vào chương trình nghiên cứu Pham Iwamoto [4] Hình Mơ hình phần tử hữu hạn cho biến dạng uốn sử dụng mẫu có vết nứt 31 trước tác giả [10] Mối quan hệ lực tác dụng chuẩn hóa độ võng chuẩn hóa thu từ mô thực nghiệm hai trường hợp tốc độ biến dạng khác thể Hình Kết thực nghiệm kiểm chứng công bố nghiên cứu Pham Iwamoto [10] So với kết thực nghiệm, kết mô hai tốc độ biến dạng khác có xu hướng phù hợp với thực nghiệm Do đó, kết thu từ mơ kiểm chứng có độ tin cậy cao 3.2 Kết mơ tính chất phá hủy thép TRIP Hình mơ tả hình dạng mẫu sau biến dạng với phân bố độ biến dạng tương đương tốc độ biến dạng thấp điều kiện tải trọng tĩnh Từ kết thu cho thấy, độ biến dạng lớn tập trung xung quanh khu vực lực tác dụng đỉnh vết nứt Sự biến dạng mẫu cục bộ, tập trung lớn đặc biệt xung quanh đỉnh vết nứt Ở vùng xa lực tác dụng đỉnh vết nứt, mẫu gần khơng bị biến dạng Hơn nữa, Hình biểu thị phân bố ứng suất mẫu sau biến dạng Có thể thấy rõ vùng ứng suất tập trung lớn xung quanh đỉnh vết nứt Do đó, dự đốn mẫu bị nứt tiếp biến dạng uốn xảy vùng đỉnh vết nứt cũ Đáng ý Hình 6, phân bố độ biến dạng xung quanh khu vực đỉnh nứt có dạng cánh bướm làm cho đỉnh nứt tạo thành miền căng trước vết nứt phát triển mở rộng Hình Điều hoàn toàn phù hợp với nghiên cứu thực nghiệm công bố [10] nghiên cứu Hallberg cs [7] Do đó, kết đáng tin cậy Hình Phần tử hữu hạn dạng lập phương với 20 nút Kết nghiên cứu thảo luận 3.1 Kiểm chứng kết mơ Hình Hình dạng mẫu sau biến dạng với phân bố độ biến dạng tương đương Hình Sự phân bố ứng suất mẫu sau biến dạng Hình Mối quan hệ lực tác dụng chuẩn hóa độ võng chuẩn hóa thu từ mô thực nghiệm Từ kết mô phương pháp phần tử hữu hạn, giá trị lực tác dụng độ võng chuẩn hóa theo phương pháp chuẩn hóa trình bày nghiên cứu Trong nghiên cứu này, mơ hình động học chuyển biến pha Iwamoto Tsuta [8] công thức (1) áp dụng để kiểm sốt phần thể tích martensite tạo thành trình biến dạng thép TRIP Mơ hình ứng dụng kiểm chứng nhiều nghiên cứu 32 Phạm Thị Hằng trước công bố [4, 8, 9] Sự tạo thành martensite mơ hình hóa chương trình lập trình Fortran Các kết thu phân bố phần thể tích pha martensite chuyển biến trình biến dạng mẫu thể Hình Tại vùng có độ biến dạng lớn hơn, pha martensite tạo thành nhiều hơn, đặc biệt vùng lực tác dụng xung quanh đỉnh vết nứt Điều hoàn toàn phù hợp với lý thuyết tạo thành pha martensite biến dạng dẻo gây Sự hình thành pha martensite cứng khu vực tập trung biến dạng làm tiêu hao lượng hấp thụ thép TRIP Hơn nữa, tạo thành pha martensite bền hơn, độ dai phá hủy thép chắn cải thiện Kết luận Trong nghiên cứu này, tính chất phá hủy thép TRIP nghiên cứu thông qua mô phương pháp phần tử hữu hạn có xem xét đến chuyển biến martensite q trình biến dạng mẫu có vết nứt biến dạng uốn Kết mô kiểm chứng hoàn toàn phù hợp với thực nghiệm đạt độ tin cậy cao Từ kết thu cho thấy, mẫu bị biến dạng cục tập trung khu vực tải trọng tác dụng đỉnh vết nứt Tại khu vực này, nhiệt độ gia tăng cao vùng khác tăng nhiệt độ khơng đáng kể Do đó, phần thể tích martensite hình thành tương đối cao, làm cải thiện tính chất phá hủy thép TRIP Hơn nữa, từ kết mô cho thấy vết nứt hình thành xung quanh đỉnh vết nứt ban đầu Điều hoàn toàn phù hợp với nghiên cứu thực nghiệm trước Lời cảm ơn: Nghiên cứu tài trợ Quỹ Phát triển Khoa học Công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) đề tài mã số 107.02-2017.17 TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình Sự phân bố phần thể tích martensite chuyển biến Do chuyển biến martensite phụ thuộc lớn vào nhiệt độ nên gia nhiệt trình biến dạng xem xét thể kết Hình Sự phân bố nhiệt độ mẫu có vết nứt sau biến dạng khơng đồng đều, tập trung lớn đỉnh vết nứt Tuy nhiên, với tốc độ biến dạng nghiên cứu thấp, nhiệt độ gia tăng trình biến dạng tương đối nhỏ, khoảng 15o Theo lý thuyết chế SIMT thép TRIP, SIMT xảy khoảng nhiệt độ cho phép, khoảng 340oK Với gia tăng nhiệt nhỏ mẫu tốc độ biến dạng đem xét, nhiệt độ sau tăng q trình biến dạng khơng làm khử SIMT nằm khoảng nhiệt độ cho phép Do đó, nói gia tăng nhiệt ảnh hưởng không đáng kể đến chuyển biến austenite thành martensite Kết có lượng lớn martensite tạo thành khu vực xung quanh đỉnh nứt Hình Hình Sự phân bố nhiệt độ gia tăng trình biến dạng (oK) [1] Fischer F.D., Reisner G., Werner E., Tanaka K., Cailletaud G., and Antretter, T., “A new view on transformation induced plasticity (TRIP)”, International Journal of Plasticity, vol 16, 2000, pp 723-748 [2] Tomita Y and Iwamoto T., “Constitutive modeling of TRIP steel and its application to the improvement of mechanical properties”, International Journal of Mechanical Sciences, vol 37,1995, pp 1295-1305 [3] Curtze S., Kuokkala V.T., Hokka M., and Peura P., “Deformation behavior of TRIP and DP steels in tension at different temperatures over a wide range of strain rate”, Materials Science and Engineering A, vol 507,2009, pp 124-131 [4] Pham H.T., and Iwamoto T., “A computational investigation on bending deformation behavior at various deflection rates for enhancement of absorbable energy in TRIP steel”, Metallurgical and Materials Transactions A, vol 47-8, 2016, pp 3897-3911 [5] Antolovich S.D., Singh, B., “On the toughness increment associated with the austenite to martensite phase transformation in TRIP steels”, Metallurgical Transactions, vol 2,1971, pp 2135-2141 [6] Smaga M., Walther F., and Eifler D., “Deformation-induced martensitic transformation in metastable austenitic steels”, Materials Science and Engineering A, vol 483-484, 2008, pp 394-397 [7] Hallberg H., Banks-Sills L And Ristinmaa M., “Crack tip transformation zones in austenitic stainless steel”, Engineering Fracture Mechanics, vol 79, 2012, pp 266-280 [8] Iwamoto T and Tsuta T., “Computational simulation on deformation behavior of CT specimens of TRIP steels under mode I loading for evaluation of fracture toughness”, International Journal of Plasticity, vol 18, 2002, pp 1583-1606 [9] Pham H.T.and Iwamoto T., “An evaluation of fracture properties of type-304 austenitic stainless steel at high deformation rate using the small punch test”, International Journal of Mechanical Sciences, vol 144, 2018, pp 249-261 [10] Pham H.T and Iwamoto T., “An experimental investigation on rate rensitivity of fracture-mechanical characteristics in 304 austenitic stainless steel under bending deformation”, ISIJ International, vol 55, No 12,2015, pp 2661-2666 [11] http://www.astm.org/Standards/E1820.htm (BBT nhận bài: 21/3/2019, hoàn tất thủ tục phản biện: 06/7/2019) ... luận Trong nghiên cứu này, tính chất phá hủy thép TRIP nghiên cứu thông qua mơ phương pháp phần tử hữu hạn có xem xét đến chuyển biến martensite trình biến dạng mẫu có vết nứt biến dạng uốn Kết... phần tử hữu hạn Mơ hình phần tử hữu hạn xây dựng với điều kiện biên gần với điều kiện thí nghiệm Mơ hình phần tử hữu hạn 3D cho biến dạng uốn ba điểm sử dụng mẫu có vết nứt thể Hình Do biến dạng. .. dạng đối xứng, có phần tư mẫu mô để giảm số lượng phần tử hữu hạn, giảm thời gian mô Phần tử hữu hạn dạng lập phương với 20 nút sử dụng mô thể Hình Kích thước phần tử hữu hạn theo phương trục x trục