Caracterización mecánica de materiales cerámicos avanzados a altas velocidades de deformación

Debido a la dificultad para determinar la resistencia a tracción de materiales frágiles mediante la realización de ensayos de tracción uniaxial, no existe en la actualidad una técnica definida. En esta Tesis se aporta una nueva técnica experimental, los ensayos de tracción dinámica por “spalling” en barras cilíndricas alargadas. Se ha llevado a cabo un programa de ensayos con probetas instrumentadas y fotografía de alta velocidad. Esta técnica se ha estudiado a fondo y se ha aplicado a diversos materiales cerámicos avanzados como son alúminas de distintos grados de pureza, alúmina reforzada con zirconia, carburo de silicio y carburo de boro. Para determinar la resistencia a tracción en condiciones de carga no uniaxial, se suele recurrir a métodos indirectos como los ensayos de compresión diametral de cilindros (ensayos brasileños). En esta Tesis se aporta un amplio programa experimental con los materiales cerámicos mencionados. La experimentación se ha realizado a bajas velocidades de deformación mediante máquinas servohidráulicas convencionales y a altas velocidades de deformación mediante una barra Hopkinson. Finalmente se presenta una comparación de los valores de resistencia a tracción obtenidos con los distintos tipos de ensayos, mostrando la influencia de la velocidad de deformación en los valores de la resistencia a tracción

Efecto de la temperatura, la velocidad de deformación y la microestructura en el comportamiento mecánico de intermetálicos gamma-TiAl

Los aluminuros de titanio aparecen como una alternativa al empleo de aleaciones base níquel en trabajos a elevada temperatura, debido a que en estas condiciones son capaces de retener sus propiedades mecánicas, presentando además un mejor comportamiento a corrosión, oxidación y fluencia. En el presente trabajo se exponen los resultados obtenidos en la investigación llevada a cabo para determinar el comportamiento de una aleación �-TiAl en condiciones de alta temperatura y analizar el efecto de la velocidad de deformación. Para ello, se realizaron ensayos estáticos de tracción de referencia a baja velocidad de deformación y ensayos de tracción a alta velocidad de deformación mediante el dispositivo experimental de la barra Hopkinson, a temperaturas comprendidas entre los 25ºC y los 850ºC. Para ayudar a explicar el comportamiento mecánico obtenido, se hizo un estudio de las superficies de fractura mediante microscopía electrónica de barrido, en el que se observó una doble tipología microestructural del material, laminar y dúplex. Los resultados obtenidos en los ensayos muestran una influencia clara de la velocidad de deformación en la tensión máxima, pero no así de la temperatura; además se ha observado que la deformación máxima obtenida depende del tipo de microestructura predominan

An experimental and numerical study of ductile failure under quasi-static and impact loadings of Inconel 718 nickel-base superalloy

A numerical and experimental study of ballistic impacts at various temperatures on precipitation hardened Inconel 718 nickel-base superalloy plates has been performed. A coupled elastoplastic-damage constitutive model with Lode angle dependent failure criterion has been implemented in LS-DYNA non-linear finite element code to model the mechanical behaviour of such an alloy. The ballistic impact tests have been carried out at three temperatures: room temperature (25 °C), 400 °C and 700 °C. The numerical study showed that the mesh size is crucial to predict correctly the shear bands detected in the tested plates. Moreover, the mesh size convergence has been achieved for element sizes on the same order that the shear bands. The residual velocity as well as the ballistic limit prediction has been considered excellent for high temperature ballistic tests. Nevertheless, the model has been less accurate for the numerical simulations performed at room temperature, being though in reasonable agreement with the experimental data. Additionally, the influence that the Lode angle had on quasi-static failure patterns such as cup-cone and slanted failure has been studied numerically. The study has revealed that the combined action of weakened constitutive equations and Lode angle dependent failure criterion has been necessary to predict the previously-mentioned failure pattern

Behaviour of steel prestressing wires under extreme conditions of strain rate and temperature

The purpose of this paper is to provide information on the behaviour of steel prestressing wires under likely conditions that could be expected during a fire or impact loads. Four loadings were investigated: a) the influence of strain rate – from 10–3 to 600 s–1 – at room temperature, b) the influence of temperature – from 24 to 600 °C – at low strain rate, c) the influence of the joint effect of strain rate and temperature, and d) damage after three plausible fire scenarios. At room temperature it was found that using “static” values is a safe option. At high temperatures our results are in agreement with design codes. Regarding the joint effect of temperature and strain rate, mechanical properties decrease with increasing temperature, although for a given temperature, yield stress and tensile strength increase with strain rate. The data provided can be used profitably to model the mechanical behaviour of steel wires under different scenarios

Tenacidad de fractura dinámica de iniciación a diferentes velocidades de solicitación: técnicas experimentales

En esta investigación se presentan diversos dispositivos experimentales diseñados para la realización de ensayos de tenacidad de fractura a diferentes velocidades de solicitación. Se realizan ensayos de flexión en tres puntos de probetas normalizadas (ASTM E399) empleando una máquina servohidráulica, una torre de caída, una barra Hopkinson modificada y un dispositivo especialmente diseñado para trabajar con cargas explosivas. Para poder validar dichos dispositivos experimentales, se realizan estos ensayos sobre un material independiente de la velocidad de deformación; dicho material es la aleación de aluminio 7017-T73. Todos los ensayos realizados sobre dicha aleación dieron el mismo valor de tenacidad de fractura dinámica de iniciación; por lo tanto, los dispositivos experimentales diseñados se consideraron válidos para este fin. Una vez validada la técnica experimental, se llevan a cabo ensayos de flexión en tres puntos en un material dependiente de la velocidad de deformación. Por lo tanto, los dispositivos experimentales diseñados fueron utilizados para determinar la tenacidad de fractura dinámica de iniciación del acero Mars 240. Los resultados obtenidos muestran que, en el caso de este acero, la tenacidad de fractura dinámica de iniciación aumenta con la velocidad de solicitación. ---------- ABSTRACT---------- The design and development of different experimental devices for the purpose of performing fracture toughness tests at different loading-rates are presented. Three-point bending tests of pre-fatigued standard specimens (ASTM E399) were carried out employing a servo-hydraulic universal testing machine, a free-drop tower, a modified Split Hopkinson Pressure Bar and an explosive load transferring device. A rate-independent alloy, a 7017-T73 aluminium alloy, was selected in order to validate such devices. All of the 7017-T73 aluminium alloy experiments provided the same value of the dynamic fracture-initiation toughness. Therefore, the developed devices were validated and considered suitable for such a purpose. Fracture toughness test of a rate-dependent armour steel, a Mars240 steel, employing the developed devices, were performed in order to determine the evolution of the dynamic fracture-initiation toughness with the loading-rate. In this case, the dynamic fracture-initiation toughness values of the Mars 240 steel increased with the velocity of the application of the load

A coupled elastoplastic-damage constitutive model with Lode angle dependent failure criterion

A coupled elastoplastic-damage constitutive model with Lode angle dependent failure criterion for high strain and ballistic applications is presented. A Lode angle dependent function is added to the equivalent plastic strain to failure definition of the Johnson–Cook failure criterion. The weakening in the elastic law and in the Johnson–Cook-like constitutive relation implicitly introduces the Lode angle dependency in the elastoplastic behaviour. The material model is calibrated for precipitation hardened Inconel 718 nickel-base superalloy. The combination of a Lode angle dependent failure criterion with weakened constitutive equations is proven to predict fracture patterns of the mechanical tests performed and provide reliable results. Additionally, the mesh size dependency on the prediction of the fracture patterns was studied, showing that was crucial to predict such pattern

Rate and temperature dependent plasticity and failure of AA7017-T73: experiments and modelling

En esta investigación se presenta el modelo de plasticidad utilizado para describir el comportamiento de la aleación de aluminio 7017-T73 bajo cargas uniaxiales. Para ello, se ha realizado una serie de ensayos de tracción uniaxial a diferentes velocidades de deformación con probetas mecanizadas en varias orientaciones con respecto a la dirección de laminación del material. Los resultados experimentales revelan que la AA7017-T73 presenta un alto grado de anisotropía tanto en el límite elástico como en el flujo plástico. También, cabe destacar que el material presenta muy poca sensibilidad a la velocidad de deformación. Además, la AA7017-T73 presenta deformaciones de rotura muy diferentes para cada orientación de carga. A la vista de los resultados experimentales obtenidos, para describir el comportamiento observado del material se emplea la función de plastificación Yld2000-3d con endurecimiento por deformación tipo Voce. Las simulaciones por elementos finitos muestran que el modelo de plasticidad utilizado es capaz de describir con precisión las respuestas local y global del material bajo cargas uniaxiales. Por último, se presenta el criterio de rotura Cockcroft-Latham para describir el comportamiento a fractura anisótropo de la AA7017-T73. A series of tensile tests on uniaxial specimens machined from different orientations with respect to the rolling direction was carried out at a wide range of loading rates for an aluminium 7017-T73 alloy. The experimental results revealed a high degree of anisotropy on both yield stress and plastic flow. In addition, the material showed very little strain-rate sensitivity. The measured fracture strains for different loading orientations showed large differences. In order to describe the material behaviour, the Yld2000-3d yield criterion and an isotropic Voce hardening model were used to describe the plasticity of the AA7017-T73. Finite element simulations showed that the plasticity model provided accurate predictions of local and global material responses under uniaxial loading. A Cockcroft-Latham failure criterion was presented for describing the anisotropic fracture behaviour of the AA7017-T73

On the loading-rate dependence of the Al 7017-T73 fracture-initiation toughness

While static fracture toughness is a widely studied and standardised parameter, its dynamic counterpart has not been exhaustively examined. Therefore, in this research a series of quasi-static and different loading-rate dynamic tests were carried out to determine the evolution of fracture toughness with the velocity of the application of the load on aluminium 7017-T73 alloy. Three-point bending tests of pre-fatigued standard specimens (ASTM E399) at four loading-rates were carried out. The experiments were conducted by employing the subsequent apparatus ordered from lowest to highest load application velocity: a servo-hydraulic universal testing machine, a free-drop tower, a modified Split Hopkinson Pressure Bar and an explosive load testing device. In order to perform the dynamic fracture toughness tests, it was necessary to design and develop some experimental devices. The fracture-initiation toughness of the aluminium 7017-T73 alloy did not exhibit a significant variation for the studied cases. As a conclusion, the research showed that fracture-initiation toughness remained constant regardless of the velocity at which the load was applied

Medida de la tenacidad de fractura dinámica de un acero de blindaje de alta resistencia

En el presente trabajo se resumen resultados preliminares de la investigación que se lleva a cabo para determinar el comportamiento a fractura en condiciones estáticas y dinámicas del acero de blindajes de alta resistencia Armox500T. Para el presente estudio se prepararon probetas de flexión en tres puntos entalladas, que se fisuraron a fatiga. Posteriormente, se ensayaron a flexión hasta rotura en una máquina de ensayos mecánicos para obtener la tenacidad de fractura estática KIC. Para obtener la tenacidad de fractura en condiciones dinámicas, se empleó una barra Hopkinson modificada para poder realizar ensayos de flexión en tres puntos. En este dispositivo se obtuvieron los registros de desplazamiento y velocidad, así como el instante de rotura mediante sensores de detección de fisuras pegados sobre las probetas. A continuación se realizó una simulación numérica del ensayo, utilizando el código LS DYNA para analizar el estado de tensiones y deformaciones en torno a la fisura en función del tiempo. A partir de los resultados de la simulación numérica se obtuvo la historia del factor de intensidad de tensiones dinámico en función del tiempo. Utilizando el dato del tiempo de rotura del sensor, el valor de la tenacidad de fractura deducido era poco realista. En consecuencia, se decidió utilizar un método numérico para deducir el tiempo de propagación de la fisura, por comparación con los datos experimentales de velocidades en la barra transmisora. Así fue posible obtener la tenacidad de fractura dinámica C Id K . Se comprueba que para este acero de alta resistencia, los resultados de la tenacidad de fractura en condiciones estáticas y dinámicas obtenidos (KIC y C Id K ) son similares

Analysis of the Fracture of Reinforced Concrete Flat Elements Subjected to Explosions. Experimental Procedure and Numerical Validation

Many of the material models most frequently used for the numerical simulation of the behavior of concrete when subjected to high strain rates have been originally developed for the simulation of ballistic impact. Therefore, they are plasticity-based models in which the compressive behavior is modeled in a complex way, while their tensile failure criterion is of a rather simpler nature. As concrete elements usually fail in tensión when subjected to blast loading, available concrete material models for high strain rates may not represent accurately their real behavior. In this research work an experimental program of reinforced concrete fíat elements subjected to blast load is presented. Altogether four detonation tests are conducted, in which 12 slabs of two different concrete types are subjected to the same blast load. The results of the experimental program are then used for the development and adjustment of numerical tools needed in the modeling of concrete elements subjected to blast