Andriollo, Tito

Duktilt støbejern er i dag meget udbredt i væsentlige industrielle sektorer som offshore, transport og energiproduktion, og som tegner sig for op til 25 % af den samlede støbeproduktion på globalt plan. Det er velkendt, at emner af duktilt støbejern, afhængigt af størrelse, kan indeholde restspændinger der udvikles over afstande på få millimeter eller mere og som opstår på grund af begrænsninger, som forhindrer den frie termiske kontraktion af materialet under afkøling. Heldigvis har dedikerede studier, som er gennemført inden for de sidste årtier, sørget for en detaljeret forståelse af fænomenet og i dag findes der pålidelige værktøjer, som kan forudsige og håndtere problemer i næsten ethvert praktisk tilfælde. På den anden side, den indre komposit natur af duktilt støbejern tyder på en mulig formation af en anden type restspænding ved meget kortere længdeskalaer, og som er associeret med misforholdet mellem den termiske kontraktion af to primære metallurgiske faser, der danner mikrostrukturen af materialet: grafit kugler (noduler) og den metalliske matrix. Overraskende, så har emnet ikke fået meget opmærksomhed tidligere, muligvis på grund af den gængse forestilling om, at grafit partikler er meget bløde og ikke er i stand til at modstå nogen form for belastning. Faktisk findes der eksperimentelt bevis for deres mekaniske betydning, specielt ved relativt høje temperaturer og ved tryk-belastninger, som indikerer at duktilt støbejern muligvis ikke blot kan betragtes som ”ikke-eksisterende materiale” i alle situationer. Med det som udgangspunkt, fokuserer det aktuelle arbejde på at finde en tilfredsstillende beskrivelse af nodulernes termo-elastiske adfærd, som vises at være fraværende fra det publicerede litteratur, ved hjælp af mikromekanisk homogeniserings analyse baseret på en repræsentativ enhedscelle. Dette, kombineret med anvendelse af elastisk nedre-og øvre-værditeori for polykrystalline materialer, fører til den konklusion, at nodulerne ikke kan opfattes som homogene og isotropiske på den mikrostrukturelle skala. Derfor foreslås en ny strategi til at simulere nodulernes elastiske opførsel, og som består af modellering af dets karakteristiske interne struktur, som består af grafit plateller arrangeret i koniske sektorer i en eksplicit måde. Det resulterende anistropiske model viser sig at give homogeniserede værdier for det duktile støbejerns termoelastiske egenskaber på den makroskopiske skala, og som er i fremragende overensstemmelse med eksperimenter. Ydermere, indikerer det også at den gennemsnitlige termiske kontraktion af nodulerne sandsynligvis er 3 til 4 gange mindre i forhold til den omkringliggende matrix, og dermed bekræfter den forekommende drivkraft for formation af spændinger på den lokale skala. For at undersøge det sidste aspekt, er de afsluttende stadier i fremstillingsprocessen simuleret numerisk ved at tage højde for de forskellige termiske udvidelser af nodulerne og af matricen, både under den eutektoide transformation og den efterfølgende afkøling til stuetemperatur. Resultaterne viser formationen af betydelige restspændinger i matrix regionen tæt på nodulerne, som primært er deviatoriske og stærkt påvirket af antallet af koniske sektorer, som danner grafit partiklerne. For at understøtte de numeriske resultater, hvor det giver mening at udføre passende eksperimentel validering, er der gjort brug af to metoder. Oliver-Pharr nano-indhak metoden er først taget i betragtning, med det formål om at opnå noget direkte viden om den konstitutive opførsel af de individuelle grafit partikler. Desværre viser det sig, at metoden involverer et antal antagelser, som udgør en kraftig begrænsning til dets brug til skøre, inhomogene og anistrope strukturer som i nodulerne. Interessant nok, er en af antagelserne relateret til en skjult måde at gøre rede for den specifikke kontakt-tilstand der forekommer mellem indenteren og prøven under forsøget, og som for første gang i litteraturen er afsløret i detaljer i dette arbejde. Den anden metode er en ny 3D X-ray diffraktionsmetode baseret på synkrotron stråling. Denne gang er eksperimenterne vellykkede og fører til bestemmelse af restspændings tilstanden omkring en enkel nodul, som ligger under materiale overfladen. Resultaterne er de første produceret nogensinde og bekræfter de teoretiske forudsigelser, at lokale spændinger op til omkring det halve af den makroskopiske flydestyrke, forbliver i det duktile støbejerns mikrostruktur efter fremstillingen. Den nye type restspænding forventes at spille en afgørende rolle ved bestemmelse af duktilt støbejerns egenskaber. Viden om de faktorer der styrer egenskaberne vil give mulighed for yderligere optimering af materialets ydeevne ved belastninger under brug.Ductile iron is nowadays widely used in key industrial sectors like off-shore, transport and energy production, accounting for as much as 25 % of the total casting production in the world. It is well known that ductile iron parts, depending on their size, may contain residual stresses developing over distances of a few millimeters or more, which arise due to the presence of constraints that hinder the free thermal contraction of the material during cooling. Fortunately, dedicated studies performed in the last few decades have provided a detailed understanding of the phenomenon, and today reliable tools exist that allow predicting and coping with the problem in almost all practical cases. On the other hand, the intrinsic composite nature of ductile iron suggests the possible formation of another type of residual stresses, at much shorter length scales, associated with the thermal contraction mismatch between the two main metallurgical phases forming the material microstructure: the graphite nodules and the metallic matrix. Surprisingly, the subject has not received much consideration in the past, probably due the common belief that the graphite particles are very soft and unable to withstand any kind of loading. As a matter of fact, however, experimental evidence exists for their mechanical importance, especially at relatively high temperature and under compressive loadings, indicating that ductile iron might not be considered as a merely “voided material” in all situations. Taking this as point of departure, the present work initially focuses on finding a satisfactory description of the nodules’ thermo-elastic behavior, which is shown to be missing in the published literature, by means of micro-mechanical homogenization analyses based on a representative unit cell. These, combined with the application of elastic bound theory for polycrystalline materials, lead to the conclusion that the nodules cannot be considered as homogeneous and isotropic at the microstructural scale. Consequently, a novel strategy to simulate their elastic response is proposed, which consists in modeling their characteristic internal structure, composed of graphite platelets arranged into conical sectors, in an explicit manner. The resulting anisotropic model turns out to provide homogenized values for the ductile iron thermo-elastic properties at the macro-scale in excellent agreement with the experiments. In addition, it also indicates that the average thermal contraction of the nodules is likely 3 to 4 times smaller compared to that of the surrounding matrix, hence confirming the existence of a driving force for the formation of stresses at the local scale. In order to investigate this last aspect, the final stages of the manufacturing process are simulated numerically, accounting for the different thermal expansion of the nodules and of the matrix during both the eutectoid transformation and the subsequent cooling to room temperature. The results show the formation of significant residual stresses in the matrix region close to the nodules, which are mainly deviatoric and strongly affected by the number of conical sectors forming the graphite particles. To support the numerical findings, whose relevance calls for an adequate experimental validation, two techniques are employed. The Oliver-Pharr nano-indentation method is considered first, with the aim of obtaining some direct information concerning the constitutive behavior of the individual graphite particles. Unfortunately, the technique turns out to feature a number of assumptions that pose strong limitations to its applicability to brittle, inhomogeneous and anisotropic structures like the nodules. Interestingly, one of them is related to a concealed way of accounting for the particular contact condition arising between the indenter and the sample during the test, which is revealed in detail in this work for the first time in literature. The second technique considered is a novel 3D X-ray diffraction method based on synchrotron radiation. This time, the experiments are successful and lead to the determination of the residual stress state around a single nodule lying beneath the material surface. The results are the first ever produced, and confirm the theoretical predictions that local stresses up to approximately half the macroscopic yield strength may remain in the ductile iron microstructure after manufacturing. Needless to say, this new type of residual stresses is expected to play an important role in determining the properties of ductile iron. Knowledge of the factors controlling it will pave the way for further optimization of the material performance under in-service loading

Online Research Database In Technology

Graphite nodules and local residual stresses in ductile iron: Thermo-mechanical modelingand experimental validation

http://orbit.dtu.dk/ws/files/130504673/Andriollo_Tito_PhD_thesis.pdf

Graphite nodules and local residual stresses in ductile iron: Thermo-mechanical modelingand experimental validation

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Online Research Database In Technology