Phenomenological models for lifetime prediction under low-cycle fatigue and thermo-mechanical fatigue loading conditions

Abstract

This works presents original research data for low-cycle fatigue and thermo-mechanical fatigue of SiMo 4.06 cast iron. The cast iron was subjected to a various strain rates and strain amplitudes in the temperature range of 20°C-750°C under low-cycle fatigue and thermo-mechanical fatigue loading conditions. The experiments were carried out on the newly in-house designed test stand for performing uniaxial low-cycle and thermo-mechanical fatigue tests. A unified viscoplastic material is implemented by the means of user defined material subroutine for Abaqus commercial finite element software. The anisothermal multiaxial formulation of unified viscoplastic material model used here is based on hyperbolic sine flow rule and the model incorporates isotropic hardening and non-linear kinematic hardening. The model is calibrated systematically with temperature on the basis of obtained experimental data. A new method is applied in order to calibrate the temperature dependent viscoplastic material model parameters. Numerical simulations of cyclic mechanical behaviour of SiMo 4.06 follows. Finally, a novel energy based fatigue criterion is proposed in order to take into account effect of mean stress, which usually appears during thermo-mechanical loading. A good correlation was achieved between the predicted results and the observed results.

Tato disertační práce dokumentuje původní výsledky výzkumu nízkocyklové a teplotně-mechanické únavy tvárné litiny SiMo 4.06. Byly provedeny rozsáhlé mechanické zkoušky tohoto materiálu pro různé rychlosti a hladiny amplitud deformace, pro teploty v rozsahu 20°C-750°C. Mechanické zkoušky byly provedeny na nově navrženém zkušebním zařízení, které je určeno pro jednoosé zkoušky nízkocyklové a teplotně-mechanické únavy. Dále byl implementován unifikovaný viskoplastický materiálový model jako uživatelská funkce pro konečně-prvkový řešič Abaqus. Unifikovaný materiálový model je implementován pro případ multiaxiálního zatěžování za předpokladu proměnné teploty, konstitutivní vztah pro funkci tečení je založen na hyperbolickém sinu, model zahrnuje isotropní i nelineární kinematické zpevnění. Kalibrace modelu je provedena pro získané experimentální výsledky. Teplotně závislé parametry modelu jsou kalibrovány systematicky s využitím nových postupů. Zkalibrovaný materialový model je použit pro numerické simulace cyklického mechanického chování zkoumaného materiálu. Nakonec je navrženo nové kritérium pro hodnocení životnosti při nízkocyklové teplotně-mechanické únavě. Navržené kritérium je založeno na disipované hysterezní energii a zahrnuje vliv středního napětí, které je často pozorováno během mechanických zkoušek prováděných za proměnných teplot. Výsledky simulací dobře korelují s výsledky z experimentů.