Análisis y modelización del proceso de fractura dúctil en materiales plásticos y viscoplásticos

Abstract

La fractura dúctil es el principal mecanismo de fallo en aleaciones metálicas utilizadas en ingeniería y es primordial en los estudios de integridad estructural, junto con la corrosión y la fatiga. Debido a ello, la importancia de este modo de fallo ha provocado que ciertos procesos de ingeniería requieran en una mayor medida del conocimiento de los fenómenos de deformación y fractura de materiales dúctiles. Esta tesis doctoral se centra en el análisis y la modelización del proceso de fractura dúctil debido a la nucleación, crecimiento y coalescencia de microvacíos, con el fin de estudiar algunos de los factores que afectan a estos procesos y de mejorar los modelos constitutivos que describen estos fenómenos, teniendo en cuenta a su vez la influencia de la deformación plástica y la velocidad de deformación plástica en el material. En primer lugar, se propone un modelo constitutivo para materiales dúctiles viscoplásticos con huecos cilíndricos en su interior, donde se desarrollan funciones de plastificación analíticas que tienen en cuenta el proceso de crecimiento de microvacíos. Los resultados de esta linea de investigación se comparan con otros modelos de materiales porosos con dependencia de la velocidad de deformación. Por otro lado, se desarrolla una extensión del modelo Gurson-Tvergaard, para materiales sin dependencia con la velocidad de deformación, que añade el efecto de la triaxialidad y del parámetro de Lode a través de los parámetros de ajuste del modelo, utilizando simulaciones numéricas de modelos de celda unitaria tridimensionales con huecos esféricos para su implementación y posterior validación. Finalmente, se realiza un estudio sobre la interacción que se produce entre la localización macroscópica y la coalescencia de microvacíos en materiales viscoplásticos, dependiendo del estado tensional aplicado y del ángulo de orientación de la banda de localización, mediante el estudio de simulaciones numéricas en modelos de celda unitaria tridimensionales con huecos esféricos.

Ductile fracture is the main failure mechanism in metal alloys used in engineering and is essential in studies of structural integrity, along with corrosion and fatigue. Due to this, the importance of this failure mechanism has caused that certain engineering processes require a deeper knowledge of the deformation and fracture phenomena in ductile materials. This doctoral thesis focuses on the analysis and modeling of ductile fracture process as a consequence of nucleation, growth and coalescence of microvoids in the material, in order to study some of the factors that affect these processes and to improve the constitutive models that describe these phenomena; taking into account the influence of plastic strain and plastic strain rate in the material. First of all, a constitutive model for viscoplastic ductile materials with cylindrical voids inside is proposed, where analytical macroscopic functions that take into account the growth process of microvoids are developed. The results of this research are compared with other porous materials models with dependence on strain rate. On the other hand, an extension of the Gurson-Tvergaard model for materials without dependence on strain rate is developed, which adds the effect of triaxiality and Lode parameter through the parameters of the model, using numerical simulations of three dimensional unit cell models with spherical voids for its implementation and subsequent validation. Finally, an analysis of the interplay that takes place between the macroscopic localization and coalescence of microvoids in viscoplastic materials is carried out, depending on the applied stress state and the orientation angle of the location band, by means of the study of numerical simulations of three-dimensional unit cell models with spherical voids.