Análisis de la influencia de la temperatura en el comportamiento de materiales dúctiles en procesos isotermos

Abstract

Los materiales dúctiles son ampliamente utilizados a nivel industrial y aeroespacial, por su capacidad para alcanzar grandes deformaciones sin romperse. La principal causa de fallo en este tipo de materiales reside en la nucleación, crecimiento y coalescencia de microvacios. Estas grietas internas pueden originarse por las inclusiones de otros elementos en la matriz del material y coalescer en superficies libres que provocan la rotura. La gran aplicación de este tipo de materiales hace necesaria la investigación y análisis de estos fallos. Actualmente, se utilizan modelos constitutivos para representar el comportamiento del material incluso modelando su porosidad. Aunque estos modelos no contemplan algunos efectos externos como la temperatura o la velocidad de deformación. El objetivo del presente trabajo es estudiar que efecto tiene la temperatura sobre este tipo de materiales cuando se someten a procesos isotermos y validar uno de los modelos constitutivos más utilizados, el modelo de Gurson-Tvergaard. En primer lugar, se procederá a realizar un análisis por elementos finitos, modelando el material mediante celdas unitarias con huecos esféricos en su interior. Los resultados de estas simulaciones numéricas se evaluarán frente el modelo de Gurson-Tvergaard. El objetivo de la comparación es comprobar si la temperatura tiene un efecto relevante en el crecimiento de los huecos en el interior del material. Para completar el análisis se realizará la homogenización de una celda con un hueco cilíndrico y se resolverá para el caso más simple de ablandamiento por proceso isotermo que se puede considerar. Los resultados de el análisis analítico se compararán de nuevo con las simulaciones numéricas realizadas y con el modelo de Gurson clásico para estudiar la dependencia con la temperatura.

Ductile materials are widely used within the industrial and aerospatial fields, because of their capacity to withstand greater strains. The main cause of fracture in this kind of materials is related to the nucleation, growth and coalescence of internal voids. These internal voids can be originated by the inclusion of other elements in the material matrix and coalesce on free surfaces, thus provoking fracture. Due to the wide application of this kind of materials, the research and analysis of these failures become essential. Nowadays constitutive models are used to represent the behaviour of the material, including even porosity. However, these models do not include some external effects such as the temperature nor strain velocity. The goal of the present work is to study temperature effect on this kind of materials when they are being subjected to an isothermal process and to validate one of the most extended constitutive models, the Gurson-Tvergaard model. First of all, a finite elements analysis will be performed, modelling the material through unitary cells with spherical voids inside. The results of these numerical simulations will be compared with the Gurson-Tvergaard model. The aim of this comparison is to check if the temperature effect is relevant to the growth of voids inside the material. In order to complete the analysis, the homogenization of a unit cell with cylindrical void indise will be performed and solved for the simplest case of strain hardening that it can be considered. The results of the analysis will be compared again with the numerical simulations and the classic Gurson model to study the temperature dependence.