The Effect of Notch Tip Position on the Charpy Impact Energy for Bainitic and Martensitic Functionally Graded Steel

Abstract

As stated for arrester configuration, no precise mathematical modelling was presented to correlate the Charpy impact energy of FGSs to the morphology of each layer. This is an actual gap in the literature. The main aim of the present work is to fill this gap and provide a new analytical model for the assessment of the Charpy impact energy of FGSs in the form of crack arrester configuration. Moreover, three-dimensional finite element (FE) analysis by ABAQUS software was performed to simulate the Chapry impact energy process of FGS specimens in the form of crack arrester configuration.

Функционально-градиентные стали, которые относятся к группе функционально-градиентных материалов, обладающих упругопластическими свойствами, получают из аустенитной нержавеющей и малоуглеродистой ферритной сталей путем электрошлаковой переплавки. При использовании функционально-градиентных сталей можно улучшить механические свойства композитов, содержащих мартенситные и бейнитные хрупкие фазы. Представленная аналитическая модель позволяет оценить ударную энергию разрушения образцов Шарпи из бейнитно-мартенситных сталей с учетом зависимости между ударной энергией и размером пластической зоны в вершине надреза. Сравниваются величины ударной энергии для образцов Шарпи из функционально-градиентных сталей и однородного материала, соответствующего слою материала вблизи вершины надреза. С использованием программного комплекса ABAQUS выполнено трехмерное конечноэлементное моделирование данного процесса. Согласно закону Холломана для пластической зоны получены характеристики материала в различных его слоях. Рассматривалось экспоненциальное изменение характеристик материала по ширине образца. Предложенная модель позволяет получить результаты, хорошо согласующиеся с имеющимися экспериментальными данными и результатами конечноэлементных расчетов.

Функціонально-градієнтні сталі, що відносяться до групи функціонально-градієнтних матеріалів із пружно-пластичними властивостями, отримують із нержавіючої сталі шляхом електрошлакової переплавки. При використанні функціонально-градієнтних сталей можно поліпшити механічні властивості композитів із мартенситними і бейн ітними крихкими фазами. Запропонована аналітична модель дозволяє оцінити ударну енергію руйнування зразків Шарпі з бейнітно-мартенситних сталей з урахуванням залежності між ударною енергією і розміром пластичної зони у вершині надрізу. Порівнюються величини ударної енергії для зразків Шарпі з функціонально-градієнтних сплавів та з однорідного матеріалу, що відповідає шару матеріалу біля вершини надрізу. Із використанням програмного комплексу ABAQUS виконано тривимірне скінченноелементне моделювання даного процесу. Згідно із законом Холломана, для пластичної зони отримано характеристики матеріалу в різних його шарах. Розглядалась експоненціальна зміна характеристик матеріалу по ширині зразка. Запропонована модель дозволяє отримати результати, які добре узгоджуються з відомими експериментальними даними і результатами скінченноелементних розрахунків.