Endre søk
RefereraExporteraLink to record
Permanent link

Direct link
Referera
Referensformat
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Annet format
Fler format
Språk
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Annet språk
Fler språk
Utmatningsformat
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Characterization and modeling of the mechanical behavior of high silicon ductile iron
Högskolan i Jönköping, Tekniska Högskolan, JTH, Material och tillverkning. Högskolan i Jönköping, Tekniska Högskolan, JTH. Forskningsmiljö Material och tillverkning – Gjutning.ORCID-id: 0000-0002-5635-8023
Högskolan i Jönköping, Tekniska Högskolan, JTH. Forskningsmiljö Material och tillverkning – Gjutning. Högskolan i Jönköping, Tekniska Högskolan, JTH, Material och tillverkning.ORCID-id: 0000-0002-7527-719X
Högskolan i Jönköping, Tekniska Högskolan, JTH, Material och tillverkning. Högskolan i Jönköping, Tekniska Högskolan, JTH. Forskningsmiljö Material och tillverkning – Gjutning.
Högskolan i Jönköping, Tekniska Högskolan, JTH, Material och tillverkning. Högskolan i Jönköping, Tekniska Högskolan, JTH. Forskningsmiljö Material och tillverkning – Gjutning.ORCID-id: 0000-0003-2671-9825
Vise andre og tillknytning
2017 (engelsk)Inngår i: Materials Science & Engineering: A, ISSN 0921-5093, E-ISSN 1873-4936, Vol. 708, s. 159-170Artikkel i tidsskrift (Fagfellevurdert) Published
Abstract [en]

This paper investigates the effect of the solidification conditions and silicon content on the mechanical properties of ductile iron and presents empirical models for predicting the tensile behavior based on the microstructural characterizations. Two ductile iron grades of GJS-500-7 and GJS-500-14 were cast with silicon content of 2.36% and 3.71%, respectively. The cast geometry consisted of six plates with different thicknesses that provided different cooling rates during the solidification. Microstructure analysis, tensile and hardness tests were performed on the as-cast material. Tensile behavior was characterized by the Ludwigson equation. The tensile fracture surfaces were analyzed to quantify the fraction of porosity. The results showed that graphite content, graphite nodule count, ferrite fraction and yield strength were increased by increasing the silicon content. A higher silicon content resulted in lower work hardening exponent and strength coefficient on the Ludwigson equation. The results for 0.2% offset yield and the Ludwigson equation parameters were modeled based on microstructural characteristics, with influence of silicon content as the main contributing factor. The models were implemented into a casting process simulation to enable prediction of microstructure-based tensile behavior. A good agreement was obtained between measured and simulated tensile behavior, validating the predictions of simulation in cast components with similar microstructural characteristics.

sted, utgiver, år, opplag, sider
Elsevier, 2017. Vol. 708, s. 159-170
Emneord [en]
Casting simulation Component casting Ludwigson equation parameters Silicon content Spherical graphite iron
HSV kategori
Identifikatorer
URN: urn:nbn:se:hj:diva-36849DOI: 10.1016/j.msea.2017.09.115ISI: 000415770100016Scopus ID: 2-s2.0-85030708426OAI: oai:DiVA.org:hj-36849DiVA, id: diva2:1131369
Tilgjengelig fra: 2017-08-14 Laget: 2017-08-14 Sist oppdatert: 2017-12-28bibliografisk kontrollert
Inngår i avhandling
1. On the deformation behavior and cracking of ductile iron; effect of microstructure
Åpne denne publikasjonen i ny fane eller vindu >>On the deformation behavior and cracking of ductile iron; effect of microstructure
2017 (engelsk)Doktoravhandling, med artikler (Annet vitenskapelig)
Abstract [en]

This thesis focuses on the effect of microstructural variation on the mechanical properties and deformation behavior of ductile iron. To research and determine these effects, two grades of ductile iron, (i) GJS-500-7 and (ii) high silicon GJS-500-14, were cast in a geometry containing several plates with different section thicknesses in order to produce microstructural variation. Microstructural investigations as well as tensile and hardness tests were performed on the casting plates. The results revealed higher ferrite fraction, graphite particle count, and yield strength in the high silicon GJS-500-14 grade compared to the GJS-500-7 grade.

To study the relationship between the microstructural variation and tensile behavior on macroscale, tensile stress-strain response was characterized using the Ludwigson equation. The obtained tensile properties were modeled, based on the microstructural characteristics, using multiple linear regression and analysis of variance (ANOVA). The models showed that silicon content, graphite particle count, ferrite fraction, and fraction of porosity are the major contributing factors that influence tensile behavior. The models were entered into a casting process simulation software, and the simulated microstructure and tensile properties were validated using the experimental data. This enabled the opportunity to predict tensile properties of cast components with similar microstructural characteristics.

To investigate deformation behavior on micro-scale, a method was developed to quantitatively measure strain in the microstructure, utilizing the digital image correlation (DIC) technique together with in-situ tensile testing. In this method, a pit-etching procedure was developed to generate a random speckle pattern, enabling DIC strain measurement to be conducted in the matrix and the area between the graphite particles. The method was validated by benchmarking the measured yield strength with the material’s standard yield strength.

The microstructural deformation behavior under tensile loading was characterized. During elastic deformation, strain mapping revealed a heterogeneous strain distribution in the microstructure, as well as shear bands that formed between graphite particles. The crack was initiated at the stress ranges in which a kink occurred in the tensile curve, indicating the dissipation of energy during both plastic deformation and crack initiation. A large amount of strain localization was measured at the onset of the micro-cracks on the strain maps. The micro-cracks were initiated at local strain levels higher than 2%, suggesting a threshold level of strain required for micro-crack initiation.

A continuum Finite Element (FE) model containing a physical length scale was developed to predict strain on the microstructure of ductile iron. The material parameters for this model were calculated by optimization, utilizing the Ramberg-Osgood equation. The predicted strain maps were compared to the strain maps measured by DIC, both qualitatively and quantitatively. To a large extent, the strain maps were in agreement, resulting in the validation of the model on micro-scale.

In order to perform a micro-scale characterization of dynamic deformation behavior, local strain distribution on the microstructure was studied by performing in-situ cyclic tests using a scanning electron microscope (SEM). A novel method, based on the focused ion beam (FIB) milling, was developed to generate a speckle pattern on the microstructure of the ferritic ductile iron (GJS-500-14 grade) to enable quantitative DIC strain measurement to be performed. The results showed that the maximum strain concentration occurred in the vicinity of the micro-cracks, particularly ahead of the micro-crack tip.

Abstract [sv]

Denna avhandling fokuserar på effekten av variationer i mikrostrukturen på mekaniska egenskaper och deformationsbeteende hos segjärn. För att undersöka dessa effekter, två olika sorter av segjärn, (i) GJS-500-7 och (ii) högkisellegerad GJS-500-14, gjutits till plattor av olika tjocklekar för att generera mikrostrukturvariationen. Mikrostrukturundersökning, samt drag- och hårdhetsprov gjordes på de gjutna plattorna. Resultaten visade att en högre ferritfraktion, grafitpartikelantal och sträckgräns i den högkisellegerade GJS-500-14-sorten jämfört med GJS-500-7.

För att studera förhållandet mellan mikrostrukturell variation och spännings-töjningsbeteendet på makroskala, modellerades detta med hjälp av Ludwigson-ekvationen. De erhållna spännings-töjningsegenskaperna modellerades baserat på mikrostrukturell karaktäristika genom multipel linjärregression och variansanalys (ANOVA). Modellerna visade att kiselhalt, grafitpartikelantal, ferritfraktion och porfraktion var de viktigaste bidragande faktorerna. Modellerna implementerades i ett simuleringsprogram för gjutningsprocessen. Resultatet från simuleringen validerades med hjälp av experimentella data som inte ingick i underlaget för regressionsanalysen. Detta möjliggjorde att prediktera spännings-töjningsbeteendet och dess variation hos gjutna segjärns komponenter med liknande sammansättning och gjutna tjocklekar som användes i denna studie.

För att kunna undersöka deformationsbeteendet på mikroskala utvecklades en metod för kvantitativ mätning av töjning i mikrostrukturen, genom DIC-tekniken (digital image correlation) tillsammans med in-situ dragprovning. I denna metod utvecklades en grop-etsningsprocess för att generera ett slumpvis prickmönster, vilket möjliggjorde DIC-töjningsmätning i matrisen och i området mellan grafitpartiklarna med tillräcklig upplösning. Metoden validerades genom benchmarking av den uppmätta sträckgränsen mot materialets makroskopiska sträckgräns mätt med konventionell dragprovning.

Det mikrostrukturella deformationsbeteendet under dragbelastning karakteriserades. Under elastisk deformation avslöjade töjningsmönstret en heterogen töjningsfördelning i mikrostrukturen, och bildandet av skjuvband mellan grafitpartiklar. Sprickbildning initierades vid låg spänning och redan vid de spänningsnivåer som ligger vis ”knät” på dragprovningskurvan, vilket indikerar energidissipering genom både begynnande plastisk deformation och sprickbildning. Den lokala töjningen vis sprickinitiering skedde då den lokala töjningen översteg 2%, vilket indikerar att detta skulle kunna vara en tröskelnivå för den töjning som erfordras för initiering av mikro-sprickor.

En kontinuum Finita Element (FE) modell utvecklades för att prediktera töjningen hos ett segjärn och dess fördelning i segjärns mikrostruktur. Materialparametrarna för denna modell optimerades genom att anpassa parametrarna i Ramberg-Osgood ekvationen. De predikterade töjningsfördelningarna jämfördes med de experimentell uppmätta töjningsmönstren uppmätta med DIC, både kvalitativt och kvantitativt. Töjningsmönstren överensstämde i stor utsträckning, vilket resulterade i att modellerna kunde anses vara validerade på mikronivå.

För att kunna mäta töjningsmönster under dynamiska förlopp på mikronivå utvecklades en metod för att skapa prickmönster och att utföra in-situ CT provning i ett svepeletronmikroskop (SEM). Prickmönstret skapades genom avverkning med en fokuserad jonstråle (FIB), och provades på det ferritiska segjärnet (GJS-500-14 grad). Resultaten visade att maximal töjningskoncentration fanns i närheten av mikrosprickorna, framförallt framför sprickspetsen.

sted, utgiver, år, opplag, sider
Jönköping: Jönköping University, School of Engineering, 2017. s. 75
Serie
JTH Dissertation Series ; 27
Emneord
Spherical graphite iron, component casting, high silicon ductile iron, digital image correlation (DIC), in-situ tensile testing, in-situ cyclic testing, DIC pattern generation, pit etching, micro-scale deformation, micro-crack, finite element analysis (FEA), focused ion beam (FIB) milling, segjärn, komponentgjutning, högkisellegerat segjärn, digital image correlation (DIC), insitu dragprovning, in-situ cyklisk provning, DIC-mönstergenerering, grop-etsning, mikroskalig deformation, mikrosprickor, finite element analys (FEA), fokuserad jonstråle (FIB) avverkning
HSV kategori
Identifikatorer
urn:nbn:se:hj:diva-36852 (URN)978-91-87289-28-6 (ISBN)
Disputas
2017-08-08, E1405 (Gjuterisalen), Tekniska Högskolan, Jönköping, 10:00
Opponent
Veileder
Tilgjengelig fra: 2017-08-14 Laget: 2017-08-14 Sist oppdatert: 2017-08-29bibliografisk kontrollert

Open Access i DiVA

fulltext(3711 kB)30 nedlastinger
Filinformasjon
Fil FULLTEXT02.pdfFilstørrelse 3711 kBChecksum SHA-512
401c63f036b1705ef6058621b90af5722c2739a05de837732e3c8ad58ba49ae328736a06f7d2ae99424ddae9e920d9907cd7026e512f366e8408324778af020d
Type fulltextMimetype application/pdf

Andre lenker

Forlagets fulltekstScopus

Personposter BETA

Kasvayee, Keivan AmiriGhassemali, EhsanSvensson, Ingvar L.Olofsson, JakobJarfors, Anders E.W.

Søk i DiVA

Av forfatter/redaktør
Kasvayee, Keivan AmiriGhassemali, EhsanSvensson, Ingvar L.Olofsson, JakobJarfors, Anders E.W.
Av organisasjonen
I samme tidsskrift
Materials Science & Engineering: A

Søk utenfor DiVA

GoogleGoogle Scholar
Totalt: 31 nedlastinger
Antall nedlastinger er summen av alle nedlastinger av alle fulltekster. Det kan for eksempel være tidligere versjoner som er ikke lenger tilgjengelige

doi
urn-nbn

Altmetric

doi
urn-nbn
Totalt: 221 treff
RefereraExporteraLink to record
Permanent link

Direct link
Referera
Referensformat
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Annet format
Fler format
Språk
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Annet språk
Fler språk
Utmatningsformat
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf