Determination of the equivalent stress-strain curves of ductile metals through image analysis

Abstract

Bu tez ileri hesaplama ve görüntü analiz teknikleri kullanarak sünek metallerin eşdeğer gerilim-gerinim ve kırılma gerinimi-üç eksenli gerilme eğrilerini belirlemek için yeni bir metodoloji sunmaktadır. Belirlenen eğriler daha sonra Johnson-Cook (JC) gerilme ve hasar denklemleri parametrelerini belirlemek için kullanılmıştır. Tüm numerik hesaplamalar ve görüntü analizi Python Kütüphanesi ve görüntü analiz araçları kullanılarak yapılmıştır. Kodun ana gidileri deneysel farklı gerinin hızlardaki kuvvet-deplasman verileri, statik kırılma gerinimi-üç eksenli gerilme verileri, farklı gerinim hızlarındaki kırılma gerinimi verileri ve kırılma test numunesinin deformasyon görüntü videolardır. Kullanılan metodoloji eşdeğer gerilim-gerinim eğrilerini ve JC gerilme ve hasar denklemleri parametrelerini tahmin etmekteki doğruluğu ve etkinliği 316L ve AISI 4340 alaşımları için açıkça gösterilmiştir. Geliştirilen kod yapısal analizde kullanılan sonlu elaman yazılımlarında kullanılan birçok yapısal denkleme de kolayca uygulanabilmektir. Son olarak, bu çalışma hassas malzeme özelliklerinin performans ve güvenlik açısından kritik olduğu çeşitli mühendislik alanlarındaki potansiyel uygulamalarla birlikte, sünek metallerin mekanik davranışını anlamak ve tahmin etmek için kapsamlı bir yaklaşım sunmaktadır.

This thesis presents a methodology for determining the equivalent stress-strain and the failure strain-stress triaxiality curves of ductile metallic materials using the advanced computing and image analysis methods. The determined curves were then used to calculate the parameters of the Johnson and Cook (JC) flow stress and damage models. A code was developed in Python to perform the numerical calculations and image analysis using the Python's libraries and image analysis tools. The main entries to the code were the experimental force-displacement curves at different strain rates, the experimental failure strain-stress triaxiality curve at a reference quasi-static strain rate, the experimental failure strain-strain rate curve at a constant stress triaxiality and the video images of the deforming test specimens. The correctness and reliability of the developed code in predicting the equivalent stress-strain curves and the parameters of the JC flow stress and damage models were clearly demonstrated for the selected 316L and AISI 4340 alloys. The code could also be easily adopted to other well-now constitutive equations commonly used in the finite element software. Finally, the results of present study contribute to the field of mechanical engineering by providing a robust tool for the materials characterization essential for designing and optimizing engineering components subjected to complex states of stresses.