Effects of strain rate and temperature on the tensile properties of austenitic stainless sheet steels

Abstract

In the thesis the mechanical behaviour of austenitic stainless steels was studied at different strain and temperatures. There has been an increasing demand for this kind of research during the past few decades due to the constantly increasing requirements set for materials in various structures. For example, the crash-absorbing parts of modern cars can be subjected to substantially high rates of deformation during collisions with other objects. Modern design work also involves increasing amounts of numerical simulations, which require accurate and extensive experimental data on material behaviour. Three austenitic stainless steel grades were chosen for the work. The test materials were industrially produced sheet steels.. Differences between steel grades were studied with specimens in the annealed 2B-delivery condition. The dependence of the mechanical properties on the loading direction was evaluated by comparing the test results obtained in the rolling direction and in the transverse direction. The main research method was the uniaxial tensile test. It was found that the yied strength of the materials increases steadily with increasing strain rate in the studied strain rate range. In contrast, the plastic deformation behaviour is strongly dependent on strain rate. This is mainly related to the effect of deformation-induced heating on austenite stability. The influence of strain rate on material behaviour was found to depend on the initial test temperature. Only minor differences were found between test directions for the steels in the annealed 2B-delivery condition.

AB3:Diplomityössä tutkittiin austeniittisten ruostumattomien terästen mekaanista käyttäytymistä eri muodonmuutosnopeuksilla ja eri lämpötiloissa. Tällaisen tutkimustyön merkitys on lisääntynyt voimakkaasti viime vuosikymmeninä konstruktiomateriaaleille asetettavien vaatimusten kasvaessa. Hyviä käytöännön esimerkkejä ovat ajoneuvojen turvallisuuden parantaminen ja uudet, nopeat teollisuusprosessit. Myös jatkuvasti lisääntyvä numeeristen simulointien käyttö suunnittelutyön apuvälineenä edellyttää luotettavaa ja kattavaa kokeellista tietoa materiaalien käyttäytymisestä. Austeniittisia ruostumattomia teräksiä on perinteisesti käytetty eri sovelluskohteissa lähinnä niiden korroosionkeston ja hyvän muovattavuuden takia. Viime vuosina näille materiaaleille on kuitenkin ilmennyt myös uusia käyttökohteita esimerkiksi henkilöautojen törmäykseltä suojaavissa rakenteissa, joissa paikalliset muodonmuutosnopeudet saattavat nousta hyvinkin suureksi onnettomuustilanteissa. Tutkimukseen valittiin kolme austeniittista ruostumatonta teräslaatua. Tutkitut materiaalit olivat teollisesti tuotettuja ohutlevyteräksiä. Eri teräslaatujen välisiä eroja tutkittiin hehkutetussa 2B-toimitustilassa olevilla näytteillä. Mahdollista kylmävalssauksen aikana tapahtuvaa mekaanisten ominaisuuksien suuntautumista tutkittiin vertailemalla valssaussuuntaan ja levyn tasossa poikittaiseen suuntaan tehtyjen kokeiden tuloksia. Pääasiallisena tutkimusmenetelmänä käytettiin yksiaksiaalista vetokoetta. Työssä kiinnitettiin erityistä huomiota eri mittausmenetelmillä saatujen tulosten vertailukelpoisuuteen etenkin myötymämittauksen osalta. Tästä syystä kaikki kokeet tehtiin samanlaista näytegeometriaa käyttäen. Vetokokeissa mitattujen myötymäarvojen luotettavuutta arvioitiin käsin työntömitalla tehtyjen mittausten avulla. Työssä havaittiin, että tutkittujen materiaalien myötölujuus kasvaa tasaisesti myötönopeuden kasvaessa edellä mainitulla myötönopeusalueella, mutta plastinen muodonmuutoskäyttäytyminen riippuu hyvin voimakkaasti myötönopeudesta. Tämä johtuu tutkituilla materiaaleilla esiintyvän voimakkaan muokkauslämpenemisen faasimuutosta hidastavasta vaikutuksesta. Suuri osa plastisessa muodonmuutoksessa tehtävästä työstä muuttuu lämmöksi. Muodonmuutosnopeuden kasvaessa tämä ylimääräinen lämpö ei ehdi siirtyä materiaalista ympäristöön, jolloin materiaalin lämpötila nousee.