Numerical evaluation of the ductile fracture for AA6101-T4 and AISI 4340 alloys using the Lemaitre and Gurson models

Evaluación numérica de la fractura dúctil de las aleaciones AA6101-T4 y AISI 4340 mediante los modelos de Lemaitre y Gurson

En este trabajo se evalúa numéricamente la fractura dúctil de las aleaciones AA6101 y AISI 4340, utilizando los modelos Lemaitre y Gurson. Las simulaciones se realizaron para verificar la evolución de la deformación plástica acumulada en la fractura considerando el rango de alta relación de triaxialidad, aplicándose cargas de tracción monotónicas en sondas cilíndricas lisas y con entalladuras. La estrategia numérica se estructuró para los modelos de Lemaitre y Gurson, a partir del establecimiento de un sistema no lineal de ecuaciones, utilizando un algoritmo de integración implícita. El método de Newton-Raphson es utilizado para la solución del sistema de ecuaciones no lineal. Comparando los resultados numéricos y experimentales, se observa que la deformación plástica equivalente en la fractura disminuye con el aumento del nivel de la relación de triaxialidad para las aleaciones cuando se aplican los modelos, siendo el modelo de Lemaitre más optimista en comparación con los resultados experimentales. El modelo de Gurson demostró ser más conservador en su predicción de fractura dúctil. En cuanto a la determinación de la ubicación del inicio de la falla en la sonda, ambos modelos mostraron buena capacidad predictiva, y el mejor desempeño ocurrió para la aleación de aluminio, que tiene un mayor nivel de ductilidad. Para la aleación AISI 4340, el modelo Lemaitre mostró diferencias significativas con respecto al desplazamiento de la fractura en comparación con el modelo Gurson. Por tanto, se recomienda el modelo de Gurson, preferentemente, en materiales con mayores niveles de ductilidad.

INTRODUCCIÓN

En las últimas décadas se ha hecho necesario el uso de materiales metálicos más ligeros y fiables en diferentes áreas de la ingeniería. En consecuencia, la búsqueda de soluciones que tiendan a optimizar componentes mecánicos está intrínsecamente relacionada con la estructuración de modelos constitutivos capaces de describir, con cierta precisión, el momento, la región y la ubicación exacta del inicio de la fractura dúctil de los materiales constituyentes. La búsqueda de soluciones implica que se debe identificar la necesidad de diseñar dispositivos o componentes con conocimiento del estado de máxima tensión o máximo nivel de degradación para un correcto diseño y seguridad operativa deseada. Este artículo considera dos aleaciones con diferentes niveles de ductilidad, que son ampliamente utilizadas en numerosas áreas de la ingeniería. Debido a su baja ductilidad, la aleación de aluminio AA6101-T4 tiende a fracturarse ya en el proceso de conformado. Los estudios relacionados con la fractura de este material han cobrado relevancia para aplicaciones en el diseño de estructuras más ligeras y componentes mecánicos 1.