Challenges in developing a general constitutive relation for cyclic loading*
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Fernand Ellyin
und Zihui Xia
Abstract
Deformation of most metals and alloys is time-dependent and this dependency becomes more pronounced at temperatures exceeding a third of the material's melting point. Furthermore, the deformation response of a material to cyclic loading involves transients prior to stabilization. Some manifestations of the transient responses are: strain hardening or softening, loading sequence effect, strain-rate and strain-path history dependency, creep-plasticity interaction, strain ratcheting, among others. In addition, a constitutive model formulated in terms of macroscopic parameters must have a certain underlying microscopic rationalization. In this paper rate-dependent constitutive relations for an inelastic material are presented. This constitutive model is of a coupled nature, in the sense that the effect of prior creep on the subsequent plastic deformation and vice versa, are taken into account. Thus, the framework for these constitutive relations is based on the concept that any loading sequence can be predicted by two separate (elastoplastic and creep) but coupled models. A number of examples covering a wide range of cyclic loading types are presented.
Kurzfassung
Die Verformung der meisten Metalle und ihrer Legierungen ist zeitabhängig und diese Abhängigkeit wird umso deutlicher bei Temperaturen, die ein Drittel des Schmelzpunktes des jeweiligen Werkstoffes überschreiten. Darüber hinaus weist die Verformung eines Werkstoffes infolge einer zyklischen Beanspruchung Transienten vor der Stabilisierung auf. Einige Ursachen für diese Transienten sind unter anderen Verfestigungs- oder Entfestigungseffekte (bekannt als strain hardening oder softening), Effekte der Belastungsfolge, Abhängigkeiten von der Dehnrate oder der Verformungshistorie oder Interaktionen zwischen Kriechen und Plastifizierung. Ein konstitutives Modell, das mittels makroskopischer Parameter formuliert wird, muss weiterhin mit einer bestimmten mikroskopischen Überlegung unterlegt sein. Im vorliegenden Beitrag werden geschwindigkeitsabhängige konstitutive Beziehungen für ein inelastisches Material abgeleitet. Dieses constitutive Modell hat einen gekoppelten Aufbau in dem Sinn, dass die Wirkung vorherigen Kriechens auf die nachfolgende plastische Verformung und umgekehrt berücksichtigt wird. Somit basiert das Rahmenwerk für diese konstitutiven Beziehungen auf dem Konzept, dass alle Belastungsfolgen durch zwei separate (elastoplastische Verformung und Kriechen), aber gekoppelte Modelle vorhergesagt werden können. Eine Anzahl von Beispielen, die ein weites Feld zyklischer Beanspruchungsarten abdeckt, wird außerdem präsentiert.
Literatur
1 Ellyin, F.: Fatigue Damage, Crack Growth and Life Prediction, Chapman & Hall, London, 199710.1007/978-94-009-1509-1Suche in Google Scholar
2 Xia, Z.; Ellyin, F.: Nonproportional multiaxial cyclic loading – experiments and constitutive modeling, ASME J. Appl. Mech.58 (1993), pp. 317–32510.1115/1.2897188Suche in Google Scholar
3 Xia, Z.; Ellyin, F.: Biaxial ratcheting under strain or stress-controlled axial cycling with constant hoop stress, ASME J. Appl. Mech.61 (1994), pp. 422–42810.1115/1.2901461Suche in Google Scholar
4 Kujawski, D.; Kallianpur, V.; Krempl, E.: Uniaxial creep, cyclic creep and relaxation of AISI type 304 stainless steel at room temperature, J. Mech. Phys. Solids28 (1980), pp. 129–14810.1016/0022-5096(80)90018-6Suche in Google Scholar
5 Kawai, M.; Ohashi, Y.: Creep-plasticity interaction of Austenitic stainless steel at elevated temperature, Proc. of the International Conference on Creep, April 14–18, Tokyo JSME, (1986), pp. 459–464Suche in Google Scholar
6 Inoue, T. et al.: On the plasticity-creep interaction behavior of SUS 304 Steel under combined stress state of tension and torsion, The 28th Japan Congress on Materials Research (1985), pp. 15–22Suche in Google Scholar
7 Lemaitre, J. (Ed.): Handbook of Materials Behaviour Models, in 3 volumes, Academic Press, San Diego, CA, 2001Suche in Google Scholar
8 Miller, A. K.: Unified constitutive equations for creep and plasticity, Elsevier, London, 198710.1007/978-94-009-3439-9Suche in Google Scholar
9 Ellyin, F.; Xia, Z.: A rate-independent constitutive model for transient non-proportional loading, J. Mech. Phys. Solids38 (1989), pp. 71–9110.1016/0022-5096(87)90005-6Suche in Google Scholar
10 Ellyin, F.; Xia, Z.: A Rate-dependent inelastic constitutive model, part 1: elastic-plastic flow, ASME J. Engng. Mater. Tech.113 (1991), pp. 314–32310.1115/1.2903412Suche in Google Scholar
11 Xia, Z.; Ellyin, F.: A rate-dependent inelastic constitutive model, part 2: creep deformation including prior plastic strain effects, ASME J. Engng. Mater. Tech.113 (1991), pp. 324–32810.1115/1.2903413Suche in Google Scholar
12 Ellyin, F.; Xia, Z.; Sasaki, K.: Effect of rate-history on plastic deformation: experiments and constitutive modeling, Int. J. Plasticity9 (1993), pp. 951–95910.1016/0749-6419(93)90060-4Suche in Google Scholar
13 Xia, Z.; Ellyin, F.: A constitutive model with capability to simulate complex multiaxial ratcheting behaviour of materials, Int. J. Plasticity13 (1997), pp. 127–14210.1016/S0749-6419(97)00004-1Suche in Google Scholar
14 Pugh, C. E.: Constitutive equation for creep analysis of LMFBR components. In: Advances in design for elevated temperature environment, ASME Publ. (1975) No. G00092, pp. 1–15Suche in Google Scholar
15 Ohno, N.; Murakami, S.; Ueno, T.: A constitutive model of creep describing creep recovery and material softening caused by stress reversal, ASME J. Engng Mater. Tech.107 (1985), pp. 1–6.10.1115/1.3225766Suche in Google Scholar
16 Ellyin, F.; Xia, Z; Wu, J.: A new elastoplastic constitutive model inserted into the user-supplied model of ADINA, Computers and Structures56 (1995), pp. 283–29410.1016/0045-7949(95)00021-8Suche in Google Scholar
17 Ellyin, F.; Xia, Z.: Rate-dependent constitutive modelling and micro-mechanical analysis of fibre-reinforced metal-matrix composites, J. Mech. Phys. Solids49 (2001), pp. 2543–255510.1016/S0022-5096(01)00067-9Suche in Google Scholar
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Artikel in diesem Heft
- Inhalt/Contents
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- DGZfP-Mitteilungen
- Organschaft
- Fachbeiträge/Technical Contributions
- Der Normenausschuss Materialprüfung (NMP) im DIN, Deutsches Institut für Normung e.V. – Ein Porträt
- Normung auf dem Gebiet der zerstörungsfreien Prüfung
- Challenges in developing a general constitutive relation for cyclic loading*
- Near-application testing of ceramics under proportional and non-proportional loading*
- On the use of the modified Wöhler Curve Method to estimate notch fatigue limits*
- Multiaxial mixed-mode cracking – small crack initiation and propagation*
- Biaxial thermomechanical fatigue on a 304L-type austenitic stainless steel*
- Lifetime calculation under multiaxial random loading with regard to microcrack growth*
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