Dynamic Fracture Behavior of High Strength Steels

Ing. Fatih Bozkurt

Doctoral thesis

Abstract:

In accordance with the current trend towards the lightweight railway transport means, this dissertation work is focused on the use of advanced high-strength steels. Their mechanical response is based on specific material and technology processes. Application of steels with improved strength generally means increased sensitivity to internal defects, together with increased requirements for precise determination of all material parameters. Hence the investigation through fracture mechanics aspects is an inevitable precondition for the reliable and optimized design of railway structural parts. In this dissertation work, the experimental analyzes of fracture behavior in connection with structural evaluation were conducted. The plane strain fracture toughness (KIC) of Strenx 700MC steel compared to standardly used S355 steel in rail vehicles were determined with two different nonstandardized test methods. The new methodology for evaluation of dynamic response at different loading rates near to crash conditions was used and validated in the experimental part of the work. In order to specify the dynamic fracture toughness (KId) value, uniaxial impact tensile tests and three-point dynamic fracture tests were performed and evaluated with emphasis on crack propagation mode. Vehicle crashworthiness of high strength steel is greatly influenced by the welded joints because of high energy input during welding. The microstructural changes during the experimental welding process were analyzed and hardness measurements were performed. According to identified critical changes and considering used welding parameters, the weld thermal cycle simulation was applied to Strenx 700MC specimen to evaluate the effect of heat input on fracture behaviour at static and dynamic loading conditions. Lastly, in order to find out the fracture mode depending loading conditions of tested steels, fractography analysis was performed using scanning electron microscopy (SEM).

Abstract:

Disertační práce je v souladu s aktuálními trendy v konstrukci odlehčených kolejových vozidel zaměřena na použití pokročilých vysocepevných ocelí, kterých mechanická odezva je založena na specifických materiálových a technologických procesech. Aplikace těchto materiálů znamená zvýšenou citlivost k vnitřním defektům, rovněž zvýšené požadavky na přesné stanovení mechanických parametrů. Vyhodnocení na základě principů lomové mechaniky je proto nevyhnutnou podmínkou pro spolehlivý a optimalizovaný návrhu konstrukcí kolejových vozidel. V disertační práci byly provedeny experimentální analýzy lomového chování v propojení se strukturními analýzami. Analyzována byla lomová houževnatost (KIC) vysocepevné oceli Strenx 700MC ve srovnání se standardně aplikovanou ocelí S355, a to použitím dvou nestandardních metod. Použita a ověřena byla nová metoda pro hodnocení dynamické odezvy při různých rychlostech zatížení, blízkých crashovým podmínkám. Ke stanovení dynamické lomové houževnatosti (KId) byly použity jednoosé tahové rázové zkoušky a rázové zkoušky 3-bodovým ohybem se zaměřením na mód rozvoje trhlin. Lomová odolnost vysocepevných ocelí daného typu je výrazně ovlivňována svařováním. Provedeny byly analýzy strukturních změn a měření tvrdosti vlivem experimentálního svařování. S uvažováním zjištěných kritických změn při daných technologických parametrech byla provedena simulace svařovacího cyklu u oceli Strenx 700MC, která umožnila vyhodnocení vlivu tepelného cyklu při statickém a dynamickém zatěžování. Fraktografické analýzy použitím rastrovací elektronové mikroskopie (SEM) byly provedeny pro hodnocení lomových mechanizmů testovaných ocelí v závislosti na podmínkách zatěžování.

Keywords

lomová mechanika, lomová houževnatost při rovinné deformaci, dynamická lomová houževnatost, rázové tahové zkoušky, rychlost růstu únavových trhlin, vysocepevné oceli, kolejová vozidla.

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 12. 10. 2018

Thesis defence

• Date of defence: 6. 12. 2018
• Supervisor: prof. Ing. Eva Schmidová, Ph.D.

University of Pardubice

Faculty of Transport Engineering

Doctoral programme / field:
Technique and Technology in Transport and Communications / Transport Means and Infrastructure