This dissertation introduces a ductile fracture criterion considering strain rate based on the Lou-Huh ductile fracture criterion. Fracture tests at various strain rates are conducted with tensile specimens of three sheet metals for the three different crystalline structures; 4130 steel for BCC; Oxygen-free high thermal conductivity(OFHC) copper for FCC; and Ti6Al4V for HCP. The tensile tests are conducted at various tensile speeds to consider a wide range of strain rates ranging from $0.001 s^{-1}$ to $1000 s^{-1}$ with three different shapes of specimens: the diagonally notched specimen for the in-plane shear test; the dog bone specimen for the uniaxial tension test; and grooved specimen for the plane strain tension test. The fractography of the fractured specimens are carefully examined through scanning electron microscopy (SEM) experiments in order to discern the strain rate effect on the fracture mechanism.
The transition of the fracture mechanism is observed with increasing strain rate. As the strain rate increases, the fracture mechanism changes from plastic rupture to ductile fracture and ductile fracture to void sheeting fracture. At quasi-static strain rates ranging from $0.001 s^{-1}$ to $0.1 s^{-1}$ , the void size decreases as the strain rate increases, however, the void size in-creases with increasing strain rate at intermediate strain rates ( $0.1 s^{-1}$ ~ $1 s^{-1}$ ) due to the thermal softening effect on the matrix surrounding the void. On the other hand, the generation of the shear band at high strain rate significantly induces the decrease of the equivalent strain to fracture on the in-plane shear condition. Those phenomena are empirically implemented to develop a strain rate dependent model based on the Lou-Huh ductile fracture criterion.
The equivalent strain to fracture is locally traced by 2D digital image correlation (DIC) method on the surface of the specimen before the onset of the localized necking. The stress triaxiality and Lode parameter are also calculated with assumptions of the plane stress and the proportional loading conditions incorporated with $J_2$ plasticity. The damage function of the strain rate dependent Lou-Huh criterion is calibrated to obtain the fracture coefficients. The fracture loci are depicted with respect to the strain rate.
As the strain rate increases, the equivalent strain to fracture decreases, which corresponds to the experimental results at low strain rate ranging from $0.001 s^{-1}$ to $0.1 s^{-1}$ . The transition of thermal condition from isothermal to adiabatic comes into play to increase the equivalent strain to fracture at the intermediate strain rate from $0.1 s^{-1}$ to $1 s^{-1}$ . The equivalent strain to fracture dramatically decreases with increasing strain rate on the in-plane shear condition due to the generation of the shear band. The strain rate dependent model empirically proposed in this dissertation shows acceptable agreement with the experimental data in the wide regime of triaxiality and strain rate.
본 논문에서는 Lou-Huh 연성파단조건을 기반으로 하여 변형률속도에 따른 연성파단조건을 제안한다. BCC 결정구조를 갖는 4130강, FCC 결정구조를 갖는 무 산소 동, 그리고 HCP 결정구조를 갖는 티타늄합금의 파단실험을 수행하여 금속 판재의 결정구조가 파단변형률 및 연성파단조건에 미치는 영향을 분석한다. 파단실험은 광범위한 변형률속도 영역 $(0.001 s^{-1} ~ 1000 s^{-1})$ 에서 인장실험을 통해 수행되었으며 다양한 하중경로에서 파단을 예측하기 위해 순수전단, 단축인장 그리고 평면변형률 하중조건을 구현할 수 있는 세가지의 다른 시편형상을 통해 파단실험이 수행되었다.
변형률속도가 금속 판재의 파단기구에 미치는 영향을 분석하기 위해 파단실험 후 시편의 파단면 분석이 수행되었다. 변형률속도가 증가함에 따라 파단기구가 소성파단에서 연성파단으로, 연성파단에서 전단파단의 형태로 천이하는 현상이 관찰된다. 공극의 생성, 성장 및 병합이 주된 파단기구로 작용하는 단축인장과 평면변형률인장 하중영역에서 변형률속도 구간에 따라 공극의 크기 변화가 상이하게 관찰된다. 소성 일에 의한 온도연화효과를 무시할 수 있는 준정적 변형률속도 구간 $(0.001 s^{-1} ~ 1000 s^{-1})$ 에서는 변형률속도가 증가함에 따라 파단면에서 관찰되는 공극의 크기가 감소한다. 중고속 변형률속도 구간 $(0.1 s^{-1} ~ 1 s^{-1})$ 에서 소성 일에 의한 온도조건이 등온에서 단열조건으로 천이하며 기저의 온도연화효과에 의해 공극의 성장속도가 증가하여 변형률속도가 증가함에 따라 파단면에서 관찰되는 공극의 크기가 증가하고 파단변형률이 증가한다. 소성 열에 의한 온도연화효과를 배제할 경우 변형률속도가 증가함에 따라 파단면에서 관찰되는 공극의 크기는 감소하며 파단변형률 또한 감소하여 파단면에서 취성파단의 형태가 관찰된다. 전단하중이 지배적일 경우 변형률속도가 증가함에 따라 단열 전단 띠가 보다 낮은 등가변형률 조건에서 발생하여 고 변형률속도에서 전단 파단 변형률이 급격하게 감소한다. 본 논문에서는 변형률속도에 따른 파단기구의 천이현상을 실험적으로 Lou-Huh 연성파단조건에 적용하여 수정된 변형률속도 기반 연성파단조건이 제안하였다. 제안된 변형률속도 기반 Lou-Huh 연성파단조건의 계수를 획득하기 위해 시편의 표면에서 측정된 이차원 디지털 이미지 상관관계와 파단면의 단면적을 통해 파단변형률 및 변형률경로를 획득하였다. 평면응력과 비례하중의 가정하에 실험적으로 측정된 변형률경로를 통해 응력삼축성과 로드변수를 계산하고 변형률속도 기반의 수정된 Lou-Huh 연성파단조건의 계수 값을 획득하여 변형률속도에 따른 3차원 파단자취를 구성하였다. 변형률속도 기반 수정된 Lou-Huh 파단조건은 변형률속도가 증가함에 따라 등온-단열 천이구간을 제외한 구간에서 하중경로와 무관하게 파단변형률이 감소하는 경향 및 특히 전단하중영역의 파단변형률이 급격하게 감소 경향을 성공적으로 예측한다.
