Numerical Modeling and Experimental Characterization of the Asymmetric Creep Behavior of Refractory Materials
Modélisation numérique et caractérisation expérimentale du comportement de fluage asymétrique des matériaux réfractaires
Résumé
Refractory materials are designed to work at high temperatures and under severe chemical, thermal and mechanical loads. In general, these materials present a pronounced asymmetric creep behavior, i.e., different creep strain rates under tension and compression. In this work, two asymmetric creep models are proposed to numerically represent the behavior of an alumina-spinel refractory used in steel ladles. The first model introduces the possibility to consider primary creep effects under tension and compression, and the effect of each stress sign is calculated using a weighting strategy based on the split of the stress tensor into positive and negative parts. The second model extends the compression behavior, allowing for the consideration of transient creep, i.e., a progressive change from the primary to the secondary phase depending on a criterion based on the current state of the internal variables. The experimental work is divided in two parts: first, the parameters of the creep laws are identified using uniaxial tensile and compressive tests, considered traditional experimental techniques; Second, a characterization procedure based on the Brazilian test and on the Digital Image Correlation (DIC) technique is proposed. Since the stress distribution in a Brazilian test sample is characterized by simultaneous positive and negative values, it is an appropriate choice to study asymmetric effects. The results obtained using each of the techniques are compared, and four-point bending tests are used as an extra validation step. It is concluded that the proposed creep models are adequate for the simulation of the alumina-spinel material, and that the novel and traditional experimental protocols can be used in a complementary way to characterize and validate the model parameters.
Les matériaux réfractaires sont conçus pour fonctionner à des températures élevées et sous des charges chimiques, thermiques et mécaniques sévères. En général, ces matériaux présentent un comportement de fluage asymétrique prononcé, c'est-à-dire des vitesses de déformation de fluage différentes en traction et en compression. Dans ce travail, deux modèles de fluage asymétrique sont proposés pour représenter numériquement le comportement d'un réfractaire alumine-spinelle utilisé dans des poches de coulée d'acier. Le premier modèle introduit la possibilité de considérer les effets primaires de fluage sous traction et compression, et l'effet de chaque signe de contrainte est calculé en utilisant une stratégie de pondération basée sur la division du tenseur de contrainte en parties positives et négatives. Le deuxième modèle étend le comportement en compression, permettant de prendre en compte le fluage transitoire, c'est-à-dire un passage progressif de la phase primaire à la phase secondaire en fonction d'un critère basé sur l'état actuel des variables internes. Le travail expérimental est divisé en deux parties : premièrement, les paramètres des lois de fluage sont identifiés à l'aide d'essais de traction et de compression uniaxiaux, considérés comme des techniques expérimentales traditionnelles ; dans un deuxième temps, une procédure de caractérisation basée sur le test brésilien et sur la technique de corrélation d'images numériques (DIC) est proposée. Étant donné que la distribution des contraintes dans un échantillon de test brésilien est caractérisée par des valeurs positives et négatives simultanées, c'est un choix approprié pour étudier les effets asymétriques. Les résultats obtenus à l'aide de chacune des techniques sont comparés, et des essais de flexion à quatre points sont utilisés comme étape de validation supplémentaire. Il est conclu que les modèles de fluage proposés sont adéquats pour la simulation du matériau alumine-spinelle, et que les protocoles expérimentaux nouveaux et traditionnels peuvent être utilisés de manière complémentaire pour caractériser et valider les paramètres du modèle.
Domaines
Génie mécanique [physics.class-ph]Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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