عنوان پایان‌نامه
استخراج ویژگی های شکست فولاد های آلیازی در گرادیان های حرارتی از دمای فوق سرد تا گرم
- رشته تحصیلی
- مهندسی مکانیک طراحی کاربردی
- مقطع تحصیلی
- دکتری تخصصی PhD
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: 3401;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 77578;کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: 3401;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 77578
- تاریخ دفاع
- ۱۵ آذر ۱۳۹۵
- دانشجو
- محمد رجبی
- استاد راهنما
- ناصر سلطانی
- چکیده
- پژوهش جامع تئوری و تجربی برای استخراج ویژگی های شکست مواد، به ویژه فولاد آلیاژی مناسب در گستره دمایی از فوق سرد تا گرم انجام شده است. ابتدا روابط انتگرال انرژی Jk ، بر اساس تغییر خواص ماده با دما بازنویسی و توسعه یافته تا الگوریتمی بر اساس شکل دامنه ای این انتگرال و پیاده سازی عددی آن با استفاده از تحلیل اجزاء محدود ارائه شود که به کمک آن، ضرایب شدت تنش مود مرکب برای هر ماده با خواص تابعی از دما و مکان، با دقت خوبی قابل استخراج است. با استفاده از این روش، ضرایب شدت تنش مود مرکب لایه ای ترک دار از جنس ماده هدفمند، تحت گرادیان حرارتی دلخواه استخراج شد. همچنین فولاد ضدزنگ آستنیتی 304 با فرض خواص متغیر با دما که در مرز خود با سیالی در تماس بوده و تحت گرادیان شدید حرارتی از فوق سرد تا گرم است درنظر گرفته شده و اثر گرادیان دما، هدایت همرفتی و دمای سیال، همچنین خواص متغییر با دمای فولاد بر ضرایب شدت تنش مود مرکب بررسی شد. نتایج نشان می دهد که وابستگی خواص ماده به دما تاثیر قابل توجهی بر ضرایب شدت تنش مود مرکب دارد و لذا فرض ثابت بودن خواص ماده با دما به ویژه وقتی گرادیان شدید حرارتی بر ماده اعمال شود، منجر به نتایج غیر محافظه کارانه و غیر واقعی خواهد شد. در ادامه بررسی جامع تجربی برای استخراج ویژگیهای شکست نرم فولاد ضدزنگ 304 که یکی از پرکاربردترین فولادهای آلیاژی برای کارکرد در محیط های خشن خورنده و حرارتی است انجام شد. برای این منظور آزمون های شکست بر روی نمونه خمش سه نقطه ای بر طبق استاندارد ASTM E1820 در گستره دمایی از فوق سرد تا گرم انجام شده است. نمونه ها با استفاده از دستگاه ایجاد پیش ترک خستگی که توسط محقق طراحی و ساخته شده است، آماده شده و سازافزار آزمون نیز شامل محفظه حرارتی و فک های اعمال نیرو طراحی و ساخته شده اند. منحنی نیرو-جابجایی به روش بارگذاری-باربرداری استخراج شده و با استفاده از معادلات انطباق مناسب و اعمال خواص وابسته به دمای فولاد در آنها، ضرایب انطباق الاستیک نمونه ها محاسبه و رابطه طول ترک با جابجایی با دقت خوبی تخمین زده شد. منحنی های مقاومت ماده (J-?a) به روش تک نمونه ای استخراج شدند و با استفاده از آنها، ویژگی های مهم شکست این فولاد آلیاژی در گستره دمایی از 195- تا 500 درجه سانتی گراد استخراج شده است. مشاهدات مربوط به آزمون ها شرح داده شده و نتایج آنها نیز گزارش شده است. نتایج نشان می دهد، علی رغم رفتار شکست نرم این فولاد در گستره دمای آزمون ها ، دما و به ویژه شرایط فوق سرد تاثیر قابل توجه ای بر ویژگیهای شکست این فولاد آلیاژی دارد.
- Abstract
- Comprehensive theoretical and experimental researches have been conducted in order to investigate effects of temperature dependent material properties on fracture behavior and characteristics of the materials and extraction of them for alloy steels under thermal conditions and gradients from cryogenics to elevated temperatures. Using temperature dependent material properties, Jk energy integral equations were developed. Based on domain form of this integral and its numerical implementation by using finite element analysis, an effective procedure is presented in which mixed mode stress intensity factors of any material with properties as a function of temperature and coordinate can be calculated with very good accuracy. By using this procedure, mixed mode stress intensity factors of cracked functionally graded material layers with temperature and location dependent material properties under arbitrary thermal gradients are extracted. Also type 304 austenitic stainless steel layers with temperature dependent material properties that are in contact with a fluid at one side, under extreme thermal gradient between from cryogenics to elevated temperatures is considered and effects of thermal gradient, convection heat transfer coefficient, fluid temperature and temperature dependency of stainless steel properties with temperature on mixed mode stress intensity factors are investigated. Results reveals that temperature dependency of material properties have considerable effects on mixed mode stress intensity factors of these materials and therefore temperature independent material properties assumption will lead to inaccurate and non-conservative results, especially when harsh thermal conditions are applied to the material. More extensive experimental research is conducted for fracture parameters extraction of type 304 austenitic stainless steel which is one of the commonly used alloy steels in harsh corrosive and thermal environments. To this aim three-point bend fracture tests are performed according to ASTM E1820 standard, at temperatures ranging from cryogenics to elevated temperatures. Specimens are fatigue pre cracked by using a simple and effective device that is designed and fabricated by researcher. Test setup including thermal chamber, arms and jaws are also designed and prepared. Load-displacement curves are extracted by using single specimen loading-unloading method. Crack lengths are then estimated with very good accuracy as function of displacement by using appropriate calibration equations and implementing temperature dependent AISI 304 stainless steel tensile properties. Resistance curves (J-?a) are then determined and ductile fracture characteristics of AISI 304 stainless steel are extracted at temperatures from ?195?C to 500?C. Results show that despite ductile fracture of this alloy steel in entire temperature range of the tests, temperature and especially cryogenic thermal condition have considerable effects on fracture performance of this kind of alloy steel. Key words: Type 304 austenitic stainless steel, Cryogenic temperature, Temperature dependent material properties, Resistance curve, Thermal gradient, J integral, Functionally graded material, Fracture toughness, Stress intensity factor, Ductile fracture, Tearing modulus.
