تحليل تجربي و عددي رفتار فولاد AISI316 ساخته شده به روش ذوب گزينشي ليزر تحت بارگذاري خستگي پرچرخه

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مكانيك

دكتري

با گسترش روش ذوب گزينشي ليزر(SLM) در توليد قطعات مكانيكي، براي استفاده از اين قطعات در بارگذاري خستگي، لازم است رفتار مكانيكي آنها به دقت شناسايي گردد. در اين پژوهش رفتار خستگي پرچرخه اين قطعات در مقياس مزو با رويكرد مكانيك آسيب مورد بررسي قرار مي‌گيرد. فرايند SLM منجر به شكل‌گيري ريزحفره‌ها در ميكروساختار قطعات مي‌شود. تمركز تنش اطراف ريزحفره‌ها تسريع رشد آسيب اطراف آنها و رشد ترك را به دنبال خواهد داشت. رشد آسيب اطراف ريزحفره‌ها به اندازه‌اي است كه مي‌توان عامل اصلي شكست قطعات SLM را به ترك‌هاي منشعب از اين ريزحفره‌ها نسبت داد. در اين تحقيق از مدل آسيب خستگي پرچرخه شابوش-لمتر براي مدل‌سازي رشد آسيب ناشي از بارگذاري خستگي پرچرخه استفاده شده است. با توجه به آن كه تمركز تنش اطراف ريزحفره‌ها منجر به تغييرشكل پلاستيك مي‌گردد از مدل آسيب خستگي كم چرخه نيز استفاده شده است. با توجه به عدم امكان مدل‌سازي تمام چرخه‌هاي بارگذاري خستگي پرچرخه، از الگوريتم پرش از حلقه‌ها براي تخمين رفتار ماده سود برده شده است. براي پياده‌سازي معادلات ساختاري ماده همراه با آسيب، يك زيرنامه (UMAT) در نرمافزار آباكوس، توسعه داده شده است. به منظور مدل‌سازي ريزحفره‌هاي موجود در ميكروساختار نمونه‌هاي SLM، از دو رويكرد مختلف استفاده شد. در اولين رويكرد مدل‌سازي بر مبناي هندسه واقعي ميكروساختار انجام شد، براي اين منظور ابتدا از ميكروساختار نمونه‌هاي ساخته شده به روش SLM با ميكروسكوپ نوري تصويربرداري شد و سپس با پردازش تصوير به كمك زيربرنامه تدوين شده در نرم‌افزار متلب، مشخصات ريزحفره‌ها شامل مختصات نقاط محيطي ريزحفره‌، سطح محصور ريزحفره، نسبت ابعادي و دايره‌اي بودن ريزحفره و سطح عمود بر بار خارجي ريزحفره استخراج شدند. براي انتقال هندسه واقعي ريزحفره‌هاي موجود در ميكروساختار قطعات SLM، زير برنامه‌اي در محيط پايتون تدوين گرديد و به كمك قابليت بخش‌بندي نرم‌افزار آباكوس ريزحفره‌ها در حجمك نماينده ايجاد شدند. براي استخراج ثوابت مدل‌هاي عددي؛ آزمون‌هاي تجربي طراحي شدند. ثوابت مدل رشد آسيب خستگي پرچرخه شابوش-لمتر به كمك آزمون‌هاي خستگي پرچرخه خمشي-دوار و ثوابت مدل رشد آسيب خستگي كم چرخه لمتر از آزمون بارگذاري-باربرداري استخراج شدند. در رويكرد دوم به كمك تحليل آماري ريزحفره‌ها در ميكروساختار نمونه SLM، حجمك نماينده‌اي شامل دو حفره دايره‌اي با فاصله نسبي 15 ايجاد شد. حجمك نماينده جهت بررسي تاثير تنش سه محوره بر رشد آسيب در خط واصل بين دو حفره، در 11 سطح تنش سه محوره مختلف با ثابت نگه داشتن تنش فون‌ميزز بارگذاري شد. براي بررسي حساسيت نتايج اين تحليل نسبت به تغيير پارامترهاي مسئله، تاثير تغيير سطح تنش فون‌ميزز، نسبت ابعادي ريزحفره‌ها، اندازه ريزحفره‌ها و فاصله نسبي دو ريزحفره بر نتايج، مورد بررسي قرار گرفتند. نتايج اين پژوهش در دو بخش نتايج مدل‌سازي بر مبناي هندسه واقعي ميكروساختار و مدل‌سازي پارامتريك ارايه شده‌اند. مقايسه نمودار S-N حاصل از تحليل عددي در 6 حجمك نماينده مبتني بر هندسه واقعي ميكروساختار و نمودار S-N حاصل از آزمون تجربي خستگي پرچرخه، مويد صحت مدل‌سازي عددي است. منحني‌هاي آسيب 6 حجمك نماينده نشان ‌مي‌دهند با افزايش پراكندگي ريزحفره‌ها در حجمك نماينده، آسيب در خط واصل بين ريزحفره‌ها متمركز شده و ناپايداري جابجايي روي مرزهاي حجمك نماينده را به دنبال دارد. متوسط نسبت اندازه دو ريزحفره مجاور به فاصله بين دو حفره مهمترين عامل رشد آسيب در خط واصل بين آنها است هر چند ممكن است اين پارامتر در چرخه‌هاي ابتدايي بارگذاري بحراني نباشد ولي رشد آسيب و افزايش ابعاد ريزحفره، موجب به هم پيوستگي دو ريزحفره خواهد شد. تاثير تنش سه محوره بر محدوده و ضريب تمركز تنش اطراف ريزحفره‌ها يكي از مهمترين نتايج تحليل پارامتريك است اگر چه مدل رشد آسيب خستگي پرچرخه به صورت مستقيم تابعي از تنش سه محوره نيست ولي تغييرات تنش سه محوره باعث افزايش ضريب تمركز تنش و همچنين افزايش محدوده تمركز تنش از دو نقطه محيط ريزحفره به تمامي نقاط محيط ريزحفره شده و باعث تغيير نرخ و مكانيزم رشد آسيب اطراف ريزحفره مي‌شود. تغيير نسبت ابعادي حفره از 1 به 3 باعث افزايش نرخ آسيب و سرعت به هم پيوستگي دو حفره مي‌شود. نتايج تحليل پارامتريك اهميت فاصله نسبي دو ريزحفره را برجسته نمود و نشان داد براي فاصله‌هاي نسبي كمتر از 10، آسيب از همان چرخه‌هاي ابتدايي بارگذاري در خط واصل بين دو ريزحفره متمركز مي‌شود و پس از گذشت تعداد محدودي از چرخه‌هاي بارگذاري خط واصل دو حفره تمامي تحمل بار خود را از دست خواهد داد.

213116

مكانيك جامدات

مهندسي مكانيك

دانشگاه صنعتي اصفهان

جمال ارغواني، سعيد ضيائي راد، محمد سيلاني

محمد مشايخي، محسن بدرسماي