by arminmtt arminmtt Yorum yapılmamış

Özet – Farmasötik ekipmandan nükleer reaktörlerde borulamaya ve depolamadan kimyasal ürünlere kadar birçok mühendislik uygulamasında paslanmaz çelik kullanılmıştır. Bu denemede, ostenitik paslanmaz çelik 304L’nin deneysel sonuçlarına dayanarak yorulma çatlağı büyümesinin simülasyonu, NASGRO mod yasaları kabul edildiğinde AFGROW kodu kullanılarak sunulmuştur. Bu örnekte, sabit genlikli yükleme altında delik örneğinde çift çatlak kullanılır ve ortalama stresin etkisi vurgulanmıştır. Sonuçlar, yorulma çatlağı büyüme hızının (FCGR) ve yorulma ömrünün, uygulanan maksimum yük ve delik boyutundan etkilendiğini göstermektedir. Bu materyal için Paris yasalarının bir eşdeğeri tahmin edilmiştir.

Anahtar Kelimeler: Yorulma Çatlağı, Paslanmaz Çelik, Ortalama Gerilme, Genlik Yüklemesi.

Mühendislik bileşenlerinin ve yapılarının malzemeleri genellikle pozitif ortalama stres ile döngüsel yüklemeye tabi tutulur. Yorulma çatlağı yayılımı, genellikle, gerilme şiddeti faktörü AK’nin genliği ile açıklanan LEFM (Doğrusal Elastik Kırılma Mekaniği) kavramlarının uygulanmasıyla analiz edilir. Yorulma çatlağı büyümesi çeşitli parametrelerden (metalurjik, çevresel, geometrik, yükleme … vb.) Etkilenmiştir. Yüksek mekanik özellikleri (kapasite direnci, yüksek güç, tokluk, yüksek korozyon direnci, sertlik ve darbe dayanımı) nedeniyle, paslanmaz çelikler kolayca değiştirilebilen malzemeler olarak kalmazlar. Düşman ortamda kullanılan östenitik paslanmaz çeliğin farklı dereceleri 301, 304, 304L, 316. Bu malzemeler birçok mühendislik uygulamasında (nükleer reaktörler, kimyasal ürünlerin depolanması vb.) Kullanılmıştır. Bu çalışmada incelenen malzeme 304L östenitik paslanmazdır. Birçok yazar, çalışılan çeliği farklı parametre etkileri [1-3] (termal, yorulma, sünme ve yorulma, kaynak, Yük geçmişi gibi) altında araştırmıştır. AISI 304L paslanmaz çelik kaynağı, Singh ve arkadaşları [4] tarafından deneysel olarak araştırılmıştır. Eşik gerilme yoğunluğu faktörünün yaklaşık 10 MPa.Sqrt (m) olduğu ve GMAW kaynak işlemi ile karşılaştırmalı olarak GTAW kaynak işlemi için Paris yasalarının (C, m) katsayılarının arttığı gösterilmiştir.
Yorulma çatlağı büyüme oranını etkileyen ana yükleme parametresi stres oranıdır [5]. Ortalama stresin etkisi bu parametre ile tanımlandı. Kalnaus ve arkadaşları [6], FCGR’de AL6XN adlı yeni paslanmaz çeliği, FCC östenitik yapılı süper östenitik bir paslanmaz çelik olarak sınıflandırmışlardır. Bu araştırmada, sabit genlikli deneylerden elde edilen sonuçlar, çatlak büyüme hızının R oranına duyarlılığını göstermektedir ve genlik yüklemesinin etkisi, düşük stres yoğunluğu faktöründe gösterilmiştir. Diğer çalışmalarda, aynı yazarlar [7] yakın zamanda stres oranı oranını, 304L paslanmaz çeliğin yorgunluk çatlak büyümesinde çentik boyutunun yuvarlak kompakt gerilim numunesi üzerinde bir çentik büyüklüğü etkisi yapmışlardır. Sonuçlar, malzemenin R oranına duyarlılık gösterdiğini göstermektedir. Çentikten çatlak büyümesinin erken aşaması, çoğunlukla çentik geometrisine değil, yükleme genliğinin değerine bağlıdır. Son zamanlarda, 304 östenitik paslanmaz çeliğin kırılma davranışı üzerinde düşük döngü yorulma etkisi Duyi Ye tarafından araştırılmıştır [8]. Düşük karbonlu östenitik paslanmaz çeliklerde 304L ve 316L’de yorgunluk çatlak büyümesi Yahiaoui ve Petrequin [9] tarafından araştırılmıştır. Aynı taleplerde (gerilme oranı, uygulanan yük), 316L çeliğinin 304L çeliğinden daha yüksek direnç gösterdiği gösterilmiştir. Numune kalınlığının çatlak ucu deformasyonu ve yorulma çatlak büyüme hızı (FCGR) üzerindeki etkisi 304L paslanmaz çelik üzerinde araştırılmıştır [10]. Sonuçlar, FCGR’nin kuvvetle numune kalınlığına bağlı olduğunu göstermiştir (kalınlık arttıkça, FCGR artmaktadır).
Bu girişimde, AFGROW kodu, AISI 304L östenitik paslanmaz çelikten yapılmış delikli düz plaka örneğinde çift geçişli çatlaktan çatlak büyümesini simüle etmek için kullanılır. Stres oranı (R) ve genlik yüklemesi ve delik efektlerinin çapı ile karakterize edilen ortalama stres sunulacaktır. Yorulma çatlağı büyüme analizi NASGRO modeli kullanılarak yapılmıştır.

II. Yorgun Çatlak Büyüme Davranışı

A. Paslanmaz Çelik Numunesi:
Bu çalışmada kullanılan malzeme L-T yönelimli haddelenmiş plakalar üzerinde elde edilen paslanmaz çelik 304L’dir (AFGROW veritabanı). Paslanmaz çelik 304L için temel mekanik özellikler Tablo 1 ‘dedir. Mod I’de yorulma çatlağı büyümesinin simülasyonu, Şekil 1’ de ilk çatlak a0 gösterildiğinde delikte çiftten çatlak olan sonlu plaka kullanmıştır.

Tablo: Paslanmaz Çelik 304L’nin Mekanik Özellikleri

σ0.2 (MPa) KIC (MPa.m0.5) E (GPa) v
275.79 219.77 206.84 0.33

AFGROW kodunda uygulanan çalışılan örnek için stres yoğunluğu faktörü birkaç parametreye bağlıdır ve aşağıda yazılmıştır:

Newman [11] tarafından önerilen geometri düzeltme faktörü, aşağıda ifade edilmiştir
(Denklem 2):
Yeri λ = /1 (1+ (a /r))
Figür 1- Sonlu Plaka Örneği (Delikte Çift Çatlak)

B. Yorulma Çatlak Büyüme Modeli:

NASA tarafından geliştirilen AFGROW kodu [12], yorulma çatlak büyümesinin simülasyonu için kullanılır. Faiz modeli, yorulma çatlak büyüme eğrilerinin toplamı göz önüne alındığında NASGRO modelidir. NASGRO modeli Denk. 3:

C, n, p, q parametreleri deneysel sonuçlardan ampirik olarak türetilir ve f çatlak kapanmasının katkısını sunar. AKth, stres-yoğunluk faktörü aralığının çatlak yayılma eşik değerini sunar. Sürekli genlik yüklemesi için, Newman [12] tarafından belirlenen f işlevi. Çalışılan materyaller için NASGRO modelinin parametreleri Tablo 2’de sunulmaktadır.

Tablo 2: Кırık Büyüme Modeli Parametreleri

Cnpq
1.1486*10 -11 30,250,25

SONUÇLAR VE TARTIŞMALAR

A- Ortalama Stres Etkisi

L-T yönelimindeki plaka numunesi, stres oranı ile karakterize edilen farklı ortalama stres ile sabit bir yüklemeye tabi tutuldu. Çatlak büyüme sınırı için Kmax başarısızlık kriterleri kabul edildi. Şekil 2, ortalama stresin (R oranı) 304L paslanmaz çeliğin yorulma çatlak büyümesi üzerindeki etkisini göstermiştir. Düşük ve yüksek stres yoğunluk faktörü AK aralığında bu materyal için ortalama stresin önemli bir etkisi gözlenmiştir. Da / dN’de belirli bir AK için ortalama stres (am) ile genel bir artış gözlenmiştir. Aynı etkiler diğer çalışmalarda da gözlenmiştir [13]. Paris bölgesinde, aynı FCGR eğimi gösterilmiştir. Ortalama stresin değişimi, aynı stres oranı için maksimum strese veya minimum strese göre değişir.

Figür: Ortalama stresin FCGR’ye etkisi (R oranı etkisi)

304L paslanmaz çeliğin büyüme hızı, Şekil 4’te sunulmuştur ve 316L ile karşılaştırılmıştır [14]. FCGR’da yüksek direnç farkı yoktur.

Figür 3: Ortalama Stresin FCGR’ye Etkisi (Genlik Yükleme Efekti)
Figür 4: İki Paslanmaz Çelikten (304L / 316L) FCGR’de Karşılaştırma

B. Delik Çapının Etkisi

Delik çapındaki değişiklik, yorgunluk ömrünü ve FCGR’yi önemli ölçüde etkiler. Delik çapının artmasının yorulma ömrü üzerine etkisi Şekil 5’de gösterilmektedir. 4 mm ile 8 mm arasındaki delik arasındaki fark 3,5 katıdır. Yorulma çatlağı büyüme direnci, ilk çatlakta, stres yoğunluğu faktörü ve FCGR’nin artmasıyla azalır (Şekil 6).

Figür 5: 304L paslanmaz çeliğin yorulma ömrünün evrimi (R = 0.25)
Figür 6: Çap delik etkisi altında FCGR’nin evrimi

SONUÇ

Bu çalışmada, delikli plaka örneğindeki çift geçişli çatlakta 304L paslanmazın yorulma çatlağı büyüme davranışı incelenmiştir. Ana sonuçlar aşağıda verilmiştir:

  • Yorulma çatlağı büyüme oranının gelişimi, stres oranı (R) ve maksimum genlik yükü varyasyonundaki ortalama stresten etkilenir.
  • Ortalama stresin (R oranı) artması, yorgunluk çatlak büyüme oranlarını arttırır.
  • Delik boyutunun artması, yorgunluk ömrünü azaltır.
  • Çalışılan malzemenin 316L paslanmaz çelik ile karşılaştırmalı olarak yüksek bir direnç direnci yoktur.

REFERANSLAR

[1] WS, Lin CF., “Impact properties and microstructure evolution of 304L stainless steel”. Mater SciEnggA 2001; A308:124-35.
[2] Kimura M., Yamaguchi K., Hayakawa M., Kobayashi K., Matsuoka S., Takeuchi E., “Fatigue fracture mechanism maps for a type 304 stainless steel”. Metall. Mat. Transf. A, vol. 35A, April 2004, p 1311.
[3] Maas E., Pineau A., “Creep crack growth behaviour of type 316L steel”. Engineering Fracture Mechanics, Vol. 22, Issue 2, 1985, Pages 307¬325.
[4] Singh P. Johan, Guha B., Achar D.R.G., “Fatigue life prediction for stainless steel welded plate CCT geometry based on Lawrence’s local- stress approach”. EngngFail. Anal. 10, 655-665, 2003.
[5] M. Benachour, A. Hadjoui, M. Benguediab and N. Benachour. Stress ratio effect on fatigue behavior of aircraft aluminum Alloy 2024T351. MRS Proceedings, 1276, 7 doi:10.1557/PR0C-1276-7, (2010).
[6] Kalnaus S., Fan F., Jiang Y., Vasudevan A.K., “An experimental investigation on fatigue crack growth of AL6XN stainless steel”. Engineering Fracture Mechanics 75 (2008) 2002-2019.
[7] Kalnaus S., Fan F., Jiang Y., Vasudevan A.K., “An experimental investigation of fatigue crack growth of stainless steel 304L”. Int. Journal of Fatigue 31 (2009) 840-849.
[8] Duyi Ye, Yuandong Xu, Lei Xiao, Haibo Cha,. “Effects of low-cycle fatigue on static mechanical properties, microstructures and fracture behavior of 304 stainless steel”. Material Science and Engineering A, 527, n° 16-17 (2010), 4082-4102.
[9] Yahiaoui B., Petrequin P., “Étude de la propagation de fissures par fatigue dans des aciers inoxydables austénitiques à bas carbone du type 304L et 316L”.Rev. Phys. Appl. (Paris) Vol. 9(4), 1974. 683-690.
[10] Park HB, Lee BW., “Effect of specimen thickness on fatigue crack growth rate”. Nuclear Engng Des2000; 197:197-203.
[11] Newman, J.C., 1984, “A crack opening stress equation for fatigue crack growth”. International Journal of Fracture, 24(3), R131-135.
[12] Harter, J.A, “AFGROW users guide and technical manual: AFGROW for Windows 2K/XP”. Version 4.0011.14, Air Force Research Laboratory.

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir