تحلیل تئوری و تجربی ارتباط بین خستگی کشش-فشار آلومینیوم 6061-T6 و آنتروپی

STUDENT

DEGREE

YEAR

Nowadays, engineering structures are often subjected to repeated loading, so the evaluation of fatigue limit is definitely necessary. One of the most effective methods for fatigue life prediction is by applying the thermodynamics equations. In fatigue process, entropy is generated because of plastic deformation, heat transfer and other reversible factors. This study is intended to estimate the thermodynamic entropy of metals under cyclic loading that reaches a constant value at the point of fracture. Then by using the relation between entropy and fatigue life, we could estimate the number of cycles to fracture. Most of the energy in fatigue process is wasted in form of heat transfer. Therefore, with use of temperature evolution during fatigue process, fatigue fracture entropy of metals can be calculated. An empirical correlation of the formNf=c1*(R(teta))^c2with constants c1 and c2 is derived for tension-compression fatigue loading that relates the rate of temperature rise,R(teta) , at the beginning of the test to the number of cycles to failure,Nf . Since axial fatigue tests are expensive and time-consuming, they are replaced by a finite element analysis. In this study, Abaqus software was used for numerical simulation. Temperature evolution is obtained by subjecting an aluminum alloy 6061-T6 specimen to fully reversed tension-compression cyclic loading that is simulated by elastic-plastic finite element analysis. Since hardening parameters of Aluminum alloy 6061-T6 are not accessible, a combined hardening model of Chaboche is applied for estimating the material parameters. From stress-strain hysteresis loops results, which are obtained from experimental tension-compression fatigue tests, hardening parameters of material can be calculated. An infrared thermographic technique is used to measure the temperature increase of the specimen due to hysteresis heating during the fatigue tests and to validate of finite element results. Also, a universal curve for prediction of fatigue failure based on initial slope of temperature evolution for tension-compression fatigue loading was presented. Then, the numerical results of stress-strain hysteresis loops, temperature evaluation and entropy were in a good agreement with the experimental results. Finally, by using defined relation between entropy and temperature, the fatigue fracture entropy was achieved. Moreover, the numerical and experimental results indicated that the fatigue fracture is constant at different frequencies and stress amplitudes. Also, it was shown that the cooling operation during fatigue process, increases the fatigue life. Keywords: Fatigue life, Entropy, Tension-compression fatigue loading, Combined hardening, Numerical simulatio

امروزه اغلب سازه‌‌های مهندسی تحت بارگذاری چرخه ای هستند که پس از تحمل تعدادی چرخه دچار خستگی و درنهایت شکست می‌‌شوند؛ بنابراین مطالعه حد خستگی مواد از اهمیت بسزایی برخوردار است. یکی از کارآمدترین روش‌‌های تخمین عمر خستگی استفاده از روابط ترمودینامیکی است. در فرایند خستگی براثر تغییر شکل پلاستیک، انتقال گرما و دیگر عوامل بازگشت‌‌ناپذیر، آنتروپی تولید می‌‌شود. این تحقیق بر آن است که آنتروپی ترمودینامیکی فلزات تحت بارگذاری چرخه‌‌ای را که در نقطه شکست دارای مقداری ثابت است، تخمین بزند. سپس با علم بر این موضوع که آنتروپی شکست خستگی یک ماده، مقدار ثابتی است این امکان وجود دارد که با استفاده از رابطه‌‌ی آنتروپی و عمر خستگی تعداد چرخه ها تا شکست تخمین زده شوند. از طرفی دیگر بیشترین میزان اتلاف انرژی در فرایند خستگی به‌صورت انتقال حرارت اتفاق می‌‌افتد. بنابراین برای محاسبه آنتروپی شکست خستگی فلزات از تغییرات دما در حین فرایند خستگی استفاده می‌‌شود. همچنین از شیب نمودار دما برای تخمین عمر استفاده می شود و نموداری تحت عنوان نمودار جهانی برای رابطه عمر و شیب اولیه نمودار ارائه می شود. ازآنجا‌که آزمایش‌‌های تجربی خستگی تک‌محوری زمان‌بر و پرهزینه هستند، آن‌‌ها را با روش تحلیل اجزای محدود جایگزین می‌‌کنند. در این تحقیق منحنی تغییرات دما با مدل‌سازی نمونه‌‌های آلومینیوم 6061-T6 تحت بارگذاری چرخه‌‌ای محوری کشش-فشار کاملاً معکوس شونده در نرم‌‌افزار اجزای محدود به‌دست‌آمده است. انتخاب این آلیاژ به دلیل خواص ویژه و متمایزی است که سبب کاربردهای وسیع آن در صنعت هواپیماسازی و اجزای وسایل نقلیه و غیره می‌‌شود. با توجه به مطالعات اخیر انجام شده در زمینه‌‌ی تخمین عمر بر اساس آنتروپی و دما، می‌‌توان دریافت که تاکنون نتایج دمایی خستگی کشش-فشار ارائه نشده و اغلب نتایج حاصل از خستگی پیچشی و خمشی گزارش‌شده است. در این پژوهش نمونه‌‌ها با تحلیل الاستیک-پلاستیک در اجزای محدود مدل‌سازی شده‌‌اند. در این پژوهش برای شبیه سازی عددی از نرم‌‌افزار آباکوس استفاده شده است. ازآنجاکه خواص کارسختی ماده آلیاژ آلومینیوم 6061-T6 در دسترس نیست خواص ماده با استفاده از روابط کارسختی ترکیبی تعریف‌شده در مدل چابوچه به دست آورده می شود. از نتایج منحنی‌‌های تنش-کرنش هیسترزیس به‌دست‌آمده از آزمایش‌‌های تجربی انجام شده در این پژوهش برای محاسبه این خواص استفاده می شود. از روش دمانگاری مادون‌قرمز برای اندازه‌‌گیری افزایش دمای نمونه به علت گرم شدن هیسترزیس در حین فرایند خستگی استفاده می‌‌شود. همچنین نمودار جهانی رابطه شیب اولیه نمودار دما و عمر برای نمونه های تحت آزمایش های خستگی کشش–فشار انجام گرفته شده در این پژوهش ارائه شده است. در ادامه، نتایج حل عددی نمودار تنش-کرنش هیسترزیس، نمودار دما و آنتروپی با نتایج تجربی مقایسه شده است و با توجه به تطابق خوب بین نتایج و خطای کمتر از 10 درصد، درستی مدل عددی تأییدشده است. سپس با استفاده از شیب اولیه نمودار دمای به‌دست‌آمده از شبیه سازی عددی، عمر ماده تخمین زده‌شده و درنهایت با استفاده از روابط تعریف‌شده برای آنتروپی و دما، آنتروپی شکست خستگی محاسبه‌شده است.با استفاده از نتایج حل عددی و تجربی نشان داده شده است که در فرکانس ها و دامنه های تنش متفاوت مقدار آنتروپی شکست خستگی ثابت است. همچین نشان داده شده است که با انجام عملیات خنک کاری بر روی قطعه عمر خستگی افزایش یافته است. کلمات کلیدی : عمر خستگی، آنتروپی ، خستگی کشش-فشار ، کارسختی ترکیبی، رابطه شیب اولیه نمودار دما و عمر ، شبیه‌‌سازی عددی