بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، رفتار خستگی ترمومکانیکی و کمچرخه دما بالاي آلیاژ آلومینیوم- سیلیسیوم، بر اساس مدل آسیب سیتقلو، تحلیل شده است. در مدل سیتقلو، آسیب کلی وارد بر ماده در بارگذاري سیکلی دما بالا، شامل سه آسیب خستگی، اکسیداسیون و خزش میباشد.
ثابتهاي مادي موجود در این مدل، بر اساس نتایج آزمونهاي خستگی ترمومکانیکی و خستگی کمچرخه در دماي محیط و 250 درجه سانتیگراد، براي ماده مورد نظر محاسبه شدهاند. نتایج مدلسازي نشان میدهد که آسیب غالب در بارگذاري ترمومکانیکی غیرهمفاز، اکسیداسیون و در بارگذاري کمچرخه دما بالا، خزش است. همچنین، این مدل براي آلیاژ ریختهگري آلومینیوم، دقت مناسبی داشته و در کرنشهاي کم - عمرهاي زیاد - ، خطاي آن بیشتر میشود.
مقدمه
قطعات موتور همچون سرسیلندر و چندراهه دود، در معرض بارهاي سیکلی مکانیکی و حرارتی هستند و لذا اهمیت تحلیل خستگی آنها مشخص میگردد. یکی از موادي که در سرسیلندر موتورهاي دیزل کاربرد وسیعی دارد، آلیاژ ریختهگري آلومینیوم- سیلیسیوم است. به جهت محاسبه عمر، باید از مدلهایی نظیر مدل سیتقلو1 استفاده نمود که لزوم بکارگیري آن، محاسبه خواص مادي از نتایج آزمون خستگی است. از این مدل، در نرمافزارهاي تجاري - FEMFAT - استفاده شده و شامل مجموع سه آسیب خستگی، اکسیداسیون و خزش میباشد.
اولین قدم در استفاده از مدل سیتقلو، محاسبه تعداد زیادي از خواص ماده براي رفتار خستگی، اکسیداسیون و خزش آن است که توسط برخی از محققان براي انواعی از فولاد و آلومینیوم محاسبه شده است .[3-1] این مدل آسیب، براي اولین بار توسط سیتقلو و نیو[2-1] 2، در سال 1980 براي نوعی فولاد 1070 ارائه گردید و خواص ماده نیز، محاسبه شد.
مینیخمایر3 و همکارانش [3]، خستگی ترمومکانیکی و کمچرخه آلیاژ کارشده آلومینیوم - AlCuBiPb - را در مدل سیتقلو بررسی کردهاند. نتایج آنها نشان میدهد که مدل فوق، در کرنشهاي کم، از دقت خوبی برخوردار نبوده و مشکل اصلی آن، دارا بودن تعداد زیادي ثابت مادي است که باید از طریق اجراي آزمونهاي مختلف بدست آیند.
هالاستسی4 و همکارانش [4]، روشی را براي محاسبه پارامترهاي مادي مدل سیتقلو ارائه کردهاند. مدل سیتقلو براي یک سوپرآلیاژ تک کریستال پایه نیکل، توسط آمارو5 و همکارانش [6-5]، بر اساس آزمونهاي خستگی ترمومکانیکی، توسعه یافته است. در این مدل، از یک مدل جدید بجاي مدل کلاسیک آسیب خستگی استفاده شده است.
تعداد کمی از محققان روي مدل سیتقلو مطالعه کردهاند چراکه این مدل، داراي پارامترهاي مادي زیادي 27 - پارامتر - بوده و براي تمامی مواد و بخصوص آلیاژ ریختهگري آلومینیوم، به دلیل زیاد بودن آنها و هزینه زیاد آزمونهاي خستگی ترمومکانیکی، استخراج نشده است. لذا در این مقاله، بر اساس آزمونهاي خستگی دما بالا، مدل فوق براي آلیاژ آلومینیوم- سیلیسیوم، بررسی شده است.
معرفی مدل سیتقلو
مدل آسیب سیتقلو، شامل آسیب خستگی مکانیکی، اکسیداسیون و خزش میباشد. آسیب خستگی مکانیکی، با استفاده از روشهاي کلاسیک - مانسون- کافین- باسکوئین - 6 و دامنه کرنش، مدلسازي میشود. فرآیند اکسیداسیون، به عنوان تابعی از دامنه کرنش، نرخ کرنش، فاز کرنش- دما، و سینتیک اکسیداسیون درنظر گرفته می-
شود. آسیب خزش نیز براساس تنش، دما، فاز کرنش- دما و زمان میباشد. لذا پارامتر آسیب مربوط به هر مکانیزم، با یکدیگر جمع شده تا تخمینی از عمر خستگی کل، بدست آید.
آسیب خستگی در حالت بارگذاري ترمومکانیکی، ناشی از ایجاد و رشد میکروترکها در کرنشهاي پلاستیکی بالا میباشد. براي توصیف آسیب خستگی، از معادله کرنش- عمر، استفاده میشود.
پارامترهاي مادي در رابطه بالا - مانسون- کافین- باسکوئین - ، از آزمونهاي خستگی کمچرخه در دماي محیط محاسبه میشوند
آسیب اکسیداسیون میتواند در تشکیل یک نفوذ اکسید، اتفاق افتد. در بارگذاري غیرهمفاز، یک لایه اکسید میتواند روي سطح، و زمانی که ماده به بیشترین دما رسیده و تحت فشار است، تشکیل گردد. در درجه حرارت پایین، لایه اکسید، شکننده شده و در طی اعمال کرنش مکانیکی، میشکند و سطوح فلزي جدید و تمیزي را نمایان میکنند. این فلز تمیز، به سرعت اکسید شده و فرآیند، در طول سیکل بعدي اعمال کرنش مکانیکی، تکرار میشود. در نهایت، این فرایند، یک ترك را تشکیل میدهد که میتواند رشد نماید.
سهمیگون اکسیداسیون موثر، بصورت زیر تعریف میشود.
فاکتور فازي اکسیداسیون که آسیب اکسیداسیون نسبی بین فازها را مشخص میکند، به شرح ذیل بیان میگردد.
مسئله خزش، اساسا یک فرآیند انتشار بوده و در انتشار تنش، نابجاییها اجازه مییابند که از روي موانع - همچون مرز دانهها - عبور کنند. انتشار، شدیدا به دما و زمان وابسته است. تنش بیشینه، نقش موثرتري را در تشکیل این میکروترکها، نسبت به دامنه کرنش، ایفا میکند. لذا رابطه آسیب خزش بصورت زیر تعریف میگردد.
در آزمون خستگی تک محوره، اگر هیچ آسیب خزشی در حالت فشاري رخ ندهد، ضرائب α1 ,α2 ، به ترتیب به میزان یک سوم و یک خواهد بود. تنش و دما در نیمه عمر درنظر گرفته میشود. تنش پسا1، تنش تسلیم ماده بر اساس دما و بصورت زیر است .
بر اساس آزمونهاي کشش در دماهاي مختلف، پارامترهاي K0 , K1 به ترتیب، 0,2 و 149 مگاپاسکال براي آلیاژ آلومینیوم میباشد. فاکتور فازي در خزش بصورت زیر تعریف میشود.
به دلیل اینکه نرخ کرنشهاي مکانیکی و حرارتی، ثابت است، فاکتورهاي فازي در طول یک سیکل، عدد ثابتی هستند.
ماده و شرایط آزمونها
نمونه آزمونهاي خستگی از جنس آلیاژ آلومینیوم- سیلیسیوم - A356.0 - ، میباشد که به روش ریختهگري قالب ثابت تولید شده است. این ماده شامل 7 درصد سیلیسیوم و 0,3 درصد منیزیم است.
آزمونهاي خستگی با کنترل کرنش شامل آزمون خستگی کمچرخه در دماي ثابت - دماي محیط و 250 درجه سانتیگراد - و خستگی ترمومکانیکی با بیشینه دماي 250 درجه سانتیگراد انجام شدهاند
- شکل . - 1 در بارگذاري ترمومکانیکی، علاوه بر تغییرات کرنش مکانیکی، دماي ماده بین 50 تا 250 درجه سانتیگراد، بصورت غیرهمفاز، تغییر میکند. به عبارت دیگر، در دماي بیشینه، ماده تحت فشار و در دماي کمینه، ماده تحت کشش میباشد. آزمونهاي فوق در دامنههاي مختلفی از کرنش مکانیکی انجام شدهاند.
شکل :1 تجهیزات مربوط به آزمونهاي خستگی کمچرخه و ترمومکانیکی - ترموکوپل، نمونه و فک دستگاه، کرنشسنج، المان حرارتی و هواي فشرده -
نتایج
نتایج آزمونهاي خستگی شامل دامنه کرنش مکانیکی - در نیمه عمر -
بر حسب عمر خستگی در شکل 1، نشان داده شدهاند. با کمینه نمودن خطاي استاندارد2 و خطاي نسبی3 بین نتایج آزمونهاي خستگی و نتایج مدلسازي، پارامترهاي مادي براي هر یک از آسیبها محاسبه میشوند. بر این اساس، میزان آسیبهاي خستگی، اکسیداسیون و خزش در هر یک از آزمونهاي خستگی ترمومکانیکی غیرهمفاز و خستگی کمچرخه دما بالا، در شکلهاي 2 و 3 نشان داده شده است. پارامترهاي مدل سیتقلو محاسبه شده براي آلیاژ ریختهگري آلومینیوم نیز، در جدول 1 آورده شدهاند.
با توجه به اینکه در آزمونهاي خستگی ترمومکانیکی غیرهمفاز، جدول :1 پارامترهاي مادي آلیاژ ریختهگري آلومیتیوم در مدل سیتقلو
در دماي بیشینه، ماده تحت فشار است، آسیب ناشی از پدیده خزش نوع آسیب مقدار پارامتر در آزمون خستگی
مقدار ناچیزي داشته و از آن صرف نظر میشود [2-1] و همانگونه خستگی کمچرخه دما بالا ترمومکانیکی غیرهمفاز
که در شکل 2 مشخص است، آسیب ناشی از اکسیداسیون آلیاژ آلومینیوم، بیشتر از آسیب خستگی آن است. در آزمون خستگی کم چرخه دما بالا، با توجه به ثابت بودن دما، آسیب خزش، سهم بیشتري نسبت به آسیبهاي اکسیداسیون و خستگی را ایفا میکند
شکل . - 3 و این در حالی است که آسیب غالب در خستگی
شکل :1 نتایج آزمونهاي خستگی کمچرخه در دماي محیط و 250 درجه سانتیگراد و خستگی ترمومکانیکی غیرهمفاز با محدوده تغییرات دما بین 50 تا 250 درجه سانتیگراد
شکل :2 آسیبهاي خستگی، اکسیداسیون و کلی در آزمون خستگی ترمومکانیکی غیرهمفاز بر اساس مدل سیتقلو
شکل :3 آسیبهاي خستگی، اکسیداسیون، خزش و کلی در آزمون خستگی کمچرخه دما بالا بر اساس مدل سیتقلوبر اساس شکل 3، در کرنشهاي مکانیکی زیاد 0,35 - درصد - ، آسیب خستگی در آلیاژ آلومینیوم، بیشتر از آسیب اکسیداسیون ناشی از خستگی کمچرخه دما بالا میشود.
اما در محدوده کرنشهاي کمتر، همچنان آسیب اکسیداسیون نقش مهمتري را نسبت به آسیب خستگی، دارد. طبق جدول 1، پارامترهاي مادي آسیب خستگی، براي هر دو نوع آزمون یکسان بوده و از نتایج آزمون خستگی کم- چرخه در دماي محیط استخراج شدهاند. تمامی ثوابت مادي آسیب اکسیداسیون بجز یک پارامتر - - ξox، براي هر دو نوع آزمون خستگی، یکسان بوده و پارامتر فوق نیز نشان دهنده میزان تاثیر اکسیداسیون است که مقدار آن براي خستگی ترمومکانیکی 1,6 و براي خستگی کمچرخه دما بالا 0,5 میباشد و لذا اثر آسیب اکسیداسیون در خستگی ترمومکانیکی بیشتر است. ثوابت مادي در آسیب خزش نیز، فقط براي خستگی کمچرخه دما بالا ذکر و از این آسیب در خستگی ترمومکانیکی غیرهمفاز صرف نظر شده است.
در شکل 4، عمر خستگی آلیاژ آلومینیوم- سیلسیوم حاصل از نتایج تجربی و شبیهسازي رفتار خستگی آلیاژ ریختهگري آلومینیوم با استفاده از مدل سیتقلو، نشان داده شده است. با توجه به اینکه نتایج فوق در محدوده فاکتور ±2 قرار دارند، دقت مناسب مدل سیتقلو براي آلیاژ آلومینیوم را نشان میدهد. خطاي استاندارد مدل سیتقلو براي خستگی ترمومکانیکی و کمچرخه دما بالا، به ترتیب برابر با 0,00006 و 0,00005 و میانگین خطاي نسبی آسیب کلی، به ترتیب برابر با 21 و 10 درصد میباشد. همانگونه که در شکل 4 دیده میشود، خطاي مدل سیتقلو در کرنشهاي کم 0,2 - درصد - و در عمرهاي زیاد - شکل - 1، بیشتر میگردد
