بخشی از مقاله
*** اين فايل شامل تعدادي فرمول مي باشد و در سايت قابل نمايش نيست ***
تعیین چقرمگی شکست فولاد عملیات حرارتی شده AISID2 با روش المان محدود و روش نشرآوایی
چکیده
فولاد AISID2 از نوع فولاد ابزار سرد کار پرکربن و پرکرم است. زجمله خواص مکانیکی این فولاد میتوان به استحکام فشاري بالا و سختی-
پذیري خوب آن اشاره نمود. علیرغم این مزایا، چقرمگی شکست این فولاد چندان زیاد نیست. هدف از این پژوهش، تعیین چقرمگی شکست فولاد AISID2 با شبیهسازي المان محدود و روش نشرآوایی است. بهمنظور تعیین چقرمگی شکست فولاد، از نمونههاي استانداردCT ساخته شده از فولاد AISID2 که در دماهاي مختلف بازپخت شده، استفاده شد. با مدلسازي نمونهها در نرمافزار تجاري المان محدود آباکوس، مقدار چقرمگی شکست با روش المان محدود محاسبه شد. در روش نشرآوایی براي تعیین چقرمگی شکست از پارامترهاي مختلفی همچون نرخ انرژي سیگنالهاي نشرآوایی، نرخ تولید سیگنالهاي نشرآوایی و انتگرال تابع سنتري استفاده شد. در انتها، نتایج بهدست آمده از روش نشرآوایی، شبیه-
سازي المان محدود و روش استاندارد ASTM E399 با یکدیگر مقایسه شدند. مقادیر چقرمگی شکست بهدست آمده از روشهاي نرخ تولید سیگنالهاي نشرآوایی و انتگرال تابع سنتري حد پایین چقرمگی شکست را ارائه داده و روش المان محدود حد بالاي مقادیر چقرمگی شکست را ارائه میدهد. مقادیر چقرمگی شکست بهدست آمده با روش نرخ انرژي سیگنالهاي نشرآوایی بیشترین تطابق را با مقادیر بهدست آمده از روش استاندارد ASTM E399 دارد. نتایج این پژوهش نشان میدهد که روش نشرآوایی میتواند بهعنوان روشی کارآمد بهمنظور تعیین چقرمگی شکست مواد مهندسی استفاده شود.
Determination of fracture toughness of heat treated AISI D2 steel using Finite Element and Acoustic Emission methods
ABSTRACT
The AISI D2steel is a high-chromium and high-carbon tool steel which mechanical properties are high compressive strength and good through-hardening. Despite these advantages, fracture toughness of this steel is moderate. In this study , fracture toughness of AISI D2 steel was determined using Finite Element and Acoustic Emission methods . Selected steel (AISI D2 cold -work tool steel ) was heat treated and tempered at different conditions. After that Compact testing specimens were prepared according to ASTM E399 standard and fracture toughness of the specimens was specified according to the standard method. The specimens were modeled in the commercial FE
software (ABAQUS) and fracture toughness of the specimens was determined using FEM. Determination of fracture toughness using AE technique was carried out according to three methods: Acoustic Emission Energy Rate (AEER), Acoustic Emission Count Rate (AECR) and integral of sentry function.The results obtained from ASTM E399, Finite Element and Acoustic
Emission methods were compared with each other. It was found that fracture toughness values which were obtained using AECR and integral of sentry function techniques are lower bound and the results obtained from FEM are upper bound values of the fracture toughness. Furthermore, fracture toughness values obtained using AEER were the most consistent with the results obtained from ASTME399 standard method. Finally, it could be concluded that Acoustic Emission method can be used as a useful method for determination of fracture toughness of engineering
materials.
مقدمه
مثل مولیبدن و وانادیم است. این فولاد به دلیل سختیزیاد، استحکام فشاري فولاد AISID2 از نوع فولاد ابزار سردکار پرکربن و پرکرم به همراه عناصري بالا، مقاومت به سایش زیاد و حفظ سختی در عملیات حرارتی بازپخت، اربردهاي گستردهاي در صنایع مختلف پیدا نموده است. امروزه از این فولاد بهطور گسترده در ساخت غلتکهاي نورد سرد، قالبهاي شکلدهی و کشش عمیق استفاده میشود. علیرغم مزیتهاي فوق، چقرمگی شکست این فولاد نسبتا پایین است1]،.[2
اصطلاح چقرمگی شکست معمولا به عنوان مقاومت ماده در برابر رشد ترك بیان میشود. چقرمگی شکست به عملیات حرارتی بازپخت و پارامترهاي آن بستگی داشته و با کنترل این پارامترها میتوان به خواص مکانیکی بهینه- اي دست یافت.[3] اندازهگیري دقیق چقرمگی شکست، نقش بسیار مهمی در کارایی روشهاي مبتنی بر مکانیک شکست در تعیین سلامت سازه و تعیین میزان مجاز عیوب در سازه دارد. بههمین دلیل، هماکنون تعداد زیادي استاندارد بینالمللی براي تعیین چقرمگی شکست مواد تدوین شده، که یکی از مهمترین آنها استاندارد ASTM E399 است.[4]
انتشار موج الاستیک در ماده، در اثر آزاد شدن سریع انرژي کرنشی یا وقوع خرابی در ماده را نشرآوایی میگویند.[5 ]این انرژي کرنشی میتواند ناشی از تشکیل ترك، رشد ترك، تشکیل دوقلویی و تغییر شکل پلاستیک در داخل ماده باشد. امواج ایجاد شده بهوسیله سنسورهاي پیزوالکتریک دریافت شده و تحلیل میشوند. از مزایاي استفاده از روش نشرآوایی در بررسی خرابی فولادها، می توان به تعیین لحظه شروع ترك، پایش رشد ترك و تعیین چقرمگی شکست فولاد اشاره نمود.[8-6]
تاکنون محققان مختلفی از روش نشرآوایی براي تعیین چقرمگی شکست مواد استفاده نمودهاند. در برخی از این مطالعات، از روش تغییرات دامنه و
افزایش تعداد سیگنالهاي نشرآوایی منظوربه تعیین چقرمگی شکست استفاده شده، که نتایج این روشها اختلاف زیادي با استانداردها داشته -است[11-9]فتوحی. و همکاران، با استفاده از روش نشرآوایی و دستهبندي فازي سی-مینز1، سازوکارهاي خرابی را در نمونههاي فولادي2 دستهبندي نمودند. آنها با بهدست آوردن محدوده فرکانسی، دامنه و انرژيCTسیگنالهاينشرآوایی مربوط به هر سازوکار خرابی، نوع شکست (ترد و نرم) را در این نمونهها مشخص نمودند. تصاویر گرفته شده از سطوح شکست نمونهها با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی نشان دهنده عملکرد مطلوب روش نشرآوایی در تعیین سازوکارهاي شکستدر این فولاد بود.[12]
هدف از این پژوهش، بررسی عملکرد روش غیرمخرب نشرآوایی در تعیین چقرمگی شکست فولاد AISI D2 است. بدین منظور، ابتدا نمونههاي استاندارد CT، از ورقهاي فولاد AISI D2 عملیات حرارتی شده و بازپخت شده در دماهاي مختلف، تهیه شده و نمونهها براساس استاندارد ASTM E399 آماده شدند و مورد آزمایش قرار گرفتند. در ابتدا، چقرمگی شکست نمونهها با روش ارائه شده در استاندارد ASTM E399 تعیین شد. سپس، با شبیهسازي نمونهها در نرمافزار تجاري المان محدود آباکوس3، چقرمگی شکست نمونهها تعیین شد.در ادامه، با استفاده از برخی مشخصههاي سیگنالهاي نشرآوایی که در حین آزمایش نمونهها با استفاده از تجهیزات نشرآوایی ثبت شدهاند، از جملهنرخ تولید امواج نشرآوایی،4 نرخ انرژي امواج نشرآوایی5 و انتگرال تابع سنتري6 که ترکیبی از دادههاي مکانیکی و نشرآوایی نمونهها است، چقرمگی شکست این فولاد تعیین شد. سپس، نتایج حاصل از روش نشرآوایی و روش المان محدود با نتایج استاندارد ASTM E399 مقایسه شده و تطابق خوبی بین نتایج روش نشرآوایی با دو روش دیگر ملاحظه شد. مقادیر چقرمگی شکست بهدست آمده از روشهاي نرخ تولید سیگنالهاي نشرآوایی و انتگرال تابع سنتري حد پایین چقرمگی شکست را ارائه داده و روش المان محدود حد بالاي مقادیر چقرمگی شکست را ارائه میدهد. مقادیر چقرمگی شکست به- دست آمده با روش نرخ انرژي سیگنالهاي نشرآوایی بیشترین تطابق را با مقادیر بهدست آمده از روش استاندارد ASTM E399 دارد. همچنین، با استفاده از نتایج بهدست آمده، تاثیر دماي بازپخت بر روي چقرمگی شکست نمونهها نیز بررسی شد. نتایج حاصل از این پژوهش، نشان میدهد که روش نشرآوایی توانایی تشخیص لحظه شروع رشد ترك در نمونههاي استاندارد CT را داشته و میتواند بهعنوان روشی مناسب براي تعیین چقرمگی شکست به- کار گرفته شود.
-2 روش تحقیق
-1-2 مواد و آمادهسازي نمونهها AISID2جدول1 نشان دادهmmشده است.
شدند. ترکیب شیمیایی این فولاد درنمونههاي اولیه از فولاد ابزار سردکار در ابعاد 350× 50× 8 تهیه سپس، نمونهها بهصورت زیر عملیات حرارتی شدند:
عملیات حرارتی آنیلکردن: ابتدا نمونهها تا دماي 900 در داخل کوره گرم شده و به مدت 2 ساعت دراین دما نگه داشته شدند. سپس، به آهستگی تا دماي 775 سرد شده و در این دما به مدت 6 ساعت نگه داشته شده ودر انتها در هواي محیط به آهستگی سرد شدند. عملیات حرارتی آستنیته کردن: نمونهها تا دماي 1010 گرم شده وبه مدت 15 دقیقه در این دما نگه داشته شده و در انتها در هواي محیط به℃آهستگی سرد شدند.
عملیات حرارتی بازپخت: نمونهها در دماهاي و 575 به مدت 1 ساعت نگهداري شده و سپ س در دماي محیط به آهستگی سرد شدند. در مرحله دوم، دماي بازپخت هر یک از نمونهها 50℃پایینتر از مرحله اول انتخاب شد. همچنین، یکی از نمونهها بدون عملیات بازپخت مورد آزمایش قرار گرفت. چرخه عملیات حرارتی در شکل 1 نشان داده شده است. بهمنظورتعیین استحکام تسلیم نمونههاي عملیات حرارتی شده، نمونههاي استاندارد آزمون کشش مطابق استاندارد ASTM E8-01 به شکل استوانهاي، با طول مشخصه 45 mm و قطر مشخصه 9 mm، ساخته شده و با نرخ پیشروي 0/2 mm/minتحت بارگذاري کششی قرار گرفتند.[13] مشخصات نمونهها و ستحکاما تسلیم آنهادر جدول 2 ارائه شده است.
-2-2 روش انجام آزمایش
پس از عملیات حرارتی، جهت انجام آزمایش چقرمگی شکست، نمونهها در ابعاد 34×36 mm2 و ضخامت 8 mm مطابق استاندارد ASTM E399 برش داده شدند. سپس، با استفاده از دستگاه آزمون خستگی، با اعمال بار کششی نوسانی با بیشینه 150 kg و کمینه 50 kg، با فرکانس 5 Hz در طی -3000 5000 سیکل، در نوك شیار نمونهها پیش ترك خستگی به طول 2mm ایجاد شد. طولپیش ترك خستگیدر حین آزمایش، بااستفاده از دوربین دیجیتالی با بیشینه بزرگنمایی 150X اندازهگیري شد. شکل 2 شماتیکی از آزمایش تعیین چقرمگی شکست، ابعاد نمونه و نحوه دادهبرداري نشرآوایی را نشان میدهد. طول نهایی شیار 12mm بوده، که برابر مجموع طول اولیه
شیار و طول پیش ترك خستگی است. با توجه به جنس نمونهها و کوچک بودن ابعاد آنها، پدیده تضعیف و میرایی موج چندان تاثیرگذار نیست. اما با این وجود، بهمنظور نزدیکی سنسور به موقعیت رشد ترك، سنسور در جلوي نوك ترك و قسمت بالایی نمونه نصب میشود. -3-2 تجهیزات آزمایش
مدل هیوا1 ، با ظرفیت براي بارگذاري نمونهها، از دستگاه آزمایش کشش شد5.tonنمونهوها با سرعت 0/2در حالتmm/minکنترل جابه جایی و در با قابلیت تنظیم سرعت بارگذاري بین 0/1-500 استفاده دماي 25 تحت بارگذاريmm/minقرارگرفتند. براي ثبت دادههاي نشرآوایی از نرم اَي℃ اي وین2 و سیستم پیسیآي-32، با نرخ داده برداري افزاراستفاده شد. منظوربه دریافت سیگنالهاي نشرآوایی از یک سنسورMs/s پیزوالکتریک تککریستال، با پهناي باند وسیع به نام پیکو4، محصول کمپانی پک5، مدل آر50دي6 استفاده شد.فرکانس تشدید سنسور kHz 513/28 و محدوده بهینه کاري آن 100-750 است.
