بررسي رشد ترك خستگي ناشي از خمش در استوانه هاي اتوفرتاژ شده با ترك خارجي

Evaluation of fatigue crack growth due to bending on the autofrettaged cylinders with external crack

در اين تحقيق رشد ترك هاي سطحي خارجي در استوانه هاي اتوفرتاژ شده تحت بارگذاري خستگي خمشي، مورد بررسي قرار گرفته است. اتوفرتاژ فرآيندي است كه در آن استوانه جدار ضخيم در معرض مقدار معيني فشار داخلي قرار مي گيرد، به طوري كه قسمتي از جداره داخلي آن وارد ناحيه پلاستيك مي شود. در اين حالت برداشتن فشار باعث ايجاد تنش پسماند فشاري در جداره داخلي و تنش پسماند كششي در جداره بيروني استوانه مي گردد. در اين مقاله، تركها از نوع ترك هاي نيم بيضوي، نيم بيضوي معكوس و نيم دايره اي مي باشند. ماده مورد استفاده آلومينيم 2024 در نظر گرفته شد و ميزان اتوفرتاژ نمونه ها 40 و 60 درصد لحاظ گرديد. ترك ها در جهت محيطي و عمود بر محور طولي استوانه در نظر گرفته شدند. شبيه سازي عددي به روش اجزاء محدود انجام شد. در انتها نتايج حاصل از حل عددي و تجربي با هم مقايسه گرديدند. از بررسي نتايج مشاهده گرديد كه در اتوفرتاژ 60% تعداد سيكل هاي شكست كمتر از اتوفرتاژ 40% و آن نيز كمتر از حالت بدون اتوفرتاژ است. توزيع ضريب شدت تنش در پيشاني ترك متقارن است و ترك در صفحه اوليه خود رشد ميكند كه نشان دهنده غالب بودن رفتار مُود اول شكست در طول رشد ترك است. در تمامي نمونه ها، ترك بعد از چند مرحله رشد به شكل نيم بيضوي در مي آيد و اين حالت را تا لحظه شكست حفظ مي كند.

In this study, fatigue growth of external surface cracks on the autofrettaged cylinders under bending is investigated. Autofrettage is a process in which a thick-walled cylinder subjected to internal pressure with known amount, causing some portions on the inner zone of the cylinder deformed plastically. In this case, removing the pressure causes compressive residual stresses on the inner layers and tensile stresses on the outer wall. The goal is increasing the fatigue durability of the product by inducing residual compressive stresses into materials, but along with this, there are adverse tensile stresses which can decrease the life due to the outer defects. In this paper, the external cracks are in the forms of halfelliptical, semi-elliptical and semi-circle. Samples made by aluminum 2024 alloy. The cylinders were autofrettaged up to 40 and 60 percent. Cracks were located in circumferential direction and normal to cylinder axis. The numerical simulations were performed by finite element method. Experimental data and numerical results were compared. Results show that the number of load cycles to fracture, in the 60% autofrettaged cylinders are smaller than those for 40% and also smaller than the state without autofrettage. Distribution of stress intensity factor along the crack front is symmetric and crack grows in its initial plane which indicating the dominance of the first mode of failure during the crack growth. In all samples, after some steps of the growth, crack front transforms to the semi-elliptical shape until complete fracture.