Modeling the severe plastic and cyclic deformations of structural and biomedical alloys by incorporating microstructure – mechanical property relationship
Mikroyapi - mekanik özellik i̇lişkisi yardımıyla yapısal ve biyomedikal alaşımların çevrimsel ve ağır plastik deformasyonlar altında modellenmesi
- Tez No: 387576
- Danışmanlar: DOÇ. DR. DEMİRCAN CANADİNÇ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2015
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 127
Özet
Burada sunulan tezde amaç kombilerde kullanılan çelik bazlı ısı değiştiricili plakalarda kalınlık azalmasını araştırmaktır. Ağır plastik deformasyona bağlı oluşan çatlak başlangıç bölgeleri ve kalınlık azalmasını tahmin etmek için çok ölçekli modelleme yaklaşımı kullanıldı. Özellikle, sonlu elemanlar analizi ve kristal plastisitenin uygun bir şekilde birlikteliği ile doku ve mikroyapısal etkiler ele alındı. Metale form verilme işlemleri sırasında malzeme gerinim sertleşmesini tanımlamak için uygun çok eksenli sertleşme kuralı, kristal plastisite simülasyonları yardımıyla bulundu. Sertleşme kuralı bulguları, metale form verme sonlu elemanlar simülasyonlarına başarıyla ilave edildi. Analiz, sadece çok ölçekli modelleme yaklaşımının başarısını göstermekle kalmayıp, aynı zamanda ısı değiştiricili plakaların çatlak başlangıç bölgelerinin tahmin edilebilmesiyle arızalarının tasarım aşamasında önlenmesini ortaya çıkarmıştır. Bununla birlikte, çatlak başlangıç analizi, karmaşık yükleme şartları için ray malzemelerine genişletilmiştir. Çok ölçekli modelleme yaklaşımı, aynı zamanda, farklı malzemelerde ve farklı koşullar altında bu yaklaşımı doğrulamak için biyomedikal ve yapısal malzemelere de uygulandı. İlk olarak, ray malzemelerinde (beynitik ve perlitik çelikler) çatlak başlangıcı haddeleme değme yüklemesi altında analiz edildi. Özellikle, yorulma bozunumu ve çok eksenli yorulma hasarının tahmini için analitik Jiang - Şehitoğlu modeli kullanıldı. Beynitik ray çeliğinin, perlitik eşleniğine göre düşük kayma kuvvetlerinde daha yüksek yüklemelere dayandığı gözlemlenmiştir. Kayma kuvvetleri arttığında ise ray çeliklerinin performansı benzer hale geldi. Bununla birlikte, yorulma bozunumu ve yorulma hasarı yüzeyde kesiştiği zaman, her iki çelikte de ani çatlak başlangıcı kaynaklı maksimum hasar görüldü. Bu analizden çıkan sonuç, haddeleme değme yükleri altında çatlak başlangıcının gerçekçi tahmini için bir metodolojiyi göstermektedir. Ayrıca, haddeleme değme yüklemeleri simülasyonlarında mekanik özellikleri belirlemede kilit role sahip mikroyapının dikkate alınmadığı not edilmelidir. Mikroyapı-mekanik özellik ilişkisinin incelenmesi için, yazar mikro ve makro boyutu birleştiren bir model geliştirdi. Bu amaç için, çok ölçekli modelleme yaklaşımı kullanılarak geometrik ve mikroyapısal yönlerin ilave edilmesiyle biyomedikal Niyobyum-zirkonyum alaşımının darbe tepkisi araştırıldı. Özellikle, kristal plastisite simülasyonlarından elde edilen çok eksenli sertleşme kuralının sonlu eleman analizine ilave edilmesiyle, geometriyle bağlantılı olarak doku ve gerilim-gerinim dağılımlarının rolü hesaba katıldı. Çok ölçekli modelleme yaklaşımı ile elde edilen sonuçların, klasik sonlu eleman yaklaşımı ile elde edilen bulgulara göre daha güvenilir olduğu gözlemlendi. Bu analiz, diş ve ortopedik implantların darbe yüklemeleri altındayken tasarım aşaması için önemli ölçüde rehberlik gösterdi. Mikroyapının darbe tepkisine etkilerini daha fazla incelemek için, yüksek oranda mangan içeren östenitik çeliğin darbe davranışı, çok ölçekli modelleme yaklaşımına gerinim hızı etkileri ilave edilerek incelendi. Bu özel çelik çok karmaşık bir mikroyapıya sahip olduğu için analiz edildi. Bu çeliğin darbe tepkisini tahmin etmek için benzer bir modelleme prosedürü uygulandı. Bulgular, güvenilir darbe tahminleri için çok ölçekli modelleme yaklaşımının ihtiyacını vurguladı. Sonuçta, bu tezde belirtilen sonuçlar, ısı değiştiricili plakaların hasarlarının güvenli bir şekilde değerlendirilmesi için, çok ölçekli modelleme yaklaşımına mikroyapının ilavesinin önemine ışık tutmaktadır. Bu analiz, ısı değiştiricili plakaların düşük masraflar ve geliştirilmiş servis performanslarıyla üretilebilir olmasını ortaya çıkarmaktadır. Bununla birlikte, bu çalışma, aynı zamanda kazanılan bilginin biyomedikal ve yapısal malzemelere ilave edilmesinin yeni uygulamaların tasarım prosedürü için çok önemli olduğunu göstermiştir. Bu amaçla, biyomedikal ve yapısal malzemelerin uzun dönem kullanılabilirliği sağlanır. Özellikle bu durum, biyomedikal malzemelerin kullanımında ağır sakatlanmaları ve kemik kırılmalarını önleyerek hasta güvenliğini sağlar. Ayrıca, yapısal malzemelerin balistik ve rulman uygulamalarındaki dayanımı önemli ölçüde artabilir.
Özet (Çeviri)
The first aim of the work presented herein is to investigate thickness reduction in steel plate heat exchangers utilized in combi boilers. A multi-scale modeling approach was utilized to predict thickness reduction, as well as crack initiation sites due to severe plastic deformation. Specifically, texture and microstructural effects were considered with appropriate coupling of crystal plasticity and finite element analysis. The crystal plasticity simulations were carried out in order to attain appropriate multi-axial hardening rule to define the material strain hardening during forming operation. The multi-axial hardening rules were successfully incorporated into the finite element metal forming simulations. The analysis not only showed the success of multi-scale modeling approach but also demonstrated that failure of plate heat exchangers can be prevented at the design stage by predicting crack initiation sites. Furthermore, crack initiation analysis was extended to rail materials for complicated loading condition and the multi-scale modeling approach was also applied to biomedical and structural materials, in order to further verify both approaches in different materials and under different conditions. Initially, crack initiation in rail materials (bainitic and pearlitic steel) was analyzed under rolling contact loading. In particular, analytical Jiang – Sehitoglu model was performed to predict the ratcheting and multiaxial fatigue damage in these rail steels. It was observed that bainitic rail steel withstood higher loads as compared to its pearlitic counterpart at low shear tractions. As the shear tractions ascended, the performance of rail steels became similar. Moreover, maximum damage followed by rapid crack initiation was visible in both steels when ratcheting and fatigue damage coincide on the surface. The outcome of this analysis evidences a methodology for the realistic prediction of crack initiation under the action of rolling contact loads. However, it is noted that microstructure was not considered in rolling contact loading simulations as it plays a key role on determining mechanical properties. For investigating the microstructure-mechanical property relationship, author developed a model that bridges micro and macro scales. For this purpose, impact response of a biomedical niobium-zirconium alloy was investigated incorporating geometric and microstructural aspects utilizing multi-scale modeling approach. Specifically, the roles of texture and stress-strain distribution regarding geometry under loading were successfully accounted for by implementing a multi-axial hardening rule acquired from crystal plasticity simulations into the finite element analysis. It was observed that more reliable results were obtained with multi-scale modeling approach when compared to those of the classical finite element approach. This analysis constituted a considerable guideline for the design stage of dental and orthopedic implants under impact loading. In order to further investigate the effects of microstructure on the impact response, the impact behavior of high-manganese austenitic steel was analyzed utilizing multi-scale modeling approach incorporating strain rate effects. This specific steel was analyzed due to the fact that it has a very complex microstructure. A similar modeling procedure was applied to predict the impact response of this steel. The findings emphasized the need of multi-scale modeling approach for reliable impact predictions. Overall, the results presented in this thesis shed light on the importance of multi-scale modeling approach considering microstructure for a reliable assessment of failure of plate heat exchangers. The significance of this analysis is that plate heat exchangers can be manufactured with lower costs and improved service performance. Furthermore, current work also demonstrates that implementing the gained knowledge to the biomedical and structural materials are of great importance for design procedure of new applications. With this motivation, long term usability of biomedical and structural materials is ensured. Specifically, this leads to safety of patients by eliminating serious injuries as well as bone fractures during service of biomedical materials. Moreover, the strength of structural materials in ballistic and bearing applications may be significantly enhanced.
Benzer Tezler
- Kiriş ucu plastik mafsal bölgesindeki tam dayanımlı bulonlu kiriş ekinin kiriş-kolon birleşim davranışına etkisinin araştırılması
An investigation of the effect of fully restrained bolted splice connection within the plastic hinge zone at a beam end on the behavior of beam-to-column connection
KUTAY KUTSAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. CÜNEYT VATANSEVER
- An investigation of the effect of beam splice within the plastic hinge zone on the behaviour of beam-to-column connection
Plastik mafsal bölgesindeki kiriş ekinin kiriş-kolon birleşim davranışına etkisinin araştırılması
ONUR KUL
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CAVİDAN YORGUN
- Süneklik düzeyi yüksek moment aktaran çelik çerçevelerde güçlü kolon-zayıf kiriş koşulunun yapı davranışına etkisinin araştırılması
Effect of strong column-weak beam ratio on steel special moment frames' behavior
BARIŞ YÜKSEKKAYA
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CAVİDAN YORGUN
- Çelik ve alüminyum alaşımlı çekirdekli burkulması önlenmiş çaprazların (BÖÇ) tasarımı, üretimi ve yön değiştiren tekrarlı yükler etkisindeki davranışı
Design, fabrication, and cyclic behavior of steel and aluminum alloy core buckling restrained braces (BRBs)
ÇİGDEM KARATAŞ
Doktora
Türkçe
2012
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OĞUZ CEM ÇELİK
- Tekrarlı yükler etkisindeki bölme duvarların çimento esaslı tekstil kompozitlerle iyileştirme yöntemlerinin geliştirilmesi
Improving retrofitting methods for partition walls under lateral cyclic loading using cement based textile composites
DİDEM DÖNMEZ
Doktora
Türkçe
2021
Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiDeprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUSTAFA GENÇOĞLU