Stop-hole improvement effect on fatigue life of Ti-6Al-4V and 7075-T6 Al alloys
Ti-6Al-4V ve 7075-T6 Al alaşımlarının yorulma ömrüne durak deliklerinin iyileştirici etkisi
- Tez No: 465476
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. RAMAZAN MURAT TABANLI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Katı Cisimlerin Mekaniği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 141
Özet
Çalışma aralığında bir yapıda çatlak meydana geldiğinde, çatlak erteleme yöntemleri ile çatlak ilerleyişi ertelenebilir. Bu yüzden, çatlak tespit edildiği anda hemen yeni yapısal parça monte etme imkanının olmadığı durumlarda ve yeni parça yerleştirmenin çok zaman alacağı ve oldukça maliyetli olacağı durumlarda çatlak erteleme yöntemleri kullanmak oldukça etkilidir. Genellikle kullanılan çatlak ilerleyişini erteleme metodları şunlardır: Çatlak içine yabancı madde sızdırma metodu, kompozit ya da metal yama ekleme metodu, kaynak ile çatlağı doldurma metodu, çatlak yakınına matkapla delik açma metodu ve çatlak üzerinde kalıntı bası gerilmesi bırakma metodu. Çatlak üzerinde kalıntı bası gerilmesi oluşturmak için de yapılacak bazı teknikler şunlardır: Soğuk genişletme (cold expansion), aşırı yükleme (overloading), bilyalı sertleştirme (shot peening) ve noktasal ısıtma (spot heating). Bu tez kapsamında çatlak ilerleyişini erteleme metodlarından çatlak yakınına delik açma metodu incelenmiş ve ayrıca çatlak ucunda bası kalıntı gerilmesi oluşturma metodlarından ise soğuk genişletme metodu incelenmiştir. Çatlak yakınına delik açmak çatlak erteleme yöntemlerinden birisidir. Bu yöntem en kolay ve çok yaygın bir çatlak erteleme yöntemidir. Bu yöntem ise üç kategoriye ayrılır: çatlak ucuna delik açma (CTH), çatlak yönünü değiştirme, çatlak hattına göre simetrik iki yanal delik açma (CFH). Bu tezde, 7075-T6 Al ve Ti-6Al-4V alaşımları için CTH yönteminin yorulma ömrüne etkisi incelenmiştir. Yorulma çatlağı ilerlemesini simüle etmek için Bölüm 3.1'de prosedür oluşturulmuş ve bu prosedür yardımıyla Abaqus'te phyton dilinde kod geliştirilmiştir. Oluşturulan kod sayesinde her çatlak ilerleyişinde çatlak ucundan Mod I ve Mod II için K değerleri alınmış ve bu K değerleri Excel'e alınarak prosedürdedeki çatlak ilerleme ömür formülleri aracılığıyla toplam çatlak ilerleme ömrü hesap edilmiştir. Eğer hali hazırda bir çatlak ucuna durak deliği açarsak çatlak yok olur ama bir süre sonar durak deliği üzerinde yeniden çatlak çekirdeklenir. Bu sebeple çatlak çekirdeklenme ömrünü de simüle etmek gerekmektedir ve bunun için Bölüm 3.2'de prosedür oluşturulmuştur. Sonuç olarak durak deliği problemlerinde hem çatlak ilerleme hem de çatlak çekirdeklenmesi olduğu için ömür hesaplamak üzere Bölüm 3.1 ve Bölüm 3.2'de prosedürler oluşturulmuş ve bu prosedürler takip edilerek CTH metodunun yorulma ömrüne etkisi simüle edilmiştir. Çatlak ilerleme ömrü için Abaqus programında phyton dilinde bir yorulma kodu geliştirilmiş ve bu kod sayesinde çatlak ucundan alınan K değerleri Excel yardımıyla ömür hesap etmek için kullanılmıştır. Geliştirilmiş kod ve hesaplama prosedürü çatlak ilerleme ve çekirdeklenme ömürleri simüle edebilir halde geldikten sonra çatlak ilerleme yolu, çatlak çekirdeklenme ömrü ve çatlak ilerleme ömrü açısından doğruluğu literatürden bulunan deneysel verilerle kıyaslanmıştır. İlk olarak çok modlu problemlerde çatlak ilerleyişini geliştirilmiş kodun ne kadar başarılı simüle ettiğini görmek için literatürden bir deneysel veri bulunmuş ve belirli ağ (mesh) parametreleriyle oynayarak çatlak yolu deneysel veriyle tutturulmaya çalışılmıştır. Ilk bir kaba ağ atılmış ve başarısız bir çatlak yolu simüle edilmiştir. Daha sonra ise ağ iyileştirildiğinde deney ile kıyalandığında oldukça başarılı bir çatlak yolu bulunmuştur. Bu sebeple çatlak ilerleyişi simüle edilmek istendiğinde sonlu elemanlar metodu ağının çatlak yolu için ne kadar önemli olduğu ortaya konmuştur. İkinci olarak ise kodun ve prosedürün çatlak ilerleme ömrünü ne kadar başarılı hesap ettiğini test etmek için bir CT numune üzerinden elde edilmiş bir deneysel veri kullanılmıştır. Simulasyon sonucu çatlak ilerleme ömrü deneysel sonuca göre yüzde 14 hata ile bulunmuştur. Oysa ki malzeme parametrelerin kendi içinde belirli bir dağılım vardır. Bu sebeple bu hata makul kabul edilmiştir. Ayrıca, hangi malzeme parametresinin ne kadar ömrü etkilediği ve var olan hatada hangi parametre daha büyük pay sahibi olduğunu bulmak için bir araştırma yapılmıştır. Sonuç olarak sırasıyla ömrü en çok etkileyen malzeme parametreleri n, α, C, ∆Kth, KIC, p, q, Bk, Ak olduğu değerlendirilmiştir. Üçüncü olarak çatlak ucuna durak deliği açıldığında çatlak çekirdeklenme ömrünü prosedür ne kadar doğru hesap ettiğini anlamak için literatürden alınan bir deneysel veri kullanılmıştır. Kıyaslama sonucunda prosedürün çatlak çekirdeklenme ömrünü oldukça doğru hesapladığı kanaatine varılmıştır. Yorulma kodu ve hesaplama prosedürü doğrulandıktan sonra 7075-T6 Al ve Ti-6Al-4V alaşımları için durak deliğinin yorulma ömrüne etkisi açısında bir karşılaştırma çalışması yapılabilir hale gelmiştir. Yorulma ömrünü kıyaslamak için durak deliksiz numunede ortak çatlak ilerleme ömrü sırasıyla 5000 çevrim, 10000 çevrim, 20000 çevrim alınmış ve bu ilk çatlak ömürlerine durak delikleri açıldığında iki alaşım için ömrü ne kadar etkilediği incelenmiştir. İlk olarak durak delikleri yorulma ömrünü oldukça arttırdığı görülmüş ve durak deliği çapı arttıkça bu etkinin katlanarak arttığı sonucuna varılmıştır. Çok küçük durak delik çaplarında durak deliklerinin yorulma ömrüne iyileştirici etkisi açısından Ti-6Al-4V alaşımı ile 7075-T6 Al alaşımı birbirine yakın iken durak deliği çapı artınca Ti-6Al-4V alaşımı 7075-T6 Al alaşımının çok üzerinde durak deliğinin yorulma ömrünü iyileştirme etkisi tespit edilmiştir. Ayrıca, yüklenme büyüklüğü de ömür iyileştirme oranın etkilediği gözlemlenmiştir. Uygulanan yük büyüklüğü arttıkça (ya da seçili ortak çatlak ilerleme ömrü azaldığında) durak deliklerinin ömür iyileştirme oranı azalırken uygulanan yük büyüklüğü azaldıkça (ya da seçili ortak çatlak ilerleme ömrü arttığında) bu oran katlanarak arttığı görülmüştür. Özellikle Ti-6Al-4V alaşımı ömür iyileşme oranının artması açısından 7075 T6 Al'ye göre daha iyi tepki vermektedir. Ayrıca, her iki alaşım için durak deliği çapı ile çatlak çekirdeklenme ömrü arasında doğal üssel bir trend tespit edilmiş ve böylelikle bir kaç veri alınarak bu tren aracılıyla istenen durak deliği çapına göre diğer bilinmeyen ömür değerleri elde etme imkanının olacağı görülmüştür. Ek olarak, bu çalışmada 7075-T6 Al ve Ti-6Al-4V alaşımlarında durak delikleri üzerinde kalıntı bası gerilmesi oluşturma metodlarından biri olan soğuk genişletme prosesinin ömre etkisi incelenmiştir. Soğuk genişletme prosesi durak deliklerinde kalıntı bası gerilmesi oluşturuyor ve bu kalıntı bası gerilmesi operasyonel yük kaynaklı çeki gerilmesini azaltıyor. Böylelikle, bu proses çatlak çekirdeklenme ömrünü ciddi miktarda iyileştirmiş oluyor. Elde edilen sonuçlara göre 7075-T6 Al'de çekirdeklenme ömrü Ti-6Al-4V'ye nazaran daha çok iyileştiği görülmüştür. Çünkü aynı delik genişleme oranı için 7075-T6 Al alaşımında Ti-6Al-4V ye göre daha büyük miktarda plastik deformasyon oluşmuştur ve daha fazla oranda gerilme düşmüştür. Ayrıca, durak deliklerinin çapı artması soğuk genişletmenin yorulma ömrüne iyileştirici etkisini daha yüksek oranda artırdığı değerlendirilmiştir. Sonuç olarak, daha yüksek çapta durak delikleri daha iyi ömür iyileştirici oranı verdiği, Ti-6Al-4V alaşımı 7075 T6 Al alaşımından daha iyi ömür iyileştime tepkisi verdiği, soğuk genişletmenin durak deliklerinde oldukça iyi bir ömür artma oranı verdiği ve uygulanan yük büyüklüğünün ömür iyileştirme oranını etkilediği görülmüştür.
Özet (Çeviri)
When a crack is generated in structure during the service life, the crack can be arrested by some methods before final failure. So, crack retardation methods are so effective for structural components that cannot be replaced as soon as the cracks are observed and when the replacement of new parts is time consuming and costly. One of the crack retardation methods is the method of drilling holes close to the crack tip. This method is the easiest and most accessible crack arresting method. It can be divided into three main categories: The crack tip holes (CTH), the deflecting holes, drilling two crack flank holes (CFH) symmetric relative to the crack line. In this thesis, CTH method is investigated in terms of its effect on fatigue life for 7075-T6 Al and Ti-6Al-4V alloys. The effect of CTH method on fatigue life is simulated by tracking the procedure in chapter 3.1 for FCG life and in chapter 3.2 for crack initiation life in a detail. Firstly, total FCG life is calculated in a case of no stop-hole by extracting SIF at the crack tip with the help of fatigue code. Then, a stop hole is drilled at a certain crack length and crack initiation life until a new crack initiates at stop-hole is calculated by taking stress concentration factor from FEM. For calculating FCG life, a fatigue code is developed by using python programming language, SIF at crack tip taken by running fatigue code in Abaqus and SIF is used to calculate FCG life in Excel. After FCG life and crack initiation life are simulated, they are validated by using experimental data which is found from literature in terms of the direction of crack propagation, crack initiation life at the stop-hole and FCG life. The results found by code fit fairly well with the experimental data which is found from literature. After code is validated, the comparison about stop-hole effect on 7075-T6 Al and Ti-6Al-4V alloy is done. As a result, stop-hole improve greatly fatigue life and Ti-6Al-4V alloy is fairly better than 7075-T6 Al alloy in terms of fatigue life. The magnitude of stop-hole improvement on fatigue life for Ti-6Al-4V alloy is quite better than that for 7075-T6 Al alloy. Furthermore, the effect of cold expansion at stop-hole is examined for 7075-T6 Al and Ti-6Al-4V alloys. Cold expansion process creates residual compressive circumferential stress at stop-hole and this compressive stress diminishes the tensile stress due to operational load so it improves greatly crack initiation life. As a result, crack initiation life for 7075-T6 Al is improved greatly than that for Ti-6Al-4V since plastic deformation for 7075-T6 Al is greater than that for Ti-6Al-4V when stop-hole is expanded in a same ratio for both alloys.
Benzer Tezler
- Kanat profili üzerinde oluşan buzun iki boyutta matematiksel modellenmesi ve sayısal çözümü
Two dimensional mathematical modelling and numerical solution of accumulated ice on wing profiles
RAMAZAN DÖKME
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET CİHAT BAYTAŞ
- Çamaşır kurutma makinalarında otomatik temizlenen filtre tasarımı
Self cleaning filter design for dryers
ONUR MUHİDDİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. İSMAİL GERDEMELİ
- Design and production of benchtop x-ray imaging system
Masaüstü x-ışını görüntüleme sisteminin dizaynı ve üretimi
MEHMET ERHAN EMİRHAN
Doktora
İngilizce
2016
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CENAP ŞAHABETTİN ÖZBEN
- Development of multi-layer ballistic armor panel with simulation and ballistic tests
Simülasyon ve testler yardımıyla çok katmanlı balistik zırh paketi geliştirilmesi
NAMIK KILIÇ
Doktora
İngilizce
2014
Makine MühendisliğiMarmara ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BÜLENT EKİCİ
- Düzlem yüklemesi altında delikli kompozit plakaların peridinamik teori ile incelenmesi
Investigation of holed composite plates exposed to in-plane loading by the peridynamic theory
BUŞRA BAYKAN MERCAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Makine MühendisliğiTOBB Ekonomi ve Teknoloji ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET ALİ GÜLER
PROF. DR. BORA YILDIRIM