پیش‌نویس:اثر تخلخل بر استحکام خستگی آلیاژهای آلومینیوم ریختگی

خلاصه شناخته شده است که استحکام خستگی آلیاژهای آلومینیوم ریخته گری تحت تأثیر انواع مختلف عیوب مربوط به فرآیند تولید، به ویژه منافذ ریز انقباض ایجاد شده در مرحله انجماد ریخته گری روند. حتی اگر روش های طبقه بندی خاصی در استاندارد ASTM E155-15 [1] ارائه شده باشد، وجود عیوب به راحتی به ظرفیت یک جزء یا یک سازه برای برآوردن الزامات مربوط نمی شود مشخصات فنی مکانیکی هدف مطالعه حاضر ایجاد ارتباط واضحی بین ویژگی‌های ریزساختاری خاص و خستگی متوسط ​​است استحکام - قدرت. این امر با جستجوی اندازه متوسط ​​عیوب بحرانی و با استفاده از تجزیه و تحلیل آماری مرتبط امکان پذیر است. دقیق تر، رویکرد موراکامی بر اساس آمار افراطی ها به کار گرفته شده است. اصالت اصلی این است کار در کاربرد این رویکرد در مورد یک سازه واقعی است که در معرض آسیب خستگی چرخه بالا قرار گرفته است: سرسیلندر موتور، مورد استفاده در صنعت خودرو. در واقع، هم تست های خستگی و هم ریزساختاری خصوصیات بر روی نمونه های استوانه ای و سازه های واقعی انجام می شود. نمونه ها در معرض شرایط بارگذاری تک محوری و چند محوری [2]. تست خستگی اصلی، توسعه یافته توسط PSA برای بارگذاری در حین سرویس حیاتی مناطق، بر روی سر سیلندر انجام می شود. تجزیه و تحلیل سیستماتیک سطح شکست خستگی برای به دست آوردن آن انجام می شود آمار عیوب بحرانی در منشأ خرابی‌ها برای نمونه‌ها و سازه‌ها. به طور موازی، مناطق بحرانی و حالت بارگذاری محلی مرتبط در سازه با یک مناسب مشخص می شوند تجزیه و تحلیل خستگی چرخه بالا دومی، همراه با داده های آزمون خستگی و تجزیه و تحلیل آماری بحرانی نقص، منجر به بحث در مورد اثر اندازه می شود و رویکردی برای طراحی خستگی مربوطه پیشنهاد می شود. 1. معرفی آلیاژهای آلومینیوم ریخته گری به دلیل ترکیبی از استحکام نسبی خوب، به طور گسترده در صنعت خودرو استفاده می شود با چگالی کم و رسانایی عالی. این آلیاژها معمولاً برای شاسی و موتور استفاده می شوند قطعاتی که در اکثر موارد تحت بارهای چرخه ای مکانیکی قرار دارند و خطر جدی برای خستگی مکانیکی به منظور جلوگیری از شروع ترک خستگی و اطمینان از مقاومت جزء، مناسب است روش های طراحی باید توسعه یابد. آنها بیشتر بر اساس یک معیار خستگی مناسب، که شناسایی با آزمایش‌های خستگی انجام شده روی نمونه‌های آزمایشی انجام می‌شود، که اندازه آن‌ها معمولاً کاملاً متفاوت است. اندازه مناطق بحرانی خستگی موجود در قطعات واقعی ساخته شده است. استحکام خستگی آلیاژهای آلومینیوم ریخته گری به شدت تحت تأثیر انواع مختلف ریزساختار است. ناهمگونی های ناشی از فرآیند تولید با توجه به این فرآیند و درمان بعدی، ویژگی های ریزساختاری را می توان به طور قابل توجهی از نظر اجزای یوتکتیک (ذرات سیلیکون) تغییر داد و بین فلزات مبتنی بر آهن) و عیوب ریخته گری، به ویژه منافذ ریز انقباض و تخلخل گاز. با وجود تلاش قابل توجهی برای توصیف و درک تأثیر این ناهمگونی‌های ریزساختاری بر بالا رفتار خستگی چرخه (HCF) این آلیاژها [2][7]، توسعه روش‌های طراحی با در نظر گرفتن تأثیر عیوب بر پیش‌بینی عمر خستگی سازه‌ها هنوز در حال پیشرفت است [8][10]. با این حال، با وجود در صورت وجود نقص، سازندگان خودرو باید از سطح هدفمندی از قابلیت اطمینان قطعات خود اطمینان حاصل کنند سازه های. در مورد منافذ، سازندگان روش های کنترلی را از طریق بازرسی اشعه ایکس برای تشخیص عیب تنظیم می کنند و رد کردن اجزای حاوی عیوب که خطر خرابی غیرقابل قبولی را ایجاد می کند. حتی اگر برخی از طبقه بندی رویه ها در استاندارد ASTM E155-15 [1] ارائه شده است، وجود نقص را نمی توان به راحتی به ظرفیت یک جزء یا یک سازه برای برآوردن الزامات مشخصات فنی مکانیکی. بنابراین تعریف الزامات نقص مواد در اکثر موارد بر اساس تجربه سازنده است، بدون توجیه کمی با تولید سالانه 3 میلیون موتور، بهینه سازی هزینه های تولید یک است چالش بزرگ برای گروه PSA این نیاز به روش های توسعه برای تعریف پذیرش قوی را توجیه می کند شاخص. اولین قدم این است که ارتباط واضحی بین ویژگی‌های نقص و قدرت خستگی ایجاد کنید. این نیاز به دقت دارد درک مکانیسم های آسیب خستگی مرتبط با ویژگی های ریزساختاری تحت چرخه بالا شرایط بارگذاری خستگی این برای سه آلیاژ آلومینیوم مختلف در کارهای قبلی انجام شده توسط انجام شده است نویسندگان [2][11]. هدف مطالعه حاضر ایجاد ارتباط بین ویژگی‌های تخلخل ریز انقباض و میانگین است قدرت خستگی این کار با استفاده از رویکرد کلاسیک معرفی شده توسط موراکامی [12] و رسمیت در آن انجام می شود استاندارد بین المللی ASTM [13]. این هم برای نمونه های آزمایشی و هم برای ساختار واقعی اعمال می شود: سر سیلندر موتور. استفاده از یک ساختار واقعی فرصتی برای برجسته کردن اثر اندازه احتمالی بین نمونه‌های آزمایشی مورد استفاده است معیار خستگی و جزیی که باید طراحی شود را شناسایی کنید. ظرفیت روش برای محاسبه متفاوت است پارامترهای توزیع عیوب با استفاده از رویکرد به دو آلیاژ آلومینیوم که توسط مختلف شرح داده شده اند آزمایش می شود. فرآیندهای ریخته گری: ریخته گری گرانشی و ریخته گری فوم از دست رفته گرانشی. در طول این تمرین، روش پیشنهاد شده است توسط موراکامی برای برون یابی اندازه متوسط ​​عیوب بحرانی اجسام به ابعاد دیگر با روش جایگزین پیشنهاد شده توسط مکونن [14]. در نهایت، بر اساس تحلیل های مشترک میانگین نقص بحرانی اندازه در نمونه ها و ساختار، یک روش طراحی خستگی مربوطه برای محاسبه اثر اندازه پیشنهاد شده است. 2. مواد و شرایط آزمایشی 2.1. ریزساختار و خواص مواد دو آلیاژ آلومینیوم ریخته‌گری شده به نام آلیاژهای A و B در این مطالعه بررسی می‌شوند. این فرقه ها هستند مطابق با نتایج استفاده شده در سایر نتایج منتشر شده [2][9][15]. این آلیاژها با هر دو نیروی جاذبه ساخته می شدند ریخته گری قالب یا ریخته گری فوم از دست رفته و هر دو تحت درمان T7 قرار گرفتند. ویژگی های هر فرآیند ریخته گری، از جمله تفاوت مهم در زمان انجماد، منجر می شود به دو ماده با ریزساختارهای متفاوت. ریزساختارهای معمولی این دو آلیاژ هستند در شکل 1 ارائه شده است. به عنوان یک رویکرد اولیه، این تفاوت ها را می توان از نظر دندریت ثانویه مشخص کرد فاصله بازوها (SDAS). این مقدار با شناسایی تک تک دندریت های آلومینیومی تعیین می شود. خطی سپس از روش رهگیری برای اندازه گیری SDAS استفاده می شود. چهل دندریت از هر ماده برای ارزیابی آنالیز شد آلیاژ A به طور کامل نمایانگر چیزی است که در اجزای صنعتی یافت می شود. در واقع، تمام نمونه های مورد استفاده برای هر دو تجزیه و تحلیل ریزساختاری و آزمون خستگی از سر سیلندر استخراج شد. به منظور داشتن یک بسیار بزرگتر حجمی که می‌توان از آن نمونه‌های خستگی استخراج کرد، فرآیند ریخته‌گری صنعتی کمی اصلاح شد تغییرات ریزساختاری ناچیز در آلیاژ. سپس نمونه های آزمایشی به صورت نزدیک از جزء استخراج شدند نزدیکی به مناطق بحرانی برای شکست خستگی در مواجهه با مشکل اصلاح قالب مورد استفاده برای تولید سرسیلندرهای ریخته گری فوم گم شده، یک قالب در شکل بشقاب ترجیح داده شد. در نتیجه، و به دلیل تفاوت اساسی در هندسه و حجم بین در مورد سرسیلندرها و قالب مورد استفاده، لازم به ذکر است که ریزساختار و جمعیت عیب آلیاژ B نماینده مواد موجود در اجزای ساخته شده نیستند. 2.2. جمعیت منافذ و شناسایی عیوب بحرانی جمعیت منافذ و عیوب بحرانی با استفاده از دو روش مختلف مشخص شدند. تجزیه و تحلیل منافذ توزیع بر اساس روش متالوگرافی ارائه شده توسط موراکامی [12] است. این تحلیل انجام شده است از طریق مشاهدات میکروسکوپی نوری از نمونه های صیقلی. روی هر نمونه، چندین مشاهدات انجام می شود، با استفاده از یک منطقه بازرسی ثابت S0. تنها بزرگترین منافذ هر میکروگراف نوری برای آن در نظر گرفته شده است تجزیه و تحلیل مورفولوژیکی (شکل 2.a)، به منظور استخراج توزیع ارزش شدید اندازه منافذ. توصیف نقص بحرانی بر اساس تجزیه و تحلیل سطوح شکست خستگی نمونه‌های آزمایش شده در آن است خستگی. هر نمونه برای شناسایی و اندازه گیری اندازه نقص ریخته گری در منشاء خستگی بررسی می شود. شکست برای آلیاژهای A و B (شکل 2.b). هنگامی که چندین ترک بر روی سطح شکست خستگی یافت می شود، فقطنقص در منشا ترک اصلی در نظر گرفته می شود. در مواردی که می توان چندین نقص را برای یکسان یافت ترک، عیوب واقع در نزدیکی سطح در نظر گرفته می شود. دلیل اصلی این امر این است که ترک ها ترجیحاً در شروع می شوند. 2.3. شرایط آزمایشی 2.3.1. آزمایش خستگی بر روی نمونه ها تمام تست‌های خستگی نشان‌داده‌شده در زیر در دمای محیط بر روی دستگاه تست تشدید Rumul انجام شد 90-110 هرتز تمام تست های خستگی با هندسه نمونه مشابه موجود در [2] به منظور حذف انجام شد. جلوه هر اندازه دو شرایط بارگذاری، تنش-پیچش ترکیبی با نسبت دو محوری 0.5 و بارگذاری تک محوری، در این مشارکت مورد بررسی قرار می گیرند. برای هر شرایط بارگذاری، بین 15 تا 20 نمونه آزمایش شده است. همه تست‌های خستگی تحت بار متناوب متقارن (R=-1)، با استفاده از تکنیک پلکانی، برای ارزیابی قدرت خستگی در 2.106 سیکل. یک پله 10 مگاپاسکال برای پروتکل راه پله استفاده شد. معیار توقف بود برای اطمینان از وجود یک ترک خستگی به طول تقریبی 3 میلی متر انتخاب شده است. به منظور مشخص کردن تأثیر نقص در استحکام خستگی، تمام نمونه‌هایی که در روند راه پله در دامنه تنش یک پله بالاتر برای 2x106 چرخه اضافی دوباره آزمایش شد. این بود تا زمانی که شکست مشاهده شد و سطح استرس مرحله نهایی به عنوان قدرت خستگی در نظر گرفته شد، تکرار شد [16]. این این روش به طور مرتب برای بررسی تأثیر عیوب بر قدرت خستگی استفاده می شود. 2.3.2. تست خستگی روی سر سیلندر آزمایش های خستگی در دمای محیط روی سرسیلندری ساخته شده از آلیاژ A انجام شد. این آزمایش ها انجام می شود. برای هر توسعه موتور جدید به منظور ارزیابی میانگین قدرت خستگی قطعه. این تست بارگذاری موثر موجود در شرایط بارگیری در حین خدمت، به ویژه بارگذاری فشار ناشی از احتراق حتی اگر شرایط آزمون بسیار دور از شرایط ضمن خدمت باشد، این آزمون بارگذاری مناطق بحرانی را تا حد امکان به شرایط در حال خدمت، به ویژه از نظر اندازه، امکان می دهد. از مناطق بارگذاری شده و شیب تنش. ادغام چنین آزمایشاتی در پروتکل اعتبارسنجی سرسیلندر می باشد از اهمیت ویژه ای برخوردارند زیرا ابزاری کارآمد برای اعتبارسنجی روش طراحی عددی و برای جلوگیری از خطاهای بزرگ طراحی چهار بلوک فلزی روی سطوح تماس پیچ‌های نصب سیلندر (با رنگ سبز مشخص شده است) شکل 3-ب) به عنوان تکیه گاه استفاده می شود. بار توسط یک نیروی عمودی در مرکز عرشه آتش برای هر یک اعمال می شود سیلندر با استفاده از یک قالب در مرکز سوراخ شمع (شکل 3-a را ببینید). اگرچه این شرایط مرزی ساده است منجر به حالت های تنش واقعی در مناطق بحرانی می شود که در سمت آب یک گذرگاه خنک کننده قرار دارند (شکل 3.c را ببینید). تمام تست‌های خستگی با نسبت بار مثبت (R=0.1) با استفاده از تکنیک پلکانی برای ارزیابی قدرت خستگی در سیکل های 2×106. از آنجایی که وجود ترک خستگی در طول آزمایش قابل تشخیص نیست، تمام آزمایشات انجام می شودتا 2x106 چرخه انجام شده است. وجود یک ترک خستگی پس از آزمایش، با برش سر سیلندر تجزیه و تحلیل می شود سپس با بررسی مایع نافذ رنگ و در صورت لزوم باز کردن ترک ها. منابع:[1] ASTM E155-15, Standard Reference Radiographs for Inspection of Aluminum and Magnesium Castings, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2015, www.astm.org [2] Le, V. D., Morel, F., Bellett, D., Saintier, N., & Osmond, P. (2016). Multiaxial high cycle fatigue damage mechanisms associated with the different microstructural heterogeneities of cast aluminium alloys. Materials Science and Engineering: A, 649, 426-440. [3] Imade Koutiri, Daniel Bellett, Franck Morel, Louis Augustins, and Jérome Adrien. High cycle fatigue damage mechanisms in cast aluminium subject to complex loads. International Journal of Fatigue, 47(0):44 – 57, 2013. [4] Q.G. Wang, D Apelian, and D.A Lados. Fatigue behavior of a356-t6 aluminum cast alloys. part i. effect of casting defects. Journal of Light Metals, 1(1):73 – 84, 2001. editor:a.salemi