بررسي اثر اضافه بار بر عمر خستگي نمونه‌هاي CT فولاد AISI4140 به صورت آزمون تجربي و حل عددي

Experimental and numerical investigation of overload effects on fatigue life of AISI 4140 steel

در اين مقاله، اثر اضافه بار بر عمر خستگي نمونه‌هاي CT فولاد AISI 4140 بررسي شده است. پژوهش شامل دو بخش آزمون‌هاي تجربي و حل عددي مدل اجزا محدود است. ابتدا آزمون‌هاي خستگي مطابق استاندارد E647، بدون اضافه بار انجام شد و سپس آزمون‌هاي بعدي بر روي نمونه‌هاي مشابه با اعمال اضافه بار با نسبت هاي 5/1 و 75/1 صورت گرفت. در بخش دوم، آزمون‌هاي رشد ترك در نرم افزار آباكوس به-صورت الاستيك-پلاستيك و بر مبناي مدل بسته شدن ترك شبيه سازي شد. اثر اضافه بار با درنظر گرفتن دو پارامتر ضريب شدت تنش موثر و انتگرال J موثر با ارايه روابطي جديد مورد بررسي قرار گرفته است. نتايج آزمون‌هاي تجربي بيانگر افزايش عمر خستگي به ترتيب %24 و %46 براي اضافه بارهاي 5/1 و 75/1 مي‌باشد. مقايسه نتايج نيروي بازكننده ترك روش عددي و روش تجربي حاكي از دقت 89 درصدي در طول ترك mm5 است. مقايسه عمر خستگي به روش عددي و آزمون‌هاي تجربي رشد ترك نشان دهنده قابل اعتماد بودن شبيه سازي‌ها بوده كه حداكثر خطاي مدل ضريب شدت تنش موثر و مدل انتگرال J موثر به ترتيب 10%+ و 6%- است. مقايسه مدل ارايه شده در اين پژوهش با مدل هارمن نشان داد كه تعداد كمتر آزمايش هاي تجربي مورد نياز از مزيت هاي مدل پيشنهادي و حجم محاسباتي كمتر از مزاياي مدل هارمن است.

Experimental and numerical analysis of a single overload on the fatigue life of AISI 4140 CT specimens was studied. Fatigue tests were conducted on base line CT specimen under single overload ratios of 1.5 and 1.75. Numerical analyses were performed on 2D incorporating the stress intensity factor and the J-integral as driving force. Furthermore, ABAQUS commercial software was used to simulate elastic-plastic crack growth and crack closure. Overload-induced retardation effects on the crack growth rate are considered based on the crack closure concept. A novel model for considering pre-overload and post overload effect on the crack growth is introduced. This model is based on the effective stress intensity factor and the effective J value. Overload increases fatigue lives by factors of 1.24 and 1.5 for overload ratios of 1.5 and 1.75, respectively. Two dimensional FEM results are in good agreement with the experiment with a maximum error of 10% using stress the intensity factor based method and -6% using the J integral based method. Comparing present paper method with Harmain model indicates that this model requires fewer experiments and Harmain model requires less calculation.