بررسی رفتار خستگی سایشی در ورقهای سوراخ دار آلومینیوم 2024-تی 3 تقویت شده با روش انبساط سرد

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 تبریز*مهندسی مکانیک دانشگاه تبریز

2 گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

چکیده

ورق‌های دارای انبساط سرد به صورت گسترده در اتصاالت پیچ و مهره که تحت نیروی پیشبار می‌باشند، بکار می‌روند. مطالعات گذشته در مورد تاثیر انبساط سرد و نیروی پیش‌بار بر روی رفتار خستگی در اتصالات پیچ و مهره نشان داده‌اند که میزان درصد انبساط سرد به صورت قابل توجهی بر روی رفتار خستگی اتصالات تاثیرگذار بوده و احتمال وقوع خستگی سایشی را افزایش می‌دهد. برای درک بهتر این پدیده لازم است تا اطلاع دقیق‌تری در مورد تاثیر انبساط سرد بر روی تغییرات نیروی اصطکاک در طول بارگذاری خستگی سایشی و تاثیر آن بر روی توزیع تنش در نواحی اطراف محل تمرکز تنش بدست آورد. بدین منظور در این مقاله، با طراحی دستگاه مناسب، شرایط بارگذاری خستگی سایشی بر روی ورقه‌ای سوراخدار ایجاد شده و نمونه‌های دارای انبساط سرد تحت شرایط بارگذاری مختلف قرار گرفته‌اند. همچنین از شبیه‌سازی عددی به منظور تخمین توزیع تنش‌های پسماند ناشی از انبساط سرد و بررسی تاثیر آن بر روی رفتار خستگی سایشی استفاده شده است. جهت مقایسه مقاومت خستگی سایشی در نمونه‌های مختلف از پارامتر اسمیت واتسون تاپر استفاده شده است. نتایج بدست آمده نشان می‌دهند که انجام انبساط سرد تاثیر تمرکز تنش را در نواحی نزدیک به سوراخ کاهش می‌دهد. این در حالی است که در نواحی دورتر از سوراخ به دلیل ایجاد تنش‌های پسماند کششی احتمال وقوع خستگی سایشی را افزایش می‌دهد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

On the Fretting Fatigue Behavior of the Cold Expanded Aluminum Alloy 2024-T3 Plates

نویسندگان [English]

  • Navid Chakherlou Tajbakhsh 1
  • Pouya Shahriary 2
1 Faculty of Mechanical Eng. University of Tabriz
2 Mechanical engineering department, Mechanical engineering faculty, Tabriz university, Tabriz, Iran.
چکیده [English]

Cold expanded holed plates are widely used in bolted joints which are subjected to clamping force. Previous studies on the effect of clamping force together with cold expansion on the fatigue behavior of the bolted joints revealed that the size of cold expansion has a great influence on the fatigue durability of these joints due to the increase of the possibility of fretting fatigue occurrence. For better understanding this phenomenon, it is necessary to have detailed information about the effect of cold expansion on frictional force evolution during fatigue loading and the resulting stress field around the stress concentration zone. Therefore, in this paper, the fretting fatigue testing apparatus was designed and fabricated for conducting fretting fatigue tests on the cold expanded specimens. Moreover, finite element simulation was used for evaluation of the residual stress distribution due to cold expansion and its effect on the fretting fatigue behavior of the joint. Smith-Watson-Topper multiaxial fatigue parameter was engaged for comparing the fatigue durability of the test specimens. The obtained results indicated that the cold expansion process reduces the stress concentration effect near the hole edge while it increases the possibility of fretting fatigue occurrence by generating tensile residual stress at areas away from the hole edge.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Fretting fatigue؛ Cold expansion؛ Finite element
  • Frictional force
  • Bolted joints

مراجع

[1] T. Lindley, Fretting fatigue in engineering alloys, International journal of fatigue, 19(93) (1997) 39-49.
[2] J. Dobromirski, Variables of fretting process: are there 50 of them?, ASTM Special Technical Publication, 1159 (1992) 60-60.
[3]  C. Ruiz, P. Boddington, K. Chen, An investigation of fatigue and fretting in a dovetail joint, Experimental mechanics, 24(3) (1984) 208-217.
[4]  C. Jiménez-Peña, R.H. Talemi, B. Rossi, D. Debruyne, Investigations on the fretting fatigue failure mechanism of bolted joints in high strength steel subjected to different levels of pre-tension, Tribology international, 108 (2017) 128-140.
[5]  F. Xue, Z.-X. Wang, W.-S. Zhao, X.-L. Zhang, B.P. Qu, L. Wei, Fretting fatigue crack analysis of the turbine blade from nuclear power plant, Engineering failure analysis, 44 (2014) 299-305.
[6] M. Zehsaz, P. Shahriary, Studying the Effect of Fillet on Fretting Fatigue Strength in the Press-Fitted Axle Assembly using Different Multiaxial Fatigue Criteria and Fretting Fatigue Damage Darameter, Journal of Computational Methods In Engineering, 34(2) (2016) 159-175.
[7] Y.-l. Wang, Y.-l. Zhu, S. Hou, H.-x. Sun, Y. Zhou, Investigation on fatigue performance of cold expansion holes of 6061-T6 aluminum alloy, International journal of fatigue, 95 (2017) 216-228.
[8] A. Benhamena, A. Talha, N. Benseddiq, A. Amrouche, G. Mesmacque, M. Benguediab, Effect of clamping force on fretting fatigue behaviour of bolted assemblies: Case of couple steel–aluminium, Materials Science and Engineering: A, 527(23) (2010) 6413-6421.
[9]  D. Croccolo, M. De Agostinis, L. Ceschini, A. Morri, A. Marconi, Interference fit effect on improving fatigue life of a holed single plate, Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, 36(7) (2013) 689-698.
[10]  A. Özdemir, R. Hermann, Effect of expansion technique and plate thickness on near-hole residual stresses and fatigue life of cold expanded holes, Journal of materials science, 34(6) (1999) 1243-1252.
[11] T. Chakherlou, M. Razavi, B. Abazadeh, Finite element investigations of bolt clamping force and friction coefficient effect on the fatigue behavior of aluminum alloy 2024-T3 in double shear lap joint, Engineering failure analysis, 29 (2013) 62-74.
[12] T. Chakherlou, M. Shakouri, A. Akbari, A. Aghdam, Effect of cold expansion and bolt clamping on fretting fatigue behavior of Al 2024-T3 in double shear lap joints, Engineering failure analysis, 25 (2012) 29-41.
[13] N.E. Dowling, Mechanical behavior of materials: engineering methods for deformation, fracture, and fatigue, Pearson, 2012.
[14] ASTM, E2789-10(2015), in:  Standard Guide for Fretting Fatigue Testing, West Conshohocken, ASTM International.
[15]  J. Pape, R. Neu, Influence of contact configuration in fretting fatigue testing, Wear, 225 (1999) 1205-1214.
[16]  P. Shahriary, T. Chakherlou, Investigating the effect of cold expansion on frictional force evolution during fretting fatigue tests of AL2024-T3 plates, International journal of mechanical sciences, 135 (2018) 146-157.
[17]  Ansys release 13.0, in:  Documentation, ANSYS Inc.
[18]  L. Yongshou, S. Xiaojun, L. Jun, Y. Zhufeng, Finite element method and experimental investigation on the residual stress fields and fatigue performance of cold expansion hole, Materials & Design, 31(3) (2010) 1208-1215.
[19]  M.W. Ozelton, T.G. Coyle, Fatigue life improvement by cold working fastener holes in 7050 aluminum, in:  Fatigue in mechanically fastened composite and metallic joints, ASTM International, 1986.
[20]  Y. Zhang, M.E. Fitzpatrick, L. Edwards, Analysis of the Residual Stress around a Cold-expanded Fastener Hole in a Finite Plate, Strain, 41(2) (2005) 59-70.
[21]  K. Smith, P. Watson, T. Topper, â A Stress-Strain Function for the Fatigue of Metals, â J, Mater, 5(4) (1970) 767â-778.
[22]  C.D. Lykins, S. Mall, V.K. Jain, Combined experimental–numerical investigation of fretting fatigue crack initiation, International journal of fatigue, 23(8) (2001) 703-711.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 52، شماره 5
مرداد 1399
صفحه 1193-1212

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار