KFUPM ePrints

A Numerical Modeling Approach for Transformation-Induced Failures

l A Numerical Modeling Approach for Transformation-Induced Failures. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img]PDF (MSc Thesis) - Accepted Version
Restricted to Abstract Only until 15 June 2015.

39Mb

Arabic Abstract

التحولات في الطور تأخذ تأثيرا مهما في السلوك الميكانيكي للمواد. وفي بعض الأحيان تعزز هذه التحولات بعمليات إنتشار الجزيئات الكميائية من البيئة المحيطة.فى هذه الرسالة تم التركيز على حالتين لتوقع التغير فى الطور عن طريق الإنتشار هما التآكل الساخن لطلاء الجدار الحرارى (TBCs) و إنتشار النيتروجين فى الحديد. نتيجة لإنتشارأوكسيد الفناديوم (V2O5)، تحولت الزيركونيا من الطور الآحادى الى الطور الرباعى خلال التأكل الساخن لطلاء الجدار الحرارى. نتيجة للزيادة الحجمية بمقدار 4-5% المصاحبة للتحول تكونت إجهادات عالية فى مادة الزيركونيا (الطبقة الخارجية) هذه الإجهادات سببت الفشل الميكانيكى. وبالمثل، فإن تشكيل طبقة الإنتشار والطبقة المركبة خلال مرحلتي إنتشار النيتروجين فى قالب الحديد(AISI H 13) نتج عنه تكوين و نمو الاجهادات المتبقية نتيجة عدم للزيادة الحجمية و الفرق في الخصائص الميكانيكية لأطوار الترافق.نتيجة للأجهادات العالية المتبقية وبالأخص فى اركان قوالب الألمونيوم المستخدمة فى البثق أدت الى هشاشة القالب. وفي النهاية إلى إنهيار القالب. في هذه الدراسة الحالية، قدرت حركية التطور الجزئي التركيبى خلال التحولات المذكورة آنفاً باستخدام نموذج مجال الطور(PFM) المدمج مع المرونة والذي تم تقييمه بالمقارنة مع النتائج المعملية. ايضا تم توقع اجهادات الانهيار خلال تحولات الطور بدقة. وقد استخدمت في هذه الدراسة ايضا النسخة التجارية من برنامج العناصر المحددة (finite element package, COMSOL Multi-physics 4.3) لتنفيذ النموذج العددي. وقد أثبتت النتائج فعاليةالنموذج في تحليل إجهادات التحول المسببة للإنهيار.

English Abstract

Phase transformations have a significant impact on the mechanical behavior of materials. Sometimes they are induced by diffusion of a chemical species from the external environment. Two cases of diffusion-induced phase transformations considered in the current work are the hot corrosion of Thermal Barrier Coatings (TBCs) and gas nitriding of steel. As a result of diffusion of V2O5, transformation of zirconia from the monoclinic to tetragonal phase occurs during the hot corrosion of TBCs. Due to the 4-5% volumetric expansion that is associated with the transformation, high stresses are developed in the material which leads to the failure of the material. Similarly, the evolution of the diffusion and compound layers during the two-stage controlled gas nitriding of AISI H 13 tool steel result in the development of residual stresses due to the volume misfit and difference in the mechanical properties of the coexisting phases. The high magnitudes of the residual stresses, especially at the sharp corners of Aluminum extrusion dies, results in severe brittleness and subsequent failure of the dies. In the current work, the kinetics of microstructure evolution during the aforementioned phase transformations is estimated using a Phase Field Model (PFM) that is coupled with elasticity. The model is validated by comparison with experimental results. The failure stresses that develop during the transformations are accurately predicted. Commercial finite element package, COMSOL Multi-physics 4.3 is utilized for the numerical implementation. The results show that the model can be used in predicting transformation-induced failures.



Item Type:Thesis (Masters)
Subjects:Environmental
Engineering
Chemical Engineering
Research
Mechanical
Petroleum
Divisions:College Of Engineering Sciences > Mechanical Engineering Dept
Committee Advisor:Akhtar, Syed Sohail
Committee Members:Arif, Abul Fazal M. and Al-Athel, Khaled Saleh
ID Code:139304
Deposited By:ABBA ABDULHAMID ABUBAKAR (g201201760)
Deposited On:18 Jun 2014 11:52
Last Modified:18 Jun 2014 11:52

Repository Staff Only: item control page