Fatigue Behavior of Metallic Alloys of Different Microstructures

Fatigue Behavior of Metallic Alloys of Different Microstructures. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF (A PhD dissertation on the uniaxial and biaxial fatigue characteristics of three different engineering alloys with different microstructures)
PhD_Dissertation_Adinoyi.pdf - Accepted Version
Restricted to Repository staff only until 19 December 2020.

Download (17MB)

Arabic Abstract

هذا العمل يحقق الرتابة وسلوك الكلال لثلاثة سبائك هندسية مهمة ، وهي سبيكة الألومنيوم - ليثيوم AW2099-T83 ، سبائك المغنيسيوم ZK60A والفولاذ المقاوم للصدأ AISI 410. وقد تم اختيار هذه السبائك لتحقيق مزيج من الخصائص المطلوبة كثيرا في السبائك المعدنية. هذه السبائك منخفضة الوزن و لديها نسبة عالية من المتانة بالنسبة إلى الوزن ومقاومة للتآكل. بدأت الدراسة بتوصيفات البنية المجهرية للسبائك. وقد وجد أن حجم وتوزيع الحبيبات إختلفت بإختلاف الاتجاهات والمواقع في سبائك AW2099-T83 و ZK60A. ومع ذلك توجد نفس الخصائص في الفولاذ المقاوم للصدأ AISI 410 ، بغض النظر عن إتجاه وموقع تحليل الفحص المعدني. تم استخدام هذه النتائج لشرح سلوك بعض السبائك تحت ظروف التحميل الرتيب والكلال. تم إجراء اختبارات الشد والالتواء أحادي الطور على عينات تم تشكيلها بالتوازي مع اتجاه البثق. حيث وجد أن الترتيب التنازلي لمتانة السبائك تحت الشد والالتواء: AISI 410 و AW2099-T83 و ZK60A. حدث أكبر تشوه تحت تحميل ثابت لسبيكة AISI 410 ، بينما أظهرت سبيكة AW2099-T83 الحد الأدنى من اللدونة .أظهرت سبيكة ZK60A أكبر تحمل post-yield strain. تم استخدام الخصائص الميكانيكية التي تم الحصول عليها من هذه الاختبارات في تحليل سلوك التعب من السبائك. تم اختيار مجموعة من مدي الإجهاد لاختبار الكلال تحت محور دوري والتواء دوري و متعدد المحاور ومسارات تحميل متناسبة وغير متناسبة. تم استخدام عينات صلبة ناعمة للتحميل المحوري الدورى بينما تم استخدام العينات الأنبوبية للالتواء الدوري والاختبارات متعددة المحاور. تم وصف سلوك الكلال في جميع مسارات التحميل من خلال حلقات hysteresis ،أعلي إجهاد و الإجهاد المتوسط و اتساع التوتر وحياة التعب. وقد وجد أن حلقات التلاشي من السبائك كانت متماثلة فيما يتعلق بالشكل ، بغض النظر عن مسارات التحميل وسعة الإجهاد. كان الانفعال اللدن موجود في جميع سعات الانفعال المطبقة على سبائك ZK60A و AISI 410 ، ولكن لوحظ فقط في سبيكة AW2099-T83 عند سعة الانفعال الدورية انه قريب من قيمة الانفعال الناتج في monotonic behavior . مستوى الإجهاد الدوري يعتمد على سعة الانفعال المبذول ومتناسب مع متانة monotonic للسبائك. وقد لوحظ انفعال إجهاد دوري في سبيكة AW2099-T83 في دورات الكلال الأولى بسعات عالية من الانفعال ، ولكن لوحظ في الدورات المتأخرة أنه في السعة المنخفضة والمتوسطة السعة. يعتمد متوسط تطور الاجهاد في سبيكة AW2099-T83 على سعات الانفعال المطبقة وعدد الدورات. وجد ان التصلب الدوري غير مهم في سبيكة ZK60A. لوحظ ضغط اجهاد متوسط في سبيكة ZK60A بغض النظر عن سعات الانفعال المطبقة وعدد الدورات. أظهرت سبيكة AISI 410 تليين دوري بغض النظر عن سعة الانفعال ومسار التحميل ، وانخفض مستمر لمتوسط الإجهاد مع عدد دورات الكلال. تم العثور على معاملات الكلال بالنسبة للسبائك الثلاثة في أوضاع التحميل المحورية والالتوائية عن طريق أداء تناسق المنحنى. يرتبط عمر الكلال أحادي المحور للسبائك بعلاقة مترابطة مع معادلة Coffin-Manson. تم تحقيق علاقة مترابطة جيدة مع المعادلة. مع ذلك ، ترتبط معلومات عمر الكلال المحوري لسبيكة AW2099-T83 بشكل أفضل مع معادلة Basquin بسبب عدم وجود انفعال لدن في الاختبارات المحورية الدورية. تحت مسار التحميل ذو المحاور الثنائية ، تم العثور على أن حلقة hysteresis من اختبارات أحادية المحور تم الحفاظ عليها تحت تحميل غير نسبي لـسبيكة AW2099-T83 عند سعة انفعال مماثلة. لم يلاحظ أي اختلاف في حلقة hysteresis لـسبيكة ZK60A في كل مسار التحميل لنفس سعة السلالة المطبقة. وقد لوحظت صلابة حلقية غير متناسبة كبيرة لسبيكة AISI 410. تم التعرف على هذا من خلال تقريب طرف حلقة hysteresis في التحميل غير النسبي. تم استخدام طريقة Von Misses للانفعال المكافىء لتطوير منحنيات عمر الانفعال للسبائك الثلاثة حيث وجد ان التحميل الالتوائي الدوري هو الأكثر تدميرا لسبيكة AW2099-T83. بينما كان مسار التحميل المحوري الدوري أكثر ضررًا بالنسبة لسبيكة ZK60A ، كانت مسارات التحميل متعددة المحاور أكثر تدميراً لسبيكة AISI 410. بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام معايير الطائرة الحرجة Fatemi-Socie (FS)وSmith-Watson-Topper (SWT) للتنبؤ بحياة الكلال تحت جميع مسارات التحميل للسبائك الثلاثة. نتجت FS تنبؤات أفضل من SWT للسبائك الثلاثة ضمن نطاق عامل مبعثر ثنائي. ولقد وجد أن صورة الشرخ في الالتواء الدوري لـسبيكة AW2099-T83 تعتمد على سعة الانفعال المطبقة. لوحظ وجود الشروخ المتفرعة في الاتساع المنخفض للانفعال، ولكن الشروخ المستقيمة نتجت عن سعات الإنفعال العالية. في الكلال متعدد المحاور، تولد الشرخ في سبائك ZK60Aو AISI 410 عمودي علي محور العينة. ومع ذلك في سبيكة AW2099-T83، تحول الشرخ من المستويات المستعرضة إلى الطولية. وجد أن وضع الفشل لعينات الكلال في الاختبارات المحورية الدورية لسبيكة AW2099-T83 يعتمد على سعات الانفعال المطبقة، بينما يتم تكسير سبائك ZK60Aو AISI 410 بطريقة متناسقة بغض النظر عن سعة الانفعال المطبقة. للتلخيص، يمكن تفسير الاختلاف في استجابة الإجهاد للسبائك الثلاثة من خلال الهياكل المجهرية المختلفة وسلوك التفكك للسبائك. تم تقوية البنية المجهرية لسبائك AW2099-T83 بواسطة رواسب قديمة تتفاعل مع التفكك مسببةً تصلبًا دوريًا. ومع ذلك، عندما تم فصل الرواسب بسبب الإجهاد العالي، فقد ضعفت مقاومتها لحركة التفكك وتسبب في تليين دوري. سبيكة ZK60A قوية بسبب انخفاض عدد أسطح الانزلاق في البنية المجهرية ونمط التوأمة في الخلع. مع زيادة عدد الدورات، زاد الخفض ولكن لم يكن هناك مستوى كاف لحركة التفكك. لوحظ تزييت كامل في سبائك AISI 410 بسبب خوائطه المخففة التي لم تحد من حركية التفكك. بالإضافة إلى ذلك، يمكن ربط كلا من الكلال المرتبط بالانفعال و المرتبط بالدورة، استنادا إلى سبائك AW2099-T83 و ZK60A، بهياكلها المجهرية و الذي يظهر أنسجة قوية في هياكل الحبوب بسبب المعالجة. ومع ذلك، لم يلاحظ مثل هذا السلوك في سبائك AISI 410 التي حافظت على نفس هياكل وأحجام الحبوب في جميع الاتجاهات.

English Abstract

This work investigates the monotonic and fatigue behavior of three important engineering alloys, namely, AW2099-T83 aluminum-lithium alloy, ZK60A magnesium alloy and AISI 410 stainless steel. These alloys were selected to meet a combination of properties frequently demanded of metallic alloys. These are low weight, high strength-to-weight ratio and corrosion resistance. The study began with the characterization of the microstructures of the alloys. It was found that grain sizes and distributions varied with orientations and locations in AW2099-T83 and ZK60A alloys. However, they remained the same in AISI 410 stainless steel, regardless of orientation and location of metallographic analysis. These results were used to explain some of the behaviors of the alloys under monotonic and fatigue loading conditions. Monotonic tensile and torsional tests were performed on specimens machined parallel to the extrusion direction. The descending order of the strength of the alloys under tensile and torsion loadings was: AISI 410, AW2099-T83 and ZK60A. The largest deformation under static loading was shown by AISI 410, while AW2099-T83 showed minimal plasticity. ZK60A alloy exhibited the largest post-yield strain work hardening. The mechanical properties obtained from these tests were used in the analysis of the fatigue behavior of the alloys. A range of strain amplitudes were selected for fatigue testing under cyclic axial, cyclic torsion and multiaxial proportional and nonproportional loading paths. Smooth solid specimens were used for cyclic axial loading while tubular specimens were utilized for cyclic torsion and multiaxial testing. Fatigue behavior was characterized in all the loading paths by hysteresis loops, peak stress, mean stress, stress amplitude and fatigue life. It was found that the hysteresis loops of the alloys were symmetrical with respect to shape, regardless of loading paths and applied strain amplitudes. Plastic strain was present at all applied strain amplitudes for ZK60A and AISI 410 alloys, but was only observed for AW2099-T83 alloy at cyclic strain amplitude close to the value of the yield strain in monotonic behavior. Cyclic stress level was dependent on the applied strain amplitude and relative to the monotonic strength of the alloys. Cyclic strain hardening in AW2099-T83 alloy was observed in the early fatigue cycles at high strain amplitudes, but at later cycles in low and intermediate strain amplitudes. Mean stress evolution in AW2099-T83 alloy was dependent on both the applied strain amplitudes and the number of cycles. Cyclic hardening was found to be insignificant in ZK60A alloy. Compressive mean stress was observed in ZK60A alloy regardless of applied strain amplitude and the number of cycles. AISI 410 alloy showed cyclic softening irrespective of strain amplitude and loading path, and its mean stress decreased continuously with the number of fatigue cycles. Fatigue parameters, for the three alloys in axial and torsional loading modes, were found by performing curve fittings. The uniaxial fatigue life of the alloys was correlated with Coffin-Manson equation. Good correlations were generally achieved. However, the axial fatigue life data of AW2099-T83 alloy correlated better with Basquin equation due to the absence of plastic strain in the cyclic axial tests. Under biaxial loading path, it was found that hysteresis loop from uniaxial tests were preserved under nonproportional loading for AW2099-T83 alloy at similar strain amplitude. No difference was observed in the hysteresis loop for ZK60A alloy in the entire loading path for the same applied strain amplitude. Significant nonproportional cyclic hardening was observed for AISI 410 alloy. This was identifiable by the rounding of the tip of the hysteresis loop in nonproportional loading. Von Misses equivalent strain method was used to develop strain-life curves for the three alloys where it was found that cyclic torsional loading was most destructive for AW2099-T83 alloy. While cyclic axial loading path was most damaging for ZK60A alloy, multiaxial loading paths were most destructive to AISI 410 alloy. In addition, Fatemi-Socie (FS) and Smith-Watson-Topper (SWT) critical plane criteria were used to predict fatigue life under all the loading paths for the three alloys. The FS yielded better prediction than SWT for the three alloys within a factor-of-two scatter band. The crack profile in cyclic torsion for AW2099-T83 alloy was found to be dependent on the applied strain amplitude. Branching crack was observed at low strain amplitudes, but straight crack resulted at high strain amplitudes. In Multiaxial fatigue, the crack in ZK60A and AISI 410 alloys grew normal to specimen axis. However, in AW2099-T83 alloy, crack shifted from transverse to longitudinal planes. The failure mode of the fatigue specimens in cyclic axial for AW2099-T83 alloy was found to be dependent on applied strain amplitudes while the ZK60A and AISI 410 alloys fractured in consistent manner regardless of applied strain amplitude. To summarize, the difference in the stress response of the three alloys can be explained by the different microstructures and dislocation behavior of the alloys. The microstructure of AW2099-T83 alloy was strengthened by aging precipitates that interacted with dislocations causing cyclic hardening. However, when the precipitates were sheared due to high stress, their resistance to dislocation movement was weakened and cyclic softening resulted. The ZK60A alloy hardened due to fewer slip planes present in its microstructure and due to twining mode of dislocation. With increase in the number of cycles, dislocation was increased but there was insufficient plane for dislocation mobility to occur. The overall softening observed in AISI 410 alloy was because of its tempered martensite which did not restrict dislocation mobility. In addition, cycle-dependent and strain-dependent fatigue behavior as were seen in AW2099-T83 and ZK60A alloys could be linked to their microstructures both of which exhibit strong texture in their grain structures due to processing. However, such behavior was not seen in AISI 410 alloy which exhibited the same grain structures and sizes in all the orientations.

Item Type: Thesis (PhD)
Subjects: Engineering
Divisions: College Of Engineering Sciences > Mechanical Engineering Dept
Committee Advisor: Merah, Nesar
Committee Members: Laoui, Tahar and Al-Qahtani, Husain Jubran and Mattoug Gasem, Zuhair
Depositing User: MUHAMMED ADINOYI (g201306890)
Date Deposited: 12 Feb 2020 10:02
Last Modified: 12 Feb 2020 10:19
URI: http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140786