FRACTURE ASSESSMENT OF NOTCHED 2099-T83 ALUMINUM-LITHIUM SPECIMENS UNDER TENSILE STATIC LOADING

FRACTURE ASSESSMENT OF NOTCHED 2099-T83 ALUMINUM-LITHIUM SPECIMENS UNDER TENSILE STATIC LOADING. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF (Master Thesis)
Master Thesis - Abdullateef Almutairi (200940790) R.pdf - Accepted Version
Restricted to Repository staff only until 26 October 2021.

Download (2MB)

Arabic Abstract

جذبت سبائك الألمونيوم الليثيوم انتباه الباحثين لصلابتها وقوتها العالية مصحوبة بخصائص منخفضة الكثافة وإمكانية استخدامها على نطاق واسع من التطبيقات الهندسية. وتزامنا مع رؤية المملكة العربية السعودية 2030 التي تهدف إلى تحقيق اقتصاد قائم على المعرفة من خلال توطين صناعات التطبيقات الهندسية وخاصة في المجالات العسكرية والدفاعية حيث تلعب سبائك الألمونيوم الليثيوم دورًا حيويًا في صناعة الطائرات. تعد النمذجة الرقمية الهندسية للتنبؤ بقدرة تصميم الحمل أو تقييم العمر المتبقي للعضو الهندسي المحزوز أمرًا ضروريًا؛ إلا أنها تعتبر عملية طويلة ومكلفة. وللحاجة لعملية أسهل، قام الباحثون والمهندسون بتطوير واستكشاف العديد من الطرق البسيطة لتحليل وفهم كيفية فشل المواد في ظل أنواع مختلفة من الأحمال والتصاميم والانقطاعات المرتبطة بالتشغيل. إحدى الطرق الرئيسية التي يتم استكشافها للتنبؤ بسلوك المواد في ظل الأحمال الثابتة والدورية هي معيار كثافة الطاقة. يوحي نهج معيار كثافة الطاقة بما يلي: يحدث الفشل في المواد عندما يصل متوسط الطاقة المبذولة الإجمالية على حجم معروف متحكم فيه. يمكن استخلاص القيمة الحرجة لكثافة طاقة السلالة تحليليًا باستخدام خصائص المواد مثل؛ قوة الشد المطلقة للمادة غير المحززة، ومتانة كسر الانفعال، ومعامل "يونج" للمادة المراد دراستها. في هذا البحث تمت دراسة قابلية تطبيق ودقة معيار كثافة الطاقة من خلال تقييم قدرتها على التنبؤ بالكسر الساكن للعينات المحززة على شكل U و V والتي تم تشكيلها من سبيكة الألمنيوم الليثيومAW2099-T83 . في البداية تم اختبار العينات الملساء تحت حمل الشد الثابت لفهم سلوك الكسر الساكن لسبائك الألمنيوم الليثيوم. تمت دراسة خمس عينات مسننة على شكل حرف U بنصف قطر قطع مختلف (1.5 مم، 3.0 مم، 4.0 مم، 5.0 مم، 6.0 مم) وستة مسننة على شكل حرف V ثلاث منها بنصف قطر قطع 0.4 مم وزاويا قطع مختلفة (35 درجة، 60 - درجة و90 درجة) وبالمثل للثلاثة المتبقية بنصف قطر درجة 0.8 مم. تم تشكيل جميع العينات واختبارها حتى الانكسار. تم حساب طاقة الإجهاد للعينة الملساء بناءً على إجهاد الشد النهائي ومعامل المرونة. من ناحية أخرى، تم تقييم كثافة طاقة الإجهاد لكل قطع باستخدام برنامج ANSYS ومن ثمَ تم تحديد نصف القطر الحرج لـ AW2099-T83. إجهاد الكسر الناتج في منطقة القطع مساوي تقريبًا لنفس قيمة الإجهاد المستوحاة من التجربة العملية. أظهر معيار كثافة الطاقة نطاقًا عاليًا من الدقة يزيد عن 85٪ لأحمال الكسر المتوقعة مقابل القيم المستوحاة من التجربة العملية. تم تقييم تأثير ثلاثي محاور الضغط على حمل الكسر باستخدام معادلة الإجهاد ثلاثي المحاور، ولوحظ أنه كلما زاد نصف قطر القطع الهندسي، تنخفض قيمة ضغط ثلاثي المحاور وبالتالي ينخفض حمل الكسر المطلوب لكسر العينات. تم التحقق من ان ضغط ثلاثي المحاور له دور مهم في قيمة الحمل المطلوب لكسر العينات ويجب أخذه في الاعتبار عند تحليل السلوك الميكانيكي للمواد المطاوعة.

English Abstract

Al-Li alloys attracted researcher’s attention due to their widespread uses for high strength and stiffness accompanied with low density properties. Saudi Arabia 2030 vision is aiming toward a knowledge-based economy through localization of engineering industries especially in military and defense fields where Al-Li is playing a vital role in aerospace and aircrafts manufacturing. Engineering numerical modelling to predict load design capacity or evaluation of the remaining life of notched engineering member is essential however, it is a lengthy and costly process. Researchers and engineers developed and explored several methods to analyze and understand material failure mode under different type of loadings, design and operating-related discontinuities. One of the main methods that are explored for predicting materials behavior under static and cyclic loadings is the strain energy density (SED) criterion. The SED approach suggests that failure of a material occurs when total strain energy averaged over a critical controlled volume with a radius 𝑅𝑐 surrounding a notch tip or crack reaches or exceeds its critical value 𝑊 > 𝑊𝑐. The applicability and accuracy of the strain energy density (SED) was studied by assessing its predictability of static fracture for U and V notched specimens machined from AW2099-T83 Al-Li alloy. Smooth specimens were tested under static tensile load to understand the static fracture behavior of Al-Li alloy. Five U-notched specimens with different notch radius (1.5 mm, 3.0 mm, 4.0 mm, 5.0 mm and 6.0 mm) and six V-notch in which three are with 0.4 mm notch radius and distinctive different notch angle (35-degree, 60-degree and 90-degree) and similarly for the remaining three with 0.8 mm notch radius. All specimens were machined and tested monotonically to failure. Strain energy for smooth specimen was calculated based on ultimate tensile stress and modulus of elasticity. On the other hand, the strain energy density for each notch geometry was evaluated using ANSYS finite element software. The critical radius was determined for AW2099-T83. The resulted fracture stress at notch area is almost similar to the same in experiment. The SED has shown high range of accuracy more than 85% for the predicted fracture loads against experiment. Effect of stress triaxiality on fracture load was evaluated using stress triaxiality equation and observed that, as the notch radius increases stress triaxiality decreases hence decreasing the fracture load required to break the specimens. Stress triaxiality is found to have an important role in fracture loading and need to be considered when analyzing the mechanical behavior for ductile materials.

Item Type: Thesis (Masters)
Subjects: Engineering
Research > Engineering
Mechanical
Department: College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor: Albinmousa, Jafar
Committee Members: Merah, Nesar and Ahmed, Morsi
Depositing User: ABDUL-LATE AL-MUTAIRI (g200940790)
Date Deposited: 26 Nov 2020 08:21
Last Modified: 26 Nov 2020 08:21
URI: https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/141733