Friction Stir Processing Effects on Fatigue Crack Propagation in Super Duplex Stainless Steel.

Friction Stir Processing Effects on Fatigue Crack Propagation in Super Duplex Stainless Steel. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF
Eyasin_MS_thesis(201707550).pdf - Accepted Version
Restricted to Repository staff only until 22 December 2021.

Download (6MB)

Arabic Abstract

يتزايد إستخدام الفولاذ المزدوج المقاوم للصدأ (DSSs) في عدة صناعات نسبةً لأدائه الأفضل مقارنةً بالدرجات التقليدية من الفولاذ المارتنسيتي و الفريتي المقاومة للصدأ. الفولاذ المزدوج المقاوم للصدأ ، وبصورة رئيسة الفولاذ المزدوج الفائق المقاوم للصدأ (((SAF 2507) UNS S32750) DSS) ، تعتبر مواد ممتازة لمحطات تحلية المياه ، محطات توليد الطاقة الكهربائية ، ومصانع البتروكيميائيات. لذا فإن معرفة سلوك الإجهاد للمواد الناشئة كالفولاذ المزدوج الفائق المقاوم للصدأ (SDSS) هو عنصر أساسي في تصميم هياكل ومكونات الآلات لأن من المعلوم أن هذ النوع من الأحمال يتسبب في 80-إلى 90٪ من جملة الأعطال في مجال الصناعة. المعالجة بطريقة الإحكتاك التحركي (FSP) هي تقنية لتصغير الحبيبات تُحسن من الخواص الميكانيكية للمعادن (أي أنها تحسن من خصائص الإجهاد والكسر). الهدف من هذا الدراسة هو تقصي آثار المعالجة بطريقة الإحكتاك التحركي (FSP) على الفولاذ المزدوج الفائق المقاوم للصدأ ((SAF 2507) UNS S32750) وتحديداً على خصائص تمدد الشق الناتج عن الإجهاد (FCP). تم تطبيق معايير المعالجة بطريقة الإحكتاك التحركي (FSP) المثلى لمعالجة صفائح من الفولاذ المزدوج الفائق المقاوم للصدأ (SAF 2507) في إتجاه الدرفلة. تم اختبار الإجهاد لعينات شد صغيرة الحجم (CT) تحت مقدار تحميل ثابت النطاق ، ذو نسبة إجهاد (R) مقدارها 0.1 وتردد قدره 10 هيرتز. تم قياس طول الشق باستخدام كاميرا عالية الدقة. تم تحديد الإجهادات المتبقية الناتجة عن المعالجة بطريقة الإحتكاك التحركي باستخدام تقنية فتحة المثقاب وقيست درجة الحرارة عن طريق كاميرا تصوير بالأشعة تحت الحمراء. تم استخدام المتغيرات التي تم قياسها (كدرجة الحرارة والإجهاد المتبقي ... إلخ) لتأكيد صحة نموذج العناصر المنتهية الذي تم تطويره خصيصاً لأجل المعالجة بتحريك الإحكتاك ولتوضيح بعض آثار المعالجة بطريقة الإحتكاك التحركي على سلوك نمو الشق الناتج عن الإجهاد في الفولاذ المزدوج الفائق المقاوم للصدأ (SAF 2507). أظهرت نتائج الدراسة أن العينات التي تمت معالجتها باستخدام الإحتكاك التحركي للصدأ (FSPed) ذات مقاومة أكبر لنمو الشق الناتج عن الإجهاد (FCG) وعمر كلل أطول مقارنةً بالمادة الأساسية. يعزى ذلك بصورة أساسية لتعرض الحبيبات للتصغير و إعادة تموضعها داخل منطقة التحريك (SZ) التي ينمو خلالها الشق. أظهرت تحليلات المسح المجهري الإلكترني لأسطح الكسور تغيراً كبيراً في الآليات والآليات المصغرة لحدوث الكسر في الفولاذ المزدوج الفائق المقاوم للصدأ (SAF 2507) نتيجة المعالجة بطريقة الإحتكاك التحركي. أسطح الكسور في العينات المعالجة بطريقة الإحتكاك التحركي تميزت بالعديد من مواضع بدايات الشقوق ومسارات تمدد شقوق معقدة ، مما ساهم في إعاقة تمدد الشقوق.

English Abstract

The use of duplex stainless steels (DSSs) is increasing in several industries because of its better performances compared to traditional austenitic and ferritic steel grades. DSSs and mainly super DSS (UNS S32750 (SAF 2507)) are considered excellent materials for desalination plants, power plants, and petrochemical plants. Therefore, understanding the fatigue behavior of emerging materials such as super duplex steel (SDSS) is an essential element in the design of structures and machine components as this type of loading is known to represent 80 to 90% of the total failures in the industry. Friction stir processing (FSP) is a grain refinement technique that improves metals mechanical properties (i.e. enhance metals fatigue and fracture properties). The goal of this study is to investigate the effects of friction stir processing (FSP) of UNS S32750 (SAF 2507) on the fatigue crack propagation (FCP) properties . Optimal FSP parameters are employed to process SAF 2507 plates in the rolling direction. Compact tension specimens (CT) are fatigue tested under constant amplitude load, at a stress ratio (R) of 0.1 and frequency of 10 Hz. Crack length is measured by a high-resolution camera. The developed residual stresses after FSP are determined by the drill-hole technique and the temperature is measured by infrared camera. The measured parameters (such temperature, residual stress etc.) are used to validate the specially developed finite element model for the friction stir process and to explain some of the effects of FSP on fatigue crack growth behavior of the material. The results of this study show that friction stir processed (FSPed) specimens have higher fatigue crack growth (FCG) resistance and fatigue life compared to the base material. This mainly is due to grain refinement and reorientation in the stir zone (SZ), through which the crack grows. Scanning electron microscopic analyses of the fracture surfaces revealed a significant change in fracture mechanisms and micro-mechanisms in SDSS (SAF-2507) due to FSP. FSPed specimens fracture surfaces are characterized by numerous crack initiations site and complicated crack propagation paths, which contributed to the retardation of the crack propagation.

Item Type: Thesis (Masters)
Subjects: Mechanical
Department: College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor: Neçar, Merah
Committee Members: Fadi A., Al-Badour and Syed Sohail, Akhtar
Depositing User: MD. ARAFAT (g201707550)
Date Deposited: 24 Dec 2020 08:03
Last Modified: 24 Dec 2020 08:03
URI: https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/141769