Fatigue crack growth prediction under mode I loading in friction stir aluminum alloy weld
Authors: Τζαμτζής Ανδρέας 
Published: August 2021

Στην αεροναυπηγική, οι συνδέσεις των δομικών μερών του αεροσκάφους πραγματοποιούνται κυρίως με χρήση ήλων. Τα τελευταία χρόνια η αυξημένη απαίτηση για μείωση του λειτουργικού κόστους και του κόστους παραγωγής, οδήγησε στην αναζήτηση νέων τεχνολογικών λύσεων με στόχο την αντικατάσταση των ηλωτών συνδέσεων και τη δημιουργία ενιαίων δομικών στοιχείων. Μία από τις εναλλακτικές λύσεις προς αυτή την κατεύθυνση είναι η εφαρμογή προηγμένων τεχνολογιών συγκόλλησης σε δομικά μέρη τουαεροσκάφους σε συνδυασμό με την χρήση κραμάτων αλουμινίου υψηλής αντοχής, με αυξημένη αντοχή στην εξέλιξη βλάβης. Στις συγκολλητές κατασκευές, η ύπαρξη ατελειών, ανομοιόμορφης μικροδομής και παραμενουσών τάσεων που προκύπτουν κατά την διαδικασία της συγκόλλησης, επηρεάζουν σημαντικά την εξέλιξη ρωγμής κόπωσης κατά την φόρτιση λειτουργίας του αεροσκάφους. Αυτό είναι ένα κρίσιμο πρόβλημα που πρέπει να ληφθεί υπόψη κατά το σχεδιασμό. Ταυτόχρονα, η ανάπτυξη αναλυτικών μοντέλων για την πρόβλεψη εξέλιξης ρωγμής σε συγκολλητές κατασκευές απαιτεί προσεκτική μελέτη των μηχανισμών πουεπηρεάζουν την εξέλιξη ρωγμής μέσα στην περιοχή συγκόλλησης. Η ανάλυση της συμπεριφοράς εξέλιξης ρωγμής κόπωσης σε στοιχεία με συγκόλληση είναι πολύπλοκη λόγω: i) της ανομοιογενούς μικροδομής στην περιοχή της συγκόλλησης και ii) των παραμενουσών τάσεων που δημιουργούνται στο υλικό κατά την διάρκεια της συγκόλλησης.Στην παρούσα διατριβή πραγματοποιήθηκε πειραματική και αναλυτική μελέτη της συμπεριφοράς εξέλιξης ρωγμής κόπωσης τύπου θραύσης 1 σε συγκόλληση τριβής με ανάδευση κράματος αλουμινίου. Η μεθοδολογία περιλαμβάνει την μελέτη της επίδρασης της ανομοιογενούς μικροδομής και των παραμενουσών τάσεων συγκόλλησης στην εξέλιξη ρωγμής κόπωσης. Οι παραπάνω παράμετροι μελετήθηκαν ανεξάρτητα ώστε να αποτιμηθεί η εκάστοτε επίδραση ξεχωριστά. Για την επίτευξη του σκοπού αυτού, η επίδραση της ανομοιογενούς μικροδομής συγκόλλησης στον ρυθμό εξέλιξης ρωγμής απομονώθηκε από τις παραμένουσες τάσεις της συγκόλλησης με χρήση ειδικής θερμικής κατεργασίας στο μέταλλο βάσης για την παραγωγή υλικού που να προσομοιάζει την μικροδομή της θερμικά επηρεασμένης ζώνης (ΘΕΖ) της συγκόλλησης. Η θερμική κατεργασία οδήγησε στην δημιουργία υλικού με μικροδομικά χαρακτηριστικά και μηχανικές ιδιότητες παρόμοιες με αυτές που παρατηρήθηκαν στη ΘΕΖ. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε αποτίμηση της επίδρασης της μικροδομής της ΘΕΖ στο ρυθμό εξέλιξης ρωγμής κόπωσης. Η ταυτόχρονη επίδραση μικροδομής και παραμενουσών τάσεων στον ρυθμό εξέλιξης ρωγμής πραγματοποιήθηκε με πειράματα εξέλιξης ρωγμής κόπωσης σε περιοχή συγκόλλησης τριβής με ανάδευση κράματος αλουμινίου 2024 Τ3. Στα πλαίσια της Διατριβής αναπτύχθηκε αναλυτικό μοντέλο για την εκτίμηση της εξέλιξης ρωγμής και της διάρκειας ζωής σε κόπωση κραμάτων αλουμινίου που περιέχουν συγκόλληση. Το μοντέλο λαμβάνει υπόψη για την πρόβλεψη της εξέλιξης ρωγμής κόπωσης: i) την επίδραση της τοπικά μεταβαλλόμενης μικροδομής του υλικού γύρω από την περιοχή της συγκόλλησης και ii) τις παραμένουσες τάσεις που δημιουργούνται στο υλικό λόγω της συγκόλλησης. Για την αξιολόγηση του μοντέλου, τα αναλυτικά αποτελέσματα συγκρίθηκαν με πειραματικά αποτελέσματα εξέλιξης ρωγμής σε κόπωση που πραγματοποιήθηκαν σε δοκίμια κράματος αλουμινίου που περιέχει συγκόλληση.