Experimental investigation and analytical modeling of fatigue crack growth in HSLA steels with pre-existing plastic deformation
Authors: Προσγολίτης Χρήστος 
Published: January 2023

Η ψυχρή έλαση είναι μια διαδικασία που εφαρμόζεται συνήθως για την κατασκευή ελαφρών προφίλ χάλυβα που χρησιμοποιούνται σε δομικές εφαρμογές, όπως συστήματα αποθήκευσης ραφιών. Στην τεχνική της έλασης, η εισαγωγή συγκεκριμένων λεπτομερειών διαμόρφωσης, όπως γωνίες, κ.λπ., συνοδεύεται από τοπικές, ανομοιόμορφες πλαστικές παραμορφώσεις. Στις πλαστικά παραμορφωμένες περιοχές, τα φαινόμενα σκλήρυνσης/εξασθένησης και οι παραμένουσες τάσεις και παραμορφώσεις μπορεί να επηρεάσουν σημαντικά την εμφάνιση ζημιών λόγω κόπωσης καθώς και την αντίσταση ανάπτυξης ρωγμών κόπωσης των χαλύβδινων τμημάτων και να οδηγήσουν σε πρόωρη αστοχία κόπωσης. Για το λόγο αυτό, οι αξιόπιστες μέθοδοι αξιολόγησης της κόπωσης από την άποψη του υλικού, απαιτούν μια εις βάθος κατανόηση της επίδρασης της πλαστικής παραμόρφωσης στη συμπεριφορά κόπωσης και ανάπτυξης ρωγμών κόπωσης του χαλύβδινου υλικού.Στην παρούσα διατριβή, αναπτύσσεται μια συνδυασμένη πειραματική-αριθμητική-αναλυτική μεθοδολογία με στόχο να παρέχει ένα εργαλείο αξιολόγησης για τη συμπεριφορά ανάπτυξης ρωγμών κόπωσης σε πλαστικά προεντεταμένο χάλυβα. Για τους σκοπούς της έρευνας, εξετάστηκαν οι δομικοί χάλυβες S355MC και S460MC. Στο πειραματικό μέρος της διατριβής, αξιολογείται η επίδραση διαφορετικών επιπέδων πλαστικής προέντασης στη μονοτονική και κυκλική συμπεριφορά, και στη συμπεριφορά ανάπτυξης ρωγμών κόπωσης των χαλύβων. Οι δοκιμές σκληρότητας, εφελκυσμού και αντοχής σε θραύση πραγματοποιούνται σε μη εντεταμένο και προεντεταμένο υλικό χάλυβα. Η κυκλική συμπεριφορά των χαλύβων εξετάζεται με τη χρήση πειραμάτων ολιγοκυκλικής κόπωσης και διάδοσης ρωγμών κόπωσης. Τα πειραματικά αποτελέσματα, υποστηρίζονται από μεταλλογραφικές παρατηρήσεις και αναλύσεις επιφανειών θραύσης για την αξιολόγηση της μικροδομικής κατάστασης και των χαρακτηριστικών θραύσης των υλικών υπό των εξεταζόμενων συνθηκών. Στο αναλυτικό μέρος της Διατριβής πραγματοποιείται πρόβλεψη του ρυθμού ανάπτυξης ρωγμών κόπωσης σε πλαστικά προεντεταμένα υλικά υπό φόρτωση τύπου Ι. Η αναλυτική μοντελοποίηση του ρυθμού εξέλιξης ρωγμής κόπωσης βασίζεται σε μια καθιερωμένη προσέγγιση κρίσιμης ενέργειας, η οποία θεωρεί την κυκλική πλαστική ζώνη ως τη ζώνη θραύσης για τη σταδιακή ανάπτυξη της ρωγμής και λαμβάνει υπόψη την επίδραση της πλαστικής προέντασης μέσω των τροποποιημένων κυκλικών ιδιοτήτων του υλικού. Το αναλυτικό μοντέλο είναι σε θέση να υπολογίσει την επίδραση των παραμενουσών τάσεων στο ρυθμό εξέλιξης ρωγμής, που εμφανίζονται σε συγκεκριμένες θέσεις ψυχρής έλασης, χρησιμοποιώντας μια έννοια του ενεργού λόγου τάσεων. Για την αριθμητική προσομοίωση στην περίπτωση του δομικού προφίλ χάλυβα ψυχρής μορφοποίησης τύπου Ωμέγα, έχει αναπτυχθεί ένα μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων ικανό να προβλέπει το μέγεθος και την κατανομή των παραμενουσών τάσεων και παραμορφώσεων στις κρίσιμες θέσεις διαμόρφωσης του το προφίλ. Πραγματοποιείται επίσης μια παραμετρική μελέτη για την αξιολόγηση των επιπτώσεων του μήκους του προφίλ και της παρουσίας διάτρητων οπών στο προφίλ στο μέγεθος των παραμενουσών τάσεων. Με βάση τα αριθμητικά αποτελέσματα από την ανάλυση των πεπερασμένων στοιχείων, το αναλυτικό μοντέλο ανάπτυξης ρωγμών κόπωσης εφαρμόζεται σε μια μελέτη περίπτωσης, για την πρόβλεψη του ρυθμού αύξησης της ρωγμής κόπωσης στη γωνία του Ωμέγα προφίλ λαμβάνοντας υπόψη τις συνδυασμένες επιδράσεις των παραμενουσών τάσεων και του πλαστικά παραμορφωμένου υλικού .Η πειραματική-αριθμητική-αναλυτική μεθοδολογία της παρούσας διατριβής παρέχει τη βάση για μια καλύτερη κατανόηση της συμπεριφοράς ανάπτυξης ρωγμών κόπωσης των πλαστικά προεντεταμένων υλικών, και συνεπώς μια πιο αξιόπιστη εκτίμηση της εξέλιξης της ζημιάς κόπωσης σε κρίσιμες θέσεις χαλύβδινων τμημάτων που κατασκευάζονται με τη διαδικασία ψυχρής διαμόρφωσης.