مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

اندازه‌گیری تجربی و برآورد عددی انرژی شکست نمونه آزمایش ضربه سقوطی با شیار ماشین‌کاری‌شده در فولاد API X65

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی، دانشگاه بیرجند، بیرجند، ایران
چکیده
یکی از اهداف مهم در آزمایش ضربه سقوطی به دست آوردن مقدار انرژی شکست به منظور ارزیابی بهتر خواص فولاد آزمایش شده است. در تحقیق حاضر اندازه‌گیری تجربی و برآورد عددی انرژی شکست نمونه آزمایش ضربه سقوطی با شیار ماشین‌کاری‌شده در فولاد API X۶۵ انجام شده است. هدف از تعیین این انرژی تخمین مقاومت ماده در برابر شکست است. نمونه آزمایشگاهی از بدنه لوله فولادی با درز جوش مارپیچ با قطر خارجی ۱۲۱۹میلی‌متر و ضخامت دیواره ۱۴/۳میلی‌متر بریده و تا ابعاد استاندارد ماشین‌کاری شده است. سپس در وسط نمونه شیار شورن به طول ۱/۵میلی‌متر ایجاد و نمونه تحت بارگذاری دینامیکی با سرعت اولیه ۳/۶متر بر ثانیه قرار گرفت. با ترسیم منحنی‌های نیرو- جابجایی و انرژی- جابجایی مقدار حداکثر نیرو برای داده‌های آزمایشگاهی ۲۲۹کیلونیوتن و از طریق مدل‌سازی کامپیوتری ۲۲۵کیلونیوتن به دست آمد. با محاسبه سطح زیر منحنی نیرو- جابجایی مقدار انرژی شکست نمونه آزمایشگاهی برای داده‌های تجربی و مدل‌سازی کامپیوتری به ترتیب ۷۰۸۵ و ۶۸۰۰ژول به دست آمد. بررسی منحنی‌های تجربی به دست آمده نشان داد که حدود ۵۹% انرژی صرف رشد ترک شده و مابقی صرف شروع ترک و تغییر شکل پلاستیک در نواحی سندان‌ها و ناحیه زیر چکش شده است. در انتها با ترسیم منحنی خطی انرژی شکست نمونه برحسب سرعت چکش نشان داده شد که شیب این منحنی معیار خوبی برای بررسی اتلاف انرژی و رفتار شکست ماده است.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Experimental Measurement and Numerical Evaluation of Fracture Energy in Drop Weight Tear Test Specimen with Chevron Notch in API X65 Steel

نویسندگان English

E. Fathi-Asgarabad
S.H. Hashemi
Mechanical Engineering Department, Engineering Faculty, University of Birjand, Birjand, Iran
چکیده English

One of the most important purposes of the drop weight tear test (DWTT) is to achieve the value of fracture energy for better evaluation of tested steel properties. In the present research, experimental and numerical measurement of fracture energy in drop weight tear test specimen with chevron notch on API X65 steel has been carried out. The purpose of the determination of this energy is to estimate the strength of material due to fracture. The test specimen was cut from an actual spiral seam welded steel pipe of API X65 grade with an outside diameter of 1219mm and wall thickness of 14.3mm and then it has been machined to standard size. Then chevron notch with a length of 5.1 was placed in the middle of the specimen and the specimen was fractured under dynamic loading with an initial impact velocity of 6.3m/s. The maximum force of 229kN and 225kN were achieved for experimental and numerical data, respectively by drawing force-displacement and energy-displacement curves. The fracture energy of the test sample for experimental and numerical data was obtained as 7085J and 6800J, respectively by evaluation of the area under the force-displacement curve. Based on the results of experimental curves, about %59 of fracture energy was used for crack propagation and the remaining was used for crack initiation and plastic deformation of test sample near anvils and striker regions. In the end, drawing a linear curve for fracture energy of specimen based on the hammer velocity showed that the slope of this curve could be a good criterion for estimating the energy loss and fracture behavior of the test specimen.

کلیدواژه‌ها English

Drop weight tear test
Gas Transportation pipeline steel
API X65 steel
Fracture Energy
Dieter G. Mechanical Metallurgy. 1th edition. New York: McGrew-Hill; 1961. [Link] [DOI:10.5962/bhl.title.35895]
Zhao J, Hu W, Wang X, Kang J, Yuan G, Di H, et al. Effect of microstructure on the crack propagation behavior of microalloyed 560 MPa (X80) strip during ultra-fast cooling. Materials Science and Engineering: A. 2016;666:214-224. [Link] [DOI:10.1016/j.msea.2016.04.073]
Majidi-Jirandehi A, Hashemi SH. Investigation of macroscopic fracture surface characteristics of spiral welded API X65 gas transportation pipeline steel. Modares Mechanical Engineering. 2017;17(11):219-228. [Persian]. [Link]
America Petroleum Institute [Report]. Specification for Line Pipe. 45th Edition. Washington: American Petroleum Institute (API); 2012. [Link]
Biagio MD, Demofonti G, Mannucci G, Iob F, Spinelli CM, Roovers P, et al. Development of a reliable model for evaluating the ductile fracture propagation resistance for high grade steel pipelines. Proceeding on 6th Pipeline Technology Conference, 2012 September 24-28, Calgary, Alberta. New York: ASME; 2013. [Link] [DOI:10.1115/IPC2012-90614]
Scheider I, Nonn A, Völling A, Mondry A, Kalwa C. A damage mechanics based evaluation of dynamic fracture resistance in gas pipelines. Procedia Materials Science. 2014;3:1956-1964. [Link] [DOI:10.1016/j.mspro.2014.06.315]
Babaei H, Darvizeh A, Alitavoli M, Mirzababaie Mostofi T. Experimental and analytical investigation into plastic deformation of circular plates subjected to hydrodynamic loading. Modares Mechanical Engineering. 2015;15(2):305-312. [Persian]. [Link]
Yu PS, Ru CQ. Analysis of energy absorptions in drop-weight tear tests of pipeline steel. Engineering Fracture Mechanics. 2016;160:138-146. [Link] [DOI:10.1016/j.engfracmech.2016.04.007]
Rudland DL, Wilkowski GM, Feng Z, Wang YY, Horsley D, Glover A. Experimental investigation of CTOA in linepipe steels. Engineering Fracture Mechanics. 2003;70(3-4):567-577. [Link] [DOI:10.1016/S0013-7944(02)00138-8]
Nonn A, Kalwa C. Simulation of ductile crack propagation in high-strength pipeline steel using damage models. 9th International Pipeline Conference, 2012 September 24-28, Calgary, Alberta. New York: ASME; 2012. [Link] [DOI:10.1115/IPC2012-90653]
Simha CHM, Xu S, Tyson WR. Non-local phenomenological damage-mechanics-based modeling of the drop-weight tear test. Engineering Fracture Mechanics. 2014;118:66-82. [Link] [DOI:10.1016/j.engfracmech.2014.01.009]
Simha CHM, Xu S, Tyson WR. Computational modeling of the drop-weight tear test: A comparison of two failure modeling approaches. Engineering Fracture Mechanics. 2015;148:304-323. [Link] [DOI:10.1016/j.engfracmech.2015.06.085]
America Petroleum Institute [Report]. Recommended practice conducting drop-weight tear test on line pipe. 3th Edition. Washington: American Petroleum Institute (API); 1996. [Link]
Dassault Systèmes. ABAQUS/6.13 [Internet]. Providence: Dassault Systèmes Simulia Corp; 2013 [Unknown cited]. Available from: http://dsk.ippt.pan.pl/docs/abaqus/v6.13/index.html [Link]
Tvergaard V, Needleman A. Analysis of cup-cone fracture in a round tensile bar. Acta Metallurgica. 1984;32(1):157-169. [Link] [DOI:10.1016/0001-6160(84)90213-X]
Gurson AL. Continuum theory of ductile rupture by void nucleation and growth: Part 1, yield criteria and flow rules for porous ductile media. Providence: Brown University; 1975. [Link] [DOI:10.2172/7351470]
Fathi Asgarabad E, Hashemi H, Ahmadi Beroghani U. Comparison of experimental and numerical fracture energy of thermo-mechanical steel in drop weight tear test. 5th Iranian Pipe & Pipeline Conference, 2013 December 10-12, Tehran, Iran. [Persian] [Link]
DOCUMENTS [Internet]. Impact Testing and Fracture Toughness. Unknown City: DOCUMENTS; 2014 [Unknown Cited]. Available from: https://documents.pub/document/impacttest-and-fracture-test.html [Link]
Hoffman JD. Numerical methods for engineers and scientists. 2td edition. Boca Raton, Florida: CRC Press; 2001. [Link]
Nonn A, Kalwa C. Simulation of ductile crack propagation in high-strength pipeline steel using damage model, Proceedings of the 2012 9th International Pipeline Conference, 2012 September 24-28, Calgary, Alberta. New York: ASME; 2013. [Link] [DOI:10.1115/IPC2012-90653]