مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

بررسی تجربی اثرات چکش‌کاری فراصوتی زیر آب بر عمر خستگی فولاد کربنی X52-5L

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
مقصود شلوندی
مصطفی امیرمیران
دانشگاه تبریز
چکیده
سازه‌های فراساحلی امروزه کاربرد بسیار گسترده‌ای در صنایع نفت، گاز دارند. هزینه‌های مربوط به ساخت، نگهداری در این سازه‌ها بسیار بالا است. ازاین‌رو یافتن روش‌های مقرون‌به‌صرفه برای انجام تعمیرات و تقویت این سازه‌ها به‌خصوص در صنایع زیر آب بسیار ضروری به نظر می‌رسد. چکش‌کاری فراصوتی یکی از روش‌های تنش‌زدایی مکانیکی است که از آن برای بالا بردن استحکام خستگی و مقاومت به خوردگی در اتصالات جوشکاری شده استفاده می‌شود. در این مقاله سعی شده است که از این روش در زیر آب استفاده شود و تأثیر آن بر روی استحکام خستگی، سختی سطح و ترک‌های سطحی در فولاد X52-5L جوشکاری شده به روش قوس الکتریکی بررسی شد. همچنین میزان اثر اعمال چکش‌کاری بر این فولاد در دو حالت زیرآب و در هوای آزاد مقایسه شده است. نتایج حاصل از آزمون خستگی نشان داد عمر خستگی در نمونه‌های چکش‌کاری شده در زیر آب به‌اندازه حدوداً 2/25 درصد بهبودیافته و از 42383 سیکل به 50083 سیکل رسیده است در حالی که در نمونه‌های جوشکاری شده و چکش‌کاری شده در هوا حدود 5/10 درصدافزایش عمر خستگی وجود دارد. سختی سطح نیز در نمونه‌هایی که در زیر آب چکش‌کاری شده بودند به‌اندازه 14% و در نمونه‌هایی که در هوا چکش‌کاری شده بود به‌اندازه 12% افزایش یافت. عکس‌برداری با میکروسکوپ الکترون روبشی و مشاهده میکرو ترک‌های سطحی نیز نشان داد که با کاهش قابل‌توجه ترک­های سطحی، تمرکز تنش نیز از بین می‌رود. می­توان نتیجه گرفت عملیات چکش‌کاری در زیرآب استحکام خستگی و سختی فولاد X52-5L را نسبت به عملیات چکش‌کاری در هوا افزایش می‌دهد.
کلیدواژه‌ها
اولتراسونیک پینینگ
فولاد X52-5L
خواص مکانیکی
میکروساختار
عمر خستگی

موضوعات

عنوان مقاله English

Experimental investigation of the effect of underwater ultrasonic peening on the fatigue life of X52-5L carbon steel

نویسندگان English

Maghsoud Shalvandi
Mostafa Amirmiran
University of Tabriz
چکیده English

Offshore structures are widely used in the oil and gas industry. Since construction and maintenance costs in these structures are very expensive, therefore, it seems necessary to find cost-effective methods to repair and strengthen these structures, especially in the offshore industry. Ultrasonic peening is one of the mechanical stress relief methods used to increase fatigue strength and corrosion resistance in welded joints. In this paper, this method was implemented in both air and underwater atmosphere and the treatment effect on fatigue strength was investigated, also surface hardness and surface cracks in X52-5L welded steel was investigated. The effect of peening on this type of steel has been compared in both underwater and outdoor conditions. The results of the fatigue test showed that the fatigue life of underwater peened specimens was improved by approximately %25.2 and it changes form 42383 cycle up to 50083 cycle while in welded specimens with the same condition and peened in air condition, there is about %10.5 increase in fatigue life. Surface hardness also increases by %14 in underwater peened samples and by %12 in air-peened samples. SEM microscopy and observation of surface micro cracks also showed reduction of surface cracks after peening. Subsequently and loss of stress concentration was shown. It can be concluded that underwater peening increases the fatigue strength and hardness of X52-5L steel compared to air peening.

کلیدواژه‌ها English

Ultrasonic peening
X52-5L carbon steel
Mechanical properties
Microstructure
Fatigue Life
1- J. Gerwick, C. Ben, Construction of Marine and Offshore Structures, ed. 3rd. 2007: CRC Press.
2- H. Ahmadi, M.A. Lotfollahi-Yaghin, and M.H. Aminfar, Distribution of weld toe stress concentration factors on the central brace in two-planar CHS DKT-connections of steel offshore structures. Thin-Walled Structures, 2011. 49(10): p. 1225-1236.
3- American Petroleum Institute, API 1104, in Standard for Welding Pipeline and Related Facilities. 2001, American Petroleum Institute. p. 1-79.
4- M. Malaki, and H. Ding, A review of ultrasonic peening treatment. Materials & Design, 2015. 87: p. 1072-1086.
5- A. Abdullah, M. Malaki, and A. Eskandari, Strength enhancement of the welded structures by ultrasonic peening. Materials & Design, 2012. 38: p. 7-18.
6- N. Costa, N. Machado, and F.S. Silva, A new method for prediction of nodular cast iron fatigue limit. International Journal of Fatigue, 2010. 32(7): p. 988-995.
7- H. Soyama, Comparison between Shot Peening, Cavitation Peening, and Laser Peening by Observation of Crack Initiation and Crack Growth in Stainless Steel. Metals, 2020. 10(1): p. 63.
8- Statnikov, E.S. IIW Document XIII-2004-04 PHYSICS AND MECHANISM OF ULTRASONIC IMPACT TREATMENT. 2004.
9- E.S. Statnikov, and A. Galtier, The Influence of Ultrasonic Impact Treatment on Fatigue Behaviour of Welded Joints in High-Strength Steel. Welding in the World, 2004. 48(5): p. 61-66.
10- X. An, et al., Study of the surface nanocrystallization induced by the esonix ultrasonic impact treatment on the near-surface of 2024-T351 aluminum alloy. Journal of Materials Engineering and Performance, 2006. 15(3): p. 355-364.
11- T. Wang, et al., Discussion on fatigue design of welded joints enhanced by ultrasonic peening treatment (UPT). International Journal of Fatigue, 2009. 31(4): p. 644-650.
12- T. Deguchi, et al., Fatigue strength improvement for ship structures by Ultrasonic Peening. Journal of Marine Science and Technology, 2012. 17(3): p. 360-369.
13- Y. Fan, X. Zhao, and Y. Liu, Research on fatigue behavior of the flash welded joint enhanced by ultrasonic peening treatment. Materials & Design, 2016. 94: p. 515-522.
14- S. Liu, et al., Effect of ultrasonic peening on Microstructure and properties of laser rapid forming GH4169. Optik, 2018. 172: p. 443-448.
15- B.Fereidooni, M.R.Morovvati, and S.A.Sadough-Vanini, Influence of severe plastic deformation on fatigue life applied by ultrasonic peening in welded pipe 316 Stainless Steel joints in corrosive environment. Ultrasonics, 2018. 88: p. 137-147.
16- F. Nový, et al., Fatigue properties of welded Strenx 700 MC HSLA steel after ultrasonic impact treatment application. Materials Today: Proceedings, 2020. 32: p. 174-178.
17- M.M. Sidorov, N.I. Golikov, and Y.N. Saraev, Redistribution of residual stresses in girth weld of a pipe of strength class K60 after ultrasonic impact treatment. Procedia Structural Integrity, 2020. 30: p. 149-153.
18- B. Yang, et al., Influence of ultrasonic peening on microstructure and surface performance of laser-arc hybrid welded 5A06 aluminum alloy joint. Journal of Materials Research and Technology, 2020. 9(5): p. 9576-9587.
19- H. Liang, et al., Effect of cutting process on the residual stress and fatigue life of the welded joint treated by ultrasonic impact treatment. International Journal of Fatigue, 2021. 143: p. 105998.
20- R.C. Souza, et al., The influence of microstructure and heat treatment of API X52 carbon steel on hydrogen diffusion. 2016.
21- International Standard Orginaization, ISO 3183, in Petroleum and natural gas industries Steel pipe for pipeline transportation systems, F. edition, Editor. 2019-10. p. 1-30.
22- American Welding Society, ANSI/AWS A5.1-91, in Specification for Carbon Stell Electrodes for Shielded Metal Arc Welding. 1991, AWS: Miami. p. 1-57.
23- W. Mu, et al., Predicting strain-induced martensite in austenitic steels by combining physical modelling and machine learning. Materials & Design, 2021. 197: p. 190-199.
مهندسی مکانیک مدرس
دوره 21، شماره 6
خرداد 1400
صفحه 379-388