بررسی المان محدود فرسایش ذرات جامد چندگانه در آلیاژهای Al 7075-T6 و Ti-6Al-

نوع مقاله : مکانیک جامدات

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی مواد، دانشگاه آزاد اسلامی واحد نجف آباد، نجف آباد، اصفهان، ایران

2 گروه هوافضا، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران

3 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران

چکیده

در تحقیق حاضر، فرسایش ذرات جامد آلیاژهای Al 7075-T6 و Ti-6Al-4V ـ به عنوان دو آلیاژ متداول مورد استفاده در سازه هواپیما ـ تحت برخورد ذرات چندگانه، با استفاده از مدلسازی المان محدود بررسی می‌گردد. رفتار فرسایشی این دو آلیاژ بر اساس معادلات ساختاری جانسون ـ کوک و به صورت یک مدل ضربه در مقیاس مایکرو، با استفاده از تکنیک المان حجم نمونه شبیه‌سازی شده است. رفتار فرسایشی مواد معمولاً به صورت نسبت ماده فرسایش‌یافته از سطح آلیاژ به جرم ذرات فرساینده تعریف شده که از آن به عنوان نرخ فرسایش تعبیر می‌گردد. در این تحقیق، در ابتدا نتایج حاصل از مدل المان محدود با نتایج مدل‌های تحلیلی رایج در فرسایش صحت‌سنجی می‌گردد. سپس دو عامل اصلی مؤثر بر رفتار فرسایشی آلیاژها، یعنی سرعت ذرات برخوردکننده و زاویه برخورد ذرات مورد بررسی قرار خواهد گرفت. نتایج حاصل از این تحقیق نشان می‌دهد که بین سرعت ذرات و نرخ فرسایش یک رابطه توانی برقرار است. مطابق نتایج، حداکثر نرخ فرسایش آلیاژ
Ti-6Al-4V برای زاویه برخوردی 40 درجه و بیشینه نرخ فرسایش آلیاژ Al 7075-T6 در زاویه برخوردی 30 درجه به ثبت رسیده است. نتایج نشان می‌دهد که آلیاژ Ti-6Al-4V در مقابل فرسایش مقاوم‌تر از آلیاژ Al-7075 می‌باشد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Finite element investigation of multiple solid particle erosion of Al 7075-T6 and Ti-6Al-4V alloys

نویسندگان [English]

  • Daniyal Saebi 1
  • AmirSajjad Khoddami 2
  • Bijan Mohammadi 3
1 Faculty of Materials Science and Engineering Islamic Azad University, Najafabad Branch, Najafabad, Isfahan, Iran
2 School of Mechanical Engineering, Iran University of Science & Technology, Narmak, Tehran, Iran
3 School of Mechanical Engineering, Iran University of Science & Technology, Narmak, Tehran, Iran
چکیده [English]

In this study, the solid particle erosion of Al 7075-T6 and Ti-6Al-4V alloys, as two typical alloys in an aircraft structure, under multiple particle impact is investigated using finite element modeling. The erosive behavior of these alloys has been simulated as a micro scale impact model based on Johnson-Cook constitutive equations using the representative volume element technique. Erosive behavior is usually described by the ratio of the eroded material of the alloy surface to the mass of the eroding particles which is called the erosion rate. In this study, the results of the finite element model are validated by comparison with the results of typical erosion models. Then, the two most effective factors on erosive behavior, impacting particles’ velocity and particles’ impact angle, are to be investigated. Results show that there is an exponential relation between the particles’ velocity and the erosion rate. According to the results, maximum erosion rates of Ti-6Al-4V and Al 7075-T6 have been recorded at the impact angles of 40 and 30 degrees, respectively. It is shown that Ti-6Al-4V is more erosion-resistant than Al 7075-T6.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Solid particles erosion
  • Multiple particles impact
  • Johnson-Cook model
  • Finite element model

مراجع

1. Farahani, H., Ketabchi, M., and Zangeneh, S. “Determination of Johnson-Cook Plasticity Model Parameters for Inconel718”, J. Mater. Eng. Perfor.Vol. 26, pp.5284-5293, 2017.##
2. Bousser, E., Martinu, L., and Klemberg-Sapie, J. E. “Solid Particle Erosion Mechanisms of Protective Coatings for Aerospace Applications”, Surf. Coat. Technol. Vol. 257, pp.165-181, 2014.##
3. ElTobgy, M., Ng, E., and Elbestawi, M. “Finite Element Modeling of Erosive Wear”, Int. J. Mach. Tools. Manuf.Vol. 45, No. 11, pp.1337-1346, 2005.##
4. Wang, Y. F., and Yang, Z. G. “Finite Element Model of Erosive Wear on Ductile and Brittle Materials”, Wear. Vol. 265, pp.871-878, 2008.##
5. I.R.Iran Civil Aviation Organization, “Accidents”; https://www.cao.ir/web/accidents/reports, 2018 (In Persian).##
6. Finnie, I. “Erosion of Surfaces by Solid Particles”, Wear. Vol. 3, No. 2, pp.87-103, 1960.##
7. Dursun, T., and Costas, S. “Recent Developments in Advanced Aircraft Aluminium Alloys”, Mater. Des. Vol. 56, pp.862-871, 2014.##
8. Starke Jr, E. A., and Staley, J. T. “Application of Modern Aluminum Alloys to Aircraft”, Prog. Aerosp. Sci. Vol. 32, No. 2-3, pp.131-172, 1996.##
9. Peters, M., Kumpfert, J., Ward, C. H., and Leyens, C. “Titanium Alloys for Aerospace Applications”, Adv. Eng. Mater. Vol. 5, No. 6, pp.419-427, 2003.##
10. Boyer, R. R. “Applications of Beta Titanium Alloys in Airframes”, Miner. Met. and Mater. Soc. (USA). pp.335-346, 1993.##
11. Boyer, R. R., and Briggs, R. D. "The Use of β Titanium Alloys in the Aerospace Industry", J. Mater. Eng. Perfor. Vol. 14, No. 6, pp.681-685, 2005.##
12. Oliveira, V., Vazquez, A., Aguiar, C., Robin, A., and Barboza, M. “Nitride Coatings Improve Ti-6Al-4V Alloy Behavior in Creep Tests”, Mat. Sci. Eng. A.Vol. 670, pp.357-368, 2016.##
13. Bielawski, M., Beres, W. “FE Modelling of Surface Stresses in Erosion-resistant Coatings under Single Particle Impact”, Wear. Vol. 262, No. 1, pp.167-175, 2007.##
14. Elalem, K., and Li, D. “Dynamical Simulation of an Abrasive Wear Process”, J. Comput-Aided Mat. Des. Vol. 6, pp.185-193, 1999.##
15. Griffin, D., Daadbin, A., and Datta, S. “The Development of a Three-dimensional Finite Element Model for Solid Particle Erosion on an Alumina Scale/MA956 Substrate”, Wear. Vol. 256, No. 9, pp.900-906, 2004.##
16. Takaffoli, M., and Papini, M. “Numerical Simulation of Solid Particle Impacts on Al6061-T6 part I: Three-dimensional Representation of Angular Particles”, Wear. Vol. 292, pp.100-110, 2012.##
17.  Takaffoli, M., and Papini, M. “Numerical Simulation of Solid Particle Impacts on Al6061-T6 Part II: Materials Removal Mechanisms for Impact of Multiple Angular Particles”, Wear. Vol. 296, No. 1-2, pp.648-655, 2012.##
18. Algahtani, A., Neville, A., Shrestha, S., and Liskiewicz, T. “Erosion Resistance of Surface Engineered 6000 Series Aluminium Alloy”, Proc. Inst. Mech. Eng. J. Vol. 227, No. 11, pp.1204-1214, 2013.##
19. Arabnejad, H., Mansouri, A., Shirazi, S. A., and McLaury, B. S. “Development of Mechanistic Erosion Equation for Solid Particles”, Wear. Vol. 332, pp.1044-1050, 2015.##
20. Yerramareddy, S., and Bahadur, S. “Effect of Operational Variables, Microstructure and Mechanical Properties on the Erosion of Ti-6Al-4V”, Wear. Vol. 142, pp.253-263, 1991.##
21. Winkelmann, H., Varga, M., Badisch, E., and Danninger, H. “Wear Mechanisms at High Temperatures: Part 2: Temperature Effect on Wear Mechanisms in the Erosion Test”, Tribol. Lett. Vol. 34, No. 3, pp.167-175, 2009.##
22. Avcu, E., Fidan, S., Yıldıran, Y., and Sınmazçelik, T. “Solid Particle Erosion Behaviour of Ti6Al4V Alloy”, Tribol.-Mater. Surf. Interfaces. Vol. 7. No. 4, pp.201-210, 2013.##
23. Atroshenko, S. A., Evstifeev, A. D., Kazarinov, N. A., Petrov, Y. V., and Valiev, R. Z. “Behavior of the Grade 5 Titanium Alloy in Different Structural States in Conditions of High-Speed Erosion”, Procedia Struct. Integr. Vol. 6, pp.190-195, 2017.##
24. Naveed, M., Schlag, H., König, F., and Weiß, S. “Influence of the Erodent Shape on the Erosion Behavior of Ductile and Brittle Materials”, Tribol. Lett., Vol. 65, No. 1, p.18, 2017.##
25. Khoddami, A. S., Salimi-Majd, D., and Mohammadi, B. “Finite Element and Experimental Investigation of Multiple Solid Particle Erosion on Ti-6Al-4V Titanium Alloy Coated by Multilayer Wear-Resistant Coating”, Surf. Coat. Technol. Vol. 372, pp. 173-189, 2019.##
26. ASTM G76-04. “Standard Test Method for Conducting Erosion Tests by Solid Particle Impingement Using Gas Jets”, ASTM International, West Conshohocken, PA, USA, 2004.##
27. ASTM D968 -17. “Standard Test Me

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 11 شهریور 1399
  • تاریخ پذیرش: 11 شهریور 1399
  • تاریخ انتشار: 01 دی 1399

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار