Date of Award

5-2019

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Mechanical Engineering (MSME)

Department

Mechanical Engineering

First Advisor

Prof. Abdel-Hamid Ismail Mourad

Second Advisor

Dr. Jafar Albinmousa

Abstract

This research work focuses on studying the mechanical and fracture behavior of one of magnesium ZK60A (UNS M16600) extrusion. The material has many industrial applications and its characteristic should be measured for proper component or system design. Several tests were conducted following the standard procedures to determine the mechanical characteristics of the material. In addition, the fracture toughness of the material has been measured using the fracture toughness-thickness curve. A stress intensity factor K was used as a fracture parameter to determine the plane strain fracture toughness KIC of ZK60A magnesium alloy using a single edge notch bend (SENB) specimen in accordance to ASTM E399 testing method. A sharp fatigue pre-crack was initiated, then the specimen has been loaded till maximum load and beyond. The fracture toughness KC values obtained for different thicknesses showed that KC value decreased with increasing specimen thickness. The highest KC value obtained was 24.7 MPa√m for 4 mm thickness specimen. The value of KC became relatively constant at about 20.6 MPa√m when the specimen thickness exceeds to 12 mm. This value was then considered as the plane strain fracture toughness KIC of ZK60A magnesium alloy. Finally, the stable crack growth (SCG) behavior through the alloy was investigated to determine the initiation Pi loads, the instability Pmax loads, and the range of SCG. The maximum value of Pmax/Pi was recorded (3.86) for a0/W=0.5 and crack angle of 45º. Also, a range of stable crack growth at the surface from 0.5 to 2 mm was observed for mode I and from 2 to 5 mm for mixed mode. Different fracture samples were employed to study mode I and mixed mode (I and II) fracture performance through SENB specimen. Several characterization techniques were utilized, such as SEM, to investigate the fracture surface topography of different regions during the stable crack growth

Arabic Abstract

الهدف من هذا البحث هو دراسة السلوك الميكانيكي والكسر لأحد سبائك المغنيسيوم ZK60A (UNS M16600). للمادة العديد من التطبيقات الصناعية وينبغي قياس خصائصها من أجل التصميم المناسب للمكونات أو النظم. أجريت العديد من الاختبارات باتباع المعايير القياسية لتحديد الخواص الميكانيكية. بالإضافة إلى ذلك، تم قياس صلابة الكسر للمادة باستخدام منحنى سمك صلابة الكسر. تم استخدام عامل شدة الإجهاد K كمعامل كسر لتحديد صلابة الكسر K_IC من سبيكة المغنيسيوم ZK60A باستخدام عينات (SENB) وفقاً لطريقة اختبار ASTM E399. تم الشروع في مرحلة الكسر بالإجهاد قبل تحميل العينة في حالة شد حتى يتم الوصول إلى إجهاد الكسر. أظهرت قيم K_C صلابة الكسر التي تم الحصول عليها لمختلف السماكات أن قيمة K_C انخفضت مع زيادة سماكة العينة. أعلى قيمة K_C تم الحصول عليها كانت 24.7 MPa√m لعينة سمك 4 ملم. أصبحت قيمة K_C ثابتة نسبياً عند حوالي 20.6 MPa√m عندما يتجاوز سمك العينة 12 مم. ثم تم اعتبار هذه القيمة بمثابة صلابة الكسر K_IC لسبيكة المغنيسيوم ZK60A.

أخيراً، تم فحص سلوك نمو الشقوق المستقر (SCG) من خلال السبيكة لتحديد أحمال البدء P_i وأحمال عدم الاستقرار P_max، ونطاق نمو الشقوق المستقر SGC. تم تسجيل الحد الأقصى لقيمة P_max / P_i (3.86) لـ a₀/W = 0.5 وزاوية الكسر البالغة 45°. أيضاً، لوحظت مجموعة من نمو الشقوق المستقر على السطح من 0.5 إلى 2 مم للوضع I ومن 2 إلى 5 مم للوضع المختلط (I و II). تم استخدام عينات كسر مختلفة لدراسة وضع الكسر الأول والأداء المختلط (I و II) من خلال عينات SENB. تم استخدام العديد من تقنيات التوصيف مثل SEM، لاكتشاف تضاريس سطح الكسر في مناطق مختلفة أثناء نمو الشقوق المستقر.

Arabic Comments

مفاهيم البحث الرئيسية: التوصيف الميكانيكي، الشد، تأثير شاربي، عامل شدة الإجهاد، صلابة الكسر، نمو الشقوق المستقر، مسح المجهر الإلكتروني.

Download
COinS