MacKenzie, P.M. and Walker, C.A. and McKelvie, J.K. (2007) A method for evaluating the mechanical performance of thin-walled titanium tubes. Thin-Walled Structures, 45 (4). pp. 400-406. ISSN 0263-8231, http://dx.doi.org/10.1016/j.tws.2007.03.007 This version is available at https://strathprints.strath.ac.uk/5080/ Strathprints is designed to allow users to access the research output of the University of Strathclyde. Unless otherwise explicitly stated on the manuscript, Copyright and Moral Rights for the papers on this site are retained by the individual authors and/or other copyright owners. Please check the manuscript for details of any other licences that may have been applied. You may not engage in further distribution of the material for any profitmaking activities or any commercial gain. You may freely distribute both the url (https://strathprints.strath.ac.uk/) and the content of this paper for research or private study, educational, or not-for-profit purposes without prior permission or charge. Any correspondence concerning this service should be sent to the Strathprints administrator: strathprints@strath.ac.uk The Strathprints institutional repository (https://strathprints.strath.ac.uk) is a digital archive of University of Strathclyde research outputs. It has been developed to disseminate open access research outputs, expose data about those outputs, and enable the management and persistent access to Strathclyde's intellectual output.
* Manuscript 1 2 3 Α ΜΕΤΗΟD ΦΟΡ ΕςΑΛΥΑΤΙΝΓ ΤΗΕ ΜΕΧΗΑΝΙΧΑΛ ΠΕΡΦΟΡΜ ΑΝΧΕ ΟΦ ΤΗΙΝ WΑΛΛΕD ΤΙΤΑΝΙΥΜ ΤΥΒΕΣ 4 5 6 Π.Μ. ΜαχΚενζιε, Χ.Α. Wαλκερ, ϑ. ΜχΚελϖιε 7 8 9 10 11 Dεπαρτmεντ οφ Μεχηανιχαλ Ενγινεερινγ, Υνιϖερσιτψ οφ Στρατηχλψδε, Γλασγοω Γ1 1Ξϑ, Σχοτλανδ, ΥΚ. 12 13 14 15 16 17 18 πετερ.mαχκενζιε στρατη.αχ.υκ Τελ: 0141 548 2045 Φαξ: 0141 552 5105 1
19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 ΑΒΣΤΡΑΧΤ Α mετηοδ ωηιχη ωασ δεϖελοπεδ το χοmπαρε τηε στρεσσ στραιν προπερτιεσ οφ τηρεε τψπεσ οφ τηιν ωαλλεδ, χοmmερχιαλλψ πυρε τιτανιυm τυβεσ ισ πρεσεντεδ. Τηε τυβεσ ωερε οφ τψπεσ ιντενδεδ φορ υσε ιν λαργε ηεατ εξχηανγερ αππλιχατιονσ ανδ ωερε το βε συβϕεχτεδ το σιγνιφιχαντ πλαστιχ δεφορmατιον δυρινγ συβσεθυεντ ασσεmβλψ προχεσσεσ. Ιτ ηαδ βεεν αντιχιπατεδ τηατ σmαλλ διφφερενχεσ ιν χηεmιχαλ χοmποσιτιον ανδ τυβε δραωινγ τρεατmεντ ωουλδ προδυχε θυιτε διφφερεντ χηαραχτεριστιχσ. Ιτ ισ κνοων τηατ τηε προπερτιεσ οφ τιτανιυm χαν εξηιβιτ χονσιδεραβλε δεγρεεσ οφ ανισοτροπψ, εσπεχιαλλψ φορ ωρουγητ προδυχτσ; αλτηουγη αξιαλ προπερτιεσ οφ τηε mατεριαλσ χουλδ βε εϖαλυατεδ υσινγ στανδαρδ τεστ εθυιπmεντ ανδ προχεδυρεσ, α νοϖελ τεστινγ σψστεm ηαδ το βε δεσιγνεδ το αλλοω τηε χιρχυmφερεντιαλ προπερτιεσ το βε ασσεσσεδ. Σιγνιφιχαντ διφφερενχεσ βετωεεν τυβε τψπεσ ωερε οβσερϖεδ ανδ ανισοτροπιχ mατεριαλ βεηαϖιουρ ωασ αππαρεντ. 31 32 33 Κεψωορδσ: ανισοτροπιχ; χοmmερχιαλλψ πυρε τιτανιυm; δυχτιλιτψ; mεχηανιχαλ τεστινγ; ηψδραυλιχ; τυβεσ. 2
34 35 36 37 38 39 40 41 ΙΝΤΡΟDΥΧΤΙΟΝ Τιτανιυm ανδ ιτσ αλλοψσ ηαϖε δεσιραβλε βλενδσ οφ προπερτιεσ συχη ασ λοω δενσιτψ, ηιγη στρενγτη ανδ ηιγη στιφφνεσσ, εαχη οφ ωηιχη mακεσ τηεm αττραχτιϖε φορ mανψ στρυχτυραλ αππλιχατιονσ. Χουπλεδ το τηεσε βενεφιτσ αρε εξχεπτιοναλ λεϖελσ οφ ρεσιστανχε το χορροσιον ανδ οξιδατιον ανδ, χοmπαρεδ ωιτη αλυmινιυm αλλοψσ, διστινχτλψ βεττερ χρεεπ ρεσιστανχε. Φορ τηεσε ρεασονσ, τηε υσε οφ τιτανιυm ανδ ιτσ αλλοψσ χαν βε ϕυστιφιεδ εχονοmιχαλλψ ιν αν ινχρεασινγ ρανγε οφ ηιγη ιντεγριτψ αρεασ, φροm αεροσπαχε το πετροχηεmιχαλσ (ανδ νοτ φοργεττινγ το mεντιον τηε γροωινγ mαρκετ ιν σπορτσ γοοδσ). 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 Αππροξιmατελψ 25% οφ τηε mαρκετ φορ mεταλλιχ τιτανιυm ισ mαδε υπ οφ τηε χοmmερχιαλλψ πυρε (ΧΠ) φορm. ΧΠ τιτανιυm ισ, ιν εφφεχτ, αν αλλοψ οφ τιτανιυm, οξψγεν ανδ τραχεσ οφ σεϖεραλ οτηερ ελεmεντσ. Αλτηουγη, ιν αλλ οφ τηε ϖαριουσ ϖαριετιεσ ωηιχη χοmε υνδερ τηε ΧΠ δεσιγνατιον, mεταλλιχ τιτανιυm mακεσ υπ ιν εξχεσσ οφ 99% οφ τηε χοντεντ, τηε σmαλλ φραχτιονσ οφ οτηερ ελεmεντσ ωηιχη mαψ βε ινχλυδεδ χαν ινφλυενχε τηε mεχηανιχαλ προπερτιεσ το α ϖερψ σιγνιφιχαντ δεγρεε. Μοστ νοταβλψ, σmαλλ, χοντρολλεδ αmουντσ οφ οξψγεν αρε δισσολϖεδ ιν σολιδ σολυτιον το προδυχε ινχρεασεσ ιν στρενγτη βυτ, υλτιmατελψ, ωιτη α σιγνιφιχαντ ρεδυχτιον ιν δυχτιλιτψ. ΧΠ τιτανιυm γενεραλλψ δισπλαψσ γοοδ δυχτιλιτψ ανδ χαν βε φοργεδ, ρολλεδ, δραων ορ εξτρυδεδ θυιτε στραιγητφορωαρδλψ βυτ ιτσ ηεξαγοναλ χλοσε παχκεδ (α πηασε) στρυχτυρε δοεσ λιmιτ φορmαβιλιτψ. Ιν αδδιτιον, τηε τεξτυρεσ δεϖελοπεδ ιν ωρουγητ προδυχτσ φορ α τιτανιυm ανδ ιτσ αλλοψσ χαν ηαϖε α mαρκεδ εφφεχτ ον τηε mεχηανιχαλ προπερτιεσ οφ τηε φινισηεδ mατεριαλ ανδ διστινχτλψ ανισοτροπιχ mατεριαλ βεηαϖιουρ χαν βε α χοmmον φεατυρε [1 6]. 56 3
57 58 59 60 61 62 Τηε ωορκ πρεσεντεδ ηερε ωασ φοχυσσεδ ον εϖαλυατινγ mεχηανιχαλ προπερτιεσ οφ τηιν ωαλλεδ ΧΠ τιτανιυm τυβεσ ιντενδεδ φορ υσε ιν ηεατ εξχηανγερσ. Τηε κεψ ϕυστιφιχατιον οφ τηε ωορκ ωασ τηατ, δυρινγ τηε φαβριχατιον προχεσσ, εξπανσιον οφ τυβεσ ιντο τυβε σηεετσ προδυχεσ ηιγη λεϖελσ οφ πλαστιχ δεφορmατιον οφ τηε τυβε mατεριαλ χιρχυmφερεντιαλλψ [7,8] ανδ, το τηισ ενδ ιν παρτιχυλαρ, α νοϖελ mετηοδ φορ ασσεσσινγ τηε ρεσπονσε οφ τηε mατεριαλ ιν τηε χιρχυmφερεντιαλ διρεχτιον ωασ ρεθυιρεδ. 63 64 65 66 ΣΠΕΧΙΜΕΝ ΜΑΤΕΡΙΑΛΣ Σπεχιmενσ οφ τηρεε διφφερεντ τψπεσ οφ δραων τυβε ωερε υσεδ ιν τηε ινϖεστιγατιον. Dεταιλσ οφ οξψγεν χοντεντ τογετηερ ωιτη τυβε διmενσιονσ αρε συmmαρισεδ ιν Ταβλε 1. 67 68 69 70 71 72 73 Φιγυρε 1 χονταινσ ρεπρεσεντατιϖε mιχρογραπησ οφ τηε γραιν στρυχτυρε οφ εαχη οφ τηε τηρεε σπεχιmεν γρουπσ, δεσιγνατεδ Τψπεσ Α, Β ανδ Χ. Τψπε Α, τηε ονλψ ϖαχυυm αννεαλεδ σαmπλε, σηοωσ ϖερψ mυχη λαργερ γραιν διαmετερ (βψ α φαχτορ οφ 4 το 5 αππροξιmατελψ [9]) τηαν δο ειτηερ οφ τηε οτηερ τψπεσ. Τηε τηρεε διmενσιοναλ νατυρε οφ τηε τεξτυρε χουλδ νοτ βε ασσεσσεδ βψ οπτιχαλ mιχροσχοπψ αλονε ανδ ωασ βεψονδ τηε σχοπε οφ τηε πρεσεντ ωορκ. 74 75 76 77 78 79 ΑΞΙΑΛ ΑΝD ΧΙΡΧΥΜΦΕΡΕΝΤΙΑΛ ΛΟΑDΙΝΓ ΧΟΝΦΙΓΥΡΑΤΙΟΝΣ Αξιαλ τεστινγ οφ τηε τυβεσ ωασ περφορmεδ ιν α ρελατιϖελψ στραιγητφορωαρδ mαννερ, ασ πρεσχριβεδ ιν [10], τηε Βριτιση Στανδαρδ. Τηισ ρεθυιρεσ θυιτε σιmπλψ τηατ τηε τυβε ενδσ, τηρουγη ωηιχη λοαδσ ωερε το βε αππλιεδ, βε ρεινφορχεδ ιν α πρεσχριβεδ mαννερ; ιτ αλσο πλαχεσ ρεθυιρεmεντσ ον τηε ρατε οφ λοαδινγ ανδ τηε mετηοδ οφ ρεχορδινγ ρεσυλτσ (τηεσε αρε 4
80 81 δισχυσσεδ βελοω). Σπεχιmεν τυβε λενγτησ οφ 400 mm σατισφιεδ τηε ρεθυιρεmεντ οφ τηε στανδαρδ τεστ. Λοαδσ ωερε αππλιεδ υσινγ αν Ινστρον 1342 σερϖο ηψδραυλιχ τεστ mαχηινε. 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 Βψ χοντραστ, αν εντιρελψ νοϖελ σετυπ ηαδ το βε δεσιγνεδ ιν ορδερ το εναβλε χιρχυmφερεντιαλ λοαδινγ οφ τηε mατεριαλ, ωιτη αξιαλ στρεσσεσ, υπ το ψιελδ ποιντ ατ λεαστ, ελιmινατεδ ασ φαρ ασ ποσσιβλε; τηερε ισ νο πυβλισηεδ πριορ αρτ ωιτη ρεγαρδ το τηισ.. Wηιλστ τηερε ισ α ωεαλτη οφ λιτερατυρε ρελατινγ το τηε χοντιγυουσ τεχηνολογψ οφ ηψδροφορmινγ, φορ εξαmπλε, [11 14], τηισ αλmοστ ινϖαριαβλψ δεαλσ ωιτη τηε αππλιχατιον οφ ιντεντιοναλ βιαξιαλ λοαδινγ χονδιτιονσ. Ινδεεδ, [13] δεσχριβεσ α mετηοδ οφ τεστινγ τυβυλαρ σπεχιmενσ ωιτη δελιβερατελψ ινδυχεδ βιαξιαλ λοαδσ, σο ασ το σιmυλατε τηε χονδιτιονσ φουνδ ιν τηε ηψδροφορmινγ προχεσσ. Τηε ηψδραυλιχ τεστ ριγ χονστρυχτεδ φορ τηε πρεσεντ πυρποσε ισ σηοων σχηεmατιχαλλψ ιν Φιγυρε 2. Ιτ ωασ δεσιγνεδ το περφορm τωο mαιν φυνχτιονσ: το ενσυρε λοαδινγ οφ τηε σπεχιmενσ ιν τηε δεσιρεδ mαννερ, ι.ε., νο, ορ mινιmαλ, αξιαλ λοαδινγ υπ το ψιελδ; ανδ το εναβλε χοντρολλεδ αππλιχατιον οφ τηε λοαδινγ ορ εξπανσιον, τηισ βεινγ αχηιεϖεδ βψ ηαϖινγ τηε Ινστρον τεστ mαχηινε πρεϖιουσλψ mεντιονεδ αδαπτεδ το προϖιδε τηε δριϖινγ φορχε φορ τηε ριγ. Ασ σηοων ιν Φιγυρε 3, τηε τεστ ριγ ωασ mουντεδ βετωεεν τηε πλατενσ οφ τηε τεστ mαχηινε, τηερεβψ εναβλινγ φυλλ φεεδβαχκ χοντρολ οφ τηε πρεσσυρε αππλιεδ το τηε σπεχιmενσ. 98 99 100 101 102 103 ΣΠΕΧΙΜΕΝ ΣΕΑΛΙΝΓ ΑΡΡΑΝΓΕΜΕΝΤΣ Τηε τεστ ριγ αλσο ινχορπορατεδ τηε σπεχιmεν ηολδερ χονσιστινγ οφ α ρεmοϖαβλε στεελ χορε, ωιτη σεαλσ, mουντεδ βετωεεν α χροσσηεαδ ανδ τηε πυmπ βοδψ. Σπεχιmενσ οφ διmενσιονσ γιϖεν ιν Φιγυρε 4 ωερε mουντεδ ον τηε χορε, ανδ τηρουγη τηισ, τηε πρεσσυρισεδ ηψδραυλιχ οιλ ωασ δελιϖερεδ. 5
104 105 106 107 108 109 110 111 Ινιτιαλλψ, ιτ ηαδ βεεν ιντενδεδ τηατ τηε σπεχιmεν σεαλινγ αρρανγεmεντ ωουλδ χονσιστ οφ α βεσποκε νιτριλε ρυββερ βλαδδερ βυτ τηισ προϖεδ το βε υνσατισφαχτορψ. Φροm αξιαλ τεστ ρεσυλτσ, ιτ ηαδ αππεαρεδ τηατ πρεσσυρεσ οφ αππροξιmατελψ 100 ΜΠα mιγητ βε ρεθυιρεδ ιν ορδερ το τακε τηε τυβεσ το φαιλυρε. Τηισ σψστεm ωασ χαπαβλε οφ χονταινινγ ονλψ 10% οφ τηε ταργετ ϖαλυε. Βονδινγ τηε σεαλ το τηε χεντραλ χορε υσινγ χψανοαχρψλατε αδηεσιϖε προδυχεδ α συβσταντιαλ ιmπροϖεmεντ ιν περφορmανχε βυτ, ατ σεαλ φαιλυρε πρεσσυρεσ οφ αβουτ 60 ΜΠα, τηισ στιλλ φελλ σηορτ οφ τηε προγραmmε ρεθυιρεmεντ. 112 113 114 115 116 117 118 119 120 Ιν ορδερ το mινιmισε αξιαλ λοαδσ υπ το ψιελδ, ιτ ωασ εσσεντιαλ τηατ τηε τυβεσ βε φρεε φλοατινγ, ι.ε., τηε ενδσ χουλδ νοτ βε πλυγγεδ δυρινγ τηε τεστσ. Το τηισ ενδ, αν αλτερνατιϖε τεχηνολογψ το τηε βλαδδερ σεαλ προϖεδ το βε εντιρελψ σατισφαχτορψ. Τηισ χονσιστεδ οφ α σετυπ υσινγ χονϖεντιοναλ νιτριλε ρυββερ Ο ρινγ σεαλσ ον α σπεχιαλ χορε, ιν τανδεm ωιτη σπιραλ ΠΤΦΕ βαχκινγ ωασηερσ το πρεϖεντ σεαλ εξτρυσιον (Φιγυρε 5). Στεελ ρινγσ οφ τηιχκνεσσ 2mm ανδ διαmετερ 0.2mm γρεατερ τηαν τηοσε οφ τηε σπεχιmενσ ωερε υσεδ το συππορτ τηε σπεχιmεν ατ τηε ποιντ οφ χονταχτ ωιτη τηε Ο ρινγσ. Τηισ σετυπ αλλοωεδ πρεσσυρεσ υπ το 140 ΜΠα το βε χονταινεδ. 121 122 123 124 125 126 Α κεψ φεατυρε οφ τηε δεσιγν ισ τηατ τηε πρεσσυρε ενδ λοαδσ ιmπαρτεδ τηρουγη τηε σπεχιmεν χορεσ ωερε συππορτεδ βψ, ον τηε ονε ηανδ, τηε πυmπ βοδψ, ανδ ον τηε οτηερ, βψ τηε ρεταινινγ χροσσ ηεαδ mουντεδ ον ρεαχτιον χολυmνσ. Βψ υσινγ τωο πιεχε χορεσ, α ποτεντιαλ προβλεm ιν τηε οιλ ωαψ ατ τηε χορε το βοδψ σεαλ ωασ ελιmινατεδ σινχε ιτ ωασ ποσσιβλε, βψ σελεχτινγ αππροπριατε διmενσιονσ, το ενσυρε τηατ τηε ουτωαρδ ηψδραυλιχ φορχε 6
127 128 τενδινγ το οπεν τηε σεαλ ωασ αλωαψσ mορε τηαν βαλανχεδ βψ τηε πρεσσυρε φορχε ον τηε χορε φροm ωιτηιν τηε σπεχιmεν. 129 130 131 132 Πριορ το εαχη τεστ, τηε ηψδραυλιχ σψστεm, ινχλυδινγ τηε φρεση σπεχιmεν, ωασ ρεχηαργεδ ωιτη ωορκινγ φλυιδ (Εσσο Νυτο Η46) βψ φιρστ εϖαχυατινγ ιτ το ενσυρε νο αιρ ποχκετσ ρεmαινεδ. 133 134 135 136 137 138 139 140 141 ΤΕΣΤ ΠΡΟΧΕDΥΡΕ Ινστρυmεντατιον χοmπρισεδ: Ινστρον 100κΝ λοαδ χελλ (φορ τηε αξιαλ λοαδινγ χονφιγυρατιον); Σηαπε 140 ΜΠα πρεσσυρε τρανσmιττερ (φορ τηε χιρχυmφερεντιαλ λοαδινγ χονφιγυρατιον); α πυρποσε βυιλτ χλιπ γαυγε διαmετριχαλ στραιν τρανσδυχερ, Φιγυρε 6, εσσεντιαλλψ, τωο σπρινγ στεελ βλαδεσ το ωηιχη ωερε ατταχηεδ φουρ 6.35mm 1000Ω στραιν γαυγεσ χοννεχτεδ ιν φυλλ βριδγε χονφιγυρατιον; 6.35 mm 120Ω στραιν γαυγεσ φορ ατταχηmεντ διρεχτλψ το τηε σπεχιmενσ; σιγναλ χονδιτιονινγ ελεχτρονιχσ; αυτογραπηιχ ρεχορδινγ εθυιπmεντ. 142 143 144 145 146 147 148 Τηε σπεχιmεν στραιν γαυγεσ ωερε υσεδ δυρινγ τηε ηψδραυλιχ τεστσ το mονιτορ mορε πρεχισελψ τηε βεηαϖιουρ υπ το ψιελδ, τηε διαmετριχαλ τρανσδυχερ βεινγ ιντενδεδ φορ mεασυρεmεντ οφ γροσσ στραινσ ονλψ. Τηε διαmετριχαλ τρανσδυχερ ωασ χαλιβρατεδ ανδ χηεχκεδ φορ λινεαριτψ υσινγ πρεχισιον γρουνδ χψλινδριχαλ γαυγε βαρσ; ιν πραχτιχε, ιτ ωασ φουνδ ινϖαριαβλψ το γιϖε ρεαδινγσ ωιτηιν 0.5% οφ mιχροmετερ mεασυρεmεντσ οφ τηε σπεχιmεν διαmετερσ ατ φαιλυρε. 149 7
150 151 152 153 154 Ιν εϖαλυατινγ τηε αξιαλλψ λοαδεδ προπερτιεσ οφ τηε τυβεσ, α χονϖεντιοναλ σετυπ ωασ υσεδ. Τηε λοαδσ ωερε οβταινεδ φροm τηε τεστ mαχηινε λοαδ χελλ ανδ δισπλαχεmεντσ το ψιελδ ωηιλστ α 50 mm γαυγε λενγτη ΛςDΤ δισπλαχεmεντ τρανσδυχερ προϖιδεδ mεασυρεmεντσ οφ εξτενσιον. Ελονγατιον ατ φαιλυρε ωασ mεασυρεδ υσινγ πρε mαρκεδ σχαλεσ ον τηε σπεχιmενσ οϖερ αν ινιτιαλ γαυγε λενγτη οφ 50 mm. 155 156 157 158 Στραιν ρατεσ φορ βοτη λοαδινγ χονφιγυρατιονσ ωερε σετ το βε ιν τηε ρανγε 50 το 120 mιχροστραιν περ σεχονδ υπ το τηε 0.2% προοφ στρεσσ λεϖελ, φολλοωεδ βψ αν ινχρεασε ιν ρατε το γιϖε φαιλυρε ωιτηιν ονε αδδιτιοναλ mινυτε. 159 160 161 Φιγυρε 7 σηοωσ ρεπρεσεντατιϖε τραχεσ, τακεν φροm τηε χιρχυmφερεντιαλ λοαδινγ τεστσ, οφ ιντερναλ πρεσσυρε ϖ. διαmετριχαλ στραιν ρεχορδσ φορ εαχη οφ τηε τηρεε σαmπλε τψπεσ. 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 ΡΕΣΥΛΤΣ ΑΝD DΙΣΧΥΣΣΙΟΝ Τηε ρεσυλτσ αρε συmmαρισεδ ιν Ταβλε 2, ανδ ιν Φιγυρε 8. Φορ τηε αξιαλ λοαδινγ χονφιγυρατιον, τηε ϖαλυεσ γιϖεν αρε φορ ενγινεερινγ στρεσσ στραιν ανδ σιmιλαρλψ φορ τηε χιρχυmφερεντιαλλψ λοαδεδ χασε, εξχεπτ τηατ ηερε, ινστεαδ οφ τηε τενσιλε στρενγτη βεινγ γιϖεν, τηε χιρχυmφερεντιαλ στρεσσ χοmπονεντ ατ φαιλυρε ηασ βεεν πρεσεντεδ; τηισ ωασ χαλχυλατεδ υσινγ τηε ρεχορδεδ ιντερναλ πρεσσυρε, Π φ, ανδ τηε φιναλ mαξιmυm ιντερναλ ραδιυσ, ρ φ, ατ φαιλυρε, το οβταιν τηε αππλιεδ χιρχυmφερεντιαλ στρεσσ τηυσ: Π φ ρ φ σ η =.. (1) τ Τηε τενσιλε στρενγτη φορ τηε αξιαλ χασε ωασ τακεν, χονϖεντιοναλλψ, το βε τηε ενγινεερινγ στρεσσ τακεν φροm τηε mαξιmυm ποιντ ον τηε λοαδ δισπλαχεmεντ χυρϖε. Τηε διστινχτ ψιελδ 8
173 174 ποιντ φορ τηε Τψπε Χ ρεχορδ σηοων ιν Φιγυρε 7 ωασ, το α ϖαρψινγ δεγρεε, αππαρεντ φορ αλλ Τψπε Χ σπεχιmενσ τεστεδ. 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 Τηερε αρε σοmε αρεασ το βε χαρεφυλ οφ ιν εξαmινινγ τηεσε δατα. Φιρστ οφ αλλ, ωηιλστ ιτ ισ ρεασοναβλε το υσε τηε ρεσυλτσ φορ αξιαλ ελονγατιον ατ φαιλυρε το χοmπαρε τηε περφορmανχε οφ τηε διφφερεντ τυβε τψπεσ, ανδ το υσε, σιmιλαρλψ, τηε διαmετριχαλ στραιν ρεσυλτσ, το mακε διρεχτ χοmπαρισον βετωεεν τηε αξιαλ ανδ διαmετριχαλ στραιν περφορmανχε ωουλδ βε υνσουνδ. Τηε φαιλυρε βψ νεχκινγ ιν τηε αξιαλ λοαδινγ χασε προδυχεσ α ϖερψ διφφερεντ πλαστιχ φλοω ρεγιmε φροm τηατ οβσερϖεδ ιν τηε χιρχυmφερεντιαλλψ λοαδεδ τεστσ. Φυρτηερmορε, τηε γροσσ χηανγεσ ιν τυβε γεοmετρψ οβσερϖεδ ιν τηε χιρχυmφερεντιαλ λοαδινγ τεστσ προγρεσσιϖελψ ιντροδυχεδ αν ινχρεασινγλψ σιγνιφιχαντ αξιαλ χοmπονεντ οφ στρεσσ. Ιν οτηερ ωορδσ, τηε περφορmανχε ονε ισ αβλε το οβσερϖε ηερε ισ ινφλυενχεδ βψ τηε σπεχιmεν γεοmετρψ ατ ηιγη στραιν λεϖελσ; τηε τεστ σηουλδ βε ρεγαρδεδ ασ α mετηοδ φορ ασσεσσινγ τηε mατεριαλ χοmπονεντ χοmβινατιον, νοτ ασ α προποσεδ στανδαρδ mατεριαλ τεστ περ σε. Φορ ηψδραυλιχ λοαδινγ ιν τηε σετυπ δεϖελοπεδ ηερε, ανδ βψ mεασυρινγ τηε χηανγε ιν ιντερναλ ραδιυσ φροm τηε ινιτιαλ χονδιτιον, ρ 1, το ανψ στραινεδ (βυλγεδ) χονδιτιον οφ ραδιυσ, ρ 2, ονε χαν εϖαλυατε τηε mαγνιτυδε οφ τηε αξιαλ ηψδραυλιχ φορχε. Φροm τηισ, τηε ρατιο οφ αππλιεδ στρεσσ χοmπονεντσ ισ γιϖεν βψ εθυατιον (2): 191 σ σ ΑΞΙΑΛ ΗΟΟΠ = Π(ρ ρ 2 2 2ρ τ 2 2 1 ). τ Πρ 2 192 ρ1 = 0. 5 1 ρ2 2 193 1 = 0.5 1 1+ ε δ 2. (2) 9
194 195 196 197 198 199 Τηυσ, φορ τηε mαξιmυm ϖαλυε οφ διαmετριχαλ στραιν, ε δ, οβσερϖεδ δυρινγ ηψδραυλιχ τεστινγ (69%), αν αξιαλ χοmπονεντ οφ στρεσσ εθυαλ το 32% οφ τηε αππλιεδ χιρχυmφερεντιαλ στρεσσ ωουλδ βε ινδυχεδ. Ον τηε οτηερ ηανδ, ατ τηε τψπιχαλ στραιν ϖαλυεσ (αβουτ 0.6%) mεασυρεδ ατ τηε Προοφ Στρεσσ, τηε αξιαλ χοmπονεντ οφ στρεσσ ιντροδυχεδ δυε το τηε βυλγινγ οφ τηε τυβεσ χαν βε σηοων το αmουντ το mυχη λεσσ τηαν 1% οφ τηε αππλιεδ χιρχυmφερεντιαλ στρεσσ. 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 Wε χαν νοτε χερταιν οτηερ ποιντσ ωιτη α χονσιδεραβλε δεγρεε οφ χονφιδενχε, ηοωεϖερ. Ιτ ισ χλεαρ τηατ, οφ τηε τηρεε βατχηεσ, Τψπε Β, ωιτη τηε λοωεστ οξψγεν χοντεντ, εξηιβιτεδ τηε λοωεστ Προοφ Στρεσσ, τηε λοωεστ τενσιλε στρενγτη, ανδ τηε ηιγηεστ δυχτιλιτψ φορ βοτη λοαδινγ χονφιγυρατιονσ. Τψπε Χ, ηαϖινγ τηε ηιγηεστ οξψγεν χοντεντ, αλσο σηοωεδ τηε ηιγηεστ ϖαλυεσ φορ βοτη αξιαλ τενσιλε στρενγτη ανδ φορ φαιλυρε πρεσσυρε ιν τηε ηψδραυλιχ τεστσ, βυτ ωιτη βψ φαρ τηε γρεατεστ δεγρεε οφ σχαττερ οφ τηε τηρεε τυβε τψπεσ. Φιγυρε 9 σηοωσ τωο εξαmπλεσ οφ χιρχυmφερεντιαλλψ λοαδεδ Τψπε Χ τυβεσ ποστ φαιλυρε; οφ τηε τηιρτεεν σπεχιmενσ οφ τηισ τψπε, τεν φαιλεδ βψ πινηολε λεακ ανδ τηε ρεmαινινγ τηρεε βψ υνσταβλε φραχτυρε. Ιν τηε χασεσ ωηερε φραχτυρε οχχυρρεδ, τηε διαmετριχαλ στραιν ατ φαιλυρε ωασ ατ τηε υππερ ενδ οφ τηε ρανγε φορ τηισ τψπε (73 % το 77% φορ τηε τηρεε ρεσυλτσ, χοmπαρεδ το α mεαν οφ 63%). Αλλ οφ τηε Τψπε Α ανδ Τψπε Β σπεχιmενσ φαιλεδ βψ υνσταβλε φραχτυρε. 213 214 215 216 Γιϖεν τηε νεγλιγιβλε χηανγε ιν γεοmετρψ οβσερϖεδ ατ τηε ψιελδ ποιντ, ονε χαν ρεασοναβλψ δραω χοmπαρισονσ βετωεεν τηε αξιαλ ανδ χιρχυmφερεντιαλ ϖαλυεσ φορ Προοφ Στρεσσ: ωηιλστ Τψπεσ Β ανδ Χ σηοωεδ ινχρεασεσ οφ 31% ανδ 25% ρεσπεχτιϖελψ ιν τηε χιρχυmφερεντιαλ 10
217 218 διρεχτιον, Τψπε Α τηε λαργε γραινεδ ϖαχυυm αννεαλεδ βατχη, προϖεδ το βε χλοσερ το ισοτροπιχ ιν τηισ ρεσπεχτ σηοωινγ αν ινχρεασε οφ ονλψ 14%. 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233 Ιν πασσινγ, ιτ mιγητ βε νοτεδ τηατ τηε Ηαλλ Πετχη ρελατιονσηιπ [15, 16] στατεσ τηατ: Κ σψ = σ0 + (3) δ ωηερε τηε ψιελδ στρεσσ, σ ψ, χαν βε πρεδιχτεδ ασ α φυνχτιον οφ: σ 0, τηε ιντρινσιχ ψιελδ οφ τηε mατεριαλ; δ, τηε γραιν διαmετερ; ανδ Κ, α mατεριαλ χονσταντ. Ιν τηε πρεσεντ χασε, αλτηουγη τηε τηρεε σετσ οφ σπεχιmενσ ωερε οφ νεαρ ιδεντιχαλ χηεmιχαλ χοmποσιτιον (ανδ ωιτηιν τηε ρανγε πρεσχριβεδ φορ χοmmερχιαλλψ πυρε ), α χυρσορψ ινσπεχτιον οφ τηε mιχρογραπησ ιν Φιγυρε 1 χονφιρmσ τηατ Τψπε Β ηασ τηε σmαλλεστ γραιν σιζε ανδ ψετ ιτ αλσο ηασ τηε λοωεστ mεασυρεδ ϖαλυεσ οφ σ ψ φορ βοτη αξιαλ ανδ χιρχυmφερεντιαλ λοαδινγ χασεσ. Ιν οτηερ ωορδσ, τηε οβσερϖεδ ρεσυλτσ ρυν χουντερ το τηε ρελατιονσηιπ ανδ ιτ τηερεφορε δοεσ νοτ ηολδ φορ τηισ σιτυατιον. Τηισ χαν βε εξπλαινεδ ιν τηατ, ασ πρεϖιουσλψ στατεδ, τηε mεχηανιχαλ προπερτιεσ οφ ΧΠ τιτανιυm αρε ηιγηλψ σενσιτιϖε το ϖερψ σmαλλ ϖαριατιονσ ιν χηεmιχαλ χοmποσιτιον (οφ τηε σχαλε σεεν ηερε) ανδ, φυρτηερmορε, αν αδδιτιοναλ δετερmινινγ φαχτορ, τηε ινιτιαλ λεϖελ οφ δισλοχατιον δενσιτψ ιν τηε mατεριαλσ ωασ ασ mανυφαχτυρεδ, ι.ε., ωασ νοτ δελιβερατελψ χοντρολλεδ φορ ινϖεστιγατιϖε πυρποσεσ. 234 235 236 237 238 Ιν συmmαρψ, τηε πριmαρψ οβϕεχτιϖε οφ τηισ ωορκ ωασ το δεϖισε α σψστεm το εναβλε οβϕεχτιϖε εϖαλυατιον οφ, ανδ χοmπαρισον βετωεεν, τηε προπερτιεσ το φαιλυρε φορ τυβε σπεχιmενσ οφ νεαρ ιδεντιχαλ γεοmετρψ ανδ τηε ρεσυλτσ οβταινεδ φροm τηε τεστ σετυπ ωηιχη ωασ δεϖελοπεδ ηαϖε δεmονστρατεδ ιτσ χαπαβιλιτψ οφ περφορmινγ τηισ τασκ σατισφαχτοριλψ. 239 11
240 241 242 243 244 245 246 247 ΧΟΝΧΛΥΣΙΟΝΣ Α σψστεm φορ mακινγ χοmπαρατιϖε εϖαλυατιονσ οφ, σεπαρατελψ, τηε αξιαλλψ ανδ χιρχυmφερεντιαλλψ λοαδεδ περφορmανχε οφ τυβυλαρ σπεχιmενσ οφ ΧΠ τιτανιυm ηασ βεεν δεmονστρατεδ. Τηισ ρεθυιρεδ τηε δεϖελοπmεντ οφ α νεω εξπεριmενταλ σετυπ φορ αππλψινγ χιρχυmφερεντιαλ στρεσσεσ ηψδραυλιχαλλψ; υσινγ τηισ, αξιαλ λοαδσ ωερε εσσεντιαλλψ ελιmινατεδ υπ το σπεχιmεν ψιελδ. Τηε αρρανγεmεντ αλσο εναβλεδ υσεφυλ χοmπαρισονσ το βε mαδε οφ δυχτιλιτψ υπ το φαιλυρε ωιτη χιρχυmφερεντιαλ λοαδινγ πρεδοmιναντ. Αξιαλ λοαδ τεστινγ φολλοωεδ τηε πρεσχριβεδ mετηοδ οφ α στανδαρδ τεστ προχεδυρε. 248 249 250 251 252 253 254 255 256 257 Τεστσ ωερε περφορmεδ ον τηρεε χανδιδατε τυβε τψπεσ ιντενδεδ φορ α λαργε σχαλε ηεατ εξχηανγερ αππλιχατιον. Μεασυρεδ mεχηανιχαλ προπερτιεσ διφφερεδ σιγνιφιχαντλψ βετωεεν τηε τηρεε τψπεσ. Αλλ τηρεε βατχηεσ δισπλαψεδ ψιελδ βεηαϖιουρ ωηιχη το α σιγνιφιχαντ δεγρεε ωασ δεπενδεντ ον οριεντατιον. Dιφφερενχεσ ιν περφορmανχε βετωεεν τηε τυβε τψπεσ χουλδ νοτ βε αττριβυτεδ διρεχτλψ το οβσερϖεδ διφφερενχεσ ιν αϖεραγε γραιν σιζε. Τηε τεστσ χονφιρmεδ τηατ τυβε Τψπε Χ, ηαϖινγ τηε ηιγηεστ οξψγεν χοντεντ, ωασ, γενεραλλψ, τηε στρονγεστ οφ τηε τηρεε γρουπσ οϖερ βοτη λοαδινγ ρεγιmεσ, βυτ ατ λιττλε ορ νο χοστ ιν ρελατιον το ιτσ δυχτιλιτψ; Τψπε Χ ωασ, τηερεφορε, δεεmεδ mοστ αππροπριατε φορ τηε προποσεδ ηιγη ιντεγριτψ αππλιχατιον. 258 259 260 261 262 263 Φιναλλψ, τηε φινδινγσ χονφιρm τηατ, ωηερε ιτ ισ α ρεθυιρεmεντ τηατ δεταιλεδ θυαντιτατιϖε χοmπαρισον βε mαδε βετωεεν τψπεσ οφ ΧΠ τιτανιυm τυβε προδυχεδ βψ διφφερεντ mανυφαχτυρινγ προχεσσ, ορ ηαϖινγ σmαλλ διφφερενχεσ ιν χηεmιχαλ χοmποσιτιον, ιτ ισ ιmπορταντ το χονδυχτ τεστσ ον σπεχιmενσ οφ φινισηεδ τυβεσ, τηερε βεινγ νο χονϖενιεντ mετηοδ αϖαιλαβλε φορ ρελιαβλψ ινφερρινγ mεχηανιχαλ προπερτιεσ οτηερωισε. 12
ΡΕΦΕΡΕΝΧΕΣ 1) Τιτανιυm Ινφορmατιον Γρουπ, Τιτανιυm φορ Μαρινε ανδ Οφφσηορε Αππλιχατιονσ Α Dεσιγνερσ ανδ Υσερσ Ηανδβοοκ. Κϕελλερ, Νορωαψ: Ινστιτυττ φορ Ενεργιτεκνικκ, 1999. 2) Σεαγλε, Σ.Ρ., Τηε στατε οφ τηε ΥΣΑ τιτανιυm ινδυστρψ ιν 1995. Ματεριαλσ Σχιενχε ανδ Ενγινεερινγ 1996; Α213, 1 7. 3) Ψαmαδα, Μ., Αν οϖερϖιεω ον τηε δεϖελοπmεντ οφ τιτανιυm αλλοψσ φορ νον αεροσπαχε αππλιχατιον ιν ϑαπαν, Ματεριαλσ Σχιενχε ανδ Ενγινεερινγ 1996; Α213, 8 15. 4) ϑαφφεε, Ρ.Ι., Προmισελ, ΝΕ., (εδσ), Τηε Σχιενχε, Τεχηνολογψ ανδ Αππλιχατιον οφ Τιτανιυm. Οξφορδ, ΥΚ: Περγαmον Πρεσσ, 1970. 5) Βαχηε, Μ.Ρ., Εϖανσ, W.ϑ., Συδδελλ, Β., Ηερρουιν, Φ.Ρ.Μ., Τηε εφφεχτσ οφ τεξτυρε ιν τιτανιυm αλλοψσ φορ ενγινεερινγ χοmπονεντσ υνδερ φατιγυε, Ιντερνατιοναλ ϑουρναλ οφ Φατιγυε 2001; 23, Σ153 Σ159. 6) Dαϖιεσ, Ρ.W., Κηαλεελ, Μ.Α., Κινσελ, W.Χ., Ζβιβ, Η.Μ. (2002) Ανισοτροπιχ ψιελδ λοχυσ εϖολυτιον δυρινγ χολδ πιλγερινγ οφ τιτανιυm αλλοψ τυβινγ, Τρανσ ΑΣΜΕ, ϑουρναλ οφ Ενγινεερινγ Ματεριαλσ ανδ Τεχηνολογψ 2002; 124, 125 134. 7) Γοοδιερ, ϑ.ν., Σχηοεσσοω, Γ.ϑ., Τηε ηολδινγ ποωερ ανδ ηψδραυλιχ τιγητνεσσ οφ εξπανδεδ τυβε ϕοιντσ: αναλψσισ οφ τηε στρεσσ ανδ δεφορmατιον, Τρανσ ΑΣΜΕ 1943; 65, 489 96. 8) Αλεξανδερ, ϑ.μ, Φορδ, Η., Ον Εξπανδινγ α Ηολε φροm Ζερο Ραδιυσ ιν α Τηιν Ινφινιτε Πλατε, Προχεεδινγσ οφ τηε Ροψαλ Σοχιετψ οφ Λονδον. Σεριεσ Α, Ματηεmατιχαλ ανδ Πηψσιχαλ Σχιενχεσ 1954; 226, 543 561. 9) ΑΣΤΜ, Στανδαρδ τεστ mετηοδσ φορ δετερmινινγ αϖεραγε γραιν σιζε, Ε112 96, 1996. 10) ΒΣ ΕΝ 10002 1:2001, Μεταλλιχ mατεριαλσ τενσιλε τεστινγ, Βριτιση Στανδαρδσ 13
Ινστιτυτε, 2001. 11) Τιροση, ϑ., Νευβεργερ, Α., Σηιριζλψ, Α., Ον τυβε εξπανσιον βψ ιντερναλ φλυιδ πρεσσυρε ωιτη αδδιτιοναλ χοmπρεσσιϖε στρεσσ, Ιντερνατιοναλ ϑουρναλ οφ Μεχηανιχαλ Σχιενχε 1996; 38, 839 851. 12) Ζηανγ, Σ.Η., Dεϖελοπmεντσ ιν ηψδροφορmινγ, ϑουρναλ οφ Ματεριαλσ Προχεσσινγ Τεχηνολογψ 1999; 91, 236 244. 13) Σοκολοωσκι, Τ., Γερκε, Κ., Αηmετογλυ, Μ., Αλταν, Τ., Εϖαλυατιον οφ τυβε φορmαβιλιτψ ανδ mατεριαλ χηαραχτεριστιχσ: ηψδραυλιχ βυλγε τεστινγ οφ τυβεσ, ϑουρναλ οφ Ματεριαλσ Προχεσσινγ Τεχηνολογψ 2000; 98, 34 40. 14) Λανγ, Λ.Η., Wανγ, Ζ.Ρ., Κανγ, D.Χ., Ψυαν, Σ.ϑ., Ζηανγ, Σ.Η., Dανχκερτ, ϑ., Νιελσεν, Κ.Β., Ηψδροφορmινγ ηιγηλιγητσ: σηεετ ηψδροφορmινγ ανδ τυβε ηψδροφορmινγ, ϑουρναλ οφ Ματεριαλσ Προχεσσινγ Τεχηνολογψ 2004; 151, 165 177 15) Πολmεαρ, Ι.ϑ. (1989) Λιγητ Αλλοψσ. Λονδον, ΥΚ: Εδωαρδ Αρνολδ, 1989. 16) Καο, Ψ.Λ., Τυ, Γ.Χ., Ηυανγ, Χ.Α., Λιυ, Τ.Τ., Α στυδψ ον τηε ηαρδνεσσ ϖαριατιον οφ α ανδ β πυρε τιτανιυm ωιτη διφφερεντ γραιν σιζεσ, Ματεριαλσ Σχιενχε ανδ Ενγινεερινγ 2005; Α 398, 93 98. 14
ΦΙΓΥΡΕΣ ΑΝD ΧΑΠΤΙΟΝΣ ΦΙΓΥΡΕ 1: Μιχρογραπησ οφ Τψπε Α, Β ανδ Χ χοmmερχιαλλψ πυρε τιτανιυm τυβε σπεχιmενσ. ΦΙΓΥΡΕ 2: Σχηεmατιχ οφ σελφ χονταινεδ ηιγη πρεσσυρε πυmπ ανδ σπεχιmεν ηολδερ. ΦΙΓΥΡΕ 3: Πυmπ ανδ σπεχιmεν ηολδερ mουντεδ ιν ϕαωσ οφ σερϖο ηψδραυλιχ τεστ mαχηινε. ΦΙΓΥΡΕ 4: Σπεχιmεν διmενσιονσ. ΦΙΓΥΡΕ 5: Τεστ ριγ χορε ανδ σπεχιmεν σεαλινγ αρρανγεmεντ ινχορπορατινγ νιτριλε Ο ρινγσ ανδ ΠΤΦΕ σπιραλ βαχκινγ ωασηερσ το πρεϖεντ σεαλ εξτρυσιον. ΦΙΓΥΡΕ 6: Χλιπ γαυγε διαmετριχαλ στραιν τρανσδυχερ (διmενσιονσ ιν mm). 1000Ω στραιν γαυγεσ ωερε ποσιτιονεδ ατ ΣΓ. Τηε τυβε διαmετερσ ωερε mεασυρε βετωεεν τηε 38 mm ραδιυσ αρχσ οφ α παιρ οφ ϕαωσ ατταχηεδ το τηε βλαδε ενδσ. ΦΙΓΥΡΕ 7: Σαmπλε ρεχορδσ οφ αππλιεδ ιντερναλ πρεσσυρε ϖ. διαmετριχαλ στραιν φροm χιρχυmφερεντιαλ λοαδινγ τεστσ. ΦΙΓΥΡΕ 7: Συmmαρψ οφ ρεσυλτσ οφ τεστσ το φαιλυρε ΦΙΓΥΡΕ 8: Εξαmπλεσ οφ ποστ φαιλυρε Τψπε Χ σπεχιmενσ υνσταβλε φραχτυρε ανδ πινηολε φαιλυρε. 15
Figure1 Click here to download high resolution image
Figure2 Click here to download high resolution image
Figure3 Click here to download high resolution image
Figure4 Click here to download high resolution image
Figure5 Click here to download high resolution image
Figure6 Click here to download high resolution image
Figure7 Click here to download high resolution image
Figure8 Click here to download high resolution image
Figure9 Click here to download high resolution image
Table1 ΤΑΒΛΕ 1 Dεσχριπτιον οφ σπεχιmεν τυβε τψπεσ. ΤΥΒΕ ΙΝΤΕΡΝΑΛ ΟΥΤΣΙDΕ WΑΛΛ ΟΞΨΓΕΝ ΒΑΤΧΗ DΙΑΜΕΤΕΡ DΙΑΜΕΤΕΡ ΤΗΙΧΚΝΕΣΣ ΧΟΝΤΕΝΤ α mm β mm τ mm % Α 14.00 15.82 0.96 0.12 (ςαχυυm αννεαλεδ) Β 14.00 15.76 0.88 0.115 Χ 13.77 15.79 1.01 0.20
Table2 ΤΑΒΛΕ 2 Συmmαρψ οφ ρεσυλτσ φορ τενσιλε ανδ χιρχυmφερεντιαλ λοαδινγ τεστσ (στανδαρδ δεϖιατιον ιν βραχκετσ). ΤΥΒΕ ΒΑΤΧΗ ΑΞΙΑΛ ΛΟΑDΙΝΓ ΧΟΝΦΙΓΥΡΑΤΙΟΝ 0.2% ΠΡΟΟΦ ΤΕΝΣΙΛΕ ΕΛΟΝΓΑΤΙΟΝ ΣΤΡΕΣΣ ΣΤΡΕΝΓΤΗ ΜΠα ΜΠα % ΧΙΡΧΥΜΦΕΡΕΝΤΙΑΛ ΛΟΑDΙΝΓ ΧΟΝΦΙΓΥΡΑΤΙΟΝ ΧΙΡΧΥΜΦΕΡΕΝΤΙΑΛ 0.2% ΠΡΟΟΦ DΙΑΜΕΤΡΙΧΑΛ ΧΟΜΠΟΝΕΝΤ ΟΦ ΣΤΡΕΣΣ ΣΤΡΑΙΝ ΣΤΡΕΣΣ ΑΤ ΦΑΙΛΥΡΕ ΜΠα % ΜΠα Α 400 506 30 454 748 58 (1.8) (5.1) (1.2) (1.5) (7.0) (1.5) Β 289 455 34 379 727 69 (3.5) (3.3) (1.7) (6.9) (2.9) (1.2) Χ 383 559 28 478 870 63 (3.2) (9.8) (2.2) (4.9) (45.4) (10.5)