نشریه فناوری آزمون‌های غیرمخرب

نشریه فناوری آزمون‌های غیرمخرب

بررسی مشابهت آزمون پانچ کوچک به عنوان یک روش شبه غیرمخرب و آزمون خستگی تک‌محوری در فولاد SS304

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
حسن میراحمدی شلمزاری 1
ناصر سلطانی 2
1 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تهران، تهران، ایران
2 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تهران، تهران، ایران،
10.30494/jndt.2026.544159.1168
چکیده
به‌منظور تعیین خواص مکانیکی از جمله خواص خستگی مواد به‌کاررفته در سازه‌ها، استفاده از روش‌های مبتنی‌بر آزمون نمونه‌های کوچک، با توجه به محدودیت‌های نمونه‌برداری و ضرورت پرهیز از تخریب قطعه‌ی اصلی، به‌شدت مورد توجه قرار گرفته است. در میان این روش‌ها، آزمون پانچِ کوچک به‌عنوان یکی از روش‌های شاخص مطرح می‌باشد. در این پژوهش هدف بررسی مشابهت آزمون خستگی پانچ کوچک با آزمون خستگی تک محوری در فولاد SS304 به عنوان یک روش شبیه‌غیرمخرب می باشد. به همین منظور رفتار آزمون خستگی پانچ کوچک از منظر نمودار نیرو برحسب تعداد سیکل تا شکست، انرژی هیسترزیس و شکل نمونه پس از آزمون خستگی مورد مطالعه قرار گرفت. پس از آماده‌سازی نمونه‌های آزمون پانج کوچک مطابق با استاندارد اروپایی با کد CWA 15627:2006 این نمونه‌ها در سطوح بارگذاری مختلف مورد آزمون قرار گرفت. در نمونه‌های آزمون پانج کوچک پس از اعمال بارگذاری خستگی خطوط ساحلی ناشی از رشد ترک خستگی در این آزمون به وضوح مشاهده شد. همچنین نمودار نیرو برحسب تعداد سیکل تا شکست به صورت توانی بوده 〖(F_max=3.415×10^5 N_f^(-0.554),R〗^2=0.96) که از این جهت مشابه نمودار تنش برحسب تعداد سیکل در آزمون تک‌محوری استاندارد می‌باشد. به علاوه در طول آزمون با افزایش تعداد سیکل‌ بارگذاری انرژی حلقه هیسترزیس افزایش پیدا کرده و رابطه آن با تعداد سیکل به صورت توانی می‌باشد 〖(R〗^2>0.81). نتایج این مجموعه آزمون‌ها نشان‌دهنده مشابهت رفتار آزمون پانچ کوچک خستگی با آزمون خستگی محوری استاندارد می‌باشد، از این رو انتظار می‌رود آزمون خستگی پانچ کوچک به عنوان یک روش کارآمد در ارزیابی خواص خستگی مواد به کار رفته در سازه‌ها مورد استفاده قرار گیرد.
کلیدواژه‌ها
آزمون پانچ کوچک
آزمون خستگی تک‌محوری
خواص خستگی
روش شبه‌غیرمخرب
فولاد زنگ‌نزن SS304
موضوعات

عنوان مقاله English

Investigation of the Similarity Between the Small Punch Test as a Pseudo-Non-Destructive Method and Uniaxial Fatigue Testing in SS304 Stainless Steel

نویسندگان English

Hassan Mirahmadi 1
Nasser Soltani 2
1 Department of Mechanical Engineering, College of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran.
2 Department of Mechanical Engineering, College of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran.
چکیده English

Determining the mechanical properties of materials , including fatigue properties used in structural components often presents challenges due to limitations in specimen extraction and the necessity of avoiding damage to in-service parts, especially in existing, safety - critical engineering components. To address these constraints, small - specimen testing techniques have gained considerable attention in recent years, with the Small Punch Test (SPT) being one of the most prominent methods. This study aims to evaluate the similarity between the small punch fatigue (SPF) test and the conventional uniaxial fatigue test in SS 304 stainless steel as a pseudo - non - destructive method for potential structural integrity assessment applications. For this purpose, the small punch fatigue (SPF) test response was analyzed in terms of the load–cycle relationship, hysteresis energy evolution, and specimen morphology after fatigue testing. SS 304 stainless steel specimens were prepared in accordance with the European standard C W A 15627 : 2006 and subjected to various cyclic loading levels. Post - test examinations revealed distinct beach marks on the fracture surfaces, clearly indicating fatigue crack growth under cyclic loading. The load – cycle curves obtained from the small punch fatigue test (SPF) exhibited a power - law trend 〖(F_max = 3.415 × 10 ^5 N_f ^ (-0.554) ,R 〗^ 2 = 0.96 ), comparable to the stress – cycle curves typically observed in standard uniaxial fatigue tests. Additionally, the hysteresis loop energy increased with the number of cycles, and its relationship with the number of cycles followed a power - law form 〖 (R〗 ^ 2 > 0.81). The strong correlation between the fatigue behavior measured using the small punch fatigue test (SPF) and that obtained from conventional uniaxial fatigue testing indicates that the small punch fatigue test can serve as an effective method for fatigue property evaluation of materials used in structures.

کلیدواژه‌ها English

Small Punch Test
Uniaxial Fatigue Test
Fatigue Properties
Pseudo-Non-Destructive Method
SS304 Stainless Steel
[1] Manahan, M. P., Argon, A. S., & Harling, O. K. (1981). THE DEVELOPMENT OF A MINIATURIZED DISK BEND TEST FOR THE DETERMINATION OF POSTIRRADIATION MECHANICAL PROPERTIES. Journal of Nuclear Materials, 104(C), 1545–1550.
[2] Chi, S. H., Hong, J. H., & Kim, I. S. (1994). EVALUATION OF IRRADIATION EFFECTS OF 16 MeV PROTON-IRRADIATED 12Cr1MoV STEEL BY SMALL PUNCH TESTS. Scripta Metallurgica et Materialia, 30(12), 1521–1525.
[3] Lucas, G. E. (1990). REVIEW OF SMALL SPECIMEN TEST TECHNIQUES FOR IRRADIATION TESTING. Metallurgical Transactions A, 21(4), 1105–1119.
[4] Kameda, J., & Buck, O. (1986). EVALUATION OF THE DUCTILE-TO-BRITTLE TRANSITION TEMPERATURE SHIFT DUE TO TEMPER EMBRITTLEMENT AND NEUTRON IRRADIATION BY MEANS OF A SMALL-PUNCH TEST. Materials Science and Engineering, 83(1), 29–38.
[5] Mao, X., & Kameda, J. (1991). SMALL-PUNCH TECHNIQUE FOR MEASUREMENT OF MATERIAL DEGRADATION OF IRRADIATED FERRITIC ALLOYS. Journal of Materials Science, 26(9), 2436–2440.
[6] Song, S. H., Faulkner, R. G., Flewitt, P. E. J., Marmy, P., & Weng, L. Q. (2004). SMALL PUNCH TEST EVALUATION OF NEUTRON-IRRADIATION-INDUCED EMBRITTLEMENT OF A Cr-Mo LOW-ALLOY STEEL. Materials Characterization, 53(1), 35–41.
[7] Baik, J. M., Kameda, J., & Buck, O. (1983). SMALL PUNCH TEST EVALUATION OF INTERGRANULAR EMBRITTLEMENT OF AN ALLOY STEEL. Scripta Metallurgica, 17(12), 1443–1447.
[8] Ha, J. S., & Fleury, E. (1998). SMALL PUNCH TESTS ON STEELS FOR STEAM POWER PLANT (I): DUCTILE-BRITTLE TRANSITION TEMPERATURE. KSME International Journal, 12(5), 818–826.
[9] Foulds, J. R., Woytowitz, P. J., Parnell, T. K., & Jewett, C. W. (1995). FRACTURE TOUGHNESS BY SMALL PUNCH TESTING. Journal of Testing and Evaluation, 23(1), 3–10.
[10] Giddings, V. L., Kurtz, S. M., Jewett, C. W., Foulds, J. R., & Edidin, A. A. (2001). A SMALL PUNCH TEST TECHNIQUE FOR CHARACTERIZING THE ELASTIC MODULUS AND FRACTURE BEHAVIOR OF PMMA BONE CEMENT USED IN TOTAL JOINT REPLACEMENT. Biomaterials, 22(13), 1875–1881.
[11] Klevtsov, I., Dedov, A., & Molodtsov, A. (2009). MEASUREMENT OF THE TENSILE AND YIELD STRENGTH OF BOILER STEELS BY SMALL PUNCH AND TENSILE TEST METHODS. Estonian Journal of Engineering, 15(2), 99–107.
[12] Dobeš, F., & Milička, K. (2010). ESTIMATION OF DUCTILITY OF Fe-Al ALLOYS BY MEANS OF SMALL PUNCH TEST. Intermetallics, 18(7), 1357–1359.
[13] Li, K., Peng, J., & Zhou, C. (2018). CONSTRUCTION OF WHOLE STRESS-STRAIN CURVE BY SMALL PUNCH TEST AND INVERSE FINITE ELEMENT. Results in Physics, 11, 440–448.
[14] Sainte Catherine, C., Messier, J., Poussard, C., Rosinski, S., & Foulds, J. (2002). SMALL PUNCH TEST: EPRI-CEA FINITE ELEMENT SIMULATION BENCHMARK AND INVERSE METHOD FOR THE ESTIMATION OF ELASTIC PLASTIC BEHAVIOR. ASTM Special Technical Publication, 1418, 350–370.
[15] Abendroth, M., & Kuna, M. (2006). IDENTIFICATION OF DUCTILE DAMAGE AND FRACTURE PARAMETERS FROM THE SMALL PUNCH TEST USING NEURAL NETWORKS. Engineering Fracture Mechanics, 73(6), 710–725.
[16] Abendroth, M., & Kuna, M. (2004). DETERMINATION OF DUCTILE MATERIAL PROPERTIES BY MEANS OF THE SMALL PUNCH TEST AND NEURAL NETWORKS. Advanced Engineering Materials, 6(7), 536–540.
[17] Altstadt, E., et al. (2016). CRITICAL EVALUATION OF THE SMALL PUNCH TEST AS A SCREENING PROCEDURE FOR MECHANICAL PROPERTIES. Journal of Nuclear Materials, 472, 186–195.
[18] Comité Européen de Normalisation (CEN). (2006). WORKSHOP AGREEMENT: SMALL PUNCH TEST METHOD FOR METALLIC MATERIALS. CWA 15627, Parts A and B.
[19] CEN CWA 15627. (2006). WORKSHOP AGREEMENT: SMALL PUNCH TEST METHOD FOR METALLIC MATERIALS. European Committee for Standardization, Brussels.
[20] Holmström, S., et al. (2018). CREEP STRENGTH AND MINIMUM STRAIN RATE ESTIMATION FROM SMALL PUNCH CREEP TESTS. Materials Science and Engineering A, 731, 161–172.
[21] Dymáček, P. (2016). RECENT DEVELOPMENTS IN SMALL PUNCH TESTING: APPLICATIONS AT ELEVATED TEMPERATURES. Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 86, 25–33.
[22] Bruchhausen, M., et al. (2016). RECENT DEVELOPMENTS IN SMALL PUNCH TESTING: TENSILE PROPERTIES AND DBTT. Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 86, 2–10.
[23] Lancaster, R. J., Jeffs, S. P., Illsley, H. W., Argyrakis, C., Hurst, R. C., & Baxter, G. J. (2019). DEVELOPMENT OF A NOVEL METHODOLOGY TO STUDY FATIGUE PROPERTIES USING THE SMALL PUNCH TEST. Materials Science and Engineering A, 748, 21–29.
[24] Prakash, R. V., Dhaka, P., Prasad Reddy, G. V., & Sandhya, R. (2019). UNDERSTANDING THE FATIGUE RESPONSE OF SMALL VOLUME SPECIMENS THROUGH NOVEL FATIGUE TEST METHODS: EXPERIMENTAL RESULTS AND NUMERICAL SIMULATION. Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 103, 102304.
[25] Lewis, D. T. S., Lancaster, R. J., Jeffs, S. P., Illsley, H. W., Davies, S. J., & Baxter, G. J. (2019). CHARACTERISING THE FATIGUE PERFORMANCE OF ADDITIVE MATERIALS USING THE SMALL PUNCH TEST. Materials Science and Engineering A, 754, 719–727.
[26] Zhao, L., Wang, X., Xu, L., Han, Y., & Jing, H. (2021). FATIGUE PERFORMANCE OF HASTELLOY X AT ELEVATED TEMPERATURE VIA SMALL PUNCH FATIGUE TEST. Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 116, 103118.
[27] Zhang, J., Guo, Z., & Liu, K. (2022). MECHANICAL PROPERTIES STUDY OF MINIATURE STEEL SPECIMENS BASED ON THE SMALL PUNCH TEST AND SIMULATION METHODS. Materials, 15(19), 6542.
[28] Nowik, K., & Oksiuta, Z. (2022). EXPERIMENTAL AND NUMERICAL SMALL PUNCH TESTS OF THE 14Cr ODS FERRITIC STEEL. Acta Mechanica et Automatica, 16(3), 225–232.
[29] Otero, S., Álvarez, G., Llera, M. M., & Rodríguez, C. (2025). FATIGUE CHARACTERISATION OF STRUCTURAL STEEL BY MEANS OF THE SMALL PUNCH TEST: DEVELOPMENT OF A METHODOLOGY. Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 135, 104772.
[30] Kim, S., Kim, Y. H., Lee, T., & Kim, M. K. (2025). DEVELOPMENT OF THE SMALL PUNCH FATIGUE TEST METHOD BASED ON THE FINITE ELEMENT METHOD. International Journal of Fatigue, 190, 108656.

  • تاریخ دریافت 06 مهر 1404
  • تاریخ بازنگری 21 بهمن 1404
  • تاریخ پذیرش 30 بهمن 1404