Finite Element Analysis of Notch Impact Test in Structural Steel and Copper Alloys

Bu çalışmada, yapısal çelik ve bakır alaşımlarının çentik darbe davranışları, gelişmiş sayısal yöntemlerle detaylı biçimde incelenmiştir. ASTM E23 standardına göre boyutlandırılan Charpy V-çentikli numunelerin (uzunluk=55 mm, genişlik=10 mm, kalınlık=10 mm; çentik derinliği=2 mm, kök yarıçapı=0,25 mm) üç boyutlu katı modelleri SolidWorks yazılımında oluşturulmuş ve ANSYS programında 19.088 eleman ve 22.484 düğümden oluşan yüksek hassasiyetli bir sonlu eleman modeliyle analiz edilmiştir. Malzemelerin doğrusal olmayan davranışı, gerinim hızının etkilerini de kapsayan Cowper-Symonds modeli (çelikte C=40,4 s⁻¹, bakır alaşımında C=1169 s⁻¹) ile bilineer izotropik pekleşme kullanılarak tanımlanmıştır. Darbe hızları, enerji korunumu ilkesine göre hesaplanmış (300 J için 5,42 m/s, 150 J için 3,83 m/s) ve sürtünmeli temas koşulları (μ=0,2) gerçekçi biçimde tanımlanarak simülasyonlar gerçekleştirilmiştir. Analizler, maksimum gerilmelerin çentik bölgesinde yoğunlaştığını, yapısal çelikte 6438,8 MPa, bakır alaşımında ise 839,61 MPa’ya ulaştığını ortaya koymuştur. Bu değerler, her iki malzemenin de dinamik akma dayanımlarını (çelik için 485 MPa, bakır alaşımı için 252 MPa) önemli ölçüde aşarak, sırasıyla 0,075 ve 0,300 gibi oldukça düşük dinamik emniyet katsayılarına sebep olmuştur. Kırılma anında oluşan maksimum plastik deformasyon, yapısal çelikte 34 mm, bakır alaşımında ise 32 mm olarak belirlenmiş olup, çeliğin darbe yüklemesi altında daha üstün enerji emme kapasitesine sahip olduğu (287 J çelik, 142 J bakır alaşımı) görülmüştür. Elde edilen sonuçlar literatürdeki deneysel verilerle karşılaştırılmış ve yapısal çelikte %4,4, bakır alaşımında ise %5,2’lik düşük hata oranlarıyla doğrulanmıştır. Sonuç olarak, bu çalışma, çentik darbe etkisi altında dinamik kırılma mekanizmalarının, gerilme dalga yayılımının ve deformasyon davranışlarının doğru bir şekilde değerlendirilmesinde sonlu elemanlar yönteminin etkinliğini vurgulamakta, malzeme seçiminde ve yapı güvenliğinin artırılmasında kritik öneme sahip detaylı bilgiler sağlamaktadır.