WYNIKI BADAŃ zaleŝności energii dyssypacji od amplitudy i prędkości obciąŝania podczas cyklicznego skręcania stopu aluminium PA6.

Transkrypt

1 WYNIKI BADAŃ zaleŝności energii dyssypacji od amplitudy i prędkości obciąŝania podczas cyklicznego skręcania stopu aluminium PA6. Przedstawione niŝej badania zostały wykonane w Katedrze InŜynierii Materiałowej przez zespół w składzie: Dr inŝ. Julian Polański, Mgr inŝ. Tomasz Karasiewicz. Badania te wykonano na oryginalnym stanowisku badawczym skonstruowanym przez prowadzących te badania. Wyniki badań zostaną takŝe opublikowane w renomowanym czasopiśmie naukowym. 1. WPROWADZENIE Określanie trwałości zmęczeniowej jest bardzo waŝnym zagadnieniem dla wielu konstrukcji i urządzeń i dlatego często opisywanym w wielu publikacjach. Pomimo to, do tej pory brak jest uniwersalnego kryterium trwałości zmęczeniowej uwzględniającego róŝne warunki obciąŝenia. W konsekwencji powstało szereg kryteriów oceny trwałości zmęczeniowej opartych na róŝnych parametrach zniszczenia [1, 2, 4, 5, 7]: kryteria napręŝeniowe, odkształceniowe oraz kryteria energetyczne. Ujęcie energetyczne zapewnia dokładniejsze i pełniejsze szacowanie trwałości zmęczeniowej, gdyŝ bazuje zarówno na wielkości i prędkości napręŝenia oraz odkształcenia. Miarą trwałości zmęczeniowej w kryteriach energetycznych jest energia dyssypowana, której wielkość określa pole pętli histerezy w układzie odkształcenie - napręŝenie. Podejście energetyczne jest szczególnie przydatne do określania trwałości zmęczeniowej w zakresie niskocyklowym tj. do około 10 4 liczby cykli do zniszczenia [3] ze względu na stosunkowo duŝe odkształcenia plastyczne materiału, które są odpowiedzialne za proces niszczenia elementów maszyn i konstrukcji przy obciąŝeniach cyklicznych [3, 4]. Celem badań było eksperymentalne określenie wpływu amplitudy napręŝenia oraz prędkości napręŝenia na wielkość dyssypowanej energii podczas cyklicznego skręcania stopu aluminium PA6. 1

2 2. STANOWISKO BADAWCZE I BADANE PRÓBKI W celu określania energii dyssypowanej podczas cyklicznego skręcania zaprojektowano i zbudowano specjalne stanowisko badawcze z komputerowym sterowaniem i rejestracją wyników (Rys. 1). Stanowisko umoŝliwia prowadzenie badań trwałości zmęczeniowej przy zadanej amplitudzie napręŝenia lub zadanej amplitudzie odkształcenia. Ponadto istnieje moŝliwość regulacji prędkości obciąŝania. Cykliczne skręcanie próbek jest realizowane motoreduktorem poprzez mechanizm korbowodowy. Amplituda napręŝenia zadawana jest poprzez układ elektroniczny sterowany komputerowo. Natomiast regulacja amplitudy odkształcenia odbywa się w mechanizmie korbowodowym. Sterowanie prędkością odkształcenia lub napręŝenia odbywa się za pomocą przemiennika częstotliwości (falownika) w układzie zasilania motoreduktora sygnał pomiarowy sygnał sterujący Falownik Przekaźnik BETA 2000S Program rejestrujący Komputer Rys. 1. Schemat stanowiska do badań zmęczeniowych w warunkach wahadłowego skręcania (1-motoreduktor; 2-koło napędowe; 3-korba; 4-korbowód; 2

3 5,6-uchwyt; 7-próbka; 8-podpora; 9-momentomierz; 10-sprzęgło; 11-podpora pośrednia; 12-czujnik kąta skręcenia, 13-licznik obrotów) Współczesne techniki pomiarowe umoŝliwiają, dzięki zastosowaniu cyfrowych systemów sterowania i pomiaru, dyskretny zapis wartości sygnałów uzyskiwanych z przetworników pomiarowych. Układ pomiarowy na podstawie wielkości pola pętli histerezy umoŝliwia ciągłą rejestrację dyssypowanej energii. Odbywa się to poprzez cyfrowe sygnały pomiaru siły i odkształcenia. Tworzą one punktowy opis pętli histerezy w układzie odkształcenie napręŝenie. Dokładność odwzorowania pętli zaleŝy od przyjętej częstotliwości próbkowania do 200 Hz. W skład układu pomiarowego wchodzi: momentomierz MT200 o zakresie pomiarowym +/- 200 Nm, ; optoelektroniczny przetwornik obrotowo-impulsowy M500 o rozdzielczości 1/4096 części kąta pełnego; elektroniczny licznik obrotów; interfejs Beta2000S oraz komputer PC. W zaleŝności od zadanych parametrów sterujących realizować moŝna badania zmęczeniowe w dwóch trybach: I - przy wymuszeniu napręŝeniowym lub II - przy wymuszeniu odkształceniowym. Przykładowe wyniki badań w postaci pętli histerezy przedstawiono na rys. 2. τ 400 [MPa] 300 τ 400 [MPa] ,03-0,02-0,01 0 0,01 0,02 0, ,05-0,04-0,03-0,02-0,01 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0, γ [rad] -400 γ [rad] a) b) Rys. 2. Przykładowe doświadczalne pętle histerezy uzyskane przy: a) zadanym odkształceniu, b) zadanym napręŝeniu. 3. WYNIKI BADAŃ Badania przeprowadzone zostały na próbkach cylindrycznych wykonanych ze stopu aluminium wg EN: AW-2017 (PA6 oznaczenie wg PN). Próbki (rys. 3) wykonano z wyciskanych prętów o średnicy 12 mm, przy ich wykonywaniu kierowano się zaleceniami 3

4 φ φ norm PN-76/H-04326, PN-74/H-04327, PN-76/H-04325, PN-84/H Powierzchnie próbek na długości pomiarowej wykonano metodą skrawania i szlifowania oraz w celu zmniejszenia wpływu karbu na trwałość zmęczeniową wypolerowano, tak aby chropowatość wynosiła co najwyŝej 0,32 µm parametru Ra. Własności mechaniczne oraz skład chemiczny zawiera tabela 1. Rys. 3. Próbka badawcza Tabela 1. Skład i właściwości mechaniczne badanych próbek Skład chemiczny [%] Cu Mg Mn Si Fe Zr+Ti Zn Cr 3,5-4,5 0,4-1,0 0,4-1,0 0,2-0,8 <=0,7 <=0,25 <=0,25 <=0,10 Własności mechaniczne Re 0,2 [MPa] Rm [MPa] A 5 [%] min 260,0 min 420,0 min 15,0 Badania dotyczyły określenia wpływu wielkości amplitudy napręŝenia na wielkość dyssypowanej energii ustabilizowanej pętli histerezy. Przeprowadzono je dla dwóch zadawanych wartości prędkości napręŝenia wynoszących odpowiednio: 240 oraz 560 MPa/s. Dla prędkości v 1 = 240 MPa/s zakres zmian amplitudy napręŝenia zawierał się w granicach od 210 do 295 MPa, natomiast dla prędkości v 2 = 560 MPa zakres wynosił odpowiednio od 220 do 290 MPa. Na podstawie uzyskanych energii ustabilizowanych pętli dla róŝnych amplitud z podanych przedziałów sporządzono wykresy przedstawiające zaleŝność energii dyssypowanej od amplitudy napręŝenia przy cyklicznym skręcaniu rys 4. 4

5 Rys. 4. ZaleŜność energii od amplitudy napręŝenia. Wyraźnie widoczny jest wpływ wielkości amplitudy napręŝenia na wielkość energii W ustabilizowanej pętli histerezy. Obserwuje się wzrost energii zraz ze wzrostem obciąŝenia. Wynika to stąd, Ŝe wielkość dyssypowanej energii związana jest z wielkością występujących odkształceń plastycznych, które rosną wraz ze wzrostem amplitudy napręŝenia. Ponadto obserwuje się równieŝ wpływ prędkości obciąŝania na wielkość energii ustabilizowanej pętli histerezy. Krzywa przedstawiająca zaleŝność energii od amplitudy przy prędkości mniejszej v 1 =240 MPa/s ma wyŝsze wartości tzn. przebiega powyŝej krzywej sporządzonej dla wyŝszej prędkości v 2 =560 MPa/s. Większy wpływ prędkości zaznacza się przy amplitudach o większej wartości. Przy większych prędkościach następuję większe umocnienie materiału co zmniejsza odkształcenia plastyczne, a tym samym dyssypowana energia jest mniejsza. Na rysunkach 5 pokazano przykładowe wyniki wpływu prędkości na energię dla pojedynczych prób dla prędkości obciąŝania 240 i 560 MPa/s, przy zadanej amplitudzie napręŝenia w obydwu przypadkach 230 MPa. Pętle przy mniejszej prędkości mają większe pola powierzchni, co oznacza większą energię dyssypowaną, natomiast dla próby z większą prędkością pola mają mniejszą powierzchnie. 5

6 a) b) Rys. 5. Pętle histerezy przy stałej zadanej amplitudzie napręŝenia 230 MPa, a) dla prędkości v=240 MPa/s, b) dla prędkości 560 MPa/s Dla uzasadnienia zaleŝności wielkości energii od amplitudy napręŝenia z rysunku 4 przedstawiono na rysunkach 6 wyniki dla pojedynczych prób przeprowadzonych przy róŝnych poziomach napręŝenia ale przy stałej prędkości. a) b) Rys. 6. Pętle histerezy przy stałej zadanej prędkości napręŝenia 240 MPa/s, a) dla amplitudy τ=298 MPa, b) dla amplitudy τ=220 MPa. Badania na próbkach wykonanych ze stopu aluminium PA6 wykonanych zgodnie z rys 3 prowadzone były do całkowitego zniszczenia próbki. Na rysunku 7 pokazana jest powierzchnia pękania próbki po 7000 cykli do zniszczenia, poddana działaniu napręŝenia wymuszającego 210 MPa przy prędkości 240 MPa/s. Obserwacja powierzchni przełomu potwierdza ogólnie znany mechanizm niszczenia zmęczeniowego. Początek niszczenia przy cyklicznym skręcaniu ma miejsce na zewnętrznej powierzchni próbki skąd następnie propaguje wraz ze wzrostem liczby cykli w kierunku jej centrum. 6

7 Rys. 7. Powierzchnia pękania zmęczeniowego próbki poddanej cyklicznemu skręcaniu. 4. PODSUMOWANIE Zaprojektowane i wykonane stanowisko spełniło oczekiwane załoŝenia i w pełni potwierdziło swoją przydatność w badaniach trwałości zmęczeniowej. Wynika to z precyzyjnego i łatwego sterowania oraz szybkiego i wygodnego odczytywania wyników Ŝądanych wielkości (energia ustabilizowanej pętli, całkowita energia do zniszczenia, ilość cykli do zniszczenia, amplitudy odkształcenia i napręŝenia). Napisane oprogramowanie pozwala uzyskiwać wartości dyssypowanej energii wykorzystywanej w energetycznych kryteriach trwałości zmęczeniowej. Zaletą przedstawionego stanowiska badawczego jest badanie trwałości zmęczeniowej przy cyklicznym skręcaniu. Nieliczne wykorzystanie do badań obciąŝenia skręcającego jest spowodowane brakiem odpowiednich stanowisk badawczych. Z analizy wyników przeprowadzonych badań doświadczalnych stopu aluminium PA6 wynika, Ŝe wartość dyssypowanej energii ustabilizowanej pętli histerezy rośnie wraz ze wzrostem amplitudy napręŝenia i dla zadanych parametrów zawiera się w granicach od 0,25 MJ/m 3 do 8 MJ/m 3. Ponadto obserwuje się zmniejszanie się dyssypowanej energii ustabilizowanej pętli histerezy wraz ze wzrostem prędkości obciąŝania. Uzyskane wyniki eksperymentalne słuŝą autorom do weryfikacji modeli trwałości zmęczeniowej materiałów [6]. 7

8 LITERATURA 1. Gołoś K., Trwałość zmęczeniowa metali w ujęciu energetycznym. Prace Naukowe, Mechanika z. 123, Warszawa Kocańda Stanisław, Kocańda A., Niskocyklowa wytrzymałość zmęczeniowa metali. Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa Kocańda Stanisław, Zmęczeniowe pękanie metali. Wydawnictwa Naukowo Techniczne, Warszawa Kujawski D.: Trwałość zmęczeniowa metali. Wydawnictwa Politechniki Warszawskiej, Warszawa Park J., Nelson D.: Evaluation of an energy-based approach and a critical plane approach for predicting constant amplitude multiaxial fatigue life. International Journal of Fatigue 22, 2000, pp Polański Julian, Karasiewicz Tomasz, Koncepcja określania trwałości zmęczeniowej w ujęciu energetycznym przy wykorzystaniu matematycznego modelu zachowania się materiału, Mechanika 53, Wydawnictwa Uczelniane Akademii Techniczno-Rolniczej, Bydgoszcz 2002, s Szala J., Hipotezy sumowania uszkodzeń zmęczeniowych. Wydawnictwa Uczelniane Akademii Techniczno - Rolniczej w Bydgoszczy, Bydgoszcz