Innowacyjne urządzenie do badania zmęczenia cieplnego metali i stopów

Transkrypt

1 Innowacyjne urządzenie do badania zmęczenia cieplnego metali i stopów Andrzej Pytel, Tadeusz Grochal, Krzysztof Jaśkowiec Zakład Stopów Żelaza 1

2 Zmęczenie cieplne cele Cele budowy stanowiska badawczego badanie wpływu modyfikacji składu chemicznego i procesu obróbki na parametry wytrzymałościowe badanie długoterminowych zmian właściwości materiału pod wpływem zmęczenia cieplnego. określenie zjawisk i procesów zachodzących w metalach pod wpływem stresów temperaturowych oraz oddziaływania sił zewnętrznych 2

3 Zmęczenie cieplne Zmęczenie cieplne materiału jest to zjawisko pękania materiału pod wpływem cyklicznie zmieniających się naprężeń powstałych w materiale na skutek różnicy temperatur w sąsiednich warstwach materiału. Zniszczenie elementu pod wpływem zmęczenia cieplnego Pęknięcie zmęczeniowe żeliwa sferoidalnego EN-GJS-700 3

4 Zmęczenie cieplne W układach rzeczywistych zmęczenie cieplne nigdy nie zachodzi w czystej postaci, lecz sumują się z nim: cykliczne naprężenia mechaniczne (zmęczenie cieplno-mechaniczne) procesy korozyjne (zmęczenie cieplno-korozyjne) ścieranie, itp. Typowe uszkodzenia wskazujące na dominującą role zmęczenia cieplno-korozyjnego 4

5 Zmęczenie cieplne Istnieje wiele konstrukcji gdzie zmęczenie cieplne jest podstawowym czynnikiem powodującym zniszczenie danego elementu. Ciągły wzrost wymagań oraz względy ekonomiczne powodują, że grupa tychże elementów stale się powiększa. Formy metalowe, głowice i kolektory silników spalinowych, tarcze hamulcowe, turbiny gazowe, elementy kołów są przykładami konstrukcji gdzie omawiany mechanizm zużycia jest dominujący. Pęknięcia zmęczeniowe dyszy turbiny gazowej Zdjęcie uszkodzonej tarczy hamulca z Forda F-250 5

6 Zmęczenie cieplne - próbki Na wynik końcowy pomiarów bardzo duży wpływ ma kształt próbki. W czasie badań bardzo często dochodzi do paczenia próbki, zwłaszcza w materiałach odlewanych (wady wewnętrzne). Możliwe jest, że próbki o różnym kształcie dają zgoła odmienne wyniki. Dlatego dobiera się kształt próbki w zależności od potrzeb. Próbki stosowane w próbach na zmęczenie cieplno-mechaniczne 6

7 Zmęczenie cieplne nagrzewanie próbki Metody nagrzewania próbki mają istotne znaczenie ze względu na rozkład temperatury oraz propagację pęknięć. W większości istniejących rozwiązań stosuje się: piecyk nagrzewający próbkę - piecyk (oporowy) nagrzewa próbką umieszczoną w jego wnętrzu. Rozwiązania tego typu stosowane są często w urządzeniach takich firm jak ISTRON, Zwick. Połączenie maszyny wytrzymałościowej oraz elementu grzejnego pozwala na pomiary pełzania, wytrzymałości na zimno i gorąco badanych próbek. nagrzewanie próbki płomieniem gazowym. Płomień nagrzewa próbkę jednoczenie następują reakcję między produktami spalania a powierzchnią próbki. nagrzewanie oporowe próbki. Do próbki przykłada się napięcie powodując przepływ prądu o natężeniu pozwalającym na uzyskanie wymaganej temperatury Nagrzewanie indukcyjne próbki. Pole elektromagnetyczne wytworzone w uzwojeniu cewki nagrzewa próbkę 7

8 Zmęczenie cieplne Rozciąganie/ściskanie dwuosiowe Rozciąganie/ściskanie jednoosiowe 8

9 Założenia co do możliwości techniczno pomiarowych urządzenia Podstawowe parametry wymagane od urządzenia do badań zmęczenia cieplnego: naprężenia maksymalne 20 kn prąd minimalny 330 A ( z możliwością rozbudowy do 800A) chłodzenie uchwytów zapewniające właściwy rozkład temperatur w próbce konstrukcja układu zapewniająca stabilną prace ciągłą urządzenia 9

10 Założenia co do możliwości techniczno pomiarowych urządzenia Wymuszone nagrzewanie i studzenie badanej próbki [dalej nazywanej bp] zgodnie z na stawionym programem utrzymywanie zadanej temperatury (bp) przez określony czas. uzyskiwanie zadanej temperatury bp w określonym czasie [sek]. T = F(t) poddawanie bp zmiennej cykliczne temperaturze. kontrola temperatury bp z możliwością rejestracji przebiegu w czasie 10

11 Założenia co do możliwości techniczno pomiarowych urządzenia Poddawanie bp określonemu naprężeniu ściskającemu lub rozciągającemu: Warunki kontrolowanych wstępnych naprężeń i ograniczeń rozszerzania i kurczenia próbki. badana próbka bp bez wstępnych naprężeń. swoboda wydłużeń i skurczów pod wpływem temperatury ograniczona. poddawanie bp wstępnemu naprężeniu ściskającemu lub rozciągającemu o zadanej regulowanej wartości. 11

12 Założenia co do możliwości techniczno pomiarowych urządzenia Możliwości pomiarowe urządzenie. pomiar temperatury Tbp. [ o C] pomiar zmian długości próbki L [mm] pomiar naprężeń w bp δ [Mpa] pomiar zmian oporności elektrycznej 12

13 Wybór kształtu i wymiarów próbki Φz6,2 mm;φw3,2mm przekrój=~20,22mm 2 grubość ścianki =1,5mm naprężenia max =~50Mpa siła oddziaływania na próbkę = ~100KG =~1kN [F= 5KG mm 2 x20,22 mm 2 ] gęstość prądu =~20A/mm 2 sumaryczne natężenie prądu = ~300A Próbka stosowane w urządzenia do pomiaru zmęczeń cieplno-mechanicznych żeliwa 13

14 Schemat urządzenia do badania zmęczenia cieplnego Rysunek ideowy sterowania i pomiarów koniecznych parametrów dla przeprowadzenia pomiaru określającego wytrzymałość materiału na zmęczenie cieplne Komputer Wy1 We1 We2 We3 We4 We5 Sterowanie grzaniem próbki uchwyty próbki bp A Zasilacz 1000A cięgna naprężeń ściskających rozciągających bp próbka Rx Rx belka ruchoma cięgna naprężeń rozciągazjących bp σś σśx σr σrx korpós aparatu L 14

15 Realizacja urządzenia Gotowe urządzenia zrealizowane przez Wykonawcę 15

16 Urządzenie do badania zmęczenia cieplnego - nagrzewanie Nagrzewania próbki 16

17 Panel sterowania Interfejs aplikacji sterującej pracą urządzenia do badania zmęczenia cieplnego oraz wykres temperatury i siły w funkcji czasu dla żeliwa sferoidalnego. 17

18 Próbka podana badaniu Powierzchnia typowa dla stopu podawanego działaniu zmiennego pola temperatur 18

19 Wnioski W realizowanym projekcie zaplanowano wykonanie urządzenia do badania nowoczesnych tworzyw odpornych na pracę w warunkach zmęczenia cieplnego. Mimo że, urządzenie jest prototypem spełnia wszystkie założenia pozwalając na pomiary: zmęczeń cieplnych próbki, badania oporności elektrycznej. oraz możliwość rozbudowy o badania wytrzymałości w podwyższonych temperaturach. 19

20 Wnioski Literatura 1. R.L. Amar, S.D. Antolovich, R.W. Neu; Thermomechanical fatigue and bithermal thermomechanical fatigue of a nickel-base single crystal superalloy; International Journal of Fatigue 42 (2012) T. Seifert *, H. Riedel; Mechanism-based thermomechanical fatigue life prediction of cast iron.part I: Models; International Journal of Fatigue 32 (2010) J. Zych; Odpornośc na zmęczenie cieplne żeliwa z grafitem sferoidalnym, wermikularnym i płatkowym; Solidification of Metals and Alloys, No. 24, 1995, PL ISSN Bo Alfredsson, Erik Olsson; Multi-axial fatigue initiation at inclusions and subsequent crack growth in a bainitic high strength roller bearing steel at uniaxial experiments; International Journal of Fatigue 41 (2012) Shuhei Nogami, Yuki Sato, Akira Hasegawa, Hiroyasu Tanigawa; Effect of specimen shape on microcrack growth behavior under fatigue in reduced activation ferritic/martensitic steel; Journal of Nuclear Materials 417 (2011)

21 Dziękuje za uwagę 21