10.5. WPŁYW DYNAMICZNYCH WARUNKÓW ODKSZTAŁCANIA NA PŁYNIĘCIE PLASTYCZNE METALI

Transkrypt

1 10.5. WPŁYW DYNAMICZNYCH WARUNKÓW ODKSZTAŁCANIA NA PŁYNIĘCIE PLASTYCZNE METALI Prędkość odkształcenia jako arametr rocesu rzeróbki lastycznej W dobie ciągle zwiększającej się konkurencji nastęuje intensyfikacja rocesów rodukcji, a jednocześnie stawiane są coraz bardziej zaostrzone wymagania rowadzące do owstawania nowych materiałów o ściśle określonych własnościach mechanicznych. Intensyfikacja rocesów rzeróbki lastycznej, jak również oszukiwania nowych, niekonwencjonalnych sosobów kształtowania objętościowego wymuszają stosowanie bardzo dużych rędkości odkształcenia, niejednokrotnie do wielkości rzędu 5000s -1. Aby w ełni kontrolować roces odkształcania lastycznego w warunkach obciążeń dynamicznych należy rzerowadzić analizę wływu rędkości odkształcenia na mechanikę lastycznego łynięcia (narężenie ulastyczniające, niejednorodność odkształcenia itd.). Prędkość odkształcenia jest tym arametrem rocesu rzeróbki lastycznej, który może zmieniać się w bardzo szerokim zakresie, odczas gdy ozostałe arametry są stałe lub omijalnie małe. Badania materiałów mogą być rowadzone w szerokim zakresie rędkości odkształcenia. Można tutaj zastosować nastęującą klasyfikację [10, 19]: Zakres I: ε& < 10-4 s -1. Zakres ten odowiada rocesowi ełzania materiałów. Zazwyczaj doświadczenia rzerowadza się rzy stałym narężeniu, wyznaczając krzywą ełzania. Zakres II: 10-4 s -1 < ε& < 10 - s -1. Jest to zakres normalnych rób statycznych rzerowadzanych na standardowych maszynach wytrzymałościowych, ozwalających na utrzymanie stałej rędkości odkształcenia. Zakres III: 10 - s -1 < ε& < 10 s -1. Zakres ten jest zakresem rób quasi-statycznych, dokonywanych rzy omocy takich urządzeń jak: uniwersalne szybkie maszyny hydrauliczne, maszyny neumatyczne, młoty sadowe, rotacyjne i wahadłowe (młoty Chary ego), i inne. Zakres IV: 10 s -1 < ε& < 10 4 s -1. Jest to zakres rób rzy zastosowaniu dużych rędkości odkształcenia. Badania doświadczalne rzerowadza się na ściskanie lub skręcanie róbek, jak również na rozciąganie, jednak rzy ograniczonych rędkościach oczątkowych uchwytów róbki. Ze względu na szybkozmienne rocesy odkształcania stosuje się urządzenia oarte na teorii roagacji fal srężystych. Zakres V: ε& > 10 4 s -1. Zakres ten jest nazywany zakresem bardzo dużych rędkości odkształcenia. Prędkości takie uzyskuje się orzez generację fal łaskich w jednoosiowym stanie odkształcenia. Na rysunku i w tabeli 10.5 zamieszczono najczęściej wystęujące rędkości odkształcenia oraz odowiadające im rocesy. 1

2 Rys Definicje oraz charakterystyka rocesów, w których rędkość odkształcenia osiada istotne znaczenie [3]. Tabela Klasyfikacja badań w zależności od stosowanego zakresu rędkości odkształcenia [11]. Prędkość odkształcenia, s -1 Rodzaj badań Aaratura, towarzyszące zjawiska Udarowe z maksymalnymi rędkościami Udarowe Dynamiczne Quasi-statyczne 10-6 Pełzanie i relaksacja 10-7 Relaksacja Testy wybuchowe, ulsacje laserowe Udział sił masowych, zjawiska falowego rozrzestrzeniania narężeń Metoda Hokinson a Falowe rozrzestrzenianie narężeń Maszyny wytrzymałościowe hydrauliczne lub śrubowe Tyowe badania rowadzone na maszynach wytrzymałościowych Duża jednorodność odkształceń Secjalne maszyny wytrzymałościowe Procesy aktywowane cielnie

3 W tabeli 10.6 zamieszczono wartości rędkości odkształcania charakterystyczne dla różnych badań lastometrycznych i rocesów odkształcania [4]. Należy zaznaczyć, że rędkości odkształcenia uzyskiwane w rocesach odkształcania na większości urządzeń wykorzystywanych do badań lastometrycznych lub rzeróbki lastycznej są znacznie większe niż wynikałoby to z rędkości rzesuwu trawersy lub narzędzia. Jakkolwiek, nie są one wystarczająco duże, aby wystąiły efekty tzw. fali narężeń, istotne z unktu widzenia zachowania się materiału. Zaobserwowano również, że w rzeczywistych rocesach rzeróbki lastycznej możliwe jest wystęowanie bardzo dużych lokalnych rędkości odkształcenia. Dla rzykładu ciągnienie cienkiego drutu z rędkością rzędu 37 m/s wywołuje rędkość odkształcenia nawet owyżej 10 5 s -1, natomiast odczas walcowania cienkiej blachy osiągana jest średnia rędkość odkształcenia rzędu 10 3 s -1. W tych rzyadkach tak duże rędkości odkształcenia są efektem koncentracji odkształceń w strefie odkształcania, a nie tylko bardzo dużych rędkości ciągnienia czy walcowania. Tabela Procesy odkształcania realizowane z bardzo dużymi rędkościami [4]. Oeracja Próba rozciągania Wyciskanie na rasie hydraulicznej Odkształcanie na rasie mechanicznej Test uderzeniowy Chary ego Kucie na młocie Formowanie wybuchowe Prędkość narzędzia, m/s Istota odkształcania z dużymi rędkościami Istnieją fundamentalne różnice omiędzy odkształcaniem quasi-statycznym a dynamicznym [15, 17]. Przy odkształcaniu quasi-statycznym mamy w każdym czasie stan równowagi statycznej tj. suma sił działających na każdy element ciała jest bliska zeru. Gdy obciążenie rzyłożone jest z zewnątrz z bardzo dużą rędkością, jedna część ciała jest od działaniem siły, odczas gdy inna część nie doświadczyła jeszcze tego oddziaływania. Innymi słowy, narężenie musi rzemieszczać się rzez ciało. Narężenie (i ołączone z nim odkształcenie) rzemieszcza się w ciałach z określonymi rędkościami jako fala. Tak więc, odkształcanie dynamiczne często dotyczy rozchodzenia się fali, odczas gdy odkształcanie quasi-statyczne może być rozatrywane jako sekwencja stanów równowagi, które mogą być oisane rzez dobrze znane równania mechaniki materiałów. Dla mniejszych rędkości odkształcenia siły bezwładności są zaniedbywane. Przy większych rędkościach odkształcenia wzrasta znaczenie sił bezwładności z owodu efektów rozrzestrzeniania się fali. 3

4 Podczas odkształcania lastycznego generowane jest cieło (rozdział ). Jeśli odkształcanie zachodzi z małą rędkością, tak jak odkształcanie w warunkach quasistatycznych, większość generowanego cieła jest rzewodzona i/lub ulega konwekcji (rozrowadzeniu) z obszarów odkształcanych z małą rędkością, a ciało ozostaje w warunkach izotermicznych [13]. Kiedy odkształcenie zachodzi gwałtownie, roces jest w gruncie rzeczy adiabatyczny, onieważ nie ma wystarczającej ilości czasu na rozrowadzenie wytworzonego cieła. Dla średnich rędkości odkształcenia należy rozatrywać zarówno fakt generowania cieła, jak i jego dyssyację. W rzyadku odkształcania z dużymi rędkościami obserwuje się stoniowy wzrost narężenia ulastyczniającego, który znany jest od ojęciem czułości na rędkość odkształcenia [4, 11, 6] (rozdział ). Dla małych rędkości odkształcenia zauważa się liniową zależność narężenia ulastyczniającego od rędkości odkształcenia. W rzyadku większych rędkości nastęuje gwałtowny wzrost narężenia wraz ze wzrostem rędkości (zależność rzestaje mieć charakter liniowy) jak okazano na rysunkach Rys Zależność narężenia ulastyczniającego od rędkości i temeratury odkształcania dla stali o różnej zawartości węgla [4]. 4

5 Rys Wływ rędkości odkształcenia i temeratury na granicę lastyczności stali węglowej []. Rys Zależność narężenia od rędkości odkształcenia i wielkości odkształcenia dla miedzi [6, ]. 5

6 Na rysunku 10.4 rzedstawiono wływ rędkości odkształcenia na narężenie dla różnych gatunków stali. Jak łatwo można zauważyć, najbardziej wrażliwa na rędkość odkształcenia jest stal dwufazowa, która wykazuje największy wzrost narężenia rzy zastosowaniu bardzo dużych rędkości odkształcenia, natomiast stal o strukturze czysto ferrytycznej (IF) nie wykazuje dużych zmian narężenia w rzyadku wzrostu rędkości odkształcenia. Rys Wływ rędkości odkształcenia na narężenie dla stali dwufazowej (DP), wolnej od atomów międzywęzłowych (IF) i umacnianej iecowo (BH) [16]. Mechanizmy odkształcenia lastycznego także zależą od rędkości odkształcenia. W warunkach obciążenia quasi-statycznego ogólnie obserwuje się oślizg orzeczny, jak ma to miejsce dla metali o sieci A1 (RSC sieć regularna ściennie centrowana), w rzeciwnym wyadku wzrasta udział bliźniaków. Są dwie rzyczyny takiego zachowania: albo wzrasta udział granic bliźniaczych, albo wzrasta liczba bliźniaków rzyadających na dane ziarno [3]. Dodatkowo należy wsomnieć, że arametry rocesu (wielkość odkształcenia, rędkość odkształcenia i temeratura) wływają na układ dyslokacji wystęujących w materiale. Struktura dyslokacyjna jest bardziej jednorodna o odkształcaniu w warunkach dynamicznego obciążenia, aniżeli o odkształceniu w warunkach małych rędkości. Rozkład dyslokacji jest bardziej rzyadkowy, równomierny w materiale odkształconym dynamicznie, zaś w materiale odkształconym w warunkach quasi-statycznego obciążenia heterogeniczny rozkład dyslokacji wykazuje tendencje do tworzenia struktury komórkowej, obserwuje się odstrukturę [3]. Należy amiętać, że odkształcanie rowadzone z bardzo dużymi rędkościami odkształcenia wiąże się z bardzo gwałtowną kumulacją energii na owierzchni materiału. Na rysunku rzedstawiono zmiany mikrostruktury w zależności od zastosowanej wielkości i rędkości odkształcenia, natomiast na rysunku rzewidywaną wielkość ziarna austenitu o zastosowaniu różnych rocesów walcowania. 6

7 a) b) c) Rys Porównanie rozwoju mikrostruktury stali nierdzewnej []. a) róbka nieodkształcona 3 1 b) & ε = 10 s, ε = 1% 3 1 c) & ε = 10 s, ε = 1% Rys Przewidywane rozdrobnienie ziarna austenitu dla różnych warunków rzeróbki termomechanicznej i o różnych rocesach walcowania [8]. Zastosowanie dużych rędkości odkształcenia owoduje wzrost liczby miejsc zarodkowania ferrytu [14]. Proces ten jest jednak kontrolowany rzez wielkość odkształcenia zmagazynowanego rzed rzemianą. Dla danej temeratury odkształcenia końcowego stale z mikrododatkami stoowymi wykazują wyższą od stali węglowomanganowych czułość na rędkość odkształcenia. Wzrost rędkości odkształcenia osłabia efekty zdrowienia zachodzące odczas oraz o odkształceniu. Tym samym zwiększa się siła naędowa rzemiany fazowej. Z drugiej strony stosunek rędkości zarodkowania do rędkości wzrostu, owiększa się w miarę sadku rędkości odkształcenia. Prowadzi to nie tylko do rozdrobnienia struktury ferrytycznej, lecz również do wzrostu jej niejednorodności. Dodatkową cechą charakterystyczną jest wyraźny wzrost własności wytrzymałościowych w warunkach obciążenia dynamicznego w orównaniu z quasistatycznym. 7

8 Przyrost temeratury w czasie odkształcania z dużymi rędkościami Osobnym roblemem odczas rocesu odkształcania jest wzrost temeratury indukowanej bardzo dużymi rędkościami odkształcenia. Odkształcanie z dużymi rędkościami rowadzi do zmiany warunków z izotermicznych na adiabatyczne, a energia cielna związana z racą odkształcenia lastycznego widoczna jest we wzroście temeratury odkształcanego ciała. Odkształcenie lastyczne generuje racę, która jest zamieniana na cieło. Wynikający z tego wzrost temeratury może wywołać zmianę własności materiału, n. cielne mięknięcie. Równanie rzewodzenia cieła, które wiąże stan mechaniczny (odkształcenia i narężenia) z temeraturą ma ostać [1]: αρc (& ε ) ket0t r e T ρc T & = βσε& + (10.44) 1 υ gdzie: α wsółczynnik rzewodzenia cieła ρ gęstość c cieło właściwe β szybkość zmiany energii odkształcania na energię cielną σ intensywność narężenia ε& rędkość odkształcenia lastycznego k wsółczynnik wydzielania cieła E moduł Younga T 0 temeratura oczątkowa lub otoczenia ε& e rędkość odkształcenia srężystego υ wsółczynnik Poissona Pierwszy składnik o rawej stronie równania (10.44) rzedstawia wzrost temeratury z owodu nieodwracalnego odkształcenia lastycznego, drugi nagrzewanie z owodu odwracalnego efektu cielno srężystego. Jeśli ominiemy srężystość i fakt, że rzeważają warunki adiabatyczne, wówczas równanie cieła rzyjmuje bardziej rostą ostać. Szybkość rzekształcenia racy odkształcenia lastycznego na cieło można rzedstawić za omocą nastęującej zależności: ρ c T & β = (10.45) σε & Ogólnie można rzyjąć, że w literaturze wystęują dwa odstawowe modele [15, 7] dla oisu rzyrostu temeratury w efekcie cieła odkształcenia. Pierwszy z nich, który był rzedmiotem wielu oracowań [9, 18, 1], zakłada, że wsółczynnik β rzelicza jednostkowe zużycie racy na jednostkowe zużycie cieła. Dla większości materiałów β = 0.9. W ten sosób wzrost temeratury odczas odkształcania można wyrazić jako: 8

9 ΔT = β ρc ε f σ dε = ρc ε f 0 σ dε (10.46) Inną, często stosowaną metodą dla obliczania rzyrostu temeratury w warunkach bardzo dużych rędkości odkształcenia jest wykorzystanie nastęującej zależności [7]: E Δ T = (10.47) C gdzie: E energia odowiadająca bieżącemu ciśnieniu C ojemność cielna Wytworzona energia jest efektem ciśnienia wywołanego obciążeniem udarowym i związaną z tym zmianą gęstości ( 0 = 0 rzy ciśnieniu wynoszącym 0): E = 1 0 (10.48) ( ) 1 1 ρ 0 ρ gdzie: ciśnienie rzy obciążeniu udarowym 0 ciśnienie zerowe ρ 0 gęstość rzy zerowym ciśnieniu ρ gęstość rzy ciśnieniu udarowym Gęstość materiału rzy danym narężeniu udarowym można wyznaczyć z nastęującej zależności: ρ U s ρ = 0 (10.49) U s u gdzie: U s rędkość udarowego obciążenia, m/s u rędkość cząstki, m/s 9

10 90, 50, 500 MPa narężenie zmierzone w temeraturze odniesienia Rys Zależność rzyrostu temeratury od odkształcenia lastycznego odczas 4 1 adiabatycznego odkształcenia dynamicznego Cu; ε& = 10 s, oczątkowa temeratura 98K [1]. Lokalny rzyrost temeratury, w wyniku generowanego cieła odkształcenia, jest uwzględniony w rocesach modelowania komuterowego w każdym kroku obliczeniowym, a więc jest uwzględniony jego wływ na rozwój mikrostruktury, a w rezultacie również na ole rędkości odkształcenia. Przykładowo, na rysunku rzedstawiono wływ odkształcenia na rzyrost temeratury róbki miedzianej 4 1 odkształcanej z rędkością ε& = 10 s Czułość narężenia ulastyczniającego na rędkość odkształcenia Wływ rędkości odkształcania na oór lastyczny materiału rzedstawiany jest za omocą wsółczynnika m zdefiniowanego w nastęujący sosób [4, 11]: lnσ m = (10.50) ln & ε Wsółczynnik m nazywany jest czułością na rędkość odkształcenia. Można go wyznaczyć z nachylenia wykresu logσ log & ε. Jednakże bardziej dokładnymi są testy lastometryczne ze zmianą rędkości odkształcenia, w których m jest określone z omiaru zmiany narężenia łynięcia wywołanego zmianą rędkości odkształcenia rzy zachowaniu stałej wielkości odkształcenia i temeratury. σ log lnσ & ε σ Δ logσ logσ logσ = = = = σ 1 1 m = (10.51) ln & ε, σ & ε, Δ log & ε log & ε log & ε T ε T ε1 & ε log & ε1 10

11 Dla wielu materiałów wsółczynnik m ma wartość stałą. Wrażliwość na rędkość odkształcenia większości metali jest stosunkowo mała (m < 0.1) w temeraturze okojowej, ale wzrasta wraz ze wzrostem temeratury, zwłaszcza w zakresie rzeróbki lastycznej na gorąco. W tych warunkach wartości m zawierają się w rzedziale od 0.1 do 0.. Wartość m zależy od mikrostruktury materiału i od warunków odkształcania. W rzyadku róby rozciągania wartość m zależy od temeratury badania i zakresu rędkości odkształcania. Na rysunku rzedstawiono wływ rędkości odkształcenia na wzrost narężenia ulastyczniającego. Jak widać z wykresu wrażliwość na rędkość odkształcenia wzrasta liniowo (orócz odkształcania w temeraturze okojowej z małymi rędkościami) wraz ze wzrostem rędkości odkształcenia. Rys Przyrost narężenia ulastyczniającego w funkcji rędkości i temeratury odkształcania dla stali o różnej zawartości węgla [4] Wływ rędkości odkształcenia na niejednorodność odkształcenia Ze względu na istotny wływ rędkości odkształcania na niejednorodność odkształcenia, a co za tym idzie na własności mechaniczne, arametr ten staje się szczególnie ważny w analizie rocesów rzeróbki lastycznej. Przykładem tu mogą być badania [7] obejmujące najnowocześniejsze stale tyu TWIP (ang. Twinning Induced Plasicity). 11

12 Rys Granica lastyczności (R 0, ), wytrzymałość na rozciąganie (R m ) oraz wydłużenie równomierne (ε un ) i całkowite (ε fr )w zależności od rędkości odkształcenia dla stali TWIP w temeraturze okojowej [7]. Można założyć, że niejednorodność odkształcenia lastycznego wynika z nastęujących czynników będących efektem kształtowania lastycznego (zakładając, że materiał jest wstęnie izotroowy, jednorodny chemicznie): Tarcie na owierzchni metalu z narzędziem (wystęowanie tzw. stref rzylegania, które charakteryzują się mniejszym łynięciem) Niejednorodność rozkładu temeratury (łącznie z rocesem nagrzewania w wyniku rocesu odkształcenia, rzemiany fazowej i tarcia) Niejednorodność umocnienia materiału (dotyczy wszystkich mechanizmów umocnienia) Wływ rędkości odkształcania (oza związkiem ze wszystkimi wyżej wymienionymi wystęują efekty dodatkowe n. charakterystyczny dla bardzo dużych rędkości odkształcania falowy charakter rozchodzenia się narężeń) Tarcie na owierzchni metalu z narzędziem Temeratura i rędkość odkształcenia w istotny sosób wływają na lastyczne łynięcie odkształcanych materiałów. Czułość na rędkość odkształcenia wzrasta w warunkach dynamicznego obciążenia. Wzrost rędkości odkształcenia rowadzi również do zmiany warunków odkształcania z izotermicznych na adiabatyczne, co zostało już wsomniane. W konsekwencji rowadzi do lokalnej niestabilności materiału w trakcie odkształcania wynikającej ze zmniejszenia narężenia ulastyczniającego. Znaczenie tarcia na owierzchni styku metalu z narzędziem również gwałtownie wzrasta, gdy zastosowane są bardzo duże rędkości odkształcania. W tym wyadku rezultatem może być owstawanie tzw. dynamicznych, adiabatycznych asm ścinania [5], obniżających zdolność materiału do rzeróbki lastycznej. 1

13 Niejednorodność rozkładu temeratury Temeratura w czasie rocesu odkształcania lastycznego generowana jest rzez tarcie, racę odkształcenia lastycznego i rzemianę fazową. Udział oszczególnych źródeł generowanego cieła we wzroście lokalnej temeratury, a tym samym w niejednorodności ola temeratury w objętości odkształcanego metalu, jest ściśle związany z danym rocesem. Warunki wływające na źródło wzrostu temeratury, jak i wielkość tego wzrostu mogą się zmieniać w szerokim zakresie w zależności od rodzaju rocesu n. w jednoosiowym rozciąganiu cieło generowane jest tylko rzez racę odkształcenia lastycznego. Jednocześnie jego duża dyssyacja wynika z bardzo dużej owierzchni wymiany cieła z otoczeniem. Z drugiej strony n. w rocesach kucia matrycowego lub walcowania czy ciągnienia kształtowego istotne znaczenie mają wszystkie trzy źródła generowania cieła. Wyżej wymienione dotyczy rzede wszystkim rocesów rzeróbki lastycznej z dużym rzemieszczeniem masy tzw. rocesy objętościowe. W rocesach n. tłoczenia efekty cielne związane z rzeróbką lastyczną owinny być oceniane od innym kątem ze względu na znaczenie dla rocesu kształtowania (n. tłoczenie stali TRIP na skutek wzrostu temeratury może dojść do zmniejszenia objętości rzemienionego austenitu szczątkowego w martenzyt, dorowadzając do obniżenia sodziewanego umocnienia). Niejednorodność umocnienia materiału Mechanizmy umocnienia odzwierciedlają wszystko to co zachodzi w odkształcanym materiale. Obserwuje się srzężenie zwrotne omiędzy warunkami odkształcania a szybkością i wielkością umocnienia materiału (n. umocnienia odkształceniowego, wydzieleniowego). Lokalnie mogą zaistnieć warunki do szybszego umocnienia lub sadek temeratury, z drugiej strony lokalnie ojawiają się warunki do zdrowienia (zdrowienie, rekrystalizacja dynamiczna) co wływa na wzrost niejednorodności. Przedstawione cechy charakterystyczne dla odkształcania w warunkach dynamicznych mogą być zrealizowane odczas n. rocesu osiowosymetrycznego sęczania z wykorzystaniem tzw. młota sadowego Charakterystyka sęczania na młocie sadowym [5] Materiały ulegają odkształceniom od wływem wywieranego nacisku lub uderzenia. Młoty są urządzeniami kuźniczymi o charakterze udarowym. Kształtują materiał kosztem energii nabytej już rzed zetknięciem się narzędzia (kowadła, matrycy) z metalem. Wielkość młotów określa się na odstawie masy części sadających lub energii ełnego uderzenia. Do części sadających młota można zaliczyć: bijak tłok kowadło górne matrycę górną trzon tłoka Zaletą młotów jest łatwość wytwarzania dużych energii, możliwość wykonywania odkuwek o różnych wymiarach i kształtach oraz brak rzeciążenia. Do ich wad można zaliczyć małą srawność i wysoki koszt fundamentów. Należy zaznaczyć, że obliczenia dla młotów jako urządzeń kuźniczych są stosowane także dla młotów sadowych, gdzie siłą naędową bijaka jest siła grawitacji. 13

14 Energia i srawność uderzenia Jak już wsomniano, odczas kucia na młotach materiał odkształca się lastycznie od wływem uderzenia. Nagromadzona w częściach sadających młota energia E u zostaje zużyta na srężyste i lastyczne odkształcenie materiału. E u E + Es + E1 = Ec + E 1 = (10.5) gdzie: E energia odkształcenia lastycznego E s energia odkształcenia srężystego E - ozostała część energii E u o ierwszej fazie uderzenia 1 Dla młotów sadowych suma energii odkształcenia srężystego i lastycznego wynosi: E = m c E u m1 + m (10.53) gdzie: m 1 masa części sadających młota m masa szaboty natomiast srawność uderzenia można wyznaczyć ze wzoru: m ( 1 k ) η = (10.54) m1 + m gdzie: k wsółczynnik odbicia określający własności srężyste materiału (dla materiałów idealnie srężystych k = 1, a dla idealnie lastycznych k = 0) Wiadomo również, że srawność uderzenia określa się stosunkiem E η = (10.55) E u więc dla młotów sadowych otrzymamy: ( 1 k ) Eu m η = (10.56) m + m 1 Energia odkształcenia lastycznego E jest tym większa, im masa szaboty większa i im mniejsze są straty na srężyste odkształcenie zesołu bijak odkuwka szabota. 14

15 Energię jednego uderzenia młota wyznaczyć możemy wyznaczyć korzystając z zależności: A d = m g H η (10.57) gdzie: m masa części sadających, kg g rzysieszenie ziemskie, g = 9,81 m/s H wysokość sadania masy sadającej, m Praca odkształcenia Praca odkształcenia w ostatnim uderzeniu może być wyrażona wzorem: A k = w k ε R V MNm (10.58) m gdzie: w wsółczynnik uwzględniający wływ rędkości odkształcenia (tabela 10.7) k wsółczynnik uwzględniający wływ tarcia metalu o owierzchnię narzędzia ε wielkość odkształcenia w ostatnim uderzeniu R m wytrzymałość materiału na rozciąganie V objętość materiału, m 3 Tabela 10.7: Wartości wsółczynnika w, uwzględniającego wływ rędkości odkształcania Prędkość odkształcania, m/s Wartość wsółczynnika w 0,1 0,5 0,5 0,75 1,0 udarowe działanie sił 1 1,6 1,6,0,6 3 4 Wsółczynnik k wyznacza się ze wzoru: k d = 1+ μ 3 h μ - wsółczynnik tarcia d średnica materiału o sęczeniu h wysokość materiału o sęczeniu (10.59) Całkowita raca odkształcenia rzy sęczaniu może być określona zależnością: A c h d 3 h 0 0 w ln 0 = + μ 1 Rm V MNm (10.60) h 9 h0 h gdzie: d 0, d odowiednio średnica materiału rzed i o sęczeniu h 0, h odowiednio wysokość materiału rzed i o sęczeniu 15

16 Teoretyczną liczbę uderzeń bijaka odczas sęczania wyznacza się za omocą całkowitej racy odkształcenia oraz racy odkształcenia w ostatnim uderzeniu: A c n = (10.61) Ak Wykorzystanie omiaru twardości metodą Vickersa do oceny wływu rędkości odkształcenia na zachowanie się materiału Próbki o odkształcaniu z wykorzystaniem młota sadowego można oddać dalszym badaniom n. wyznaczyć rozkład twardości w celu oceny wływu zastosowanych warunków odkształcania (zmienna rędkość odkształcenia, energia, wymiary geometryczne, materiał) na łynięcie lastyczne i niejednorodność odkształcenia Zasada omiaru Wg PN-EN ISO :007 [0] odstawową zasadą omiaru jest to, że diamentowy wgłębnik w kształcie ostrosłua rawidłowego o odstawie kwadratowej i określonym kącie wierzchołkowym między rzeciwległymi owierzchniami bocznymi, wciskany jest w owierzchnię badanej róbki, a nastęnie mierzone są długości rzekątnych odcisku owstałego na owierzchni o usunięciu siły obciążającej F (Rys ). a) b) Rys Zasada omiaru twardości metodą Vickersa. Wgłębnik a), odcisk b) [0]. Twardość Vickersa jest roorcjonalna do ilorazu siły obciążającej i ola owierzchni odcisku, którego kształt rzyjmuje się jako ostrosłu rosty o odstawie kwadratowej, o tym samym kącie wierzchołkowym jaki ma wgłębnik. 16

17 Próbka do badań i wykonanie omiaru Przy omiarze twardości metodą Vickersa obowiązuje ewne zasady dotyczące rzygotowania róbki oraz samego wykonania omiaru. Są to [0]: omiary należy rzerowadzać na gładkiej i równej owierzchni z usuniętą warstwą tlenków i zanieczyszczeń oraz dokładnie odtłuszczonej rzygotowanie należy rzerowadzić w taki sosób, aby zredukować do minimum ewentualne zmiany twardości warstwy owierzchniowej sowodowane n. nagrzaniem lub umocnieniem rzez zgniot grubość badanych róbek lub warstw owinna być co najmniej 1,5 razy większa od długości rzekątnej odcisku na ogół omiar rzerowadza się w temeraturze otoczenia w zakresie od 10 C do 35 C należy stosować odowiednią siłę obciążającą róbkę należy umieścić na sztywnej odstawie wolnej od zanieczyszczeń (nalotów, oleju, brudu) róbka owinna być tak ułożona, żeby nie mogło nastąić jej rzemieszczenie odczas wykonywania omiaru czas obciążania owinien wynosić od 10 s do 15 s rzed rzystąieniem do omiaru urządzenie należy zabezieczyć rzed wstrząsami i drganiami odległość omiędzy środkiem odcisku a krawędzią róbki owinna być co najmniej,5 razy większa od średniej długości rzekątnej odcisku w rzyadku stali, miedzi i stoów miedzi oraz co najmniej 3 razy większa od średniej długości rzekątnej odcisku w rzyadku metali lekkich, ołowiu i cyny oraz ich stoów odległość między środkami dwóch sąsiadujących odcisków owinna być co najmniej 3 razy większa od średniej długości rzekątnej odcisku w rzyadku stali, miedzi i stoów miedzi i co najmniej 6 razy większa od średniej długości rzekątnej odcisku w rzyadku metali lekkich, ołowiu i cyny oraz ich stoów LITERATURA: [1] Andrade U.R., Meyers M.A., Chokshi A.H., Vecchio K.S. Acta Metallurgica et Materialia 4 (1994) [] Cambell J.D., Ferguson W.G.: The Temerature and Strain-rate Deendence of the Shear Strength of Mild Steel. Philosohical Magazine 1 (1970) 63. [3] Chichili D.R., Ramesh K.T., Hemker K.J.: The high-strain-rate resonse of alhatitanium: exeriments, deformation mechanisms and modeling. Acta Materialia 46 (1998) 105. [4] Dieter G.E.: Mechanical Metallurgy. McGraw-Hill, [5] El-Magd E., Abouridouane M.: Influence of strain rate and temerature on the comressive ductility of Al, Mg and Ti alloys. Journal de Physique IV 110 (003) 15. [6] Follansbee P.S.: High-Strain-Rate Deformation of FCC Metals and Alloys in Metallurgical Alications of Shock-wave at High-Strain-Rate Phenomena. Marcel Dekker, Inc., New York,

18 [7] Frommeyer G., Brux U., Neumann P.: Sura-Ductile and High-Strength Manganese-TRIP/TWIP Steels for High Energy Absortion Puroses. ISIJ International 43 (003) 438. [8] Hodgson P.D., Beladi H., Barnett M.R.: Grain Refinement in Steels through Thermomechanical Processing. Materials Science Forum (005) 39. [9] Kaoor R., Nemat-Nasser S.: Determination of temerature rise during high strain rate deformation. Mechanics of Materials 7 (1998) 1. [10] Kleaczko J.R., Nowacki W.K.: Badania materiałów rzy dużych i bardzo dużych rędkościach deformacji. XIX Symozjum Mechaniki Ekserymentalnej Ciała Stałego, Jachranka, 8. [11] Kurzydłowski K.J.: Mechanika materiałów. Wydawnictwo Politechniki Warszawskiej, Warszawa, [1] Lerch V., Gary G., Herve P.: Thermomechanical roerties of olycarbonate under dynamic loading. Journal of Physics IV 110 (003) 159. [13] Liang R., Khan A.S.: A critical review of exerimental results and constitutive models for BCC and FCC metals over a wide range of strain rates and temeratures. International Journal of Plasticity 15 (1999) 963. [14] Majta J.: Comlete Model for Niobium-Microalloyed Steels Deformed under Hot Working Conditions. Rozrawy Monografie nr 89, AGH Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne, Kraków, 000. [15] Meyers M.A: Dynamic Behavior of Materials. John Wiley & Sons, Inc. New York, [16] Mullins J., Hodgson P.D.: Constitutive Models for Use in Crash Simulations with Alications to Sheet Steels. International Journal of Imact Engineering w druku. [17] Muszka K., Majta J., Śleboda T., Stefańska-Kądziela M.: Comarison of the mechanical resonse of HSLA steel deformed under static and dynamic loading conditions. Proceedings of the 10 th International Conference on Metal Forming 004, AGH, Kraków, Steel-Gris (004) Sul. Metal Forming 747. [18] Nemat-Nasser S., Guo W.: Flow stress of commercially ure niobium over a broad range of temeratures and strain rates. Materials Science and Engineering A84 (000) 0. [19] Nowacki W.K.: Badanie własności dynamicznych materiałów konstrukcyjnych rzy dużych rędkościach deformacji. Przegląd Mechaniczny zeszyt 3-4 (1996) 14. [0] PN-EN ISO :007 Metale Pomiar twardości sosobem Vickersa Część 1: Metoda badań [1] Sakino K.: Strain rate deendency of dynamic flow stress of iron in wide strain rate range. Journal de Physique 110 (003) 93. [] Shock waves for industrial alications, ed. L.E. Murr, Noyes Publications, New Jersey, [3] Stefańska-Kądziela M.: Odkształcanie lastyczne w warunkach dynamicznego obciążenia. Praca doktorska, AGH, Kraków,

19 [4] Tanaka K., Nojima T.: Dynamic and static strength of steels. Proceedings of the Second Conference on the Mechanical Proerties of Materials at High Rates of Strain, ed. J. Harding Oxford, 166. [5] Wasiunyk P., Jarocki J.: Kuźnictwo i rasownictwo. Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa, [6] Yan B., Xu K.: High Strain Rate Behavior of Advanced High Strength Steels for Automotive Industry. Proceedings of 44 th MWSP Conference, Orlando, vol. XL (00) 493. [7] Zurek A.K.: Preshock-induced hase transition in salled U 0.75 wt% Ti. Journal of Nuclear Materials 64 (1999)