DOŚWIADCZALNE BADANIA CIĄGLIWEGO PĘKANIA PRÓBEK Z KARBAMI WYKONANYCH ZE STOPÓW ALUMINIUM EN-AW 2024 ORAZ EN-AW 2007

Transkrypt

1 Łukasz Derpeński, Andrzej Seweryn Doświadzalne badania iągliwego pękania próbek z karbami wykonanyh ze stopów aluminium EN-AW 2007 oraz EN-AW 2024 DOŚWIADCZALNE BADANIA CIĄGLIWEGO PĘKANIA PRÓBEK Z KARBAMI WYKONANYCH ZE STOPÓW ALUMINIUM EN-AW 2024 ORAZ EN-AW 2007 Łukasz DERPEŃSKI*, Andrzej SEWERYN* * Katedra Mehaniki i Informatyki Stosowanej, Wydział Mehanizny, Politehnika Białostoka, ul. Wiejska 45C, Białystok l.derpenski@pb.edu.pl, a.seweryn@pb.edu.pl Streszzenie: W niniejszej pray przedstawiono wyniki badań doświadzalnyh iągliwego pękania osiowosymetryznyh próbek z karbami obrązkowymi o różnym promieniu zaokrąglenia w dnie karbu. Badania przeprowadzono dla dwóh materiałów: stopu aluminium EN-AW 2024 oraz EN-AW Próbki poddano jednoosiowemu monotoniznemu roziąganiu. Zwróono uwagę na kształt powierzhni pęknięia, zmianę wartośi siły krytyznej i maksymalnego przemieszzenia bazy pomiarowej w zależnośi od kształtu karbu. 1. WSTĘP 2. BADANIA DOŚWIADCZALNE Analiza pękania materiałów w przypadku występowania dużyh odkształeń plastyznyh, wywołanyh różnymi stanami obiążenia (Enami, 2005) jest zagadnieniem trudnym, a jednoześnie zęsto niezbędnym w elu określenia wytrzymałośi konstrukji oraz przewidywania jej zniszzenia (Thomason, 1990). Zazwyzaj proes pękania materiału jest wynikiem złożonyh proesów fizyznyh, zahodząyh w skali mikroskopowej (Bandsta i Koss, 2004). W skali makroskopowej za pękanie odpowiadają wartośi zmiennyh stanu, będąyh składowymi tensora naprężenia i odkształenia oraz ih zmienność w trakie obiążenia. Wartośi te są wyznazane za pomoą oblizeń numeryznyh, np. z wykorzystaniem metody elementów skońzonyh (MES) (Bao, 2001). Znaząym zynnikiem wpływająym na pękanie jest obeność konentratorów naprężeń i odkształeń, np. karbów, a także sposób obiążenia. Bardzo ważne miejse zajmują badania doświadzalne pękania elementów z karbami, któryh wyniki przedstawiono między innymi w praah Bao i Treitlera (2004), Yana i innyh (2004), Agarwala i innyh (2003), Bartona (2004) i Bao (2005). Niestety brakuje badań eksperymentalnyh prowadzonyh z wykorzystaniem próbek z karbami o mono zróżniowanym kształie (np. o dużym zakresie zmian promienia zaokrąglenia dna karbu) oraz wykonanyh z różnyh materiałów. Badania takie pozwalają nie tylko na poznanie proesu iągliwego pękania, ale także są pomone w sformułowaniu i weryfikaji modelu oblizeniowego pękania (z wykorzystaniem zaawansowanyh metod numeryznyh). Przeprowadzonym badaniom doświadzalnym przyświeały dwa zasadnize ele: identyfikaja właśiwośi wytrzymałośiowyh materiałów przyjętyh do badań oraz analiza pękania próbek z karbami o różnym kształie w któryh wyznazono krytyzne wartośi obiążenia oraz krzywe monotoniznego roziągania tyh próbek. 2.1 Test roziągania próbek gładkih 20 Badania eksperymentalne przeprowadzono w temperaturze pokojowej na programowalnej, hydrauliznej, jednoosiowej maszynie wytrzymałośiowej MTS Test Frame 322 (Rys. 1), praująej w pętli sprzężenia zwrotnego, sterowanej za pomoą systemu TestStar II. Do wyznazenia harakterystyk materiałowyh wykorzystano osiowosymetryzne próbki bez karbu. Próbki roziągano stosują wymuszenie przemieszzeniowe. Do tego elu użyto osiowego ekstensometru o bazie pomiarowej 4 mm. Zastosowano prędkość przemieszzenia próbki l& = 0.1 mm/s (PN-EN AC1, 2004). W doświadzeniu wykorzystano także ekstensometr średniowy o bazie pomiarowej równej średniy badanej próbki (φ8mm). Pozwoliło to na pomiar zmiany średniy podzas obiążania próbki, aż do momentu pojawienia się szyjki. Na Rys. 1a przedstawiono próbkę gładką z dwoma ekstensometrami w uhwytah maszyny wytrzymałośiowej. a) b) Rys. 1. a) Próbka gładka z ekstensometrem osiowym i średniowym, b) próbka z karbem z ekstensometrem osiowym

2 ata mehania et automatia, vol.4 no.1 (2010) Dla wszystkih próbek pękanie występowało zawsze w obszarze ogranizonym bazą pomiarową ekstensometru. Na rysunku 2 przedstawiono wykres siła-przemieszzenie dla ztereh przeprowadzonyh prób roziągania. Dodatkowo wyznazono odkształenie ekwiwalentne ε f w momenie zniszzenia próbki (Brindgman, 1964). a) w graniah ±0.02mm, a średniy próbek w dnie karbu ±0.08mm. Rys. 3. Próbka z karbem o promieniu r K i średniy φ K Tab. 2 Wymiary próbek przeznazonyh do badań doświadzalnyh Kształt próbki r K φ K 2H D I 0.3; 0.5; 1.0; 2.0; 4.0; 8.0; 15; II 0.3; 0.5; 1.0; 2.0; 4.0; 8.0; 15; III 0.3; 0.5; 1.0; 2.0; 4.0; 8.0; 15; b) r K - promień karbu; φ K - średnia próbki w dnie karbu; 2H - wysokość próbki; D - średnia próbki. Próbki roziągano zadają wymuszenie przemieszzeniowe, kontrolowane ekstensometrem o bazie pomiarowej 25 mm. Prędkość przemieszzenia dobierano w taki sposób, aby oblizona prędkość odkształenia liniowego była jednakowa w dnie karbu każdej próbki. Tab. 3. Wyniki badań doświadzalnyh pękania próbek z karbami Rys. 2. Wykres siła wydłużenie bazy pomiarowej dla badanyh stopów aluminium: a) EN-AW 2007, b) EN-AW 2024 W tabeli 1 przedstawiono parametry wytrzymałośiowe badanyh materiałów, otrzymane z próby monotoniznego roziągania (F H maksymalna siła roziągająa w zakresie sprężystym, F max maksymalna siła roziągająa, A 5 wydłużenie po rozerwaniu, Z przewężenie przekroju). Wyniki otrzymano uśredniają wartośi dla ztereh powtórzeń. Tab. 1. Zestawienie parametrów wytrzymałośiowyh otrzymanyh z próby monotoniznego roziągania. Materiał d 0 d f ε f F H F max A 5 Z EN EN Badania pękania próbek z karbami Zasadnizym etapem badań doświadzalnyh była analiza pękania próbek z karbami obrązkowymi (Rys. 3). Wymiary próbek przyjętyh do analizy zamieszzono w tabeli 2. Błąd wykonania promieni karbu mieśił się Nr próbki r K φ K u EN 2024 EN 2007 F u F ,536 25, , W wyniku przeprowadzonyh badań zarejestrowano zależnośi siły roziągająej od wydłużenia bazy pomiarowej (l 0 = 25mm) dla każdego z karbów, a w szzególnośi maksymalne (krytyzne) przemieszzenie bazy pomiarowej u i siłę krytyzną F, powodująą inijaję pęknięia w próbe. Moment inijaji pęknięia harakteryzował się widoznym spadkiem wartośi siły na wykresie siła - przemieszzenie. W tabeli 3 zestawiono uśrednione wyniki badań doświadzalnyh przemieszzeń u oraz siły krytyznej F dla ztereh próbek z karbami o różnym kształ- ie. 21

3 Łukasz Derpeński, Andrzej Seweryn Doświadzalne badania iągliwego pękania próbek z karbami wykonanyh ze stopów aluminium EN-AW 2007 oraz EN-AW 2024 Rys. 4. Wykres zależnośi siły od przemieszzenia w próbe z karbem (r K = 0.3 mm): a) stop EN-AW 2024, b) stop EN-AW 2007 Rys. 5. Wykres zależnośi siły od przemieszzenia w próbe z karbem (r K = 1 mm): a) stop EN-AW 2024, b) stop EN-AW 2007 Rys. 6. Wykres zależnośi siły od przemieszzenia w próbe z karbem (r K = 4 mm): a) stop EN-AW 2024, b) stop EN-AW 2007 Rys. 7. Wykres zależnośi siły od przemieszzenia w próbe z karbem (r K = 30 mm): a) stop EN-AW 2024, b) stop EN-AW

4 ata mehania et automatia, vol.4 no.1 (2010) rk = 0.3 mm rk = 4 mm rk = 1 mm rk = 15 mm Rys. 8. Powierzhnie pęknięia próbek wykonanyh ze stopu aluminium EN 2024; średnia w dnie karbu φk =6 mm rk = 0.3 mm rk = 4 mm rk = 1 mm rk = 15 mm Rys. 9. Powierzhnie pęknięia próbek wykonanyh ze stopu aluminium EN 2007; średnia w dnie karbu φk =6 mm Na Rys. 4 7 przedstawiono wybrane zależnośi siły roziągająej F od przemieszzenia bazy pomiarowej u przy stałym promieniu rk. Krzywe zamieszzone na wykresah są średnimi z ztereh powtórzeń przeprowadzonyh dla każdego typu próbki. Przedstawiono także analizę powierzhni zniszzenia próbek z karbami o różnym kształie, wykonanyh z obu materiałów. Na Rys. 8 przedstawiono zdjęia powierzhni pęknięia dla stopu aluminium EN 2024, natomiast na Rys. 9 dla stopu EN 2007, wykonane na mikroskopie skaningowym przy powiększeniu 20. W badaniah zwróono uwagę na to, jaki wpływ na przebieg wykresu F-u oraz wartośi u i F ma promień (rk) i średnia (φk) w dnie karbu. Wraz ze wzrostem promienia rk krytyzne przemieszzenie u wzrasta, a przebieg zależnośi F-u staje się bardziej łagodny. W większośi 23

5 Łukasz Derpeński, Andrzej Seweryn Doświadzalne badania iągliwego pękania próbek z karbami wykonanyh ze stopów aluminium EN-AW 2007 oraz EN-AW 2024 przypadków wzrost promienia r K powodował spadek wartość siły krytyznej F. Otrzymane wyniki wykazały znaząy wpływ promienia zaokrąglenia karbu na kształt powierzhni pęknięia. W przypadku większyh promieni karbu (r K =2, 4, 8, 15, 30 mm) powierzhnia miała kształt kieliha (Rys. 10). W pobliżu osi symetrii tworzyła ona okrąg o promieniu ρ leżąy w płaszzyźnie symetrii karbu, a na obwodzie była nahylona pod kątem α do osi próbki. Przedstawione w pray wyniki badań doświadzalnyh iągliwego pękania elementów z karbami, mają duże znazenie poznawze i mogą być wykorzystane przez innyh badazy zarówno do formułowania, jak i weryfikaji własnyh modeli oblizeniowyh, a w szzególnośi kryteriów sprężysto-plastyznego pękania. LITERATURA Rys.10. Shemat powierzhni pękania badanyh próbek. Dla stopu aluminium EN 2024 kąt α wynosił około 56, a dla stopu aluminium EN 2007 kąt α był bliski 45. Może to świadzyć o tym, że inijaja pęknięia miała miejse na osi symetrii próbki. Promień ρ malał wraz ze wzrostem promienia karbu r K. Dla mniejszyh promieni karbu (r K =0.3, 0.5, 1mm) powierzhnia pęknięia pokrywała się z płaszzyzną symetrii karbu (prostopadła do kierunku roziągania). W tym przypadku inijaja pęknięia mogła mieć miejse na osi symetrii próbki, jak i w dnie karbu (lub w jego pobliżu). 4. PODSUMOWANIE W pray przedstawiono wyniki badań doświadzalnyh pękania osiowosymetryznyh próbek z karbami o różnym kształie (dla dużego zakresu promienia zaokrąglenia dna karbu oraz różnej średniy w dnie karbu) w warunkah monotoniznego roziągania. Szzególną uwagę zwróono na miejse inijaji pęknięia, które można wyznazyć na podstawie analizy kształtu powierzhni pęknięia, ale tylko w przypadku karbów o dużym promieniu zaokrąglenia. Inijaja pęknięia, będąa pozątkiem zniszzenia ałej próbki, następowała wówzas na osi symetrii próbki, na płaszzyźnie symetrii karbu, prostopadłej do kierunku roziągania. Przeprowadzone badania doświadzalne są punktem wyjśia do modelowania numeryznego pól naprężeń i odkształeń za pomoą metody elementów skońzonyh, w szzególnośi wyznazenia krytyznyh wartośi naprężeń oraz odkształeń (w momenie inijaji pęknięia). Oblizenia te mogą pozwolić na wyznazenie miejsa inijaji pęknięia w przypadku próbek z karbami o małym promieniu zaokrąglenia: zy następuje ona na osi symetrii próbki (o jest mało prawdopodobne), w dnie karbu, zy też w pewnej odległośi od dna karbu? 1. Agarwal H., Gokhale A. M., Graham S., Horstemeyer M. F. (2003) Void growth in 6061-aluminum alloy under triaxial stress state, Materials Siene and Engineering A341, Bandsta J. P., Koss D. A. (2004), A simulation of growth and oalesene of void during dutile frature, Mat. Siene & Eng., vol , ss Bao Y., (2001) Comparative study on various Frature riteria Part II: Finite Element Analysis, MIT, Cambridge. 4. Bao Y., (2005) Dependene of dutile rak formation in tensil tests on stress triaxiality, stress and strain ratios, Eng. Frature Meh., Vol. 72, ss Bao Y., Treitler R., (2004) Dutile rak formation on nothed Al2024-T351 bars under ompression tension loading, Materials Siene and Engineering A 384, Barton D. C., (2004) Determination of the high strain rate frature properties of dutile materials using a ombined experimental/numerial approah, International Journal of Impat Engineering, 30, Brindgman P. W., (1964) Studies in large plasti flow and frature, Harvard University Press, Cambridge, MA, Enami K., (2005) The effets of ompressive and tensile prestrain on dutile frature initiation in steels, Eng. Frat. Meh., 72, PN-EN AC1 (2004) Metale. Próba roziągania. Część 1: Metoda badania w temperaturze otozenia, PKN. 10. Thomason P. F., (1990) Dutile frature of metals, Pergamon press, In., New York. 11. Yan C., Ye L., Mai Y.-W., (2004) Effet of onstraint on behaviour of an AZ91 magnesium alloy, Matt. Letters, 58, EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF DUCTILE FRACTURE SPECIMENS WITH NOTHES MADE OF ALUMINIUM ALLOY EN-AW 2024 AND EN-AW 2007 Abstrat: The paper presents results of experimental tests on uniaxial tension speimens with radius nothes made with dutile material-aluminum alloy: EN-AW 2024 and EN-AW Authors pay attentions to shape of rak surfae, hanging of ritial fores and maximum displaement the reasons depends on noth s radius and diameter of speimen at noth root. Praę wykonano w ramah grantu nr N N realizowanego w Politehnie Białostokiej, finansowanego ze środków Ministerstwa Nauki i Szkolnitwa Wyższego. 24