WPŁ YW KSZTAŁ TU KARBU I PRĘ DKOŚ CI ODKSZTAŁ CENIA NA WŁ A Ś CIWOŚ CI DYNAMICZNE STOPU AlZn5Mg2CrZr

Transkrypt

1 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MARYNARKI WOJENNEJ ROK XLIX NR 1 (172) 2008 Wojciech Jurczak Akademia Marynarki Wojennej WPŁ YW KSZTAŁ TU KARBU I PRĘ DKOŚ CI ODKSZTAŁ CENIA NA WŁ A Ś CIWOŚ CI DYNAMICZNE STOPU AlZn5Mg2CrZr STRESZCZENIE W artykule przedstawiono wyniki badań dynamicznych rozciąganych próbek na młocie rotacyjnym przy dużych prędkościach odkształcenia. Dokonano oceny wpływu kształtu karbu na charakterystyki dynamiczne przez porównanie z charakterystykami próbek gładkich (bez karbu) dla stopu AlZn5Mg2CrZr. Obciążenie dynamiczne stopu AlZn5Mg2CrZr powoduje wzrost wytrzymałości w stosunku do statycznego obciążenia w zakresie zależnym od prędkości odkształcania oraz kształtu karbu. WSTĘP Wytypowany do badań stop AlZn5Mg2CrZr ma najlepsze właściwości wytrzymałościowe spośród wszystkich stopów aluminium stosowanych w budownictwie okrętowym [7]. Brak znajomości wpływu kształtu karbu na przebieg charakterystyk dynamicznych tego stopu przeznaczonego do budowy okrętów zmusił autora do przeprowadzenia badań i porównania ich z wynikami badań stopu AlZn5Mg1 oznaczonego cechą PA47. Obecność karbu wpływa w zdecydowany sposób na pogorszenie właściwości eksploatacyjnych każdego rodzaju materiału konstrukcyjnego [5]. Kształt karbu i rozkład naprężenia w karbie ma wpływ, w szczególności przy dużych prędkościach odkształcenia, na właściwości dynamiczne badanego stopu. Aby ocenić te właściwości, wyznaczono charakterystyki statyczne i dynamiczne badanych materiałów dla karbu w kształcie V i U. W wyniku niewłaściwego rozwiązania konstrukcyjnego nadmierne spiętrzenie naprężeń w karbach prowadzi do przedwczesnej utraty nośności konstrukcji. 37

2 Wojciech Jurczak Pojawiające się przy tym pęknięcia biorą z reguły początek właśnie w karbach, które mogą mieć postać otworów, odsadzeń, wrębów, występów itp. BADANIA WŁASNE Metodyka badań, kształt i wymiary próbek stosowanych w badaniach spełniały wymagania polskich norm, Polskiego Rejestru Statków i przepisów budowy okrętów. Do badań użyto specjalnie oprzyrządowany młot rotacyjny będący w posiadaniu Instytutu Podstaw Techniki AMW [2 4], mający możliwości rozciągania z prędkością odkształcenia do 50m/s. Kształt i wymiary próbek wykonanych ze stopu AlZn5Mg2CrZr przedstawiono w tabeli 1. i na rysunku 1. Tabela 1. Wymiary badanych próbek w zależności od kształtu karbu opisane wg rysunku 1. a) próbka gładka L t M D R m 1 L 0 l 0 d 0 65 M b) próbka z karbem U L t M D R m 1 l 0 d 0 d U l U 65 M ,5 2 c) próbka z karbem V L t L M D R m 0 d 0 d V r V l x 1 65 M ,5 2,5 1,5 Badania wyjściowych statycznych właściwości mechanicznych stopu wykonano na znormalizowanych próbkach okrągłych φ8 mm i porównano z właściwościami stopu AlZn5Mg1, który stosowany jest w budownictwie okrętowym. Kierunek wycięcia próbek z arkuszy blach do badania właściwości statycznych stopu aluminium dla wytopów 507 i 635 był zgodny z kierunkiem walcowania. Dla rozpoznania wpływu kierunku walcowania na właściwości dynamiczne badanego stopu próbki wytopu 635 dodatkowo wycięto prostopadle do kierunku walcowania i oznaczono p. 38 Zeszyty Naukowe AMW

3 Wpływ kształtu karbu i prędkości odkształcenia na właściwości dynamiczne Rys. 1. Kształty badanych próbek: a) próbka gładka; b) próbka z karbem U ; c) próbka z karbem V Skł ad chemiczny stopu AlZn5Mg2CrZr Próbki do badań zostały wykonane z blach stopu AlZn5Mg2CrZr z dwóch wytopów różniących się składem chemicznym. Składy chemiczne wytopów stopu AlZn5Mg2CrZr tb podano w tabeli 2. Tabela 2. Skład chemiczny blach ze stopów AlZn5MgCrZr tb [9] Nr Skład chemiczny [%] AlZn5MgCrZr Nr partii stopu Zn Mg Cr Zr Ti Fe Si Cu Mn Ni Al i atestu reszta reszta 1085 tb; przesycenie nagrzewanie do 480 C przez 50 min., studzenie gorącą wodą min. 70 C, naturalne starzenie 0 4 dni 20 C, dwustopniowe sztuczne starzenie 95 C/8 h C/8 h 1 (172)

4 Wojciech Jurczak W ł a ś ciwoś ci statyczne AlZn5Mg2CrZr Badania materiałów inżynierskich wykazały, że na wartości podstawowych wskaźników charakteryzujących właściwości tych materiałów mają wpływ różne czynniki, takie jak np. temperatura, wilgotność, prędkość obciążania. Odkształcenia próbki podczas badań własności mechanicznych są podstawą do wyznaczenia wartości R m, R 0,2, A 5 i Z. Na podstawie związków konstytutywnych wyznacza się naprężenia. Statyczne próby rozciągania przeprowadzono na elektro-hydrodynamicznej maszynie wytrzymałościowej typu MTS ze sterowaniem i zapisem komputerowym. Maksymalne obciążenie realizowane na tej zrywarce wynosi 100 kn. Na każdy punkt pomiarowy przeznaczono minimum po 3 próbki. Statyczna próba rozciągania pozwala na określenie stałych wielkości wskaźnikowych charakteryzujących dany materiał, które przedstawiono na rysunku 2. Jednocześnie na tym samym rysunku porównano statyczne właściwości mechaniczne badanego stopu AlZn5Mg2CrZrtb ze stopem AlZn5Mg1tb, który jest stosowany w budownictwie okrętowym. Z ich analizy wynika, że stop AlZn5Mg2CrZr tb uzyskał R m i R 0,2 wyższe o ~20 25% od stopu AlZn5Mg1, przy jednoczesnym zmniejszeniu względnego wydłużenia plastycznego A 5 o ~22%. Na podstawie otrzymanych wyników badań stopu AlZn5Mg2CrZr stwierdzono, że blachy z obu wytopów hutniczych (507, 635) spełniają pod względem własności mechanicznych wymagania stawiane przez PRS, wykazując najwyższe własności wytrzymałościowe wśród stopów aluminium przydatnych do stosowania w budownictwie okrętowym. Różnice we własnościach mechanicznych badanych stopów układu Al-Zn-Mg wynikają z różnych składów chemicznych. Wyższe własności mechaniczne miał stop AlZn5Mg2CrZr (rys. 2.) dzięki większej sumarycznej zawartości cynku i magnezu o około 0,5% oraz zwiększonej zawartości miedzi o około 0,01% w stosunku do stopu AlZn5Mg1. Równie duży wpływ na własności mechaniczne miały dodatki cyrkonu i tytanu. Zawartość procentowa tych pierwiastków w stopie AlZn5Mg2CrZr była większa niż w stopie AlZn5Mg1. Wzrost zawartości cynku i magnezu jako głównych pierwiastków stopowych spowodował, że stop AlZn5Mg2CrZr uzyskał lepsze własności mechaniczne. Cynk w obecności magnezu oraz miedzi wyraźnie podnosi własności mechaniczne, szczególnie w stopach Al-Zn-Mg obrabialnych cieplnie. Tytan i cyrkon jako dodatki stopowe zapewniały drobnoziarnistość struktury przez wstrzymywanie rozrostu ziaren podczas obróbki cieplnej, natomiast zwiększona zawartość magnezu i zbliżone zawartości krzemu prawdopodobnie spowodowały, że liczniej powstawały w stopie AlZn5Mg2CrZr (niż w stopie AlZn5Mg1) związki międzymetaliczne typu Mg 2 Si czy też Al 3 Mg 2, które silniej utwardzały ten stop. Nie pozostało to bez wpływu na jego udarność i podatność na odkształcenia plastyczne. 40 Zeszyty Naukowe AMW

5 Wpływ kształtu karbu i prędkości odkształcenia na właściwości dynamiczne R m [MPa] R 0,2 [MPa] /4 Rm R0,2 A 5 [%] Z [%] /4 A5 Z Rys. 2. Statyczne właściwości mechaniczne stopów AlZn5Mg2CrZr tb (wytopy 507, 635) i AlZn5Mg1tb (wytop 484/4) wyciętych z blach o g = 12 mm zgodnie z kierunkiem walcowania Właściwości mechaniczne próbek wyciętych w kierunku walcowania z wytopów 507 i 635 stopu AlZn5Mg2CrZr są porównywalne, stąd przyjęte do dalszych badań próbki z wytopu 635 są wycięte prostopadle do kierunku walcowania i oznaczone 635p. Wpł yw kształ tu karbu na statyczne wł a ś ciwoś ci mechaniczne stopu AlZn5Mg2CrZr W tabeli 3. przedstawiono szczegółowe wyniki badań statycznych właściwości mechanicznych dla znormalizowanych próbek okrągłych: gładkich (bez karbu) oraz z karbem w kształcie U i V (rys. 1.) badanego stopu AlZn5Mg2CrZr. Próbki badanego stopu AlZn5Mg2CrZr wytopu 635p pobrane w kierunku prostopadłym do kierunku walcowania mają znacznie niższe właściwości wytrzymałościowe (spadek: ΔR m = 158 MPa, ΔR 0,2 = 116 MPa), ale nieco lepsze właściwości plastyczne (wzrost: ΔA 5 = 3%, ΔZ = 8,5%) w stosunku do wytopu 635 pobranych wzdłuż kierunku walcowania. 1 (172)

6 Wojciech Jurczak Tabela 3. Zestawienie średnich wyników badań statycznych (V 10-2 m/s) właściwości mechanicznych badanego stopu AlZn5Mg2CrZr dla wytopu 507, 635p Lp. PARAMETRY PRÓBEK PRZED BADANIAMI PARAMETRY PRÓBEK PO ZRYWANIU Rodzaj próbki i wytopu L gładka l0 d0 s0 [mm 2 ] L0k l0k d0k s0k [mm 2 ] Rm [MPa] STATYCZNE WŁASNOŚCI MECHANICZNE p gładka du su [mm 2 ] d0 lu L0 duk karb U p karb U dv sv [mm 2 ] d0 lv L0 dvk karb V p karb V suk [mm 2 ] svk [mm 2 ] L0u L0v luk lvk l0k l0k Rm [MPa] Rm [MPa] R0,2 [MPa] R0,2 [MPa] R0,2 [MPa] A5 [%] A5 [%] A5 [%] Z [%] Z [%] Z [%] 42 Zeszyty Naukowe AMW

7 Wpływ kształtu karbu i prędkości odkształcenia na właściwości dynamiczne W ł a ś ciwości dynamiczne AlZn5Mg2CrZr w zależności od prędkości odkształcenia Wzrost prędkości odkształceń powoduje wzrost oporu odkształcenia plastycznego metali, co powoduje wzrost granicy plastyczności, wytrzymałości i twardości. Znajomość udarowych właściwości mechanicznych materiału jest niezbędna do oceny rzeczywistej odporności udarowej konstrukcji okrętu. Próby przeprowadzono w zakresie prędkości uderzenia dla: 10, 20 i 30 [m/s]. Przez 0 [m/s] oznaczono właściwości statyczne przy prędkości rozciągania V 10-2 m/s. Wpływ kształtu karbu na dynamiczne wł a ś ciwości mechaniczne stopu AlZn5Mg2CrZr Na stanowisku badawczym młota rotacyjnego przeprowadzono badania dynamiczne w zakresie [m/s] prędkości odkształcenia dla próbek z karbem U i V. Stosowanie układu współrzędnych siła F wydłużenie całkowite ΔL do opisu próby jest niewygodne, ponieważ porównywanie wyników uzyskanych dla dwóch różnych materiałów możliwe jest tylko wówczas, gdy próbki są identyczne. Aby uniezależnić wyniki od przekroju próbki, stosuje się układ współrzędnych naprężenie σ wydłużenie jednostkowe ε. Układ σ ε zatem jest niezależny od wymiarów i kształtu próbki. Ponieważ σ jest wprost proporcjonalne do F, a ε do ΔL, przy czym s 0 i Lo są wielkościami stałymi, zatem wykres rozciągania w układzie σ ε można otrzymać bezpośrednio z komputerowego zapisu z wykresu maszynowego przez zmianę skali rzędnych i odciętych. Na podstawie wykresu rozciągania można określić wskaźniki wytrzymałościowe. Na podstawie przeprowadzonych badań określono wskaźniki wytrzymałościowe i właściwości plastyczne stopu AlZn5Mg2CrZr po dynamicznej próbie rozciągania dla trzech rodzajów próbek, które przedstawiono na rysunkach 3 6. Szczegółowe wyniki badań podano w tabeli R md [MPa] 700,00 650,00 gładka 600,00 z karbem "U" 550,00 z karbem "V" 500,00 450,00 400, V [m/s] 1 (172)

8 Wojciech Jurczak R md [MPa] ,00 400,00 200,00 gładka z karbem "U" z karbem "V" 0, V [m/s] Rys. 3. Dynamiczna granica wytrzymałości na rozciąganie dynamiczne R md stopu AlZn5Mg2CrZr wytopu 507 i 635p dla próbek gładkich i z karbem V, U w zależności od prędkości odkształcania R 0,2d [MPa] gładka z karbem "U" z karbem "V" V [m/s] 635 R 0,2d [MPa] gładka z karbem "U" z karbem "V" V [m/s] Rys. 4. Dynamiczna granica plastyczności na rozciąganie dynamiczne ze stopu AlZn5Mg2CrZr wytopu 507 i 635p dla próbek gładkich i z karbem V, U w zależności od prędkości odkształcania 44 Zeszyty Naukowe AMW

9 Wpływ kształtu karbu i prędkości odkształcenia na właściwości dynamiczne Tabela 4. Zestawienie średnich właściwości mechanicznych i parametrów badanych próbek (gładkich, z karbem U i V) poddanych różnym prędkościom zrywania (od V 0 m/s do 30 m/s) dla stopu AlZn5Mg2CrZr wytopu 507, 635p 1 (172)

10 Wojciech Jurczak 507 Z [%] gładka 507 z karbem U 507 z karbem V V [m/s] Z [%] gładka 635 z karbem U 635 z karbem V V [m/s] Rys. 5. Dynamiczne właściwości plastyczne przewężenie stopu AlZn5Mg2CrZr wytopu 507 i 635p dla próbek gładkich i z karbem V i U w zależności od prędkości odkształcania A 5 [%] gładka 507 z karbem U z karbem V V [m/s] 46 Zeszyty Naukowe AMW

11 Wpływ kształtu karbu i prędkości odkształcenia na właściwości dynamiczne A 5 [%] gładka 635 z karbem U 635 z karbem V V [m/s] Rys. 6. Dynamiczne właściwości plastyczne wydłużenie jednostkowe stopu AlZn5Mg2CrZr wytopu 507 i 635p dla próbek gładkich i z karbem V i U w zależności od prędkości odkształcania Ocena wpł ywu karbu geometrycznego na charakterystyki dynamiczne próbek rozcią ganych przy róż nych prę dkoś ciach odkształ cenia Przeprowadzone badania statyczne i dynamiczne na próbkach ze stopu AlZn5Mg2CrZr pozwalają na określenie wpływu kształtu karbu i prędkości odkształcania na właściwości mechaniczne (rys. 7 10). W oparciu o uzyskane wyniki badań przedstawione w tabeli 3. można stwierdzić, że w przypadku statycznej próby rozciągania kształt karbu wydatnie wpływa na wzrost właściwości wytrzymałościowych i obniżenie właściwości plastycznych. W przypadku badanego stopu AlZn5Mg2CrZr granica wytrzymałości R m wzrosła w stosunku do próbek bez karbu o: 1) dla wytopu ,4% dla próbek z karbem U i 16,1% dla próbek z karbem V ; 2) dla wytopu 635p 16,7% dla próbek z karbem U i 20,3% dla próbek z karbem V. 1 (172)

12 Wojciech Jurczak Rys. 7. Wartość względnej granicy wytrzymałości próbek z karbem w stosunku do próbek gładkich w zależności od prędkości odkształcenia Przy analizowaniu wpływu kształtu karbu na umowną granicę plastyczności R 0,2 dla badanego stopu aluminium należy uwzględnić błędy odczytu z wykresu i dlatego wzrost tych wartości jest szacunkowy i wynosi: 1) dla wytopu ,4% dla próbek z karbem U i 22% dla próbek z karbem V ; 2) dla wytopu 635p 22% dla próbek z karbem U i 26% dla próbek z karbem V. 48 Zeszyty Naukowe AMW

13 Wpływ kształtu karbu i prędkości odkształcenia na właściwości dynamiczne Rys. 8. Wartość względnej granicy plastyczności próbek z karbem w stosunku do próbek gładkich w zależności od prędkości odkształcenia Zaobserwowano, że zmiana kształtu karbu wyraźnie wpływa na własności plastyczne. W przypadku badanego stopu AlZn5Mg2CrZr odkształcenie A 5 w stosunku do próbek bez karbu wzrosło o: 1) dla wytopu % dla próbek z karbem U i 305% dla próbek z karbem V ; 2) dla wytopu 635p 287% dla próbek z karbem U i 424% dla próbek z karbem V. W przypadku karbu U odkształcenie i przewężenie jest nieznacznie mniejsze, a w przypadku karbu V nastąpił spadek odkształcenia o ponad 35% i przewężenia o ponad 65% w stosunku do próbek gładkich. 1 (172)

14 Wojciech Jurczak Rys. 9. Wartości względnego wydłużenia próbek z karbem w stosunku do próbek gładkich w zależności od prędkości odkształcenia badanych materiałów Przewężenie Z badanych materiałów ulegało zmianie w następujący sposób: 1) dla wytopu 507 wzrosło o 3,2% dla próbek z karbem U i zmniejszyło się o 49,5% dla próbek z karbem V ; 2) dla wytopu 635p wzrosło o 11,2% dla próbek z karbem U i zmniejszyło się o 27,4 % dla próbek z karbem V. Znacznie większy wpływ na własności wytrzymałościowe i plastyczne ma prędkość odkształcania. Charakterystyki dynamiczne prób rozciągania stopu AlZn5Mg2CrZr są położone znacznie wyżej od krzywych uzyskanych podczas próby statycznego rozciągania. W przypadku badanego stopu AlZn5Mg2CrZr doraźna granica wytrzymałości R m wzrosła w stosunku do próbek bez karbu przy wzroście prędkości odkształcenia od 0 do 30m/s o: 1) dla wytopu 507 7,5% dla próbek z karbem U i 19% dla próbek z karbem V ; 2) dla wytopu 635p zmniejszyła się o 42,6% dla próbek z karbem U i 39,9% dla próbek z karbem V. Dla badanego stopu AlZn5Mg2CrZr umowna granica plastyczności wzrosła, ale w znacznie mniejszym stopniu niż dla stali i tylko dla próbek gładkich: 1) dla wytopu 507 wzrosła o 3,5% dla próbek gładkich, z karbem U zmniejszyła się o 13,3% i wrosła o 1,7% dla próbek z karbem V ; 2) dla wytopu 635 wzrosła o 83% dla próbek gładkich, z karbem U praktycznie nie uległa zmianie, a dla próbek z karbem V zmniejszyła się o 12%. 50 Zeszyty Naukowe AMW

15 Wpływ kształtu karbu i prędkości odkształcenia na właściwości dynamiczne Rys. 10. Wartości względnego przewężenia próbek z karbem w stosunku do próbek gładkich w zależności od prędkości odkształcenia badanego stopu Podsumowując analizę wyników badań jednoczesnego wpływu karbu i prędkości odkształcania na własności mechaniczne badanego stopu AlZn5Mg2CrZr, można stwierdzić, że dla wytopu 507 i próbek pobranych wzdłuż kierunku walcowania występują tendencje wzrostowe własności wytrzymałościowych i spadek własności dla wytopu 635 pobranych poprzecznie do kierunku walcowania. W oparciu o uzyskane wyniki badań można stwierdzić, że w przypadku statycznej próby rozciągania kształt karbu wydatnie wpływa na wzrost własności wytrzymałościowych i obniżenie własności plastycznych. 1 (172)

16 Wojciech Jurczak WNIOSKI Na podstawie przeprowadzonych badań na próbkach stopu AlZn5Mg2CrZr można stwierdzić, że: 1. Pod wpływem obciążenia dynamicznego nastąpił wzrost wskaźników wytrzymałościowych badanego stopu AlZn5Mg2CrZr w stosunku do wartości uzyskanych w statycznej próbie rozciągania. 2. Właściwości wytrzymałościowe i plastyczne badanego stopu aluminium zależą od prędkości odkształcania oraz kształtu karbu. 3. Wzrost prędkości odkształcenia próbek z karbem U powoduje największy wzrost dynamicznej granicy wytrzymałości na rozciąganie dla badanego stopu AlZn5Mg2CrZr. 4. Największy spadek plastyczności ze wzrostem prędkości odkształcania wykazały próbki z karbem V. 5. Zmiany ww. właściwości funkcji prędkości odkształcania nie są monotoniczne. BIBLIOGRAFIA [1] Cudny K., Powierża Z., Wybrane zagadnienia odporności udarowej okrętów, WSMW, Gdynia [2] Dobrociński S., Fila J., Jurczak W., Kolenda J., Odporność udarowa i balistyczna nowego stopu aluminium i kompozytów z jego zastosowaniem, praca statutowa AMW, , pk. BALIDUR. [3] Fila J., Badania wpływu stanu obciążeń i szybkości odkształceń na wytrzymałość i ciągliwość materiałów okrętowych, Konferencja Odporność udarowa konstrukcji, AMW, Gdynia [4] Fila J., Zatorski Z. i in., raport nr 1/93 i nr 1/94 oraz nr 2/95/IPBMO/ Powłoka, AMW KBN [5] Jurczak W., Wpływ składu chemicznego i obróbki cieplnej na własności mechaniczne i odporność na korozję stopów Al-Zn-Mg przeznaczonych na spawane konstrukcje okrętowe, rozprawa doktorska, PG, Gdańsk [6] Kinslov R. at al., High-Velocity Impact Phenomena, Academic Press, New York and London [7] Levedahl W., Capable A., Affordable 21 st Century Destroyer, Naval Engineers Journal, May 1993, pp Zeszyty Naukowe AMW

17 Wpływ kształtu karbu i prędkości odkształcenia na właściwości dynamiczne [8] Wiśniewski A., Pancerze budowa, projektowanie i badanie, WNT, Warszawa [9] Atest IMN OML nr 4550/91, 336 OML/91. ABSTRACT The paper presents the results of tension tests of standard specimens by means of a rotary hammer. The effect of U- and V-notches and strain rate on dynamic characteristics of the AlZn5Mg2CrZr alloy is assessed by comparing them with static ones and those of unnotched specimens. The dynamic load of the investigated alloy lead to its strengthening in comparison to the static load in the range depending on the strain rate and notch geometry. Recenzent prof. dr hab. inż. Janusz Kolenda 1 (172)