Wpływ naprężeń w kierunku grubości elementu na powstanie pęknięcia delaminacjnego w złączach spawanych krzyżowych

Transkrypt

1 PAŁA Robert 1 DZIOBA Ihor 2 Wpływ naprężeń w kierunku grubości elementu na powstanie pęknięcia delaminacjnego w złączach spawanych krzyżowych WSTĘP Skłonność materiału elementu do powstawania pęknięć delaminacyjnych w tym również w złączach spawanych jest jednym z ważnych czynników decydującym o jego przydatności do procesu produkcyjnego. Decydujący wpływ na skłonność materiału do powstawania pęknięć delaminacyjnych ma obecność pasmowych wtrąceń niemetalicznych, które ukierunkowane są wzdłuż kierunku walcowania i skoncentrowane w środkowej strefie grubości blachy. Podczas procesu spawania powstaje duży gradient temperatury zarówno w łączonych elementach jak i w samej spoinie. Zjawisko to powoduje powstanie naprężeń spawalniczych. Naprężenia te są niekiedy tak duże, że wywołują plastyczną deformację spawanych elementów. Również może wystąpić utrata kohezji na granicy osnowy i wtrąceniami niemetalicznymi, co doprowadzi do powstania pęknięć delaminacyjnych. Problem występowania pęknięć delaminacyjnych w złączach spawanych obserwowany jest często zwłaszcza w połączeniach obciążonych w kierunku prostopadłym do grubości elementu [9]. Sytuacja ta występuje w złączach teowych, a w szczególności w krzyżowych. Powodem występowania pęknięć delaminacyjnych jest również sumowanie się naprężeń spawalniczych w kierunku grubości łączonych elementów z naprężeniami pochodzącymi od sił zewnętrznych (Rys. 1a, 1b). Czynniki sprzyjające występowaniu pęknięć delaminacyjnych wymienione wyżej są powiązane z poziomem naprężeń w kierunku grubości łączonych elementów. Niniejsza praca ma na celu określenie poziomu naprężeń w kierunku grubości elementu, przy którym występuje pęknięcie delaminacyjne w materiale rodzimym. Z uwagi na to, że pęknięcia delaminacyjne obserwowane są również podczas przeprowadzenia testów odporności na pękanie na próbkach z materiału rodzimego [7,10] założono, że poziom naprężeń powodujących powstanie pęknięcia delaminacyjnego można wyznaczyć wykonując obliczenia naprężeń w kierunku grubości próbki SEN(B). Naprężenia spawalnicze utożsamiono więc z naprężeniami w kierunku grubości powstającymi podczas obciążania próbki trójpunktowo zginanej (Rys. 1c, 1d). Opracowano metodykę wyznaczenia momentu powstania pęknięcia delaminacyjnego oraz na podstawie zarejestrowanych podczas obciążenia sygnałów przeprowadzono obliczenia numeryczne, które pozwoliły określić poziom naprężeń w kierunku grubości odpowiadający inicjacji pęknięcia delaminacyjnego w próbce trójpunktowo zginanej. 1 Politechnika Świętokrzyska w Kielcach, Wydział Mechatroniki i Budowy Maszyn, KPKM tel.: , Al lecia PP 7, Kielce, probertrobert@gmail.com 2 Politechnika Świętokrzyska w Kielcach, Wydział Mechatroniki i Budowy Maszyn, KPKM tel.: , Al lecia PP 7, Kielce, pkmid@tu.kielce.pl 5212

2 a) b) c) d) Rys. 1. Schemat: a) złącza krzyżowego, b) naprężenia spawalniczego w złączu krzyżowym, c) próbki SEN(B), d) rozkładów naprężeń w kierunku grubości σ xx, naprężeń rozwierających σ zz przed wierzchołkiem pęknięcia 1. BADANIA EKSPERYMENTALNE Badania eksperymentalne przeprowadzono na stali konstrukcyjnej ogólnego przeznaczenia S235JR [5]. Tab. 1. Skład chemiczny stali S235JR (max %wag) oraz właściwości wytrzymałościowe [5] C Mn P S N Cu CEV R e [MPa] R m [MPa] A 5 [%] Właściwości wytrzymałościowe wyznaczono w próbie jednoosiowego rozciągania na pięciokrotnych okrągłych próbkach o średnicy 4 mm. Badania przeprowadzono na zmodernizowanej maszynie wytrzymałościowej UTS-100, wyposażonej w zautomatyzowany system sterowania i rejestracji danych. W testach podczas wyznaczenia odporności na pękanie wykorzystano próbki trójpunktowo zginane z jednostronnym karbem SEN(B), o wymiarach B=7, W=14mm, a 0 /W 0.5, wycięte w orientacji T-L [4]. Do pomiaru aktualnej długości pęknięcia wykorzystano technikę spadku potencjału [1]. Podczas testów na części próbek w środkowej strefie przełomu zaobserwowano pęknięcia delaminacyjne (Rys. 2). Wykonane zgłady potwierdziły obecność w środkowej strefie grubości skoncentrowanych pasm wtrąceń niemetalicznych, dla próbek w których obserwowano 5213

3 pęknięcia delaminacyjne, oraz niewielkie dyspersyjne wtrącenia dla próbek, w których nie zanotowano pęknięć delaminacyjnych (Rys. 3). a) b) Rys. 2. Przełomy próbek SEN(B) a) bez pęknięcia delaminacyjnego w momencie inicjacji wzrostu pęknięcia głównego, b) z pęknięciem delaminacyjnym w momencie inicjacji wzrostu pęknięcia głównego a) b) Rys. 3. a) Skoncentrowane wtrącenia w postaci pasm w środkowej strefie grubości w próbce A; b) dyspersyjne wtrącenia w próbce B Moment inicjacji wzrostu pęknięcia delaminacyjnego określono na podstawie porównania przebiegu krzywych obciążenia próbek SEN(B), w których występowało pęknięcie delaminacyjne oraz bez niego (Rys. 4). W celu wyeliminowania wpływu długości pęknięcia zmęczeniowego na wartość zarejestrowanej siły dokonano jej normalizacji przez wartość maksymalnej siły w zakresie liniowym krzywej obciążenia. Jak zauważono przebiegi krzywych pokrywają się do wartości ugięcia próbki około 1.5 mm, po czym krzywa dla próbki z pęknięciem układa się wyżej. Powodem jest powstanie nowego frontu pęknięcia, prostopadłego do płaszczyzny pęknięcia głównego, rozdzielającego próbkę na "dwie próbki" o mniejszej grubości, co w efekcie zmienia rozkład pól naprężeń przed frontem pęknięcia głównego. Pola naprężeń silnie uzależnione są od grubości próbek i wpływają na uzyskane wartości odporności na pękanie [8]. Powstanie nowego frontu pęknięcia w środkowej strefie próbki powoduje spowolnienie rozwoju pęknięcia głównego [6] Znajduje to swoje potwierdzenie zarówno w pomiarze całkowitego przyrostu długości pęknięć Δa dla badanych próbek, wykonanego na mikroskopie warsztatowym, jak i obliczonego wg metody zmiany potencjału. W efekcie krzywa J R układa się wyżej, a wyznaczona krytyczna wartość całki J, J C, jest około dwukrotnie większa dla próbki, w której zanotowano wystąpienie delaminacji (Rys. 5, Tab. 2). 5214

4 a) b) Rys. 4. Schemat wyznaczenia momentu inicjacji wzrostu pęknięcia delaminacyjnego rozdzielającego: a) krzywe obciążenia [6], b) znormalizowane krzywe obciążenia Wartość całki J, w momencie inicjacji wzrostu pęknięcia delaminacyjnego, J C_del, obliczono wykorzystując wzór Rice: gdzie: - krytyczna wartość całki J w momencie inicjacji wzrostu pęknięcia delaminacyjnego, - dla próbki SEN(B), - powierzchnia pod krzywą siła-przemieszczenie punktu przyłożenia siły dopowiadająca momentowi inicjacji wzrostu pęknięcia delaminacyjnego, - grubość próbki, W - szerokość próbki, - długość pęknięcia zmęczeniowego. Z analizy przełomu próbki z pęknięciem delaminacyjnym wynika, że wyznaczony moment inicjacji wzrostu pęknięcia delaminacyjnego odpowiada początkowi wzrostu pęknięcia głównego. W tabeli 2 zamieszczono również krytyczne wartości całki J J Q, wyznaczone wg zaleceń normatywnych [1,2]. Wartość J Q dla próbki z pęknięciem delaminacyjnym jest prawie dwukrotnie wyższa, niż dla próbki bez rozwarstwienia. Tab. 2. Krytyczne wartości odporności na pękanie [6] Nr próbki J Q, kn/m K JC MPa m 1/2 J Q_del, kn/m K JC_del MPa m 1/2 Δa cał mm A delaminacja B brak 5215

5 Rys. 5. Krzywe J R dla próbek z delaminacją oraz bez delaminacji [6] 2. OBLICZENIA NUMERYCZNE W analizie numerycznej modelowano próbkę trójpunktowo zginaną wykorzystywaną w badaniach doświadczalnych. Obliczenia przeprowadzono w programie Adina 8.7. W celu wyznaczenia rozkładów naprężeń rzeczywistych przed frontem pęknięcia obliczenia przeprowadzono dla modelu trójwymiarowego, zakładając model dużych odkształceń. Z racji istnienia symetrii modelowano ¼ próbki SEN(B), a wierzchołek pęknięcia jako ćwiartkę łuku o promieniu równym 20 μm. Obciążenie definiowano jako przemieszczenie (ugięcie próbki) odpowiadające momentowi inicjacji wzrostu pęknięcia delaminacyjnego. W celu wyznaczenia rozkładu naprężeń w poszczególnych grubościach (warstwach), próbkę podzielono na dziesięć warstw z zagęszczeniem w kierunku powierzchni swobodnej. W obliczeniach wykorzystano rzeczywistą krzywą rozciągania, którą sporządzono na podstawie wykresów uzyskanych podczas prób rozciągania (Rys. 6). Rys. 6. Wykres materiału modelowego stosowanego w obliczeniach - krzywa rzeczywista Uzyskano rozkłady naprężeń przed wierzchołkiem szczeliny: rozwierających i w kierunku grubości w poszczególnych warstwach (Rys. 7). Najwyższe poziomy naprężeń występują w osi 5216

6 próbki, ich maksima wynoszą 4.34σ 0 dla naprężeń rozwierających, σ zz, oraz 3.05σ 0 (Rys. 7b) dla naprężeń w kierunku grubości, σ xx (Rys. 7a). W miarę oddalania się od osi próbki wartości naprężeń rozwierających i w kierunku grubości spadają, a ich maksima przesuwają się w kierunku wierzchołka pęknięcia głównego. Rozkład maksymalnych wartości naprężeń σ zz i σ xx po szerokości próbki (na tle przełomu próbki) pokazano na rysunku 8. Poziom naprężenia σ xx w miejscu położenia i w momencie inicjacji pęknięcia delaminacyjnego jest równy 840 MPa, co pozwala utożsamić ten poziom jako odpowiadający powstaniu pęknięcia delaminacyjnego w badanym materiale. a) b) Rys. 7. Rozkład przed wierzchołkiem pęknięcia dla wybranych warstw a) naprężeń w kierunku grubości próbki σ xx, b) naprężeń rozwierających σ zz. Rys. 8. Rozkład maksymalnych naprężeń w kierunku grubości σ xx i naprężeń rozwierających σ zz wzdłuż grubości próbki na tle przełomu próbki. 5217

7 PODSUMOWANIE Pęknięcie delaminacyjne powstało w obszarze występowania wysokiego poziomu naprężeń rozwierających i w kierunku grubości dla próbki A. Wykonane zgłady metalograficzne z obszaru występowania pęknięcia delaminacyjnego potwierdziły obecność skoncentrowanych pasm wtrąceń niemetalicznych. Wtrącenia te należy traktować, jako koncentratory naprężeń. Utrata kohezji między materiałem osnowy a pasmem wtrąceń wystąpiła w kierunku prostopadłym do płaszczyzny pęknięcia głównego, przy poziomie naprężeń w kierunku grubości, σ xx, równym 840 MPa. W złączach spawanych krzyżowych wykonanych ze stali S235JR występowania pęknięć delaminacyjnych spodziewać się należy w przypadku obecności obciążeń powodujących poziom lokalnych naprężeń ~3 0 w kierunku grubości. W celu określenia poziomu naprężeń powodujących pęknięcie delaminacyjne dla innych elementów konieczne jest przeprowadzenie badań metodami nieniszczącymi określających rozmiar i położenie wtrąceń niemetalicznych. Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych oraz obliczeń numerycznych dotyczących wpływu naprężeń w kierunku grubości elementu na możliwość występowania pęknięcia delaminacyjnego w złączu spawanym krzyżowym. Badania doświadczalne obejmowały wyznaczenie charakterystyk wytrzymałościowych i odporności na pękanie. Obliczenia numeryczne przeprowadzono na modelu trójwymiarowej próbki SEN(B), obliczono rozkłady naprężeń rozwierających i w kierunku grubości próbki. Wykazano, że przyczyną powstawania pęknięć delaminacyjnych jest obecność pasm wtrąceń niemetalicznych w środkowej strefie grubości materiału rodzimego oraz wysoki poziom lokalnych naprężeń w kierunku grubości próbki. Słowa kluczowe: pęknięcia delaminacyjne, odporność na pękanie, rozkłady naprężeń przed wierzchołkiem pęknięcia Stress influence in the direction of element thickness on the initiation of delamination cracking in the cross-welded joints Abstract In the article were presented the results of experimental research and the numerical calculations, concerning influence of stress in the direction of element thickness, on the possibility of delamination cracking occurrence in the cross-welded-joints. The experimental studies included determination of strength and fracture toughness characteristics. Numerical calculations were carried out on a 3D modeled SEN(B) specimen. The distributions of opening stress and stress in the direction of specimen thickness were calculated. It was shown, that the reason of delamination crackinginitiation, was the presence of nonmetallic inclusions bands in the central area of the base material thickness, and the high level of local stresses in the direction of specimen thickness. Keywords: delamination cracking, fracture toughness, stress distribution in front of crack Badania przeprowadzono w ramach projektu badawczego Technologie laserowego spawania dla energetyki i ochrony środowiska, PBS1/B5/13/2012. BIBLIOGRAFIA 1. ASTM E Standard Test Method for J-Integral Characterization of Fracture Toughness. Philadelphia; ASTM E Standard Test Method for Measurement of Fracture Toughness. Annual book of ASTM standards; 03.01; 2011: Blum A., Niezgodziński T., Pęknięcia lamelarne. Biblioteka Problemów Eksploatajci, Radom E Standard Test Method for Linear-Elastic Plane-Strain Fracture Toughness K IC of Metallic Materials. Annual book of ASTM standards; 03.01; 2011: p EN :2004, European Standard;

8 6. Pała R., Dzioba I., Wpływ delaminacji na poziom odporności na pękanie. Logistyka nauka 2014 nr 6, str Kalyanam S., Beaudoin A.J., Dodds R.H. Jr., Barlat F., Delamination cracking in advanced aluminum lithium alloys Experimental and computational studies, Engineering Fracture Mechanics; 76 (2009); p Neimitz A., Dzioba I., Pała R., Janus U., The influence of the out-of-plane constraint on fracture toughness of high strength steel at low temperatures, Solid State Phenomena 224 (2015); p Yang Z., Huo Ch., Wanlin Guo W., The Charpy Notch Impact Test of X70 Pipeline Steel with Delamination Cracks, Key Engineering Materials Vols (2005) p Perez Ipina J., Korin I., Effects of divider orientation split-out on fracture toughness, 2012 Wiley Publishing Ltd. Fatigue Fract Engng Mater Struct 36, p