Badania właściwości zmęczeniowych bimetalu stal S355J2- tytan Grade 1

Transkrypt

1 Badania właściwości zmęczeniowych bimetalu stal S355J2- tytan Grade 1 ALEKSANDER KAROLCZUK a) MATEUSZ KOWALSKI a) a) Wydział Mechaniczny Politechniki Opolskiej, Opole 1

2 I. Wprowadzenie 1. Technologia zgrzewania wybuchowego 2. Cel pracy 3. Właściwości materiału II. Opis przeprowadzonych badań 1. Badania zmęczeniowe 2. Pomiar naprężeń własnych III. Wnioski 2

3 Vd h β 3

4 Zalety -Możliwość łączenia ze sobą materiałów których połączenie za pomocą innych metod jest bardzo trudne lub niemożliwe. - Nakładanie cienkich powłok metalowych Wady -Wrażliwość na niewłaściwie dobranie parametrów zgrzewania ( okno technologiczne ). 4

5 Własności materiałów poddanych zgrzewaniu wybuchowemu są analizowane w większości przypadków pod kątem niejednorodności struktury oraz wytrzymałości przy obciążeniach monotonicznych. β Niepublikowane są charakterystyki zmęczeniowe materiałów platerowanych, które ułatwiałyby proces projektowania i zwiększyły bezpieczeństwo pracy urządzeń wykorzystujących materiały wykonane w technologii zgrzewania wybuchowego. 5

6 Nie istnieją standardy dotyczące badań zmęczeniowych elementów zgrzewanych wybuchowo w przeciwieństwie do badań w zakresie obciążeń monotonicznych (ASTM A , ASTM A , ASTM A , ASTM B , ASTM B , ASTM D , MIL-J-24445A). W literaturze przedmiotu nieliczne są opracowania naukowe dotyczące zjawisk zmęczenia materiałów platerowanych. 6

7 Celem pracy jest zaprezentowanie dotychczasowych wyników analiz i badań eksperymentalnych bimetali stal S355J-tytan Grade 1 przeprowadzonych w Katedrze Mechaniki i Podstaw Konstrukcji Maszyn Politechniki Opolskiej, które dotyczą prób zmęczeniowych, pomiarów naprężeń własnych β oraz analizy numeryczne i analityczne. 7

8 Materiał pobrano z płyt przeznaczonych do budowy wkładu rurowego i ściany sitowej kondensatora elektrowni jądrowej Mochovce 8

9 9

10 Obróbka termiczna Opis I Wygrzewanie w temperaturze 600 ºC przez czas : 90 min II Chłodzenie z piecem do temperatury 300ºC przy prędkości chłodzenia 100ºC/ h III Chłodzenie na spokojnym powietrzu Właściwości mechaniczne Materiał Właściwości mechaniczne R e, MPa R m, MPa E, MPa G, MPa, - A 5, % S355J * * , * Grade (R 02 ) * * ,37 ** * * - według danych producenta, ** - badania własne (tytan po platerowaniu) 10

11 Badania zmęczeniowe bimetalu stal S355J2-tytan Grade 1 11

12 Badania wykonano na hydraulicznej maszynie zmęczeniowej. Wykorzystane stanowisko jest wyposażone w czujniki siły, przemieszczenia i odkształcenia. 20 F a = 24.5 kn 10 F(t), kn t, s 12

13 Ze względu na różne moduły Younga stali i tytanu w rozciąganym bimetali panują różne naprężenia: I E I E I w E F, w( h ) II II E I E II w E II F w( h ) gdzie: σ I,σ II naprężenia w poszczególnych warstwach, F siła wzdłużna, E 1, E 2 moduł sprężystości wzdłużnej odpowiednio dla części I i II, w szerokość próbki, h wysokość próbki, λ grubość warstwy tytanu. 13

14 Obliczenia Pomiary Lp a (Stal) MPa a (Ti) MPa a, 0 / 00 a (n=0), a (n=0,5), a (n=0,75), 0 / 00 0 / 00 0 / 00 P02 292, , P03 278, ,27 1,32 1,48 1,51 P04 323, ,47 1,89 2,50 2,65 P05 361, ,64 1,64 2,27 2,48 P06 317, ,44 1,41 1,76 1,82 P07 320, ,46 2,00 2,78 3,05 P08 291, ,32 1,34 1,57 1,64 P09 319, ,45 1,88 2,45 2,54 P11 290, ,32 1,31 1,66 1,69 14

15 Pętle histerezy zarejestrowane podczas testów próbki P03 15

16 Pętle histerezy zarejestrowane podczas testów próbki P05 16

17 17

18 Pomiar naprężeń własnych

19 Metoda trepanacyjna polega na pomiarze odkształceń wokół stopniowo wierconego otworu. Wiercenie otworu powoduje relaksację naprężeń i zmianę stanu odkształcenia w materiale, co jest miarą naprężeń własnych. Metoda trepanacyjna jest zaliczana do metod częściowo niszczących. β 19

20 20

21 Pomiary wykonano po stronie tytanu Grade 1 i stali S355J2 21

22 Stal S355J2, - Tytan Grade 1-2 Pomiar B C h, mm 1, MPa , - 5 x h, mm h, mm 2 A B C, MPa h, mm 2 22

23 Detonacja z Ściskanie Tytan Odsunięcie wstępne Stal x 23

24 24

25 Stal S355J2 Tytan Grade 1, - 2 C Pomiar h, mm, MPa x , A B C h, mm h, mm 2, MPa h, mm 2 25

26 Naprężenia ściskające w tytanie pojawiające się po obróbce cieplnej wynikają z różnych współczynników rozszerzalności termicznej łączonych metali: Współczynnik rozszerzalności cieplnej Stal Tytan St = 13, /K Ti = 8, /K Wygrzewanie w piecu powoduje rekrystalizację tytanu oraz relaksację naprężeń. W trakcie chłodzenia do temperatury 20 o C tytan i stal zmniejszają swoją objętość. 26

27 Gdzie: E ti, E st - moduły Younga odpowiednio dla stali i tytanu, υ ti, υ st - współczynniki Poissona odpowiednio dla stali i tytanu, h ti, h st - grubość warstwy stalowej oraz tytanowej, α ti, α st - współczynniki rozszerzalności termicznej dla tytanu i stali, Dla wcześnie prezentowanych danych materiałowych oraz zmiany temperatury o Δt=-580 C naprężenia własne spowodowane obróbką cieplną wynoszą kolejno σx,st=σy,st=55 MPa dla stali oraz σx,ti=σy,ti=-378 MPa dla warstwy tytanowej. 27

28 1. W trakcie badań zaobserwowano cykliczne osłabianie się bimetalu oraz zjawisko ratchetingu. 2. Badania wymagały stosunkowo (w porównaniu do próbek stalowych) niskich częstotliwości obciążenia z uwagi na wzrost temperatury testowanych próbek. 3. Wykonywana obróbka cieplna bimetalu stal S355J2- tytan Grade 1 nie usuwa naprężeń własnych, zmienia jedynie wartości oraz kierunek naprężeń w warstwach bimetalu. 28

29 4. Wyniki obliczeń i pomiarów naprężeń własnych są zgodne z przeprowadzoną analizą wpływu detonacji oraz obróbki cieplej na wartość naprężeń resztkowych. 5. Proces obróbki cieplnej i prostowanie blach wprowadza naprężenia ściskające w warstwach bimetalu, co jest korzystne ze względu na ewentualne obciążenia zmęczeniowe. 29

30 Dziękuję za uwagę 30