TRANSCOMP XIV INTERNATIONAL CONFERENCE COMPUTER SYSTEMS AIDED SCIENCE, INDUSTRY AND TRANSPORT

Transkrypt

1 TRANSCOMP XIV INTERNATIONAL CONFERENCE COMPUTER SYSTEMS AIDED SCIENCE, INDUSTRY AND TRANSPORT Robert SOŁTYSIAK 1 Lokalne własności materiałowe, krzywa cyklicznego odkształcenia, zgrzewanie metodą FSW WYZNACZENIE CYKLICZNYCH WŁASNOŚCI MATERIAŁOWYCH W POSZCZEGÓLNYCH STREFACH ZŁĄCZA WYKONANEGO METODĄ FSW Metoda FSW (zgrzewanie z wymieszaniem materiału zgrzeiny, ang. Friction Stir Welding) jest stosunkowo nową metodą, wywodzącą się z konwencjonalnej metody zgrzewania, która ze względu na ekonomiczność samego procesu, cieszy się coraz większym zainteresowaniem w róŝnych dziedzinach przemysłu. Jednak na dzień dzisiejszy brakuje jednoznacznie określonych procedur obliczeniowych tego typu połączeń, dlatego własności tych połączeń są tematami ciągłych badań. W niniejszej pracy przedstawiono zróŝnicowanie lokalnych własności materiałowych dla poszczególnych stref niejednorodności strukturalnej połączenia wykonanego ze stopu aluminium 2024-T3 metodą FSW. Badania przeprowadzono przy obciąŝeniu wahadłowym stopniowo narastającemu Lo Hi. Do pomiaru odkształceń zastosowano tensometry o bazie pomiarowej 0,6 mm. Wyniki badań przedstawiono w postaci krzywych cyklicznego odkształcenia opisanych zaleŝnością Ramberga-Osgooda. CYCLIC STRESS-STRAIN CURVES DETERMINATION IN PARTICULAR ZONES IN FRICTION STIR WELDED 2024-T3 ALUMINUM JOINTS Friction stir welding (FSW) is a relatively new joining method derived from conventional friction welding. This method of joining materials, with regard to environmentally friendly and economical process, is finding a wider interest in the various industry fields. However, actually there is a lack of formalized fatigue life assessment methods for this kind of joints, therefore the properties of these joints are the object of ongoing research. In this paper, heterogeneous local material properties from the individual zones of a friction stir-welded sample of 2024-T3 aluminum alloy are reported. The test was carried out under gradually increasing (Lo-Hi) sinusoidal cyclic loading with the stress ratio R = -1. Seven strain gauges with 0,6 mm gauge length were used to measure local strain. The results in the form of cyclic stress-strain curves were presented. The cyclic stress-strain curves were described by using Ramberg- Osgood model. 1 Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy, Instytut Mechaniki i Konstrukcji Maszyn, Zakład Podstaw Konstrukcji Maszyn; Bydgoszcz; al. Prof. S. Kaliskiego 7. tel: : , , fax: , robsol@utp.edu.pl

2 3122 Robert SOŁTYSIAK 1. WSTĘP DąŜenie do tego, aby trwałość zmęczeniowa połączeń spajanych była jak najbardziej zbliŝona do trwałości zmęczeniowej materiału rodzimego, prowadzi do powstawania coraz to nowszych technik łączenia materiałów [2,6,13]. Jednak wszystkie techniki łączenia, które powiązane są z wydzielaniem się ciepła w procesie technologicznym, wprowadzają w łączony materiał róŝnego rodzaju niejednorodności związane przede wszystkim ze zmianami strukturalnymi, a tym samym własnościami materiałowymi. Takie zróŝnicowanie własności materiałowych często w połączeniu z karbem geometrycznym w postaci spoiny prowadzi do lokalnego zróŝnicowania odkształceń, co w przypadku obciąŝeń zmiennych w czasie moŝe powodować pęknięcia zmęczeniowe. W praktyce inŝynierskiej stosuje się róŝne metody projektowe mające zadanie przeciwdziałać zmęczeniowemu pękaniu złączy spajanych. Ogólnie moŝna je podzielić na trzy podstawowe grupy, metody o podejściu globalnym, podejściu lokalnym oraz metody mechaniki pękania. Biorąc pod uwagę fakt, Ŝe inicjacja pęknięcia zmęczeniowego następuje w miejscu spiętrzenia odkształceń, na szczególną uwagę zasługują metody obliczeniowe w których uwzględnia się wartości lokalnych odkształceń. Takimi metodami są właśnie metody o podejściu lokalnym. Przeprowadzając obliczenia trwałości zmęczeniowej metodami bazującymi na podejściu lokalnym wykorzystuje się dane w postaci wykresów trwałości zmęczeniowej w ujęciu odkształceniowym oraz cykliczne własności materiałowe, które są bezpośrednio uŝywane w obliczeniach analitycznych lub numerycznych odkształceń/napręŝeń lokalnych. Dotychczas stosowane metody projektowania [5,11] oparte na podejściu lokalnym, stosowane głównie do obliczeń połączeń wykonanych tradycyjnymi technikami spajania, nie uwzględniają zróŝnicowania lokalnych własności materiałowych w poszczególnych strefach złączy spajanych. Modyfikacja istniejących procedur projektowania polegająca na uwzględnieniu lokalnych cyklicznych własności materiałowych w analizie odkształceń/napręŝeń moŝe doprowadzić do utworzenia dobrego narzędzia do szacowania trwałości zmęczeniowej, szczególnie jeŝeli chodzi o połączenia wykonane nowymi technikami spajania, dla których na dzień dzisiejszy brakuje jednoznacznie określonych metod obliczeniowych. Jedną z takich metod spajania jest metoda FSW (ang. Friction Stir Welding) wynaleziona i opatentowana w 1991 roku przez Instytut Spawalnictwa w Cambridge [13]. Metoda ta początkowo miała zastosowanie do łączenia stopów aluminium, jednak bardzo duŝe nią zainteresowanie (o czym świadczy między innymi cyklicznie odbywające się międzynarodowe sympozjum na temat metody FSW ang. International Symposium on Friction Stir Welding) oraz szybki rozwój przyczynił się do zaadoptowania jej do łączenia obiektów z miedzi i jej stopów, stopów magnezu, tytanu, niklu, mosiądzu, tworzyw termoplastycznych, stali niskowęglowych oraz stopowych [8,9,14]. Metoda FSW jest stosunkowo nową metodą, lecz na jej temat moŝemy znaleźć duŝo licznych prac naukowych. Jednak w znikomym zakresie dotyczą one zróŝnicowania własności materiałowych w strefach złącza. Autorzy wskazują głównie na niejednorodność strukturalną przedstawiając i opisując zdjęcia makrostruktury lub na zróŝnicowanie lokalnej twardości. Natomiast brakuje prac na temat lokalnej analizy odkształceń, czy tym bardziej lokalnych cyklicznych własności materiałowych w poszczególnych strefach niejednorodności złącza.

3 WYZNACZENIE CYKLICZNYCH WŁASNOŚCI MATERIAŁOWYCH Niniejsza publikacja przedstawia analizę odkształceń oraz wyznaczone na jej podstawie wykresy cyklicznego odkształcenia dla poszczególnych stref niejednorodności strukturalnej połączenia wykonanego metodą zgrzewania tarciowego z mieszaniem materiału zgrzeiny (ang. FSW - Friction Stir Welding). W kolejnych pracach planowane jest numeryczne wyznaczenie lokalnych odkształceń z uwzględnieniem wyznaczonych cyklicznych własności materiałowych, a następnie porównanie ich z odkształceniami otrzymanymi drogą doświadczalną. 2. CYKLICZNE WŁASNOŚCI MATERIAŁOWE Cykliczne własności materiałowe zgodnie z polską normą [16] wyznacza się przy sterowaniu odkształceniem lub napręŝeniem na co najmniej pięciu róŝnych wartościach zmiennej sterującej. Wyznaczenie cyklicznych własności odbywa się poprzez analizę pętli histerezy w układzie współrzędnych odkształcenie napręŝenie dla ustabilizowanego cyklu na poszczególnych poziomach zmiennej sterującej. Najczęściej cykliczne własności materiałowe przedstawiane są w postaci krzywej cyklicznego odkształcenia opisanej zaleŝnością Ramberga-Osgooda: 1 σ n' a ε ac = ε ae + ε ap = (1) σ a + E K' gdzie: K - cykliczny współczynnik wytrzymałości, n - cykliczny współczynnik umocnienia, σ a - amplituda napręŝenia nominalnego ε ac - amplituda odkształcenia całkowitego, ε ae - amplituda odkształcenia spręŝystego, ε ap - amplituda odkształcenia plastycznego, E - moduł Younga Wyznaczenie cyklicznych własności materiałowych dla materiału z którego moŝemy wykonać normatywne próbki nie stwarza więc większych trudności. Problem pojawia się kiedy chcemy wyznaczyć tzw. lokalne cykliczne własności materiałowe dla poszczególnych stref niejednorodności materiałowej np. w połączeniu spajanym charakteryzującym się niewielkimi wymiarami. Wyznaczanie lokalnych cyklicznych własności materiałowych jest stosunkowo nowym zagadnieniem. Coraz większe zainteresowanie tą tematyką związane jest głównie z rozwojem metod obliczeniowych trwałości zmęczeniowej w ujęciu lokalnym. Dotychczasowe metody opisane w literaturze dotyczące wyznaczania lokalnych cyklicznych własności materiałowych nie są procedurami znormalizowanymi. Autorzy przedstawiają raczej wskazówki i propozycje rozwiązania tego problemu. Jednym z rozwiązań moŝe być zastosowanie mikropróbek [4,15] wycinanych z poszczególnych stref połączenia. Inną metodą jest odwzorowanie struktury materiału poszczególnych stref niejednorodnych na próbkach normatywnych [10], kolejne dotyczą prób wyznaczania lokalnych własności materiałowych poprzez wciskane kulki [12] w poszczególne strefy

4 3124 Robert SOŁTYSIAK złączą lub poprzez pomiar w tych strefach twardości HB [1]. Przytoczone metody wymagają jednak opracowania technologii wycinania mikropróbek oraz przygotowania specjalnego testera na którym przeprowadzano by badania lub związane są z czasochłonnymi obróbkami cieplnymi (przy odwzorowaniu struktury), czy teŝ wymagają opracowania zaleŝności pomiędzy twardością, a współczynnikami krzywych cyklicznego odkształcenia. Alternatywnym rozwiązaniem moŝe być wyznaczanie lokalnych cyklicznych własności przy uŝyciu próbek ze spoiną ułoŝoną prostopadle do kierunku obciąŝenia metodą stopniowego wzrostu [7]. Polega ona na prowadzeniu badań na pojedynczych próbkach, które poddaje się obciąŝeniu na kilku poziomach zmiennej sterującej. W ten sposób moŝna uzyskać pętle histerezy na kilku poziomach obciąŝenia dla poszczególnych stref niejednorodności materiałowej w złączu. W wyniku analizy przebiegu pętli otrzymujemy parametry do wyznaczenia cyklicznych własności materiałowych. Tą metodą przy uŝyciu laserowego ekstensometru siatkowego LES, Boroński [3] wyznaczył lokalne cykliczne własności materiałowe dla złącza wykonanego techniką spawania laserowego. 3. OBIEKT BADAŃ Połączenie wykonano ze stopu aluminium 2024-T3 o składzie chemicznym przedstawionym w tabeli 1. Własności materiałowe z próby statycznego rozciągania wykonane dla próbek wyciętych w kierunku poprzecznym do kierunku walcowania podano w tabeli 2. Tab. 1. Skład chemiczny stopu aluminium 2024-T3 Pierwiastek Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Skład % 0,06 0,16 4,70 0,63 1,50 0,01 0,16 0,03 Tab. 2. Własności stopu aluminium 2024-T3 R e R 0.2 R m E A Z MPa MPa MPa MPa % % 228,70 324,20 479, ,00 20,28 24,60 Dwie blachy o wymiarach 150 x 300 mm zgrzano doczołowo metodą FSW (rys. 1). Połączenie wykonano w Instytucie Spawalnictwa w Gliwicach na zgrzewarce sterowanej numerycznie przy prędkości obrotowej 450 obr/min i posuwie 160 mm/min narzędziem typu Triflute. Rys. 1. Obiekt badań oraz sposób pobierania próbek (dla przykładu 1, 2 i 3 próbka)

5 WYZNACZENIE CYKLICZNYCH WŁASNOŚCI MATERIAŁOWYCH Próbki do analizy odkształceń wycięto prostopadle do kierunku zgrzeiny na szerokość 30 mm (rys. 1). Karb geometryczny w postaci lica i grani zgrzeiny zeszlifowano, w ten sposób otrzymano próbki do badań o grubość 2,73 mm (rys. 2). UmoŜliwiło to uzyskanie szeregowego ułoŝenia poszczególnych niejednorodnych stref w próbce. Rys. 2. Wymiary próbki do analizy lokalnych odkształceń natarcia spływu Rys. 3. Zdjęcie makrostruktury próbki wykonanej metodą FSW z aluminium 2024T3 z wymiarami oraz z wyszczególnionymi strefami niejednorodności: a) materiał rodzimy (MR), b) strefa wpływu ciepła (SWC) - bez odkształceń plastycznych, poddana wpływie ciepła, c) strefa uplastycznień termo-mechanicznych (SUTM) poddana odkształceniom plastycznym poprzez narzędzie i znacznym wpływom ciepła, d) strefa jądra zgrzeiny (JZ) strefa rekrystalizacji natarcia spływu Rys. 4. Twardość w połączeniu zgrzewanym metodą FSW wykonana metodą Vickersa

6 3126 Robert SOŁTYSIAK Na zdjęciu makrostruktury (rys. 3) wyszczególniono strefy niejednorodności materiałowej jak równieŝ określono ich wymiary. Próbkę podzielono na dwie strony wynikające z kinematyki procesu zgrzewania: stronę natarcia (tam gdzie uplastyczniony materiał jest zabierany z narzędziem w kierunku zgrzewania, ang. advancing side) oraz spływu (tam gdzie uplastyczniony materiał wraca z narzędziem, ang. retreating side) (rys. 3). Przeprowadzono równieŝ w środkowej części zgładu pomiary twardości metodą Vickersa (rys. 4). NajniŜszą twardością HV2 charakteryzuje się strefa uplastycznień termomechanicznych SUTM, nieznacznie większą strefa wpływu ciepła SWC, a najwyŝszą, praktycznie porównywalną z materiałem rodzimym MR, strefa jądra zgrzeiny. 4. POGRAM BADAŃ Analiza lokalnych cyklicznych własności materiałowych została przeprowadzona w Akredytowanym Instytutowym Laboratorium Badań Materiałów i Konstrukcji Uniwersytetu Technologiczno Przyrodniczego w Bydgoszczy. ObciąŜenie realizowano na hydraulicznej maszynie wytrzymałościowej typu INSTRON. Dane z tensometrów zbierano za pomocą systemu ESAM, natomiast wartości sił i odkształceń rejestrowano na komputerze klasy PC. Ze względu na niewielkie wymiary geometryczne niejednorodnych stref do pomiaru odkształceń zastosowano tensometry o bazie pomiarowej 0,6 mm. Na badaną próbkę naklejono 7 tensometrów zgodnie ze schematem przedstawionym na rys. 5. Na SUTM, SWC oraz MR naklejono po jednym tensometrze zarówno po jednej jak i po drugiej stronie złącza. Jeden tensometr naklejono równieŝ w strefie jądra zgrzeiny. Próbkę zabezpieczono przed wyboczeniem za pomocą dwóch specjalnie przygotowanych płaskowników (rys. 6). W celu zminimalizowania sił tarcia powierzchnię płaskowników pokryto taśmą teflonową. Badany obiekt poddano obciąŝeniu wahadłowemu stopniowo rosnącemu (Lo-Hi rys. 7), o asymetrii cyklu R = - 1 i częstotliwości zmian obciąŝenia 1 Hz. Zmienną sterującą było napręŝenie zgodnie z programem badań przedstawionym w tabeli 3. Niskie poziomy obciąŝenia, jak równieŝ dobrana ilość cykli (n i ) na poszczególnych poziomach miały za zadanie po części ustabilizować badany materiał. Po przeprowadzeniu analiz przebiegu pętli, wyznaczano lokalne cykliczne własności materiałowe. natarcia spływu MR SWC SUTM JZ Rys. 5. Rozmieszczenie tensometrów na próbce 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 nr tensometru

7 WYZNACZENIE CYKLICZNYCH WŁASNOŚCI MATERIAŁOWYCH Tensometry Płaskownik Próbka Rys. 6. Zdjęcie przygotowanej próbki z naklejonymi tensometrami oraz z płaskownikami zabezpieczającymi przed wyboczeniem Tabela 3. Program badań Nr poziomu σ MPa n i σ N Rys. 7. Widmo obciąŝenia 5. WYNIKI ORAZ ANALIZA BADAŃ W wyniku przeprowadzonych pomiarów dla kaŝdego cyklu rejestrowano odpowiadającą mu pętlę histerezy. Zgodnie z programem badań (tab. 3) wyznaczono po 100 pętli dla kaŝdej niejednorodnej strefy połączenia na poszczególnych 14 poziomach obciąŝenia. Przykładowe pętle przedstawiono dla 12 poziomu obciąŝenia (325 MPa) rys. 8 i odpowiadają one 1110 cyklowi. Na podstawie analizy otrzymanych pętli, dla wartości amplitud napręŝenia, wyznaczono odpowiednie wartości amplitud odkształcenia plastycznego. Wybrane wykresy amplitud odkształceń plastycznych w funkcji liczby cykli, dla poszczególny stref połączenia, przestawiono na rys. 9. ZbliŜone wartości odkształceń plastycznych na poszczególnych poziomach obciąŝenia uzyskano dla MR (tensometr T_1 oraz T_7) oraz dla strefy JZ (tensometr T_4). Jednak materiał JZ wraz ze wzrastającą liczbą cykli oraz wartością napręŝenia ulegał osłabieniu, natomiast materiał MR umocnieniu. Największe wartości odkształceń plastycznych

8 3128 Robert SOŁTYSIAK zaobserwowano w SUTM (tensometr T_5), nieco mniejsze w SWC (tensometr T_2). Wraz ze wzrostem liczby cykli oraz obciąŝenia materiał SWC zarówno po stronie natarcia (T_6) jak równieŝ po stronie spływu (T_2), do 10 poziomu obciąŝenia, ulegał umocnieniu, a na 11 i 12 poziomie osłabieniu (tensometr T_2 uległ uszkodzeniu na 12, a T_6 na 13 poziomie obciąŝenia). RównieŜ materiał SUTM (T_3, T_5) do 11 poziomu obciąŝenia, umacniał się. RozbieŜność pomiędzy strefą natarcia a spływu pojawiła się na 12 poziomie obciąŝenia. Wtedy materiał SUTM po stronie spływu (T_3) ulegał umocnieniu natomiast po stronie natarcia (T_5) osłabieniu. Na 13 poziomie obciąŝenia materiał SUTM zarówno po stronie natarcia jak i spływu ustabilizował się. Ze względu na brak obszaru stabilizacji dla niektórych materiałów pochodzących z niejednorodnych stref oraz rozrzut danych na wyŝszych poziomach obciąŝenia przy wyznaczaniu krzywych cyklicznego odkształcenia uwzględniano parametry pętli począwszy od piątego i skończywszy na setnym cyklu poszczególnego poziomu obciąŝenia. Przy wyznaczaniu krzywych cyklicznego odkształcenia pominięto pierwsze cztery pętle na początku kaŝdego poziomu obciąŝenia. Był to okres kiedy kształt pętli stabilizował się po przejściu na wyŝszy poziom obciąŝenia. Rys. 8. Przykładowe pętle histerezy dla obszarów w których naklejono tensometry 1110 cykl Rys. 9. Wykres zmieniającej się wartości amplitudy odkształcenia plastycznego (ε apl ) w funkcji narastającej liczby cykli (ni): a) z 10 poziomu obciąŝenia, b) z 13 poziomu obciąŝenia

9 WYZNACZENIE CYKLICZNYCH WŁASNOŚCI MATERIAŁOWYCH Wyznaczone wykresy krzywych cyklicznego odkształcenia dla poszczególnych niejednorodnych stref przedstawiono na rysunku 10. Natomiast parametry je opisujące zestawiono w tabeli nr 4. Rys. 10. Krzywe cyklicznego odkształcenia dla poszczególnych niejednorodnych stref Tabela 4. Cykliczne własności zmęczeniowe złącza wykonanego metodą FSW MR T_1 SWC T_2 SUTM T_3 JZ T_4 SUTM T_5 SWC T_6 MR T_7 n' K' RóŜnice lokalnych odkształceń na poszczególnych poziomach napręŝenia spowodowały róŝnice w cyklicznych własnościach materiałowych opisanych współczynnikami n' i K'. Cykliczny współczynnik wytrzymałości K' jest porównywalny dla tak samo nazwanych stref zarówno po stronie natarcia jak i spływu. Znaczne róŝnice uwydatniają się dla cyklicznego współczynnika umocnienia n'. Na powstałą róŝnicę składa się duŝa liczba czynników. Największy moŝe być związany z kinematyką samego procesu zgrzewania, gdzie z jednej ze stron mieszanie materiału odbywa się zgodnie z kierunkiem zgrzewania ( natarcia) natomiast po drugiej stronie następuje cofanie mieszanego materiału ( spływu). Na róŝnicę oddziałuje równieŝ temperatura, która wydziela się podczas procesu zgrzewania i wpływa na strukturę złącza jak równieŝ na jego cykliczne własności materiałowe. 6. PODSUMOWANIE Jak wynika z analizy wyników badań, niejednorodność struktury wywołana procesem zgrzewania jest przyczyną zróŝnicowania lokalnych cyklicznych własności materiałowych w poszczególnych strefach złącza. Wykorzystanie tych własności w obliczeniach numerycznych moŝe znacznie wpłynąć na wyniki odkształceń otrzymywanych w obliczeniach numerycznych, a tym samym na wyznaczaną trwałość zmęczeniową w ujęciu lokalnym.

10 3130 Robert SOŁTYSIAK 7. BIBLIOGRAFIA [1] Basan R., Franulovi M., Smokvina Hanza S.: Estimation of cyclic stress-strain curves for low-alloy steel from hardness. Metalurgija 49/2, 2010, [2] Boehm L.: New Engineering Processes in Aircraft Construction: Application of Laser- Beam and Friction Stir Welding. Glass Physics and Chemistry, Vol. 31, No. 1, 2005, [3] Boroński D.: Cyclic Material Properties Distribution in Laser-Welded Joints. International Journal of Fatigue 28 (2006) [4] Corwin W. R., Haggag F. M., Server W. L.: Small specimen test techniques applied to nuclear reactor vessel thermal annealing and plant life extension. ASTM STP 1204, Printed in Ann Arbor 1993 [5] Hobbacher A.: Fatigue design of welds joints and components. Recommendations of IIW Joint Working Group XIII-XV, XII /XV [6] Hobbacher A.: Kierunki rozwoju techniki spawania i łączenia w wykonawstwie wyrobów niezawodnych i ekonomicznych. Biuletyn Instytutu Spawalnictwa, Nr 2/2004, [7] Jones A., Hudd R. C.: Cyclic stress-strain curves generated from random cyclic strain amplitude tests. International Journal of Fatigue 21 (1999) [8] Meran C.: The joint properties of brass plates by friction stir welding. Materials and Design 27 (2006) [9] Pietras A., Adamiec J.: Zgrzewanie aluminium z miedzią metodą FSW. Biuletyn Instytutu Spawalinctwa. Nr 5/2005, [10] Sun Z. Han H. Y.: Hot ductility of simulated stainless-steel weld metals. Journal of Materials Science 27 (1992) [11] Radaj D., Sonsino C. M., Fricke W.: Fatigue assessment of welded joints by local approaches. Cambridge: Abington Publishing Limited; 2006 [12] Spätig P., Campitelli E. N., Bonadé R., Baluc N.: Assessment of plastic flow and fracture properties with small specimens test techniques for IFMIF-designed specimens. philippe.spatig@psi.ch [13] Thomas W. M.: Friction stir butt welding. GB patent , International patent application PCT/GB92/02203 [14] Thomas W., M., Woollin P. L., Johnson K. I.: Friction Stir Welding of Steel. Welding: a novel technique for steel. Steel World, vol. 4, nr 2 [15] Yuan B., Sharpe W. N., Jr.: Fatigue testing of microspecimens. Fatigue '96, Proceedings of Sixth International Fatigue Congress. Berlin, Germany 1996, s [16] PN-84 H Badania niskocyklowego zmęczenia metali Praca wykonana w ramach projektu badawczego 1178/B/T02/2009/36