PROJEKT NR: POIG.01.03.01-12-061/08 Badania i rozwój nowoczesnej technologii tworzyw odlewniczych odpornych na zmęczenie cieplne Badanie zmęczenia cieplnego żeliwa w Instytucie Odlewnictwa Zakopane, 23-24 maja 2013 r. Autorzy: Andrzej Pytel ul. Zakopiańska 73 30-418 Kraków tel. +48 12 26 18 111 fax +48 12 26 60 870 iod@iod.krakow.pl
Ogólna charakterystyka odporności żeliwa na zmęczenie cieplne Eksploatacja odlewów żeliwnych w warunkach cyklicznych zmian temperatury powoduje tzw. zmęczenie cieplne materiału. W efekcie tego rodzaju zmęczenia w odlewach powstają rysy i pęknięcia, względnie deformacje, które ograniczają ich trwałość. 2
Przykłady pracy odlewów w warunkach cyklicznych zmian temperatury wlewnice płyty formy szklarskie głowice tłoki i kolektory wydechowe silników spalinowych bębny tarcze hamulcowe pojazdów mechanicznych tuleje 3
Przyczyny przedwczesnego uszkodzenia odlewów w czasie cyklicznych zmian temperatury w różnych miejscach materiału różny gradient temperatury, wywołujący powstawanie zmiennego stanu przestrzennego naprężeń wewnętrznych w zależności od temperatury i czasu zmiany struktury osnowy metalowej powodujące zmiany objętościowe. naprężenia te w określonych miejscach mogą się różnić pod względem wielkości jak i kierunków działania w efekcie ich działania w odlewach żeliwnych pojawiają się najczęściej na powierzchni rysy i pęknięcia, które rozwijają się w głąb ścianki w postaci sieci szczelin aż do zajęcia całego przekroju odlewu. 4
Przyczyny przedwczesnego uszkodzenia odlewów w czasie cyklicznych zmian temperatury Przy nieodpowiednio dobranym gatunku materiału pęknięcia mogą powstać nawet po niewielkiej liczbie cyklicznych zmian temperatury W odlewach z żeliwa charakteryzującego się dobrą ciągliwością (osnowa ferrytyczna) pod działaniem cyklicznych zmian temperatury pojawia się najczęściej nadmierna deformacja (paczenie) Powyższe rodzaje uszkodzeń materiału występują tym intensywniej im większe są różnice temperatury w poszczególnych częściach odlewu. 5
Naprężenia cieplne E T= S[MPa] 1 gdzie: E - moduł sprężystości, MPa - liniowy współczynnik rozszerzalności cieplnej, K -1 T - gradient temperatury, K µ - współczynnik Poissona S - współczynnik kształtu Ze wzoru tego wynika, że wielkość naprężeń cieplnych zależy nie tylko od właściwości mechanicznych i fizycznych żeliwa czy kształtu odlewu ale również od parametrów określających warunki nagrzewania i chłodzenia. Bezpośrednie wykorzystanie tego wzoru do obliczeń wielkości naprężeń cieplnych jest niemożliwe, ponieważ jak to wcześniej wykazano, tak właściwości mechaniczne jak i fizyczne ulegają zmianie w zależności od temperatury a także od liczby cykli i czasu ich trwania, zakresu zmiany temperatury itp. Dlatego do wyznaczania wielkości takich naprężeń pozostają wyłącznie metody badań laboratoryjnych na odpowiednio dobranych próbkach. 6
Rodzaje próbek stosowanych do badania odporności żeliwa na zmęczenie cieplne 7
w y j a z d - z a m y k a n i e Badanie zmęczenia cieplnego (1) resistance furnace specimens water spray water outlet automatic cooling cycle automatic system push in-heating cycle counter 8
Próbki z różnych tworzyw po eksploatacji 100 cykli 120 cykli 120 cykli 120 cykli staliwo żeliwo żeliwo żeliwo z grafitem LH14N sferoidalne szare wermikularnym 9
Próbki z żeliwa szarego i wermikularnego po eksploatacji 40 cykli żeliwo szare 140 cykli-żeliwo wermikularne 10
Schemat stanowiska do badania odporności na zmęczenie cieplne w warunkach cyklicznych zmian temperatury 11
Temperatura cyklu nagrzewanie - chłodzenie 0 C Pomiar temperatury próbek za pomocą termoelementu 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 840 900 960 1020 1080 1140 Czas [s] 12
Zaprojektowane próbki do badań 20 30 4 otwory Φ 5 M 6 5 13
Badania symulacyjne przy projektowaniu próbki (1) Próbka do badań zmęczenia cieplnego zaprojektowana i sprawdzona przy użyciu symulacji komputerowej z wykorzystaniem programu Abaqus (stan naprężeń po upływie 1 sekundy od momentu chłodzenia 14
Badania symulacyjne przy projektowaniu próbki (2)) Próbka do badań zmęczenia cieplnego zaprojektowana i sprawdzona przy użyciu symulacji komputerowej z wykorzystaniem programu Abakus (po upływie 5 sekund od początku chłodzenia) 15
Wykres ilości pęknięć próbki płaskiej z niskostopowego żeliwa wermikularnego Legenda: p- suma długości pęknięć mat. pr 1,491 3,025 4,558 6,092 7,625 9,159 10,692 12,226 13,759 15,293 ponad Rys. 25. Wykres funkcji p=f(cu, Sb). V=0,184%; Sn=0,05% 16
Wykres ilości pęknięć próbki płaskiej z niskostopowego żeliwa wermikularnego Legenda: p-suma długości pęknięć mat. próbki 7,005 10,089 13,173 16,257 19,341 22,425 25,509 28,593 31,677 34,761 ponad Rys. 26. Wykres funkcji p=f(v, Sn). Cu=0,6%; Sb=0,06% 17
Podsumowanie Przedstawiono ogólne problemy badań zmęczenia cieplnego przy zastosowaniu odpowiednich próbek i urządzeń. Pokazano na przykładzie badań prowadzonych w Instytucie Odlewnictwa na potrzebę korzystania z dobrej aparatury do oceny jakości żeliwa przeznaczonego na odlewy pracujące w podwyższonej temperaturze. Wieloletnie prace pozwoliły opracować nowoczesne urządzenie do badań, które zostało wykonane i służy do oceny żeliwa na odlewy pracujące w warunkach stresów termicznych. 18
Dziękuję za uwagę Kopiowanie całości lub części prezentacji wymaga pisemnej zgody Instytutu Odlewnictwa w Krakowie.