BIULETYN WAT VOL. LVII, NR 1, 2008 Wyniki badań niskocyklowej wytrzymałości zmęczeniowej stali WELDOX 900 CZESŁAW GOSS, PAWEŁ MARECKI Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Mechaniczny, Katedra Budowy Maszyn, 00-908 Warszawa, ul. S. Kaliskiego 2 Streszczenie. W artykule przedstawiono wybrane wyniki badań zmęczeniowych i niszczących pojedynczej koleiny mostu MS-20 oraz badań statycznych i zmęczeniowych próbek ze stali WELDOX 900 w zakresie małej liczby cykli przy różnych rodzajach obciążeń. Stal ta wykazuje zmienne właściwości zmęczeniowe w zależności od rodzaju obciążenia. Słowa kluczowe: niskocyklowa wytrzymałość zmęczeniowa, metaloznawstwo wytrzymałości konstrukcji Symbole UKD: 669.017 1. Wstęp W Katedrze Budowy Maszyn WAT przeprowadzone zostały badania zmęczeniowe i niszczące prototypów pojedynczych kolein przęsła mostu towarzyszącego MS-20, przeznaczonego dla pododdziałów inżynieryjno-drogowych Sił Zbrojnych RP. Wyniki tych badań wykazały konieczność poprawy parametrów wytrzymałościowych przegubu głównego węzła konstrukcyjnego w celu podniesienia trwałości całego mostu. Z dostępnej literatury nie można uzyskać żadnych informacji na temat stali WELDOX 900, dotyczących badań jej własności zmęczeniowych. W związku z tym przeprowadzono próby niskocyklowej wytrzymałości zmęczeniowej stali WELDOX 900 w różnych warunkach obciążenia. Artykuł zawiera wyniki badań zmęczeniowych i niszczących pojedynczej koleiny mostu oraz wyniki badań statycznych i zmęczeniowych próbek ze stali WELDOX 900.
90 Cz. Goss, P. Marecki 2. Metodyka i wyniki wstępnych badań zmęczeniowych i niszczących pojedynczej koleiny mostu MS-20 Przedmiotem badań był prototyp pojedynczej koleiny mostu samochodowego MS-20 zaprojektowany i wykonany zgodnie z Założeniami Taktyczno-Technicznymi Mostu Samochodowego MS-20 opracowanymi w Departamencie Polityki Zbrojeniowej Ministerstwa Obrony Narodowej [1]. Celem badań wykonanego prototypu była weryfikacja poprawności założeń konstrukcyjnych dźwigarów mostowych poprzez sprawdzenie ich wytrzymałości doraźnej oraz wytrzymałości zmęczeniowej, określenie obciążenia niszczącego, ustalenie słabych ogniw zaprojektowanej konstrukcji oraz określenie jej trwałości zmęczeniowej. Badania wytrzymałości doraźnej zostały przeprowadzone dla trzech prób obciążenia statycznego zgodnie z metodyką zawartą w ZTT[1] i normie STANAG 2021: 1 obciążenie podstawowe M gpodst [MLC 70(T)] = 3130 knm 0,5 = 1565 knm, 2 obciążenie nominalne M gmax [MLC 110(W)] = 4300 knm 0,5 = 2150 knm, 3 przeciążenie M gprzec 1.2 [MLC 110(W)] = 5160 knm 0,5 = 2580 knm. Pomiary naprężeń były realizowane metodą tensometrii oporowej. Po każdej próbie obciążenia dokonano pomiaru strzałki ugięcia oraz przeglądu badanej konstrukcji, ze szczególnym zwróceniem uwagi na stan połączeń spawanych. Analiza uzyskanych wyników badań wykazała, że dla maksymalnego obciążenia zgodnie z normą STANG 2021, naprężenia w pasie dolnym osiągnęły wartości 460-490 MPa. Oznacza to, że w warunkach obciążenia statycznego nie dochodzi do przekroczenia naprężeń dopuszczalnych, które przyjęto na poziomie 500 MPa. Następnie przeprowadzono badania zmęczeniowe koleiny mostu, których przebieg i metodykę szczegółowo opisano w pracy [2]. Cykl obciążenia odwzorowano w dwóch blokach pomiarowych po 2500 cykli obciążenia w każdym wg programu przedstawionego poniżej. Obciążenie w bloku pomiarowym zostało odwzorowanie dla czterech wielkości (rodzaju) obciążenia z uwzględnieniem procentowego udziału w całkowitej liczbie cykli. I a obciążenie podstawowe 40% liczby cykli obciążenia w bloku pomiarowym; I b obciążenie średnie 20% liczby cykli obciążenia w bloku pomiarowym; I c obciążenie nominalne 30% liczby cykli obciążenia w bloku pomiarowym; I d przeciążenie 10% liczby cykli obciążenia w bloku pomiarowym. W żadnym przypadku obciążenia dźwigarów mostowych, naprężenia nie osiągnęły wartości przyjętej jako niedopuszczalna 580 MPa oraz nie przekroczyły poziomu sporadycznie dopuszczalnego 500 MPa.
Wyniki badań niskocyklowej wytrzymałości zmęczeniowej stali WELDOX 900 91 Po przekroczeniu 5000 cykli dokonano obserwacji stanu spoin oraz całej konstrukcji nośnej badanych zespołów i nie stwierdzono uszkodzeń ani odkształceń. Ponieważ próba wytrzymałości zmęczeniowej nie spowodowała trwałego uszkodzenia badanego zespołu, a więc nie nastąpiło przekroczenie wytrzymałości zmęczeniowej, przeprowadzona została próba niszcząca bloku koleinowego mostu. Próby dokonano na specjalnie do tego celu przygotowanym stanowisku. Obciążenie stanowiły trzy czołgi. Złamanie koleiny nastąpiło przy momencie gnącym wynoszącym 6230 knm, co spełnia wymagania normy STANG 2021. Przeprowadzone badania doświadczalne koleiny mostu MS-20 wykazały, że analizowana konstrukcja zapewnia przenoszenie wymaganych obciążeń eksploatacyjnych w zakresie przyjętej liczby cykli, to jest powyżej 5000. Zarejestrowane wartości naprężeń w elementach kolein nie przekroczyły poziomu dopuszczalnego, tj. 500 MPa. Jednakże, po dokładnej analizie pęknięć w pasie dolnym koleiny mostu po próbie niszczącej, stwierdzono, że wystąpiły pęknięcia zmęczeniowe, których nie wykryto podczas wstępnych obserwacji (rys. 1 i 2). Rys. 1. Widok pęknięcia pasa dolnego koleiny mostu: a) widok od strony blachy dolnej koleiny; b) widok od strony blachy bocznej: 1 strefy pęknięć zmęczeniowych, 2 pęknięcia podczas próby niszczącej, 3 uszy przegubu głównego Przyjęto zatem, że zniszczenie koleiny było następstwem rozwoju pęknięć zmęczeniowych w pasie dolnym powstałych na skutek koncentracji naprężeń w wyniku działania karbu. Niezbędne okazało się przeprowadzenie analizy niskocyklowej wytrzymałości zmęczeniowej połączeń spawanych w miejscu uszkodzenia przęsła. Konieczne do tego było szczegółowe określenie parametrów wytrzymałościowych materiału rodzimego. W tym celu przeprowadzono próby statycznego rozciągania, a także badania wytrzymałości zmęczeniowej w zakresie małej liczby cykli.
92 Cz. Goss, P. Marecki Rys. 2. Widok pęknięcia zmęczeniowego spowodowanego koncentracją naprężeń na granicy złącza spawanego w pasie dolnym koleiny połączenie blachy dennej z blachą mocującą uszy przegubu: a) widok od strony lica spoiny; b) widok od strony grani spoiny: 1 strefa pęknięcia zmęczeniowego 3. Wyniki badań statycznych stali WELDOX 900 Przedmiotem badań były próbki wykonane ze stali WELDOX 900. Konieczność wykonania tego badania wynikała z faktu, że producent podaje tylko część niezbędnych parametrów wytrzymałościowych (tab. 1) [3]. Właściwości wytrzymałościowe stali WELDOX 900 (dane producenta) Tabela 1 grubość blachy [mm] R 0,2 [MPa] R m [MPa] A [%] 4-50 900 940-1100 12 W pierwszej kolejności przeprowadzono badania statycznego rozciągania próbek płaskich wykonanych zgodnie z rysunkiem 3. Badania zostały zrealizowane na maszynie zmęczeniowej Instron 8501 o zakresie obciążeń do 100 kn. Odkształcenia mierzono ekstensometrem statycznym. Wartości średnie uzyskanych wyników z próby statycznego rozciągania zamieszczono w tabeli 2. Przykładowy wykres statycznego rozciągania przedstawiono na rysunku 5, a widok próbki po zerwaniu na rysunku 4. Rys. 3. Próbka płaska stosowana do badań statycznego rozciągania
Wyniki badań niskocyklowej wytrzymałości zmęczeniowej stali WELDOX 900 93 Rys. 4. Widok zerwanej próbki płaskiej po próbie statycznego rozciągania Wartości średnie uzyskanych wyników prób statycznego rozciągania Tabela 2 R 0,2 [MPa] R m [MPa] A [%] Z [%] 988 1008 11 47 Dla tej stali stwierdzono małą różnicę między granicą plastyczności R 0,2 i wytrzymałością doraźną R m (rys. 5). Rys. 5. Wykres statycznego rozciągania dla stali WELDOX 900
94 Cz. Goss, P. Marecki Na podstawie wyników statycznego rozciągania określono moduł Younga oraz wykładnik statycznego umocnienia n, zgodnie z zależnością (1) za [4]: Ru lg Re n =, (1) 100 ln lg 100 Z Re E gdzie: R u naprężenie rozrywające; R e granica plastyczności; Z przewężenie; E moduł Younga (dla stali WELDOX 900 określono E = 190 GPa). Dla badanej stali uzyskano n = 0,08. Na podstawie przeprowadzonej próby statycznego rozciągania określono wartość k współczynnika C występującego we wzorze Mansona-Coffina N f pl = C, z zależności (2) [5, 6]: F C = (2) 1 ln 0, 2 Fu gdzie: F 0 pole przekroju początkowego próbki; F u pole przekroju po zerwaniu. Dla badanej stali uzyskano C = 0,32. Współczynnik k przyjęto wstępnie k = 0,5. 4. Wyniki badań niskocyklowej wytrzymałości zmęczeniowej stali WELDOX 900 Po przeprowadzeniu prób statycznego rozciągania wykonano badania wstępne niskocyklowej wytrzymałości zmęczeniowej próbek płaskich ze stali WELDOX 900 (rys. 6) [6]. Badania przeprowadzono przy obciążeniu odzerowo-tętniącym o stałej Rys. 6. Próbka płaska stosowana do badań zmęczeniowych
Wyniki badań niskocyklowej wytrzymałości zmęczeniowej stali WELDOX 900 95 wartości naprężenia maksymalnego (co jest zgodne warunkami pracy konstrukcji mostu MS-20) oraz przy obciążeniu symetrycznym o stałej wartości amplitudy odkształcenia ε ac. Częstotliwość obciążeń wynosiła 0,5 Hz. W wyniku przeprowadzonych badań otrzymano przebiegi zmian naprężenia i odkształcenia wraz ze zmianą liczby cykli na wykresach σ ε (rys. 7 i 8) oraz przebiegi zmian odkształcenia na wykresach ε N f (rys. 9 i 10). Rys. 7. Wykres zmian naprężeń i odkształceń w funkcji liczby cykli przy stałej wartości naprężeń σ max = 999 MPa pierwsze 40 cykli (próbka nr 2) Rys. 8. Wykres zmian naprężeń i odkształceń w funkcji liczby cykli przy stałej wartości naprężeń σ max = 990 MPa pierwsze 50 cykli (próbka nr 3)
96 Cz. Goss, P. Marecki Rys. 9. Wykres zmian amplitudy całkowitych odkształceń ε ac w funkcji liczby cykli przy stałej wartości naprężeń σ max (próbka nr 3) Rys. 10. Wykres zmian amplitudy odkształceń plastycznych ε apl w funkcji liczby cykli przy stałej wartości naprężeń σ max (próbka nr 3)
Wyniki badań niskocyklowej wytrzymałości zmęczeniowej stali WELDOX 900 97 Wyniki badań zmęczeniowych przy stałej wartości naprężenia σ max i obciążeniu odzerowo tętniącym wskazują, że stal WELDOX 900 wykazuje cykliczne umocnienie. Trwałość zmęczeniowa badanych próbek zawierała się w zakresie 5500 (próbka nr 2) i 7500 (próbka nr 3) cykli. Amplituda odkształceń plastycznych szybko maleje, utrzymując prawie stałą wartość, aż do chwili zmęczeniowego zniszczenia próbki. Natomiast wyniki badań przy obciążeniu symetrycznym o stałej wartości odkształcenia wykazały cykliczne osłabienie stali WELDOX 900. Przy odkształceniu 0,8% i naprężeniach maksymalnych wynoszących 984 MPa trwałość zmęczeniowa wynosiła około 450 cykli (rys. 11). Rys. 11. Wykres zmian σ ε w funkcji liczby cykli przy stałej wartości amplitudy odkształceń ε ac = 0,8% (σ max = 984 MPa) Przy odkształceniu 0,6% i naprężeniach maksymalnych wynoszących 980 MPa trwałość zmęczeniowa wynosiła około 600 cykli (rys. 12). Przeprowadzone badania umożliwiły również określenie wykładnika cyklicznego umocnienia n = 0,06 dla krzywej cyklicznego odkształcenia materiału.
98 Cz. Goss, P. Marecki Rys. 12. Wykres zmian σ ε w funkcji liczby cykli przy stałej wartości amplitudy odkształceń ε ac = 0,6% (σ max = 980 MPa) 5. Podsumowanie Stal WELDOX 900 wykazuje różne zachowania zmęczeniowe w zależności od charakteru obciążeń. Podczas badania przy obciążeniu odzerowo-tętniącym o stałej wartości naprężenia σ max wykazuje cykliczne umocnienie z tendencją do szybkiej stabilizacji. Zaobserwowano zmniejszanie się szerokości pętli histerezy i amplitudy odkształcenia plastycznego. Natomiast przy obciążeniu symetrycznym o stałej wartości amplitudy odkształcenia całkowitego ε ac badana stal wykazuje cykliczne osłabienie, tzn. szerokości pętli wzrastają, a amplituda naprężenia maleje. Wyniki badań dowiodły konieczności głębszego poznania charakterystyki zmęczeniowej stali WELDOX 900 w zakresie małej liczby cykli przy różnych rodzajach obciążenia. Własności te mają duży wpływ na trwałość zmęczeniową połączeń spawanych badanego mostu, a więc także na niezawodność konstrukcji. W przypadku mostu mamy do czynienia głównie z obciążeniami o cyklu zbliżonym do odzerowo-tętniącego, a zatem ma miejsce wzmocnienie materiału, co jest korzystne dla trwałości konstrukcji. Zagadnienie różnego zachowania stali WELDOX 900 w obszarze małej liczby cykli w zależności od rodzaju obciążenia jest przedmiotem dalszych badań. Artykuł wpłynął do redakcji 11.01.2008 r. Zweryfikowaną wersję po recenzji otrzymano w marcu 2008 r.
Wyniki badań niskocyklowej wytrzymałości zmęczeniowej stali WELDOX 900 99 LITERAURA [1] Departament Polityki Zbrojeniowej MON, Założenia Taktyczno-Techniczne Most Samochodowy MS-20,Warszawa, 2003. [2] F. Kuczmarski, P. Marecki, Badania wytrzymałościowe i trwałościowe kolein mostu towarzyszącego MS-20, V Międzynarodowa Konferencja Uzbrojeniowa, Waplewo 2004. [3] www.weldox.com [4] Cz. Goss, S. Kłysz, W. Wojnowski, Problemy niskocyklowej trwałości zmęczeniowej wybranych stali i połączeń spawanych, ITWL, Warszawa, 2004. [5] S. Kocańda, Podstawy konstrukcji maszyn, Warszawa, 1983. [6] S. Kocańda, A. Kocańda, Niskocyklowa wytrzymałość zmęczeniowa metali, PWN, Warszawa, 1989. CZ. GOSS, P. MARECKI Test results of low cycle fatigue life of WELDOX 900 steel Abstract. The paper presents selected results of fatigue strength of WELDOX 900 steel and fracture tests of the MS-20 bridge. Experimental data of static and low cycle fatigue behaviour of the material were performed in form of diagrams for different load conditions. The cyclic hardening under the conditions of constant amplitude loading and cyclic softening, when testing under a constant strain amplitude, were observed in the examined material. Keywords: low cycle fatigue, metal science, structural strength Universal Decimal Classification: 669.017