RELAKSACJA NAPRĘŻEŃ W DRUTACH ZE STOPÓW AlMgSi

TADEUSZ KNYCH ANDRZEJ MAMALA BEATA SMYRAK PIOTR ULIASZ Rudy Metale R52 27 nr 11 UKD 9.715 721 782: :21.315.1.1:9-42:539.389.3 RELAKSACJA NAPRĘŻEŃ W DRUTACH ZE STOPÓW AlMgSi W artykule zamieszczono wybrane wyniki badań nad zagadnieniem relaksacji naprężeń w drutach z przewodowych stopów AlMgSi. Zrealizowany w pracy program badań miał na celu określenie wpływu parametrów drutu na ich podatność reologiczną, tj do procesu pełzania i relaksacji naprężeń. W szczególności w badaniach uwzględniono wpływ zawartości składników stopowych (Si, Mg), stanu mechanicznego walcówki (T1 i T4), wielkości odkształcenia oraz parametrów starzenia sztucznego drutów (temperatura i czas) na parametry funkcji relaksacji naprężeń. Słowa kluczowe: pełzanie, relaksacja naprężeń, stopy przewodowe, druty ze stopu AlMgSi, przewody napowietrzne, linie elektroenergetyczne, reologia, własności reologiczne STRESS RELAXATION PROCESS OF AlMgSi WIRES The article presents the results of the experimental test on the stress relaxation process of AlMgSi alloy wires (series xxx). Due to the fact that the whole set of resistance, electricity and rheological properties of aluminium alloys wires is shaped by the final heat treatment, it is of particular importance to determine the influence of heat treatment parameters and the state of wire rod and chemical composition of alloy wires on the final properties. Keywords: stress relaxation, rheological properties, creep, AlMgSi, wires, overhead power lines, aging, heat treatment Wprowadzenie Eliminacja nieaktywnych reologicznie nośnych rdzeni stalowych z przewodów napowietrznych linii elektroenergetycznych i wprowadzanie w ich miejsce wysokowytrzymałych drutów ze stopów AlMgSi wymuszana jest potrzebą ciągłego zwiększania obciążalności prądowej linii. Takie rozwiązanie kryje w sobie szereg potencjalnych korzyści (niska masa przewodu, łatwość montażu, brak korozyjnego kontaktu ze stalowym rdzeniem, korzystna rezystancja). Jednakże oddalenie stalowego rdzenia skutkować może reologicznymi przyrostami długości przewodu i w efekcie spadkiem naprężenia naciągu i przyrostem zwisu. Biorąc pod uwagę fakt, iż przewód jest konstrukcją składającą się z naprzemiennie skręconych ze sobą warstw drutów, o tym, w jakim stopniu przewód podlegał będzie procesowi pełzania decydują w pierwszej kolejności własności reologiczne pojedynczego drutu, a następnie typ konstrukcji przewodu. Zatem analizując proces pełzania przewodu należy wyróżnić dwa podstawowe czynniki decydujące o jego wielkości, a mianowicie: czynnik metalurgiczny (własności materiałowe) oraz czynnik geometryczny (typ konstrukcji). Atrakcyjność utwardzalno-wydzieleniowych stopów AlMgSi dla elektroenergetyki wynika z szerokich możliwości kształtowania całego zespołu ich mechaniczno-elektryczno- -reologicznych własności na drodze odpowiedniego doboru zawartości składników stopowych oraz stanu walcówki jak również parametrów procesu ciągnienia i końcowej obróbki cieplnej. Biorąc pod uwagę fakt, iż w zależności od wartości oraz sekwencji występowania wymienionych powyżej czynników, mamy do czynienia z różnym stopniem umocnienia materiału, w efekcie uzyskuje się druty o różnych własnościach końcowych. Stąd też szczególnie istotnym wydaje się być się określenie wpływu wielkości odkształcenia umocnieniowego w zależności od kontrolowanych efektów umocnienia wydzieleniowego fazą Mg 2 Si na odporność reologiczną stopu. W praktyce przewody napowietrznych linii elektroenergetycznych wykonuje się z drutów o małych średnicach (< 3 mm). Wysokie umocnienie odkształceniowe przyśpiesza procesy reologiczne, co jest zjawiskiem niekorzystnym w zastosowaniu, o którym mowa. Wynika stąd naturalna potrzeba zmiany konstrukcji przewodów na bardziej odporne reologicznie, co można osiągnąć wykorzystując druty o większej średnicy, tj. o mniejszym stopniu odkształcenia umocnieniowego. Aspekt praktyczny podejmowanej w projekcie tematyki polega na tym, że poznanie wpływu parametrów początkowych drutów stopowych, a w szczególności stopnia umocnienia na ich odporność reologiczną pozwoli na optymalizację budowy konstrukcji przewodów stopowych z punktu widzenia wielkości pełzania, co posiada silne przełożenie na rodzaj zastosowanych elementów składowych. Analiza stanu zagadnienia Polska sieć przesyłowa o napięciu 22/4/75kV, która składa się z 24 linii o łącznej długości 12 839 km, korzysta z tradycyjnych przewodów aluminiowo-stalowych oraz coraz częściej z nowoczesnych jednorodnych konstrukcji stopowych, opartych na utwardzalnych wydzieleniowo sto Dr hab. inż. Tadeusz Knych prof. nzw., dr inż. Andrzej Mamala, dr inż. Beata Smyrak, mgr inż. Piotr Uliasz Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Metali Nieżelaznych, Kraków. 79

Rm, MPa 4 38 3 34 32 3 28 2 24 325 32,84 315 315 32,53 295 295 342 32, 33 33 31,2 295 295 REZYSTYWNOŚĆ 314 31, 34 34 3 29 275 25 255 3, Al2 Al3 Al4 Al5 Al Al7 Al8 1,5 3,5 5 1,5 3,5 1,5 3,5 5 1,5 5 1,5 3,5 5 2,5 3 3,5 4 5 2,5 3 3,5 4 4,5 5 ŚREDNICA, mm Rys. 1. Minimalne wartości wytrzymałości na rozciąganie i dopuszczalne wartości rezystywności drutów ze stopu AlMgSi z podziałem na typy wg normy EN 5183:2 [1] Fig. 1. Minimal tensile strenght and allowable resistivity values of AlMgSi wires according to EN 5183:2 pach AlMgSi serii xxx 1/. Zgodnie z nową normą PN-EN 5183:2 (Przewody do linii napowietrznych Przewody gołe ze stopu aluminium zawierającego magnez i krzem) [1] wyróżnia się siedem typów drutów przeznaczonych na przewody napowietrzne (typy Al2 Al8). Graficzną postać wymagań cytowanej normy przedstawiono na rysunku 1. Zauważamy, iż w zależności od wartości rezystywności wyróżnić można trzy grupy drutów, a mianowicie druty o rezystywności najniższej 3 nωm, druty o rezystywności średniej 31 nωm i druty o rezystywności w zakresie 32,5 32,8 nωm. Własności wytrzymałościowe wymienionych typów drutów w zakresie średnic od 1,5 5 mm zawierają się w przedziale 245 342 MPa. Spełnienie zawartych w cytowanej normie wymagań sprowadza się w praktyce na ogół do stosowania walcówki ze stopów 11 lub 21 po homogenizacji, przesycaniu z pieca i starzeniu naturalnym (stan T4). Stosowane w innych krajach przewodowe stopy AlMgSi bazują na podobnej zawartości podstawowych składników stopowych (Mg, Si, Fe); różnice sprowadzają się jedynie do stanu początkowego i technologii przetwarzania walcówki na druty. Normy IEC, które narzucają wymagania stawiane walcówce, drutom i przewodom nie ingerują w ścisły skład chemiczny stopów. Istotne jest uzyskanie ostatecznych własności produktu finalnego (drutu, przewodu), które spełniają zalecenia norm [1, 2]. Podobnie jest w przypadku własności reologicznych drutów przewodowych. Z uwagi na fakt, iż proces pełzania przewodów stopowych odbywa się w temperaturze nie przekraczającej 1 C (temperatura homologiczna <,15) przy średnich rocznych naprężeniach (EDS) na poziomie 2 % wytrzymałości na rozciąganie, trwałe wydłużenia przewodu nie przekraczają w skali dziesięciu lat jednego promila. Chociaż są to wartości, które na ogół leżą poza zainteresowaniem teoretyków procesu pełzania, to posiadają one duże znaczenie praktyczne; powodują bowiem nieodwracalny spadek naprężenia wzdłużnego w przewodzie od 2 do 4 MPa w zależności od rozpiętości przęsła, co przekłada się na przyrost zwisu i niebezpieczeństwo elektrycznego przebicia do ziemi [3, 4]. Prowadzone badania przez takie światowe ośrodki ba- 1/ Obok przewodowych stopów z grupy AlMgSi na cele elektryczne wykorzystuje się również utwardzalne wydzieleniowo stopy AlCuMg, stopy z grupy AlFe oraz stopy AlMg 3 29 275 25 255 245 34, 32, 3, 28, 2, 24, 22, 2, REZYSTYWNOŚĆ,nΩm dawcze, jak IEEE, CIGRE, EPRI, Alcoa, Reynolds Metal Aluminium, Furukawa Electric, BPA, Ontario Hydro, które dotyczą identyfikacji procesu pełzania drutów i przewodów, tworzenia modeli pełzania oraz określenia podstawowych zaleceń i ograniczeń eksploatacyjnych pozwoliły na opracowanie dopuszczalnej wartości pełzania dziesięcioletniego na poziomie,5 promila [3]. Ograniczenie to dotyczy wszystkich typów przewodów stopowych oraz przewodów aluminiowo-stalowych. Dla konstrukcji o budowie jednorodnej wykonanych z drutów aluminiowych dopuszczalna wartość pełzania dziesięcioletniego wynosi,8, a dla przewodów aluminiowo-stopowych,7 promila. Chociaż zarówno własności wytrzymałościowe, jak i charakterystyki pełzania drutów aluminiowych, stopowych i stalowych są różne to w cytowanym dokumencie przyjęto, że z reologicznego punktu widzenia przewody stopowe i stalowo-aluminiowe powinny być identyczne. Ograniczanie zdolności materiału do procesu pełzania jest zatem jednym z podstawowych zadań projektantów linii elektroenergetycznych [2 4]. Sygnalizowana w wymienionych pracach możliwość sterowania potencjałem reologicznym materiału wymusza potrzebę prowadzenia nie tylko badań eksperymentalnych nad tym zagadnieniem, ale także analizy teoretycznej procesu pełzania w warunkach zmiennego naprężenia i temperatury. Z drugiej strony nie trudno się domyśleć, iż o intensywności procesu pełzania decydować będą również, a może i przede wszystkim cechy materiałowe. Biorąc pod uwagę fakt, iż w przypadku procesów niskotemperaturowych, w których mamy do czynienia z niską energią drgań cieplnych atomów w porównaniu z energią aktywacji pełzania, procesy aktywowane cieplnie nie zachodzą w ogóle lub tylko częściowo, odkształcenia pełzania zachodzi w wyniku jedynie przegrupowywania się dyslokacji. Najpowszechniejszą teorią opisującą mechanizm pełzania niskotemperaturowego jest tzw. teoria wyczerpania Nabarro-Motta [], która obniżanie prędkości pełzania tłumaczy zmniejszaniem się gęstości ruchomych dyslokacji, które zakotwiczają się na przeszkodach (granice ziaren, wtrącenia) i w wyniku zbyt małych fluktuacji cieplnych nie może dojść do ich wspinaczki, co oznacza, że pozostają one w swoich płaszczyznach poślizgu [7 9]. Za powszechnie uznany model fenomenologiczny pełzania niskotemperaturowego przewodów ze stopów opartych na bazie aluminium przyjmuje się funkcję postaci [1 13] ε p = α σ n ϕ T τ β w której przyjęto następujące oznaczenia σ, T, τ naprężenie, temperatura i czas trwania procesu, n, ϕ, β stałe materiałowe, α pełzanie jednogodzinne zachodzące pod naprężeniem 1 MPa w temperaturze C W tablicy 1 przedstawiono przykładowe postaci funkcji pełzania dla drutów aluminiowych uzyskanych z walcówki wyprodukowanej w linii ciągłego odlewania i walcowania metodą CP, a na rysunku 2 ich graficzną ilustrację. Zauważmy, że druty o mniejszej średnicy są także mniej odporne na pełzanie, co wynika z faktu większego stopnia umocnienia odkształceniowego drutów cienkich i dyslokacyjnego mechanizmu procesu pełzania. Powyższa obserwa- e (1) 791

Tablica 1 Własności mechaniczne oraz parametry funkcji pełzania drutów aluminiowych Table 1 Mechanical properties and parameters of aluminum wires creep function Średnica mm Materiał R m MPa α 1 n ϕ β Źródło 2,5 Al 18 277 1,35,25,21 3,5 Al 15 24 1,35,25,2 4 Al 155 142 1,4,25,17 [1] wynikającym z odkształcenia i wygrzewania materiału, z drugiej zaś liczbą i wielkością cząstek Mg 2 Si. Obydwa efekty zależą od tamperatury wygrzewania i czasu ekspozycji. Analizując charakterystyki przedstawione na rysunku 3 zauważmy dla przykładu, że tę samą wartość wytrzymałości na rozciąganie równą 33 MPa można uzyskać dla drutu o średnicy 2,9 mm (ln λ = 2,37) na cztery sposoby, a mianowicie 1 C/15 min (punkt 1), 14 C/35 min (punkt 2), 12 C/9 min (punkt 3) i 1 C/18 min (punkt 4), a w przypadku drutu o średnicy 3,5 mm (ln λ = 2) według schematu 1 C/2 min (punkt 5) lub 1 C/9 min (punkt 3). Podobnie jak rezystywność analizowanych drutów jest różna (rys. 4) należy przypuszczać, że również własności reologiczne będą dla każdego z nich inne. ODKSZTAŁCENIE PEŁZANIA,,2,18,1,14,12,1,19,134,8,71, Al, d=2,5 mm,4 Al, d=3,5 mm,2 Al, d=4 mm, 2 4 8 1 12 14 1 18 CZAS, h Rys. 2. Charakterystyki pełzania drutów aluminiowych, warunki pełzania: temperatura 2 C, naprężenie 2 % R m, czas 1 h [1] (tab. 1) Fig. 2. Creep characteristics of aluminum wires, creep conditions: temperature 2 C, stress 2 % R m, time 1 h (tabl. 1) cja dotyczy drutów aluminiowych. Rodzi się zatem pytanie o podobną właściwość w odniesieniu do interesujących nas utwardzalnych wydzieleniowo drutów ze stopu AlMgSi, w których mamy do czynienia z nieprostą kumulacją, a jednocześnie interakcją umocnienia odkształceniowego i wydzieleniowego. Można się bowiem spodziewać, że odporność reologiczna drutów stopowych będzie zależeć od relacji pomiędzy ich umocnieniem odkształceniowym i wydzieleniowym, a ponadto od morfologii fazy Mg 2 Si. Bowiem w odniesieniu do omawianego stopu, kształtowanie własności wyrobu możliwe jest na drodze umiejętnego połączenia klasycznego umocnienia odkształceniowego z utwardzającym działaniem dyspersyjnej fazy Mg 2 Si, której graniczna rozpuszczalność w aluminium wynosi 1,85 %. Parametrem modyfikującym mechaniczne skutki obydwóch rodzajów umocnienia jest stan początkowy walcówki oraz czas starzenia naturalnego przed procesem ciągnienia [14, 15]. Własności końcowe drutu można ostatecznie ustalać poprzez niskotemperaturową obróbkę cieplną. W zależności od temperatury oraz długości czasu starzenia można sterować własnościami materiału w szerokim zakresie ich zmienności. Przedstawione na rysunkach 3 i 4 przykładowe charakterystyki wpływu temperatury i czasu starzenia na własności wytrzymałościowe i elektryczne drutów AlMgSi wskazują na możliwość uzyskania wytrzymałości na rozciąganie w zakresie od 29 345 MPa i rezystywności od 33,5 do ok. 3 nωm [14 1]. Uzyskane wyniki są odpowiedzią struktury materiału ukształtowanej z jednej strony umocnieniem Cel pracy, materiał, program badań doświadczalnych Na podstawie przeprowadzonej we wcześniejszych rozdziałach analizy problemu reologicznego w odniesieniu do przewodowych stopów AlMgSi postawiono do eksperymentalnego wykazania następujące zagadnienie: W jaki sposób parametry początkowe drutów ze stopu AlMgSi serii xxx, a w szczególności skład chemiczny i stan mechaniczny walcówki oraz stopień odkształcenia i parametry obróbki cieplnej wpływają na ich podatność do procesów reologicznych? Odpowiedź na powyższe pytanie wymaga przeprowadzenia serii badań reologicznego zachowania się drutów o różnych parametrach początkowych. Ideę programu badawczego realizowanego w niniejszej pracy przedstawia schemat zamieszczony na rysunku 5. Zgodnie ze schematem przedstawionym na rysunku 5 do badań wytypowano sześć drutów ze stopu AlMgSi gat. 11 i 21 uzyskanych z walcówki w stanie T1 (przesycany w linii ciągłego odlewania i walcowania i starzony naturalnie) i T4 (homogenizowany, przesycany z pieca, starzony naturalnie) o różnym stopniu umocnienia odkształceniowego, przy czym do wszystkich typów drutów zastosowano taką samą obróbkę cieplną, która polegała na 3-godzinnym wygrzaniu drutu w temperaturze 1 C. Szczegółowe dane na temat badanych drutów zamieszczono w tablicy 2. Na rysunkach i 7 przedstawiono graficzną ilustrację zespołu własności mechanicznych i elektrycznych wytypowanych drutów po procesie ciągnienia (rys. ) oraz po obróbce cieplnej (rys.7)., MPa 3 35 5 34 1 33 32 31 3 29 2 3 4 28 3 9 12 15 18 21 24 27 3 33 3 39 42 45 48 CZAS STARZENIA, min 2,9mm/12ºC 2,9mm/14ºC 2,9mm/1ºC 3,5mm/1ºC Rys. 3. Wytrzymałość na rozciąganie drutu 2,9 mm w funkcji czasu i temperatury starzenia. Materiał: 11-T4 [14] Fig. 3. Tensile strenght of wire (diameter 2.9 mm) temperature and time ageing function. Material: 11-T4 [14] 792

REZYSTYWNOŚĆ, nωm 35 34 33 32 31 3 29 3 9 12 15 18 21 24 27 3 33 3 39 42 45 48 CZAS STARZENIA, min 2,9mm/12ºC 2,9mm/14ºC 2,9mm/1ºC 3,5mm/1ºC Rys. 4. Oporność właściwa drutu 2,9 mm w funkcji czasu i temperatury starzenia. Materiał: 11-T4 [14] Fig. 4. Electrical resistivity of wire (diameter 2.9 mm) temperature and time ageing function,mpa 35 3 25 2 15 1 5 34,9 299 3, 33,19 294 4,8 34,8 31 5,2 35,4 32 5,3 34,39 311,4 33,72 31 WYDŁUŻENIE REZYSTYWNOŚĆ 1 2 3 4 5 NUMER DRUTU Rys.. Wytrzymałość na rozciąganie, wydłużenie oraz rezystywność drutów AlMgSi po procesie ciągnienia Fig.. Tensile strenght, elongation and resistivity of AlMgSi wires after drawing process,8 3 3 24 18 12 WYDŁUŻENIE, % REZYSTYWNOŚĆ, nωm WALCÓWKA - STAN T1 ŚREDNICA DRUTU 2-5 mm SKŁAD CHEMICZNY STOPU AlMgSi SERIA 21 SERIA 11 WALCÓWKA - STAN T4 ŚREDNICA DRUTU 2-5 mm OBRÓBKA CIEPLNA DRUTY DO BADAŃ WALCÓWKA - STAN T1 ŚREDNICA DRUTU 2-5 mm Wariant I - temperatura 1 ºC, czas - 3 h Wariant II temperatura - 1 ºC, czas - 15h (dotyczy drutu o średnicy 2,89 mm) BADANIA PROCESU RELAKSACJI NAPRĘŻEŃ WALCÓWKA - STAN T4 ŚREDNICA DRUTU 2-5 mm,mpa 35 3 25 2 15 1 5 32,43 3 4,8 32,17 35,8 33,37 318 8,8 33,44 333 9,2 33,47 318 WYDŁUŻENIE REZYSTYWNOŚĆ 1 2 3 4 5 NUMER DRUTU Rys. 7. Wytrzymałość na rozciąganie, wydłużenie oraz rezystywność drutów AlMgSi po starzeniu sztucznym w warunkach 1 C /3 h 9, 33,21 323 1 3 3 24 18 12 WYDŁUŻENIE, % REZYSTYWNOŚĆ, nωm Fig. 7. Tensile strenght, elongation and resistivity of AlMgSi wires after artificial ageing, conditions of heat treatment: 1 C/3 h Rys. 5. Schemat programu badań Fig. 5. Research program scheme Tablica 2 Charakterystyka materiałowa drutów wytypowanych do badań procesu relaksacji Table 2 Material characteristic of wire for stress relaxation research Nr drutu φ mm Gat. stopu Skład V c R m chemiczny, % Stan Ti Mg Si Fe ppm m/s MPa A 25 % ρ nωm 1 2,89 21,57,57,35 3 T1 1 299 3, 34,9 2 2,89 11,48,48,25 3 T1 1 294 4,8 33,19 3 2,89 11,48,48,35 3 T4 1 31 5,2 34,8 4 2,89 21,57,57,25 3 T4 1 32 5,2 35,4 5 3,45 11,48,48,25 3 T4 1 313,4 34,39 4,4 11,48,48,25 3 T4 1 31,8 33,72, MPa 4 35 3 25 2 15 1 5 A B REZYSTYWNOŚĆ 31,5 2 4 8 1 12 14 1 CZAS STARZENIA, h Rys. 8. Druty wytypowane do badań wpływu czasu starzenia na relaksację naprężeń Fig. 8. Wire for research of ageing time influence on stress relaxation Druga część badań doświadczalnych polegała na określeniu wpływu czasu starzenia drutów w danej temperaturze na własności reologiczne materiału. W tym przypadku do badań wytypowano drut o średnicy 2,9 mm gat. 11 uzyskany z walcówki w stanie T4 wygrzewany w temperaturze 1 C w czasie od 1 8 godz. Własności wybranych dru- C 35, 34,5 34, 33,5 33, 32,5 32, REZYSTYWNOŚĆ, nωm 793

tów przeznaczonych do procesu relaksacji naprężeń przedstawiono na rysunku 8. Naprężenie σ procesu relaksacji ustalono na poziomie adekwatnym do warunków pracy przewodu napowietrznych linii elektroenergetycznych w zakresie (2 %) wytrzymałości na rozciąganie drutów. Badania przeprowadzono w temperaturze 2 C. Wartości parametrów poszczególnych procedur badawczych przedstawiono w tablicy 3. Analiza wyników badań Na podstawie wyników pomiarów relaksacji naprężeń realizowanych dla stałych ale różnych naprężeń w jednej stałej temperaturze wyznaczono funkcję relaksacji naprężeń drutów następującej postaci σ = a σ τ α (2) gdzie a, α parametry funkcji relaksacji, σ naprężenie bieżące, σ naprężenie startowe, τ czas relaksacji. O ile z wyznaczonej funkcji relaksacji można wyciągać wnioski na temat zmian naprężenia, o tyle nie jesteśmy w stanie określić ilościowo, jaki procent odkształcenia sprężystego został zamieniony na trwałe, co jak wiadomo stanowi istotę procesu relaksacji naprężeń. W tym celu w pracy wyznaczono na podstawie uzyskanych charakterystyk tzw. stopień relaksacji naprężeń, który opisuje odniesioną do naprężenia startowego wartość naprężenia zrelaksowanego w zadanym przedziale czasu. Mówiąc inaczej stopień relaksacji naprężeń określa tę część odkształcenia sprężystego, która została zamieniona na odkształcenie trwałe w trakcie procesu relaksacji. Matematyczną postać funkcji stopnia relaksacji naprężeń reprezentuje równanie postaci β γ = γτ gdzie γ stopień relaksacji naprężenia, γ współczynnik stopnia relaksacji naprężenia po 1 h trwania procesu, β stała materiałowa. numer drutu (3) Tablica 3 Parametry procesu relaksacji naprężeń Parameters of stress relaxation test Parametry procesu relaksacji naprężeń σ % R m T ºC 1 2 2 1 2 2 2 1 3 2 2 1 4 2 2 1 5 2 2 1 2 2 1 Table 3 t h Tablica 4 Parametry funkcji relaksacji i stopnia relaksacji naprężeń Numer drutu 1 2 3 4 5 Parameters of stress relaxation function and stress relaxation coefficient characteristics Naprężenie startowe σ MPa Relaksacja naprężeń α σ = aστ Stopień relaksacji naprężeń β γ = γτ Table 4 Stopień relaksacji naprężeń po 1 h a α γ β γ (1 h) 7,911,13 4,2,27,3 83,912,8 4,29,2 4,58 18,913,11,77,182 9,78 144,918,12,19,23 9,5 184,92,14 7,22,198 1,85 8,9,4 3,99,11 5,1 9,91, 4,2,153 5,4 114,92,9 4,54,218 7,27 143,9,1 5,52,12 8,3 183,99,11,29,18 9,1 5,942,8 2,79,1 5,1 17,945,8 2,85,28 5,25 13,94,9 3,37,219 5,97 15,948,9 4,22,223,9 185,94,5 4,8,181 7,19 77,941,7 2,23,154 4,9 113,94,8 4,42,158,3 143,943,1 4,7,1 7,3 184,951,9 5,3,17 8,3 25,957,11 5,73,19 8,79 9,939, 3,,19 5,54 13,939,8 3,7,18 5,78 138,949,7 4,43,17,17 13,958,8 5,9,185 7,9 191,98,1 5,25,199 8,19 7,942,8 3,52,178 5,3 15,944,7 4,35,18,14 135,95,8 4,49,18,41 1,978,9 4,5,178 7,3 189,91,9 4,99,185 7,4 Na podstawie analizy równania (2) zauważamy, iż relaksacja naprężeń drutów ze stopu AlMgSi jest potęgową zależnością parametru czasu. Taka sama co oczywiste obserwacja dotyczy funkcji (3) opisującej stopień relaksacji naprężenia. Biorąc pod uwagę fakt, iż badania były realizowane w temperaturze pokojowej, zależności (2) oraz (3) są słuszne dla temperatury 2 C i w zakresie naprężeń σ: (1 ) % wytrzymałości na rozciąganie. Rzeczywiste wartości poszczególnych współczynników wyznaczonych na 794

podstawie eksperymentalnych wyników relaksacji naprężeń przeprowadzonych na badanych drutach zostały zestawione w tablicy 4. Z analizy danych zamieszczonych w tablicy 4 wynikają oczywiste obserwacje, iż o intensywności procesu relaksacji decyduje wartość naprężenia startowego oraz że stałe materiałowe α i β zależą od stopnia odkształcenia relaksowanego materiału. Na rysunku 9 przedstawiono wykres rozkładu wartości potęgowego współczynnika α funkcji relaksacji naprężenia w zależności od wartości naprężenia startowego dla wszystkich rodzajów badanych drutów. Na podstawie analizy powyższego wykresu oraz danych zamieszczonych z tablicy 4 można stwierdzić, iż o ile druty uzyskane z walcówki w stanie T1 (drut nr 1 i 2) charakteryzują się dużym rozrzutem wartości parametru α, o tyle w przypadku drutów w stanie T4 rozrzut ten jest znacznie mniejszy. Powyższą obserwację tłumaczy się tym, iż materiał w stanie T1 posiada niejednorodne własności, w porównaniu z materiałem w stanie T4, który uzyskuje się poprzez wyżarzanie homogenizujące, przesycanie i starzenie naturalne walcówki po linii. Podobną sytuację obserwuje się w odniesieniu do parametru γ opisującego stopień relaksacji naprężeń. W tym przypadku druty nr 1, 2 również charakteryzują się dużym rozrzutem wartości γ (rys. 1). WSPÓŁCZYNNIK α, -,1,14,12,1,8,,4,2, DRUT NR 1 DRUT NR 2 DRUT NR 3 DRUT NR 4 DRUT NR 5 DRUT NR 2 3 4 5 2 3 4 5 2 3 4 5 2 3 4 5 2 3 4 5 2 3 4 5 WYTĘŻENIE, %Rm Rys. 9. Charakterystyka zbiorcza wartości współczynnika α badanych drutów w zależności od naprężenia startowego Fig. 9. Characteristics of initial stress influence on α coefficient STOPIEŃ RELAKSACJI NAPRĘŻENIA γ,% 12 1 8 4 2 DRUT NR 1 DRUT NR 2 DRUT NR 3 DRUT NR 4 DRUT NR 5 DRUT NR 2 3 4 5 2 3 4 5 2 3 4 5 2 3 4 5 2 3 4 5 2 3 4 5 WYTĘŻENIE, %Rm Rys. 1. Charakterystyka zbiorcza wartości stopnia relaksacji naprężeń po 1 h dla wszystkich typów drutów funkcji naprężenia startowego Fig. 1. Characteristics of stress relaxation coefficient after 1 h. All types AlMgSi wires Tablica 5 Postaci uogólnionych funkcji relaksacji i stopnia relaksacji naprężeń dla badanych typów drutu Nr drutu NAPRĘŻENIE, MPa Table 5 Stres relxation and stress relaxation degree function Postać funkcji relaksacji naprężenia Postać funkcji stopnia relaksacji naprężania 1 σ rel =,915σ τ,11 γ = 5,7τ,1958 2 σ rel =,95σ τ,8 γ = 4,87τ,158 3 σ rel =,949σ τ,83 γ = 3,1τ,25 4 σ rel =,945σ τ,9 γ = 4,54τ,175 5 σ rel =,951σ τ,8 γ = 4,43τ,1872 σ rel =,95σ τ,7 γ = 4,4τ,1754 7 9 8 7 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 7 8 9 1 CZAS, h Rys. 11. Uogólnione funkcje relaksacji naprężeń dla badanych drutów, warunki procesu: naprężenie startowe 8 MPa (2 % R m ), temperatura procesu 2 C Fig. 11. Wire s stress relaxation functions, test conditions: initial stress 8 MPa (2 % UTS), temperature process 2 C W celu uogólnienia uzyskanych wyników wyznaczono uogólnioną postać funkcji relaksacji i stopnia relaksacji naprężeń. Postaci powyższych funkcji zamieszczono w tablicy 5. Szczegółowa analiza postaci funkcji relaksacji naprężenia wskazuje na wyraźne zróżnicowanie jej parametrów dla każdego typu drutu. We wszystkich przypadkach można przyjąć, iż wartość współczynnika α zależy wyraźnie od składu chemicznego materiału i to w taki sposób, że tym wyższa jest jego wartość, im mniejsza jest zawartość składników stopowych (Si i Mg) (por. drut nr 3 i 4) oraz im mniejszy jest stopień odkształcenia (por. drut nr 3, 5 i ). Podobne zachowanie wykazuje parametr a. Ilustrację graficzną wyznaczonych równań przedstawia rysunek 11. Wykres (rys. 11) jednoznacznie klasyfikuje badane druty z punktu widzenia jego podatności do relaksacji naprężeń. Zauważamy, iż najbardziej odporne z punktu widzenia reologicznego zachowania się są druty uzyskane z walcówki w stanie T4 o podwyższonej zawartości Si i Mg, a spośród nich te, które charakteryzują się mniejszym stopniem odkształcenia, a więc druty o średnicy 4,4 i 3,45 mm. Z kolei największe spadki naprężenia są typowe dla drutów uzyskanych z walcówki T1. Analizując natomiast wpływ składu chemicznego (drut 3 i 4) można stwierdzić, iż podwyższe- 1 2 3 4 5 795

NAPRĘŻENIE σ, MPa 1 14 12 1 8 4 2 σ = 132τ -,9 R 2 = 1 σ = 12τ -,3 R 2 =,99 σ = 18τ -,4 R 2 =,99 1 2 3 4 5 7 8 9 1 CZAS τ, h Rys. 12. Charakterystyki relaksacji naprężeń drutów po procesie starzenia w temperaturze 1 C dla różnych czasów (drut A po procesie ciągnienia, drut B po 3 h wygrzewania, drut C po 15 h wygrzewania) Fig. 12. Stress relaxation characteristics of wires after heat treatment (T = 1 C), (wire A after drawing process, wire B after 3 h annealing, C after 15 h annealing) STOPIEŃ RELAKSACJI NAPRĘŻEŃ, % 1 γ = 4,8τ,1417 R 2 =,99 A B A C γ = 5,1τ,213 R 2 =,99 γ = 3,τ,1415 R 2 =,98 1,1,1,1 1 1 CZAS, h Rys. 13. Charakterystyki stopnia relaksacji naprężeń drutów po procesie starzenia w temperaturze 1 C i różnym czasie (rys. 12) Fig. 13. Stress relaxation chracteristics of wires after heat treatment (T = 1 C) nie zawartości Si i Mg wyraźnie polepsza odporność reologiczną materiału, co wynika z większej ilości utwardzającej stop fazy Mg 2 Si. Jednakże o podatności reologicznej drutów stopowych decyduje nie tylko skład chemiczny w sensie procentowej zawartości Mg i Si, ale również ich morfologia zależna od końcowej obróbki cieplnej. Inaczej mówiąc, w zależności od stopnia wystarzenia materiału mamy do czynienia z materiałem o różnej odporności reologicznej. Powyższe stwierdzenie dobrze ilustrują wykresy przedstawione na rysunkach 12 i 13. Przy czym rysunek 12 ilustruje wyniki relaksacji naprężeń drutów o średnicy 2,89 mm gat. 11 uzyskanych z walcówki w stanie T4 po różnym czasie wygrzewania w temperaturze 1 C, zaś rysunek 13 charakterystyki stopnia relaksacji naprężeń tych drutów. Analizując charakterystyki (rys. 12, 13) można stwierdzić, iż najniższą odporność reologiczną wykazują druty starzone w czasie 3 h, a więc druty charakteryzujące się najwyższymi własnościami wytrzymałościowymi (plateo na wykresie rys. 8). Z kolei druty po procesie ciągnienia, a więc bez B C końcowej obróbki cieplnej jak i również druty przestarzone wykazują mniejszą skłonność do procesu relaksacji naprężeń. Wynika stąd wniosek, iż relaksacja naprężeń nie jest monotoniczną funkcją czasu starzenia. Powyższy wniosek potwierdza analiza wartości współczynników potęgowych czasu funkcji relaksacji i stopnia relaksacji naprężeń. Zauważamy, iż o ile w przypadku drutu po procesie ciągnienia oraz drutu po 15-godzinnym starzeniu współczynnik potęgowy β kształtuje się na poziomie ok.,14 (rys. 13), o tyle w przypadku drutu (B) wygrzewanego przez 3 h wartość β jest wyższa i wynosi ok.,2. Powyższa różnica w wartościach współczynników β badanych drutów wyraża się nierównoległością charakterystyk w układzie logarytmicznym (rys. 13). Fakt ten świadczy o istotnym wpływie stosunku ilości wydzielonej fazy Mg 2 Si do ilości faz skoagulownych oraz spadku siły pędnej do relaksacji z tytułu mocnego wyzdrowienia struktury. Wnioski Przeprowadzone badania eksperymentalne relaksacji naprężeń drutów ze stopu AlMgSi o różnych parametrach początkowych pozwalają na sformułowanie następujących wniosków: Proces relaksacji naprężeń drutów ze stopu AlMgSi realizowany w temperaturze 2 C i pod naprężeniem w zakresie (2 %) wytrzymałości na rozciąganie można opisać potęgową funkcją czasu postaci σ = a σ τ W zależności od rodzaju drutu, a w szczególności od składu chemicznego, stanu mechanicznego walcówki oraz stopnia odkształcenia podatność drutu stopowego do procesów reologicznych jest różna, a w szczególności: Stan mechaniczny walcówki stanowi jeden z najważniejszych parametrów decydujących o zdolności materiału do relaksacji naprężeń. Stan T1 jest niekorzystny, bowiem uzyskane z nich druty cechują się niską odpornością reologiczną. Co więcej, z powodu niestabilnych własności opis matematyczny relaksacji naprężeń w tym przypadku jest utrudniony. Wzrost zawartości krzemu i magnezu zwiększa odporność materiału na proces relaksacji naprężeń, bez względu na to czy mamy do czynienia z drutami uzyskanymi z walcówki w stanie T1 czy w stanie T4. Wielkość odkształcenia drutu posiada istotny wpływ na podatność reologiczną materiału i to w taki sposób, że większe odkształcenie prowadzi do intensyfikacji procesów reologicznych. Relaksacja naprężeń jest niemonotoniczną funkcją czasu starzenia drutów AlMgSi. Na podstawie badań oraz przeprowadzonej na ich podstawie interpretacji matematycznej wyników stwierdza się, iż najmniej podatnymi na procesy reologiczne są druty uzyskane z walcówki w stanie T4 o małym stopniu odkształcenia. Powyższe wnioski stanowią podsumowanie wstępnej wiedzy na temat wpływu parametrów początkowych drutów na ich aktywność reologiczną. Zbudowanie na tej podstawie modelu, który opierałby się na wyznaczeniu funkcji wpływu parametrów strukturalnych oraz podstawowych pa- α 79

rametrów technologicznych na reologiczne zachowanie się drutów z przewodowych stopów AlMgSi wymaga w dalszym ciągu badań uwzględniających wiele innych czynników, między innymi: parametrów obróbki cieplnej. Ponadto powyższa wiedza jest szczególnie cenna w odniesieniu do przewodów rozpiętych w przęsłach napowietrznych linii elektroenergetycznych, w szczególności ich trwałych przyrostów długości pochodzenia reologicznego (pełzanie). Biorąc pod uwagę fakt, iż zarówno proces relaksacji naprężeń, jak i proces pełzania reprezentują tę samą własność materiału, na podstawie wyników badań relaksacji naprężeń można wnioskować o charakterze procesu pełzania i na odwrót. Powyższe stwierdzenie nabiera szczególnego znaczenia z punktu widzenia realizacji metodyki pomiarów, których efektem jest określenie własności reologicznych. O ile standardowy test w przypadku relaksacji naprężeń drutów ze stopu AlMgSi trwa 1 h, o tyle określenie funkcji pełzania wymaga znacznie dłuższego czasu. Literatura 1. EN 5183: 2 Przewody do linii napowietrznych Przewody gołe ze stopu aluminium zawierającego magnez i krzem. 2. Knch T., Mamala A., Nowak S.: Analiza wymagań stawianych drutom i przewodom z aluminium i ze stopów AlMgSi. Rudy Metale 23, t. 48, nr 8, s. 375 392. 3. IEC 1597 (1995): Overhead electrical conductors Calculation methods for stranded bare conductors. 4. IEC 1395 (1995): Overhead electrical conductors Creep test procedures for stranded conductors. 5. Nabarro F. R. N., Villiers H. L.: Physics of the creep. Taylor&Francis, London, 1995.. Wyrzykowski J. W., Pleszakow E., Sieniawski J.: Odkształ- cenie i pękanie metali. WNT, Warszawa 1999. 7. Honeycombe R. W. K.: The plastic deformation of metals. Edward Arnold, Londyn, 1984. 8. Gittus J. H.: Dislocation-creep under cyclic stressing: physical model and theoretical equations. Acta Metallurgica, 1978, t. 2, s. 35 317. 9. Working Group 22.5 of Study Committee No. 22 (Overhead lines): Permanent elongation of conductors. Predictor equation and evaluation methods. Electra nr 75 1981. 1. Wood A. B.: A practical method of conductor creep determination. Electra, październik 1972. 11. Harvey J. R., Larson R. E.: Techniqe to include elevated temperature creep in conductor sag-tension calculations. Transmission and Distribution Conference and Exposition, marzec 1979. 12. Harvey J. R.: Creep of Transmission Line Conductors. IEEE Trans. on PAS, kwiecień 199. 13. Projekt badawczy KBN Nr 7 T8B 815: Charakterystyki pełzania drutów i przewodów ze stopu AlMgSi przeznaczonego na napowietrzne przewody samonośne w aspekcie parametrów technologii wytwarzania i przetwarzania walcówki na drut oraz budowy i sposobu wytwarzania żył. 1994. 14. Knych T., Mamala A., Smyrak B., Tarasek A.: Wpływ czasu starzenia naturalnego walcówki ze stopu AlMgSi (seria xxx) na jej własności mechaniczne oraz podatność do procesu ciągnienia. Rudy Metale 24, t. 49, nr 8, s. 4 4. 15. Knych T., Mamala A., Smyrak B., Tarasek A.: Badania wpływu czasu starzenia naturalnego walcówki z przewodowego stopu AlMgSi (seria xxx) na elektryczno- mechaniczne własności drutu osiągane w procesie końcowej obróbki cieplnej. Rudy Metale 24, t. 49, nr 9, s. 45 42. Przedstawione badania zrealizowano dzięki dofinansowaniu MNiSzW. TADEUSZ KNYCH ANDRZEJ MAMALA BEATA SMYRAK Rudy Metale R52 27 nr 11 UKD 9-147:9-154: :21.74.47.1:539. CHARAKTERYZACJA MIEDZI BEZTLENOWEJ Z LINII UPCAST Przeprowadzone w ramach niniejszej pracy badania doświadczalne oraz ich analiza miały na celu porównanie dwóch gatunków miedzi różniących się między sobą zawartością tlenu oraz metodą ich wytwarzania. Do badań stosowano materiał uzyskany w linii Contirod (miedź gat. ETP) oraz w linii Upcast (miedź gat. OFE). O ile w przypadku walcówki z miedzi ETP mamy do czynienia z materiałem o ponad 99 % umocnieniu odkształceniowym realizowanym na gorąco, co gwarantuje znakomitą jej odkształcalność, o tyle miedź beztlenowa uzyskana w linii Upcast z uwagi na strukturę odlewniczą generować może dodatkowe problemy w procesach dalszego jej przetwórstwa. Słowa kluczowe: miedź beztlenowa, Upcast, proces ciągłego topienia i odlewania, OFC, OFE Dr hab. inż. Tadeusz Knych, prof. nzw., dr inż. Andrzej Mamala, dr inż. Beata Smyrak Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Metali Nieżelaznych, Kraków. 797