Analiza przebiegu testu i porównanie z tradycyjnym testem ściskania

W związku z tym, że zaproponowana w pracy metodyka określania odkształcalności materiałów ma swoje podstawy w tradycyjnym teście ściskania, niniejszy podrozdział poświęcony jest wzajemnemu porównaniu obu metod. Analizie poddano próbki prostopadłościenne wykonane ze stali stopowej 42CrMo4 (1.7225) przeznaczonej między innymi na wielkogabarytowe odkuwki swobodnie kute. Badania uwzględniały odkształcenia względne równe 54% i 71%. Testy przeprowadzono w temperaturze 850°C, czyli w dolnym zakresie temperatury kucia na gorąco danego materiału.

Obserwując powierzchnię próbek po teście stwierdzono, iż naruszenie ciągłości struktury wystąpiło tylko i wyłącznie w przypadku elementu odkształcanego z większym gniotem przy użyciu narzędzi dziurujących (rys. 5.30a). Znaczne pęknięcia zaobserwowano głównie w narożach próbki. W pozostałych przypadkach próbki nie uległy uszkodzeniu.

a) b)

Rys. 5.30. Porównanie tradycyjnego testu ściskania z nowym rozwiązaniem: a) odkształcone próbki, b) porównanie sił nacisku.

Kolejnym istotnym, praktycznym aspektem wynikającym z wyników prób, jest wyraźnie niższa siła nacisku zarejestrowana podczas ściskania narzędziami dziurującymi (rys. 5.30b). Podczas testu tradycyjnego zwiększa się powierzchnia styku materiału z narzędziami, co jest spowodowane jego swobodnym płynięciem na boki. Powoduje to gwałtowny wzrost siły nacisku i szybkie odprowadzanie ciepła z nagrzanego materiału. W przypadku narzędzi dziurujących, maksymalne pole kontaktu narzędzia górnego z materiałem jest ograniczone powierzchnią roboczą stempla, stąd nie obserwuje się intensywnego zwiększenia siły nacisku w końcowej fazie testu. Fakt ten jest istotny z punktu widzenia maksymalnej siły nacisku dostępnej maszyny laboratoryjnej (5 MN).

Niezwykle istotnym spostrzeżeniem podczas wykonywania badań porównawczych było uzależnienie miejsc powstawania pęknięć od pozycjonowania próbki w gnieździe narzędzia dolnego. Wykonane test pozwoliły na wyodrębnienie trzech różnym pozycji próbki względem narzędzia, które schematycznie przedstawiono na rysunku 5.31. Wbrew przewidywaniom centralne pozycjonowanie próbki w gnieździe (rys. 5.31a) nie jest optymalne. Materiał płynie równomiernie we wszystkich kierunkach i dla materiałów o wysokiej odkształcalności, potrzebne jest znacznie zagłębienie stempla (rys. 5.31d). Określenie naroża, w którym nastąpi pęknięcie jest w tym przypadku niemożliwe.

Zupełnie inaczej materiał zachowuje się w przypadku, gdy próbka przesunięta jest do krawędzi gniazda (rys. 5.31b). Nierównomierne płynięcie materiału oraz niesymetryczne zagłębianie się stempla powoduje, że na jednej ze ścian bocznych pęknięcia pojawiają się znacznie wcześniej niż na pozostałych (rys. 5.31e). Nie jest potrzebne duże odkształcenie, jak w poprzednim przypadku.

a) b) c)

d) e) f)

Rys.5.31. Schematyczne przedstawienie umieszczenia próbki w gnieździe narzędzia dolnego (a, b, c) oraz zróżnicowany kształt próbek po procesie uzależniony od ich pozycji początkowej (d, e, f).

Podobną sytuację można zaobserwować przy przesunięciu próbki do naroża gniazda (rys. 5.31c). W tym przypadku pęknięcia próbki są widoczne na dwóch ścianach bocznych (rys. 5.31f).

Ściśle określona pozycja próbki w gnieździe narzędzi dolnego pozwala na wywołanie kontrolowanego pęknięcia w wyznaczonym miejscu. Do rejestracji parametrów towarzyszących inicjacji pękania wykorzystano system DIC. Poniżej przedstawiono przykładowe wyniki testów na wyznaczania odkształcalności materiału w podwyższonej temperaturze. Przeanalizowano dwie pozycje próbki względem kamery systemu. Wyniki porównano z rezultatami symulacji komputerowej wykonanej w programie QForm VX.

W obu analizowanych przypadkach zaobserwowano pęknięcia w trakcie wykonywania testu, które zlokalizowane były w pobliżu górnych naroży próbek (zgodnie z założeniami wykonywanego badania). W przypadku próbki zwróconej krawędzią ku kamerze (rys. 5.32) koncentracja odkształcenia jest widoczna już w początkowym etapie ściskania (rys. 5.32b). W końcowej fazie odkształcenie kumuluje się w pobliżu naroża próbki (rys. 5.32d), gdzie

ostatecznie dochodzi do pęknięcia. Wyniki korelacji obrazu odpowiadają wynikom uzyskanym z symulacji numerycznej. Rozkład i wartości odkształcenia są zbliżone.

a) b) c)

d) e)

Rys. 5.32. Wyniki testu ściskania próbki zwróconej krawędzią boczą w kierunku kamery.

Analizując inne ustawienie próbki (ścianą boczną w kierunku kamery) (rys. 5.33), można wyciągnąć analogiczne wnioski. Intensywna koncentracja odkształcenia jest widoczna w końcowej fazie testu (rys. 5.33d). Prowadzi ona do pęknięcia materiału w narożu próbki.

Porównując oba ustawienia próbki względem kamery można stwierdzić, że w przypadku, gdy próbka skierowana jest krawędzią do kamery możliwa jest jednoczesna obserwacja dwóch ścianek bocznych. Minimalizuje to ryzyko nie uchwycenia momentu inicjacji pęknięcia podczas nagrywania próby.

Oprócz porównania wyników analizy DIC i symulacji w programie QForm skupiono się także na kontroli parametrów samego testu ściskania. Zwrócono uwagę na to, aby przyjęte w symulacji modele (materiału, maszyny, tarcia itp.) w dużym stopniu odzwierciedlały warunki rzeczywiste. Potwierdzeniem zgodności przyjętych założeń jest m.in. porównanie zmiany siły nacisku narzędzia górnego na materiał (rys. 5.34a).

a) b) c)

d) e)

Rys. 5.33. Wyniki testu ściskania próbki zwróconej ścianką boczą w kierunku kamery.

Zidentyfikowany przy pomocy systemu DIC punkt inicjacji pęknięcia zostały szczegółowo przeanalizowane w trakcie symulacji numerycznej. Przykład takiej analizy przedstawiono na rysunku 5.35b, który przedstawia zmianę odkształcenia głównego (ε1) od początku procesu do momentu pojawienia się pęknięcia. Dane zarejestrowane zarówno z systemu DIC, prasy hydraulicznej, jak również z symulacji numerycznej dostarczyły kompletnych informacji pozwalających określić odkształcalność materiału.

a) b)

Rys. 5.34. Porównanie wyników eksperymentalnych z symulacją: a) siła nacisku, b) odkształcenie główne.

Z powyższej analizy porównawczej można wywnioskować, że mimo bardziej złożonego kształtu narzędzi i pewnych trudności z pozycjonowaniem próbki nowy test ściskania stwarza

większe możliwości analizy materiałów, zwłaszcza tych, charakteryzujących się bardzo dobrą odkształcalnością. Mniejsza powierzchnia styku materiału z narzędziami w końcowej fazie testu pozwala na kontrolę temperatury w miejscu pęknięcia, a specyficzny kształt narzędzia górnego daje możliwość obserwacji próby przy pomocy urządzeń optycznych. Wykonane w dolnym narzędziu gniazdo pozwala na precyzyjne określenie miejsca inicjacji pęknięcia, co znacznie ułatwia proces rejestracji testu oraz analizy koncentracji odkształcenia krytycznego przy pomocy systemu DIC.

Tabela 5.3. Podsumowanie analizy porównawczej dwóch wariantów testów ściskania.

Tradycyjny test ściskania Nowe podejście Geometria

narzędzi

• Nieskomplikowany kształt narzędzi • Konieczność dokładnego wzajemnego pozycjonowania narzędzi przed testem

Warunki procesu

• Powierzchnia robocza narzędzi musi być na tyle duża, aby materiał nie wypłynął poza ich krawędź,

• Łatwe pozycjonowanie próbki

• Zmniejszenie siły nacisku narzędzi na materiał

• Szybkie pozycjonowanie próbki w narzędziu dolnym

Wywołanie pęknięć w materiale

• 4 strefy spodziewanego pęknięcia • Ściśle określone miejsca pękania,

• Silniejsza koncentracja niekorzystnego stanu naprężeń

6. Określenie wpływu operacji kucia swobodnego na stopień przekucia i zagęszczenie