Energia pĊtli histerezy - Lokalne wáasnoĞci zmĊczeniowe w laserowym záączu spawanym

5. Lokalne wáasnoĞci zmĊczeniowe w laserowym záączu spawanym

5.4. Energia pĊtli histerezy

Wyznaczone pĊtle histerezy umoĪliwiają, obok analizy odksztaácenia lokalnego, takĪe analizĊ energii odksztaácenia plastycznego Wp. Na rysunku 5.25 przedstawiono przebieg zmian energii Wp, obliczanej jako pole wewnątrz pĊtli histerezy, w zaleĪnoĞci od amplitudy naprĊĪenia nominalnego Sa dla poszczególnych stref záącza. Porównanie wartoĞci energii Wp dla tych samych poziomów amplitudy naprĊĪenia nominalnego pokazane na rysunku 5.25b, podobnie jak w przypadku analizy odksztaáceĔ plastycznych, dowodzi silnego zróĪnicowania jej wartoĞci dla poszczególnych stref záącza. Jednak w odróĪnieniu od wykresów pokazanych na rysunku 5.23 dynamika wzrostu stosunku ener-gii odksztaácenia plastycznego zostaje zahamowana na poziomie Sa= 325 MPa, co moĪe wynikaü z róĪnic w stopniu uplastycznienia materiaáu rodzimego i spoiny. Po przekro-czeniu granicy plastycznoĞci w spoinie nastĊpuje proporcjonalny wzrost energii od-ksztaácenia plastycznego we wszystkich strefach, z lekką tendencją spadkową dla sto-sunku WpMR/WpS.

MoĪliwoĞü wyznaczenia lokalnych parametrów energetycznych powinna wpáynąü na dokáadnoĞü obliczeĔ trwaáoĞci zmĊczeniowej metodami energetycznymi. Powinna takĪe umoĪliwiü ich rozwój w przypadku analiz zmĊczeniowych poáączeĔ spawanych, a w szczególnoĞci poáączeĔ wykonywanych techniką laserową. Jednak w tym celu

nie-zbĊdne jest przeprowadzenie szerszego programu badaĔ, obejmującego analizĊ trwaáo-Ğci zmĊczeniowej próbek wykonanych z róĪnych materiaáów, w róĪnych warunkach obciąĪenia i róĪnej geometrii záączy.

200 250 300 350 400

materiaá rodzimy MR

SWC

NaprĊĪenie Sa, MPa WpMR/WpS

WpSWC/WpS

WpMR/WpSWC

Stosunek energii Wp

a) b)

Rys. 5.25. Energia odksztaácenia plastycznego WpMR – w strefie materiaáu rodzimego, WpS – w strefie spoiny, WpSWC – w strefie wpáywu ciepáa: a) wartoĞci bezwzglĊdne, b) porównanie energii w poszczególnych strefach záącza

5.5. Podsumowanie

Jak wykazano w analizie wyników badaĔ, niejednorodnoĞü struktury wywoáana spawaniem laserowym jest przyczyną silnego zróĪnicowania wáasnoĞci materiaáu w poszczególnych strefach záącza, przy czym róĪnice te dotyczą zarówno wáasnoĞci statycznych (rys.5.5), jak i cyklicznych (rys.5.22). Na podstawie porównania wáasnoĞci statycznych i cyklicznych (zmĊczeniowych) wykazano jednoczeĞnie, Īe cyklicznie zmienne obciąĪenie spowodowaáo zmianĊ stanu materiaáu w stosunku do obciąĪeĔ statycznych (rys.5.20 i 5.24), objawiającą siĊ jego osáabieniem.

Wyznaczane w zaprezentowany sposób lokalne wáasnoĞci cykliczne záącza mogą znaleĨü bezpoĞrednie zastosowanie zarówno w odksztaáceniowych metodach obliczeĔ trwaáoĞci zmĊczeniowej spawanych elementów konstrukcyjnych (punkt 2.1c), jak i numerycznej analizie stanu odksztaáceĔ i naprĊĪeĔ w poáączeniach spawanych, w tym w poáączeniach wykonanych technikami spawania laserowego. MoĪliwoĞü wyznaczania lokalnych, cyklicznych wáasnoĞci materiaáowych powinna wpáynąü takĪe na skutecz-noĞü numerycznej analizy stanu odksztaáceĔ i naprĊĪeĔ w innych elementach konstruk-cyjnych wykazujących zróĪnicowanie wáasnoĞci materiaáowych.

Rejestracja przebiegów pĊtli histerezy w poszczególnych strefach záącza spawane-go umoĪliwia takĪe, obok analizy cyklicznych wáasnoĞci materiaáowych, wyznaczanie odksztaáceniowych i energetycznych wykresów trwaáoĞci zmĊczeniowej.

Przedstawione w pracy wyniki badaĔ pozwalają stwierdziü, Īe zastosowana w ba-daniach metoda stopniowego wzrostu w poáączeniu z metodą laserowej interferometrii siatkowej umoĪliwiáa skuteczne wyznaczenie lokalnych wáasnoĞci materiaáowych w poszczególnych strefach záącza spawanego laserowo. Pozwala to wnioskowaü, Īe równieĪ w innych przypadkach lokalnego zróĪnicowania wáasnoĞci materiaáowych bĊdzie moĪliwe wyznaczenie danych niezbĊdnych do ich opisu.

6. Rozk áad odksztaáceĔ w obszarach nieciągáoĞci geometrycznych i zróĪnicowanych wáasnoĞci materiaáowych

6.1. Wprowadzenie

MoĪliwoĞü powstawania pĊkniĊü zmĊczeniowych w miejscach spiĊtrzeĔ naprĊĪeĔ i odksztaáceĔ to najczĊstszy przypadek zakáadany w analizie zmĊczeniowej róĪnorod-nych obiektów techniczróĪnorod-nych. W wiĊkszoĞci rozwaĪaĔ i analiz podstawowe znaczenie nadaje siĊ w tym zakresie karbom geometrycznym. Jednak jak wykazaáy badania przed-stawione w rozdziale 5. gradient odksztaáceĔ moĪe byü takĪe spowodowany zróĪnico-waniem wáasnoĞci materiaáowych.

Obiektami, w których omawiane zagadnienia znajdują silne odbicie są poáączenia spawane. Omawiane w rozdziale 2. metody obliczeĔ trwaáoĞci zmĊczeniowej poáączeĔ spawanych, a w tym w szczególnoĞci metody bazujące na podejĞciu lokalnym, traktują obydwa Ĩródáa koncentracji odksztaáceĔ niezaleĪnie, np. poprzez analizĊ wspóáczynnika spiĊtrzenia naprĊĪeĔ Kt i wybór w analizie trwaáoĞci zmĊczeniowej cyklicznych wáasno-Ğci materiaáowych dla jednej ze stref záącza: materiaáu rodzimego lub strefy wpáywu ciepáa. Takie podejĞcie nie gwarantuje jednak peánego uwzglĊdnienia skutków oddzia-áywania nieciągáoĞci geometrycznych i niejednorodnoĞci materiaáowych wystĊpujących w elementach konstrukcyjnych. DoĞwiadczalną analizĊ áącznego wpáywu dziaáania karbu oraz zróĪnicowania wáasnoĞci zmĊczeniowych na rozkáad odksztaáceĔ przedsta-wiono na przykáadzie záącza spawanego poddanego cyklicznemu obciąĪeniu.

Badania rozkáadów odksztaáceĔ w poáączeniu spawanym przeprowadzono na záą-czu laserowym modelu stalowej struktury panelowej typu „sandwich” (rys.6.1), w któ-rej dwie równolegáe páyty zewnĊtrzne poáączone są poprzez prostopadáe do ich po-wierzchni przegrody (wzmocnienia). Przegrody te mocowane są do páyt spoinami lase-rowymi wykonywanymi od zewnĊtrznej strony panelu.

spoina

páyta zewnĊtrzna przegroda

Rys. 6.1. Stalowa struktura panelowa typu „sandwich” firmy (MW Niemcy) [50]

UwagĊ skoncentrowano gáównie na badaniach odksztaáceĔ w pojedynczym záączu w próbkach o budowie pokazanej na rysunku 6.2. Pobierane do badaĔ fragmenty panelu obejmowaáy páytĊ z jednostronnie przyspawanymi przegrodami. Materiaá páyty i prze-grody stanowiáa stal okrĊtowa o skáadzie chemicznym podanym w tablicy 6.1.

Analiza makrostruktury próbek wykazaáa charakterystyczną dla záączy lasero-wych, wykonanych w stalach ferrytycznych, postaü strefy wpáywu ciepáa i spoiny. Ich ksztaát oraz wymiary pokazano na rysunku 6.3.

Tablica 6.1. Skáad chemiczny materiaáu páyty i przegrody (w % zawartoĞci)

C Si S P Mn Ni Cr Mo

0,083 0,004 0,007 0,014 0,393 0,066 0,024 0,000 Cu Ti Al Sn Zn Mg Cr Páyta

0,021 0,004 0,036 0,004 0,019 0,044 0,039

C Si S P Mn Ni Cr Mo

0,033 0,000 0,014 0,010 0,207 0,052 0,021 0,004 Cu Ti Al Sn Zn Mg Cr Przegroda

0,018 0,004 0,030 0,004 0,018 0,044 0,034 a)

páyta zewnĊtrzna przegroda

4 2

30 spoina laserowa

Rys. 6.2. Próbka do badaĔ: a) fragment panelu typu „sandwich”, b) próbka, c) wymiary próbki

0,17

páyta zewnĊtrzna przegroda

SWC S

MR 1,31

Rys. 6.3. Makrostruktura záącza w próbce

Wyniki badaĔ mikrograficznych záącza z oznaczonymi strefami wpáywu ciepáa i spoiny pokazano na rysunku 6.4a. ZróĪnicowanie wáasnoĞci materiaáu w strefie záącza widoczne jest takĪe na wykresie rozkáadu mikrotwardoĞci przedstawionym na rysunku 6.4b.

100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

-3 -2 -1 0 1 2 3

S SWC

SWC S

TwardoĞü, HV

SWC

MR b)

OdlegáoĞü od Ğrodka spoiny, mm

Rys. 6.4. Mikrostruktura (a) i twardoĞü (b) záącza w páycie zewnĊtrznej

Rysunek 6.5a ilustruje wykres statycznego rozciągania oraz wartoĞci granicy pla-stycznoĞci Re, wytrzymaáoĞci doraĨnej Rm i moduáu E wyznaczone dla próbki pokazanej na rysunku 6.5b.

a) b)

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550

0 5 10 15 20 25 30

NaprĊĪenie ı, MPa

Odksztaácenie İ, %

Re Rm E

MPa MPa MPa

450 520 2.0 10⁵

Rys. 6.5. WáasnoĞci statyczne materiaáu páyty (a) dla próbek panelu typu „sandwich” (b)

W trakcie badaĔ analizowano rozkáady odksztaáceĔ w strefie záącza powstające w wyniku obciąĪenia próbki siáą osiową zgodnie ze schematem pokazanym na rysunku 6.6a. Do pomiaru odksztaáceĔ w dwóch kierunkach x i y w polu o wymiarach okoáo 3 mm x 4 mm zastosowano system laserowego ekstensometru siatkowego LES. Pole pomiaru odksztaáceĔ objĊáo fragment páyty zewnĊtrznej i przegrody. Jego poáoĪenie przedstawiono na rysunku 6.6. Z kolei na rysunku 6.7 pokazano próbkĊ z zamocowaną gáowicą pomiarową LES.

Program badaĔ (rys.6.8), opisany w tablicy 6.2, obejmowaá realizacjĊ prób zmĊ-czeniowych, podczas których analizowano rozkáady odksztaáceĔ w próbkach poddanych obciąĪeniom jednostronnie zmiennym o wspóáczynniku asymetrii cyklu R = 0. Próby realizowano dla kontrolowanej wartoĞci naprĊĪenia nominalnego S. Dla wiĊkszoĞci próbek, w pierwszym cyklu obciąĪenia realizowano pomiar odksztaáceĔ z zadanym krokiem przyrostu naprĊĪenia nominalnego S. W dalszej czĊĞci próby zmĊczeniowej pomiar odksztaáceĔ odbywaá siĊ dla piĊciu faz cyklu, co zadaną liczbĊ cykli obciąĪenia ǻni, aĪ do pojawienia siĊ pĊkniĊcia.

a) b)

spoina laserowa 2,75

3,6

pole pomiarowe

x y siatka

przedmiotowa

przegroda páyta

Rys. 6.6. Pole pomiaru odksztaáceĔ: a) widok próbki z naniesioną siatką przedmiotową, b) poáoĪe-nie pola pomiarowego

próbka gáowica LES

Rys. 6.7. Próbka z zamocowaną gáowicą LES w trakcie badaĔ

a) b)

P V U

SiáaP

czas Punkty

pomiarowe

ǻni

ǻP

Rys. 6.8. Program badaĔ: a) sposób obciąĪania próbek, b) przebieg obciąĪenia

Tablica 6.2. Program badaĔ

Zakres trwaáoĞci, kilocycle Lp. Siáa

Pmax, kN

Nap.nom.

Smax, MPa

Krok

ǻS, MPa Krok pomiaru ǻni, cykle

do 0,1 0,1-1 1-60 60-68 68-88

1 21 350 -

10 100 500 1000 2000

0,1-53*

2 23 383 17

500

0,1-1,8 1,8-71 71-242

3 18 300 2-12

100 500 1000 0,1-3,9 3,9-23 23-38

4 24 400 34

100 200 100 0,1-0,5 0,5-75 75-94,6 94,6-107

5 24 400 -

100 500 100 200 0,05-8,2 8,2-13,5 13,5-64 64-75,8 75,8-83

6 24 400 17

100 500 1000 100 500

* próba nie zakoĔczona

6.2. Wyniki badaĔ oraz ich analiza

A. Rozkáad odksztaáceĔ w strefie záącza w pojedynczym cyklu obciąĪenia

Wyniki pomiarów odksztaáceĔ w pojedynczym cyklu obciąĪenia przedstawiono na przykáadzie próbki oznaczonej w tablicy 6.2 numerem 6. Na podstawie zarejestrowa-nych map prąĪków interferencyjzarejestrowa-nych wyznaczono rozkáady odksztaáceĔ dla kierunków x i y, a ich wybrane przykáady pokazano na rysunkach 6.9 i 6.10.

S = 51 MPa S = 135 MPa S = 218 MPa S = 285 MPa

S = 352 MPa S = 368 MPa S = 385 MPa S = 400 MPa

-0,2 % 0,3 %

páyta przegroda

İy

P P

x y

Rys. 6.9. Przykáadowe mapy rozkáadu odksztaáceĔ w záączu dla kierunku y

S = 51 MPa S = 135 MPa S = 202 MPa S = 285 MPa

S = 352 MPa S = 368 MPa S = 385 MPa S = 400 MPa

–0,3 % 0,1 %

páyta przegroda

İx

P P

x y

Rys. 6.10. Przykáadowe mapy rozkáadu odksztaáceĔ w záączu dla kierunku x

Spoina laserowa áącząca páytĊ z przegrodą w bardzo istotny sposób wpáywa na stan odksztaáceĔ w próbce, powodując zaburzenia ich jednorodnego rozkáadu. Pokazane na rysunku 6.11 rozkáady odksztaáceĔ w strefie záącza w próbce obciąĪonej osiową siáą rozciągającą (dla S = 400 MPa) wskazują na wystĊpowanie gradientów odksztaáceĔ wywoáanych zarówno zróĪnicowaniem wáasnoĞci materiaáowych w strefie spoiny, jak i karbem geometrycznym, jakim jest samo záącze w obszarze przejĞcia z páyty do prze-grody. W przypadku odksztaáceĔ w kierunku y (kierunek dziaáania obciąĪenia – rys.6.11a), poáączenie spoiną dwóch elementów, z których jeden jest obciąĪony siáa osiową, a drugi pozostaje w stanie swobodnym spowodowaáo, Īe w spoinie na odcinku przejĞcia pomiĊdzy páytą a przegrodą musiaáa nastąpiü gwaátowna zmiana odksztaáceĔ z rozciągających w páycie do zbliĪonych do zera w przegrodzie. Doprowadziáo to do powstania silnego gradientu odksztaácenia na caáej szerokoĞci spoiny. Podobny efekt zaobserwowano w przypadku analizy odksztaáceĔ w kierunku x (rys.6.11b), przy czym w tym przypadku w páycie powstaáy odksztaácenia Ğciskające, a w przegrodzie niewiel-kie odksztaácenia rozciągające.

Przedstawione rozkáady odksztaáceĔ pozwoliáy takĪe zaobserwowaü wystĊpowanie gradientu odksztaáceĔ w kierunku wzdáuĪnym próbki. Jednak w tym przypadku wywo-áany jest on gáównie zróĪnicowaniem wáasnoĞci materiaáu w poszczególnych strefach záącza i ujawniá siĊ przy wyĪszych wartoĞciach naprĊĪenia nominalnego. Szczegóáowy przebieg rozkáadu odksztaáceĔ w przekrojach poprzecznych i wzdáuĪnych próbki dla kolejnych poziomów naprĊĪenia nominalnego S pokazano na rysunku 6.12.

0.25 ÷ 0.3

Rys. 6.11. Strefy odksztaáceĔ rozciągających i Ğciskających w záączu

a) b)

Odksztaácenie İy, %

Y, mm X, mm

spoina SWC

páyta

İ_y İ_x İ_y İ_x

Odksztaácenie İx, %

Y, mm X, mm

Rys. 6.12. Przebieg zmian rozkáadu odksztaáceĔ İy(a,b) i İx (c,d) w záączu laserowym dla kolej-nych poziomów naprĊĪenia nominalnego S

Analiza zmian rozkáadów odksztaáceĔ İyiİx wzdáuĪ osi Y wskazuje na stopniowy, proporcjonalny do zmian obciąĪenia przebieg zmian odksztaáceĔ, co moĪe wskazywaü naĞciĞle „geometryczny” (wywoáany dziaáaniem karbu) charakter spiĊtrzenia odksztaá-ceĔ. Nieco inaczej przebiegaáy zmiany rozkáadu odksztaáceĔ wzdáuĪ osi X, w szczegól-noĞci w kierunku y (rys.6.12b). Gradienty odksztaácenia w strefie przejĞcia pomiĊdzy

spoiną, strefą wpáywu ciepáa a materiaáem rodzimym ujawniáy siĊ gáównie przy wyĪ-szych wartoĞciach naprĊĪeĔ nominalnych, co moĪe byü związane ze zróĪnicowaniem wáasnoĞci materiaáu w analizowanych strefach. Jednak na przebieg zmian odksztaáceĔ w tym przypadku wpáywa takĪe geometria poáączenia. Na wykresie (rys.6.13a) pokaza-no przebieg zmian odksztaáceĔ w kierunku obciąĪenia İ_y odniesionych do kolejnych poziomów naprĊĪenia nominalnego S w wybranych strefach próbki zaznaczonych na rysunku 6.13b. Pozwalają one zauwaĪyü uplastycznienie materiaáu rodzimego w są-siedztwie strefy wpáywu ciepáa SWC, przy czym jest ono tym wiĊksze im bliĪej karbu (poáączenie páyta-przegroda).

NaprĊĪenie nominalne S, MPa

Rys. 6.13. Przebieg zmian odksztaácenia w pierwszym cyklu obciąĪenia: a) wykres S-İy, b) punkty pomiarowe

Takie zachowanie materiaáu oraz efekty spiĊtrzenia odksztaáceĔ wywoáane dziaáa-niem karbu geometrycznego powodują, Īe w próbce wystĊpuje kilka obszarów o po-dobnej maksymalnej wartoĞci odksztaáceĔ, pokazanych na rysunku 6.14. Analiza roz-káadów odksztaáceĔ pod kątem ich maksymalnych wartoĞci lokalnych wywoáanych pierwszym cyklem obciąĪenia nie zawsze odzwierciedla jednak sytuacjĊ wystĊpującą w próbce w trakcie obciąĪenia cyklicznego, a w szczególnoĞci w przypadku wspóáczyn-nika asymetrii cyklu R = 0. W wiĊkszoĞci znanych kryteriów oceny trwaáoĞci zmĊcze-niowej wiĊksze znaczenie ma analiza amplitudy lub zakresu odksztaácenia.

Dla zobrazowania zmian odksztaáceĔ İ_xiİ_y w peánym cyklu obciąĪenia na rysunku 6.15 przedstawiono rozkáad zakresu zmian ich sumy geometrycznej İw obliczanej zgod-nie z zaleĪnoĞcią (3.3) w porównaniu z rozkáadem ich maksymalnych wartoĞci w prób-ce w pierwszym cyklu obciąĪenia.

a) b)

obszary maksymalnych odksztaáceĔ İy

İ_y

páyta

İ_x przegroda

obszary maksymalnych odksztaáceĔ İx

Rys. 6.14. PoáoĪenie stref maksymalnych odksztaáceĔ lokalnych w próbce: a) odksztaácenia İy, b) odksztaácenia İx

a) b)

obszary maksymalnych odksztaáceĔ İw

İ_w

páyta

ǻİ_w przegroda

obszary maksymalnego zakresu odksztaáceĔ ǻİw

Rys. 6.15. Suma geometryczna odksztaáceĔ İw: a) poáoĪenie maksymalnych wartoĞci İw, b) po áo-Īenie maksymalnych wartoĞci zakresu odksztaácenia İw w pierwszym cyklu obciąĪe-nia

Z przedstawionego porównania wynika, Īe strefy o maksymalnym odksztaáceniu lokalnym nie staáy siĊ jednoczeĞnie obszarami o najwiĊkszym zakresie odksztaáceĔ w cyklu. Maksymalne odksztaácenia lokalne zajmowaáy obszar na granicy materiaáu rodzimego i strefy wpáywu ciepáa, zaĞ maksymalny zakres odksztaáceĔ w cyklu prze-mieĞciá siĊ w kierunku przejĞcia pomiĊdzy páytą a przegrodą, które jednoczeĞnie stano-wi granicĊ pomiĊdzy materiaáem spoiny a strefą wpáywu ciepáa.

RóĪnice zakresów odksztaáceĔ İ_w w rozpatrywanych obszarach záącza byáy sto-sunkowo niewielkie. Jednak porównanie rozkáadu odksztaácenia İ_w w przekrojach ozna-czonych na rysunku 6.16 pozwala zaobserwowaü silne zróĪnicowanie gradientów od-ksztaáceĔ w kierunku prostopadáym do osi obciąĪenia próbki.

0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30

A B C D E İw, %

páyta

A B

D C

S = 400 MPa

0,25 0,30

0,20 0,15

0,10 0,05

Rys. 6.16. Rozkáady odksztaáceĔ İw w strefie záącza

Na rysunku 6.17 zestawiono rozkáady wartoĞci gradientu Ȥ odksztaácenia İ_w w roz-patrywanym obszarze badanych záączy oraz odpowiadające im rozkáady zakresu od-ksztaáceĔ wyznaczone w trakcie badaĔ dla trzech róĪnych wartoĞci amplitudy naprĊĪe-nia nominalnego. WartoĞü gradientu obliczano jako

∆w

χ = ∆ (6.1)

gdzie:

∆εw – oznacza zakres zmiany odksztaácenia İ_w w % na odcinku o dáugoĞci∆L.

Pokazane na rysunku 6.17b rozkáady wartoĞci gradientów wyznaczano dla kierun-ku prostopadáego do kierunkierun-ku dziaáania obciąĪenia. NajwiĊksze wartoĞci tak okreĞlone-go gradientu Ȥ wystąpiáy w strefie przejĞcia pomiĊdzy páytą a przegrodą na krawĊdziach spoiny. Powiązanie informacji o gradiencie odksztaácenia i danych o maksymalnej war-toĞci jego zakresu w cyklu pozwoliáo wskazaü obszar przejĞcia jako najbardziej praw-dopodobne miejsce inicjacji pĊkniĊcia zmĊczeniowego.

a) rozkáad zakresu zmiennoĞci b) rozkáad gradientów odksztaáceĔ İw

odksztaáceĔ İww cyklu obciąĪenia w cyklu obciąĪenia

0% ǻİw 0,3% 0 Ȥ 0,04

páyta przegroda

S = 300 MPa

S = 350 MPa

S = 400 MPa

Rys. 6.17. Rozkáady zakresów zmiennoĞci odksztaáceĔ İw w pojedynczym cyklu obciąĪenia (a) oraz ich gradientów Ȥ wyznaczane w kierunku poprzecznym do kierunku dziaáania obciąĪenia (b)

Przy przewidywaniu miejsca inicjacji i sposobu rozwoju pĊkniĊcia zmĊczeniowe-go w badanych záączach nie moĪna zapomnieü o wpáywie innych czynników, takich jak efekty stykowe lub naprĊĪenie wáasne wywoáane procesem spawania. Wyniki badaĔ zmĊczeniowych przeprowadzonych w pracy [15, 27] pokazaáy ponadto moĪliwoĞü wieloogniskowego pĊkania i „jednoczesnej” inicjacji pĊkniĊü wzdáuĪ szerokoĞci próbki, w tym takĪe w páycie, w strefie przejĞcia pomiĊdzy materiaáem rodzimym i strefą wpáywu ciepáa od strony lica spoiny. Stwierdzenie, który z rozwaĪanych parametrów bĊdzie w wyĪszym stopniu decydowaá o pĊkniĊciu, moĪe pomóc w rozwoju modeli zmĊczeniowych stosowanych w lokalnych metodach oceny trwaáoĞci zmĊczeniowej.

B. Przebieg zmian odksztaáceĔ w trakcie obciąĪenia zmĊczeniowego w miejscach inicjacji pĊkniĊcia zmĊczeniowego

Wyniki badaĔ odksztaáceĔ lokalnych w wybranych strefach záącza

Przeprowadzona analiza odksztaáceĔ w záączu pozwoliáa wskazaü jego obszary szczególnie zagroĪone powstaniem pĊkniĊcia zmĊczeniowego. W dalszej czĊĞci pracy przedstawiona zostanie analiza przebiegu zmian stanu odksztaácenia w analizowanych obszarach záącza w trakcie cyklicznie zmiennego obciąĪenia staáoamplitudowego o wspóáczynniku asymetrii cyklu R = 0.

Pomiary odksztaáceĔ zrealizowane w warunkach obciąĪeĔ zmiennych, umoĪliwiáy wyznaczenie ich rozkáadów w analizowanych obszarach záącza w kolejnych fazach cyklu i dla wskazanych cykli obciąĪenia. Pozwoliáo to na analizĊ przebiegu zmiennoĞci wybranych parametrów opisujących stan odksztaáceĔ w záączu i wskazanie ich związku z miejscami inicjacji pĊkniĊcia zmĊczeniowego. Na rysunku 6.18 pokazano przykáado-we rozkáady odksztaáceĔ w próbce, wyznaczone dla maksymalnej wartoĞci naprĊĪenia nominalnego w cyklu równej S = 400 MPa, w okresie poprzedzającym pojawienie siĊ pĊkniĊcia zmĊczeniowego.

Podobnie jak w przypadku analizy odksztaáceĔ w pierwszym cyklu obciąĪenia, do áącznego opisu odksztaáceĔ w kierunku dziaáania obciąĪenia İ_y i w kierunku poprzecz-nym do jego kierunku İ_x, zastosowano geometryczną sumĊ ich wartoĞci İ_w obliczaną zgodnie z zaleĪnoĞcią (3.3). W analizie wyników badaĔ szczególną uwagĊ zwrócono na obszary próbki najbardziej naraĪone na dziaáanie obciąĪeĔ zmiennych. Ich poáoĪenie wyznaczone na podstawie analiz opisanych w punkcie 6.2.A, a takĪe oznaczenia stoso-wane w dalszej czĊĞci rozdziaáu pokazano na rysunku 6.19.

N = 10

N = 6000

N = 12000

N = 18000

N = 24000 Liczba cykli -0,1% 0,4% -0,25% 0,15% -0,15% 0,4%

İ_y İ_x İ_w

Rys. 6.18. Rozkáady maksymalnych odksztaáceĔ İy , İx i İw dla Smax= 400 MPa w róĪnych okre-sach trwaáoĞci

przegroda

páyta 3

1 2

Rys. 6.19. Strefy analizy zmian odksztaáceĔ w záączu spawanym

Obszary analizy, oznaczone jako 1 i 2, znajdują siĊ w strefie przejĞcia pomiĊdzy páytą a przegrodą, a sąsiadujące z nimi „punkty” 3 i 4 zlokalizowano w obszarze mak-symalnych odksztaáceĔ w materiale rodzimym na granicy ze strefą wpáywu ciepáa. Na rysunku 6.20 zestawiono przebiegi odksztaáceĔ maksymalnych İ_maxoraz przebiegi za-kresu odksztaácenia w cyklu obciąĪenia ǻİ wyznaczone dla tak oznaczonych stref záą-cza. Przedstawione porównanie odksztaáceĔ pozwala stwierdziü nieco odmienny cha-rakter zmian ich wartoĞci w kolejnych cyklach obciąĪenia zmĊczeniowego. W przypad-ku odksztaáceĔ maksymalnych İ_max, we wszystkich strefach analizy, ich wartoĞü wzrasta lub po niewielkim wzroĞcie w początkowym okresie trwaáoĞci stabilizuje siĊ na staáym poziomie, podczas gdy wartoĞü zakresu odksztaáceĔ w cyklu ǻİ, po początkowym okre-sie wzrostu, w trakcie dalszego obciąĪania zaczyna spadaü.

Wzrost wartoĞci odksztaáceĔ maksymalnych İ_max, obserwowany zarówno w przy-padku odksztaáceĔ İ_x, jak i İ_y, wynika gáównie z efektu cyklicznego páyniĊcia materiaáu.

Efekt ten wywoáany jest jednostronnym charakterem obciąĪenia w warunkach wystĊ-powania odksztaáceĔ plastycznych.

Cykliczne páyniĊcie materiaáu pomijane jest w przypadku analizy zakresu zmien-noĞci odksztaáceĔ ǻİ w pojedynczym cyklu obciąĪenia. Widoczne na rysunku 6.20 stopniowe zmniejszanie wartoĞci ǻİ, przy staáej amplitudzie naprĊĪenia nominalnego, moĪe Ğwiadczyü o lokalnym umacnianiu siĊ materiaáu. Podobnie jak w poprzednim przypadku dotyczy ono wszystkich analizowanych stref w záączu.

Przy porównywalnych wartoĞciach odksztaáceĔ maksymalnych İ_maxw strefach 1, 2, 3 i 4, najwiĊksze wartoĞci ǻİ wystĊpują w strefach 1 i 2. Jest to szczególnie dobrze widoczne w przypadku porównania zakresu zmiennoĞci geometrycznej sumy odksztaá-ceĔ ǻİ_w w strefach 1,2,3 i 4 pokazanej na rysunku 6.21.

0.05

0 10000 20000 30000 -0.3

Rys. 6.20. Porównanie przebiegu zmian odksztaáceĔ İmax i ǻİ w trakcie zmiennego obciąĪenia w strefach 1 i 3 (a), 2 i 4 (b), 1 i 2 (c) oraz 3 i 4 (d)

0.2 0.25 0.3 0.35

0 10000 20000 30000

0.2 0.25 0.3 0.35

0 10000 20000 30000

İ_w , % ^maksimum ǻİ_w, % zakres w cyklu

Liczba cykli Liczba cykli

a) b)

Rys. 6.21. Porównanie przebiegu zmian odksztaáceĔ İ_w (a) i ich zakresuǻİ_w (b) w trakcie cy-klicznie zmiennego obciąĪenia w strefach 1,2 ,3 i 4

Z kolei porównanie odksztaáceĔ İ_max i ǻİ w strefach 1 i 2 (rys.6.20c) oraz 3 i 4 (6.20d) leĪących po przeciwnych stronach spoiny pozwala zauwaĪyü zbliĪony charakter ich zmian. MoĪe to Ğwiadczyü o symetrii obciąĪenia próbki i porównywalnych wáasno-Ğciach materiaáu – odpowiednio w strefach 1 i 2 oraz 3 i 4.

Miejsca inicjacji pĊkniĊcia zmĊczeniowego

Analiza związku stanu odksztaáceĔ lokalnych z przebiegiem procesu pĊkania wy-maga znajomoĞci miejsc inicjacji pĊkniĊcia zmĊczeniowego. W badanych záączach pĊkniĊcia kaĪdorazowo powstawaáy w strefie przejĞcia pomiĊdzy páytą a przegrodą. Na rysunku 6.22 pokazano typowy przykáad pĊkniĊü, które inicjowaáy z jednej lub drugiej strony spoiny (strefy 1 i 2) lub jednoczeĞnie z obydwu jej stron.

Smax= 400 MPa

páyta

N = 83 000

pĊkniĊcie

przegroda

Rys. 6.22. Przykáad pĊkniĊcia zmĊczeniowego w strefie 2

Analiza przebiegu zmian odksztaáceĔ w badanych próbkach pozwoliáa zauwaĪyü, Īe pĊkniĊcia zmĊczeniowe powstawaáy w miejscu wystĊpowania maksymalnych warto-Ğci zakresu odksztaácenia w cyklu, co jest zgodne z zaáoĪeniami powszechnie stosowa-nych metod analizy zmĊczeniowej. NaleĪy jednak pamiĊtaü o tym, Īe poáoĪenie miejsc o najwiĊkszych zakresach odksztaáceĔ w cyklu nie pokrywa siĊ z miejscami maksymal-nych odksztaáceĔ lokalmaksymal-nych w próbce wyznaczonymi w analizie statycznej.

W dokumencie Doświadczalna analiza rozkładów odkształceń w strefach zmęczeniowego pękania (Stron 87-112)