Konstrukcja narzędzi do analizy odkształcalności materiałów

Optymalizacja kształtu próbki

Na podstawie analizy literaturowej oraz wykonanych badań stwierdzono, że kształt ściskanej próbki decyduje o wielkości stref koncentracji naprężeń rozciągających, które w dużej mierze są odpowiedzialne za powstawanie pęknięć. Modyfikacji kształtu próbki dokonano w oparciu o kryteria:

• zawężenia strefy koncentracji niekorzystnego stanu naprężeń (głównie rozciągających), • powtarzalności kształtu próbek przy zminimalizowaniu kosztów ich wykonania.

a) b) c)

Rys. 5.8. Przykładowe kształty próbek do testu ściska z zaznaczonymi na czerwono strefami koncentracji naprężeń rozciągających.

Biorąc pod uwagę powyższe założenia szczegółowej analizie poddano trzy kształty próbek: cylindryczną (ściskaną w pozycji wertykalnej i horyzontalnej), cylindryczną z kołnierzem w połowie jej wysokości oraz prostopadłościenną.

Metodykę ściskania próbki cylindrycznej i jej ograniczenia opisano w podrozdziale 5.1. Ułożenie próbki w pozycji horyzontalnej wnosi kilka istotnych zmian związanych z warunkami brzegowymi testu. Przede wszystkim odkształcenie względne liczone jest w oparciu o pomiar średnicy, a nie wysokości próbki. Dużym udogodnieniem jest obszar lokalizacji pęknięć. Próbka w pozycji horyzontalnej pęka na ścianie płaskiej, co znacznie ułatwia obserwację próby i określenie wysokości w momencie pęknięcia. Niestety próbki wykonane z materiałów charakteryzujących się wysoką odkształcalnością mogą pękać również na powierzchni bocznej próbki. Ponadto zadawanie dużych odkształceń powoduje bardzo gwałtowny wzrost siły, spowodowany występowaniem dużej powierzchni styku materiału z narzędziami. Na rysunku 5.9 przedstawiono przebieg testu ściskania próbki z aluminium. Rejestracja próby z wykorzystaniem systemu DIC (opisanego w podrozdziale 5.3) pozwoliła na dokonanie pomiaru początkowych wymiarów próbki (rys. 5.9a), wymiarów przed pęknięciem (rys. 5.9b) i bezpośrednio po pęknięciu (rys. 5.9c).

Rys. 5.9. Przebieg testu ściskania próbki cylindrycznej w pozycji horyzontalnej: a) początek operacji, b) kształt przed pęknięciem, c) kształt bezpośrednio po pęknięciu.

Cylindryczna próbka z kołnierzem charakteryzuje się najmniejszą powierzchniowo strefą koncentracji naprężeń rozciągających (rys. 5.8). Niestety podobnie jak w przypadku próbki cylindrycznej strefa ta jest rozmieszczona równomiernie na całym obwodzie próbki. Ponadto do pęknięcia dochodzi w kołnierzu, który nie odkształca się plastycznie podczas próby. Analizując test (rys. 5.10) można również zauważyć, że strefa, w której spodziewane jest pęknięcie charakteryzuje się niższą temperaturą od pozostałej części próbki z powodu niewielkiej grubości kołnierza. Wszystkie te rozważania przyczyniły się do odrzucenia tego kształtu próbek. Dodatkowym czynnikiem, który o tym zdecydował był sam kształt próbki, który związany jest z dość dużymi stratami materiału generowanymi podczas wykonywania kołnierza.

a) b) c) d)

Rys. 5.10. Przebieg testu ściskania na gorąco próbki cylindrycznej z kołnierzem.

Ostatnim rozważanym kształtem próbki był prostopadłościan. W porównaniu z próbką cylindryczną możliwe jest zastosowanie próbki o większej smukłości. Zakłada się, że próbki cylindryczne można spęczać bez ryzyka ich wyboczenia wówczas, gdy stosunek wysokości do średnicy nie przekracza 2,5. W przypadku próbek prostopadłościennych stosunek ten nie powinien przekraczać 3,5. Oznacza to, że ściskając próbkę prostopadłościenną możliwa jest większa redukcja wysokości, co jest istotne głównie pod kątem materiałów charakteryzujących się dużą odkształcalnością.

Na rysunku 5.11 przedstawiono schematyczne porównanie ułożenia próbek pomiędzy płaskimi narzędziami (5.11a, b, c) oraz kształt próbek po ściskaniu odpowiednio dla próbki cylindrycznej - pozycja wertykalna (rys. 5.11d) i horyzontalna (rys. 5.11e) oraz prostopadłościennej (rys. 5.11f). Na szczególną uwagę zasługuje kształt próbki prostopadłościennej po wykonanym teście. Widać wyraźnie, że pęknięcie zlokalizowane jest

w połowie szerokości ścianki bocznej, co pozwala na znaczne ograniczenie stref poddawanych obserwacji.

a) b) c)

d) e) f)

Rys. 5.11. Schematyczne ułożenie próbek do testu ściskania (a-c) oraz ich kształt po procesie z widocznymi pęknięciami (d-f).

Powyższa analiza pozwoliła na dokonanie wyboru kształtu próbki do dalszych modyfikacji testu ściskania. Biorąc pod uwagę założone kryteria zdecydowano się na kształt prostopadłościenny. Możliwe jest zadawanie dużych odkształceń, a strefa koncentracji parametrów krytycznych zawężone jest do środkowej części ścian bocznych.

Tabela 5.2. Zestawienie wad i zalet rozważanych kształtów próbek.

Kształt próbki Zalety Wady

Cylindryczny (położenie wertykalne)

• Nieskomplikowany kształt, • Duża strefy spodziewanej koncentracji niekorzystnego stanu naprężeń

• Pęknięcia występują na całym obwodzie próbki, co utrudnia ich obserwację Cylindryczny

(położenie horyzontalne)

• Pękanie lokalizuje się na płaskich powierzchniach próbki, co ułatwia rejestrację wyników próby

• Gwałtowny wzrost powierzchni styku materiału z narzędziami, powodujący wzrost siły nacisku

• Najmniejsza możliwość redukcji wysokości

Cylindryczny z kołnierzem

• Najmniejsza powierzchniowo strefa koncentracji niekorzystnego stanu naprężeń

• Duża strata materiału,

• Pęknięcia występują w kołnierzu, który nie odkształca się plastycznie

Prostopadłościenny • 4 strefy koncentracji niekorzystnego stanu naprężeń

• Możliwa największa redukcja wysokości

• Konieczność zachowania wzajemnej równoległości przeciwległych ścian

Modyfikacja kształtu narzędzi

Kolejnym obszarem modyfikacji dotychczas stosowanego testu ściskania była zmiana kształtu narzędzi, która miała na celu zwiększenie koncentracji naprężeń sprzyjających pęknięciom. Inspiracją do podjęcia prób zmiany kształtu narzędzi była analiza płynięcia materiału w obszarze wypływki podczas kucia w matrycach otwartych, pod kątem rozkładu i koncentracji naprężeń i temperatury w czasie kucia, przy różnej dynamice odkształcania (rys. 5.12).

a) b) c)

Rys. 5.12. Etapy płynięcia materiału w obszarze wypływki: a) początek tworzenia się wypływki, b) czołowa część materiału w obszarze mostka, c) materiał w obszarze magazynka.

Analizując geometrię odkuwek, w których zdiagnozowano pęknięcia w obszarze wypływki stwierdzono, że naruszenie ciągłości materiału jest ściśle związane ze specyficzną budową matrycy. W obszarze mostka materiał jest ściskany i oddziałują na niego siły tarcia intensywniej hamujące jego płynięcie w miarę zbliżania się do powierzchni narzędzi. W strefie magazynka nie dochodzi do kontaktu materiału z narzędziami (zwłaszcza we wstępnym etapie płynięcia) czego skutkiem jest brak sił tarcia i swobodne płynięcie materiału.

Rys. 5.13. Schemat płynięcia materiału w obszarze wypływki:

dominacja naprężeń ściskających (kolor niebieski), dominacja naprężeń rozciągających (kolor czerwony). magazynek wypływki mostek wypływki narzędzie górne narzędzie dolne odkształcany materiał

Na granicy mostka i magazynka można wyodrębnić obszar o szczególnie dużym ryzyku inicjacji pęknięć, ponieważ z jednej strony materiał jest hamowany siłami tarcia, a z drugiej obserwowane jest jego przyspieszenie wywołane brakiem oporów płynięcia (rys. 5.13). Oprócz tego duże znaczenie ma fakt występowania w tym obszarze naprężeń obwodowych.

Śledząc dowolny punkt zlokalizowany w czołowej części płynącego materiału można zauważyć zmianę parametrów termomechanicznych w zależności od miejsca, w którym znajduje się materiał. Rysunek 5.14 przedstawia zmianę naprężeń średnich (rys. 5.14a) oraz wektorów prędkości przemieszczania materiału (rys. 5.14b) w wybranym punkcie w trakcie płynięcia materiału w wypływce. Początek płynięcia w mostku wypływki oszacowano na 2,66 s, natomiast płynięcie materiału w magazynku rozpoczyna się w 2,74 s. Można zauważyć zmianę naprężeń głównych z ujemnych (dominacja ściskania) na dodatnie (dominacja rozciągania) oraz nagły wzrost prędkości płynięcia materiału rozpoczynający się na granicy mostka i magazynka.

a) b)

Rys. 5.14. Zmiana wybranych parametrów w punkcie zlokalizowanym na czole materiału: a) naprężenie średnie, b) prędkość płynięcia materiału.

W oparciu o wnioski z powyżej przytoczonej analizy zaprojektowano kilka kształtów narzędzi, które miały na celu wykorzystywać tendencję do pękania materiału w obszarze wypływki podczas odkształcania (rys. 5.15). Ich konstrukcję oparto na następujących kryteriach:

• możliwość ściskania próbek o różnych gabarytach,

• wywołanie niekorzystnego stanu naprężeń w konkretnym obszarze próbki podczas ściskania,

• łatwe, szybkie i dokładne pozycjonowanie próbki (z myślą o testach w podwyższonych temperaturach).

a) b) c)

Rys. 5.15. Modele geometryczne wybranych narzędzi do zmodyfikowanych testów ściskania.

Ostatecznie, po licznych analizach opartych o symulację numeryczną, zdecydowano się na narzędzia, które umożliwiają spęczanie i dziurowanie materiału w czasie jednego testu, w zależności od przyjętych parametrów i wymiarów próbki. Na rysunku 5.16 przedstawiono przykładowe wyniki rozkładu wybranych parametrów. Można zauważyć, szczególnie w przypadku rysunków 5.16a i 5.16b, że wysokie wartości naprężeń koncentrują się w środkowej części ścianki bocznej próbki. W tym obszarze również zlokalizowano największe ryzyko pęknięć bazując na kryterium pękania Rice’a i Tracey’a (rys. 5.16d). Analizując rozkład naprężeń stycznych zaobserwowano trzy obszary koncentracji ich maksymalnych wartości: 1 – środkowa część ścianki bocznej (podobnie jak w przypadku naprężeń średnich i maksymalnego naprężenia głównego), 2 – górne naroża próbki, w sąsiedztwie narzędzia górnego. Oznacza to, że główną przyczyną pęknięć inicjowanych w drugim obszarze jest głównie niekorzystny rozkład naprężeń stycznych.

Zaproponowany kształt narzędzi ułatwia obserwację obszarów próbki, w których należy spodziewać się inicjacji pęknięcia. Jest to niezwykle istotne, gdyż jednym z elementów testu jest określenie momentu inicjacji pęknięcia. Dodatkowo w konstrukcji narzędzia dolnego uwzględniono wgłębienie pozwalające na szybkie pozycjonowanie próbki, co ma szczególne znaczenie przy prowadzeniu prób w podwyższonej temperaturze, gdzie istotne jest ścisłe przestrzeganie czasu chłodzenia w powietrzu podczas transportu z pieca.

W oparciu o powyższą analizę sporządzono dokumentację techniczną oraz na jej podstawie wykonano narzędzia do testu służącego wyznaczaniu odkształcalności granicznej materiałów podczas kucia. Przedstawione rozwiązanie pozwala na wykonanie dwóch operacji (spęczania i dziurowania) podczas jednego testu. Stosowane są próbki prostopadłościenne o długości boku podstawy do 37 mm i wysokości do 129 mm. Możliwe jest także wykonanie testu na próbkach osiowosymetrycznych o średnicy nie przekraczającej 37 mm i wysokości do 92 mm.

a) b)

c) d)

Rys. 5.16. Przykładowe wyniki analizy kształtu narzędzi przy pomocy symulacji numerycznej: a) rozkład maksymalnego naprężenia głównego, b) rozkład naprężeń średnich, c) rozkład maksymalnego

naprężenia stycznego, d) rozkład wartości kryterium pękania Rice’a i Tracey’a.

Gabaryty próbek są tak dobrane, aby:

• nie doszło do utraty stateczności elementu podczas testu,

• zadać odkształcenie względne o możliwie jak największej wartości,

• zapewnić łatwy dostęp do obserwacji powierzchni odkształcanych próbek.

a) b) c) d)

Rys. 5.17. Przekrój wzdłużny próbki i narzędzi podczas testu: a) początek, b) spęczanie próbki, c) dziurowanie, d) koniec procesu.

Zmniejszenie gabarytów próbki powoduje wydłużenie czasu jej spęczania (rys. 5.17b) przed dziurowaniem (rys. 5.17c). W zależności od stosowanego materiału oraz warunków próby można wyznaczyć minimalną wartość powierzchni podstawy próbek, dla których

będzie przeprowadzone jednocześnie spęczanie i dziurowanie. Po przekroczeniu tej wartości, przy określonych warunkach procesu, test będzie się składał tylko i wyłącznie z operacji spęczania, która zakończy się pęknięciem materiału.

Zaprojektowany zestaw narzędzi składa się z dwóch narzędzi (rys. 5.18a i 5.18b): dolnego (z wgłębieniem umożliwiającym prawidłowe pozycjonowanie próbek) i górnego (w postaci przebijaka o kwadratowej powierzchni roboczej). Test wykonywany jest do momentu wystąpienia pęknięcia materiału lub do osiągnięcia zadanej końcowej odległości między narzędziami. Opracowanie modeli geometrycznych (rys. 5.18c) umożliwia przeprowadzanie symulacji numerycznych testu, co pozwala na śledzenie zmian dowolnych parametrów procesu.

Narzędzia zostały wykonane ze stali narzędziowej WCLV i obrobione cieplnie w celu uzyskania twardości na poziomie 42 - 46 HRC. Finalna jakość powierzchni została osiągnięta na drodze zabiegów obróbki skrawaniem. Konstrukcja narzędzi umożliwia ich mocowanie w przestrzeni roboczej prasy laboratoryjnej 500T (scharakteryzowanej w rozdziale 5.3).

a) b) c)

Rys. 5.18. Narzędzia do analizy odkształcalności granicznej: a) w pierścieniach mocujących, b) zamontowane do prasy hydraulicznej, c) modele geometryczne zestawu do testów.

Weryfikację nowej metodyki określania odkształcalności granicznej zrealizowano na materiałach przeznaczonych do procesów kucia. Na poniższym rysunku przedstawiono wyniki ściskania próbki prostopadłościennej ze stopu aluminium (rys. 5,19a, b, c) z uwzględnieniem operacji spęczania i dziurowania oraz cylindrycznej próbki z tego samego materiału, którą poddano wyłącznie spęczaniu (rys. 5.19d, e, f). Różnice w wielkości odkształcenia względnego przed wystąpieniem pęknięcia jest wynikiem zastosowania różnej temperatury początkowej próbek, których zmiana podczas procesu była kontrolowana przy pomocy pirometru (czerwone punkty na powierzchni próbek).

Zaobserwowano różne rodzaje pęknięć w zależności od warunków danej próby. Naruszenie struktury elementu ściskanego w wyższej temperaturze początkowej

(prostopadłościan) wystąpiło w miejscu koncentracji maksymalnych naprężeń stycznych (górne naroża próbki) po znacznym odkształceniu plastycznym. Pęknięcie w przypadku próbki cylindrycznej nastąpiło po niewielkim odkształceniu plastycznym i jego linia propagacji pokrywa się z kierunkiem pękania poślizgowego, co może świadczyć o powstaniu złomu kruchego.

a) b) c)

d) e) f)

Rys. 5.19. Wyznaczanej odkształcalności granicznej próbek aluminiowych: a,b,c) próbka prostopadłościenna o temperaturze początkowej 200°C,

d,e,f) próbka cylindryczna o temperaturze początkowej 20°C.