Lokalne wáasnoĞci materiaáowe w elementach konstrukcyjnych

NiejednorodnoĞci materiaáowe wystĊpujące w elementach konstrukcyjnych mogą byü w wielu przypadkach gáówną przyczyną zróĪnicowania ich lokalnych wáasnoĞci zmĊczeniowych. Dotyczy to przede wszystkim jednolitych materiaáów o silnej anizo-tropii wáasnoĞci mechanicznych, ale takĪe materiaáów niejednorodnych np. kompozy-tów powstaáych z poáączenia metali, materiaáów ceramicznych i tworzyw sztucznych.

OdrĊbną grupĊ stanowią elementy konstrukcyjne, w których niejednorodnoĞü wáasnoĞci mechanicznych wynika z zastosowanych technik wytwarzania oraz dodatkowych obró-bek plastycznych, cieplnych, cieplno-chemicznych lub chemicznych. Znane i opisane w literaturze zabiegi wpáywające na wáasnoĞci zmĊczeniowe elementów

konstrukcyj-nych obejmują, m.in. umacnianie laserowe, krąĪkowanie, kulkowanie, nawĊglanie z hartowaniem, azotowanie, cyjanowanie, anodowanie, niklowanie, chromowanie i inne.

Bardzo rozlegáy obszar zagadnienia nie pozwala na szczegóáową prezentacjĊ wszystkich aspektów analizy rozkáadów odksztaáceĔ i naprĊĪeĔ w badaniach lokalnych wáasnoĞci materiaáowych w elementach konstrukcyjnych. Z tego wzglĊdu analiza ogra-niczona zostanie do jednego problemu związanego z niejednorodnoĞcią wáasnoĞci zmĊ-czeniowych w záączach spawanych.

Istotny rozwój nowoczesnych technik spawania sprawia, Īe szczególnie waĪne sta-ją siĊ zagadnienia związane z rozkáadem lokalnych wáasnoĞci zmĊczeniowych w laserowych poáączeniach spawanych. Jest to tym bardziej interesujące, Īe záącza spawane laserowo nie poddają siĊ bezpoĞrednio opisom stosowanym dla tradycyjnych záączy áukowych (spawanych áukiem elektrycznym). Coraz szersze zastosowanie tech-nik laserowych w áączeniu stali konstrukcyjnej [39, 112, 166] powoduje, Īe niezwykle waĪnym staje siĊ poznanie zmĊczeniowych wáasnoĞci laserowych záączy spawanych.

WáasnoĞci zmĊczeniowe spoin laserowych mogą znacznie odbiegaü od wáasnoĞci spoin wykonywanych konwencjonalnymi technikami w tym spawaniem áukowym.

Aktualnie brak jest jednoznacznych opinii o moĪliwoĞci wykorzystania istniejących metod obliczeĔ wytrzymaáoĞci i trwaáoĞci zmĊczeniowej poáączeĔ spawanych w przy-padku poáączeĔ wykonanych techniką laserową.

Wyznaczenie wáasnoĞci materiaáu w strefie záącza jest bardzo utrudnione ze wzglĊdu na maáy wymiar strefy przetopu [39]. W pracy [39] wyznaczono wáasnoĞci statyczne materiaáu w strefie spoiny dla trzech typów záączy: stal 37-stal 37 (stal ferry-tyczna), stal austenityczna-stal austenityczna, stal ferrytyczna-stal austenityczna. Bada-nia przeprowadzono na mikropróbkach pobieranych z poszczególnych stref spoiny (rys.2.14) z zastosowaniem metody elektroerozyjnej.

Na rysunku 2.15 pokazano rozkáady wydáuĪenia, granicy plastycznoĞci i wytrzy-maáoĞci doraĨnej wyznaczone dla poszczególnych stref záącza. W przypadku stali ferry-tycznej przeprowadzone badania wykazaáy trzykrotnie wiĊkszą wytrzymaáoĞü materiaáu spoiny od materiaáu rodzimego i zauwaĪalnie mniejsze wydáuĪenie. Natomiast dla stali austenitycznej róĪnice wáasnoĞci są nieznaczne. Takie zróĪnicowanie wáasnoĞci zgodne jest z wynikami pomiaru mikrotwardoĞci pokazanymi na rysunku 2.16.

Odmienne podejĞcie do wyznaczania wáasnoĞci materiaáowych spoiny laserowej przedstawiono w pracy [1]. W badaniach zastosowano próbki ze spoiną wykonaną rów-nolegle do osi obciąĪenia (rys.2.17) a do wyodrĊbnienia wáasnoĞci spoiny wykorzystano

„zasadĊ mieszaniny”. Polega ona na zaáoĪeniu - w trakcie próby rozciągania - jednako-wej wartoĞci odksztaácenia w materiale rodzimym i spoinie. Zakáadając, Īe poszczegól-ne fragmenty próbki przenoszą proporcjonalną czĊĞü caákowitej siáy P przyáoĪonej do próbki moĪna zapisaü, Īe:

w wA A A

P=σ1 1+σ2 2+σ (2.39)

gdzie:

A1,A2 – pole przekroju czĊĞci próbki wykonanej z materiaáu rodzimego, Aw – pole przekroju spoiny,

ı₁,ı₂,ı_w – odpowiednio naprĊĪenia w materiale rodzimym i spoinie.

0 -1 1 -2

-3 2

Rys. 2.14. Mikropróbki do badania wáasnoĞci mechanicznych spoiny laserowej (za zgodą C.

Erima [39])

a) b)

c) d)

e) f)

NaprĊĪenie, MPaNaprĊĪenie, MPa

NaprĊĪenie, MPaNaprĊĪenie, MPa NaprĊĪenie, MPa

NaprĊĪenie, MPa

PoáoĪenie próbki Odksztaácenie, %

Odksztaácenie, %Odksztaácenie, %Odksztaácenie, %

Rys. 2.15. Wykresy rozciągania (a,c,e) oraz rozkáady odksztaácenia İ, granicy plastycznoĞci Re

i wytrzymaáoĞci doraĨnej Rm (b,d,f) wyznaczone dla poszczególnych stref laserowych záączy spawanych: SWC – strefa wpáywu ciepáa, MR – materiaá rodzimy (za zgodą C. Erima [39])

MikrotwardoĞü, HV0,1

OdlegáoĞü od Ğrodka spoiny, mm OdlegáoĞü od Ğrodka spoiny, mm OdlegáoĞü od Ğrodka spoiny, mm

MikrotwardoĞü, HV0,1MikrotwardoĞü, HV0,1

Rys. 2.16. Rozkáad mikrotwardoĞci w záączu spawanym (za zgodą C. Erima [39])

spoina

P P

Rys. 2.17. Próbka do badaĔ wáasnoĞci materiaáowych spoiny laserowej [1]

Przyjmując opis materiaáu rodzimego (po obydwu stronach spoiny):

11 1

1 n

Kε

σ = (2.40)

22 2

2 n

K ε

σ = (2.41)

gdzie: K1, K2 – wspóáczynniki wytrzymaáoĞci, n1, n2 – wsp. umocnienia,

oraz warunek jednakowej wartoĞci odksztaáceĔ w próbce:

εw

ε

ε₁= ₂= (2.42)

otrzymano zaleĪnoĞü naprĊĪenia od odksztaácenia dla materiaáu spoiny:

w wn wn

w A

A K A K

P 2 2

2 1 1

1 ) ( )

( ε ε

σ = ^{− −} . (2.43)

Zakáadając jednakowe wáasnoĞci materiaáu rodzimego po obydwu stronach spoiny moĪna zapisaü, Īe:

w w n s

w w

A A A K

P−( )( − )

= ε

σ (2.44)

gdzie: As – oznacza pole przekroju caáej próbki.

àatwo zatem zauwaĪyü Īe, wyznaczona zaleĪnoĞü bardzo silnie zaleĪy od przyjĊ-tego pola przekroju poszczególnych stref próbki. Na rysunku 2.18 pokazano wáasnoĞci materiaáu w strefie spoiny wyznaczone z zastosowaniem powyĪszej metody badaĔ dla próbki wykonanej z AISI 1005 o minimalnej wartoĞci granicy plastycznoĞci Re= 180 MPa [1].

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

NaprĊĪenie, MPa

Odksztaácenie, mm·mm^-1 Záącze spawane K = 684 MPa; n = 0,152

Materiaá rodzimy K = 561 MPa; n = 0,1757 Materiaá spoiny

K = 1165 MPa; n = 0,1154

Rys. 2.18. WáasnoĞci materiaáu spoiny wyznaczone metodą „mieszaniny”[1]

Porównanie przebiegów wykresów rozciągania dla materiaáu rodzimego i materia-áu spoiny wykazuje bardzo istotne róĪnice wáasnoĞci zarówno jakoĞciowe, jak i iloĞcio-we. W przypadku materiaáu spoiny brak jest wyraĨnej granicy plastycznoĞci, a jego wytrzymaáoĞü na rozciąganie jest ponad dwa razy wiĊksza od wytrzymaáoĞci materiaáu rodzimego.

Badania statycznych wáasnoĞci materiaáu w poszczególnych strefach záącza spa-wanego oraz badania zmĊczeniowe caáych záączy przedstawiono takĪe, m.in. w pracach [186, 187]. Podobnie jak w przypadku innych badaĔ prowadzonych dla stali ferrytycz-nych, otrzymane wyniki pozwoliáy stwierdziü wyĪszą wytrzymaáoĞü statyczną materiaáu spoiny i strefy wpáywu ciepáa, niĪ materiaáu rodzimego. RównieĪ wyniki badaĔ zmĊ-czeniowych záącza daáy satysfakcjonujące rezultaty w odniesieniu do przepisów towa-rzystw klasyfikacyjnych [133, 161].

Przeprowadzone prace objĊáy takĪe badania záączy pod kątem wielkoĞci mechaniki pĊkania. Próby udarnoĞci metodą Charpy’ego oraz pomiar krytycznej wartoĞci

rozwar-cia pĊkniĊrozwar-cia CTOD na próbce typu CT daáy zadawalające wyniki, podobnie jak i bada-nia prĊdkoĞci wzrostu pĊkniĊcia FCG wykonane na próbce ze spoiną poprzeczną (rys.2.19). Wykazaáy one spadek prĊdkoĞci pĊkania w trakcie „przechodzenia” pĊkniĊ-cia przez materiaá spoiny.

spoina

strefa wpáywu ciepáa materiaá rodzimy

Rys. 2.19. Próbka ze spoiną laserową do badaĔ prĊdkoĞci rozwoju pĊkniĊcia zmĊczeniowego FCG

Z kolei autorzy pracy [10] przedstawili wyniki badaĔ wáasnoĞci mechanicznych materiaáu rodzimego i spoiny záączy laserowych zastosowanych do áączenia róĪnych stopów aluminium. Wykazaáy one wyraĨnie niĪszą wytrzymaáoĞü i trwaáoĞü materiaáu spoiny od materiaáu rodzimego. W przypadku wytrzymaáoĞci doraĨnej róĪnice wyniosáy okoáo 30% (rys.2.20a), zaĞ przy takiej samej trwaáoĞci materiaá spoiny mógá byü obcią-Īony zaledwie do wartoĞci amplitudy obciąĪenia stosowanego dla materiaáu rodzimego (rys.2.20b).

AktualnoĞü tematyki dotyczącej badaĔ wáasnoĞci poáączeĔ spawanych wykonywa-nych z zastosowaniem techniki laserowej potwierdzają liczne europejskie programy finansowane w ramach UE. Szeroki zakres badaĔ záączy spawanych laserowo realizo-wano, m.in. w programie „SANDWICH” (5 program ramowy UE), „Advanced Wel-ding for Closed Structures” i aktualnie w programie „ASPIS” (EUREKA) pt. „Zastoso-wanie wielowarstwowych paneli stalowych w konstrukcji statków”.

Badania záączy spawanych laserowo w warunkach obciąĪeĔ statycznych i zmĊcze-niowych są takĪe przedmiotem szeregu prac realizowanych w Centrum DoskonaáoĞci LAPROMAT dziaáającym w Instytucie Podstawowych Problemów Techniki.

NaprĊĪenie, MPa plastycznoĞci R0,2

materiaá rodzimy MR stosunek: spoina / MR

materiaá rodzimy MR spoina S

AlMg0,4Si1,2

a) b)

Rys. 2.20. Porównanie wáasnoĞci statycznych (a) i wytrzymaáoĞci zmĊczeniowej (b) aluminio-wych záączy spawanych laserowo (wg [10])