Metodyka badań

Dla realizacji założonego celu badań, czyli zbadaniu wpływu prostopadłych drgań ultradźwiękowych oraz układów z nim sprzężonych na parametry siłowe procesu ciągnienia ustalono następujące postępowanie. Zaproponowano schematy ciągnienia, podczas, których cyklicznie włączano i wyłączano drgania ultradźwiękowe. Prędkość ciągnienia była zmieniana podczas prób z zakresie od 0,06 m/s do 2m/s. Po przeprowadzeniu prób ciągnienia we wszystkich czternastu opisanych w Rozdziale 6.1. schematach ciągnienia zebrano następujące wyniki pomiarów:

• Wartość siły ciągnienia,

• Temperatura drutu w obszarze wejścia i wyjścia z ciągadła,

• Własności mechaniczne otrzymane podczas próby ultradźwiękowego rozciągania drutów,

• Własności mechaniczne oraz mikrostruktura wyrobów po procesie ciągnienia, • Wygląd powierzchni wyrobów po procesie ciągnienia.

Wartość siły ciągnienia.

W celu dokonania pomiaru siły ciągnienia zastosowano czujnik tensometryczny. Aby dokonać oceny wpływy drgań na parametr procesu ciągnienia, jakim jest siła ciągnienia zaproponowano następujący sposób przedstawienia wyników badań:

• Sporządzono wykresy przebiegu siły ciągnienia z zastosowaniem drgań ciągadła w czasie każdej próby oraz dla każdej zastosowanej prędkości,

• Obliczono średnią wartość siły ciągnienia w każdej wykonanej próbie, • Obliczono odchylenie standardowe siły dla każdej próby ciągnienia,

• Obliczono procentowy spadek średniej siły ciągnienia dla każdego schematu ciągnienia,

• Stabelaryzowano średni procentowy spadek siły ciągnienia dla różnych prędkości ciągnienia oraz różnych schematów odkształcenia,

• Sporządzono wykresy procentowego spadku siły w zależności od prędkości ciągnienia dla każdego ze schematów, w których zmieniano prędkość ciągnienia,

• Sporządzono zbiorczy wykres procentowego spadku siły ciągnienia w zależności od prędkości ciągnienia dla wszystkich schematów ciągnienia.

Procentowy spadek siły ciągnienia określono następująco:

• zmierzono wartość siły ciągnienia podczas procesu, obliczono jej średnią wartość dla przypadków, gdy ciągadło było poddane drganiom oraz bez drgań,

• obliczono stosunek zmniejszenia siły ∆F/F (gdzie ∆F to różnica między wartościami średnimi sił ciągnienia z i bez ultradźwięku, a F jest średnią siłą ciągnienia bez ultradźwięku).

W ten sposób oszacowano wpływ ultradźwięków na siłę ciągnienia w czternastu zaproponowanych schematach badawczych. Wyniki procentowanego spadku siły ciągnienia w funkcji prędkości ciągnienia z ultradźwiękiem zostały naniesione na odpowiednie wykresy.

Temperatura powierzchni drutu w obszarze wyjścia z ciągadła.

Pomiar temperatury wykonywano w obszarze ciągadła przy użyciu kamery termowizyjnej FLIR SYSTEMS AB, model S60 PAL oraz za pomocą pirometru i termopary stykowej na powierzchni drutu przy wejściu do ciągadła i zaraz na wyjściu z ciągadła. Pomiary te prowadzono w sposób wyrywkowy.

Własności mechaniczne otrzymane podczas próby ultradźwiękowego

rozciągania drutów

Aby zweryfikować teorię dotyczącą spadku własności w procesie ciągnienia z zastosowaniem drgań ultradźwiękowych zdecydowano się na przeprowadzenie próby ciągnienia w warunkach jak najbardziej przypominających proces ciągnienia drutów. Stosując ten sam układ do wytwarzania wzdłużnych drgań ultradźwiękowych zapewniono tą samą amplitudę drgań oraz porównywalną intensywność energii drgań do przeprowadzonych prób ciągnienia według czternastu schematów. Próbę ultradźwiękowego „rozciągania” zdecydowano się wykonać na tej samej ciągarce bębnowej, co pozostałe badania. W koncentratorze drgań zamontowano specjalnie wykonane szczęki, które nieruchomo trzymały drut podczas rozciągania. Bęben ciągarki posłużył za szczękę ruchomą wykonującą rozciąganie drutu. Próby prowadzono każdorazowo do zerwania drutu. Zastosowano

procesie ciągnienia. Z badań otrzymujemy wartość siły ciągnienia. Obliczono fizyczną granicę plastyczności oraz wytrzymałość na rozciąganie. Mierzono również wydłużenie próbek po rozciąganiu.

Własności mechaniczne oraz mikrostruktura wyrobów po procesie

ciągnienia.

Badania własności wytrzymałościowych przeprowadzono na maszynie wytrzymałościowej INSTRON typ 4502. Próbie rozciągania poddano druty ciągnione z zastosowaniem drgań ultradźwiękowych oraz odkształcane w procesie tradycyjnego ciągnienia.

Próba rozciągania polega na wolnym rozciąganiu próbki materiału na maszynie wytrzymałościowej, na ogół aż do rozerwania. Prędkość rozciągania, w zależności od rodzaju materiału i wyznaczanych własności, powinna być taka, by szybkość przyrostu naprężenia w czasie próby rozciągania mieściła się w granicach podanych w tabeli.

Tabela 6.3.1. Prędkość rozciągania w zależności od Modułu Younga.

Szybkość przyrostu naprężenia, N/mm²s^-1 Moduł sprężystości

materiału, N/mm min max

< 150 000 2 10

≥ 150 000 6 30

Próby przeprowadzano w temperaturze pokojowej, przy prędkości trawersy 60 mm/min. Pierwsza prędkość do pomiaru Rp0,2 wynosiła 10 mm/min. Baza pomiarowa próbki wynosiła 100 mm. Badania wykonano przy użyciu ekstensometru. Próbki mocowano w odpowiednich uchwytach tak, aby zapewnić osiowe działanie siły rozciągającej, szczegółowe wytyczne dotyczące przeprowadzania próby rozciągania podają odpowiednie normy (PN-EN 10002- 1+AC1:1998). W czasie próby rozciągania maszyna dokonuje rejestracji siły oraz wydłużenia próbki.

Spośród własności mechanicznych wyodrębnić można dwie grupy. Pierwsza, to własności wytrzymałościowe będące reakcją materiału na przyłożoną siłę, których miernikiem jest naprężenie. Druga grupa to własności plastyczne określane w oparciu o zmianę wymiarów odkształcanej próbki.

Wyznaczano następujące własności mechaniczne rozciąganych drutów:

• Naprężenie graniczne przy przyroście nieproporcjonalnym Rp. Jest to naprężenie określone przy przyroście nieproporcjonalnym, równym umownemu procentowi długości pomiarowej ekstensometru (Le). Symbol wielkości uzupełnia się wskaźnikiem określającym umowny procent przyrostu długości pomiarowej ekstensometru, na przykład Rp0,2. Wielkość Rp0,2 określa się w przypadku braku cech wyraźnej granicy plastyczności. Rp0,2, jest to naprężenie, które wywołuje trwałe odkształcenie równe 0,2%, nazywane jest terminem ”umowna granica plastyczności". • Wytrzymałość na rozciąganie Rm jest to naprężenie odpowiadające największej sile

Fm. Wytrzymałość na rozciąganie jest podstawową wielkością opisującą własności wytrzymałościowe materiałów.

• Wydłużenie procentowe po rozerwaniu A100 jest to trwałe wydłużenie długości pomiarowej po rozerwaniu (Lu – L0), wyrażone w procentach początkowej długości pomiarowej L0.

Badano również zależność własności od długości bazy próbki drutu o średnicy 3 mm w stanie wyjściowym. Zaplanowano również zbadanie materiału pod względem jego czułość na prędkość odkształcenia, w tym celu rozciągano próbki drutu w stanie wyjściowym o średnicy 3 mm oraz bazie pomiarowej 100 mm z różnymi prędkościami trawersy. Dane zestawiono w tabeli oraz sporządzono wykres zależności zmiany wytrzymałości na rozciąganie w zależności od prędkości trawersy maszyny wytrzymałościowej.

W celu ujawnienia ewentualnych różnic w stanie materiałów ciągnionych z zastosowaniem ultradźwięków zbadano dla porównania mikrostrukturę materiałów ciągnionych z zastosowaniem ultradźwięków oraz sposobem tradycyjnym według tych samych schematów. Wykonano zgłady metalograficzne, które następnie wytrawiono. Wykonano zdjęcia mikrostruktur używając mikroskopu optycznego przy różnych powiększeniach.

Wygląd powierzchni po procesie ciągnienia.

Każdorazowo oceniano wizualnie jakość oraz gładkość powierzchni. Wymiary końcowe mierzono wyrywkowo przy użyciu suwmiarki oraz śruby mikrometrycznej.