3. Opis badań i uzyskane wyniki
3.2. Opis badań
Do badań przyjęto trzy metale stosowane w budowie maszyn, tj. normali-zowaną stal C45, stal stopową 30HGSA ulepszaną cieplnie oraz stop aluminium AW-2024. Materiały te charakteryzowały się istotnym zróżnicowaniem własno-ści statycznych i cyklicznych. Miało to duże znaczenie praktyczne ze względu na możliwość poszerzenia analizy uzyskanych wyników badań, a tym samym uogólnienia wniosków sformułowanych na podstawie badań. Podstawowe wła-sności wytrzymałościowe materiałów wykorzystywanych podczas badań zesta-wiono w tabeli 3.1.
Tabela 3.1. Parametry wytrzymałościowe metali przyjętych do badań [158]
Materiał
Parametr Jednostka stal C45 stal 30HGSA stop AW-2024
ReH 446,3 936,7 321,7
UReH 1,04 2,15 0,76
Rm 713,3 1030 514,7
URm 1,65 2,37 1,2
E 215000 207000 75000
UE 10 10 5
σcpl 355 562 415
U
MPa
1,04 2,15 0,76
A5 22 9,5 16
UA % 0,26 0,26 0,26
Rm/ReH 1,6 1,1 1,6
σcpl/ReH – 0,75 0,6 1,27
Przyjęte do badań materiały miały postać prętów ciągnionych o średnicy φ 25 mm. Próbki do badań zmęczeniowych wykonano zgodnie z [N2]. Kształt oraz wymiary próbek przedstawiono na rysunku 3.2.
φ 10h8
200
φ 25
15
A 0,03 A
R40 R40
1x45o
Ra0,32
1x45o
Rys. 3.2. Próbki wykorzystywane podczas badań zmęczeniowych
44
3.2.2. Programy obciążenia
Zgodnie z przyjętym zakresem pracy (rys. 3.1) w ramach badań własnych wykonano próby zmęczeniowe w warunkach obciążeń stałoamplitudowych oraz próby zmęczeniowe w warunkach obciążeń losowych i programowanych.
Obciążenia stałoamplitudowe zrealizowano na pięciu poziomach odkształ-cenia w warunkach kontrolowanego odkształodkształ-cenia całkowitego εac = const. Na każdym poziomie odkształcenia realizowano trzy próby zmęczeniowe. Podczas badań rejestracji podlegały pierwsze trzy cykle obciążenia, a następnie te, które charakteryzowały się procesem cyklicznego osłabienia materiału, jego umocnie-nia lub inicjacji pęknięcia zmęczeniowego. Jako kryterium zniszczeumocnie-nia próbek podczas badań zmęczeniowych przyjęto 5% obniżenie szczytowego naprężenia w półcyklu rozciągania po okresie stabilizacji własności zmęczeniowych. Czas próbkowania sygnału siły obciążającej próbkę i odkształcenia wynosił 0,025 s, co przy częstotliwości obciążenia f = 0,2 Hz pozwalało opisać pętlę histerezy 200 punktami. Parametry badań w warunkach obciążeń stałoamplitudowych zestawiono w tabeli 3.2.
Tabela 3.2. Parametry obciążeń stałoamplitudowych
Parametry Schemat programu Nazwa programu stal C45,
stal 30HGSA stop AW-2024 εc, %
εac
t
Obciążenie stałoamplitudowe
(C)
εac = 0,35%
εac = 0,5%
εac = 0,8%
εac = 1,0%
εac = 2,0%
f = 0,2 Hz
εac = 0,5%
εac = 0,65%
εac = 0,8%
εac = 1,0%
εac = 1,5%
f = 0,2 Hz Podczas badań mających na celu ocenę wpływu postaci programu obciąże-nia na trwałość zmęczeniową i przebieg stabilizacji stosowano obciążeobciąże-nia o lo-sowym następstwie cykli w programie, nazywane w rozprawie obciążeniami losowymi, oraz obciążenia programowane. Obciążenia losowe opracowano wykorzystując do tego celu funkcję gęstości prawdopodobieństwa zgodną z roz-kładem beta. W praktyce inżynierskiej bardzo często przebiegi obciążenia eks-ploatacyjnego opisuje się z wykorzystaniem rozkładu gęstości prawdopodo-bieństwa. Dla wielu maszyn i urządzeń znane są np. rozkłady amplitud napręże-nia występujące w przebiegach obciążenapręże-nia eksploatacyjnego [30, 146, 152]. Roz-kład beta posiada szereg zalet, m.in. jest rozRoz-kładem dwuparametrycznym oraz dwustronnie ograniczonym. Funkcja gęstości prawdopodobieństwa przyjmuje wartości z przedziału 0÷1, a rozkład wartości amplitud w programie obciążenia można opisać funkcją:
( ) ( )
1(
1)
1,
1 − − −
=
ε
αε
ββ
ε
acα
ac acf B (3.1)
gdzie:
B – funkcja beta opisana funkcją gamma; B(α,β) = Γ(α) Γ (β)/Γ (α), α i β – parametry rozkładu beta.
Wykorzystując funkcję rozkładu beta, wygenerowano bloki obciążenia o po-jemności no = 100 cykli i losowym (zgodnym z rozkładem beta) następstwie amplitud odkształcenia εac w programie obciążenia. Przebiegi losowe charakte-ryzowano wartością maksymalnej amplitudy odkształcenia całkowitego εacmax w bloku obciążenia oraz współczynnikiem wypełnienia widma ζ odniesionym do amplitudy odkształcenia całkowitego w postaci:
1 max
ζ ε
ε
=
=
∑
k acj ⋅ jj ac c
n
n (3.2)
Wygenerowane przebiegi losowe poddano schematyzacji, uzyskując blo-kowe widmo obciążenia, a tym samym możliwość opracowania obciążenia pro-gramowanego o nieregularnym następstwie stopni w bloku. Sposób postępowania podczas opracowywania obciążeń programowanych przedstawiono na rysunku 3.3.
a) b) c)
Lo-Hi-Lo - stopniowo rosnące i malejące Programowane
ni/no no
Losowe (R) Widmo
Lo-Hi - stopniowo rosnące Hi-Lo - stopniowo malejące I - nieregularne εc, %
Rys. 3.3. Przygotowanie blokowych programów obciążenia:
a) przebieg obciążenia o losowym następstwie cykli, b) widmo obciążenia,
c) obciążenia programowane
Badania dotyczące wpływu postaci i parametrów obciążenia na przebieg stabilizacji prowadzono dla obciążenia losowego (R) oraz programowanego (I).
Parametry zrealizowanych programów zestawiono w tabeli 3.3.
W celu określenia wpływu kolejności stopni w bloku na trwałość i prze-bieg stabilizacji, oprócz obciążeń programowanych o nieregularnym następ-stwie stopni (I), zrealizowano dodatkowo badania w warunkach obciążeń pro-gramowanych o różnej sekwencji stopni w bloku. Były to obciążenia: narastające Lo-Hi, malejące Hi-Lo i stopniowo rosnące, a następnie malejące Lo-Hi-Lo.
46
Tabela 3.3. Parametry obciążeń losowych i programowanych
Parametry εacmax, % Przebieg obciążenia Nazwa
programu
C45 30HGSA AW-2024 pozostałe
εacmax
εc,%
no
losowe (R)
no
εc, %
εacmax 5
8
2 10
4 7
1 9
3
6 programowane (I)
1,5 1,0 0,8 0,5 0,35
1,5 0,8 0,35
0,8 0,5 0,35
ζ = 0,34 ζ = 0,56 ζ = 0,77 no = 100 k =10
Badania w warunkach obciążeń programowanych o różnej sekwencji stopni w bloku zrealizowano dla jednego poziomu odkształcenia maksymalnego w pro-gramie εacmax = 1,5% – dla stali C45 i stali 30HGSA oraz εacmax = 0,8% – dla stopu AW-2024. Badania w warunkach programów o różnej sekwencji stopni prowadzono dla jednej wartości współczynnika wypełnienia widma ζ = 0,56.
Parametry programów obciążenia o różnej sekwencji stopni w bloku zestawiono w tabeli 3.4.
Podczas badań w warunkach obciążeń losowych i programowanych, po-dobnie jak w warunkach obciążeń stałoamplitudowych, parametrem sterującym próbą zmęczeniową było odkształcenie całkowite εc części pomiarowej próbki mierzone przy wykorzystaniu ekstensometru. Prędkość przyrostu odkształcenia całkowitego części pomiarowej próbki wynosiła 1%·s-1. Podobnie jak podczas badań w warunkach obciążeń stałoamplitudowych dla każdej sekwencji obcią-żenia programowanego realizowano po trzy próby zmęczeniowe. Podczas badań w warunkach obciążeń losowych i programowanych rejestrowano chwilowe war-tości siły obciążającej próbkę oraz jej odkształcenia dla całych wybranych blo-ków obciążenia o pojemności no = 100 cykli.
Tabela 3.4. Zestawienie parametrów obciążeń programowanych o różnej sekwencji stopni Parametry
εacj , % Przebieg obciążenia Nazwa
programu ni C45,
3.2.3. Aparatura badawcza
Wszystkie badania eksperymentalne przeprowadzono na maszynie wytrzy-małościowej INSTRON 8501. W celu ich realizacji w warunkach obciążeń losowych i programowanych opracowano program komputerowy umożliwiający sterowanie i rejestrację wyników z maszyny wytrzymałościowej z poziomu ze-wnętrznego komputera, komunikującego się z maszyną przez standardowy inter-fejs GPIB. Danymi wejściowymi do programu sterującego były podane w pliku tekstowym wartości kolejnych amplitud odkształcenia, występujące w progra-mie obciążenia. Oprogramowanie umożliwiło również automatyczną rejestrację danych, jak również graficzną prezentację wyników. Schemat stanowiska ba-dawczego przedstawiono na rysunku 3.4.
48
Rys. 3.4. Schemat stanowiska badawczego