Stopień przekucia i pękanie materiału
Stopień przekucia jako parametr determinujący w bardzo ogólny sposób własności odkształcanego elementu, decyduje również o zaawansowaniu niwelowania struktury odlewniczej w przypadku procesów, w których wsadem jest wlewek kuźniczy.
Rys. 4.1. Wpływ temperatury na odkształcalność podczas kucia [37].
Przyjmuje się, że wyroby o strukturze odlewniczej przerabia się tylko i wyłącznie na gorąco, ze względu na ich specyficzną strukturę [1], [6], [16]. Przeróbka plastyczna w wysokich temperaturach sprzyja zamykaniu nieciągłości wewnętrznych oraz odbudowuje strukturę już w trakcie procesu dzięki zdrowieniu i rekrystalizacji dynamicznej. W przypadku elementów uprzednio odkształconych możliwe jest, w niektórych przypadkach, kucie w szerszym przedziale temperaturowym. Ogólnie procesy można podzielić na te wykonywane na gorąco, na zimno oraz na ciepło/półgorąco. Na rysunku 4.1 przedstawiono wykres, na którym można zauważyć, że wraz z temperaturą zmienia się zdolność materiału do odkształceń plastycznych. W przypadku kucia w wysokich temperaturach odkształcalność materiału jest największa, jednak w miarę zbliżania się do temperatury topnienia (Ttop) obserwuje się nagły jej spadek, wynikający z lokalnego nadtapiania się materiału. Zjawisko to widoczne jest także w przypadku przeróbki plastycznej odlewów, z tą różnicą, że temperatura topnienia jest nieco niższa (z powodu bardziej chaotycznej struktury). Porównując względne wartości odkształcalności przy kuciu na gorąco odlewów i elementów uprzednio odkształconych można zauważyć, że te pierwsze charakteryzują się znacznie mniejszymi jej
wartościami. Stąd też niezwykle istotny jest precyzyjny dobór parametrów procesu kucia, głównie w początkowych operacjach, gdzie mamy do czynienia ze strukturą odlewniczą (wlewek kuźniczy) [5], [6], [37].
Procesy kucia na ciepło i na zimno są wykonywane na elementach uprzednio przerobionych plastycznie (np. pręty walcowane). Można zauważyć, że w tych przypadkach odkształcalność jest znacznie mniejsza. Na szczególną uwagę zasługuje zjawisko występujące w zakresie temperatur kucia na ciepło. Nagły spadek odkształcalności spowodowany jest tym, iż temperatura w tym zakresie jest na tyle duża, że umożliwia zadawanie odkształcenia jednostkowego o dużej wartości, ale na tyle mała, że nie zachodzą procesy odbudowy struktury. Po przekroczeniu temperatury równej połowie temperatury topnienia skutki rekrystalizacji powodują stopniowy wzrost odkształcalności [37].
Można zatem zauważyć, że odkształcalność, a co za tym idzie także i pękanie, są ściśle zależne od parametrów procesu. Co więcej, oba te parametry ulegają ciągłym zmianom podczas kucia, zwłaszcza w przypadku procesów wielooperacyjnych. Dodatkowo można zauważyć silny wpływ stopnia przerobu struktury na odkształcalność danego materiału.
Określanie odkształcalności granicznej
Celem określenia odkształcalności danego materiału, niezbędne jest wykonanie testów laboratoryjnych, które pozwolą na zdefiniowanie parametrów granicznych, powodujących rozdzielenie materiału w określonych warunkach [107]–[109]. W badaniach tych przedstawiono analizę zmian odkształcenia granicznego w zależności od parametrów procesu i tym samym możliwość ich optymalizacji na etapie projektowania technologii kształtowania plastycznego metali.
Do wyznaczania parametrów krytycznych towarzyszących pękaniu wykorzystuje się m.in. testy plastometryczne [109], [110]. Precyzyjne określenie momentu i miejsca pęknięcia, głównie w przypadku materiałów o bardzo dobrej odkształcalności powoduje konieczność uwzględniania różnego rodzaju modyfikacji testów pod kątem skomplikowania geometrii próbki [81], [111] lub/i kształtu narzędzi [107], [112]. Zmiany te mają celu wywołanie silnej koncentracji naprężeń w ściśle określonym obszarze odkształcanej próbki. Wybór rodzaju testu związany jest w dużej mierze z procesem technologicznym, który jest poddawany rozważaniom.
Rozbudowując mechanizm tworzenia się pęknięć podczas rozciągania, przedstawiony na rysunku 3.3, można zauważyć, że pierwszym etapem sugerującym miejsce pęknięcia jest obszar pojawiania się szyjki (rys. 4.2a). Bezpośrednio po wystąpieniu tego zjawiska w osi próbki można zaobserwować niewielkie pustki (rys. 4.2b), które powstają m.in. w wyniku
kruchego pękania cząstek niemetalicznych. Kontynuowanie rozciągania powoduje, że początkowo niewielkie pustki powiększają się i łączą ze sobą, finalnie doprowadzając do powstania podpowierzchniowej nieciągłości o dość znacznych rozmiarach (rys. 4.2c). Finalne rozdzielenie materiału (rys. 4.2e) jest spowodowane działaniem naprężeń ścinających, które objawiają się linią pęknięcia prowadzącą od powierzchni próbki do wewnętrznej pustki, nachylonej do kierunku działania siły rozciągającej pod kątem 45° (rys. 4.2d) [19].
a) b) c) d) e)
Rys. 4.2. Szczegółowy schemat pękania w próbie jednoosiowego rozciągania: a) przewężenie materiału, b) tworzenie się pustek, c) łączenie pustek, d) pęknięcie, e) rozdzielenie materiału [19].
Ostatecznie test kończy się rozdzieleniem materiału, na przełomie którego można zaobserwować charakterystyczną powierzchnię przypominającą skupisko niewielkich kraterów, na dnie których mogą być widoczne wady, będące przyczyną inicjacji pęknięcia (np. pozostałości wtrąceń niemetalicznych).
a) b)
Rys. 4.3. Przełom ciągliwy powstały w skutek rozciągania próbki cylindrycznej [113].
Porównując powyższy przebieg powstawania pęknięcia ze zjawiskami zachodzącymi w teście ściskania/spęczania można zaobserwować pewne znaczące różnice. Główny cel badania pozostaje niezmieniony - należy tak odkształcić próbkę, aby spowodować kontrolowane pęknięcie w ściśle określonych warunkach, odpowiadających warunkom analizowanego procesu. Poniżej przedstawiono porównanie lokalizacji naprężeń średnich (rys. 4.4a, 4.4e) oraz wartości kryterium pękania ciągliwego w/g Brozzo [94] (rys. 4.4c, 4.4f) podczas rozciągania i ściskania próbek osiowosymetrycznych (rys. 4.4a, 4.4d).
a) d)
b) c) e) f)
Rys. 4.4. Wynik analizy numerycznej testów jednoosiowego rozciągania (a, b, c) oraz ściskania (d, e, f).
Podczas rozciągania próbki cylindrycznej (rys. 4.4a) w jej osi dochodzi do koncentracji wysokich wartości naprężeń średnich (rys. 4.4b) (dominacja stanu naprężeń rozciągających). W tym samym obszarze ryzyko pęknięcia jest największe (rys. 4.4c). Potwierdza to powyższe rozważania związane z lokalizacją obszarów inicjacji pękania podczas rozciągania (rys. 4.2).
Zupełnie inną sytuację można zaobserwować rozważając test ściskania. Cylindryczna próbka (rys. 4.4d) podczas ściskania przybiera baryłkowaty kształt, który jest wynikiem działania sił tarcia na powierzchni styku narzędzi i odkształcanego elementu. W wyniku tego zjawiska dochodzi do nierównomierności intensywności odkształcenia na przekroju próbki. Ponadto specyficzny kształt elementu powoduje, że na powierzchni bocznej, w połowie wysokości próbki koncentrują się naprężenia rozciągające (rys. 4.4e). W miejscu tym ryzyko pękania jest największe (rys. 4.4f).
Powyższe porównanie ukazuje, że inicjacja pęknięć podczas testu rozciągania zachodzi pod powierzchnią materiału, natomiast całkowite rozdzielenie materiału następuje w ostatniej fazie jego propagacji. Zjawisko to może stanowić pewnego rodzaju trudność w przypadkach, gdy celem badań jest precyzyjne zdefiniowanie parametrów towarzyszących lub bezpośrednio poprzedzających inicjację pęknięcia. W przypadku testu ściskania obszar inicjacji zlokalizowany jest na powierzchni próbki, której obserwacja (np. przy pomocy kamery szybkoklatkowej) pozwala określić odkształcenie i parametry krytyczne próby.
Kolejna różnica pomiędzy dwoma analizowanymi testami związana jest ze zmianą wartości naprężeń średnich w punkcie inicjacji pęknięcia (rys. 4.5). W trakcie rozciągania próbki w całej jej objętości dominuje rozciągający stan naprężeń. W miejscu pojawienia się
szyjki wartość naprężeń wzrasta i osiąga maksymalne wartości w momencie rozdzielenia materiału (rys. 4.5a). Rozważając podobną sytuację podczas ściskania (rys. 4.5b) można zaobserwować, że początkowo materiał w miejscu finalnego pęknięcia jest ściskany, dopiero uwydatniająca się baryłkowatość próbki powoduje, że w pewnych obszarach zaczyna dominować dodatnie wartości naprężeń średnich.
a) c)
Rys. 4.5. Zmiana wartości naprężeń średnich w punkcie inicjacji pękania podczas testu: a) rozciągania, b) ściskania.
Przedstawione różnice pomiędzy testem rozciągania, a ściskania powodują, że istotnym faktem jest prawidłowe dopasowanie metodyki określania parametrów krytycznych w zależności od rozpatrywanego procesu przeróbki plastycznej. Odpowiedniejszym wydaje się zastosowanie testu rozciągania w analizie pęknięć m.in. w procesach ciągnienia, natomiast procesom kucia bardziej tożsamy jest test ściskania. Z tego powodu w części badawczej niniejszej pracy skupiono się na teście ściskania i jego modyfikacjach.