Przygotowanie próbek do badań

Odpowiednie przygotowanie próbek przed wykonaniem badań miało dwojakie znaczenie:

1) Określenie rozmieszczenia wad wewnętrznych w postaci skupisk nieciągłości w próbce zarówno przed testem związanym z określeniem odkształcalności materiału, jak również przed analizą stopnia przekucia. Skupiska wad wewnętrznych są niezwykle istotne z punktu widzenia propagacji pęknięć, zwłaszcza gdy analizowany jest materiał nie przerobiony plastycznie.

2) Przygotowanie powierzchni próbek do badań przy użyciu sytemu DIC. Specyfika badania zakłada analizę odkształcenia materiału na podstawie pomiaru przemieszczenia punktów naniesionych na powierzchnię próbki. Niezbędny jest wysoki kontrast oraz trwałość naniesionej powłoki, co szczególnie w przypadku badań w podwyższonych temperaturach jest niezwykle skomplikowane.

Ad. 1)

Z przedstawionej analizy literaturowej dotyczącej odkształcalności materiałów (rozdział 3) wynika, że zarodkowanie pęknięć jest ściśle związane z wewnętrznymi wadami materiału. Miejscem inicjacji pęknięcia może być m.in. skupisko nieciągłości lub niepożądanych wtrąceń. Niezaprzeczalne jest, że uzyskanie materiału wsadowego do kucia w postaci wlewku, całkowicie pozbawionego wad jest praktycznie niemożliwe. Ważne są natomiast

informacje o regularności występowania danego rodzaju niedoskonałości w objętości analizowanego elementu. Skupiska nieciągłości wewnętrznych mogą zaburzać wyniki testów wyznaczania odkształcalności danego materiału. Wpływają one również na własności wyrobu kutego swobodnie. Odpowiedni dobór parametrów procesowych pozwala na zniwelowanie niektórych wad m.in. poprzez zamykanie nieciągłości pod wpływem odkształcenia. Powyższe aspekty stwarzają konieczność analizy struktury wewnętrznej materiału nie tylko w kontekście badań laboratoryjnych, ale również i przemysłowych procesów kucia.

W niniejszej pracy jako metodę analizy struktury wewnętrznej próbek wybrano dwa niezależne rodzaje badań:

• ultradźwiękowe (UT) – wykonany na defektoskopie OLYMPUS/EPOCH LTC (rys. 5.25) • radiograficzne (RTG) – wykonane przy użyciu lampy rentgenowskiej GE Eresco 65

MF3.

a) b)

Rys.5.25. Badania ultradźwiękowe analizowanych próbek: a) brak wykrytej wady (pełne odbicie echa od dna), b) wykryta wada (widoczne echo od dna i od nieciągłości).

Próbki były analizowane w kilku kierunkach prostopadłych do ścian bocznych i powierzchni czołowej. Finalnie, testom odkształcalności poddawane zostały elementy, w których nie wykryto skupisk wad wewnętrznych lub wykryto wady rozmieszczone równomiernie w całej objętości, nie zaburzające wyników samego testu.

Celem badań nieniszczących próbek wydłużanych swobodnie w warunkach laboratoryjnych było określenie stopnia niwelowania nieciągłości w zależności od przyjętego stopnia przekucia. W tym celu niezbędne było badanie próbek zarówno przed, jak i po kuciu. Wielkość wady, jej kształt i położenie było określane przy uwzględnieniu połączenia obu wybranych metod nieniszczących. W pierwszym etapie, metodami ultradźwiękowymi,

określono orientacyjne położenie nieciągłości (rys. 5.26a) oraz wykonano model geometryczny próbki z zaznaczeniem obszaru występowania wady (rys. 5.26b).

a) b)

Rys. 5.26. Jedna z analizowanych próbek z wykrytą wadą osiową.

Kontynuowanie badań nieniszczących materiału metodami radiograficznymi pozwoliło precyzyjnie zidentyfikować wielkość i umiejscowienie wady. Przykładowo, na rysunku 5.27 widać, że nieciągłość zlokalizowana jest na całej długości próbki (rys. 5.27a), jednak większa jej koncentracja przypada na prawy koniec obiektu w pobliżu płaszczyzny czołowej (rys. 5.27b).

a) b)

Rys. 5.27. Przykładowe wyniki badań radiograficznych analizowanego materiału o strukturze odlewniczej: a) rozmieszczenie nieciągłości, b) koncentracje nieciągłości.

Przyjęta metodyka analizy nieciągłości wewnętrznych sposobami nieniszczącymi jest wystarczająca w kontekście niniejszych prac. Określenie położenia wady (szczególnie w materiałach o niewielkim stopniu przerobu lub we wlewkach wsadowych) przed wykonaniem testu ściskania pozwala wyeliminować błędy w określaniu odkształcalności, wynikające z koncentracji nieciągłości w określonych obszarach elementów.

Ad. 2)

Istotą analizy zmiany rozkładu i koncentracji odkształceń na powierzchni badanych elementów przy pomocy systemu DIC jest pomiar odległości pomiędzy pojedynczymi punktami stochastycznymi znajdującymi się na powierzchni próbki.

a) b)

Rys. 5.28. Wpływ jakości analizowanego obrazu na możliwość wykonania pomiaru: a) kontrast nieprawidłowy, b) kontrast prawidłowy.

Najistotniejsze z punktu widzenia poprawności uzyskanych wyników jest, aby wspomniane punkty, a co za tym idzie i powierzchnia próbek, była odpowiednio przygotowana i spełniała następujące wymagania:

1) Kontrast pomiędzy nałożonymi punktami, a powierzchnią (tłem) był wystarczający. Należy pamiętać, że nieprawidłowo przygotowana powierzchnia materiału lub złe oświetlenie przestrzeni roboczej może uniemożliwić wykonanie poprawnej korelacji (rys. 5.28).

2) Nałożone punkty nie powinny:

• odklejać się od powierzchni, pękać, łuszczyć się,

• tracić pierwotnego kształtu pod wpływem np. wysokiej temperatury bądź bardzo dużych odkształceń,

• wnikać w strukturę próbki.

Powyższe obostrzenia związane z jakością powierzchni próbki spowodowały, że początkowo rozważono dwa sposoby nałożenia odpowiednich warstw na powierzchnię próbek:

1) na gorącą próbkę metodami bezdotykowymi, 2) na zimną próbkę przed umieszczeniem jej w piecu.

Pierwsza z metod okazała się mało zadowalająca, ponieważ czasochłonne nakładanie powłok powodowało spadek temperatury materiału, co jest niedopuszczalne z punktu widzenia założeń prowadzonych badań. Metoda druga nie wprowadza żadnych zmian w procedurze badawczej pomiędzy nagrzewaniem, a odkształcaniem próbki. Trudność w tym przypadku stanowił natomiast dobór odpowiednich środków pozwalających na prawidłowe przygotowanie powierzchni. Ostatecznie, celem osiągnięcia odpowiedniego kontrastu, zdecydowano się pokryć powierzchnię próbek czarnym, specjalistycznym lakierem na bazie

żywicy silikonowej (rys. 5.29a), odpornym na działanie wysokiej temperatury. Na pomalowaną próbkę rozpylono azotek boru (barwa biała) (rys. 5.29b), stosowany jako powłoka ochronna na urządzenia pracujące w wysokich temperaturach lub jako smar w niektórych procesach przeróbki plastycznej.

Wysokotemperaturowe testy tak przygotowanej powierzchni dały zadowalające rezultaty. Powierzchnia próbek spełniła wysokie wymagania. Nie uległa ona uszkodzeniu pod wpływem działania wysokiej temperatury oraz w trakcie procesu, nie ulegała pękaniu oraz nie odrywała się od powierzchni próbki, co mogłoby zaburzyć wyniki badań.

a) b)

Rys. 5.29. Przygotowanie powierzchni próbek do badań doświadczalnych przy użyciu sytemu DIC: a) przygotowanie tła, b) nałożenie punktów stochastycznych.