Program badań narzuca potrzebę skorzystania z wielu urządzeń pozwalających zbadać własności mechaniczne, elektryczne, eksploatacyjne, reologiczne, a także identyfikujące badany materiał. Poniżej, na rys. 7.1., przedstawiono schematycznie wykaz stanowisk badawczych oraz własności i parametry badanego materiału jakie można na nich uzyskać i jakie zostały przebadane w ramach niniejszej dysertacji. Ponieważ większość z zaprezentowanych stanowisk badawczych stanowią typowe, znane i powszechnie stosowane urządzenia, to w kolejnych podrozdziałach 7.1 i 7.2 skupiono uwagę i opisano jedynie najistotniejsze stanowiska dla niniejszej rozprawy doktorskiej. W podrozdziale 7.1 przedstawiono bowiem stanowisko do badań procesów pełzania, realizowanych w stałych warunkach temperatury i naprężenia, natomiast w podrozdziale 7.2 znajduje się opis stanowiska umożliwiającego prowadzenie testów pełzania w zmiennych warunkach naprężenia i temperatury.
Rys. 7.1. Stanowiska badawcze oraz uzyskane na nich własności i parametry charakteryzujące badane materiały/próbki
95
7.1. Stanowisko do badań procesu pełzania drutów w stałych
warunkach temperatury i naprężenia
Stanowisko do badań procesu pełzania, na którym realizowane były testy w warunkach stałego naprężenia i stałej temperatury przedstawiono na rys. 7.2. Za pomocą obciążników o ściśle określonej masie, obciążenie nakładano grawitacyjnie na badany drut.
Rys. 7.2. Stanowisko do badań procesu pełzania w stałych warunkach σ i T. a) wnętrze komory izotermicznej; b) widok ogólny; c) czujnik siły
Natomiast całe stanowisko, składa się z trzech głównych części, jakimi są maszyna wytrzymałościowa, komora izotermiczna oraz agregat grzewczo – chłodzący, a także elementy toru pomiarowego.
Maszyna wytrzymałościowa, na potrzeby testowania próbek (drutów) o długości 1m posiada wydłużone kolumny. Dodatkowo w maszynie zamontowano komorę izotermiczną, gwarantującą utrzymanie stałej temperatury w czasie trwania testu pełzania. Natomiast miedzianymi rurkami rozprowadzane jest medium grzewczo-chłodzące oddające ciepło do wnętrza komory. Zakres dopuszczalnych temperatur na tym stanowisku badawczym wynosi od -25°C do +80°C z dokładnością do ±0,5°C. Wewnątrz komory umieszczony został również wentylator, zapewniający równomierny rozkład temperatury na długości badanego drutu, a sama komora jest zaizolowana wełną mineralną o grubości 100mm. Z kolei agregat grzewczo-chłodzący wyposażony jest w regulator temperatury, grzałkę, agregat chłodniczy, zbiornik na medium oraz pompę, która wtłacza medium do miedzianych rurek znajdujących się w komorze.
a) b)
96 W skład elementów pomiarowych wchodzą: czujnik siły (typ S9M) firmy Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH, o maksymalnym dopuszczalnym obciążeniu 5kN; termopara typu K zamontowana na drucie do kontrolowania temperatury badanej próbki; ośmio-kanałowy wzmacniacz pomiarowy SPIDER 8 firmy Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH o rozdzielczości cyfrowej ±25000 i zakresie pomiarowym 3, 12, 125, 500 mV/V; komputer przenośny wraz z oprogramowaniem CATMAN umożliwiającym dokonywanie wszelkich nastaw oraz konfiguracji wzmacniacza, a także rejestracji wyników pomiarowych; ekstensometr (rys. 7.3) wyposażony w zegarowy czujnik przemieszczenia (rys. 7.4) firmy Mitutoyo o podziałce 0,001mm i zakresie 1mm. Konstrukcja oraz materiał z jakiego wykonany jest ekstensometr zapewnia kompensację wpływu temperatury na odczyt wartości wydłużenia próbki na czujniku zegarowym. Baza pomiarowa ekstensometru wynosi 1m, natomiast dokładność pomiaru czujnikiem zegarowym wynosi 1μm.
Rys. 7.3. Ekstensometr Rys. 7.4. Zegarowy czujnik
przemieszczenia B AZ A EK STEN SOM ETR U = 1m ZEGAROWY CZUJNIK PRZEMIESZCZENIA DOLNY ZACISK GÓRNY ZACISK
97
7.2. Stanowisko do badań procesu pełzania drutów w zmiennych
warunkach temperatury i naprężenia
Badania procesu pełzania w zmiennych warunkach naprężenia i temperatury zostały przeprowadzone na specjalne zaprojektowanym na potrzeby niniejszej pracy doktorskiej, stanowisku badawczym. Ogólny widok stanowiska przedstawiono na rys. 7.5.
a) b)
Rys. 7.5. Stanowisko do badań procesu pełzania w zmiennych warunkach naprężenia i temperatury.
a) widok ogólny; b) wnętrze komory izotermicznej
W skład stanowiska przedstawionego na rys. 7.5. wchodzi komora izotermiczna o dopuszczalnej temperaturze pracy od -25°C do +200°C, mechanizm silnika krokowego do zadawania obciążenia, termostat przepływowy firmy Julabo, panel sterujący do zadawania historii obciążenia, a także elementy toru pomiarowego.
Na panelu sterującym z oprogramowaniem firmy Siemens wprowadzana jest wartość obciążenia lub historii jego zmiany w czasie trwania testu pełzania drutu. Schemat obciążenia uwzględnia stałe wartości siły lub skokowe jej zmiany z dokładnością do 1N. Poprzez kumulację pojedynczych skokowych zmian siły, możliwe jest zadawanie obciążenia wg dowolnie zaproponowanego schematu obciążenia, a także różnych prędkości odciążania, czy dociążania badanego drutu. Na rys. 7.6. przedstawiono przykładowe możliwe do przeprowadzenia schematy obciążenia w czasie trwania testu pełzania.
98 Rys. 7.6. Przykładowe schematy obciążenia na stanowisku badawczym do pełzania drutów
w zmiennych warunkach temperatury i naprężenia
Z kolei zmiana temperatury dokonywana jest na panelu sterującym termostatu przepływowego firmy Julabo, model F25-MC z dokładnością ±0,5°C. Zakres dopuszczalnej temperatury zależy od rodzaju medium znajdującego się w zbiorniku łaźni. W niniejszej pracy wykorzystano płyn Thermal H20S o zakresie temperatury pracy od 0°C do +220°C i punkcie zapłonu >230°C. Następnie rozgrzany olej transportowany jest miedzianymi rurkami w obiegu cyrkulacyjnym do komory izotermicznej.
Komora izotermiczna o wymiarach 1400 x 300 x 400 mm, zaizolowana grubą warstwą wełny mineralnej oraz obita wewnątrz dwoma warstwami blachy miedzianej o grubości 2mm, a także wyposażona w dwa wentylatory, zapewnia równomierne na długości komory rozprowadzenie i utrzymanie temperatury.
Niniejsze stanowisko badawcze pozwala realizować testy pełzania na sposób sumowania efektów relaksacji naprężeń. Inaczej tłumacząc, chcąc utrzymać w czasie trwania testu stałą wartość obciążenia/naprężenia to silnik krokowy na bieżąco musi niwelować skutki zrelaksowania naprężenia badanego drutu. Każda reakcja układu, przekłada się na wartość trwałego odkształcenia pochodzącego od pełzania badanego materiału. Schemat ideowy tłumaczący zasadę działania przedstawia rys. 7.7.
Rys. 7.7. Schemat ideowy tłumaczący zasadę działania stanowiska badawczego do testów pełzania 1,61 1,612 1,614 1,616 1,618 1,62 1,622 1,624 999 999,2 999,4 999,6 999,8 1000 1000,2 1000,4 1000,6 1000,8 1001 0,12 0,13 0,14 0,15 0,16 0,17 0,18 0,19 0,2 Odk szt ałc en ie c ałk o wi te [‰ ] Si ła [N] Czas [h] siła odkształcenie ƐPEŁZANIA_1 ƐPEŁZANIA_2 ƐPEŁZANIA_3 ƐPEŁZANIA_4ƐPEŁZANIA_5 ƐPEŁZANIA= ƐPEŁZANIA_1+ƐPEŁZANIA_2+ƐPEŁZANIA_3+ƐPEŁZANIA_4+ƐPEŁZANIA_5+…
99 Pomiar odkształcenia wynikającego z pełzania badanego drutu, realizowany był techniką tensometryczną, przy użyciu tensometrów oporowych typu RL 120/10 ze współczynnikiem k = 1,15 (rys. 7.8), połączonych w układ półmostka. Z kolei pomiar temperatury w trakcie trwania testu dokonywany był za pomocą termopary typu K, natomiast siły przy wykorzystaniu czujnika typu S9M firmy Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH, o maksymalnym dopuszczalnym obciążeniu 5kN. Zarówno pomiar temperatury, siły jak i wydłużenia badanej próbki zbierany jest przez taki sam jak w przypadku stanowiska do badań procesu pełzania w stałych warunkach naprężenia σ i temperatury T (rozdział 7.1), wzmacniacz pomiarowy SPIDER 8. Następnie sygnał przekazywany jest do komputera przenośnego z oprogramowanie CATMAN, który umożliwia rejestrację i wizualizację uzyskanych wyników.
100