5.1 Analiza właściwości mechanicznych
W celu analizy właściwości mechanicznych wykonano wykresy przedstawiające krzywe rozciągania (naprężenie-odkształcenie) dla próbek wyciętych wzdłuż, prostopadle i pod kątem 45° do kierunku walcowania.
Rys. 11 Krzywe rozciągania naprężenie-odkształcenie dla próbek wyciętych wzdłuż kierunku walcowania
Na podstawie wykresu na Rys. 11 można od razu zauważyć, iż odkształcenie dla próbki gładkiej jest większe niż dla pozostałych. Wraz ze wzrostem głębokości karbu następuje zmniejszenie odkształcenia i wzrost maksymalnego naprężenia, co ma związek ze zmniejszeniem się przekroju czynnego próbki i innego rozkładu naprężeń.
Tabela 6. Zestawienie umownej granicy plastyczności R0,2, wytrzymałości na rozciąganie Rm i względnego wydłużenia A dla próbek wyciętych wzdłuż kierunku walcowania
Oznaczenie Średnica w karbie
[mm] R0,2 [MPa] Rm [MPa] A [%]
bez karbu 5 100 279 33,8
U1 4 182 353 12,9
U2 3 283 375 3,7
V1 4 168 355 12,4
V2 3 258 408 4,9
W Tabeli 6 przedstawiono średnie wartości umownej granicy plastyczności R0,2, wytrzymałości na rozciąganie Rm i względnego wydłużenie A próbek wyciętych wzdłuż kierunku walcowania. Próbki z karbem o większej głębokości (a=2 mm) mają wyższą umowną granicę plastyczności i wytrzymałość na rozciąganie niż próbki odpowiadające im kształtem karbu o mniejszej głębokości (a=1 mm).
Względne wydłużenie jest największe dla próbki bez karbu i zmniejsza swoją wartość wraz ze wzrostem głębokości karbu. Identyczną zależność zaobserwowano dla próbek wyciętych prostopadle do kierunku walcowania (Rys. 12) oraz wyciętych pod kątem 45° do kierunku walcowania (Rys. 13).
W przypadku próbek wyciętych prostopadle do kierunku walcowania zastanawia średnia wartość wytrzymałości na rozciąganie dla próbek z karbem U1 (Tabela 7). Mają one wyższą wartość Rm od próbek z karbem V1, a także większe odkształcenie (Rys. 12). Może mieć to związek z błędnie wykonaną statyczną próbą rozciągania na maszynie wytrzymałościowej, dlatego nie uwzględniono wyników dla tych próbek przy wyciąganiu wniosków. Aby upewnić się co do powyższej zależności dla próbek wyciętych prostopadle do kierunku walcowania z karbem V o wielkości 1 mm należałoby wykonać dodatkowe testy. Ze względu na brak materiału badanego zaniechano jednak tej próby.
Rys. 12 Krzywe rozciągania naprężenie-odkształcenie dla próbek wyciętych prostopadle do kierunku walcowania
Tabela 7. Zestawienie umownej granicy plastyczności R0,2, wytrzymałości na rozciąganie Rm i względnego wydłużenia A dla próbek wyciętych prostopadle do kierunku walcowania i pod kątem 45° do kierunku walcowania
Oznaczenie Anizotropia Średnica w
Rys. 13 Krzywe rozciągania naprężenie-odkształcenie dla próbek wyciętych pod kątem 45° do kierunku walcowania
Na Rys. 13 przedstawiono krzywe rozciągania dla próbek wyciętych pod kątem 45° do kierunku walcowania. Krzywe dla poszczególnych próbek mają te same zależności jak na wykresie z próbkami wyciętymi wzdłuż kierunku walcowania.
Dodatkowo dla próbek wyciętych wzdłuż kierunku walcowania i pod kątem 45°
do kierunku walcowania (porównując wartości z Tabeli 6 i 7) zauważono, że próbki z karbem w kształcie litery V mają większą wytrzymałość na rozciąganie od próbek z karbem w kształcie litery U (różnica ta uwydatnia się przy większej głębokości karbu).
Rys. 14 Krzywe rozciągania naprężenie-odkształcenie dla próbek z karbem U1
Porównując wytrzymałość na rozciąganie dla jednego rodzaju karbu (ta sama głębokość i kształt) na podstawie danych zebranych w Tabelach 6 i 7 zauważono, iż wyniki są bardzo zbliżone. Na Rys. 14 zaprezentowano krzywe rozciągania dla próbek z karbem U1 wyciętych w różnych kierunkach.
Wytrzymałość na rozciąganie jest większa dla próbek wyciętych pod kątem 45°
od próbek wyciętych prostopadle do kierunku walcowania.
Dane uzyskane w statycznej próbie rozciągania potwierdzają, że wielkość i kształt karbu mają wpływ na parametry wytrzymałościowe badanego stopu.
Karb powoduje wzrost właściwości wytrzymałościowych i obniżenie właściwości plastycznych.
5.2 Ilościowa analiza efektu PLC
W celu ilościowego opisu zjawiska PLC w badanym stopie postanowiono wyznaczyć trzy wielkości: współczynnik RL, amplitudę oraz ilość ząbków dla:
• całego zakresu odkształcenia w którym występuje efekt PLC (Tabela 8);
• odkształcenia od 1,3 do 2,85% będącego powtarzającym się zakresem w którym występował efekt PLC we wszystkich próbkach (Tabela 9);
• odkształcenia od 3,75 do 10,75% będącego reprezentatywnym zakresem dla próbek z mniejszą głębokością karbu oraz próbek gładkich (Tabela 9).
Tabela 8. Zestawienie wielkości wyznaczonych dla zjawiska PLC badanych próbek w całym zakresie występowania efektu
wielkość RL Amplituda [MPa] Ilość ząbków
KW KP 45 KW KP 45 KW KP 45
bez
karbu 7,95 9,73 11,51 3,63 2,06 2,56 52 221 225
karb
U1 9,59 9,63 9,90 2,50 3,26 2,76 192 210 198
karb
U2 4,89 5,04 5,04 3,63 3,32 3,78 52 129 84
karb
V1 9,25 10,19 10,19 3,56 2,82 3,68 194 208 187
karb
V2 4,76 4,03 4,03 2,51 3,45 4,05 78 67 65
Na podstawie danych z Tabeli 8 oraz wykresu (Rys. 15) przedstawiającego zależności wartości RL wyliczonych dla próbek w całym zakresie występowania efektu PLC, zaobserwowano podobne wartości wskaźnika dla próbek z taką samą wielkością karbu wyciętych w różnych kierunkach. Wartość RL różni się jednak znacznie dla próbek gładkich (bez karbu) o różnej anizotropii (kierunku wycięcia z walcowanej blachy).
Rys. 15 Zależności RL badanych próbek w całym zakresie efektu
Jak widać na Rys. 15 kształt karbu nie wpływa na intensywność efektu PLC w przeciwieństwie do jego głębokości.
Według danych literaturowych [8] wartość RL powinna rosnąć wraz ze wzrostem wielkości karbu. W uzyskanych wynikach badań taką zależność można zaobserwować tylko dla próbek wyciętych wzdłuż kierunku walcowania blachy o mniejszej wielkości karbu (a=1 mm). Powyższy rezultat jest związany z różnorodnym zakresem odkształceń i sposobie liczenia wartość RL w całej długości występowania efektu. Porównania wartości należy zatem dokonać dla podobnych zakresów odkształceń.
RL
Tabela 9. Zestawienie wielkości wyznaczonych dla zjawiska PLC badanych
[%] 3,75-10,75 1,3-2,85 3,75-10,75 1,3-2,85 3,75-10,75 1,3-2,85
bez karbu 10,08 1,33 12,35 3,69 15,07 2,92
RL
karb U1 13,23 1,91 12,83 4,77 11,88 5,14
karb U2 X 2,53 X 6,47 X 8,91
karb V1 12,28 2,1 12,73 5,36 14,32 4,61
karb V2 X 4,76 X 8,81 X 4,94
bez karbu 1,86 0,87 2,14 0,98 2,57 0,89
Amplituda
W Tabeli 9 znajdują się wielkości dla dwóch zakresów odkształceń, w których występuje efekt PLC. Zauważono, iż:
• wartości wskaźników dla szerszego zakresu od 3,75 do 10,75%
są większe niż dla zakresu od 1,3 do 2,85%;
• zależności pomiędzy kształtem i wielkością karbu nie są takie same dla obu zakresów, ale można zauważyć kształtujący się trend opisany poniżej.
W celu lepszego porównania wartości RL w zależności od kierunku wycięcia próbek z blachy, kształtu i wielkości karbu wykonano zestawienie na Rys. 17.
Rys. 16 Zależności RL badanych próbek w dwóch zakresach występowania efektu PLC (zakres A: dla odkształcenia od 1,3 do 2,85% oraz zakres B:
od 3,75 do 10,75%)
Analizując zależności RL z Rys. 16 stwierdzono:
zróżnicowaną wielkość wskaźnika RL dla próbek z różną wielkością karbu i wyciętych w różnych kierunkach w stosunku do kierunku walcowania blachy;
• próbki wycięte wzdłuż lub prostopadle do kierunku walcowania blachy mają większą wartość RL dla karbów w kształcie litery V niż U.
bez karbu
Rys. 17 Zależności RL badanych próbek w zakresie odkształcenia 1,3-2,85%
Na Rys. 17 dla zakresu odkształcenia 1,3-2,85% zaobserwowano większą wartość RL dla próbek o większym karbie (a=2 mm) od próbek z mniejszym karbem (a=1 mm) z tym samym kształtem karbu. Jest to odmienny wynik od wartości obliczonych dla całego zakresu występowania efektu PLC.
Wartość RL w mniejszym zakresie odkształcenia od 1,3 do 2,85% zawartych na Rys. 17 rośnie dla próbek wyciętych:
• wzdłuż kierunku walcowania dla próbek od karbu w kształcie litery U do V wraz z wielkością karbu, tzn.: bez karbu, U1, V1, U2, V2;
• pod kątem 45° do kierunku walcowania dla próbek wraz z wielkością karbu od tych w kształcie litery V do U, tzn.: bez karbu, V1, V2, U1, U2;
• prostopadle do kierunku walcowania blachy dla próbek od karbu w kształcie litery U do V wraz z wielkością, tzn.: bez karbu, U1, V1, U2, V2.
RL KW
KP 45
Rys. 18 Zależności RL badanych próbek w zakresie odkształcenia 3,75-10,75%
Analizując dane z szerszego zakresu (3,75-10,75%), które zaprezentowano na Rys. 18, zaobserwowano, że wzrost wartości RL następuję dla próbek:
• bez karbu i z karbem V1 dla próbek wyciętych wzdłuż, prostopadle i pod kątem 45° do kierunku walcowania;
• z karbem U1 dla próbek wyciętych pod kątem 45°, prostopadle i wzdłuż kierunku walcowania;
• wyciętych wzdłuż i prostopadle do kierunku walcowania od próbek bez karbu do próbek z karbem V1 i U1;
• wyciętych pod kątem 45° do kierunku walcowania od próbek z karbem U1 do próbek z karbem V1 i gładkich.
RL KW
KP 45
Rys. 19 Amplituda naprężeń badanych próbek w zakresie odkształcenia od 1,3 do 2,85%
Na Rys. 19 przedstawiono zależność amplitudy naprężeń badanych próbek.
Największe wychylenia z okresu równowagi można zaobserwować dla próbek z większą głębokością karbu (mniejszym przekrojem poprzecznym).
Analizując wykresy z Rys. 20 dotyczące ilości ząbków zarejestrowanych dla efektu PLC w zakresie odkształcenia od 1,3 do 2,85% stwierdzono:
• spadek liczby ząbków od próbek z mniejszym karbem (a=1mm) do próbek z większym karbem (a=2mm) wyciętych prostopadle i pod kątem 45° do kierunku walcowania;
• podobną liczbę ząbków dla próbek wyciętych wzdłuż kierunku walcowania dla próbek z karbami.
Amplituda [MPa]
KW KP 45
Rys. 20 Ilość ząbków dla próbek w zakresie odkształcenia 1,3-2,85%
Skoro liczba zarejestrowanych ząbków w tym samym zakresie odkształcenia jest proporcjonalna do częstotliwości można zatem stwierdzić identyczną zależność częstotliwości występowania efektu PLC pomiędzy próbkami jak dla ilości ząbków w zakresie odkształcenia od 1,3 do 2,85%.
Ilość ząbków
6 PODSUMOWANIE
Na podstawie przeprowadzonych badań i analizy wyników stwierdzono, że obecność jak i głębokość karbu wpływa na wskaźniki określające właściwości mechaniczne badanego stopu. Wraz ze wzrostem głębokości karbu następuje spadek wydłużenia i zwiększenie maksymalnego naprężenia jakie może przyjąć próbka w statycznej próbie rozciągania. Przy większej głębokości karbu próbki z naciętym karbem w kształcie litery V mają wyższą wytrzymałość na rozciąganie od próbek z karbem U. Jednakże kierunek wycięcia próbek z blachy w stosunku do kierunku walcowania nie wpływa zasadniczo na górną granicę plastyczności.
Głównym elementem przy porównywaniu intensywności odkształcenia PLC jest zakres odkształcenia. Wartości RL dla szerszego zakresu odkształcenia, w którym występuje efekt są większe niż dla całego zakresu występowania PLC. Może to być związane ze zmianą intensywności efektu PLC w zależności od odkształcenia.
Zauważono, że wraz ze wzrostem głębokości karbu następuje wzrost RL oraz amplitudy naprężeń. Wartość RL jest także większa dla próbek z wyciętym karbem w kształcie litery V niż U. Najniższą wartość przejawiają próbki wycięte wzdłuż kierunku walcowania. Próbki z mniejszym karbem charakteryzuje większa liczba ząbków zarejestrowanych podczas statycznej próby rozciągania.
Obecność, kształt, wielkość karbu oraz kierunek wycięcia próbek z blachy w stosunku do kierunku walcowania mają wpływ na intensywność odkształcenia PLC.
7 BIBLIOGRAFIA
[1] L.A.Dobrzański „Metaloznawstwo opisowe stopów metali nieżelaznych”
Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2008 [2] Informator Metale Nieżelazne 2005 - VI wydanie
[3] Z.Poniewierski „Krystalizacja. Struktura i właściwości siluminów”, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 1989
[4] Aluminium Konin, Katalog produktów, www.aluminium-konin.com.pl [5] strona internetowa: http://mompiou.free.fr
[6] J.Zdunek, praca doktorska „Badania ilościowe niestabilności
odkształcenia klasycznego Portevin-Le Chatelier w stopach”, Warszawa [7] M.Gontarczyk, materiały do ćwiczeń „Statyczna próba rozciągania metali”
Politechnika Gdańska
[8] S.Katarzyńska, S.Kocańda, M.Zakrzewski „Badanie własności
mechanicznych metali”, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 1967
[9] R.W. Hertzberg, John Wiley&Sonc „Deformation and Fracture Mechnics of Engineering Materials (4/E)”, Inc. NY, 1996
[10] W.Jurczak „Zeszyty Naukowe Akademii Marynarki Wojennej ROK XLIX NR1 (172) 2008”
[11] M.L.Bernsztejn, W.A.Zajmowski „Struktura i własności mechaniczne metali”, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 1973
[12] P.Maj, praca magisterska „Wpływ obecności karbu na zjawisko niestabilności odkształcenia plastycznego Portevin – Le Chatelier w próbie rozciągania modelowego stopu Al-3Mg”, Warszawa 2011