Index of /rozprawy2/10289

Pełen tekst

(1)

(2) AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA im. Stanisława Staszica w Krakowie Wydział InŜynierii Mechanicznej i Robotyki Katedra Wytrzymałości, Zmęczenia Materiałów i Konstrukcji. PRACA DOKTORSKA Analiza powstawania i rozpoznania pęknięć lamelarnych w dźwigarach suwnic. Tomasz Łata. Promotor pracy: Dr hab. inŜ. Artur Blum, prof. AGH. Kraków 2010.

(3) Podziękowanie Dziękuję mojemu promotorowi Panu. Profesorowi. Arturowi. Blumowi. za ukierunkowanie pracy naukowej i pomoc w realizacji doktoratu.. Wyrazy wdzięczności kieruję równieŜ do mojej rodziny, za wsparcie i długotrwałą wyrozumiałość.. autor.

(4) Spis treści. 1. Wstęp .......................................................................................................... 8. 2. Przedmiot i cel pracy ................................................................................ 8. 3. Analiza literatury przedmiotu ............................................................... 11 3.1 Wprowadzenie.............................................................................................................. 11 3.2 Czynniki powodujące pękanie warstwowe .................................................................. 19 3.3 Pęknięcia lamelarne...................................................................................................... 21 3.4 Mechanizm powstawania pęknięć lamelarnych ........................................................... 22 3.5 Metody badawcze oceny skłonności stali do pękania lamelarnego ............................. 33 3.6 Wyniki badań oceny skłonności stali do pękania lamelarnego .................................... 37 3.7 Podsumowanie literatury przedmiotu........................................................................... 40. 4. Ocena przydatności metod nieniszczących do badań pęknięć lamelarnych ............................................................................................. 41 4.1 Charakterystyki podstawowych metod badań nieniszczących..................................... 49 4.2 Metody analizy widmowej sygnałów........................................................................... 52. 5. Metodyka rozpoznawania etapu pęknięć lamelarnych w sposób nieniszczący.............................................................................................. 53 5.1 Odbicie fali ultradźwiękowej od płaskiego dna ........................................................... 55 5.2 Odbicie fali ultradźwiękowej od wtrącenia niemetalicznego....................................... 56 5.3 Odbicie fali ultradźwiękowej od płaskiej szczeliny ..................................................... 63 5.4 Odbicie fali ultradźwiękowej od dwóch płaskich szczelin zalegających na nieznacznie róŜniących się głębokościach ....................................................................................... 65 5.5 Odbicie fali ultradźwiękowej od płaskiej szczeliny zlokalizowanej pod wtrąceniem. 72 5.6 Krótkoczasowa transformata Fouriera ......................................................................... 74 5.7 Analiza falkowa............................................................................................................ 77 5.8 Identyfikacja pęknięcia jako uskok lub taras................................................................ 95 5.9 Podsumowanie.............................................................................................................. 99. 6. Badania eksperymentalne procesu lamelarnego pękania blach....... 103 6.1 Rozwój pęknięć lamelarnych w blachach podczas próby rozciągania....................... 103 6.2 Rozwój pęknięć lamelarnych w blachach podczas próby zginania............................ 108.

(5) 7. Analiza stanu obciąŜenia i napręŜenia w dźwigarach mostów suwnicowych .......................................................................................... 116 7.1 ObciąŜenie mostu suwnicy ......................................................................................... 116 7.2 Siły wewnętrzne w najbardziej wytęŜonych przekrojach mostu suwnicy ................. 119 7.3 NapręŜenia w przekroju (1-1) dźwigara mostu suwnicy po stronie mechanizmu jazdy od obciąŜeń obliczeniowych „W”. ............................................................................. 121 7.4 Obliczenia wytrzymałościowe dźwigara napędowego mostu suwnicy pomostowej o udźwigu Q=16T (160kN) i rozpiętości L=28m....................................................... 123. 8. Analiza numeryczna rozwoju pęknięć lamelarnych w blachach ..... 130 8.1 Cel i załoŜenia badań.................................................................................................. 130 8.2 Model struktury blachy............................................................................................... 130 8.3 Przyjęcie obciąŜeń modelu struktury blachy.............................................................. 133 8.4 Analiza numeryczna modelu rzeczywistego blachy................................................... 135 8.5 Analiza numeryczna modelu zawierającego wtrącenia o róŜnym ułoŜeniu względem siebie........................................................................................................................... 139 8.6 Hipotetyczny model z wtrąceniami obróconymi względem kierunku walcowania ... 144 8.7 Podsumowanie rezultatów badań ............................................................................... 147. 9. Analiza diagnostyczna powstawania pęknięć lamelarnych na obiekcie rzeczywistym dźwigara suwnicy.......................................................... 149 9.1 ObciąŜenie i stan napręŜenia w badanym dźwigarze ................................................. 149 9.2 Badania diagnostyczne dźwigara po stronie napędu suwnicy.................................... 151. 10. Podsumowanie pracy ............................................................................ 159.

(6) Wykaz oznaczeń Q L εw, εo RT/RL ρW cLP cLS cLW αsp ZL Rsp Rsw Rws pi Tws Tsw λw g Rw Tw αw βw cg cf f(t) F(jω) ω f t tN f[n] n k Nc N Ζ Im Re ϕk. udźwig suwnicy, długość suwnicy, odkształcenie wtrącenia i odkształcenie osnowy stalowej, stosunek wytrzymałości w kierunku grubości do wytrzymałości w kierunku walcowania, gęstość wody, prędkość rozchodzenia się fal podłuŜnych w powietrzu, prędkość rozchodzenia się fal podłuŜnych w stali, prędkość rozchodzenia się fal podłuŜnych w wodzie, energetyczny współczynnik odbicia stal-powietrze, akustyczna oporność falowa dla fali L, ciśnieniowy współczynnik odbicia od granicy (indeksy) stal-powietrze, ciśnieniowy współczynnik pierwszego odbicia od granicy (indeksy) stal-woda, ciśnieniowy współczynnik odbicia od granicy (indeksy) woda-stal, amplituda ciśnienia akustycznego fali i-tego odbicia, amplitudowy współczynnik przenikania fali ultradźwiękowej przez granicę (indeksy) woda-stal, amplitudowy współczynnik przenikania fali ultradźwiękowej przez granicę (indeksy) stal - woda, długości fali ultradźwiękowej w materiale warstwy, grubości warstwy, amplitudowy współczynnik odbicia od warstwy wody, współczynnik przenikania przez warstwę wody, energetyczny współczynnik odbicia od warstwy wody, energetyczny współczynnik przenikania od warstwy wody, prędkość grupowa impulsu fali ultradźwiękowej, prędkość fazowa impulsu fali ultradźwiękowej, przebieg ultradźwiękowy echa wady, transformata Fouriera przebiegu ultradźwiękowego echa wady, częstotliwość kołowa składowej harmonicznej przebiegu ultradźwiękowego, częstotliwość składowa przebiegu ultradźwiękowego, czas, czas trwania przebiegu ultradźwiękowego, dyskretna postać przebiegu ultradźwiękowego echa wady, numer próbki, numer składowej harmonicznej przebiegu ultradźwiękowego, ilość próbek wyciętego dyskretnego przebiegu, ilość próbek dyskretnego przebiegu ultradźwiękowego, liczba zespolona, część urojona liczby zespolonej, część rzeczywista liczby zespolonej, przesunięcie kątowe dla k-tego numeru harmonicznej dyskretnego przebiegu,.

(7) tg f1(t), f1 f2(t), f2 F1, F2 E(f) w(t) τ S(τ,ω) W[n] ψa,b(t) a b Ψ a,b(f) ∆f u CWTf(a,b) Ψ(ω) ξ. σ t2 σω DWTf(j) φ (t ) d j ,k. c j ,k h(n) h1 (n) nCext ar Re s E Ep ν Rm ex ey σzr KI, KII i KIII u, v, w r, θ. czas, w ciągu którego wiązka ultradźwiękowa pokonuje warstwę o grubości g, przebieg ultradźwiękowy echa wady pierwszej w dziedzinie czasu t, przebieg ultradźwiękowy echa wady drugiej w dziedzinie czasu t, transformaty Fouriera przebiegów ultradźwiękowych ech wady pierwszej i drugiej, funkcja okresowa, okno czasowe, przesunięcie w dziedzinie czasu, energia przebiegu ultradźwiękowego f(t) w okolicy częstotliwości ω i czasu τ, okno czasowe dla dyskretnego przebiegu ultradźwiękowego, rodzina funkcji analizujących, współczynnik skali falki, współczynnik przesunięcia falki, transformacja Fouriera falek analizujących ψa,b(t), szerokość filtra pasmowego dla częstotliwości f, częstotliwość środkowa filtra pasmowego u=af, współczynniki falkowe transformaty falkowej, transformacja Fouriera falki analizującej ψ(t), częstotliwość środkowa transformaty Fouriera Ψ (ω ) falki ψ (t ) , odchylenie standardowe koncentracji falki wokół czasu t=b, rozkład energii falek wzdłuŜ częstotliwości ω, współczynniki falkowe dyskretnej transformaty falkowej, splot funkcji skalującej, współczynniki falkowe, zawierające informację o wyŜszych częstotliwościach przebiegu ultradźwiękowego f(t) dla skali j i przesunięcia k; - detale, współczynniki falkowe, zawierające informację o niŜszych częstotliwościach przebiegu ultradźwiękowego f(t) dla skali j i przesunięcia k; - aproksymacje, filtr górnoprzepustowy, filtr dolnoprzepustowy, numer próbki współczynnika falkowego o ekstremalnej wartości, amplituda echa wady (reflektora), granica plastyczności, droga, jaką pokonuje w ośrodku fala ultradźwiękowa, moduł Younga, moduł umocnienia w zakresie plastycznym, współczynnik Poissona, granica wytrzymałości na rozciąganie, odkształcenie procentowe na kierunku zgodnym z kierunkiem walcowania blach, odkształcenie procentowe na kierunku prostopadłym do kierunku walcowania blach, napręŜenia zredukowane wg hipotezy Burzyńskiego, współczynnik intensywności napręŜeń dla trzech sposobów przemieszczania się górnej powierzchni pękania, przemieszczenia w lokalnym, prostokątnym układzie współrzędnych, współrzędne lokalnego cylindrycznego układu współrzędnych..

(8) T. Łata: Analiza powstawania i rozpoznawania pęknięć lamelarnych w dźwigarach suwnic.. 8. 1 Wstęp Suwnice pracujące w przemyśle cięŜkim w większości przypadków są intensywnie eksploatowane przez długi czas. Niektóre z dźwignic pracują juŜ od 60 lat [1]. Długotrwałe obciąŜenie uŜytkowe suwnicy pomostowej często przyczynia się do powstawania pęknięć blachy stalowej pasa dolnego jej dźwigara. Podczas dalszej eksploatacji pęknięcia te łączą się, przybierając postać rozwarstwień blachy. Blacha rozwarstwia się równolegle do kierunku jej walcowania, na swojej grubości [1]. Analiza literatury dotyczącej rozwarstwień elementów konstrukcyjnych umoŜliwiła stwierdzenie, Ŝe przyczyną powstawania tego typu pęknięć jest duŜa anizotropia blach wynikająca głównie z obecności wtrąceń niemetalicznych w stali. Tego typu pęknięcia nazywane są pęknięciami lamelarnymi. Ilość. zniszczeń. konstrukcji. wywołanych. pęknięciami. lamelarnymi. wzrosła. gwałtownie w latach 70. Stało się to przyczyną wielu wypadków i duŜych kosztów spowodowanych np. pękaniem cięŜkich dźwigarów konstrukcji nośnych, problemami z dostawą energii z uszkodzonych platform wiertniczych itp. Dla przykładu w roku 1981 na skutek odłamania się jednej z głównych podpór pentagonalnej platformy wiertniczej Aleksander Kjaelland zginęło 200 osób. Przyczyną było osłabienie konstrukcji spowodowane rozwarstwieniem jednego z jej elementów [2][52].. 2 Przedmiot i cel pracy W trakcie oceny stanu technicznego dźwigarów suwnic wykrywane są wewnątrz blach konstrukcyjnych. pęknięcia. lamelarne.. Powstają. one. podczas. eksploatacji. suwnic.. ZwaŜywszy, Ŝe ponad 90% pracujących w Polsce duŜych konstrukcji nośnych wykonanych jest z blach podatnych na pękanie lamelarne, problem rozwarstwień lamelarnych przez długi czas dotyczyć będzie pracujących konstrukcji. Pierwszą publikację dotyczącą pęknięcia lamelarnego przedstawiono w świecie w roku 1961, natomiast pierwsze przypadki pęknięć lamelarnych zarejestrowano w Polsce w roku 1972. Pomimo, Ŝe od tego czasu nad przyczynami powstawania i zagadnieniem rozrostu pęknięć tzw. lamelarnych pracowało wielu naukowców, do dzisiaj nieznana jest metoda, które umoŜliwiłaby w sposób nieniszczący monitorowanie inicjacji i rozwoju pęknięć lamelarnych. Nieznany jest.

(9) T. Łata: Analiza powstawania i rozpoznawania pęknięć lamelarnych w dźwigarach suwnic.. 9. równieŜ proces pękania lamelarnego, jaki zachodzi podczas obciąŜeń na kierunku walcowania blach. Przedmiot pracy stanowią eksploatowane skrzynkowe mosty suwnicowe wykonane z blach stalowych w strukturze których stwierdzono występowanie wtrąceń niemetalicznych i pęknięć lamelarnych. Celem pracy doktorskiej jest opracowanie metodyki badań nieniszczących wraz z analizą matematyczną dla określenia zarówno rozpoznania wtrąceń niemetalicznych w dźwigarach suwnic poddanych obciąŜeniom własnym i eksploatacyjnym, jak i rozwoju pęknięć lamelarnych powodujących rozwarstwienia blach, z których wykonane zostały dźwigary.. Przyjęto następujący zakres prac pozwalający na realizację załoŜonego celu dysertacji doktorskiej: 1. Poznanie przyczyn rozwarstwiania się blach podczas ich eksploatacji. 2. Literaturowa analiza czynników technologicznych wprowadzających wtrącenia niemetalicznych do struktury stali konstrukcyjnych wraz z opisem metod badawczych oceny skłonności stali do pękania lamelarnego. 3. Ocena przydatności metod nieniszczących do badania rozwoju pęknięć lamelarnych. 4. Opracowanie. metodyki. umoŜliwiającej. obserwację. propagacji. pęknięć. lamelarnych w oparciu o badania defektoskopowe i analizę matematyczną otrzymanych przebiegów ech wad. 5. Określenie. sił. wewnętrznych. w. dźwigarach. eksploatowanych. mostów. suwnicowych wywołanych obciąŜeniami własnymi i eksploatacyjnymi celem ustalenia stanu napręŜenia w obszarach konstrukcji dźwigarów suwnic, w których stwierdzono występowanie pęknięć lamelarnych. 6. Przeprowadzenie analizy numerycznej rozwoju pęknięć lamelarnych w strukturach stali, z których wykonano dźwigary suwnicowe. 7. Przeprowadzenie badań eksperymentalnych rozwoju pęknięć lamelarnych na próbkach pobranych z obszaru rozciąganego złomowanego dźwigara suwnicy pomostowej. 8. Zastosowanie opracowanej metodyki badań nieniszczących celem rozpoznania powstawania pęknięcia lamelarnego na obiekcie rzeczywistym mostu suwnicy..

(10) T. Łata: Analiza powstawania i rozpoznawania pęknięć lamelarnych w dźwigarach suwnic.. 10. DąŜąc do uzyskania rezultatów o praktycznym znaczeniu przyjęto następujące tezy pracy:. „Opracowano metodykę badań, która w sposób nieniszczący umoŜliwia obserwację procesu propagacji pęknięć lamelarnych. ZauwaŜono inny, niŜ przyjmowano dotychczas mechanizm powstawania i rozwoju pęknięć lamelarnych w dźwigarach wieloletnio eksploatowanych mostów suwnic.”. Przeprowadzenie przedstawionych jako zakres prac zadań umoŜliwi otrzymanie rezultatów o praktycznym znaczeniu dla polskiego przemysłu, jakim jest dokładniejsze określenie zmian stanu technicznego badanego urządzenia w okresie jego eksploatacji..

(11) T. Łata: Analiza powstawania i rozpoznawania pęknięć lamelarnych w dźwigarach suwnic.. 11. 3 Analiza literatury przedmiotu. 3.1 Wprowadzenie. Proces rozwarstwień grubych blach dźwigarów skrzynkowych obserwuje się w. większości. mostów. suwnicowych,. wyprodukowanych. do. końca. dekady. lat. osiemdziesiątych [3]. Proces ten, w warunkach ekstremalnych prowadzi do katastroficznego pęknięcia dźwigara [3], rys. 3.1.. Rys. 3.1 Katastroficzne pęknięcie dźwigara suwnicy pomostowej o udźwigu Q = 30 / 5 t oraz rozpiętości L = 28,5 m [3].. Rozwarstwienia najczęściej ujawniane są jako rezultat badań diagnostycznych. Na rys. 3.2 przedstawiono szkic izometryczny mostu suwnicy z zaznaczonym polem badań diagnostycznych metodami magnetyczną i ultradźwiękową. Rys. 3.3 pokazuje ujawnione rozwarstwienia blach..

(12) T. Łata: Analiza powstawania i rozpoznawania pęknięć lamelarnych w dźwigarach suwnic.. Rys. 3.2 Szkic mostu Q = 30/5 t, L = 28,5 m. Suwnica zainstalowana w 1971r [3].. Rys. 3.3 Graficzny obraz występowania rozwarstwień wg opisu z rys. 3.2 [3].. 12.

(13) T. Łata: Analiza powstawania i rozpoznawania pęknięć lamelarnych w dźwigarach suwnic.. Badania. metalograficzne. próbek. 13. pobranych. z. pasa. dolnego,. wieloletnio. eksploatowanego dźwigara skrzynkowego ujawniły obecność w strukturze ferrytycznoperlitycznej duŜe ilości róŜnorodnych pod względem chemicznym i morfologicznym wtrąceń niemetalicznych. Wtrącenia wykazują pasmowość zgodną z kierunkiem przeróbki plastycznej blachy. W części środkowej na grubości blachy przewaŜają aluminaty oraz złoŜone związki krzemianów. Występują teŜ plastyczne siarczki manganu. Przykładowe zdjęcie struktury stali przedstawia rys. 3.4. Płaszczyzna zgładu została wykonana prostopadle do powierzchni blachy na kierunku równoległym do kierunku walcowania [3].. a). d). b). c). e). f). Rys. 3.4 Struktura stali obserwowana na zgładzie wzdłuŜnym nietrawionym (równoległym do kierunku walcowania) a, b i c oraz trawionym nitalem d, e i f. a) i d) aluminaty, b) i e) złoŜone krzemiany Ŝelaza i manganu, c) i f) siarczki manganu (kolor szary). Powiększenie x150 [3]..

(14) T. Łata: Analiza powstawania i rozpoznawania pęknięć lamelarnych w dźwigarach suwnic.. 14. Wtrącenia niemetaliczne dostają się do stali z półproduktów oraz podczas procesu jej produkcji. W XX wieku technologia wytwarzania stali opierała się na następujących procesach stalowniczych: •. Proces Bessemera od 1855r. (świeŜenie (utlenianie) dmuchem powietrza przy kwaśnym wyłoŜeniu pieca).. •. Metoda Thomasa od 1880r. (świeŜenie dmuchem powietrza przy zasadowym wyłoŜeniu pieca), stal thomasowska zawierała więcej azotu, tlenu i wtrąceń ŜuŜlowych od stali martenowskiej i bessemerowskiej, ale była tańsza.. •. Wytop stali metodą Siemensa-Martina od 1885r. (świeŜenie na trzonie pieca płomieniowego).. •. Proces konwertorowy od 1900r. (świeŜenie stali pionowym dmuchem tlenu na jej powierzchnię). Wysoka jakość stali otrzymywanych tą metodą, moŜliwości uŜycia we wsadzie złomu oraz względy ekonomiczne (stosowanie duŜych konwertorów o pojemności ponad 250t) przyczyniły się do szybkiego rozpowszechnienia tej metody.. •. Metoda wytopu stali w piecach elektrycznych łukowych lub indukcyjnych [3].. KaŜdy z wymienionych powyŜej procesów stalowniczych charakteryzował się róŜną ilością i rodzajem wtrąceń niemetalicznych. Udział wtrąceń niemetalicznych w stali moŜna zmniejszyć, przeprowadzając rafinację pozapiecową ciekłych stali. ZaleŜność odtlenienia i odsiarczenia kąpieli od zastosowanego procesu rafinacji pokazuje rys. 3.5 [4].. Rys. 3.5 ZaleŜność stęŜenia tlenu i siarki w stali od zastosowanego procesu wytapiania lub przetapiania: 1-proces konwencjonalny, 2-przedmuchiwanie argonem w kadzi, 3-próŜniowo-łukowa rafinacja w kadzi, 4-przetapianie elektroŜuŜlowe [4]..

(15) T. Łata: Analiza powstawania i rozpoznawania pęknięć lamelarnych w dźwigarach suwnic.. 15. Wtrącenia niemetaliczne moŜna podzielić na dwie grupy: a. egzogeniczne; spowodowane technologią wytapiania stali, są cząstkami materiałów ogniotrwałych lub ŜuŜla. Mają złoŜony skład chemiczny, jak: krzemiany, aluminaty, spinele. Są one duŜe, o nieregularnych kształtach i stanowią małą część ogólnej ilości wtrąceń. b. endogeniczne; są to produkty odtleniania lub odsiarczania stali, a więc są to tlenki Ŝelaza lub metali o większym powinowactwie z tlenem niŜ Ŝelazo, wprowadzonych do stali w charakterze odtleniaczy (Si02, A1203, MnO), azotki aluminium, tytanu lub wanadu oraz siarczki, które zawsze zawierają mangan (Mn, Fe)S. Ostatnio wprowadza się do stali metale ziem rzadkich w celu wytworzenia siarczków kruchych, które wywołują mniejszą anizotropię własności. MoŜna równieŜ utkać w stalach krzemiany typu endogenicznego, powstałe przez reagowanie krzemionki z tlenkami (najczęściej Ŝelazawym FeO) [5].. Badania na mikrosondzie elektronowej wykazały, Ŝe wtrącenia niemetaliczne rzadko mają jednolity charakter, najczęściej są złoŜone z wielu związków. Udział wtrąceń niemetalicznych w stali jest bardzo mały (0,02-0,06%), jednak wpływają one na własności stali. Wpływ wtrąceń zaleŜy nie tylko od ich rodzaju, lecz równieŜ od kształtu, wymiarów i równomierności rozkładu. W czasie przeróbki plastycznej niektóre wtrącenia niemetaliczne wydłuŜają się, powodując włóknistą strukturę stali, co jest powodem anizotropii własności mechanicznych. NaleŜy jednak podkreślić, Ŝe odkształcalność wtrąceń zaleŜy od ich rodzaju i temperatury. •. Roztwory siarczków Ŝelaza (FeS) i manganu (MnS) wykazują znaczną odkształcalność, nawet przy niskich temperaturach przeróbki plastycznej. Siarczek Ŝelaza w postaci odrębnej fazy, jak równieŜ i siarczek manganu są takŜe bardzo plastyczne.. •. Tlenki Ŝelaza (FeO) i manganu (MnO) odkształcają się stosunkowo łatwo przy niskich temperaturach, przy wyŜszych ich odkształcalność maleje.. •. Tlenki aluminium Al2O3 (korund) i aluminaty wapnia nie są plastyczne nawet przy wysokich temperaturach przeróbki plastycznej, lecz kruszą się, tworząc pasma drobnych wydzieleń..

(16) T. Łata: Analiza powstawania i rozpoznawania pęknięć lamelarnych w dźwigarach suwnic.. •. Plastyczność. podwójnych. 16 krzemianów. Ŝelaza. i. manganu. (nFeO·mMnO·pSiO2), zwykle o budowie bezpostaciowej oraz złoŜonych krzemianów aluminium (o budowie niejednorodnej) zaleŜy od składu chemicznego wtrąceń i związanego z tym zakresu temperatur mięknięcia i. topnienia. wtrąceń. oraz. od. technologii. przeróbki. plastycznej,. a w szczególności od zakresu temperatur, w których jest ona przeprowadzana. Podwójne krzemiany Ŝelaza i manganu odkształcają się tym trudniej, im więcej zawierają krzemionki SiO2 a mniej tlenku manganawego (MnO). Sama krzemionka (SiO2) jest nieplastyczna. ZłoŜone krzemiany aluminium równieŜ się nie odkształcają. •. Spinele odkształcają się tylko przy bardzo wysokich temperaturach i duŜej zawartości (MgO) [3][5].. Zmianę geometrii podstawowych rodzajów wtrąceń w stali konstrukcyjnej w wyniku zgniotu pokazuje rys. 3.6. Oznaczanie zanieczyszczenia stali wtrąceniami niemetalicznymi przeprowadza się na podstawie normy PN-64/H-04510 [6]. PRZED ZGNIOTEM. PO ZGNIOCIE. Al 2O 3. Al 2O 3 (x Al O, y CaO) (x Al O, y CaO) (Mn, Ca)S. Al 2O 3 (x Al O, y CaO) (Mn, Ca)S MnS (II) (Mn, Ca)S MnS - TeS CaS. Rys. 3.6 Zmiana geometrii podstawowych rodzajów wtrąceń w stali konstrukcyjnej, odtlenianej Al i Ca w wyniku zgniotu [6]..

(17) T. Łata: Analiza powstawania i rozpoznawania pęknięć lamelarnych w dźwigarach suwnic.. 17. WydłuŜenie i pasmowe ułoŜenie wtrąceń w wyniku przeróbki plastycznej wywiera znaczny wpływ na anizotropię właściwości mechanicznych stali, rys. 3.7. Fazy siarczkowe i niskotopliwe krzemiany w temperaturze kucia i walcowania wykazują względnie duŜą plastyczność i odkształcają się razem z osnową, przybierając postać długich, cienkich pasm [7]. Natomiast tlenki, a szczególnie SiO2 i spinele jako fazy kruche pękają i rozmieszczają się pasmowo w kierunku przeróbki plastycznej. Skupiska tych kruchych wtrąceń osłabiają stal mechanicznie, a w większej ilości mogą powodować włóknistość stali [8]. Wtrącenia takie jak np.: AlN, TiN, VN, Al2O3, V2O3, występujące w bardzo duŜym rozdrobnieniu, wpływają korzystnie na drobnoziarnistość stali [9].. Rys. 3.7 Zdjęcia struktur stali ferrytyczno-perlitycznej z wtrąceniami ułoŜonymi pasmowo [10].. Rozmieszczenie, kształt i długość wtrąceń niemetalicznych na przykładzie stali uspokojonych z pasmowo ułoŜonymi wtrąceniami sześciu próbek wynosiła [11]: •. średnia ilość wtrąceń na jednostkę powierzchni 1/mm2: 210. •. średnia długość wtrąceń: 12 µm,. •. średnia szerokość wtrąceń 1,1 µm.. Parametrem wpływającym na geometrę wtrącenia po przeróbce plastycznej jest opór odkształcenia osnowy i wydzieleń. WyraŜa go współczynnik odkształcalności v, który wg T.Malkiewicza i S.Rudnika wyraŜa się wzorem: (3.1) [5] v=. ε w 2 log(λ ) = ε o 3 log(h ). gdzie: εw, εo – odkształcenie wtrącenia i odkształcenie osnowy stalowej, λ=b/a; b i a to główne osie elipsy odkształceń siarczku, h=A0/A1; grubość jednostki osnowy przed i po odkształceniu (stopień przerobu)..

(18) T. Łata: Analiza powstawania i rozpoznawania pęknięć lamelarnych w dźwigarach suwnic.. 18. Wartość współczynnika v zmienia się w zaleŜności od temperatury, szybkości odkształcenia i zgniotu [12]. Według K.Gove i J.Charles dla wtrącenia MnS współczynnik odkształcalności v w temperaturze 200C wynosi 0,91, natomiast stosunek twardości wtrącenia H0 do twardości osnowy Hm jest równy 1,16. W przypadku, kiedy wtrącenie odkształca się w mniejszym stopniu niŜ stal na granicy międzyfazowej powstają duŜe siły ścinające. Kiedy siły ścinające przekroczą siły adhezji powstaje pęknięcie pomiędzy wtrąceniem a osnową. Przerwy w ciągłości stali występują równieŜ pomiędzy pokruszonymi w wyniku zgniotu wtrąceniami w miejscach, w których stal podczas przeróbki plastycznej nie została zgrzana. Pęknięcia te mogą przybrać postać naderwań, rzadzizn czy szczelin. Dlatego teŜ określenie własności materiałowych wtrąceń dla analiz modelowych MES prezentowanych w tej pracy nie było proste. Pomimo Ŝe znane są własności mechaniczne poszczególnych związków, tabela 3.1 przy określeniu własności mechanicznych naleŜy uwzględnić nieciągłości wtrąceń po walcowaniu, rys. 3.6 oraz złoŜony ich skład chemiczny. Uwzględniając te czynniki dla modelowanych wtrąceń przyjęto moduł Younga równy 50GPa i współczynnik Poissona 0,4.. Tabela 3.1 Własności mechaniczne wtrąceń niemetalicznych [12][3]. własności mechaniczne wtrąceń. MnS. Wytrzymałość w MPa. 880. Moduł Younga w GPa. 70. 170. 370. 0,33. 0,3. 0,22. Liczba Poissona. MnO. Al2O3 300. PowyŜej podano, Ŝe struktura stali zawierająca wtrącenia niemetaliczne posiada pęknięcia lub teŜ jest podatna na tworzenie się pęknięć wokół wtrąceń. Przy wzroście obciąŜeń pęknięcia te mogą się ze sobą łączyć, tworząc rozwarstwienia..

(19) T. Łata: Analiza powstawania i rozpoznawania pęknięć lamelarnych w dźwigarach suwnic.. 19. 3.2 Czynniki powodujące pękanie warstwowe. Rozwarstwienia są definiowane jako warstwowy brak ciągłości materiału, jednokierunkowo przerobionego plastycznie. Są one spowodowane występowaniem obcej fazy, która ma inne właściwości plastyczne od podłoŜa stalowego. Czynniki mogące prowadzić do rozwarstwień blachy zostały wymienione na rys. 3.8. niskie właściwości wskroś grubości wodór. starzenie skład chemiczny -. struktura walcowana segregacja -. CN-. odtlenianie - warunki walcowania blach połoŜenie wlewka - stopień przerobu. skład chemiczny -. odkształcenia cieplne cykle spawania. wtrącenia. Si -. wodór -. wtrącenia makro -. materiał spawany temp. podgrzania szybkość stygnięcia skład chemiczny -. włosowiny -. grubość blachy -. wady ukryte. początek pęknięć warstwowych. PĘKNIĘCIA WEWNĘTRZNE. szybkość studzenia - -- wytrzymałość metalu -spoiny spoiny --- - grubość blachy ---doprowadzone temperatura podgrzania. pęknięcia w strefie wpływu ciepła. - stopień przewalcowania poprzecznego. warstwa napawana - ----- proces spawania ----. ciepło spawania. napręŜenia -. plastycznego. skład chemiczny -. obróbka cieplna -. -- -konstrukcja złącza --- utwierdzenie zewnętrzne -. odkształcenia przy spawaniu. odkształcenie I napręŜenie przy spawaniu. utwierdzenie. Rys. 3.8 Czynniki powstawania pękania warstwowego [13]. Jak pokazuje rys. 3.8, pęknięcia lamelarne nie są jedynym czynnikiem powodującym rozwarstwienia blach. Przyczynami powstawania rozwarstwień mogą być: •. Pozostałości jamy skurczowej i rzadzizn. Są wynikiem zbyt głębokiego zalegania jamy i rzadzizn we wlewku lub zbyt małego odcięcia odpadu technologicznego. Wtrącenia niemetaliczne skupione na powierzchni jamy lub rzadzizny utrudniają zgrzanie się materiału w czasie walcowania. Są łatwo wykrywalne przy przerobie wlewka na kęsiska..

(20) T. Łata: Analiza powstawania i rozpoznawania pęknięć lamelarnych w dźwigarach suwnic.. •. 20. Pęcherze gazowe. Gaz w postaci O2, N2, H2 dostaje się z powietrza podczas lania do wlewnicy. Pęcherze są wynikiem niewłaściwej technologii walcowania wlewka np. przy zbyt niskiej temperaturze i za małych gniotach (czasami otoczone błonką wtrąceń metalicznych) pęcherze mogą się nie zgrzać. Rozwarstwienia takie są drobne i rozciągają się wzdłuŜ walcowania.. •. Silna segregacja strefowa. Jest wynikiem róŜnicy plastyczności przy przerobie walcowniczym dwóch róŜnych sfer: wzbogaconej w siarczki i fosfor oraz czystej. Występuje zwykle w górnej części wlewka.. •. Zawalcowania. Są wynikiem błędów procesu technologicznego walcowania.. •. Wtrącenia niemetaliczne. Spowodowane są technologią wytapiania stali lub mogą być produktami odtleniania albo odsiarczania stali.. Wymagania jakościowe stali przeznaczonej na blachy zgodnie z PN-65/H-92120 dla blach grubych i uniwersalnych nie dopuszczają na powierzchni przekroju blachy śladów jamy usadowej, rozwarstwień, pęknięć i pęcherzy widocznych gołym okiem. Dlatego naleŜy przyjąć, Ŝe blachy rozwarstwiają się dopiero w wyniku eksploatacji, natomiast przyczyną rozwarstwień jak, podaje większość autorów, jest występowanie w stali wtrąceń niemetalicznych, tworzących strukturę pasmową. Zgrupowane w postaci pasm wtrącenia łączą się między sobą, osłabiając strukturę stali i powodując rozwarstwienia zwane pęknięciami lamelarnymi..

(21) T. Łata: Analiza powstawania i rozpoznawania pęknięć lamelarnych w dźwigarach suwnic.. 21. 3.3 Pęknięcia lamelarne. Podstawową przyczyną powstawania pęknięć lamelarnych jest niska ciągliwość blach stalowych w kierunku ich grubości, wynikająca głównie z obecności zbyt duŜej ilości wtrąceń niemetalicznych w stali. Nazwa powstała z uwagi na płytkowy obraz przełomu pęknięć. Jest ona przyjętym w kraju odpowiednikiem angielskiego ‘lamellar tearing’ (fr.: 1’arrachemement lamellaire) lub ‘pull-out fracture’, ‘pull-out cracking’, ‘fissuring along the long structure’, decohesion cracking’. Prace badawcze, prowadzone w XX wieku, mające na celu rozpoznanie zjawiska pękania lamelarnego powstawały przy załoŜeniu, Ŝe propagacja pęknięć zachodzi przy obciąŜeniu blach na kierunku ich grubości. Odkształcenia w kierunku grubości blachy najczęściej występują przy udziale złącz spawanych: pod wpływem skurczu spawalniczego lub przyłoŜonych zewnętrznych obciąŜeń, rys. 3.9. Zdjęcie pęknięcia lamelarnego w materiale blachy pokazuje rys. 3.10.. Rys. 3.9 Typowe pęknięcia lamelarne w strukturze pasmowej. t - taras, u – uskok [14]. Rys. 3.10 Pęknięcie lamelarne w materiale blachy (pow. 50x) [14].

(22) T. Łata: Analiza powstawania i rozpoznawania pęknięć lamelarnych w dźwigarach suwnic.. 22. Pęknięcia lamelarne powstają na skutek: 1. zbyt niskiej ciągliwości blach w kierunku prostopadłym do grubości, 2. zbyt duŜych napręŜeń skurczowych od złączy spawanych skierowanych prostopadle do grubości blachy, 3. zbyt twardych materiałów dodatkowych, 4. duŜej zawartości wodoru w stopiwie [14]. Niebezpieczeństwo pęknięć lamelarnych rośnie wraz z grubością blach, co ilustruje rys. 3.11.. Rys. 3.11 Wpływ średnicy próbki na przewęŜenie w kierunku grubości [15].. 3.4 Mechanizm powstawania pęknięć lamelarnych. Koncentracja napręŜeń powodujących pęknięcia lamelarne moŜe być spowodowana: •. wadami spawania takimi jak: ŜuŜel, brak wytopienia, porowatości w linii wtopienia; pęknięcie wychodzi na zewnątrz złącza,. •. wtrąceniami. niemetalicznymi;. pęknięcia. pozostają. w. rodzimym. materiale.. Inicjowanie pękania lamelarnego następuje wskutek oddzielania się osnowy materiału rodzimego od wtrącenia niemetalicznego. Występuje wtedy koncentracja napręŜeń na końcach wtrącenia [14].. W literaturze ujęto, Ŝe dla obciąŜeń prostopadłych do płaszczyzny walcowania pękanie zachodzi w trzech etapach: 1. Na skutek oddzielania materiału osnowy od poszczególnych wtrąceń niemetalicznych powstają mikroszczeliny równolegle do powierzchni - walcowania stali, 2. mikroszczeliny rozszerzają się i łączą ze sobą, tworząc tzw. tarasy,.

(23) T. Łata: Analiza powstawania i rozpoznawania pęknięć lamelarnych w dźwigarach suwnic.. 23. 3. w wyniku płynięcia lub ścinania w kierunku prostopadłym do kierunku walcowania stali powstają przejścia pomiędzy poszczególnymi tarasami, tzw. uskoki [14].. Etap pierwszy to okres inicjowania pękania lamelarnego, etapy drugi i trzeci to okres rozprzestrzeniania pękania aŜ do całkowitego zniszczenia (rozerwania). W sposób graficzny proces pękania lamelarnego przedstawia rys. 3.15.. wtrącenia niemetaliczne. obciąŜenie wycinek blachy. etap I Powstanie mikroszczelin w wyniku odzielenia się materiału osnowy od wtrąceń niemetalicznych. obciąŜenie wycinek blachy. etap II Rozszerzanie i łączenie się mikroszczelin w tarasy. obciąŜenie wycinek blachy. etap III W wyniku ścinania tworzą się uskoki.. Rys. 3.12 Przebieg pękania lamelarnego [14].. Dotychczas sądzono, Ŝe warunkiem wystąpienia pękania lamelarnego jest przekroczenie granicy plastyczności w kierunku prostopadłym do płaszczyzny walcowanej stali. Kiesling i Nordberg zaproponowali równania opisujące wielkość napręŜeń występujących koło wtrąceń, uwzględniając ich geometrię, moduł Younga, rozszerzalność cieplną i współczynnik Poissona [16]..

(24) T. Łata: Analiza powstawania i rozpoznawania pęknięć lamelarnych w dźwigarach suwnic.. 24. F. Leroy opisał zachowanie się wtrącenia pod działaniem napręŜenia ścinającego, rys. 3.13. Linia a0-a0’ jest rysą znacznika naniesionego sztucznie. Pomaga ona w obserwacji. Po ścinaniu rysa przesuwa się w miejsce prostej a-a’, przy czym na granicy międzyfazowej ma ona dwa uskoki a1-a2 i a3-a4. Zaobserwowano występowanie stref mało odkształconych, gdzie napręŜenie ścinające jest mniejsze od średniego i stref silnie odkształconych, gdzie napręŜenie ścinające jest większe od średniego.. Rys. 3.13 Odkształcenie w sąsiedztwie siarczku poddanego działaniu napręŜeń ścinających [16].. W przytoczonej pozycji podano równieŜ próbę określenia napręŜeń działających na osnowę i wtrącenia. Rys. 3.14 pokazuje pola napręŜeń wokół wtrąceń. Ciemne obszary przedstawiają wtrącenia, natomiast zakreskowane obszary maksymalną moŜliwą rozpiętość pól napręŜeń. Autorzy przyjęli, Ŝe cały tlen występuje w postaci wtrąceń Al2O3, które są równomiernie rozmieszczone w stali. Na rysunku podano liczbę wtrąceń, średnią odległość między wtrąceniami i procent odkształcenia się osnowy; a/ wtrącenia kuliste, b/ wtrącenia elipsoidalne ułoŜone w smugach [16]..

(25) T. Łata: Analiza powstawania i rozpoznawania pęknięć lamelarnych w dźwigarach suwnic.. a). 25. b). Rys. 3.14 Pola napręŜeń wokół wtrąceń. a/ wtrącenia kuliste, b/ wtrącenia elipsoidalne ułoŜone w smugach [16].. Literatura światowa zawiera niewiele publikacji opisujących w sposób matematyczny rozkład napręŜeń wokół wtrąceń niemetalicznych zamkniętych w osnowie stalowej. Jest tak dlatego, poniewaŜ takie wtrącenie zwykle wykazuje duŜą plastyczność (siarczki) lub kruchość (tlenki), tym samym upodabniając się do pustki (pęcherza gazowego). Rozwój pęknięcia w stali następuje w sferze odkształcenia plastycznego na skutek róŜnych procesów, jak np. napotkanie przez wierzchołek pęknięcia dyslokacji lub pasm poślizgu. W.Władimirow przedstawił trójetapowy proces rozwoju pęknięcia [17]. W etapie pierwszym wokół wierzchołka pęknięcia, zgodnie z kryterium Hubera-Misesa-Hencky-ego, występują strefy uplastycznienia εpl1, rys. 3.15.a). W wyniku umocnienia materiału napręŜenia maksymalne przemieszczają się w okolice wierzchołka pęknięcia. Redukują się tam z napręŜeniami stycznymi, powodując wystąpienie odkształceń εpl2. W przypadku pękania typu II i III taki stan odkształceń, przedstawiony jako etap II, występuje na początku procesu pękania, rys. 3.15.b). W etapie III w strefie odkształconej plastycznie pojawiają się pęknięcia, nazwane pęknięciami wtórnymi, rys. 3.15.c). W etapie tym następuje równieŜ łączenie się pęknięć między sobą. W zaleŜności od materiału i rozmieszczenia pęknięć łączenie moŜe przebiegać w sposób kruchy łupliwy, oderwanie ciągliwe lub przez ścinanie, rys. 3.15.d) - f)..

(26) T. Łata: Analiza powstawania i rozpoznawania pęknięć lamelarnych w dźwigarach suwnic.. 26. Rys. 3.15 Schemat rozwoju pęknięcia typu I; a) motylkowa strefa odkształcenia plastycznego, b) pojawienie się strefy intensywnego odkształcenia plastycznego w płaszczyźnie pękania, c) zarodkowanie mikropęknięć. Łączenie się mikropęknięć przez d) pękanie kruche, e) oderwanie ciągliwe, f) ścinanie. [17].. Stale wykazujące znaczną anizotropię spowodowaną zawartością pasmowo ułoŜonych wtrąceń niemetalicznych przy obciąŜeniach statycznych w kierunku grubości ulegają rozwarstwieniu. Podobne rozwarstwienie wywołują obciąŜenia zmienne, rys. 3.16 [2].. Rys. 3.16 Przełom zmęczeniowy z obszarem odzłomowych pęknięć lamelarnych [2].. Zarodkiem pęknięcia zmęczeniowego jest zwykle wada powierzchniowa. MoŜe nią być krawędź nieprzetopu lub granica wtopu spoiny pachwinowej. Pęknięcie zmęczeniowe propagując w głąb blachy po napotkaniu wtrąceń niemetalicznych zmienia kierunek na zgodny z ich orientacją i rozprzestrzeniając się rozwarstwia blachę, rys. 3.17. Zwykle struktura stali, przed uszkodzeniem, rozczłonkowuje się na kilka niezaleŜnych pasm materiału, które ulegają zniszczeniu w wyniku odkształceń plastycznych [2]..

(27) T. Łata: Analiza powstawania i rozpoznawania pęknięć lamelarnych w dźwigarach suwnic.. 27. Rys. 3.17 Przykład zniszczeń zmęczeniowo-lamelarnych [2].. Opisane zjawiska zmieniają zupełnie charakter mechanizmu zniszczenia zmęczeniowego. Konstrukcje złoŜone pękają „tunelowo” w podpowierzchniowych warstwach materiału, rys. 3.17. Ostateczne ich zniszczenie następuje gwałtownie i nieoczekiwanie. Niekiedy stale zanieczyszczone wtrąceniami niemetalicznymi wykazują okresowe lub całkowite hamowanie rozwoju głównego pęknięcia zmęczeniowego a takŜe spotykane jest korzystne przemieszczenie się płaszczyzny pękania w obszar nieobciąŜonego końca rozwarstwienia [83]. K. Rosochowicz przeprowadzając zmodyfikowaną próbę otworową zaobserwował, Ŝe pęknięcia zmęczeniowe nie tylko inicjowane są na powierzchni materiału w kierunku jego grubości ale teŜ, niezaleŜne od nich, ogniska zmęczeniowe powstają wewnątrz blachy na krawędziach pasm rozwarstwień (wtrąceń), rys. 3.18 [83]. Proces ten zwiększa spiętrzenie napręŜeń i tym samym przyspiesza zniszczenie elementu, nawet w przypadku wyhamowania czoła pęknięcia zmęczeniowego głównego na wtrąceniach.. Rys. 3.18 Ogniska zmęczeniowe, inicjowane przez pasma, propagujące od wewnątrz blachy [83].. Podczas badań suwnic zauwaŜono, Ŝe rozwarstwieniu, podczas eksploatacji, ulegają blachy obciąŜone na kierunku ich walcowania [1]. Było to niezgodne ze znanymi do tamtej pory.

(28) T. Łata: Analiza powstawania i rozpoznawania pęknięć lamelarnych w dźwigarach suwnic.. 28. modelami pękania lamelarnego. Przedstawione na rys. 3.2 badania diagnostyczne jednoznacznie wskazują, Ŝe pęknięcia lamelarne mogą pojawić się poza strefą oddziaływania sił przenoszonych przez spawy. W badaniach tych obserwowane były rozwarstwienia blach wywołane siłami o kierunku działania zgodnym z kierunkiem walcowania blach [3]. Próby rozciągania oraz zginania przeprowadzone na materiale wyciętym z pasów dolnych dźwigarów pomostowych potwierdziły, Ŝe pęknięcia lamelarne mogą powstawać nie tylko w wyniku działania obciąŜeń prostopadłych do powierzchni blachy, lecz równieŜ obciąŜeń równoległych do ich powierzchni [3]. Na rys. 3.19 przedstawiono pęknięcie, jakie powstało na wtrąceniu po przeprowadzeniu próby mechanicznej. Rozwarstwienia wywołane próbami rozciągania pokazuje rys. 3.21, natomiast zginania rys. 3.20 [3].. a). b). Rys. 3.19 Symulacja degradacji struktury wtrąceń, a) schemat rozwarstwienia na wtrąceniu niemetalicznym, b) zdjęcie struktury wtrącenia z rozwarstwieniem [3].. Rys. 3.20 Rozwarstwienia na wtrąceniach niemetalicznych po próbie zginania [3]..

(29) T. Łata: Analiza powstawania i rozpoznawania pęknięć lamelarnych w dźwigarach suwnic.. 29. Rys. 3.21 Rozwarstwienia widoczne na bocznej powierzchni próbki po próbie rozciągania. Powiększenie 18X [3].. Podobnie jak w przedstawionym powyŜej eksperymentach, wewnątrz blach dźwigarów obecnie eksploatowanych mostów suwnic obserwuje się wzrost szczelin, które zalegają równolegle do kierunku napręŜeń rozciągających. Schematycznie przedstawia to rys. 3.22.. Rys. 3.22 Powstawanie i rozwój pęknięć lamelarnych wewnątrz blachy obciąŜonej na kierunku walcowania.. Teoria mechaniki pękania nie opisuje modelu pękania w którym szczelina, na kierunku swojego zalegania, jest obciąŜona napręŜeniami normalnymi [19]. W przypadku, gdy szczelina jest nachylona pod pewnym kątem do kierunku obciąŜenia, jak to przedstawiono na rys. 3.23 składowe napręŜeń obliczane są przez superpozycję rozwiązań modelów pękania I i II..

(30) T. Łata: Analiza powstawania i rozpoznawania pęknięć lamelarnych w dźwigarach suwnic.. 30. Rys. 3.23 ZłoŜony model pękania materiału (model I + model II) oraz oznaczenia składowych stanu napręŜeń [18].. Rozkład napręŜeń wokół prawego wierzchołka szczeliny pochylonej w stosunku do osi y o kąt β dla przypadku r→0, kiedy na tarczę działają napręŜenia rozciągające σ0, będący superpozycją wzorów opisujących I i II model pękania przybierze postać: ( 3.1) [19] σ rr =. KI 5 θ 1 3θ  K II  4 cos 2 − 4 cos 2  +  2πr  2πr. θ 3 3θ   5 2 − 4 sin 2 + 4 sin 2  + σ t cos θ  . σ θθ =. KI 3 θ 1 3θ  K II  4 cos 2 + 4 cos 2  +  2πr  2πr. θ 3 3θ   3 2 − 4 sin 2 − 4 sin 2  + σ t sin θ  . σ rθ =. KI  1 θ 3 3θ  K II − 4 sin 2 − 4 sin 2  +  2πr  2πr. θ 3 3θ  1  4 cos 2 + 4 cos 2  − σ t sin θ cos θ  . Czyli dla:. (. σ t = σ 0 cos 2 β − sin 2 β. ). σ0 – wartość napręŜenia rozciągającego, a – połowa długości szczeliny. Wartości współczynników intensywności napręŜeń dla I i II sposobu obciąŜenia będą równe: ( 3.2)[19] K I = σ 0 πa sin 2 β K II = σ 0 πa sin β cos β. Zalegające w pasie dolnym dźwigara suwnicy pomostowej nieciągłości zorientowane są równolegle do kierunku pola napręŜeń, czyli kąt β=0. Współczynniki intensywności.

(31) T. Łata: Analiza powstawania i rozpoznawania pęknięć lamelarnych w dźwigarach suwnic.. 31. napręŜeń wyznaczane na podstawie wzorów wynoszą: KI = KII = 0, czyli pęknięcia nie powiększają się. Jednak rozwój nieciągłości ułoŜonych równolegle do kierunku obciąŜenia obserwowany był doświadczalnie. Liniowo-spręŜysta teorią mechaniki pękania nie moŜe być stosowana do obliczeń rozrostu nieciągłości ułoŜonych równolegle do kierunku pola napręŜeń. Pomimo, Ŝe wzory liniowo-spręŜystej mechaniki pękania wskazują na brak rozwoju szczeliny, taki przyrost następuje. Wykazał to W. Szczepiński pokazując, Ŝe dla duŜych odkształceń materiału idealnie plastycznego, zgodnie z kinematyczną teorią płynięcia, rozrost szczeliny równoległej do kierunku rozciągania próbki wystąpi. Obrazuje to poniŜszy rysunek. Geometria szczeliny, przed przyłoŜeniem obciąŜenia, została narysowana liniami przerywanymi [20].. Rys. 3.24 Teoretyczny obraz zniszczenia próbki w wyniku plastycznego płynięcia [20].. Wyniki. dociekań. teoretycznych. W.. Szczepiński. zweryfikowane. zostały. przez. T. Niezgodzińskiego i A. Bluma w badaniach doświadczalnych na rzeczywistych próbkach oraz jako badania modelowe [3].. a). b). c). Rys. 3.25 Porównanie kształtu próbki płaskiej ze szczeliną boczną po zerwaniu a) według teorii plastyczności, b) metodą elementów skończonych, c) doświadczalnie [3]..

(32) T. Łata: Analiza powstawania i rozpoznawania pęknięć lamelarnych w dźwigarach suwnic.. 32. Na rys. 3.25 zamieszczono porównanie kształtu próbki płaskiej ze szczeliną boczną otrzymaną róŜnymi metodami: obliczoną według teorii plastyczności, metodą elementów skończonych i doświadczalnie. Podobne wyniki uzyskano dla szczelin umieszczonych w innych odległościach od powierzchni bocznej próbki niŜ przedstawiono na rys. 3.25 [3]. Odnosząc przedstawiony model propagacji szczeliny do rzeczywistych dźwigarów suwnic stwierdzono, Ŝe rozrost nieciągłości zalegających w blachach pasów dolnych jest moŜliwy w obszarach uplastycznionych. Stan napręŜeń jaki występuje w blachach zawierających wtrącenia niemetaliczne nie jest idealnie jednorodny. W okolicach występowania nieciągłości występują napręŜenia o wartościach znacznie wyŜszych od wartości zadanych. Pomimo, Ŝe liniowo-spręŜysta teorią mechaniki pękania nie moŜe być stosowana do obliczeń rozrostu nieciągłości ułoŜonych równolegle do kierunku pola napręŜeń zauwaŜono duŜą zgodność rozwiązania modelu numerycznego z rzeczywistym rozrostem nieciągłości.. Wyniki. badań. ujęte. są. w. monografii. pod. redakcją. A.Bluma. i T.Niezgodzińskiego [3]. Do analizy rozwoju pęknięć lamelarnych zastosowano metodę elementów traconych polegającą na obliczeniach iteracyjnych. W kaŜdej iteracji usuwa się elementy, w których wartość napręŜenia przekracza załoŜoną wartość krytyczną (określoną w oparciu o obliczenia standardowe obejmujące dla warunku (W) wytrzymałość obliczeniową, dla warunku (T) wytrzymałość zmęczeniową materiałów. Wartość napręŜeń występujących w modelu blachy oceniano na podstawie map napręŜeń uzyskanych po analizie MES. Obliczenia przedstawione w monografii cechowała duŜa zgodność z. eksperymentem.. UmoŜliwiło. to. analizę. rozwoju. pęknięć. lamelarnych. w blachach na podstawie map napręŜeń. Rezultaty badań, jakie przeprowadził autor dysertacji, przyjmując parametry materiałowe i załoŜenia przedstawione w pracy [3], przedstawiono w dalszej części pracy..

(33) T. Łata: Analiza powstawania i rozpoznawania pęknięć lamelarnych w dźwigarach suwnic.. 33. 3.5 Metody badawcze oceny skłonności stali do pękania lamelarnego. Badacze, szukając odpowiedzi, czy dana stal ma skłonność do pękania lamelarnego posługiwali. się. róŜnymi. metodami:. przeprowadzali. próby. mechaniczne,. badania. metalograficzne i kontrolę nieniszczącą blach. Tabela 3.3 zawiera kryteria, jakie powinna spełniać blacha odporna na pękanie lamelarne po przeprowadzeniu przypisanej do kryterium próby wytrzymałościowej. Rys. 3.31 - rys. 3.34 przedstawiają, jak wtrącenia niemetaliczne występujące wewnątrz blachy wpływają na jej parametry wytrzymałościowe.. Badania metalograficzne umoŜliwiają ocenę ilościową i chemiczną składu stali, rozmieszczenia, kształtu i długości wtrąceń, rys. 3.26. Badania analizatorem Quantimet [14] pozwalają ocenić ilość wtrąceń w jednostce powierzchni i stali. Identyfikację wtrąceń niemetalicznych moŜna przeprowadzać według schematu Czerwiakowa.. Si, Ti, Al, Fe. Mn, S. Al, Mn, Fe. Al, Si, Ti, Mn, Fe. Rys. 3.26 Mikrostruktura wtrąceń niemetalicznych w blachach suwnicowych. Skład chemiczny wtrąceń. Skaningowy mikroskop elektronowy (SEM) [3].. Kontrola nieniszcząca blach, z uwagi na orientację i wielkość pęknięć, prowadzona była głównie za pomocą badań ultradźwiękowych. Badania ultradźwiękowe nie są tak dokładne jak badania metalograficzne. Zachowują jednak nienaruszoną strukturę stali i umoŜliwiają.

(34) T. Łata: Analiza powstawania i rozpoznawania pęknięć lamelarnych w dźwigarach suwnic.. 34. obserwację elementów przestrzennych. Głównie zliczana była ilość, rozmieszczenia i wielkości nieciągłości występujących wewnątrz blach (wtrąceń niemetalicznych lub pęknięć) [14][21][22][23][24][25]. Rozwój wtrąceń niemetalicznych śledzony był metodą emisji akustycznej [3]. Rys. 3.27 przedstawia wyniki badań przyrostu pęknięcia lamelarnego w próbce pobranej z blachy obciąŜonej dodatnią siłą osiową na kierunku prostopadłym do płaszczyzny walcowania [14]. Na rys. 3.28 umieszczona jest graficzna interpretacja wyników badań akustycznych w postaci przyrostu pęknięć między wtrąceniami.. Rys. 3.27 Przebieg przyrostu wydłuŜenia lokalnego przy jednostajnym rozciąganiu blachy o pełnej grubości oraz zmiany natęŜenia emisji akustycznej towarzyszącej temu zjawisku [26]. Rys. 3.28 Schemat tworzenia pęknięć lamelarnych [26].. Badania akustyczne prowadzone były teŜ na próbkach blach obciąŜonych na kierunku ich walcowania. Rys. 3.29 przedstawia schemat obciąŜania próbki podczas rejestracji sygnałów emisji akustycznej EA oraz te miejsca cyklu obciąŜeń, przy których zarejestrowano wyraźny sygnał akustyczny. Na podstawie badań moŜna stwierdzić, iŜ pojawienie się nawet niewielkich co do wartości odkształceń plastycznych wywołuje utratę adhezji pomiędzy wydzieleniami a osnową metaliczną, co jest równoznaczne z powstawaniem i propagacją.

(35) T. Łata: Analiza powstawania i rozpoznawania pęknięć lamelarnych w dźwigarach suwnic.. 35. rozwarstwień. Dalszy wzrost rozwarstwień moŜe zachodzić nawet pod wpływem napręŜeń wywołujących tylko odkształcenia spręŜyste [3].. Rys. 3.29 Schemat cykli obciąŜania próbki podczas rejestracji sygnałów EA [3].. Badania własności mechanicznych blach skłonnych do pękania lamelarnego podczas statycznej próby rozciągania przeprowadzono na próbkach wyciętych z blachy pasa dolnego. Mimo znacznej ilości wad materiałowych (wtrąceń niemetalicznych) w badanej stali określone w próbie rozciągania własności mechaniczne nie odbiegają od własności stali w gatunku St3S, z jakiej została wykonana blacha. Obserwowana róŜnica plastyczności na kierunku wzdłuŜnym i poprzecznym do kierunku walcowania jest typowym zjawiskiem w konstrukcyjnych materiałach metalowych przerabianych plastycznie przez walcowanie [3]. Porównanie własności mechanicznych wzdłuŜ (KW) i w poprzek (KP) kierunku walcowania przedstawiono w Tabela 3.2, a na rys. 3.1 przedstawiono odpowiednie krzywe rozciągania.. Tabela 3.2 Porównanie własności mechanicznej próbek o grubości d=12mm (średnia z 3-ch pomiarów) wyciętych z pasa dolnego dźwigara suwnicy [3]. Orientacja. R e [MPa ]. R m [MPa ]. Ar %. A5 %. A10 %. KW. 298,5. 453. 14,4. 35. 23. KP. 288. 444. 14,8. 22. 17.

(36) T. Łata: Analiza powstawania i rozpoznawania pęknięć lamelarnych w dźwigarach suwnic.. 36. Rys. 3.30 Krzywe rozciągania dla próbek stalowych pobranych z wyeksploatowanego dolnego pasa mostu suwnicy. Krzywe rozciągania dla próbek wyciętych równolegle i prostopadle do kierunku walcowania oznaczono odpowiednio jako KW i KP [3].. Badania ujawniające rozwarstwianie się blach obciąŜonych na kierunku walcowania są prowadzone od niedawna. Dlatego teŜ większość prób mechanicznych oceny skłonności stali do pękania lamelarnego wprowadzała napręŜenia na kierunku prostopadłym do płaszczyzny walcowania. Wśród prób mechanicznych w kierunku grubości wyróŜnia się próby: Próba Brodeau [27], próba zginania płytki [28] [29] [30], próba Garbeaux [31], próba udarności [32], próba Z. Podczas prób rozciągania w kierunku grubości dokonuje się pomiarów przewęŜenia i wydłuŜenia. Stosuje się: mikropróbki w przypadku blach powyŜej 25mm, próbki specjalne dla wszystkich grubości. NapręŜenia, zorientowane na kierunku grubości blach, uzyskiwane się teŜ w próbach mechanicznych, w których obciąŜenia są przenoszone lub wprowadzane przez złącza spawane. Obserwowane jest pojawianie się pęknięć lamelarnych. Próbami tego typu są: próba Cranfield opracowana przez Nicholsa [33], próba ‘otworowa’ (window test) [34][35], próba rozrywania (tear test) [34], próba krzyŜowa [36], zmodyfikowana próba RRC [37], próba Thomsona [38], zmodyfikowana próba Lehinga [39]. Wymienione tu niszczące próby wytrzymałościowe mają na celu obciąŜenie blachy w kierunku jej grubości. PoniewaŜ badane blachy posiadały grubości poniŜej 40mm, przygotowanie próby nie jest łatwym zadaniem i tym samym próby wytrzymałościowe charakteryzują się róŜnymi wadami i zaletami..

(37) T. Łata: Analiza powstawania i rozpoznawania pęknięć lamelarnych w dźwigarach suwnic.. 37. Wśród wad niektórych z nich wymienić naleŜy: •. niewielkie rozmiary próbek do rozciągania, wymagające odpowiednich szczęk zrywarek,. •. geometrię próbek uniemoŜliwiającą wykonanie podczas trwania próby dodatkowych pomiarów nieniszczących, np. ultradźwiękowych lub akustycznych,. •. strefę wpływu ciepła, jaka towarzyszy spawaniu, zmieniającą strukturę wewnętrzną blachy,. •. zmianę geometrii podczas obciąŜania.. 3.6 Wyniki badań oceny skłonności stali do pękania lamelarnego. Kryteria oceny skłonności stali do pękania lamelarnego przyjęte przez róŜnych autorów zostały zgrupowane przez J. Pilarczyka i podane w tabela 3.3. Oznaczenie symboli występujących w tabeli jest następujące [14]: RT/RL - stosunek wytrzymałości w kierunku grubości do wytrzymałości w kierunku walcowania, Z – względne przewęŜenie próbki w kierunku grubości, A – względne wydłuŜenie próbki w kierunku grubości. Tabela 3.3 Kryteria oceny skłonności stali do pękania lamelarnego [14]. pozycja literaturowa. Zawartość siarki Sw % < 0,020 zast. ogólne < 0,015 zast. szczególne -. PrzewęŜenie Z w kierunku grubości w % -. >15. A > 6%. -. -. [45]. 0,010 zast. krytyczne < 0,015 < 0,007 < 0,010 < 0,020 -. ≥ 15 ≥ 25 ≥ 15 ≥8 ≥ 10. Z > 20% RT/RL > 0,9 A ≤ 8% A ≤ 11% A ≤ 16% -. [46]. < 0,010. -. -. [40]. [41] [10] [42] [43] [44]. inne. rodzaj próby. RT/RL > 0,9. Rozciąganie w kierunku grubości. Rozciąganie w kierunku grubości Otworowa Brodeau Otworowa RóŜne. Otworowa, Cranfield, L, rozciąganie w kierunku grubości Rozciąganie w kierunku grubości RóŜne. Otworowa, rozciąganie w kierunku grubości.

(38) T. Łata: Analiza powstawania i rozpoznawania pęknięć lamelarnych w dźwigarach suwnic.. 38. Jak wykazuje tabela 3.3, zaproponowano wiele kryteriów oceny skłonności stali do pękania lamelarnego, które róŜnią się między sobą. Ocena blachy wymaga przeprowadzenia róŜnych prób wytrzymałościowych i opiera się głównie na zjawiskach zmniejszenia wytrzymałości w stronę grubości i zmniejszenia przewęŜenia wraz ze wzrostem zawartości siarki w blasze. Podano równieŜ w formie wykresów, w jakim stopniu na proces pękania lamelarnego wpływa procentowa zawartość siarki w blasze, rozkład i długość wtrąceń niemetalicznych oraz obniŜenie przewęŜenia stali, rys. 3.31- rys. 3.32.. Rys. 3.31 Skłonność do pękania lamelarnego w funkcji zawartości siarki dla walcowania wzdłuŜnego a), c) i poprzecznego a). A% - procentowe wydłuŜenie, Z% - procentowe przewęŜenie mikro próbki wyciętej z blachy na kierunku prostopadłym do płaszczyzny jej walcowania; E% - procentowe wydłuŜenie próbki wyciętej wzdłuŜ kierunku jej walcowania [47].. Rys. 3.32 Wpływ zawartości siarki na skłonność do pękania lamelarnego (wyniki próby Cranfield dla podanej grubości próbki) [48].

(39) T. Łata: Analiza powstawania i rozpoznawania pęknięć lamelarnych w dźwigarach suwnic.. Rys. 3.33 Wpływ zawartości siarki na wielkość przewęŜenia w kierunku grubości blachy „o” wyniki wg [49], „•” wyniki wg badań [50].. Rys. 3.34 Wpływ rzutowanej długości wtrącenia na stosunek udarności wzdłuŜ kierunku walcowania (KL) do udarności w poprzek kier. walcowania (KT) [51].. 39.

(40) T. Łata: Analiza powstawania i rozpoznawania pęknięć lamelarnych w dźwigarach suwnic.. 40. 3.7 Podsumowanie literatury przedmiotu. Przyczyną rozwarstwiania się blach pasów dźwigarów skrzynkowych mostów suwnic są pęknięcia lamelarne. Pęknięcia lamelarne powstają w stalach mających duŜą zawartość wtrąceń niemetalicznych charakteryzujących się tym, Ŝe podczas procesu walcowania przybierają postać długich, wąskich włókien zorientowanych w kierunku walcowania. Obecność pasmowo ułoŜonych wtrąceń znacznie obniŜa wartość przewęŜenia i wytrzymałość blachy na kierunku prostopadłym do płaszczyzny jej walcowania. Składową napręŜeń na tym kierunku powodują obciąŜenia przenoszone przez złącza spawane blach środnikowych z pasami. Odkształcenia prostopadłe do płaszczyzny walcowania blachy inicjowane są teŜ przez napręŜenia skurczowe, występujące w obszarze wpływu ciepła spoin. W pobliŜu wymienionych złączy blach dźwigara moŜe wystąpić opisany przez J.Pilarczyka mechanizm powstawania pęknięć lamelarnych. Prowadząc badania metalograficzne blach złomowanych pasów dźwigarów skrzynkowych, wykryto poza strefą połączeń spawanych pęknięcia w postaci tarasów i uskoków charakterystycznych dla pęknięć lamelarnych. Podczas eksploatacji elementy te przenosiły siły rozciągające równoległe do kierunku walcowania blach. Wskazuje to na inny niŜ przyjmowano do tej pory charakter obciąŜeń powodujących pękanie blach w sposób lamelarny. Szczegółowa analiza stanu obciąŜenia i napręŜenia w wymienionych elementach mostów suwnicowych zawiera jeden z rozdziałów pracy. Pomimo licznych prac badawczych dotyczących zagadnienia powstawania i rozrostu pęknięć lamelarnych, nieznany jest proces pękania lamelarnego jaki zachodzi w elementach, w których stan napręŜeń rozciągających jest zgodny z kierunkiem zalegania nieciągłości ( jaki ma miejsce w pasach dolnych dźwigarów suwnic). Nieznane są równieŜ wyniki analizy numerycznej, na podstawie których moŜna wnioskować o przebiegu pękania lamelarnego zachodzącego w blachach stalowych. RównieŜ nieznane są metody, które umoŜliwiłyby w sposób nieniszczący monitorowanie inicjacji i rozwoju pęknięć lamelarnych. Obecnie stosowane metody badań nieniszczących nie dają wystarczającej rozdzielczości pomiaru i informacji o wadzie, by wnioskować o przebiegu pękania. Metody defektoskopowe zwracają jedynie informację o skrajnych etapach pękania. Dlatego teŜ w następnym rozdziale opisano przydatność obecnie stosowanych metod nieniszczących w monitoringu pęknięć lamelarnych. W rozdziale kolejnym zaproponowano metodykę umoŜliwiającą obserwację propagacji pęknięć. lamelarnych. eksperymentalnych.. przedstawiając. jej. podstawy. teoretyczne. i. wyniki. testów.

(41) T. Łata: Analiza powstawania i rozpoznawania pęknięć lamelarnych w dźwigarach suwnic.. 4 Ocena. przydatności. metod. 41. nieniszczących. do. badań. pęknięć. lamelarnych Występujące wewnątrz blach dźwigarów wtrącenia niemetaliczne i nieciągłości stali przyczyniające się do powstawania rozwarstwień są uznawane jako wady materiałowe. Defekty te moŜna ujawnić i ocenić, bez zmniejszenia właściwości uŜytkowych suwnicy, badaniami nieniszczącymi [52][53][54][55][56]. Badania defektoskopowe przeprowadza się metodami: •. wizualną,. •. penetracyjną,. •. elektromagnetyczną (magnetyczną, elektryczną i prądów wirowych),. •. radiologiczną,. •. ultradźwiękową.. Istnieją równieŜ niekonwencjonalne metody badań nieniszczących. Do tej grupy metod naleŜą: metoda magnetycznej pamięci metalu, tomografia komputerowa z monochromatorem, technika radiografii tangensowej, holografia optyczna, sherografia, laminogafia, mikroskopia akustyczna,. metody oparte. na. zjawiskach. wzbudzanych. światłem,. reflektometria,. refraktometria, jądrowy rezonans magnetyczny, elektronowy rezonans parametryczny, termowizja.. Badania wizualne. Badania wizualne polegają na dokładnych oględzinach powierzchni materiału. Stosowanymi przyrządami są lupy, endoskopy (boroskopy, fiberoskopy) itp. PoniewaŜ pęknięcia lamelarne propagują wewnątrz blachy, metody wizualne mogą być stosowane do wykrywania tego rodzaju defektów tylko jako badania wstępne..

(42) T. Łata: Analiza powstawania i rozpoznawania pęknięć lamelarnych w dźwigarach suwnic.. 42. Badania penetracyjne. Badania penetracyjne przeprowadza się zwykle po badaniach wizualnych. Zasada badań wykorzystuje zjawisko kapilarności (włoskowatości), które polega na wnikaniu cieczy do wąskich przestrzeni i wznoszeniu się w nich nawet wbrew prawu cięŜkości. Podobnie jak w przypadku badań wizualnych, badania penetracyjne mogą być stosowane tylko jako badania wstępne przy wykrywaniu defektów, jakimi są pęknięcia lamelarne. Nie są uŜyteczne do obrazu nieciągłości nie wychodzących na powierzchnię, co często ma miejsce w przypadku badanego rodzaju pęknięć.. Badania szczelności. Badania szczelności mają na celu wykrycie w kontrolowanym obiekcie nieciągłości materiałowych usytuowanych na wskroś. Stanowią liczną grupę metod, dobieranych zgodnie z wymaganą czułością i wymaganiami jakie stawia badany obiekt. Wśród badań szczelności są: badania ciśnieniowe (gazem, cieczą), próba naftą i kredą, natryskiwanie wodą, nadmuchiwanie, metody: podciśnieniowa, amoniakalna, chlorowcowa, spektrometryczna, znaczników radioaktywnych, akustyczna. PoniewaŜ zwykle pęknięcie materiału na wskroś spowodowane rozwojem w nim procesu lamelarnego jest równowaŜne ze zniszczeniem wykonanego z niego elementu konstrukcji podane metody badania szczelności nie są przydatne w wykrywaniu pęknięć lamelarnych.. Badania elektromagnetyczne. W badaniach elektromagnetycznych wykorzystuje się zjawiska towarzyszące wzbudzaniu pola elektromagnetycznego w obiekcie przeznaczonym do kontroli. Najczęściej stosowane są badania magnetyczne i wiroprądowe. Badania magnetyczne polegają na wzbudzaniu w kontrolowanym obiekcie pola magnetycznego. i. poszukiwaniu. tzw.. lokalnych,. magnetycznych. pól. rozproszenia,. powstających nad powierzchnią obiektu w miejscu występowania lub bezpośredniej bliskości.

(43) T. Łata: Analiza powstawania i rozpoznawania pęknięć lamelarnych w dźwigarach suwnic.. wad. materiałowych.. Do. wykrycia. pól. 43. rozproszenia. moŜna. zastosować. proszek. ferromagnetyczny, taśmę magnetyczną, cewki indukcyjne, sondę Halla lub sondę Forstera. W zaleŜności od sposobu wykrywania pola rozproszenia rozróŜnia się: •. badania magnetyczno - proszkowe,. •. badania magnetograficzne,. •. badania wykorzystujące przetworniki pomiarowe reagujące na pole magnetyczne.. Badania wiroprądowe polegają na wzbudzaniu w badanych obiektach zmiennego pola magnetycznego o odpowiednio wysokiej częstotliwości tak, aby powstały prądy wirowe oraz na poszukiwaniu miejsc, w których pole magnetyczne tych prądów (przeciwpole) ulega nagłej zmianie. Badania. elektromagnetyczne. umoŜliwiają. wykrycie. w. obserwowanym. obiekcie. nieciągłości, takich jak róŜnego rodzaju pęknięć, zawalcowań, wtrąceń niemetalicznych, naderwań, zakuć, łusek itp. Metodami tymi moŜna przeprowadzić detekcję nieciągłości powierzchniowych i podpowierzchniowych. W przypadku wykrywania pęknięć lamelarnych jest to wadą, poniewaŜ pęknięcia lamelarne mogą występować na całej grubości profilu walcowanego (najczęściej w środku blach lub pod spawami). Inną wadą tej grupy metod, która w znacznym stopniu ogranicza detekcję pęknięć lamelarnych jest to, Ŝe metody te wykrywają nieciągłości, których kierunek zalegania zorientowany jest pod kątem nie większym niŜ o 300 od kierunku pola magnetycznego (optymalne wykrywanie wad wystąpi przy kierunku zalegania ich prostopadłym do pola). Ograniczenia, jakie wynikają z wykorzystywania do detekcji pęknięć lamelarnych zjawisk magnetycznych schematycznie przedstawia rys. 4.1. Na rysunku linie przerywane obrazują strumień linii sił pola magnetycznego. Występująca w badanym materiale nieciągłość zmienia przenikalność magnetyczną, co powoduje skierowanie części strumienia magnetycznego przez cewki indukcyjne umieszczone między biegunami indukując większą wartość napięcia. Zmiana napięcia przetwarzana jest na sygnał akustyczny lub wizualny będący wskazaniem o istnieniu wady, rys. 4.1.b) Na rys. 4.1.a) z uwagi na umiejscowienie szczeliny oraz rys. 4.1.c) orientację szczeliny rozproszenie pola magnetycznego w badanym materiale jest niewielkie. W tych przypadkach przetwornik pomiarowy defektoskopu wskazania o wadzie.. nie wygeneruje.

(44) T. Łata: Analiza powstawania i rozpoznawania pęknięć lamelarnych w dźwigarach suwnic.. 44. Rys. 4.1 Zasada badania z wykorzystaniem defektoskopu magnetycznego z przetwornikiem pomiarowym nieciągłości: a) zalegających na zbyt duŜych głębokościach, b) ułoŜonych prostopadle do lini sił pola magnetycznego, c) równolegle z linami sił pola magnetycznego.. Metoda magnetyczna została wykorzystana do wstępnych badań diagnostycznych trwale odkształconych. dźwigarów skrzynkowych. suwnicy pomostowej. [3].. Wykorzystano. defektoskop Unifluxut. Zgodnie z wymogami normy PN-EN ISO 9934-1 dobrano parametry badania przy pomocy wzorca Bertholda i miernika natęŜenia pola magnetycznego MFM 200.6. Przed pomiarem powierzchnia blachy została przygotowana przez szlifowanie ręczne. Jako czynnik kontrastowy wykorzystano biały podkład magnetyczny. W miejscach magnesowania prądem zmiennym, w celu wykrycia rozkład pola rozproszenia, na powierzchnię blachy nanoszony był czarny proszek magnetyczny w aerozolu MR 76. Obserwację przeprowadzono w oświetleniu białym. Schemat przykładania defektoskopu magnetycznego pokazuje rys. 4.2 [3].. Rys. 4.2 Schemat badania metodą magnetyczno-proszkową [3].. Badaniami objęto krawędzie pasów dolnych na całej długości (rys. 4.3), spoiny pachwinowe łączące pasy ze środnikami i spoiny poprzeczne pasów dolnych. Badano równieŜ strefę przyspoinową, tzn. ustalono obszary o szerokości 50 mm z jednej i drugiej strony spoin pachwinowych łączących blachy środnikowe z pasami dolnymi..

(45) T. Łata: Analiza powstawania i rozpoznawania pęknięć lamelarnych w dźwigarach suwnic.. 45. Rys. 4.3 Szkic sytuacyjny mostu suwnicy Q=33/5t, L=28m, z zaznaczonymi strefami badań magnetycznych [3].. W wyniku przeprowadzonych badań nie stwierdzono pęknięć spoin i braku przetopu w połączeniach spawanych. Zaobserwowano liczne brzegowe rozwarstwienie pasów dolnych badanych dźwigarów. Przykładowy widok rozwarstwień umieszczony jest na rys. 4.4 [3].. Rys. 4.4 Brzegowe rozwarstwienie pasa dolnego dźwigara napędowego [3].. Badania radiologiczne. Badania radiologiczne polegają na przepuszczeniu przez badany materiał promieniowania jonizującego X lub γ, rzadziej promieniowania α, β, neutronowego lub protonowego. Przenikające przez materiał promieniowanie ulega zjawiskom falowym oraz korpuskularnym, jak dyfrakcja, interferencja itp. co powoduje miejscowe zmiany natęŜenia promieniowania..

(46) T. Łata: Analiza powstawania i rozpoznawania pęknięć lamelarnych w dźwigarach suwnic.. 46. Miejscowe osłabienia i wzmocnienia wychodzącego z materiału promieniowania obrazują stan wewnętrzny materiału, równieŜ nieciągłości. Są one rejestrowane a następnie analizowane.. Badania radiologiczne przeprowadza się metodą przepuszczania. Ostatnio firma Philips zaproponowała technikę opierającą się na pomiarze promieniowania rozproszenia wstecznie o nazwie ComScan (Compran Scattered) umoŜliwiającą umieszczenie urządzeń wysyłających i analizujących promieniowanie po jednej stronie badanego obiektu.. Wśród metod radiometrycznych jest metoda przemysłowa (radiografia warstwowa), która umoŜliwia uzyskanie ostrego obrazu wybranej warstwy.. Metoda bazująca na radiografii warstwowej, do której jako detektora promieniowania uŜyto kilku komór jonizujących i wykorzystano komputer nazywa się tomografią komputerową i umoŜliwia obserwację przestrzennego obrazu badanej objętości obiektu.. Badania radiologiczne są często stosowanymi badaniami nieniszczącymi, poniewaŜ zapewniają: •. dobrą wykrywalność nieciągłości wewnętrznych,. •. prostą interpretację wyników,. •. moŜliwość archiwacji i wielokrotnej interpretacji wyników.. Wadami są: •. Wykorzystywane zjawiska w metodach radiologicznych w przypadku niewłaściwego posługiwania się nimi są bardzo szkodliwe dla zdrowia.. •. Aparatura oraz pomieszczenia radiologiczne wymagają przeglądów.. Prześwietlenia prowadzono aparatem rentgenowskim Andrex typu Smart 300 dla blach o grubości 14mm. Wady aparatury radiologicznej, oraz uzyskane zbyt małej jakości obrazu radiograficznego pęknięć lamelarnych występujących w prześwietlanym obiekcie przyczyniły się do odrzucenia tej grupy metod w badaniach procesu pękania lamelarnego..

(47) T. Łata: Analiza powstawania i rozpoznawania pęknięć lamelarnych w dźwigarach suwnic.. 47. Badania ultradźwiękowe. Badania ultradźwiękowe polegają na wprowadzaniu do badanego materiału drgań o częstotliwości grupowej z zakresu od 20 kHz do 100 MHz (1 GHz). Drgania te przechodząc przez materiał, w zaleŜności od napotkanych przeszkód, ulegą zjawiskom falowym jak odbicie, załamanie, transformacja, rozproszenie i ugięcie fali, które zmieniają wartość ciśnienia akustycznego fali. Wielkość zmian parametrów drgań jak amplitudy, częstotliwości grupowe, przesunięcia fazowe informuje o stanie wewnętrznym badanego obiektu. Na odpowiedź badanego obiektu na wprowadzane drgania wpływają równieŜ właściwości materiałów, jakie napotyka na swojej drodze wiązka ultradźwiękowa.. Najczęściej stosowane rodzaje fal ultradźwiękowych, według podziału na róŜny kierunek ruchu cząstek ośrodka w stosunku do kierunku rozchodzenia się fali to: •. fale podłuŜne. •. fale poprzeczne. •. fale powierzchniowe (Rayleigh’a). •. fale płytowe (Lamba). •. fale Love’a. •. fale podpowierzchniowe.. Generatorami fal ultradźwiękowych są głowice ultradźwiękowe, posiadające przetworniki wzbudzające drgania na zasadzie: •. piezoelktrycznej,. •. magnetostrykcyjnej,. •. elektromagnetycznej i prądów wirowych,. •. oddziaływania promienia lasera.. Główny podział głowic ultradźwiękowych dotyczy fal, jakie one przetwarzają oraz ilości umieszczonych w nich przetworników: •. głowice normalne fal podłuŜnych z jednym przetwornikiem nadawczo-odbiorczym,. •. głowice. podwójne. fal. podłuŜnych. i odbiorczym, •. głowice skośne fal poprzecznych,. z. dwoma. przetwornikami:. nadawczym.

(48) T. Łata: Analiza powstawania i rozpoznawania pęknięć lamelarnych w dźwigarach suwnic.. •. głowice skośne podwójne fal poprzecznych,. •. głowice fal powierzchniowych,. •. głowice mozaikowe.. 48. Defektoskopy ultradźwiękowe są urządzeniami słuŜącymi do wzbudzenia ukierunkowanych drgań. ultradźwiękowych. w. badanym. materiale. przy. uŜyciu. głowicy,. zwykle. z przetwornikiem piezoelektrycznym i do odebrania za pośrednictwem głowicy drgań powracających z badanego materiału. Odbierana wiązka ultradźwiękowa prezentowana jest na ekranie defektoskopu w sposób graficzny. Dzielą się na stacjonarne i przenośne oraz na analogowe, analogowo-cyfrowe i cyfrowe.. Badania ultradźwiękowe przeprowadza się metodami: •. cienia (przepuszczania),. •. echa,. •. rezonansu.. W metodach automatycznych stosowane są teŜ: •. TOFD (Time Of Flight Diffraction),. •. SAFT Synthetic Aperture Focusing Technique)..