1 badania tantalu w warunkach obciążeń ściskających w

NOWE KIERUNKI ROZWOJU MECHANIKI – Hucisko 2011
_______________________________________________________________________________________
1
MOĆKO Wojciech, 2KOWALEWSKI Zbigniew L.
Instytut Transportu Samochodowego, ul. Jagiellońska 80, 03-301 Warszawa
2
Instutut Podstawowych Problemów Techniki PAN, ul. Pawinskiego 5B; 02-106 Warszawa
[email protected], [email protected]
1
BADANIA TANTALU W WARUNKACH OBCIĄŻEŃ ŚCISKAJĄCYCH W
SZEROKIM ZAKRESIE PRĘDKOŚCI ODKSZTAŁCANIA
1.
Wprowadzenie
Tantal charakteryzuje się bardzo istotnymi właściwościami z inżynierskiego punktu widzenia, spośród
których można wymienić: silne zmiany charakterystyki mechanicznej pod wpływem zmian prędkości
odkształcania i temperatury, dobrą wytrzymałość, znakomitą kowalność, dużą gęstość i odporność na
korozję. Powodują one szerokie zastosowanie tego materiału w wielu gałęziach przemysłu. Bardziej
znanymi elementami konstrukcji, w których wykorzystuje się tantal to: elementy turbin, urządzenia chemii
procesowej, części pocisków, kondensatory i wiele innych.
Ze względu na duży zakres praktycznych zastosowań tantalu jego charakterystyki mechaniczne były i
nadal są szczegółowo badane i przedstawiane w wielu publikacjach. Pierwszy w miarę kompletny i
wyczerpujący zestaw danych eksperymentalnych dotyczący tantalu został opublikowany w 1977 roku [1]. W
pracy tej przedyskutowano zależność naprężenia uplastyczniającego tantalu w funkcji prędkości
odkształcania oraz temperatury. Ponadto, przedstawiono szczegółowy opis mechanizmów zachodzących w
procesie odkształcania tantalu. Wyniki tej pracy były często wykorzystywane przez innych naukowców w
rozważaniach dotyczących modelowania. Kolejne dane eksperymentalne w zakresie prędkości odkształcania
od 10-4 s-1 do 3x103 s-1, temperatur od 296K do 1000K oraz model konstytutywny opublikowano w roku
2000 [2]. Późniejsze prace badawcze były skoncentrowane głównie na modelowaniu konstytutywnym. W
pracach [3, 4] porównano przewidywania kilku modeli, takich jak Johnson–Cook (JC), Zerilli–Armstrong
(ZA), Voyiadjis-Abed (VA), Preston–Tonks–Wallace (PTW), Nemat-Nasser (NA) oraz Khan–Huang-Liang
(KHL), z wynikami eksperymentalnymi w szerokim zakresie wartości odkształcenia, prędkości odkształcenia
oraz temperatury. Na podstawie przeprowadzonych analiz stwierdzono, że najlepszy opis wyników
eksperymentalnych można uzyskać stosując zmodyfikowane równanie PTW.
Głównym celem przeprowadzonych własnych badań było wyznaczenie charakterystyki mechanicznej
tantalu w szerokim zakresie prędkości odkształceń. Zastosowano trzy metodyki badawcze: z wykorzystaniem
serwohydraulicznej maszyny wytrzymałościowej, metody pręta Hopkinsona [5] (SHPB – Split Hopkinson
Pressure Bar) oraz jej modyfikacji, która pozwala na zastosowanie bezpośredniego uderzenia w próbkę [6]
(DICT – Direct Impact Compression Test). Zastosowanie techniki DICT znacznie rozszerza zakres badanych
prędkości odkształcania, aż do 105 s-1, dzięki czemu możliwe jest wyznaczenie czułości na prędkość
odkształcenia w znacznie szerszym zakresie prędkości niż w przypadku klasycznej metody SHPB.
2.
Wyniki badań
Wszystkie próbki zostały wykonane z jednego pręta polikrystalicznego tantalu. Próbki miały kształt
cylindryczny o średnicy 5 mm i wysokości 3 mm. Badania eksperymentalne zostały przeprowadzone na
próbkach w stanie dostawy, w temperaturze pokojowej dla zakresu prędkości odkształcania od 10-4 s-1 do
105 s-1, co dawało możliwość oceny zmian prędkości deformacji w przedziale równym dziewięciu rzędom
wielkości. Wyniki pomiarów zostały skorygowane w celu zminimalizowania wpływu tarcia, bezwładności
oraz nagrzewania adiabatycznego. W efekcie otrzymano krzywe dla warunków izotermicznych.
Rysunek 1 przedstawia krzywe naprężenie-odkształcenie dla tantalu przy różnych prędkościach
deformacji uzyskane w warunkach quasi-statycznych oraz dynamicznych. Dane dla obciążeń dynamicznych
otrzymano z zastosowaniem metody SHPB oraz zminiaturyzowanej metody DICT. Na wykresie można
zaobserwować wyraźnie widoczne efekty umocnienia materiału i jego nadwyżki wskutek obciążenia
dynamicznego.
1
NOWE KIERUNKI ROZWOJU MECHANIKI – Hucisko 2011
_______________________________________________________________________________________
Rys. 1. Charakterystyki tantalu przy obciążeniu ściskającym w szerokim zakresie prędkości odkształcania.
3.
Wnioski
Połączenie wyników uzyskanych w warunkach ściskających obciążeń quasi-statycznych i dynamicznych
(SHPB oraz zminiaturyzowana metoda DICT) pozwoliło określić czułość charakterystyki mechanicznej
materiału na prędkość odkształcania w zakresie jej zmian od 10-4 s-1 do 2,2x105 s-1.
Zastosowana w niniejszej pracy konstrukcja zminiaturyzowanego stanowiska do realizacji badań metodą
bezpośredniego uderzenia pocisku w próbkę zawiera oryginalne i niedrogie rozwiązanie umożliwiające
optyczny pomiar przemieszczenia kontaktu pocisk-próbka. W rezultacie połączenia optoelektroniczej metody
pomiaru przemieszczenia kontaktu pocisk-próbka z teorią propagacji sprężystej fali wzdłużnej, zastosowaną
do oceny przemieszczenia kontaktu próbka-pręt transmitujący, możliwy stał się dokładny pomiar
odkształcenia i naprężenia w próbce w funkcji czasu.
W wyniku wprowadzenia miniaturyzacji próbek osiągnięto wyższe prędkości odkształcania rzędu 105s-1.
Typowe wymiary zminiaturyzowanych próbek wynoszą: długość:1.0 mm < lS0 < 2.0 mm, średnica: 1.0 mm <
dS0 < 2.0 mm. Ich stosunkowo niewielkie rozmiary pozwalają na znaczące ograniczenie efektów
bezwładności. Zalecane jest jednak wykonywanie uproszczonej analizy efektu bezwładności próbki w trakcie
deformacji lub przeprowadzenie jej na przykład metodą elementów skończonych.
Literatura
[1] Hoge, K.G.; Mukherjee, A.K.; “The Temperature and Strain Rate Dependence of the Flow Stress of
Tantalum”, In: Journal of Material Science, 1977, 12(5), pp. 1666-1672.
[2] Nemat-Nasser, S.; Kapoor, R.; “Deformation Behaviour of Tantalum and a Tantalum Tungsten Alloy”,
In: International Journal of Plasticity, 2000, 17, pp. 1351-1366.
[3] Zhou, J.; Khan, A.S.; Cai, R.; Chen, L.; “Comparative Study on Constitutive Modelling of Tantalum and
Tantalum Tungsten Alloy”, In: Journal of Iron and Steel Research, 2006, 13(4), pp. 68-74
[4] Jong-Bong, K.; Hyunho, S.; “Comparison of Plasticity Models for Tantalum and a Modification of the
PTW Model for Wide Ranges of Strain, Strain Rate, and Temperature”, In: International Journal of
Impact Engineering, 36( 2009), pp. 746-753.
[5] Kolsky, H.; “An Investigation of the Mechanical Properties of Materials at Very High Rates of
Loading"; In: Proc. Phys. Soc. (London), 63 (1949), pp. 676-700.
[6] Malinowski, J.Z.; Klepaczko, J.R.; Kowalewski, Z.L.; “Miniaturized Compression Test at Very High
Strain Rates by Direct Impact”, In: Experimental Mechanics, 2007, Vol. 27 (4), pp. 451-463. KELLY A.
(Ed.), Concise Encyclopedia of composite materials, Pergamon Press, 1989
2