Referat 3 - Badania i rozwój nowoczesnej technologii tworzyw

PROJEKT NR: POIG.01.03.01-12-061/08 „Badania i rozwój nowoczesnej technologii tworzyw odlewniczych odpornych na zmęczenie cieplne”
Badanie zmęczenia cieplnego
żeliwa w Instytucie
Odlewnictwa
Zakopane,
Autorzy:
Andrzej Pytel
23-24 maja 2013 r.
ul. Zakopiańska 73
30-418 Kraków
tel. +48 12 26 18 111
fax +48 12 26 60 870
[email protected]
www.iod.krakow.pl
Ogólna charakterystyka odporności
żeliwa na zmęczenie cieplne
Eksploatacja odlewów żeliwnych w warunkach
cyklicznych zmian temperatury powoduje tzw.
zmęczenie cieplne materiału. W efekcie tego rodzaju
zmęczenia w odlewach powstają rysy i pęknięcia,
względnie deformacje, które ograniczają ich
trwałość.
2
www.iod.krakow.pl
Przykłady pracy odlewów w warunkach
cyklicznych zmian temperatury
 wlewnice
 płyty
 formy szklarskie
 głowice
 tłoki i kolektory wydechowe silników
spalinowych
 bębny
 tarcze hamulcowe pojazdów mechanicznych
 tuleje
3
www.iod.krakow.pl
Przyczyny przedwczesnego uszkodzenia
odlewów w czasie cyklicznych zmian
temperatury
 w różnych miejscach materiału różny gradient
temperatury, wywołujący powstawanie zmiennego stanu
przestrzennego naprężeń wewnętrznych w zależności od
temperatury i czasu
 zmiany struktury osnowy metalowej powodujące zmiany
objętościowe.
 naprężenia te w określonych miejscach mogą się różnić
pod względem wielkości jak i kierunków działania
 w efekcie ich działania w odlewach żeliwnych pojawiają się
najczęściej na powierzchni rysy i pęknięcia, które rozwijają
się w głąb ścianki w postaci sieci szczelin aż do zajęcia
całego przekroju odlewu.
4
www.iod.krakow.pl
Przyczyny przedwczesnego
uszkodzenia odlewów w czasie
cyklicznych zmian temperatury
 Przy nieodpowiednio dobranym gatunku materiału
pęknięcia mogą powstać nawet po niewielkiej liczbie
cyklicznych zmian temperatury
 W odlewach z żeliwa charakteryzującego się dobrą
ciągliwością (osnowa ferrytyczna) pod działaniem
cyklicznych zmian temperatury pojawia się najczęściej
nadmierna deformacja (paczenie)
 Powyższe rodzaje uszkodzeń materiału występują tym
intensywniej im większe są różnice temperatury w
poszczególnych częściach odlewu.
5
www.iod.krakow.pl


Naprężenia cieplne
E    
 S[MPa]
T=
1 
gdzie:
E - moduł sprężystości, MPa
- liniowy współczynnik rozszerzalności cieplnej, K-1
T - gradient temperatury, K
µ - współczynnik Poissona
S - współczynnik kształtu
Ze wzoru tego wynika, że wielkość naprężeń cieplnych zależy nie tylko od właściwości
mechanicznych i fizycznych żeliwa czy kształtu odlewu ale również od parametrów
określających warunki nagrzewania i chłodzenia. Bezpośrednie wykorzystanie tego wzoru
do obliczeń wielkości naprężeń cieplnych jest niemożliwe, ponieważ jak to wcześniej
wykazano, tak właściwości mechaniczne jak i fizyczne ulegają zmianie w zależności od
temperatury a także od liczby cykli i czasu ich trwania, zakresu zmiany temperatury itp.
Dlatego do wyznaczania wielkości takich naprężeń pozostają wyłącznie metody badań
laboratoryjnych na odpowiednio dobranych próbkach.
6
www.iod.krakow.pl
Rodzaje próbek stosowanych do badania
odporności żeliwa na zmęczenie cieplne
•
7
www.iod.krakow.pl
Badanie zmęczenia cieplnego (1)
resistance
furnace
water spray
specimens
water outlet
automatic
cooling
cycle
automatic
system push
in-heating
w
cycle counter
w
y
j
a
z
d
-
z
a
m
y
k
a
n
i
e
8
www.iod.krakow.pl
Próbki z różnych tworzyw
po eksploatacji
100 cykli
staliwo
LH14N
120 cykli
żeliwo
sferoidalne
120 cykli
żeliwo
szare
120 cykli
żeliwo z grafitem
wermikularnym
9
www.iod.krakow.pl
Próbki z żeliwa szarego
i wermikularnego po eksploatacji
•
40 cykli –żeliwo szare
wermikularne
140 cykli-żeliwo
10
www.iod.krakow.pl
Schemat stanowiska do badania odporności
na zmęczenie cieplne w warunkach
cyklicznych zmian temperatury
11
www.iod.krakow.pl
Pomiar temperatury próbek
za pomocą termoelementu
800
700
0
chłodzenie C
Temperatura cyklu nagrzewanie -
900
600
500
400
300
200
100
0
0
60
120
180
240
300
360
420
480
540
600
660
720
780
840
900
960 1020 1080 1140
Czas [s]
12
www.iod.krakow.pl
Zaprojektowane próbki do badań
•
20
30
4 otwory Φ 5
M6
5
13
www.iod.krakow.pl
Badania symulacyjne
przy projektowaniu próbki (1)
Próbka do badań zmęczenia cieplnego zaprojektowana i sprawdzona przy
użyciu symulacji komputerowej z wykorzystaniem programu Abaqus
(stan naprężeń po upływie 1 sekundy od momentu chłodzenia
14
www.iod.krakow.pl
Badania symulacyjne
przy projektowaniu próbki (2))
•
Próbka do badań zmęczenia cieplnego zaprojektowana i sprawdzona przy
użyciu symulacji komputerowej z wykorzystaniem programu Abakus
(po upływie 5 sekund od początku chłodzenia)
15
www.iod.krakow.pl
Wykres ilości pęknięć próbki płaskiej
z niskostopowego żeliwa wermikularnego
•
Legen da:
p-su ma
długo ści
pękn ięć
mat.
pr
1,491
3,025
4,558
6,092
7,625
9,159
10,692
12,226
13,759
15,293
ponad
Rys. 25. Wykres funkcji p=f(Cu, Sb). V=0,184%; Sn=0,05%
16
www.iod.krakow.pl
Wykres ilości pęknięć próbki płaskiej
z niskostopowego żeliwa wermikularnego
Legenda: p-suma długości pęknięć mat. próbki
7,005
10,089
13,173
16,257
19,341
22,425
25,509
28,593
31,677
34,761
ponad
Rys. 26. Wykres funkcji p=f(V, Sn). Cu=0,6%; Sb=0,06%
17
www.iod.krakow.pl
Podsumowanie

Przedstawiono ogólne problemy badań zmęczenia cieplnego przy
zastosowaniu odpowiednich próbek i urządzeń.

Pokazano na przykładzie badań prowadzonych w Instytucie
Odlewnictwa na potrzebę korzystania z dobrej aparatury do oceny
jakości żeliwa przeznaczonego na odlewy pracujące w
podwyższonej temperaturze.

Wieloletnie prace pozwoliły opracować nowoczesne urządzenie do
badań, które zostało wykonane i służy do oceny żeliwa na odlewy
pracujące w warunkach stresów termicznych.
18
www.iod.krakow.pl
Dziękuję za uwagę
Kopiowanie całości lub części prezentacji wymaga pisemnej zgody Instytutu Odlewnictwa w Krakowie.
www.iod.krakow.pl