nazwisko (nazwiska) autora (ów)

NOWE KIERUNKI ROZWOJU MECHANIKI – Hucisko 2011
_______________________________________________________________________________________
SZYMCZAK1 Tadeusz, KOWALEWSKI2 Zbigniew L.
1
Instytut Transportu Samochodowego
[email protected]
2
Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN
[email protected]
EFEKTY MATERIAŁOWE GENEROWANE
OBCIĄŻENIEM MONOTONICZNO-CYKLICZNYM
1.
Wprowadzenie
Ocena wpływu rewersyjnego skręcania podczas monotonicznego rozciągania lub ściskania na wartość
naprężenia rozciągającego lub ściskającego oraz ciągliwość materiału to tematyka, którą stale zajmują się
różne zespoły badawcze np. [1-8]. Badania te wskazują na obniżanie wybranych parametrów mechanicznych
materiału podczas monotonicznej deformacji w obecności obciążenia cyklicznego, co jest szczególnie ważne
z naukowego punktu widzenia przy opracowywaniu modeli konstytutywnych zachowania się materiałów
konstrukcyjnych w warunkach obciążenia złożonego. Wpływ deformacji wywoływanej cyklicznym
skręcaniem był także badany z punktu widzenia wykorzystania otrzymanych wyników do modyfikacji
procesów technologicznych takich, jak na przykład ciągnienie [1]. Istotną rolę kombinacji obciążenia
cyklicznego i monotonicznego potwierdzają również wyniki otrzymane przez zespół Korbla i Bochniaka,
którzy analizowali tzw. efekt KOBO [3], czy zespół Grosmana [7]. Jak wykazują badania doświadczalne,
efekt KOBO można wykorzystywać podczas produkcji różnych wyrobów np. stożkowych kół zębatych [2].
W poniższej pracy zaprezentowane zostaną wyniki, które pozwalają uzyskiwać podobne efekty, jak
otrzymywane przez innych badaczy, ale przy istotnie mniejszych wartościach amplitudy odkształcenia.
2.
Wyniki badań
Program badań zaprojektowano w taki sposób, aby można było określić wpływ cykli skrętnych na
przebieg monotonicznego rozciągania realizowanego jednocześnie w kierunku poprzecznym, ze
szczególnym uwzględnieniem zmian podstawowych parametrów mechanicznych materiału. Badano trzy
rodzaje materiałów stosowanych w różnych gałęziach przemysłu: stal P91, stop aluminium PA7 oraz miedź
M1E. Badania wykonano przy wykorzystaniu próbki rurkowej o grubości ścianki 1.5 mm. Amplituda
odkształcenia postaciowego przyjmowała następujące wartości – ±0.3%, ±0.5%, ±0.7%, ±0.9%. We
wszystkich przypadkach (tab.1) zaobserwowano znaczne obniżenie przebiegu charakterystyki materiału (,
) powiększające się wraz ze wzrostem amplitudy cykli skrętnych. Obniżenie wybranych parametrów
mechanicznych nie miało trwałego charakteru i w chwili wyłączenia obciążenia cyklicznego charakterystyka
osiągała przebieg, jak podczas jednoosiowego rozciągania. Szersze omówienie przeprowadzonych badań
można znaleźć w pracach [6], [8].
Amplituda
rewersyjnych
cykli skrętnych
[%]
0
0.3
0.5
0.7
0.9
RH
[MPa]
400
145
120
100
-
P91
R0.2%
[MPa]
490
270
175
145
-
RH
[MPa]
400
225
200
145
130
PA7
R0.2%
[MPa]
460
300
260
230
220
RH
[MPa]
175
50
25
15
10
M1E
R0.2%
[MPa]
240
90
55
30
15
Tab. 1. Zestawienie wyników ilustrujące zmiany wybranych właściwości
mechanicznych przy rozciąganiu w zależności od parametrów obciążenia
cyklicznego w postaci rewersyjnego skręcania.
W celu kompleksowej oceny wpływu obciążenia cyklicznego na proces monotonicznej deformacji
dokonano porównania charakterystyki rozciągania materiałów z krzywymi naprężenie efektywneodkształcenie efektywne dla każdej z rozpatrywanych wartości amplitudy odkształcenia, rys. 1. Zestawienie
takie dla stali ilustruje wzrost jej parametrów mechanicznych widoczny w postaci utrzymywania się
naprężenia efektywnego powyżej charakterystyki z testu jednoosiowego rozciągania, rys. 1a. Natomiast w
przypadku stopu aluminium widoczny jest efekt obniżania się parametrów mechanicznych w stosunku do
1
NOWE KIERUNKI ROZWOJU MECHANIKI – Hucisko 2011
_______________________________________________________________________________________
otrzymanych ze zwykłej próby rozciągania - zmniejszający się wraz z powiększaniem amplitudy cykli
skrętnych, rys. 1b. Odmienny efekt niż w przypadku stopu aluminium osiągnięto dla miedzi. W tym
przypadku obserwuje się obniżenie właściwości mechanicznych powiększające się wraz ze wzrostem
amplitudy obciążenia cyklicznego, rys. 1c.
(a)
(b)
(c)
Rys. 1. Zmiany naprężenia efektywnego podczas monotonicznego rozciągania w obecności cykli skrętnych
o amplitudzie odkształcenia w zakresie ±0.3 ÷ ±0.9 dla materiałów:
(a) stali P91, (b) stopu PA7, (c) miedzi M1E.
3.
Wnioski
A. Obecność obciążenia cyklicznego wskutek skręcania podczas jednocześnie realizowanego
monotonicznego rozciągania powoduje znaczne obniżenie parametrów mechanicznych
materiału. Efekt ten nie ma trwałego charakteru i po ustąpieniu obciążenia cyklicznego
zanika. Badania ewolucji powierzchni plastyczności potwierdzają ten fakt.
B. W zależności od rodzaju materiału zmiany naprężenia efektywnego wskazują na umacnianie
bądź osłabianie materiału powiększające się wraz ze wzrostem amplitudy cykli skrętnych.
„Praca naukowa finansowana ze środków na naukę MNiSW
w latach 2009-2012 jako projekt badawczy Nr N N501 121036”
Literatura
[1] AGUILAR M.T.P., CETLIN P.R., VALLE P.E., CORREA E.C.S., REZENDE J.L.L., Influence of
strain path in the mechanical properties of drawn aluminum alloy bars, Journal of Materials Processing
Technology, 80-81, 376-379, 1998.
[2] BOCHNIAK W., KORBEL A., SZYNDLER R., HANARZ R., STALONY-DOBRZAŃSKI F., BŁAŻ
L., SNARSKI P., New forging method of bevel gears from structural steel, J. Mater. Proc. Tech., 173,
75-83, 2006.
[3] BOCHNIAK W., KORBEL A., SZYNDLER R., Innovative solutions for metal forming, Proc. Inter.
Conf. MEFORM 2001 – Herstellung von Rohren und Profilen, Institut fur Metallformung
Tagungsband, 239, Freiberg/Riesa, 2001.
[4] GRONOSTAJSKI Z., JAŚKIEWICZ K., The effect of complex strain path on the properties of CuSi5
silicon bronze, J. Mater. Proces. Tech., 155-156, 1144-1149, 2004.
[5] KONG L. X., HODGSON P. D., Constitutive modelling of extrusion of lead with cyclic torsion, Mater.
Sci. Eng., A 276, 32-38, 2000.
[6] KOWALEWSKI Z., SZYMCZAK T., An influence of torsional cycles on the uni-axial tension of
selected materials, XXII International Congress of Theoretical and Applied Mechanics, ICTAM 2008
Adelaide, Australia, 304, 2008.
[7] NIEWIELSKI G., KUC D., RODAK K., GROSMAN F., PAWLICKI J., Influence of strain on the
copper structure under controlled deformation path conditions, Journal of Achievements in Materials
and Manufacturing Engineering, 17, 1-2, 109-112, 2006.
[8] SZYMCZAK T., rozprawa doktorska „Wpływ historii złożonych obciążeń na właściwości mechaniczne
materiałów konstrukcyjnych”, promotor Z.L. Kowalewski, Politechnika Warszawska, Wydział SIMR,
2007.
2