na zmęczenie cieplen stopów Al-Si przeznaczonych na tłoki do

na zmęczenie cieplen stopów Al-Si przeznaczonych na tłoki do

1.17. Metody badań odporności na zmęczenie cieplne. Klasyfikacja.
Duża liczba czynników wpływających na zapoczątkowanie lokalnej de kohezji materiału
pod wpływem zmęczenie cieplnego nie pozwala na opracowanie uniwersalnej metody
badawczej, której wyniki byłyby adekwatne do zjawisk występujących w warunkach
rzeczywistych. W miarę poznawania procesu okazuje się, że na pozór błahe czynniki stają się
bardzo znaczące dla przebiegu zjawisk.
Podczas analizy warunków obciążeń należy poddać szczegółowej ocenie warunki cieplne
urządzenia obejmujące: przebieg gradientu temperatury w przekroju, przejmowanie ciepła,
rozszerzalność cieplną oraz czas trwania obciążeń cieplnych i ich powtarzalność. Może się
okazać, że lokalna koncentracja temperatury w warstwie wierzchniej jest na tyle wysoka, iż w
cienkiej strefie powoduje rozrost ziarn lub nawet nadtopienie materiału. Z tą problematyką
łączy się analiza stanu naprężeń od przenoszonych obciążeń i ich widmo. W tym miejscu,
zwłaszcza w przypadku elementów o dużych przekrojach, nie można pominąć naprężeń
własnych. Dokładnej analizy wymaga również kształt geometryczny elementu pracującego a
zwłaszcza nierównomierna grubość, łagodna zmiana przekroju i unikanie karbów
geometrycznych. Z tą problematyką łączy się stan powierzchni pracujących, a także obecność
mikrokarbów geometrycznych i strukturalnych w strefie przypowierzchniowej.
Po analizie wszystkich czynników można przystąpić do opracowania próby, która w
możliwie największym stopniu winna odtwarzać stan naprężeń materiału w poszczególnych
strefach przekroju. Należy przy tym pamiętać, że badania procesu zmęczenia cieplnego na
próbkach z założenia odbiega od warunków rzeczywistych z uwagi na różnice przebiegu
naprężeń i obciążeń cieplnych. Podczas badania zmęczenia cieplnego w pierwszej kolejności
należy ustalić możliwie optymalny kształt próbek. W przypadku, gdy celem pracy jest
określenie odporności na pękanie w wyniku grzania badanego elementu, kształt i wymiary
próbki powinny być zbliżone lub identyczne z tym elementem. Nie zawsze jest to możliwe do
uzyskania, a szczególnie w przypadku dużych elementów, takich jak np. walce hutnicze lub
piece obrotowe do cementowni.
Kolejnym ważnym czynnikiem jest wytypowanie sposobu nagrzewania i chłodzenia.
Nie można przy tym pominąć zagadnienia korozji warstwy wierzchniej i działania karbów
geometrycznych, jak również przypowierzchniowych karbów strukturalnych.
1.17.1 Stosowane metody badawcze i ich analiza krytyczna.
Nie opracowano dotychczas uniwersalnej metody badania zmęczenia cieplnego stali.
Trwa okres poszukiwań coraz lepszych rozwiązań, często dostosowanych do określonych
cykli obciążeń. Dotychczas nie zostały sprecyzowane jednoznaczne kryteria oceny
odporności na zmęczenie cieplne. Stosuje się najczęściej kilka kryteriów, jako że objawy
zewnętrzne nie zawsze są w różnych przypadkach obciążeń jednakowo ważne. Dlatego do
charakterystyki procesu zmęczenia cieplnego można przyjmować następujące wskaźniki:
- liczbę cykli zmian temperatury próbki do pojawienia się na powierzchni zewnętrznej
52
pierwszego pęknięcia zauważalnego okiem nieuzbrojonym,
- liczbę cykli zmian temperatury próbki do całkowitego pęknięcia przekroju próbki,
- stosunek powierzchni z zalegającymi pęknięciami do całkowitej powierzchni badanej
próbki,
- średnia głębokość pęknięć.
Można również stosować inne kryteria, takie jak np.: maksymalna głębkość pęknięć i
ich nasilenie. Oczywiście przy różnych rzeczywistych obciążeniach elementów znaczenie
użytkowe wymienionych kryteriów jest różne.
Prostą stosunkowo metodą badania odporności na zmęczenie cieplne jest nagrzewanie
umocowanych na obracającym się wale próbek za pomocą palnika tlenowo-acetylenowego.
Zaletą tej metody jest stosunkowo nieskomplikowane nagrzewanie przy zastosowaniu
znanych konstrukcji palników. Do niedogodności można zaliczyć efekty akustyczne, jak
również utrudnioną kontrolę temperatury i zapewnienie jej równomiernego i kontrolowanego
przebiegu. Należy również liczyć się z możliwością zmiany składu chemicznego w warstwie
przypowierzchniowej.
Z uwagi na dążenie do powtarzalności badań oraz możliwości odtworzenia wyników
w różnych laboratoriach, występuje tendencja do stosowania próbek o określonej geometrii
nagrzewanych prądem o dużym natężeniu.
L. F. Coffin do badania zmęczenia cieplnego zastosował cienkościenne cylindryczne
próbki o grubości ścianki 0,5 – 3 mm. W celu uzyskania możliwie małego gradientu
temperatury w przekroju należy stosować próbki o mniejszej grubości ścianki, ale próbki
grube dają lepszą powtarzalność pomiarów podczas badań. Próbka była mocowana w bardzo
sztywnym uchwycie, który ograniczał jej ruch osiowy. Schemat układu mocującego
przedstawia rys. 1.37.
Rys.1.37 Schemat układu mocującego do badania
zmęczenia cieplnego metodą Coffina:
1 – izolacja, 2 – pierścień, 3 – przewód
powietrza chłodzącego, 4 – obejma górna, 5 –
wkładka miedziana, 6 – uchwyt, 7 – próbka z
końcami gwintowanymi, 8 – wodzik maszyny
wytrzymałościowej, 9 – nakrętki blokujące,
10 – uchwyt dolny [ 21 ].
Z uwagi na oporowe ogrzewanie próbek układ mocujący winien być chłodzony wodą i
zaprojektowany do przewodzenia prądu o natężeniu kilku tysięcy amperów. Całkowite
wydłużenie cieplne próbki i uchwytów może być mierzone czujnikiem zegarowym, który jest
53
zamocowany do ramy maszyny wytrzymałościowej i dotyka powierzchni czołowej pręta
uchwytu dolnego 10. Do chłodzenia próbki po jej nagrzaniu zastosowano sprężone powietrze,
które przepływa przewodem 3 do górnej obejmy i chłodzi wewnętrzną powierzchni próbki.
Blok regulacji temperatury składa się z urządzenia programowego, układu sprzężenia
zwrotnego i regulatora. Zakres temperatury badań i jej regulacja zależą od przyjętego
programu. Schemat układu nagrzewania próbek pokazano na rys.1.38. Temperatura próbki
może być kontrolowana za pomocą termoelementu przyspawanego do powierzchni. W
przypadku wielu materiałów nie można przyspawać termoelementu z uwagi na pogorszenie
odporności na zmęczenie cieplne strefy spoiny, gdzie tworzy się enukleacja pęknięć.
Rys.1.38. Schemat układu nagrzewania przy
badaniu zmęczenia cieplnego metodą
Coffina: 1 – próbka, 2 –
transformator, 3 – regulator
temperatury, 4 – rejestrator
temperatury, 5 – rejestrator
pomocniczy temperatury, 6 – zawór
dławiący [21].
Na opisanym stanowisku obciążenie, temperatura i odkształcenie mogą być rejestrowane w
funkcji czasu. Próbki według ustalonego programu obciąża się do chwili wystąpienia
pęknięcia.
Zwykle za zniszczenie przyjmuje się taki stan, przy którym rozszerzające pęknięcie osiągnie
około polowy powierzchni. Jednoznaczne określenie momentu pęknięcia próbki po
wykonaniu kilkuset cykli i związanymi z tym zmianami powierzchniowymi jest trudne. Do
nagrzewania można również stosować sposób indukcyjny, w którym wzbudnik umieszcza się
blisko powierzchni, ale wówczas występuje gradient temperatury w przekroju i nie ma
praktycznie dostępu do powierzchni. Tymczasem w celu dokonania pomiarów odkształcenia i
temperatury niektóre elementy winny być umieszczone na powierzchni.
Rys1.39. Wymiary próbki do badania zmęczenia cieplnego [5]
54
Najczęściej stosowane wymiary próbki do badania zmęczenia cieplnego
przedstawiono na rys. 1.39. Przebieg temperatury i regulacja zależą od opracowanego
programu. Na przykład program może być umieszczony na metalizowanej taśmie nawijającej
się na obracający bęben. Częścią sprzężenia zwrotnego jest termoelement. Regulator
temperatury stanowi zespół kontrolujący. Początkowy pomiar temperatury jest uzyskiwany
przez mały termoelement, którego druty są przyspawane do powierzchni próbki lub jest on
nawinięty spiralnie wokół próbki i zaciśnięty. Należy liczyć się z tym, że przebieg
temperatury w próbce nie podąża ściśle za sygnałem kierującym z uwagi na bezwładność
układu, która nie jest istotna, gdy szybkości nagrzewania i chłodzenia wynoszą do 20 K/s.
Wówczas opóźnienie stanowi bowiem kilka kelwinów na sekundę. Z uwagi na cienką ściankę
w przekroju nie występuje problem gradientu temperatur. Znacznie ważniejszy dla wyników
końcowych jest gradient temperatury na długości. Wpływ gradientu temperatury na pomiar
odkształcenia nie jest zbyt znaczny, jeżeli długość pomiarowa ekstensometru jest mała.
Gradient temperatury na długości próbki może być powodem znacznych różnic w relaksacji
naprężeń, zmieniających się cyklicznie. System nagrzewania reguluje temperaturę dla jednego
punktu, w którym przyłączony jest termoelement. Przebiegi nagrzewania odbywają się z
dużymi prędkościami i można określić je mianem przebiegów dynamicznych. Wydłużenie
próbki można regulować przez umieszczenie zamiast jednego, kilku termoelementów
połączonych równolegle.
Jedna z metod wykorzystującą indukcyjne nagrzewanie próbki zaprezentowany został
w pracy [52]. Urządzenie do badań oparte na zasadzie zamocowanych prętów było wcześniej
stosowane do oceny kolektorów wydechowych i głowic cylindrowych do silników Diesla
[55]. W tej metodzie określa się wpływ utrudnionego wydłużenia i skurczu termicznego na
trwałość ( żywotność ) pod obciążeniem termicznym. Naprężenie termiczne, rosnące w czasie
nagrzewania, jest proporcjonalne do rozszerzalności cieplnej i do moduły Younga ( E ). Ze
wzrostem temperatury następuje odkształcenie plastyczne i relaksacja naprężeń. Przy
odkształceniu plastycznym próbka ulega skróceniu i po rozpoczęciu fazy chłodzenia rozwijają
się naprężenia rozciągające. Powtórne cykle temperaturowe prowadzą do uszkodzenia
materiału w wyniku zmęczenia cieplnego i w końcu do tworzenia pęknięć zmęczeniowych.
Urządzenie pomiarowe ( rys. 1.40 a) składa się ze sztywnej ramy o szerokości 180 mm i
cewki indukcyjnej, złożonej z 5 zwojów o średnicy wewnętrznej 17 mm i długości około 38
mm. Próbka zostaje zamocowana w uchwytach chłodzonych wodą. Dolne zamocowanie jest
dodatkowo wyposażone w czujnik, który umożliwia prześledzenie obciążeń próbki,
występujących przy wahaniach termicznych.
55
a)
b)
Rys.1.40. Schemat urządzenia oraz geometria próbki wykorzystywanych podczas badań
odporności na zmęczenie termiczne przy indukcyjnym nagrzewaniu próbki [55].
a) urządzenie do badań zmęczenia cieplnego b) geometria próbki nagrzewanej
indukcyjnie
W badaniach wstępnych rozpowszechniona może być metoda wirującego krążka.
Próbka jest krążkiem o średnicy zewnętrznej ∅ 60 mm i grubości 10 mm. Krążek osadzony
na osi wykonuje ruch obrotowy z określoną prędkością, np. 30 obr/min. Schemat stanowiska
do badania zmęczenia cieplnego podano na rys.1.40.
Rys.1.41. Schemat stanowiska do badania odporności stali na zmęczenie cieplne metodą
wirującego krążka : 1 – próbka, 2 – wałek napędowy, 3 – łożysko, 4 – sprzęgło, 5
– silnik, 6 – regulator obrotów, 7 – licznik obrotów, 8 – woda o ciągłym
przepływie, 9 – regulator dopływu wody, 10 – przelew i odpływ wody, 11 –
wanna, 12 – zgarniacz wody, 13 – zgarniacz pęcherzyków pary, 14 – indukcyjny
wzbudnik grzejny, 15 – termometr, 56
16 – wspornik, 17 – generator wysokiej
częstotliwości [5].
Próbka nagrzewana jest od góry specjalnie ukształtowany wzbudnikiem zasilanym z
generatora elektrycznego wysokiej częstotliwości, np. 400 000 Hz. Strefa
przypowierzchniowa nagrzewana jest do 900-1000 K i obejmuje powierzchnię ok. 10x30 mm.
Wielkość tej powierzchni można regulować przez zmianę kształtu wzbudnika, prędkość
obrotową próbki, odległość wzbudnika od powierzchni i moc prądu. Głębokość strefy
nagrzewanej wynosi 1-2 mm. Podczas nagrzewania występuje bardzo szybkie rozszerzanie
lokalne strefy przypowierzchniowej, która podczas chłodzenia podlega gwałtownemu
ściskaniu. Podczas powtarzalnych cyklicznych nagrzewań i ochłodzeń powstaje rozszerzaniu
i kurczenie poszczególnych obszarów powierzchni, co prowadzi do zarodkowania pęknięć.
Jako kryterium oceny wytrzymałości na zmęczenie cieplne przyjmuje się liczbę cykli do
powstania pierwszego lub trzech pierwszych pęknięć. Niektórzy autorzy opracowali nawet
określoną skalę wzorców do porównania nasilenia liczby pęknięć, stosując różne klasy do
oceny wizualnej.
Podobną metodykę badania odporności na zmęczenie cieplno mechaniczne prezentuje
Pan E.Czekaj. Autor ten zakłada iż odporność na cieplno-mechaniczne zmęczenie zależy
zarówno od schematu cyklu obciążeniowego, charakteryzowanego takimi wielkościami jak:
tmax., tśr, ∆ε czy ∆K, a także od fizyko-mechanicznych właściwości tworzywa. W swojej pracy
wykazuje, że charakterystyki zmęczenia mechanicznego siluminów tłokowych stosunkowo
dobrze korelują z właściwościami wytrzymałościowymi (Rm, Rp0,2), natomiast jako pośredni
przyspieszony wskaźnik odporności na zmęczenie cieplne wykazuje plastyczność A5350 C .
Prawdziwość tego ostatniego twierdzenia została wykazana podczas badania odporności na
zmęczenie cieplne wybranych, bezniklowych siluminów wg zaprezentowanej metody Do
badań na zmęczenie cieplne zastosowano pokazane na rysunku 7.5 próbki w kształcie ostro
zakończonych dysków, wytaczane z dolnych części kokilowych odlewów stożkowych i
obrabiane cieplnie do stanu T5.
o
Rys. 1.42. Kształt i wymiary próbki do badania zmęczenia cieplnego na
specjalistycznym urządzeniu [53].
Schemat obciążeń cieplnych według wstępnego założenia i jego rzeczywistej realizacji (na
podstawie mikroprocesorowej rejestracji temperatury, dla porównawczych próbek), pokazują
wykresy na rysunku 1.43.
Założony program obciążeń cieplnych był realizowany na zmechanizowanym i
zautomatyzowanym urządzeniu, zaprezentowanym na rysunku 1.44. Istota oceny odporności
na zmęczenie cieplne polegała na obserwacji badanych próbek oraz rejestracji: a) ilości cykli
57
do pojawienia się pierwszego pęknięcia oraz b) całkowitej długości pęknięć, po określonej
liczbie obciążeń cieplnych w zakresie: od 0 do 1000 cykli.
a)
b)
Rys. 1.43. Cykle zmian temperatury w badaniach zmęczenia cieplnego:
a) teoretyczny (zakładany); b) praktyczny (rzeczywisty) [53].
Rys. 1.44. Ogólny widok urządzenia do badania
zmęczenia cieplnego metali (Instytut
Odlewnictwa, Kraków) [53]:
1 – piec sylitowy; 2 – warstwa izolacyjna;
3 – komora pieca; 4 – panel sterujący;
5 – zbiornik z chłodziwem;
6 – miejsce mocowania próbek doświadczalnych;
7 – żaroodporne pręty stalowe łączące próbki z
wysięgnikiem;
8 – ramię wysięgnika
Stosunkowo prostą metodą badania przebiegu zmęczenia cieplnego jest nagrzewanie
w piecu, którego temperatura jest wyższa niż temperatura procesu. Z punktu widzenia
sposobu realizacji badań jest to prosta metoda, choć wymaga specjalnego pieca grzewczego.
Wadą jej jest mała możliwość dokładnego ustalenia temperatury próbki, brak możliwości
kontroli temperatury na przekroju oraz wpływ utleniającego działania atmosfery na
zarodkowanie mikropęknięć przy powierzchni.
58
Rys.1.45. Schemat kinematyczno-rejestracyjny
stanowiska do badania zmęczenia
cieplnego próbek cylindrycznych: 1 –
stycznik główny, 2 – układ grzewczy, 3 –
układ chłodzący, 4 – dynamometr, 5 –
rejestrator temperatury, 6 – stycznik
sterujący, 7 – przekaźnik czasowy
nagrzewania, 8 – licznik cykli, 9 –
przekaźnik czasowy chłodzenia, 10 –
rejestrator odkształcenia, 11 –
obciążenie, 12 – przekaźnik [23].
Niektórzy autorzy stosują nagrzewanie w strumieniu płomienia tlenowo-acetylenowego lub
gazu ziemnego. Próbki są wówczas umiejscowione na obracającej się tarczy lub zespole tarcz.
Zaletą bezsporną takiego rozwiązania jest stosunkowo duża wydajność procesu badawczego.
Kłopotliwa jest konieczność posiadania butli z gazem, specjalnych palników i wentylacji
pomieszczenia. Również efekty akustyczne występujące podczas badań nie zachęcają do jej
rozpowszechniania. Należy również liczyć się ze zjawiskiem zmiany składu chemicznego
strefie przypowierzchniowej, co wynika z działania na metal produktów spalania.
Stosowane inne metody badań procesu zmęczenia cieplnego stanowią modyfikacje lub
odmiany dotychczas wymienionych. Do jednej z nich można zaliczyć oporowe nagrzewanie
próbki walcowej chłodzonej wodą [23]. Schemat takiego stanowiska przedstawiono na
rys.1.46. Budowa stanowiska nie jest zbyt skomplikowana, jednak nie trudno zauważyć, że
gradient temperatury w próbce walcowej może być duży, co nie zapewnia powtarzalności
warunków obciążenia. Poza tym po kilkudziesięciu cyklach tworzy się na powierzchni
zewnętrznej warstwa osadu i tlenków, które zmieniają warunki przejmowania ciepła. Schemat
stanowiska do badań z modyfikacją próby Coffina w kierunku jej uproszczenia podano na
rys.1.46.[24].
Rys.1.46. Schemat stanowiska dla badania
cienkościennych próbek na zmęczenie cieplne : 1 –
pojemnik sprężonego powietrza, 2 – reduktor, 3 –
zawór, 4 – manometr, 5 – przewód, 6 – próbka, 7 –
rama, 8 – transformator [24].
1.17.2 Charakterystyczne cykle badawcze.
Stosowane rzeczywiste obciążenia cieplne elementów konstrukcji i maszyn nie zawsze
są możliwe do dokładnego odtwarzania w warunkach laboratoryjnych. Podczas badań
59