Referat 8 - Zmęczenie cieplne
advertisement
Założenia projektowe urządzenia do badania zmęczenia cieplnego tworzyw metalowych Tadeusz Grochal, Krzysztof Jaśkowiec Zakład Stopów Żelaza Badania i rozwój nowoczesnej technologii tworzyw odlewniczych odpornych na zmęczenie cieplne Instytut Odlewnictwa w Krakowie 1 Zmęczenie cieplne – cele • Cele budowy stanowiska badawczego – badanie wpływu modyfikacji składu chemicznego i procesu obróbki na parametry wytrzymałościowe – badanie długoterminowych zmian właściwości materiału pod wpływem zmęczenia cieplnego – określenie zjawisk i procesów zachodzących w metalach pod wpływem stresów temperaturowych oraz oddziaływania sił zewnętrznych . Badania i rozwój nowoczesnej technologii tworzyw odlewniczych odpornych na zmęczenie cieplne Instytut Odlewnictwa w Krakowie 2 Zmęczenie cieplne Zmęczenie cieplne materiału jest to zjawisko pękania materiału pod wpływem cyklicznie zmieniających się naprężeń powstałych w materiale na skutek różnicy temperatur w sąsiednich warstwach materiału. Zniszczenie elementu pod wpływem zmęczenia cieplnego Badania i rozwój nowoczesnej technologii tworzyw odlewniczych odpornych na zmęczenie cieplne Pęknięcie zmęczeniowe żeliwa sferoidalnego EN-GJS-700 Instytut Odlewnictwa w Krakowie 3 Zmęczenie cieplne W układach rzeczywistych zmęczenie cieplne nigdy nie zachodzi w czystej postaci, lecz sumują się z nim: •cykliczne naprężenia mechaniczne (zmęczenie cieplno-mechaniczne) •procesy korozyjne (zmęczenie cieplno-korozyjne) •ścieranie, itp. Typowe uszkodzenia wskazujące na dominującą role zmęczenia cieplno-korozyjnego Badania i rozwój nowoczesnej technologii tworzyw odlewniczych odpornych na zmęczenie cieplne Instytut Odlewnictwa w Krakowie 4 Zmęczenie cieplne Istnieje wiele konstrukcji gdzie zmęczenie cieplne jest podstawowym czynnikiem powodującym zniszczenie danego elementu. Ciągły wzrost wymagań oraz względy ekonomiczne powodują że grupa tychże elementów stale się powiększa. Formy metalowe, głowice i kolektory silników spalinowych, tarcze hamulcowe, turbiny gazowe, elementy kołów są przykładami konstrukcji gdzie omawiany mechanizm zużycia jest dominujący. Pęknięcia zmęczeniowe dyszy turbiny gazowej Badania i rozwój nowoczesnej technologii tworzyw odlewniczych odpornych na zmęczenie cieplne Zdjęcie uszkodzonej tarczy hamulca z Forda F-250 Instytut Odlewnictwa w Krakowie 5 Zmęczenie cieplne - próbki Na wynik końcowy pomiarów bardzo duży wpływ ma kształt próbki. W czasie badań bardzo często dochodzi do paczenia próbki, zwłaszcza w materiałach odlewanych (wady wewnętrzne). Możliwe jest, że próbki o różnym kształcie dają zgoła odmienne wyniki. Dlatego dobiera się kształt próbki w zależności od potrzeb. Próbki stosowane w próbach na zmęczenie cieplno-mechaniczne Badania i rozwój nowoczesnej technologii tworzyw odlewniczych odpornych na zmęczenie cieplne Instytut Odlewnictwa w Krakowie 6 Zmęczenie cieplne – nagrzewanie próbki Metody nagrzewania próbki mają istotne znaczenie ze względu na rozkład temperatury oraz propagację pęknięć. W większości istniejących rozwiązań stosuje się: • piecyk nagrzewający próbkę - piecyk (oporowy) nagrzewa próbką umieszczoną w jego wnętrzu. Rozwiązania tego typu stosowane są często w urządzeniach takich firm jak ISTRON, Zwick. Połączenie maszyny wytrzymałościowej oraz elementu grzejnego pozwala na pomiary pełzania, wytrzymałości na zimno i gorąco badanych próbek. • nagrzewanie próbki płomieniem gazowym. Płomień nagrzewa próbkę jednoczenie następują reakcję między produktami spalania a powierzchnią próbki. • nagrzewanie oporowe próbki. Do próbki przykłada się napięcie powodując przepływ prądu o natężeniu pozwalającym na uzyskanie wymaganej temperatury • Nagrzewanie indukcyjne próbki. Pole elektromagnetyczne wytworzone w uzwojeniu cewki nagrzewa próbkę Badania i rozwój nowoczesnej technologii tworzyw odlewniczych odpornych na zmęczenie cieplne Instytut Odlewnictwa w Krakowie 7 Zmęczenie cieplne Rozciąganie/ściskanie dwuosiowe Badania i rozwój nowoczesnej technologii tworzyw odlewniczych odpornych na zmęczenie cieplne Rozciąganie/ściskanie jednoosiowe Instytut Odlewnictwa w Krakowie 8 Zmęczenie cieplne – rozwiązania komercyjne Na rynku znajdują się urządzenia przeznaczone do badań zmęczenia cieplnego. Przykładem tego typu rozwiązania jest system do badań zmęczeniowych firmy INSTRON. Badania i rozwój nowoczesnej technologii tworzyw odlewniczych odpornych na zmęczenie cieplne Instytut Odlewnictwa w Krakowie 9 Założenia co do możliwości techniczno pomiarowych urządzenia Podstawowe parametry wymagane od urządzenia do badań zmęczenia cieplnego: • naprężenia maksymalne 20 kN • prąd minimalny 330 A ( z możliwością rozbudowy do 800A) • chłodzenie uchwytów zapewniające właściwy rozkład temperatur w próbce • konstrukcja układu zapewniająca stabilną prace ciągłą urządzenia Badania i rozwój nowoczesnej technologii tworzyw odlewniczych odpornych na zmęczenie cieplne Instytut Odlewnictwa w Krakowie 10 Założenia co do możliwości techniczno pomiarowych urządzenia Wymuszone nagrzewanie i studzenie badanej próbki [dalej nazywanej bp] zgodnie z na stawionym programem • utrzymywanie zadanej temperatury (bp) przez określony czas. • uzyskiwanie zadanej temperatury bp w określonym czasie [sek]. T = F(t) • poddawanie bp zmiennej cykliczne temperaturze. • kontrola temperatury bp z możliwością rejestracji przebiegu w czasie Badania i rozwój nowoczesnej technologii tworzyw odlewniczych odpornych na zmęczenie cieplne Instytut Odlewnictwa w Krakowie 11 Założenia co do możliwości techniczno pomiarowych urządzenia Poddawanie bp określonemu naprężeniu ściskającemu lub rozciągającemu: Warunki kontrolowanych wstępnych naprężeń i ograniczeń rozszerzania i kurczenia próbki. • badana próbka bp bez wstępnych naprężeń. swoboda wydłużeń i skurczów pod wpływem temperatury ograniczona . • poddawanie bp wstępnemu naprężeniu ściskającemu lub rozciągającemu o zadanej regulowanej wartości. Badania i rozwój nowoczesnej technologii tworzyw odlewniczych odpornych na zmęczenie cieplne Instytut Odlewnictwa w Krakowie 12 Założenia co do możliwości techniczno pomiarowych urządzenia Możliwości pomiarowe urządzenie. • • • • pomiar temperatury Tbp. [oC] pomiar zmian długości próbki L [mm] pomiar naprężeń w bp [Mpa] pomiar zmian oporności elektrycznej na długości Badania i rozwój nowoczesnej technologii tworzyw odlewniczych odpornych na zmęczenie cieplne Instytut Odlewnictwa w Krakowie 13 Wybór kształtu i wymiarów próbki z6,2 mm;w3,2mm przekrój=~20,22mm2 grubość ścianki =1,5mm naprężenia max =~50Mpa siła oddziaływania na próbkę = ~100KG =~1kN [F= 5KG mm2 x20,22 mm2] gęstość prądu =~20A/mm2 sumaryczne natężenie prądu = ~300A Próbka stosowane w urządzenia do pomiaru zmęczeń cieplno-mechanicznych żeliwa Badania i rozwój nowoczesnej technologii tworzyw odlewniczych odpornych na zmęczenie cieplne Instytut Odlewnictwa w Krakowie 14 Założenia co do możliwości techniczno pomiarowych urządzenia Rysunek ideowy sterowania i pomiarów koniecznych parametrów dla przeprowadzenia pomiaru określającego wytrzymałość materiału na zmęczenie cieplne Komputer We1 We2 We3 We4 We5 Wy1 Sterowanie grzaniem próbki uchwyty próbki bp A Zasilacz 1000A cięgna naprężeń ściskających bp rozciągających próbka Rx Rx belka ruchoma ś śx r rx cięgna naprężeń rozciągazjących bp korpós aparatu L Badania i rozwój nowoczesnej technologii tworzyw odlewniczych odpornych na zmęczenie cieplne Instytut Odlewnictwa w Krakowie 15 Wybór kształtu i wymiarów próbki W realizowanym projekcie zaplanowano wykonanie urządzenia do badania nowoczesnych tworzyw odpornych na pracę w warunkach zmęczenia cieplnego. Urządzenie powinno dostarczać wyniki zapewniając możliwie powtarzalne warunki w czasie pomiarów. Mimo że urządzenie jest prototypem należy dołożyć wszelkich starań w celu zapewnienia bezpieczeństwa w czasie użytkowania. Aparat powinien mieć możliwość pracy w dwóch wariantach, jako aparat do badania: • zmęczeń cieplnych próbki, • badania oporności elektrycznej oraz możliwość rozbudowy o badania wytrzymałości w podwyższonych temperaturach Opracowane założenia oraz wymagania zostały przekazane Wykonawcy. W dalszych etapach prac przedstawiciele Instytutu Odlewnictwa uczestniczyli w pracach nad urządzeniem w roli konsultantów. Prace oraz pewne modyfikacje doprowadziły do powstania w pełni funkcjonalnego aparatu do badania zmęczenia cieplnego Badania i rozwój nowoczesnej technologii tworzyw odlewniczych odpornych na zmęczenie cieplne Instytut Odlewnictwa w Krakowie 16 Dziękuje za uwagę Badania i rozwój nowoczesnej technologii tworzyw odlewniczych odpornych na zmęczenie cieplne Instytut Odlewnictwa w Krakowie 17
