Wpływ wielkości ziarna na zależność Coffina-Mansona PDF

Preview

Summary

Sprawozdanie....

Description

Grupa B

Politechnika Warszawska Wydział Inżynierii Materiałowej Laboratorium Mechanizmy niszczenia materiałów laboratorium „Wpływ wielkości ziarna na zależność Coffina-Mansona.”

1. Wstęp. Stop aluminium 7475 Stopy serii 7000, do których należy stop 7475, wykazują najwyższą wytrzymałość ze stopów aluminium do przeróbki plastycznej. Można je podzielić na spawalne stopy bez dodatku miedzi oraz niespawalne – z dodatkiem miedzi. Stopy Al-Zn-Mg-Cu stosuje się głównie w lotnictwie. Stopy tej serii stosowane są w postaci blach i produktów wyciskanych. Wlewki do wyciskania wytwarzane są w procesie odlewania kokilowego W pierwszej kolejności aluminium, złom i dodatki stopowe są topione w specjalnym piecu. Podczas tego etapu należy dokładnie mieszać wytop, równocześnie zapewniając efektywne odżużlanie, odgazowywanie i filtrowanie przed procesem odlewania, w celu usunięcia popiołów, tlenków, gazów i innych niemetalicznych domieszek.

Otrzymane wlewki poddaje się procesowi wyciskania. Najpowszechniejsza jest metoda wyciskania bezpośredniego. Proces produkcji profili aluminium polega na poddaniu wlewków przeróbce plastycznej na gorąco w temperaturze 450–600°C. Podgrzany materiał zostaje przeciśnięty przez stalową matrycę, która nadaje profilom odpowiedni kształt. Duże odkształcenie podczas procesu wyciskania korzystnie wpływa na materiał, nadając mu jednorodną mikrostrukturę na całym przekroju profilu. Stopy serii 7000 o wysokiej wytrzymałości charakteryzują się granicą plastyczności sięgającą nawet 700 MPa. Dzięki drobnym wydzieleniom (o wielkości od 1 do 10 nm) uzyskiwanych na drodze umocnienia wydzieleniowego w wyniku przesycania i starzenia stopu. Proces ten odbywa się poprzez zarodkowanie równowagowej fazy międzymetalicznej, której sekwencja tworzenia zaczyna się od powstania stref Guiniera-Prestona (GP). Skład chemiczny stopu 7475 [%] Tabela 1. Skład chemiczny stopu aluminium 7475

Si

Fe

Cu

Mn

Mg

Cr

Zn

Ti

max 0,1

max 0,12

1,2-1,9

max 0,06

1,9-2,6

0,18-0,25

5,2-6,2

max 0,06

Wyciskanie hydrostatyczne Wyciskanie hydrostatyczne należy do procesów kształtowania objętościowego materiałów. Jest to technika spełniająca kryteria wyciskania współbieżnego, jednakże wyraźnie odbiegająca od klasycznych procesów tego typu. Wyciskanie hydrostatyczne umożliwia wytwarzanie szerokiej gamy produktów o różnorodnych kształtach przekroju poprzecznego. Proces wyciskania hydrostatycznego stanowi jedną z technik tzw. dużego odkształcenia plastycznego – Severe Plastic Deformation (SPD). Technologia hydroekstruzji pozwala również na świadome i kontrolowane kształtowanie mikrostruktury oraz właściwości materiału. Umożliwia rozdrobnienie ziarna do poziomu Rysunek 1 Schemat wyciskania nanomertycznego, co skutkuje wyraźnym podwyższeniem właściwości hydrostatycznego mechanicznych materiału. Materiał wsadowy otoczony ciekłym medium znajduje się w komorze roboczej. Poruszający się tłok generuje ciśnienie w komorze sprężając ciecz. Po osiągnięciu odpowiedniego ciśnienia (zależnego od zastosowanej redukcji przekroju oraz odkształcanego materiału) produkt jest wyciskany przez matrycę. U wyjścia matrycy produkt jest intensywnie chłodzony, aby ograniczyć dynamiczne procesy cieplne powodujące rozrost ziarna w materiale. Zaletą procesu jest trójosiowy stan naprężeń działający na wsad w komorze roboczej, hamujący powstawanie pęknięć oraz ich propagację w odkształcanym materiale. Pozwala to na zastosowanie większych redukcji oraz deformacje materiałów trudno odkształcalnych. Odpowiednia geometria wsadu niweluje efekt tarcia na matrycy wpływając dodatkowo na jakość powierzchni oraz tolerancje kształtu wyciskanego produktu. Generowanie dużych odkształceń plastycznych w metodzie wyciskania hydrostatycznego pozwala otrzymywać jednorodną, silnie rozdrobnioną mikrostrukturę w znacznej objętości materiału.

2. Metodyka badań Celem ćwiczenia jest wyznaczenie stałych materiałowych a i C z zależności Coffina-Mansona dla stopu aluminium 7475 po obróbce plastycznej przy zadanym różnym odkształceniu skumulowanym. Badane materiały: a) SW – materiał w stanie wyjściowym, tj. po konwencjonalnym wyciskaniu na gorąco wlewka o średnicy 246 mm do postaci pręta o średnicy 50 mm; średnia wielkość ziarna ok. 2 µm. b) HE12 – materiał poddany dodatkowo wyciskaniu hydrostatycznemu (ze średnicy 50 mm do 12 mm, zadane odkształcenie skumulowane ε = 2,85); średnia wielkość ziarna ok. 120 nm. c) HE5 – materiał poddany dodatkowo wyciskaniu hydrostatycznemu (do średnicy końcowej 5 mm, zadane odkształcenie skumulowane ε = 4,61); średnia wielkość ziarna ok. 70 nm.

3. Wyniki badań. Wyznaczanie rzeczywistych zadawanych amplitud odkształcenia plastycznego. Tabela 2. Rzeczywiste amplitudy odkształcenia badanych materiałów.

Materiał

SW

HE12

HE5

Teoretyczne amplitudy odkształcenia plastycznego εpl/2 0,2% 0,25% 0,4% 0,2% 0,25% 0,4% 0,2% 0,25% 0,4%

Rzeczywiste amplitudy odkształcenia plastycznego 0,187% 0,224% 0,383% 0,171% 0,226% 0,374% 0,204% 0,232% 0,364%

Z powyższej tabeli widać, że wartości rzeczywistych amplitud odkształcenia odbiegały od wielkości założonych. Wartości zadawanych odkształceń były mniejsze niż teoretyczne, wprowadzone do systemu maszyny. Tabela 3. Wartości zakresu amplitudy odkształcenia plastycznego oraz liczby cykli do zniszczenia potrzebne do sporządzenia wykresu Coffina-Mansona.

Materiał

SW

HE12

HE5

Zakres amplitudy odkształcenia plastycznego Δεpl [%] 0,374 0,448 0,766 0,342 0,452 0,748 0,408 0,464 0,728

Liczba cykli do zniszczenia Nf 1160 908 188 615 265 71 264 164 33

Z powyższej tabeli możemy wnioskować, że przy porównywalnych wartościach amplitudy odkształcenia plastycznego dla tego samego materiału, ale poddanego dodatkowo procesowi wyciskania hydrostatycznego liczba cykli do zniszczenia znacznie maleje. Może to świadczyć o umocnieniu materiału i większej jego podatności na zniszczenie po tym procesie. Z powyższych danych można nakreślić wykresy Coffina-Mansona dla danych stanów, które pomogą nam zobrazować wpływ zmęczenia niskocyklowego na badane materiały.

0.9 0.8 0.7

Δεpl [%]

0.6 0.5

0.4 0.3 0.2 y = -0.0004x + 0.839 R² = 0.9946

0.1 0 0

200

400

600

800

1000

1200

1400

Nf Rysunek 2. Wykres Coffina - Mansona dla stopu aluminium 7475 w stanie wyjściowym, tj. po konwencjonalnym wyciskaniu na gorąco wlewka o średnicy 246 mm do postaci pręta o średnicy 50 mm [SW].

0.8

0.7 0.6

Δεpl [%]

0.5 0.4 0.3 0.2 y = -0.0007x + 0.7295 R² = 0.8177

0.1 0 0

100

200

300

400

500

600

700

Nf Rysunek 3. Wykres Coffina - Mansona dla stopu aluminium 7475 poddanego wyciskaniu hydrostatycznemu przy odkształceniu skumulowanym ε = 2,85 [HE12].

0.8 0.7 0.6

Δεpl [%]

0.5 0.4 0.3 0.2 y = -0.0014x + 0.7511 R² = 0.9227

0.1 0 0

50

100

150

200

250

300

Nf Rysunek 4. Wykres Coffina - Mansona dla stopu aluminium 7475 poddanego wyciskaniu hydrostatycznemu przy odkształceniu skumulowanym ε = 4,61 [HE5].

Wyznaczyć stałe materiałowe a i C dla analizowanego materiału w trzech różnych stanach Związek liczby cykli Nf z zakresem amplitudy odkształcenia plastycznego ∆ε apl dobrze opisuje powszechnie używana zależność: Prawo Coffina-Mansona Δεpl Nfa = C2 We wzorze tym a i C są stałymi materiałowymi. Wykresem powyższej zależności w układzie logarytmicznym jest linia prosta o pochyleniu a i położeniu określonym stałą C (Rysunek 2, 3, 4). y=Ax+B ,gdzie A – współczynnik kierunkowy prostej określa stałą a (A=-a) B – współczynnik położenia funkcji określa stałą C (wartość odczytaną z wykresu należy poddać funkcji odwrotnej do funkcji logarytmicznej; 10B = C) Tabela 4. Wartości stałych materiałowych a i C dla materiału w trzech różnych stanach.

Materiał

Stała a

Stała C

SW

0,0004

6,9024

HE12

0,0007

5,3641

HE5

0,0014

5,6377

Wyznaczone tym sposobem stałe materiałowe są obarczone wysokim błędem, ponieważ zarówno jak wykresy Coffina-Mansona i równania prostej były wyznaczane na podstawie jedynie 3 pomiarów. Dodatkowo, została przeprowadzona estymacja Metodą Najmniejszych Kwadratów, w celu oceny niepewności dopasowania zależności funkcyjnej do wyników pomiarów. Wyznaczone wartości stałych materiałowych odbiegają od teoretycznych, ponieważ opierają się na zbyt małej liczbie danych, przez co utrudnione jest wyznaczenie odpowiedniego dopasowania prostej....