Wpływ rodzaju obciążenia na właściwości mechaniczne materiałów

 

Wpływ rodzaju obciążenia na właściwości mechaniczne materiałów

Tadeusz Szymczak, Zbigniew L. Kowalewski

ISBN 978-83-60965-80-1

Rok wydania: 2009

Liczba stron: 173

Cena 39 zł netto

Spis treści

 

 

W książce omówiono zagadnienia związane z doświadczalną analizą wpływu różnych typów złożonego obciążenia na właściwości mechaniczne materiałów konstrukcyjnych. Zawarto w niej wyniki zaczerpnięte z dostępnej literatury, jak i wybrane rezultaty z własnych badań autorów. Doświadczenia przeprowadzono dla stopu aluminium PA7, stali P91 oraz miedzi M1E.

Przedstawione programy badawcze obejmują obciążenie wzdłuż ścieżek proporcjonalnych: rozciąganie-ściskanie, rewersyjne skręcanie, rozciąganie ze skręcaniem oraz nieproporcjonalnych - droga kołowa i kwadratowa. Ponadto, niniejsza pozycja książkowa zawiera wyniki eksperymentów wykonanych w celu oceny wzajemnego oddziaływania obciążenia osiowego i skrętnego. Wszystkie badania przy różnych rodzajach obciążenia cyklicznego, były realizowane na cienkościennych, osiowosymetrycznych próbkach rurkowych, których konstrukcja zapewniała badanie materiału w płaskim stanie naprężenia.

Uzyskane wyniki pokazały, że umacnianie się materiału przy jednakowej wartości deformacji jest już widoczne dla wartości odkształcenia odpowiadającej przejściu materiału ze stanu sprężystego do plastycznego. Dla obciążenia cyklicznego o charakterze nieproporcjonalnym zaobserwowano efekt dodatkowego wzmocnienia. Wyraża się on w postaci nadwyżki wartości amplitudy naprężenia osiowego i stycznego, pochodzącej z deformacji wzdłuż ścieżek nieproporcjonalnych - droga kołowa, droga kwadratowa - w zestawieniu z wartościami tej amplitudy dla programów obciążenia cyklicznego proporcjonalnego. Ponadto wykazano, że wpływ proporcjonalnych i nieproporcjonalnych ścieżek obciążenia na umacnianie się materiału powiększał się wraz ze wzrostem efektywnej amplitudy odkształcenia.

Wpływ cyklicznych proporcjonalnych i nieproporcjonalnych ścieżek obciążenia na właściwości mechaniczne stopu aluminium PA7 został oceniony na podstawie ewolucji początkowej powierzchni plastyczności. Gabaryty i położenie wtórnych powierzchni plastyczności tego materiału wskazały na izotropowo-kinematyczny charakter wzmocnienia, wyrażający się zwiększeniem wymiarów oraz przesunięciem środka początkowej powierzchni plastyczności w kierunku ujemnych wartości naprężenia osiowego. Taka zmiana położenia środka powierzchni plastyczności świadczy o nabywaniu przez materiał naprężeń resztkowych, które powodują obniżenie granicy plastyczności przy rozciąganiu.

Przeprowadzone badania określają te drogi deformacji, które mają dominujący wpływ na wzmocnienie materiału. Należą do nich ścieżka w kształcie okręgu i kwadratu. Obie prowadzą praktycznie do jednakowego poziomu wzmocnienia materiału dla tej samej wartości deformacji.

Jednym z ciekawszych wątków opracowania jest podjęcie próby zbadania tak zwanych drugorzędowych efektów towarzyszących cyklicznym obciążeniom proporcjonalnym i nieproporcjonalnym, które mogą stanowić uzupełniającą wiedzę niezbędną do lepszego zrozumienia efektów wzmocnienia bądź osłabienia materiału, i w konsekwencji do budowy bardziej precyzyjnych równań konstytutywnych opisujących zachowanie materiałów w takich sytuacjach.

Szczególnie interesujący efekt zaobserwowano przy wzajemnej interakcji monotonicznie narastającego obciążenia osiowego i cyklicznego prowadzonego drogą rewersyjnego skręcania. Skutkiem tego typu kombinacji ścieżek obciążenia było istotne obniżenie wartości granicy plastyczności w kierunku obciążenia o charakterze monotonicznym. Takie zachowanie zaobserwowano zarówno w przypadku monotonicznego rozciągania z cyklicznym skręcaniem, jak i dla monotonicznego skręcania prowadzonego równolegle z symetrycznymi cyklami rozciąganie-ściskanie. Należy wyraźnie podkreślić, że efekt ten miał miejsce tylko w trakcie prowadzenia obciążenia cyklicznego, natomiast po jego ustąpieniu zanikał. Potwierdzenie tego wniosku otrzymano prowadząc analizę kształtu i wymiarów powierzchni plastyczności, określonych zaraz po wykonaniu badań, przy wspomnianych powyżej kombinacjach obciążenia. Powierzchnie te nie różniły się zasadniczo od powierzchni pierwotnej. Uzyskane zmiany wymiarów wynikały z wprowadzonej historii deformacji i nie pokazywały tak dużych różnic w wartości granicy plastyczności, jak obserwowane podczas prowadzenia badań w obecności obciążenia cyklicznego.
Przedstawiony efekt mięknięcia obciążanego monotonicznie materiału w obecności obciążenia cyklicznego znany jest już w literaturze jako efekt KOBO, przy czym trzeba zaznaczyć, że obserwowany był w zakresie dużych deformacji. Wykonane badania pokazały, że podobny efekt można uzyskać przy małych deformacjach cyklicznych, nieprzekraczających amplitudy odkształcenia o wartości 1%.

Zaprezentowane wyniki badań mają w dużej części charakter utylitarny. Niektóre z zaobserwowanych efektów mogą znaleźć wykorzystanie w tych gałęziach przemysłu, w których otrzymanie półproduktów lub gotowych elementów wiąże się z przeróbką plastyczną metali i ich stopów. Wstępna deformacja plastyczna w procesach wytwórczych może istotnie zmienić właściwości mechaniczne materiału. Dla jednych materiałów wprowadza umocnienie, dla innych osłabienie. Znajomość takich faktów pozwala na bezpieczniejsze projektowanie procesów obciążenia eksploatowanych elementów konstrukcyjnych.

Zaobserwowany efekt spadku granicy plastyczności podczas rozciągania materiału, w obecności obciążenia cyklicznego realizowanego przez rewersyjne skręcanie, może być wykorzystywany na przykład przy produkcji prętów lub rur w celu zmniejszenia obciążenia i w rezultacie zwiększenia żywotności wykorzystywanych urządzeń stosowanych w procesach technologicznych, a ponadto przy modyfikacjach procesów produkcyjnych tj.: kucie, wyciskanie, przeciąganie i wiele innych.

Podsumowując należy stwierdzić, że przedstawione wyniki badań doświadczalnych dokumentują takie efekty jak:
- dodatkowe wzmocnienie obserwowane przy obciążeniach cyklicznych nieproporcjonalnych,
- brak przesunięcia fazowego między sygnałami składowych odkształcenia i naprężenia w przypadku deformacji realizowanej wzdłuż ścieżek proporcjonalnych,
- opóźnienie składowych naprężenia w stosunku do odpowiadających im składowych odkształcenia, które występuje podczas deformacji wzdłuż ścieżki w kształcie okręgu,
- spadek naprężenia w momencie zmiany kierunku drugiej składowej ścieżki obciążenia (droga w kształcie kwadratu),
- znaczne obniżenie granicy plastyczności materiału (w przypadku kombinacji obciążenia monotonicznego i cyklicznego) w stosunku do jej wartości otrzymywanej tylko przy obciążeniu monotonicznym.

Zamówienia na w/w publikację można składać w Sekcji Informacji Naukowej i Wydawnictw ITS - faksem (22 43 85 401) lub e-mailem (wydawnictwa@its.waw.pl).