Sprawozdanie z laboratorium zaawansownaych materiałów konstrukcyjnych.docx

Sprawozdanie z laboratorium zaawansownaych materiałów konstrukcyjnych

Badanie niskocyklowego zmęczenia stopów lekkich-wyznaczanie krzywej cyklicznego odkształcenia materiału

Warszawa, grudzień 2014

1.      Wstęp

Celem ćwiczenia było zapoznanie się z tematyką niskocyklowego zmęczenia materiału oraz zjawiskami mu towarzyszącymi takimi jak wzmocnienie lub osłabienie materiału. Efektem końcowym było wyznaczenie krzywej cyklicznego odkształcenia materiału.

Obszar zmęczenia niskocyklowego znajduje się w przedziale 104÷105. Pękanie zachodzi przy dużych naprężeniach. Pętlę histerezy można utworzyć dla stałego odkształcenia bądź naprężenia. Przeprowadzony eksperyment został wykonany dla stałych odkształceń cyklu symetrycznego.

2.      Stanowisko pomiarowe

Pomiary zostały wykonane na maszynie wytrzymałościowej MTS 809 zamieszczonej na rysunku poniżej z użyciem ekstensometru.

Maszyna wytrzymałościowa MTS 809

              Ekstensometr służy do pomiaru odkształceń i ogranicza go zakres pomiarowy którego przekroczenie spowoduje jego uszkodzenie. Dlatego przed przystąpieniem do badań należy upewnić się czy przyjety zakres odkształceń jest bezpieczny.

              Stanowisko pomiarowe składało się z komputera PC z odpowiednim oprogramowa-niem,  jednostki sterującej oraz wyżej wymienionej maszyny wytrzymałościowej w której sterowaniu podlegała pompa hydrauliczna.

3.      Przebieg ćwieczenia

Dobrana próbka po makroskopowej ocenie czy spełnia stawiane jej wymagania została poddana cyklicznemu rozciąganiu i ściskaniu. Nie uległa ona jednak zniszczeniu. Dopiero po ponownym powtórzeniu badań natychmiast została uszkodzona. Użyta próbka była wykonana ze stopu aluminium PA6. Stop ten charakteryzuje się słabą odpornością na korozję, dobrą obrabialnością, polerowalnością oraz podatnością na zginanie i tłoczenie. Jego granica plastyczności wynosi w przyblizeniu Re 0,2=250 MPa ,  zaś wytrzymałość na rozciąganie około Rm=370 MPa.

4.      Schemat próbki

Aby próbka nadawała się do badań musi spełniać pewne określone warunki. Powierzchnia jej szyjki powinna być na tyle dobrze obrobiona aby mieściła się w ósmej klasie dokładności oraz nie przekraczała Ra=0,32  μm. Gładka powierzchnia minimalizuje działanie karbu. Szyjka próbki ma być na tyle długa, aby naprężenia w całym jej przekroju były takie same. Do eksperymentu użyto próbki walcowej przedstawionej poniżej.

5.      Wnioski

Nasza próbka nie uległa zniszczeniu pomimo przejściu bardzo dużej ilości cyklii w przeciągu prawie 2 godzin. W wyniku tego została ona poddana ponownie takim samym cyklom naprężenia jak przy pierwszej próbie. Mimo długiego czasu trwania eksperymentu, liczba cykli którą próbka wykonała mieści się w przedziale niskocyklowym. Przyjmując założenie, że powinna się ona była uszkodzić w tym czasie. Powodem mogła być jej większa grubość niż teoretycznie przewiduje norma, świadczyłoby to o jej złym wykonaniu. Inną przyczyną mogłoby być przyjęcie zbyt niskiego odkształcenia którego oscylacje wymuszała maszyna. Przemawiają za tym wykresy nr 5 i 6 na których ostatni zakres odkształceń jest najniższy, a w którym próbka przepracowała większą część badania. Widzimy na nim, że pętla histerezy przypomina pętlę przy odkształceniu sprężystym.

Po ponownym rozpoczeciu cykli, próbka uległa uszkodzeniu przy siódmym cyklu w trakcie rozciągania. Obrazuje to wykres nr. 3. Jak widać po pęknięciu próbka jest już tylko ściskana. Siła ściskająca jest mniejsza niż przed pęknięciem. Mogło to wynikać z jej wygięcia, wskazywałaby na to geometria pęknięcia która nie jest prostopadła do powierzchni. Przedstawiają to poniższe zdjęcia:

Jak widać szyjka uległa przewężeniu. Jest to cecha materiałów plastycznych. W przełomie dominują ścięcia i makroskopowe odkształcenia.

Na wykresie 4 wykreślono cykliczne wzmocnienie. Nastapiło ono po niewielkiej ilości cyklów. W momencie gdy materiał przestaje się umacniać lub osłabiać mówimy o stanie nasycenia. Istnieją także materiały stabilne, które ani się nie umacniają ani nie wzmacniają. Ważne jest także aby pamiętać, że ten sam materiał w różnych warunkach może się umocnić, być stabilnym, bądź osłabić. Metale o większej zawartości składników stopowych wykazują mniejsze wzmocnienie i osiągają stan nasycenia znacznie później. Dla tego samego przedziału co na wykresie czwartym równolegle dokonano pomiarów ekstensometrem. Które zobrazowano na wykresach 5 i 6. Widać na nich wyraźnie, że umocnienie materiału nastąpiło już po 5 nawrotach. Aby otrzymać to samo odkształcenie przy rozciąganiu na umocniony materiał musiało działać naprężenie o 100 MPa większe niż w stanie początkowym, zaś przy ściskaniu o 50 MPa. Następnie aby przywrócić badanej próbce początkowe właściwości poddano ją naprężeniom relaksacyjnym. Za każdym wykonano 30 nawrotów relaksacyjnych. Przedstawia to wykres 1 z naniesionymi przedziałami działania siły w czasie. Widać na nim, że nie osiągnięto zamierzonego skutku. Materiał w kolejnych cyklach dla przedziału III i V nie umocnił się tylko osłabił. Zaś w kolenych przedziałach stracił właściwość umocnienia bądź osłabienia. Dla trzeciego przedziału także wykreślono wykresy 7, 8 i 9 dla naprężenia w funkcji odkształcenia tak jak poprzednio. Wartośc osłabienia była znacznie mniejsza niż przy wzmocnieniu. Przy rozciągania wyniosło 8 MPa co można odczytać na powiększeniu wykresu 8, którym jest wykres 9, zaś dla ściskania materiał zachowywał się obojętnie. Osłabienie nastąpiło po około 10 nawrotach. Wynika z tego, że ciężko przewidzieć warunki w jakich materiał ulegnie umocnieniu bądź osłabieniu. Ponad to zarówno osłabienie jak i umocnienie jest bardziej widoczne przy rozciąganiu dla badanego materiału, Umocnienie bądź osłabienie nie wpływa tak zancząco na to jak się zachowa przy ściskaniu. Wreszcie osłabienie dla badanej próbki następowało po większej ilości nawrotów. Porównując wykres 4 i 6 widać, że przy pierwszym nawrocie otrzymane odkształcenia zmierzone przez  ekstensometr nie były równe w przeciwieństwie do wyników maszyny. Świadczy to o tym, że materiał przy pierwszym cyklu odkształcił się mocniej w przedziale pomiarowym ekstensometru, a mniej w reszcie przedziału który objęła maszyna. Gdyby próbka była niejednorodna kolejne odkształcenia nie powinny się różnić.

Na wykresach 10 i 11 wyraźnie widać znaczną różnice między wynikami wydłużenia zmierzonymi przez maszynę wytrzymałościową, a ekstensometr. Należy przyjąć wyniki ekstensometru za bliższe rzeczywistości. Na wykresie 6 obserwujemy znaczne wzmocnienie badanego metalu. Możemy zatem obciążając odpowiednio materiał polepszyć jego właściwości. Przyjmując wyniki na wykresie 11 za bardziej wiarygodne należy stwierdzić, że umocnienie materiału jest największe dla punktu A. Gdyby kierować się wynikami maszyny z wykresu 10 to umocnienie jest tym większe im większe jest odkształcenie.

6.      Otrzymane wykresy

Dla otrzymanych danych wykreslono wykresy  przebiegu siły i przemieszczeń w funkcji czasu dla całej próby i wybranych momentach czasu. Wykonano też wykres obrazujący wzmocnienie materiału, osłabienie i wykres krzywej cyklicznej odkształcenia materiału.