Ključni faktor dobre napovedi dobe trajanja je najprej natančna ocena napetosti na obravnavanem preizkušancu. Tesno s tem je povezana skladnost geometrijskih modelov preizkušancev, zato so bile na makro nivoju narejene natančne rekonstrukcije analiziranih vzorcev. Na nastanek poškodb imajo velik vpliv tudi intruzijske oz. ekstruzijske spremembe na mikro nivoju. Te smo upoštevali preko faktorja kvalitete površine. Na podlagi primerjav eksperimentalnih testiranj celičnih struktur in izvedenih numeričnih simulacij lahko zaključimo s sledečimi ugotovitvami:
Modelirana realna oblika profila površine nakazuje na okoli 10-20 % nižjo dobo trajanja v odnosu na idealizirano 3D obliko, zato je potrebna ocena, v katerih primerih je natančna rekonstrukcija oblik smotrna in kdaj ni potrebna. Pri vseh celičnih strukturah smo upoštevali realne profile površin, saj gre pri notranjih povezavah za pomembne spremembe detajlov (zajede), ki nastanejo kot posledica tehnologije izdelave.
Iz pregleda eksperimentalnih podatkov lahko pri osnovnem materialu Al7075-T651 opazimo razmeroma majhen raztros rezultatov pri zdržljivostni in še manjšega pri ciklični krivulji. To je ključno pri natančnosti napovedovanja dobe trajanja, kar se je izkazalo na ploščatih preizkušancih, kjer so bile razlike med rezultati znotraj ene dekade, z izjemo nivoja εa (0,00233), kjer smo imeli največji raztros. Poudariti velja, da je najpomembnejše pravilno in natančno modeliranje zdržljivostne krivulje, saj že majhna odstopanja lahko pomenijo velika razhajanja v napovedih.
Pri napovedovanju dobe trajanja osnovnega materiala je bilo preizkušenih več kriterijev, temelječih na preverjanju kritičnih ravnin. Ob enakih vhodnih podatkih na vseh deformacijskih nivojih dobre napovedi izkazujeta Coffin-Mansonov in Brown-Millerjev kriterija, oba z korekcijo Morrowa srednje vrednosti napetosti, s tem da so rezultati po kriteriju Brown-Millerju (Morrow) nekoliko bolj konservativni. Največja razhajanja so pri Smith-Watson-Topperjevem kriteriju, ki ga v naših raziskavah uporabljamo za obravnavo krhkejših specifičnih aluminijevih zlitin. Za procesiranje podatkov po tem pristopu je potreben namenski program, v našem primeru je bil uporabljen SIMULIA fe-safe. Odlika pristopa je hitro procesiranje podatkov – hitri rezultati analiz.
Uporaba pristopa kritičnih ravnin in teorije LCF tudi pri oceni dobe trajanja celičnih struktur generalno kaže na dobro ujemanje rezultatov, še posebej pri nižjih amplitudah obremenjevanja (posledično nižjih napetostih). Oba uporabljena kriterija, tj. Coffin-Manson (Morrow) in Brown-Miller (Morrow), sta primerljiva, s tem da je slednji tudi tukaj nekoliko konservativnejši. Medsebojna primerjava v napovedi dobe trajanja celičnih struktur kaže na nekoliko večja razhajanja pri avksetičnih strukturah z vbočenimi šestkotniki, kljub temu tudi tu najboljše rezultate dobimo po kriteriju Brown-Miller (Morrow). Največje razlike so tu pri večjih amplitudah obremenjevanja, pri manjših amplitudah se napovedi izboljšujejo. To lahko pojasnimo skozi vplivne parametre, ki jih zasleduje algoritem Brown-Miller. To so normalne in strižne specifične deformacije, ne vključuje pa podatka pri doseženi maksimalni napetosti.
Problem lahko nastane ob prisotnosti mikro razpoke, ki je v nategu odprta v tlaku pa zaprta. To omejitev lahko zmanjšamo s pravilnim ovrednotenjem stanja površine preko vplivnega faktorja κt in realnega popisa reliefa analizirane oblike.
Eksperimentalna testiranja kažejo na razlike med oblikami lomov. Pri statičnih preizkusih do porušitev prihaja bolj predvidljivo, blizu določeni liniji. Pri utrujenostnih porušitvah so lahko lomi tudi bolj neurejeni in nepredvidljivo razporejeni po centralnem območju celičnih vzorcev.
Pri drugi analizirani avksetični-kiralni strukturi, ki je bila nadgrajena iz avksetične strukture z vbočenimi šestkotniki, lahko zasledimo predvidljivo linijsko porušno obnašanje celičnih povezav. Tako pri nateznih, kot pri utrujenostnih testiranjih, je prišlo do kritičnih poškodb na zveznih predelih prečk in ne ob zaokrožitvah ter lokalnih zajedah. To nakazuje na večjo neobčutljivost strukture na zarezne učinke v primerjavi z ostalima analiziranima vzorcema struktur. Zarezni učinki ob nekaterih vozliščih so obstajali kot posledica zajed, ki so nastale zaradi začetnih vbodnih rezov v preizkušanec s tehnologijo AWJ, zmanjšane hitrosti rezanja ob zaokrožitvah in drugih tehnoloških anomalij pri izdelavi. Primerjava karakteristik celičnih struktur kaže na največjo podobnost napetostno-deformacijskega odziva pri heksagonalnem in avksetičnem celičnem preizkušancu z vbočenimi šestkotniki, ob tem je zelo podobna tudi stopnja poroznosti. Ob podobnih mehanskih lastnostih je ključna razlika v Poissonovem razmerju, ki je pri heksagonalnih celicah pozitivno, pri avksetični obliki celic pa negativno.
6 Preizkus metode za oceno dobe trajanja na 3D poroznih vzorcih zlitine
Po obširnejših preizkusih idejne metode za obravnavo poroznosti na različnih 2D oblikah celičnih struktur sledi poskus implementacije modificirane metodologije za oceno dobe trajanja na stopnjo kompleksnejši 3D strukturi. Tematika tega dela preizkušanja je bila predstavljena v dveh znanstvenih člankih [91][92]. V predstavljeni raziskavi sta po uvodnem delu v nadaljevanju najprej prestavljeni analizirana aluminijeva zlitina ter struktura poroznosti sedmih pripravljenih vzorcev. V osrednjem delu poglavja sledi predstavitev dveh različnih metod (A in B) za napovedovanje dobe trajanja teh vzorcev, katerih napovedi so neposredno primerjane z eksperimentalnimi rezultati. Obe metodi, ki sta grafično predstavljeni na sliki 6.1, temeljita na malociklični teoriji preizkušanja (LCF).
Razlika med njima je v različnem geometrijsko-numeričnem pristopu popisa poroznosti in posledično implementaciji različnih zdržljivostnih krivulj v numerične analize. Osrednji del raziskave na 3D poroznih vzorcih se zaključi s primerjavo rezultatov in diskusijo.
Slika 6.1: Grafična predstavitev razvoja metod za oceno dobe trajanja poroznih struktur.
6.1 Uvod
Uporaba komponent iz aluminijevih zlitin, izdelanih po visokotlačnem postopku, je zelo razširjena v avtomobilski industriji. Da dosežemo večjo ekonomsko učinkovitost proizvodnega procesa, manjše ulitke hkrati ulivamo v večgnezdna orodja. Kljub uporabi najnovejših numeričnih pristopov pri optimizaciji livnih parametrov se v praksi pogosto zgodi, da se v nekaterih delih livarske forme z več votlinami pojavijo kopičenja por. Zaradi tehničnih in stroškovnih omejitev je včasih zelo težko (če ne celo nemogoče) takšno poroznost zmanjšati ali jo odstraniti, zato jo je potrebno v izračunih pravilno ovrednotiti.
Prevladujoče nosilne prereze danes še vedno predstavljajo homogene strukture, ki jih najlažje ovrednotimo in preračunamo, vendar nas evolucijski naravni zakoni učijo, da so optimalnejše oblike porozno nehomogene strukture. Klasični primer naravne poroznosti je kostna biološka struktura, kjer nosilni volumen ni homogeno zapolnjen s kostno maso, ampak vsebuje enakomerno razporejene makro pore, ki se zmanjšujejo proti bolj obremenjenim območjem, kot so npr. sklepi [93]. Nekateri eksperimentalni prototipi s poroznimi strukturami [94] so tako že bili predstavljeni v avtomobilski industriji [95] in se vključujejo v okvirje paličnih konstrukcij [96] itd. S prihodom novih generacij 3D dodajnih tehnologij, kot so tiskalniki kovin, je vse lažje izdelati takšne namensko porozne in druge zapletene strukture, tako da skladno s tem narašča tudi potreba po novih in učinkovitejših metodah za oceno dobe trajanja, z upoštevanjem morfoloških značilnosti poroznosti. Izračun napovedi dobe trajanja lahko izvedemo po več uveljavljenih teorijah na osnovi lomne mehanike ali kontinuumske mehanike poškodb, ki lahko temelji na napetostnem, deformacijskem ali energijskem pristopu. Pri tem pa je potrebno pri obravnavi poroznih delov v vsakem primeru izvesti določene modifikacije modelov, ki zaradi zareznih in drugih učinkov prisotne poroznosti ustrezno reducirajo število ciklov do porušitve. Primer obravnave poroznih litih delov s teorijo lomne mehanike so pokazali Linder in sodelavci [97]. Čeprav se zdi uporaba lomne mehanike zanimiva zaradi dobre fenomenološke osnove, smo v raziskavah uporabili teorijo kontinuumske mehanike poškodb, ki ima nekaj drugih ključnih prednosti. Generalno lahko proces utrujanja razdelimo v tri zaporedne faze: i) stanje do nastanka inicialne poškodbe Ni, ii) rast razpoke iz inicialne poškodbe in iii) končna porušitev Nf. Lomna mehanika obravnava stanje od vzpostavitve inicialne poškodbe do končne porušitve, ne zajema pa prve faze, ko je prišlo do iniciacije. Po drugi strani kontinuumska mehanika poškodb obravnava prvo fazo i), tj.
celotno zgodovino utrujanja po principu akumulacije poškodb, od prvega cikla do nastanka inicialne razpoke (Ni). To je pri obravnavi zlitine AlSi9Cu3, ki je nagnjena h krhkosti [98], pomemben podatek, saj po nastanku inicialne razpoke temu hitro sledi tudi končna porušitev. Druga faza (rast razpoke) je pri krhkih materialih običajno zelo kratka, zato velikokrat predpostavimo Ni ≈ Nf. Lomna mehanika je zato primernejša za obravnavo žilavih materialov, kjer je rast razpoke dolgotrajnejša, tam potem velja Ni < Nf.
Kritični prerezi analiziranih vzorcev predstavljajo izrazito nehomogeno zaprtocelično strukturo z mnogimi makro porami. Značilnost porozne strukture je tudi naključnost porazdelitve por in posledično težje ovrednotenje geometrije, kar vodi v zahtevnejše napovedovanje dobe trajanja. Eden ključnih prispevkov te raziskave je tudi geometrijska karakterizacija in parametrizacija zaznanih por ter določitev njihove porazdelitve, s čimer skušamo izboljšati napoved dobe trajanja. Ta korak je sestavljen iz dveh faz. Struktura je bila najprej skenirana s tehniko računalniške tomografije μ-CT in nato analizirana na osnovi binarne tehnike obdelave plasti vokslov [99] ter dodatno tudi s tehniko vektorske
segmentacije [92]. V drugi fazi so bile posamezne pore izolirane in parametrizirane s 3D elipsoidi s tehniko prepoznavanja oblik [91]. Parametrizirani elipsoidi se nato odštejejo od homogenega 3D volumna, ki predstavlja idealizirano geometrijo strukture. 3D volumen z vsebovanimi prazninami služi kot osnovni volumetrični model za napovedovanje dobe trajanja z uporabo pristopa upoštevanja lokalnih zareznih učinkov (Metoda A) kot tudi pri statističnih obdelavah podatkov pri modeliranju nižjega nivoja zdržljivostnih sintetičnih krivulj, zaradi samega vpliva poroznosti (Metoda B). Na določen način je bila Metoda A že preizkušena skozi različne primere 2D celičnih avksetičnih in drugih struktur s ponavljajočimi se geometrijskimi vzorci, kar smo spoznali v prejšnjem poglavju 5.
Pričakujemo, da bomo po Metodi A dobili nekoliko natančnejše rezultate, ker izhajamo iz natančnega popisa napetosti na kritičnih poroznih conah. Prednost Metode B je hitrejše procesiranje rezultatov, ker odpade zamudni povratni inženiring geometrijskega 3D modeliranja poroznosti. V tem prispevku je tematika še stopnjo kompleksnejša, saj obravnavamo naključno poroznost v 3D prostoru.