Forenzična preiskava strukture poroznosti

Eden od postopkov, s katerim dobimo volumetrični vpogled v notranjost materiala, je tudi μ-CT skeniranje. Zajetje podatkov poteka s tehniko računske tomografije CT (angl.

computed tomography). Skeniranje obravnavanih poroznih vzorcev je bilo opravljeno z

napravo General Electric (GE) V|tome|x s 240. Gre za visoko resolucijski multifunkcijski sistem, s katerim lahko poleg 3D CT posnetkov zajamemo tudi 2D rentgenske slike.

Natančnost naprave je 2 μm, obseg razmerja napetosti in moči je od 240 kV/320 W do 180 kV/15 W. Zgornja mejna dimenzija analiziranega preizkušanca predstavlja okrogli presek s premerom 200 mm ter največje mase 10 kg.

Slika 4.17: Uporabljena CT naprava GE, model: V|tome|x s 240.

Z navedenim sistemom za μ-CT skeniranje lahko opravimo analizo materialov/izdelkov, pri katerih nas zanima notranja struktura. Metoda je vedno pogosteje zastopana tudi v industrijskem okolju. S to neporušno metodo preiskovanja smo preverili kakovost litja v obliki prisotnih lunkerjev, ki smo jim nato digitalno obdelali in določili njihovo velikost, položaj ter usmeritev. Tako lahko v visokotlačno liti strukturi zaznamo tudi prisotnost vključkov. μ-CT analizo smo izvedli na vseh sedmih preizkušancih z vizualno ugotovljenimi največjimi stopnjami poroznosti. Navedene preizkušance z identifika-cijskimi številkami 4, 7, 12, 16, 17, 31 in 36, lahko vidimo na sliki 4.16. Zaradi narave preizkušanja, kjer je pomembno le določeno koncentrirano kritično območje, nismo analizirali celotnega preizkušanca, ampak samo vzorec na najtanjšem delu, ki smo ga iz že porušenega preizkušanca ročno odrezali. Odrezali smo ga na prehodu v debelejši vpenjalni del preizkušanca, tako da ima v povprečju obliko valja Ø 9 × 25 mm, kar za primer vzorca št. 12 lahko vidimo na sliki 4.18. Skenirani kos preizkušanca je tu za enkrat lahko daljši, kot je potrebno, saj ga nato za kasnejše analize digitalno pripravimo (skrajšamo) na dolžino Ø 9 × 12 mm, kolikor je veliko merilno območje uporabljenega ekstenziometra.

Slika 4.18: Priprava vzorec št. 12 za μ-CT preiskavo; (a) 3D pogled vzorca; (b) kritična ravnina porušitve in (c) prerez z žago za fizično ločitev vzorca od ostalega dela preizkušanca.

μ-CT skeniranje pripravljenih vzorcev je bilo opravljeno z direktno cevjo (zgornja cev na levi sliki 4.17) in je trajalo v povprečju 45 minut. Za večjo ločljivost je potrebno podaljševanje časa skeniranja (≈ 2 uri) ali uporabiti nano cev. Tudi v slednjem primeru čas skeniranja zaradi uporabe manjše moči traja okrog 2 uri. V splošnem velja, da z večanjem ločljivosti posnetkov ne pretiravamo, saj tokrat glavni cilj ni pregled napak gradiva na mikro nivoju, ampak nas predvsem zanimajo geometrijske spremembe na makro nivoju, ki so prevladujoči dejavniki začetka popuščanja materiala med procesom utrujanja. Poleg tega lahko pri posnetkih večje ločljivosti povsem zapolnimo računalniški pomnilnik, kar vodi v zelo oteženo nadaljnjo obdelavo podatkov. Na primer, .STL datoteka vzorca št. 12 ima velikost 373 MB, kar je nekje že zgornja sprejemljiva velikost, do katere je obdelava podatkov še razmeroma tekoča in hitra. Zajem podatkov na μ-CT napravi lahko vidimo na sliki 4.19.

Slika 4.19: Spremljanje μ-CT analize vzorca št. 12 preko aplikacije VGStudio MAX.

Skupna značilnost vseh analiziranih vzorcev s slike 4.16 je, da se je poroznost zaradi variranja tehnoloških parametrov ustvarila okoli centralne osi vzorca, stran od površine (glej tudi sliko 6.6), kar je ugodnejše stanje, saj raziskave avtorjev Murakamija in sodelavcev [85] kažejo, da so lunkerji blizu površini lahko nevarnejši kot tisti v notranjosti.

Slika 4.20 prikazuje kritične prereze, na katerih je pri testiranju vzorcev po principu malocikličnega utrujanja (več podrobnosti v poglavju 6) prišlo do utrujenostnega loma. Če je material bolj žilav, ima ta večjo sposobnost tečenja in to zaradi večjih glavnih napetosti poteka okoli kota 45º glede na smer obremenitve, posledica so razpotegnjeni poševni lomi.

S slike 4.20 vidimo drugačno stanje, tj. pravilnejše oblike lomov, kjer se razpolovljena, porušena dela povsem prilegata eden drugemu. To nakazuje na krhke lome z zelo majhno plastično deformacijo. V teh primerih začne material popuščati po atomskih mejah in se globalno gledano poruši praviloma na najmanjšem preseku, kar je običajno pravokotno na smer obremenitve.

Slika 4.20: Prikaz različnih vrst lunkerjev in drugih napak na kritični ravnini v zlitini AlSi9Cu3.

Raziskave kažejo [86], da je poroznost nastala zaradi tvorbe plinov običajno pravilnejših, sferičnih oz. eliptičnih oblik, kar je lažje geometrijsko opisati. Kompleksnejše pore nastanejo zaradi razlike v gostoti zlitine v tekočem/trdnem stanju, delnih hladnih spojev [68] in neustreznega (premajhnega) naknadnega tlaka litja. Te pore so ploščate, običajno tudi nepravilnejših oblik in kot je bilo ugotovljeno v raziskavi [86], so lahko nevarnejše za nastanek inicialnih utrujenostnih razpok. Najbolj očitne diskaste oblike por lahko zaznamo na sliki 4.20 pri vzorcih št. 17 in 31. Pri vzorcu št. 31 je v sredini mogoče opaziti še nekoliko bolj lamelarno, krhko strukturo kot na zunanji strani blizu površini, kjer je bolj homogena. Večje bolj volumske pore lahko opazimo na vzorcih št. 12, 16, 7, podobne, vendar manjše pore lahko zaznamo tudi na vzorcih št. 36 in 4. Ker so bili v vseh primerih vzorci tehnološko enako izdelani – z vzdolžnim potekom toka zlitine skozi kalup preizkušanca –, imamo v vseh primerih tudi enako osnovno (vzdolžno) usmerjenost por.

Temeljni cilj te raziskave je te geometrijske anomalije čim natančneje opisati, kar je tematika naslednjih poglavij.

Na podlagi primerjav s primeri iz literature [87] smo v tem delu skušali identificirati tudi vzroke za nastanek por. Kombinacijo plinske poroznosti (angl. gas porosity) nekoliko bližje površini in izrazitejšo poroznost zaradi neenakomernega ohlajanja (angl. shrinkage porosity) okoli centralne osi zaznamo pri vzorcu št. 31. Na vzorcu št. 17 je opazen večji hladni spoj. V vseh drugih primerih preizkušancev prevladujejo pravilnejše oblike por, nastale kot posledica plinske poroznosti. Na vzorcih št. 7, 12, 16, 31 je opaženo tudi gostejše združevanje por.

Določitev materialnih karakteristik

5 Preizkus metode za oceno dobe trajanja na 2D poroznih – celičnih strukturah

Sledi predstavitev idejnega koncepta vključitve različnih modelov vpliva poroznosti na dobo trajanja. Zaradi kompleksnosti tematike je metoda najprej preizkušena na 2D poroznih – celičnih strukturah. Razvita in dopolnjena teorija je bila predstavljena tudi v dveh znanstvenih člankih [58][64]. Obseg preizkušanj v tem delu raziskav je grafično predstavljen na sliki 5.1. Struktura prvega vsebinskega dela doktorske naloge po uvodu obsega kratko predstavitev uporabljenih materialnih podatkov in zdržljivostnih testov analiziranih struktur. Sledijo numerične analize statičnih in malocikličnih preizkusov (LCF), nadgrajenih na osnovi nekaterih novejših modelov in principov. Pri tem je doba trajanja struktur v kombinaciji z različnimi kriteriji določena po teoriji kontinuumske mehanike poškodb (CDM) in neposredno primerjana z eksperimentalnimi rezultati.

Poglavje 5 se konča s sklepnimi ugotovitvami v obliki diskusije in oceno primernosti pristopa za prehod tudi na 3D oblike poroznih struktur.

Slika 5.1: Grafična predstavitev idejne numerične metode za oceno dobe trajanja 2D celičnih struktur z vmesnimi fazami preizkušanja.

5.1 Uvod

Testiranje v tem delu je razdeljeno na ploščate preizkušance, kar v nadaljevanju imenujemo osnovni material, in preizkušance z vsebovanimi celičnimi strukturami [58]. V obeh obravnavanih primerih so bili poleg dinamičnih izvedeni tudi statični testi. Po teoriji malociklične trdnosti so bile najprej eksperimentalno testirane celične strukture ob kontroli specifične deformacije, s čimer smo določili dejansko dobo trajanja. Za določitev ustreznih obremenitvenih nivojev smo za vsako obliko preizkušanca izvedli dva statična natezna preizkusa. Nato je bil razvit numerični pristop za napovedovanje dobe trajanja, ki sledi na sliki 5.2, v blokovnem diagramu shematsko prikazanemu idejnemu postopku. Eden od ciljev raziskav je bila uporaba komercialne kode, delujoče na osnovi metode končnih elementov (Abaqus), in kode za napovedovanje življenjske dobe trajanja (SIMULIA fe-safe), kar bi lahko kasneje implementirali tudi v industrijsko okolje. Ker kritični prerez celičnih struktur predstavlja izrazito nehomogenost z mnogimi velikimi prazninami, je opredelitev kritične poškodbe pri numeričnih simulacijah še posebej pomembna. Poleg tega se zaradi nehomogenih togostnih lastnosti celične strukture vse materialne povezave med celicami v kritičnem prerezu pogosto ne porušijo hkrati, kar otežuje napovedovanje dobe trajanja v procesu progresivnega širjenja razpok. Po drugi strani imajo v tej raziskavi izbrane celične strukture dobro definirano geometrijo, kar pričakujemo, da vodi v predvidljivejše obnašanje v malocikličnem procesu preizkušanja.

Slika 5.2: Blokovni diagram idejnega poteka postopka za oceno dobe trajanja celičnih struktur.

V drugem delu poglavja 5 je poudarek na direktni primerjavi eksperimentalnih testov z numeričnimi modeli. Cilj je poiskati čim natančnejši napovedni model zdržljivosti, katerega lahko uporabimo v komercialnih programskih paketih. Velik izziv predstavlja napovedovanje dobe trajanja na posameznih strukturah, ki jih obravnavamo kot

nehomogene prereze z veliko prazninami [58]. Tu ne pričakujemo hkratnega loma po vseh povezavah, ampak nastanek inicialne razpoke [64] in nato progresivno parcialno rast poškodbe skozi ciklične obremenitve do končne separacije strukture na dva dela.

Metodologijo, ki je bila prvenstveno razvita za obravnavo naključno zastopane makro poroznosti v aluminijevih ulitkih, bomo tu preizkusili na celičnih vzorcih, ki imajo urejeno strukturo. To lahko deterministično modeliramo, zato pričakujemo anticipiran potek dogodkov pri nastajanju utrujenostnih poškodb [20]. Na oceno dobe trajanja ima velik vpliv stanje površine, kar je pogostokrat spregledano. Že majhne nehomogenosti na površini pomenijo znatne koncentracije napetosti, ki so velikokrat tudi osrednja mesta nastanka inicialnih poškodb [74]. Primerjalna testiranja, ki smo jih izvedli na istem ploščatem vzorcu, enkrat z realno in drugič z idealizirano (gladko) obliko površine, kažejo tudi do 20 % odstopanja v napovedi dobe trajanja. Obvladovanje tega vpliva samo čez korekcijske faktorje stanja površine je v določenih primerih lahko nepredvidljivo, zato je v vseh primerih prikazana tudi uporaba metode povratnega inženiringa, kjer za pretvorbo fizičnih vzorcev v CAD modele ne uporabimo linijskih geometrijskih elementov, ampak prilagodljive NURBS krivulje. Za standardni preizkušanec smo tako izvedli napoved dobe trajanja za: i.) idealno geometrijo brez nepopolnosti in za ii.) realni profil rezanega robu preizkušanca tako, da smo ga modelirali z NURBS krivuljami na podlagi natančnega 2D skeniranja vzorca, kot je bilo predstavljeno v poglavju 4. Na teh modelih v programskem okolju SIMULIA Abaqus izvedemo MKE-analize, kjer se ugotovijo realistična napetostna stanja. To je podlaga za ugotavljanje natančnejšega obsega poškodb, ki ga izračunamo po metodi kritičnih ravnin s programom SIMULIA fe-safe. V okviru uporabe teorije kontinuumske mehanike poškodb CDM [15], je preizkušenih več kriterijev, primarno pa smo orientirani na algoritem Brown-Miller, ki upošteva kombinacijo dveh različno usmerjenih specifičnih deformacij glede na položaj kritične ravnine.

Glavna temeljna podatka za oceno dobe trajanja po CDM teoriji sta ciklična in Coffin-Mansonova zdržljivostna krivulja materiala. V nadaljevanju bomo uporabljeni pristop poimenovali Metoda A, kjer se uporabijo podatki iz malocikličnih eksperimentalnih testiranj osnovnega materiala Al7075-T651 – preglednica 4.1.