Fakulteta za strojništvo
Vpliv skupkov nehomogenosti zaradi tlačnega litja na dobo trajanja ulitkov
Doktorsko delo
Predložil Fakulteti za strojništvo Univerze v Ljubljani za pridobitev znanstvenega naslova doktor znanosti
Dejan Tomažinčič
Ljubljana, september 2021
UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo
Vpliv skupkov nehomogenosti zaradi tlačnega litja na dobo trajanja ulitkov
Doktorsko delo
Predložil Fakulteti za strojništvo Univerze v Ljubljani za pridobitev znanstvenega naslova doktor znanosti
Dejan Tomažinčič
Mentor: prof. dr. Jernej Klemenc, univ. dipl. inž.
Ljubljana, september 2021
Zahvala
Zahvaljujem se prof. dr. Jerneju Klemencu za povabilo in zaposlitev na Fakulteti za strojništvo UL ter mentorstvo v času doktorskega študija. Zahvala gre tudi sodelavcem iz katedre KSERV, družini in vsem drugim, ki so kakorkoli prispevali k nastanku predstavljenega doktorskega dela.
Raziskavo celičnih struktur je finančno podprla Javna agencija za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije. Agenciji se ob tej priliki zahvaljujem za sofinanciranje.
“Ne učimo se za šolo, ampak za življenje.”
~ Seneka
Izjava
Izjavo študent dobi na VISu, in sicer si jo mora natisniti pred oddajo doktorske disertacije v Repozitorij.
Izjavo je treba podpisati, skenirati in jo vložiti v doktorsko disertacijo, da bo elektronska verzija identična fizični (tiskani) verziji.
Izvleček
UDK 621.74:669.715:539.217(043.3) Tek. štev.: DR III/154
Vpliv skupkov nehomogenosti zaradi tlačnega litja na dobo trajanja ulitkov
Dejan Tomažinčič
Ključne besede: aluminijeva zlitina visokotlačno litje makro poroznost avksetičnost povratni inženiring malociklična trdnost metoda končnih elementov poškodba
Taguchijeva metoda disipacija energije
Pri obravnavi ulitkov se večina dosedanjih raziskav omejuje le na vpliv posameznih, izoliranih por. Ta doktorska naloga se zato osredotoča na slabše raziskano področje vpliva obsežne makro poroznosti na dobo trajanja. Gre za celovito raziskavo pogosto uporabljene aluminijeve zlitine v livarski industriji AlSi9Cu3. Pomemben segment raziskav predstavlja opis ugotovljenih makro poroznih defektov, tj. por in hladnih spojev, s tehniko z voksli, ki je nato primerjana še z alternativno tehniko opisa defektov z vektorsko segmentacijo.
Povratni inženiring poroznosti je izveden na osnovi μ-CT posnetkov in nato uporabljen za numerični izračun dobe trajanja po teoriji malociklične trdnosti, s komercialnim paketom SIMULIA (Abaqus in fe-safe). Študija služi kot pomoč pri oceni, kdaj so odlitki lahko še uporabni in kdaj so tveganja za hitre iniciacije poškodb zaradi prisotnih por prevelika.
Skozi analize lahko primerjamo različne metalurške defekte in dobimo vpogled, kateri bolj in kateri manj vplivajo na znižanje dinamične nosilnosti. V raziskave so vključene tudi eksperimentalno-teoretične primerjave zdržljivosti različnih celičnih struktur z negativnim Poissonovim razmerjem iz zlitine Al7075-T651. Skupni rezultati kažejo na pridobitev koristnih novih orodij, ki jih lahko uporabimo pri ocenjevanju tako urejenih kot tudi naključnih poroznih struktur, ali te še vedno omogočajo funkcionalno delovanje in zahtevano trajnost izdelka.
Abstract
UDC 621.74:669.715:539.217(043.3) No.: DR III/154
Influence of inhomogeneity clusters to fatigue life of die-casted products
Dejan Tomažinčič
Key words: aluminium alloy
high-pressure die casting macroporosity
auxetics
reverse engineering low-cycle fatigue finite element method damage
Taguchi method energy dissipation
When dealing with casted parts most research to this date is limited to the influence of individual and isolated pores. This doctoral dissertation therefore focuses on the less researched area of the influence of large-scale macro porosity on fatigue life. It is a comprehensive study of commonly used aluminium alloy in the foundry industry AlSi9Cu3. An important segment of research is a description of the identified macroporous defects, i.e. pores and cold shuts with the voxel technique, which is then compared with the alternative technique of defect description using a vector segmentation technique. By applying a reversed engineering the porosity is modelled on the basis of μ-CT scans and then used for the numerical calculation of the fatigue life according to the theory of low- cyclic fatigue with the commercial SIMULIA software (Abaqus and fe-safe). The study serves as an aid in assessing when castings parts may still be useful and when the risks of rapid initiation of fatigue damage due to the pore clusters present are too great. Through analyses, different metallurgical defects can be compared and estimated which defects have greater and which less effect on the reduction of fatigue life. Experimental-theoretical comparisons of the durability of different cellular structures with a negative Poisson ratio from the Al7075-T651 alloy are also included in the research with an objective to first test the proposed methodology on the cases of regular geometric inhomogeneities. The overall results indicate the acquisition of useful new tools that can be used to assess both the ordered and random porous structures, in order to assess whether these still allow functional operation and the required fatigue life of the product.
Kazalo
Kazalo slik ... xvii
Kazalo preglednic ... xxi
Seznam uporabljenih simbolov ... xxiii
Seznam uporabljenih okrajšav ... xxv
1 Uvod ... 1
1.1 Opredelitev raziskovalnega problema ... 1
1.2 Pregled stanja na obravnavanem področju ... 2
1.3 Raziskovalna hipoteza ... 3
1.4 Metode raziskovanja ... 3
1.5 Pričakovani rezultati in prispevek k razvoju znanosti ... 4
2 Oblike makro poroznosti ... 5
2.1 Uvod ... 5
2.2 Vpliv tehnoloških napak na dobo trajanja ... 6
2.3 Urejena makro poroznost ... 7
2.4 Naključna makro poroznost ... 9
3 Metodologija napovedovanja dobe trajanja poroznih struktur ... 11
3.1 Uvod ... 11
3.2 Vpliv lokalnih nehomogenosti na iniciacijo poškodbe ... 12
3.3 Teorija obratovalne trdnosti ... 15
3.4 Uporaba lomne mehanike za napoved rasti razpoke ... 16
3.5 Uporaba kontinuumske mehanike poškodb ... 17
3.5.1 Napetostni (S-N) pristop ... 17
3.5.2 Deformacijski (ε-N) pristop ... 21
3.5.3 Preliminarna napoved dobe trajanja ... 22
4 Določitev materialnih karakteristik ... 25
4.1 Zlitina Al7075-T651 ... 25
4.1.1 Ploščati homogeni preizkušanci ... 26
4.1.1.1 Monotona statična σ-ε karakteristika materiala ... 26
4.1.1.2 Ciklična σ-ε karakteristika materiala... 29
4.1.1.3 Krivulja zdržljivosti osnovnega materiala ... 34
4.1.2 Celične oblike preizkušancev ... 35
4.1.2.1 Monotona statična σ-ε karakteristika materiala ... 36
4.1.2.2 Analiza Poissonovega razmerja na celičnih strukturah ... 40
4.1.2.3 Ciklična σ-ε karakteristika materiala... 40
4.1.2.4 Določanje dobe trajanja celičnih struktur ... 40
4.1.3 Forenzična preiskava kritičnih mest porušitev ... 41
4.2 Zlitina AlSi9Cu3 ... 43
4.2.1 Statične in dinamične karakteristike materiala ... 44
4.2.2 Forenzična preiskava strukture poroznosti ... 44
5 Preizkus metode za oceno dobe trajanja na 2D poroznih – celičnih strukturah ... 49
5.1 Uvod ... 50
5.2 Računalniške simulacije ... 51
5.2.1 Analiza poroznosti ... 52
5.2.2 Izračun dobe trajanja na standardnih oblikah preizkušancev ... 52
5.2.3 Izračun dobe trajanja na celičnih oblikah preizkušancev ... 56
5.3 Diskusija ... 61
6 Preizkus metode za oceno dobe trajanja na 3D poroznih vzorcih zlitine ... 63
6.1 Uvod ... 64
6.2 Eksperimentalni podatki ... 65
6.2.1 Določanje ciklične in zdržljivostne Coffin-Mansonove krivulje homogenega materiala ... 65
6.2.2 Malociklična eksperimentalna testiranja poroznih preizkušancev ... 67
6.3 Parametriziranje poroznosti ... 68
6.3.1 Uporaba binarne tehnike vokslov ... 68
6.3.2 Uporaba tehnike vektorske segmentacije ... 70
6.4 Numerične analize ... 74
6.4.1 Analiza poroznosti ... 74
6.4.2 Implementacija Metode A za oceno dobe trajanja ... 74
6.4.3 Implementacija Metode B za oceno dobe trajanja ... 78
6.5 Izračun dobe trajanja po Metodi A ... 79
6.6 Izračun dobe trajanja po Metodi B ... 88
6.6.1 Statistična analiza poroznosti... 91
6.6.2 Ocena premika Coffin-Mansonove krivulje na osnovi vplivnih faktorjev ... 95
6.6.2.1 Ločene simulacije po posameznih geometrijskih vplivih ... 96
6.6.2.2 Simulacije kombinacij vplivov po Taguchijevi razporeditvi ... 101
6.6.2.3 Izračun premika sintetične krivulje zdržljivosti materiala zaradi vplivov poroznosti ... 104
6.7 Diskusija ... 107
7 Alternativna deformacijsko-energijska direktna metoda za oceno dobe trajanja ... 109
7.1 Uvod ... 109
7.2 Modeliranje energijske krivulje εa-Gf ... 110
7.3 Napoved statične nosilnosti poroznih – celičnih struktur ... 113
7.4 Napoved dobe trajanja poroznih – celičnih struktur ... 117
7.5 Diskusija ... 121
8 Zaključki ... 123
8.1 Delo v okviru doktorske raziskave ... 123
8.2 Dosežki doktorske raziskave ... 124
8.3 Pregled postavljenih raziskovalnih hipotez ... 126
8.4 Objavljene publikacije v okviru doktorske naloge ... 127
9 Literatura ... 129
10 Priloga A ... 137
Kazalo slik
Slika 1.1: Različni primeri poroznosti, izpostavljeni dinamičnim obremenitvam; (a) naključna poroznost v aluminijevi zlitini in (b) kostni masi; (c) urejena celična struktura. ... 4 Slika 2.1: Vrste defektov v materialu po različnih skalah opazovanja. ... 6 Slika 2.2: Različne oblike zastopanih poroznosti; (a) avksetična urejena struktura; (b) delno urejena porozna struktura; (c) naključno zastopana poroznost. ... 7 Slika 2.3: Grafična predstavitev vsebine članka na temo celične poroznosti s pridobljenim
certifikatom za najbolj brane publikacije v obdobju 2018–2019 iz revije FFEMS (Wiley) [58].
... 7 Slika 2.4: Obseg makroporoznosti v okroglih preizkušancih iz zlitine; (a) posamične izolirane pore;
(b) naključna obsežna področja ujete poroznosti... 9 Slika 2.5: Različne porazdelitve skupkov nehomogenosti v zlitini po prerezu preizkušanca. ... 9 Slika 3.1: Izdelava vdolbinic na površini pestiča prebijalnega orodja za izboljšanje drsnih lastnosti.
... 12 Slika 3.2: Vtiskovanje oz. izdelovanje majhnih vdolbinic na površini za izboljšanje drsnih lastnosti
lahko že pomeni nastanek kritične inicialne poškodbe in iz tega rast razpoke. ... 13 Slika 3.3: Glavne veje pristopov pri napovedovanju dobe trajanja izdelkov. ... 15 Slika 3.4: Zaradi obravnave krhke zlitine je ključno poznavanje velikosti območja I zdržljivosti,
kjer se formira razpoka. Območji II in III sta v tem primeru sekundarnega pomena, saj je zaradi krhkosti materiala razširjanje razpoke do odpovedi, ki sledi v nadaljevanju, običajno dokaj hitro. ... 16 Slika 3.5: Wöhlerjev koncept preizkuševališča za dinamična testiranja strojnih delov [20]. ... 18 Slika 3.6: Prikaz vpeljave faktorja dinamičnosti R na primerih obremenjevanja žice. ... 18 Slika 3.7: Prikaz prehoda iz Wöhlerjevih krivulj za R = –1 in R = 0 v Smithov diagram in iz tega
izhajajoč prikaz napovedi oblike cikla za stanje obremenjevanja z npr. R = 0,5. ... 19 Slika 3.8: Najpogostejši (mehanski) način testiranja po HCF postopku in desno Palmgren-
Minerjevo pravilo o akumulaciji poškodbe s sinusno obliko obremenitvenega cikla. ... 20 Slika 3.9: (a) servo-hidravlični način preizkušanja po LCF; (b) ciklična in (c) zdržljivostna krivulja materiala, prikazana ob obremenitvenem ciklu; (d) porozni vzorec št. 12. ... 22 Slika 3.10: Vključitev različnih tehnik simulacij popuščanja materiala Nrast razpoke; (a) cepitev
končnih elementov; (b) izbris končnih elementov... 23 Slika 4.1: Standardni preizkušanec za statične in malociklične dinamične preizkuse; (a) geometrija,
z NURBS krivuljami orisan (b) srednji del za MKE-analize; (c) porušitev ob nateznem preizkusu... 26 Slika 4.2: Statični preizkus osnovnega materiala; (a) preizkuševališče MTS in merilna oprema;
(b) neobremenjeno stanje; (c) stanje tik ob porušitvi. ... 27 Slika 4.3: Koordinatni popis statične tehnične σ-ε krivulje materiala Al7075-T651 z osemnajstimi
točkami ter določitev napetosti tečenja σy (Rp0,2) in natezne trdnosti σu (Rm). ... 28 Slika 4.4: Primerjava tehnične in dejanske σ‐ε krivulje statičnega preizkusa za
tanke ploščate preizkušance iz Al7075-T651. ... 29 Slika 4.5: Ciklična krivulja izmenično obremenjenega 2 mm debelega standardnega preizkušanca iz Al7075-T651, modelirana skozi skrajne točke histereznih zank. ... 30 Slika 4.6: Določanje parametrov Ramberg-Osgoodove enačbe. ... 32
Slika 4.7: Prikaz razlikovanja med (a) pojavi cikličnega utrjevanja in mehčanja materiala;
(b) razlikovanje med σ-ε statično in ciklično krivuljo. ... 34 Slika 4.8: Zdržljivostna Coffin-Mansonova krivulja izmenično obremenjenega ploščatega
preizkušanca iz Al7075-T651; eksperimentalni rezultati in modelirana krivulja. ... 34 Slika 4.9: Izvedba statičnih in dinamičnih testiranj na obravnavanih ploščatih celičnih strukturah. 35 Slika 4.10: Geometrija (zgoraj) in statična porušitev (spodaj) ploščatih celičnih struktur;
(a) avksetična-kiralna; (b) avksetična-vbočeni šestkotniki in (c) heksagonalna... 37 Slika 4.11: Soodvisnost sila-deformacija nateznih preizkusov ploščatih celičnih struktur;
(a) avksetična-kiralna; (b) avksetična-vbočeni šestkotniki in (c) heksagonalna... 38 Slika 4.12: Posnetki nateznih preizkusov iz videoekstenziometra za: (a) avksetično-vbočeni
šestkotniki, (b) avksetično-kiralno in (c) heksagonalno strukturo. ... 39 Slika 4.13: Potek eksperimentalnih testiranj celičnih struktur na dobo trajanja... 41 Slika 4.14: SEM morfologija območij utrujenostnih poškodb za primera (a) standardnega in
(b) avksetičnega celičnega preizkušanca. ... 42 Slika 4.15: Postopek izdelave testnih poroznih vzorcev iz zlitine AlSi9Cu3; (a) zlitina ulita v
(b) kalup in (c) strjeni odlitek tik po izmetu iz orodja. ... 43 Slika 4.16: Po postopku LCF testirani porozni vzorci iz zlitine AlSi9Cu3 in geometrija. ... 44 Slika 4.17: Uporabljena CT naprava GE, model: V|tome|x s 240. ... 45 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. ... 45 Slika 4.19: Spremljanje μ-CT analize vzorca št. 12 preko aplikacije VGStudio MAX. ... 46 Slika 4.20: Prikaz različnih vrst lunkerjev in drugih napak na kritični ravnini v zlitini AlSi9Cu3. . 47 Slika 5.1: Grafična predstavitev idejne numerične metode za oceno dobe trajanja 2D celičnih
struktur z vmesnimi fazami preizkušanja. ... 49 Slika 5.2: Blokovni diagram idejnega poteka postopka za oceno dobe trajanja celičnih struktur. .. 50 Slika 5.3: Definiranje mejnih pogojev (podpor in obremenitev) za MKE-analize na standardnih
oblikah ploščatih preizkušancev. ... 53 Slika 5.4: Porazdelitev napetosti na realno hrapavih robovih preizkušancev pod deformacijo
Δl = ±0,25 mm; (a) razbremenitev po 1. ciklu; (b) tlačni del 2. cikla; (c) natezni del 2. cikla. 53 Slika 5.5: Upoštevani vplivi pri izračunu utrujenostne poškodbe v materialu po uporabljenem
Brown-Millerjevem kriteriju. ... 54 Slika 5.6: Izračun poškodbe v logaritemski obliki po kriteriju Brown-Miller (Morrow) pri različnih
deformacijah: Δl = ±0,25 mm (levo), Δl = ±0,0495 mm (desno); idealizirana geometrija (zgoraj), realna geometrija razbrazdanih robov zaradi rezanja (spodaj). ... 55 Slika 5.7: Porazdelitev napetosti na avksetični-kiralni strukturi pod deformacijo Δl = ±4 mm; (a)
razbremenitev po 1. ciklu; (b) tlačni del 2. cikla; (c) natezni del 2. cikla. ... 57 Slika 5.8: Napoved dobe trajanja v logaritemski obliki po kriteriju Brown-Miller (Morrow) za
avksetično-kiralno strukturo s štirimi amplitudami obremenjevanja; (a) Δl = ±4 mm;
(b) Δl = ±2 mm; (c) Δl = ±1,5 mm; d) Δl = ±1,3 mm. ... 59 Slika 5.9: Napoved dobe trajanja v logaritemski obliki po kriteriju Brown-Miller (Morrow) za
avksetično-vboč. šest. strukturo s štirimi amplitudami obremenjevanja; (a) Δl = ±1 mm;
(b) Δl = ±0,5 mm; (c) Δl = ±0,4 mm; (d) Δl = ±0,35 mm. ... 59 Slika 5.10: Napoved dobe trajanja v logaritemski obliki po kriteriju Brown-Miller (Morrow) za
heksagonalno strukturo s štirimi amplitudami obremenjevanja; (a) Δl = ±1,3 mm;
(b) Δl = ±0,65 mm; (c) Δl = ±0,5 mm; (d) Δl = ±0,45 mm. ... 59
Slika 5.11: Eksperimentalno-numerična primerjava doseženih dob trajanja na različnih celičnih strukturah. ... 60 Slika 6.1: Grafična predstavitev razvoja metod za oceno dobe trajanja poroznih struktur. ... 63 Slika 6.2: Standardna oblika uporabljenega valjastega preizkušanca Ø 9 mm namenjena nateznim,
malo- in velikocikličnim testiranjem. ... 65 Slika 6.3: Tehnične F-∆l krivulje nateznih preizkusov makro poroznih preizkušancev. ... 66 Slika 6.4: Dinamično testirani preizkušanci po malocikličnem postopku LCF iz zlitine AlSi9Cu3,
po porušitvi. ... 67 Slika 6.5: Rekonstrukcija notranje poroznosti na primeru vzorca št. 12. ... 68 Slika 6.6: Realna poroznost na vzorcu št. 12, modelirana z eliptičnimi in sferičnimi volumni. ... 69 Slika 6.7: Primerjava μ-CT skeniranja in ekstrahiranih elipsoidov za vzorec št. 12 (zgoraj); trije
primeri analiziranih elipsoidov z različno skladnostjo (spodaj); (a) visoka; (b) srednja in (c) nizka skladnost. ... 71 Slika 6.8: Diagrami ujemanja s prikazom razmerja med dejansko prostornino segmenta in prostornino,
ki jo elipsoid izkazuje z enakim drugim volumskim momentom. ... 72 Slika 6.9: Statistična porazdelitev vrednosti ujemanja: relativne frekvence razmerja med
segmentiranim volumnom pore in volumnom ustrezno prilagojenega elipsoida. ... 73
Slika 6.10: Ocena dobe trajanja makro poroznih preizkušancev, izvedena po Metodah A (zgoraj) in B (spodaj). ... 74
Slika 6.11: Robni pogoji pri MKE-analizi na vzorcu št. 12. ... 76 Slika 6.12: Napetostna porazdelitev na vzorcu št. 12 pod deformacijo Δl = ±0,024 mm;
(a) razbremenitev po 1. ciklu; (b) tlačni del 2. cikla; (c) natezni del 2. cikla. ... 76 Slika 6.13: Lokalizirane vrednosti napetosti pri obremenitvi Δl = ±0,024 mm (εa = 0,2 %) za vzorec št. 12 glede na upoštevano ciklično krivuljo zlitine AlSi9Cu3. ... 77 Slika 6.14: Coffin-Mansonove (C-M) zdržljivostne krivulje za homogene in porozne
eksperimentalne vzorce iz zlitine AlSi9Cu3. ... 77 Slika 6.15: Premik Coffin-Mansonove zdržljivostne krivulje εa-N glede na prisotnost posameznih
geometrijskih vplivnih faktorjev poroznosti. ... 79 Slika 6.16: Izračun dobe trajanja vzorcev po Metodi A in kriteriju Brown-Miller (Morrow) ob
uporabi tehnike popisa por z voksli. ... 81 Slika 6.17: Izračun dobe trajanja vzorcev po Metodi A in kriteriju Brown-Miller (Morrow) ob
uporabi tehnike popisa por z vektorsko segmentacijo. ... 82 Slika 6.18: Pot rasti razpoke skozi (a) porozno strukturo, pri (b-c) različnih obremenitvah. ... 83 Slika 6.19: Ocena vpliva livnega robu na izvor utrujenostne razpoke pri vzorcu št. 17. ... 84 Slika 6.20: Primerjalna analiza vpliva posameznih modelov utrjevanja materiala na dobo trajanja
med ciklično obremenitvijo pri vzorcu št. 17. ... 84 Slika 6.21: Odstopanja v napovedi dobe trajanja ΔN glede na položaj preizkušanca na C-M krivulji.
... 85 Slika 6.22: Primerjava v eksperimentalno-numerični oceni dobe trajanja poroznih vzorcev pri
uporabi binarne tehnike vokslov in tehnike vektorske segmentacije. ... 87 Slika 6.23: Izračuna dobe trajanja vzorcev po Metodi B in kriteriju Brown-Miller (Morrow). ... 91 Slika 6.24: Marginalne gostote porazdelitve poroznosti za vzorec št. 12. ... 94 Slika 6.25: Analizirani vpliv različne velikosti pore V na dobo trajanja. ... 97 Slika 6.26: Analizirani vpliv različne oddaljenosti pore od površine L na dobo trajanja... 97 Slika 6.27: Analizirani vpliv različne stopnje eliptičnosti pore n/m na dobo trajanja. ... 97
Slika 6.28: Analizirani vpliv različne razdalje med porama g na dobo trajanja. ... 98 Slika 6.29: Analizirani vpliv različne orientacije povprečne velikosti pore α na dobo trajanja. ... 98 Slika 6.30: Porazdelitev izračunanih dob trajanja N (levo) in koncentracij napetosti σ (desno) v
soodvisnosti od geometrijskih vplivov poroznosti in obremenitve εa. ... 100 Slika 6.31: Dva primera numeričnih izračunov dob trajanja (v obliki LOGLife) za pori: 12 (pri εa2)
in 14 (pri εa3). ... 101 Slika 6.32: Dva primera numeričnih izračunov dob trajanja (v obliki LOGLife) za kombinaciji
vplivov 2-2-1-2-3-4 in 4-1-3-3-3-3. ... 102 Slika 6.33: Oblikovni prikaz celotnega spektra simuliranih kombinacij por za Taguchijevo metodo.
... 103 Slika 6.34: Premik izračunane C-M krivulje materiala AlSi9Cu3 za porozni vzorec št. 12. ... 106 Slika 6.35: Ocena kritičnih območij z dimenzijami okoli največje pore na vzorcu št. 12. ... 106 Slika 7.1: Histerezne zanke (in disipacija energije) pri 50. ciklu, pri različnih εa cikličnega
obremenjevanja treh ploščatih standardnih preizkušancev izdelanih iz zlitine Al7075-T651.
... 110 Slika 7.2: Podobna disipacija energije pri treh neodvisnih testih, pri ciklu 50 in εa = 0,01. ... 111 Slika 7.3: Disipacija energije skozi zaporedje ciklov do porušitve, pri εa = 0,01 (Test 3). ... 111 Slika 7.4: Modeliranje novega tipa zdržljivostne krivulje εa-Gf na primeru materiala Al7075-T651,
testiranem pri R = –1 s shematičnim prikazom povratne porabe seštevka disipirane energije.
... 112 Slika 7.5: Elasto-plastični odziv osnovnega materiala Al7075-T651 z analizo progresivnega
nastanka poškodbe. ... 114 Slika 7.6: Primerjava eksperimentalnih (levo) in numeričnih (desno) rezultatov nateznih preizkusov
∆l [mm]; ocena inicialnih razpok (zgoraj) z različnimi MKE-analizami. a -rezultati testa 1,
b -rezultati testa 2. ... 117 Slika 7.7: Rezultati eksperimentalnih ultra-malocikličnih testiranj pri maksimalnih amplitudah
obremenjevanja Δl: avks-kiral ±4 mm, avks-vboč. šest. ±1 mm, heks ±1,3 mm. ... 118 Slika 7.8: Rezultati ultra-malocikličnih trdnostnih simulacij z vključitvijo tehnike razvoja poškodbe
in izbrisa končnih elementov. ... 119
Kazalo preglednic
Preglednica 4.1: Materialne konstante ploščatega standardnega preizkušanca iz Al7075-T651. .... 28 Preglednica 4.2: Karakteristike analiziranih celičnih struktur. ... 38 Preglednica 4.3: Oznake zlitine AlSi9Cu3 po različnih nacionalnih standardih. ... 43 Preglednica 4.4: Materialne konstante homogenega preizkušanca iz zlitine AlSi9Cu3. ... 44 Preglednica 5.1: Določanje stopnje poroznosti p na različnih celičnih strukturah. ... 52 Preglednica 5.2: Dinamična zdržljivost ploščatih standardnih preizkušancev iz Al7075-T651. ... 56 Preglednica 5.3: Dinamična zdržljivost celičnih preizkušancev iz Al7075-T651... 58 Preglednica 6.1: Mehanske statične lastnosti poroznih preizkušancev iz zlitine AlSi9Cu3 [91]. .... 66 Preglednica 6.2: Povzetek vrednosti faktorjev ujemanj za sedem poroznih vzorcev. ... 73 Preglednica 6.3: Uporabljeno število končnih elementov in vozlišč za popis poroznosti. ... 75 Preglednica 6.4: Napovedana in eksperimentalno določena doba trajanja vzorcev iz AlSi9Cu3. ... 83 Preglednica 6.5: Primerjava dveh – po Metodi A – izračunanih dob trajanja z eksperimentalno
določeno na AlSi9Cu3 poroznih vzorcih. ... 86 Preglednica 6.6: Kvalitativna analiza pri uporabi različnih tehnik popisa poroznosti. ... 88 Preglednica 6.7: Ločena napoved dosežene napetosti σ in dobe trajanja N po posameznih
geometrijskih vplivih in velikostih obremenitve εa. ... 99 Preglednica 6.8: Napoved velikosti napetosti σ in dobe trajanja N za različne kombinacije por. .. 104 Preglednica 7.1: Uporaba eksperimentalnih podatkov za modeliranje energijske krivulje εa-Gf,povp.
... 112
Seznam uporabljenih simbolov
Oznaka Enota Pomen
b / trdnostni eksponent utrujanja
c / utrujenostni eksponent žilavosti
di / individualna spremenljivka poškodbe
f Hz frekvenca
g mm razdalja med porama
l0 mm referenčna dolžina (merilno območje ekstenziometra)
n/m / stopnja eliptičnosti pore
n' / eksponent cikličnega deformacijskega utrujanja
p / poroznost
t mm debelina preizkušanca
pl
uf mm plastična deformacija do porušitve
pl
ui mm plastična deformacija do iniciacije
A mm2 površina
D / akumulacija poškodbe
E MPa modul elastičnosti
F N obremenitev (sila)
Gf N/mm disipacija energije do porušitve
K' MPa koeficient ciklične trdnosti
L mm razdalja centra pore od površine
Lch mm karakteristična dolžina končnega elementa
M Nmm moment
N / število ciklov
Neksp / eksperimentalno določeno število ciklov
Nf / število ciklov do porušitve (nastanek frakture, preloma) Ni / število ciklov do nastanka začetne (inicialne) razpoke
Nizrač / izračunano število ciklov
Nporozni / napoved dobe trajanja (ciklov) porozne strukture
R / razmerje napetosti
Ra μm hrapavost – aritmetični srednji odstopek profila Rm MPa natezna trdnost (tudi oznaka σu)
Rp0,2 MPa meja plastičnosti oz. tečenja (tudi oznaka σy)
S μm napetost (uporablja se tudi oznaka σ)
T s perioda
V mm3 volumen (vzorca, pore itd.)
W N/mm delež disipirane energije
α ᵒ orientacija (usmeritev) pore
ε / specifična deformacija
s–1 hitrost specifične deformacije
εa / amplituda specifične deformacije
εdej / dejanska specifična deformacija
εe / elastični del specifične deformacije
ε'f / utrujenostni koeficient žilavosti
pl
f / plastična specifična deformacija do porušitve
pl
i / plastična specifična deformacija do iniciacije
εnom / nominalna specifična deformacija
εp / plastični del specifične deformacije
η / faktor triaksialne napetosti
κt / faktor stanja površine
ν / Poissonovo razmerje
ρ g/cm3 gostota
σ MPa napetost
σ1,2,3 MPa glavne napetosti
MPa napetost ob nepoškodovanem odzivu materiala
σa MPa amplitudna napetost cikla
σD MPa trajna dinamična trdnost (tudi oznaka SD)
σ'f MPa trdnostni koeficient utrujanja
σm MPa srednja (medialna) vrednost napetosti
σmaks MPa maksimalna napetost v ciklu
σmin MPa minimalna napetost v ciklu
σn MPa napetost, pravokotna na normalo
σnom MPa nominalna napetost
σdej MPa dejanska napetost
σu MPa natezna trdnost (uporablja se tudi oznaka Rm) σy MPa meja plastičnosti oz. tečenja (tudi oznaka Rp0,2)
τn MPa strižna napetost, vzporedna z normalo
Δl mm sprememba dolžine (deformacija ali pomik stroja)
Δε / razpon specifične deformacije
Δεn / normalna specifična deformacija
Δγ / strižna specifična deformacija
Indeksi
dej dejanska vrednost
iter izračun (poškodbe D ali ciklov N) po več iteracijah
maks maksimalna vrednost
min minimalna vrednost
nom nominalna vrednost
m medialna (srednja) vrednost
Seznam uporabljenih okrajšav
Okrajšava Pomen
ALLPD neelastična disipirana energija (angl. inelastic dissipated energy, Ep) AWJ rezanje z abrazivnim vodnim curkom (angl. abrasive water jet) BCC telesno centrirana kubična kristalna rešetka (angl. body centered
cubic lattice)
BMM kriterij za izračun utrujenostne poškodbe Brown-Miller (Morrow) CAD računalniško podprto konstruiranje (angl. computer-aided design) CDM kontinuumska mehanika poškodb (angl. continuum damage
mechanics)
C-M Coffin-Mansonova krivulja zdržljivosti materiala
CMM kriterij za izračun utrujenostne poškodbe Coffin-Manson (Morrow) CNC računalniško numerično krmiljenje (angl. computer numerical
control)
FCC ploskovno centrirana kubična kristalna rešetka (angl. face centered cubic lattice)
HAZ toplotno prizadeta cona (angl. heat affected zone) HCF velikociklično utrujanje (angl. high-cycle fatigue) LCF malociklično utrujanje (angl. low-cycle fatigue)
LVDT senzor pomika (angl. linear variable differential transformer) MGPV marginalne gostote porazdelitve verjetnosti
MKE metoda končnih elementov
NURBS neenakomerna racionalna osnovna krivulja (angl. non uniform rational basis spline)
PTFE teflon folija (angl. polytetrafluoroethylene)
RAM delovni spomin računalnika (angl. random-access memory)
R-O Ramberg-Osgoodovo σ-ε razmerje
RTG posnetek narejen z rentgensko napravo (angl. radioisotope thermoelectric tenerator)
SEM vrstični elektronski mikroskop (angl. scanning electron microscope) S-N Wöhlerjeva krivulja, v Sloveniji bolj uveljavljena oznaka σ-N STL vrsta digitalnega zapisa modela (angl. standard triangle language) SWT Smith-Watson-Topperjev kriterij za izračun utrujenostne poškodbe U-LCF ultra-malociklično utrujanje (angl. ultra-low cycle fatigue)
UV ultravijolično valovanje
XFEM razširjena metoda končnih elementov (angl. extended finite element method)
CT računalniška tomografija (angl. computed tomography)
1 Uvod
1.1 Opredelitev raziskovalnega problema
Uvajanje novih izdelovalno-obdelovalnih tehnologij in materialov v proizvodne procese zahteva tudi permanentni razvoj podpornih orodij, namenjenih analizi odzivanja novega produkta v vseh predvidenih fazah njegove uporabe. V tej fazi tehnološkega razvoja so ključni izzivi, kako napovedovati dobo trajanja izdelka, razvitega po novih tehnologijah, z novimi materiali, in kako priti do inovativnih rešitev.
V zadnjem času se slovenska predelovalna industrija vse bolj usmerja v predelavo aluminijevih zlitin za potrebe avtomobilske industrije. Gospodarske družbe se soočajo z zahtevnimi proizvodnimi procesi, kjer kljub skrbno izbranim parametrom tehnološkega postopka tlačnega litja prihaja do prisotnosti poroznosti (predvsem v večgnezdnih orodjih) [1] in tudi vključkov [2]. Glede na povratne informacije iz industrije je to pereča problematika, saj lahko navedene nehomogenosti v ulitkih drastično znižajo dinamično nosilnost izdelka [3][4]. Zato se (pol)izdelki z zaznano poroznostjo običajno sproti izločijo iz proizvodne linije. Posledično nastajajo velike izgube električne energije, tudi do 15 %, saj je potrebno porozne kose predelati oz. pretaliti in jih ponovno tlačno liti. Konkretno problematiko želimo znanstveno raziskati, in sicer tako, da bi preko postavljenih znanstvenih hipotez in iz njih izpeljanih razvojnih postopkov v posameznih primerih lahko predvideli, kolikšna je tista minimalna stopnja poroznosti strukture, do katere je določen izdelek še uporaben. Zelo pogosto uporabljena aluminijeva zlitina v tlačno litih izdelkih je AlSi9Cu3, ki je ekonomsko ugodna in dobro livna. Po drugi strani pa lahko v določenih tehnoloških režimih predelave zaznamo pojav posameznih lunkerjev ali celo skupkov teh nepravilnosti. Vpliv osamljenih, izoliranih lunkerjev v ulitkih iz zlitine AlSi9Cu3 na dobo trajanja je že bil raziskan v publikacijah [5][6]. V tej doktorski nalogi se osredotočamo na vpliv večjega števila nehomogenosti na dobo trajanja izdelka, zato smo analizirali pojav skupkov teh nepravilnosti, ki jih bomo obravnavali kot vrinjene votle elipsoidne geometrije, naključno razporejene v homogeni strukturi iz osnovnega materiala.
1.2 Pregled stanja na obravnavanem področju
Doba trajanja izdelka je podana s številom ciklov do porušitve N. Ker so lahko neposredni preizkusi na namenskih preizkuševališčih dolgotrajni in zelo dragi (vedno pa tudi niso mogoči), lahko v nekaterih primerih uporabljamo posredne metode za napovedovanje dobe trajanja. Napovedovanja dobe trajanja izdelkov se nameravamo lotimo na tri načine: s pomočjo analitičnih, numeričnih in statističnih metod. Cilj je raziskati uporabnost širšega nabora teh metod za analizo in napoved dobe trajanja, analizirati rezultate ter nato za izboljšanje napovedovanja zdržljivosti uporabiti kombinacijo več različnih pristopov ali razviti neki nov pristop. Do sedaj smo že analizirali tehnološke postopke izdelave [7], seznanili smo se s postopkom tlačnega litja [8] in mehanizmi nastajanja poroznosti, pregledali smo metode za napovedovanja dobe trajanja izdelkov z upoštevanjem značilnosti izdelovalnih postopkov [9][10][11], analizirali smo materialne posebnosti na mikro in makro ravni [12][13] ter pregledali spremljajoče potencialne nevarnosti, ki lahko kvarno vplivajo na zdržljivost [14]. V preliminarnih analizah smo se osredotočili na deformacijski (ε-N) pristop preizkušanja [15][16][17], ki je zaradi spremljanja elasto- plastičnih materialnih sprememb in nizkega pričakovanega doseženega števila obremenitvenih ciklov primernejši način za napovedovanje dobe trajanja. Takšen pristop obremenjevanja poteka v območju malocikličnega utrujanja, uveljavljena je tudi oznaka LCF (angl. low-cycle fatigue). Pogosto v strokovni literaturi v povezavi s tem zasledimo izraz konstruiranje na varno dobo trajanja (angl. safe-life design). V skladu s tem postopkom dobo trajanja ocenimo tako, da za napetostno stanje izdelka npr. preko Ramberg-Osgoodove enačbe [10][15][18] pri maksimalni vrednosti napetosti σ določimo pripadajočo vrednost ε. Za končno določitev ciklov do porušitve potrebujemo še določeno relacijo ε-N. V področju LCF to soodvisnost generalno popisuje Coffin-Mansonova enačba [15][18], preko katere bomo prišli do podatka o doseženem številu ciklov do porušitve N.
Zaradi kompleksnosti obravnavane vsebine, tj. s prisotnostjo naključne porazdelitve različno velikih por, bomo vzporedno poskušali uporabiti tudi nekatere alternativne metode in primerjati rezultate. V prvem koraku bomo s pomočjo različnih statističnih metod [19]
ocenili statistično značilnost vpliva različnih stopenj makro poroznosti na dobo trajanja pri dinamičnih obremenitvah. V drugem koraku bomo na osnovi znanih primerov ocenili statistično porazdelitev lunkerjev v grozdih por. Pri tem bomo upoštevali njihovo velikost in položaj v nosilnem prerezu. Modelirana gostota porazdelitve verjetnosti lunkerjev v nosilnem prerezu bo nato uporabljena za napoved dobe trajanja z raztrosom z metodo končnih elementov tako, da bomo z njeno pomočjo korigirali zdržljivostne krivulje εa-N.
Pri tem bomo uporabili različne metode: klasično Palmgren-Minerjevo hipotezo o akumulaciji poškodb [15][20] in kombinacijo Palmgren-Minerjeve hipoteze z rastjo razpoke [10][20][21]. Za napoved utrujenostne poškodbe bomo uporabili različno komercialno programsko opremo na osnovi klasične metode končnih elementov in/ali razširjene metode končnih elementov XFEM [22][23][24][25].
Izračuni, ki slonijo na teoriji obratovalne trdnosti [26][27][28][29][30][31][32][33][34], so dokaj zapleteni in v nekaterih segmentih še neraziskani, vendar z določenim raztrosom že dokaj natančno napovedo dinamično zdržljivost. V primeru te doktorske raziskave gre torej za proces postopnega napredovanja, pri čemer bomo modele za napoved dobe trajanja z upoštevanjem statističnih veličin postopoma dograjevali.
1.3 Raziskovalna hipoteza
Temeljna raziskovalna hipoteza v našem primeru je, da nehomogenosti v nosilnem prerezu znatno skrajšajo dobo trajanja izdelka v primeru dinamičnih obremenitev. Zato bomo v sklopu doktorske raziskave skušali dokazati tudi naslednje hipoteze:
1) S klasičnim postopkom napovedovanja dobe trajanja, ki temelji le na uporabi Palmgren-Minerjeve hipoteze o akumulaciji poškodb, ni mogoče dovolj natančno napovedati dobe trajanja v primeru grozdov nehomogenosti v nosilnem prerezu.
2) S pomočjo ustreznega statističnega opisa značilnosti lunkerjev v grozdih makro por ter simulacije širjenja utrujenostne poškodbe se napoved dobe trajanja izboljša.
3) Grozdi makro por v ulitku bolj oslabijo nosilni prerez izdelka kot osamljene pore.
4) Različne porazdelitve lunkerjev v grozdih por imajo različen učinek na dobo trajanja.
1.4 Metode raziskovanja
V sklopu doktorske raziskave bomo uporabili naslednje metode raziskovanja, ki so po kronološkem zaporedju uporabe navedene spodaj:
1) Ocena statistične značilnost vpliva različnih stopenj makro poroznosti na dobo trajanja pri dinamičnih obremenitvah z metodami: ANOVA, MANOVA, diskriminantna analiza, multipla regresija s slamnatimi spremenljivkami [35][36][37][38]. Pri tem bomo uporabili programsko opremo za statistične analize IBM SPSS [39][40].
2) Postavitev 3D modela za grozde makro por za obstoječe preizkušance, katerih dobo trajanja poznamo. Pri tem bomo uporabili metode prostorskega μ-CT skeniranja, razpoznavanja lunkerjev iz slojevitih informacij CT-posnetkov ter modeliranje lunkerjev v 3D modelirniku [41][42]. V našem primeru bomo za analizo uporabili izvedene preizkuse zdržljivosti na standardnih ulitih preizkušancih premera Ø = 9 mm (ASTM E606) [43], v katere so bile z variacijo izdelovalnega postopka vnesene različne stopnje poroznosti [44][45]. Z uporabo standardne oblike preizkušanca zagotovimo širšo uporabnost podatkov in mednarodno primerljivost naših raziskav.
3) Modeliranje statistične porazdelitve lunkerjev v grozdih makro por glede na njihovo velikost in položaj v nosilnem prerezu z mešanicami multivariantnih Gaussovih funkcij. Pri tem bomo uporabili dva pristopa: modifikacijo EM algoritma po Figueiredu in Jainu [46] in REBMIX algoritem [47].
4) Napoved dobe trajanja s Palmgren-Minerjevo hipotezo o akumulaciji utrujenostne poškodbe in primerjava napovedi z dejansko zdržljivostjo preizkušancev (uporaba različne komercialne programske opreme) za prereze z različnimi poroznostmi.
5) Ocena napredovanja utrujenostne razpoke skozi nosilni prerez za prereze z različnimi poroznostmi s kombinacijo Palmgren-Minerjeve hipoteze o akumulaciji utrujenostne poškodbe in popuščanja materiala, ki ga bomo simulirali z eksplicitnimi dinamičnimi simulacijami (Abaqus ali LS-DYNA).
6) Primerjava napovedane dobe trajanja s simulacijami z XFEM.
1.5 Pričakovani rezultati in prispevek k razvoju znanosti
V doktorski raziskavi pričakujemo naslednje prispevke k razvoju znanosti:
Določena bo statistična porazdelitev lunkerjev v nosilnem prerezu za različne stopnje in gradacije vgrozdene poroznosti.
Razvit bo fenomenološko pravilen in inženirsko uporaben pristop, s katerim bo mogoče s komercialnimi programskimi paketi z metodo končnih elementov simulirati širjenje utrujenostne razpoke skozi nosilni prerez, ki vsebuje več nepravilnosti.
S pomočjo predlaganega pristopa bo mogoče že v zgodnjih razvojnih fazah sintetično določiti krivuljo zdržljivosti in njen raztros za primere, ko so v nosilnih prerezih prisotni grozdi nepravilnosti.
Predlagani pristop bo validiran na primeru eksperimentalnih podatkov.
Z zgoraj navedenimi prispevki k razvoju znanosti bi lahko poleg zdržljivosti ulitkov s prisotnimi nehomogenostmi (slika 1.1-a) ocenjevali tudi zdržljivost penastih materialov, kjer praznine v nosilni strukturi namerno ustvarjamo z namenom zmanjšanja mase izdelka.
Ker je struktura tlačno litih poroznih izdelkov lahko zelo podobna biološki kostni zgradbi, se odpira možnost uporabe tudi v medicini. Zanimiva se zdi uporaba metode v primerih prisotnosti osteoporoze, kjer bi lahko napovedali verjetnost nastanka kostnih fraktur zaradi zmanjšanja kostne gostote (slika 1.1-b).
Slika 1.1: Različni primeri poroznosti, izpostavljeni dinamičnim obremenitvam; (a) naključna poroznost v aluminijevi zlitini in (b) kostni masi; (c) urejena celična struktura.
2 Oblike makro poroznosti
Pri obravnavi makroporoznosti in analizi njenega vpliva na dobo trajanja uporabljene zlitine gre za aktualno problematiko, zanimivo tudi za industrijsko okolje. Tematika je bila predstavljena tudi v obeh najpomembnejših mednarodnih znanstvenih revijah s področja raziskav utrujanja materialov: International Journal of Fatigue in Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, kjer v strokovnih odborih sodelujeta dva od najvplivnejših strokovnjakov s področij proučevanja poroznosti in zareznih učinkov:
Yukitaka Murakami [48] in Masahiro Endo [49].
2.1 Uvod
Poznanih je več vrst poroznosti, od urejene, delno urejene, do povsem naključne. V nadaljevanju sta skozi poglavja postopno analizirani obe skrajni vrsti, urejena in naključna poroznost, kjer se hkrati tudi kompleksnost stopnjuje iz 2D celic v 3D primere por. V raziskavi je prikazan celoten postopek določanja dobe trajanja materialov s prisotnimi kompleksnimi geometrijskimi anomalijami, vendar lahko predstavljene metode apliciramo tudi na vse druge enostavnejše, homogene strojne dele in elemente, uporabljene v strojegradnji.
Zaradi dobrih možnosti vpeljave masovne, avtomatizirane proizvodnje in s tem nižanja stroškov je tehnološki proces litja eden najaktualnejših načinov proizvodnje najrazličnejših oblik izdelkov za avtomobilsko, letalsko in druge industrije. Poleg tega je prednost aluminijevih zlitin tudi manjša gostota in posledično dodaten prihranek na masi izdelka [50]. Na drugi strani je daleč največja problematika procesa litja prisotnost lunkerjev [51], ki se jim skoraj ne moremo izogniti. Veliko stopnjo poroznosti, tj. veliko količino lunkerjev v reprezentativnem volumnu okarakteriziramo tudi kot pene [52]. Takšno porozno strukturo lahko v določenih primerih celo namerno ustvarimo, saj se je izkazalo, da penasti materiali dobro absorbirajo energijo trkov [53], poleg tega tako s prisotnostjo por še dodatno zmanjšamo maso. Penasti materiali so lahko zaprto- ali odprtoceličnih oblik. Med porozne materiale prištevamo tudi celične strukture, kjer strukturo vzorcev namensko izdelamo z rezanjem ali dodajnimi tehnologijami. Kakorkoli, vsaka prisotnost geometrijske anomalije ima lahko na makro nivoju [49] (npr. prisotnost lunkerjev ali celic) znatno večji vpliv na dinamično zdržljivost kakor mikro defekti [54] [55] (npr. prisotnost prazninic v kristalni strukturi, Frenkelov defekt). To se odraža na zdržljivostni nosilnosti vgrajenih komponent.
2.2 Vpliv tehnoloških napak na dobo trajanja
Tehnološki postopek litja pusti v talini različne oblike defektov [56][57], ki jih je potrebno ustrezno geometrijsko ovrednotiti. Pri pregledu shematsko prikazanega seznama mogočih napak na sliki 2.1 gre za določene nehomogenosti, okoli katerih se koncentrirajo konice napetosti, ki predstavljajo nevarnost za nastanek začetne inicialne poškodbe, katera lahko nato kritično raste naprej do preloma strojnega elementa. Na nano-mikro skali lahko najmanjše točkovne napake predstavljajo (1) prazninice v kristalni mreži, (2) substitucijski atomi ali (3) intersticijski atomi. Linijske napake se lahko pojavljajo v obliki (4) robnih in (5) vijačnih dislokacij. Na stopnjo večji mezo skali so lahko zastopane najrazličnejše oblike (6-9) izločkov in primesi, ki zaradi različne kemične sestave od osnovnega materiala predstavljajo določene nehomogenosti, okoli katerih se ravno tako koncentrirajo napetosti. Vizualno opazne napake imenujemo makro napake in so običajno lahko najrazličnejše oblike (11) lunkerjev. Zaradi možnosti prisotnosti celega spektra različnih napak se zdi napovedovanje dobe trajanja zapleteno opravilo, vendar tu sprejmemo odločitev – prvo pomembno ugotovitev dosedanjih raziskav –, da pri iniciaciji poškodbe in rasti razpoke (slika 2.1-10) prevlada tisti vpliv napake, ki je na višji skali opazovanja.
V nadaljevanju je tematika orientirana na makro raven, kjer kritične primere defektov predstavljajo celični vzorci oz. pore. Posledično postane zaradi tega obvladovanje problematike celo bolj predvidljivo kot sicer, saj so napake že vizualno lokalizirane, vendar je zato potrebno locirane lunkerje in celice čim natančneje geometrijsko opisati, kar je podrobno predstavljeno v nadaljnjih osrednjih poglavjih.
Slika 2.1: Vrste defektov v materialu po različnih skalah opazovanja.
Pri izdelavi ulitkov govorimo o naključnem pojavu poroznosti. Med posebne oblike poroznosti prištevamo tudi celične strukture, ki tvorijo določeni vzorec, kjer je najbolj poznana heksagonalna oblika. Gre za naravno evolucijsko obliko, običajno najbolj poznano iz čebeljega satovja, ki potrebuje najmanjšo porabo materiala za tvorbo sten.
Obstajajo tudi modificirane, napredne oblike celičnih struktur, kot so npr. avksetične.
Poleg vseh naštetih prednosti lahko z uvedbo takšnih oblik povsem spremenimo mehanske lastnosti strukture kot celote, da ta izkazuje celo negativno Poissonovo razmerje.
Matematično poroznost p definiramo kot razmerje med ploščino por in celotno ploščino analiziranega dela v primeru 2D struktur oz. kot razmerje med volumnom por in celotnim volumnom preizkušanca v primeru obravnave 3D struktur. Obe obliki poroznosti sta v nadaljevanju ločeno analizirani.
Slika 2.2: Različne oblike zastopanih poroznosti; (a) avksetična urejena struktura; (b) delno urejena porozna struktura; (c) naključno zastopana poroznost.
2.3 Urejena makro poroznost
V uporabi pogosto srečamo tudi primere produktov z vsebovano povsem urejeno strukturo.
Znane so celične strukture, ki tvorijo ponovljiv vzorec. V sodelovanju s Fakulteto za strojništvo Univerze v Mariboru smo v okviru projekta Razvoj večnamenskih avksetičnih celičnih struktur (J2-8186), ki ga je sofinancirala Javna agencija za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije (ARRS), raziskali tri različne oblike celičnih struktur.
Slika 2.3: Grafična predstavitev vsebine članka na temo celične poroznosti s pridobljenim certifikatom za najbolj brane publikacije v obdobju 2018–2019 iz revije FFEMS (Wiley) [58].
Tu so še posebej zanimive avksetične strukture (slika 2.3), ki so nova vrsta generičnih strukturnih elementov. Gre za celične strukture z različnimi generičnimi (topološkimi in morfološkimi) geometrijami, kjer je njihova skupna značilnost ta, da na makrostrukturni skali izkazujejo negativno Poissonovo razmerje [59]. To pomeni, da se takšna natezno obremenjena struktura širi v smeri, ki je pravokotna na smer obremenitve, in da se obratno tlačno obremenjena struktura v prečni smeri oži. Avksetične strukture so celične strukture prihodnosti, ki imajo zaradi posebnih lastnosti ogromen uporabni potencial v različnih panogah.
Iskanje novih strukturnih rešitev na področju materialov je nujno, saj samo optimiziranje homogenih oblik v sodobnih konstrukcijah običajno ni več zadosten ukrep k dovoljšnemu zmanjšanju mase komponent in produktov, zato se letalska, vojaška in vedno bolj tudi avtomobilska industrija preusmerja k uporabi celičnih struktur, ki lahko pripomorejo k znatnemu zmanjšanju skupne mase. Masa pa ni edini kriterij pri dimenzioniranju. Običajno so prisotne tudi želje po hkratnem obdržanju visokih vrednosti mehanskih lastnosti ali celo izboljšanju le-teh. S premišljenim oblikovanjem elementarnih celic, ki jih združujemo v celične strukture, lahko hkratno dosežemo znatne sinergijske učinke med različnimi lastnostmi. V tem pogledu je, kot rečeno, vedno aktualnejša avksetična struktura [60][61].
Bazične raziskave avksetične strukture z vbočenimi šestkotniki so bile predstavljene v publikaciji [58]. Pri tem so bile potrjene vse pričakovane lastnosti strukture, kot sta izkazano negativno Poissonovo razmerje [62] in dobra dinamična nosilnost [63], vendar je hkrati obstajalo prepričanje, da bi z določenimi modifikacijami to avksetično strukturo lahko nadgradili in tako povečali izkoristek oz. učinek te oblike. Avksetična struktura z vbočenimi šestkotniki vsebuje ravne povezave med vozlišči, kar se odraža v relativno togem obnašanju, saj so rotacije pod obremenitvijo lahko mogoče le v vozliščih.
Avksetična-kiralna oblika, ki je tudi predmet raziskave v nadaljevanju, predstavlja nadgradnjo avksetične strukture z vbočenimi šestkotniki [64]. Povečana podajnost, fleksibilnost strukture je dosežena z vpeljavo krivinsko oblikovanih povezav med vozlišči.
Deformacije se tako dodatno akumulirajo v obliki prožnostne energije napetih krivinsko oblikovanih povezav. Med raziskavo sta bili obe strukturi z izraženim negativnim Poissonovim razmerjem, avksetična z vbočenimi šestkotniki in avksetična-kiralna, neposredno primerjani še s klasično heksagonalno obliko strukture. Heksagonalna (angl.
honeycomb) oblika je naravni vzorec, ki ga srečamo v številnih bioloških in drugih zgradbah, kot so npr. celice v čebeljem satovju, skupki milnih mehurčkov, rešetke snežnih kristalov itd. Prednosti heksagonalnih oblik so bile prepoznane že v začetnih poskusih optimizacij oblik produktov, zato jih še danes srečamo v številnih naprednih konstrukcijah.
Takšen primer so napredne strukture v letalstvu, kjer so heksagonalne oblike celic integrirane v zunanje dele trupov letal, kar pripomore k zmanjšanju radarske opaznosti (angl. stealth), saj lahko pravilno orientirani heksagonalni vzorci celic dobro absorbirajo tudi elektromagnetna valovanja [65].
2.4 Naključna makro poroznost
V večini primerov pri zaznanih poroznostih govorimo o naključni porazdelitvi lunkerjev, vendar gre lahko pri nekaterih novejših tehnoloških postopkih tudi za primer vmesne izdelovalne faze in tvorbo bolj ali manj urejene poroznosti (slika 2.2-b), ko strukturo prazninic izdelamo s posebnim usmerjenim eksplozijskim postopkom UniPore [66], in takrat lahko govorimo o delno urejenih poroznih strukturah. Med klasičnim procesom visokotlačnega litja, ki bo obravnavan v nadaljevanju, gre v veliki večini primerov za povsem naključen pojav poroznosti. Pomemben je tudi obseg poroznosti. Že posamični pojavi por lahko pomembno znižajo tako statično kot tudi dinamično nosilnost produkta, pri večjem obsegu ujetih por je prisoten še dodaten zarezni učinek zaradi medsebojnih interakcij različnih geometrijskih vplivov. Na sliki 2.4 sta prikazana primera naključne poroznosti, nastale med livarskim procesom. Primer (a) prikazuje prisotnost posameznih por, katerih vpliv na dinamično nosilnost je bil že raziskan [1][2][5]. Predmet tokratne raziskave je (b), naključna poroznost, kjer imamo prisotne skupke por.
Slika 2.4: Obseg makroporoznosti v okroglih preizkušancih iz zlitine; (a) posamične izolirane pore;
(b) naključna obsežna področja ujete poroznosti.
Podroben pregled pod povečavo prečnega prereza preizkušanca A-A s slike 2.5 razkrije mogoče tipe formiranja skupkov zaprtoceličnih por: (a) enakomerno razporejene ali (b) stransko locirane, npr. zaradi vpliva tlačnega vzgona, gravitacije. Lahko pa so pore tudi (c) centralno distribuirane, vendar različnih oblik, nastalih zaradi različnih vzrokov, prisotnosti ujetega plina, hladnih spojev itd.
Slika 2.5: Različne porazdelitve skupkov nehomogenosti v zlitini po prerezu preizkušanca.
Na porazdelitev por v volumnu znatno vplivajo gravitacija in variacija temperature ter tlaka brizganja. S slike 2.5 lahko razberemo različne primere ujetih skupkov por. Do pojava poroznosti pride zaradi procesa strjevanja zlitine in razlike v gostoti pri tekočem in strjenem stanju. Pomemben dejavnik nastanka por je tudi izločanje plinov med procesom ohlajanja. Poroznost nastaja tudi zaradi ujetega zraka iz okolice v kalupu (formi), zato je med izdelovalnim procesom nujen povečan končni tlak za iztisnitev tega plina iz zlitine in/ali uporaba vakuumske črpalke. Več o oblikah lunkerjev tudi v poglavju 4, kjer bodo razdelani posamezni primeri analiziranih eksperimentalnih vzorcev ter metalurške napake na kritičnih ravninah.
Oblike makro poroznosti
3 Metodologija napovedovanja dobe trajanja poroznih struktur
3.1 Uvod
V naslednjih poglavjih se osredotočamo na izbiro najprimernejše metode dinamičnega preizkušanja, ki bo dala najboljšo napoved dobe trajanja glede na znano velikost in vrsto obremenitve. V preteklosti je velika večina testiranj temeljila na spremljanju obrabe, stanja korozivnosti in preverjanju statične nosilnosti oz. preobremenitev [67]. Problematiko utrujanja materiala je med prvimi prepoznal Wöhler [68] na področju razvijajočih se železniških tirnih vozil. Pomembni raziskovalci v tistem začetnem obdobju so bili tudi Basquin [69], Palmgren [70], Miner [71], Gassner [72] itd., ki so s svojimi specifičnimi odkritji pripomogli k napredku razumevanja pojavov na področju velikociklične trdnosti.
Nato je predvsem na področju razvijajočega se civilnega letalstva pogosto začelo prihajati do nepojasnjenih nesreč, kjer so se v nadaljevanju odkrile kritične hibe na polju dinamične odpornosti nekaterih vitalnih komponent. Znan je primer poleta El Al 1862, kjer se je zaradi utrujanja materiala odlomil nosilec motorja s sornikom, kar je vodilo v strmoglavljenje letala Boeing 747. Pri poletu United Airlines Flight 232 DC-10 je bila usodna utrujenostna razpoka v ventilatorju letalskega motorja, kjer ocenjujejo, da je ta v titanovi zlitini rastla kar 18 let. S področja železniškega prometa gre omeniti uvedbo modificiranih tirnih koles dual-block z vmesno gumo za blaženje sunkov, kar je vodilo v pospešeno rast razpoke v kompozitnem kolesu zaradi velikih razlik v modulu elastičnosti materialov jeklo/guma, in posledica je bila iztirjenje nemške vlakovne kompozicije ICE leta 1998 blizu naselja Eschede. Eni najodmevnejših nesreč sta bili zaporedni strmoglavljenji prvih potniških letal z reaktivnim pogonom na svetu De Havilland Comet [73], kjer se je kasneje ugotovilo, da so bile nosilne komponente močno dinamično (pre)obremenjene in neustrezno oblikovane (oglata okna, ki so odtlej vsa ovalnih oblik).
Posledica navedenih in drugih podobnih primerov je bila, da se je težišče preiskovanja in tudi zasnova novih nosilnih komponent razširila na mnogokrat spregledano, vendar z vidika pogostosti odpovedi še pomembnejše področje dinamične nosilnosti. Ta zadnji primer nesreč reaktivnih letal Comet iz leta 1954 velja za začetek sistematičnega raziskovanja utrujanja materiala in novega načina konstruiranja z vključitvijo povečane odpornosti proti dinamičnim obremenitvam. Preučevanje in napovedovanje dobe trajanja spada med najmlajše veje preizkušanj, kjer obenem posredno in neposredno sodeluje veliko spremljajočih dejavnikov, zato je še vedno predmet intenzivnih raziskovanj.
3.2 Vpliv lokalnih nehomogenosti na iniciacijo poškodbe
Utrujenostne razpoke imajo nekatere karakteristične značilnosti, ki se ločijo od drugih poškodb, kot so npr. lokalni preobremenitveni (trenutni) lomi, obraba itd. Utrujenostno razpoko lahko forenzično zaznamo tudi posredno z analizo površine delov separacije.
Prisotnost korozije na njej nakazuje na dolgotrajnejšo počasno rast in tvorbo oksidov, nastalih kot zaščita materiala pred atmosferskimi vplivi. Za razliko od statičnega pretrga, ki tvori razbrazdan, grob lom, je površina utrujenostnega loma običajno gladka, celo spolirana, kot posledica dolgotrajnejšega dinamičnega drgnjenja in glajenja obeh polovic v nastajajoči razpoki zaradi ponavljajočih se cikličnih obremenitev. Pri utrujenostni poškodbi lahko zaznamo tudi značilne (pol)krožne fronte rasti razpoke (strije), ki se širijo iz mesta izvora inicialne razpoke. Začetne utrujenostne razpoke najlažje zaznamo z neporušnimi metodami, tj. z ultrazvočno kontrolo ali s fluorescentnimi premazi in nato opazovanjem oz.
iskanjem razpok pod UV-svetili.
Pojem inicialne razpoke je prvi pomembni termin na področju obratovalne trdnosti, ki ga je treba raziskati in prepoznati. Je nekakšen sprožilec fizične rasti razpoke, potem ko se je v materialu akumuliral kritični delež poškodb. Na mikro skali je ta proces poznan kot pojav potovanja dislokacij – ene potujejo iz površine (ekstruzija), druge pa lezejo v površino (intruzija). Ko inicialna razpoka nastane, se njena rast redko zaustavi in običajno napreduje do končne odpovedi oz. preloma. Ta pojav je do določene mere lahko podoben poškodbam vetrobranskih stekel vozil. Ko je steklo čeprav minimalno lokalno poškodovano, npr.
zaradi udarca kamenja, predstavlja to mesto nevarnost nastanka in rasti razpoke. Pojav inicialne razpoke smo v svojih raziskavah spremljali tudi na primerih drsnih površin. Za izboljšanje tribologije drsnih površin se je proučevala vpeljava različnih površinskih tekstur, ki jih namerno, v obliki točk vtisnemo v površino. Čeprav bi bili vtiski ali vdolbinice globoke zgolj nekaj mikrometrov, so to potencialno že lahko tvorbe inicialnih poškodb, iz katerih se lahko razvije rast razpoke. Opisana tematika se navezuje na študijo možne industrijske uporabe tega postopka pri tehnologiji prašne metalurgije in orodjih za preoblikovanje pločevine, za izboljšanje drsnih lastnosti različnih vodil, kjer bi vtiski po obodu delovali kot mikro rezervoarji ujetega maziva (slika 3.1).
Slika 3.1: Izdelava vdolbinic na površini pestiča prebijalnega orodja za izboljšanje drsnih lastnosti.
Raziskava je bila izvedena v sodelovanju z Inštitutom za kovinske materiale in tehnologije (IMT) in kasneje predstavljena v članku revije ASTM International – Materials Performance and Characterization (MPC) [74]. Predstavljeni so bili različni pristopi za določanje življenjske dobe vzorca, saj je bila tehnologija vtiskovanja uporabljena na vzmetnem jeklu Boehler K890, ki je zelo dovzetno za vsakršne površinske poškodbe. Za tvorbo vtiskov so bile obravnavane tri oblike: vrhova standardne Vickersove piramide in Rockwellovega stožca ter polovični sferični volumen, ki nastane ob laserskem impulznem talilnem odnašanju materiala. Poleg vtisnjene oblike je pomemben tudi vtiskovalno- izdelovalni postopek. Najprej sta bila simulirana vtiska Rockwellove in Vickersove geometrije, ki jima je sledila numerična napoved dobe trajanja. Tako je bil zajet in obravnavan tudi vpliv zaostalih napetosti na skupno zdržljivost po vtisku. Pri lasersko kreirani vdolbinici in referenčnem vzorcu je bil izveden samo numerični izračun zdržljivosti brez zaostalih napetosti, saj jih je zaradi termomehanske narave pojava bistveno težje simulirati. Ker so geometrijske nehomogenosti precej večje od materialnih, končne primerjave zmanjšanih razredov dobe trajanja odpadejo na vrsto uporabljene teksture. Za potrditev uporabljenega postopka so bili numerični zdržljivostni modeli primerjani z eksperimentalnimi preizkusi. Podrobnejša analiza razkriva, da imajo zaostale napetosti pomembno vlogo na zdržljivost. Po eni strani natezne zaostale napetosti v kombinaciji z vzorčeno površino znižajo dobo trajanja, po drugi pa raziskave kažejo, da tlačne zaostale napetosti povzročijo nasprotni učinek, izboljšanje dinamične zdržljivosti, kljub napetostni relaksaciji po prvih ciklih. Cilj je bil raziskati, kateri od obeh pojavov prevladuje pri površinskem naprintanju vtiskov.
Slika 3.2: Vtiskovanje oz. izdelovanje majhnih vdolbinic na površini za izboljšanje drsnih lastnosti lahko že pomeni nastanek kritične inicialne poškodbe in iz tega rast razpoke.
V raziskavi smo predpostavili, da obremenitveni cikel z obremenitveno zgodovino predstavlja histerezno zanko v σ-ε diagramu. Obremenitveni cikel je dobljen na podlagi Rainflow metode in opisan z dvema parametroma: srednjo napetostjo σm in amplitudno napetostjo σa obremenitvenega cikla. Vsi vzorci v raziskavi so bili analizirani pri dinamični obremenitvi R = –1. Pri izračunu dobe trajanja je bil uporabljen pristop kritične ravnine z upoštevano normalno napetostjo, saj je analizirano jeklo Boehler K890 precej nagnjeno h
