Ghostscript wrapper for D:\BBB-ARCH\MTS67\MTS67_t5z1_4_PDF\mts67_t5z1.pdf M E C H AN I K A TEORETYCZNA I  STOSOWANA I,  5 (1967) WPŁYW  WSTĘ P N EGO OD KSZTAŁCEN IA  P LASTYC Z N EG O N A  EN ERG IĘ U D AROWEG O  ZRYWANIA EWA  D R E S C H E R O W A  (WARSZAWA) 1.  Wprowadzenie Zagadnienie  wpł ywu  wstę pnych  odkształ ceń plastycznych  na  wł asnoś ci  mechaniczne stali posiada  dość obszerną   literaturę  w aspekcie waż nego  z technicznego pun ktu widzenia zagadnienia  kruchoś ci  stali,  pracują cych  pod  udarowymi  obcią ż eniami  w  obniż onych temperaturach.  Istnieje  wiele  prac  stwierdzają cych,  że  wstę pne  odkształ cenie  plastyczne i  odpowiednia  obróbka  cieplna  przesuwają   krytyczną   temperaturę  kruchoś ci  w  kierunku wyż szych  temperatur  i  dyskutują cych  moż liwoś ci  polepszenia  wł asnoś ci  mechanicznych stali, przeznaczonych do pracy  w opisanych warunkach. Omawia je  mię dzy  innymi  mono- grafia  WŁADIMIRSKIEGO  [2].  Zagadnienie  zależ noś ci  energii  udarowego  rozrywania  od wstę pnych  odkształ ceń plastycznych w dostę pnej literaturze jest  traktowane jako  margines szerszych  badań kruchego  pę kania  stali. W niniejszej  pracy  ograniczono  się   do  zbadania wpływu  wstę pnych  odkształ ceń  plastycznych  przez  rozcią ganie  n a  energię   zniszczenia udarowego  stali  MSt 4  w  stanie nież arzonym. Analiza  tego  zagadnienia  pozwala  ocenić wł asnoś ci elementów konstrukcyjnych  .wykonanych  metodą   tł oczenia  na  zimno,  bez póź- niejszej  obróbki  cieplnej  i pracują cych  w  warunkach  obcią ż eń  dynamicznych. 2.  Metoda  badań Rozcią ganie  statyczne powodują ce  wstę pne  odkształ cenie plastyczne  w  próbce  prowa- dzono na 10 tonowej zrywarce hydraulicznej ze ś rednią  prę dkoś cią   wydł uż enia 0,3  mm/ min. Badania udarnoś ciowe prowadzono na mł ocie Charpy'ego dostosowanym do udarowego rozrywania  o podwójnym  zakresie  energii od 0- 15  KG m i 0- 30  KG m ze stał ą   począ tkową prę dkoś cią   uderzenia  5  m/ sek.  W  celu  uzyskania  miarodajnych  wyników  stosowano przecię tnie  cztery  próbki  dla  każ dej  badanej  wartoś ci  odkształ cenia.  Ze  wzglę du  na  za- gadnienie  starzenia  materiał u  zachowano  stał y  dla  wszystkich  próbek  przedział   czasu wynoszą cy  jedną   godzinę   pomię dzy  próbą   statyczną   a  udarnoś ciową.  W  rozważ aniach pominię to efekty  cieplne. Badania wykonano  dla 84 próbek. 3.  Pomiar  odkształ ceń  plastycznych  i  energii  odkształ cenia Typową   próbkę   stosowaną   w  badaniu  udarnoś ciowym  na  rozrywanie  na  mł ocie Charpy'ego  (rys.  1)  przystosowano  do  badań  statycznych.  D o  pomiaru  wstę pnych  od- kształ ceń  plastycznych  uż ywano  tensometru  mechanicznego  firmy  «Amsler»  na  bazie 104 E.  DRESCHEROWA 40  mm i o dokł adnoś ci odczytu 0,01  mm, zakł adanego bezpoś rednio  na próbkę .W  trakcie próby  rozcią gania  odczytywano  równocześ nie  wartoś ci  siły  i  wydł uż enia,  co  pozwalał o konstruować dla każ dej próbki dokł adny wykres P =   P(Al).  Ponieważ praca miał a na celu uzyskanie  iloś ciowej  zależ noś ci  energii  udarowego  rozrywania  od  wstę pnych odkształ ceń R ys.  1 plastycznych,  dokł adny  pomiar  wartoś ci  zastosowanych  odkształ ceń  stanowił   istotny problem.  Opisany  tensometr  mechaniczny  pozwalał   mierzyć  odkształ cenia  jedynie  do wartoś ci  10%.  Skonstruowano  wię c przyrzą d  pozwalają cy  mierzyć  wydł uż enia próbki  aż do momentu zerwania  (rys. 2). c1 Li 1 p —r Ł i— 4 3  1  J 3 b D'  tj A i— fil ~\   Mostek tens. Rejestrator Mostek  tensom- Rejestrator Rys.  2 Badaną  próbkę   otaczał y dwie sprę ż yste  obejmy  z cienkiej  blachy  mosię ż nej, na których umieszczono  po  dwa  tensometry  oporowe  A  rozcią gane,  B  ś ciskane.  Po  obu  stronach próbki  umieszczono  ponadto w specjalnym  uchwycie  dwa  mechaniczne czujniki  o dokł ad- noś ci 0,01 mm. D o  cią gł ej  rejestracji  odkształ ceń sł uż ył  zestaw przedstawiony  na rys.  2. Zmiany napię - cia  w  obwodzie  tensometrow  proporcjonalne  do  wydł uż enia  próbki  przekazywano  na wejś cie  mostka  tensometrycznego  pracują cego  w ukł adzie z  rejestratorem.  W  celu zwię k- szenia  dokł adnoś ci rejestracji  odkształ ceń pomimo liniowego  zakresu  pracy  tensometrow / / CD  LO I -p '"i o.  CL  o. •  <\J [105] 106  E.  DRESCHEROWA prowadzono  dla  każ dej  próbki  odczyty  wartoś ci  wydł uż enia Al  z  dokł adnoś cią   0,005  mm (ś rednia  obu  czujników)  równocześ nie  z  odczytami  wartoś ci  przyrostów  sił y. Pozwalał o to  dla róż nych zakresów  odkształ ceń dobrać jak  najszersze  wychylenia  pisaka rejestratora. Jednakże w  zakresie  mał ych odkształ ceń wygodniej  był o posł ugiwać się  czujnikiem mecha- nicznym  ze wzglę du  n a pewne  trudnoś ci wystę pują ce  przy  wzmacnianiu  mał ych  impulsów prą du  stał ego.  Prę dkość  przesuwu  taś my  rejestratora  wynosił a  3600 mm/ godz.  N a  uzys- kanym  wykresie  rejestratora  zapisują cego  wydł uż enie  w  funkcji  czasu  moż na  wyróż nić poszczególne  fazy  procesu  rozcią gania:  począ tkowo  krzywa  ma przebieg  prawie poziomy, widoczny  wzrost  odkształ ceń zaczyna  się   w momencie przekroczenia przystanku  plastycz- noś ci.  Zmiana  ką ta  nachylenia  krzywej  w  obszarze  duż ych  odkształ ceń ś wiadczy  o  roz- poczę ciu  się   procesu  nieustalonego  pł ynię cia.  Wartość  wydł uż enia  w  momencie  rozer- wania jest  okreś lona jednoznacznie z  dokł adnoś cią  do 0,1 mm. Podobny odczyt  koń cowej wartoś ci wydł uż enia w momencie zniszczenia próbki przy stosowaniu czujników mechanicz- nych jest niemoż liwy  ze wzglę du na zbyt  dużą  prę dkość wydł uż enia w momencie tworzenia się   szyjki. W  celu  uzyskania  cią gł ej  w  czasie  rejestracji  przyrostów  siły  obcią ż ają cej  naklejono cztery  tensometry  oporowe  n a  pracują cy  sprę ż yś cie  reduktor  gwintu  mię dzy  próbką a  szczę kami  zrywarki.  U ż yto rejestratora  pracują cego  w ukł adzie z mostkiem. W  obwodzie rejestratora  wbudowano  znacznik  kreś lą cy  pionową   kreską   na  wykresie P  =  P(t) punkty 0  przyporzą dkowanej  wartoś ci  sił y  co  50  kg.  Zaletą   tego  typu  rejestracji  P =   P(t) jest dokł adny  opis  odcią ż ania  w  procesie powstawania  i propagowania  się  szyjki, jak  również rejestracja  sił y  maksymalnej  i  sił y  zrywają cej.  Zsynchronizowanie  prę dkoś ci  przesuwu taśm  obu  rejestratorów  pozwolił o  wyeliminować  czas  z  wykresów  P =   P{t),  Al  — Al(t) 1  skonstruować  wykres  P  =  P(Al)  dla  każ dej  badanej  próbki.  Tak  uzyskane  wykresy planimetrowano, aby  wyznaczyć  pracę  odkształ cenia równoważ ną   energii  zaabsorbowanej przez  próbkę   w  procesie  rozcią gania  do  danej  wartoś ci  wstę pnego  odkształ cenia. Otrzy- mana tą   drogą   energia  odkształ cenia statycznego  mogł a być porównana z  energią   pochł o- nię tą   przez  próbkę   w  próbie  nastę pnego  udarowego  rozrywania.  Odkształ cono statycznie aż  do zerwania  trzy  próbki,  których wykresy rozcią gania  przedstawia  rys.  3. Pole zawarte pomię dzy  osią   odkształ ceń a  wykresami  rozcią gania  przedstawia  wartość  energii  pochł o- nię tej  przez  próbkę   zniszczoną   statycznie. D zielą c  wykres  (rys.  3)  na  odcinki,  a  tym  samym  pole  na  czę ś ci  zależ ne  od  wartoś ci umownego  wstę pnego  odkształ cenia plastycznego, uzyskano  moż liwość  okreś lenia  wpływu wstę pnych  odkształ ceń plastycznych na cał kowitą  energię  zrywania  statycznego, co przyję to za  podstawę   porównania wartoś ci  energii  dwu  róż nych programów  doś wiadczenia:  wstę p- nego  odkształ cenia  statycznego  i  zniszczenia  udarowego  oraz  wstę pnego  odkształ cenia statycznego  i  zniszczenia  statycznego.  Wykonano  również  próby  mają ce  na  celu zbadanie próbek  wstę pnie  odkształ conych  dynamicznie,  a  nastę pnie  zniszczonych  przez  statyczne rozerwanie. 4.  Wyniki  badań Krzywa A na rys. 4 przedstawia uzyskaną  zależ ność cał kowitej energii, równej sumie energii statycznej  i udarowej  E s - \ - E d  od wartoś ci wstę pnego  odkształ cenia plastycznego  es p . Przez WP Ł YW  WSTĘ PNEGO  ODKSZTAŁ CENIA  PLASTYCZNEGO  NA  ENERG IĘ  UDAROWEG O ZRYWAN IA  107 energię statyczną  należy rozumieć energię zaabsorbowaną  przez próbkę w procesie  statycz- nego rozcią gania, przez energię udarową  energię zaabsorbowaną  przy  zerwaniu  n a  mł ocie. N a rysunku oznaczono pole rozrzutu wydł uż enia próbek  rozerwanych  statycznie. G odnym uwagi jest  maleją cy  charakter przebiegu  krzywej  A  od  wartoś ci  18 kG m dla  próbek  zer- wanych  dynamicznie  do  11  kG m  dla  próbek  zerwanych  statycznie.  Oczywiste  jest,  że podobny  wykres  skonstruowany  na podstawie  rys.  3 dla próbek  wstę pnie odkształ conych statycznie i zerwanych  statycznie bę dzie linią  prostą  równoległ ą do osi wstę pnych odkształ - ceń. Zgodnie z wynikami  prac  [1 i  3] przyczyną  duż ej róż nicy charakteru przebiegu  omó- E[ kGm] 19 - 16 - 15 -M - tt °  próbki wstę pnie  odkszt  statycznie zerwane  udarowo *  próbki  wstę pnie  odkszt.  udarowo zerwane  statycznie 27 30 33 36 s  - d o, £p,Ep  /o Rys. 4 wionych  krzywych  jest  wraż liwość  badanej  stali  na  prę dkość  odkształ cenia,  co  bę dzie jeszcze  dyskutowane  poniż ej. Wydaje  się być również godnym iiwagi zbadanie  odwrotnej zależ noś ci:  wpł ywu  wstę pnych  dynamicznych  odkształ ceń  plastycznych  ej  n a  energię póź niejszego  statycznego  rozrywania.  W przybliż eniu  okreś lono  kształ t krzywej  E  cał k.  = =   E d +E st   w  przypadku  odwrotnego  obcią ż enia  (linia  £  na  rys.  4).  Minimalną  energią cał kowitą  bę dzie jak  poprzednio  energia  próbki  zniszczonej  statycznie, maksimum  przy- padnie na  próbkę  rozerwaną  dynamicznie. Przy  zachowaniu  warunku  stał ej  począ tkowej prę dkoś ci  wydł uż enia  odkształ cono wstę pnie  dynamicznie  pięć próbek  do  wartoś ci  ed p  = — 26,5- 30%, a nastę pnie rozerwano je statycznie. Linią przerywaną  B, rys. 4, przedstawiono 108 E.  DRESCHEROWA przewidywaną   zależ ność  energii  cał kowitej  od  wstę pnego  odkształ cenia  dynamicznego. N a  rysunku  4  oznaczono ponadto  pole  rozrzutu  wydł uż enia  próbek  rozerwanych  dyna- micznie. Łatwo zauważ yć, że  wydł uż enie próbki  rozerwanej  dynamicznie jest  wię ksze  niż wydł uż enie próbki zerwanej  statycznie. Krzywa  A  na  rys.  5 przedstawia  energię  udarowego  zrywania  próbek  E d   (por. rys. 6b) w  zależ noś ci  od wielkoś ci wstę pnych  odkształ ceń plastycznych  uzyskanych  przez statyczne Rys.  5 rozcią ganie.  Energia dynamiczna, jak tego należ ało oczekiwać, wyraź nie  maleje. Krzywa  B n a rys.  5 przedstawia  skonstruowaną   na podstawie wykresu 3 zależ ność energii  statycznego zniszczenia E 3   (por. rys.  6a) od wstę pnych  odkształ ceń plastycznych  uzyskanych  przez  sta- tyczne  rozcią ganie.  Wielkość  energii  E s   wyznaczano  w  nastę pują cy  sposób  z  rys.  3. ho Co Ol  Oj OCPb * fr o\ K . Począ tek  procesu nieustalonego  pł ynię cie! 110  E.  DRESCHEROWA Podzielone  na  13  czę ś ci  pole  równoważ ne  energii  statycznej  planimetrowano  kolejno wycinkami  odkł adając n a rys.  5 wartoś ci  energii uzyskanej  z odję cia  od cał kowitego pola wycinków  odpowiadają cych  okreś lonym  wartoś ciom  wstę pnych  odkształ ceń,  np.: dla przypadku  zerowych wstę pnych  odkształ ceń punkty na krzywej  B przedstawiają  cał kowitą energię  zniszczenia  przez  statyczne  rozcią ganie.  N a  rysunku  5  wyraź nie  widać  istotne róż nice w energiach oraz w ką tach nachylenia obu krzywych. Rysunek  6a przedstawia  uproszczony wykres rozcią gania  mię kkiej  stali. Zakreskowane pole  rys.  6b przedstawia  wartość  energii E d   zaabsorbowanej  przez próbkę podczas udaro- wego rozrywania.  U proszczony wykres rozcią gania  w próbie dynamicznej skonstruowano na  podstawie  doś wiadczeń  Campbella- D uby'ego  [1]. Rozpatrując  kolejno  róż ne wartoś ci wstę pnych  odkształ ceń statycznych na rys.  6b uzyskano podobną w  charakterze przebiegu i  ką cie  nachylenia  zależ ność  pomię dzy  wstę pnym  odkształ ceniem plastycznym  a  energią rozrywania  udarowego. N a  podstawie krzywych  A  i B z rys. 5 skonstruowano wykres stosunku energii udarowej Ea  do  energii  statycznej  E s   dla  tych  samych  wartoś ci  wstę pnych  odkształ ceń  (rys.  7). W  zakresie  es p  <-^  0- 17%  stosunek  ten przyjmuje  w przybliż eniu  wartość  stał ą.  Począ wszy od  £p  =   20% rozpoczyna się  wzrost  ilorazu.  Punkty  o rzę dnej  ss p  =   32,5%  został y  zdję te dla próbek  odkształ conych wstę pnie aż do momentu wystą pienia  wyraź nej  szyjki. 5.  Wnioski 1.  Krzywa  A  na  rys.  5  przedstawia  iloś ciową  zależ ność  pomię dzy  wstę pnym  od- kształ ceniem  plastycznym  a  energią  udarowego  rozrywania  dla  stali  MSt  4.  Przepro- wadzone badania doś wiadczalne  są jedyną  drogą  iloś ciowego  uję cia  omawianego  wpł ywu i  jako  takie  mogą  stanowić  pomoc przy  ocenie  wł asnoś ci  elementów  konstrukcyjnych wykonanych  metodą  tł oczenia  n a  zimno  i  pracują cych  w  warunkach  dynamicznych obcią ż eń. 2.  M alenie  cał kowitej  pracy  odkształ cenia plastycznego  E s   +   E d   w  miarę  wzrostu wstę pnych  odkształ ceń  plastycznych  przez  statyczne  rozcią ganie  ś wiadczy  o  wraż li- woś ci  badanej  stali  na  prę dkość  odkształ cenia. 3.  Wzrost  ilorazu  przedstawionego  na  rys.  7  dla  duż ych  wstę pnych  odkształ ceń plastycznych,  przy  których  pojawia  się  w  próbce i  propaguje  szyjka,  ś wiadczy  o tym, że  dla  zł oż onego  stanu  naprę ż enia, jaki  ma  miejsce  w  próbce  w  momencie  utworze- nia  się  szyjki,  nie  zachowuje  się  wzajemna  relacja  pomię dzy  próbą  statyczną  i  dyna- miczną  obowią zują ca  dla  jednoosiowego  stanu naprę ż enia. Literatura  cytowana  w  tekś cie 1.  J.  D .  CAM PBELL,  J .  D U BY,  P rov.  R oyal  So c ,  London, Vol.  236,  VI,  1956. 2.  T .  A.  BJIA^H MH PCKH a,  Xpymocmb  omamu,  M amrira, MocKBa  1959. 3.  K>.  5L .  BOJIoniEH KO- KJIH MOBumcH ń, ffiMciMimecKuu npedeji  meKyiecmu, IfeflaTejibCTBO  «H ayKa», MocKBa  1965. WPŁYW  WSTĘ PNEGO  ODKSZTAŁCENIA  PLASTYCZNEGO  NA ENERGIĘ   UDAROWEGO  ZRYWAN IA  111 P  e  3 10  M e BJIHHHHE  nPEflBAPHTEJIBHBIX  nJIACTHMECKKTC  flEc&OPM AIJH H   HA  3H E P rH I O PA3pyinEH H ^t  n p H   Y U A P H O M   P A3 P B I B E B  paSoTe  npeflCTaBJieH bi  pe3yjibTaTM   3KcnepnMeHTajn>HBix  nccjiefloBaH iin  BJI H H H H H H WX  njiacTiraeci