Dziś jest poniedziałek, 21 październik 2019 r.
Energoelektronika.pl na stronach Facebook REKLAMA MAPA SERWISU KONTAKT
Strona główna Załóż konto Artykuły branżowe Katalog firm Seminaria FAQ Kalendarium Słownik Oferta
Wyszukaj
1USD 3.8503 -0.35% 1EUR 4.2844 -0.01% 1GBP 4.9671 +0.43%
Zaloguj się
Login (adres e-mail):
Haslo:
  Rejestracja
  Zapomniałem hasła
Reklama

Reklama

Aktualności
Siemensa buduje fabrykę dla Przemysłu 4.0 w Polsce
więcej
Przyszłość sektora motoryzacji w Polsce ? raport Banku Pekao S.A.
więcej
Nowy cykl szkoleń praktycznych związanych z programowaniem sterowników marki Siemens
więcej
32 edycja targów Energetab 2019 juz za cztery tygodnie
więcej

Zobacz archiwum

Kalendarium
23 październik 2019
LUMENexpo Targi Techniki Świetlnej  
więcej
29 październik 2019
73. edycja Seminarium dla Służb Utrzymania Ruchu  
więcej
Newsletter
Jeżeli chcesz otrzymywać aktualne informacje o wydarzeniach w branży.
Podaj e-mail do subskrypcji:


Artykuły branżowe
16 listopad 2012.

Zużycie eksploatacyjne okrętowego stopu aluminium 7020

Zużycie eksploatacyjne okrętowego stopu aluminium  7020

STRESZCZENIE

W pracy przedstawiono metodykę wyznaczania charakterystyki plastycznej (wzmocnienia) stopu aluminium AW-7020 pobranego z konstrukcji nadbudówki okrętu po 25 latach eksploatacji, na potrzeby symulacji numerycznych w programie CAE. Charakterystykę materiałową wyznaczono na podstawie wyników statycznej próby rozciągania płaskich próbek z rzeczywistym ubytkiem korozyjnym.

WPROWADZENIE

Stop aluminium AW-7020(wg PN: PA 47; wg EN: AW-7020; wg DIN i ISO: AlZn4,5Mg1) jest stosowany w przemyśle okrętowym [1, 2], z którego wykonana jest miedzy innymi nadbudówka okrętu ORP Kaszub [9]. Powstała potrzeba wykonania szeregu analiz wytrzymałościowych konstrukcji tejże nadbudówki. Jakakolwiek ocena wytrzymałości konstrukcji nadbudówki okrętu wymaga poznania podstawowych własności fizycznych i mechanicznych materiału, niezbędnych w danym modelu obliczeniowym, opisującym badane zjawisko. Obecnie do analiz wytrzymałościowych wykorzystywane są programy CAE [5,6], w których przyjęto pewne standardy opisu własności materiałowych. Wspomniana wcześniej analiza obejmuje zakres plastyczny, dla którego należy odpowiednio przygotować dane materiałowe. W modelu sprężysto plastycznym materiału, cześć sprężystą definiuje się poprzez podanie wartości modułu Younga i liczby Poissona, a część plastyczną definiuje się w formie tabelarycznej zawierającej wartości naprężeń plastycznych w funkcji odkształcenia plastycznego dla jednoosiowego stanu naprężenia. Stosuje się również opis charakterystyki plastycznej w formie wielomianu.

DANE LITERATUROWE O STOPIE ALUMINIUM PA47

Stop aluminium AW-7020 charakteryzuje się wysoką wytrzymałością zmęczeniową. Jest podatny do spawania oraz obróbki skrawaniem. Stosunkowo wysokie własności wytrzymałościowe ograniczają obróbkę plastyczną. Podczas gięcia mogą występować pęknięcia i złuszczenia. Znajduje on zastosowanie przede wszystkim w konstrukcjach spawanych, które winny charakteryzować się wysoką wytrzymałością.Według literatury skład chemiczny stopu PA 47 jest następujący[7, 8]:

Zn 4,0- 5,0 % Zr+Ti 0,08 - 0,25 %
Mg 1,0 - 1,4 % Zr %0,08 - 0,20 %
Mn 0,05 - 0,50 % Cu max. 0,20 %
Fe max. 0,40 % Inne max. 0,05 %
Cr 0,10 - 0,35 % Inne razem max. 0,15 %
Si max. 0,35 % Al pozostałość

Podstawowe własności mechaniczne wynoszą:

gęstość 2780 kg/m3
moduł sprężystości E 7,0×104 MPa
moduł sprężystości poprzecznej G 2,64×103 MPa
granica plastyczności R0,2 250 ÷ 290MPa
granica plastyczności Rm 360 ÷ 435 MPa
liczba Poissona 0,33
twardość HB 104 ÷ 123
wydłużenie A5 12 ÷ 14 %
temperatura krzepnięcia 605 °C
ciepło właściwe 873J/kgK
współ. rozszerzalności cieplnej 23,3×10-12K-1
przewodność cieplna 130÷ 170W/mK

Dane te można przyjmować do szacunkowych analiz wytrzymałości konstrukcji.Doświadczenia wykazują, że własności materiału zależą od jego kształtu. Powyższe dane prawdopodobnie były pozyskiwane dla próbek okrągłych. Dla płaskich blach należałoby pozyskać własności dla płaskich próbek. Ponadto własności materiału danej konstrukcji np. nadbudówki okrętu po wieloletniej eksploatacji, oddziaływaniu środowiska morskiego, zmiennych obciążeniach i wskutek innych przyczyn mogły ulec zmianie. W celu określenia aktualnych własności mechanicznych wykonuje się próby rozciągania na rodzimym materiale. W takim przypadku pojawia się problem pozyskania próbek, lub wykonania badań metodami nieniszczącymi. W przypadku okrętu ORP Kaszub pojawiła się okazja pozyskania znacznych ilości rodzimego materiału nadbudówki w trakcie remontu stoczniowego, podczas którego wymieniano jej poszycie i elementy wzmacniające (Rys. 1).


Rys. 1. Blachy PA47z nadbudówki okrętu ORP Kaszub

NOMINALNA CHARAKTERYSTYKA BLACHY AW-7020

Charakterystyki nominalne, niezbędne do symulacji otrzymano z statycznej próby rozciągania próbek wyciętych z fragmentu nadbudówki wymienionej podczas remontu stoczniowego(Rys. 2).Do badań przyjęto płaski kształt próbki ze względu na niewielkągrubość poszycia, wynosząca 3,5 ÷ 3,75 mm. Szerokość obszaru pomiarowego wynosiła 25 mm, a długość robocza 115 mm.


Rys. 2. Próbki do badań wytrzymałościowych z blachy AW-7020

Wydłużenie próbek w trakcie próby rozciągania mierzono za pomocą ekstensometru. Poniżej na wykresie przedstawiono charakterystykę nominalną(bezpośrednio z MTS) naprężenie - odkształcenie ε nom δ nom orazwartości modułu Younga E, wyznaczone dla wyników  bezpośrednio otrzymanych z pomiarów, wykonanych podczas próby rozciągania.

Moduł Younga w zakresie sprężystym nie jest wartością stałą, zależy od zakresu charakterystyki, dla której jest wyznaczany. Do obliczeń na potrzeby programów CAE przyjęto moduł Younga EPA47 = 9,1×104 MPa.

PLASTYCZNA CHARAKTERYSTYKA BLACHY AW-7020

W analizach konstrukcji w zakresie sprężysto-plastycznych, konieczna jest znajomość rzeczywistej charakterystyki materiału ε - δ, ReiRm oraz znajomość wzmocnienia εpl - δpl. Charakterystyki te pozyskuje się na podstawie wyników z powyższej quasi-statycznej próby rozciągania. Z maszyny wytrzymałościowej otrzymuje się charakterystykę Δl-F, na podstawie której oblicza się tz. charakterystykę nominalną materiału εnom - δnomz zależności [3, 4]:

gdzie:
F - siła rozciągająca próbkę;
Δl=Δl(F) - wydłużenie próbki;
l=l(F) - aktualna całkowita długość próbki;
l0- początkowa długość próbki;
A0= const. - początkowy przekrój próbki.

Otrzymana w ten sposób charakterystyka nominalnaenom-snomobarczona jest narastającym błędem, gdyż początkowy przekrój próbki A0w trakcie jej rozciągania zmniejsza się A=A(F).

Początkowo w zakresie sprężystym zmiany są pomijalne, po przekroczeniu granicy plastyczności prędkość tej zmiany wzrasta, aż do zerwania. Pomiar pola przekroju w trakcie próby rozciągania jest dość kłopotliwy, ale możliwy i obecnie w wielu laboratoriach wykonywany. Charakterystykę rzeczywistą εtrue-δtrueuzyskuję się na podstawie przekształceń uwzględniających warunki geometryczne i związki fizyczne. Przyrost rzeczywistego odkształcenia podczas rozciągania próbki wynosi:

przy jednoczesnym rzeczywistym naprężeniu wynoszącym:

gdzie:
A(F) - aktualny przekrój próbki.
Jeżeli wyrażenia na εtrue i εnomdoda się stronami i przekształci, otrzymuje się wzajemną zależność między nimi,wyrażoną w formie logarytmu naturalnego w postaci:

Relację miedzy naprężeniami δtrue i δnom otrzymuje się korzystając z założenia, że objętość rozciąganej próbki w trakcie rozciągania jest stała, więc:l0A0= l A(F). Stąd:

Podstawiając powyższą zależność do definicji naprężeń otrzymuje się:

Z wyrażenia na εnom wynika, że:

W programach CAE rzeczywistą charakterystykę materiału sprężysto - plastycznego wprowadza się w dwóch częściach. W pierwszej podaje się charakterystykę sprężystą w klasyczny sposób, przez podanie modułu Younga E i liczby Poissona v. W drugiej części podaje się charakterystykę plastyczną w formie tabelarycznej, rozpoczynając od granicy plastyczności, podając wartości naprężeń rzeczywistych i odpowiadające im odkształcenia plastyczne. Odkształcenia plastyczne wylicza się z zależności [3]:

Poniżej,na Rys. 7przedstawiono charakterystykę nominalną dla blachy aluminiowej AW-7020 w formie dyskretnej, na podstawie której wyznacza się charakterystykę rzeczywistą i plastyczną.

Charakterystyki rzeczywistą εtrue - δtrue i plastyczną εpl - δtrueoblicza się na podstawie wzorówzebranych w tabeli nr 1.

Tabela 1. Wyznaczanie Re, Rmi charakterystyki plastycznej

Rzeczywista granica plastyczności dla blachy AW-7020 wynosi Re=271,43 MPa, a granica wytrzymałości Rm= 440,24 MPa.

Część plastyczną powyższej charakterystyki można przedstawić za pomocą dwóch pierwszych wyrazów wielomianu w postaci:

gdzie poszczególne wielkości oznaczają:
εpl- odkształcenie plastyczne;
A1 - granica plastycznościRe;
A2 - parametr umocnienia;
n - wykładnik potęgowy umocnienia.

Podejście takie jest bardzo praktyczne w wielu programach komputerowych CAE, które umożliwiają wprowadzenia własności materiałowych w formie wielomianu jako równania Jonsona-Cook'a (JC). Wówczas powyższy wielomian jest jego pierwszym członem dla zerowej prędkości odkształcenia. Pozostałe współczynniki równania JC należy uzupełnić wartościami 1 i 0.   Na podstawie wyników z tabeli 1 przyjeto:

A1 = Re = 271,43 MPa

Parametry umocnienia B i n dobiera się tak, aby otrzymać funkcję bliską charakterystyki plastycznej. Dla parametrów:A2= 370 i n = 0,24otrzymano zadawalającą zgodność przedstawioną w tabeli 3 i na wykresie poniżej.

Zestawienie własności materiałowych dla blachy AW-7020:

  • gęstość - ρ = 2700 kg/m3;
  • moduł Younga - E = 9,1*104 MPa;
  • liczba Poissona - v = 0,34;
  • granica plastyczności - Re= 271,43 MPa;
  • granica wytrzymałości - Rm= 415,13 MPa.
Wartości współczynników opisujących część plastyczną charakterystyki wielomianem (Johnsona-Cooka) w postaci

przyjmują następujące wartości:

WNIOSKI

Wyznaczona charakterystyka materiałowa stopu aluminium AW-7020 w formie tabelarycznej lub wielomianu (równania JC) może być bezpośrednio wykorzystana w programach CAE do symulacji zagadnień statycznych. Otrzymane wartości granicy plastyczności i wytrzymałości zawierają się zakresach podawanych dla tego stopu w literaturze. Znaczne różnice otrzymano w wartości modułu Younga, który zależy od zakresu obliczeniowego. Obliczona średnia wartość modułu Younga wynosi E = 9.1*104 MPa i jest wyższa od podawanej w literaturze wynoszącej 7.0*104 MPa. Jest to efekt kształtu próbki. Jak wspomniano wcześniej, dane literaturowe prawdopodobnie były pozyskiwane dla znormalizowanych próbek o przekroju okrągłym.

Literatura

[ 1] Stephen F. Pollard., Boatbuilding with aluminum, ISBN 0-07-144318-5;
[ 2] Dymek S., Nowoczesne stopy aluminium do przeróbki plastycznej, Wydawnictwo AGH, Kraków 2012, ISBN: 978-83-7464-463-1;
[ 3] Dyląg Z., Jakubowicz A., Orłoś Z., Wytrzymałość materiałów, tom 1, WNT 2007;
[ 4] Abaqus 6.10, PDF Documentation, Theory Manual, Simulia, Dassault Systems 2010;
[ 5] Szturomski B. Podstawy Metody Elementów Skończonych, Wydawnictwo Akademickie AMW, Gdynia 2011, ISBN 978-83-60278-52-4;
[ 6] Szturomski B., Inżynierskie zastosowanie MES w problemach mechaniki ciała stałego na przykładzie programu ABAQUS, Wydawnictwo Akademickie AMW - Gdynia 2012;
[ 7] http://www.metale-kolorowe.eu/aluminium/wlasnosci-wytrzymalosciowe-blach-aluminiowych-EN-AW-7020.html.
[ 8] Dexter S. C., Mechanism of Passivity Breakdown in Seawater, "DelawareUniv Newark Coll of Marine Studies", 2000;
[ 9] http://www.mw.mil.pl/index.php?akcja=kaszub.
Bogdan Szturomski
Wojciech Jurczak
Źródło: Akademia Marynarki Wojennej
O nas  ::  Regulamin  ::  Polityka prywatności (Cookies)  ::  Reklama  ::  Mapa stron  ::  FAQ  ::  Kontakt
Ciekawe linki: www.klimatyzacja.pl  |  www.strony.energoelektronika.pl  |  promienniki podczerwieni
Copyright © Energoelektronika.pl