Vysokoparametrické penetračné rázové skúšky austenitických plechov High Parametric Penetration Impact Tests of Austenitic Sheets

Transcription

1 Vysokoparametrické penetračné rázové skúšky austenitických plechov High Parametric Penetration Impact Tests of Austenitic Sheets Tibor Donič Katedra technologického inžinierstva, Strojnícka fakulta, Žilinská univerzita v Žiline, Veľký diel, Žilina, Slovenská republika. (Department of Technological Engineering, Faculty of Mechanical Engineering, University of Žilina, Veľký diel, Žilina, Slovak Republic) Abstrakt: This contribution is oriented at investigation analyses of the behaviour of materials under high- speed penetration. An experimental pneumatic high- parametric machine AIR GUN, penetration tools and aids were designed and constructed. The tests were realised on austenitic anticorrosive steels and The samples were tested before and after heat treatment. During experimental tests individual samples were stressed with various penetration tools for the reason to find out the mechanisms of fracture and consequent structural changes of deformation zones. The values of resultant deforming forces and the values of total mechanical energies reached under individual penetration processes are analytically worked out and calculated. The calculations have accepted the presence of a restitution coefficient and law of conservation of quantity of body motion. 1. VYSOKOPARAMETRICKÉ TVÁRNENIE A VPLYV VYSOKEJ DEFORMAČNEJ RÝCHLOSTI NA TVÁRNIACI PROCES Teória vysokoparametrických deformačných procesov sa zakladá na poznaní účinkov rázového prenosu energie na procesy plastickej deformácie. K najdôležitejším parametrom ovplyvňujúcim deformačné procesy patria: rýchlosť nástroja (v) a deformácie (ε!, resp. ϕ! ), tlaky (p) a napätia (σ, τ) na kontaktných plochách a v celých deformačných objemoch, teploty povrchov (T) častí alebo celkov, ktoré umožňujú voľný alebo usmernený prienik a rozvoj plastickej deformácie do telesa. Pri vysokoparametrickom ráze telies prebiehajú zvláštne fyzikálne mechanické procesy v oblasti zaťaženia, šírenia elasticko plastických rozruchov a ich účinkov na chovanie a vlastnosti kovov počas a po zaťažení. Hlavný dôraz sa doteraz prikladal univerzálnemu popisu rázu dvoch kovových telies, pričom jedno je tuhé a druhé poddajné. Veľký vplyv v procese tvárnenia pomocou rázu na chovanie materiálu má jeho samostatná doba styku, ktorá dosahuje hodnoty v mikrosekundách. Z dôvodu krátkeho rázového cyklu vznikajú v materiáloch veľké kontaktné tlaky a podkontaktné šmykové napätia doprevádzané spevnením a tepelným efektom. Toto je predpokladom, že strata stability plastickej deformácie vznikne skôr ako pri statickom pretvorení, pričom povrchová vrstva je nositeľom kumulatívnych a podkontaktné objemy významných homogénnych geometrických a štrukturálnych účinkov na kovové materiály. Štruktúra, chovanie a vlastnosti kovov pri vysokoparametrickom tvárnení sú teda závislé od celkových mechanicko termických účinkov.

2 tepelné efekty pri vysokorýchlostnom tvárnení vznikajú prechodom rázových vĺn cez teleso a vyvolávajú lokálne ohriatie alebo prehriatie materiálu v mieste rázu. Preto prechodom napäťovo deformačných vĺn cez deformované teleso sa vyvoláva vznik lokálneho objemového a kontaktného tepelného efektu. Lokalizácia vysokého zaťaženia napätosti v podmienkach malých vrstiev uvoľní na mikroúrovni viaceré systémy, ktoré generujú prehriatie. Lokálne adiabatické prírastky v procese lokálnej deformácie destabilizujú deformačné spevnenie, čo uvedie túto časť do predčasného stavu straty stability. tento jav adiabatický šmyk znamená, že odpevnenie je väčšie ako spevnenie. 2. PENETRÁCIA TENKÝCH PLECHOV Dlhú dobu otázky prenikania nástrojov projektilov a prerážanie súvislej prekážky o rôznej hrúbke vo forme plechov alebo iných profilov zastupovali väčšinou záujmy vojenského výskumu. Samostatná podstata prenikania nástroja cez prekážku môže byť definovaná ako premiestňovanie alebo posun použitého nástroja v prekážke bez jeho prechodu celou je hrúbkou. Doteraz ešte nie je dostatočne prebádaný celý popis zložitého mechanizmu spojeného s týmto procesom, hoci za veľa rokov bolo získaných veľké množstvo empirických informácií v oblasti balistiky. Prerážanie platní zahrňuje spoločný prejav tvorby trhlín, drvenia, šírenia pružných a plastických vĺn, trenia a ohriatia, vplyv rýchlosti deformácie a tiež pravdepodobnosť rozdrvenia nástroja, teda jeho poškodenie. Možné mechanizmy prerážania materiálov sú prezentované na obr.1. Obr. 1 Možné mechanizmy prerážania materiálov, a vytláčanie časti materiálu, b tvorenie okrajov, c tvorenie húževnatých rozšírení otvorov, d tvorenie črepín Vytláčanie úsekov prekážky sa najčastejšie odohráva vo veľmi tuhých platniach malej hrúbky. Kombinácia húževnatého ničenia a drvenia je charakteristická pre prerážanie hrubých platní strednej a nízkej tvrdosti. Tvorenie črepín, vzniká, keď je materiál namáhaný rýchlosťami, ktoré prevyšujú rýchlosti delostreleckých nábojov. Pri energetickom riešení forma tvar premiestňovania materiálu prekážky je prezentovaná na obr.2. Vzorka s rozmermi h 0 a ds, môžeme po deformácií definovať veličinami: h = h0 ( 1 ε ); dz = ds( 1 ε ) (2.1) ds h0 z toho = (2.2) dz h kde: h lokálna hrúbka vzorky, h 0 počiatočná hrúbka vzorky,

3 ε - pomerná lineárna deformácia, ds elementárny úsek v radiálnom smere, dz elementárny úsek v axiálnom smere. Ďalej platí: 2π. s. h0. ds = 2π. r. h. dz h 2 2π. r. h. dz = π. r. h0 0 kde: h je výška plášťa. (2.3) (2.4) Obr. 2 Predpokladaný tvar prekážky po jej prerazení Ak m * označuje celkovú hmotu, ktorá sa premiestni v čase t, tak zotrvačná sila F a zodpovedajúca dynamická práca W d sa rovnajú: 2 * * d r dm dr F = m + 2 dt dt dt (2.5) 2 * * d r dm dr W d = m dr + dr 2 dt dt dt (2.6) Na obr.3 sú prezentované kužeľové a profilové časti projektilov, ktoré môžeme definovať rovnicami: kužeľ: R. v t r 1. = L (2.7) π v1. t nábojový tvar r = R. sin 2 L (2.8) kde: R polomer projektilu, L dĺžka penetračnej časti, v 1 rýchlosť nástroja, t čas.

4 Okraje, ktoré sa tvoria pri prerážaní tenkých platní sa šíria v radiálnom smere a oddeľujú sa od základného materiálu, keď nástroj projektil prejde cez plochu prekážky. Schematicky je táto situácia uvedená na obr.4, kde R L je polomer plastických deformácií penetrovanej platne. Obr. 3 Geometria nástroja, a kužeľová hlava, b nábojová hlava Obr. 4 Prerážanie kruhovej vzorky razníkom, a razník, b vzorka, c tvoriace sa okraje, d zóna plastickej deformácie 3. EXPERIMENTÁLNY SYSTÉM AIR GUN, TVÁRNENIACE NÁSTROJE A PRÍPRAVKY Celé experimentálne zariadenie AIR GUN, sa skladá z niekoľkých pneumatických a elektropneumatických ovládacích prvkov. Ich rozmiestnenie je schematicky znázornené na obr. 5. Pneumatický mechanizmus tvárniaceho zariadenia AIR GUN sa skladá z troch okruhov, z ktorých má každý inú funkciu.

5 Okruh 1 sa používa na vysunutie pracovného tŕňa do hornej polohy, nachádzajúcej sa tesne pri výstupe z Lavalovej dýzy. Vysunutie sa realizuje, keď je otvorený priechod cez dvojcestný elektromagnetický ventil smerom k hlavni tvárniaceho zariadenia. Okruh 2 má dve funkcie. Prvou z nich je natlakovanie nádoby. Druhou je vypustenie prebytočného vzduchu z expanznej nádoby počas vysúvania pracovného tŕňa do hornej polohy. Okruh 3 slúži k otvoreniu alebo k uzavretiu prepúšťacích kanálov v pracovnej tlakovej nádobe. Pretože experimentálne skúšky pozostávali z penetrácie plechov, bolo potrebné navrhnúť a skonštruovať tvárniaci nástroj, ktorý by zodpovedal požadovaným podmienkam penetrácie. Schematicky je tvárniaci nástroj prezentovaný na obr.6. Obr. 5 Rozmiestenie tlakových ovládacích prvkov v pneumatickom systéme tvárniaceho zariadenia, 1 expanzná nádoba, 2 pneumatický valec, 3 objímka, 4 Lavalova dýza, 5 prepúšťací kanál, 6 vodiaca rúra, 7 vysúvacia hlaveň, 8 tlakové nádoby, 9,13,20 dvojcestný elektromagnetický ventil, 10 spätná klapka, 11 elektromotor, 12 kompresor, 14,16 čistič a odlučovač, 15,18 tlakový redukčný ventil s manometrom, 17 rozprašovač oleja, 19 trojcestný elektromagnetický ventil, 20 päťcestný elektromagnetický ventil

6 Obr. 6 Penetračný nástroj 4. EXPERIMENTÁLNE SKÚŠKY A VÝSLEDKY Pre experimentálne skúšky boli použité plechy z ocelí a Vzorky boli kruhové s priemerom d = 58 mm a s hrúbkou h = 4mm. Použité bolo tepelné spracovanie: 1. Oceľ predhrev 600 C, výdrž 15 min, ohrev 1050 C výdrž 15 min, ochladzovanie na vzduchu, 2. Oceľ predhrev 600 C, výdrž 15 min, ohrev 1050 C výdrž 15 min, ochladzovanie na vzduchu, Chemické zloženie ocelí je uvedené v tabuľke 1 a 2. Oceľ STN Tabuľka č. 1 Chemické zloženie CrNi austenitická oceľ Chemické zloženie C Mn Si Cr Ni Ti P S hmotnostné [%] 0,1 1,9 0, ,3 0,04 0,015 Oceľ STN Tabuľka č. 2 Chemické zloženie CrNiMo austenitická oceľ stabilizovaná Ti Chemické zloženie C Mn Si Cr Ni Ti Mo P S hmotnostné [%] 0,08 1,8 0,8 17,2 13,4 0,5 2,3 0,021 0,015

7 Mechanické vlastnosti jednotlivých ocelí boli získané z ťahovej skúšky podľa STN EN Ťahová skúška bola zrealizovaná na elektronickom skúšobnom stroji HECKERT. Výsledky sú prezentované v tabuľke 3 a 4. Tabuľka č. 3 Mechanické vlastnosti pre oceľ tepelne nespracovanú Oceľ Medza klzu Re[MPa] Medza pevnosti Rm [MPa] Ťažnosť A 5 [%] Tabuľka č. 4 Mechanické vlastnosti pre oceľ tepelne spracovanú Oceľ Medza klzu Re[MPa] Medza pevnosti Rm [MPa] Ťažnosť A 5 [%] Vzorky ocele boli analyzované pri týchto deformačných podmienkach: projektil s kužeľovým hrotom, hmotnosť pracovného tŕňa je 0,67 kg, Vzorky ocele boli analyzované pri týchto deformačných podmienkach: projektil s rovným čelom, hmotnosť pracovného tŕňa je 0,73 kg, Na obr. 7 je prezentovaný detail vzorky z materiálu v nežíhanom stave, ktorý bol penetrovaný kužeľovým projektilom. V deštruovanej zóne boli vytvorené štyri oblasti, ktoré kopírovali povrchovú plochu kužeľa. Lomové plochy majú charakter krehkého porušenia. Parametre penetrácie: tlak 0,3 MPa, rýchlosť pracovného tŕňa 60m.s -1. Obr. 7 Penetrácia ocele , nežíhaná, kužeľový projektil Detail deštrukcie vzorky z materiálu v nežíhanom stave je uvedený na obr.8, penetrácia projektilom s rovným čelom. materiál bol vytlačený pred čelo projektilu, pričom zachoval svoj kompaktný charakter. Lom má charakter krehkého porušenia. Obr. 8 Penetrácia ocele , nežíhaná, rovný projektil

8 5. ZÁVER Pri experimentálnych prácach, ktoré boli mimoriadne rozsiahle sú prezentované len čiastkové výsledky. Pri samotných experimentálnych skúškach boli jednotlivé vzorky namáhané rozdielnymi penetračnými razníkmi, z dôvodu zisťovania mechanizmov porušenia. Bolo preukázané, že penetračné tlaky dosahovali len jednu tretinu z možnej energetickej kapacity skúšobného stroja, t.j J pri pracovnom tlaku 1 MPa. Je možné konštatovať, že analyzované ocele triedy 17 nie sú výrazne náchylné k zmenám mechanických vlastností, ktoré by mohli byť spôsobené tepelným spracovaním. mechanizmy porušenia boli pri vzorkách bez a s tepelným spracovaním prakticky zhodné. Literatúra: 1. Polák, K. Höbemägi, A.: Výroba dutinových nástrojov tvárnením, 1.vyd. Alfa Bratislava Farlík,A. Ondráček, E.: Teórie dynamického tváření, 1.vyd SNTL Praha Buchar,J. Bílek,Z.: Chování kovových materiálů při vysokých rychlostech deformace, 1.vyd. ČSAV 1984.