ASPECTE TEORETICE I EXPERIMENTALE ASUPRA TENACITII DINAMICE A MATERIALELOR

ASPECTE TEORETICE I EXPERIMENTALE ASUPRA TENACITII DINAMICE A MATERIALELOR

(Rezumat)

Studiul comportrii materialelor la solicitri dinamice a constituit i constituie nc o problem de actualitate. Majoritatea echipamentelor i dispozitivelor n timpul funcionrii sunt supuse la sarcini variabile n timp Acest lucru are loc att datorit creterii vitezei de lucru n exploatare a acestora, precum i datorit apariiei inerente a unor solicitri dinamice accidentale, care pot genera i genereaz apariia fisurilor precum i amplific i propag anumite defecte de material formnd astfel fisuri.

Din acest motiv, a te concentra numai asupra studiului acestora numai sub aspectul solicitrilor statice este o mare greeal. Dac se neglijeaz regimul dinamic de solicitare, cercetarea este incomplet i insuficient, rezultatele obinute nu sunt concludente i nu reflect corect starea de solicitare i de comportare a materialului acestor elemente.Studiile experimentale privind rezistena la rupere a unui material a dovedit c acesta scade n prezena unor sarcini dinamice fa de o ncrcare cvasistatic, fapt ce atrage atenia c tenacitatea la rupere n regim dinamic este o mrime cu mult mai conservativ fa de cea obinut pe baza conceptelor mecanicii ruperii n regim static. Abordarea unui calcul pe baza conceptelor mecanicii ruperii n regim dinamic, impune n primul rnd definirea i calculul unor parametrii n regim dinamic, cum ar fi factorul de intensitate a tensiunii KId, integrala JId, etc.

Definirea unor astfel de parametrii se face fie n condiiile n care fisura atinge o instabilitate caracterizat printr-o micare rapid dei sarcina aplicat variaz lent, sau n cazul cnd ntr-un corp exist o fisur staionar iar sarcina este transferat acesteia prin undele de tensiune transmise prin material ca urmare a unui oc.

n al doilea rnd, valorile maxime ale acestor parametrii trebuie comparate cu o caracteristic de material determinat n condiiile unor viteze mari de solicitare, cunoscut sub numele de tenacitate dinamic. Msurtorile i analiza comportrii la rupere a unor corpuri cu fisuri la viteze mari de solicitare sunt n general cu mult mai complexe fa de ncercrile n regim cvasistatic.

Analiza n condiii dinamice de solicitare este deosebit de dificil deoarece sunt necesare efectuarea unor ncercri experimentale, sau simulri a acestora, prin care fora s se aplice cu o vitez foarte mare, cauznd astfel ruperea prematur a structuri. Impactul are o importan foarte mare mai ales n cazul structurilor care conin fisuri, datorit faptului c acestea pot produce iniierea fisuri, creterea accelerat sau propagarea instabil a fisurii. Totodat interpretarea datelor implic serioase dificulti, fapt ce mpiedic cuprinderea acestora ntr-o serie de standarde sau normative interne sau internaionale.Aadar abordarea teoretic i experimental a tenacitii la rupere n regim dinamic de solicitare este deosebit de important n ingineria mecanic.Pe baza celor de mai sus prezenta tez de doctorat i-a propus s prezinte o serie de studii teoretice i cercetri experimentale privind tenacitatea dinamic a materialelor.Subiectul tezei este tratat pe 6 capitole la care se adaug capitolul 7: Concluzii. Contribuii ale autorului.Primul capitol intitulat Introducere, cuprinsul comentat al lucrrii face o mic introducere n mecanica ruperii, prezentndu-se necesitatea abordrii acesteia n regim dinamic de solicitare prezentnd totodat oportunitatea lucrrii i a obiectivele urmrite.Capitolul 2, Stadiul actual al cercetrilor privind parametrii mecanici ai ruperii n regim dinamic, prezint o analiz a cercetrilor n domeniu referitoare la factorul dinamic de intensitate a tensiuni, a integralei J n regim dinamic i a deschiderii la varful fisurii n regim dinamic, DVF. Cercetrile n acest domeniu constituie o problem foarte actual i destul de complicat. Pn n prezent la noi n ar nu s-au fcut cercetri n acest domeniu i nu exist nici un material referior la determinarea parametrilor de mecanica ruperii n regim dinamic. Din acest motiv autorul prezint n acest capitol problemele care apar la determinarea acestora, dependena acestor parametri de anumii factori, cum ar fi timpul sau forele de inerie, precum i relaiile folosite pn acum la determinarea acestora. Acest studiu continu apoi cu prezentarea cercetrilor referitoare la tenacitatea dinamic a materialelor, tenacitate care este determinat prin intermediul unuia din parametri exprimai mai sus, n funcie de domeniul n care are loc ruperea. Autorul sublineaz totodat cteva particulariti ale tenacitii n regim dinamic fa de cea n regim static.

Capitolul se ncheie cu o contribuie a autorului, care propune o metod analitic de determinare a factorului dinamic de intensitate a tensiunii folosind modul de distribuie al forelor de inerie a epruvetei. Aceast metod se bazeaz pe dou ipoteze privind modul de distribuie al forelor de inerie i dup cum se demonstreaz prin comparaie cu valorile obinute experimental, ambele modele de distribuie pot fi luate n considerare n determinarea analitic al factorului dinamic de intensitate a tensiunii.

Capitolul 3, Contribuii privind determinarea tenacitii dinamice la ncovoierea prin oc, ncepe cu o clasificarea a metodelor experimentale folosite pentru determinarea tenacitii dinamice, metode care se bazeaz fie pe ruperea printr-un singur impact al epruvetelor, fie pe analiza ruperii finale prin oboseal la impact. Capitolul continu cu propunerea unei metodici pentru determinarea tenacitii dinamice la ncercrile de ncovoiere cu rezemare ntr-un punct. Aceast problem nu a mai fost abordat n ara noastr i e deosebit de important deoarece chiar i la ncercrile cu ncovoiere n trei puncte n faza iniial epruveta este solicitat la ncovoiere ntr-un punct. Astfel pe baza studiului efectuat de autor acesta propune o metodologie care se bazeaz pe determinarea experimental a perioadei de oscilaie a sistemului ciocan-epruvet, calculndu-se apoi frecvenele circulare ale epruvetei i ale ciocanului, urmat de trasarea diagramei momentului ncovoietor n raport cu timpul. Pe baza acestei diagrame se determin valoarea momentului ncovoietor corespunztor ruperii, valoare folosit n relaia de determinare a tenacitii dinamice a materialului.

n ceea ce privete metodica determinrii tenacitii dinamice la rupere de ncovoiere n trei puncte, autorul prezint cteva consideraii teoretice i experimentale referitoare la aceasta. Urmnd aceste consideraii, autorul exemplific modul de calcul al factorului dinamic de intensitate a tensiunii. O contribuie original a autorului referitoare la ncovoierea n trei puncte o constituie i propunerea unei metode de calcul al factorului dinamic de intensitate a tensiuni prin determinarea analitic a forei de contact dintre ciocan i epruvet. Pentru determinarea acesteia pe lng ecuaiile de micare se folosesc i trei ipoteze privind distribuia forei de contact. Aceasta se consider c poate fi concentrat n punctul de aplicaie al forei, distribuit pe un segment constant sau poate avea o distribuie de tip cosinus. Avantajul acestei metode l constituie faptul nu necesit date obinute experimental. Calculul forei de contact pe baza relaiilor analitice obinute n aceast metod se face utiliznd programul Maple. Astfel avem avantajul ca schimbnd doar parametri de intrare din cadrul programului, putem determina fora de contact din timpul impactului i n cazul unor epruvete prismatice de alte dimensiuni.

Compararea rezultatelor n ceea ce privete valoarea factorului dinamic de intensitate a tensiunii calculat analitic folosind aceast metod, cu cea obinut experimental, a demonstrat ca aceast metoda se poate folosi cu succes.

Capitolul se ncheie cu prezentarea metodicii determinrii tenacitii la rupere dinamic la ncovoiere n cazul epruvetei fixat pe ciocan. Aici autorul analizeaz cazul cnd epruveta este fixat pe ciocan iar aceasta n cdere atinge reazemele. Ca i n cazurile precedente, se sublineaz necesitatea lurii n consideraie a forelor de inerie deoarece pentru viteze suficient de mari ale ocului n planul fisurii poate s apar un moment ncovoietor suficient de mare astfel nct s produc ruperea. Procedeul propus pentru determinarea tenacitii dinamice const n: trasarea oscilogramei for-timp pe baza semnalului de pe traductorul de for montat pe ciocan cu ajutorul creia se calculeaz momentului ncovoietor datorat forei de rupere. Trasarea apoi a aceleai oscilograme dar pe baza semnalului unui traductor de for montat n reazem, oscilogram care ne folosete pentru determinarea momentului ncovoietor produs de forele de inerie. Pe baza celor dou momente ncovoietoare se calculeaz momentul ncovoietor rezultant, obinndu-se n final tenacitatea dinamic.

Trebuie menionat faptul c pn n prezent n ara noastr nu exist un STAS sau o metodic propus pentru determinarea tenacitii dinamice a materialelor. Din acest motiv cele trei metodice prezentate aici sunt un pas important facut n domeniul cercetrii n domeniul mecanicii ruperii n regim dinamic din ara noastr.

Capitolul 4, Aplicarea metodelor numerice pentru obinerea parametrilor de mecanica ruperii n regim dinamic, trateaz unele particulariti ale metodelor numerice folosite pentru obinerea parametrilor de mecanica ruperii n regim dinamic. Astfel n acest capitol sunt prezentate dou programe ce pot fi folosite pentru calculul factorului dinamic de intensitate a tensiunii. Primul program, DSIF, proceseaz datele obinute experimental n timpul ncercrilor la impact pe epruvete cu rezemare ntr-un punct sau cu rezemare n trei puncte. n funcie de cantitatea acestor date el folosete una din cele 6 metode de calcul implementate n program. Programul determin variaia factorului dinamic de intensitate a tensiunii n raport cu timpul, determin valoarea critic a factorului dinamic de intensitate a tensiunii i rata de cretere a acestuia, afieaz rezultatele calculate mpreun cu cele obinute experimental i salveaz rezultatele obinute. Autorul a fcut cteva cercetri privind aplicarea acestui program pentru calculul factorului dinamic de intensitate a tensiuni a oelului OHN3.Al doilea program prezentat n cadrul acestui capitol, CALC-DSIF, este un program realizat de autor n Matchad, program ce folosete metoda propus de autor privind calculul factorului dinamic de intensitate a tensiuni pentru epruvete cu rezemare n trei puncte pe baza deplasrii punctului de aplicare al forei. El proceseaz datele experimentale de intrare necesare, afind rezultatele calculate a factorului dinamic de intensitate a tensiunii precum i variaia acestuia n raport cu timpul.Capitolul 5, Contribuii privind determinarea caracteristicilor mecanice i de deformabilitate la solicitri statice i dinamice pentru oelul OHN3, trateaz caracteristicile mecanice i de deformabilitate ale oelului OHN3 n regim static i dinamic de solicitare, caracteristici necesare pentru determinarea caracteristicilor de mecanica ruperii. Se face astfel un studiu al caracteristicilor mecanice la solicitri statice i dinamice, utiliznd un semifabricat brut forjat din oel OHN3.ncercarea la traciune static s-a efectuat pentru determinarea urmtoarelor caracteristici Rm, Rp0,2, l10, E, Ep, A10, Z. Prin ncercarea la traciune dinamic s-a urmrit determinarea energiei de rupere, alungirea i gtuirea dinamic. ncercrile s-au efectuat pe un ciocan Charpy adaptat special pentru ncercrile la traciune dinamic, el fiind totodat prevzut cu patru nlimi de cdere.

ncercarea de ncovoiere prin oc s-a realizat pe epruvete Charpy cu cresttur n U i cresttur n V. Cu ajutorul acestora s-a determinat reziliena KCU, reziliena KV, contracia transversal i analiza suprafeelor la rupere.

Studiul materialului a cuprins i o analiz a durabilitii la impacturi multiple, problem intens studiat la ora actual. Cercetrile s-au efectuat pe o main Amsler adaptat special pentru ncercri repetate folosind epruvete Charpy V. Cu ajutorul rezultatelor obinute s-au trasat curbele de durabilitate i ecuaia dreptei de regresie.

Pentru determinarea tenacitii la rupere a materialului s-au folosit ncercrile pe epruvete de tip Chevron. Aceste ncercri s-au fcut pe o main de ncercat la traciune adaptat pentru ncercrile de mecanica ruperii. Caracteristica mecanic obinut a fost tenacitatea la rupere KIVDeoarece exist o relaie de dependen ntre duritatea Vickers i tenacitatea la rupere prin fisurare, KIc, s-a msurat i duritatea HV la vrful fisurii att nainte de prefisurarea probelor, ct i dup.

Determinarea experimental a tenacitii dinamice a materialului, implic efectuarea n prealabil a unei propagri a fisurii prin solicitare la oboseal. Din acest motiv autorul propune o metod original de determinare a forelor necesare prefisurri. Aceast metod se bazeaz de fapt pe simularea i analiza cu elemente finite a condiiilor la care este supus epruveta la prefisurare prin traciune. Astfel utiliznd programul Cosmos autorul determin aceste fore, valorile acestora fiind introduse apoi n programul mainii multifuncionale de solicitri dinamice. Programul mainii supune apoi epruvetele la solicitri variabile sinusoidale axiale, obinndu-se n final prefisurarea necesar a epruvetei.

Capitolul 6, Contribuii privind determinarea tenacitii dinamice la rupere pe baza ncercrilor la ocuri repetate, prezint contribuiile autorului la determinarea tenacitii dinamice la rupere, de data aceasta pe baza ncercrilor la ocuri repetate. Procesul de degradare la ocuri repetate poate fi abordat prin analogie cu fenomenul de oboseal la solicitri ciclice obinuite. Din acest motiv se propune o nou metod pentru determinare tenacitii n regim dinamic corespunztoare ruperii finale n cadrul ncercrilor la oboseal cu ocuri folosind epruvete de tip Charpy. Astfel autorul prezint metodica ncercrii la ncovoiere cu ocuri repetate, instalaia folosit constnd dintr-un ciocan Amsler adaptat pentru ncercri la ncovoiere prin ocuri repetate a epruvetelor Charpy V. Urmeaz apoi prezentarea metodici trasrii diagramei da/dN-KId. Cu ajutorul diagramei a-N se calculeaz viteza de propagare a fisurii precum i factorul de intensitate dinamic a tensiuni KId. Totodat pe baza aceleai diagrame se pot stabili i lungimile critice ale fisurilor peste care se produce ruperea final i pe baza crora se calculeaz tenacitatea dinamic .

Pn n prezent la noi n ar nu s-au fcut cercetri n domeniul ruperii materialelor n regim dinamic. De aceea metoda propus de autor privind determinarea tenacitii dinamice la rupere pe baza ncercrilor la oboseal cu ocuri reprezint un pas important n cercetrile din acest domeniu. Una din problemele care complic determinarea tenacitii dinamice const n determinarea forelor de inerie care influeneaz direct rezultatele obinute n condiiile acestor ncercri. Astfel autorul propune o nou metod de prelucrare a oscilogramelor obinute pe baza semnalului unor traductoare de for aplicate pe ciocanul de lovire. Conform acestei metode se determin forele de inerie, respectiv momentul ncovoietor datorat acestor fore. Se traseaz apoi oscilograma momentului ncovoietor obinut pe baza semanalului traductorului de fore ataat pe ciocan. Prin nsumarea celor dou momente rezult momentul ncovoietor total pe baza cruia se calculeaz tenacitatea dinamic la rupere corespunztoare intervalului de timp tf care marcheaz nceputul ruperii. n funcie de forma oscilogramei n expresia lui poate s intervin sau nu efectul forelor de inerie. ns n multe cazuri acest efect este important i trebuie luat n considerare.

Pe baza acestei metodici propuse s-a determinat tenacitatea la rupere dinamic pentru un oel OHN3 care este folosit la construcia unor tuburi supuse la presiuni dinamice repetate. Criteriul CVN (reziliena) a fost considerat iniial ca baz pentru stabilirea caracterului fragil-ductil a oelului analizat. Se prezint apoi modul de prelucrare al oscilogramelor i cteva valori medii obinute pentru valoarea maxim a momentului Md i ale momentului ncovoietor total Mt, precum i raportul Mt/Md pentru cele trei tratamente aplicate oelului OHN3.

n finalul capitolului datorit faptului c n literatur exist un numr mare de corelaii prin care tenacitatea la rupere KIc se coreleaz cu alte caracteristici de material, dar foarte puine legate de tenacitatea dinamic a materialului, se propun dou astfel de corelaii. Aceste corelaii, rezultate pe baza cercetrilor efectuate, coreleaz tenacitate dinamic de modulul de elasticitate longitudinal, de reziliena CVN i de limita de curgere.

Capitolul 7, Concluzii. Contribuii ale autorului, sintetizeaz principalele concluzii rezultate n urma cercetrilor efectuate i sunt prezentate contribuiile aduse de autor n domeniul cercetat, un domeniu aproape deloc abordat n ara noastr.

Rezultatele obinute n cadrul acestei teze au aplicabilitate practic cu efecte economice, permind prelungirea duratei de via a diferitelor structuri mecanice._1329635863.unknown

_1329822433.unknown