INŻYNIERIA MATERIAŁÓW O SPECJALNYCH WŁASNOŚCIACH Przyrost temperatury podczas odkształcenia

Odkształcanie z dużymi prędkościami prowadzi do zmiany warunków z izotermicznych na adiabatyczne, a energia cieplna związana z pracą odkształcenia plastycznego widoczna jest we wzroście temperatury odkształcanego ciała. Odkształcanie plastyczne generuje pracę, która jest zamieniana na ciepło. Wynikający z tego wzrost temperatury może wywołać zmianę własności materiału, np. tzw. „cieplne mięknięcie”. Równanie przewodzenia ciepła, które wiąże stan mechaniczny (odkształcenia i naprężenia) z temperaturą ma postać: Przyrost temperatury podczas odkształcenia gdzie:α – współczynnik przewodzenia ciepła ρ – gęstość c p – ciepło właściwe  – szybkość zmiany energii odkształcania na energię cieplną  – intensywność naprężenia – prędkość odkształcenia plastycznego k – współczynnik wydzielania ciepła E – moduł Younga T 0 – temperatura początkowa lub otoczenia – prędkość odkształcenia sprężystego  – współczynnik Poissona (1)

Przyrost temperatury podczas odkształcenia Pierwszy składnik po prawej stronie równania (1) przedstawia wzrost temperatury z powodu nieodwracalnego odkształcenia plastycznego, drugi – nagrzewanie z powodu odwracalnego efektu cieplno – sprężystego. Jeśli pominiemy sprężystość i fakt, że przeważają warunki adiabatyczne, wówczas równanie ciepła przyjmuje bardziej prostą postać. Szybkość przekształcenia pracy odkształcenia plastycznego na ciepło można przedstawić za pomocą następującej zależności: (2) Ogólnie można przyjąć, że w literaturze występują dwa podstawowe modele dla opisu przyrostu temperatury w efekcie ciepła odkształcenia. Pierwszy z nich zakłada, że współczynnik  przelicza jednostkowe zużycie pracy na jednostkowe zużycie ciepła. Dla większości materiałów  = 0.9. W ten sposób wzrost temperatury podczas odkształcania można wyrazić jako: (3)

Inną, często stosowaną metodą dla obliczania przyrostu temperatury w warunkach bardzo dużych prędkości odkształcenia jest wykorzystanie następującej zależności: gdzie:E – energia odpowiadająca bieżącemu ciśnieniu C p – pojemność cieplna (4) Wytworzona energia jest efektem ciśnienia wywołanego obciążeniem szokowym i związaną z tym zmianą gęstości (p 0 = 0 przy ciśnieniu wynoszącym 0): (5) gdzie:p p – ciśnienie przy obciążeniu udarowym p 0 – ciśnienie „zerowe” – gęstość przy zerowym ciśnieniu – gęstość przy ciśnieniu udarowym Przyrost temperatury podczas odkształcenia

Wpływ wielkości ziarna austenitu na naprężenie plastycznego płynięcia: a) b) c)d) Rola mikrododatków stopowych to w tym przypadku obniżanie energii błędu ułożenia i zwiększanie podatności do bliźniakowania. Efekt: różnice w krzywych plastycznego płynięcia. Przyrost temperatury podczas odkształcenia

12 μm 2 μm4 μm Przyrost temperatury podczas odkształcenia Wyniki symulacji komputerowych MES – ściskanie w temp. pokojowej próbek cylindrycznych Wpływ rozdrobnienia struktury Prędkość odkształcenia 1800s -1 Model KHL; Odkształcenie=0.5; Prędkość odkształcenia=1000s -1, T=293K d α =100 μm d α =500 nm d α =100 nm

Przyrost temperatury podczas odkształcenia Wyniki symulacji komputerowych MES – ściskanie w temp. pokojowej próbek cylindrycznych Wpływ wielkości odkształcenia i składu chemicznego

ZADANIE 1: Próbki wykonane ze stali odkształcono w próbie osiowosymetrycznego ściskania na zimno, w warunkach obciążenia quasi-statycznego (0,001 s -1 ) i dynamicznego (3000 s -1 ). Zadano odkształcenia równe 0,2; 0,4 i 0,6. Odczytać wartości naprężenia dla danych odkształceń i wyznaczyć przyrost temperatury w próbkach. Przyjąć gęstość stali 7890km/m 3 oraz ciepło właściwe 452 J/kgK. Przyrost temperatury podczas odkształcenia ZADANIE 2: Próbki wykonane ze stali mikrostopowej odkształcono w próbie osiowosymetrycznego ściskania w różnych temperaturach w warunkach obciążenia dynamicznego (2500 s -1 ). Zadano odkształcenia równe 0,1 i 0,2. Odczytać wartości naprężenia dla danych odkształceń i wyznaczyć przyrost temperatury w próbkach. Przyjąć gęstość stali 7890kg/m 3 oraz ciepło właściwe 452 J/kgK. CEL: wpływ temperatury odkształcania na przyrost temperatury CEL: wpływ warunków odkształcania na przyrost temperatury

Johnson – Cook: Wyznaczanie naprężenia uplastyczniającego w warunkach odkształceń dynamicznych Zerilli-Armstrong: n=0.298

ZADANIE 3: Próbki wykonane ze stali odkształcono w próbie osiowosymetrycznego ściskania w warunkach obciążenia quasi-statycznego (1 s -1 ) i dynamicznego (2500 s -1 ). Wyznaczyć wartości naprężenia uplastyczniającego z wykorzystaniem zależności Z-A. Wyznaczanie naprężenia uplastyczniającego w warunkach odkształceń dynamicznych ZADANIE 4: Wyznaczyć naprężenie uplastyczniające dla stali mikrostopowej o podwyższonej wytrzymałości odkształcanej w warunkach quasi-statycznych i dynamicznych według wzoru Johnson’a-Cook’a. Temperatura odkształcania: 900 i 600°C Prędkość odkształcenia: 1 i /s Odkształcenie: 0.2 Temperatura odkształcania: 900 i 600°C Prędkość odkształcenia: 1 i /s Odkształcenie: 0.2 Wlk. ziarna austenitu i ferrytu odpowiednio: 25 i 5 mikrometrów. CEL: wpływ temperatury odkształcania i prędkości na naprężenie uplastyczniające.