Projekti / Programi
Modeliranje trajne nihajne trdnostni vzmetnih jekel in napoved uporabne dobe listnatih vzmeti
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.04.02 |
Tehnika |
Materiali |
Kovinski materiali |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T450 |
Tehnološke vede |
Kovinska tehnologija, metalurgija, kovinski izdelki |
Si-Mn-Cr-Mo-V visoko trdna vzmetna jekla, trajna nihajna trdnost, vpliv mikrostrukture in geometrije, enojne listnate parabolične vzmeti, modeliranje na osnovi metode končnih elementov, statistična narava utrujanja, statistika ekstremov, akumulacija poškodb, napoved dobe trajanja
Raziskovalci (16)
Organizacije (2)
Povzetek
Izdelovalci vzmeti ocenjuje kvaliteto jekla iz rezultatov naključnega dinamičnega preskušanja vzmeti. Ta ocena je za proizvajalca vzmetnega jekla velikokrat prepozna in pogosto neustrezna, saj med izdelavo vzmeti poteka vrsta operacij s katerim lahko dobro jeklo izdelovalec vzmeti močno pokvari, če le-te niso pravilno izvedene. Proizvajalci jekel običajno ocenjujejo kvaliteto izdelanega jekla na osnovi rezultatov standardnih mehanskih preizkusov, kar v primeru vzmetnih dinamično obremenjenih jekel pogosto ni dovolj. Standardizirano določevanje trajne nihajne trdnosti na gladkih preizkušancih je zamudno in drago. Zato ga proizvajalci jekla izvajajo predvsem v fazi razvoja jekla. V redni kontroli pa ne, ker je postopek enostavno predolg. V okviru pričujočega projekta bomo zato uporabili hitrejšo metodo in jo verificirali za oceno prave trajne nihajne trdnosti in napoved uporabne dobe vzmeti. Metoda uporablja visokofrekvenčni (VF) pulzator in zarezane Charpy V preizkušance. Izdelali bomo S-N krivulje preiskovanega vzmetnega jekla na zarezanih preizkušancih v odvisnosti od osnovne mikrostrukture (vključki, izceje) in toplotne obdelave. Za oceno prave trajne nihajne trdnosti pa bomo izvedli modeliranje obnašanja zarezanega preizkušanca med utrujanjem ter določili porazdelitve napetosti in deformacij v zarezi in tako lahko določili faktor zarezne občutljivosti materiala med utrujanjem. Vzporedno s temi preizkusi bomo izvedli standardne preizkuse trajne dinamične trdnosti na gladkih preizkušancih in ugotovili ustreznost modelnih preiskav. Za praktične preizkuse bomo izbrali vzmetno jeklo 51CrV4Mo, analizirali njegovo osnovno mikrostrukturo (vključke, izceje), optimirali njegovo toplotno obdelavo in analizirali njene učinke na trajno nihajno trdnost jekla. Določili bomo lokalno trajno nihajno trdnost vzmetnega jekla na vzorcih izrezanih iz karakterističnih delov končno izdelanih vzmeti. S tem bomo lahko ocenili učinke postopkov izdelave vzmeti in razlike med kakovostjo vhodnega in končnega jekla. Analizirali bomo obstoječe modele za oceno dobe trajanja vzmeti in vgradili v njih spoznanja oz. rezultate, ki bodo izhajali iz rezultatov tega projekta. Kvazistatične mehanske lastnosti so v tesnem sorodstvu z dinamičnimi. V svetu je še dokaj neznana odvisnost med lomno žilavostjo materiala KIC in trajno nihajno trdnostjo. Za njeno določevanje smo na IMT razvili ustrezno metodo na cilindričnih preizkušancih z V zarezo. Metoda izdelave utrujenostnih razpok na VF pulzatorju bi lahko bila še enostavnejša. Zato bomo v okviru projekta poizkušali osvojiti tudi to metodo in oceniti njeno uporabnost za oceno dinamičnih lastnosti vzmetnih jekel.
Pomen za razvoj znanosti
Raziskovalni rezultati pričujočega projekta omogočajo nov pristop k obravnavanju utrujanja kovinskih materialov in napovedovanju njihove življenske dobe s pomočjo napovedi kritične velikosti vključkov na osnovi genetskega programiranja. Ugotovljena kritična velikost vključkov je 140 mikronov. Medtem, ko je standardni metalografski pregled pod optičnim mikroskopom z upoštevanjem teorije ekstremov pokazal, da se v preiskovanem volumnu ne nahajajo vključki večji kot cca 50 mikronov. Rezultati projekta so tudi pokazali, da je mogoče dokaj natančno napovedati dobo trajanja vzmeti z realno geometrijo s pomočjo MKE modeliranja na osnovi koncepta linearnega akumuliranja poškodb, če so znane lokalne S-N krivulje materiala v odvisnosti od vrste toplotne obdelave, kvalitete površine in trdnostnega nivoja doseženega z izbrano toplotno obdelavo. Rezultati dobe trajanja MKE modeliranja enolistaste in dvolistaste vzmeti z izbrano geometrijo in pogoji utrujanja se dobro ujemajo z dejansko dobo trajanja vzmeti dobljeno s standardnim tehnološkim testiranjem. Oba pristopa temeljita na teoretičnem in praktičnem poznavanju obnašanja visokokvalitetnih vzmetnih jekel, ki je rezultat tega projekta. Rezultati projekta so pokazali, da na trajno nihajno trdnost vzmetnega jekla močno vpliva smer vroče predelave (valjanja) oz. smer izcej legirnih elementov. Z ustrezno toplotno obdelavo je možno varirati trdnostni nivo preiskovanega vzmetnega jekla med 1300 in 1800 MPa in s tem proporcionalno spreminjati njegovo trajno nihajno trdnost, duktilnost in lomno žilavost.
Pomen za razvoj Slovenije
Tovarna Štore Steel d.d. je eden največjih proizvajalcev visokokvalitetnih jekel za izdelavo listnatih vzmeti težkih tovornjakov. Kakovost svojega jekla in konkurenčnost lahko zagotavljajo samo preko ulaganja v novo znanje. V okviru projekta smo pokazali, da lahko z novejšo, cenejšo in hitrejšo metodo ocenimo trajno nihajno trdnost vzmetnega jekla in s tem vpliv metalurških faktorjev (mikrostruktura, čistost jekla) nanjo. Neodvisno od proizvajalca vzmeti in njegovih rezultatov tehnološkega testiranja lahko ocenimo dobo trajanja vzmeti, če je znana geometrija vzmeti in njeni pogoji obratovanja (obremenjevanja). To je neprecenljivo v primeru reklamacij. Poleg tega nam uvedba določevanja trajne nihajne trdnosti oz. določevanje S-N krivulj v medfazno kontrolo in končno kontrolo zagotavlja stalen nadzor nad kakovostjo izdelanega jekla, povečanje njegove kakovosti in dvig konkurenčne sposobnosti. Metoda ni uporabna samo za ugotavljanje odpornosti proti utrujanju dinamično obremenjenih jekel temveč tudi drugih kovinskih in keramičnih materialov. Poznavanje in obvladovanje teh postopkov testiranja je tako pomembno tudi za druge slovenske izdelovalce in uporabnike dinamično obremenjenih strojnih in konstrukciujskih elementov. Rezultat projekta so tudi spoznanja o vplivu metalurških napak (izceje, vključki) na trajno dinamično trdnost izbranega vzmetnega jekla, ki so privedla do modifikacije proizvodnega postopka izdelave jekla, povečanja čistosti jekla in posledično pri vzmetarju bistvenega povečanja dobe trajanja vzmeti.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2008,
2009,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2008,
2009,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
