KUPARISAUVOJEN KOVUUS-, VETO-, JA VÄSYTYSKOKEET ANU VÄISÄNEN, JARMO MÄKIKANGAS, MARKKU KESKITALO, JARI OJALA

Transkriptio

1 KUPARISAUVOJEN KOVUUS-, VETO-, JA VÄSYTYSKOKEET ANU VÄISÄNEN, JARMO MÄKIKANGAS, MARKKU KESKITALO, JARI OJALA 1 Johdanto Muovauksen vaikutuksesta metallien lujuus usein kasvaa ja venymä pienenee. Seurauksena materiaalin muovattavuus heikkenee. Kuparisauvojen väsytyskokeissa tavoitteena oli tutkia, kuinka toisen ja kolmannen asteen muokkaus vaikuttaa kuparin dynaamisen ja staattisen rasituksen kestoon. 2 Tutkimus Koesauvoja oli 4 erilaista; perusaine (S1 - S5), taivutettu-oikaistu koesauva (TS1 - TS5), 90 asteen kulmaan taivutettu koesauva (T1 - T5) ja 90 asteen taivutettu-oikaistu-taivutettu koesauva (TT1 - TT5). Vesileikatut koesauvat väsytettiin Oulun yliopiston Materiaalitekniikan laboratorion Carl Shenck -väsytyskoneella. Osasta näytteitä leikkausjäystettyä oli viilattu (?), osa oli viimeistelemättömiä. Kokeet tehtiin käyttäen yhtä siirtymää ja 3 5 toistoa. Suorilla koesauvoilla käytetty siirtymä oli 0,45 mm, ja taivutetuilla 0,56-0,57 mm. Siirtymän aiheuttamaa jännitystä kappaleisiin ei ole määritelty (väsytyskoneella käytettävän kaavan mukaan suoran sauvan jännitys ko. siirtymällä olisi 435 MPa, mutta todellisuudessa jännitys on varmaan ollut pienempi). Suorien ja taivutettujen koesauvojen tulokset eivät ole vertailukelpoiset johtuen erilaisesta jännitystilasta. Osa kokeista epäonnistui koneen jatkaessa käyntiään sauvan katkeamisen jälkeen. Vetokokeet tehtiin Oulun yliopiston Materiaalitekniikan laboratorion Zwick Z 100 vetokoneella 3 Tulokset Taulukosta nähdään perusaineen, kerran särmätyn ja oikaistun sekä 2 kertaa särmätyn ja oikaistun levyn vetokoetulokset. Vetokoetulokset Rp 0.1 Rp 0.2 Rp 1,0 Rm Agt At N/mm² N/mm² N/mm² N/mm² % % Perusaine 199,50 211,25 222,25 257,25 22,54 31,02 keskihajonta 1,29 0,96 0,50 0,96 0,53 1,93 särmätty ja oikaistu 224,50 239,00 253,75 289,75 19,01 27,53 keskihajonta 1,73 2,16 2,63 0,96 0,52 1,93 2 särmätty ja oikaistu 263,00 279,75 296,50 318,75 5,38 5,85 keskihajonta 12,52 13,12 13,13 17,54 1,10 1,11 Vetokoetuloksissa näkyy selvästi kuparin muokkauslujittuminen. Murtovenymät pienenevät muokkauslujittumisen lisääntyessä. Tuloksissa pitää ottaa huomioon, että vetosauvan mitat on mitattu ohuimmalta kohtaa eli särmäyksen kohdalta. Sauvat eivät ole kuitenkaan katkenneet särmätyltä kohdalta kerran särmätyssä näytteessä (ks. kuva 1), vaan perusaineesta. Perusaineen lujuus on sama, mutta pienempi poikkipinta-ala jännitysten laskennassa aiheuttaa suuremman jännitysarvon. Kaksi kertaa särmätty ja taivutettu koesauva katkesi särmätystä kohdasta johtuen ohenneesta ainepaksuudesta. 1(6)

2 Kuva 1. Poikkivedetyt vetosauvat Kuvasta 2 nähdään särmätyn ja oikaistun levyn poikkileikkauksesta mitatut kovuudet. Kovuudet särmätyn ja oikaistun alueen poikkileikkauksesta Kovuus, HV,500g, Paikka, mm Kuva 2. Kovuudet särmätyn ja oikaistun levyn poikkileikkauksesta Kovuusmittaustuloksista näkyy selvästi kuparin muokkauslujittuminen särmäyskohdasta. 2(6)

3 Suoristetuilla sauvoilla väsytyskoetulokset olivat keskenään hyvin samanlaiset. Tämä johtunee taivutuksen ja suoristuksen aiheuttamasta painaumasta koesauvassa; murtuma lähtee heikoimmasta kohdasta ja suuntautuu loven mukaisesti. Perusaine-sauvoilla murtumakohtia on alussa useita (kuvat 5-8), hallitseviksi muuttuvat säröt kasvavat epäsäännöllisesti edeten. Suoristettujen koesauvojen väsytystulos oli selvästi heikompi, kuin perusaineella. Keskimäärin perusainesauvat kestivät 3 4 -kertaisen määrän kuormitussyklejä verrattuna suoristettuihin sauvoihin (pienin suoran sauvan tulos voi olla paras vertailuarvo, koska on mahdollista että koneen asetukset ovat olleet hiukan erilaiset väsytettäessä kahta suurimman syklimäärän kestänyttä koesauvaa). Suorat kuparisauvat 0,6 Asetettu siirtymä [mm] 0,55 0,5 0,45 Suora Suoristettu 0, Kuormitussyklit Kuva 3. Suorien kuparisauvojen väsytyskoetulokset. Taivutettujen koesauvojen tuloksissa hajontaa aiheutti koneen säätö, joka on hankalampaa kuin suorilla koesauvoilla. Myös 90-asteen kulmaan särmätyillä sauvoilla väsytyskestävyydessä oli selvä ero kerran taivutettujen koesauvojen hyväksi 2 kertaa taivutettujen koesauvojen kuormituksen kesto oli noin 30 % kerran taivutettujen koesauvojen kestävyydestä (kuva 4). 3(6)

4 Taivutetut kuparisauvat Asetettu siirtymä [mm] 0,6 0,55 0,5 0,45 Taivutettu 2 x taivutettu 0, Kuormitussyklit Kuva asteen kulmaan taivutettujen kuparisauvojen väsytyskoetulokset. Kaiken kaikkiaan voidaan todeta, että sekä suorilla, että taivutetuilla koesauvoilla väsytyskoetulos oli selvästi parempi vähemmän muokatuilla kappaleilla. Koetulokset on kerätty taulukkoon Väsytyskoetulokset. Väsytyskoetulokset Perusnäytteet Taivutettu-oikaistu Näyte Siirtymä Syklit Kommentit Näyte Siirtymä Syklit Kommentit S1 0, Ok TS1 0, Ok S2 0,45 - Ei tulosta TS2 0, Ok S3 0, max 50t liikaa TS3 0, Ok S4 0, Ok TS4 - - Ei väsytetty S5 0,45 - Ei tulosta TS5 - - Ei väsytetty S Keskiarvo S Keskiarvo TS Taivutetut 2 kertaa taivutettut Näyte Siirtymä Syklit Kommentit Näyte Siirtymä Syklit Kommentit T1 0,54-0, Näyte vinossa TT1 0,56-0, Ok T2 0,56-0, Ok TT2 0,57-0, Ok T3 0,57-0,57 - Ei tulosta TT3 0,57-0, Ok T4 0,57-0, Ok TT4 0,56-0, Ok T5 0,57-0, Ok TT Keskiarvo T Keskiarvo TT Sekä 90-asteen kulmaan taivutetuilla, että suorilla koesauvoilla väsytyskoetulos oli selvästi parempi vähemmän muovatuilla sauvoilla. Kuvasarja (kuvat 5-8) suoran kuparisauvan väsytyskokeesta (koesauva S4). Kuvat on otettu koneen käydessä, joten ne eivät ole kovin tarkkoja. 4(6)

5 Konetekniikan osasto Oulun Eteläisen instituutti Kuva 5. Reuna on säröytynyt useasta kohti kierrosta. Kuva 6. Reunan hallitsevat säröt ovat kasvaneet, kappaleen keskelle on muodostumassa särö kierrosta. Kuva 7. Kappaleen keskelle muodostunut särö on kasvanut ja yhtymässä vastakkaisen reunan hallitsevaan säröön kierrosta. Kuva 8. Sauva on lähes irti-poikki, koe lopetettiin kierrosta. 5(6) OULUN YLIOPISTO Konetekniikan osasto PL 4200 (Linnanmaa) OULUN YLIOPISTO Puh. (08) Faksi: (08) me.oulu.fi

6 4 Yhteenveto Veto- ja väsytyskokeiden perusteella voidaan todeta, että taivutettu ja oikaistu tuote kestää hyvin staattista kuormitusta johtuen kuparin muokkauslujittumisesta. Sen sijaan dynaamisessa kuormituksessa oikaistu ja uudelleen särmätty tuote on merkittävästi heikompi. Toisin sanoen oikaistun ja uudelleensärmätyn tuotteen väsymislujuus on merkittävästi alentunut. Tuotteen kelpoisuus riippuu sen sijoituskohteesta. 6(6)