Διερεύνηση της επίδρασης θερμικών κατεργασιών στη βελτίωση της ικανότητας απορρόφησης ενέργειας μεταλλικών υλικών στην περίπτωση κρουστικής καταπόνησης (crashworthiness)

Abstract

Στόχος της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας είναι μελέτη της συμπεριφοράς προφίλ αλουμινίου 6063 σε αξονική φόρτιση για διαφορετικές θερμικές κατεργασίες, ώστε να εξαχθεί ένα συμπέρασμα για την ικανότητα απορρόφησης ενέργειας. Οι μεταβλητές που μελετήθηκαν ως προς τη θερμική κατεργασία γήρανσης αφορούν στη θερμοκρασία των δυο σταδίων, το χρόνο, και το ρυθμό ψύξης. Ακολούθησαν δοκιμές συμπίεσης και εφελκυσμού για το καθορισμό των μηχανικών ιδιοτήτων καθώς και ανάπτυξη κώδικα πεπερασμένων στοιχείων (FEMB LS-DYNA) συμπληρωματικά για τη μελέτη της συμπεριφοράς του υλικού και την πρόβλεψη για την απορρόφηση ενέργειας. Επιπλέον για την εμβάθυνση στην επίδραση των παραμέτρων της γήρανσης στις μηχανικές ιδιότητες του κράματος ακολούθησε μεταλλογραφική μελέτη σε οπτικό και ηλεκτρονικό μικροσκόπιο. Συμπερασματικά, συγκρίνοντας τις δυο θερμικές κατεργασίες με κριτήριο τον τρόπο ψύξης, βλέπουμε ενδεικτικά πως με τη βαφή στο νερό, η απορρόφηση ενέργειας πλαστικής παραμόρφωσης βελτιώνεται κατά 18%.Το δοκίμιο που παρουσιάζει το μεγαλύτερο μέσο φορτίο για την περίπτωση της πρώτης θερμικής κατεργασίας (Τ1=100, t1=4h) είναι αυτό με t2=16h (P=30.5kN, W=5124J) και βαφή σε νερό.Στην περίπτωση της δεύτερης θερμικής κατεργασίας, η βέλτιστη απορρόφηση ενέργειας προκύπτει για (Τ1=100, t1=12h) t2= 12h και βαφή στο νερό (P= 30.6 kN, W=5140.8 J). Οι μηχανικές ιδιότητες (YS, A%) είναι παραπλήσιες με το προφίλ για t2=16h της πρώτης θερμικής κατεργασίας, όπως και η μακροσκοπική εικόνα της κατάρρευσης τους. Παρατηρήθηκε μια αύξηση της επιμήκυνσης της τάξης του 7% στην περίπτωση της δεύτερης κατεργασίας. Δεν υπάρχει ένδειξη πτωτικής τάσης των μηχανικών ιδιοτήτων, οπότε η αύξηση του χρόνου του δευτέρου σταδίου γήρανσης για περισσότερες από 12h ώρες πιθανά να επέφερε και κάποια επιπλέον αύξηση του crashworthiness.

Με βάση τις επιτευχθήσες βέλτιστες τιμές επιλέγεται η πρώτη θερμική κατεργασία, δεδομένου ότι η αύξηση του χρόνου παραμονής στο πρώτο στάδιο της γήρανσης δεν επέφερε αντίστοιχη αύξηση στην ικανότητα απορρόφησης ενέργειας, ώστε να αιτιολογεί την δαπάνη επιπλέον κατανάλωσης ενέργειας.

The main objective of the present thesis is the invesitigation of the behavior of extruded Al alloy (6063) under axial quasi static loading after various artificial aging treatment conditions. Variables examined included cooling rate after solid solution treatment as well as both pre-aging and aging, time and temperature. Metallography ( optical and electronic microscopy) and tensile testing were employed for developing deeper knowledge on the effect of the aging process parameters. FEM analysis with the computer code LS-DYNA was supplementary applied for deformation mode investigation and crashworthiness prediction. Results showed that data from actual compression tests and numerical modeling were in considerable agreement with each other. Comparing the two different thermical treatments,with criterion the cooling rate, water quenching appears to improve the crasworthiness 18%. The sample that has the maximum average load in the case of the first thermal treatment (Τ1=100, t1=4h) is for t2=16h (P=30.5kN, W=5124J) and water quenched. Regarding the second treatment (Τ1=100, t1=12h) the maximum crashworthiness was obtained for t2= 12h and water quenched, too (P= 30.6 kN, W=5140.8 J). Mechanical properties (YS, A%) are similar regarding the two above mentioned extruions as well as their condition after the compression testing. It was observed an increase in the elongation (7%) in the case of the second treatment. There was no trend indicating the of the mechanical properties, so increasing the time of the second stage of the treatment for more than 12h probably increase the energy absorbtion. Taking into account the achieved results, is concluded that the fisrt treatment is to be chosen. The icrease of the time during the fist step of the treatment does not bring the expected increase in crashworthiness for the higher energy consumption.