`
Zenon IGNASZAK Politechnika Poznańska [e-mail]
WYBRANE ASPEKTY  TOLERANCE OF DAMAGE
W PROJEKTOWANIU I EKSPLOATACJI WYROBÓW
ODLEWANYCH
1. WST
P
Natura przez epoki wytworzyła struktury roślin, struktury materiałów będących surowcami
użytkowymi (kopalinami), materię ożywioną w organizmach żywych i produkowanych przez
nie wydzielin. Czy struktury wymienionych obiektów natury są doskonałe? Czy są pozbawio-
ne defektów? Na pewno nie. Mimo to nawet te w pewnym stopniu zdefektowane struktury
dobrze spisują się w środowisku oddziaływania ekstremalnych warunków zewnętrznych. Ina-
czej w różny sposób i raczej ewolucyjnie eliminowała je sama natura, wykształcając gatunki,
czasem ich mutanty, dostosowane do uciążliwych warunków środowiska.
Od dawna człowiek starał się naśladować przyrodę starając się poprawić z natury wywo-
dzące się wzory (przykłady makro  rys.1).
Rys.1 Przykłady naśladowania struktur naturalnych w wymiarze makro (z
dz
bła traw-
drapacze chmur, plaster miodu-konstrukcje kratownicowe) [1]
Naśladowanie natury to dotyczy również świata metali. Metalurgia i odlewnictwo jest je-
dyną dziedziną techniki, która podjęła próby kształtowania wyrobów metalowych nie tylko
pod względem geometrii wyrobu, ale także struktur materiałów na drodze krystalizacji ze
stanu ciekłego. Oczekiwanym przez użytkowników celem tej gałęzi techniki jest uzyskanie
wyrobu (odlewu), np. o jednorodnych właściwościach mechanicznych Czy jest to słuszne
oczekiwanie dla wyrobów odlewanych, o dowolnej wielkości, kształcie i przeznaczeniu?
Ze znakomitych pod względem właściwości i ich jednorodności metalowych materiałów
możliwych do nabycia z  hurtowej półki , materiałów po przeróbce plastycznej w walcow-
niach, nie wykona się metodami ubytkowymi dowolnych, geometrycznie złożonych, średnio i
wielkowymiarowych obiektów takich jak korpusy, głowice, armatura chemiczna, masywne
zespoły dla przemysłu mineralnego i cementowego.
Praktycznie wszystkie materiały metalowe, z jakimi się spotykamy, były uzyskane na dro-
dze krystalizacji i podlegały dalej ewentualnemu przetwarzaniu struktury materiału tylko w
stanie stałym (obróbka cieplno-chemiczna, obróbka cieplna, pewnym wyjątkiem jest napawa-
nie). A
Ä…czÄ…c te obiekty przez spawanie (przemiany o wysokiej dynamice cieplnej), wprowa-
dza się często niepożądane lokalne struktury, trudne do zmodyfikowania.
Powstaje pytanie: czy niejednorodność struktur odlewanych jest wynikającą ze specyfiki
technologii uciążliwością czy też dobrodziejstwem, dającym się wykorzystać w praktyce?
Odpowiedz
może być jedna. Powinna wskazywać na konieczność optymalnego powiązania
wymagań wynikających z wizji i wiedzy konstruktora z możliwościami jakie dają technologie
odlewania, z uwzględnieniem aspektu ekonomicznego każdego projektu zawierającego części
odlewane.
2.JAK ROZUMIEĆ TOLERANCE OF DAMAGE W ODLEWACH
Modne i znajdujące uznanie w finansowaniu badań materiały kompozytowe o osnowie me-
talowej (MMC), ostatnio nawet z dodatkami nanomateriałów  atrakcyjny temat wielu publi-
kacji i doniesień  są kojarzone z nowoczesnymi materiałami, których struktura powstaje na
drodze syntezy składników. To decyduje o korzyściach użytkowych różnych wyrobów z
MMC, obiektów, instalacji, np. o znakomitej odporności na zużycie ścierne, korozyjne, z za-
mierzoną anizotropia właściwości. Inne MMC, o wysokich parametrach wytrzymałościo-
wych, charakteryzują się anizotropią steksturowanej struktury, w funkcji rozkładu spodziewa-
nych naprężeń eksploatacyjnych. Przy tej okazji należy też podkreślić, że te wymienione, a
także inne właściwości MMC (m.in. podwyższona odporność korozyjna, odporność struktury
na szok cieplny i powstawanie rozwijającej się siatki mikropęknięć) mogą, a czasem powinny
mieć charakter lokalny. Koncepcja i możliwości realizacji technologii wytwarzania Nowocze-
snego wyrobu kompozytowego powinny uwzględnić poziom wymagań eksploatacyjnych.
Obecne od pewnego czasu w dziedzinie nauk o materiałach pojęcie materiału z gradientem
właściwości  tej lokalności nadały rangę wymogu nobilitującego cechy użytkowe wyrobu.
Może to prowadzić nawet do obniżenia kosztu wytwarzania: podniesienie jakości w strefach o
wysokich wymaganiach eksploatacyjnych, uzyskać można kosztem celowego obniżenia jako-
ści w strefach wyrobu, gdzie wymagania ze względu na obciążenia (naprężenia) i środowisko
pracy wyrobu sÄ… zredukowane do minimum.
Powyższy wywód należy łączyć z zagadnieniem Tolerance of damage (dopuszczenie wa-
dliwości wyrobu) co jest terminem odnoszącym się do odporności na uszkodzenia (z etapu
produkcji lub/i eksploatacji) podczas użytkowania wyrobu. Termin ten wywodzi się
z inżynierii kosmicznej (Aerospace Engineering) i obejmuje następujące okoliczności eksplo-
atacji wyrobów (materiałów):
W Aerospace Engineering akceptowana jest rzeczywista struktura odbiegajÄ…ca od struktury
doskonałej (doskonałej  w sensie technicznych możliwości jej uzyskania), jeśli przy prawi-
dłowym nadzorze procesów wytwórczych i eksploatacyjnych (kontrola jakości, polityka re-
montowa) doprowadzi się do wykrywania i naprawy incydentalnych uszkodzeń, śladów koro-
zji i pęknięć zmęczeniowych, co będzie chronić przed groz
nymi dalszymi uszkodzeniami.
Tolerance of damage (Tolerancja uszkodzenia) zwana też  fail safe , jest w zasadzie filo-
zofią projektowania i wymaga, aby konstrukcja była w stanie oprzeć się trybowi uszkodzeń
z powodu zmęczenia materiału, w najbardziej prawdopodobnych lokalizacjach.
Ta filozofia przenosi siÄ™ coraz efektywniej do europejskich znakomitych odlewni i ich
współpracy z klientami.
3. ODLEW JAKO KOMPOZYT O OSNOWIE METALOWEJ
Czym różni się od kompozyt o osnowie metalowej (MMC) od wyrobu odlewanego? Czym
jest pod względem materiałowym odlew, będący często ciężarowo i wymiarowo głównym
elementem konfiguracji złożonej konstrukcji mechanicznej? Odlew jest ze względu na swoją
strukturę swoistym kompozytem  in situ . Poczynając od pierwszych odlewów jakie powstały
w czasach prehistorycznych, odlewy zachowały swój charakter wyrobów kompozytowych.
Odlewnictwo nie potrafi produkować innych odlewów jak kompozytowe, z gradientem wła-
ściwości. Rzecz w tym, aby nad tą ich przyrodzoną cechą panować, Niewtajemniczeni mówią
o niejednorodności, o niestabilności jakości na przekroju ścianki odlewu. Gdzie leży przyczy-
na i istota takich obiegowych opinii?
Pewne ewidentne próby naśladowania pokazanych na rys.1 struktur można obserwować na
przykładzie kompozytów odlewanych (nasycanych) oraz przy produkcji pian metalicznych.
Jest to krok naprzód w stosunku do struktur litych, o praktycznie zerowej porowatości [2]. .
Właściwościami kompozytu odlewanego (dalej będzie się używać tradycyjnego pojęcia 
odlew) trzeba umieć sterować,  dopuszczając do głosu coraz mniej czynników decydujących
 niemierzalnie i niesterowalnie o przebiegu procesu, poprawiając jego stabilność. To świad-
czy o postępie w branży i w nadążaniu poszczególnych odlewni za dostępnymi, nowocze-
snymi technologiami. Nie można zatem porównywać odlewów wykonywanych przed laty,
nawet przed paru laty, z tymi, które są w stanie standardowo wykonać obecnie wiodące za-
kłady odlewnicze. Trzeba podkreślić  dobre odlewnie, a jakość wytwarzanych w nich odle-
wów trzeba umieć profesjonalnie oszacować i nie ukrywać wyników tego badania przed
klientem (użytkownikiem). Przy tym, jakiekolwiek uogólnienia dotyczące jakości poszcze-
gólnych odlewów i poziomu odlewni są niewskazane. To z
le służy odlewniom i ich klientom.
a.
c.
Rys.2 Hipotetyczne struktury kompozytów nasycanych i zasada ich wytwarzania z użyciem
preformy (a) oraz przykład rzeczywistych struktur pian metalicznych: piana tzw. stochastycz-
na o porowatości 60% ze stopu AlSi7Mg (b) i piana tzw. regularna ze staliwa niskowęglowe-
go chromo-niklowego o porowatości 85% (c).
Z całą siłą należy podkreślić i odróżnić anomalie strukturalne w sensie zróżnicowania faz
powstałych na skutek krystalizacji i ścisłość struktury w sensie upakowania krystalitów
w wyrobach odlewanych (czyli struktur pierwotnych)  od innych tzw. wad produkcyjnych
powstających w procesach wytwarzania. Zaliczanie ogółu wad produkcyjnych i wszystkich
niedoskonałości strukturalnych, głównie nieciągłości, do wspólnego mianownika jest niepo-
rozumieniem owocujÄ…cym utrudnieniem interpretacji natury wady i komunikacji
z poszczególnymi grupami specjalistów technologów z konstruktorami. Niestety o tych
oczywistych stwierdzeniach zdajemy się zapominać. Synergia wiedzy i doświadczenia kon-
struktorów, technologów i kontrolerów jakości  to jest kierunek postępu w światowym od-
lewnictwie i nie ma od niego odwrotu [3].
4. SPECYFIKA STRUKTUR I WAD W SUROWYM ODLEWIE
Reasumując, każda kwalifikacja nieciągłości w wyrobach metalowych musi uwzględniać
dwa podstawowe fakty:
Zazwyczaj w analizach i interpretacjach materiałowych wad wyrobów przeważa podejście
typu metaloznawczego. Cytowana jest bibliografia metaloznawcza, rzadziej metalurgiczno-
odlewnicza lub nawiązująca do know-how odlewniczych technologii. Rozważania dotyczą
jakości materiału w oderwaniu od aktualnej wiedzy o mechanizmach powstawania niedosko-
nałości u z
ródła, czyli podczas krystalizacji i krzepnięcia. Ogólna i klasyczna wiedza o krzep-
nięciu prostych wlewków, charakteryzujących się także dużymi rozmiarami, jako odlewu
wyjściowego, o prostym kształcie, odlewu bez węzłów cieplnych, i napotykanych tam wa-
dach porowatości, segregacji, pęcherzy, pęknięciach  nie wyczerpuje wiedzy na temat
krzepnięcia odlewów nie tylko staliwnych, ale i wlewków ze stopów aluminium, czy miedzi.
Nie obejmuje zupełnie wiedzy na temat krzepnięcia odlewów z tych samych gatunkowo sto-
pów nie poddawanych przeróbce plastycznej, nie mówiąc o innych stopach, które nie nadają
się do obróbki skrawaniem.
Jako pierwszy stopień wtajemniczenia można oczywiście potraktować wymienianie
w jednym szeregu takich wad powstających podczas procesów produkcyjnych jak: pęcherze
gazowe, porowatości, wtrącenia obcych materiałów, segregacja składników, rozwarstwienia,
przyklejenia, pęknięcia powierzchniowe i pęknięcia wewnętrzne.
Jeżeli zatem mówimy o identyfikacji i znaczeniu obecności rzeczywistych wad materiało-
wych, to zwróćmy uwagę, że nie chodzi tylko o niespełnienie założenia przyjmowanego
w obliczeniach wytrzymałościowych  o idealnym ujednorodnieniu struktury i właściwości
mechanicznych, pozbawione istotnych wad wewnętrznych. Nawet, jeżeli uwzględnimy osła-
bienie przekroju przez ubytki przekroju przenoszącego obciążenia, wady nieciągłości mogą
podczas eksploatacji być miejscami inicjacji pęknięć, o trudnym do przewidzenia rozwoju.
Taka wymykająca się spod kontroli propagacja pęknięć oczywiście będzie prowadzić do du-
żego prawdopodobieństwa zniszczenia wyrobu. Mechanika pękania  próbuje wychodzić na
przeciw tym problemom i oceniać szybkość rozwoju pęknięcia [4]. Niestety podstawy teore-
tyczne rozwoju pęknięć i mikropęknięć są sprowadzone z konieczności do materiału ujedno-
rodnionego w obszarze pęknięcia.
Jak zatem oceniać wytrzymałość elementów zawierających wady, aby zwrócić uwagę na
potencjał możliwości jaki daje mimo wszystko mechanika pękania ?
Jako pęknięcie (miejsce jego inicjacji) w odlewie można uważać rozwarstwienie materiału
w miejscu pierwotnego wystÄ…pienia
W [6] zapisano, że zbiór nazw nieciągłości w odlewach przekracza ilościowo i rodzajowo
określenia stosowane dla nieciągłości typowych dla innych produkcyjnych procesów wytwa-
rzania. W przypadku odlewów miejsce występowania wady nieciągłości jest czasem determi-
nujące i może jednoznacznie wskazać na rodzaj wady i określenie jakie póz
niej stanowić mo-
że zagrożenie dla eksploatacji gotowego wyrobu. Obszar potencjalnego zalegania konkretnej
wady w odlewie dotyczy całej jego objętości. W połączeniu spawanym, obszar ten nie wy-
kracza poza wąską i łatwą do zidentyfikowania strefę spoiny i strefę wpływu na materiał ro-
dzimy. Niektóre nawet wspólne nazewnictwo dla lokalnych wad, nie oznacza, że ich natura i
przyczyny powstania sÄ… identyczne.
Poza lokalizacją, intensywność i rozproszenie wewnętrznych nieciągłości, zestawione po-
równawczo dla odlewu i złącza spawanego, należy koniecznie odnieść do przebiegu zjawisk
podczas ich powstawania. Na rys.3, 4 i 5 przedstawiono charakterystyczne porowatości po-
chodzenia skurczowego w odlewach.
5mm
Rys.3 Dendryty w strefie porowatości skurczowej odlewu staliwnego. Widoczne mikrokarby
wynikające z niezasilonych ciekłym metalem przestrzeni między ramionami dendrytów.
0,1mm
0,5mm
Rys.4 Dendrytyczna struktura w strefie lokalnej porowatości skurczowej odlewu ze stopu Al-
Si-Cu. Widoczne mikrokarby wynikające z niezasilonych ciekłym metalem przestrzeni mię-
dzy ramionami dendrytów.
0,5mm 0,2mm
Rys.5 Zarys niewykształconych dendrytów w strefie lokalnej porowatości gazowo-
skurczowej odlewu ze stopu Al-Si-Cu. Widoczne karby o wyraz
nie mniejszym rozwinięciu
powierzchni.
Dendrytyczny ich charakter potwierdza morfologiÄ™ krystalizacji i mechanizm braku skutecz-
ności mikroprzepływów zasilających.
Liczne przykłady przytoczone w [4] wskazują, że większość katastrof spowodowanych
kruchym pękaniem dotyczyło zdecydowanie konstrukcji spawanych. Nie pękały w opisany
sposób np. mosty nitowane. Nie należy ograniczać powodów tego niekontrolowanego pękania
tylko do nieciągłości w samej spoinie i sposobie jej kohezji z materiałem rodzimym (brak
przetopu, przyklejenie). Strefa przetopu materiału rodzimego i strefa oddziaływania szoku
cieplnego prowadzi do powstania faz kruchych i silnych naprężeń lokalnych, jeżeli spawanie
stali (staliwa) odbywa się w temperaturze otoczenia. Sprzyja to rozwojowi pęknięć, ze wzglę-
du na bliskość ewentualnych nieciągłości (mikropęknięć, pęcherzy) w spoinie jako miejsc
inicjacji. W rejonie szwu spawalniczego zachodzą silne zmiany struktury, i który nie poddany
odpowiedniej obróbce cieplnej, pozostanie rejonem zagrożenia dla konstrukcji spawanej.
Czy to przekłada się na odlewy? Pojęcie warunków odbioru jest przedmiotem nieustającej
dyskusji pomiędzy wytwórcami odlewów, a ich odbiorcami, którzy z nadania konstruktorów
będą zawsze wskazywać konieczność dysponowania materiałem zbliżonym do idealnego, o
niewykrywalnych (nieczytelnych za pomocą zastosowanych metod badań) wadach we-
wnętrznych. Opinia, że odlewnicy starają się  przemycić lub uzyskać akceptacje wad jest
obiegowym sposobem na wykazanie ich niekompetencji lub ograniczeń tej branży wytwarza-
nia.
Specyfika powstawania odlewu w formie będzie zawsze decydowała o gradiencie struktury
złożonej z poszczególnych faz, o obecności i rozmiarach mikroporowatości międzydendry-
tycznych i w związku z tym o właściwościach mechanicznych. Stopień tej zmienności zależy
od rodzaju technologii. Każda z nich w strefach odlewów uznanych jako ścisłe (niemożliwe
do wykrycia nieciągłości istniejącymi metodami NDT) charakteryzuje się pewnym poziomem
mikroporowatości. To one decydują najsilniej o charakterystykach mechanicznych próbek
wyciętych z tych miejsc w odlewie lub z próbki kontrolnej (przylegającej, przylanej lub osob-
no odlewanej).
W tych okolicznościach faktycznie trudno jest opracować jasne kryteria odbioru odlewów,
dopasowane do faktycznych potrzeb wytężeniowych wyrobu gotowego, którego przekroje
zostały obliczone w sposób klasyczny (wytrzymałość dopuszczalna, naprężenia zastępcze).
Warunki odbioru są formułowane w różny sposób. Ich definiowanie opierać się może o:
Ostatnia procedura jest swoistym novum w formułowaniu warunków odbioru odlewów i
wychodzi na przeciw arbitralnemu podejściu do respektowania klasy jakości, ze wskazaniem
na  non conformity , przy przekroczeniu przez nieciągłości granic danej klasy. Tę nową pro-
cedurę stosują odbiorcy odlewów z USA (przemysł cementowy), po jej pełnym wdrożeniu
3 lata temu, co opisano to w następnym rozdziale.
5. PODSTAWY I PRZYKA
AD ZASTOSOWANIA ZASADY TOLE-
RANCE OF DAMAGE PRZY ODBIORZE ODLEWU GRUBO-
ŚCIENNEGO Z ŻELIWA SFEROIDALNEGO.
W [4]] napisano, że przyjęcie prostych modeli materiału i pęknięć podyktowane jest trud-
nościami w opisie teoretycznym zachowania się rzeczywistych wad w rzeczywistych elemen-
tach konstrukcji. Jedną z takich wielkości, za pomocą której szacuje się stan wytężenia mate-
riału jest współczynnik intensywności naprężeń (WIN) wyznaczony przy założeniu, że ma się
do czynienia z materiałem liniowo sprężystym. Dla przypadku materiału rozciąganego
KI = Ç"Ä„a, gdzie a  wskazuje na rozlegÅ‚ość pÄ™kniÄ™cia, zaÅ› à  jest wartoÅ›ciÄ… naprężenia na
jego granicy. Jeżeli wartość tego współczynnika przekroczy wartość krytyczną, następuje
rozwój pęknięcia. Tę wartość przyjęto nazywać odpornością materiału na pękanie (niekiedy
dodaje się słowo  kruche)  KIc , wyznaczanej na próbkach o specjalnym kształcie, z karbem.
" Wartość tego współczynnika maleje ze wzrostem granicy sprężystości (plastyczno-
ści) RE materiału oraz ze wzrostem grubości elementu [7].]
" ] (stąd także od badanego materiału próbki pochodzącej z odlewu wymagana jest
jednorodność strukturalna). Charakterystyczne wymiary takich próbek wynikają z
normy ASTM E-399 [8], ] (polski odpowiednik [9]). Ich grubość wynosić powinna
Be"2.5 (KIc/RE).
W [9] podano, że wartości KIc dla większości materiałów uwzględnionych w tabeli 1, ale
również wielu innych, mieszczą się w zakresie do 100 MPa m1/2. Odpowiadająca mu górna
granica zakresu minimalnych grubości próbek, w zależności od stosunku KIc /RE, wynosi ok.
20 mm. W tabeli 1 umieszczono także dane dla stali A 533 B i stali węglowej, które mają
niskie granice plastyczności, a bardzo wysoką odporność na pękanie. Taka kombinacja cha-
rakterystyk materiałowych prowadzi do grubości próbek testowych rzędu metra, a nawet dwu
dla stali węglowej. Z oczywistych powodów wykonanie próby na KIc jest wtedy trudno wy-
obrażalne, by nie powiedzieć niewykonalne.
Na podstawie [10] można podać, że LSMP (zasada liniowej sprężystości w mechanice pę-
kania) może być stosowana dla materiałów, dla których stosunek E/RE nie przekracza
200÷250. W przypadku szczelin ćwierćeliptycznych i półeliptycznych wprowadza siÄ™ do
podanych relacji współczynniki korekcyjne. Podobnie czyni się w przypadku ciała o skoń-
czonych wymiarach. Najczęściej współczynniki te podane są w postaci wykresów lub tabel,
dostępnych w tablicach oraz monografiach dotyczących mechaniki pękania [10]
W materiale liniowosprężystym zależność między siłą a rozwarciem szczeliny powinna być
liniowa aż do chwili zniszczenia próbki. Materiały rzeczywiste konstrukcyjne, a zwłaszcza
niejednorodne strukturalnie odlewy, charakteryzują się mniejszą lub większą nieliniowością,
zwłaszcza przy dużych obciążeniach (wcześniejsze pojawianie się lokalnych odkształceń pla-
stycznych oraz lokalnych mikrouszkodzeń).
Tab.1. Wartości granicy plastyczności RE i odporności na kruche pękanie KIc dla wybranych
materiałów (po przeróbce plastycznej) w temperaturze pokojowej (na podst. [10]
RE K
MATERIAA
Ic Min. grubość
[MPa] [MPa m1/2] B [mm]
stal martenzytowa 350 2241 38.5 0.7
stal AISI 4340 1815 46.5 1.7
stal martenzytowa 250 1776 73.8 4.3
stal martenzytowa 300 1668 93.1 7.8
stal D 6 AC 1491 65.1 4.8
stal reaktorowa A 533 B 343 195.4 811
stal węglowa 235 217.2 2136
Ti 6Al-2Sn-4Zr-6Mo 1177 26.4 1.3
Ti 13V-11Cr-3Al 1128 27.6 1.5
Ti 6Al-4V 1099 37.8 3.0
Ti 6Al-6V-2Sn 1079 37.2 3.0
Ti 4Al-4Mo-2Sn-0.5Si 942 69.5 13.6
Al 7075-T651 540 29.2 7.3
Al 7079-T651 461 32.6 12.5
Al 2014-T4 451 27.9 9.6
Al 2024-T3 392 34.1 18.9
pleksiglas 1.6
Przykład zastosowania metody LEFM (Linear Elastic Fracture Merchanics) dotyczy wiel-
kogabarytowych odlewów z żeliwa sferoidalnego. Są to odlewy elementów dennic młynów
do mielenia klinkieru w cementowniach. W odróżnieniu od odlewów monolitycznych tych
dennic dla młynów średniej wielkości (dennica odlana razem z czopem, średnica do ok. 5m) ),
młyny o średnicach około 10m i więcej są wyposażone dennice wykonane z segmentów two-
rzÄ…cych tzw. assiette  talerz, a czop odlewany jest wtedy jako osobny element. Schemat i
wygląd takiego młyna pokazano na rys. 6.
Masa takiego pojedynczego segmentu, który odlewa się z żeliwa sferoidalnego wynosi od
25 do 35 ton, przy grubości 130-150mm (rys.7). Technologia tego odlewu została opracowana
i wdrożona w grupie odlewni francuskich, należących do światowej czołówki odlewni specja-
lizujących się w odlewach ciężkich ze stopów. O klasie tej technologii świadczy uzysk prze-
kraczający 85% (ciężar odlewu surowego, po usunięciu układu wlewowego i nielicznych tutaj
nadlewów, odniesiony do całkowitego ciężaru metalu odlanego do formy).
Odbiór tego odlewu przez klienta (jedna z największych firm światowych wykonująca in-
stalacje dla przemysłu cementowego) oparty jest o następujące procedury:
Dennica Dennica
Rys.7 Segmenty dennic w stanie po odlaniu (z lewej) i po obróbce gotowe do transportu na
przyczepie niskopodwoziowej (z prawej)
Rys.8 Naniesione na powierzchnię odlewu segmentu dennicy z żeliwa 500-07 numery kolejne i para-
metry pól nieciągłości. Widoczne ślady skanowania za pomocą głowicy UT.
Wskazanie miejsca kry-
tycznego w odlewie
Nr nieciągłości
Stress Intensity Factor K1c (w dolnej części porowato-
(por.rys.5)
ści  w strefie rozciąganej
przekroju)
Rys.9 Wyjątek protokółu podsumowującego wyniki analizy wytrzymałościowej FEM/LEFM
z zacytowaniem zdania, z którego wynika zaakceptowanie jakości odlewu jako spełniające
warunki założone przez klienta  czyli KIc niższe od wartości krytycznej 154,8 N/mm3/2 (war-
tość wskazana konstruktora i producenta kruszarek dla przemysłu cementowego).
Krytyczna wartość KIc dla żeliw sferoidalnych mieści się w granicach 563 do 940 N/mm3/2
(17,8 do 29,7 MPa‡m1/2). Dla odlewów gruboÅ›ciennych z żeliwa, którego dotyczy ten przy-
kład specjalizowane centrum w USA, któremu klient powierzył obliczenia FEM/LEFM, przy-
jęło niższÄ… wartość  154,8 N/mm3/2 (4,90 MPa‡m1/2).
6. PROCEDURA WYKORZYSTANIA WSPÓA
CZYNNIK INTEN-
SYWNOÅšCI NAPR
ŻEC
DO ROZSTRZYGANIA SPORU O
PRZYCZYN
POWSTANIA HIPOTETYCZNEGO P
KNI
CIA
Tytuł rozdziału wskazuje na możliwość jaką daje metoda LEFM w przypadkach wskazania
przyczyny powstania pęknięcia: przekroczenie dopuszczalnego obciążenia W [11] podniesio-
no problem niewłaściwego zakwalifikowania rodzaju wady przez zespół wykonujący badania
arbitrażowe UT, na zlecenie cementowni (wielkogabarytowy odlew staliwny  bieżnia pieca
do wypalania klinkieru). W pracującej bieżni stwierdzono rozwijające się pękniecie i ko-
nieczność jej kosztownej naprawy. Odlew ten przed zamontowaniem na piecu pozytywnie
przeszedł badania odbiorowe w odlewni, w której był wykonany, na obecność wad nieciągło-
ści niezgodnych z warunkami odbioru, w obecności klienta. Fakt, iż odlew bieżni zaczął pę-
kać mógł być spowodowany np. nieciągłościami nie wykrytymi w warstwie podpowierzch-
niowej, w której podczas roboczych, przewidzianych w projekcie, obciążeń współpracy z rolą
podporową pieca, zaczęło się rozwijać pęknięcie. Drugą przyczyną mogło być przekroczenie
naprężeń dopuszczalnych na skutek błędu montażowego i powstaniu dużych obciążeń w stre-
fie na skutek np. niewspółosiowości bieżni i roli. Rozstrzygnięcie tego sporu, przy znajomości
lokalizacji wady nieciągłości mogłoby nastąpić po wykorzystaniu metody LEFM, udzielając
odpowiedzi na pytanie czy na krawędziach obszaru wady nieciągłości (z której wirtualnie
usunięto materiał) wartość współczynnika WIP przekracza KIc dla materiału, z którego wyko-
nano bieżnię. Nie podjęto tej procedury, wyrokując o demontażu i złomowaniu bieżni.
7. PODSUMOWANIE
Pojęcie czy tez filozofia Tolerance of damage wiąże się z uwarunkowaną technologicznie
specyfiką wyrobów odlewanych powinna głównie odnosić się do świadomości granic osią-
galnych ich właściwości mechanicznych, w zależności od miejsca na przekroju. Wskazano na
nieuchronność ilościowego uwzględniania lokalności właściwości mechanicznych. Dotyczy
to struktur i ich patologii w wyrobach, które powstają bezpośrednio na drodze krystalizacji z
ciekłego stopu. Lokalność ta nie jest powtarzalna, ze względu na złożoność zjawisk podczas
odlewania i stygnięcia odlewów, i dotrzymanie stabilności warunków produkcji. Ma to ścisły
związek z formułowaniem warunków odbioru odlewów. Zamawiający odlewy nie potrafią
zazwyczaj uzasadnić na jakiej podstawie wybrano daną klasę jakości odlewu. W artykule po-
kazano sposób i przykład wykorzystania wiedzy z dziedziny mechaniki pękania do uzasad-
nienia ostatecznej pozytywnej decyzji o dopuszczeniu wielkogabarytowego odlewu z żeliwa
sferoidalnego do eksploatacji, mimo wystąpienia w miejscach nieciągłości spadku echa dna
powyżej 20dB. W najnowszej literaturze (2006) można znalez
ć przykłady zastosowania takiej
procedury dla zupełnie odmiennych odlewów (małe odlewy ze stopów Al-Si dla przemysłu
samochodowego). Takie podejście inspiruje konstruktorów i technologów do opracowań in-
nowacyjnych i postępu w dopasowaniu wzajemnym gradientu właściwości w odlewie i jego
eksploatacyjnych zadań wytężeniowych.
8. LITERATURA
[1] B.JURKOWSKI Nanotechnologie i nanomateriały. Autorski wykład opublikowany na
www.put.poznan.pl, 2005]
[2] J.DAIRON, Y.GAILLARD, J-C.TISSIER, D,BALOY, G.Degallaix Mouse metallique:
CTIF innove dans les materiaux cellulaires. Fond.Fond.d Aujourd, No 285,
[3] Z.IGNASZAK, J.CIESIÓA
KA Lokalność właściwości w odlewach i dopuszczalności
wad nieciąglości w aspekcie obciążeń użytkowych. Proceedings Czternaste Seminarium
NIENISZCZ
CE BADANIA MATERIAA
ÓW, Zakopane, 4-7 marca 2008]
[4] Z.KOWALEWSKI, J.DEPUTAT, Identyfikacja wad materiałowych w ujęciu mechaniki
pękania  podstawy teoretyczne, cz.1 i 2, Dozór Techniczny, 5/2005 i 6/2005
[5] J.GERMAN, Podstawy Mechaniki Pękania, e-Skryt Politechniki Krakowskiej. 2007
[6] Z.IGNASZAK, J.CIESIÓA
KA Identyfikacja wad nieciągłości w odlewach żeliwnych w
aspekcie warunków odbioru i kryteriów jakości. Materiały Dziesiąte Seminarium Nienisz-
czące Badania Materiałów Zakopane, 16-19 marca 2004.
[7] J.GERMAN, Podstawy Mechaniki Pękania, e-Skryt Politechniki Krakowskiej. 2007
[8] Standard Test Method for Plane-Strain Fracture Toughness of Metallic Materials, Annual
Book of ASTM Standards, Part 10, E 399-81, American Society for Testing and
Materials, 592-621, 1981.
[9] PN-87/H-04335, "Metoda badania odporności na pękanie w płaskim stanie odkształce-
nia", PKN,MiJ, 1987]
[10] D.BROEK Elementary Engineering Fracture Mechanics, Kluwer Academic
Publishers, 1991
[11] Z.IGNASZAK, J.CIESIÓA
KA Przykłady i analiza błędów w identyfikacji rodzajów
nieciągłości w odlewach. Proceedings Trzynaste Seminarium NIENISZCZ
CE BADA-
NIA MATERIAA
ÓW, Zakopane, 13-16 marca 2007.