Metoda prognozowania trwałości zmęczeniowej wlewnic

Abstract

Praca dotyczy prognozowania trwałości zmęczeniowej wlewnic żeliwnych eksploatowanych w warunkach cyklicznych obciążeń cieplno- mechanicznych. Celem było opracowanie metody pozwalającej wiarygodnie wyznaczać liczbę cykli do utraty zdolności eksploatacyjnej z rozróżnieniem faz inicjacji i propagacji pęknięcia. Podstawę stanowiły badania eksperymentalne prowadzone w warunkach przemysłowych oraz sprzężone z nimi analizy numeryczne pól temperatury, przemieszczeń, odkształceń i naprężeń w ścianach wlewnicy. Pomiary temperatury i przemieszczeń na stanowisku zalewowym wykorzystano do kalibracji warunków brzegowych i weryfikacji modelu, zapewniając jakościową i ilościową zgodność obliczeń z wynikami pomiarów. Przeprowadzono badania materiałowe obejmujące charakterystyki wytrzymałościowe w temperaturze pokojowej i podwyższonej, przewodność cieplną, twardość oraz próby z zakresu mechaniki pękania. Analiza mikrostruktury umożliwiła powiązanie jej zmian ze zmianami właściwości pod wpływem cyklicznego nagrzewania i chłodzenia. Opracowana metoda integruje wyniki badań i obserwacji przemysłowych z obliczeniami numerycznymi: inicjację pęknięcia szacuje się na podstawie analiz MES z wykorzystaniem hipotezy zmęczeniowej, a propagację - analitycznie, co umożliwia analizę wariantów eksploatacyjnych i ocenę trwałości elementu.

The dissertation addresses prediction of fatigue life of cast-iron ingot molds operating under cyclic thermo-mechanical loading. The objective was to develop a method for reliable determination of the number of cycles to loss of serviceability, distinguishing crack initiation and propagation phases. The methodology was based on industrial experimental investigations combined with numerical analyses of temperature, displacement, strain and stress fields in the mold walls. Measurements at the pouring station were used to calibrate boundary conditions and validate the model, ensuring agreement between calculations and experiments. Material tests included strength properties at room and elevated temperatures, thermal conductivity, hardness, and fracture mechanics experiments. Microstructural analysis enabled correlation of structural changes with variations in properties caused by cyclic heating and cooling. The developed method integrates experimental data with numerical simulations: crack initiation is estimated using finite element analyses with a fatigue criterion, while crack propagation is calculated analytically, enabling assessment of operating scenarios and prediction of component lifetime.