Badania zmęczeniowe bimetali typu stal-tytan zgrzewanych metodą wybuchową w próbie cyklicznego rozciągania-ściskania

Transkrypt

1 Aleksander karolczuk, mateusz kowalski, robert bański, fabian żok Badania zmęczeniowe bimetali typu stal-tytan zgrzewanych metodą wybuchową w próbie cyklicznego rozciągania-ściskania wprowadzenie Specjalistyczne konstrukcje wymagają stosowania materiałów o złożonym zespole właściwości. W wielu aplikacjach wymagane są nie tylko odpowiednie właściwości wytrzymałościowe, ale również odporność na korozję w złożonym, silnie agresywnym środowisku. Jednym z rozwiązań, które umożliwia spełnienie takich założeń jest platerowanie wybuchowe. Zgrzewanie wybuchowe metali zostało po raz pierwszy zaobserwowane w czasie pierwszej wojny światowej [1], ale znaczenie komercyjne technologia ta zyskała w latach pięćdziesiątych ubiegłego wieku [2]. Od tego czasu technologia zgrzewania wybuchowego jest sukcesywnie udoskonalana w celu uzyskania jak najlepszego połączenia dwóch metali. Ze względu na swoje właściwości materiały platerowane są często stosowane w aparaturze procesowej i energetycznej. Znajdują one zastosowanie w wymiennikach ciepła, reaktorach, kolumnach, rurociągach i innych urządzeniach, gdzie jest wymagana duża odporność na korozję ze względu na zastosowane medium [1, 3 6]. Z blach platerowanych wykonuje się również łączniki spawalnicze często stosowane w przemyśle stoczniowym [7]. Jakość połączenia uzyskana za pomocą zgrzewania wybuchowego zależy od wielu czynników [2 4], spośród których można wyszczególnić: odległość między płytami, prędkość detonacji, właściwości łączonych metali, wielkość i kształt elementów łączonych itd. Wielkości te muszą się mieścić w określonych zakresach umożliwiających uzyskanie odpowiedniego połączenia materiałów [8]. Materiał wybuchowy stosowany w technologii zgrzewania wybuchowego musi zapewniać odpowiednią prędkość detonacji. Podczas eksplozji powietrze wypychane z dużą prędkością spomiędzy łączonych płyt wywołuje zjawisko samooczyszczenia powierzchni łączonych blach polegające na usuwaniu zanieczyszczeń tlenkowych. Ustalono [4], że zgrzewanie wybuchowe zalicza się do mechanicznych metod spajania (solid state process). Detonacja materiału wybuchowego powoduje, że nakładana blacha doznaje znaczącego przyspieszenia, przy którym następuje kolizja z materiałem podłoża, co zapewnia utworzenie trwałego połączenia. Nakładany materiał w trakcie propagacji fali detonacyjnej ulega znacznemu odkształceniu, a na styku z materiałem podłoża kształtuje się połączenie faliste. Po zgrzaniu materiał jest poddawany obróbce cieplnej oraz mechanicznej. Jedną z głównych zalet technologii zgrzewania wybuchowego jest możliwość łączenia ze sobą materiałów, których połączenie innymi sposobami jest niemożliwe lub bardzo trudne [3]. Do wad można zaliczyć wrażliwość na niewłaściwie dobrane wartości parametrów zgrzewania ( okno technologiczne ). Dynamiczny charakter zgrzewania wybuchowego sprawia, że jego mechanizm nie jest do końca poznany. Właściwości materiałów poddanych zgrzewaniu wybuchowemu są badane w większości przypadków w obszarze niejednorodności mikrostruktury oraz wytrzymałości przy obciążeniach statycznych. W literaturze przedmiotu nieliczne są opracowania naukowe [5] dotyczące zjawisk zmęczenia materiałów platerowanych. Brak również Dr hab. inż. Aleksander Karolczuk, prof. PO (a.karolczuk@po.opole.pl), mgr inż. Mateusz Kowalski, dr inż. Robert Bański Wydział Mechaniczny, Politechnika Opolska, mgr inż. Fabian Żok Z.T.W. Explomet s.c., Opole charakterystyk zmęczeniowych materiałów platerowanych, które ułatwiałyby proces projektowania i zwiększyły bezpieczeństwo pracy urządzeń wykorzystujących materiały wykonane w technologii zgrzewania wybuchowego. W pracy zaprezentowano wyniki badań zmęczeniowych próbek wykonanych z bimetalu stal-tytan uzyskanego metodą zgrzewania wybuchowego. Opis badań W badaniach użyto próbki z bimetalu uzyskanego w wyniku połączenia blachy stalowej (S355J2) i tytanowej (Grade 1). Próbki poddano cyklicznemu, wahadłowemu rozciąganiu-ściskaniu (R = 1). Bimetal, z którego wykonano próbki po zgrzewaniu został poddany obróbce cieplnej. Wygrzewanie prowadzono w temperaturze 600 C przez 90 minut, następnie materiał chłodzono z piecem do temperatury 300 C (szybkość chłodzenia 100 C/h). Końcowy etap chłodzenia przebiegał w spokojnym powietrzu. W tabelach 1 i 2 zamieszczono skład chemiczny tytanu Grade 1 oraz stali S355J2. Właściwości mechaniczne materiału podłoża i nakładanego przedstawiono w tabelach 3 i 4. Próbki (rys. 1) pobrano z płyt o wymiarach , zostały wycięte w obszarze naddatku technologicznego. Fragment przeznaczony do badań stanowi bardzo mały procent ogólnej po- Tabela 1. Skład chemiczny stali S355J2 (wg EN :2004) Table 1. Chemical composition of steel S355J2 (EN :2004) Pierwiastek chem. C Si Mn P S Cu Maks. zawartość, % 0,22 0,55 1,60 0,025 0,025 0,45 Tabela 2. Skład chemiczny tytanu Grade 1 (ASTM Grade 1) Table 2. Chemical composition of titanium Grade 1(ASTM Grade 1) Pierwiastek chem. C Fe H N O Ti Maks. zawartość, % 0,10 0,20 0,015 0,03 0,18 99,5 Tabela 3. Właściwości mechaniczne stali S355J2 Table 3. Mechanic properties of steel S355J2 R e, MPa R m, MPa E, MPa G, MPa ν, - A 5, % * * , * * dane z badań firmy Explomet (Z.T.W. EXPLOMET, Gałka, Szulc, Sp.j. ul. Oświęcimska 100H, Opole) Tabela 4. Właściwości mechaniczne tytanu Grade 1 Table 4. Mechanic properties of titanium Grade 1 R 0,2, MPa R m, MPa E, MPa G, MPa ν, - A 5, % * * ,37 ** * * - dane wg certyfikatów producenta, ** - badania własne 160 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXXIII

2 Rys. 1. Wymiary i kształt badanych próbek Fig. 1. Geometry of the specimen wierzchni płyty (próbki wycięto z prostokąta o bokach , leżącego przy krawędzi blachy). Grubość łączonych blach to odpowiednio dla tytanu 6, a dla stali 40. Ze względu na ograniczony zakres obciążenia maszyny wytrzymałościowej, tj. 50 kn, wycięte elementy poddano frezowaniu do łącznej grubości 9 (rys. 1). Do wyznaczania naprężeń σ i odkształceń ε w warstwach stali i tytanu posłużono się wzorami (1) i (2) wynikającymi z następujących założeń: (i) element całkowicie zespolony, (ii) odkształcenia w zakresie liniowo-sprężystym. ε= σi = F EI F, σ II = EII F (1) (2) gdzie: ε odkształcenia w kierunku zgodnym z działaniem siły, σi, σii naprężenia w poszczególnych warstwach, F siła wzdłużna, E1, E2 moduł sprężystości wzdłużnej odpowiednio dla warstwy I i II, w szerokość próbki, h wysokość próbki, λ grubość warstwy tytanu. W obliczeniach pominięto warstwę przejściową w kształcie fali pomiędzy stalą i tytanem. Badania wykonano na hydraulicznej maszynie zmęczeniowej. Wykorzystane stanowisko jest wyposażone w czujniki siły i przemieszczenia. Dodatkowo na próbce montowano ekstensometr umożliwiający pomiar i rejestrację odkształceń. W zrealizowanych badaniach zastosowano sterowanie siłą. Przebieg wymuszenia działającego na próbkę miał kształt sinusoidalny F(t) = Fasin(2πft). Próby prowadzono przy różnej częstotliwości f w zakresie od 2 do 12 Hz. Wyniki badań i analiza Próbie zmęczeniowej poddano dziesięć próbek wyciętych z dwóch płyt zgrzanych w odrębnych procesach. Z płyty oznaczonej numerem 10 pobrano sześć próbek, natomiast z płyty nr 30 cztery próbki. Blachy zostały wykonane z tych samych materiałów, zastosowano taki sam materiał wybuchowy i miejsca zapłonu. Rzeczywiste właściwości złącza i materiałów po operacji zgrzewania mogą się różnić między sobą. Jest to związane z dynamiką procesu zgrzewania. Kontrolowanie jego przebiegu w trakcie trwania detonacji nie jest możliwe. Badania metalograficzne prowadzono na przekroju poprzecznym próbek. Linia złącza wykazywała falisty przebieg, charakterystyczny dla metody zgrzewania wybuchowego (rys. 2 i 3). Mikrostruktura stali składa się z ziaren ferrytu oraz perlitu o charakterystycznym dla przeróbki plastycznej pasmowym ułożeniu (blacha przed platerowaniem była walcowana na zimno). Pasmowy charakter mikrostruktury stali częściowo zanikł w wyniku obróbki cieplnej. Obróbka cieplna spowodowała również rekrystalizację NR 3/2012 Rys. 2. Fragment strefy złącza próbki P02 (tab. 5) Fig. 2. Part of joint zone of specimen P02 (tab. 5) Rys. 3. Warstwa przetopiona na granicy złącza (P02, tab. 5) Fig. 3. Welded layer on the interface border; (P02, tab. 5) ziaren tytanu w całej objętości nastrzeliwanej blachy, ale końcowy rozmiar ziaren tytanu wynika nie tylko z obróbki cieplnej, ale również z wartości lokalnego gniotu. Obróbka cieplna spowodowała też dyfuzyjne odwęglenie stali w okolicy linii złącza (rys. 2 i 3). W części badanych próbek zaobserwowano występowanie wzdłuż linii złącza warstwy przetopionej (rys. 3), która charakteryzuje się większą twardością, wynoszącą nawet 980 HV0,1. W celu wykazania niejednorodności utwardzenia złącza przeprowadzono badania profilu twardości (rys. 4). Wcześniejsze badania wykazały [9], że obszar złącza ulega silnemu utwardzeniu. Obróbka cieplna spowodowała znaczne zmniejszenie umocnienia, ale i tak twardość bimetalu jest większa od jego składników wyjściowych (rys. 4). W aspekcie powstania rozwarstwień podczas prób wytrzymałościowych istotne jest wystąpienie warstwy przetopionej. Również z badań wcześniejszych [9] wynika, że warstwa ta jest krucha i już w chwili wytworzenia plateru ma wiele wad typu mikropęknięnięcia i mikropustki. Występowanie warstwy przetopionej jest uzależnione głównie od parametrów procesu zgrzewania, a jej wystąpienie może być kluczowe dla rozwarstwienia próbek. Istotą procesu zmęczenia materiału jest powstawanie uszkodzeń, których kumulacja prowadzi do zniszczenia próbki po określonej liczbie cykli Nf. Mechanizmy powstawania uszkodzeń są związane z powstawaniem odkształceń plastycznych, inicjacją mikropęknięć oraz propagacją szczeliny zmęczeniowej aż do całkowitego znisz- INŻYNIERIA MATERIAŁOWA 161

3 Rys. 4. Profil twardości na przekroju poprzecznym złącza w próbce z warstwą przetopioną (P02) Fig. 4. Vickers hardness profile across the interface with melted zone (P02) czenia [10]. W próbie zmęczeniowej za zniszczenie próbki uznano całkowite rozdzielenie jej na dwie części. Parametry geometryczne próbek oraz wyniki próby zmęczeniowej przedstawiono w tabeli 5. Podczas próby zmęczeniowej rejestrowano wartości siły F(t) i odkształcenia ε(t). Zależność ε-f zawiera ważne informacje o zmianach zachodzących w materiale badanym. W przypadku próby prowadzonej przy stałej wartości amplitudy siły F a zmianie w trakcie trwania próby może ulegać amplituda odkształcenia ε a. W przypadku materiałów cyklicznie osłabiających się następuje zwiększenie wartości odkształcenia w kolejnych cyklach obciążenia. W przypadku bimetalu zagadnienie jest bardziej złożone ze względu na odmienne właściwości połączonych materiałów. Odkształcenie próbki z bimetalu zamocowanej w szczękach hydraulicznych jest jednorodne w związku z wymuszonymi i jednakowymi przemieszczeniami części chwytowych. O wartościach naprężenia w dwóch warstwach bimetalu decydują wymiary przekrojów, moduł sprężystości wzdłużnej oraz właściwości sprężysto-plastyczne materiałów. Brak informacji nt. cyklicznych właściwości sprężysto-plastycznych łączonych materiałów, a w szczególności powstałej strefy połączenia, uniemożliwia określenie zależności między naprężeniami a odkształceniami. Możliwe jest jednak wykreślenie zależności między zarejestrowaną siłą F i odkształceniem ε. W zakresie odkształceń liniowo-sprężystych zależność ε-f jest linią prostą i świadczy o braku odkształceń plastycznych, np. pierwsze cykle obciążenia próbki P03 (rys. 5a, dla n = 0,01, gdzie parametr n oznacza stopień uszkodzenia iloraz bieżącej liczby cykli i liczby cykli do zniszczenia, N/N f ). W przypadku występowania odkształceń plastycznych graficzna postać zależności ε-f przybiera kształt pętli histerezy ograniczającej obszar, którego pole jest proporcjonalne do energii rozproszonej w materiale w pojedynczym cyklu obciążenia [10]. Dokładna ocena wartości gęstości energii odkształcenia w przypadku braku znajomości rzeczywistego rozkładu naprężenia nie jest możliwa. Jednak zarejestrowane pętle ε-f pozwalają ocenić stabilność bimetalu (osłabianie lub wzmacnianie). Na podstawie zarejestrowanych wyników pomiarów zbudowano pętle histerezy dla wybranych cykli obciążenia oraz wykresy przedstawiające amplitudę i wartość średnią odkształcenia w funkcji czasu. Cechą charakterystyczną badanego bimetalu jest przejście ze stanu odkształceń sprężystych (brak pętli histerezy) lub niewielkich odkształceń plastycznych w pierwszych cyklach obciążenia (rys. 5a i 5b dla n = 0,01) do znaczących odkształceń plastycznych dla n > 0,5. Wartość średnia odkształcenia ε m zwiększa się w kolejnych cyklach obciążenia pomimo zerowej wartości średniej siły. W kolejnych cyklach obciążenia następuje trwały wzrost odkształceń w kierunku rozciągania, tzw. zjawisko ratchetingu [11]. Zmienność amplitudy odkształcenia ε a i wartości średniej odkształcenia ε m podczas próby zmęczeniowej przedstawiono na rysunku 6 oraz w tabeli 6. Stal S355J2 jest materiałem stabilnym [10], nie wykazującym zjawiska ratchetingu. W związku z tym za zaobserwowane zjawiska odpowiada warstwa tytanu Grade 1 lub strefa połączenia o nieznanych właściwościach zmęczeniowych. Miejsce inicjacji pęknięcia znajdowało się w ośmiu przypadkach po stronie stali (S), a w dwóch na połączeniu (P), (tab. 5). Świadczy Tabela 5. Wyniki próby zmęczeniowej Table 5. Fatigue test results Lp Nr blachy W Wymiary próbki H l a F a kn Punkt inicjacji pęknięcia N f cykle P01* 10 10,00 9,00 0, S P ,00 9,00 0,040 21,5 S P ,70 9,00 0,018 19,9 S P ,72 9,02 0,030 23,0 S P ,65 8,74 0,055 24,5 S P ,57 8,96 0,075 22,0 S P ,83 9,02 0,088 23,1 S P ,91 9,00 0,077 21,1 P P ,73 9,08 0,079 23,1 S P ,85 9,00 0,079 21,0 P W szerokość, H wysokość, S stal, P połączenie, l a amplituda fali w strefie złącza, * próby wstępne o zmiennych poziomach obciążenia F a Rys. 5. Pętle histerezy w próbie zmęczeniowej próbek: a) P03, b) P05 Fig. 5. Hysteresis loops in fatigue tests of samples: a) P03, b) P INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXXIII

4 Rys. 7. Krawędź powierzchni przełomu (próbka P02) Fig. 7. Edge of fracture surface (specimen P02) Rys. 6. Amplituda i wartość średnia odkształcenia próbki P05 (tab. 5) w próbie zmęczeniowej Fig. 6. Amplitude and mean value of strain of sample P05 (Tab. 5) during fatigue test Tabela 6. Amplitudy naprężenia i odkształcenia Table 6. Stress and strain amplitudes Wartości obliczone Wartości zmierzone εa(n = 0,75) εa(n = 0,5) εa (n = 0) Lp σa (stal) MPa σa (Ti) MPa εa P02 292, ,33 P03 278, ,27 1,48 1,51 P04 323, ,47 1,89 2,50 2,65 P05 361, ,27 2,48 P06 317, ,44 1,41 1,76 1,82 P07 320, ,46 2,00 2,78 3,05 P08 291, ,34 1,57 P09 319, ,45 1,88 2,45 2,54 P11 290, ,31 1,66 1,69 to, że warstwa tytanu Grade 1 jest bardziej odporna na obciążenia zmienne niż zastosowana stal oraz utworzona strefa połączenia. Cechą charakterystyczną powstałych przełomów zmęczeniowych jest brak rozwarstwienia na granicy złącza (rys. 7). Na rysunku 8 przedstawiono przykładowe położenia ognisk pęknięć zmęczeniowych. Bimetal doznaje dużych odkształceń plastycznych (rys. 9a) w ostatnich cyklach obciążenia przy znacznej długości szczeliny zmęczeniowej. Prowadzi to do częściowego rozwarstwienia złącza. Pozostały fragment bimetalu nie jest zdolny do przeniesienia całego obciążenia i ulega tzw. dołamaniu (rys. 8a, b). Na rysunku 10 przedstawiono wyniki próby zmęczeniowej (εa-nf) na tle charakterystyki zmęczeniowej stali S355J2 (badania własne). Norma ASTM E [12] zaleca opracowanie charakterystyki zmęczeniowej na podstawie wartości amplitudy odkształcenia zarejestrowanych dla n = 0,5. Ze względu na znaczącą niestabilność cykliczną bimetalu zdecydowano się na umieszczenie na wykresie (rys. 10) punktów pomiarowych odpowiadających wartościom n = 0, n = 0,5 oraz n = 0,75 (tab. 6). Porównanie położenia punktów pomiarowych z krzywą odniesienia dla stali S355J2 nie jest w pełni miarodajne ze względu na to, że wyniki dla stali S355J2 otrzymano w badaniach próbek wykonanych z pręta (a nie blachy) bez obróbki cieplnej. NR 3/2012 Rys. 8. Przełomy zmęczeniowe próbek: a) nr P02, b) nr P08 Fig. 8. Fatigue fractures of specimens: a) No. P02, b) No. P08 Rys. 9. Pęknięcie na bokach próbki: a) lewa strona, b) prawa storna Fig. 9. Crack on sides of specimen: a) left side, b) right side Rys. 10. Wyniki próby zmęczeniowej bimetalu na tle odkształceniowej charakterystyki zmęczeniowej stali S355J2 Fig. 10. Experimental points for bimetal against the fatigue characteristic of S355J2 steel INŻYNIERIA MATERIAŁOWA 163

5 Podsumowanie W pracy przedstawiono wyniki próby zmęczeniowej bimetalu stal tytan wytworzonego metodą zgrzewania wybuchowego, które dają podstawę do sformułowania następujących wniosków: 1. W trakcie próby zmęczeniowej zaobserwowano cykliczne osłabianie się bimetalu oraz zjawisko ratchetingu. 2. Badania wymagały przyjęcia relatywnie małej (w porównaniu z próbkami stalowymi) częstotliwości zmian obciążenia ze względu na wzrost temperatury obciążanych próbek. 3. Amplituda fali λ a strefy połączenia dwóch metali przyjmowała wartości z przedziału 0,018 0,088, przy czym największą trwałość wykazała próbka P03 o najmniejszej wysokości fali. Dla porównania próbka P11 dla zbliżonej wartości obciążenia F a wykazała trwałość ponad 7-krotnie mniejszą. 4. Na powstanie rozwarstwienia plateru znaczący wpływ może mieć występowanie warstwy przetopionej, co wymaga dalszych badań. 5. Wpływ wysokości fali uzyskanego połączenia na trwałość zmęczeniową bimetali wymaga dalszych badań. Podziękowanie Artykuł powstał w ramach współpracy z firmą Z.T.W. Explomet, Gałka, Szulc, Sp. j. literatura [1] Young G.: Explosion welding, technical growth and coercial history. KCI Publishing BV, Stainless Steel World (2004) 6. [2] Akbari Mousavi S. A. A., Al-Hassani S. T. S., Atkins A. G.: Bond strength of explosively welded specimens. Materials and Design 29 (2008) [3] Dyja H., Maranda A., Trebliński R.: Technologie wybuchowe w inżynierii materiałowej. Wydawnictwo Wydziału Metalurgii i Inżynierii Materiałowej Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa (2001). [4] Akbari Mousavi S. A. A., Farhadi Sartangi P.: Effect of post-weld heat treatment on the interface microstructure of explosively welded titanium- -stainless steel composite. Materials Science and Engineering A494 (2008) [5] Čížek L., Ostroushko D., Szulc Z., Molak R., Praźmowski M.: Properties of sandwich metals joined by explosive cladding method. Archives of Materials Science and Engineering 43/1 (2010) [6] Tavassoli A-A. F.: Overview of advanced techniques for fabrication and testing of ITER multilayer plasma facing walls. Fusion Engineering and Design (1998) [7] Bujis K.: Triplate transistion joints. Super Yacht Industry (2008) [8] Akbari Mousavi S. A. A., Farhadi Sartangi P.: Experimental investigation of explosive welding of cp-titanium/aisi 304stainless steel. Materials and Design 30 (2009) [9] Król S., Bański R., Szulc Z., Gałka A.: Practical aspects of structural tests of titanium-steel bonds made by explosive cladding and exposed to thermal process loads. Advances in Material Science 7 (2007) [10] Kocańda S., Szala J.: Podstawy obliczeń zmęczeniowych. PWN, Warszawa (1997). [11] Hübel H.: Ratcheting phenomena. SMiRT-12 Elsevier Sience Publishers B.V (1993) [12] ASTM Standard E : Standard practice for strain-controlled axialtorsional fatigue testing with thin-walled tubular specimens. PA, 2008, DOI: /E , (2008) West Conshohocken. [13] Artykuł powstał dzięki współpracy z firmą Z.T.W. EXPLOMET, Gałka, Szulc, Sp.j. ul. Oświęcimska 100H, Opole. 164 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXXIII