32/15. ZASTOSOWANIE ljl TRADŹWIĘKÓW DO BADAŃ I OCENY. ZYCH Jerzy

Transkrypt

1 32/15 Soidifikation of Metais and :\Ho s. :\o. 32, 1997 h:.:cpnięcic Metai i Stopów, Nr 32, '.\N- Odd:tiuł h:utowin: I'L ISSN 112f!I-'HII6 ZASTOSOWANIE JL TRADŹWIĘKÓW DO BADAŃ I OCENY ZMĘCZENIA CIEPLNEGO ŻELIWA ZYCH Jerzy Wyd z iał Odewnictwa AGH u. Reymonta Kraków W pracy przedstawiono wyniki badań nad zastosowaniem techniki utradźwiękowej do kontroi procesu zmęczenia ciepnego ż.eiwa. Opracowana została oryginana metoda poegająca na pomiarze prędkości ub/i tłumienia fa utradźwiękowych i ocenie na tej podstawie stopnia zaawansowania zmęczenia materiału. Nowa metoda pozwaa badać również kinetykę procesu zmęczenia. Wyniki badań mogą stanowić podstawę do opracowania przemy s łowej, nieniszczącej metody kontroi stopnia zużycia żeiwnych konstrukcji pracujących w warunkach zmęczenia ciepnego ( np. form metaowych. szkarskich, tarcz hamucowych, osprzętu pieców itp.). t.wprowadzenie Zmęczenie ciepne m a teriału występuje w bardzo wieu eementach i konstrukcjach poddawanych cykicznemu nagrzewaniu do stosunkowo v;ysoh:h temperatur przy równoczesnym ograniczeniu mo żiwości swobodnej zmiany ich wymiarów. Proces zmęczenia może rozwijać się w całych eementach nagrzewanych konstrukcji (np. różnego rodzaju ruszty, paety pieców) ub obejmować tyko ich części jak w przypadku fonn metaowych, form szkarskich. w których występuje w warstwach najsiniej nagrzewanych. Kinetyka procesu zmęczenia ciepnego zaeży od rodzaju użytego materiału, zakresu zmian cyki ciepno-naprężeniowych, dynamiki tych zmian itd. Aktuanie jest ona stosunkowo słabo rozpoznana z wieu wzgędów. Zasadniczą przyczynę tego stanu stanowi brak odpowiedniej metody badawczej pozwaającej w sposób ciągły, "z cyku na cyk'' kontroować przebieg zmian zachodzących w materiae poddawanym zmęczeniu ciepnemu. Niniejsza praca jest próbą zastosowania techniki utradźwiękowej do konttoi procesu zmęczenia ciepnego że iwa.

2 ANALIZA STANU ZAGADNIENIA Proces zmęczenia ciepnego stopów wywołuje : zmiany strukturane, ruch dysokacji, inicjację i rozwój mikropęknięć itp. Śedzenie tego procesu jest trudne, szczegónie w eementach konstrukcji będących w ekspoatacji. Wynika to głóvmie z jego złożoności, wzajemnego oddziaływania wieu czynników, a także z faktu, że wizuana ocena skutków zmęczenia materiału jest możiwa dopiero w końcowej fazie procesu, gdy obciążenia ciepno-naprężeniowe prowadzą do pojawienia się na powierzchni mikropęknięć [1]. Z anaizy dotychczasowych badań wynika, że nie zostało opracowane jednoznaczne kryterium oceny odporności materiału na zmęczenie ciepne [,2,3, O]. Zmimy zachodzące w strukturze dowonego tworzywa, a szczegónie żeiwa, pod wpływem cykicznych zmian temperatury i naprężeń są trudne do obserwacji. Najczęściej objawy zmęczenia ciepnego łączy się z oceną, poegającą na porównywaniu iczby powstałych pęknięć po okreśonej i1zbie cyki. Zjawiska towarzyszące procesowi zmęczenia ciepnego mają charakter nieodwracany a skutki większości z nich kumuują się. Jednym z najważniejszych skutków zmęczenia ciepnego jest rozwój mikropęknięć, które w końcowej fazie procesu tworzą tzw. siatkę pęknięć. Zgodnie z regułą Minera [2] uszkodzenia materiah1 powstające w cyku ciepnym "dodawane" są do już istniejących. W miarę narastarjia iczby cyki narasta stopień uszkodz.enia ("zużycia się") materiału. Z drugiej strony znane są zaeżności pomiędzy strukturą, a parametrami propagacji fa utradźwiękowych w różnych materiałach, w tym i w żeiwie [4,5,6]. Wszekie niejednorodności strukturane, granice ziarn, mikro i makropęknięcia są miejscami gdzie fae utradźwiękowe uegają częściowemu odbiciu, rozproszeniu, załamaniu i transfonnacji. Skutkiem tych zjawisk są zmiany parametrów propagacji wszystkich rodzajów fa, głównie zmiana ich prędkości i tłumienia. Anaiza teoretyczna i badania wstępne [7] potwierdziły istnienie możiwości utradźwiękowej kontroi procesu zmęczenia ciepnego żeiwa. Szczegónie intensywne zmiany parametrów fa obserwuje się w przypadku żeiwa szarego, w którym wydzieenia grafitu płatkowego są naturanymi, wewnętrznymi karbami. Przy cykicznym pov.rtarzaniu przemiennych co do znaku ciepnych naprężeń dochodzi do rozprzestrzeniania się nieciągłości metaicznej osnowy, których zarodkami są wydzieenia grafitu płatkowego.

3 1!8 3. BADANIA FORM METALOWYCH Przeprowadzono badania na próbkach pobranych ze zużytych form metaowych, ekspoatowanych w warunkach przemysłowych. Badania obejmowały okreśenie zmian struktury i twardości oraz zmian prędkości i współczynnika tłwnienia, podłużnej fai utradźwiękowej. Skład chemiczny żeiwa stosowanego na badane formy jest następujący: C= 3,10 %, Si = 1,70 %, Mn = 0,65 %, S= 0,05 %, P = 0,15 %, Cu = 0,5 +0,7 %. W przypadku form żeiwnych, które w stanie wyjściowym posiadały strukturę perityczną obserwowano: rozpad peritu w warstwie przypowierzchniowej sinie nagrzewanej, utenienie osnowy idące najczęściej wzdłuż v.rydzieeń grafitu i powstawanie mikro i makropęknięć, rysunek 1 Nieco daej od powierzchni roboczej występuje koaguacja peritu, poprzedzająca jego rozpad.. -. "' ' ",,.... ' Rys.. Struktura warstwy powierzchniowej zużytej formy żeiwnej. Pow. 100 x Twardość żeiwa formy przed ekspoatacją wynosiła około 200HB. W trakcie ekspoatacji, na skutek przemian strukturanych nastąpiło obniżenie twardości do około HB, głównie w warstwie roboczej (na głębokość do 15mm). 3.. Pomiary prędkości fai utradźwiękowej Pomiary prędkości podłużnej fai utradźwiękowej wykonano dwoma metodami: przepuszczania i echa, przy użyciu próbnika materia łów typu UNIPAN 543 oraz grubościomierza AMEX:. Wykonywano pomiary prędkośc i podłużnej fai utradźwiękowej o częstotiwościach MHz i 2 MHz. Typov.ry przebieg zmian

4 119 prędkości na przekroju formy przedstawia rysunek 2. Istotne zmiany prędkości propagacji podłużnej fai utradźwiękowej obejmują warstwę przy powierzchni roboczej na głębokość do 15-18mm. Najniższa prędkość obserwowana jest w warstwie i 'i' f.; 'i "'.:! ]...!!' > L f /? r v-- /--- 7 =j / / =_:_ - L--- t i. i i L i IS.O Odeaot od w.wnfrzoej po,.ierzchui formy (mm) Rys. 2. Rozkład prędkości fa na przekroju żeiwnej formy po ekspoatacji.,,roboczej" i jest ona mniejsza od prędkości na zewnętrznej stronie formy o około 700 m/s, co stanowi prawie 15%. Różnica prędkości fai w opisanych warstwach innych form z tego samego tworzywa zawierała się w zakresie mis. Można stąd wnioskować, że wycofywanie form z produkcji następuje przy tym samym stopniu ich zużycia, który można okreśić przez nieniszczące pomiary utradźwiękowe.,,zużycie" się materiału wiąże się ze zmniejszeniem prędkości propagacji w nim fa o pewną, prawdopodobnie charakterystyczną da każdego tworzywa, wartość. Z przeprowadzonych badań wynika, że da żeiwa szarego wartość zmiany tej prędkości wynosi -około12-15%. 3.2 Badania tłumienie fai podłużnej Proces zmęczenia ciepnego powoduje powiększanie wydziee'i. grafitu i mikropęknięć przez co prowadzi do siniejszego rozproszenia fa, a tym większego tłumienia. Pomiary współczynnika tłumienia podłużnej fai utradźwiękowej wykonano na próbkach pobranych ze zużytych form metaowych, stosując głowice 2.5MHz i 4MHz, współpracujące z defektoskopem DI4P. Wyniki obrazuje rysuntk 3.

5 120 Tłumienie podłużnej fai utradźwiękowej" w obszarze zmęczenia ciepnego fonny jest prawie 2-krotnie większe niż w strefie, gdzie zmęczenie materiału nie występuje i---<>-:f.::.:::::=-r---t----t---t - 2-SMHz I 0.45 =r -<>-4.0MHz ł O.J 0.25 o.z Odt&ośt od wewurtrzotj powitrubai formy mm! Rys 3 Zmiana współczynnika tłumienia podłużnej fai utradźwiękowej na przekroju formy 4. BADANIA KINETYKI ZMĘCZENIA CIEPLNEGO Przedstawione poniżej wyniki dotyczą badania kinetyki zmęczenia ciepnego żeiwa niskomoibdenowego, z grafitem o zwartej postaci. Jest to żeiwo o podwyższonej odporności na zmęczenie ciepne (C= 3,30 %, Si = 2,55 %, Mn = 0,15 %, S = 0,014 %, P = 0,06 %, Mo= 0,5 +0,7 %). Z przygotowanego materiału wykonano próbki do badań kinetyki zmęczenia ciepnego, wg. metodyki opisanej w pracy [7]. Badania zmęczeniowe prowadzono na stanowisku przedstawionym w pracach (8,9], wg. metody Coffma. 4.1 Badania zmian prędkości fai przy narastaniu zmęczenia ciepnego żeiwa Zmęczenie ciepne reaizowano przy stałej wartości współczynnika sztywności K (9). Minimaną temperaturę cyku utrzymywano na poziomie 200 C, natomiast maksymaną zmieniano (650, 700 i 750 C). Prędkość podłużnej fai utradźwiękowej okreśano co kikadziesiąt cyki. Przykłady wyników tych badań przedstawiono graficznie na rysunku 4 i 5. Zmęczenie ciepne żeiwa wywołuje obniżanie prędkości fai utradźwiękowej. Im wyższa maksymana temperatura cyki ciepnych tym

6 121 zmęczenie materiału przebiega szybciej i tym większe są zmiany prędkości w przeiczeniu na jeden cyk. W pierwszym okresie cykicznego nagrzewania obserwuje się duże zmiany prędkości, następnie zmiany te maeją, szczegónie przy "łagodnych" warunkach ciepno- naprężeniowych. I 00 'f 1\ C 5300 f c i 5100 " 5100 i ł \\ \\ ' :... \._. 650C \ r Liczba cyd cepnycb Rys. 4 Wpływ zmęczenia ciepnego na prędkość podłużnej fai utradźwiękowej : Trnin=200 C, Tmax=650 C, 700 C i 750 C; K=0,70 W końcowej fazie zmęczenia, dynamika zmian prędkości fai podłużnej jest duża, podobnie jak w początkowym okresie. Z przeprowadzonych badań wynika, że niezaeżnie od "drogi" prowadzącej do końcowego zmęczenia żeiwa (iczby cyki) zmiany prędkości podłużnej fai utradźwiękowej osiągają, w momencie pęknięcia próbki, ten sam poziom, a zmiany wzgędne wyrażone iorazem cl/cl mają wartość od 0-12%, podobnie więc jak przy zmianach prędkości w ściankach zużytej formy.,..,. I 5400 'U'!.,.. i... "... i ł "'"' , K-o.o t-- j !O 300 J Lkzba yku ciepnych Rys. 5 Wpływ zmęczenia ciepnego na prędkość podłużnej fai utradźwiękowej;tmax=700 C, K=O,OO, K=D,70

7 122 Rysunek 5 przedstawia wyniki badań zmian prędkości w próbkach poddanych cykicznemu nagrzewaniu przy ograniczonej możiwości zmian wymiarowych (K=0,70) i z możiwościąswobodnego wydłużania się (K=O,O). Tam gdzie możiwości zmian wymiarowych są ograniczone rozwija się proces zmęczenia ciepnego i obserwuje się zmiany prędkości fa. W przypadku nagrzewania "swobodnych" próbek proces zmęczenia materiału nie ma miejsca i obserwuje się niewiekie zmiany prędkości fa wywoływane utenianiem i przemianami fazowymi. 6. PODSUMOW ANIE Przeprowadzone badanie potwierdziły istnienie możiwości zastosowania techniki utradźwiękowej do oceny zmęczenia ciepnego żeiwa. W pracy skupiono się głównie nad wykorzystaniem do tego ceu prędkości fai podłużnej. Pomiary współczynnika tłumienia podłużnej fai utradźwiękowej stosowano tyko w odniesieniu do badań materiału zużytych form metaowych. W miarę narastania iczby cyki ciepnych prędkość fai maeje, a tłumienie rośnie. Anaizując kinetykę zmian prędkości fai w próbce żeiwnej poddanej zmęczeniu ciepnemu można zauważyć pewne jej podobieństwo do kinetyki zmian odkształceń pastycznych towarzyszących procesowi zmęczenia ciepnego. Odkształcenia pastyczne osiągąją swoje maksymane wartości w pierwszych cykach ciepnych [10,8]. Porobnie zmiana prędkości podłużnej fai utradźwiękowej osiąga swoje największą wartość w pierwszej fazie zmęczenia ciepnego. W okresie ustabiizowanych zmian naprężeń i stosunkowo niewiekich odkształceń pastycznych materiału próbki, zmiany prędkośc i fai są również niewiekie. Kinetyka zmian prędkości fai "podąża" więc, w ujęciu jakościowym, za kinetyką odkształceń pastycznych w procesie zmęczenia ciepnego żeiwa. Badania form metaowych po ekspoatacji wykazują, że w warstwie roboczej, która podega największym obciążeniom ciepnym obserwuje się istotne zmiany tak prędkości fai jak i współczynnika tłumienia. Zmiany prędkości osiągają wartość około 700 m/s, co stanowi około 14-15% ich początkowej wartości. Wzgędne zmiany wartości współczynnika tłumienia są znacznie większe bo prawie 2-krotne. Badania mają charakter nieniszczący i jako takie mogą stanowić wygodne narzędzie w ocenie stopnia

8 123 zaawansowania zmęczenia ciepnego materiału (stopnia wyekspoatowania) wieu konstrukcji przemysłowych wykonanych z zeiwa. WNIOSKI:. Proces zmęczenia ciepnego żeiwa, niezae:nie od postaci grafitu, prowadzi do istotnych zmian prędkości współczynnika tłumienia podłużnej fai utradźwiękowej. 2. Kinetyka zmian prędkości podłużnej fai utradźwiękowej w próbce poddanej zmęczeniu ciepnemu odpowiada, w ujęciu jakościowym, kinetyce zmian odkształceń pastycznych. Im większe odkształcenia w trakcie cyku ciepnego tym większe zmiany prędkości. 3. Przedstawiona metod nieniszczącej oceny zmęczenia ciepnego żeiwa może być wykorzystana w badaniach aboratoryjnych ub w ocenie stopnia zużycia żeiwnych konstrukcji pracujących w warunkach zmęczenia ciepnego: Badania finansowane w ramach prac własnych KBN Nr LITERATURA () Weroński A., "Zmęczenie ciepne metai" WNT Warszawa (19S3) (2] Miner M. A., J. App. Mech. (1945) Nr 12. s A.-15 (3) Żuchowski R. "Zmęczenie ciepne metai i eementów konstrukcji" Prace Naukowe I.M.iM.T. Poit. Wrocławska, Monografie (1981), Nr 43, z.5 [4] Orłowicz W.: "Ocena właściwości mechanicznych żeiwa sferoidanego metodą utradźwiękową", Zeszyty Naukowe Poit. Rzeszowskiej, Monografie (1990) Nr 66, z.20, (5) Krautkri.mer J., Krautkri.mer H.: Utrasanic Testing ofmaterias, Springer- Verag, Berin, Heideberg, New York (1983). [6] Deputat J. "Ocena własności mechanicznych materiałów metodą utradźwiękową", Seminarium Szkoeniowe IPPT PAN, Zakopane (1996), s [7] Zych J., Praca Naukowo-Badawcza Nr , AGH, Kraków, ( 1995) [8] Zych J. ".Zagadnienie zmęczenia ciepnego wybranych gatunków żeiwa niskostopowego stosowanego na formy metaowe', Praca doktorska, AGH, ( 1986) {9] Zych J. "Zmęczenie ciepne żeiwa przeznaczonego na formy metaowe" P AN Prace Komisji Met. i Odew., Metaurgia (1988) z. 38 s (10] Roehrig K., "Therma Fatigue ofgrey and Duetie Irons", AFS Transactions, (1978), vo. 78, nr 2, s.75-88