WPŁYW SZYBKIEJ KRYSTALIZACJI NA WYTRZYMAŁOŚĆ ZMĘCZENIOWĄ ODLEWÓW ZE STOPU C355

Transkrypt

1 47/14 Archives of Foundry, Year 2004, Volume 4, 14 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2004, Rocznik 4, Nr 14 PAN Katowice PL ISSN WPŁYW SZYBKIEJ KRYSTALIZACJI NA WYTRZYMAŁOŚĆ ZMĘCZENIOWĄ ODLEWÓW ZE STOPU C355 A. W. ORŁOWICZ 1, M. MRÓZ 2 A TRYTEK 3 Zakład Odlewnictwa i Spawalnictwa, Politechnika Rzeszowska, ul. W. Pola 2, Rzeszów STRESZCZENIE W pracy badano efekt oddziaływania szybkiej krystalizacji na wytrzymałość zmęczeniową odlewów ze stopu C355. Odlewy wykonane w formie metalowej uszlachetniano powierzchniowo z wykorzystaniem plazmy łuku elektrycznego. Szybka krystalizacja stopu dokonująca się po jego nadtopieniu skoncentrowanym strumieniem ciepła wpływa na rozdrobnienie struktury stopu w efekcie tego wzrasta wytrzymałość zmęczeniowa stopu. Key words: C355 alloy, rapid solidification, fatigue strength. 1. WSTĘP Już od początku lat pięćdziesiątych rozpoczęto prace nad ustaleniem związków pomiędzy strukturą, a właściwościami mechanicznymi szeroko stosowanych w przemyśle motoryzacyjnym podeutektycznych stopów Al-Si. Nadal prowadzone są badania w celu ustalenia wpływu rozstawu ramion dendrytów fazy (Al), wielkości wydzieleń krzemu, mikroporowatości, tlenków i faz międzymetalicznych na wytrzymałość zmęczeniową tych stopów [1-4]. Rosnący udziału odlewów ze stopów aluminium w przemyśle motoryzacyjnym obserwowany w ostatnim okresie czasu jest podyktowany potrzebą obniżenia wagi samochodów i oszczędnością paliwa. Wieksze wymagania stawiane tym odlewom wskazują na potrzebę prowadzenia badań, celem 1 dr hab. inż., prof.prz, aworlow@prz.rzeszow.pl 2 dr inż., mfmroz@prz.rzeszow.pl 3 dr inż., trytek@prz.rzeszow.pl

2 357 uzyskania danych niezbędnych przy komputerowym projektowaniu odlewów, wskazujących kierunki prac nad poprawą technologii wytwarzania odlewów.. W badaniach wpływu struktury na wytrzymałość zmęczeniową szczególną uwagę zwraca się na zwartość struktury. Porowatość gazowa lub skurczowa, a także tlenki i wydzielenia faz międzymetalicznych są szczególnie groźne, gdy znajdują się w obszarze przypowierzchniowym próbek [4-6]. Rozdrobnienie struktury stopu wpływa korzystnie na wytrzymałość zmęczeniową [7]. W pracy [2] obserwowano, że w obecności dużych wydzieleń krzemu eutektycznego obniżyła się wytrzymałość zmęczeniowa stopu Al-7SiMg. Wyjaśnia się to większą koncentracją naprężeń na dużych wydzieleniach krzemu, w efekcie czego szybkość wzrostu pęknięcia jest większa. W związku z tym powierzchniowe uszlachetnianie odlewów poprzez ich nadtapianie skoncentrowanym strumieniem ciepła i późniejsza szybka krystalizacja, w efekcie której uzyskuje się istotne rozdrobnienie struktury powinny wpływać na podwyższenie wytrzymałości zmęczeniowej odlewów ze stopu Al-Si. Celem pracy było określenie wytrzymałości zmęczeniowej próbek ze stopu C355 uszlachetnionych powierzchniowo z wykorzystaniem plazmy łuku elektrycznego (metodą GTAW Gas Tungsten Arc Welding). 2. METODYKA BADAŃ Materiałem do badań był stop C355 (4,56%Si, 1,25%Cu, 0,12%Fe, 0,50%Mg, 0,02%Mn, 0,14%Ti, reszta Al). Ze stopu tego odlano kokilowe odlewy płyt o wymiarach 250x50x15 mm. Z odlewów płyt wycięto płytki o wymiarach 90x40x4 mm (rys.1). Powierzchnię płytek uszlachetniono wykonując zachodzące na siebie ściegi. W trakcie nadtapiania powierzchniowego płytki były zamocowane na urządzeniu umożliwiającym intensywne chłodzenie wodą powierzchni przeciwległej do powierzchni nadtapianej. Z tak uszlachetnionych płytek przygotowano próbki do badań o wymiarach 80x15x3 mm. Nadtopienia wykonano stosując urządzenie Faltig 315 AC/DC. Proces nadtapiania prowadzono elektrodą wolframową o średnicy 4 mm w atmosferze argonu. Natężenie prądu spawania wynosiło 300 A, a prędkość przemieszczania łuku elektrycznego v s = 0,33 cm/s. Rys.1. Kształt i wymiary (w mm) próbki do badań zmęczeniowych. Fig.1.The shape and dimensions (in mm) of the fatigue specimen.

3 358 Badania wytrzymałości zmęczeniowej prowadzono zgodnie z PN-76/H oraz PN-76/H Próbki poddano badaniom zmęczeniowym wysokocyklowym. Graniczna liczba cykli przyjęta jako podstawa do zakończenia próby zmęczeniowej dla próbek, które nie uległy zniszczeniu wynosiła N G = 2x10 7 cykli. Próbki były obciążane symetrycznym (wahadłowym ) cyklem naprężeń, dla którego współczynnik asymetrii R = - 1. Częstotliwość zmiany naprężenia wynosiła 98 Hz. Próby zmęczeniowe prowadzono na urządzeniu przedstawionym na rysunku 2. W trakcie badań próbki były chłodzone przez intensywny nadmuch powietrza. Rys.2. Stanowisko do badań wytrzymałości zmęczeniowej. Fig.2. Test stand for fatigue strength examination. 3. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA W oparciu o wyniki badań sporządzono krzywe zmęczeniowe dla materiału odlanego do formy metalowej oraz dla materiału o strukturze ukształtowanej w warunkach szybkiej krystalizacji (rys.3). Wytrzymałość zmęczeniowa materiału odlanego do formy metalowej wynosiła Z gw = 92 MPa, a wytrzymałość materiału uszlachetnionego powierzchniowo wynosiła Z gw = 124 MPa. Rysunek 4 przedstawia mikrofotografie przekroju próbki w płaszczyźnie prostopadłej do powierzchni pęknięcia. Ukształtowanie profilu powierzchni po badaniach zmęczeniowych wskazuje, że pękniecie przebiegało po granicach wydzieleń eutektyki i fazy (Al). Pęknięcie propaguje również przez wydzielenia fazy (Al). W materiale nieuszlachetnionym powierzchniowo widoczne są znacznie większe wydzielenia krzemu niż w materiale uszlachetnionym powierzchniowo. Na niektórych wydzieleniach krzemu leżących przy powierzchni widać pęknięcia, co świadczy o tym, że przy braku nieciągłości materiału o krytycznym rozmiarze inicjacja pęknięć dokonuje się właśnie na dużych wydzieleniach krzemu.

4 359 a) b) Rys.3. Wykresy Wöhlera stopu C355 krystalizującego przy różnych prędkościach chłodzenia; a) forma metalowa szybkość chłodzenia 5 o C/s, b) szybka krystalizacja 173 o C/s. Fig.3. Wöhler curves of C355 alloy castings solidified at different cooling rate; ) permanent mould cooling rate 5 o C/s, b) rapid solidification cooling rate 173 o C/s.

5 360 a) b) c) Rys.4. (a,b) Mikrofotografie próbki w przekroju prostopadłym do powierzchni pęknięcia. Stop C355 odlany do formy metalowej a), b). Stop C355 po szybkiej krystalizacji. Fig. 4. (a,b) Optical micrographs of the cross-section of samples after the fatigue tests (in a perpendicular plane to the fracture surface) of the A356 alloy cast into a permanent mold and (c) of a sample refined through rapid crystallization. Proces zniszczenia materiału rozpoczyna się na pęknięciach wydzieleń krzemu i biegnie przez eutektykę, a następnie po granicy eutektyki i fazy (Al). Ścieżka pęknięcia przypomina diagram przebiegu prądu pulsacyjnego. Wysokość wzniesień zależy od wielkości wydzieleń fazy (Al). W efekcie uszlachetniania powierzchniowego próbek wydzielenia fazy (Al) uległy silnemu rozdrobnieniu. Ścieżka pęknięcia takiego materiału wykazuje bardzo małe wzniesienia. Jest prawie płaska. Na rysunku 5 przedstawiono powierzchnię pęknięcia próbek po badaniach zmęczeniowych. Powierzchnia pęknięcia próbki nieuszlachetnionej powierzchniowo wskazuje na dominację międzykrystalicznego charakteru pękania, natomiast powierzchnia próbki uszlachetnionej powierzchniowo wskazuje na to, że próbka uległa zniszczeniu w sposób ciągliwy.

6 361 a) b) Rys.5. Mikrowycinek powierzchni złomu zmęczeniowego stopu C355 odlanego do formy metalowej -a) po szybkiej krystalizacji b). Fig. 5. SEM images of the fatigue fracture of C355 alloy cast into permanent mold a) and of a samples refined through rapid crystallization b). 4. PODSUMOWANIE 1. Efektem uszlachetniania powierzchniowego próbek ze stopu C355 było silne rozdrobnienie dendrytów faz (Al) i wydzieleń krzemu eutektycznego. 2. Makrobudowa złomu zmęczeniowego świadczy o wpływie wielkości wydzieleń krzemu i fazy (Al) na charakter pękania. Drobne wydzielenia krzemu i fazy (Al) sprzyjają zniszczeniu materiału w sposób ciągliwy, a grube wydzielenia sprzyjają zniszczeniu materiału w sposób kruchy. Rozdrobnienie wydzieleń krzemu prowadzi do podwyższenia odporności na zarodkowanie pęknięć, co z kolei podnosi wytrzymałość zmęczeniową stopu C355. Pracę wykonano w ramach projektu badawczego nr 4 TO8C LITERATURA [1] W.A. Bailey: Fatigue of 356 aluminum alloy. Foundry, vol. 93, 1965, [2] B. Zhang, D.R. Poirier, W.Chen: Microstructural effect on high-cycle-fatiguecrack initiation in A356.2 casting alloy. Metallurgical and Materials Transactions A, vol. 30A, 1999, [3] M.J. Couper, A.E. Neerson, J.R. Griffiths: Casting defects and fatigue behavior of an aluminum casting alloy. Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures, vol. 13, 1990, [4] J.F. major,: Porosity control and fatigue behavior in A356-T6 aluminum alloy. AFS Transactions, vol. 106, 1998,

7 362 [5] M.K. Surappa, E.Blank, J. Jaquet: Effect if macro-porosity on the strength and ductility of cast Al-7Si-0.3Mg alloy. Scripta Metallurgica at Materialia, vol. 20, 1986, [6] C.H. Caceres, B.J. Selling: Casting defects and the tensile properties an Al-Si- Mg alloy. Mat. Science and Engineering, vol. A220, 1996, [7] M. Schaffer, R.A. Fournelle: Effect of strontium modification on near-threshold fatigue crack growth in an Al-Si-Cu die cast alloy. Metallurgical and Materials Transactions A, vol. 27A, 1996, EFFECT OF RAPID SOLIDIFICATION ON FATIGUE PROPERTIES OF C355 CASTING ALLOY SUMMARY The effect of rapid solidification on fatigue behavior have been investigated in casting alloy (C355). The alloy was cast in a permanent mold to procedure plate with a thickness of approximately 15 mm. The refinement of the structure in order to improve the fatigue strength of the surface, was accomplished with an electric arc plasma. The rapid solidification reduced the size of the -phase dendrites and the size of the silicon particles compared to the initial material. The fatigue strength increased with decreasing value of the size the silicon particles. Recenzował Prof. Józef Gawroński