ASPEKT ZGINANIA UDAROWEGO ŻELIWA SFEROIDALNEGO

Transkrypt

1 9/17 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2005, Rocznik 5, Nr 17 Archives of Foundry Year 2005, Volume 5, Book 17 PAN - Katowice PL ISSN ASPEKT ZGINANIA UDAROWEGO ŻELIWA SFEROIDALNEGO S. DYMSKI 1, T. SZYKOWNY 2 Katedra Inżynierii Materiałowej, Wydział Mechaniczny, Akademia Techniczno-Rolnicza w Bydgoszczy, ul. S. Kaliskiego 7, Bydgoszcz STRESZCZENIE Badaniu poddano perlityczno-ferrytyczne żeliwo sferoidalne. Próbki udarnościowe z karbem V ferrytyzowano dwustopniowo, normalizowano, ulepszano cieplnie i hartowano z przemianą izotermiczną. Wykonano pomiary twardości, udarności i badania mikroskopowe zgładów oraz przełomów. Zinterpretowano związki pomiędzy mikrostrukturą i charakterem przełomu. Key words: ductile cast iron, impact test, heat treatment, microstructure, fracture 1. WPROWADZENIE Obróbka cieplna żeliwa sferoidalnego, pozwala kształtować strukturę osnowy w bardzo szerokim zakresie, umożliwiając otrzymanie materiału inżynierskiego bardzo plastycznego (żeliwo ferrytyczne) o stosunkowo małej wytrzymałości, jak i mającego duże własności wytrzymałościowe przy dostatecznych lub dobrych wskaźnikach plastyczności (żeliwo normalizowane, ulepszane cieplnie, ADI). Odporność na pękanie żeliwa w wyniku udarowego zginania jest powiązana ze strukturą osnowy. Obecność węglików, mikrosegregacji, mikroporów w granicznych obszarach ziaren eutektycznych pełni doniosłą rolę w mechanizmie pękania i są one obok międzyfazowej granicy grafit osnowa najważniejszym czynnikiem inicjującym pękanie żeliwa [1]. 1 prof. nadzw. ATR dr hab.inż. Stanisław.Dymski@mail.atr.bydgoszcz.pl 2 dr inż. Tadeusz.Szykowny@mail.atr.bydgoszcz.pl 91

2 Badania [2] wykazały, że proces tworzenia się przełomu jest podobny dla wszys t- kich gatunków żeliwa sferoidalnego, a podstawowe zasady można określić badając ferrytyczne żeliwo sferoidalne. Autorzy uważają, iż mechanizm pękania w żeliwie sferoidalnym może być opisany za pomocą zachodzących kolejno, częściowo nakładających się, procesów: - oddzielenie grafitu kulkowego od osnowy metalowej, - lokalne odkształcenie plastyczne w osnowie, - mikropękania osnowy, - łączenia się mikropęknięć i równocześnie wraz z tworzeniem lub rozprzestrzenianiem się pękania. W pracach [3, 4] formułuje się stwierdzenie, że wspólną cechą przełomów próbek udarnościowych żeliwa ADI jest występowanie pęknięć transkrystalicznych łupliwych i ciągliwych oraz międzykrystalicznych. Procentowy udział poszczególnych odmian tych pęknięć jest zależny od parametrów hartowania z przemianą izotermiczną. Wskazano na bardzo znaczącą rolę granic ziaren eutektycznych w rozwoju i rozprzestrzenianiu się pęknięć w żeliwie, które obok granic grafit - osnowa są najważniejszym czynnikiem przy inicjowaniu pękania. Na podstawie analizy dyfraktogramów rentgenowskich przełomów i zgładów żeliwa sferoidalnego o strukturze martenzytu z austenitem szczątkowym lub o osnowie martenzyt + austenit szczątkowy + perlit + siatka cementytu ustalono, że pękanie przemieszczało się zasadniczo od grafitu do grafitu, a nie po granicach ziaren eute k- tycznych [5]. Celem przedstawianych w niniejszej pracy badań jest uzyskanie, powszechnie st o- sowanymi w praktyce przemysłowej operacjami cieplnymi, różnej struktury osnowy żeliwa i określenie związku pomiędzy nią, a niektórymi własnościami mechanicznymi oraz przełomem próbek. 2. MATERIAŁ, PROGRAM I METODY BADAWCZE Do badań przyjęto jeden gatunek niskomiedziowego (0,48 % Cu) żeliwa sferoidalnego o strukturze perlityczno-ferrytycznej (15 % ferrytu). Żeliwo odlano w postaci próbek klinowych typu YII. Z dolnej części odlewu YII wykonano próbki udarnościowe z karbem V zgodnie z PN-EN Próbki poddano obróbce cieplnej według schematu przedstawionego na rysunku 1. Badania udarności wykonano na młocie systemu Charpiego o energii 294 J. Próbki po złamaniu poddawano badaniom: twardości metodą Brinella, mikrostruktury przy użyciu świetlnego mikroskopu i elektronowego skaningowego (SEM). 92

3 ARCHIWUM ODLEWNICTWA 3. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA Rys. 1. Schemat obróbki cieplnej żeliwa sferoidalnego. Fig.1. Diagram of heat treatment of ductile cast iron. Strukturę, wyniki próby udarnościowej i pomiarów twardości w zależności od zast o- sowanej operacji obróbki cieplnej przedstawia tabela 1. Wyniki badań metalograficznych i mikrofraktograficznych przedstawia rysunek 2. Normalizowanie i ulepszanie cieplne przyczyniło się do niewielkiego wzrostu udarności względem żeliwa nieobrobionego cieplnie, powodując jednocześnie znaczny wzrost twardości. Jako czynniki sprzyjające wzrostowi, w wyniku zastosowania tych operacji obróbki cieplnej, należałoby wymienić rozdrobnienie ziaren wskutek przekrystalizowania oraz zmniejszenie mikrosegregacji podczas austenityzowania. Wyraźny wzrost udarności względem żeliwa surowego cechuje żeliwo o strukturze ferrytu. Udarność, dwukrotnie większą niż żeliwo ulepszone cieplnie, przy porównywalnej twardości, ma żeliwo hartowane z przemianą izotermiczną. Na podstawie wyników zamieszczonych w tabeli 1 należy stwierdzić, iż generalnie brak jest korelacji pomiędzy twardością a odpornością na pękanie przy udarowym zg i- naniu żeliwa sferoidalnego. Związek pomiędzy strukturą a twardością jest oczywisty i wynika z rodzaju, dyspersji oraz udziału poszczególnych faz w osnowie żeliwa. A zatem związek pomiędzy strukturą a udarnością mogą potwierdzić cechy przełomów próbek udarnościowych. Po odlaniu żeliwo sferoidalne miało osnowę składającą się z perlitu i otoczek ferrytu wokół grafitu (rys.2a). Powierzchnia rozdziału próbki udarnościowej żeliwa jest rozwinięta z elementami przełomu transkrystalicznego kruchego i ciągliwego. Na p o- wierzchniach rozdziału są uskoki i języki oraz mikroobszary odkształcone. Na płas z- czyznach wtórnych powstałych pomiędzy płaszczyznami łupliwości są widoczne ścięcia plastyczne w postaci grzbietów. Na ich powierzchniach są elementy przełomu tra n- skrystalicznego ciągliwego. W odkształconych plastycznie mikroobszarach (grzbiety) występują równoosiowe i owalne ścięte dołki. Normalizowane żeliwo miało osnowę perlityczną (rys.2b) i udarność KCV=13,7 J/cm 2 oraz twardość 276 HB. Przełom żeliwa jest transkrystaliczny quasi-łupliwy o cechach pla- 93

4 styczno-kruchych (rys.2g). Na fotografii są widoczne pasma równoległych wysokich uskoków na płaszczyznach łupliwości, dołki i krawędzie zerwania. Na uskokach wtórnych płaszczyzn są fragmenty obszarów przełomu z dołkami ścięcia, świadczące o ich plastyczności. Pękanie łupliwe transkrystaliczne tworzące przełom, zalicza się do przełomu kruchego o niskiej energochłonności. Zarodkami pęknięć łupliwych, obserwowanych na przełomach, mogą być kolonie perlityczne lub same płytki cementytu eutektoidalnego w osnowie normalizowanego żeliwa. Ulepszone cieplnie żeliwo miało strukturę sorbityczną (rys.2c), twardość 320 HB i udarność KCV=14 J/cm 2. Osnowa żeliwa próbki udarnościowej miała przełom transkrystystaliczny kruchy (rys.2h) o zróżnicowanej morfologii i słabo rozwiniętej powierzchni. Widoczne są uskoki na płaszczyznach łupliwości i śladowe odkształcenie plastyczne. Ten rodzaj pękania osnowy metalowej żeliwa jest zbliżony do pękania ule p- szonej cieplnie stali. Stąd fasety przełomu quasi-łupliwego, który powstał w dwufazowej strukturze, są małe i nie mają wyraźnych granic. Ferrytyzowane żeliwo sferoidalne, po próbie udarowego zginania próbek z karbem V, miało mieszany przełom, w którym są elementy morfologii przełomu łupliwego i plastyc z- nego. Na fotografii na rysunku 2i jest przełom łupliwy międzykrystaliczny, który otacza wydzielenia grafitu w centrum ziaren eutektycznych. Pękanie osnowy rozprzestrzeniało się wzdłuż granic ziaren. Przełom ma charakterystyczne gładkie powierzchnie faset, w postaci wielokątów odpowiadających kształtom ziaren. Fasety takiego pękania są dobrze widoczne ze względu na obecność na przełomie styku trzech lub więcej granic ziaren. Tabela 1. Struktura, udarność i twardość obrobionego cieplnie żeliwa sferoidalnego Table 1. Microstructure, impact test and hardness of ductile cast iron after heat treatment Udarność KCV, J/cm 2 Pomiar Średnia Twardość, Operacja cieplna Struktura osnowy arytmetyczna HB Bez obróbki perlit + 15 %ferrytu 12,7 12,7 12,7 12,7 258 Normalizowanie drobnopłytkowy perlit + 5 % ferrytu 13,7 14,7 12,7 13,7 276 Ulepszanie cieplne sorbit 13,7 13,7 14,7 14,0 320 Ferrytyzowanie ferryt + perlit resztkowy 19,6 19,6 15,7 18,3 165 Hartowanie izotermiczne ausferryt + martenzyt 29,4 27,5 29,4 28,8 311 Na fragmentach przełomu osnowy żeliwa również jest widoczne pękanie łupliwe transkrystaliczne. Najbardziej ten typ pęknięć widać na dole po stronie prawej na rysunku 2i. Układy uskoków (stopni łupliwości) tworzące tzw. rzeki i dorzecza (rzeźba rzek) na powierzchni przełomu łupliwego są w ziarnach ferrytu. Ten rodzaj pękania jest wynikiem pojawienia się na drodze pęknięcia niskokątowej granicy dyslokacji śrubowej. 94

5 ARCHIWUM ODLEWNICTWA a) f) b) g) c) h) 95

6 d) i) e) j) Rys.2. Mikrostruktura żeliwa: a) bez obróbki, pow. mikr. 1000x, b) normalizowanego, pow. mikr. 1500x, c) ulepszanego cieplnie, pow. mikr. 1000x, d) ferrytyzowanego, pow. mikr. 1000x, e) hartowanego z przemianą izotermiczną, pow. mikr. 1000x. Mikrofraktografia przełomu żeliwa: f) bez obróbki, g) normalizowanego, h) ulepszanego cieplnie, i) ferrytyzowanego, j) hartowanego z przemianą izotermiczną, pow. mikr. 500x. Fig.2. Microstructure of ductile cast iron: a) without heat treatment; 1000x, b) normalizing;1500x, c) toughening; 1000x, d) ferritizing annealing; 1000x, e) austempering; 1000x. Microfractography fracture of ductile cast iron: f) without heat treatment, g) normalizing; h) toughening, i) ferritizing annealing, j) austempering; 500x. Szerokokątowe granice ziaren, a także wydzielenia drugiej fazy cementytu, stanowią przeszkody na drodze przemieszczania się pęknięcia, generując powstanie nowego systemu rzek i dorzeczy. Rzeki łączą się wzdłuż kierunku rozchodzenia się pęknięcia, aby zmniejszyć energię powierzchniową. Wzrost energii w czasie pękania osnowy wiąże się między innym ze zwiększeniem powierzchni rozdziału, co daje w efekcie mniejszą kruchość. W obszarach granicznych ziaren eutektycznych ferrytyzowanego żeliwa sferoida l- nego przełom ma inny charakter niż w centrum. Z porównania wyglądu elementów 96

7 ARCHIWUM ODLEWNICTWA powierzchni przełomu obszarów granicznych ziaren eutektycznych wynika, że pękanie w ziarnach ferrytu ma cechy przełomu transkrystalicznego kruchego. Na płaszczyznach łupliwości występują płytkowe i kulkowe wydzielenia cementytu. W obszarach granicznych ziaren eutektycznych przy ferrytyzowaniu cementyt resztkowy perlitu uległ fragmentacji i sferoidyzacji. Austenityczno-ferrytyczną osnowę metalową żeliwa ADI cechuje przełom o zró ż- nicowanej morfologii i rozwiniętej powierzchni. Na niej występują elementy morfologii przełomu kruchego i ciągliwego oraz pęknięcia wtórne. Na płaszczyznach łupliwości ausferrytycznej osnowy w dużej jej części jest widoczne, że pękanie przechodzi przez płaszczyzny łupliwości po granicach ziaren byłego austenitu (rys.2j). Morfologia świadczy o przełomie międzykrystalicznym. Przełom taki powstał w wyniku utraty spójności osnowy na granicach ziaren. Pękanie wtórne pomiędzy pęknięciami w płaszczyznach łupliwości zachodziło według mechanizmu ścięcia plastycznego. Na tzw. grzbietach jest widoczny obszar odkształcenia plastycznego świadczący o lokalnym mechanizmie pękania ciągliwego. Ten rodzaj pękania można rozpatrywać jako wtórny mechanizm pękania, a jego cechą charakterystyczną odrywania osnowy jest tworzenie grzbietów. Na niektórych płaszczyznach jest przełom quasiłupliwy z językami łupliwości. 4. ZAKOŃCZENIE Próba udarności posłużyła do oceny odporności na pękanie żeliwa sferoidalnego o ró ż- nej strukturze osnowy metalowej. Próbę tę wykorzystano jednak w zasadzie jedynie do porównania jakości struktur osnowy pod względem wrażliwości na działanie karbu w warunkach eksploatacyjnych odlewów żeliwnych. Znaczne zróżnicowanie przełomów nie ułatwia ich analizowania. Austenityzowanie osnowy żeliwa przyczyniło się do zmniejszenia wielkości ziaren i bloków (subziaren), a normalizowanie i odpuszczanie do zwiększenia dyspersji cementytu. Wykonane operacje obróbki cieplnej, spowodowały wzrost twardości i widoczny wzrost udarności w porównaniu do żeliwa wyjściowego. Pękanie kruche w koloniach perlitycznych rozprzestrzeniało się łatwo, lecz załamywało się dopiero na granicach ziaren i subziaren byłego austenitu. Energia potrzebna do rozdziału osnowy metalowej żeliwa z perlitem i sorbitem jest prawie taka sama, ale ze względu na drobniejsze ziarna nieco większa niż żeliwa bez obróbki cieplnej. Rozprzestrzenianie się pękania w małych ziarnach zachodzi trudniej. Według [6] fasety quasi-łupliwe informują o przebiegu łupania w płaszczyźnie {100}, przy czym podano to dla stali ulepszonej cieplnie. Ferrytyczna i ausferrytyczna osnowa żeliwa odznacza się rozwiniętą powierzchnią przełomu. Powstanie takiego przełomu wymaga jednak większej energii. Stąd oba rodzaje żeliwa mają większą udarność niż pozostałe, pomimo dość znaczącej różnicy wytrzymałości czy twardości osnowy metalowej. Obecność mikroobszarów ciągliwych na przełomie żeliwa ADI, związanych z dużym odkształceniem plastycznym, wymagała dodatkowych znacznych wydatków energii przy propagacji pękania międzykrystalicznego. 97

8 W przypadku żeliwa ferrytycznego, wykazującego na ogół dużą plastyczność i małe umocnienie, po próbie udarowego zginania ma przełom o dużym udziale pęknięć międzykrystalicznych w centrum ziaren eutektycznego oraz łupliwych. Zazwyczaj stopy o strukturze typu A2 charakteryzują się ciągliwym przełomem przy badaniu w temperaturze otoczenia około 20 o C i wyższej, a w próbie udarowej do złamania próbki jest wtedy potrzebna duża energia. Pękanie międzykrystaliczne i transkrystaliczne jest zaliczane do mało energochło n- nych mechanizmów pękania. Energia powierzchniowa granic ziaren przy pękaniu międzykrystalicznym jest mniejsza od energii powierzchniowej w płaszczyznach transkrystalicznej łupliwości [6]. Mniejsza wytrzymałość granic ziaren niż ich wnętrza może wynikać z osłabienia spójności istniejącą mikrosegregacją w ziarnach eutektycznych. Żeliwo ADI ma dużą wytrzymałość, dobrą plastyczność i udarność. Struktura osnowy jest złożona z plastycznego austenitu i ferrytu bainitycznego, a przełom uzyskuje postać międzykrystaliczną z udziałem ciągliwego. Tego typu przełomu nie spotyka się w stalach o podobnej strukturze. Postać przełomu próbek udarnościowych dla określonej struktury żeliwa odbiega od powszechnie znanych opisów dla struktur stopów Fe-C. Mikrofraktografia stworzyła jedynie podstawy do wyjaśnienia różnic morfologicznych, pod względem jakościowym przełomów próbek żeliwa sferoidalnego obrobion e- go cieplnie. Kontynuacja badań powinna dotyczyć przede wszystkim określenia kole j- ności miejsc inicjowania pękania osnowy metalowej żeliwa. LITERATURA [1] Kuroda Y., Takada H.: Badania przełomów żeliwa przy użyciu elektronowego mikroskopu skaningowego. Przegląd Odlewnictwa, nr 3, s , (1971). [2] Voigt R.C., Eldoky L.: Fracture of Ductile Cast Irons. 53rd World Foundry Congres. Praha, 7-12 September 1986, Ref., no 17, (1986). [3] Dymski S.: Kształtowanie struktury i właściwości mechanicznych żeliwa sferoidalnego podczas izotermicznej przemiany bainitycznej. Rozprawy nr 95, Akademia Techniczno- Rolnicza w Bydgoszczy, s , (1999). [4] Dymski S.: Niektóre aspekty pękania żeliwa ADI. II Sympozjum Mechaniki Zniszczenia materiałów i Konstrukcji, Augustów, , Materiały, s.77-80, (2003). [5] Ranatowski E. i in.: Ocena pękania żeliwa sferoidalnego w aspekcie badań rentgenograficznych., VI Krajowa Konferencja Mechaniki Pękania, Zeszyty Naukowe Politechniki Święt o- krzyskiej, Mechanika, nr 62, s , (1997). [6] Wyrzykowski J. W. i in: Odkształcenie i pękanie metali. WNT, Warszawa, (1999). SUMMARY 98 ASPECT OF IMPACT TEST OF DUCTILE CAST IRON Pearlitic ferrite ductile cast iron was examined. The impact samples with V-notch were bigradually ferritized, normalized, toughned and austempered. The hardness, impact test and metallography of fractured surfaces were investigated. The relationships between the microstructure and kind of fracture were interpreted Recenzował : prof. dr hab. inż. Edward Guzik