ZALEŻNOŚĆ PODSTAWOWYCH WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNYCH OD STRUKTURY KRYSTALICZNEJ ODLEWÓW Z PODEUTEKTYCZNYCH STOPÓW Al-Si

Transkrypt

1 15/2 Archives of Foundry, Year 2001, Volume 1, 1 (2/2) Archiwum Odlewnictwa, Rok 2001, Rocznik 1, Nr 1 (2/2) PAN Katowice PL ISSN ZALEŻNOŚĆ PODSTAWOWYCH WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNYCH OD STRUKTURY KRYSTALICZNEJ ODLEWÓW Z PODEUTEKTYCZNYCH STOPÓW Al-Si M. HAJKOWSKI 1 Instytut Technologii Materiałów Politechniki Poznańskiej ul. Piotrowo 3, Poznań STRESZCZENIE W pracy opisano wpływ czynników struktury krystalicznej na właściwości plastyczne odlewów ze stopu Al-Si. Przeprowadzono statystyczną analizę istotności wpływu parametrów struktury na wydłużenie, granicę plastyczności i wytrzymałość na rozciąganie odlewów z podeutektycznych stopów Al-Si o wysokiej i niskiej plastyczności. Stwierdzono, że występują różnice w liczbie i kolejności siły wpływu istotnych parametrów struktury na badane właściwości mechaniczne, które zależą od składu stopu i zbioru warunków krzepnięcia odlewów. Key words: crystalline structure, sub-eutectic Al-Si, mechanical properties 1. WPROWADZENIE Ważnym zagadnieniem wiedzy o właściwościach mechanicznych odlewów jest ich związek z istotnymi parametrami struktury krystalicznej utworzonymi w różnych warunkach krzepnięcia wynikającymi z wielkości modułu krzepnięcia odlewu, zróżnicowania cieplnego materiałów formy i modyfikacji stopu. Plastyczność stopów metali z grupy właściwości mechanicznych jest najsilniej zależna od parametrów struktur krystalograficznych. Plastyczność stopów metali jest charakteryzowana głównie granicą plastyczności i przedstawiona w literaturze jako związek z: - wielkością ziarna i opisana: *równaniem Halla-Petcha [1, 2, 3] p = o + K y d 0,5 (1) 1 dr inż., mieczyslaw.hajkowski@put.poznan.pl

2 *równaniem Halla-Petcha zmodyfikowanym przez Marckrotta [1] zawierającym dwie fazy p = o + K 1 d 0,5 + K 2 g 0,5 (2) - udziałem faz [2, 3, 4] (tz. widełki Voigta i Reussa) *przy równym odkształceniu p = pm V m + pf (1- V m ) (3) *przy równym naprężeniu osnowy- m i fazy wzmacniającej- f p = pm pf / pm V m + pf (1- V m ) (4) - udziałem faz i wielkością osnowy [3, 5] p = o + c + d + + cw + Df (5) wg pracy [5] lepszą zgodność z wynikami doświadczeń daje wyrażenie p = o + d + Df + ( c cw 2 ) 0,5 (6) Równanie (1) uwzględnia wpływ wielkości jednego ziarna natomiast inne parametry struktury krystalicznej i właściwości faz znajdują się we współczynniku K y. Zależność (2) uwzględnia wielkość dwóch faz (np. przedeutektyczna faza - d i eutektyczny krzem- g w stopach Al-Si) natomiast pozostałe parametry struktury krystalograficznej znajdują się we współczynnikach K 1 i K 2. Zależności (3) i (4) uwzględniają udziały faz (V m - osnowy) dla konkretnych warunków otrzymania czyli o znanych granicach plastyczności ( pm, pf - granica plastyczności osnowy, umocnienia). Zależność (5) lub (6) uwzględnia granicę plastyczności osnowy- o, wielkość krystalitów osnowy- d, umocnienie materiału: przez atomy innego pierwiastka- c, zmianę gęstości dyslokacji-, umocnienie wydzieleniem drugiej fazy- cw, umocnienie dyspersyjnym wydzieleniem drugiej fazy w osnowie- Df dla konkretnych warunków otrzymania (zmiana warunków krzepnięcia powoduje zmianę granicy plastyczności i wielkości ziarna osnowy). Przedstawione w literaturze zależności granicy plastyczności uwzględniają zbiorczo (poza wielkością ziarna) parametry struktury krystalicznej poszczególnych faz i mogą być stosowane do określenia związku np. granicy plastyczności dla odlewanych materiałów izotropowych. Struktura krystaliczna materiału odlewu jest częściowo zorientowana i z tego względu jest potrzebny związek np. granicy plastyczności odlewu z parametrami struktury uwzględniający zmienność parametrów struktury krystalicznej od fizykochemicznych warunków krzepnięcia. Celem pracy było wyznaczenie istotnych parametrów struktury krystalicznej i określenie związku granicy plastyczności, wydłużenia i wytrzymałości na rozciąganie z istotnymi parametrami struktury krystalicznej odlewów z podeutektycznych stopów Al- Si o różnej zawartości Fe otrzymanych w różnych warunkach fizykochemicznych. 2. ANALIZA WPŁYWU CZYNNIKÓW STRUKTURY KRYSTALICZNEJ NA WŁAŚCIWOŚCI PLASTYCZNE ODLEWÓW ZE STOPU AL-SI Odkształcenie plastyczne w pojedynczym krystalicie fazy stopu Al-Si następuje w wyniku przesunięcia warstwy atomów w płaszczyźnie najgęściej upakowanej bez zerwania ich wiązań międzyatomowych. Inicjacją odkształcenia plastycznego jest

3 naprężenie ścinające (rys.1a) na płaszczyźnie poślizgu jako składowa naprężenia rozciągającego. Wartość przyłożonego naprężenia zależy od kąta położenia płaszczyzny poślizgu w odniesieniu do kierunku rozciągania-. Naprężenie krytyczne na płaszczyźnie poślizgu potrzebne do wywołania poślizgu w pojedynczym krystalicie fazy zależy od zawartości atomów krzemu i dyslokacji. Czynnikami hamującymi poślizg występujący w danym krystalicie są granice sąsiednich krystalitów (rys. 1). Rys.1. Model struktury krystalicznej w odlewach z podeutektycznego stopu Al- Si otrzymanych w formach klasycznych: a- geometryczne parametry struktury, b- wzajemna orientacja dendrytów fazy i krzemu eutektycznego. Fig.1. Model of crystalline structure of the castings of sub-eutectic Al-Si alloys obtained in classical moulds: a - geometrical parameters of the structure, b - relativeorientation of dendrites of phase and eutectic silicon. Plastyczność zbioru krystalitów podeutektycznej fazy i eutektycznej fazy eut zależy zatem od wielkości krystalitów i ich wzajemnej orientacji pokazanej na rys. 1b (każdy krystalit ulega odkształceniu plastycznemu odpowiednio do zmian zachodzących w sąsiednim krystalicie) oraz średniego kąta odchylenia krystalitów od kierunku obciążenia- (czynnik orientacji zawarty w równaniu E. Schmita [3] jest zależny od kąta, dla fazy mającej więcej niż 5 systemów poślizgu ten czynnik może zmieniać się od 2,4 do 3,1 [6]). Rozłożenie krzemu w eutektyce tj. średni kąt odchylenia od kierunku obciążenia i wzajemna orientacja (zdefiniowana jako stopień wzajemnej orientacji) są stałe w odlewach krzepnących w klasycznych formach odlewniczych ponieważ: krzem w stopie niemodyfikowanym ma postać rozetową (płytki krzemu są rozłożone we wszystkich kierunkach oznacza to, że średni kąt- Si wynosi ok. 45 o a stopień wzajemnej orientacji-z Si wynosi ok. 0. krzem w stopie modyfikowanym ma postać koralową (o małym stosunku I=l/g) i rozłożony w sposób niezorientowany. W podsumowaniu można stwierdzić, że na właściwości plastyczne odlewu z określonego podeutektycznego stopu Al-Si powinny mieć wpływ następujące parametry geometryczne struktury krystalicznej: średni kąt odchylenia dendrytów fazy od kierunku obciążenia-, grubość gałęzi dendrytów fazy - d, grubość płytek krzemu-

4 g 1, stosunek długości do grubości płytek krzemu- (I 1 =l/g) i stopień wzajemnej orientacji dendrytów fazy - Z. 3. METODYKA BADAŃ Badania przeprowadzono na odlewach o średnicy 30 mm i długości 100mm odlewanych pionowo (zasilanych od góry) ze stopów syntetycznych: AlSi6,8Fe0,13 (skład: 93,04%Al., 6,81%Si, 0,13%Fe, 0,009Zn 0,005Mn, 0,003%Cu, 0,002Ti, po 0,001% Cr, Ni, Sn), AlSi8,7Fe0,024 (skład: 91,23%Al, 8,71%Si, 0,024%Si, 0,003%Cr i po 0,004% Cu i Zn) i stopu handlowego (AK9) AlSi9,45Fe0,32 (skład: 89,49%Al., 9,49%Si, 0,32%Fe, 0,01%Cu, 0,01Zn, 0,004%Ti, 0,31%Mg, 0,36%Mn. Warunki krzepnięcia odlewów zmieniano za pomocą zróżnicowania materiałów formy, krzepnięcie w polu magnetycznym i modyfikacji stopu. Stosowano formy z następujących materiałów: 1- bok formy z masy mikrosferowej, dół ochładzalnik z miedzi, 1P- forma jak w 1, krzepnięcie w polu magnetycznym, 2- bok formy z masy na osnowie piasku kwarcowego, dół ochładzalnik z miedzi, 3- forma jednolita z masy na osnowie piasku kwarcowego ze szkłem wodnym, 3M-forma jak w 3, stop modyfikowany strontem w ilości 0,03% wsadu stopu, 3P-forma jak w 3, krzepnięcie w polu magnetycznym, 4- forma jednolita z masy na osnowie piasku chromitowego ze szkłem wodnym, 5- forma ze śrutu żeliwnego wiązanego szkłem wodnym. Formy wysuszone z 8 wnękami zalewano stopem rafinowanym o temperaturze 710±2 o C. Badanie parametrów struktury przeprowadzono na zgładach wzdłużnych odlewów walca (udział faz wyznaczono na zgładach poprzecznych). Określono grubość gałęzi 1 i 2 rzędu dendrytów przedeutektycznych, grubość i długość wydzieleń krzemu w eutektyce, stopień wzajemnej orientacji i kąt odchylenia dendrytów fazy od osi odlewu walca. Wymienione parametry struktury badano w następujący sposób: grubość wydzieleń, kąt odchylenia krystalitów i udział danej fazy w strukturze za pomocą komputerowego analizatora obrazu Multiscan, stopień zorientowania faz z wydruków struktur metalograficznych; siatkę do zliczania przecięć wydzieleń obracano o kąt (średni kąt odchylenia dendrytów od osi walca), a stopień wzajemnej orientacji wyznaczono za pomocą metalografii ilościowej, metodą częściowo zorientowanych linii na płaszczyźnie. Badania właściwości mechanicznych przeprowadzono na próbkach nie znormalizowanych o średnicy i długości pomiarowej 15 mm w odległości 25, 35 i 45 mm od podstawy walca. Badania właściwości mechanicznych wykonano na maszynie wytrzymałościowej typu RKM 250/50 (Roel & Korthaus) wyposażonej w ekstensometr elektroniczny. 4. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA Na podstawie przeprowadzonych badań otrzymano zbiór 40 wyników (średnie z 5 odlewów) dla każdej właściwości mechanicznej i parametrów struktury krystalicznej odlewów ze stopów: AlSi6,8Fe0,13, AlSi8,7Fe0,024 i AlSi9,45Fe0,32 (AK9)

5 Wszystkie (1, 2, 3, 4, 5, 3M, 1P, 3P) Cieplne (1, 2, 3, 4, 5) Warunki krzepnięcia Parametry struktury wykonanych w zmiennych warunkach cieplnych (różne materiały formy), fizycznych (w polu magnetycznym), chemicznych (modyfikacja). Analizę istotności wpływu badanych parametrów geometrycznych struktury krystalicznej przeprowadzono za pomocą regresji wielokrotnej krokowej postępującej na poziomie istotności 0,05 programem Statistica. Przeprowadzona analiza statystyczna wyników badań wybranych właściwości mechanicznych i parametrów geometrycznych struktury krystalicznej pokazana w tab. 1 i 2 wykazała, że występują różnice w liczbie i kolejności siły wpływu parametrów struktury na badane właściwości. Tabela 1.Współczynniki korelacji wydłużenia-a1, granicy plastyczności- R 0,2, wytrzymałości na rozciąganie- R m w funkcji jednego parametru struktury krystalicznej w odlewach z różnych stopów i krzepnących w zmiennych warunkach. Table 1. Elongation correlation factor A1, yield point factor R 0,2, tensile strength factor R m as a function of single parameter of crystalline structure of the casts made of different alloys solidifying under different conditions. Rodzaj stopu AlSi6,8Fe0,13 AlSi8,7Fe0,024 AK9(AlSi9,45Fe0,32) Współczynnik korelacji właściwości odlewu z określonym parametrem struktury krystalicznej A1 R 0,2 R m A1 R 0,2 R m A1 R 0,2 R m d -0,963-0,767-0,715-0,981-0,065-0,530-0,614 0,504 0,047-0,894-0,688-0,613-0,742 0,494 0,210-0,715 0,642 0,338 Z 0,928-0,606 0,500 0,995-0,012 0,439 0,882-0,896-0,597 g 1-0,873-0,882-0,794-0,827-0,364-0,824-0,227 0,226-0,171 I 1-0,743-0,644-0,638-0,917-0,160-0,706 0,118-0,084 0,312 g 2-0,870-0,738-0,703 x x x -0,453 0,617 0,226 d -0,813-0,647 0,494-0,871-0,202-0,408 x x x -0,782-0,602-0,461-0,768-0,022 0,072 x x x Z 0,792 0,507 0,322 0,748-0,033 0,272 x x x g 1-0,864-0,877-0,756-0,742-0,463-0,575 x x x I 1-0,725-0,636-0,725-0,737-0,464-0,657 x x x g 2-0,758-0,647-0,523 x x x x x x Odlewy krzepnące w zmiennych warunkach cieplnych (formy 1, 2, 3, 4, 5) ze stopów niemodyfikowanych mają wydłużenie o wartości A1= 6-38% (AlSi8,6Fe0,024 i AlSi6,8Fe0,13), które może być opisane w funkcji jednego parametru tj. średnią grubością gałęzi dendrytów- d tak jak ujmuje to równanie Pechta-Halla (1) ponieważ uzyskany związek przedstawiony dla tych stopów na rys.2 ma współczynnik korelacji R=- 0,981 i -0,963. Odlewy ze stopu niemodyfikowanego AK9 (AlSi9,45Fe0,32) mają niską wartość wydłużenia (A1 1,6%), a związek wydłużenia z parametrem d ma małą wartość R=-0,614, w tym przypadku ten związek należy opisać 3 parametrami struktury (tab.2): d, g 1, I 1. Wzrost tej liczby w odlewach ze stopu AK9 jest wywołany znaczącym wzrostem hamowania poślizgu przedeutektycznej i eutektycznej fazy

6 odległość od podstawy walca 25; 35; 45 mm przez krzem oraz fazę AlSiFeMn. Granica plastyczności i wytrzymałość na rozciąganie badanych stopów w zastosowanych warunkach cieplnych nie ma dobrej korelacji z żadnym pojedynczym parametrem struktury krystalicznej i dlatego ich związek ze strukturą wymaga opisu kilkoma parametrami struktury podanymi w tab.2 (warunki krzepnięcia:1, 2, 3, 4, 5). Tabela 2. Parametry struktury krystalicznej mające istotny wpływ na właściwości mechaniczne odlewów z określonego stopu Al-Si krzepnących w różnych warunkach fizykochemicznych. Tabele 2. Crystallite structural parameters which have fundamental influence on the mechanical properties of castings with specified Al-Si alloy soldifying in differrent physicochemical conditions. Warunki krzepnięcia* 1, 2, 3, 4, 5 1, 2, 3, 4, 5 3M 1, 2, 3, 4, 5 3M 1P, 3P Właściwości mechaniczne Rodzaj stopu syntetyczny handlowy AlSi6,8Fe0,13 AlSi8,7Fe0,024 AK9(AlSi9,45Fe0,32) A1 d Z Z g 1 d I 1 d g 1 I 1 R 0,2 d g 1 Z d Z I 1 d Z I 1 g 1 g 2 R m Z g 1 g 2 d I 1 Z d Z I 1 g 1 A1 I 1 g 2 Z d I 1 Z d x R 0,2 g 1 I 1 Z g 2 d Z g 1 I 1 x R m Z g 2 I 1 d Z I 1 g 1 x A1 x I 1 d Z x R 0,2 x Z d g 1 I 1 x R m x d I 1 Z x d -grubość gałęzi 1 i 2- rzędu dendrytów fazy, - kąt odchylenia dendrytów fazy od osi walca, Z - stopień wzajemnej orientacji dendrytów fazy, g 1 grubość krzemu w eutektyce, l 1 - stosunek długości do grubości krzemu w eutektyce, g 2 - szerokość rozgałęzionych kryształów fazy AlSiFeMn lub Al 9 Fe 2 Si 2 * 1, 2, 3, 4, 5 - formy z różnych materiałów, 3M - forma 3, stop modyfikowany, 1P, 3P - forma 1, forma 3 krzepnięcie w polu magnetycznym o indukcji magnetycznej B=4,3 kgs a) Wydluzenie[%] A1=50, 36-0,7208*d gruboscgalezi dendrytów[um] Regresja 95%p.ufnoœci b) Wydluzenie[%] A1=27,354-0, 420*d gruboscgalezi dendrytów- d[um] Regresja 95%p.ufnoœci Rys.2. Zależność wydłużenia od średniej grubości gałęzi dendrytów w odlewach krzepnących w zmiennych warunkach cieplnych ze stopu: a - AlSi8,7Fe0,024, b - AlSi6,8Fe0,13. Fig. 2. The effect of average thickness of dendritic branch in the casts solidifying under varying conditions on elongation for the cases of the following alloys: a- AlSi8,7Fe0,024, b - AlSi6, 8Fe0,

7 Rozszerzenie warunków otrzymywania odlewów o modyfikację (zmiana wielkości i kształtu wydzieleń krzemu) i krzepnięcie w polu magnetycznym (wzrost stopnia zorientowania- Z dendrytów fazy i zmniejszenie ich kąta odchylenia od osi walca- ) powoduje, że otrzymany zbiór wyników wydłużenia odlewów ze stopów AlSi8,6Fe0,024 i AlSi6,8Fe0,13 nie może być opisany jak poprzednio w funkcji jednego parametru d. Przy opisie związku wydłużenia, granicy plastyczności i wytrzymałości na rozciąganie odlewów otrzymanych w różnych warunkach cieplnych ze stopów modyfikowanych i niemodyfikowanych należy uwzględnić parametry struktury podane w tab.2 (warunki krzepnięcia 1, 2, 3, 4, 5, 3M). Rozszerzenie zbioru o wyniki odlewów krzepnących w polu magnetycznym (razem 17 warunków krzepnięcia), powoduje zmianę kolejności siły wpływu parametrów struktury na wybrane właściwości mechaniczne. W podsumowaniu powyższej analizy obejmującej odlewy z określonego stopu Al-Si można stwierdzić, że jednym parametrem struktury (grubość gałęzi dendrytów lub podobnie zmiennym parametrem - odległość między gałęziami drugiego rzędu dendrytów) można opisać tylko wydłużenie odlewów ze stopów plastycznych (A1 6%) krzepnących tylko w zmiennych warunkach cieplnych. Wydłużenie odlewów z danego stopu Al-Si o małej plastyczności, granicę plastyczności i wytrzymałość na rozciąganie należy opisać jako związek z wieloma parametrami geometrycznymi struktury krystalicznej. Związek wybranych właściwości mechanicznych z parametrami struktury dla zbioru odlewów z różnych stopów otrzymanych w różnych warunkach krzepnięcia wymaga uwzględnienia kilku parametrów struktury krystalicznej. Zależność podstawowych właściwości mechanicznych odlewów ze stopów: AlSi6,8Fe0,13, AlSi8,7Fe0,024 i AlSi9,45Fe0,32 (AK9) wykonanych w zmiennych warunkach cieplnych (różne materiały formy), fizycznych (w polu magnetycznym) i chemicznych (modyfikacja) od parametrów geometrycznych struktury krystalicznej jest następująca (parametry struktury w kolejności od największego wpływu): - wydłużenie: A1=54,5-0,8 d - 2I u 2-17,4 Z + 5,9 g ,5u R=0,968 - granica plastyczności R 0,2 = 146,9 + 2,38 g 2-11,55g u 2-23,5 Z - 1,45 I u e - d R=0,924 - wytrzymałość na rozciąganie R m = 207,8-0,8 d +0,6-2,4 I 1-8,7g 1 +1,1 g 2-18,4 Z u 2-27,7u e R=0,945 Natomiast przy przy uwzględnieniu tylko warunków cieplnych krzepnięcia ten związek jest następujący: - wydłużenie: A1=34,4-0,7 d u 2 + 4,8 g ,4u + 0,2g 2-0,3I 1 R=0,984 - granica plastyczności R 0,2 = 165, u 2-11,3g 1-3,6 I 1-35,1 Z +44,8 u e - 0,27d R=0,940 - wytrzymałość na rozciąganie R m = 228,7-3,87I 1 +0,6-0,84 d -27,7u e -8,3g 1-25,58 Z R=0,945 Podane zależności są słuszne dla zmienności parametrów struktury krystalicznej w zakresie: d =(17-65) m, =(15-59) o, Z = 0,19-0,86, I 1 =2,3-14,8, g 1 =(0,62-3,8)

8 m, g 2 =0,79-22,5) m, u 2 =0, ,00079, u e =0,47-0,71, gdzie: u 2 powierzchniowy udział fazy AlSiFeMn, u e powierzchniowy udział eutektyki. 5. PODSUMOWANIE Opis podstawowych właściwości mechanicznych odlewów z określonego stopu Al- Si w funkcji jednego parametru struktury krystalicznej (wielkości krystalitu) może być stosowany tylko dla wydłużenia większego od 6%. Opisu tego dla odlewów ze stopu A1 o małym wydłużeniu poniżej 1,6 %, granicy plastyczności i wytrzymałości na rozciąganie należy wykonać kilkoma parametrami (3-6), liczba parametrów zależy od rodzaju stopu, zastosowanych warunków krzepnięcia i opisywanej właściwości. LITERATURA [1] Tensi H.M.,Hogerl J.: Metalographische Gefügeuntersuchungen zur Qualitätssicherung von AlSi- Gus bauteilen. Metallwissenshaft und Technik, 1994, nr 10, s [2] Aszby M.F., Jones D.R.H.: Materiały inżynierskie. WNT, Warszawa [3] Wyrzykowski J.W., Pleszkow E., Sieniawski J.: Odkrztałcenie i pękanie metali. WNT Warszawa [4] Raj S. V., Ghosn L.J.: Effect of Fiber Volume Fraction onthe Fracture Behavior of Nb-1 Wt Pct Zr/218W Composites at elevated Temperatures. Metallugical and Materials Transactions A, 2000, v.31a, nr 3, s [5] Siepak J.: Ocena wpływu składu chemicznego i struktury na granicę plastyczności stali- na podstawie wyników badań Bruggera, Macheraucha i Vohrringera. Hutnik,1990, nr 11-12, s.275. [6] Dollar M., Gorczyca S.: Umocnienie materiałów polikrystalicznych. Hutnik 1984, nr 7-8, s DEPENDENCE OF BASIC MECHANICAL PROPERTIES OF CRYSTALLINE STRUCTURE OF CASTS MADE OF SUB-EUTECTIC Al-Si ALLOYS SUMMARY The paper describes the effect of crystalline structure on plastic properties of the casts made of sub-eutectic Al-Si alloys. Statistical analysis of significance of structural parameters has been performed with regard to elongation, yield point, and tensile strength of the casts made of sub-eutectic Al-Si alloys of high and low plasticity. It was ascertained that according to the alloy composition and solidification conditions the number of the parameters affecting the course of the casting process and their importance are different. Recenzował Prof. Przemysław Wasilewski