ANALIZA STATYSTYCZNA WPŁYWU SKŁADU CHEMICZ- NEGO NA WŁASNOŚCI MECHANICZNE ŻELIWA ADI CZ. I ŻELIWO NIESTOPOWE

Transkrypt

1 101/18 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 006 Rocznik 6 Nr 18 (/) ARCHIVES OF FOUNDRY Year 006 Volume 6 N o 18 (/) PAN Katowice PL ISSN ANALIZA STATYSTYCZNA WPŁYWU SKŁADU CHEMICZ- NEGO NA WŁASNOŚCI MECHANICZNE ŻELIWA ADI CZ. I ŻELIWO NIESTOPOWE S. DYMSKI 1 T. GIĘTKA Z. STAWICKA 3 Wydział Mechaniczny Akademia Techniczno-Rolnicza w Bydgoszczy ul. S. Kaliskiego Bydgoszcz STRESZCZENIE Procedura statystyczna posłużyła do oceny wpływu: węgla krzemu i manganu na granicę plastyczności R p0 wytrzymałość na rozciąganie R m twardość H i wydłużenie A 5 niestopowego żeliwa ADI. Otrzymane funkcje matematyczne oparto na dużej liczbie wyników badań doświadczalnych pochodzących z prac źródłowych autorów publikacji światowych. Key words: alloyed elements mechanical properties ADI 1. WPROWADZENIE Proces wdrażania do praktyki przemysłowej nowych lepszych materiałów opiera się na doskonaleniu już istniejących materiałów lub wykorzystywaniu nowoczesnych osiągnięć inżynierii materiałowej. Praktycznym tego przykładem jest wytwarzanie odlewów z żeliwa ADI. Optymalizację stosowanych materiałów inżynierskich w budowie maszyn realizuje się z uwzględnieniem modelowania mikrostruktury i własności. Wystarczającą weryfikację teoretyczną z rzeczywistością wykonuje się za pomocą prac doświadczalnych. 1 prof. nadzw. ATR dr hab. inż. Stanisław.Dymski@atr.bydgoszcz.pl mgr inż. tgietka@atr.bydgoszcz.pl 3 mgr zostaw@atr.bydgoszcz.pl 111

2 W materiałach źródłowych spotyka się dane doświadczalne obejmujące skład chemiczny warunki obróbki cieplnej mikrostrukturę i własności mechaniczne żeliwa [1-4]. Podczas realizacji pracy [5] stworzono bazę danych związanych z żeliwem ADI przy czym aktualizowano ją do obecnego czasu. Wyniki zawarte w bazie danych choć często obarczone trudnymi do oszacowania błędami doświadczalnymi pozwalają jednak na podjęcie próby opracowania metody wyznaczania zależności pomiędzy dodatkami stopowymi a wybranymi własnościami żeliwa ADI dzięki wykorzystaniu narzędzi informatycznych. W szczególności w próbie analizy wpływu dodatków stopowych na własność żeliwa ADI należy zwrócić uwagę na różnice metalurgiczne żeliwa jego mikrostrukturę wyjściową do obróbki cieplnej i wiele innych mniejszych czynników. Jednak pomimo tego podjęto się w tej pracy wyznaczenia funkcji matematycznych określających zależności między składem chemicznym a wybranymi własnościami mechanicznymi żeliwa ADI. Bazę danych poddano analizie statystycznej za pomocą komputerowego programu STATISTICA.. WPŁYW WĘGLA I KRZEMU Węgiel wpływa na mikrostrukturę i własności mechaniczne stopów Fe-C. O jego zawartości i rozmieszczeniu w osnowie metalowej żeliwa przy hartowaniu decyduje proces austenityzowania. Z kolei w żeliwie sferoidalnym podczas izotermicznej przemiany austenitu w zakresie bainitycznym węgiel najefektywniej bierze udział w kinetyce przemiany kształtowaniu mikrostruktury i własności mechanicznych żeliwa ADI. Krzem w żeliwie nie bierze bezpośredniego udziału w reakcji bainitycznej lecz oddziałuje na jego kinetykę i mechanizm. Odgrywa on znaczącą rolę w przemianie izotermicznej austenitu w stopach Fe-C-Si głównie jednak w zakresie górnego obszaru bainitycznego [6-8]. Do analizy wpływu węgla i krzemu na wybrane własności mechaniczne wykorzystano bazę danych utworzoną z wyników badań z 13 prac [9-1]. Żeliwo sferoidalne hartowane przy różnych parametrach zawierało mangan w zakresie %. Analiza wpływu procentowej zawartości krzemu na umowną granicę plastyczności R p0 żeliwa ADI wykazała że tę zależność wyraża równanie matematyczne o postaci: R p0 = (1) Równanie (1) otrzymano w wyniku weryfikacji istotności i adekwatności modelu matematycznego w którym analizowano węgiel i krzem. Wpływ krzemu na poziom wartości R m wyraża zweryfikowany wzór: R m = () 11

3 Twardość H żeliwa ADI a procentowa zawartość C i Si została określona zweryfikowaną funkcją: H = C% C% HV (3) Zawartość C i Si oddziałuje na plastyczność - wydłużenie A 5 żeliwa ADI a jej wartości można określić ze wzoru: A5 = C% C% % (4) Z równań (1) (4) wynika że ze zwiększeniem zawartości krzemu R p0 R m maleją. Natomiast na poziom twardości i wydłużenia żeliwa ADI oprócz krzemu wpływa także węgiel. W przypadku twardości jej wartości nieznacznie się zwiększają ze wzrostem zawartości węgla lecz wzrost zawartości krzemu wywołuje nieznaczny spadek twardości. Wydłużenie A 5 żeliwa ADI zależy od zawartości i węgla i krzemu. Wzrost zawartości C i Si powoduje spadek wydłużenia lecz przy rosnącej zawartości krzemu i mniejszej zawartości węgla (około 3 %) wydłużenie się zwiększa. 3. WPŁYW KRZEMU I MANGANU W tym rozdziale przedstawiono wyniki analizy wpływu krzemu i manganu w żeliwie ADI. Mangan znacząco wpływa na własności mechaniczne żeliwa sferoidalnego. Początkowo zwiększanie zawartości Mn powoduje wzrost wytrzymałości i plastyczności żeliwa a poczynając od zawartości krytycznej (dla plastyczności % a dla wytrzymałości na rozciąganie %) własności te zaczynają się zmniejszać wskutek wydzielania na granicach ziaren eutektycznych cementytu wtórnego. W żeliwie ADI najczęściej wpływ Mn kojarzony jest z obszarami austenityczno-martenzytycznymi na granicach ziaren eutektycznych które zmniejszają wytrzymałość i plastyczność. Na ogół oddziaływanie Mn jest niekorzystne lecz można je częściowo ograniczyć zwiększając zawartość Si [56]. Zwykle niestopowe żeliwo może zawierać % a niekiedy do około 10 % Mn. Jednak ze względu na silne hamowanie przemiany austenitu jego zawartość w żeliwie ADI nie powinna przekraczać 03 % [5]. W bazie danych którą stworzono na potrzeby niniejszej pracy dla Mn i Si zebrano 54 wyniki pomiarów z prac [ ]. Analiza aproksymacyjna wpływu krzemu i manganu na umowną granicę plastyczności R p0 żeliwa ADI wykazała zależność tylko od krzemu a jej wzór ma postać: R p = (5) Wytrzymałość na rozciąganie jak wynika z analizy statystycznej jest zależna od zawartości manganu w przedziale zawartości krzemu %. Zależność ma postać: 113

4 R m = Mn% (6) Na twardość H niestopowego żeliwa ADI wpływa krzem i mangan. Zależność ta ma postać: H = Mn% Mn% HV (7) Na wydłużenie A 5 żeliwa ADI wpływa tylko krzem a zależność wyraża się następująco: A5 = % (8) W żeliwie ADI ze wzrostem zawartości krzemu maleje umowna granica plastyczności przy czym zależność ta jest krzywoliniowa. Na wytrzymałość na rozciąganie R m żeliwa ADI wpływa tylko Mn. Jego wzrost powoduje spadek wartości R m. Może to wynikać m.in. z obecności w ausferrytycznej osnowie obszarów austenityczno-martenzytycznych na granicach ziaren eutektycznych [5]. Z równania (7) wynika że twardość żeliwa ADI maleje ze wzrostem zawartości krzemu i manganu. Jednak na większy spadek twardości wpływa krzem niż mangan. Należy zwrócić uwagę że najmniejsza twardość ausferrytycznego żeliwa może być około 60 HV. Stąd analiza merytoryczna zmian twardości może dotyczyć tej wartości. Żeliwo ADI z reguły nie wykazuje dużego wydłużenia A 5. W analizowanym przedziale zawartość Si = 3 % wydłużenie A 5 żeliwa ADI ma maksymalną wartość około 5 %. 4. PODSUMOWANIE Analiza statystyczna pozwoliła wyznaczyć zależność podstawowych własności żeliwa sferoidalnego po hartowaniu z przemianą izotermiczną na podstawie składu chemicznego. Za pomocą badań statystycznych dokonano analizy wpływu trzech podstawowych składników chemicznych żeliwa ADI na umowną granicę plastyczności R p0 wytrzymałość na rozciąganie R m twardość H i wydłużenie A 5. Jak wynika z bazy danych zawartości składników żeliwa ADI kształtowały się następująco: C = % Si = % Mn do 140 %. Należy podkreślić że funkcje matematyczne (1) (8) po weryfikacji mają istotne współczynniki równania i jak wynika to z procedury programu komputerowego uzyskane funkcje należy uznać za adekwatne a więc zgodne z wynikami pomiarów. Program komputerowy wyliczył również współczynniki korelacji dla adekwatności funkcji. Wartości r były w przedziale W związku z tym wartości r pokazują że związki pomiędzy badanymi zależnościami nie są na wysokim poziomie. Poziom taki należy tłumaczyć efektem zróżnicowanego materiału badawczego użytego do hartowania wykonanego przez różnych autorów publikacji naukowych. 114

5 LITERATURA [1] Dymski S.: Archiwum Odlewnictwa. PAN - Katowice R.4 nr 1 s.155 (004). [] Yescas M.A. Bhadeshia H.K.D.H.: Materials Science and Engineering A333 s.60 (001). [3] Yesacas M.A. Bhadeshia H.K.D.H. Mackay D.J.: Materials Science and Engineering A311 s.16 (00). [4] Kowalski A.: Prace Instytut Odlewnictwa. T.XLVII Z.3 s.41 (1997). [5] Dymski S.: Kształtowanie struktury i właściwości mechanicznych żeliwa sferoidalnego podczas izotermicznej przemiany bainitycznej. Rozprawy nr 95. Dział Wydawnictw ATR Bydgoszcz (1999). [6] Podrzucki C.: Żeliwo. Struktura właściwości zastosowanie. t.i i II. Wyd. ZG STOP Kraków (1991). [7] Pietrowski S.: Archiwum Nauki o Materiałach nr 18 s.53 (1997). [8] Guzik E.: Procesy uszlachetniania żeliwa. Wybrane zagadnienia. Archiwum Odlewnictwa. PAN Katowice. Monografia nr 1M (001). [9] Bevan J.E. Scholz W.G.: Modern Casting nr 11 s.10 (1977). [10] Dorazil E. Crhak J. Barta B.: Slévárenstvi t.6 nr 4 s.14 (1978). [11] Dorazil E. Crhak J. Barta B. Huvar A.: Slévárenstvi t.7 nr s.49 (1979). [1] Dorazil E. Holzmann M. Crhak J. Kohout J.: Giesserei - Praxis nr 8-9 s.109 (1985). [13] Dymski S.: Instytut Mechaniki Precyzyjnej (praca doktorska niepublikowana) Warszawa (1983). [14] Dymski S.: Opracowania własne. [15] Gagné M.: Giesserei - Praxis nr 10 s.155 (1987). [16] Herfurth K.: Instytut Mechaniki Precyzyjnej w Warszawie. Narada monotematyczna pt. Obróbka cieplna żeliwa s.78 Serpelice 6-8. IX (1979). [17] Mannes W. Hornung K. Rettig H.: Konstruieren und Giessen nr 4 s.19 (1985). [18] Moore D.J. Rouns T.N. Rundman K.B.: AFS Transactions nr 103 s.705 (1985). [19] Moore D.J. Rouns T.N. Rundman K.B.: Giesserei- Praxis nr 3-4 s.309 (1988). [0] Piaskowski J.: Przegląd Odlewnictwa nr 7 s.50 (199). [1] Viau R. Gagné M. Thibau R.: Giesserei - Praxis nr 9-10 s.117 (1988). [] Park Y.W. Kang I.C.: 58th World Foundry Congress ref. no. Kraków September (1991). [3] Stec J. Piaskowski J.: Prace Instytutu Odlewnictwa nr 1 s.17 (1979). [4] Shea M.M. Ryntz E. F.: Giesserei - Praxis nr 19 s.80 (1987). [5] Voigt R.C.: Giesserei - Praxis nr 7 s.95 (1985). [6] Mannes W. Hornung K. Rettig H.: Konstruieren und Giessen nr 4 s.19 (1985). [7] Viau R. Gagné M. Thibau R.: Giesserei - Praxis nr 9-10 s.117 (1988). 115

6 ANALYSIS STATISTICAL OF THE INFLUENCE OF CHEMICAL COMPOSITION ON MECHANICAL PROPERTIES IN AUSTEMPERED DUCTILE IRON. PART I NON-ALLOY CAST IRON SUMMARY Statistical procedure were applied to estimation of the influence of alloying elements: carbon silicon and manganese on 0. % proof strength tensile strength hardness and elongation of an ADI. The obtained mathematical functions were based on a large number of the results of empirical investigations derived from a research source. Recenzował: Prof. Stanisław Pietrowski 116