36/11. WPŁ YW TEMPERATURY I ŚRODOWISKA NA PLASTYCZNOŚĆ INTERMETALI Fe-Al W PRÓBIE ŚCISKANIA

Transkrypt

1 36/11 Soidification ofmetas and Aoys.No Krzepnięcie Metai i Stopów, Nr 36, 1998 PAN - Oddział Katowice PL ISSN WPŁ YW TEMPERATURY I ŚRODOWISKA NA PLASTYCZNOŚĆ INTERMETALI Fe-A W PRÓBIE ŚCISKANIA JÓŹWIAK Stanisław, BOJAR Zbigniew CHMIELEWSKI Tomasz, MRÓZ WaJdernar Wojskowa Akademia Techniczna u.s.kaiskiego 2, Warszawa W pracy przedstawiono wyniki badań właciciwości mechanic:znych odewniczego stopu Fe-40%at A przeprowadzonych za pomocą próby ściskania w temperaturach do 700 C w środowisku argonu i powietrza. Wykazano wzrost właściwości pastycznych badanego stopu w temperaturach powyżej 600 C. Wstęp W układzie równowagi Fe-:\.1 występują dwie fazy międzymeta iczne znajdujące się w kręgu zainteresowań konstruktorów, a mianowicie FeAI o strukturze B2 (A2) oraz Fe01 o strukturze 00 3 (A2). Fazy te, o budowie re!,'arnej centrowanej przestrzennie charakteryzują się niską pastycznością i odpornością na pękanie w temperaturze otoczenia, a także niską wytrzymałości ą i odpornością na pełzanie w temperaturach podwyższonych []. Generanie na podstawie danych iteraturowych można stwierdzić, iż pastyczność stopów intermetałicznych na osnowie faz z układu Fe-A rośnie wraz ze wzrostem temperatury, natomiast wytrzymałość doraźna spada powyżej 600 C (tab 1)[2,3]. tabica. Wpływ temperatury na właściwości W)trzymałościowe stopu Fe-40%at.A temperatura f C Rm fmpa Af%1 otoczenia Powyższe stwierdzenia, a także dobra odporność na korozję w podwyższonych temperaturach [4]predysponują te materiały do praktycznego zastosowania we współczesnej technice. Podstawowym założeniem niniejszej pracy było okreśenie wpływu temperatury na właściwości mechaniczne odr., --riczego stopu Fe-40%at A.

2 88 Materiał użyty do badań W stanie dostawy, po odewaniu struktura materiału była gruboziarnista i porowata. Wiekość ziaren dochodziła do 1,5 mm. W granicach ziaren widoczne były pojedyncze podłużne wydzieenia. Anaiza chemiczna tych wydzieeń pozwaa stwierdzić, iż jest to krucha faza Fe:zAJ, (rys.). ec: 41 ; ' ' t i i t. t! i i 1 j i i ~! 1! 1 1!! 1 i i i 1! i n!!!c ~~LI Z. pj _!....!'- - ~ -, EDAX» Quan1Hica11on (~) E!Mnent łoioi'imiizad Een»nt Wt% At% oj( z.zz!.ł U.K U.Z3!>8.01 ZrL 0. 4!) 1).20 rek H.~J TOC! Etmtnt Netta. Bcgdnt.o. ' In!!. ~ PIB " OK 27.50,.. 'JJ :i :29!'eL ?.Wt!186.! ZrL :61 $ rek b~7.49 J.3.8i o.ss 4?.bJ. Rys.. Anaiza chemiczna wydzieeń fazy Fe:zAJ, po granicach ziaren osnowy stopu Fe-40%at.AI po odewaniu.

3 89 a) r-, - r- T -,- r -,- r, - 1, -,- T -,- r, -,- 1 -,- r -,- r, - r, -.- T -,- r, - r, ~: : :.:,~M_:~~~.:~J~_:_~ :,..~~~~:~: : ' -- --~.r~~~-;:....::~o. ',,,.....,,.,.,,,. r ~... J.:, ~, tt\:m.-..,...::.; ' '..:. ' 1,,.t., t 'W~ "" " r t -,- 1 -,- r -,- 1 t-,- i -,- r -,- 1 -, -,- 1 -,- 1 -, ,- 1 -,- 1 -,- r -, -,- 1 ł J ;. ;. f ' 1.1 ;'. ; t.f.-...ki ~fi,.'j\j.!\ 1._.',,)' ' ' ; 't'f'~ :;.'(.--:\'fł!:~~.:-~~~r- ~, -~~fł~!~ \ł{,,,.:.., t,,, ~, t,.::1 : r; ~,:i,,, ; v:,, ł L..J -L.1-1-J...J-L..J-L J.-'- L-'- L..J -'-J.-'- J.-'- L J_....1_1_.1_1_ L.1-L.J ł L J- L~-:-~ --+-%at AJ -'- -'-~.. L L J _~~ ~_ L~ _o _ iii 50~ ~ 40 'E ~ 30 c. iii N 'O 20 ::::>,, : 'III at Fe,,, :,,, : : 1,,, : 1,,, L..J- L J.-'- 1. -L. J _t_.1 _t_ J. L.J- L..J -'-J. L.J- L.J f ~ ~ t. ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ o o o o o o o o o o Odegłość od ewej strony ziarna [mm)..,.... ci... ci 8 ci 10 b) Linowy raziead petwiuków A i Fe w pnbce po wygr.zawaniu ~~-t--1-ł-~-1- -%at A ~- to ~... - ~ ~ ł- ~... - ~ 20 1 ł --.tor- %a Fe -~,-r~-r~4-r~-r~-~~ 10 ~, ~, - - ('f) CD ci r-t-,--r-r-,~r-r-,--r-r-,~'r-'~'-,-,--r-r-,--r-r-,~--r-r-,--r-r-,-,--r-~ o CD..,.... g on o o ci.ci ci ci ci ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ o o o o o ci o ci o o Odegłość od ewej strony ziarna [mm) Rys:2. Liniowy rozkład żeaza i auminium w przykładowych ziarnach próbek stopu Fo-40%at.A po odewaniu (a) i po wyżarzaniu (b).

4 90 FS: 6709 Lsec : ~1 ~ K Fe( f~ L i \./\. uo 7.80 EDAX ZAF O.uantHcaton.(Standardes$.) Eement Normaizad Eement Wt% At% A K 51;~ FeK Tota Eement.Netnte.... Bkgd.IDte.. Fe L JUK FeK nte..Error o.77 PB Rys.3. Anaiza chemiczna wydzieeń fazy FeAh w ziarnach osnowy ' stopu F~O%at. A po wyżarzaniu.

5 91 FS :4723 Lsec : ao Fe \,. - r-- - :. - - FeL ) \ AO SO A ILJ\ EOAX ZAF Quantifcaton (Standardess) Eement Nonnazed Eement Wt% AK 17.55!'eK Tota At% Eement Netnta. YeL 90.7-ł AK 275.8~ FeK Bkgdnta ; '8 łnta. Error!.37 o PIB ! Rys.4. Anaiza chemiczna wydzieeń fazy Ft::~A w ziarnach osnowy stopu Fe-40''/oat.AI po wyżarzaniu.

6 92 W ceu ujednoicenia składu chemiemego badanego materiału przeprowadzono wyżarzanie homogenizujące w temperaturze 1150 C w czasie 8 h w atmosferze argonu. Po takiej obróbce. ciepnej wiekość ziarna zwiększył a się do około 2 mm natomia5t skład cherniemy osnowy zbiżył się do składu stechiometrycmego, w porównaniu do stanu po odaniu (rys.2). Przeprowadzone wygrzewanie spowodowało rozpuszczenie fazy Fe 2 A 5, jednakże w niektórych ziarnach osnowy pojawiły się pojedyncze, dyskowe wydzieenia fazy FeA1 2 (rys.3). Wydzieenia tej fazy majdują się również w granicach ziaren. Oprócz wystepowania tych niekorzystnych-kruchych wydzieeń w ziarnach osnowy zaobserwowano występowanie drobnodyspersyjnych wydzieeń, które zidentyfikowano jako fazę Fe~ (rys.4). Przeprowadzony zabieg ciepny w widocmy sposób wpłynął na wartość mikrotwardości badanego stopu. Statystycme pomiary tego parametru (średnia ze stu pomiarów) przy obciążeniu 100G na powierzchni zgładu metaografiemego wykazały, iż w wyniku wygrzewania w temperaturze 50 C w czasie 8h nastąpił spadek średniej mikrotwardości z 320 HVO, do 266 HVO, (rys.5) ~0~ ~... o > :z: ~ ~ FeAI po odewaniu FeAI po wwrzewanu Rys.S. Wpływ obróbki ciepnej na średnią mikrotwardość próbek Fe-40%at. A Badania wytrzymałościowe Początkowo badania wytrzymałościowe panowano przeprowadzić jako statycmą próbę rozciągania próbek z materiału Fe-400/oat.A w temperaturach 20, 200, 300, 400, 500, 600 i 700 C w atmosferze powietrza i argonu, oraz porównać otrzymane wyniki z parametrami wytrzymałościowymi uzyskanymi podczas takiego samego testu przeprowadzonego na stopie ŻS6-K w atmosferze powietrza (tab.2) Jednakże próby obróbki skrawaniem stopu Fe-400/oat.A, w ceu wykonania próbek wytrzymałościowych do statycmej próby rozciągania nie powiodły się. Ze wzgedu na gruboziarnistą strukturę z wydzieeniami kruchej fazy FeA 2 po granicach ziaren oraz zjawisko kruchości wodorowej [ 5], materiał okazał się praktycznie nieskrawany Datego też koncepcja badań wytrzymałościowych uegła zmianie

7 93 i zamiast statycznych prób rozciągania przeprowadzono statycme próby ściskania w atmosferze powietrza i mgonu w temperaturach 20, 200, 300, 400, 500, 600 i 7(~fC. Badania przeprowadzono na uniwersanej maszynie -;;vytrzymałościowej INSTRON 850 Pus z wykorzystaniem oprogramowania INSTRON seria IX. zgodnie z normą PN-91/H-4314 na próbkach wacowych o średnicy 010 i wysokości h=30 mm. Szybkość przesuwu trawersy wynosiła mm/min. Przykładowe wykresy ściskan ia przedstawiono na rys.6. tabea 2. Zestawienie parametrów wytrzymałościowych w funkcji temperatury da stopu Ż S6- K temnpnhno, re] R... [MPa] Af%1 E [MPa] Ro.2 [MPaJ otoczenia 860 6, , , , , W wyniku przeprowadzonych prób wytrzymałościowych można stwierdzić, iż badany stop posiada bardzo wysoką wytrzymałość na ściskanie, dochodzącą do około 950 MPa w temperaturze otoczenia, niezaeżnie od środowiska, w któ)'i przeprowadzano próbę. Jednakże pastyczność jest bardzo niska, co potwierdziło wcześniejszy wynik prób skrawaności. Odkształcenie całkowite sięga około?0/o. Istotny wpływ na wartość uzyskiwanych wyników badań właściwości mechanicznych ma obróbka ciepna badanego materiału. Próbki, które były chłodzone z piecem po wygrzewaniu w 1150 C posiadają wytrzymałość rzędu 950 MPa, natomiast wartość tego parametru da próbek chłodzonych w oeju wynosi tyko około 200 MPa. Przyczyną takiego stanu jest wzrost naprężeń własnych powstałych w wyniku przesycania, co powoduje,.rozsypywanie się" próbki na pojedyncze ziarna podczas próby ściskania. Wraz ze wzrostem temperatuty, w której przeprowadzany był test obniża się wartość wytrzymałości z 950 MPa w temperaturze otoczenia do około 130 MPa w temperaturze 700 C. Odkształcenie całkowite jest praktycmie niezmienne w zakresie temperatur do 500 C i wynosi około?0/o. Jednocześnie na powierzchniach zewnętrmych próbek wyraźnie widoczne są pęknięcia międzykrystaiczne materiału. Dopiero testy przeprowadzone w temperaturach 600 oraz 700 C przyniosły efekt w postaci macmego wzrostu odkształcenia pastycznego, sięgającego 300/o. Ponadto w tych temperaturach nie obserwuje się pęknięć materiału tak wyraźnych w niższych temperaturach testu. Nieznaczny jest natomiast wpływ środowiska na wytrzymałość doraźną na ściskanie.. Różnica w wartościach tych parametrów da prób przeprowadzonych w atmosferze argonu i powietrza jest mikoma. Wyraźnie natomiast maeje, o około 30%, wartość modułu Younga da badań prowadzonych w ochronnej atmosferze argonu. Całkowite odkształcenie pastyczne w tym środowisku w temperaturach 600 oraz 700 oc wyraźnie wzrasta w porównanj._ z testami prowadzonymi w powietrzu (rys. 7).

8 94 eo.o!ici.d ~ SO.D ,0 ~.Dr<-r fo.d -1...; ~... D 1S.D ,0 s.o 1.0 Rys.6. Przykładowe wykresy uzyskane podczas prób ściskania stopu Fe-400/oat.A: a) temp. otoczenia, atm. powietrza, b) temp. otoczenia, atm. powietrza, próbka przesycana w oieju, c) temp 700 C, atm powietrza.

9 IVUV.!! c 900 i t i!. foo!! -J (.!! ~ 200 :E o o o o o o o o ", N N..,. co... Temperatura 95 ~~----r---~ , ~. :E ~ ~. ~ :; " ~ 5000 :: soooo r--<.._--& ~~ r~ ~--~ o o o o..,. g g... Temperatura Rys. 7. Wpływ temperatury i środowiska na zmianę parametrów wytrzymałościowych podczas prób ściskania

10 96 Podsumowanie Badany materiał na bazie fazy międzymetaicmc-j Fe-40%at.A posiadał gruboziarnistą struktw'ę, charakteyzującą się skłonnością do pękania międzykrystaicmego, co całkowicie uniemożiwiło obróbkę saawaniem tego stopu. Wydzieenia twardych i kruchych faz (Fe 2 A1 5 i FeA1 2 ) mimo dobrej wytrzymałości na ściskanie badanego stopu. porównywanej z wytrzymałością wysokiej jakości materiałów żarowytrzymałych. powodują. niezadowaającą pastycmość w temperaturze otoczenia. Jednakże macmy wzrost pastycmości w temperaturach z zakresu C umożiwia obróbkę pastycmą tych stopów. Naeży więc kontynuować badania nad rozdrobnieniem ziarna w tych tworzywach metaicmych (np. za pomocą prasowania wypływowego w podwyższonych temperaturach) co mogłoby doprowadzić do uzyskania zadowaających parametrów wytrzymałościowych. Literatura [1]. M.G.Mendiratta, S.K. Ehers, D.M.Dimiduk. W.RKerr, S.Madzyasn. H.A.Lipsit Universa Eneigy Systems, Inc. Dayton, )H ,.A review of recent deveopments in iron aumides". [2]. J.Bystrzycki, RA. Varin, Z.Bojar, Inżynieria Materiałowa, 5, 137 (1996) s.37. [3]. N.S.Stooff, C.C. Koch. C. T. Lin. O.Izumi, High Temperature Ordered Jntermetaics Aoys, V Proccedings of Materias Research Society Sympozium, Pittsbwg (1993), s.288. [4]. J.Bystrzycki, RA. Varin, The frictiona component in micro-hardness testing of intennetaics, Scripta Metawgica 29, 605 (1993). [5]. W.Mróz, S.Jóźwiak, Z.Bojar, J.Bystrzycki, A.Antonik, P.Norek, A.Prokopiuk, B.Mamyrin. D.Schmikk, S.Kiriov:" Anaysis of homogencity of eements distńbutions in the Fe-A intermetaics sampies anayzer of mass-refectron type with aser ionization of investigated materias", 7łł Internationa Conference on on Sources Taormina, tay, septernber 7-13, Praca została zreaizowana w ramach grantu KBN nr T08A03409 oraz 657/S5/94/07