"Odporność na zmęczenie cieplne żeliwa ADI"

Transkrypt

1 AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA im. Stanisława STASZICA WYDZIAŁ ODLEWNICTWA KATEDRA TWORZYW FORMIERSKICH, TECHNOLOGII FORMY I ODLEWNICTWA METALI NIEŻELAZNYCH Mgr inż. Janusz Wróbel "Odporność na zmęczenie cieplne żeliwa ADI" Rozprawa doktorska Promotor Dr hab. inż. Jerzy Zych prof. nadzw. Kraków 2013

2 Pragnę złożyć serdeczne podziękowania za pomoc merytoryczną i badawczą w realizacji niniejszej pracy Dr hab. inż. Jerzemu Zychowi prof. nadzw. Szczególne podziękowania kieruję również do Pracowników Pracowni Technologii Formy za wszelką udzieloną pomoc podczas realizacji badań. 2

3 Pracę dedykuję Rodzicom, którzy umożliwili mi wspaniały rozwój naukowy. 3

4 Spis treści A K A D E M I A G Ó R N I C Z O H U T N I C Z A W K R A K O W I E - Wprowadzenie Część teoretyczna Zastosowanie żeliwa ADI, w tym do pracy w warunkach zmęczenia cieplnego Żeliwo ADI Dobór żeliwa wyjściowego do wytworzenia ADI Wpływ podstawowych pierwiastków na strukturę i właściwości żeliwa wyjściowego oraz na przemianę izotermiczną...15 a) Wpływ zawartości węgla...16 b) Wpływ zawartości krzemu...17 c) Wpływ zawartości manganu...19 d) Wpływ zawartości fosforu...21 e) Wpływ zawartości siarki...21 f) Wpływ zawartości niklu...22 g) Wpływ zawartości molibdenu...23 h) Wpływ zawartości miedzi Wytworzenie sferoidalnego żeliwa wyjściowego...27 a) Sferoidyzacja...27 b) Modyfikacja...27 c) Rola szybkości stygnięcia (grubość ścianki) Obróbka cieplna w celu uzyskania ADI...29 a) Austenityzacja...31 b) Hartowanie i przemiana izotermiczna Typowe właściwości żeliwa ADI Zastosowanie żeliwa ADI na elementy części maszyn Wpływ Ni, Mo, Cu na odporność na zmęczenie cieplne żeliwa Zmęczenie materiału Terminologia i podział Zmęczenie cieplne stan zagadnień Wysoko i niskocyklowe zmęczenie żeliwa ADI Badania zmęczenia cieplnego metodą L. F. Coffina istota metody, charakterystyka Rozkład naprężeń w pojedynczym cyklu cieplnym Kryteria materiałowe ocena odporności na zmęczenie cieplne Podsumowanie części teoretycznej Cel pracy Teza pracy

5 2. Część badawcza Wprowadzenie koncepcja badań Przygotowanie żeliwa sferoidalnego (materiału wyjściowego) Wytworzenie żeliwa sferoidalnego EN-GJSNi1,5MoCu Sferoidyzacja, modyfikacja żeliwa, metoda Sandwich...76 a) Metoda Sandwich...76 b) Modyfikacja...76 c) Sferoidyzacja Właściwości otrzymanego żeliwa wyjściowego Badania ultradźwiękowe Badania właściwości mechanicznych Badania mikrostruktury...80 a) Wydzielenia grafitu...84 b) Osnowa metalowa...85 c) Oznaczenia struktury żeliwa w zapisie wg. normy Przygotowanie materiału do obróbki cieplnej Obróbka cieplna żeliwa wyjściowego EN-GJSNi1,5MoCu wytworzenie żeliwa ADI Oprzyrządowanie do obróbki cieplnej próbek Austenityzacja...88 a) Badania dylatometryczne...88 b) Przebieg obróbki cieplnej przygotowanego materiału Hartowanie izotermiczne Ocena wytworzonego żeliwa ADI Badania właściwości mechanicznych Badania struktury żeliwa ADI...94 a) Postać wydzieleń grafitu...94 b) Klasyfikacja osnowy metalowej żeliwa EN-GJS c) Klasyfikacja osnowy metalowej żeliwa EN-GJS Badania zmęczenia cieplnego Stanowisko do badania zmęczenia cieplnego Zmęczenie cieplne żeliwa EN-GJSNi1,5MoCu a) Rozkład temperatury b) Wyniki zmęczenia cieplnego c) Zmiany wytrzymałości d) Zmiany mikrostruktury e) Zmiany twardości Zmęczenie cieplne żeliwa ADI (EN-GJS-800-8)

6 a) Rozkład temperatury b) Wyniki zmęczenia cieplnego c) Zmiany wytrzymałości d) Zmiany mikrostruktury e) Zmiany twardości Zmęczenie cieplne żeliwa ADI (EN-GJS ) a) Rozkład temperatury b) Wyniki zmęczenia cieplnego c) Zmiany wytrzymałości d) Zmiany mikrostruktury e) Zmiany twardości Naprężenia i odkształcenia w procesie zmęczenia cieplnego żeliwa ADI Wpływ naprężeń cieplnych a) Zmiany wytrzymałości R m b) Zmiany twardości HB c) Naprężenia i odkształcenia w próbkach żeliwa ADI w procesie zmęczenia cieplnego Stabilność struktury żeliwa ADI w warunkach zmęczenia cieplnego Podsumowanie części badawczej Wnioski Literatura

7 Wprowadzenie Rozwój gospodarczy osiągany jest głównie przez rozwój przemysłu, a co za tym idzie, rozwój nowych materiałów i nowych technologii. Pozycję żeliwa ADI (Austempered Ductile Iron) w świecie kształtuje sytuacja w Stanach Zjednoczonych. Porównując ilość wyrobów z żeliwa ADI wytwarzanych przed kilkoma laty i aktualnie w USA, (ale i w świecie ogólnie), można zauważyć, iż następuje dynamiczny wzrost produkcji tego stosunkowo nowego materiału [1, 2, 3]. W Polsce sytuacja ma się podobnie [1, 2, 3]. Pomimo ciągle jeszcze umiarkowanego zainteresowania tym materiałem, a może nawet niewiedzy w zakresie jego właściwości i zastosowania, daje się jednak zauważyć rozwój technologii wytwarzania i zwiększanie produkcji wyrobów z tego obrabianego cieplnie żeliwa. Produkcja wzrasta, materiał ten jest stosowany w coraz większej liczbie wyrobów z różnych gałęzi przemysłu, gdzie zastępuje dotychczasowe, drogie w wytworzeniu wyroby ze staliwa lub stali. Coraz więcej konstruktorów i technologów uświadamia sobie jak dobre właściwości ma to niskostopowe żeliwo i jak jest ono łatwe do wytworzenia. W dobie kryzysu w światowej gospodarce jest to niezwykle ważne, ponieważ przy zachowaniu bardzo dobrych parametrów wytwarzanych wyrobów, żeliwo ADI pozwala ponadto znacznie obniżyć koszty produkcji. W okresie rozwoju nowych technologii i rozwoju żeliwa ADI ważne jest poszukiwanie dodatkowych obszarów zastosowania tego materiału. Bardzo dobre właściwości tego żeliwa sprawiają, że wiele ośrodków badawczych prowadzi aktualnie wielokierunkowe badania nad oceną jego zachowania w warunkach pracy dotychczas nietestowanych. We współczesnej technice coraz więcej elementów maszyn, urządzeń i konstrukcji pracuje w trudnych warunkach eksploatacyjnych. Wiele z nich poddawane jest działaniom szybko zmieniającej się temperatury i dynamicznie zmieniającym się naprężeniom. Zwiększanie ilości wytwarzanych elementów ze stopów metali nieżelaznych przyjmuje w wielu przypadkach charakter produkcji seryjnej lub wielkoseryjnej [4]. Jest to produkcja najczęściej dla motoryzacji, odlewy wykonywane są w technologii odlewania pod ciśnieniem, w formach metalowych. Matryce, formy metalowe są konstrukcjami, które eksploatuje się coraz bardziej intensywnie, co sprawia niekiedy, iż pracują one przy coraz wyższych temperaturach. Wytwarzanie form dla odlewnictwa ciśnieniowego jest zazwyczaj bardzo drogie, ponieważ pociąga ono za sobą konieczność stosowania drogich stali 7

8 stopowych, które w swoim składzie zawierają takie dodatki jak: Cr, Mo, V, Ni, itp., oraz bardzo często wymagają stosowania wielostopniowej obróbki cieplnej. Stosowanie dodatków stopowych oraz niekiedy złożona obróbka cieplna i cieplno-chemiczna maja na celu podwyższenie trwałości form metalowych, zwiększenie okresu ich eksploatacji. Badanie zmęczenia cieplnego żeliwa ADI jest próbą znalezienia odpowiedzi na pytanie, jak ten materiał zachowa się w warunkach cyklicznego, naprzemiennego nagrzewania i chłodzenia, jak zachowa się w warunkach zmęczenia cieplnego. Jest więc próbą oceny przydatności tego żeliwa do pracy w warunkach podwyższonej i zmieniającej się temperatury. Istnieją, mniej lub bardziej uzasadnione obawy, czy żeliwo ze struktura ausferrytyczną poddane cyklicznemu nagrzewaniu zachowa swoje dobre, wyjściowe właściwości, w tym wysoką twardość, wytrzymałość i dobrą plastyczność. Uzyskanie pozytywnych wyników oceny żeliwa ADI mogłoby stworzyć podstawy rozszerzenia obszarów jego stosowania, jako nowego materiału konstrukcyjnego, w tym np., jako materiału na elementy form ciśnieniowych i inne konstrukcje podobnie obciążane w czasie trudnych warunków eksploatacji. 8

9 Część teoretyczna 9

10 1.1. Zastosowanie żeliwa ADI, w tym do pracy w warunkach zmęczenia cieplnego Żeliwo ADI, jako innowacyjny materiał, znajduje coraz to szersze zastosowanie. Od lat wzrasta jego wykorzystanie w przemyśle. Klasycznym przykładem potencjalnego zastosowania tego materiału do pracy w warunkach zmęczenia cieplnego mogą być wymienne wkładki do odlewania kokilowego lub sama forma metalowa (rys. 1.1). Żeliwo z racji obecności w jego strukturze wydzieleń grafitu, będzie cechowało się dobrą samosmarownością. Odlewy wykonywane w formach żeliwnych prawdopodobnie rzadziej będą przywierać do powierzchni form i łatwiej będą z nich wypychane. Rys Forma metalowa z żeliwa ADI - EN-GJS [2] Z drugiej strony, wykorzystanie niskostopowego materiału o osnowie ausferrytycznej prawdopodobnie spowoduje wydłużenie pracy w warunkach zmęczenia cieplnego. Twardość i wytrzymałość w przypadku takiego żeliwa będzie również wysoka, co sprzyja podniesieniu żywotności całej konstrukcji. Jednak główną przesłanką stosowania żeliwa ADI są niższe koszty wykonania formy w stosunku do sytuacji, kiedy jest ona wykonywana z obrabianych cieplnie stali stopowych. Innymi przykładami zastosowania żeliwa ADI na konstrukcje cyklicznie nagrzewane są: formy szklarskie, klocki hamulcowe pociągów (rys. 1.2) oraz wały korbowe silników spalinowych (rys. 1.3) [2, 5 6]. Tak pracujące elementy z żeliwa ADI już są stosowane między innymi w Finlandii, w kraju w którym opatentowano ten materiał. 10

11 Rys Kolejowe klocki hamulcowe [6] Rys Wał korbowy sprężarki, ADI - EN-GJS [6] Jak podają autorzy publikacji [5], żeliwo ADI znajduje także zastosowanie, jako materiał na wiertła używane w kopalniach i szybach naftowych. Inne zastosowanie to walce do ciągarek drutu stosowane w Japonii czy w USA. Kolejne przykłady zastosowań to korpusy silników diesla do samochodów ciężarowych i traktorów oraz korpusy silników z doładowaniem, czy turbinowe do samochodów wyścigowych. Do wyrobów drążków sterowniczych, kół zębatych rozrządu także stosuje się żeliwo ADI [6]. Jeszcze inne zastosowanie tego tworzywa to kadzie żużlowe dla hutnictwa i odlewnictwa lub różnego rodzaju obudowy pomp [6]. Kadzie to typowe konstrukcje, które w swojej eksploatacji podlegają cyklicznemu nagrzewaniu. Wiele innych zastosowań żeliwa ADI jest obecnie w fazie doświadczalnej i w najbliższym czasie można spodziewać się zastąpienia tym żeliwem kolejnych elementów wykonywanych dotychczas ze staliwa bądź innych, mniej wytrzymałych cieplnie gatunków żeliwa. Przykładem jest maźnica do pojazdów szynowych w SKF Szwecja. Obecnie wykonywana z żeliwa ADI a poprzednio - ze stali lub żeliwa sferoidalnego. Obniżono jej masę o 25% i uproszczono kształt [6]. Innym, doświadczalnym przykładem zastosowania ADI jest próba wykonania z tego materiału stóp ogniw gąsienic do czołgów. Takie próby podejmuje w USA firma International Harvester [5]. W literaturze [6] można spotkać bardzo dużo przykładów zastosowań żeliwa ADI na konstrukcje stosowane w różnych gałęziach przemysłu i techniki. Dominują stosunkowo nieduże wyroby, które najczęściej są eksploatowane w warunkach wysokich i dynamicznych obciążeń, w wielu przykładach podlegającym silnemu tarciu (kiedy materiał powinien mieć dobre właściwości trybologiczne). 11

12 Z przeprowadzonej analizy wynika, iż bardzo niewiele jest przykładów zastosowań tego materiału na konstrukcje obciążane cieplnie, w sposób ciągły lub cykliczny. Jest to prawdopodobnie powodowane jeszcze stosunkowo słabym stanem wiedzy o zachowaniem się tego materiału w opisywanych warunkach eksploatacji. 12

13 1.2. Żeliwo ADI Dobór żeliwa wyjściowego do wytworzenia ADI Żeliwo ADI (Austempered Ductle Iron) powstaje w procesie odpowiednio przeprowadzonej obróbki cieplnej żeliwa sferoidalnego, które stanowi niejako materiał wyjściowy do produkcji tego gatunku żeliwa. ADI wytwarza się w drodze dwuetapowej obróbki cieplnej, która składa się z procesu austenityzacji i hartowania izotermicznego. Parametry hartowania izotermicznego (temperaturę i czas wytrzymywania) dobiera się w zależności od tego, jakie cechy chce się nadać żeliwu ADI: czy wysoką plastyczność i umiarkowaną wytrzymałość oraz twardość, czy też odwrotnie: niską plastyczność, ale wysoką twardość i wytrzymałość. Czas trwania procesu austenityzacji zależy od gabarytu elementu, głównie od grubości jego ścianek, a także od jego struktury metalograficznej, a ściślej od stosunku udziału perlitu do ferrytu [7]. Im więcej ferrytu tym proces austenityzacji jest dłuższy. Wytworzone żeliwo ADI posiada w strukturze metalograficznej kulkowy grafit oraz osnowę złożoną z rozgałęzionych płytek ferrytu oraz ausferrytu [7]. Przykłady struktur ausferrytycznych pokazano na rysunkach 1.4a,b 1.5a,b. Istotą i celem procesu obróbki cieplnej żeliwa sferoidalnego jest przebudowanie jego struktury wyjściowej, najczęściej z osnową perlityczną i uzyskanie żeliwa z osnową ausferrytu. Należy tak dobrać parametry obróbki cieplnej, aby uzyskać osnowę czysto ausferrytyczna, bez obecności w nim martenzytu, który wyraźnie obniża właściwości mechaniczne żeliwa. Na wszystkie elementy procesu, rodzaj uzyskiwanych struktur bardzo istotny wpływ wywiera skład chemiczny żeliwa wyjściowego (sferoidalnego). To skład chemiczny żeliwa sferoidalnego decyduje w dużej mierze o rodzaju i budowie kształtowanej struktury ausferrytucznej. Ta z kolei decyduje o uzyskiwanych właściwościach mechanicznych: twardości, wytrzymałości, plastyczności, itp.. Jedną z pierwszych i najważniejszych decyzji przy doborze żeliwa sferoidalnego, jako wyjściowego do wytworzenia ADI, jest określenie jego podstawowego składu chemicznego. Należy dobrać taki skład, aby możliwe było stosunkowo łatwe uzyskanie żeliwa z kulkową postacią grafitu (bez obecności innych jego postaci) i zalecaną, perlityczną osnową metalowa. 13

14 a) b) Rys Mikrostruktura żeliwa ADI - EN-GJS-800-8: pow. 100x, pow.500x - Trawione Nitalem a) b) Rys Mikrostruktura żeliwa ADI - EN-GJS : pow. 100x, pow.500x - Trawione Nitalem Najczęściej przy wytwarzaniu żeliwa wyjściowego do produkcji ADI stosuje się niewielkie dodatki Ni, Mo, Cu i niekiedy Cr. Występują one w różnych kombinacjach i przy różnych udziałach procentowych. W tym niskostopowym żeliwie wyjściowym molibden jest tym pierwiastkiem, który występuję praktycznie zawsze, w każdym składzie wyjściowym. Inna jest sytuacja z dodatkiem chromu, który jest zdecydowanie rzadziej dodawany do żeliwa wyjściowego, z którego w dalszej obróbce wytwarza się żeliwo ADI. Z drugiej jednak strony obecność tych pierwiastków, ich zawartość nie powinna sprzyjać tworzeniu się węglików czy sprzyjać zwiększaniu skłonności do powstawania wad odlewniczych [5]. Z żeliwa sferoidalnego słabej jakości, trudno uzyskać żeliwo ADI o dobrych czy bardzo dobrych końcowych parametrach. Pierwiastki stopowe wchodzące w składzie chemicznym żeliwa wyjściowego należy wiec tak dobrać, aby ich zawartość pozwoliła, po obróbce cieplnej, uzyskać odpowiednią mikrostrukturę i właściwości wytrzymałościowe. Rola wymienionych pierwiastków została opisana w rozdziale

15 Wpływ podstawowych pierwiastków na strukturę i właściwości żeliwa wyjściowego oraz na przemianę izotermiczną Wpływ poszczególnych pierwiastków na właściwości żeliwa ADI i przebieg przemiany izotermicznej jest bardzo zróżnicowany. Zawartość procentowa danego pierwiastka wywiera określony wpływ na trwanie przebiegu procesu hartowania izotermicznego, wartości temperatury przemiany oraz często decyduje o stopieniu segregacji danego pierwiastka. Opisane uwarunkowania pokazują, jak bardzo złożony jest proces obróbki cieplnej żeliwa i jak ważna rolę mogą odgrywać poszczególne pierwiastki. W zależności od składu chemicznego żeliwo ogólnie dzielimy na stopowe i niestopowe. W tym drugim przypadku wpływ pierwiastków podstawowych jest mniej złożony, ponieważ główny wpływ wywierają jedynie pierwiastki podstawowe: węgiel, krzem i ewentualnie mangan. W przypadku żeliwa stopowego, które celowo zawiera w swoim składzie takie pierwiastki jak: nikiel, molibden czy miedź odgrywające ważną rolę w procesie hartowania, wpływ pierwiastków jest dużo większy i bardziej złożony. Wszystkie wymienione stopowe pierwiastki dodaje się w celu polepszenia właściwości mechanicznych żeliwa oraz w celu zwiększenia trwałości przechłodzonego austenitu w zakresie przemiany perlitycznej. Wprowadzone razem lub osobno powodują zwiększenie hartowności, a przez to zwiększają wymiar krytyczny (grubość) hartowanego elementu [5]. W znaczący sposób wpływają także na właściwości mechaniczne żeliwa podnosząc je (rys. 1.6). Porównując z żeliwem bez dodatków stopowych można stwierdzić, że wzrost właściwości jest znaczący. Rys Wpływ temperatury przemiany izotermicznej na właściwości mechaniczne żeliwa ADI na przykładzie żeliwa badanego w Hucie Małapanew [8] 15

16 a) Wpływ zawartości węgla Węgiel jest pierwiastkiem o największym udziale (poza Fe) w składzie podstawowym żeliwa sferoidalnego niestopowego. Zazwyczaj jego zawartość mieści się w przedziale od 3,0 4,0%, przy czym górna granica odnosi się do odlewów cienkościennych. Najbardziej korzystna zawartość mieści się w przedziale od 3,6 do 3,8%. Wraz ze zwiększeniem zawartości węgla poprawia się jego lejność oraz wzrasta ilość sferoidalnych wydzieleń grafitu. Węgiel, występujący w postaci kulek grafitowych ma raczej niewielki wpływ na właściwości mechaniczne żeliwa sferoidalnego (rys. 1.7). Na zwiększenie o każde 0,1% węgla zmniejsza się wytrzymałość o około 25 MPa, i jest to bardziej skutek przebudowy osnowy w kierunku ferrytycznej niż zmian ilości lub wielkości wydzieleń grafitu. Spadek umownej granicy plastyczności jest nieco większy [9 10]. Ze wzrostem zawartości węgla zwiększa się wydłużenie i udarność. Maleje jednak twardość żeliwa, zmniejsza się ona o 5 jednostek HB na każde 0,1% zawartości procentowej węgla [9 10]. Wpływ węgla bardzo uwidacznia się podczas obróbki cieplnej i decyduje o przemianie austenitu w bainit. Podczas przemiany izotermicznej węgiel jest tym pierwiastkiem, który najefektywniej oddziałuje na kinetykę przemiany i bierze udział w kształtowaniu struktury żeliwa. Zwiększona zawartość węgla w austenicie żeliwa sprzyja opóźnieniu zarodkowania ferrytu bainitycznego i stabilizuje austenit [11]. Rys Wpływ zawartości węgla na właściwości wytrzymałościowe żeliwa sferoidalnego (1-żeliwo perlityczno-ferrytyczne, 2-żeliwo ferrytyczne) [9] 16

17 b) Wpływ zawartości krzemu Krzem sprzyja powstaniu struktury szarej (bez zabieleń) w odlewach w stanie po odlaniu. Sprzyja on grafityzacji i prowadzi do zwiększenia dyspersji wydzieleni grafitu. W ilości do 4% wyjątkowo korzystnie wpływa na wytrzymałość i wydłużenie żeliwa sferoidalnego w stanie bez obróbki cieplnej (w surowych odlewach) [12 13]. Krzem jest odtleniaczem i grafityzatorem. Zmniejsza wymiary komórek eutektycznych i zwiększa liczbę wydzieleń grafitu sferoidalnego. Krzem, umacniając ferryt, zwiększa również twardość żeliwa w szczególności po wyżarzaniu grafityzującym. W sferoidalnym żeliwie ferrytycznym zwiększenie zawartości krzemu o 1% prowadzi do zwiększenia wytrzymałości na rozciąganie o 70 MPa, a granicy plastyczności - o około 110 MPa. Zmniejsza się jednak wydłużenie o około 3% i twardość o około 30 HB [10]. W stanie odlanym, bez obróbki cieplnej, ze wzrostem zawartości krzemu zmniejsza się granica plastyczności, wytrzymałość na rozciąganie i twardość (rys. 1.8). Minimalne wartości wskaźników wytrzymałościowych występują przy zawartości 3% Si. Zwiększanie zawartości krzemu powoduje nasilenie tych zjawisk. Odwrotnie jest z wydłużeniem i przewężeniem. Ze wzrostem ilości krzemu te właściwości plastyczne także rosną, ale tylko do zawartości ~3% Si. Po przekroczeniu 3% Si właściwości plastyczne żeliwa znacznie maleją. Dalszy wzrost zawartości krzemu podwyższa kruchość żeliwa oraz prowadzi do zmniejszenia przewodności cieplnej (rys. 1.10) [12 13]. Rys Wpływ krzemu na właściwości mechaniczne żeliwa sferoidalnego (1-żeliwo perlityczno-ferrytyczne, 2-żeliwo ferrytyczne) [9] 17

18 Wraz ze wzrostem zawartości krzemu maleje także udarność (rys. 1.9). Zniszczenie (pękanie) próbek w próbie udarności występuje wtedy przy mniejszej energii uderzenia. Krzem w żeliwie poddanym obróbce cieplnej nie bierze bezpośredniego udziału w przemianie bainitycznej, lecz oddziałuje na jej kinetykę i mechanizm. Autorzy [14] uważają, że krzem wpływa na zarodkowanie ferrytu bainitycznego w żeliwie sferoidalnym. Zwiększa on aktywność węgla ale zmniejsza energię swobodną przy przemianie fazy α, co z kolei wpływa na wzrost rozmiarów krytycznego zarodka nowo powstałej fazy. Im więcej krzemu tym większa szansa, że zarodkowanie ferrytu bainitycznego będzie wymagało mniejszej energii swobodnej [5, 11]. Rys Wpływ zawartość Si na udarność żeliwa sferoidalnego [13] Rys Wpływ zawartości Si na przewodność cieplną żeliwa sferoidalnego [13] 18

19 Zwiększenie zawartości krzemu podnosi temperaturę austenityzacji, obniża rozpuszczalność węgla w austenicie oraz przyspiesza jego dyfuzję w austenicie. Krzem powoduje także przyśpieszenie zarodkowanie ferrytu wpływając na przemieszczanie się krzywej inkubacji ausferrytu [15]. Wysoka zawartość krzemu prowadzi do przemiany izotermicznej w dwóch oddzielnych od siebie etapach. Pierwsze stadium prowadzi do powstania struktury bez udziału węglików i odznacza się dobrą plastycznością. W drugim powstała struktura zawiera węgliki i pogarsza wymienione wcześniej właściwości [15]. c) Wpływ zawartości manganu Mangan rozpuszcza się w roztworze stałym żelaza praktycznie bez ograniczeń. W stanie stałym tworzy z cementytem węgliki złożone. Odwrotnie do krzemu, mangan obniża temperaturę przemiany eutektoidalnej sprzyjając powstawaniu osnowy martenzytycznej i asutenitycznej. Z kolei obecność martenzytu w żeliwie bainitycznym zmniejsza wytrzymałość zmęczeniową i udarność żeliwa. Mangan, dzięki swojej obecności w żeliwie, podnosi jego twardość (rys. 1.11). Jego wpływ jest opisany jako pośredni pomiędzy wpływem niklu i molibdenu. Zawartość w żeliwie ferrytycznym w stanie lanym nie powinna przekraczać 0,2%. Dla gatunków perlitycznych zawartość dopuszcza się do poziomu 0,6%. Mangan silnie stabilizuje perlit i zwiększa hartowność żeliwa [9 10]. Ze względu na sprzyjanie tworzeniu węglików zawartość manganu w żeliwach ferrytycznych należy ograniczać do minimum. Zawartość manganu zależy od ilości krzemu oraz od masywności odlewów [12 13]. W odlewach do 12 mm grubości ścianki można przeciwdziałać tworzeniu się węglików podnosząc zawartości krzemu. W takich przypadkach wzrost krzemu z 2,5 do 3,0% ogranicza negatywne skutki ewentualnego podniesienie zawartości manganu z około 0,20 do 0,25% [12 13]. W grubszych odlewach jest to niemożliwe ze względu na zjawisko segregacji manganu. Ze względu na silny wpływ manganu na trwałość austenitu, skłonność do tworzenia węglików oraz znaczną segregację, może on mieć zarówno korzystny jak i niekorzystny wpływ na właściwości żeliwa po obróbce cieplnej. Mangan opóźnia przemianę izotermiczną zarówno w pierwszym jak i drugim etapie sprzyjając powstawaniu niejednorodności mikrostruktury żeliwa ADI. Z powodu mikrosegregacji na granicach ziaren, mangan sprzyja tworzeniu martenzytu w tych obszarach. Dłuższe czasy wygrzewania pozwala ograniczyć ten 19

20 niekorzystny efekt. Duża zawartość manganu na granicach ziaren powoduje opóźnienie przemiany i obecność resztek niestabilnego austenitu [5]. Rys Wpływ zawartości manganu na właściwości mechaniczne żeliwa sferoidalnego (1-żeliwo perlityczno-ferrytyczne, 2-żeliwo ferrytyczne) [9] Rys Wpływ czasu przemiany izotermicznej na udział nieprzemienionego austenitu w osnowie żeliwa sferoidalnego z manganem o różnej zawartości [11] Mangan wykazuje odwrotny wpływ niż krzem na proces zarodkowania i wzrostu ferrytu. Opóźnia on zarodkowanie ferrytu i przesuwa krzywą inkubacji w drugą stronę. Spowalnia także dyfuzje węgla w austenicie. W obszarach, gdzie stężenie manganu jest większe przy jednoczesnej większej zawartości węgla, skłonność i dynamika przemiany izotermicznej będzie mniejsza i mogą w tych miejscach utworzyć się obszary ze strukturą austenityczno - martenzytyczną (rys. 1.12) [15]. Ze względu na hamowanie przemiany przechłodzonego austenitu, zawartości manganu w żeliwie ADI powinny być jak najmniejsze [11]. 20

21 d) Wpływ zawartości fosforu Fosfor jest w żeliwie sferoidalnym pierwiastkiem szczególnie szkodliwym. Podczas krzepnięcia segreguje na granicach ziaren, gdzie tworzy eutektyki fosforowe. Segregacja jest tym większa im grubsze są ścianki odlewu. Fosfor drastycznie obniża wydłużenie, udarność i odporność na kruche pękanie. Sprzyja za to powstawaniu perlitu. Powoduje wzrost umownej granicy plastyczności i twardości a także, do zawartości 0,1% P, podnosi wytrzymałości na rozciąganie dzięki stabilizującemu działaniu na cementyt eutektoidalny (rys. 1.13). Aby uzyskać strukturę ferrytyczną w stanie lanym zaleca się utrzymanie fosforu do 0,05% [10]. Zwiększenie zawartości fosforu do 0,06% i wyżej może zmniejszyć wydłużenie niemal o połowę. W wyniku zwiększenia zawartości fosforu może także wzrosnąć porowatość odlewów. Z powodu szkodliwego działania fosforu zaleca się stosowanie materiałów wsadowych o niskiej zawartości tego składnika. Dla uzyskania wysokiej plastyczności zaleca się utrzymanie zawartości fosforu do 0,03% i krzemu na poziomie 2,5% [12 13]. Rys Wpływ fosforu na właściwości wytrzymałościowe żeliwa sferoidalnego [9] e) Wpływ zawartości siarki Siarka jest przyczyną pęknięć na gorąco. Tworzy także niskotopliwą eutektykę i wyraźnie zmniejsza wytrzymałość w podwyższonej temperaturze [16]. Zaleca się, aby zawartość siarki w żeliwie przed sferoidyzacją była nie większa niż 0,02%. Siarka, poprzez łączenie się z magnezem, a także pierwiastkami ziem rzadkich, ogranicza skuteczność działania procesu sferoidyzacji. Siarka zwiększa napięcie powierzchniowe w żeliwie, czym 21

22 tłumaczy się jej niekorzystny wpływ na powstawanie grafitu sferoidalnego [17]. Wpływ tych niskich zawartości siarki na właściwości mechaniczne żeliwa jest trudny do określenia [9]. f) Wpływ zawartości niklu Nikiel umacnia ferryt, zapobiega wydzielaniu się węglików, a także sprzyja powstawaniu perlitu o dużej dyspersji i stabilizuje go. Pierwiastek ten rozpuszcza się w ciekłym żeliwie bez ograniczeń. Powoduje korzystne zjawisko podczas krzepnięcia sprzyjając grafityzacji. Nikiel ma bardzo podobne działanie do miedzi. Wykazuje skłonność do mikrosegregacji odwrotnej. Zwiększa on trwałość austenitu w zakresie przemiany perlitycznej i bainitycznej [11]. Wraz ze wzrostem zawartości niklu pojawia się tendencja do tworzenia w żeliwie osnowy bainitycznej lub martenzytycznej. Jest to szczególnie wyraźne przy jednoczesnej obecności w stopie molibdenu. Dodatek niklu w ilości 1% zwiększa wytrzymałość i umowną granicę plastyczności żeliwa sferoidalnego o około 100 MPa (rys. 1.14). Obniża jednak wydłużenie, ale tylko o 1 2%. Przy dodatku niklu rzędu 3% można uzyskać wytrzymałość w granicach 800 MPa przy wydłużeniu wynoszącym 3%. Nikiel zwiększając liczbę komórek eutektycznych oraz, poprzez umacnianie ferryty i perlitu, wpływa korzystnie na właściwości mechaniczne i plastyczne odlanego żeliwa. Podniesienie zawartości niklu zwiększa także hartowność żeliwa [10]. Nikiel prawie zawsze występuje w żeliwie ADI w połączeniu z molibdenem [12 13]. Rys Wpływ zawartości niklu na właściwości żeliwa sferoidalnego (1-żeliwo perlityczno-ferrytyczne, 2-żeliwo ferrytyczne) [9] 22

23 Nikiel wraz z molibdenem i miedzią należą do pierwiastków zwiększających hartowność. Nie bierze on udziału w tworzeniu wydzieleni węglikowych [11]. Autor pracy [18] uważa, że nikiel może działać podobnie do miedzi opóźniając powstawanie węglików w osnowie w zakresie niższej temperatury przemiany izotermicznej. Nikiel zmniejsza zawartość węgla w austenicie o około 0,05% na 1% Ni. S. Dymski [11] podaje, że przy zwiększeniu zawartości niklu, istnieje możliwość tworzenia się w żeliwie bainitu lub martenzytu przy powiększaniu grubości ścianki odlewów, zwłaszcza w obecności molibdenu (rys. 1.15). Rys Wpływ niklu i grubości ścianki na mikrostrukturę żeliwa w stanie surowym [5] g) Wpływ zawartości molibdenu Nadmiar molibdenu w żeliwie sprzyja tworzeniu się węglików międzykomórkowych. Występuje w stopach zazwyczaj razem z niklem. Dodatki molibdenu podnoszą hartowność żeliwa [10]. Molibden poprawia właściwości mechaniczne żeliwa w wysokiej temperaturze. Głównie wytrzymałość i plastyczność oraz odporność na pełzanie (rys. 1.16). Wpływa korzystnie na odporność na zmęczenie cieplne [16]. Molibden jest pierwiastkiem perlitotwórczym i ma skłonność do segregacji [12 13]. Intensywnie wpływa na wytrzymałości i twardość żeliwa po hartowaniu izotermicznym podnosząc je [7]. Wpływ molibdenu zaznacza się wyraźnie przy niskiej zawartości węgla. Powiększa on w dużym stopniu udarność i plastyczność żeliwa (rys. 1.16). Szczególne polepszenie szeregu właściwości mechanicznych można uzyskać stosując jednocześnie molibden i chrom. Zwiększa się jednak wówczas ryzyko wystąpienia zabieleń [19]. 23

24 Rys Wpływ molibdenu na właściwości mechaniczne żeliwa [20] Najistotniejsze z punktu widzenia zmęczenia cieplnego jest oddziaływanie molibdenu w podwyższonych temperaturach. Zwiększa on granice plastyczności zarówno przy ściskaniu jak i rozciąganiu żeliwa w wysokiej temperaturze oraz granicę pełzania. Temu oddziaływaniu przypisane jest zwiększanie odporności żeliwa na zmęczenie cieplne. Wprowadzenie molibdenu do żeliwa w ilości do 1% podnosi jego odporność zmęczeniową niezależnie od postaci grafitu żeliwa [16]. Najsilniejszy wpływ na przemianę przechłodzonego austenitu ma molibden lub jego kombinacja z niklem i miedzią. Zawartość molibdenu zwykle nie przekracza 0,3% ze względu na bardzo silną skłonność do segregacji oraz do tworzenia węglików na granicach komórek eutektycznych [5]. Molibden zwiększa trwałość austenitu podczas przemiany w zakresie górnego bainitu. Dodatki molibdenu obniżają temperaturę austenityzacji, zmniejszają rozpuszczalność węgla w austenicie, a także opóźniają przemianę ausferrytyczną (rys. 1.17) [15]. W żeliwie ADI molibden występuje zazwyczaj łącznie z niklem i miedzią. Przyjmuje się, że 1,5% miedzi równoważy 0,3% molibdenu [94]. Wprowadzenie do żeliwa molibdenu w ilości 0,5 0,6% przy zawartości manganu 0,15% nie opóźnia przemiany bainitycznej. Mimo rosnącej zawartości molibdenu w żeliwie udział nieprzemienionego austenitu w jego osnowie pod wpływem przedłużania czasu wygrzewania jest zauważalny, lecz zmiany te nie 24

25 są tak znaczne jak w przypadku manganu [11]. Dodanie molibdenu do żeliwa podnosi także jego hartowność [5]. Rys Wpływ czasu przemiany izotermicznej na udział nieprzemienionego austenitu w osnowie żeliwa sferoidalnego z molibdenem i manganem o różnym stężeniu [11] h) Wpływ zawartości miedzi Miedź wykazuje skłonność do mikrosegregacji odwrotnej podczas krzepnięcia żeliwa [15]. Jest pierwiastkiem podnoszącym hartowność osnowy perlitycznej. Miedź sprzyja grafityzacji żeliwa zwiększając liczbę komórek autektycznych i wydzieleń grafitu. Zmniejsza także udział ferrytu w żeliwie i bardzo silnie stabilizuje perlit zwiększając przez to wytrzymałość i twardość. Dodatek około 1% Cu do żeliwa podnosi jego wytrzymałość na rozciąganie o około 40% [20]. Dodatek miedzi obniża wydłużenie (rys. 1.18). Miedź powoduje wydłużenie czasu wyżarzania, szczególnie przy niskich zawartościach krzemu. Zmniejsza także odporność na uderzenia i podwyższa temperaturę, w której żeliwo przechodzi w stan kruchy. W gatunkach perlitycznych miedź stosuje się przeważnie w zakresie 0,3 do 0,8%. W żeliwie ferrytycznymw stanie lanym zawartość miedzi nie może przekroczyć progu 0,03% [10]. Przy zawartości miedzi w ilości powyżej 2% wzrost właściwości mechanicznych staje się pomijalnie mały. Zawartość 2% jest także granicą rozpuszczalności tego pierwiastka w stanie ciekłym [12 13]. Dodatek miedzi w ilości 0,8 1,2% zwiększa odporność na utlenianie, zmniejsza skłonność do pęcznienia i podnosi przewodność cieplną. Niestety dodatki miedzi nie podnoszą odporności na działanie temperatury i nie 25

26 przeciwdziałają rozpadowi perlitycznej osnowy metalowej w cyklicznie nagrzewanym żeliwie [16]. Rys Wpływ zawartości miedzi na właściwości mechaniczne żeliwa sferoidalnego [9] Miedź wpływa na zmniejszenie szybkości przemiany austenitu i hamuje proces jego rozpadu w II etapie przemiany wydłużając proces inkubacji [5]. Zmienia ona w żeliwie sferoidalnym przebieg przemiany perlitycznej i bainitycznej. W bainitycznej, zwiększając okres trwałości austenitu, powoduje, iż proces jego rozpadu przebiega z małą szybkością. Przedłużenie czasu wytrzymania powoduje rozpad wzbogaconego węglem roztworu γ. Miedź wpływa także na hartowność, ale w stopniu mniejszym od molibdenu [11]. Miedź, ze względu na segregację odwrotną, jest wykorzystywana do zapobiegania tworzeniu się struktur austenityczno - martenzytycznych. Z punktu widzenia wpływu pierwiastków stopowych na stabilność termiczną ausferrytu, skład żeliwa miedziowo-niklowego 0,5% Cu, 1,5% Ni wydaje się optymalny [21]. Wzrost jej zawartości w żeliwie sferoidalnym przyczynia się do większej twardości żeliwa, i do spadku wydłużenia. Zawartość większa niż 1,50% Cu obniża także wytrzymałość R m, co jest skutkiem częściowej desferoidyzacji grafitu [22]. 26

27 Wytworzenie sferoidalnego żeliwa wyjściowego Jako wyjściowe żeliwo do uzyskania ADI stosuje się żeliwo sferoidalne niskostopowe z niewielkimi dodatkami takich pierwiastków jak: Mn, Cu, Mo, Ni, Cr, czy też Sn. Wytworzone żeliwo posiada osnowę perlityczna lub perlityczno-ferrytyczna. Do sferoidyzacji stosuje się najczęściej magnez wprowadzany do ciekłego metalu w postaci zaprawy FeSiMg. Jako pierwiastki wspomagające sferoidyzację stosuje się: bar, wapń, stront, itr, lantan oraz cer. Zawartość łączna pierwiastków wspomagających w połączeniu z magnezem nie powinna przekraczać 0.06% [15]. Z racji, że wytworzone żeliwo powinno mieć jak najmniejszą liczbę wtrąceń niemetalicznych, zaleca się jego wytwarzanie w piecach indukcyjnych lub łukowych. modyfikacja. Podstawowymi zabiegami przy wytwarzaniu żeliwa sferoidalnego są: sferoidyzacja i a) Sferoidyzacja Sferoidyzacja pozwala na wytworzenie w osnowie metalowej grafitu o stopniu sferoidyzacji powyżej 85%. Jest to uzyskiwane poprzez wprowadzenie do ciekłego metalu dodatków sferoidyzujących, najczęściej w postaci magnezu lub jego stopów, rzadziej w postaci dodatków pierwiastków ziem rzadkich. W przypadku przetrzymywania ciekłego żeliwa (po wprowadzeniu magnezu) w piecu lub kadzi przez dłuższy czas występuje zjawisko zaniku efekty sferoidyzacji. Jest to spowodowane utlenianiem się i parowaniem magnezu, który ma silne powinowactwo do tlenu. Najczęściej stosowane metody sferoidyzacji, to: technika na dno kadzi, metoda Sandwich, Tandish, Inmold oraz PE - za pomocą przewodu elastycznego. b) Modyfikacja Modyfikacja ma na celu zwiększenie zdolności żeliwa do grafityzacji. Zabieg modyfikacji polega na wprowadzeniu do ciekłego żeliwa niewielkich ilości dodatków zwanych modyfikatorami opartych głównie na bazie żelazokrzemu FeSi. Modyfikacja pozwala w głównej mierze na uzyskaniu podobnej wielkości grafitu w całej objętości metalu. Zwiększa także liczbę aktywnych zarodków grafitu i zmniejsza niejednorodność struktury odlewu spowodowaną segregacjami składników odlewanego stopu. Modyfikatory wpływają na zwiększenie ilości i zmniejszenie wymiarów krystalizujących faz w żeliwie, co przyczynia się do polepszenia właściwości stopu. Najbardziej rozpowszechnione metody modyfikacji to: 27

28 modyfikacja w kadzi, na strugę, przy użyciu przewodu elastycznego, w zbiorniku wlewowym czy w układzie wlewowym. Należy zaznaczyć, że efekt modyfikacji nie jest trwały. Z czasem on zanika (rys. 1.19). W miarę upływu czasu zmniejsza się ilość wydzieleń grafitu i zaczyna się pojawić w coraz większym stopniu w strukturze osnowy cementyt [23]. Takie odlewy mają zabielenia na powierzchni zewnętrznej, a w środku wykazują nieprawidłową postać grafitu. W publikacji [23] autor podaje, że czas od modyfikacji do zalania form powinien wynosić do 5 minut. Jeśli jest dłuższy należy stosować modyfikację dodatkową. Najczęściej jest stosowana przy użyciu zaprawy z barem. Zaprawa wprowadzana jest na strugę metalu podczas zalewania. Stosuje się także od razu do modyfikacji w kadzi zaprawą z dodatkiem baru, aby wydłużyć czas modyfikowania. Rys Wpływ czasu od momentu modyfikacji na liczba sferoidów w żeliwie [12] c) Rola szybkości stygnięcia (grubość ścianki) Żeliwo wyjściowe do wytworzenia ADI powinno charakteryzować się osnową perlityczną lub perlityczno-ferrytyczną. Wiąże się to koniecznością wytopienia żeliwa o specjalnie dobranym składzie chemicznym, który pozwoli na uzyskanie odpowiedniej struktury i osiągnięcie założonych właściwych żeliwa ADI. Jak podaje autor publikacji [8] bardzo ważny i istotny wpływ na wybór składu chemicznego żeliwa wyjściowego ma grubość ścianek odlewu. Autor wiąże równoważnik eutektyczny węgla z grubością ścianki. Określając zakres równoważnika CE definiuje tym samym skład chemiczny żeliwa i zawartość głównych pierwiastków: węgla i krzemu. Główny wniosek z jego badań jest taki, że odlewy o 28

29 grubości ścianki powyżej 100 mm powinny charakteryzować się niższą zawartością węgla w składzie chemicznym. Autor podaje ponadto, iż podczas krzepnięcia z ciekłego metalu najpierw wydziela się grafit, który ma tendencje do flotacji (rys. 1.20). Skłonność ta nasila się ze wzrostem CE. Przy cieńszych ściankach odlewów, ze względu na szybsze krzepnięcie, równoważnik CE może mieć nieco wyższe wartości [12, 19]. Rys Wpływ węgla i krzemu na równoważnik eutektyczny [7, 12] Równoważnik eutektyczny węgla Równoważnik eutektyczny węgla zwany także wprost równoważnikiem węgla lub węglowym wyraża się wzorem [19, 24]: CE= 2,08 + (1.1) gdzie: - wartość współczynnika odczytana z tabel z publikacji [19, 24] stężenie danego pierwiastka w % wagowych Obróbka cieplna w celu uzyskania ADI Obróbka cieplna żeliwa wyjściowego prowadzona w celu uzyskania żeliwa ADI jest jedną z najważniejszych operacji. Dwa podstawowe elementy obróbki cieplnej to: austenityzacja i hartowanie izotermiczne. Charakterystyczne temperatury obróbki cieplnej są 29

30 bardzo ważne, ponieważ decydują o budowie strukturalnej żeliwa po obróbce, a co za tym idzie decydują o jego właściwościach fizycznych i mechanicznych. Obróbka cieplna żeliwa ADI jest wieloetapowa i można ją podzielić na następujące etapy (rys. 1.21): włączenie pieca i nagrzewanie do temperatury austenityzacji (AB) austenityzacja (wytrzymanie przez określony czas) (BC) przeniesienie odlewów do wanny hartowniczej (CD) hartowanie izotermiczne (wytrzymanie przez określony czas) (DG) obmywanie z soli i chłodzenie do temperatury otoczenia (GH) [6, 15, 25]. Rys Schemat etapów obróbki cieplnej w celu uzyskania żeliwa ADI [5, 15, 25] Nagrzewanie do temperatury austenityzacji zawsze rozpoczyna proces obróbki cieplnej. Proces ten prowadzi się, zależnie od składu chemicznego żeliwa sferoidalnego, w temperaturze z zakresu C [5]. Wytrzymanie odlewów odbywa się w takim samym zakresie temperatury. Powoduje ono wyrównanie temperatury w całej objętości odlewu oraz przebudowę składników mikrostruktury żeliwa wyjściowego takich jak perlit czy ferryt, uzyskanie struktury austenitu. Przeniesienie nagrzanych odlewów z pieca do wanny hartowniczej jest bardzo istotne ze względu na szybkość tej operacji. W literaturze nazywany jest ten etap chłodzeniem do temperatury wygrzewania izotermicznego. Jeżeli proces byłby powolny spowodowałoby to pojawienie się w osnowie żeliwa perlitu lub martenzytu, 30

31 składników niepożądanych dla tego gatunku żeliwa. Wygrzewanie izotermiczne czy też hartowanie izotermiczne ma na celu wytworzenie odpowiedniego rodzaju ausferrytu w osnowie żeliwa. Przeprowadzane jest zwykle w zakresie temperatury C, najczęściej w kąpieli solnej. Następnie odlew jest obmywany z solanki z procesu hartowania i następnie studzony na powietrzu. Ostatni etap to chłodzenie do temperatury otoczenia. a) Austenityzacja Austenityzowanie jest zabiegiem poprzedzającym hartowanie izotermiczne. Przebiega ona zazwyczaj w temperaturze o około C wyższej od temperatury Ac 1-2 [15]. W warunkach rzeczywistych odbywa się przeważnie w temperaturze z zakresu C [5]. Autorzy innych prac podają również inne wartości dolnej granicy zakresu temperatury. Waha się ona pomiędzy C [11]. Temperatura austenityzacji jest niezwykle ważna ze względu na przemiany zachodzące w żeliwie, a co za tym idzie otrzymanie różnego rodzaju osnowy. Wpływa ona także na kinetykę przemiany izotermicznej, która następuje po procesie austenityzacji. Przemiana osnowy żeliwa rozpoczyna się już w czasie nagrzewania i jest kontynuowana podczas wytrzymania stopu w zadanej temperaturze. Przemiana ta może przebiegać z różną szybkością, która jest zależna od mikrostruktury żeliwa wyjściowego, głównie od rodzaju (budowy) osnowy metalowej. W przypadku żeliwa z osnową czysto perlityczną tworzenie się austenitu można podzielić na następujące etapy: Podczas nagrzewania odlewu na granicach komórek eutektycznych w perlicie powstaje austenit na granicy międzyfazowej cementyt ferryt, z przemieszczaniem się frontu przemiany w kierunku ferrytu. W pierwszej fazie wytrzymania odlewu w zadanej temperaturze następuje rozpuszczenie płytek cementytu eutektoidalnego skupionego w koloniach perlitu. Z upływem czasu asutenityzowania wyrównuje się zawartość węgla w powstałym austenicie i następuje jego ujednorodnienie. W ostatnim etapie następuje zmniejszenie niejednorodności rozmieszczenia dodatków stopowych w ziarnach austenitu [5, 11]. W przypadku żeliwa z osnową perlityczno-ferrytyczną przemiany podczas austenityzacji są niemal identyczne. Przy osnowie perlitycznej nasycenie asutenitu węglem 31

32 jest jednak szybsze, a zatem zarodkowanie i wzrost austenitu powinien być łatwiejszy [24]. Zmiany w strukturze podczas austenityzacji spowodowane są wynikiem procesu zarodkowania i wzrostu austenitu, który zarodkuje na granicach faz: ferryt-cementyt lub ferryt-grafit. Wzrost austenitu zależy w największej mierze od dyfuzji węgla a także od wpływu dodatków stopowych i rodzaju dyfuzji [15]. Austenit, pomimo ujednorodnienia podczas austenityzacji, będzie mimo wszystko wykazywał nieliniowy rozkład węgla [26]. Powodem tego są różne źródła nasycenia węglem austenitu. Jak zaznaczono wcześniej węgiel w austenicie pochodzi zarówno z cementytu jak i grafitu. Wpływ innych pierwiastków na stopień dyfuzji węgla oddziaływuje również na jego zawartość w mikrostrukturze i na rozmieszczenie końcowe w osnowie. Taka niejednorodność powoduje zróżnicowanie osnowy po obróbce cieplnej w obszarach występowania komórek eutektycznych, a przez to i w całej objętości odlewu [5, 11]. Nawęglanie austenitu jest najistotniejszym procesem w austenityzowaniu osnowy żeliwa. Poglądy autorów na temperaturę austenityzowania są podzielone. Wysoka temperatura zwiększa aktywność i zawartość węgla w roztworze oraz korzystnie wpływa na rozkład pierwiastków w osnowie metalowej. Przyczynia się jednak także do zjawisk niekorzystnych takich jak rozrost ziaren i kruchość. Są poglądy, że wybór niższej temperatury austenityzacji jest korzystny dla niskostopowego żeliwa ADI zawierającego Mo, Ni, Cu a niekorzystny dla żeliwa z dodatkiem jedynie Cu ze względu na obecność w osnowie wolnego ferrytu [11]. W opisie czynników wpływających na proces nie może zabraknąć czasu wytrzymania podczas austenityzacji. W praktyce zależy on od struktury przed austenityzowaniem i od grubości ścianek odlewu. Czas przyjmuje się zazwyczaj od 48 s. do 2,5 min. na każdy 1 mm grubości ścianki odlewu [5, 11, 15]. W praktyce, jak twierdzi autor [27], minimalny czas wygrzewania powinien wynosić 60 minut, jednak często stosuje się 2-3 godziny w celu osiągnięcia optymalnych właściwości i pełnego ujednorodnienia struktury. Według tego autora temperatura z zakresu C pozwala na uzyskanie najwyższej wytrzymałości i plastyczności po austenityzowaniu żeliwa sferoidalnego niestopowego. N. Darwish i R. Elliot [28 30] badając wpływ temperatury ustalili, że austenit wzbogaca się w węgiel już podczas podnoszenia temperatury przed właściwym wygrzewaniem. Czas wygrzewania wpływa na nasycenie się węglem austenitu. Przebiega on 32

33 najintensywniej w początkowym okresie wygrzewania. Według autorów osiągnięcie odpowiedniego stężenia węgla w austenicie w żeliwie zawierającym Cu wymaga więcej czasu niż w żeliwie z dodatkiem Ni i Cu (rys. 1.22a,b). Jak podał wcześniej autor [11] wiąże się to z obecnością wolnego ferrytu w żeliwie z dodatkiem Cu. Autorzy podają także związek pomiędzy temperaturą asutenityzowania, zawartością krzemu w żeliwie, a stężeniem węgla w austenicie. Związek ten opisano równaniem 1.2: = 0,17 * (Si) 0,95 [%] (1.2) gdzie: - stężenie węgla w austenicie podczas austenityzowania, % - temperatura austenityzowania, C Si zawartość krzemu w żeliwie, % a) a) b) a) Rys Wpływ temp. i czasu asutenityzowania na zawartość węgla w sferoidalnego z: a) Cu, b) Ni, Cu [11, 15] w osnowie żeliwa b) Hartowanie i przemiana izotermiczna Zabieg hartowania izotermicznego żeliwa sferoidalnego wpływa na strukturę osnowy po przemianie izotermicznej i decyduje o końcowych właściwościach odlewu z żeliwa ADI. Po całkowitej austenityzacji odlew powinien być tak szybko hartowany jak to tylko jest możliwe, aby uniknąć tworzenia się perlitu, który wpływa niekorzystnie na właściwości wytrzymałościowe oraz osiągnąć temperaturę izotermicznego wytrzymania żeliwa przed rozpoczęciem zarodkowania ferrytu [5, 11, 15]. Na rysunku 1.23 pokazano czas inkubacji, czyli początek przemian fazowych, jakie zachodzą w austenicie w zależności od jego temperatury i szybkości chłodzenia [5, 15]. 33

34 Rys Czas inkubacji powstawania perlitu, ausferrytu, bainitu i martenzytu oraz krzywe hartowania [5, 15] Po zanurzeniu odlewu w medium chłodzącym, jakim jest zazwyczaj solanka lub olej, czas osiągnięcia temperatury przemiany izotermicznej T pi zależy od grubości ścianki i konfiguracji geometrycznej odlewu. Przemiana rozpoczyna się w momencie zarodkowania i wzrostu płytek ferrytu wymuszającego migrację węgla do otaczającego go austenitu [5]. W pierwszej kolejności osiąga się temperaturę przemiany w rejonach na powierzchni odlewu a dopiero po upływie pewnego czasu - w środku ścianek odlewu. Jest to spowodowane tym, że większa grubość ścianek opóźnia osiągnięcie przez nie zadanej temperatury hartowania. Wynika z tego, że szybkość hartowania powinna być na tyle duża, aby w środkach ścianek odlewu osiągnąć temperaturę T pi przed czasem inkubacji przemiany ausferrytycznej [15]. Transport węgla podczas przemiany trwa aż do znacznego przesycenia austenitu zapewniając mu stabilizacje termodynamiczną. Ten etap przemiany odznacza się osiągnięciem odpowiedniego stosunku ferrytu do austenitu i z punktu widzenia najkorzystniejszych właściwości żeliwa ADI, może zakończyć cały proces obróbki cieplnej [5]. W zależności od temperatury przemiany, czasu hartowania oraz od jednorodności austenitu, utworzona struktura może charakteryzować się zróżnicowaną morfologią. Powstały w osnowie ausferryt (dolny i górny) w zależności od temperatury przemiany, ma strukturę iglastą o mniejszym lub większym stopniu rozdrobnienia igieł (rys. 1.24). Hartowanie izotermiczne w wyższych temperaturach prowadzi do uzyskania żeliwa ADI o niższej wytrzymałości, ale o wysokiej plastyczności. Hartowanie w niskiej temperaturze - sprzyja powstaniu żeliwa o wysokiej wytrzymałości, ale za to obniża plastyczność [7]. 34

35 Rys Wpływ temperatury i czasu hartowania na postać ausferrytu [2, 7] Temperatura hartowania izotermicznego nie tylko wpływa na mikrostrukturę i właściwości mechaniczne, ale decyduje również o kinetyce i specyfice przemiany (rys. 1.25). Wraz z obniżaniem temperatury zmniejszają się wymiary płytek złożonych z ferrytu i stabilnego austenitu, odpowiednio zwiększa się twardość i wytrzymałość. Jednak nawet przy niższej temperaturze hartowania złożona płytkowa struktura ferrytu i austenitu bardziej przypomina strukturę górnego bainitu w stali [7, 10 11]. Przy zbyt długotrwałym wytrzymaniu może wystąpić drugi etap: rozpad austenitu (wydzielanie węglików), co zmniejsza plastyczność żeliwa (rys. 1.26). W początkowym okresie przemiany węgiel uczestniczy w tworzeniu wydzielenia węglika wewnątrz igieł ferrytycznych. Z ferrytu bainitycznego nadmiar węgla usuwany jest do sąsiadującego austenitu, przy czym przemiana odbywa się w sposób ciągły. Po wygrzewaniu w czasie 0,5 3,0 godzin udział austenitu szczątkowego jest nieduży. Struktura takiego żeliwa po schłodzeniu do temperatury otoczenia, jest określana, jako asuferryt dolny. Wynikiem całkowitej przemiany izotermicznej austenitu w temperaturze > 330 C jest ausferryt górny. Mechanizm jego powstawania jest nieco inny. W wyższej temperaturze powstają warunki do szybszego przemieszczania się atomów węgla z ferrytu do austenitu. Gdy przemiana zostanie zatrzymana w początkowym okresie to po dochłodzeniu do temperatury otoczenia z austenitu utworzy się, przynajmniej częściowo, martenzyt. Realizacja tej przemiany jest możliwa, gdy temperatura M s jest wyższa od temperatury otoczenia [11]. W dłuższym okresie wytrzymania nasycenie austenitu węglem zwiększa się od 1,5 do 1,7%. Tak wysoka zawartość węgla może powodować termiczną stabilizację austenitu. Jednakże poniżej 35

36 temperatury pokojowej lub pod wpływem obciążeń może on się przekształcać w martenzyt. Dalsze wydłużanie czasu przemiany powoduje kontynuację wzrostu płytek ferrytu, wskutek czego austenit dalej wzbogaca się w węgiel do poziomu 1,8 2,2%. Tak duża zawartość węgla w austenicie obniża początek temperatury przemiany martenzytycznej M s. Wynikiem tego jest pojawienie się w strukturze austenitu szczątkowego. Ten austenit jest stabilny aż do C. Struktura takiego żeliwa po przemianie izotermicznej w czasie od 0,5 3,0 godzin składa się z grubych płytek ferrytu i austenitu szczątkowego. Ta druga faza struktury może stanowić do 40% osnowy, a struktura taka nazwana została ausferrytem górnym [15]. Rys Udział składników struktury po Rys Wpływ temperatury przemiany hartowaniu izotermicznym w zależności bainitycznej na skład fazowy osnowy od czasu przemiany [6 7, 11] żeliwa sferoidalnego [6 7, 11] Typowe właściwości żeliwa ADI Wysokie właściwości wytrzymałościowe, twardość oraz plastyczność uzyskane po hartowaniu z przemianą izotermiczną pozwalają na otrzymanie odlewów, którymi coraz częściej zastępujemy dotychczasowe odlewy staliwne. Wytrzymałość tak wytworzonego i obrobionego cieplnie żeliwa może przewyższyć dwukrotnie wytrzymałość znormalizowanych gatunków żeliwa sferoidalnego o tej samej plastyczności [24]. Właściwości mechaniczne zależą w głównej mierze od temperatury i czasu trwania przemiany izotermicznej oraz od warunków austenityzacji i składu chemicznego żeliwa ADI [7]. W tabelach pokazano podstawowe właściwości mechaniczne żeliwa ADI. Tabela 1.1 przedstawia podział żeliwa ADI wg. polskiej normy. Z kolei tabela 1.2 przedstawia podział i właściwości wg. normy amerykańskiej. Według polskiej normy wyróżnia się 4-y gatunki żeliwa ADI, według amerykańskiej 5. 36

37 Oznaczenie Znak Tab Właściwości mechaniczne żeliwa ADI wg. PN-EN 1564:2000 Wytrzymałość na rozciąganie R m [MPa] Umowna granica plastyczności R p0,2 [MPa] Wydłużenie A 5 [%] Zakres twardości HB EN-GJS EN-GJS EN-GJS EN-GJS Gatunek Tab Właściwości mechaniczne żeliwa ADI wg. amerykańskiej ASTM A 897 [6] Wytrzymałość na rozciąganie R m [MPa] Umowna granica plastyczności R p0,2 [MPa] Wydłużenie A 5 [%] Twardość HB Udarność KC (próbki bez karbu) [J] ASTM 897 Grade ASTM 897 Grade ASTM 897 Grade ASTM 897 Grade ASTM 897 Grade Odporność na kruche pękanie: K IC =40-70 MPa *m 1/2 dla dolnego ausferrytu, K IC = MPa *m 1/2 dla górnego ausferrytu. - Wytrzymałość zmęczeniowa: MPa dla dolnego ausferrytu, MPa dla górnego ausferrytu Zastosowanie żeliwa ADI na elementy części maszyn Poza zastosowaniem, które podano w rozdziale 1.1. żeliwo ADI znajduje bardzo szerokie zastosowanie na elementy części maszyn w różnych, innych gałęziach przemysłu. Główne cechy tego materiału, które zadecydowały o jego przydatności na opisywane poniżej wyroby to: wysoka wytrzymałość na rozciąganie i twardość oraz wysoka odporność na ścieranie. Żeliwo ADI w wielu przypadkach zastępuje wyroby, które wcześniej wytwarzano ze staliwa lub żeliwa wysokochromowego. Typowe elementy wykonane z żeliwa ADI to: Przemysł samochodowy korbowody (rys. 1.27) wsporniki resorów, elementy sprzęgła, wałki rozrządu, pierścienie do pomp [6, 31]. 37

38 Rys Korbowód wykonany z żeliwa ADI [31]. Rolnictwo elementy noży do cięcia, pogłębiacze do spulchniania (rys. 1.29), lemiesze do pługów (rys. 1.28), haki do holowania, piasty kół, wały kierownicze, drążki sterownicze [2, 6]. Rys Lemiesze do pługów ADi - EN-GJS [2] Rys Pogłębiacze do spulchniana. ADI - EN-GJS [6] Części maszyn ogniwa gąsienic, ucha do holowania, koła zębate, ślimaki Archimedesa, wałki, koła linowe, kraty, wykładziny, korpusy do wciągarek linowych koła jezdne (rys ) [2, 6, 32]. Rys Ogniwo gąsienicy ADI - EN-GJS [2] Rys Koła zębate - ADI - EN-GJS i ADI - EN-GJS [6] 38

39 Rys Ślimak Archimedesa - ADI - EN-GJS [6] Rys Wykładzina - ADI - EN-GJS [6] Rys Korpus wciągarki linowej z ADI [32] Rys Koło jezdne z ADI [32] Przemysł budowlany zęby koparek (rys. 1.36), łopatki sortowników, elementy kruszarek, wsporniki, prowadnice [6]. Rys Zęby koparek wykonane z żeliwa ADI [6] Przemysł wiatrowy jarzma do elektrowni wiatrowych (rys. 1.37), przekładnie (rys. 1.38) [2, 6, 32]. Rys Jarzmo z ADI dla elektrowni wiatrowej [32] Rys Przekładnia z ADI dla elektrowni wiatrowej [32] 39

40 Górnictwo wiertła i obudowy wierteł [2, 6]. W Polsce niestety żeliwo ADI jest jeszcze mało rozpowszechnione. W ostatnich latach następuję jednak wzrost jego popularności. Elementami maszyn najczęściej wykonywanymi z tego materiału są łopatki do oczyszczarek (rys. 1.39). Inne elementy oczyszczarek są obecnie w fazie testów i wkrótce można oczekiwać ich produkcji z żeliwa ADI (rys. 1.40) [2]. Rys Łopatka oczyszczarki - ADI - EN-GJS [2] Rys Osprzęt oczyszczarki. Faza testów z ADI [2] 40

41 1.3. Wpływ Ni, Mo, Cu na odporność na zmęczenie cieplne żeliwa Wpływ dodatków stopowych (Ni, Mo, Cr, Cu) żeliwa na odporność na zmęczenie cieplne jest ogólnie korzystny. Wpływ niklu jest bardzo podobny do wpływu miedzi. Sprzyja on perlityzacji osnowy i zwiększa tym samym wytrzymałość żeliwa. Nikiel wprowadzony w ilości 3% pozwala na uzyskanie wytrzymałości żeliwa sferoidalnego R m > 800 MPa przy zachowaniu wydłużeniu na poziomie 3%. Gdy rozpatrujemy jednak badania zmęczenia cieplnego przy małym stopniu wymuszenia odkształceń, dodatek niklu wydaje się jednak mniej niekorzystny. W takich warunkach badań bardziej wskazana jest struktura ferrytyczna [16, 33]. W klasycznym zmęczeniu cieplnym przy dużym stopniu wymuszania odkształceń bardziej odporne są gatunki żeliwa z osnową perlityczna. Wtedy dodatki perlitotwórcze takie jak nikiel czy miedź są jak najbardziej wskazane. Ten model procesu lepiej odwzorowuje stan cieplno-naprężeniowy panujący w konstrukcjach gwałtownie nagrzewanych, częściej występuje w technice. Miedź, podobnie jak nikiel, sprzyja perlityzacji osnowy żeliwa, stabilizuje perlit i zmniejsza udział ferrytu, co sprzyja podwyższeniu odporności na zmęczenie cieplne. Dodatki miedzi zwiększają wytrzymałość i twardość żeliwa. W pracy [16] wykazano, że dodatek miedzi wydłuża nieco okres rozpadu cementytu eutektoidalnego, jednakże nie stabilizuje go. Tak wiec miedź opóźnia proces zmęczenia cieplnego i jego skutki, jakimi są przemiany strukturalne (ferrytyzacja osnowy), jednak nie hamuje ich zupełnie. Im wyższa temperatura tym bariera ochronna miedzi jest słabsza [16]. Dodatek miedzi wydaje się być odpowiednio skuteczny dla procesów zmęczeniowych, gdy przebiegają one w zakresie temperatur nie wyższych niż C. Molibden jest pierwiastkiem, który polepsza te właściwości materiału, które odgrywają ważną rolę przy eksploatacji urządzeń (elementów) w podwyższonej i zmieniającej się temperaturze. Jego wyraźny dodatni wpływ na zmęczenie cieplne jest największy spośród wszystkich wcześniej wymienionych pierwiastków. Molibden podnosi właściwości mechaniczne żeliwa, głównie wytrzymałość, granicę pełzania i granicę plastyczności przy ściskaniu jak i przy rozciąganiu żeliwa [16, 34]. Molibden podnosi zdecydowanie hartowność [10, 34]. Stosowany jest zazwyczaj wspólnie z niklem i miedzią i niekiedy w połączeniu z chromem. Ważną zaletą molibdenu jest jego silny wpływ na przemianę przechłodzonego austenitu. Zwiększa on trwałość austenitu podczas przemiany 41

42 [11]. Molibden, podnosząc granicę plastyczności w podwyższonej temperaturze, ogranicza poziom odkształceń plastycznych wywoływanych naprężeniami cieplnymi. To powoduje, iż naprężenia rozciągające pojawiają się w warstwach cyklicznie nagrzewanych znacznie później, co sprzyja zwiększeniu trwałość nagrzewanego elementu mierzoną liczbą cykli cieplnych [34]. Pierwiastki stopowe wprowadzone do żeliwa takie jak Mo, Ni, Cu przedłużające czas przemiany bainitycznej wpływają na hartowność odlewów. Wprowadzanie ich do żeliwa jest jak najbardziej korzystne i pożądane. Należy przy tym uwzględniać czynniki ekonomiczne związane z koniecznością wydłużenia czasu obróbki cieplnej takiego materiału. Odporność na zmęczenie cieplne poprawia się po wprowadzeniu wyżej wymienionych pierwiastków, a przy dodatkowej obróbce cieplnej można znacząco poprawić właściwości wyrobu. 42

43 1.4. Zmęczenie materiału Terminologia i podział Zmęczenie cieplne jest złożonym procesem cyklicznego nagrzewania i chłodzenia, któremu towarzyszy zmienne pole naprężeń adekwatne do amplitudy temperatury i jej intensywności zmian. W literaturze zmęczeniem cieplnym przyjęto nazywać niszczenie elementów konstrukcji pod wpływem wielokrotnych cyklicznych zmian temperatury, wywołujących okresowo zmienne pole naprężeń bez dodatkowego obciążenia siłami zewnętrznymi [35]. Za zasadniczą przyczynę zmęczenia cieplnego uważa się odkształcenia plastyczne materiału zachodzące w badanym materiale podczas każdego z cykli cieplnych [35 42]. Biorąc za kryterium liczbę cykli N f zmiany naprężenia, zmęczenie materiału można podzielić na kilka rodzajów, i tak gdy: gdzie: 1) N f < cykli jest to pękanie quasi-statyczne. Naprężenia niszczące odpowiadają wytrzymałości statycznej. 2) N f mieści się w przedziale cykli to zmęczenie jest klasyfikowane, jako niskocyklowe. Charakteryzuje się występowaniem odkształceń plastycznych spowodowanych wysokim poziomem naprężeń. 3) N f mieści się w przedziale cykli jest to zmęczenie wysokocyklowe. Złom zmęczeniowy ma tutaj charakter pęknięcia kruchego, co jest spowodowane niskim poziomem naprężeń zmęczeniowych. Odkształcenia plastyczne w skali makro nie występują. 4) N f > 10 7 cykli nazywa się obszarem o nieograniczonej wytrzymałości zmęczeniowej. Występuje ona w przypadku większości stali (nie występuje w stopach aluminium) [39, 43]. N f - jest to trwałość zmęczeniowa. Na rysunku 1.41 pokazano obszary występowania poszczególnych rodzajów zmęczenia, jako funkcję poziomu naprężeń. 43

44 Rys Wykres zmęczeniowy z zaznaczonymi strefami zjawisk zmęczeniowych [38] 1-2 Strefa inkubacji poślizgów w niektórych ziarnach 2-3 Strefa występowania poślizgów z pojedynczych ziarnach 3-4 Strefa linii i pasm poślizgu 4-5 Strefa rozwijania pasm poślizgu 5-6 Strefa rozwoju mikropęknięć 6-7 Strefa łączenia się mikropęknięć Zmęczenie cieplne jest procesem powstawania i rozwoju uszkodzeń w materiałach, częściach maszyny bądź w konstrukcjach. Wielokrotne cykliczne lub okresowe zmiany temperatury wywołują zmiany energii wewnętrznej, które w końcowym etapie prowadzą do pęknięcia [41 42]. Pęknięcie zmęczeniowe powstaje w obszarze o dużym spiętrzeniu naprężenia po znacznej liczbie cykli obciążeniowych [24]. Cz. Podrzucki, pod pojęciem wytrzymałości na zmęczenie rozumie maksymalną wartość naprężenia zmiennego, niepowodującą zniszczenia badanej próbki po bardzo dużej liczbie cykli. W materiałach plastycznych w pierwszym etapie cyklicznych obciążeń cieplnych, obserwuje się głównie rozwój odkształceń plastycznych. Ich wielkość zależy od badanego materiału i parametrów cyklu głównie zakresu temperatury. W drugim etapie obserwujemy powstawanie i rozwój mikropęknięć i makropęknięcia. Jest to spowodowane wyczerpywaniem się zapasu plastyczności materiału. Mówimy wtedy o zniszczeniu materiału wskutek zmęczenia cieplnego. Żeliwo szare do około 250 C zachowuje się praktycznie, jako 44

45 materiał kruchy [16]. W takim materiale wstrząs cieplny prowadzi do powstania już od pierwszych cykli cieplnych mikropęknięcia, które w miarę wzrostu cykli cieplnych będzie prowadziło do pełnego pęknięcia [16]. Pęknięcie zmęczeniowe zaczyna się na bardzo małym obszarze (mikroobszarze). Obejmuje ono w pierwszej fazie prawdopodobnie nie więcej niż dziesiątki tysięcy atomów. Co za tym idzie wpływ na zmęczenie będą mieć także wielkość i rozkład kryształów, własności ich granic i właściwości ich sieci metalicznych. Ważna będzie także wielkość wydzieleń faz i jej rozkład oraz nieciągłości struktury. Rozkład dyslokacji, oddalenie atomów od siebie, także będzie miał wpływ na proces inicjacji pęknięcia, a co za tym idzie zmęczenia cieplnego [40]. W podwyższonej temperaturze pracy materiału należy także uwzględnić, że na zmęczenie cieplne będzie miało wpływ utlenianie zewnętrzne jak i wewnętrzne, a także pęcznienie materiału i jego deformacja. Ze wzrostem temperatury będzie się także obserwować spadek właściwości mechanicznych, co będzie spowodowane degradacją mikrostruktury materiału [16, 41 42]. Autor [44] uważa, że cykle cieplne zawierające szybkie grzanie są groźniejsze dla badanego materiału od cykli, w których chłodzenie jest szybkie. W przypadku pierwszego z cykli płynięcie plastyczne zachodzi przy stosunkowo wysokiej temperaturze, przy której materiał ma niskie właściwości wytrzymałościowe. A. Weroński stwierdził także zwiększenie trwałości ze zmniejszeniem amplitudy zmiany temperatur oraz na ogół zmniejszenie trwałości przy zwiększaniu średniej temperatury cyklu. Czas wytrzymania przy maksymalnej temperaturze cyklu obniża trwałość, ponieważ ujawnia wpływ korozji, relaksację naprężeń przez pełzanie oraz umożliwia przebieg przemian fazowych. Według autora prac [45 46] odporność materiału na zmęczenie cieplne jest to zdolność do przenoszenia określonej liczby cykli cieplnych bez zniszczenia. Prowadzi do powstawania i rozwoju pęknięć w materiale oraz zmiany jego właściwości, wywołane działaniem wielokrotnych zmian temperatury. W rezultacie po pewnej liczbie cykli następuje zniszczenie materiału. Powstawanie w pracującym elemencie określonego stanu naprężenia, wywołanego cykliczną zmianą temperatury nie zawsze skutkuje powstaniem pęknięcia lub rys w materiale. Przy wartościach naprężeń przekraczających granicę plastyczności materiału, ale nieprzekraczających jego wytrzymałości na rozciąganie, następuję trwałe 45

46 odkształcenie materiału. Autor uważa, że zasadniczymi i podstawowymi przyczynami zmęczenia cieplnego elementów konstrukcji są cykliczne zmiany temperatury i całkowite lub częściowe ograniczenie swobody ich odkształceń cieplnych. Badacz oparł na tym swoje rozważania i rozwiązania konstrukcyjne odlewów do pieców do obróbki cieplnej, które przedstawił w pracach [45 46] Zmęczenie cieplne stan zagadnień Badania opisujące zjawisko zmęczenia pojawiły się w pierwszy raz w publikacjach w 1837 roku. Wilhelm Albert przedstawił w swojej pracy problematykę związaną z niszczeniem łańcuchów przenośnikowych stosowanych w kopalni. Autor skonstruował specjalne stanowisko do badań, których późniejszym efektem było wynalezienie i zastosowanie liny drucianej [47]. W latach August Wöhler badał przyczyny niszczenia osi kolejowych dla różnego rodzaju wagonów towarowych i pasażerskich. Wöhler mierzył obciążenie osi kolejowych poprzez pomiar ich ugięcia. W latach rozwijał swoje badania. Ich efektem było sformułowanie prawa Wöhlera. Mówi ono, że materiał może ulec uszkodzeniu wskutek cyklicznych zmian naprężeń, przy czym każde z nich jest mniejsze od wytrzymałości statycznej. Na spójność materiału największy wpływ ma amplituda naprężeń badanego materiału. Im wyższa wartość naprężeń tym mniejsza ich amplituda prowadzi do zniszczenia zmęczeniowego. Wöhler wprowadził także dwa współczynniki bezpieczeństwa. Jeden dla obciążenia statycznego i jeden dla zmęczeniowego [48 54]. Pierwsze krzywe drukowane były w układzie podwójnie logarytmicznym: log σ - log N. Od 1936 krzywe te zostały nazywane wykresami Wöhlera (rys. 1.42). a) b) Rys Pełny a) i uproszczony b) wykres Wöhlera z zaznaczonymi zakresami wytrzymałości zmęczeniowej [37 38, 41 42] 46

47 Pierwsza wojna światowa spowodowała rozwój badań nad tym zagadnieniem i wzrost liczby publikacji. Rozwój przemysłu i gospodarki wymuszał zainteresowanie tym tematem i rozwój badań. Liczba publikacji o tematyce zmęczeniowej w 1925 roku dochodzi do 225 [43]. Druga wojna światowa i okres po niej to dalszy rozwój badań w dziedzinie zmęczenia cieplnego. W każdym rozwijającym się kraju badano zjawisko zmęczenia cieplnego. Z końcem lat 50 powstają pierwsze publikacje opisujące wieloosiowy stan naprężeń [55 56].W Polsce szczyt badan nad zmęczeniem cieplnym to lata Obserwując badania zmęczenia cieplnego zauważono, że skupiły się one zasadniczo na kilku blokach zagadnień. Najwcześniej podejmowanymi zagadnieniami były prace związane z rozwojem pęknięcia zmęczeniowego. Autorzy badali mechanizmy pęknięć, rozwój pasm poślizgu, role granicy sprężystości czy rozszerzalności cieplnej w ekspansji pęknięcia [33, 38, 40 42, 57 65]. W badaniach pojawia się także opis wpływu temperatury na pęknięcia zmęczeniowe [66 67] oraz wpływ karbu na pęknięcie [68]. Analizując zmęczenie cieplne, jako proces złożony, autor [41 42] poddał go analizie w rozbiciu na prostsze elementy składowe. Pozwala to na poznanie istoty zjawiska i wzajemne powiązania i relacje pomiędzy różnymi czynnikami. Autor analizuje proces powstania i rozwoju pęknięcia przy częściowym lub całkowitym braku swobody odkształcania się danego materiału badawczego. Omawia różne kryteria zniszczenia elementów pracujących w warunkach cyklicznego naprzemiennego nagrzewania i chłodzenia. Wskazując na ocenę trwałości i stopień uszkodzenia materiału, podaje różne metody oceny. Prace zawierają propozycję rozwiązania ważniejszych zadań w zakresie zmęczenia cieplnego na podstawie badań autora i jego zespołu. Podają również kryterium zniszczenia i prawo rozwoju uszkodzenia materiału zaproponowane przez autora. W pracy [60, 63] autorzy, inaczej niż poprzednio, skupili się na czynnikach, od których najbardziej zależy zmęczenie cieplne. Przedstawili moduł sprężystości, współczynnik przewodzenia ciepła i rozszerzalności cieplnej, jako te, które są jednymi z głównych decydujących o zmęczeniu cieplnym. Pokazano, że moduł sprężystości i rozszerzalność cieplna osiągają w żeliwie najniższe wartości wtedy, gdy grafitu ma kształt płatkowego, co według autorów czyni go najbardziej odpornym na zmęczenie cieplne. Ciekawe i zupełnie inne badania prowadzili autorzy pracy [66]. Skupili się oni na wysokotemperaturowych deformacjach rozciągających i pęknięciach cieplnych w tym 47

48 żeliwie. Badania przeprowadzali w zakresie temperatur od 650 C do 850 C. Autorzy wskazali na wpływ zawartości krzemu na pęknięcia zmęczeniowe, przy jego zawartości powyżej 3,9%. Badacze dowodzą, że to niekorzystne zjawisko można wyeliminować poprzez rafinację stopu. Przedstawili także, że proces zmęczenia cieplnego prowadzony na powietrzu przebiega wolniej niż w kąpieli solnej. Próbki wykazywały mniejsze pęknięcia zmęczeniowe od tych badanych w solankach. Jak złożonym i trudnym do opisu procesem jest zmęczenie cieplne świadczą prace [33, 57]. W pracy [33] autor wskazuje na zależności pomiędzy wielkościami naprężeń wywołanymi zmianami temperatury na właściwości żeliwa. Zwraca uwagę na rolę granicy sprężystości materiału, jako parametru, po którego przekroczeniu postępują pęknięcia zmęczeniowe. Wnioskiem końcowym jest, że żeliwo szare o osnowie ferrytycznej jest bardziej odporne na wstrząsy cieplne niż żeliwo szare o osnowie perlitycznej. Wnioski te są sprzeczne z pracą [57]. Autor przedstawia, że żeliwo do pracy w warunkach zmęczenia cieplnego musi się charakteryzować duża przewodnością cieplną i niskim modułem sprężystości. Musi mieć także podwyższoną wytrzymałość w temperaturze pokojowej i w zakresie powyżej 500 C. K. Roehring wskazuje, że żeliwa o osnowie ferrytycznej są bardziej odporne na pękanie, lecz charakteryzują się odkształceniami plastycznymi (deformacja konstrukcji). Kolejnym blokiem tematycznym, którym zajmowali się badacze zmęczenia cieplnego jest ocena wpływu rodzaju osnowy, mikrostruktury, pierwiastków chemicznych czy też temperatury i właściwości materiału na proces zmęczenia cieplnego. Badania takie podejmowali w swoich pracach autorzy prac: [35 37, 69 79]. Interesujące badania prowadził autor prac [35 36]. W swoich pracach, w których stosował zmodyfikowane stanowisko F. L. Coffina badał zmęczenie cieplne niskostopowego żeliwa szarego. Badania odniósł do zmęczenia cieplnego form metalowych, dla których proponował zastosować badany materiał. Wskazał on na główny wpływ odkształcenia plastycznego podczas zmęczenia cieplnego próbek. W przyjętym stanowisku badawczym badał jednoosiowy stan naprężeń panujący w badanej próbce. Przedstawił wyniki, które pokazały, że proces zmęczenia cieplnego próbek żeliwnych ma podobny charakter jak w przypadku materiałów plastycznych. Autor wskazał na zależność pomiędzy liczbą cykli a zmianą wytrzymałością na rozciąganie żeliwa poddanego zmęczeniu. Wraz ze wzrostem 48

49 liczby cykli wytrzymałość testowanego żeliwa maleje. Równolegle wzrasta poziom naprężeń rozciągających panujących w próbce, które przesuwają się do coraz wyższych temperatur. Prowadzi to w konsekwencji do sytuacji, iż w danym momencie wartość naprężeń przekracza obniżoną wytrzymałość żeliwa, i inicjuje pęknięcia powstałe w badanej próbce. Autor przedstawia jednoosiowy stan naprężeń jednocześnie podając, że zgodnie z badaniami S. Tiary i T. Juone możliwe jest badanie trwałości materiałów bądź elementów na konstrukcje, w których cykliczne obciążenia cieplne wywołujące złożony stan naprężeń bada się na podstawie zmęczenia cieplnego w warunkach jednoosiowego stanu naprężeń. Takie prognozowanie jest słuszne, jeśli współczynnik cieplnego wymuszenia jest taki sam w badanej próbce jak i elemencie konstrukcji. Autor opisuje także współczynnik cieplnego wymuszenia i jego wpływ na proces zmęczenie materiału. Współczynnik ten wprowadza się dla ilościowej oceny wpływu czynników na zmęczenie cieplne. Współczynnik ten (wzór 1.3) jest stosunkiem wielkości odkształceń wywołanych w próbce poddanej badaniu zmęczenia cieplnego do wielkości swobodnego odkształcenia próbki i określany jest z wyrażenia:, (1.3) gdzie:, (1.4) ΔƐ T względne zmiany wymiarowe przy nagrzewaniu próbki swobodnej, δ sw wydłużenie próbki swobodnej przy nagrzaniu jej do danej temperatury, δ bl wydłużenie próbki zablokowanej przy nagrzaniu jej do temperatury T 1 l 0 długość próbki Autor badań wykazał związek pomiędzy strukturą żeliwa a jego odpornością na zmęczenie cieplne. W badaniach wskazał i opisał wpływ wybranych pierwiastków stopowych (Cu, Cr, Mo i Al) na odporność na zmęczenie cieplne. W oparciu o te badania zostało zaproponowane żeliwo niskocyklowe, perlityczne na formy silnie obciążane cieplnie (formy zalewane żeliwem). Przedstawił także, że maksymalna temperatura cyklu i współczynnik cieplnego wymuszenia mają istotny wpływ na przebieg tego procesu. W pracach [16, 35 36] autor wskazał także na pozytywny wpływ molibdenu na odporność na zmęczenie cieplne żeliwa niezależnie od postaci grafitu. Jeśli zwiększeniu zawartości molibdenu towarzyszy przechodzenie od grafitu płatkowego do wermikularnego 49

50 lub sferoidalnego to przyrost ten jest odpowiednio większy i można go opisać wzorami 1.5 i 1.6: - dla żeliwa wermikularnego N = 1430 * Mo 0, (1.5) - dla żeliwa sferoidalnego N = 1970 * Mo 0, (1.6) gdzie: N- liczba cykli cieplnych Mo- zawartość molibdenu [%] Autor pracy [72] badał zmęczenie cieplne żeliwa o osnowie ferrytycznej. Przedstawił, że kształt cyklu cieplnego ma wpływ na przebudowę mikrostruktury. Pęknięcie widoczne na powiększeniu przy niskich temperaturach cykli pojawia się dość wcześnie i rozwija się dosyć długo. Przy wysokich temperaturach testu widoczne pęknięcie pojawia się w ostatnim stadium zmęczenia przed pęknięciem próbki. Autor pokazał wpływ maksymalnej temperatury cyklu na żywotność materiału poddawanego zmęczeniu. Podwyższenie jej skutkuje przyśpieszeniem procesu zmęczenia cieplnego. Hayashi przedstawia także badania wytrzymałościowe testowanego żeliwa i analizuje jak się zmieniają wytrzymałości wraz ze zmęczeniem cieplnym. Analizowane żeliwo zawiera w składzie 3,1% Si oraz 3,7% C. Można się spodziewać, że taka wysoka zawartość krzemu będzie wpływać niekorzystnie na odporność na zmiany temperatury i będzie przyśpieszać proces powstawania pęknięcia. Wraz z rozwojem przemysłowym dokonywano porównania zachowania się różnych gatunków żeliwa w warunkach zmęczenia. Celem tych badań było poszukiwanie optymalnego materiału. Badania takie przedstawili między innymi autorzy pracy [73]. Badając wpływ Ni, Cu, Mo określali zachowanie się żeliwa sferoidalnego z różną postacią osnowy w procesie zmęczeniowym. Należy jednak zaznaczyć, że prowadzone badania miały charakter wysokocyklowego zmęczenia i nie zaliczają się do badań zmęczenia cieplnego, przez co nie są omawiane w niniejszej pracy a jedynie sygnalizowane. W publikacji [79] chińscy badacze przedstawiają wpływ niobu na odporność żeliwa na zmęczenie cieplne. Opisane badania dotyczą wpływu niobu na właściwości zmęczeniowe 50

51 odlewów z żeliwa szarego. Wykazano, że niob poprawia odporność na zmęczenie cieplne żeliwa szarego. Ze wzrostem zawartości niobu maksymalna szerokość i głębokość pęknięcia zmniejsza się. Niob sprawia, że płatki grafitu są mniejsze i spada liczba źródeł potencjalnego pękania. Powstałe w takim materiale pęknięcia są węższe. Innym blokiem tematycznym poruszanym w badaniach procesu zmęczenia cieplnego były zagadnienia związane z wpływem wad odlewniczych, mikrostrukturalnych i odkształceń cieplnych na zjawisko zmęczeniowe. Taką tematykę podnosili autorzy prac [65, 80 83]. Wpływ odkształceń plastycznych na zmęczenie materiału przedstawił autor publikacji [80]. Pokazał on w badaniach wpływ i powiązania pomiędzy temperaturą cyklu zmęczeniowego a odkształceniami wywołanymi zmęczeniem cieplnym. Badacz dowodzi, że ze wzrostem temperatury cyklu wzrastają odkształcenia plastyczne w badanym materiale i maleje liczba cykli do pęknięcia próbki. Autor wyznaczył związek pomiędzy termicznym odkształceniem i odpornością zmęczeniową. Zależności odkształcenie-liczba cykli mogą być według niego opisane linią prostą w skali pełno logarytmicznej z niezmiennym współczynnikiem i wykładnikiem w całym zakresie temperatur. Współczynnik i wykładnik są według autora zgodne z prawem Coffina -Mansona. Badania wpływu wad prowadził także L. Collini z zespołem [83]. W swoich badaniach zajmował się jednak zmęczeniem wysokocyklowym, przez co praca nie jest szerzej omawiana. Kolejnym przedmiotem badań były próby oceny wpływu obróbki cieplnej na proces zmęczenia. Badania takie prowadzili autorzy prac [84 86]. Ze względu, że badania te obejmowały zmęczenia mechaniczne czy wysoko lub niskocyklowe a nie zmęczenie cieplne pominięto je w opisie niniejszej pracy sygnalizując tylko ich obecność. Autorzy prac [60] zajmowali się badaniami wpływu postaci grafitu na zmęczenie. Niejednokrotnie jednak, takie badania [63] miały postać wysokocyklowego zmęczenia i przez to nie są omawiane w niniejszej pracy. W wielu publikacjach w okresie ostatnich dziesięcioleci podejmowano szeroką tematykę badawczą nad zjawiskiem zmęczenia materiału. Badacze zajmowali się wpływami składu chemicznego na zmęczenie cieplne, rozwojem samego pęknięcia lub próbowali ocenić rolę grafitu, obróbki cieplnej, bądź temperatury cyklu cieplnego. Oczywiście w ramach tych prac nierzadko tematyka niejako dublowała się i występowała niekiedy łącznie z inną. Poza 51

52 tymi obszarami badań pojawiały się także zupełnie inne prace. W jednej z nich [87] zajmowano się wpływem tarcia i rozprzestrzenianiem się pęknięcia w tarczach hamulcowych na zmęczenie cieplne, w innej autorzy podnieśli tematykę wpływu grubości ścianki w procesie zmęczenia [88], a w jeszcze innej zajmowali się metodami symulacyjnymi [89], czy też porównaniem różnych gatunków żeliwa w procesie zmęczeniowym [90 91]. Dużo publikacji omawia również zagadnienia związane z klasycznym zmęczeniem czy też z nisko lub wysokocyklową postacią zmęczenia [np. 63, 73]. Wszystkie te zagadnienia przedstawione w publikacjach dowodzą jak złożonym procesem jest zmęczenie cieplne i jak wiele szerokich aspektów wymaga dokładnego poznania i zbadania, aby móc dobrze wybrać odpowiedni materiał do pracy w warunkach zmęczenia cieplnego Wysoko i niskocyklowe zmęczenie żeliwa ADI W poprzednich rozdziałach omówiono nazewnictwo i rodzaje zmęczenia cieplnego. Przeprowadzono przegląd literatury na temat badań zmęczenia cieplnego żeliwa z większym naciskiem na ostatnie dziesięciolecia sygnalizując z odleglejszych lat tylko wybrane publikacje. Zagadnienia zmęczenia cieplnego są już stosunkowo dobrze poznane i rozwijają się od ponad stu lat. Wzrost gospodarczy i rozwój przemysłu sprzyja tym badaniom. Wraz z rozwojem cywilizacji pojawiają się jednak nowe materiały, które być może będą wyróżniały się zdecydowanie lepszą odpornością na zmęczenie cieplne na tle dotychczas poznanych. Z przeglądu literatury w rozdziale i z wstępnych badań niektórych autorów można sądzić, że stosunkowo nowy gatunek żeliwa (ADI) będzie jednym z takich materiałów. Jego podwyższone właściwości wytrzymałościowe mogą powodować, że będzie także przydatny do prac w podwyższonej temperaturze, przy zmieniającej się temperaturze w regularny, cykliczny sposób. Jako datę pierwszego przemysłowego zastosowania procesu austenityzacji dla żeliwa sferoidalnego przyjmuje się rok 1972 [92]. Nowy materiał zaczął bardzo szybko się rozwijać i być badanym na wiele sposobów przez różnych naukowców. Efektem tego były liczne światowe konferencje poświęcone żeliwu ADI. Pierwszą z nich była pierwsza światowa konferencja ADI w Chicago w 1984 roku [7]. Po kilkunastu latach naukowcy zwrócili swoje zainteresowania w stronę zastosowania tego nowego materiału w podwyższonych 52

53 temperaturach. Podjęto badania, które miały zweryfikować tezę o przydatności tego żeliwa do pracy w podwyższonej temperaturze. Jednym z pierwszych autorów, który zajmował się tematyką niskocyklowego, ale mechanicznego zmęczenia żeliwa ADI był Lin [93]. W swojej pracy badał niskocyklowe zmęczenie kilku rodzajów tego nowego tworzywa. Badania prowadził opisując strukturę i właściwości tego materiału. Przedstawił w pracy wyniki badań wpływu sposobu hartowania oraz kształtu i ilości grafitu. Do określenia mechanizmu zmęczeniowego przyjął analizę zdjęć mikrostruktury za pomocą mikroskopu skaningowego. Autor postawił wniosek, że żeliwo wytworzone przez hartowanie w niższej temperaturze wytrzymuje większą liczbę cykli zmęczeniowych [93]. Podobnie jak wcześniej tematykę badań wysoko i niskocyklowego zmęczenia żeliwa ADI można również podzielić na bloki. Najbardziej rozwinięte prace badacze prowadzili nad wpływem obróbki cieplnej na odporność na mechaniczne zmęczenie. Badania te przedstawili autorzy prac [94 101]. W publikacji [94] badacze z tego samego wyjściowego żeliwa sferoidalnego uzyskują kilka odmian żeliwa ADI, które poddają testom. Hartowanie przeprowadzają w 300 i 360 C. Badania autorów dowodzą, że żeliwo uzyskane w 300 C jest bardziej odporne na niskocyklowe zmęczenie mechaniczne i jego skutki wolniej postępują w jego strukturze. Naukowcy sądzą, że dobrze dobrane parametry obróbki cieplnej pozwolą na wytworzenie dobrego żeliwa ADI przeznaczonego do pracy w podwyższonej temperaturze. Autorzy uważają, że żeliwo hartowane w wyższej temperaturze jest mniej odporne działanie wysokiej temperatury zewnętrznej ze względu na mniejszy zakres martenzytycznej przemiany niestabilnego austenitu. Wpływ przemiany izotermicznej i austenityzacji na niskocyklowe zmęczenie badał także J. R. Hwang [96] Pod mikroskopem skaningowym obserwował pęknięcie zmęczeniowe i jego rozwój w niskocyklowym zmęczeniu. W oparciu o wyniki badań stwierdził, że najlepszy materiał można wytworzyć przy austenityzacji w 950 C. Badając wpływ hartowania autor doszedł do wniosku, że temperatura 350 C jest najlepsza dla uzyskania dobrej odporności w niskocyklowym procesie zmęczenia mechanicznego. Badania w zakresie odporności zmęczeniowej przeprowadzili naukowcy ze Szwajcarii [98]. W swojej publikacji opisali niskocyklowe zmęczenie żeliwa ADI z niepełną obróbka 53

54 cieplną. Zastosowali oni pół ausferrytyczną obróbkę cieplną żeliwa sferoidalnego. Zabieg taki prowadzi do wzrostu o 86% plastyczności żeliwa sferoidalnego. Interesujące jest także to, że z wyników badania autora można wnioskować, że taki zabieg podnosi wytrzymałość zmęczeniową w porównaniu do materiału poddanego pełnej obróbce cieplnej. Takie pół - ADI żeliwo (rys. 1.43) nie różni się zbytnio wytrzymałością od klasycznego żeliwa ADI, ale jednak ma o 1,86% większe wydłużenie. Zmęczeniowa granica dla poł - ADI wyniosła 410 MPa a dla pełnego - ADI 372 MPa, co daje wzrost o około 10%. a) b) Rys Żeliwo a) pół-adi i b) pełne ADI [98] Wpływ temperatury obróbki cieplnej analizują także autorzy pracy [101]. Badają wpływ hartowania izotermicznego na wysokocyklowe zmęczenia żeliwa ADI. Swoje próbki z dodatkiem niklu i miedzi austenityzują w 875 C, a następnie hartują w temperaturach: 320, 365 i 400 C. Po przeprowadzeniu wysokocyklowego badania zmęczeniowego wykazują na wzrost odporności zmęczeniowej badanych próbek o odpowiednio 10, 20 i 24% w stosunku do bazowego żeliwa sferoidalnego. Według autorów jest to spowodowane wzrostem udziału objętościowego wysoko przesyconego węglem austenitu. Badacze wskazują, iż w wyższych temperaturach zmęczenia zjawisko inicjacji pęknięcia i jego rozwój rozpoczyna się dużo szybciej, a przez to żywotność materiału ulega skróceniu. Naukowcy twierdzą, że wzrost temperatury hartowania spowoduje wzrost odporności na wysokocyklowe zmęczenie. Inna tematyką podnoszoną w badaniach żeliwa ADI to zagadnienie: wpływu struktury, własności czy badanie samych mechanizmów zmęczenia i propagacji pęknięcia. Takimi badaniami zajmowali się autorzy prac [93, ]. Bardzo interesujące spostrzeżenia przedstawiają autorzy w pracy [105]. Zajmują się oni wzajemnymi zależnościami pomiędzy mikrostruktura a niskocyklowym zmęczeniem i jego mechanizmami. G.L. Greno i inni sądzą, że brak dostatecznej wiedzy i dostępności informacji 54

55 na temat żeliwa ADI są przyczyna powolnego wdrażania tego materiału na konstrukcje do pracy w warunkach zmęczeniowych. Naukowcy ci próbują wskazać miejsca inicjacji pęknięć i ich mechanizmy rozwoju. Badania opierają na obserwacjach struktury pod mikroskopem optycznym. Uważają oni, że miejscami inicjacji pęknięć są kulki grafitu. Pod mikroskopem skaningowym badają szczegóły tego zjawiska. Uważają, że pęknięcie postępuje przez najbliżej siebie położone kulki grafitu. Badacze są przekonani, że wady materiałowe i wtrącenia mają także duży wpływ na miejsca inicjacji pęknięcia. W celu poszerzenia doświadczeń badania przeprowadzają na różnych gatunkach żeliwa ADI uzyskanych przy różnych temperaturach hartowania izotermicznego. Z ich badan wynika także, że proces niskocyklowego zmęczenia degeneruje postać grafitu w żeliwie ADI. Do ciekawych wniosków dochodzi także w swojej pracy H. Nishimura [108]. Obserwując miejsca inicjacji pęknięć naukowiec doszedł do wniosku, że odporność zmęczeniowa w badanym żeliwie ADI jest niższa od odporności próbek z żeliwa sferoidalnego o osnowie perlitycznej. Oznacza to, że spadek trwałości zmęczeniowej żeliwa ADI został spowodowany przez przyspieszenie tempa wzrostu pęknięcia. Autor wskazuje na kruchość, jako główna przyczynę przyspieszenia pękania żeliwa ADI. W publikacji [111] zespół naukowców badając rozprzestrzenianie się pęknięcia zmęczeniowego w mikrostrukturze żeliwa ADI dochodzi do interesujących spostrzeżeń. Badacze swojej analizie poddali żeliwo ADI klasy Po analizie materiału badawczego wskazują na wzrost chropowatości w profilu złamania próbki. Zjawisko to jest związane z odkształceniem plastycznym i ze wzrostem naprężeń. Uważają oni, że na proces zmęczenia ma także wpływ postać wydzieleni grafitu i ich ilość i wielkość. Proces inicjacji pęknięcia rozpoczyna się właśnie w obszarach około grafitowych. W innym miejscu wskazują oni na wpływ intensywności amplitudy naprężenia na charakter zmęczeniowego pęknięcia i jego rozwój. Kolejnym interesującym zagadnieniem poruszanym w badaniach zmęczenia żeliwa ADI jest wpływ powłok ochronnych. Takie badania opublikowali autorzy prac [95, 112]. H.P. Feng z zespołem do tworzenia powłok ochronnych zastosowali związki TiN oraz TiCN. Dowiedli oni, że te powłoki wpływają korzystnie na proces wysokocyklowego zmęczenia ograniczając jego rozwój. W próbkach o większych gabarytach polepszenie odporności osiągało 7% i 9% w stosunku do próbek bez powłok ochronnych. Dla mniejszych 55

56 próbek osiągnięto zwiększenie o 16% i 22%. Autorzy sądzą, że utwardzenie powierzchni przez zastosowanie tych powłok powoduje, że procesy zmęczeniowe postępują zdecydowanie wolniej [95]. Bardzo podobne badania przedstawili autorzy w pracy [112]. Badając powłoki CrN, TiN oceniają ich wpływ po naniesieniu na różne części maszyn. Autorzy, analizując swoje wyniki twierdzą, że wytrzymałość na rozciąganie wzrosła o około 157% w porównaniu do próbek niepowlekanych. Odporność na niskocyklowe zmęczenie wzrosła o 56,2%. Autorzy zauważają, że istotną cechą może być chropowatość powierzchni próbki powleczonej daną powłoką. Efekty tarcia powierzchniowego podczas eksploatacji takiej części maszyny mogą mieć znaczący wpływ na właściwości takiego elementu oraz na zmęczenie niskocyklowe. W opisie badań zmęczenia żeliwa ADI dominuje zróżnicowana tematyka, podobna jak w przypadku badania zmęczenia żeliwa sferoidalnego czy szarego. Oprócz tematyki badawczej przedstawionej w rozdziale autorzy publikacji również zajmują się inną tematyką. Autor pracy [113] analizuje różne gabarytowo próbki do badania niskocyklowego zmęczenia żeliwa ADI, inny z kolei, wskazuje na istotną role miejsca pobierania próbek do badań z różnych części wlewka próbnego typu Y [114]. Wszystkie publikacje przedstawione w rozdziale dotyczą tylko nisko lub wysokocyklowego zmęczenia żeliwa ADI. Z punktu widzenia niniejszej pracy i badań w niej podjętych, w opisie zmęczenia żeliwa ADI brakuje badań zmęczenia cieplnego w pełnym zakresie temperatur, które by przedstawiały jak ten materiał zachowuje się do konkretnej temperatury pracy. Jest to niezwykle istotne z punktu widzenia możliwości stosowania tego materiału na elementy pracujące w warunkach zmęczenia cieplnego. Jak wynika w przeglądu literatury rozdziału wyraźnie brakuje prac i publikacji dotyczących odporności na zmęczenie cieplne żeliwa ADI. Może to oznaczać, iż prezentowana praca jest jedną z pierwszych, w której próbuje się realizować tematykę zmęczenia cieplnego żeliwa ADI, prowadzić badania nad oceną przydatności tego materiału do pracy w warunkach cyklicznie zmieniającej się temperatury. Jedyną pracą spotkaną w trakcie analizy literatury dotyczącą wpływu cyklicznych zmian temperatury na właściwości i strukturę żeliwa ADI jest praca [90]. W pracy tej jednak zajmowano się wpływem nagrzewania próbek swobodnych (bez wymuszania naprężeń cieplnych) na zmiany struktury i właściwości mechanicznych (głównie twardości HB). 56

57 1.5. Badania zmęczenia cieplnego metodą L. F. Coffina istota metody, charakterystyka Metoda badawcza przedstawiona w niniejszym rozdziale polegała na oporowym nagrzewaniu próbki walcowej ze sztywno zamocowanymi końcami. Znalazła ona szerokie zastosowanie w badaniu odporności na zmęczenie cieplne materiałów plastycznych, które były stosowane na elementy maszyn czy konstrukcje pracujące w warunkach cyklicznych zmian temperatury. Metoda badawcza jest bardzo uniwersalna i daje możliwość oceny wpływu na zmęczenie cieplne wielu czynników, nie tylko materiałowych [16, 37, 115]. Pozwala na ocenę najważniejszych czynników wpływających na trwałość danego materiału czy elementu konstrukcji Umożliwia realizację dowolnej liczby cykli cieplnych Daje pełną kontrolę parametrów nagrzewania i chłodzenia próbki podczas procesu badawczego Pozwala na kontrolowanie stanu naprężeń cieplnych i odkształceń sprężysto - plastycznych powstających w badanej próbce Metoda umożliwia prowadzenie badań dających ocenę ilościową Słabszą strona tej metody jest [16, 37, 115]: Badanie zmęczenia cieplnego przy jednoosiowym stanie naprężeń (konstrukcje pracują najczęściej w stanie trójosiowego naprężenia). Trudność w utrzymaniu stałej temperatury na długości próbki, a przy większych średnicach badanego materiału - także na przekroju. Przy średnicach próbek poniżej 10 mm metoda ta zakłada pomijanie spadku temperatury na przekroju [16, 37]. L. F. Coffin do swoich badań i do opracowania metody badawczej zastosował próbki walcowe (rys. 1.44). Badał on próbki cienkościenne o grubości ścianki od 0,5 mm do 3 mm. Było to spowodowane chęcią wyeliminowania spadku temperatury na przekroju poprzecznym próbki. Pozwoliło to także na badanie jednoosiowego stanu naprężeń ze względu na cienkościenność próbki badawczej. Zostało to potwierdzone wynikami badań. Pęknięcia powstawały prostopadle do powierzchni próbki, co potwierdziło występowanie 57

58 jednoosiowego stanu naprężeń oraz brak różnic temperatury (pomijalnie mały) na przekroju poprzecznym [16, 37, 115]. Rys Schemat układu mocującego do badania zmęczenia cieplnego metodą L. F. Coffina [37, 115] 1 izolacja, 2 pierścień, 3 przewód powietrza chłodzącego, 4 obejma górna, 5 wkładka miedziana, 6 uchwyt, 7 próbka z końcami gwintowanymi, 8 wodzik maszyny wytrzymałościowej, 9 nakrętki blokujące, 10 uchwyt dolny. Rys Wymiary próbki do badania zmęczenia cieplnego [37, 115] Zaletą tej metody jest uproszczenie stanowiska badawczego i skrócenie samego czasu badania (rys. 1.45). Przedstawiony jednoosiowy stan naprężeń, zgodnie z badaniami S. Tiary i T. Juone, umożliwia prognozowanie trwałości materiałów bądź elementów na konstrukcje, w których cykliczne obciążenia cieplne wywołujące złożony stan naprężeń [16]. Wnikając w budowę samego stanowiska autor podaje kilka istotnych zaleceń. Uważa on, że z uwagi na oporowe nagrzewanie układ musi być wyposażony w chłodzenie wodą i umożliwiać przewodzenie prądu o natężeniu kilku tysięcy amperów. Coffin przewidział także sprężone powietrze, jako czynnik chłodzący próbki po nagrzaniu do określonej temperatury (rys. 1.46). Temperaturę próbki kontroluje za pomocą przyspawanego do powierzchni 58

59 badanej próbki termoelementu. Jednak w przypadku wielu materiałów termoelementu nie da się przyspawać do powierzchni, bo powoduje to pogorszenie odporności na zmęczenie cieplne poprzez spoinę, gdzie obserwuje się inicjację pęknięć [37]. Na stanowisku badawczym cykliczne nagrzewania próbki prowadzi się aż do momentu jej pęknięcia. Schemat układu grzewczego podano Rys Schemat układu nagrzewania przy badaniu zmęczenia cieplnego metodą L. F. Coffina [37, 115] 1 próbka, 2 transformator, 3 regulator temperatury, 4 rejestrator temperatury, 5 rejestrator pomocniczy temperatury, 6 zawór dławiący. 59

60 1.6. Rozkład naprężeń w pojedynczym cyklu cieplnym Naprężenia panujące w próbce w pojedynczym cyklu cieplnym podczas procesu zmęczenia cieplnego mają charakter dwojakiego rodzaju. Próbka mocowana w szczękach maszyny do momentu włączenia nagrzewania jest wolna od wszelkiego rodzaju naprężeń. Jej jeden z końców jest zamocowany w sztywnej szczęce, a drugi w szczęce, która stawiając określony opór może się przemieszczać. Podczas nagrzewania, próbce towarzyszy jej wydłużenie. Hamowanie wydłużenia cieplnego wywołuje powstawanie w próbce naprężeń ściskających. Nagrzewana próbka wydłuża się. Jeśli podczas nagrzewania próbka doznała odkształceń plastycznych, to przy chłodzeniu będą w niej powstawać naprężenia rozciągające. Stygnąca próbka będzie się kurczyć (rys. 1.47). Liczba cykli cieplnych do momentu pęknięcia badanego materiału jest miarą jego odporności na zmęczenie cieplne. Cały powyżej opisany proces można zilustrować na tak zwanej pętli histerezy dla cyklu cieplnego (rys. 1.48) [16, 35, 37, 115]. Rys Schematyczne przedstawienie odkształcania się próbki podczas cyklu cieplnego [16, 35, 37, 115, 116] 60

61 Rys Pętla histerezy sprężysto-plastycznych odkształceń wywołanych naprężeniami cieplnymi [16, 35, 37, 115, 116] Przy chłodzeniu, próbka jest najpierw odciążana (zanik naprężeń ściskających), a następnie rozciągana, punkt A (rys. 1.47) przemieszcza się do położenia 2. Wielkość naprężeń rozciągających jest proporcjonalna do wielkości odkształceń plastycznych, jakich doznała próbka podczas pierwszego etapu cyklu, czyli nagrzewania. Podczas pierwszego cyklu panują naprzemienne naprężenia ściskająco rozciągające. W następnych cyklach ten stan naprężeń stopniowo zanika na rzecz naprężeń rozciągających. Oznacza to, iż nawet podczas dalszego, cyklicznego nagrzewania w próbce utrzymują się naprężenia rozciągające. Jest to skutek odkształceń plastycznych wywołanych naprężeniami ściskającymi przekraczającymi granicę plastyczności w badanej temperaturze [16, 35]. Pomiar naprężeń panujących w próbce odbywa się w sposób pośredni za pomocą ruchomej szczęki, która w zależności od panujących naprężeń wychyla się w prawo lub w lewo, pociągając za sobą odpowiednie odkształcenie drążków naprężeniowych. Wielkość odkształcenia jest rejestrowana przez elektroniczny czujnik przemieszczeń [16, 35, 37, 115]. 61

62 1.7. Kryteria materiałowe ocena odporności na zmęczenie cieplne Próby ustalenia związku pomiędzy strukturą żeliwa a jego odpornością na zmęczenie cieplne podejmowano już wielokrotnie. Aktualnie jednak brak jest zgodności ocen wpływu niektórych składników strukturalnych jak i osnowy metalowej na odporność na zmęczenie cieplne. Taki stan spowodowany jest w głównej mierze przez [16]: Dużą różnorodność metod badawczych oraz różnorodność próbek stosowanych do badań Brak ujednolicenia kryterium zniszczenia w opisywanych badaniach Brak jednoznacznej definicji odporności na zmęczenie cieplne i odporności na wstrząsy cieplne. Prowadzi to najczęściej do sprzecznych wyników badań, a wnioski wyciągane przez autorów niejednokrotnie są sprzeczne ze sobą. Należy także zaznaczyć, że duży wpływ na procesy zmęczenia ma osnowa metalowa, która niestety jest pomijana przez niektórych autorów badań, którzy skupiają się w głównej mierze na postaci wydzieleń grafitu i ich wpływie na zmęczenie cieplne. Sprzeczność wniosków z badań jest spowodowana także tym, że każdy z autorów formułuje własne wnioski i wyprowadza własne wzory do obliczeń odporności na zmęczenie cieplne. Są one różne pod względem ujmowanych zależności, niejednokrotnie są bardzo uproszczone i prowadzą w efekcie do zróżnicowanych, a czasem i błędnych wniosków. Przykładem materiałowych kryteriów zaproponowanych przez autorów badań mogą być wzory: A. Collouda, J. Kadleca oraz Kattusa. Ich kryteria materiałowe opisane wzorami (wzory: ) charakteryzują przydatność materiału do pracy w warunkach zmęczenia cieplnego. Kryteria różnią się zakresem właściwości, które obejmują. Mają one postać podaną poniżej: Kryterium Collouda K = (1.7) Kryterium Kadleca Z o = (1.8) 62

63 Kryterium Kattusa R =f (1.9) gdzie: R m - wytrzymałość na rozciąganie HB- Twardość w stopniach Brinela E Moduł sprężystości Younga współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej przewodność cieplna A wydłużenie W literaturze znanych jest szereg różnych kryteriów materiałowych [16]. Ideą wyznaczania i wprowadzanie tych kryteriów jest próba oceny danego materiału z punktu widzenia jego przydatności na elementy maszyn bądź konstrukcje pracujące w warunkach zmęczenia cieplnego. Badania zmęczeniowe są najczęściej długotrwałe i pracochłonne i stąd wynikają próby formułowania różnych wzorów i kryteriów dla oceny przydatności danego materiału do pracy w warunkach zmęczenia cieplnego, w oparciu o charakterystyczne właściwości fizyczne i mechaniczne. 63

64 1.8. Podsumowanie części teoretycznej Po analizie literatury nasuwa się wniosek, że współczesna inżynieria materiałowa, odlewnictwo dążą do optymalizacji materiałowej, w tym opracowania materiałów do pracy w warunkach zmęczenia cieplnego. Liczne prace badawcze dowodzą, że zainteresowanie żeliwem, a w tym żeliwem ADI, do pracy w podwyższonych temperaturach rośnie. Na podstawie prób i doświadczeń, dąży się do uzyskania odpowiedzi, które gatunki żeliwa, będą z jednej strony najbardziej wytrzymałe na wstrząsy cieplne, a z drugiej będą stosunkowo tanie w produkcji. Z analizy części literaturowej wynika, że brak jest obecnie (opublikowanych) wyników badań zmęczenia cieplnego żeliwa ADI. Badania zmęczenia cieplnego są kosztowne, długotrwałe i złożone. Prowadzone są różnymi metodami i jak wynika z niektórych publikacji, wnioski wyciągane przez autorów są niejednokrotnie sprzeczne ze sobą. Wiąże się to z szeregiem metod badań tej niestandardowej właściwości materiału i stosowania w tych metodach różnorodnych, co do kształtu i wielkości próbek, a także z różnorodnością warunków prowadzenia badania. Badania zmęczeniowe są najczęściej długotrwałe i pracochłonne. Szukając innego sposobu oceny, wprowadzano wiele kryteriów materiałowych, dzięki którym miarę zmęczenia cieplnego chciano sprowadzić do syntetycznej oceny kilku właściwości materiału. Przyjęte parametry do obliczeń kryteriów materiałowych wybranych gatunków żeliwa przedstawiono w tabeli 1.3. Tab Podstawowe właściwości żeliwa z różną postacią grafitu [6, 62] Żeliwa Właściwości szare sferoidalne ADI ADI wermikularne R m MPa R 0,2 MPa A 5 % max 1,5 1,5 8, HB E 0 GPa Gęstość ϱ, Mg/m 3 7,0 7,5 7,0 7,2 7,1 7,3 Przewodność cieplna λ ( C) W/m.k ,1 21,5 Wsp. lin. rozszerzal. cieplnej α ( C) K -1 x , ,6 14 Oporność elektryczna (20 C) μω.m 0,5 1,0 0,7 0,8 0,5 0,7 - - Uzyskane wyniki obliczeń wartości kryteriów materiałowych przedstawiono w tabeli

65 Tab Wartości zbiorcze kryteriów wytrzymałościowych dla wybranych gatunków żeliwa Kryterium Collouda Kryterium Kadleca Kryterium Kattusa Szare 250 0, ,87 9,57 Sferoidalne ,0099 5,81 87,84 Wermikularne 0,0113 8,34 28,36 ADI - EN GJS ,0162 7,12 56,97 ADI - EN GJS , ,04 22,07 Porównując wartości obliczonych kryteriów materiałowych można zauważyć, że kryterium Kattusa wskazuje, iż to żeliwo sferoidalne jest najbardziej odporne na zmęczenie cieplne. Dwa pozostałe kryteria wskazują, iż lepszym materiałem jest żeliwo ADI - EN-GJS Przy tym kryterium na wynik obliczeń najsilniej wpływa stosunkowo wysokie wydłużenie i duża wytrzymałość na rozciąganie. Przy kryterium Collouda decydująca jest twardość. Porównując wartości kryterium Colouda i Kadleca (bez uwzględniania żeliwa ADI) żeliwo z grafitem płatkowym wydaje się być najbardziej odpornym na zmęczenia cieplnego. Materiałowe kryteria oceny żeliwa, jako materiału do pracy w warunkach zmęczenia cieplnego, powinny uwzględniać mocniejszy i bardziej wyrazisty wpływ wytrzymałości na rozciąganie. Jak wynika to z badań autora [36], wpływ tego parametru jest nie liniowy, a raczej eksponencjalny. Wpływ plastyczności jest natomiast liniowy, co jest wyrażone przez kryterium Kattusa. Niemniej jednak wszystkie kryteria materiałowe nie odzwierciedlają w pełny sposób warunków rzeczywiście panujących w badanym materiale i są wykładnią tylko wpływu wybranych własności cieplnego ogólnej ocenia przydatności analizowanego materiału do pracy w warunkach zmęczenia cieplnego. Wydaje się także bardzo zasadne poszerzenie badań nad wpływem osnowy metalowej na proces zmęczenia cieplnego. Powstają nowe gatunki materiałów, jak na przykład żeliwo ADI i takie badania będą konieczne w celu wyznaczenia wpływu nowej osnowy na proces zmęczenia cieplnego. W przypadkach osnowy, jakie podają [16, 33], lepszą osnową wydaje się być osnowa ferrytyczna. W innych konstrukcjach, gdzie są podczas pracy blokowane jej rozgrzewane elementy, badania wykazują korzystny wpływ osnowy perlitycznej [16, 33]. Ten model badań bardziej odwzorowuje cieplno-naprężeniowy stan w badanym materiale (na przykład w formach metalowych). Jeszcze lepsza z punktu widzenia czasu degradacji mikrostruktury 65

66 wydaje się być osnowa ausferrytyczna. Postępująca degradacja mikrostruktury najpierw będzie prowadzić do przemian w kierunku perlitu a dopiero następnie - w ferryt. Zastosowanie dodatków stopowych poprawiających odporność na zmęczenie cieplne w przypadku takiej osnowy powinno znacząco poprawić jej zachowanie podczas cyklicznego, naprzemiennego nagrzewania i chłodzenia. Podsumowując część teoretyczną można zauważyć, że w dotychczasowej literaturze brakuje opublikowanych badań zmęczenia cieplnego żeliwa ADI. Analiza kryteriów materiałowych, wyników ich obliczeń, wskazuje, iż żeliwo ADI spełnia wszelkie przesłanki, aby być dobrym materiałem do pracy w warunkach zmęczenia cieplnego. Weryfikacji będzie wymagać stabilność strukturalna ausferrytu przy cyklicznym nagrzewaniu, głównego składnika struktury. Ona zadecyduje o zakresie ewentualnego wykorzystania tego materiału do pracy w warunkach zmęczenia cieplnego. 66

67 1.9. Cel pracy Głównym celem naukowym pracy jest poznanie, oparte na analizie wyników specjalistycznych badań, zachowania się nowego materiału, jakim jest żeliwo ADI, w warunkach zmęczenia cieplnego w szerokim zakresie zmian temperatury. Należy zbadać jak zachowuje się ten materiał podczas pracy w warunkach oddziaływania cyklicznego nagrzewania i chłodzenia, przy zmieniających się naprężeniach cieplnych. Wyniki tych badań należy odnieść do zachowania się w takich samych warunkach żeliwa wyjściowego, użytego do wytworzenia ADI. Pozwoli to ocenić nieznany dotychczas wpływ ausferrytycznej osnowy żeliwa na jego odporność na zmęczenie cieplne. Lepsze zrozumienia zachowania żeliwa ADI w warunkach zmęczenia cieplnego wymaga analizy zmian strukturalnych, które w procesie zmęczenia cieplnego występują we wszystkie stopach ze strukturą termodynamicznie niestabilną, w tym w wielu gatunkach żeliwa. Ocena trwałości ausferrytu w warunkach działania zmiennej temperatury i naprężeń jest jednym z najważniejszych celów pracy. Podstawową zaletą żeliwa ADI, jako materiału konstrukcyjnego jest, obok dobrej wytrzymałości i plastyczności, również stosunkowo dobra (wysoka) twardość. Celem pracy jest, więc wyznaczenie temperatury (zakresu temperatur) cykli cieplnych, przy zachowaniu, której żeliwo utrzymuje stabilną twardość bliską początkowej lub traci ją, ale w niewielkim stopniu i z rozciągnięciem na stosunkowo długi okres cyklicznego nagrzewania (eksploatacji). W jednym i drugim przypadku taki materiał mógłby być przydatny na wiele elementów i konstrukcje, od których, obok odporności na zmęczenie cieplne, wymaga się (oczekuje) dobrych właściwości trybologicznych. Osiągnięcie tak zdefiniowanych celów pozwoli wyznaczyć granice zastosowań żeliwa ADI do pracy w warunkach zmęczenia cieplnego. Chodzi przede wszystkim o określenie maksymalnej temperatury, w której elementy z niego wykonane mogą być bezpiecznie i długookresowo eksploatowane. 67

68 1.10. Teza pracy Rozprawa doktorska zmierza do weryfikacji tez: 1) Żeliwa sferoidalne z ausferrytyczną osnową (żeliwo ADI), uzyskiwane na drodze obróbki cieplnej - hartowania z przemianą izotermicznego, jest materiałem, który charakteryzuje się dobrą odpornością na zmęczenie cieplne, lepszą niż sferoidalne żeliwo wyjściowe użyte do jego wytworzenia (do obróbki cieplnej). 2) Przemiany niestabilnej termodynamicznie, ausferrytycznej osnowy towarzyszące procesowi zmęczenia cieplnego, które prowadzą do postępującej utraty wysokiej twardości żeliwa ADI, rozpoczynają się w stosunkowo wysokiej temperaturze. Temperatura początkująca rozpad ausferrytu jest na tyle wysoka, iż nie wyklucza możliwości zastosowania tego materiału na przemysłowe konstrukcje wykonywane dotychczas z innych materiałów (np. ze stali stopowych), konstrukcje szeroko stosowane w technice przemysłowej np. na formy metalowe do odlewania ciśnieniowego. 3) Żeliwo ADI z osnową ausferrytu dolnego charakteryzuje się inną odpornością na zmęczenie cieplne niż żeliwo ADI z osnową ausferrytu górnego. Pośrednio oznacza to, iż parametry obróbki cieplnej sferoidalnego żeliwa wyjściowego mogą mieć wpływ na odporność na zmęczenie cieplne żeliwa ADI. Wyniki zaplanowanych badan pozwolą określić odporność na zmęczenie cieplne w szerokim zakresie zmian temperatury nagrzewania. W oparciu o ich wyniki, jak wyniki badań uzupełniających obejmujące badania zmian struktury, zmian R m i HB, zostanie wyznaczona wartość maksymalna temperatury, do której mogą być nagrzewane konstrukcje pracujące w warunkach zmęczenia cieplnego, które zostały wykonane z żeliwa ADI. Pozwoli to także oszacować na ile, przy zachowaniu maksymalnej temperatury eksploatacji, żeliwo to straci swoje właściwości w stosunku do wyjściowych. Badania te mogą dać podstawy do opracowania zaleceń (standaryzacji) dotyczących zakresu zastosowań żeliwa ADI do pracy w warunkach zmęczenia cieplnego. Dowodzenie tez pracy będzie oparte na wynikach badań uzyskiwanych, których plan i zakres można zestawić następująco: 68

69 Wytypowanie składu żeliwa, opracowanie technologii i wytworzenie sferoidalnego żeliwa - wyjściowego do wytworzenia żeliwa ADI Badanie struktury i właściwości żeliwa wyjściowego, ocena jego przydatności, jako żeliwa bazowego do obróbki cieplnej, w celu wytworzenia żeliwa ADI Opracowanie parametrów prowadzenia obróbki cieplnej i wytworzenie żeliwa ADI - badanie jego struktury i właściwości Badanie odporności na zmęczenie cieplne wytworzonych gatunków żeliwa sferoidalnego, w tym żeliwa wyjściowego i żeliwa ADI. Ocena wpływu temperatury cykli cieplnych na odporność na zmęczenie cieplne badanych gatunków żeliwa Badanie zmian struktury i zmian właściwości mechanicznych żeliwa wyjściowego i żeliwa ADI wywołanych zmęczeniem cieplnym Badania uzupełniające - weryfikacja zachowania się żeliwa ADI w warunkach zmęczenia cieplnego w temperaturze, określonej, jako maksymalna (dopuszczalna). Ocena zmian struktury i zmian właściwości mechanicznych po wykonaniu długookresowego zmęczenia cieplnego w/w opisanych warunkach Podsumowanie badań, opracowanie wniosków końcowych. 69

70 Część badawcza 70

71 2.1. Wprowadzenie koncepcja badań Część badawcza pracy ma na celu przeprowadzenie badań, które pozwolą zweryfikować główne tezy pracy. Opisane w tej części rozprawy prace badawcze przeprowadzono dążąc do znalezienia odpowiedzi na najważniejsze pytanie; czy żeliwo ADI może być dobrym materiałem na konstrukcje pracujące w warunkach zmęczenia cieplnego. Dowodzenie tak sformułowanego zadania odbywało się w kilku etapach. W pierwszym etapie wytworzono materiał wyjściowy dla uzyskania żeliwa ADI, tj. żeliwo sferoidalne o odpowiednio dobranym składzie. Dla weryfikacji jakości materiału wyjściowego, dokonano oceniony jego struktury i właściwości. W dalszej kolejności przygotowano materiał (zgrubnie obrobione próbki) do obróbki cieplnej w celu wytworzenia żeliwa ADI. Drugi etap prac obejmował wykonanie zaplanowanej obróbki cieplnej próbek, której celem było wytworzenie dwóch gatunków żeliwa ADI o skrajnie odmiennych właściwościach mechanicznych: jeden gatunek o wysokiej wytrzymałości (umiarkowanej plastyczności), drugi o umiarkowanej wytrzymałości i wysokiej plastyczności. Na tym etapie pracy oceniono strukturę i właściwości wytworzonego żeliwa ADI. W trzecim, ostatnim etapie prowadzono najważniejsze dla dowodzenia tezy pracy ocenę odporności na zmęczenie cieplne obu, wytworzonych gatunków żeliwa ADI, jak również sferoidalnego żeliwa wyjściowego. W pracy wykonano również szereg badań uzupełniających, obejmujących analizę zjawisk towarzyszących procesowi zmęczenia cieplnego w tym; badania zmian struktury, właściwości mechanicznych, analizy stanu naprężeń towarzyszących opisywanemu procesowi i inne wspomagające wnioskowanie. Całość badań podsumowano w osobnym rozdziale i postawiono wnioski z ich analizy i wyników. 71

72 2.2. Przygotowanie żeliwa sferoidalnego (materiału wyjściowego) Założono, że badaniom należy poddać dwa rodzaje żeliwa. Jedno z wysokim wydłużeniem i mniejszą wytrzymałością, a drugie z niskim wydłużeniem i wysoką wytrzymałością. Wstępnie określono, że należy wytworzyć żeliwo ADI - EN-GJS oraz ADI - EN-GJS Wytworzenie tych gatunków żeliwa ADI wymaga użycia do procesu hartowania izotermicznego żeliwa sferoidalnego o osnowie najkorzystniej czysto perlitycznej i o zwiększonej hartowności. Aby uzyskać te cechy żeliwa do jego składu wprowadzono, w dobranej ilości, dodatki stopowe: Ni, Mo, Cu. Wytopione żeliwo odlano w postaci wlewków próbnych typu Y o grubości g=25mm (rys. 2.1). Dla zachowania wysokiej zdolności do grafityzacji żeliwa przyjęto, iż wyjściowe żeliwo będzie mieć skład lekko nadeutektyczny (CE 4,4), co jest możliwe do osiągnięcia przy zawartości węgla C 3,60 % i krzemu Si 2,5 %. Wytypowane żeliwo wyjściowe można zakwalifikować, jako EN-GJSNi1,5MoCu, jego zakładany skład zamieszczono w tabeli 2.1. Rzeczywisty skład chemiczny otrzymany z wytopu podano w tabeli 2.5. Rys Formy wlewków typu Y przygotowane do zalewania Tab Zakładany skład chemiczny wyjściowego żeliwa EN-GJSNi1,5MoCu Skład chemiczny żeliwa [%] C Mn Si P S Ni Mo Cu Mg min 3,5 0,0 2,4 0,00 0,00 1,4 0,3 0,6 0,04 max 3,8 0,3 2,6 0,05 0,03 1,6 0,5 0,8 0,08 72

73 2.3. Wytworzenie żeliwa sferoidalnego EN-GJSNi1,5MoCu Wytapianie wyjściowego żeliwa EN-GJSNi1,5MoCu odbyło się w 1-tonowym piecu indukcyjnym. Do prób przygotowano około 350 kg żeliwa. Ze względu na małą ilość odlewanego materiału i spust do kadzi o pojemności 1 tony (rys. 2.2) założono, że spust z pieca odbędzie się z temperatury 1500 C. Rys Kadź zabiegowa przygotowywana do spustu żeliwa Do wytapiania żeliwa użyto materiałów wsadowych podanych w tabeli 2.2. Tab Zestawienie udziałów materiałów wsadowych Materiał wsadowy Masa [kg] Udział [%] Surówka specjalna LS ,15 Złom klasy W ,71 Nikiel katodowy 5 1,43 Żelazo molibden 2 0,57 Żelazo krzem 2 0,57 Złom miedzi 2 0, kg 100 Skład chemicznych zastosowanych materiałów podano w tabeli 2.3. Po załadowaniu pieca indukcyjnego rozpoczęto wytop żeliwa. Roztapiając metal uzyskano wstępny skład chemiczny, który skorygowano dodając nawęglacz 0,5 kg, nikiel katodowy 0,5 kg, złom miedzi 0,5 kg. Po uzupełnieniu wsadu, kąpiel metalową przegrzano do temperatury 1500 C 73

74 i po krótkim przetrzymaniu w tej temperaturze dokonano spustu żeliwa do kadzi zabiegowej (rys. 2.3a,b). Surówka Ls1111 Żelazo - molibden FeMo Żelazo krzem FeSi Zaprawa magnezu FeSiMg6 Modyfik. FeSiBa Nikiel katodowy Złom miedzi C [%] Tab Procentowy skład chemiczny materiałów wsadowych Mn Si P S Ni Mo Cu Al. [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] 4,485 0,022 0,55 0,048 0, ,78 0,03 0,05-70, ,17-74,80 0,04 0, , , ,51 1,13-6,0 Ca [%] Ba [%] , ,23 1,72 5, , Mg [%] Przed spustem żeliwa na dno kadzi wprowadzono modyfikator MB6 (stanowił on 0,71% w stosunku do ilości metalu) oraz sferoidyzator FeSiMg6 w ilości 2,57% na całkowitą ilość metalu. Zabieg sferoidyzacji przeprowadzono w kadzi odkrytej metodą Sandwich. a) b) Rys Obróbka pozapiecowa żeliwa: a) spust z pieca, b) mieszanie kąpieli po spuście 74

75 Po spuście do kadzi całości żeliwa i wymieszaniu kąpieli zmierzono temperaturę metalu, a następnie pobrano próbę do analizy chemicznej. Tak przygotowane żeliwo rozlano do wlewków typu Y (rys. 2.4). Rys Zalane ciekłym żeliwem wlewki próbne typu Y Cały proces rozlewania żeliwa trwał 9 min i 30 sek. W tabeli 2.4 przedstawiono czasy poszczególnych operacji i odpowiadające im temperatury metalu. Tab Czas poszczególnych operacji podczas zalewania Czas [min] Operacja Temperatura [ C] 0`0 Spust z pieca `57 Pomiar temperatury po spuście z pieca `8 Zalanie1 wlewka typu Y `19 Zalanie 12 wlewka typu Y `34 Zalanie 25 wlewka typu Y `30 Zalanie 32 wlewka typu Y 1331 Skład chemiczny uzyskanego żeliwa EN-GJSNi1,5MoCu zestawiono w tabeli 2.5. W tabeli nie zamieszczano zawartości pierwiastków śladowych, a przedstawiony poniżej skład chemiczny obejmuje najważniejsze pierwiastki. Odpowiada on składowi założonemu do osiągnięcia, który przedstawiono w tabeli 2.1. Tab Skład chemiczny wytworzonego żeliwa EN-GJSNi1,5MoCu Uzyskany skład chemiczny żeliwa [%] C Mn Si P S Cr Ni Mo Cu Mg 3,56 0,20 2,4 0,039 0,014 0,02 1,4 0,31 0,6 0,04 75

76 2.4. Sferoidyzacja, modyfikacja żeliwa, metoda Sandwich a) Metoda Sandwich Sferoidyzator wprowadzany do żeliwa stosowany jest w celu zmiany postaci wydzieleń grafitu, a modyfikator - w celu zwiększenie zdolności żeliwa do grafityzacji i uzyskania większej liczby komórek eutektycznych, zmniejszenia ich wymiarów. Jedną z technik sferoidyzacji jest metoda Sandwitch, która polega na warstwowym ułożeniu na dnie kadzi zabiegowej zapraw sferoidyzująco - modyfkujących. Zgodnie z idea tej techniki, na samo dno kadzi wprowadzono odmierzona ilość modyfikator FeSiBa (MB6) tworząc pierwszą warstwę (rys. 2.5a). Drugą warstwę utworzono ze sferoidyzatora niskomagnezowej zaprawy FeSiMg6 (rys. 2.5b). Niekiedy, stosuję się również trzecią warstwę, którą najczęściej stanowią wióry żeliwne. Trzecia warstwa ma za zadanie opóźnienie momentu rozpoczęcia rozpuszczania zaprawy magnezowej, co pozwala zwiększyć stopień przyswojenia magnezu. W tym wypadku jednak zrezygnowano z tej warstwy. b) Modyfikacja Do modyfikacji żeliwa zastosowano modyfikator barowy MB6 (FeSiBa). Użyto go w ilości 0,71% w stosunku do masy wsadu ciekłego metalu. Modyfikator wprowadzono na dno kadzi, a następnie przykrywano go warstwą zaprawy magnezowej. Wielkość ziaren modyfikatora mieściła się w zakresie 3 6 mm. Po spuście, podczas obróbki pozapiecowej żeliwa, nie stosowano wtórnej modyfikacji. Dodatek baru, wprowadzony, jako składnik modyfikatora, miał za zadanie spowodować wydłużenie czasu trwania efektu modyfikacji i z tego powodu zrezygnowano z modyfikacji wtórnej. c) Sferoidyzacja Podczas obróbki pozapiecowej ciekłego metalu do sferoidyzacji żeliwa użyto zaprawy FeSiMg6 w ilości 2,57% na masę wsadu. Ilość zaprawy została określona w oparciu o doświadczenia odlewni w tym zakresie jak i w oparciu o wyliczenia - na podstawie składu żeliwa (zawartość siarki) i zawartość magnezu w zaprawie. Zaprawa została umieszczona na dnie kadzi. Dodatek był wprowadzony na utworzoną wcześniej warstwę z modyfikatora MB6. Wadą tej metody sferoidyzacji jest duża skłonność do wypływania na powierzchnię nie- 76

77 rozpuszczonych cząstek sferoidyzatora i konieczność mechanicznego mieszania kąpieli metalowej w kadzi oraz bardzo duży stopień utleniania magnezu. a/ modyfikator jako pierwsza warstwa b/sferoidyzator jako druga warstwa Rys Przygotowanie kadzi zabiegowej do procesu sferoidyzacji żeliwa 77

78 2.5. Właściwości otrzymanego żeliwa wyjściowego Po odlaniu wlewków typu Y i wykonaniu z nich odpowiednich próbek, przystąpiono do przeprowadzania badań wytrzymałościowych i nieniszczących w celu oceny jakości wytworzonego żeliwa. W pierwszej kolejności przeprowadzono nieniszczące badania ultradźwiękowe żeliwa, których celem była ocena postaci wydzieleń grafitu. W drugiej kolejności przeprowadzono badania mechaniczne, w celu określenia: wytrzymałości na rozciąganie (R m ), umownej granicy plastyczności (R p0,2 ), wydłużenia (A 5 ), udarności (KV) i twardości (HB). Przeprowadzono również badania mikrostruktury przy użyciu mikroskopu optycznego. Próbki poddawane badaniom nieniszczącym, wytrzymałościowym i badaniom mikrostruktury były wykonywane z wlewków próbnych odlanych w: początkowej fazie rozlewania, w środkowej i na końcu procesu rozlewania żeliwa z kadzi. Kolejne wlewki oznaczono odpowiednio numerami: 1; 12; i 25 (rys. 2.6). Oznaczenia przedstawiają: początek, środek i koniec rozlewania żeliwa. Rys Próby do badań wytrzymałościowych obcięte z wlewków typu Y Badania ultradźwiękowe Badania ultradźwiękowe należą do badań podstawowych prowadzonych dla oceny stopnia sferoidyzacji żeliwa, rozumianej, jako udział postaci kulkowych w całkowitej ilości wydzieleń grafitu w badanym żeliwie. Im większa ilość kulkowej postaci tym większa prędkość fali ultradźwiękowej. Na ogół przyjmuje się, iż żeliwo sferoidalne powinno charakteryzować się prędkością fali podłużnej spełniającą warunek: C L > 5600 m/s. Badania przeprowadzono przy użyciu defektoskopu MB4S pokazanego na rysunku 2.7a i b. Wyniki badań są zamieszczone w tabeli 2.6. Żeliwo z wlewków odlanych po około 4 i 78

79 po 6 minutach od momentu sferoidyzacji charakteryzuje się prędkością C L 5800 m/s, natomiast w próbkach z końcowej fazy zalewania (po 8,5 minutach) cechują prędkość nieco niższa (C L 5650 m/s). Widać, iż w trakcie rozlewania trwającego około 10 minut część magnezu wyparowała, co spowodowało pogorszenie jakości wydzieleń grafitu. a/ Defektoskop ultradźwiękowy MB4S b/ wykonanie pomiarów prędkości fali C L Rys Stanowisko badań ultradźwiękowych Tab Prędkość rozchodzenia się fali w próbkach żeliwa Początek rozlewania Środek rozlewania Koniec rozlewania C oś I [m/s] C oś II [m/s] C średnia [m/s] Badania właściwości mechanicznych W drodze badań określono następujące wskaźniki właściwości mechanicznych żeliwa: twardość (HB), wytrzymałość na rozciąganie (R m ), umowną granicę plastyczności (R p0,2 ), wydłużenie (A 5 ) oraz udarność (KV). Do oznaczenia tych wskaźników zastosowano klasyczne próby wytrzymałościowe (rys. 2.8). Próbki do badań udarności zostały wycięte z tych samych wlewków, co do badań wytrzymałościowych. Wyniki pomiarów zestawiono w tabeli

80 Rys Próbki przygotowane do badania właściwości mechanicznych Tab Wyniki badań właściwości mechanicznych żeliwa sferoidalnego Początek Środek rozlewania rozlewania Twardość HB Umowna granica plastyczności R p0,2 [MPa] Koniec rozlewania Wytrzymałość R m [MPa] Wydłużenie A 5 [%] 3,0 3,7 4,7 Udarność KV śr. [ J/cm² ] 4,3 3,8 4,0 Uzyskane żeliwo charakteryzuje się podwyższoną twardością HB, co powodowane jest obecnością perlitotwórczych dodatków stopowych, które zwiększają również dyspersje perlitu. Oba te działania sprzyjają podwyższeniu HB. Wytrzymałość na rozciąganie R m mieści się w przedziale MPa i jest zbliżona we wszystkich próbkach (pobranych z wlewków odlanych na początku i końcu rozlewania). Umowna granica plastyczności R p0,2 stanowi około od 68 do 72% wytrzymałości na rozciąganie i jest to zależność typowa dla żeliwa sferoidalnego Badania mikrostruktury Badaniach wytworzonego żeliwa sferoidalnego EN-GJSNi1,5MoCu obejmują również określenie jego mikrostruktury. Z części walcowych próbek do badań wytrzymałościowych przygotowano próbki do badań mikrostruktury. Ocenę struktury, zgodnie z obowiązująca w tym zakresie normą, przeprowadzono na próbkach nietrawionych dla oceny wydzieleń grafitu (rys. 2.10, 2.13, 2.16) i na próbkach trawionych Nitalem (MiFe) dla oceny i klasyfikacji osnowy metalowej (rys , , ). Mikrostrukturę żeliwa 80

81 określono na podstawie wydzieleń grafitu i cech osnowy metalowej metodą wizualna, porównując mikrostrukturę widoczną pod mikroskopem optycznym (rys. 2.9) z wzorcami zamieszczonymi w normach PN-75/H oraz PN-EN ISO 945:1999. Ocenę cech wydzieleń grafitu, przeprowadzono przy powiększeniu 100x - zgodnie z powyższą normą, a ocenę cech osnowy metalowej - przy powiększeniu 100x i 500x, również zgodnie z normą. Wyniki oceny struktury badanego żeliwa zamieszczono w tabelach 2.8 i 2.9. Rys Stanowisko mikroskopowe do badań metalograficznych Rys Wydzielania grafitu w próbce z początkowej fazy rozlewania - zgład nietrawiony, pow. 100x 81

82 Rys Mikrostruktury żeliwa w próbce z początkowej fazy rozlewania - zgład trawiony, pow. 100x Rys Mikrostruktury żeliwa w próbce z początkowej fazy rozlewania - zgład trawiony, pow. 500x Rys Wydzielania grafitu w próbce ze środkowej fazy rozlewania - zgład nietrawiony, pow. 100x 82

83 Rys Mikrostruktury żeliwa w próbce ze środkowej fazy rozlewania - zgład trawiony, pow. 100x Rys Mikrostruktury żeliwa w próbce ze środkowej fazy rozlewania - zgład trawiony, pow. 500x Rys Wydzielania grafitu w próbce z końcowej fazy rozlewania - zgład nietrawiony, pow. 100x 83

84 Rys Mikrostruktury żeliwa w próbce z końcowej fazy rozlewania - zgład trawiony, pow. 100x Rys Mikrostruktury żeliwa w próbce z końcowej fazy rozlewania - zgład trawiony, pow. 500x Opis mikrostruktur: Zgodnie z normami PN-75/H oraz PN-EN ISO 945: 1999 opis przedstawionych na zdjęciach mikrostruktur badanego żeliwa przedstawia się następująco: a) Wydzielenia grafitu Zgodnie z oczekiwaniem dominującą postacią (kształtem) wydzieleń jest grafit kulkowy regularny. Tylko w niewielkiej ilości około 2% występuje grafit nieregularny. Pełny opis wydzieleń grafitu w próbkach z poszczególnych faz rozlewania żeliwa zawarto w tabeli 2.8. Prowadzenie badań próbek z poszczególnych faz rozlewania żeliwa do kolejnych form wlewków próbnych wynika z obaw, czy podczas rozlewania trwającego około 10 minut nie doszło do częściowego zaniku efektu sferoidyzacji. Przeprowadzone badania wykluczają te 84

85 obawy, co daje podstawy do wykorzystania w dalszych badaniach wszystkich wlewków odlanych z przygotowanego żeliwa sferoidalnego. Grafit regularny Tab Klasyfikacja wydzieleń grafitu w próbkach Grafit nieregularny Początek rozlewania Środek rozlewania Koniec rozlewania Kształt Ilość Rozmieszczenie Klasa Kształt Ilość Rozmieszczenie Klasa VI 98 % A 6 V 2 % A 6 VI 98 % A 6 V 2 % A 6 VI 98 % A 6 V 2 % A 6 b) Osnowa metalowa Jak jest to widoczne na zamieszczonych zdjęciach mikrostruktury, badane żeliwo posiada osnowę perlityczno ferrytyczna, z dominacją perlitu. Szczegółowy opis osnowy zawarto w tabeli 2.9. Uzyskano strukturę żeliwa wyjściowego zgodną z przyjętymi w pracy założeniami tj. strukturę z dominująca osnową perlityczną i tylko niewielką ilością wydzieleń ferrytu wokół grafitu kulkowego. Tab Charakterystyka cech osnowy metalowej żeliwa sferoidalnego w próbkach typu Y Postać osnowy Ilość Klasa Stopień dyspersji Reszta Początek rozlewania Środek rozlewania Koniec rozlewania Perlit płytkowy 90 % P85 Pd0,5 Ferryt 10% Perlit płytkowy 80 % P85 Pd0,5 Ferryt 20% Perlit płytkowy 80 % P85 Pd0,5 Ferryt 20% c) Oznaczenia struktury żeliwa w zapisie wg. normy Początek rozlewania: 98%VIA6 + 2%VA6 Pf1 P85 Pd0,5 Fe 10 Środek rozlewania: 98%VIA6 + 2%VA6 Pf1 P85 Pd0,5 Fe 20 Koniec rozlewania: 98%VIA6 + 2%VA6 Pf1 P85 Pd0,5 Fe 20 85

86 2.6. Przygotowanie materiału do obróbki cieplnej Obróbka cieplna zawsze jest łatwiejsza wtedy, gdy obiekt (odlew) jej poddawany jest mniejszy, ma mniejszą grubość ścianek. Łatwiej wtedy uzyskać na całej grubości w miarę równomierna i jednakowa strukturę. Kierując się ta zasadą postanowiono wstępnie obrobić mechanicznie próbki, które w dalszej części pracy będą wykorzystywane w badaniach zmęczenia cieplnego, czy też w badaniach właściwości mechanicznych żeliwa ADI. Po odcięciu nadlewów, z pozostałej części odlanych wlewków próbnych typu Y, wykonano próbki w kształcie wałków o średnicy ~Ø 17mm (rys. 2.19) przeznaczonych do obróbki cieplnej. Materiał ten, po obróbce cieplnej i uzyskaniu żeliwa ADI, będzie wykorzystywany do wykonana próbek do badań właściwości mechanicznych, struktury, itp. Z części próbek o średnicy ~Ø 17mm, po pocięciu na odcinki o długości L = 60mm, przygotowano próbki do badań zmęczenia cieplnego. Próbki do badań zmęczeniowych mają na całej długości niewielki otwór (Ø 3,2 mm). Istniała obawa, iż po obróbce cieplnej, z uwagi na zwiększenie twardości żeliwa ADI, mogą być trudności z wykonaniem tak małego otworu. Dlatego, przed obróbka cieplna wykonano już ten otwór, a na średnicy zewnętrznej pozostawiono naddatek (około 2mm) na obróbkę wykańczającą (rys. 2.20). Rys Wałki do obróbki cieplnej wykonane z żeliwa wyjściowego z wlewków typu Y Rys Próbki do badań zmęczenia cieplnego (z naddatkiem na obróbkę wykańczającą) przygotowane do obróbki cieplnej dla uzyskania żeliwa ADI 86

87 2.7. Obróbka cieplna żeliwa wyjściowego EN-GJSNi1,5MoCu wytworzenie żeliwa ADI Obróbka cieplna próbek była ostatnim etapem procesu, dzięki któremu otrzymano żeliwo ADI w próbkach przeznaczonych do dalszych badań, głównie badań zmęczenia cieplnego. Przebieg tej operacji technologicznej decydował o właściwościach otrzymanego żeliwa. Z technicznego punktu widzenia bardzo ważne było także odpowiednie ułożenie próbek podczas obróbki cieplnej tak, aby wszystkie były w równym czasie nagrzewane i chłodzone. Naturalnie ważnym było odpowiednie dobranie temperatury i czasu asutenityzacji oraz temperatury hartowania izotermicznego. Każdy parametr i każdy element hartowania z przemiana izotermiczną żeliwa ma wpływ, na jakość uzyskanego żeliwa, w tym również odpowiednio szybkie wykonanie hartowania po zakończeniu austenityzacji Oprzyrządowanie do obróbki cieplnej próbek W celu ułatwienia wykonania obróbki cieplnej partii próbek pokazanych na rysunku 2.20, skonstruowano specjalny przyrząd (koszyk) pozwalający na równooddalone rozmieszczenie próbek w przestrzeni grzewczej pieca (rys. 2.21) i przestrzeni wanny hartowniczej. Miał on na celu spowodować, aby wszystkie próbki były jednakowo poddane austenityzacji i hartowaniu i aby nie stykały się z sobą oddziałując na siebie wzajemnie. Jednakowe nagrzewanie pozwoliło otrzymać żeliwo o takich samych właściwościach bez względu na rozłożenie w koszyku. Koszyk wykonano ze stali żaroodpornej H25T. Rys Koszyk do austenityzacji i hartowania izotermicznego próbek żeliwa 87

88 Austenityzacja a) Badania dylatometryczne Wyznaczenie czasów austenityzacji może być wykonane na kilka sposobów. Sam czas potrzebny do osiągnięcia pełnej austenityzacji osnowy żeliwa sferoidalnego zależy od jego składu chemicznego i temperatury procesu. Natomiast czas nagrzewania wstępnego, potrzebny do osiągniecia w całej objętości odlewu (konstrukcji) jednakowej temperatury, w której realizuje się proces zależy od grubości ścianek (ich modułu). Proces austenityzacji nie powinien być zbędnie wydłużany, bo to podnosi koszty wytwarzania żeliwa ADI i prowadzi do zbędnego rozrastania się warstwy utlenionej. Może również prowadzić do rozrostu ziaren. Przebudowa struktury wyjściowej z perlityczno - ferrytycznej w austenityczną wiąże się ze zmianami wymiarowymi, przyrostem długości wymiarów liniowych. Tak długo jak długo trwa proces przebudowy struktury, tak długo zwiększają się wymiary liniowe przedmiotu. Na podstawie zapisu zmian wymiarowych można określić realny czas trwania procesu austenityzacji. Zmiany wymiarowe występują również podczas hartowania izotermicznego, tworzenia się ausferrytu. Tam również występuje przyrost objętości (zwiększenie wymiarów) obrabianego cieplnie elementu. W celu wyznaczenia czasów niezbędnych do zapewnienia pełnej przemiany struktury, pełnej austenityzacji i tworzenia struktury ausferrytu, wykonano badania dylatometryczne żeliwa wyjściowego poddanego austenityzacji w temp. 900 o C i hartowaniu z przemianą izotermiczną w temperaturze 380 o C i 300 o C. Wyniki tych badań zamieszczono na rysunkach Opis metodyki badań i samego stanowiska przedstawiono między innymi w publikacji [117]. Badania do niniejszej pracy prowadzono na tym samym stanowisku badawczym. Przeprowadzone badania pozwoliły stwierdzić, że dobrane czasy obróbki cieplnej są prawidłowe i nie wydłuża nadmiernie procesu obróbki cieplnej. 88

89 Rys Przebieg zmian wymiarów próbki żeliwa wyjściowego EN-GJSNi1,5MoCu poddanego astenityzacji (900 o C) i hartowaniu izotermicznemu ( 380 o C i 300 o C) Rys Czas inkubacji badanych próbek podczas procesu ausferrytyzacji 89

90 Rys Względne zmiany wymiarowe w procesie ausferrytyzacji b) Przebieg obróbki cieplnej przygotowanego materiału Obróbkę cieplną próbek z żeliwa EN-GJSNi1,5MoCu przeprowadzono w Odlewniach Polskich w Starachowicach, dzięki przychylności władz firmy. Cały zabieg przeprowadzono na próbkach do zmęczenia cieplnego wstępnie obrobionych mechanicznie (rys. 2.20) oraz na wałkach (rys. 2.19) i próbach do badań wytrzymałościowych, przygotowanych także z pewnym naddatkiem na końcową obróbkę mechaniczną. Próby wytrzymałościowe posłużyły później do określenia właściwości otrzymanego żeliwa. Zabieg obróbki cieplnej składał się z austenityzacji i hartowania izotermicznego. Stanowisko do obróbki cieplnej było złożone z: pieca oporowo-komorowego do austenityzacji, wanny solnej do realizacji przemiany izotermicznej oraz ze stanowiska do obmywania próbek z solanki. Mając na uwadze badania dylatometryczne oraz wielkość próbek i ich grubość ścianek założono wstępnie, że austenityzowanie przeprowadzi się w temperaturze 900 C przez okres 2 godzin. Wykres czasowo-temperaturowy austenityzacji pokazano na rys Austenityzowanie dla obu gatunków żeliwa ADI prowadzono w tej samej temperaturze. 90

91 Rys Przebieg czasowo temperaturowy austenityzacji żeliwa sferoidalnego dla wytworzenia ADI - EN-GJS i ADI - EN-GJS Próbki przygotowane do obróbki cieplnej włożono do pieca wtedy, gdy jego temperatura osiągnęła wartość około 600 C. Po włożeniu do pieca wszystkich próbek wraz z koszykiem rozpoczęto proces najpierw podwyższania, a następnie utrzymania temperatury, wg. założonego schematu - przez dwie godziny. Gdy dobiegł do końca czas wytrzymania, nastąpiło przełożenie do kąpieli solnej koszyka z próbkami do badań zmęczenia cieplnego oraz próbek przygotowanych do badań wytrzymałościowych. Na tym zakończono proces austenityzowania i przystąpiono do hartowania izotermicznego Hartowanie izotermiczne Przed rozpoczęciem hartowania założono, że zabieg przeprowadzony będzie w dwóch wariantach. Pierwszy wariant z hartowaniem w temperaturze 300 C przez dwie godziny, co powinno pozwolić otrzymać żeliwo ADI - EN-GJS , o wysokiej wytrzymałości i obniżonej plastyczności. W drugim wariancie zastosowano obróbkę w temperaturze 380 C również przez dwie godziny. Zakładano, iż to pozwoli na otrzymanie żeliwa ADI - EN-GJS-800-8, o wysokiej plastyczności i umiarkowanej wytrzymałości. Oba hartowania były poprzedzone austenityzacją w temperaturze 900 o C przez dwie godziny. Rozpoczęcie zabiegu hartowania izotermicznego w soli nastąpiło niezwłocznie po zakończeniu austenityzacji. Koszyk z próbkami oraz próby do badań wytrzymałości i 91

92 przygotowane wałki przełożono do wanny z nagrzaną do zadanej temperatury solanką. Wytrzymanie próbek w solance przebiegało przez okres dwóch godzin. Po zakończeniu zabiegów obróbki cieplnej, całość obrabianego cieplnie materiału wyjęto z solanki, obmyto i pozostawiono do schłodzenia do temperatury otoczenia. Podczas obróbki cieplnej należy pamiętać o zachowaniu pewnych zasad w zakresie proporcji masy próbek do masy kąpieli solnej. Stosunek hartowanego materiału do ilości solanki, nie powinien przekraczać 1:10. Przekroczenie powyższej proporcji spowoduję, że próbki nie będą zahartowane na wskroś lub będzie to w stopniu nierównomiernym i niejednakowym dla wszystkich. Na rysunkach pokazano przebiegi obróbki cieplnej stosowane w celu otrzymania żeliwa ADI - EN-GJS i ADI - EN-GJS Rys Pełny przebieg obróbki cieplnej przy wytwarzaniu żeliwa ADI - EN-GJS Rys Pełny przebieg obróbki cieplnej przy wytwarzaniu żeliwa ADI EN-GJS

93 2.8. Ocena wytworzonego żeliwa ADI Po otrzymaniu właściwego materiału do badań zmęczenia cieplnego przeprowadzono jego ocenę i zakwalifikowano do odpowiedniego gatunku według normy PN-EN 1564: Ocenę właściwości przeprowadzono na próbach wytrzymałościowych poddanych opisanej obróbce cieplnej. Badania oparto na wynikach pomiaru wytrzymałości, twardości i wydłużenia Badania właściwości mechanicznych Badania wytrzymałościowe były jednym ze sposobów oceny jakości wytworzonego żeliwa ADI. Miały one dać podstawy do zakwalifikowania materiału do odpowiedniego gatunku żeliwa według normy PN-EN 1564: Tak, jak przy badaniach wyjściowego żeliwa sferoidalnego wyznaczono podstawowe właściwości wytrzymałościowe. Dla obu wytworzonych gatunków określono wytrzymałość na rozciągania (R m ), umowną granicę plastyczności (R p0,2 ), twardość (HB) oraz wydłużenie (A 5 ). Po porównaniu uzyskanych wyników z danymi zawartymi w normie stwierdzono, że wytworzone gatunki żeliwa formalnie można zakwalifikować, jako żeliwo ADI - EN-GJS oraz ADI - EN-GJS Wartości wyznaczonych wskaźników właściwości mechanicznych przedstawiono w tabeli Tab Właściwości mechaniczne żeliwa ADI - EN-GJS i ADI - EN-GJS EN-GJS EN-GJS Twardość HB Umowna granica plastyczności R p0,2 [MPa] Wytrzymałość R m [MPa] Wydłużenie A 5 [%] 4,6 7,9 Rzeczywista wytrzymałość żeliwa zakwalifikowanego, jako EN-GJS bliższa jest wartości 1400 MPa (niż 1200) podobnie jest z żeliwem zakwalifikowanym, jako ADI - EN-GJS Tutaj, nieco niższa niż 8% plastyczność, uniemożliwiała formalne zakwalifikowanie do wyższej grupy, jednak wytrzymałość jest również wysoka (1000 MPa). W pracy dążono do uzyskania dwóch różnych gatunków żeliwa ADI, i jak potwierdzają to wyniki badań, cel ten osiągnięto. 93

94 Badania struktury żeliwa ADI Badania struktury żeliwa ADI były kolejnym, ważnym etapem oceny jego jakości. Przeprowadzono je dla obu wytworzonych gatunków żeliwa. Badano osnowę metalową jak i postać grafitu. Wyniki oparto na porównaniu otrzymanych obrazów z wzorcami struktur opisanymi w normie. Obserwacje przeprowadzono na przygotowanych z próbek po obróbce cieplnej zgładach trawionych (rys ) i nietrawionych (rys ). Obserwację struktury trawionej prowadzono przy powiększeniu 100 i 500x. Obserwacje mikroskopowe przeprowadzono w celu określenia rodzaju osnowy metalowej uzyskanej po obróbce cieplnej wykonanej w dwóch wariantach. Wyniki badań dla obu gatunków żeliwa ADI przedstawiono w tabelach Opis mikrostruktur: Kwalifikacje i opis składników struktury badanych gatunków żeliwa ADI wykonano zgodnie z normami PN-75/H oraz PN-EN ISO 945: Uzyskano następujące wyniki: a) Postać wydzieleń grafitu Grafitem dominującym w żeliwie ADI - EN-GJS jest grafit kulkowy regularny. Opis przedstawia tabela 2.11, postać grafitu pokazano na rys Obróbka cieplna, zgodnie z oczekiwaniem, nie wpłynęła na wydzielenia grafitu, ani w zakresie ich kształtu ani też innych cech. Tab Klasyfikacja wydzieleń grafitu w próbkach żeliwa ADI (EN-GJS-800-8) Grafit regularny Grafit nieregularny Kształt Ilość Rozmieszczenie Klasa Kształt Ilość Rozmieszczenie Klasa VI 95 % A 6 V 5 % A 6 94

95 Rys Wydzielania grafitu w próbce żeliwa ADI (EN-GJS-800-8) - zgład nietraw., pow. 100x W przypadku żeliwa ADI - EN-GJS grafitem dominującym jest również grafit kulkowy regularny. Opis przedstawia tabela 2.12, postać grafitu pokazano na rys Grafit regularny Tab Charakterystyka wydzieleń grafitu w próbkach żeliwa ADI - EN-GJS Grafit nieregularny Kształt Ilość Rozmieszczenie Klasa Kształt Ilość Rozmieszczenie Klasa VI 95 % A 6 V 5 % A 6 Rys Wydzielania grafitu w próbce żeliwa ADI (EN-GJS ) - zgład nietraw., pow. 100x 95

96 b) Klasyfikacja osnowy metalowej żeliwa EN-GJS Żeliwo ADI EN-GJS posiada osnowę metalową zbudowana z ausferrytu górnego, z co najmniej kilkuprocentową ilością austenitu nieprzemienionego. W strukturze występują również, w niewielkich ilościach, wtrącenia niemetaliczne (rys ). Rys Mikrostruktury żeliwaen-gjs (po hartowaniu izoterm.) zgład traw. pow. 100x Rys Mikrostruktury żeliwa EN-GJS (po hartowaniu izoterm.) zgład traw. pow. 500x c) Klasyfikacja osnowy metalowej żeliwa EN-GJS Żeliwo ADI, zakwalifikowane jako ADI - EN-GJS , posiada nieco inną osnowę metalową: z dolnym ausferrytem, ze śladową ilością austenitu nieprzemienionego oraz z niewielką ilością wtrąceń niemetalicznych (rys ). Różnice w budowie mikrostruktury żeliwa ADI - EN-GJS i żeliwa ADI - EN-GJS sprowadzają się do 96

97 występowania innych odmian ausferrytu oraz występowania różnych ilości austenitu nieprzemienionego. W żeliwie ADI - EN-GJS wyraźnie mniej jest w strukturze austenitu nieprzemienionego (fazy ɤ). Rys Mikrostruktury żeliwa ADI - EN-GJS (po hartowaniu izoter.) zgład traw. pow. 100x Rys Mikrostruktury żeliwa ADI - EN-GJS (po hartowaniu izoter.) zgład traw. pow. 500x 97

98 2.9. Badania zmęczenia cieplnego Stanowisko do badania zmęczenia cieplnego W pracy, zgodnie z wcześniej przyjętą koncepcja, przeprowadzono badania zmęczenia cieplnego metodą L F. Coffina, czyli przy oporowym nagrzewaniu próbek w kształcie pręta z otworem w osi próbki. Stanowisko do badania zmęczenia cieplnego, na którym prowadzono badania znajduje się w Pracowni Technologii Formy Wydziału Odlewnictwa Akademii Górniczo Hutniczej w Krakowie. Samo stanowisko badawcze jest autorskim rozwiązaniem J. Zycha [16], opartym na koncepcji oporowego nagrzewania próbek, a więc jest odmianą metody L. F. Coffina. Ogólny wygląd stanowiska przedstawia rysunek Do badań zmęczenia cieplnego stosowane są próbki walcowe z gładkimi główkami (bez gwintu) do mocowania w uchwytach urządzenia. Wygląd próbki jak i jej wymiary pokazano na rysunkach 2.34 i Wzdłuż osi próbki wykonany jest otwór, który wykorzystywany jest do dodatkowego chłodzenia próbki przy użyciu sprężonego gazu (powietrza). Grubość ścianki wynosi około 1,5 mm, i jak wynika to z prac prowadzonych przez autora, zależy ona od rodzaju badanego stopu. Autor stanowiska prowadząc badania stopów tłokowych stosował wyraźnie mniejsze grubości ścianek. Zbyt duże przekroje próbek, przy ich nagrzewaniu oporowym, wymagają do ich rozgrzania stosowania bardzo dużych natężeń prądu (rzędu kilku tysiącu amper), co stwarza techniczne trudności realizacji długich sesji pomiarowych. Rys Kształt i wymiary próbki do badań Rys Bryła 3D próbki do badań 98

99 Istotnym elementem w budowie autorskiego stanowiska pomiarowego było wprowadzenie ruchomej szczęki (uchwytu próbki). Pokazano to na rysunkach 2.37 i Uzyskano dzięki temu możliwość prowadzenia badań materiałów z kontrolowanym stopniem wymuszenia cieplnych naprężeń i odkształceń. Pozwoliło to na ocenę wpływu dodatkowego czynnika, decydującego o przebiegu zmęczenia cieplnego badanych materiałów. Chodzi tu o wpływ wymuszonych naprężeń cieplnych na przebieg proces zmęczenia materiału. Dzięki temu rozwiązaniu istnieje możliwość prowadzenia badań, których wyniki pozwalają znaleźć odpowiedzi na pytanie, czy naprężenia cieplne wywołane w próbce cyklicznie nagrzewanej przyśpieszają przemiany fazowe w strukturze badanego materiału i w jakim stopniu. Badania zmęczenia cieplnego rozpoczyna się od mocowania próbki w uchwytach (szczękach) chłodzonych wodą. Jedna z tych szczęk jest nieruchoma, zajmuje stałą pozycję w stosunku do podstawy urządzenia. Drugi uchwyt próbki jest połączony z układem drążków odkształceniowych i podczas nagrzewania i chłodzenia może się przemieszczać, pokonując opór układu drążków (rys. 2.37). Dopóki próbka jest zimna nie powstają w niej żadne naprężenia. Nagrzewaniu próbki towarzyszy jej cieplne wydłużanie się i jednoczesne rozciąganie pary drążków odkształceniowych. W tym czasie w próbce rozwijają się naprężenia ściskające. Laserowy czujnik przemieszczenia umieszczony na końcu układu drążków mierzy i rejestruje wartości ich sprężystych odkształceń. Znając ich sztywność można, na podstawie zarejestrowanej wielkości odkształceń, wyznaczyć wartość naprężenia panującego w danej chwili w próbce. Jeśli podczas nagrzewania próbka doznała plastycznych odkształceń, to podczas chłodzenia powstają w niej naprężenia rozciągające. W takim przypadku, próbka od pewnej temperatury zaczyna rozciągać drugą parę drążków odkształceniowych. W trakcie cyklicznego nagrzewania, próbka w każdym cyklu podlega na przemian ściskaniu i rozciąganiu. Jednakże od pewnego etapu procesu zmęczeniowego w próbce mogą występować tylko naprężenia rozciągające [4, 16, 35]. 99

100 Rys Schemat oraz widok ogólny stanowiska do badań zmęczenia cieplnego: 1 rejestrator temperatury, 2 kontrolka zasilania, 3 kontrolka pracy,4 kontrolka okresu studzenia i grzania, 5 oświetlenie,6 licznik cykli (cyfrowy), 7 regulator, 8 włącznik główny,9 amperomierz, 10 włącznik, 11 gniazdo termopary, 12 szczęki mocujące próbkę, 13 transformator z regulacją,14 wyłącznik różnicowo -prądowy, 15 wyłącznik oświetlenia,16 układ chłodzenia uchwytów próbki, 17 próbka Rys Widok ogólny układu mocowani próbki na stanowiska do badań zmęczenia cieplnego: 1 próbka do badań zmęczenia cieplnego, 2 podstawa aparatu, 3 płyta tekstolitowa ( izolująca ), 4 szczęka nieruchoma, 5 szczęka pomocnicza, 6 szczęka ruchoma, 7 śruba dystansowa, 8 prowadnica, 9 drążki odkształceniowe, 10- przewody doprowadzające prąd, 11 czujnik pomiaru odkształcenia, 12 termoelement sterujący, 13 układ chłodzenia szczęk wodą 100

101 4 3 2 Rys Widok próbki umieszczonej w uchwytach (szczękach) urządzenia do badań zmęczenia cieplnego. 1- próbka, 2- szczęka stała, 3 -szczęka ruchoma, 4 układ chłodzenia 1 Liczba cykli naprzemiennego nagrzewania i chłodzenia jest zliczana i rejestrowana przez licznik cykli aż do momentu pęknięcia próbki. Pękniecie próbki powstaje wtedy, kiedy chwilowe, rozciągające naprężenia cieplne panujące w badanej próbce przekraczają chwilową wytrzymałość badanego materiału. Jak wykazał to autor [4, 16, 35] w procesie zmęczenia cieplnego wytrzymałość badanego materiału nieprzerwanie zmniejsza się. Zmianie podlegają również wartości powstających naprężeń. Tak więc, układ naprężenia w próbce chwilowa wytrzymałość badanego materiału jest układem niestabilnym, obie wielkości podlegają nieprzerwanym, dynamicznym zmianom w całym okresie cyklicznego nagrzewania. Podobny układ naprężenia wytrzymałość występuje np. w kokilach. Chłodzenie próbki podczas zmęczenia cieplnego następuje w wyniku odprowadzania ciepła z nagrzanej próbek do chłodzonych wodą uchwytów i może być wspomagane sprężonym powietrzem przepływającym przez otwór w próbce. Szczęki mocujące próbkę są chłodzone wodą. Opisane powyżej stanowisko badawcze umożliwia prowadzenie badań zmęczenia cieplnego różnych metali i stopów (żeliwo, stal, stopy metali nieżelaznych) w dowolnym wybranym zakresie temperatur cykli cieplnych. Dodatkowo stanowisko to, dzięki układom sterującym, w które jest wyposażone, daje możliwość generowania dowolnych kształtów cykli cieplnych oraz pozwala realizować badania przy wybranym stopieniu wymuszeń odkształceń cieplnych K. Wartość tego współczynnika można zmieniać w zakresie 0,5 1,0 przy czym K < 0,5 ma charakter zmęczenia materiału bliższy do klasycznego wysoko- 101

102 cyklowego zmęczenia mechanicznego, w którym odkształcenia plastyczne materiału nie są znaczące [4, 16, 35] Zmęczenie cieplne żeliwa EN-GJSNi1,5MoCu Ocenie odporności na zmęczenie cieplne poddano wszystkie wytworzone gatunki żeliwa: żeliwo sferoidalne (wyjściowe) oraz dwa gatunki żeliwa ADI. Chodziło o poznanie wpływu zmiany osnowy metalowej żeliwa sferoidalnego z osnowy perlitycznej na ausferrytyczną (żeliwo ADI) na jego odporność na zmęczenie cieplne. Wyniki tych badań opisano w kolejnych rozdziałach rozprawy. Badania odporności na zmęczenie cieplne przeprowadzono w pierwszej kolejności dla wyjściowego żeliwa sferoidalnego. Ich celem było uzyskanie wyników, które posłużyłyby w dalszej kolejności, jako odniesienie. Chodzi porównanie odporności na zmęczenia cieplne wytworzonego żeliwa ADI. Daje to szansę oceny, na ile zmiana struktury osnowy z perlitycznej na ausferryczną zmienia odporność żeliwa na zmęczenie cieplne. Do badań zmęczenia cieplnego żeliwa zastosowano metodę nagrzewania oporowego próbek, które, podobnie jak i stanowisko do badań pokazano i opisano w rozdziale Próbki są obustronnie utwierdzone i pozwalają przy ich cyklicznym nagrzewaniu realizować proces zmęczenia przy jednoosiowym stanie naprężeń. Cykl cieplny jest ustalany na dowolnie wybranym zakresie T min T max. Zakres zmian temperatury decyduje o poziomie naprężeń cieplnych i odkształceń materiału próbki w każdym pojedynczym cyklu cieplnym, jak również o liczbie cykli do chwili pęknięcia próbki. Liczba ta, jak zaznaczono wyżej jest miarą odporności na zmęczenie cieplne materiału realizowana w wybranych warunkach cieplno-naprężeniowych. Odporność na zmęczenie cieplne jest dla materiałów przeznaczonych do pracy przy zmiennej temperaturze najistotniejszą cechą i stanowi ocenę przydatności badanego tworzywa do pracy w warunkach obciążeń cieplnych. Uwaga ta naturalnie odnosi się zarówno do wyjściowego żeliwa sferoidalnego przeznaczonego do wytwarzania żeliwa ADI, jak i do uzyskanego w dalszej obróbce cieplnej samego żeliwa ADI. a) Rozkład temperatury Proces zmęczenia cieplnego jest wywoływany pod wpływem wielokrotnych cyklicznych zmian temperatury, wywołujących okresowo zmienne pole naprężeń, bez dodatkowego obciążenia zewnętrznymi siłami [4, 16, 35]. Proces ten jest związany z 102

103 rozpraszaniem się energii pękania, w wyniku plastycznych odkształceń zachodzących w materiale w trakcie każdego cyklu cieplnego. Odkształcenia te prowadzą do szybkiego powstania mikropęknięcia. Graniczna liczba cykli, które może wytrzymać dany materiał zależy w szczególności od zapasu jego energii i od wartości odkształceń plastycznych zachodzących w trakcie nagrzewania i chłodzenia. W procesie zmęczenia cieplnego sferoidalnego żeliwa wyjściowego czy też samego żeliwa ADI ważny jest również rozkład temperatury wzdłuż długości próbki. Cechą charakterystyczną badań zmęczenia cieplnego przy oporowym nagrzewaniu próbek prętowych jest niejednorodny, ale symetryczny, rozkład temperatury wzdłuż długości próbki. Przykładowy początkowy (pierwsze cykle) przebieg nagrzewania i stygnięcia pokazano na rysunku Rys Przebieg nagrzewania i stygnięcia próbki żeliwa EN-GJSNi1,5MoCu w zakresie temperatur T = C, pomiar w połowie długości próbki Nagrzewanie i stygnięcie jest kontrolowane automatycznie podczas całego trwania procesu zmęczeniowego. Chłodzenie próbki, po wyłączeniu nagrzewania, jest prowadzone poprzez dmuch powietrza i odprowadzenie ciepła do chłodzonych uchwytów próbki. Na rysunku 2.39 pokazano również, jak przedmuchiwanie powietrzem przyspiesza proces chłodzenia próbki, a przez to cały proces zmęczenia. Potwierdzenie stabilności utrzymania zadanego zakresu temperatury (cyklu cieplnego) przedstawiono rysunek Z pokazanego długotrwałego przebiegu nagrzewania i chłodzenia wynika potwierdzenie stabilność temperatury dla wszystkich cykli cieplnych. 103

104 Rys Przebieg kilkunastu cykli cieplnych nagrzewania żeliwa EN-GJSNi1,5MoCu, zakres temperatury T= C Przebieg nagrzewania i stygnięcia próbki jest bardzo ważny dla procesu zmęczenia. Symetryczność rozkładu temperatury w próbce jest istotną sprawą dla śledzenia zmian w materiale. Symetryczny przebieg rozkładu temperatury pozwala łatwo określić, jaka temperatura panuje w danym miejscu próbki. Sporządzono wykresy rozkładu temperatury, badając próbkę za pomocą termoelementów w kilku miejscach o określonym rozstawie (co 2 mm). Wyniki pomiarów sporządzono dla cykli cieplnych z zakresu , 675, 700, 750, 800 C. Zarejestrowane rozkłady temperatury pokazano na rysunku Wyniki te są wykorzystywane do określania wpływu temperatury cyklu na przebieg zmian struktury i twardości żeliwa. Należy zaznaczyć, że dolna temperatura cyklu była stała dla wszystkich zakresów cykli cieplnych. Inaczej mówiąc nie realizowano badań nad wpływem wartości T min na przebieg zmęczenia cieplnego. 104

105 Rys Rozkład temperatur wzdłuż długości próbki żeliwa EN-GJSNi1,5MoCu, zakres temperatur T = , 675, 700, 750, 800 C b) Wyniki zmęczenia cieplnego Przeprowadzono badania odporności na zmęczenie cieplnego żeliwa wyjściowego EN-GJSNi1,5MoCu. W ramach badań uzupełniających określono zmiany struktury żeliwa, które towarzyszą procesowi zmęczenia. Określono również przebieg zmian właściwości mechanicznych wywoływanych zmęczeniem cieplnym i przebudową struktury, w tym zmiany R m i HB. Badania zmęczeniowe prowadzono dla kilku zakresów temperatur, przy stałej T min = 200 C i T max w zakresie temperatury od 650 do 800 C (z krokiem co 10 stopni). Wyniki badań zamieszczono na rysunku Zwiększając maksymalna temperaturę cyklu przyśpiesza się proces zmęczenia cieplnego materiału. Narasta wielkość odkształceń sprężysto-plastycznych w pojedynczym cyklu cieplnym, co w konsekwencji prowadzi do przyśpieszenia fazy powstawania mikropęknięcia, a w końcowym efekcie prowadzi do pęknięcia próbki. Wpływ maksymalnej temperatury cyklu, jak wykazano to w wielu badaniach żeliwa (4, 16, 35 36, ), ma charakter potęgowy, z ujemnym wykładnikiem potęgi. W układzie półlogarytmicznym takie funkcje przyjmują charakter liniowy. Na rysunku 2.43, dla potwierdzenia tezy o charakterze wpływu T max, przedstawiono wyniki badań we wspomnianym układzie półlogarytmicznym z podaniem funkcji opisującej zależność liczby cykli cieplnych od T max.. 105

106 Rys Wpływ maksymalnej temperatury cyklu cieplnego na odporność na zmęczenie cieplne żeliwa EN-GJSNi1,5MoCu (T max = C) Rys Wpływ maksymalnej temperatury cyklu cieplnego na odporność na zmęczenie cieplne żeliwa EN-GJSNi1,5MoCu (wyniki w układzie półlogarytmicznym) c) Zmiany wytrzymałości Wyjściowe żeliwo sferoidalne posiada w swoim składzie dodatki stopowe stabilizujące perlit. Interesujące jest czy wprowadzone dodatki pozwalają ograniczyć proces 106

107 przebudowy struktury i związanej z nią wytrzymałości i twardości. Przeprowadzono badania nad przebiegiem zmian wytrzymałości żeliwa w miarę narastania liczby obciążeń cieplnych. Próbki poddawano zmęczeniu cieplnemu w zakresie temperatury T = C. Znając liczbę cykli, które wytrzymują próbki poddane zmęczeniu przy tym zakresie temperatury (rys i 2.43), próbki do badań zmian R m poddawano odpowiednio mniejszej liczbie nagrzewań. Proces zmęczenia przerywano przy liczbie cykli stanowiącej odpowiednio : 0,12, 0,42 i 0,72 liczby maksymalnej (N max ). Celem tych badań była ocena progresji zmian wytrzymałości i zmian strukturalnych w procesie zmęczenia cieplnego. Wybór górnej temperatury cyklu podyktowany był próbą oceny zmian struktury w sytuacji, kiedy maksymalna temperatura cyklu zbliża się do temperatury przemiany eutektoidalnej. Wyniki spadku wytrzymałości wywołanej zmęczeniem cieplnym pokazano na rysunku 2.44 oraz, w ujęciu bezwymiarowym, na rysunku Rys Wpływ liczby cykli cieplnych w procesie zmęczenia cieplnego na wytrzymałość żeliwa EN-GJSNi1,5MoCu 107

108 Rys Względny wpływ liczby cykli cieplnych na wytrzymałość żeliwa EN-GJSNi1,5MoCu, ujęcie bezwymiarowe, próbka zablokowana Z przeprowadzonych badań wynika, iż wytrzymałość na rozciągania żeliwa sferoidalnego spada, w miarę narastania liczby obciążeń cieplnych. Należy dodać, iż zmianie temperatury towarzyszą cykliczne zmiany naprężeń i odkształceń. Ten złożony proces cieplno-naprężeniowy prowadzi do zmian struktury (opisano poniżej) i zmian podstawowych właściwości mechanicznych. Z przebiegu spadków R m, widocznych na rysunku 2.45, daje się zauważyć, iż po pierwszym okresie dość dużych spadków, w drugiej fazie spadki są wolniejsze, a końcowa wytrzymałość zmierza do poziomu około 0,6 początkowej wytrzymałości badanego żeliwa sferoidalnego. Przebudowa struktury z perlitycznej na ferrytyczną oraz rozwój mikropęknięć skutkuje obniżeniem wytrzymałości. Zmęczenie cieplne zawsze i w każdym materiale prowadzi do rozwoju mikropęknięć, co dodatkowo przyśpiesza proces utraty wytrzymałości. d) Zmiany mikrostruktury Jak zaznaczono wcześniej badania strukturalne osnowy wykazują jej przebudowę podczas zmęczenia cieplnego od perlityczno-ferrytycznej (rys. 2.46a,b) do czysto ferrytycznej (rys. 2.48a,b) [ ]. 108

109 a/ b/ Rys Mikrostruktura wyjściowa żeliwa EN-GJSNI1,5MoCu stan wyjściowy a) pow. 100x b) pow. 500x Zmiany te jednak nie pojawiają się natychmiast, a zachodzą stopniowo, w miarę narastania liczby cykli cieplno-naprężeniowych. Szybkie nagrzewanie i stosunkowo szybkie stygnięcie niskostopowego żeliwa sferoidalnego, w pierwszej fazie procesu prowadzi do przemiany struktury perlitycznej w osnowę typową dla stanu po obróbce cieplnej. W osnowie pojawia się również bainit, który zastępuje osnowę perlityczną (rys. 2.47a,b). Ta nowa struktura nie jest trwała. Dalsze cykliczne nagrzewanie próbek, któremu towarzyszy oscylacja naprężeń naprzemiennie ściskająco rozciągających, powoduje rozpad osnowy bainitycznej i jej przebudowę w osnowę ferrytyczną (rys. 2.48a,b). Przebudowa rozpoczyna się w sąsiedztwie wydzieleń ferrytycznych. Dalszy postęp procesu zmęczeniowego prowadzi do pełnej ferrytyzacji osnowy, rys a/ b/ Rys Struktura żeliwa sferoidalnego EN-GJSNI1,5MoCu po 0,12% N max. cykli cieplnych w zakresie o C; a) pow. 100x b) pow. 500x 109

110 a/ b/ Rys Struktura żeliwa sferoidalnego EN-GJSNI1,5MoCu po 0,72% N max. cykli cieplnych w zakresie o C; widoczna pełna ferrytyzacja osnowy. a) pow. 100x b) pow. 500x Niestety wprowadzone dodatki stopowe (Mo, Ni, Cu), podnoszące odporność termiczną i odporność na zmęczenie cieplne żeliwa, przy stosunkowo niewielkiej ich zawartości, nie chronią struktury perlitycznej przed jej ferrytyzacją. Prawdopodobnie proces rozpadu perlitu przyspieszają naprężenia cieplne, które wywołują odkształcenia materiału. Odkształcenia mają charakter nie tylko sprężysty, ale i plastyczny. Teza o wpływie naprężeń na kinetykę przemiany struktury tego żeliwa wymaga jednak dowodu, który wykracza poza tematykę prezentowanej pracy. e) Zmiany twardości Za zmianami mikrostruktury obserwowanymi w procesie zmęczenia cieplnego podążają zmiany wytrzymałości i twardości żeliwa. Twardość, jak można było się spodziewać po obserwacji zmian mikrostruktury, ulega także obniżeniu. Jest to spowodowane ferrytyzacją osnowy i powstaniem fazy, która jest mniej wytrzymała. Rozłożenie twardości wzdłuż próbki jest ściśle związane z rozkładem faz mikrostruktury, a ten z kolei podąża za skalą nagrzewania próbki. W centralnej części próbki, gdzie temperatura osiąga wartości maksymalne i gdzie powstaje pękniecie zmęczeniowe, twardość jest najniższa (skutek pełnej ferrytyzacja osnowy). W główkach próbki, które nie są nagrzewane, twardość naturalnie nie ulega zmianie. Odpowiada ona twardości osnowy perlitycznej. Przykładowy rozkład twardości wzdłuż długości próbki pokazano na rysunku

111 Rys Rozkład twardości wzdłuż długości próbki żeliwa EN-GJSNi1,5MoCu, liczba cykli - N=6036 cykli, zakres temp. badania T = C Jak można zauważyć z rysunku 2.41 i 2.49, rozłożenie twardości żeliwa wzdłuż długości próbki ma charakter lustrzanego odbicia rozkładu wartości temperatury. W centralnej części próbki panuje najwyższa temperatura, która powodują najdalej zaawansowana przebudowę struktury osnowy w kierunku ferrytycznej, a ta z kolei pociąga za sobą znaczne obniżenie twardości. Oczywiście badając twardość w próbkach poddawanych zmęczeniu cieplnemu w różnych zakresach temperatury otrzymuje się różniące się od siebie przebiegi rozkładu twardości wzdłuż próbek, jednakże w każdym przypadku w centralnej części twardość jest zawsze najniższa. Rysunek 2.49 pokazuje, że już przy dużo niższej temperaturze niż temperatura przemiany eutektoidalnej, obserwuje się przebudowę struktury (ferrytyzacje) i spadek twardości Zmęczenie cieplne żeliwa ADI (EN-GJS-800-8) Głównym składnikiem osnowy metalowej żeliwa ADI (EN-GJS-800-8) jest ausferryt górny. Jest to mikrostruktura żeliwa sferoidalnego po hartowaniu z przemianą izotermiczną, składająca się z ferrytu w postaci igieł oraz termodynamicznie stabilnego austenitu, o wysokiej zawartości węgla. Ta stabilność termodynamiczna osnowy jest, jak to wskazuje niniejsza praca, zachowywana przy nagrzewaniu żeliwa do niezbyt wysokiej temperatury. 111

112 a) Rozkład temperatury Tak jak przy żeliwie wyjściowym, tak i w przypadku żeliwa ADI, wiodącą rolę w zmęczeniu cieplnym odgrywa temperatura. Rozkład temperatury wzdłuż długości próbki żeliwa ADI jest praktycznie taki sam jak dla żeliwa wyjściowego. Przykładowy rozkład temperatury wzdłuż długości próbki nagrzewanej w zakresie T = o C pokazano na rysunku Obraz ten uzyskano dzięki przymocowaniu (zgraniu z próbką) w równomiernych odstępach (co 2 mm) kilku termopar i zarejestrowaniu przebiegu zmian temperatury równocześnie, podczas cykli nagrzewania i chłodzenia. Przebieg cykli cieplnych w poszczególnych punktach pomiarowych pokazano na rysunku Znając rozkład temperatury, można w dalszej fazie badań śledzić zmiany struktury wzdłuż próbki, wywoływane cyklicznym nagrzewaniem i rejestrować je nie tylko w odniesieniu do maksymalnej temperatury, ale i niższych, panujących w próbce podczas próby zmęczeniowej. Na rysunku 2.51 pokazano, jak podczas cykli nagrzewania i chłodzenia zmienia się temperatura w poszczególnych przekrojach próbki. Niejednorodność rozkładu temperatury utrudnia śledzenie odkształceń w poszczególnych miejscach badanego materiału, ale pozwala na badanie zmian strukturalnych w szerokim zakresie temperatury. Rys Zakres wahań temperatury (T min - T max ) wzdłuż długości próbki z żeliwa ADI - EN-GJS-800-8, badania zmęczenia w zakresie temperatury T= C 112

113 Rys Przebiegi cykli cieplnych zarejestrowane w wybranych miejscach (co 2 mm), wzdłuż długości próbki, żeliwo ADI - EN-GJS 800-8, zakres badań: T= C Analizując rysunki 2.50 i 2.51 można zauważyć, iż w środku próbki temperatura waha się w zadanym zakresie C, a np. w odległości 12 mm od jej środka waha się w zakresie C. Ten nierównomierny rozkład temperatury wykorzystano w dalszych badaniach, dla określenia wpływu temperatury cyklu cieplnego na przebieg przebudowy struktury ausferrytycznej żeliwa. Porównując także rysunek 2.39 i 2.51 widać, że dla żeliwa ADI - EN-GJS w stosunku do EN-GJSNi1,5MoCu wydłużył się nieznacznie czas pojedynczego cyklu cieplnego. Szybkość chłodzenia wymuszanego głównie odprowadzeniem ciepła do chłodzonych wodą uchwytów, zależy od przewodności cieplnej materiału próbki: im mniejsza ta przewodność tym dłużej trwa chłodzenia. Prawdopodobnie przebudowa struktury z perlitycznej na ausfrrytyczno nieco zmieniła te właściwość żeliwa. W ramach pracy nie prowadzono badań w tym zakresie. (Badania przewodności cieplnej). b) Wyniki zmęczenia cieplnego Badania odporności na zmęczenie cieplne obejmowały wyznaczenie liczby cykli cieplnych, które wytrzymuje próbka do chwili jej pęknięcia. Badaniom poddano dwa, różniące się właściwościami mechanicznymi gatunki żeliwa ADI. Jeden gatunek charakteryzował się wysokim wydłużeniem (EN-GJS-800-8) a umiarkowaną wytrzymałością, a drugi z kolei charakteryzował się niskim wydłużeniem, ale wysoką wytrzymałością 113

114 (EN-GJS ). Z analizy stanu zagadnienia (część teoretyczna) wynika, że zarówno wysoka plastyczność jak i wysoka wytrzymałość są cechami materiału, które sprzyjają wysokiej odporności na zmęczenie cieplne. Niestety, nie udaje się wytworzyć żeliwa, które miałoby najwyższą plastyczność i najwyższą wytrzymałość. Dlatego badaniami objęto dwa gatunki. Na rysunku 2.52 przedstawiono wpływ maksymalnej temperatury cyklu na proces zmęczenia w szerokim zakresie zmian T max bo od o C. Podobnie jak dla sferoidalnego żeliwa wyjściowego, wpływ T max ma charakter potęgowy, co oznacza iż wyniki badań przedstawione w półlogarytmicznym układzie współrzędnych będą układać się liniowo, co pokazano na rysunku Rys Wpływ maksymalnej temperatury cyklu cieplnego na odporność na zmęczenie cieplne żeliwa ADI - EN-GJS-800-8, (T max = C) Rys Wpływ maksymalnej temperatury na graniczną liczbę cykli w ujęciu półlogarytmicznym, żeliwo ADI - EN-GJS (T max = C) 114

115 Rys Porównanie odporności na zmęczenie cieplne żeliwa wyjściowego EN-GJSNi1,5MoCu z odpornością żeliwa ADI (EN-GJS-800-8) Z rysunku 2.54, na którym dokonano porównania odporności na zmęczenie cieplne wyjściowego żeliwa sferoidalnego i żeliwa ADI - EN-GJS wynika, że zmiana struktury osnowy uzyskana na drodze hartowania z przemiana izotermiczna nie wpłynęła znacząco na odporność żeliwa na zmęczenie cieplne. Podwyższona plastyczność żeliwa uzyskana na drodze przebudowy osnowy metalowej nie wpływa znacząco na przebieg procesu zmęczenia cieplnego przy wysokotemperaturowych cyklach. Natomiast daje się zauważyć większe różnice przy niższych temperaturach nagrzewania (T max < 670 o C). c) Zmiany wytrzymałości Aby określić, jak przebiegają zmiany (utrata) wytrzymałości żeliwa ADI poddanego zmęczeniu cieplnemu, przeprowadzono takie same badania jak dla żeliwa wyjściowego. Znając wcześniej graniczną liczbę cykli dla danego zakresu temperatury, przeprowadzano badania zmęczenia cieplnego na próbkach, w których proces zmęczenia przerywano na wybranych etapach. Przerywanie procesu zmęczenia pozwoliło na określenie jak zmienia się wytrzymałość materiału ze wzrostem liczby cykli cieplnych (rys. 2.55). Pomiary R m dokonywano po 2, 100, 250, 500, 750 i 1000 cyklach cieplnych (rys. 2.56). Odporność na zmęczenie cieplne (N max ), mierzona liczbą cykli do pęknięcia próbki, wynosiła 1580 cykli. 115

116 Próbki były badane w zakresie C. W tabeli 2.13 podano wartości wytrzymałości dla każdej z próbek. Tab Wartości wytrzymałości R m przy różnych etapach zmęczenia cieplnego żeliwa ADI - EN-GJS T = C N (cykli) N/N zmęcz R m [MPa] R m /R mmax. 2 0, ,2 0, ,08 730,3 0, ,20 674,0 0, ,40 545,6 0, ,60 506,2 0, ,80 365,7 0,348 Analizując rysunki można zauważyć, że spadek wytrzymałości ma charakter ciągły, choć nierównomierny. Przy przebiegu ~10% maksymalnej liczby cykli zmęczeniowych wytrzymałość spada o 30% w stosunku do wartości początkowej. Przy 20% N/N max dalszy spadek wytrzymałości wynosi już tylko 5% (sumaryczny - 35% ). Rys Wpływ zmęczenia cieplnego na wytrzymałość żeliwa ADI - EN-GJS

117 Rys Wpływ zmęczenia na wytrzymałość żeliwa ADI - EN-GJS 800-8, ujęcie bezwymiarowe W kolejnym etapie przy 40, 50 i 60% maksymalnej liczby cykli zmęczeniowych wytrzymałość zmniejsza się powoli. W ostatnim kroku, który obejmował sumarycznie 80% z maksymalnej liczby cykli zmęczeniowych miał miejsce nieco większy spadek wytrzymałości. Można przypuszczać, iż obok przemian struktury na wytrzymałość miały również wpływ mikropęknięcia, które na tym etapie zmęczenia materiału muszą już być dość rozwinięte. Wytrzymałość żeliwa, które poddano liczbie cykli cieplnych stanowiącej 80% odporności na zmęczenie cieplne, spada do poziomu 47,7% początkowej wartości R m. Tak znaczny spadek wytrzymałości na końcu procesu zmęczeniowego jest podyktowany prawie całkowitą przebudową mikrostruktury w ferrytyczną i staje się przyczyna pęknięcia próbki niezdolnej do dalszego przenoszenia narastających naprężeń cieplnych. Nowa, przebudowana postać osnowy żeliwa cechuję się niską twardością i tym samym niską wytrzymałością. 117

118 Rys Porównanie wpływu zmęczenia cieplnego na wytrzymałość żeliwa: EN-GJSNi1,5MoCu oraz ADI - EN-GJS-800-8, zakres temperatur C Na rysunku 2.57 dokonano porównania zmian wytrzymałość żeliwa wyjściowego (EN-GJSNi1,5MoCu) i żeliwa ADI (EN-GJS-800-8). Można zauważyć, że spadek wytrzymałości jest w przypadku żeliwa wyjściowego łagodniejszy niż w przypadku żeliwa ADI. Jest to prawdopodobnie spowodowane prostszym mechanizmem przebudowy mikrostruktury. Osnowa perlityczno-ferrytyczna ulega przemianie w czysto ferrytyczną. W przypadku żeliwa ADI - EN-GJS przebudowa jest bardziej złożona i obejmuje przebudowę ausferrytu w fazę perlitu ziarnistego (skoagulowanego) i dopiero później w ferrytyczną. Taki mechanizm powoduje większe spadki wytrzymałości. Nie bez znaczenia jest również wysoka wytrzymałość wyjściowa. Na rysunku 2.57 pokazano porównanie spadku wytrzymałości obu gatunków żeliwa w ujęciu bezwymiarowym. Względna zmiana (spadek) wytrzymałość żeliwa ADI jest znacznie wyższa niż żeliwa wyjściowego. 118

119 Rys Porównanie wpływu zmęczenia cieplnego na wytrzymałość żeliwa R m : żeliwo wyjściowe (EN-GJSNi1,5MoCu) oraz żeliwo ADI (EN-GJS-800-8), badania w zakresie C. d) Zmiany mikrostruktury Przebudowa struktury osnowy metalowej zachodzi również w tym gatunku żeliwa z grupy ADI. Dodatki stopowe (głównie molibden) jak i struktura ausferrytyczna uzyskana podczas hartowania izotermicznego nie pozwoliły uzyskać trwałości struktury osnowy przy zmęczeniu cieplnym. Zmiany osnowy są jednak trochę inne wniż w przypadku żeliwa wyjściowego. Spowodowane jest to inna postacią osnowy wyjściowej. W tym żeliwie wyjściową osnową jest ausferryt górny. Charakterystyczną osnowę pokazano na rysunku 2.58a,b. a/ b/ Rys Trawiona mikrostruktura wyjściowa żeliwa ADI - EN-GJS a) pow. 100x b) pow. 500x 119

120 Przebudowa struktury osnowy rozpoczyna się już od pierwszych cykli nagrzewania w próbie zmęczeniowej [ ]. W zależności od wartości temperatury przebiega ona wolniej (niskie temperatury) lub szybciej (wyższe temperatury). W pierwszym etapie przebudowy osnowy daje się zauważyć rozdrobnienie igieł ausferrytu i pojawienie się pierwszych wydzieleń perlitu skoagulowanego (ziarnistego) rysunek 2.59a,b. a/ b/ Rys Pierwsza faza przebudowy osnowy żeliwa ADI - EN-GJS-800-8: a) pow. 100x b) pow. 500x, zgłady trawione Ze wzrostem liczby cykli cieplno-naprężeniowych udział ausferrytu górnego zmniejsza się na rzecz perlitu ziarnistego. Pojawiają się także, w coraz większej ilości, wydzielenia ferrytu. Przebudowa struktury prowadzi do obniżenia wytrzymałości i twardości żeliwa. Obraz przebudowywanej struktury pokazano na rysunku 2.60a, b. a/ b/ Rys Drugi etap przebudowy osnowy żeliwa ADI - EN-GJS-800-8: a) pow. 100x b) pow. 500x, zgłady trawione 120

121 Kontynuowanie procesu zmęczenia cieplnego próbki prowadzi, podobnie jak w żeliwie wyjściowym, do pełnej ferrytyzacji osnowy. Perlit ziarnisty, charakterystyczny dla faz po obróbce cieplnej, prawie całkowicie zanika i pozostaje praktycznie tylko osnowa ferrytyczna (rys. 2.61a, b). W strukturze osnowy, przy odpowiednim powiększeniu, widoczne są również drobne wydzielenia węglików. a/ b/ Rys Końcowa postać osnowy w miejscu pęknięcia próbki z żeliwa ADI - EN-GJS-800-8: a) pow. 100x b) pow. 500x, zgłady trawione e) Zmiany twardości Podwyższanie temperatury cykli zmęczeniowych prowadzi do znaczącego obniżenia ich liczby, które wywołują pękniecie próbki. Zmienia się rodzaj osnowy, zmienia się również wytrzymałość. W świetle powyższego bardzo interesująca staje się ocena jak przebiega zmiana twardości żeliwa poddanego zmęczeniu cieplnemu. Twardość jest ważną cechą materiału, w tym żeliwa ADI, decydującą w wielu przypadkach o jego przydatności na wybrane konstrukcje, np. formy metalowe. Z przeprowadzonych badań w zakresie przebudowy struktury w procesie zmęczenia cieplnego żeliwa ADI można zauważyć, iż ma ona miejsce dopiero po przekroczeniu temperatury C. Poniżej tej temperatury zmiany strukturalne są na tyle powolne, iż zauważa się je po odpowiednio dużej ilości cykli. Znając, z wcześniejszych pomiarów, rozkład temperatury po długości próbki i dokonując pomiaru twardości wzdłuż próbki, można wzajemnie przyporządkować sobie te dwie wielkości (rys. 2.61). 121

122 Rys Rozkład temperatury i twardości wzdłuż długości próbki żeliwa ADI - EN-GJS Na rysunku 2.61 linią przerywaną zaznaczono temperatury 550 i 650 C. Nagrzewane części próbki mieszczą się w zakresie mm. Po przekroczeniu wartości 550 o C następuje skokowe obniżenie twardości. Przy temperaturze cyklu 650 C twardości obniża się do ~220 HB. Twardość ta odpowiada twardości osnowy perlitycznej, która występuje w tym miejscu próbki. W środkowej części, gdzie temperatura zbliżała się do 700 o C, - twardość spada do wartości około 160 HB, co odpowiada ferrytycznej osnowie. W przypadku innego zakresu temperatury, przy którym badane jest zmęczenie cieplne, zmieni się zarówno rozkład temperatury i rozkład twardości wzdłuż długości, niemniej sam charakter opisanego procesu będzie podobny. W miejscach, gdzie temperatura jest niższa od około o C, zmiany struktury i twardości będą dużo wolniej przebiegać. W tabeli 2.14 przedstawiono zestawienie zbiorcze wartości twardości z podziałem na zakresy cykli zmęczenia cieplnego i zakresy temperatury panujące w punktach pomiarowych. W kolumnie 1 podano liczbę cykli, które wytrzymała próbka do pęknięcia. Badania twardości prowadzono na próbkach po zmęczeniu cieplnym. 122

123 Tab Wyniki pomiarów twardości wzdłuż długości próbek przy badaniach zmęczenie w kilku zakresach temperatury. Żeliwo ADI - EN-GJS Liczba cykli Temperatura cyklu Twardość w danej temperaturze EN-GJS C 500 C 550 C 600 C 650 C 700 C 750 C C C C C C C C C C C C C C C Zestawione pomiary wykonane na wielu próbkach potwierdzają wcześniejsze spostrzeżenia, iż przy nagrzewaniu do temperatury poniżej 500 o C nie obserwuje się znaczącego spadku twardości, pomimo kilku do kilkunastu tysięcy cykli cieplnych. W zakresie C twardość spada z początkowej 329 HB do około HB, zależnie od liczby cykli. Ferrytyzacja osnowy stwierdzona w części środkowej próbki prowadzi do spadków do około HB. Najważniejszy wpływ na pomiary twardości ma sama metoda pomiaru. Odcisk pomiarowy jest dość szeroki na tle próbki i jest dość trudno trafić w punkt gdzie panuje dana temperatura. Niewielkie przesunięcie o milimetr powoduje uzyskanie różniących się wyników. Rozrzuty wartości wydają się, że są również spowodowane mimo wszystko niejednorodnością materiału i nierównomiernym poziomem zahartowania próbek. Pomimo tej niewątpliwej wady techniki pomiarowej trendy zachowania twardości są właściwe i 123

124 obrazują spadki wraz ze zwiększaniem temperatury cyklu zmęczeniowego. W niskim zakresie temperatury twardość praktycznie nie zmienia się Zmęczenie cieplne żeliwa ADI (EN-GJS ) Ostatnim etapem badania zmęczenia cieplnego było badanie próbek z żeliwa ADI - EN-GJS Żeliwo to w przeciwieństwie do poprzednio opisanego charakteryzuje się wysoką wytrzymałością i dość niskim wydłużeniem i plastycznością. Głównym składnikiem osnową metalową tego żeliwa jest ausferryt dolny. Podobnie jak w poprzednim przypadku jest to mieszanina składająca się z iglastego ferrytu i austenitu o wysokiej zawartości węgla. Jak pokazały wyniki badań stabilność temperaturowa także tej osnowy jest również do niezbyt wysokich temperatur. a) Rozkład temperatury Tak samo jak w poprzednich przypadkach i tutaj wiodącą rolę odgrywa temperatura i jej rozkład wzdłuż długości próbki. Kształt krzywych rozkładu temperatury jest taki sam jak dla gatunku ADI - EN-GJS (rys. 2.50). Wartości liczbowe dla tych samych zakresów temperatur są także niezmienne i takie same. Wnioskiem z tego jest, że postać osnowy nie wpływa na szybkość nagrzewania, a decydującym czynnikiem jest postać wydzieleń grafitu. Ten niejednorodny, ale symetryczny rozkład temperatury pozwala śledzić poziom zachodzących zmian w badanym materiale. Z wykresu jesteśmy w stanie określić, jaka w danym miejscu próbki panuje temperatura. Tym samym poprzez badanie twardości czy mikrostruktury określamy poziom zmian i ich charakter w badanym żeliwie. Temperatura dolna cyklu praktycznie utrzymuje ten sam rozkład po długości próbki we wszystkich zakresach temperatur i ma prawie identyczne wartości. Tak samo było w przypadku żeliwa ADI - EN-GJS Wnioskiem z tego jest, że sposób nagrzewania był prowadzony w ustabilizowany i taki sam sposób dla obu materiałów w pełnym zakresie temperatur prowadzonych badań. Wartości temperatury zmieniają się po długości próbki. Od wysokości temperatury zależy, jakie będą zmiany osnowy, a tym samym, jaka będzie twardość, wytrzymałość i ostatecznie liczba cykli zmęczeniowych. Badania zmęczenia miały na celu określenie przydatności żeliwa ADI, jako materiału na konstrukcje pracujące w podobnych warunkach eksploatacji, tj. przy szybkim nagrzewaniu i umiarkowanie szybkim chłodzeniu. Na rysunku 124

125 2.62 pokazano typowe przebiegi cykli cieplnych podczas badań zmęczenia cieplnego żeliwa ADI - EN-GJS Rysunek obrazuje temperatury panujące w kolejnych przekrojach próbki. Jak można zauważyć, temperatury nagrzewania i chłodzenia w każdym z cykli, są identyczne. Z wykresu wynika także, jaki czas jest potrzebny, przy tym materiale, na jego nagrzanie i schłodzenie podczas pojedynczego cyklu cieplnego. Czasy są podobne jak dla żeliwa ADI - EN-GJS Rys Rozkład temperatury w różnych przekrojach próbki, pokazano pierwsze cykle zmęczeniowe próbki z żeliwa ADI - EN-GJS , temperatura cyklu w środku długości próbki T= C b) Wyniki zmęczenia cieplnego Badania odporności na zmęczenie cieplne żeliwa ADI obejmowały, tak samo jak we wcześniejszych przypadkach, wyznaczenie liczby cykli cieplnych, które wytrzymuje próbka do chwili jej pęknięcia. W dalszym etapie, jako badania dodatkowe prowadzono badania twardości, wytrzymałości i badanie mikrostruktury. Analizując proces zmęczenia cieplnego żeliwa ADI - EN-GJS badano jak ma on wpływ na wytrzymałość tego żeliwa. Dla żeliwa ADI - EN-GJS , podobnie jak dla wcześniej badanych gatunków żeliwa sporządzono pełną analizę zmęczeniową w zakresie temperatur od 650 do 790 C z krokiem, co 10 stopni (rys. 2.63). Temperatura minimalna wynosiła w każdym przypadku 200 C. Należy zaznaczyć, że badania zmęczenia cieplnego żeliwa ADI są bardzo długotrwałe. 125

126 Średnio 1000 cykli zmęczeniowych przypada na jeden dzień pracy aparatury. W celu pokazania charakteru funkcji opisanej w temperaturze sporządzono rysunek 2.64 przedstawiający wpływ temperatury maksymalnej cyklu zmęczeniowego w ujęciu półlogarytmicznym. Podobnie jak wcześniej T max. ma charakter potęgowy, co widać w postaci liniowej zależności w układzie półlogarytmicznym (rys. 2.64). Rys Wpływ maksymalnej temperatury cyklu cieplnego na odporność żeliwa ADI - EN-GJS na zmęczenie cieplne, zakres temperatury T= C Jak można zauważyć z rysunków liczba cykli zmęczeniowych obniża się wraz ze wzrostem temperatury cyklu. Z wykresu wynika, że temperaturą po przekroczeniu, której następuje drastyczny spadek liczby cykli cieplnych jest temperatura ~670 C. Trzeba zauważyć, że od początku zliczania liczby cykli zmęczeniowych od temperatury pracy 650 C następuję ciągłe gwałtowne obniżanie ich liczby. Od kilkunastu tysięcy do kilku tysięcy przy podniesieniu temperatury o około C. Dalszy spadek liczby cykli jest mniej gwałtowny, ale także znaczny. Od kilku tysięcy liczba cykli cieplnych obniża się do kilkuset. Temperatura w tym czasie jest podniesiona aż o C. Patrząc na rysunek 2.63 można wnioskować, że temperaturą, do której można stosować to żeliwo z wysoką odpornością, jest temperatura do około 670 C. Do tej wartości T max. liczba cykli cieplnych jest jeszcze wysoka. Niestety również przy tej temperaturze następuje przebudowa mikrostruktury i spadek właściwości 126

127 wytrzymałościowych oraz HB, co w niektórych przypadkach stosowania może obniżać przydatność tego materiału. Rys Wpływ maksymalnej temperatury cyklu na odporność na zmęczenie cieplne żeliwa ADI - EN-GJS , ujęcie półlogarytmiczne. Rys Porównanie wpływu maksymalnej temperatury cyklu na odporność na zmęczenie cieplne żeliwa ADI - EN-GJS oraz ADI - EN-GJS Podwyższanie wytrzymałości żeliwa na drodze przebudowy mikrostruktury w wyniku obróbki cieplnej nie wpłynęło znacząco na odporność żeliwa na zmęczenie cieplne przy 127

128 cyklach wysokotemperaturowych. Widoczne i znaczące różnie uwidaczniają się przy niższych temperaturach maksymalnych cyklu nagrzewania, poniżej 670 C. Na rysunku 2.65 przedstawiono porównanie wyników zmęczenia cieplnego żeliwa ADI - EN-GJS oraz ADI - EN-GJS Można zauważyć, że istotne różnice są w zakresie właśnie do około 670 C. Powyżej tej temperaturę różnice są niezbyt duże, a czasami nawet pokrywają się. c) Zmiany wytrzymałości Badania wytrzymałościowe prowadzono w taki sam sposób jak wcześniej. Znając maksymalna liczbę cykli zmęczeniowych w danej temperaturze przerywano je w określonych momentach badając, jaka jest wytrzymałość żeliwa. Wytrzymałość badano po 0, 250, 510, 880, 1000 cyklach zmęczeniowych, co odpowiadało odpowiednio 16, 32, 55 i 63% maksymalnej liczbie cykli cieplnych. (N max = 1600 cykli cieplnych). Próbki były badane w zakresie C. W tabeli 2.15 podano wartości wytrzymałości dla każdej z próbek. Na rysunkach podano wartości wytrzymałości żeliwa ADI - EN-GJS zarówno w ujęciu liczbowym jak i bezwymiarowym. Tab Wartości wytrzymałości R m w różnych etapach zmęczenia cieplnego żeliwa ADI - EN-GJS , T = C, próbka zablokowana N (cykli) N/N zmęcz R m [MPa] R m /R mmax. 0 0, , , , , , , , , ,

129 Rys Wpływ zmęczenia cieplnego na wytrzymałość żeliwa ADI - EN-GJS , próbka zablokowana, temperatura pracy: C Rys Wpływ zmęczenia na wytrzymałość żeliwa ADI - EN-GJS , próbka zablokowana, temperatura pracy: C, ujęcie bezwymiarowe Analizując rysunki można zauważyć, że spadek wytrzymałości jest ciągły, ale nierównomierny. Po przebiegu około 16% maksymalnej liczby cykli zmęczeniowych wytrzymałość spada aż o 46% w stosunku do wartości początkowej. Przy 32% maksymalnej liczby cykli zmęczeniowych dalszy spadek wytrzymałości o kolejne 11%, który stanowi 43% 129

130 wartości wyjściowej. Po 55% maksymalnej liczby cykli zmęczeniowych nadal spada wytrzymałość. Wartość początkowa wytrzymałości ulega obniżeniu o 62% (wynosi niecałe 38% wartości początkowej). W kolejnym kroku po osiągnięciu 63% maksymalnej liczby cykli zmęczeniowych wytrzymałość obniża się już tylko o 3% i wynosi około 35% wartości początkowej, co stanowi spadek o 65% w stosunku do wartości początkowej. Tak znaczne spadki wytrzymałości wynikają w tym przypadku również z przebudowy mikrostruktury osnowy w różnych etapach zmęczenia cieplnego. Każdemu z takich etapów odpowiadają różne temperatury. Inna osnowa to również inna wytrzymałość. Porównanie przebiegu spadków wytrzymałości dla obu gatunków obrazuje rysunek Rys Porównanie wpływu zmęczenia cieplnego na wytrzymałość żeliwa: EN-GJSNi1,5MoCu oraz ADI - EN-GJS , próbka zablokowana, temperatura pracy: C Porównując te materiały można zauważyć z rysunku 2.68, że spadek wytrzymałości żeliwa ADI - EN-GJS , w porównaniu do wyjściowego żeliwa sferoidalnego, jest bardziej skokowy. Żeliwo sferoidalne w swojej końcowej fazie traci wytrzymałość do wartości 62% wartości początkowej. Żeliwo ADI - EN-GJS traci natomiast wytrzymałość do poziomu 35% wartości początkowej. Jest to spowodowane innym rodzajem przebudowy mikrostruktury z ausferrytu do ferrytu i wyższą wytrzymałością wyjściową. Materiał wytrzymuje więcej cykli cieplnych, a tym samym pozwala na obniżenie wytrzymałości bez pęknięcia materiału. Oczywiście tak wysokie różnice w wartościach nie 130

131 byłyby możliwe, gdyby nie wysoka wytrzymałość wyjściowa badanego żeliwa ADI. Jest ona prawie dwukrotnie wyższa niż wyjściowego żeliwa sferoidalnego, a przez to skala zmian w trakcie procesu zmęczenia cieplnego będzie także większa. Rys Porównanie wpływu zmęczenia cieplnego na wytrzymałość żeliwa: EN-GJSNi1,5MoCu oraz ADI - EN-GJS , temperatura pracy: C, próbka zablokowana Analizując wartości bezwymiarowo (rys ) można zauważyć, że żeliwo ADI - EN-GJS traci szybciej swoją wysoką wytrzymałość niż żeliwo ADI - EN-GJS Wydaj się, że w przypadku żeliwa ADI - EN-GJS-800-8, dodatni wpływ na wolniejszy spadek jego wytrzymałości ma wysoka plastyczność tego materiału. W przypadku żeliwa ADI - EN-GJS plastyczność jest bardzo niska, niższa również niż żeliwa wyjściowego i dlatego traci ono szybciej swoją wysoką wytrzymałość. Najniższe wytrzymałości żeliwa ADI - EN-GJS uzyskano przy 63% zaawansowaniu zmęczenia cieplnego. Dla żeliwa ADI - EN-GJS tą samą względną wytrzymałość uzyskano przy 80% zaawansowania zmęczenia cieplnego. 131

132 Rys Porównanie wpływu zmęczenia cieplnego na wytrzymałość żeliwa: ADI -EN-GJS oraz ADI - EN-GJS , temperatura pracy: C, próbka zablokowana d) Zmiany mikrostruktury Aby uzupełnić badania zmęczenia cieplnego należy ocenić, jak zmienia się w pod wpływem tego procesu mikrostruktura i twardość żeliwa. Również i w przypadku tego gatunku żeliwa ADI dodatki stopowe, a przede wszystkim molibden, nie pozwalają na pełną stabilizację osnowy metalowej w podwyższonej temperaturze cykli cieplnych. Pierwiastki stopowe jedynie opóźniają efekt przebudowy mikrostruktury. Osnowa zmienia się, zachodzi jej przebudowa, która wpływa niekorzystnie na proces zmęczenia materiału. Wyjściową postacią osnowy dla tego gatunku żeliwa jest ausferryt dolny. Dolny, ponieważ uzyskany w dolnym zakresie temperatur hartowania izotermicznego (rys. 2.71a,b). a/ b/ Rys Trawiona mikrostruktura wyjściowa żeliwa ADI - EN-GJS a) pow. 100x b) pow. 500x 132

133 Przemiany struktury zaczynają się już od pierwszych cykli cieplno-naprężęniowych. W zależności od wysokości temperatury przebiegają one wolniej lub szybciej. Szybkość przemian rośnie wraz ze zwiększaniem temperatury. W pierwszym etapie przebudowy osnowy metalowej następuje rozdrobnienie igieł ausferrytu i pojawienie się pierwszych ilości perlitu ziarnistego rysunek 2.72a,b. a/ b/ Rys Trawiona postać osnowy przejściowej żeliwa ADI - EN-GJS a) pow. 100x b) pow. 500x W dalszym etapie nagrzewania perlit ziarnisty zwiększa swój udział w osnowie, stopniowo wypierając ausferryt. Zaczynają się również pojawiać pierwsze pola ferrytu tworząc otoczki wokół kulek grafitu (rys. 2.73a,b). a/ b/ Rys Trawiona mikrostruktura przejściowa żeliwa ADI - EN-GJS a) pow. 100x b) pow. 500x Z dalszym wzrostem cykli cieplnych, a także przy wzroście temperatury nagrzewania następuje dalsza ferrytyzacja osnowy metalowej. Dominujący perlit ziarnisty zostaje 133

134 zastępowany w coraz większym stopniu przez ferryt. Proces ten trwa do pełnej ferrytyzacji osnowy, która obniżając R m (rys. 2.74a,b). sprzyja wcześniejszemu pękaniu badanego materiału a/ b/ Rys Trawiona końcowa mikrostruktura żeliwa ADI - EN-GJS a) pow. 100x b) pow. 500x Przemiany mikrostruktury prowadzą do zmian wskaźników właściwości mechanicznych i dużych zmian twardości. Twardość materiału jest ściśle powiązana z postacią jego mikrostruktury. Dodatki stopowe, które wprowadzono w celu stabilizacji struktury w procesie zmęczenia cieplnego, niestety, spełniły swoje zadanie w ograniczonym stopniu. Sterując ich niewielkimi zawartościami możemy opóźnić niekorzystne procesy przebudowy mikrostruktury osnowy metalowej, bez możliwości jej całkowitej stabilizacji. e) Zmiany twardości Zmiany twardości są konsekwencją zmian temperatury i są ściśle z nią powiązane. Wykresy twardości są lustrzanym odbiciem wykresów z rozkładem temperatury. Mamy zależność: wysoka twardość i odwrotnie niska temperatura. Jak wynika to z przeprowadzonych badań przemiany struktury osnowy zaczynają się po osiągnięciu temperatury około 550 C. Poniżej 500 C ausfferyt zarówno górny jak i dolny jest stabilny. Ze wzrostem temperatury cyklu twardość obniża się. W próbce zilustrowanej na rysunku 2.75 twardość przy nagrzewaniu do 550 C wynosi 340 HB. Ze wzrostem temperatury cyklu nagrzewania do 650 C wartość twardości obniża się już do około 170 HB, pomimo zachowania jeszcze dość wysokiej liczby cykli cieplnych. W centralnej części próbki twardość spada do wartości 150 HB. Znając położenie po długości próbki, odczytane z wykresu, 134

135 możemy w tych samych miejscach analizować zmiany strukturalne w celu dokładniejszego poznania mechanizmu zjawiska. W tabeli 2.16 przedstawiono zestawienie zbiorcze wartości twardości z podziałem na zakresy cykli zmęczenia cieplnego i zakresy temperatury panujące w punktach pomiarowych. Rys Rozkład twardości i temperatury wzdłuż długości próbki żeliwa ADI - EN-GJS , linią przerywaną zaznaczono temperatury 550 C i 650 C Tak jak nadmieniono wyżej w obszarach do około 500 C następuje umiarkowanie niski spadek twardości. W zakresie C twardość spada już znacznie. Spadek wynosi prawie 1/3 wartości początkowej. Ferrytyzacja osnowy w części środkowej próbki prowadzi do spadków rzędu 2/3 wartości początkowej. W przypadku realizacji innego zakresu temperatury cyklu zmęczeniowego, zmieni się zarówno rozkład temperatury i rozkład twardości wzdłuż długości badanej próbki, po jej pęknięciu. Niemniej jednak charakter zmian opisanego procesu będzie podobny. W miejscach, gdzie temperatura będzie niższa, zmiany struktury, a co za tym idzie twardości będą wolniejsze. 135

136 Tab Wyniki twardości w rozbiciu na zakresy zmęczeniowe i temperatury w poszczególnych częściach próbki. Żeliwo ADI - EN-GJS Liczba cykli Temperatura cyklu Twardość w danej temperaturze EN-GJS C 500 C 550 C 600 C 650 C 700 C 750 C C C C C C C C C C C C C C C C

137 2.10. Naprężenia i odkształcenia w procesie zmęczenia cieplnego żeliwa ADI Badania procesów wywołanych cyklicznymi zmianami nagrzewania są jedną z odmian badania procesów cieplnych. Procesy te nie opisują zagadnienia zmęczenia cieplnego, ponieważ powszechnie przyjęto, że aby doszło do zjawiska zmęczenia cieplnego materiału muszą występować naprężenia. Bez naprężeń cieplnych powstających w wyniku ograniczenia wydłużenia cieplnego, nie można mówić o procesie zmęczenia cieplnego. Z opisem poziomu wymuszenia odkształceń cieplnych związany jest współczynnik cieplnego wymuszenia K. Jego szczegółowy opis przedstawiono w rozdziale oraz w części teoretycznej niniejszej pracy. Należy zaznaczyć, że współczynnik K jest jednym z podstawowych, poza materiałowych czynników (parametrów) decydujący o poziomie powstających naprężeń cieplnych i odkształceń i znacząco wpływa na liczbę cykli, które wytrzymuje próbka poddana cyklicznemu nagrzewaniu. Teoretycznie, zgodnie z modelem L. F. Coffina, wartość współczynnika K zawiera się w przedziale 0 1. Współczynnik o wartości K = 1 oznacza całkowite ograniczenia zmian wymiarowych badanej próbki. Wartość K = 0 odpowiada swobodnemu wydłużaniu się końca nagrzewanej próbki i oznacza brak naprężeń w tak badanym elemencie (próbce). Przykładami elementów konstrukcji z współczynnikiem K = 0 jest cienkościenna kokila wykonana na przykład z cienkiej blachy. Przykładem konstrukcji z K = 1 jest żebro w kokili pomiędzy sąsiednimi ściankami Wpływ naprężeń cieplnych a) Zmiany wytrzymałości Rm Z wcześniejszych prac [np. 16] z innymi niż ADI gatunkami żeliwa wynikało, iż cyklicznie działające naprężenia cieplne przyśpieszają przebudowę struktury i zmiany właściwości materiału. Przy tym samym zakresie zmian temperatury można, zmieniając wartość współczynnika K, generować różne wartości naprężeń i odkształceń. Nasuwa się pytanie, na ile w procesie degradacji materiału (przebudowy struktury i spadku właściwości mechanicznych) odgrywa rolę sama cykliczna zmiana temperatury, a na ile działanie cyklicznie zmieniającej się temperatury i naprężeń. Problem ten nabiera szczególnego znaczenia przy badaniach materiałów z termodynamicznie niestabilna strukturą, do których 137

138 należy żeliwo ADI. W ramach badań nad zachowaniem się żeliwa ADI w warunkach zmęczenia cieplnego przeprowadzono serię pomiarów, których celem było określenie roli naprężeń w procesie zmian struktury i właściwości żeliwa ADI przy jego cyklicznym nagrzewaniu. Badania prowadzono przy dwóch wartościach współczynnika K, na próbkach swobodnych (K = 0) i próbkach zablokowanych (K = 0,70). Próbki, po wykonaniu zaplanowanej serii cykli cieplnych, zdejmowano z aparatu do badań zmęczenia cieplnego i poddawano rozrywaniu, w celu określenia doraźnej wytrzymałości na rozciągania. Wyniki takich badań żeliwa ADI - EN-GJS zamieszczono na rysunku Rys Wpływ cyklicznego nagrzewania żeliwa ADI - EN-GJS w warunkach z naprężeniami cieplnymi (próbka zablokowana) i przy ich braku (próbka swobodna) na wytrzymałość R m, badania w zakresie zmian temperatury: T = C Wyniki badań potwierdzają, że naprężenia towarzyszące nierozdzielnie zmęczeniu cieplnemu, przyśpieszają spadek wytrzymałość również żeliwa ADI. Badania prowadzone na próbkach swobodnych pokazują, iż nawet przy braku naprężeń przebudowa struktury i zmiany właściwości żeliwa ADI przebiegają dość szybko. Odnosi się to do temperatury T max = 725 o C, przy której prowadzono badania. W obecności naprężeń zapewne szybciej przebudowywana jest struktura, ale dodatkowo rozwijają się mikropęknięcia, co skutkuje szybszą utratą wytrzymałości. 138

139 Rys Wpływ naprężeń i ich braku na wytrzymałość żeliwa ADI - EN-GJS , praca w zakresie C Podobne badania przeprowadzono dla żeliwa ADI - EN-GJS (rys. 2.77). W tym przypadku zmiany wytrzymałości przedstawione w ujęciu bezwymiarowym są jeszcze większe. Również tutaj widać, że już samo działanie wysokiej, cyklicznie zmieniającej się temperatury prowadzi do obniżenia wytrzymałości (co jest skutkiem przebudowy struktury), to działanie naprężeń przyspiesza ten proces. b) Zmiany twardości HB Twardość jest właściwością mechaniczną żeliwa, która praktycznie zależy głównie od rodzaju osnowy. Nie mają na nią istotnego wpływu ani wydzielenia grafitu, ani obecność mikropęknięć. Jej zmiany oznaczają przebudowę osnowy. Dlatego badania zmian twardości mogą być pośrednim dowodem na proces przebudowy struktury. Na próbkach po wykonaniu oceny R m wykonano, w pobliżu pęknięcia próbki, pomiary twardości. Jak w przypadku badań R m pomiary dotyczyły próbek po cyklicznym nagrzewaniu w warunkach działania naprężeń i przy ich braku. Wyniki pomiarów zamieszczono na rysunku Na rysunku 2.78 pokazano spadki twardości próbek badanych z naprężeniami i bez naprężeń. Spadek twardości jest wyraźny i znaczący. Badania prowadzono po 1000-u cyklach zmęczeniowych 139

140 Rys Wpływ naprężeń i ich braku na twardość żeliwa ADI - EN-GJS po 1000-u cyklach pracy, temperatura T= C Na krzywych rysunku 2.78 pokazano o ile spadała twardość w stosunku do wartości początkowej w poszczególnych temperaturach cykli zmęczeniowych. Należy stwierdzić, że naprężenia odgrywają dużą rolę w procesie zmian struktury i właściwości materiału. Naprężenia wpływają na obniżenie liczby cykli cieplnych podczas procesu zmęczeniowego. Poprzez przebudowę mikrostruktury wpływają również na obniżenie twardości żeliwa i dużo szybsze obniżenie wytrzymałości niż jak w przypadku próbek bez naprężeń. Stopień zablokowanie próbek K decyduje o szybkości i jakości zmian zachodzących podczas procesów cieplnych. c) Naprężenia i odkształcenia w próbkach żeliwa ADI w procesie zmęczenia cieplnego Zgodnie z modelem doświadczeń L. F. Coffina o przebiegu zmęczenia cieplnego decydują naprężenia i odkształcenia w każdym pojedynczym cyklu cieplnym, które powstają w badanym materiale (próbce). Dlatego ważne jest poznanie ich przebiegów w badaniach żeliwa ADI. Konstrukcja stanowiska do badań zmęczenia cieplnego, wykorzystywanego w niniejszej pracy umożliwia ciągłą rejestracje wielkości [16], które pozwalają obliczyć zarówno wartości naprężeń jak i odkształceń powstających w próbkach poddanych zmęczeniu 140

141 cieplnemu. Z użyciem laserowego czujnika przemieszczeń dokonuje się pomiaru przemieszczenia końca układu sprężystych drążków. Znając sztywność tego układu (stałą odkształceń) można wyliczać wartość chwilowych naprężeń panujących w nagrzewanej (chłodzonej) próbce. Równocześnie mierzona jest i zapisywana do systemu pomiarowego wartość chwilowa temperatury. Daje to możliwość tworzenia wzajemnych powiązań: temperatura naprężenia. Dla wyliczenia wartości odkształceń sprężysto plastycznych powstających w próbce konieczne jest wykonanie pomiarów wydłużenia cieplnego próbki swobodnej (niezablokowanej). Dlatego pełny pomiar stanu naprężeń i odkształceń przebiega dwuetapowo i obejmuje każdorazowo: w pierwszym etapie zapis przebiegu wydłużenia próbki swobodnej nagrzewanej w danym zakresie temperatury. w drugim etapie zapis wydłużenia (zmian wymiarów) próbkę zablokowanej, nagrzewanej w tym samym zakresie zmian temperatury W dowolnym momencie nagrzewania próbki istnieje ścisła zależność pomiędzy odkształceniami próbki swobodnej a odkształceniami sprężysto-plastycznymi próbki zablokowanej, (równanie 2.2 i 2.3). Δl sw = Δl u + Δl sp+pl (2.2) lub ΔƐ sw = ΔƐ u + ΔƐ sp+pl (2.3) gdzie: Δl sw bezwzględne wydłużenie próbki swobodnej ΔƐ sw względne wydłużenie próbki swobodnej Δl u bezwzględne wydłużenie próbki zablokowanej ΔƐ u względne wydłużenie próbki zablokowanej Δl sp+pl bezwzględne sprężysto-plastyczne odkształcenie próbki ΔƐ sp+pl względne sprężysto-plastyczne odkształcenie próbki 141

142 Tak więc obliczenia wartości odkształcenia sprężysto-plastycznego powstającego w badanej próbce sprowadza się do wyznaczenia różnicy pomiędzy względnym wydłużeniem próbki swobodnej a względnym wydłużeniem próbki zablokowanej zależność 2.4. ΔƐ sp+pl = ΔƐ sw - ΔƐ u (2.4) Wspólnie z rejestrowaniem naprężeń i odkształceń prowadzony jest ciągły pomiar temperatury w próbce, co pozwala na wyznaczenie zależności naprężeń w funkcji czasu σ = f (T) oraz odkształceń w funkcji czasu ΔƐ sp+pl = f (T). Jak już to wcześniej zaznaczono, dla obliczenia wartości naprężeń powstających w próbce podczas cyklicznego nagrzewania dokonuje się pomiaru odkształceń układu sprężystych drążków (rys. 2.79). Rys Ideowy model stanowiska z zaznaczonymi drążkami sprężystymi 1-próbka, 2-sztywna podstawa, 3a, b - drążki sprężyste, 4-czujnik pomiaru odkształceń [16] Przykład zapisanego przebiegu odkształceń w próbce żeliwa ADI pokazano na rysunku Pomiar wykonywany jest bezstykowo, przy użyciu laserowego czujnika przemieszczeń. Przemieszczenia, określane w stosunku do położenia zerowego (bez naprężeń), przyjmują najpierw wartości ujemne (ściskanie wydłużającej się próbki), a w dalszej kolejności wartości dodatnie co odpowiada rozciąganiu próbki, która w wyniku trwałych (plastycznych) odkształceń fizycznie zmniejszyła swoją długość. W dalszej kolejności cyklicznego nagrzewania realizowanego w ramach realizacji procesu zmęczenia cieplnego obserwuje się przesuwanie zakresu odkształceń układu drążków w kierunku coraz wyższych wartości dodatnich. 142

143 Wartość naprężeń powstających w próbce jest wprost proporcjonalna do zarejestrowanych odkształceń sprężystego układu drążków pomiarowych. Dlatego przebieg zmian naprężeń pokazany na rysunku 2.81 jest odwzorowaniem odkształceń wcześniej zarejestrowanych (rys. 2.80). Wykonano pomiary stanu naprężeń w próbkach żeliwa ADI nagrzewanego do wyższej temperatury, tj do 700 o C (rys. 2.82) i do 750 o C (rys. 2.83). Podwyższanie maksymalnej temperatury cykli cieplnych prowadzi do kilku nakładających się zjawisk. Z punktu widzenia kształtowania naprężeń, ze zwiększeniem T max obserwuje się skrócenia czasu (liczby cykli) fazy wstępnej, która charakteryzuje się dużymi zmianami wartości naprężeń z cyklu na cykl. Drugim charakterystycznym zjawiskiem jest osiąganie przez naprężenia dużo wyższych wartości, co jest konsekwencją dużych odkształceń plastycznych w próbce. We wszystkich przypadkach, dla badanych wartości maksymalnej temperatury obserwuje się przechodzenia naprężeń w obszar rozciągania. To te rozciągające naprężenia powodują samorzutne pękanie próbek, bez wprowadzania zewnętrznej siły rozciągającej. Rys Przemieszczenia (odkształcenia) sprężystych drążków pomiarowych zarejestrowany przy nagrzewaniu żeliwa ADI w zakresie temperatury T = C 143

144 Rys Zmiany naprężenia w próbce przy nagrzewaniu w zakresie: o C Rys Zmiany naprężenia w próbce przy nagrzewaniu w zakresie: C 144