WYTRZYMAŁOŚĆ ZMĘCZENIOWA STOPU C 355 KRZEPNĄCEGO W WARUNKACH SZYBKIEJ KRYSTALIZACJI

Transkrypt

1 35/15 Archives of Foundry, Year 2005, Volume 5, 15 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2005, Rocznik 5, Nr 15 PAN Katowice PL ISSN WYTRZYMAŁOŚĆ ZMĘCZENIOWA STOPU C 355 KRZEPNĄCEGO W WARUNKACH SZYBKIEJ KRYSTALIZACJI M. MRÓZ 1, A.W. ORŁOWICZ 2, M. TUPAJ 3 Politechnika Rzeszowska, Katedra Odlewnictwa i Spawalnictwa ul. W. Pola 2, Rzeszów STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wpływ mikrostruktury na wytrzymałość zmęczeniową stopu C 355 uszlachetnionego drogą szybkiej krystalizacji. Uszlachetnianie struktury odlewów wykonano metodą GTAW. Nadtopienia wykonano w atmosferze argonu, zmieniając natężenie prądu spawania w zakresie od 200 do 300 A i prędkość skanowania łukiem elektrycznym od 0,33 do 1,33 cm/s. Następstwem szybkiej krystalizacji było zmniejszenie wartości parametru 1D i 2D dendrytów fazy (Al). Wynikiem tego był wzrost wartości wytrzymałości zmęczeniowej stopu. Key words: rapid solidification, C355 alloy, structure parameters, fatigue strength 1. WSTĘP Stopy Al-Si znajdują szerokie zastosowanie w praktyce przemysłowej z uwagi na ich wysoką wartość ilorazu wytrzymałości do ciężaru właściwego, dobre właściwości odlewnicze, dobrą spawalność, odporność na korozję, niską wartość współczynnika rozszerzalności cieplnej, dobrą przewodność cieplną oraz zadawalającą odporność na zużycie ścierne [1-3]. Generalnie przyjmuje się, że w mikrostrukturze stopów Al-Si występują dwie fazy (Al) i (Si). Właściwości użytkowe tych stopów są wynikiem kombinacji niskowytrzymałej, ale plastycznej fazy (Al) i wysokowytrzymałej, ale kruchej fazy (Si) i są kontrolowane przez cechy mikrostruktury [4,5]. Jak podaje 1 dr inż., mfmroz@prz.rzeszow.pl 2 prof. dr hab. inż, aworlow@prz.rzeszow.pl 3 mgr inż., mirek@prz.rzeszow.pl

2 272 Flemings [6] związki pomiędzy mikrostrukturą, a właściwościami mechanicznymi dla stopów Al-Si opracowuje się od 1940 roku. Badania nad poznaniem związków pomiędzy strukturą, a wytrzymałością zmęczeniową rozpoczęto znacznie później i są one prowadzone nadal [7-10]. Opracowanie takich związków, dla szeroko stosowanych w przemyśle motoryzacyjnym stopów Al-Si, jest niezbędne dla rozszerzenia możliwości projektowania coraz silniej obciążonych i odpowiedzialnych odlewów. Badania te umożliwiają podejmowanie decyzji o zastosowaniu tych stopów na odlewy pracujące w warunkach obciążeń krytycznych. Prace nad zastosowaniem szybkiej krystalizacji stopów Al-Si, celem istotnego rozdrobnienia ich struktury, powinny pozwolić na znaczną poprawę właściwości użytkowych silnie obciążonych odlewów [11]. Dlatego niniejsza praca dotyczy ustalenia związku pomiędzy parametrem dendrytów fazy (Al) i wytrzymałością zmęczeniową stopu C 355 uszlachetnionego drogą szybkiej krystalizacji. 2. METODYKA BADAŃ Jako materiał do badań wybrano podeutektyczny stop Al-Si (stop C 355) o składzie chemicznym podanym w tabeli 1. Tabela 1. Skład chemiczny stopu C 355 użytego do badań. Table 1. Chemical composition of C355 alloy. Zawartość pierwiastków, % wag. Si Mg Cu Mn Fe Ti B Pb Sn Na Al 4,56 0,50 1,25 0,02 0,12 0,14 0,001 0,005 0,006 0,005 reszta Próbki do uszlachetniania powierzchniowego o wymiarach 90x20x4 mm wycięto z kokilowych odlewów płyt. Tak przygotowane płytki zamontowano na stanowisku kalorymetrycznym i nadtapiano plazmą łuku elektrycznego [12]. Gwarantowało to takie same warunki cieplne kształtowania nadtopień (rys.1). a) b) Rys.1. Płytka (a) i próbka do badań (b). Fig.1.The plate (a) and the shape of the fatigue specimen (b). Nadtopienia wykonywano obustronnie, zachodzącymi na siebie ściegami, po to, aby w całym przekroju płytek uzyskać podobną mikrostrukturę. Stosowano natężenie prądu w I = 200, 250 i 300 A oraz prędkość skanowania łukiem elektrycznym v s = 0,33, 0,67, 1,00 i 1,33 cm/s. Pomiary mikrotwardości oraz badania metalograficzne na

3 273 przekroju płytek nie ujawniły istotnego oddziaływania strefy wpływu ciepła na mikrostrukturę w obszarach zachodzenia na siebie ściegów. Ocenę parametrów strukturalnych materiału uszlachetnionego drogą szybkiej krystalizacji wykonano na zgładach metalograficznych wyciętych prostopadle do osi wzdłuznej nadtopień. Określono parametr strukturalny 1D odległość miedzy osiami głównymi dendrytów fazy (Al) oraz 2D odległość miedzy osiami drugiego rzędu dendrytów fazy (Al). Parametry te określano na obrazach otrzymanych z wykorzystaniem mikroskopii optycznej. Stosowano powiększenie 400x i 800x. Badania wytrzymałości na zmęczenie, prowadzone w warunkach okresowo zmiennych naprężeń, wywołanych wahadłowym zginaniem płaskim, na urządzeniu GZ 1 (rys.2), wykonano zgodnie z Polską Normą PN-76/H Stosowano częstotliwość wymuszonych drgań f = 70 Hz. Graniczna liczba cykli przyjęta jako podstawa do zakończenia próby zmęczeniowej dla próbek, które nie uległy zniszczeniu wynosiła N G = 2x10 7 cykli. Rys.2. Stanowisko do badań wytrzymałości zmęczeniowej. Fig.2. Test stand for fatigue strength examination. 3. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA Wyniki pomiarów parametru strukturalnego oraz wytrzymałość zmęczeniową stopu C 355 uszlachetnionego drogą szybkiej krystalizacji i w stanie surowym przedstawiono w tabeli 2. Wyniki badań poszczególnych prób zmęczeniowych stanowiły podstawę do opracowania krzywych zmęczenia. Na rysunku 3 przedstawiono przykładowe krzywe zmęczeniowe dla próbek ze stopu C 355 w stanie surowym (rys. 3a) i po uszlachetnianiu drogą szybkiej krystalizacji (rys. 3b i 3c). W literaturze technicznej dotyczącej wpływu struktury stopów Al-Si na wytrzymałość zmęczeniową spotkać można opracowania wykresów Wöhlera w zależności od parametru 2D, uzyskanych dla materiału odlanego do form piaskowych lub kokilowych [13-15]. Wynika z nich, że obniżeniu wartości parametru 2D odpowiada wzrost wytrzymałości zmęczeniowej.

4 Naprężenie, MPa Naprężenie, MPa 274 Tabela 2. Parametr strukturalny oraz wytrzymałość zmęczeniowa stopu C 355 uszlachetnionego drogą szybkiej krystalizacji. Table 2. The structural parameters and the fatigue strength of C 355 alloy after rapid solidification. Nr Parametry procesu nadtapiania Parametr strukturalny, m Wytrz. zmęcz. Próbki I, A v s, cm/s U, V 1D 2D Z gw, MPa ,5 14,8 5, ,33 13,3 16,7 6, ,0 19,5 7, ,3 15,4 6, , ,0 17,9 6, ,00 14,0 16,7 6, ,33 14,0 15,1 5,8 128 Wytrzymałość zmęczeniowa materiału w stanie surowym: Z gw = 92 MPa a) 40 1,E+04 1,E+05 1,E+06 1,E+07 1,E+08 Liczba cykli N ,E+04 1,E+05 1,E+06 1,E+07 1,E+08 b) Liczba cykli N

5 Naprężenie, MPa c) 40 1,E+04 1,E+05 1,E+06 1,E+07 1,E+08 Liczba cykli N Rys.3. Wykresy Wöhlera stopu C355; materiał w stanie surowym -a), uszlachetniony drogą szybkiej krystalizacji I = 300 A, v s = 0,33 cm/s -b), I = 300 A, v s = 1,33 cm/s -c). Fig.3. Wöhler curves of C355 alloy castings; base material -a), after rapid solidification I = 300 A, v s = 0,33 cm/s -b), I = 300 A, v s = 1,33 cm/s -c). Podobny charakter zależności stwierdzono w niniejszym opracowaniu, w odniesieniu do stopu C 355 o strukturze ukształtowanej w warunkach szybkiej krystalizacji. Wyrażenie opisujące tą zależność ma postać: Z gw = 156,46 5,03 2D (1) Parametry statystyczne: R =0,93; R 2 = 0,86; F=90,12 ; = 1,79 W literaturze technicznej brak jest natomiast opracowań związku pomiędzy parametrem strukturalnym 1D i wytrzymałością zmęczeniową dla stopów Al-Si. Związek taki dla zbioru danych uzyskanych w niniejszym opracowaniu ma postać: Z gw = 151,31 1,61 1D (2) Parametry statystyczne: R =0,94; R 2 = 0,88; F=106,13 ; = 1,67 4. PODSUMOWANIE Zastosowanie techniki szybkiej krystalizacji daje możliwość uzyskania silnego rozdrobnienia dendrytów fazy (Al).

6 276 Wzrost szybkości krystalizacji, efektem czego jest zmniejszenie wartości parametru strukturalnego 1D i 2D, prowadzi do wzrostu wytrzymałości zmęczeniowej stopu C 355. Wytrzymałość zmęczeniowa stopu uszlachetnionego drogą szybkiej krystalizacji była wyższa o ok. 40 % od wytrzymałości zmęczeniowej materiału w stanie surowym. LITERATURA [1] J.L. Jorstad: Trends in aluminum. Modern Casting, October, 1984, [2] E.L. Rooy: Aluminum and aluminum alloys. Metals Handbook, 1988, 15, [3] L. Heysler, F.J. Feikus, M.O. Otte: Alloy and casting process optimization for engine block application. AFS Transactions, vol. 50, 2001, 1-9. [4] L. Spychalski, J. Stolarz, K.J. Kurzydłowski: Opis ilościowy struktury stopów okołoeutektycznych Al-Si. Inżynieria Materiałowa, nr 6, 1996, [5] J. Stolarz, O. Madelaine-Depnich, T. Magnin: Microstructural factors of low cycle fatigue damage in two phase Al-Si alloys. Material Science and Engineering, A229, 2001, [6] M.C. Flemings: Solidification processing. McGraw Hill, New York, 1974, [7] W.A. Bailey: Fatigue of 356 aluminum alloy. Foundry, vol. 93, 1965, [8] B. Zhang, D.R. Poirier, W.Chen: Microstructural effect on high-cycle-fatiguecrack initiation in A356.2 casting alloy. Metallurgical and Materials Transactions A, vol. 30A, 1999, [9] M.J. Couper, A.E. Neerson, J.R. Griffiths: Casting defects and fatigue behavior of an aluminum casting alloy. Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures, vol. 13, 1990, [10] J.F. Major,: Porosity control and fatigue behavior in A356-T6 aluminum alloy. AFS Transactions, vol. 106, 1998, [11] A.W. Orłowicz, M. Mróz: Microstructure and fatigue strength of A 356 alloy castings refined on the surface by rapid crystallization. Z. Metallkunde, vol. 94, nr 12, 2003, [12] A.W. Orłowicz, M. Mróz: Wpływ ilości ciepła wprowadzonego do obszaru nadtopień na strukturę odlewów ze stopu C 355. Archiwum Odlewnictwa, vol. 4, 11, 2004, [13] M. Honma, S. Kitaoka: Fatigue strength properties of aluminum alloy castings of different structural fineness. Aluminum, vol. 60, 1984, [14] B. Zhang, D.R. Poirier, W. Chen: Microstructural effect of high-cycle fatiguecrack initiation in casting alloy. Metallurgical and Materials Transactions A, vol. 30A, October, 1999,

7 277 [15] R. Minichmayer, W. Eichlseder: Ermüdung von Aluminium-Gussbauteilen under Berücksichtigung der Gefügemerkmale Dendritenabstand und Porosität. Giesserei-Rundschau, 51, 2004, Pracę wykonano w ramach projektu badawczego nr 4 TO8C FATIGUE OF C 355 ALLOY AFTER RAPID SOLIDIFICATION SUMMARY The results of the effect of rapid solidification, realized with GTAW method, on the structure and fatigue strength of C 355 alloy was presented in the paper. The sample was prepared in the permanent mould and refined surface with variable parameters of GTAW process (welding current, arc advance speed). The correlation and multiple regression analyses were applied in order to the relation between the structure parameters and fatigue strength Recenzował Prof. Józef Gawroński