Porównanie własności mechanicznych i trwałości zmęczeniowej drutów z niskowęglowej stali TRIP z drutami ze stali D45

Transkrypt

1 S. 6 Hutnik Wiadomości hutnicze Nr 1 Dr inż. MACIEJ SULIGA UKD : :669.14: Dr hab. inż. ZBIGNIEW MUSKALSKI prof. P.Cz. Politechnika Częstochowska, Instytut Modelowania i Automatyzacji procesów Przeróbki Plastycznej, al. Armii Krajowej 19, Częstochowa suliga@mim.pcz.czest.pl Porównanie własności mechanicznych i trwałości zmęczeniowej drutów z niskowęglowej stali TRIP z drutami ze stali D45 The comparison of the mechanical properties and fatigue strength of the low carbon TRIP steel wires with D45 steel wires W niniejszej pracy podjęto próbę porównania własności drutów z niskowęglowej stali typu TRIP z drutami ze stali D45. Zaprezentowane w pracy badania wykazały, że druty z niskowęglowej stali TRIP odznaczają się własnościami mechanicznymi zbliżonymi do drutów ze stali węglowej gatunku D45 oraz zdecydowanie lepszą wytrzymałością zmęczeniową. In the work wire properties for the low carbon TRIP steel and D45 steel have been compared. Presented in the work investigation have shown that wires from low carbon TRIP steel have similar mechanical properties to D45 grade, but clearly better faitigue strength. Słowa kluczowe: ciągnienie, druty, struktura typu TRIP Key words: drawing, wires, TRIP type structure 1. Wprowadzenie. W ostatnich dekadach w wielu ośrodkach naukowych skupiono uwagę na poszukiwaniu stali, charakteryzujących się bardzo dużą wytrzymałością, przy jednocześnie wysokich własnościach plastycznych. Poszukiwania te doprowadziły do większego zainteresowania stalami charakteryzującymi się strukturą wielofazową. Do typowych gatunków stali wielofazowych można zaliczyć stale TRIP. Korzystne własności plastyczne tych stali uzyskuje się w wyniku przemiany martenzytycznej, wywołanej odkształceniem plastycznym. Zjawisko to nazywane jest efektem TRIP (ang. Transformation Induced Plasticity) [1-2]. Stale te zawierają w swojej strukturze ferryt, bainit, martenzyt oraz austenit szczątkowy w ilościach zapewniających osiągnięcie zarówno bardzo dobrych własności wytrzymałościowych, jak i plastycznych. Stale wielofazowe mogą zawierać względnie miękką, odznaczającą się wysoką plastycznością, osnowę fazową, a jednocześnie obecność drugiej fazy zapewnia dużą wytrzymałość na rozciąganie. Dotychczas głównym zastosowaniem stali TRIP są blachy karoseryjne. W literaturze można spotkać wiele publikacji związanych z walcowaniem i obróbką cieplną blach ze stali TRIP. Niewiele jest natomiast prac dotyczących obróbki cieplnej walcówki i procesów ciągnienia drutów z wielofazowych stali TRIP [3 6]. Z analizy literatury wynika, że przy tym samym składzie chemicznym, druty o strukturze TRIP odznaczają się lepszymi własnościami mechanicznymi i wytrzymałością zmęczeniową niż druty o strukturze np. ferrytyczno-perlitycznej. W celu wykazania pozytywnego wpływu struktury TRIP na możliwość uzyskania wysokich własności mechanicznych i trwałości zmęczeniowej drutów, porównano własności drutów ze stali o niskiej zawartości 0,09 C z drutami ze stali średniowęglowej gatunku D Badania własne. Materiał do badań stanowiła walcówka o średnicy 6,3 mm ze stali niskowęglowej po obróbce cieplnej typu TRIP (skład chemiczny stali podano w tabl. 1) oraz półfabrykat po patentowaniu o średnicy 4,0 mm ze stali węglowej gatunku D45. Dwustopniową obróbkę cieplną, umożliwiającą uzyskanie w walcówce Ta b l i c a 1. Skład chemiczny stali TRIP Ta b l e 1. The chemical composition of TRIP steel C Mn Si P S Cu Ni Cr Mo Sn Al N 0,09 1,57 0,90 0,01 0,008 0,02 0,01 0,003 0,007 0,006 0,001 0,003

2 2008 r. Hutnik Wiadomości hutnicze S. 7 struktury typu TRIP, zrealizowano w warunkach laboratoryjnych Politechniki Częstochowskiej na piecach grzewczych oporowych. Schemat obróbki cieplnej i strukturę stali przedstawiono na rys. 1. Identyfikację składników strukturalnych przeprowadzono na próbkach trawionych różnymi odczynnikami: odczynnikiem LePera. Odczynnik LePera pozwala na wyodrębnienie poszczególnych Ta b l i c a 2. Objętościowy udział faz w strukturze stali typu TRIP Ta b l e 2. Volumetric phase content in TRIP steel Udział faz Ferryt Bainit Austenit szczątkowy + ~Martenzyt 1, Austenit szczątkowy 2 74,6 16,8 8,6 7,8 1 trawienie odczynnikiem LePera 2 trawienie nital + pirosiarczyn sodu faz struktury, gdyż trawi osnowę ferrytyczną w odcieniach koloru żółtego, bainit na brązowo, a austenit szczątkowy i martenzyt pozostaje biały. 4 roztworem nitalu, a następnie 10 roztworem pirosiarczynu sodu. Pozwala to wyodrębnić w strukturze austenit szczątkowy Udział objętościowy poszczególnych faz w wielofazowej strukturze określono za pomocą programu MET-ILO (tabl. 2). Po przeprowadzeniu obróbki cieplnej i badań metalograficznych, potwierdzających uzyskanie żądanej struktury, druty ze stali TRIP przeciągnięto w 11 ciągach ze średnicy 6,3 mm na 1,9 mm. Natomiast druty ze stali D45 przeciągnięto w 6 ciągach ze średnicy 4,0 mm na 1,7 mm. Proces ciągnienia zrealizowano w klasycznych ciągadłach o kącie 2α =12, z prędkością ciągnienia V c = 1,6 m/s. W tabl. 3 i 4, przedstawiono wartości gniotów pojedynczych i całkowitych oraz wyniki badań mechanicznych ciągnionych Rys. 1. Schemat obróbki cieplnej walcówki oraz struktura stali typu TRIP, trawionej odczynnikiem LePera Fig. 1. Diagram of heat treatment wire rod and TRIP type structure, etched using LePer Ta b l i c a 3. Wyniki badań własności mechanicznych drutów ze stali TRIP Ta b l e 3. The investigation of mechanical properties of TRIP steel wires φ drutu, mm G p 6,3 319,2 570,3 78,3 20,11 5,6 21,0 21,0 541,2 728,9 72,4 3,29 5,0 20,3 37,0 691,4 863,8 69,6 2,79 4,5 19,0 49,0 778,4 943,7 64,7 2,68 4,0 21,0 59,7 853,2 1012,6 54,1 2,71 3,6 19,0 67,4 941,2 1084,3 52,3 2,51 3,23 19,5 73,7 1004,3 1142,8 48,2 2,34 2,93 17,7 78,4 1044,2 1180,2 47,7 2,14 2,53 25,4 83,9 1108,2 1232,0 46,6 1,65 2,3 17,4 86,7 1134,8 1270,1 45,8 1,50 2,1 16,6 88,9 1178,5 1321,5 42,4 1,61 1,9 18,1 90,9 1221,2 1371,2 40,4 2,59 R m Z A r

3 S. 8 Hutnik Wiadomości hutnicze Nr 1 Ta b l i c a 4. Wyniki badań własności mechanicznych drutów ze stali D45 Ta b l e 4. The investigation of mechanical properties of D45 steel wires φ drutu, mm G p R m Z A r 4,0 535,53 863,31 56,63 8,66 3,4 27,8 27,8 916, ,86 55,98 1,95 2,93 25,7 46,3 939, ,12 57,17 1,99 2,53 25,4 60,0 1034, ,93 56,66 2,00 2,18 25,8 70,3 1098, ,39 53,06 2,28 1,9 24,0 77,4 1148, ,47 48,20 2,06 1,7 19,9 81,9 1212, ,53 48,85 2,04 Ta b l i c a 5. Średnie wartości liczby cykli zmęczeniowych (N) do pęknięcia drutów ze stali TRIP o średnicy ø2,53mm = 83,9 oraz ø1,9 mm = 90,9 oraz dla drutów ze stali D45 o średnicy ø1,7 mm = 81,9 dla różnych poziomów naprężenia zginającego Ta b l e 5. The mumber of wire cycles after cracks for TRIP steel wires (ø2.53 mm = 83.9 ; 1,9 mm = 90.9 ) and D45 steel wires (ø1.7 mm = 81.9 ) for different of banding stress Wariant ciągnienia Stal TRIP = 83,9 Stal TRIP = 90,9 Stal D45 = 81,9 Wartość naprężenia zginającego σ max Liczba cykli do pęknięcia drutu N 801, , , , , , , , , , drutów ze stali TRIP i D45, tj. granicę plastyczności, wytrzymałość na rozciąganie R m, wydłużenie równomierne A r, przewężenie Z. Dla porównania własności drutów ze stali TRIP z drutami ze sali D45 sporządzono, na podstawie wyników zamieszczonych w tabl. 3 i 4 wykresy umownej granicy plastyczności, wytrzymałości na rozciąganie R m, przewężenia Z, wydłużenia równomiernego A r w funkcji gniotu całkowitego (rys. 2). Na podstawie rys. 2 stwierdzono znaczące różnice własności mechanicznych pomiędzy drutami ze stali TRIP a drutami ze stali D45. Walcówka ze stali TRIP, w stosunku do walcówki ze stali D45, odznacza się gorszymi własnościami wytrzymałościowymi ( i R m mniejsze średnio o 37 ), lecz większą plastycznością (Z większe o 27,7, a A r o 57 ). Niemniej wraz ze wzrostem gniotu całkowitego różnice pomiędzy własnościami badanych stali zmniejszają się. Różnice w i R m przy gniocie całkowitym = 80 wynoszą już tylko około 14. Zatem możliwe jest otrzymanie drutów ze stali TRIP o zawartości węgla 0,09, o własnościach wytrzymałościowych zbliżonych do drutów ze stali D45 (zawartość węgla wynosi 0,45 ). Na podstawie badań przedstawionych na rys. 2 można stwierdzić, że do gniotu całkowitego około = 60 druty ze stali TRIP, w stosunku do drutów ze stali D45, posiadają lepsze własności plastyczne. Przy = 60 różnice w wydłużeniu równomiernym wynoszą około 50, natomiast w przewężeniu dla = 50 około 13. Lepsze własności plastyczne drutów ze stali TRIP w zakresie gniotu całkowitego = 0 60 można wyjaśnić występowaniem efektu TRIP, który zwiększa plastyczność stali. Zwiększenie ilości austenitu szczątkowego w strukturze (np. poprzez wzrost zawartości węgla w stali) powinno zapewnić wysokie własności plastyczne w większym zakresie odkształceń, że względu na przedłużenie zakresu występowania efektu TRIP (przemiany fazowej austenitu szczątkowego w martenzyt). Badania wytrzymałości zmęczeniowej w warunkach zginania obrotowego przeprowadzono na maszynie zmęczeniowej wzorowanej na schemacie maszyny PUL DRABI SCHANCK. Schemat maszyny przedstawiono na rys. 3. Maksymalną wartość zadanego naprężenia obliczono z wzoru (1), wstawiając do wzoru rzeczywistą wartość E uzyskaną z badań na maszynie wytrzymałościowej. 6 f d E σ = 2 (1) l gdzie: f strzałka ugięcia, d średnica drutu, l długość próbki, E moduł Yunga. Na podstawie wyników zawartych w tabl. 5, sporządzono wykresy wytrzymałości zmęczeniowej (krzywe Wöhlera czasowej wytrzymałości zmęczeniowej) dla drutów ze stali TRIP oraz dla drutów ze stali D45 ciągnionych z różnym gniotem całkowitym (rys. 4). Na wykresie przedstawiono punkty (średnia liczba cykli z 10 próbek przy danym naprężeniu), które następnie zaproksymowano funkcją logarytmiczną. Z przedstawionych badań wynika, że przy podobnym gniocie całkowitym (81,9 83,9 ) druty ze stali TRIP o zdecydowanie niższej wytrzymałości na rozciąganie w stosunku do drutów ze stali D45 (o około 14 ), w zakresie naprężeń zginających powyżej 600 mają mniejszą wytrwałość zmęczeniową, natomiast przy naprężeniach zginających niższych niż 600 wytrzymałość zmęczeniowa stali TRIP jest wyższa. Jest to szczególnie ważne, gdyż zazwyczaj elementy z wyrobów ciągnionych pracują przy niższych wartościach naprężeń.

4 2008 r. Hutnik Wiadomości hutnicze S. 9 Rys. 2. Zmiana własności mechanicznych drutów ze stali TRIP i D45 w funkcji gniotu całkowitego Fig. 2. The change of mechanical properties of wires from TRIP and D45 steel in function total draft Rys. 3. Schemat maszyny do badań zmęczeniowych w warunkach obrotowego zginania 1 drut, 2 silnik, 3 licznik obrotów Fig. 3. The diagram of Schenck machine for the investigation of fatigue strength 1 wire, 2 motor, 3 counter of rotation Przy podobnym poziomie wytrzymałości na rozciąganie, którą dla drutów ze stali TRIP osiąga się przy większym gniocie całkowitym (dla = 90,9 ), druty te mają zdecydowanie większą wytrzymałość zmęczeniową niż druty ze stali D45. Różnice w wytrzymałości zmęczeniowej pomiędzy wariantami wzrastają wraz ze spadkiem wartości naprężeń zginających i przy naprężeniu 700 wynoszą około Rys. 4. Wykresy czasowej wytrzymałości zmęczeniowej (krzywe Wöllera) drutów ze stali TRIP i D45 Fig. 4. The diagram of fatigue strength of TRIP and D45 steel wires

5 S. 10 Hutnik Wiadomości hutnicze Nr Przypuszcza się, że różnice w wytrzymałości zmęczeniowej pomiędzy drutami ze stali TRIP i D45 mogą być związane z różnym typem, jak i ewolucją ich struktury w procesie ciągnienia. Struktura typu TRIP wydaje się być mniej podatna na pękanie przy zmiennych naprężeniach zginających. 3. Wnioski Mimo bardzo małej zawartości węgla (C = 0,09 ) struktura stali typu TRIP pozwala na otrzymanie drutów o własnościach wytrzymałościowych zbliżonych do drutów ze stali średniowęglowej gatunku D45. Druty z niskowęglowej stali TRIP odznaczają się lepszymi własnościami plastycznymi niż druty ze stali węglowej gatunku D45, szczególnie w zakresie występowania przemiany fazowej austenitu szczątkowego w martenzyt efekt TRIP ( = 0 50 ). Stwierdzono, że przy zbliżonych własnościach wytrzymałościowych druty ze stali TRIP odznaczają się zdecydowanie (bo aż o około 120 ) lepszą wytrzymałością zmęczeniową niż druty ze stali D45. Znacznie lepsza wytrzymałość zmęczeniowa, będąca ważnym czynnikiem określającym walory eksploatacyjne wyrobów z drutów, przy nieznacznie, bo o około 4, niższej wytrzymałości na rozciąganie może decydować o obszarach zastosowania drutów ze stali TRIP jako zamiennika drutów ze stali średniowęglowych. L i t e r a t u r a 1. Pilarczyk J. W., Muskalski Z., Golis B., Wiewiórowska S., Suliga M.: Influence of heat treatment of TRIP steel wire rod on structure and mechanical properties. Conference Proceedings Global Technologies for Emerging Markets, New Delhi, India, October 2006, s Suliga M., Muskalski Z., Pilarczyk J. W., Wiewiórowska S., Bajor T.: Porównanie własności mechaniczno-technologicznych i trwałości zmęczeniowej drutów o strukturze typu TRIP z drutami o strukturze ferryt-perlit. Materiały konferencyjne II Międzynarodowej Konferencji Ciągarskiej, Nowoczesne technologie oraz modelowanie procesów ciągnienia i wytwarzania wyrobów metalowych, Zakopane, marzec 2007 r. 3. Sygut P., Suliga M., Muskalski Z.: Analiza możliwości uzyskania struktury TRIP przy chłodzeniu walcówki na linii Stelmor. VIII Międzynarodowa Konferencja Naukowa Nowe technologie i osiągnięcia w metalurgii i inżynierii materiałowej Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2007, s Suliga M., Muskalski Z.: Wpływ gniotu pojedynczego na własności mechaniczno-technologiczne drutów ze stali TRIP. Hutnik-Wiadomości Hutnicze, 2007, nr 7 5. Suliga M., Muskalski Z.: Ocena struktury i efektu TRIP w procesie ciągnienia drutów ze stali 0,09C-1,57Mn-0,9Si. Rudy i Metale Nieżelazne, 2007, nr 11, s Suliga M.: Analiza teoretyczno-doświadczalna procesu ciągnienia drutów ze stali TRIP. Politechnika częstochowska, Częstochowa 2007 (praca doktorska) Dr inż. JOLANTA MATUSIAK UKD : : Dr inż. BOGUSŁAW CZWÓRNÓG Instytut Spawalnictwa ul. Bł. Czesława 16/18, Gliwice, Jolanta.Matusiak@is.gliwice.pl Boguslaw.Czwornog@is.gliwice.pl Niskoenergetyczne procesy spawania łukowego w osłonie gazów do łączenia cienkich blach stalowych The low-energetic gas shielded metal arc welding processes for joining the steel sheets W artykule przedstawiono nowe niskoenergetyczne warianty spawania łukowego w osłonie gazów, które znajdują zastosowanie w łączeniu cienkich blach stalowych z powłokami lub bez powłok ochronnych. Opisane innowacyjne procesy CMT (Cold Metal Transfer), ColdArc, STT (Surface Tension Transfer) i CBT (Controlled Bridge Transfer) stosowane są w produkcji nowoczesnych urządzeń przemysłowych i wyrobów powszechnego użytku, gdzie ważne jest znaczenie takich czynników, jak estetyka, masa własna i łatwość wytwarzania. Nowe metody spawania MIG/MAG mają ważną wspólną cechę: umożliwiają zdecydowaną poprawę jakości spawania materiałów o małej grubości w porównaniu z konwencjonalnym spawaniem łukiem zwarciowym, pozwalają znacząco zmniejszyć ilość ciepła wprowadzanego do materiału, a precyzyjna kontrola łuku i przenoszenia metalu w dużym stopniu zmniejsza ilość rozprysków.