ARHIVES f FOUNDRY ENGINEERING Published quarterl as the rgan f the Fundr mmissin f the Plish Academ f Sciences ISSN (97-) Vlume Special Issue / / Ocena wpłwu makr i mikrnaprężeń na pwstawanie i rwój pęknięć w staliwie austenitcnm pdcas męcenia cieplneg. II. Mikrnaprężenia J. Tuleja Insttut Inżnierii Transprtu, Akademia Mrska, Wał hrbreg -, 7- Scecin, Plska Kntakt krespndencjn: e-mail: j.tuleja@am.scecin.pl Otrman..; aakceptwan d druku.. Strescenie W prac cenin wpłw mikrnaprężeń na pękanie elementów prrądwania technlgicneg eksplatwanch w piecach d nawęglania. Dświadcalnie cenin mżliwść wstąpienia premian fawej w warunkach ddiałwania pdwżsnej i miennej temperatur w staliwie austenitcnm tpu Fe-Ni-r-. Numercnie, metdą elementów skńcnch, wnacn naprężenia strukturalne σ, σ, σ, pwstające wskutek różnic, głównie w wartściach współcnników rseralnści cieplnej ów i austenitu, w mdelu a cęściw słnięteg austenitcną snwą, pdcas jeg gwałtwneg chłdenia. Dla prjęteg mdelu a, stsując hipteę niemienników Burńskieg kreśln bsar, w którm ulegnie uskdeniu. Wkaan, że naprężenia strukturalne wnikające różnic we właściwściach ficnch fa są bepśrednią prcną pękania badanch elementów. Słwa klucwe: Obróbka cieplna; Mikrnaprężenia; Staliw austenitcne; Pękanie. Wprwadenie Jak mżliwe źródł naprężeń prwadącch d pękania elementów prrądwania technlgicneg pieców d nawęglania wskauje się mikrnaprężenia [ ]. Prcną ich pwstawania mgą bć premian fawe i/lub różnice we właściwściach ficnch fa wstępującch w strukture materiału, własca w wartściach współcnników rseralnści cieplnej, bądź ich anitrpii [ 7]. W prac pdjęt próbę kmplekswej anali mikrnaprężeń wstępującch w elementach prrądwania technlgicneg, w celu pracwania mechanimu ich pękania, c będie predmitem drębnej publikacji.. Badan materiał Badanm materiałem bł staliw austenitcne tpu Fe-Ni-r- pwsechnie stswane na element prrądwania technlgicneg pieców d nawęglania następującm składie chemicnm (% mas.) []: =.9%, Mn =.%, Si =.%, r =.%, Ni = 7.%. Prkładwe mikrstruktur badaneg staliwa w stanie nienawęglnm (wżarnm) i nawęglnm, którch spsób prgtwania pisan w prac [] predstawin na rs. a i a. Identfikację wstępującch w nich składników fawch, preprwadną metdą dfrakcji rentgenwskiej na dfraktmetre Philips PW7 pr astswaniu lamp, ARHIVES OF FOUNDRY ENGINEERING Vlume, Special Issue /, -
napięciu kv, prądie ma, w akresie kątwm Θ d predstawin na rs. b i b. a) a) μm Rs.. Staliw austenitcne w stanie nienawęglnm (wżarnm): a) prkładwa mikrstruktura, wniki rentgenwskiej anali fawej μm Pwierchnia warstw nawęglnej Rs.. Staliw austenitcne w stanie nawęglnm: a) prkładwa mikrstruktura warstw nawęglnej p h nawęglania w temperature 9,,, d) wniki rentgenwskiej anali fawej w klejnch prekrjach warstw nawęglnej W strukture teg materiału arówn w stanie nienawęglnm jak i nawęglnm wstępują następujące fa - austenit ra rlkwane w nim i. W stpie nienawęglnm są t i tlk tpu M, natmiast w nawęglnm M ra M 7. Wniki badań są gdne wnikami uskanmi pre innch badac [, ].. Mikrnaprężenia wwłane premianami fawmi Wpłw mikrnaprężeń wwłanch premianą fawą na pękanie elementów wknanch badaneg staliwa austenitcneg cenin, prównując jeg skład faw pred i p chłdeniu w dwóch cnnikach chłdącch wdie i leju. D badań wkrstan próbki wmiarach mm, wcięte próbek udarnściwch wkrstanch w prac []. Próbki ra spsób ich wcięcia predstawin na rs.. Tak prgtwane próbki pddan prceswi męcenia cieplneg. kl ciepln plegał na ich nagrewaniu w piecu 7 O ~ M M O~ 7 Śrdek warstw nawęglnej M M M γ Fe +M M M M M M M M 7 O~ d) Nienawęgln rdeń 7 O~ elektrcnm d temperatur T = 9 ±, wgrewaniu w tej temperature pre minut, a następnie ich chłdeniu w wdie temperature T cw = i w leju temperaturach dpwiedni T c = ra T c =. Zakres mian temperatur prjęt, jak dpwiadające recwistm warunkm prwadenia prcesu hartwania p nawęglaniu. a) A-A A A Rs.. Próbka d badań: a) schemat wcięcia, wmiar próbki Identfikację składników fawch p męceniu cieplnm dknan metdą dfrakcji rentgenwskiej w spsób predstawin w punkcie, a uskane wniki predstawin na rs.. a) M O~ 7 hłdenie w wdie hłdenie w leju M Rs.. Prównanie wników rentgenwskiej anali składu faweg badaneg staliwa austenitcneg pred i p chłdeniu temperatur T = 9 : a) w wdie T cw =, w leju T c =, w leju T c = Zmęcenie cieplne nie prwadi d mian składu faweg badaneg staliwa - w jeg strukture nieależnie d sbkści chłdenia (wda, lej) nadal becne są fa - austenit ra i. Obserwwane mian składu faweg badaneg staliwa granicają się tlk d mian udiałów ów. Dtc t arówn prcesu nawęglania (rs. b, c, d) jak i męcenia cieplneg (rs. a, b,. Z prównania bjętści właściwej ów różneg tpu ra austenitu (tablica ) wnika, że nieależnie d tpu ów ich bjętść właściwa jest więksa d bjętści właściwej austenitu, stąd w wdielającch się ach naprężenia będą ściskające tablica [, ]. ΔT=(9-) : O~ 7 ΔT =(9-) : M O~ 7 ΔT =(9-) : ARHIVES OF FOUNDRY ENGINEERING Vlume, Special Issue /, -
Tablica Objętść właściwa fa wstępującch w staliwie austenitcnm tpu Fe-Ni-r- [, ] Faa Objętść właściwa, V c [cm /g] austenit γ.-. M. M 7. M.97 ma jedną pwierchnię niesłniętą austenitcną snwą. W dtchcaswch pracach wkaan, że tlk w takich ach mgą wstępwać naprężenia rciągające σ, σ red, które są wskawane jak mżliwa prcna ich niscenia [,, 7]. a) Pwala t ałżć, że prces wdieleniwe ów mżna wklucć jak źródł naprężeń prwadącch d pękania badanch elementów. Tak prjęte ałżenie ptwierdają badania preprwadne na próbkach staliwa w stanie nawęglnm metdą prskwą i wżarnch w takiej samej temperature i casie, w którch pmim achdącch prcesów wdielania ów nie stwierdn becnści pęknięć []. W elementach wknanch badaneg staliwa austenitcneg pdcas ich chłdenia nie będą wstępwał naprężenia, którch źródłem są premian fawe. Ptwierdają t również inne prace [, ]. μm μm. Mikrnaprężenia wwłane różnicami we właściwściach ficnch współcnników rseralnści cieplnej ów i austenitu w warunkach ich gwałtwneg chłdenia.. Mdel mikrstruktur staliwa austenitcneg Mdel mikrstruktur badaneg staliwa austenitcneg pracwan na pdstawie anali metalgraficnch teg materiału w stanie nienawęglnm (wżarnm), nawęglnm w różnm casie w temperature 9 i 9 metdą prskwą w prsku składie: BaO %, Na O %, węgiel drewn % [] ra męcnm cieplnie. Prkładwą mikrstrukturę warstw nawęglnej p h nawęglania w temperature 9 predstawin na rs.. Wsstkie pęknięcia w męcnch cieplnie elementach wknanch e staliwa austenitcneg tpu Fe-Ni-r- prebiegają p granicach iaren [,, ]. Z preprwadnch bserwacji wnika, że i lkaliwane w tm bsare, nieależnie d teg, c dtc t stpu nienawęglneg (wżarneg), nawęglneg c też męcneg cieplnie są więkse i maswniejse ra twrą najcęściej ciągłą siatkę. Kstałtem są ne bliżne d prstpadłściennch płtek, którch dwa wmiar nacnie prewżsają wmiar treci (rs. a,. Wdielenia wewnątr iaren, reguł są mniejse, a ich kstałt jest bardiej różnicwan kulist, elipsidaln, walcw, prstpadłścienn i leżą wkle w pewnm ddaleniu d ów lkaliwanch na granic iaren rs. b. Na pdstawie preprwadnch anali metalgraficnch prjęt mdel bliceniw granic iarna, któr predstawin na rs.. Węglik lkaliwan w bsare prpwierchniwm μm Rs.. Mikrstruktura warstw nawęglnej w staliwie austenitcnm: a), bsar prpwierchniw warstw nawęglnej, nienawęgln rdeń granica iaren austenit Rs.. Mdel bliceniw granic iarna.. Rkład naprężeń σ,σ, σ w u Wpłw mikrnaprężeń wwłanch różnicami w wartściach ficnch fa wstępującch w strukture badaneg staliwa cenin wnacając numercnie, metdą elementów skńcnch rkład naprężeń σ, σ, σ w u cęściw słniętm austenitcną snwą, predstawinm na rs. 7. ARHIVES OF FOUNDRY ENGINEERING Vlume, Special Issue /, -
H a) B austenit G h b g granica iaren X P W M U V B Y N L S Z I T Q J R Rs. 7. Węglik cęściw słnięt austenitcną snwą: a) mdel bliceniw, mdel dskretn, astswane element skńcne W predstawinm prkładie bliceniwm ałżn, że tpu M 7 w kstałcie prstpadłściennej płtki wmiarach: g = μm, h = μm, b = μm najduje się w austenitcnej snwie wmiarach: G = μm, H = μm, B = μm rs. 7a. Wmiar a prjęt na pdstawie ilściwch anali metalgraficnch próbek wknanch badaneg staliwa p różnm casie nawęglania (- h) w temperature 9 ) []. D bliceń preprwadnch metdą elementów skńcnch dknan dskretacji prjęteg mdelu a i austenitcnej snw, a pdiału dknan stsując strukturalne element -węłwe rs. 7c. Uskan mdel dskretn predstawin na rs. 7b. Załżn, że jest materiałem sprężstm w całm akresie mian temperatur, aś austenit sprężst-plastcnm umcnieniem liniwm. W casie chłdenia temperatura ulega gwałtwnemu bniżeniu T = 7 d temperatur T c =, a jej mian achdą równceśnie w całej bjętści mdelu. D bliceń prjęt granicę plastcnści austenitu R. = N/mm ra mduł jeg umcnienia E e =.9 N/mm []. Wartści pstałch stałch materiałwch fa wstępującch w mdelu bliceniwm estawin w tablic []. ν, R, E, Tabela. Stałe materiałwe [] Faa E, α -, N/mm - K - p. N/mm e N/mm Węglik.9.7. - - M 7 Austenit.7. 7.7.9 W prac predstawin rkład naprężeń σ, σ, σ tlk w u. Ogranicenie t prjęt na pdstawie preprwadnch anali metalgraficnch nawęglnch i męcnch cieplnie żeber wknanch badaneg staliwa, którch wnikał, że pęknięcia w takich elementach prebiegają tlk pre i []. Rkład naprężeń σ, σ, σ w u kreślne w trech wajemnie prstpadłch kierunkach, wdłuż pinwej si, w dwóch płascnach i, w różnej dległści d śrdka mdelu bliceniweg, predstawin na rs.. O A K a) Naprężenia σ Naprężenia σ - --7-7 ---7-7 Naprężenia σ - 9..., μm, μm. Naprężenia σ, μm ---7-7 μm. μm. μm. μm. μm ΔT=(7 : ) Odległść d śrdka mdelu Odległść d śrdka mdelu, μm a) Naprężenia σ Naprężenia σ ---7-7 - - -7-7 Naprężenia σ - 9..., μm, μm., μm Naprężenia σ ---7-7 μm. μm 9. μm. μm. μm ΔT=(7 : ), μm Rs.. Rkład naprężeń σ, σ, σ w u w różnch dległściach d jeg śrdka: a, b, płascna, a, b, płascna Wnacne rkład naprężeń σ, σ, σ w u w bu rpatrwanch płascnach są bliżne. Różne są tlk wartści tch naprężeń - wżse są w płascźnie. Wnika t prprcji wmiarów prjęteg mdelu a, któreg serkść g w płascźnie jest diewięcikrtnie niżsa d długści b w płascźnie, c jednceśnie dpwiada prprcjm wmiarów recwistch ów lkaliwanch na granicach iaren. Pa bsarem prpwierchniwm analiwaneg a wsstkie naprężenia σ, σ, σ są ujemne, a ich wartść nie prekraca średniej wtrmałści takich ów na ściskanie (R c ) [, ]. W bsare prpwierchniwm a stan naprężeń jest inn, jedn naprężeń - σ jest ddatnie d głębkści. μm, pr cm d kł. μm jeg wartść prekraca średnią ARHIVES OF FOUNDRY ENGINEERING Vlume, Special Issue /, -
wtrmałść takich ów na rciąganie (R m ) [, ]. Pwala t sądić, że będie ulegał rrwaniu wdłuż si. Jednak na pdstawie anali tlk teg jedneg naprężenia nie mżna wniskwać mżliwści niscenia tej fa... Rkład naprężeń σ red w u W łżnm stanie naprężeń bsar, w którm ulegnie nisceniu mżna kreślić ceniając wtężenie tej fa ppre blicenie naprężenia redukwaneg σ red i prówanie g naprężeniem dpuscalnm pr jednsiwm rciąganiu (R m ) lub ściskaniu (R c ). W dtchcaswch pracach wtężenie ów cęściw słniętch austenitcną snwą cenian tlk w wbranch bsarach: w ich si w jednm punkcie. μm pd pwierchnią a [], w bsare, w którm naprężenia σ prjmwał wartść ddatnią [] ra wdłuż jednej si prjętch mdeli bliceniwch [7]. W żadnej dtchcaswch prac nie preprwadn cen wtężenia takich ów w całej ich bjętści i tm samm nie wklucn mżliwści niscenia tej fa w innm bsare niż prpwierchniw. D cen wtężenia prjęteg mdelu a wkrstan hipteę Burńskieg, którą wbran na pdstawie anali warunków niscenia preprwadnej w prac [7]. Naprężenia redukwane σ red będące miarą wtężenia materiału W na pdstawie naprężeń σ, σ, σ, według prjętej hipte wnacn ależnści [, ]: + σ red = σ σ σ σ σ σ σ + + ( τ + τ + τ ) + ( σ ) () gdie: R = R c m Rkład naprężeń σ red w u kreślne w trech wajemnie prstpadłch kierunkach, wdłuż pinwej si, w dwóch płascnach i, w różnej dległści d śrdka mdelu bliceniweg, predstawin na rs. 9. W bu płascnach naprężenia redukwane σ red w u w bsare prpwierchniwm d jeg głębkści. μm są ddatnie, pr cm d k.. μm ich wartść prekraca średnią wtrmałść takich ów na rciąganie (R m ), c wskauje na niscenie takieg a w bsare prpwierchniwm. W pstałm bsare, w którm jest ściskan, wartść tch naprężeń nie prekraca jeg średniej wtrmałści na ściskanie (R c ), stąd w tm bsare nie ulegnie n nisceniu. Z preprwadnch bliceń wnika, że prcną pwstawania pęknięć w elementach wknanch badaneg staliwa austenitcneg eksplatwanch w warunkach nawęglania i męcenia cieplneg są naprężenia strukturalne wnikające różnic, głównie w wartściach współcnników rseralnści cieplnej ów i austenitcnej snw. a) Płascna Płascna Naprężenia σ red Naprężenia σ red - - - - - -, μm Odległść d śrdka mdelu μm. μm. μm. μm. μm Rs. 9. Rkład naprężeń σ red, w u w różnch dległściach d jeg śrdka: a) płascna, płascna Na pdstawie wnacnch wartści naprężeń redukwanch σ red kreśln bsar, w którm stanie niscn dla rpatrwaneg prpadku (ΔT = (7 ) ra ddatkw cenin wpłw temperatur T n (ΔT = (T n ) na asięg teg bsaru rs.., μm, μm. 9....., μm ΔT=(:) -....., μm ΔT=(7:) -, μm Rs.. Zasięg niscneg bsaru w u w ależnści d temperatur pcątkwej T n pdcas chłdenia cnnikiem temperature T c = (ΔT = (T n ) ) Z preprwadnch bliceń wnika, że ulegnie nisceniu w warunkach gwałtwneg chłdenia nieależnie d różnic temperatur ΔT, której wrst prwadi tlk d więksania się uskdneg bsaru a.. Pdsumwanie i wniski, μm, μm... 9.., μm, μm ΔT=(7 : ). 9.. Odległść d śrdka mdelu μm. μm 9. μm. μm. μm Pękanie w warunkach gwałtwneg chłdenia w elementach wknanch e staliwa austenitcneg jest prcesem, μm ΔT=(:) - ΔT=(:) -..., μm, μm ΔT=(9:) - austenit., μm, μm... 9.., μm.... 9.., μm 9., μm ΔT=(:) - uskdn bsar a., μm, μm ARHIVES OF FOUNDRY ENGINEERING Vlume, Special Issue /, - 7
nieunikninm. Bepśrednią prcną pwstawania i rwju pęknięć w takich elementach są naprężenia strukturalne wnikające różnic w wartściach współcnników rseralnści cieplnej ów i austenitcnej snw. Badania dświadcalne własne ra innch autrów [ ] wklucają pwstanie w badanm materiale naprężeń prwadącch d jeg pękania, wnikającch becnści premian fawch ra prcesów wdieleniwch ów w warunkach ddiałwania pdwżsnch i miennch temperatur. Jednnacnie jak źródł naprężeń prwadącch d pwstawania i rwju pęknięć w warunkach męcenia cieplneg mżna wskaać, różnice w wartściach stałch materiałwch fa wstępującch w badanm materiale. Z prównania wartści współcnników rseralnści cieplnej innch ów [, ] mgącch wstępwać w staliwie austenitcnm tpu Fe-Ni-r- wnika, że ich niscenie w analiwanch w prac warunkach będie achdił w pdbn spsób []. Literatura [] Gutwski P.: Badanie prcn pękania palet użwanch w piecach d nawęglania, Praca dktrska PS, Scecin (99). [] Gutwski P., J. Tuleja: Wtężeniwa analia rwju pęknięć w stabilnm staliwie austenitcnm pdcas nagłch mian temperatur, ATMiA, () -7. [] Tuleja J., Gutwski P., Leus M.: Rwój naprężeń strukturalnch w staliwie LH7NS w wniku nawęglania i nagłch mian temperatur, Archives f Fundr vl., Nr () 9-97. [] Tuleja J.: Fracture frmatin in austenitic cast steel during thermal fatigue, Archives f Fundr Engineering, vl., Nr () 9-. [] Orłś Z. i in.: Naprężenia cieplne, PWN, Warsawa (9). [] Werński A.: Zmęcenie cieplne metali, WNT, Warsawa (9). [7] Żuchwski R.: Analia prcesu niscenia pdcas męcenia cieplneg metali, Prace Naukwe PW, Wrcław (9). [] Piekarski B.: Odlew e staliwa austenitcneg w budwie pieców d nawęglania. Prace Naukwe PS Nr 7, Scecin (). [9] Mrwec S., Weber T.: Nwcesne materiał żardprne, WNT, Warsawa (9). [] Padihla A.F., Ris P.R.: Decmpsitin f austenitic stainless steels, ISIJ Internatinal, () -7. [] Surmail T.: Precipitatin in creep resistant austenitic stainless steel, Mat. Science and Technlg, 7 () -. [] Ul-Hamid A., Tawanc H.M. i in.: arburisatin f Fe-Ni-r alls at high temperatures, Materials Science / () 9-. [] Unin arbide rpratin, ME December (9) 9. [] Kubicki J., hristdulu P.: Stabilnść austenitu w staliwach chrmw-niklwch w warunkach nawęglania i wstrąsów cieplnch. Materiał IX Smp. Nauk. kaji Dnia Odlewnika, ITiMO AGH, Kraków (9) 9-99. [] Barcik J.: Prces wdielania fa sigma w chrmwniklwch stalach austenitcnch. Prace Naukwe UŚ nr, Katwice (979). [] Tuleja J.: Pwstawanie i rwój pęknięć w staliwie austenitcnm w warunkach męcenia cieplneg, Akademia Mrska, Scecin (9), praca nie publikwana. [7] Tuleja J.: Analsis f effrt f carbides and austenite in austenitic cast steel cled vilentl, Archives f Fundr vl., Nr () -. [] Xia B., Xing J.D., Feng J.: Theretical stud n the stabilit and mechanical prpert f r 7, Phsica B () 7-. [9] Music D., Kreissing U., Mertens R.: Electrnic structure and mechanical prperties f r 7, Phsics Letters A () 7-7. [] www.matweb.cm, www.memsnet.rg [] Baucci M.: ASM Engineered Materials Reference Bk, ASM Internatinal, Materials Park, OH (99). [] Linde D.R.: R Handbk f hemistr and Phsics, Ed. th Editin, R Press, Bca Ratn, FL (999). [] Dląg Z. i in.: Wtrmałść materiałów, PWN, Warsawa (99). [] Niegdiński T.: Elastptka i metda elementów skńcnch w mechanice pękania. Mngrafie PŁ, Łódź (7). Abstract Evaluatin f the effect f macr and micrstresses n the frmatin and develpment f fractures in austenitic cast steel during thermal fatigue. II. Micrstresses In the stud, the effect f micrstresses n the cracking f techn-lgical instrumentatin elements used in carburising furnaces was evaluated. A pssibilit f the appearance f phase transitin in austenitic cast steel f the Fe-Ni-r- tpe under raised and variable temperature effect cnditins was evaluated eperimentall. Structural stresses σ, σ and σ, - develping due t differences, fr the mst part, in carbide and austenite thermal epansin cefficient values were determined numericall with the finite element methd in the carbide mdel partiall surrunded b the austenitic matri during its rapid cling. Fr the adpted carbide mdel, the area where the carbide will be damaged was determined using the Burński s hpthesis f invariants. It was shwn that micrstresses resulting frm differences in the phsiccal prperties f phases are a direct cause f cracking f the eamined elements. ARHIVES OF FOUNDRY ENGINEERING Vlume, Special Issue /, -