36/11 Soidification ofmetas and Aoys.No.36. 1998 Krzepnięcie Metai i Stopów, Nr 36, 1998 PAN - Oddział Katowice PL ISSN 0208-9386 WPŁ YW TEMPERATURY I ŚRODOWISKA NA PLASTYCZNOŚĆ INTERMETALI Fe-A W PRÓBIE ŚCISKANIA JÓŹWIAK Stanisław, BOJAR Zbigniew CHMIELEWSKI Tomasz, MRÓZ WaJdernar Wojskowa Akademia Techniczna u.s.kaiskiego 2, 00-908 Warszawa W pracy przedstawiono wyniki badań właciciwości mechanic:znych odewniczego stopu Fe-40%at A przeprowadzonych za pomocą próby ściskania w temperaturach do 700 C w środowisku argonu i powietrza. Wykazano wzrost właściwości pastycznych badanego stopu w temperaturach powyżej 600 C. Wstęp W układzie równowagi Fe-:\.1 występują dwie fazy międzymeta iczne znajdujące się w kręgu zainteresowań konstruktorów, a mianowicie FeAI o strukturze B2 (A2) oraz Fe01 o strukturze 00 3 (A2). Fazy te, o budowie re!,'arnej centrowanej przestrzennie charakteryzują się niską pastycznością i odpornością na pękanie w temperaturze otoczenia, a także niską wytrzymałości ą i odpornością na pełzanie w temperaturach podwyższonych []. Generanie na podstawie danych iteraturowych można stwierdzić, iż pastyczność stopów intermetałicznych na osnowie faz z układu Fe-A rośnie wraz ze wzrostem temperatury, natomiast wytrzymałość doraźna spada powyżej 600 C (tab 1)[2,3]. tabica. Wpływ temperatury na właściwości W)trzymałościowe stopu Fe-40%at.A temperatura f C Rm fmpa Af%1 otoczenia 705 8 600 210 30 700 139 32 Powyższe stwierdzenia, a także dobra odporność na korozję w podwyższonych temperaturach [4]predysponują te materiały do praktycznego zastosowania we współczesnej technice. Podstawowym założeniem niniejszej pracy było okreśenie wpływu temperatury na właściwości mechaniczne odr., --riczego stopu Fe-40%at A.
88 Materiał użyty do badań W stanie dostawy, po odewaniu struktura materiału była gruboziarnista i porowata. Wiekość ziaren dochodziła do 1,5 mm. W granicach ziaren widoczne były pojedyncze podłużne wydzieenia. Anaiza chemiczna tych wydzieeń pozwaa stwierdzić, iż jest to krucha faza Fe:zAJ, (rys.). ec: 41 ; ' ' t i i t. t! 1 1 1 i i 1 j 1 1 1 1 1 i i ~! 1! 1 1!! 1 i i i 1! i n!!!c ~~LI Z. pj _!....!'- - ~ -, EDAX» Quan1Hica11on (~) E!Mnent łoioi'imiizad Een»nt Wt% At% oj( z.zz!.ł U.K U.Z3!>8.01 ZrL 0. 4!) 1).20 rek 55.07 H.~J TOC! 100.00 100.. 00 Etmtnt Netta. Bcgdnt.o. ' In!!. ~ PIB " OK 27.50,.. 'JJ :i.85 6. :29!'eL 96.11 10.60 1.49 9.0?.Wt!186.!11. 16.36. 0..45 60.31. ZrL 4.85 22.:61 $. 01. 0.21 rek b~7.49 J.3.8i o.ss 4?.bJ. Rys.. Anaiza chemiczna wydzieeń fazy Fe:zAJ, po granicach ziaren osnowy stopu Fe-40%at.AI po odewaniu.
89 a) r-, - r- T -,- r -,- r, - 1, -,- T -,- r, -,- 1 -,- r -,- r, - r, -.- T -,- r, - r, ~: : :.:,~M_:~~~.:~J~_:_~ :,..~~~~:~: : ' -- --~.r~~~-;:....::~o. ',,,.....,,.,.,,,. r ~... J.:, ~, tt\:m.-..,...::.; ' '..:. ' 1,,.t., t 'W~ "" " r t -,- 1 -,- r -,- 1 t-,- i -,- r -,- 1 -, -,- 1 -,- 1 -, - 1 1-,- 1 -,- 1 -,- r -, -,- 1 ł J ;. ;. f ' 1.1 ;'. ; t.f.-...ki ~fi,.'j\j.!\ 1._.',,)' ' ' ; 't'f'~ :;.'(.--:\'fł!:~~.:-~~~r- ~, -~~fł~!~ \ł{,,,.:.., t,,, ~, t,.::1 : r; ~,:i,,, ; v:,, ł L..J -L.1-1-J...J-L..J-L J.-'- L-'- L..J -'-J.-'- J.-'- L J_....1_1_.1_1_ L.1-L.J ł L J- L~-:-~ --+-%at AJ -'- -'-~.. L L J _~~ ~_ L~ _o _ 70 60 -iii 50~ ~ 40 'E ~ 30 c. iii N 'O 20 ::::>,, : 1 1 1 - 'III at Fe,,, :,,, : : 1,,, : 1,,, L..J- L J.-'- 1. -L. J _t_.1 _t_ J. L.J- L..J -'-J. L.J- L.J f ~ ~ t. ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ o o o o o o o o o o Odegłość od ewej strony ziarna [mm)..,.... ci... ci 8 ci 10 b) Linowy raziead petwiuków A i Fe w pnbce po wygr.zawaniu ~~-t--1-ł-~-1- -%at A ~- to.... - ~... - ~ ~ -- + - - + - -... -ł- ~... - ~ 20 1 ł --.tor- %a Fe -~,-r~-r~4-r~-r~-~~ 10 ~, ~, - - ('f) CD ci r-t-,--r-r-,~r-r-,--r-r-,~'r-'~'-,-,--r-r-,--r-r-,~--r-r-,--r-r-,-,--r-~ o CD..,.... g on o o ci.ci ci ci ci ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ o o o o o ci o ci o o Odegłość od ewej strony ziarna [mm) Rys:2. Liniowy rozkład żeaza i auminium w przykładowych ziarnach próbek stopu Fo-40%at.A po odewaniu (a) i po wyżarzaniu (b).
90 FS: 6709 Lsec : ~1 ~ K Fe( f~ L 1.30 2.00 2.70 3.40 4.10 4.80 5.50.i 11.20 \./\. uo 7.80 EDAX ZAF O.uantHcaton.(Standardes$.) Eement Normaizad Eement Wt% At% A K 51;~ 69.10 FeK 48.06 30.. 90. Tota 100.00 100. 00.Eement.Netnte.... Bkgd.IDte.. Fe L 41.92 6.25 JUK 962.04 10.36 FeK 416.08 9.17.nte..Error 2.59 0.51 o.77 PB 6.70 92.82. 45.36 Rys.3. Anaiza chemiczna wydzieeń fazy FeAh w ziarnach osnowy ' stopu F~O%at. A po wyżarzaniu.
91 FS :4723 Lsec : ao Fe \,. - r-- - :. - - FeL ) \ 1.00 1.70 2.AO 3.10 3.80 4.SO 5.20 5.90 A ILJ\ 6..50 7.30 EOAX ZAF Quantifcaton (Standardess) Eement Nonnazed Eement Wt% AK 17.55!'eK 82.45 Tota. 100. 00 At% 30.58-69.42 10.0. 00. Eement Netnta. YeL 90.7-ł AK 275.8~ FeK 857. 79 Bkgdnta. 2.28 9 ; 67 1 5. 3'8 łnta. Error!.37 o. 79 0.44 PIB 39.85 28.53!15. 77 Rys.4. Anaiza chemiczna wydzieeń fazy Ft::~A w ziarnach osnowy stopu Fe-40''/oat.AI po wyżarzaniu.
92 W ceu ujednoicenia składu chemiemego badanego materiału przeprowadzono wyżarzanie homogenizujące w temperaturze 1150 C w czasie 8 h w atmosferze argonu. Po takiej obróbce. ciepnej wiekość ziarna zwiększył a się do około 2 mm natomia5t skład cherniemy osnowy zbiżył się do składu stechiometrycmego, w porównaniu do stanu po odaniu (rys.2). Przeprowadzone wygrzewanie spowodowało rozpuszczenie fazy Fe 2 A 5, jednakże w niektórych ziarnach osnowy pojawiły się pojedyncze, dyskowe wydzieenia fazy FeA1 2 (rys.3). Wydzieenia tej fazy majdują się również w granicach ziaren. Oprócz wystepowania tych niekorzystnych-kruchych wydzieeń w ziarnach osnowy zaobserwowano występowanie drobnodyspersyjnych wydzieeń, które zidentyfikowano jako fazę Fe~ (rys.4). Przeprowadzony zabieg ciepny w widocmy sposób wpłynął na wartość mikrotwardości badanego stopu. Statystycme pomiary tego parametru (średnia ze stu pomiarów) przy obciążeniu 100G na powierzchni zgładu metaografiemego wykazały, iż w wyniku wygrzewania w temperaturze 50 C w czasie 8h nastąpił spadek średniej mikrotwardości z 320 HVO, do 266 HVO, (rys.5) ~0~--------------------------~... o > :z: 350 300 ~ ~ 250 - FeAI po odewaniu FeAI po wwrzewanu Rys.S. Wpływ obróbki ciepnej na średnią mikrotwardość próbek Fe-40%at. A Badania wytrzymałościowe Początkowo badania wytrzymałościowe panowano przeprowadzić jako statycmą próbę rozciągania próbek z materiału Fe-400/oat.A w temperaturach 20, 200, 300, 400, 500, 600 i 700 C w atmosferze powietrza i argonu, oraz porównać otrzymane wyniki z parametrami wytrzymałościowymi uzyskanymi podczas takiego samego testu przeprowadzonego na stopie ŻS6-K w atmosferze powietrza (tab.2) Jednakże próby obróbki skrawaniem stopu Fe-400/oat.A, w ceu wykonania próbek wytrzymałościowych do statycmej próby rozciągania nie powiodły się. Ze wzgedu na gruboziarnistą strukturę z wydzieeniami kruchej fazy FeA 2 po granicach ziaren oraz zjawisko kruchości wodorowej [ 5], materiał okazał się praktycznie nieskrawany Datego też koncepcja badań wytrzymałościowych uegła zmianie
93 i zamiast statycznych prób rozciągania przeprowadzono statycme próby ściskania w atmosferze powietrza i mgonu w temperaturach 20, 200, 300, 400, 500, 600 i 7(~fC. Badania przeprowadzono na uniwersanej maszynie -;;vytrzymałościowej INSTRON 850 Pus z wykorzystaniem oprogramowania INSTRON seria IX. zgodnie z normą PN-91/H-4314 na próbkach wacowych o średnicy 010 i wysokości h=30 mm. Szybkość przesuwu trawersy wynosiła mm/min. Przykładowe wykresy ściskan ia przedstawiono na rys.6. tabea 2. Zestawienie parametrów wytrzymałościowych w funkcji temperatury da stopu Ż S6- K temnpnhno, re] R... [MPa] Af%1 E [MPa] Ro.2 [MPaJ otoczenia 860 6,2 34650 775 200 922 4,4 30160 885 300 894 5,6 36740 754 400 919 3,5 38690 810 500 933 56 36180 809 600 898 4,2 33020 816 700 948 49 35760 855 800 980 57 34290 884 W wyniku przeprowadzonych prób wytrzymałościowych można stwierdzić, iż badany stop posiada bardzo wysoką wytrzymałość na ściskanie, dochodzącą do około 950 MPa w temperaturze otoczenia, niezaeżnie od środowiska, w któ)'i przeprowadzano próbę. Jednakże pastyczność jest bardzo niska, co potwierdziło wcześniejszy wynik prób skrawaności. Odkształcenie całkowite sięga około?0/o. Istotny wpływ na wartość uzyskiwanych wyników badań właściwości mechanicznych ma obróbka ciepna badanego materiału. Próbki, które były chłodzone z piecem po wygrzewaniu w 1150 C posiadają wytrzymałość rzędu 950 MPa, natomiast wartość tego parametru da próbek chłodzonych w oeju wynosi tyko około 200 MPa. Przyczyną takiego stanu jest wzrost naprężeń własnych powstałych w wyniku przesycania, co powoduje,.rozsypywanie się" próbki na pojedyncze ziarna podczas próby ściskania. Wraz ze wzrostem temperatuty, w której przeprowadzany był test obniża się wartość wytrzymałości z 950 MPa w temperaturze otoczenia do około 130 MPa w temperaturze 700 C. Odkształcenie całkowite jest praktycmie niezmienne w zakresie temperatur do 500 C i wynosi około?0/o. Jednocześnie na powierzchniach zewnętrmych próbek wyraźnie widoczne są pęknięcia międzykrystaiczne materiału. Dopiero testy przeprowadzone w temperaturach 600 oraz 700 C przyniosły efekt w postaci macmego wzrostu odkształcenia pastycznego, sięgającego 300/o. Ponadto w tych temperaturach nie obserwuje się pęknięć materiału tak wyraźnych w niższych temperaturach testu. Nieznaczny jest natomiast wpływ środowiska na wytrzymałość doraźną na ściskanie.. Różnica w wartościach tych parametrów da prób przeprowadzonych w atmosferze argonu i powietrza jest mikoma. Wyraźnie natomiast maeje, o około 30%, wartość modułu Younga da badań prowadzonych w ochronnej atmosferze argonu. Całkowite odkształcenie pastyczne w tym środowisku w temperaturach 600 oraz 700 oc wyraźnie wzrasta w porównanj._ z testami prowadzonymi w powietrzu (rys. 7).
94 eo.o!ici.d 140.0 ~ SO.D 20.0 10,0 ~.Dr<-r.-.. -..-.. -..-.. -..-.. -. fo.d -1...; ~... D 1S.D 11.0 1.0 7.0 5,0 s.o 1.0 Rys.6. Przykładowe wykresy uzyskane podczas prób ściskania stopu Fe-400/oat.A: a) temp. otoczenia, atm. powietrza, b) temp. otoczenia, atm. powietrza, próbka przesycana w oieju, c) temp 700 C, atm powietrza.
IVUV.!! c 900 i 800 700 t i!. foo!! -J 500. 400 (.!! 300... 100.12~ 200 :E o o o o o o o o ", N 8 8 8 8 N..,. co... Temperatura 95 ~~----r---~-----.----,-----.---~. :E 25000. ~ 20000. - ~. ~ 15000 :; 10000 " ~ 5000 :: soooo r--<.._--&... 0+-----~~-4-----r~--4-----~--~ o o o o..,. g g... Temperatura Rys. 7. Wpływ temperatury i środowiska na zmianę parametrów wytrzymałościowych podczas prób ściskania
96 Podsumowanie Badany materiał na bazie fazy międzymetaicmc-j Fe-40%at.A posiadał gruboziarnistą struktw'ę, charakteyzującą się skłonnością do pękania międzykrystaicmego, co całkowicie uniemożiwiło obróbkę saawaniem tego stopu. Wydzieenia twardych i kruchych faz (Fe 2 A1 5 i FeA1 2 ) mimo dobrej wytrzymałości na ściskanie badanego stopu. porównywanej z wytrzymałością wysokiej jakości materiałów żarowytrzymałych. powodują. niezadowaającą pastycmość w temperaturze otoczenia. Jednakże macmy wzrost pastycmości w temperaturach z zakresu 600+ 700 C umożiwia obróbkę pastycmą tych stopów. Naeży więc kontynuować badania nad rozdrobnieniem ziarna w tych tworzywach metaicmych (np. za pomocą prasowania wypływowego w podwyższonych temperaturach) co mogłoby doprowadzić do uzyskania zadowaających parametrów wytrzymałościowych. Literatura [1]. M.G.Mendiratta, S.K. Ehers, D.M.Dimiduk. W.RKerr, S.Madzyasn. H.A.Lipsit Universa Eneigy Systems, Inc. Dayton, )H45433-1894,.A review of recent deveopments in iron aumides". [2]. J.Bystrzycki, RA. Varin, Z.Bojar, Inżynieria Materiałowa, 5, 137 (1996) s.37. [3]. N.S.Stooff, C.C. Koch. C. T. Lin. O.Izumi, High Temperature Ordered Jntermetaics Aoys, V Proccedings of Materias Research Society Sympozium, Pittsbwg (1993), s.288. [4]. J.Bystrzycki, RA. Varin, The frictiona component in micro-hardness testing of intennetaics, Scripta Metawgica 29, 605 (1993). [5]. W.Mróz, S.Jóźwiak, Z.Bojar, J.Bystrzycki, A.Antonik, P.Norek, A.Prokopiuk, B.Mamyrin. D.Schmikk, S.Kiriov:" Anaysis of homogencity of eements distńbutions in the Fe-A intermetaics sampies anayzer of mass-refectron type with aser ionization of investigated materias", 7łł Internationa Conference on on Sources Taormina, tay, septernber 7-13, 1997. Praca została zreaizowana w ramach grantu KBN nr T08A03409 oraz 657/S5/94/07