BADANIA DYNAMICZNYCH WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNYCH STALI STOSOWANYCH NA KORPUSY

118 Prace IMŻ 1 (2010) Jacek JANISZEWSKI, Józef GACEK Wojskowa Akademia Techniczna Marek BURDEK, Jerzy STĘPIEŃ Instytut Metalurgii Żelaza im. St. Staszica BADANIA DYNAMICZNYCH WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNYCH STALI STOSOWANYCH NA KORPUSY W referacie przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych trzech gatunków stali, które zostały opracowane w celu ich zastosowania na korpusy urządzeń produkcji specjalnej. W pracy dokonano oceny właściwości fizykomechanicznych badanych stali zarówno w warunkach statycznego, jak i dynamicznego odkształcenia. Badania dynamiczne z szybkością odkształcenia rzędu 10 3 s -1 wykonano z zastosowaniem metodyki testu Taylora oraz testu pierścieniowego. Określono między innymi dynamiczną granicę plastyczności oraz wyznaczono parametry określające dynamiczne właściwości plastyczne badanych stali. W referacie zawarto także analizę porównawczą wyników otrzymanych podczas badań statycznych i dynamicznych oraz dokonano oceny właściwości mechanicznych badanych stali w kontekście ich przydatności do produkcji części urządzeń eksploatowanych w ekstremalnych warunkach obciążenia. Słowa kluczowe: stale na korpusy, test Taylora, metoda pierścieniowa, właściwości dynamiczne materiałów TESTS OF MECHANICAL PROPERTIES OF CASING STEELS AT HIGH STRAIN RATE CONDITIONS The results of experimental tests of three types of casing steels were presented in the paper; the paper includes also examination of physical and mechanical properties of steels tested both in static and high-strain-rate loading conditions. The dynamic tests with strain rate of 10 3 s -1 were performed with application of the Taylor impact test and expanding ring test methodology. These methods allowed among other to determine dynamic yield stress and some parameters characterizing the ductility of tested steels under high rate of strain. This paper includes also a comparative analysis of results obtained during static and dynamic experiments, as well as assessment of mechanical properties of the examined steels in view of their usability in manufacturing of machine parts operated under extreme loading conditions. Keywords: casing steels, Taylor impact test, expanding ring test, high strain rate properties of materials 1. WPROWADZENIE Przebieg deformacji plastycznej materiałów w warunkach dynamicznego odkształcenia różni się zasadniczo od odkształcenia quasi-statycznego. Deformacja dynamiczna jest przede wszystkim efektem zjawisk falowych zachodzących w odkształcanym materiale, przy czym na przebieg odkształceń mają ponadto wpływ siły inercji ujawniające się w trakcie tego procesu [1]. Reakcja materiału na odkształcenie plastyczne zachodzące z szybkością odkształcenia większą niż 10 3 s -1 także może diametralnie odbiegać od zachowania w warunkach quasi-statycznego odkształcenia. Dominującym mechanizmem występującym podczas plastycznych odkształceń dynamicznych jest bliźniakowanie [1]. Między innymi dlatego, w przypadku większości materiałów obciążonych dynamicznie obserwuje się zazwyczaj stopniowy wzrost ich wytrzymałości, w miarę zwiększania się szybkości deformacji. Wielkość przyrostu wytrzymałości oraz charakter jej zmian w funkcji szybkości odkształcenia zależy od bardzo wielu czynników, które ogólnie określają właściwości fizyczne badanego materiału (np. gęstość, typ struktury wewnętrznej), jego stan metalurgiczny (np. wielkość ziarna, stopień zanieczyszczenia) oraz warunki obciążenia dynamicznego (np. szybkość i intensywność odkształcenia). Złożoność mechanizmów rządzących przebiegiem odkształceń dynamicznych oraz trudności w przewidywaniu reakcji materiału na obciążenie dynamiczne jedynie na podstawie danych otrzymanych za pomocą standardowych, statycznych metod badawczych, zmusza naukowców do sięgania po niekonwencjonalne techniki eksperymentalne. Obecnie do najczęściej stosowanych metod dynamicznych należą: dzielony pręt Hopkinsona (ang. split Hopkinson pressure bar), test Taylora (ang. Taylor impact test), test płytowy (ang. plate impact test) oraz test pierścieniowy (ang. expan-ding ring test). Wyznaczanie dynamicznych właściwości mechanicznych ma szczególne znaczenie w przypadku materiałów, które zostały opracowane w celu ich zastosowania na części mechanizmów lub urządzeń przewidzianych do eksploatacji w warunkach dynamicznego obciąże-

Prace IMŻ 1 (2010) Badania dynamicznych właściwości mechanicznych stali... 119 Tablica 1. Skład chemiczny stali badanych dynamicznie, % masowe Table 1. Chemical composition of steels tested under high strain rate loading, wt.% Materiał C Mn Si P S Cr Ni Co Mo Ti V Cu Alm 15HGMV 0,17 0,96 0,07 0,013 0,015 1,43 <0,05-0,92-0,24 <0,05 0,013 N18K9M5Ts 0,007 0,09 <0,05 0,01 0,01 <0,10 17,7 9,10 4,80 0,68 - <0,05 0,10 N18K12M4Ts <0,005 <0,05 <0,05 0,01 0,01 <0,10 17,5 12,10 4,10 1,90 - <0,05 0,11 nia. Przykładem tego typu materiałów mogą być stale stosowane na korpusy, które są poddawane dynamicznym obciążeniom wynikającym z szybko narastającego wewnątrz nich wysokiego ciśnienia gazów. W niniejszym artykule zostały przedstawione wyniki badań przeprowadzonych dla tego typu stali, które zostały opracowane w Instytucie Metalurgii Żelaza. Do testów wytypowano trzy gatunki stali: 15HGMV, N18K9M5Ts oraz N18K12M4Ts, dla których wyznaczono parametry określające statyczne i dynamiczne właściwości wytrzymałościowe i plastyczne. Wyznaczenia tych parametrów dokonano zgodnie z metodyką testu Taylora i elektromagnetycznej metody pierścieniowej oraz za pomocą aparatury badawczej będącej na wyposażeniu Wojskowej Akademii Technicznej. 2. METODYKA BADAŃ 2.1. CHARAKTERYSTYKA MATERIAŁOWA STALI STOSOWANYCH NA KORPUSY Badaniom właściwości dynamicznych poddano nieznormalizowane gatunki stali będące w fazie optymalizacji w IMŻ: 15HGMV do ulepszania cieplnego oraz dwa gatunki stali maraging w odmianie superczystej N18K9M5Ts (MS300) i N18K12M4Ts (MS350). Wyniki analizy składu chemicznego badanych stali przedstawiono w tablicy 1. Badania stali 15HGMV wykonano na próbkach wygrzewanych w temperaturze 970 C przez 30 minut, hartowanych w oleju, a następnie odpuszczonych w temperaturze 660 C przez 120 minut i chłodzonych w powietrzu. Badania stali N18K9M5Ts i stali N18K12M4Ts wykonano na próbkach przesycanych w temperaturze 820 C przez 30 minut, chłodzonych w powietrzu, a następnie starzonych w temperaturze 490 C przez 180 minut i chłodzonych w powietrzu. Statyczne właściwości mechaniczne badanych stali przedstawiono w tablicy 2. Tablica 2. Właściwości mechaniczne badanych stali Table 2. Mechanical properties of tested steels Materiał R 0,2 [MPa] R m [MPa] A 5 A gt * Twardość [HRC] 15HGMV 1091 1155 17,5 2,3 32 N18K9M5Ts 1714 1779 9,1 1,9 53 N18K12M4Ts 2236 2318 7,0 1,8 55 *statyczne wydłużenie równomierne Wyjściową mikrostrukturę badanych stali przedstawiono na rys. 1. W stali 15HGMV (rys. 1a) występuje martenzyt odpuszczony, natomiast w stalach N18K9M5Ts (rys. 1b) i N18K12M4Ts (rys. 1c) występuje listwowy martenzyt bezwęglowy oraz fazy międzymetaliczne. 2.2. ZASTOSOWANE METODY WYZNACZANIA WŁAŚCIWOŚCI DYNAMICZNYCH STALI Oszacowanie dynamicznej granicy plastyczności stali wykonano bazując na teorii opracowanej przez G. Taylora [2] w 1948 roku. Dzięki tej teorii jest możliwe określenie dynamicznej granicy plastyczności materiału wyłącznie na podstawie wyników pomiarów geometrycznych próbki walcowej po jej zderzeniu z twardą, nieodkształcalną tarczą (płytą) oraz znajomości gęstości materiału walca i prędkości jego zderzenia z tarczą [2]. Pierwotna postać teorii Taylora doczekała się licznych modyfikacji, dzięki czemu zwiększono dokładność określania dynamicznych naprężeń występujących podczas plastycznego płynięcia w warunkach testu uderzeniowego. Jedną z takich modyfikacji jest model opracowany przez Jonsa i innych [3], który został wykorzystany w niniejszej pracy do wyznaczania dynamicznej granicy plastyczności badanych materiałów. Badania przeprowadzono na stanowisku przedstawionym na rys. 2. Jest to stanowisko, które standardowo wykorzystywane jest do badań balistycznych pocisków, i które zostało także przystosowane do warunków wymaganych w teście Taylora. Rys. 1. Wyjściowa mikrostruktura badanych stali: a) 15HGMV, b) N18K9M5Ts, c) N18K12M4Ts Fig. 1. The initial microstructure of the tested steels: a) 15HGMV, b) N18K9M5Ts, c) N18K12M4Ts

120 Jacek Janiszewski, Józef Gacek, Marek Burdek, Jerzy Stępień Prace IMŻ 1 (2010) Rys. 2. Stanowisko laboratoryjne do wykonywania testu Taylora Fig. 2. Laboratory stand for Taylor impact test Rys. 3. Widok stanowiska do elektromagnetycznego rozciągania pierścieni Fig. 3. View of the experimental stand for expanding ring test Do miotania próbek walcowych zastosowano pirotechniczną metodę napędzania, w której wykorzystano karabin z lufą gładką o kalibrze 8 mm. Próbkę walcową o wymiarach: średnica 8 mm, długość 56 mm osadzano w łusce, do której wcześniej wsypano naważkę prochu o masie obliczonej za pomocą kodu numerycznego do rozwiązywania problemu balistyki wewnętrznej. Stosując różne naważki prochu otrzymywano różne warunki napędzania (różna prędkość zderzenia). Do określenia prędkości zderzenia zastosowano optyczną metodę pomiarową, polegającą na rejestracji ruchu walca za pomocą cyfrowej kamery szybkiej Phantom v12. W celu zwiększenia dokładności wyznaczania tej prędkości zastosowano specjalistyczne oprogramowanie TEMA Motion Automotive. Badanie właściwości plastycznych stali w warunkach dynamicznego obciążenia wykonano również za pomocą elektromagnetycznego testu pierścieniowego [4]. Test ten polega na promieniowym rozciąganiu materiałowej próbki pierścieniowej za pomocą impulsowego pola elektromagnetycznego generowanego przepływem prądu przez cewkę, na której osadzono badany pierścień. W Wojskowej Akademii Technicznej opracowano stanowisko badawcze realizujące ekspansję elektromagnetyczną [5] (rys. 3), które składa się z trzech zasadniczych zespołów: napędzającego odpowiedzialnego za nadanie prędkości radialnej ściankom pierścienia, zasilania (generator impulsów prądowych) zapewniającego dostarczenie odpowiedniej energii do zespołu napędzającego, oraz ładowania umożliwiającego ładowanie baterii kondensatorów do wybranej wartości napięcia. Napędzanie pierścieni stalowych, o wymiarach pokazanych na rys. 4a, odbywało się w sposób pośredni, tzn. Rys. 4. Wymiary próbki pierścieniowej i widok perspektywiczny pierścieni Fig. 4. Dimensions of ring sample and perspective view of rings poprzez dodatkowy pierścień miedziany, na którym montowano badany pierścień stalowy (rys. 4b). Zastosowana metoda napędzania wynika głównie z tego, że stal ma dużą rezystywność, która obniża sprawność napędzania oraz wywołuje nadmierne nagrzewanie materiału pierścienia. Pierścienie montowano na cewce, która składała się z sześciu blisko usytuowanych (przerwa 0,3 mm) zwojów równoległych, których średni promień wynosił 14,55 mm. Jedynie na odcinku około 5 mm występowało ukośne przejście, zapewniające połączenie pomiędzy sąsiednimi zwojami. W celu oceny prędkości odkształcenia, podczas prób rejestrowano ruch pierścienia za pomocą szybkiej kamery cyfrowej. Z kolei ruch pierścienia analizowano z wykorzystaniem oprogramowania TEMA Motion Automotive podobnie, jak w przypadku testu Taylora. Dynamiczne właściwości plastyczne stali za pomocą metody pierścieniowej były określane na podstawie wartości następujących parametrów: wydłużenia obwodowego HT i wydłużenia równomiernego Ar. Wydłużenie HT obliczano z zależności HT = ln(rf/r0) 100%, gdzie rf oznacza promień pierścienia w chwili fragmentacji,

Prace IMŻ 1 (2010) Badania dynamicznych właściwości mechanicznych stali... 121 r 0 promień początkowy. Promień r f wyznaczano na podstawie wielkości obwodu pierście nia stanowiącego sumę długości poszczególnych fragmentów pierścienia wychwyconych w pierścieniu żelowo-parafinowym. Długość fragmentów pierścieni określano na podstawie pomiarów dokonanych na cyfrowych obrazach fragmentów za pomocą specjalistycznego oprogramowania NIS-Elements D 3.0. Wyniki badań przedstawionych w pracy [5] wykazują, że wydłużenie obwodowe nie może być porównywane z wydłużeniem określonym w warunkach statycznego rozciągania. Dlatego w celu przeprowadzenia analizy porównawczej otrzymanych wyników dla badanych stali wyznaczono także wartości wydłużenia równomiernego A r. Do wyznaczenia wydłużenia A r skorzystano z następującej zależności A r = (S 0 S r )/S r 100%, gdzie: S 0 początkowe pole przekroju poprzecznego próbki, S r pole przekroju określone w połowie odległości między końcami fragmentu pierścienia lub przewężeniami. Pomiary przekroju wykonywano w wybranych miejscach fragmentów, a następnie obliczano wartość średnią z przynajmniej dziesięciu pomiarów. Pomiary przekroju poprzecznego wykonano z niepewnością pomiarową wynoszącą 0,003 mm, za pomocą mikromierza elektronicznego z nieobrotowym wrzecionem i z płaskimi końcówkami pomiarowymi. 3. WYNIKI BADAŃ DYNAMICZNYCH 3.1. WYNIKI BADAŃ STRUKTURY STALI ODKSZTAŁCONYCH DYNAMICZNIE W TEŚCIE TAYLORA Na rys. 5 7 przedstawiono obrazy mikrostruktury badanych stali ujawnionej pod mikroskopem świetl- Rys. 5. Mikrostruktura wybranych próbek ze stali 15HGMV po teście Taylora odkształcanych z różną prędkością (powierzchnia zderzenia z tarczą występuje po prawej stronie obrazów) Fig. 5. Microstructure of the selected 15HGMV steel samples after Taylor impact test deformed at different impact velocity (impact surface is presented in the upper part of the images) Rys. 6. Mikrostruktura wybranych próbek ze stali N18K9M5Ts po teście Taylora odkształcanych z różną prędkością (powierzchnia zderzenia z tarczą występuje u góry obrazów) Fig. 6. Microstructure of the selected N18K9M5Ts steel samples after Taylor impact test deformed at different impact velocity (impact surface is presented in the upper part of the images) Rys. 7. Mikrostruktura wybranych próbek ze stali N18K12M4Ts po teście Taylora odkształcanych z różną prędkością (powierzchnia zderzenia z tarczą występuje u góry obrazów) Fig. 7. Microstructure of the selected N18K12M4Ts steel samples after Taylor impact test, deformed at different impact velocity (impact surface is presented in the upper part of the images)

122 Jacek Janiszewski, Józef Gacek, Marek Burdek, Jerzy Stępień Prace IMŻ 1 (2010) nym w miejscu zderzenia czoła próbki z tarczą. Czoła zderzenia próbek stali 15HGMV (rys. 5) znajdują się po prawych stronach obrazów, a w przypadku stali maraging u góry obrazów (rys. 6 i 7). Wyraźne odkształcenie mikrostruktury próbek ze stali 15HGMV są widoczne przy wartości prędkości powyżej 257 m/s (rys. 5a), a jej stopień odkształcenia rośnie wraz ze wzrostem prędkości (rys. 5b i c). W przypadku stali N18K9M5Ts (rys. 6) nie zauważono tej zależności, mikrostruktura próbek testowanych przy prędkości 97 i 128 m/s jest w podobny sposób nieznacznie odkształcona. Stopień odkształcenia listew martenzytu skierowanych prostopadle do powierzchni tarczy jest mniej widoczny niż listew, które są równoległe do powierzchni tarczy podczas zderzenia. Większy efekt odkształcenia jest widoczny w przypadku mikrostruktury próbki (rys. 6c), której wyjściowa twardość była najniższa (572HV10). Mikrostruktura stali N18K12M4Ts (rys. 7) wykazuje podobną prawidłowość jak stali 15HGMV ze wzrostem prędkości od 127 do 174 m/s stopień odkształcenia mikrostruktury jest bardziej wyraźny. 3.2. TEST TAYLORA Przykładowe kadry deformacji próbek walcowych podczas zderzenia oraz końcowy kształt próbki po teście dla poszczególnych stali przedstawiono na rys. 8. Na podstawie zamieszczonych tam fotografii można stwierdzić, że obydwie stale maraging nie ulegały dużym odkształceniom plastycznym, podczas gdy stal 15HGMV deformowała się wyraźnie i w sposób charakterystyczny dla metali plastycznych. Stwierdzono także, że próbki ze stali maraging pękały przy stosunkowo małej prędkości zderzenia w porównaniu do stali 15HGMV i tak: stale maraging generalnie pękały przy prędkości powyżej 150 m/s, podczas gdy w przypadku stali 15HGMV oznaki naruszenia spójności w obszarach objętych adiabatycznymi pasmami ścinania występowały dopiero powyżej prędkości 260 m/s. Obliczone wartości dynamicznej granicy plastyczności Y przedstawiono w tablicy 3, w której dodatkowo zamieszczono zakresy prędkości zderzania dla poszczególnych stali oraz wartości umownej granicy plastyczności R 0,2. Z zestawienia tego wynika, że wartości granicy plastyczności wzrosły dla wszystkich badanych stali, przy czym większy wzrost wykazują stale maraging (1,8) w porównaniu ze stalą 15HGMV (1,4). 3.3. ELEKTROMAGNETYCZNY TEST PIERŚCIENIOWY Wybrane wyniki optycznych rejestracji procesu rozciągania osiowosymetrycznego (rys. 9) świadczą, że przebieg ekspansji pierścieni wykonanych ze stali maraging różni się zasadniczo od rozciągania pierścieni ze stali 15HGMV. Główna różnica polegała na tym, że pierścienie ze stali maraging pękały już w trakcie fazy napędzania, tj. zanim osiągnęły one maksymalną prędkość promieniowego rozciągania. Dlatego fragmentacja pierścieni ze stali maraging następowała, gdy promień pierścienia zwiększył się zaledwie o około 1 mm. Dla porównania pierścienie ze stali 15HGMV fragmentowały zazwyczaj, gdy ich promień powiększył się o około 3 mm. Obliczone wartości wydłużenia obwodowego oraz wydłużenia równomiernego A r otrzymane dla badanych stali świadczą o niskich właściwościach plastycznych stali maraging w warunkach dynamicznego odkształcenia (tablica 4). Należy jednak podkreślić, że na podstawie wartości parametrów A r i A gt stwierdzono wzrost plastyczność dla wszystkich badanych stali w warunkach dynamicznych, przy czym największy przyrost odnotowano dla stali 15HGMV. Na podstawie testu pierścieniowego dokonano także oceny zdolności do fragmentacji ww. stali. Obliczono, Tablica 3. Zestawienie wyników badań testem Taylora Table 3. Compilation of research results obtained from Taylor impact test Materiał Zakres prędkości zderzenia [m/s] Dynamiczna granica plastyczności Y [MPa] R 0,2 [MPa] Y/ R 0,2 [-] 15HGMV 180 349 1530 1091 1,40 N18K9M5Ts 92 143 3150 1714 1,84 N18K12M4Ts 127 174 3968 2236 1,77 Tablica 4. Zestawienie wyników badań za pomocą testu pierścieniowego Table 4. Compilation of research results obtained from expanding ring test Materiał Wydłużenie Wydłużenie A r A r / A gt [-] 15HGMV 15,3 9,9 4,30 N18K9M5Ts 4,6 3,5 1,84 N18K12M4Ts 2,5 2,4 1,33 Rys. 8. Wybrane kadry procesu deformacji stalowych próbek walcowych oraz ich fotografie po teście Fig. 8. Selected images showing the deformation of cylindrical steel samples and their photos after tests

Prace IMŻ 1 (2010) Badania dynamicznych właściwości mechanicznych stali... 123 Rys. 9. Wybrane kadry procesu ekspansji pierścieni stalowych oraz fotografie fragmentów po teście Fig. 9. Selected images of steel rings expansion process and photographs of fragments after tests że dla stali 15HGMV średnia liczba fragmentów wyniosła 4,8, podczas gdy średnia długość fragmentów była równa 25,8 mm. Z kolei w przypadku stali N18K9M5Ts wartości te wynosiły odpowiednio 3,3 i 33,3 mm, a dla stali N18K12M4Ts 3,7 i 29,6 mm. Niska skłonność wszystkich badanych stali do fragmentacji na małe odłamki wydaje się być cechą korzystną i pożądaną ze względu na przyszłe zastosowania tych materiałów. 4. PODSUMOWANIE W pracy przedstawiono wyniki badań właściwości dynamicznych stali przeznaczonych na korpusy. W badaniach zastosowano dwie niestandardowe techniki badawcze: metodę Taylora i metodę pierścieniową. Badania dynamiczne przeprowadzono z prędkością odkształcenia mieszczącą się w przedziale 3,3 4,8 10 3 s -1. Przy tych warunkach obciążenia stwierdzono wzrost wartości granicy plastyczności dla wszystkich badanych stali, przy czym wyższy przyrost wykazały stale maraging. Najbardziej plastyczna była stal 15HGMV, a najbardziej krucha stal N18K12M4Ts, co jest zgodne z wynikami otrzymanymi ze statycznej próby rozciągania. Należy jednak podkreślić, że odnotowano wzrost właściwości plastycznych badanych stali w warunkach dynamicznych w porównaniu z wynikami badań statycznych. Reasumując, wyniki testów dynamicznych pozwalają stwierdzić, że badane stale, opracowane pod kątem ich zastosowania na korpusy, wykazują wysokie właściwości mechaniczne zarówno w warunkach statycznego, jak i dynamicznego obciążenia. Dość dobre właściwości plastyczne (15HGMV) oraz niska skłonność stali do fragmentacji na małe odłamki, w połączeniu z wysokim właściwościami wytrzymałościowymi, wydają się być cechami korzystnymi i pożądanymi ze względu na przyszłe zastosowania badanych stali. LITERATURA 1. Meyers M.A.: Dynamic behaviour of materials. Johns Wiley and Sons, INC, New York-Chichester-Brisbane-Toronto-Singapoure, 1994 2. Taylor G.: The use of flat-ended projectiles for determining dynamic yield stress I. Theoretical considerations. Proc.Roy. Soc. London Series A. 1948, 194, 289 3. Jones S.E., Gillis P.P. and Foster Jr. J.C.: On the equation of motion of the undeformed section of a Taylor impact specimen, J. Appl. Phys. 1987, 61, 499 4. Grady D.E., Benson D.A.: Fragmentation of metal Rings by Electromagnetic Loading, Experimental Mechanics, 23, 1983 5. Janiszewski J., Pichola W.: Development of Electromagnetic Ring Expansion Apparatus for High-Strain-Rate Test, Solid State Phenomena Vols. 147-149 (2009) pp 645-650 6. Zhang H. Ravi-Chandar K., On the dynamics of necking and fragmentation I. Real-time and post-mortem observations in Al 6061-O, Int. J. Fract. (2006) 142:183 217 Recenzent: Prof. dr hab. inż. Wojciech Przetakiewicz