32/15 Soidifikation of Metais and :\Ho s. :\o. 32, 1997 h:.:cpnięcic Metai i Stopów, Nr 32, 1997 1'.\N- Odd:tiuł h:utowin: I'L ISSN 112f!I-'HII6 ZASTOSOWANIE JL TRADŹWIĘKÓW DO BADAŃ I OCENY ZMĘCZENIA CIEPLNEGO ŻELIWA ZYCH Jerzy Wyd z iał Odewnictwa AGH u. Reymonta 23. 30-059 Kraków W pracy przedstawiono wyniki badań nad zastosowaniem techniki utradźwiękowej do kontroi procesu zmęczenia ciepnego ż.eiwa. Opracowana została oryginana metoda poegająca na pomiarze prędkości ub/i tłumienia fa utradźwiękowych i ocenie na tej podstawie stopnia zaawansowania zmęczenia materiału. Nowa metoda pozwaa badać również kinetykę procesu zmęczenia. Wyniki badań mogą stanowić podstawę do opracowania przemy s łowej, nieniszczącej metody kontroi stopnia zużycia żeiwnych konstrukcji pracujących w warunkach zmęczenia ciepnego ( np. form metaowych. szkarskich, tarcz hamucowych, osprzętu pieców itp.). t.wprowadzenie Zmęczenie ciepne m a teriału występuje w bardzo wieu eementach i konstrukcjach poddawanych cykicznemu nagrzewaniu do stosunkowo v;ysoh:h temperatur przy równoczesnym ograniczeniu mo żiwości swobodnej zmiany ich wymiarów. Proces zmęczenia może rozwijać się w całych eementach nagrzewanych konstrukcji (np. różnego rodzaju ruszty, paety pieców) ub obejmować tyko ich części jak w przypadku fonn metaowych, form szkarskich. w których występuje w warstwach najsiniej nagrzewanych. Kinetyka procesu zmęczenia ciepnego zaeży od rodzaju użytego materiału, zakresu zmian cyki ciepno-naprężeniowych, dynamiki tych zmian itd. Aktuanie jest ona stosunkowo słabo rozpoznana z wieu wzgędów. Zasadniczą przyczynę tego stanu stanowi brak odpowiedniej metody badawczej pozwaającej w sposób ciągły, "z cyku na cyk'' kontroować przebieg zmian zachodzących w materiae poddawanym zmęczeniu ciepnemu. Niniejsza praca jest próbą zastosowania techniki utradźwiękowej do konttoi procesu zmęczenia ciepnego że iwa.
117 2. ANALIZA STANU ZAGADNIENIA Proces zmęczenia ciepnego stopów wywołuje : zmiany strukturane, ruch dysokacji, inicjację i rozwój mikropęknięć itp. Śedzenie tego procesu jest trudne, szczegónie w eementach konstrukcji będących w ekspoatacji. Wynika to głóvmie z jego złożoności, wzajemnego oddziaływania wieu czynników, a także z faktu, że wizuana ocena skutków zmęczenia materiału jest możiwa dopiero w końcowej fazie procesu, gdy obciążenia ciepno-naprężeniowe prowadzą do pojawienia się na powierzchni mikropęknięć [1]. Z anaizy dotychczasowych badań wynika, że nie zostało opracowane jednoznaczne kryterium oceny odporności materiału na zmęczenie ciepne [,2,3, O]. Zmimy zachodzące w strukturze dowonego tworzywa, a szczegónie żeiwa, pod wpływem cykicznych zmian temperatury i naprężeń są trudne do obserwacji. Najczęściej objawy zmęczenia ciepnego łączy się z oceną, poegającą na porównywaniu iczby powstałych pęknięć po okreśonej i1zbie cyki. Zjawiska towarzyszące procesowi zmęczenia ciepnego mają charakter nieodwracany a skutki większości z nich kumuują się. Jednym z najważniejszych skutków zmęczenia ciepnego jest rozwój mikropęknięć, które w końcowej fazie procesu tworzą tzw. siatkę pęknięć. Zgodnie z regułą Minera [2] uszkodzenia materiah1 powstające w cyku ciepnym "dodawane" są do już istniejących. W miarę narastarjia iczby cyki narasta stopień uszkodz.enia ("zużycia się") materiału. Z drugiej strony znane są zaeżności pomiędzy strukturą, a parametrami propagacji fa utradźwiękowych w różnych materiałach, w tym i w żeiwie [4,5,6]. Wszekie niejednorodności strukturane, granice ziarn, mikro i makropęknięcia są miejscami gdzie fae utradźwiękowe uegają częściowemu odbiciu, rozproszeniu, załamaniu i transfonnacji. Skutkiem tych zjawisk są zmiany parametrów propagacji wszystkich rodzajów fa, głównie zmiana ich prędkości i tłumienia. Anaiza teoretyczna i badania wstępne [7] potwierdziły istnienie możiwości utradźwiękowej kontroi procesu zmęczenia ciepnego żeiwa. Szczegónie intensywne zmiany parametrów fa obserwuje się w przypadku żeiwa szarego, w którym wydzieenia grafitu płatkowego są naturanymi, wewnętrznymi karbami. Przy cykicznym pov.rtarzaniu przemiennych co do znaku ciepnych naprężeń dochodzi do rozprzestrzeniania się nieciągłości metaicznej osnowy, których zarodkami są wydzieenia grafitu płatkowego.
1!8 3. BADANIA FORM METALOWYCH Przeprowadzono badania na próbkach pobranych ze zużytych form metaowych, ekspoatowanych w warunkach przemysłowych. Badania obejmowały okreśenie zmian struktury i twardości oraz zmian prędkości i współczynnika tłwnienia, podłużnej fai utradźwiękowej. Skład chemiczny żeiwa stosowanego na badane formy jest następujący: C= 3,10 %, Si = 1,70 %, Mn = 0,65 %, S= 0,05 %, P = 0,15 %, Cu = 0,5 +0,7 %. W przypadku form żeiwnych, które w stanie wyjściowym posiadały strukturę perityczną obserwowano: rozpad peritu w warstwie przypowierzchniowej sinie nagrzewanej, utenienie osnowy idące najczęściej wzdłuż v.rydzieeń grafitu i powstawanie mikro i makropęknięć, rysunek 1 Nieco daej od powierzchni roboczej występuje koaguacja peritu, poprzedzająca jego rozpad.. -. "' ' ",,.... ' Rys.. Struktura warstwy powierzchniowej zużytej formy żeiwnej. Pow. 100 x Twardość żeiwa formy przed ekspoatacją wynosiła około 200HB. W trakcie ekspoatacji, na skutek przemian strukturanych nastąpiło obniżenie twardości do około 110-140HB, głównie w warstwie roboczej (na głębokość do 15mm). 3.. Pomiary prędkości fai utradźwiękowej Pomiary prędkości podłużnej fai utradźwiękowej wykonano dwoma metodami: przepuszczania i echa, przy użyciu próbnika materia łów typu UNIPAN 543 oraz grubościomierza AMEX:. Wykonywano pomiary prędkośc i podłużnej fai utradźwiękowej o częstotiwościach MHz i 2 MHz. Typov.ry przebieg zmian
119 prędkości na przekroju formy przedstawia rysunek 2. Istotne zmiany prędkości propagacji podłużnej fai utradźwiękowej obejmują warstwę przy powierzchni roboczej na głębokość do 15-18mm. Najniższa prędkość obserwowana jest w warstwie i 'i' f.; 'i "'.:! ]...!!' >. 4900 4800 ----L- 4700 4600 f-- 4500 4400 4300 4200 /? 4100 +- r 2. 5 5.0 - v-- /--- 7 =j / / =_:_ - L--- t-- -----1 i. i i L i 1.5 10.0 12.5 IS.O 17.5 20.0 22.5 Odeaot od w.wnfrzoej po,.ierzchui formy (mm) Rys. 2. Rozkład prędkości fa na przekroju żeiwnej formy po ekspoatacji.,,roboczej" i jest ona mniejsza od prędkości na zewnętrznej stronie formy o około 700 m/s, co stanowi prawie 15%. Różnica prędkości fai w opisanych warstwach innych form z tego samego tworzywa zawierała się w zakresie 600-700 mis. Można stąd wnioskować, że wycofywanie form z produkcji następuje przy tym samym stopniu ich zużycia, który można okreśić przez nieniszczące pomiary utradźwiękowe.,,zużycie" się materiału wiąże się ze zmniejszeniem prędkości propagacji w nim fa o pewną, prawdopodobnie charakterystyczną da każdego tworzywa, wartość. Z przeprowadzonych badań wynika, że da żeiwa szarego wartość zmiany tej prędkości wynosi -około12-15%. 3.2 Badania tłumienie fai podłużnej Proces zmęczenia ciepnego powoduje powiększanie wydziee'i. grafitu i mikropęknięć przez co prowadzi do siniejszego rozproszenia fa, a tym większego tłumienia. Pomiary współczynnika tłumienia podłużnej fai utradźwiękowej wykonano na próbkach pobranych ze zużytych form metaowych, stosując głowice 2.5MHz i 4MHz, współpracujące z defektoskopem DI4P. Wyniki obrazuje rysuntk 3.
120 Tłumienie podłużnej fai utradźwiękowej" w obszarze zmęczenia ciepnego fonny jest prawie 2-krotnie większe niż w strefie, gdzie zmęczenie materiału nie występuje. 0.55 0.5 i---<>-:f.::.:::::=-r---t----t---t - 2-SMHz I 0.45 =r -<>-4.0MHz 1 - - 0.4 0.35 - ł O.J 0.25 o.z 5.0 15.0 25.0 35.0 45.0 55.0 65.0 75.0 Odt&ośt od wewurtrzotj powitrubai formy mm! Rys 3 Zmiana współczynnika tłumienia podłużnej fai utradźwiękowej na przekroju formy 4. BADANIA KINETYKI ZMĘCZENIA CIEPLNEGO Przedstawione poniżej wyniki dotyczą badania kinetyki zmęczenia ciepnego żeiwa niskomoibdenowego, z grafitem o zwartej postaci. Jest to żeiwo o podwyższonej odporności na zmęczenie ciepne (C= 3,30 %, Si = 2,55 %, Mn = 0,15 %, S = 0,014 %, P = 0,06 %, Mo= 0,5 +0,7 %). Z przygotowanego materiału wykonano próbki do badań kinetyki zmęczenia ciepnego, wg. metodyki opisanej w pracy [7]. Badania zmęczeniowe prowadzono na stanowisku przedstawionym w pracach (8,9], wg. metody Coffma. 4.1 Badania zmian prędkości fai przy narastaniu zmęczenia ciepnego żeiwa Zmęczenie ciepne reaizowano przy stałej wartości współczynnika sztywności K (9). Minimaną temperaturę cyku utrzymywano na poziomie 200 C, natomiast maksymaną zmieniano (650, 700 i 750 C). Prędkość podłużnej fai utradźwiękowej okreśano co kikadziesiąt cyki. Przykłady wyników tych badań przedstawiono graficznie na rysunku 4 i 5. Zmęczenie ciepne żeiwa wywołuje obniżanie prędkości fai utradźwiękowej. Im wyższa maksymana temperatura cyki ciepnych tym
121 zmęczenie materiału przebiega szybciej i tym większe są zmiany prędkości w przeiczeniu na jeden cyk. W pierwszym okresie cykicznego nagrzewania obserwuje się duże zmiany prędkości, następnie zmiany te maeją, szczegónie przy "łagodnych" warunkach ciepno- naprężeniowych. I 00 'f 1\ --- 750C 5300 f---- -----0--- 700 c i 5100 " 5100 i ł 5000 4900 \\ \\ ' :... \._. 650C \ r 500 1000 1500 1000 2500 3000 3500 Liczba cyd cepnycb Rys. 4 Wpływ zmęczenia ciepnego na prędkość podłużnej fai utradźwiękowej : Trnin=200 C, Tmax=650 C, 700 C i 750 C; K=0,70 W końcowej fazie zmęczenia, dynamika zmian prędkości fai podłużnej jest duża, podobnie jak w początkowym okresie. Z przeprowadzonych badań wynika, że niezaeżnie od "drogi" prowadzącej do końcowego zmęczenia żeiwa (iczby cyki) zmiany prędkości podłużnej fai utradźwiękowej osiągają, w momencie pęknięcia próbki, ten sam poziom, a zmiany wzgędne wyrażone iorazem cl/cl mają wartość od 0-12%, podobnie więc jak przy zmianach prędkości w ściankach zużytej formy.,..,. I 5400 'U'!.,.. i... "... i ł "'"'... - ----,..----- -... 1- K-o.o t-- j - 50 100 150 100!O 300 J.50 400 450 Lkzba yku ciepnych Rys. 5 Wpływ zmęczenia ciepnego na prędkość podłużnej fai utradźwiękowej;tmax=700 C, K=O,OO, K=D,70
122 Rysunek 5 przedstawia wyniki badań zmian prędkości w próbkach poddanych cykicznemu nagrzewaniu przy ograniczonej możiwości zmian wymiarowych (K=0,70) i z możiwościąswobodnego wydłużania się (K=O,O). Tam gdzie możiwości zmian wymiarowych są ograniczone rozwija się proces zmęczenia ciepnego i obserwuje się zmiany prędkości fa. W przypadku nagrzewania "swobodnych" próbek proces zmęczenia materiału nie ma miejsca i obserwuje się niewiekie zmiany prędkości fa wywoływane utenianiem i przemianami fazowymi. 6. PODSUMOW ANIE Przeprowadzone badanie potwierdziły istnienie możiwości zastosowania techniki utradźwiękowej do oceny zmęczenia ciepnego żeiwa. W pracy skupiono się głównie nad wykorzystaniem do tego ceu prędkości fai podłużnej. Pomiary współczynnika tłumienia podłużnej fai utradźwiękowej stosowano tyko w odniesieniu do badań materiału zużytych form metaowych. W miarę narastania iczby cyki ciepnych prędkość fai maeje, a tłumienie rośnie. Anaizując kinetykę zmian prędkości fai w próbce żeiwnej poddanej zmęczeniu ciepnemu można zauważyć pewne jej podobieństwo do kinetyki zmian odkształceń pastycznych towarzyszących procesowi zmęczenia ciepnego. Odkształcenia pastyczne osiągąją swoje maksymane wartości w pierwszych cykach ciepnych [10,8]. Porobnie zmiana prędkości podłużnej fai utradźwiękowej osiąga swoje największą wartość w pierwszej fazie zmęczenia ciepnego. W okresie ustabiizowanych zmian naprężeń i stosunkowo niewiekich odkształceń pastycznych materiału próbki, zmiany prędkośc i fai są również niewiekie. Kinetyka zmian prędkości fai "podąża" więc, w ujęciu jakościowym, za kinetyką odkształceń pastycznych w procesie zmęczenia ciepnego żeiwa. Badania form metaowych po ekspoatacji wykazują, że w warstwie roboczej, która podega największym obciążeniom ciepnym obserwuje się istotne zmiany tak prędkości fai jak i współczynnika tłumienia. Zmiany prędkości osiągają wartość około 700 m/s, co stanowi około 14-15% ich początkowej wartości. Wzgędne zmiany wartości współczynnika tłumienia są znacznie większe bo prawie 2-krotne. Badania mają charakter nieniszczący i jako takie mogą stanowić wygodne narzędzie w ocenie stopnia
123 zaawansowania zmęczenia ciepnego materiału (stopnia wyekspoatowania) wieu konstrukcji przemysłowych wykonanych z zeiwa. WNIOSKI:. Proces zmęczenia ciepnego żeiwa, niezae:nie od postaci grafitu, prowadzi do istotnych zmian prędkości współczynnika tłumienia podłużnej fai utradźwiękowej. 2. Kinetyka zmian prędkości podłużnej fai utradźwiękowej w próbce poddanej zmęczeniu ciepnemu odpowiada, w ujęciu jakościowym, kinetyce zmian odkształceń pastycznych. Im większe odkształcenia w trakcie cyku ciepnego tym większe zmiany prędkości. 3. Przedstawiona metod nieniszczącej oceny zmęczenia ciepnego żeiwa może być wykorzystana w badaniach aboratoryjnych ub w ocenie stopnia zużycia żeiwnych konstrukcji pracujących w warunkach zmęczenia ciepnego: Badania finansowane w ramach prac własnych KBN Nr 10.170.217 LITERATURA () Weroński A., "Zmęczenie ciepne metai" WNT Warszawa (19S3) (2] Miner M. A., J. App. Mech. (1945) Nr 12. s A.-15 (3) Żuchowski R. "Zmęczenie ciepne metai i eementów konstrukcji" Prace Naukowe I.M.iM.T. Poit. Wrocławska, Monografie (1981), Nr 43, z.5 [4] Orłowicz W.: "Ocena właściwości mechanicznych żeiwa sferoidanego metodą utradźwiękową", Zeszyty Naukowe Poit. Rzeszowskiej, Monografie (1990) Nr 66, z.20, (5) Krautkri.mer J., Krautkri.mer H.: Utrasanic Testing ofmaterias, Springer- Verag, Berin, Heideberg, New York (1983). [6] Deputat J. "Ocena własności mechanicznych materiałów metodą utradźwiękową", Seminarium Szkoeniowe IPPT PAN, Zakopane (1996), s. 7.1-1.32 [7] Zych J., Praca Naukowo-Badawcza Nr 11.170.44, AGH, Kraków, ( 1995) [8] Zych J. ".Zagadnienie zmęczenia ciepnego wybranych gatunków żeiwa niskostopowego stosowanego na formy metaowe', Praca doktorska, AGH, ( 1986) {9] Zych J. "Zmęczenie ciepne żeiwa przeznaczonego na formy metaowe" P AN Prace Komisji Met. i Odew., Metaurgia (1988) z. 38 s. 107-116 (10] Roehrig K., "Therma Fatigue ofgrey and Duetie Irons", AFS Transactions, (1978), vo. 78, nr 2, s.75-88