14/44 Solidification of Metals and Alloys, Year 2000, Volume 2, Book No. 44 Krzepnięcie Metali i Stopów, Rok 2000, Rocznik 2, Nr 44 PAN Katowice PL ISSN 0208-9386 ZALEŻNOŚĆ SPRĘŻYSTOŚCI I PLASTYCZNOŚCI OD CZYNNIKÓW STRUKTURY METALOGRAFICZNEJ W ODLEWACH ZE STOPU Al-Si M. HAJKOWSKI 1, D. NAGOLSKA 2 Instytut Technologii Materiałów Politechniki Poznańskiej STESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki badań grubości, stopnia zorientowania i kąta odchylenia dendrytów fazy α i krzemu oraz modułu Younga, wydłużenia, umownej granicy plastyczności i wytrzymałości na rozciąganie w odlewach ze stopu AlSi6,8 krzepnących w różnych warunkach cieplnych. Podano związki między parametrami struktury i szybkością stygnięcia oraz właściwościami (wydłużenie, umowna granica plastyczności, wytrzymałość na rozciąganie) i parametrami struktury. Podane zależności mogą być użyte do prognozowania parametrów struktury, wydłużenia i umownej granicy plastyczności odlewów z form piaskowych z ochładzalnikiem i bez. 1. WPROWADZENIE. Najważniejszymi właściwościami mechanicznymi odlewów są sprężystość i plastyczność stopu. W materiale idealnym odkształcenie sprężyste jest zależne od sił oddziaływań między atomami. W rzeczywistych materiałach odlewanych występują defekty krystalograficzne, i mikroporowatość i z tego względu plastyczność materiału jest bardzo ważną cechą ponieważ zapobiega lokalnym spiętrzeniom naprężeń w miejscach defektów materiału. W odlewach z podeutektycznego stopu Al-Si występuje przesycony roztwór stały α o zawartości krzemu zależnej od warunków krzepnięcia i stygnięcia. Ze wzrostem zawartości Si wzrasta moduł sprężystości. Krystality fazy α mają anizotropię modułów sprężystości np.: w kierunku krystalograficznym (111) E (111) = 77,4 GPa, a w kierunku (100) E 100) = 64,1GPa [1]. Zróżnicowanie modułów sprężystości w podanych kierunkach krystalograficznych w pojedynczym krystalicie wskazuje, że w materiale polikrystalicznym wzajemna orientacja krystalitów i kąt 1 Dr inż., e-mail: mieczyslaw.hajkowski@put.poznan.pl 2 Mgr inż., e-mail: dixnoxi@aurora.put.poznan.pl
114 odchylenia krystalitów od kierunku obciążenia powinny mieć wpływ na wartość tego modułu. Wielkość krystalitów wg danych literaturowych [1, 2] ma bardzo mały wpływ na sprężystość. Faza eutektyczna w stopach Al-Si powoduje wzrost modułu sprężystości dlatego, że krzem jest materiałem o wyższej sprężystości niż osnowa: przedeutektyczna faza α i eutektyczna faza α. Plastyczność materiału jest silniej zależna od parametrów struktury niż sprężystość. Odkształcenie plastyczne w pojedynczym krystalicie fazy α stopu Al-Si następuje w wyniku przesunięcia warstwy atomów w płaszczyźnie najgęściej upakowanej bez zerwania ich wiązań międzyatomowych. Inicjacją odkształcenia plastycznego jest naprężenie ścinające τ na płaszczyźnie poślizgu (rys.1a) jako składowa naprężenia rozciągającego. Wartość przyłożonego naprężenia τ zależy od kąta położenia płaszczyzny poślizgu w odniesieniu do kierunku rozciągania (rys.1a). Naprężenie krytyczne na płaszczyźnie poślizgu potrzebne do wywołania poślizgu w pojedynczym krystalicie fazy α zależy od zawartości atomów krzemu i dyslokacji. Czynnikami hamującymi poślizg występujący w danym krystalicie są granice sąsiednich krystalitów (rys.1b). Plastyczność zbioru krystalitów fazy α i fazy α eut zależy zatem od wielkości krystalitów i ich wzajemnej orientacji (każdy krystalit ulega odkształceniu plastycznemu odpowiednio do zmian zachodzących w sąsiednim krystalicie) oraz kąta odchylenia krystalitów od kierunku obciążenia (czynnik orientacji dla fazy α może zmieniać się od 2,4 do 3,1 [3]). Druga faza eutektyki (krzem) jest krucha i powoduje obniżenie plastyczności stopu. Udział objętościowy krzemu w eutektyce wynosi ok. 0,3 co powoduje, że przy dużych wydzieleniach krzemu (odlewy z form piaskowych ze stopu niemodyfikowanego) faza α eut przestaje być ciągła. a) b) Rys.1. Rozkład naprężenia ścinającego w pojedynczym krystalicie w funkcji położenia płaszczyzny poślizgu (a) [4] i opór stawiany przez krystalit sąsiadujący (b). Fig. 1. Distribution of shear stress in a single crystallite as a function of slip plane location (a) [4] and resistance exerted by adjacent crystallites - (b). W literaturze szeroko są opisywane zależności doświadczalne właściwości mechanicznych od wybranych pojedynczych parametrów struktury i składu
115 chemicznego. Brak jest rozważań w ujęciu złożonym podstawowych parametrów struktury wpływających na właściwości mechaniczne odlewów [5, 6]. Celem pracy było określenie zależności między właściwościami mechanicznymi odlewów, istotnymi parametrami struktury i warunkami krzepnięcia, przydatnych do prognozowania właściwości plastycznych w odlewach ze stopów Al-Si. 2. METODYKA BADAŃ Badania przeprowadzono na odlewach o średnicy 30 mm i długości 100mm odlewanych pionowo (zasilanych od góry) ze stopu o składzie: 93,04%Al., 6,81%Si, 0,13%Fe, 0,009Zn 0,005Mn, 0,003%Cu, 0,002Ti, po 0,001% Cr, Ni, Sn (wykazującego cechy materiału plastycznego). Badania modułu sprężystości poszerzono o stopy AlSi3,5 i AlSi12,5. Warunki krzepnięcia odlewów zmieniano za pomocą zróżnicowania materiałów formy. Stosowano formy z następujących materiałów: 1- bok formy z masy mikrosferowej, dół ochładzalnik z miedzi 2- bok formy z masy na osnowie piasku kwarcowego, dół ochładzalnik z miedzi, 3- forma jednolita z masy na osnowie piasku kwarcowego ze szkłem wodnym. Formy wysuszone z 6 wnękami zalewano stopem rafinowanym AlSi6,8 i AlSi3,5 o temperaturze 710±2 o C a AlSi12,5 o temperaturze 680±2 o C. Warunki krzepnięcia określono z doświadczalnych krzywych stygnięcia odlewów w miejscach o współrzędnych x; y (0;5), (0;15), (0;25), (0;35), (0;45), (5;25), (5;35), (5;45), (9;25), gdzie: x - odległość od osi walca, y - odległość od dolnej podstawy walca. Pomiary wykonano termoelementami Ni-NiCr o średnicy 0,3 mm umieszczonymi w osłonkach z Al 2 O 3 o średnicy zewnętrznej 1 mm. Do opisu warunków krzepnięcia przyjęto szybkość stygnięcia, którą wyznaczono dla odcinka wzrostu przedeutektycznej fazy α. Badanie parametrów struktury przeprowadzono na zgładach wzdłużnych odlewów walca (udział faz wyznaczono na zgładach poprzecznych). Określono grubość gałęzi 1 i 2 rzędu dendrytów przedeutektycznych, grubość i długość wydzieleń krzemu w eutektyce, ich stopień wzajemnej orientacji i kąt odchylenia od osi odlewu walcowego. Wymienione parametry struktury badano w następujący sposób: grubość wydzieleń, kąt odchylenia krystalitów i udział danej fazy w strukturze za pomocą komputerowego analizatora obrazu Multiscan, stopień zorientowania faz z wydruków struktur metalograficznych; siatkę do zliczania przecięć wydzieleń obracano o kąt β (średni kąt odchylenia krystalitów od osi walca), a stopień wzajemnej orientacji wyznaczono metodą częściowo zorientowanych linii na płaszczyźnie. Badania właściwości mechanicznych przeprowadzono na próbkach nie znormalizowanych o średnicy pomiarowej 15 mm w odległości 25, 35 i 45 mm od podstawy walca. Badania właściwości mechanicznych wykonano na maszynie wytrzymałościowej typu RKM 250/50 (Roel & Korthaus) wyposażonej w ekstensometr elektroniczny.
116 3. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA Warunki krzepnięcia odlewów opisane za pomocą szybkości stygnięcia - R i kryterium kinetyczno-gradientowego - G/v, przedstawiono na rys.2. Rys.2. Zmiana szybkości stygnięcia (a) i kryterium - G/v - (b) w funkcji odległości od podstawy walca dla odlewów ze stopów AlSi6,8. 1, 2, 3 rodzaj formy. Fig. 2. Change in cooling rate (a) and G/v criterion (b) as functions of the distance from cylinder base for the castings made of AlSi6,8 alloy. 1, 2, 3 mould types. Zmianę badanych parametrów struktury metalograficznej odlewów przedstawiono tylko od szybkości stygnięcia (ze względu na jej stałą tendencję zmian) na rys.3 dla dendrytów fazy α i rys. 4 dla krzemu w eutektyce. Wyniki badań grubości gałęzi dendrytów - d mają bardzo dobrą korelację z szybkością stygnięcia (rys.3 krzywa d), kąta odchylenia od osi walca -β i stopnia wzajemnej orientacji dendrytów fazy przedeutektycznej - Z maja przebieg z różną tendencją zmian (rys.3 punkty - β i Z), która jest wywołana izolacją cieplną pobocznicy w odlewach krzepnących w formie 1 (główny kierunek odprowadzenia ciepła jest osiowy). Kąt odchylenia dendrytów od osi walca ma mniejszą tendencję zmian kierunku. Zmiana kąta β w funkcji szybkości stygnięcia opisano równaniem β=41,2r 0,616 o współczynniku korelacji wyników 0,93. Wyników badań stopnia wzajemnej orientacji nie można opisać zbiorczo ponieważ jest on silnie zależny od stosunku intensywności odprowadzenia ciepła w kierunku osiowym i promieniowym, którego nie ujmuje szybkość stygnięcia. Podano je osobno dla odlewów z formy 1, 2, 3 na rys. 3. Wzrost stopnia wzajemnej orientacji dla szybkości stygnięcia powyżej 2 0 C/s jest wynikiem intensywnego odprowadzenia ciepła z odlewu w kierunku osiowym walca (ochładzalnik) w porównaniu z promieniowym. Grubość wydzieleń krzemu w eutektyce w odlewach wykonanych w formie 3 z jednolitej masy kwarcowej jest ok. 2 razy większa od wykonanych w pozostałych formach, zaś stosunek długości wydzieleń krzemu eutektycznego na zgładzie do jego grubości jest na poziomie prawie stałym i wynosi ok. 7 (rys.4) dla zastosowanych w pracy warunków. Występuje lokalnie zróżnicowane rozłożenie krzemu. Obliczone średnie kąty odchylenia wydzieleń krzemu od osi walca w odległości ok. 0 mm i 4 mm od osi walca dla odległości 15, 25, 35, 45 mm od podstawy walca wynoszą ok. 45 o a stopień wzajemnej orientacji krzemu jest bliski zeru. Zastosowane w pracy warunki
117 krzepnięcia i proces przygotowania stopu nie miały więc wpływu na średnie wartości kąta odchylenia wydzieleń krzemu i stopnia wzajemnej orientacji krzemu w eutektyce. Rys. 3. Zależność grubości gałęzi- d, kąta odchylenia- β i stopnia zorientowania dendrytów Z przedeutektycznej fazy α od szybkości stygnięcia. Fig. 3. Dependence of arm-d thickness, deflection-β and orientation degree of dendrites in preeutectic α-phase on cooling rate. Rys.4. Zależność grubości - g i stosunku długości do grubości krzemu - j w eutektyce od szybkości stygnięcia. Fig. 4. Dependence of thickness-g and length to silicon thickness ratio-j of the eutectic on cooling rate. Wyniki badań modułu sprężystości wzdłużnej w funkcji udziału eutektyki dla dwóch warunków krzepnięcia (forma 1 i 3) przedstawiono na rys.5. Udział eutektyki 0,28 odpowiada zawartości krzemu w stopie 3,5%, a 0,54 6,8 %Si. Z otrzymanych wyników (tab.1) widać, że zmianie wartości modułu sprężystości towarzyszy zmiana wielkości krystalitów d, g Si, stopnia ich wzajemnej orientacji - Z i ich kąta odchylenie od kierunku obciążenia β. Na obniżenie wartości modułu Younga w odlewach z formy 3 może mieć również wpływ mikroporowatość gazowo-
118 skurczowa, która wg [2] obniża moduł sprężystości zgodnie z zależnością E =(1-2,5f)E o (gdzie: f- udział objętościowy porowatości w materiale). Wpływu mikroporowatości nie badano. Moduł Younga [MPa] 75000 70000 65000 60000 55000 E1 = 12350Ueut + 61106 R 2 = 0,9945 E3 = 8126,1Ueut + 58919 R 2 = 0,9956 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 udział eutektuki Rys. 5. Zależność modułu Younga od udziału eutektyki w stopie Al-Si (1, 3 rodzaj formy) Fig. 5. Dependence of Young modulus on Al-Si alloy eutectic fraction (1, 3 mould types) Tabela 1. Moduł Younga i parametry struktury odlewów ze stopu AlSi6,8 Table 1. Young modulus and struktural parameters of AlSi6,8 alloy castings. Moduł Younga Parametry struktury Faza α przedeutektyczna krzem MPa d [µm] β [ o ] Z g Si [µm] 67200 24 18 0,76 2,4 62950 42,3 43 0,22 4,8 Wyniki badań parametrów struktury, właściwości plastycznych i wytrzymałości na rozciąganie podano w tabeli 2. Z otrzymanych wartości wynika, że przy takich samych wartościach grubości ramion dendrytów fazy α i krzemu w eutektyce są różne właściwości mechaniczne (A1, Re, Rm). Powodem tego są zróżnicowane wartości średniego kąta położenia dendrytów fazy α w odniesieniu do osi walca - β i stopnia ich wzajemnej orientacji-z ( np. w odległości 35mm próbki z formy 1 : β = 18 0, Z = 0,76, d=24µm, g Si = 2,4 µm; próbki z formy 2: β =28 0, Z = 0,61, d=24,6µm, g Si = 2,4 µm ). Prognozowanie lub obliczanie właściwości mechanicznych odlewów w funkcji tylko wielkości krystalitów lub odległości między gałęziami drugiego rzędu podawane w literaturze i stosowane w kodach symulacyjnych jest niewystarczające ponieważ na właściwości te mają wpływ również inne parametry struktury podane w tab.1 i 2.
119 Podawane w literaturze zależności ujmują inne parametry struktury zbiorczym współczynnikiem (np. powszechnie stosowane równanie Halla-Pechta) bez możliwości analizy przyczynowej zmiany właściwości. Tabela 2. Właściwości mechaniczne (wydłużenie A1, granica plastyczności Re, wytrzymałość na rozciąganie Rm) i parametry struktury (d α -grubość gałęzi 1 i 2- rzędu dendrytów fazy α, g Si grubość krzemu w eutektyce, β α - kąt odchylenia dendrytów fazy α od osi walca, Z α - stopień wzajemnej orientacji dendrytów fazy α) odlewów ze stopu niemodyfikowanego AiSi6,8 krzepnących w różnych warunkach. Table 2. Mechanical properties (elongation A1, ultimate yield stress Re, tensile strength) nd structural parameters (d α - arm thickness as 1 st and 2 nd of α-phase dendrites, g Si the thickness of eutectic silicon precipitates, β α - deflection angle of α-phase dendrites from the cylinder axis, Z α - orientation degree of α-phase dendrites) of the castings of nonmodified AlSi6,8 alloy solidifying in different conditions. Odległość od podstawy walca w mm 25 35 Rodzaj formy* d α µm g Si µm β α [ 0 ] Z α A1 % Re MPa Rm MPa 1 22,4 2,5 15 0,80 19,56 93 132 2 22 2,2 21 0,71 16,67 89 140 3 38,2 4,5 37 0,25 5,28 79 130 1 24 2,4 18 0,76 18,87 91 137 2 24,6 2,3 28 0,61 8,18 72 143 3 42,3 4,8 43 0,22 5,27 79 128 1 32,6 2,7 25 0,68 14,43 91 135 2 33,5 2,35 32 0,56 10,85 94 143 45 3 43 5,1 49 0,18 4,38 66 131 * Rodzaj formy: 1- bok formy z masy mikrosferowej, dół ochładzalnik z miedzi, 2- bok formy z masy na osnowie piasku kwarcowego, dół ochładzalnik z miedzi; 3- forma jednolita z masy z piasku kwarcowego ze szkłem wodnym. Analizę związku plastyczności i wytrzymałości na rozciąganie z badanymi parametrami struktury przeprowadzono za pomocą regresji wielokrotnej i jest on opisany następującymi zależnościami: - wydłużenie A1 = - 12,59 + 0, 44d α + 2,97 g Si 0,48β α + 27,31Z α R 2 = 0,95 - umowna granica plastyczności Re = 102,6 + 1,97d α - 6,16 g Si 1,78β α - 15,12Z α R 2 = 0,88 - wytrzymałość na rozciąganie Rm = 158,4 0, 32d α - 8,71g Si + 0,65β α - 8,28Z α R 2 = 0,99 Statystyczna analiza testem Fischera na poziomie istotności 0,05 wykazała, że stopień wzajemnej orientacji dendrytów przedeutektycznej fazy α nie ma istotnego wpływu na granicę plastyczności. Istotność wpływu analizowanych parametrów struktury stopu niemodyfikowanego przedstawia się w kolejności od najsilniejszej do słabszej następująco: *wydłużenie - Z α, β α, d α, g Si *umowna granica plastyczności - β α, d α, g Si, *wytrzymałość na rozciąganie - g Si, β α, d α, Z α.
120 Podane równania właściwości mechanicznych i parametrów struktury są przydatne do prognozowania właściwości mechanicznych i parametrów struktury odlewów ze stopu niemodyfikowanego o składzie chemicznym zbliżonym do AlSi6,8 krzepnących w formach: jednolita z masy na osnowie piasku kwarcowego, z masy na osnowie piasku kwarcowego z ochładzalnikami, z masy na osnowie mikrosfer z ochładzalnikami i w formach z materiałów o podobnych właściwościach chłodzących do badanych. 4. WNIOSKI Na podstawie przeprowadzonych badań można sformułować następujące wnioski: 1. Właściwości sprężyste i plastyczne odlewów ze stopów Al-Si zależą od wielkości krystalitów, stopnia ich zorientowania i kąta ich odchylenia od kierunku obciążenia. 1. Zastosowanie ochładzalnika w formie z masy kwarcowej umożliwia w odlewach ze stopu AlSi6,8 (niemodyfikowany) najsilniej zmianę wydłużenia do ok.3 razy (x) przy zróżnicowaniu: grubości gałęzi dendrytów-1,7x, grubości krzemu-2x, stopnia zorientowania-3x, kąta odchylenia od kierunku obciążenia-1,7x. W odlewach o podobnej grubości gałęzi dendrytów i krzemu zmiana wydłużenia wynosi ok. 2 razy w wyniku zróżnicowania stopnia zorientowania i kąta odchylenia od kierunku obciążenia. LITERATURA [1] Buch A.: Właściwości mechaniczne czystych metali. WNT, Warszawa 1968. [2] Dong M.J., Prioul C., Francois D.: Damage Effect on the Fracture Tounghenss of Nodular Cast Iron: Damage characterization and Plastic Flow Stress Modeling. Metallurgical and Materials Transactions. 1997, volume 28A, s. 2245-2254. [3] Dollar M., Gorczyca S.: Umocnienie materiałów polikrystalicznych. Hutnik 1984, nr 7-8, s. 254. [4] Aszby M.F., Jones D.R.H.: Materiały inżynierskie. WNT, Warszawa 1995. [5] Jaquet J.C., Hotz W. : Quantitative Description of the Microstructure of Aluminium Foundry Alloys. Cast Metals, 1992, v.4, nr 4, s. 200. [6] Hajkowski M.: Relationship Between Plasticity and Structural Parameters of Al-Si Alloy Castings. MEDŻIAGOTYR 1999, nr 2(9), s.39-42. RELATIONSHIP ELASTICITY AND PLASTICITY WITH METALOGRAPHIC STRUCTURE FACTORS OF Al-Si ALLOY CASTINGS. SUMMARY The paper presents the results of the thickness, orientation degree, deflection angles of dendrites of the silicon and α phases, Young modulus of elongation, ultimate yield stress, and tensile strength of the castings made of AlSi6,8 alloy, solidifying under different heat conditions. Usual relationship are provided between structural parameters cooling rate as well as between other properties (elongation, ultimate yield stress, tensile strength) and structural parameters. Reviewed by prof. Mieczysław Kaczorowski