VLIV VMĚSTKŮ NA ÚNAVOVOU PEVNOST ZUŠLECHTĚNÝCH ČÁSTÍ. Ing. Václav LINHART, CSc., Ing. Dagmar MIKULOVÁ

Transkript

1 , Roznov pod Radhostem, Czech Republic, EU VLIV VMĚSTKŮ NA ÚNAVOVOU PEVNOST ZUŠLECHTĚNÝCH ČÁSTÍ Ing. Václav LINHART, CSc., Ing. Dagmar MIKULOVÁ SVÚM a.s., Praha Vysoké nároky na výkonnost a životnost strojních zařízení vedou k narůstání podílu částí zušlechtěných, obvykle na pevnost 800 až 1000 MPa, a to i u částí velice rozměrných. U částí namáhaných únavově rozhodují o jejich únosnosti a životnosti nejen pevnostní vlastnosti a kvalita tepelného zpracování,,ale také čistota ocelí a obsah vměstků. Moderní metalurgické procesy výroby ocelí dávají v tomto směru nové možnosti [11,12]. V naší práci, která navazuje na [ 13], se zabýváme hodnocením vlivu vměstků na únavové pevnostní vlastnosti. U velké části strojírenských zařízení se požaduje dlouhodobá životnost. Pro konstruování jsou v těchto případech důležité náležitě podložené údaje o dlouhodobých únavových vlastnostech, charakterizované především mezí únavy. Podklady pro hodnocení vlivu vměstků byly získány při únavových zkouškách na tyčích odebraných z rozměrných výkovků lodních klikových hřídelí a hydraulických válců tvářecího lisu z CrNiMoV a CrMo ocelí. Jednalo se o stupňové únavové zkoušky ( staircase ) ke stanovení statisticky podložených hodnot mezí únavy. Vměstky byly hodnoceny na velkém souboru únavových lomů z těchto zkoušek, z oblasti vysokých životností poblíž meze únavy. Předchozí publikované práce [1až 3] z výsledků na zušlechtěných ocelích s vysokou pevností prokázaly nepříznivý vliv vměstků např. typu křemičitanů a hlinitanů na únavovou pevnost, již od velkosti 10 μm, s narůstajícím účinkem s růstem jejich rozměrů. S pokroky v lomové mechanice vznikla řada prací které se zabývají možnostmi obecnějšího vyjádření vlivu rozměrově malých necelistvostí, typu vměstků, na únavovou pevnost. Problémem při těchto úvahách je oprávněnost aplikace veličin z lomové mechaniky, zejména K, a K - faktoru, na tyto malé oblasti [4]. Je snaha řešit tyto problémy různými inženýrskými úpravami. Známá je zejména úprava El Haddada aj. [5] která vyjadřuje závislost únavových vlastností a meze únavy na rozměru necelistvosti l a na prahové hodnotě K th K th σ th = (1) π ( l 0 + l ) 1 Pro mez únavy σ th = 2 σ C, a, l = 0, je l 0 = ---- ( K th / 2 σ C ) 2 (2) π Další úpravu vztahu (1) navrhli např. Lukáš a Kunz [6]. Murakami Y., Endo M. aj.[7,8] a další autoři došli k vyjádření závislosti meze únavy σc [MPa] na pevnostních vlastnostech základního materiálu ( HV ) a na ploše vměstku a Kritická velikost plochy vměstku na mezi únavy je pak σ C = Λ (HV + 120) / ( a ) 1/6 3) a = [ Λ (HV + 120) / σ C ) 12 (4)

2 kde a [μm 2 ] = plocha průmětu vměstku do roviny kolmé na rovinu max. normálních napětí, konstanty Λ = 1,43 pro vměstky při povrchu, Λ = 1,56 pro vměstky pod povrchem... (5 ) Posuzování vlivu vměstků na únavové vlastnosti charakteristikou a přijali ve svých pracích i další autoři [9,10]. HODNOCENÍ VLIVU VMĚSTKŮ U VZORKŮ Z HYDRAULICKÉHO VÁLCE Výkovky hydraulického válce lisu velkého výkonu Ø 1580/1060 mm byly vyrobeny z oceli 20NiCrMoV14-6, o složení (%) 0,19C, 0,36Mn, 1,6Cr, 3,1Ni,0,4Mo, 0,03V, 0,016Al, 0,0059P, 0,004S. Podkladem pro hodnocení byly výsledky stupňových únavových zkoušek tyčí Ø8,6 mm v tahu - tlaku (R= -1), statisticky vyhodnocených, tab.1. Hmotnost výkovků druhé skupiny ( č.5708 a 5709) byla podstatně vyšší než skupiny prvé (č a4759 Tab.1 Výkovek č. Mez únavy [MPa] Směrodat. odchylka R m [MPa] m.ú. [MPa] P=50% P=95% MP , , , , , , , ,1 Z výsledků vyplývá, že u výkovků s vyšší pevností ( č.5708 a5709) je překvapivě mez únavy odpovídající pravděpodobnosti P=50%, asi o 10% nižší nežli u výkovků s pevností nižší (č a 4759). Z podmínek stupňové zkoušky vyplývá, že u části tyčí došlo k porušení ve vysokocyklové oblasti namáhání, poblíž meze únavy. Na těchto tyčích se uskutečnila mikrofraktografická analýza na rastrovacím mikroskopu JEOL JSM 35. Již při makroprohlídce tyčí z výkovků č.5708 a 5709 byla zjištěna na většině lomů pod povrchem iniciační centra únavových lomů s charakteristickou růžicí jemného postupného lo-mu s paprskovitou orientací lomových stupňů - obr.1. Ke druhé fázi únavového lomu která končila dolomem došlo až po rozšíření původní iniciační rozety k povrchu tyče. Mikrofraktografické šetření ukázalo, že k iniciaci únavových lomů v těchto případech došlo v místě shluku zrnitých vměstků, s defektní, nekompaktní síťovou vazbou, detaily v obr.1. Podle našeho vyhodnocení mají délkový rozměr 150 až 300 μm a charakteristickou plochu a až μm 2. Mikroanalýza na elektronovém mikroanalyzátoru CAMEBAX MICRO prokázala, že se jedná o shluk komplexních vměstků s vysokým obsahem Al, Ca, O, C, zřejmě typu hlinitanů (Al2O3 ) a sloučenin kalcia (CaO,event. CaCO3). Přítomnost shluku vměstků značných rozměrů vede k výraznému zvětšení statistického rozptylu hodnot meze únavy u těchto výkovků, i když podle tab.1 je výsledek značně zatížen nahodilostí rozložení shluků, a proto nemusí být pravidlem. Rozdíly v poloze iniciační rozety na ploše únavového lomu vzhledem k povrchu se kupodivu jednoznačněji neprojevily významnějšími změnami hodnot únavové životnosti. Citlivost povrchů k iniciaci únavových lomů je jak známo vyšší nežli oblastí pod povrchem. Je to dáno větší deformační volností povrchových strukturních oblastí s nižším stupněm stísněnosti. Analýza lomové plochy při povrchu u vzorků s iniciační rozetou pod povrchem ukázala,že příčinou latentnosti povrchových vrstev k 2

3 iniciaci v těchto případech byla přítomnost jen ojedinělých drobných zrnitých vměstků v této oblasti, obvykle o rozmě-rech nízkých desítek μm. Samozřejmě lze očekávat, že při značné rozměrnosti skutečných dílů je nebezpečí výskytu nepříznivých shluků vměstků na povrchu u takových taveb značné. U druhé skupiny výkovků pro hydraulický válec (č a 4759) s vyššími hodnotami meze únavy rozbor ukázal, že k iniciaci únavových lomů došlo až na ojedinělou výjimku, z povrchu.vznikla na skupině, nebo na menších shlucích zrnitých vměstků, obr. 2,3, obdob-ného charakteru jako u velkých shluků vměstků u výkovků předchozích. Rozměry těchto skupin vměstků dosahují 50 až 150 μm, vyjimečně až 400 μm, a jejich plocha 1000 až μm 2, ojediněle až μm 2. V tomto vyjimečném případě byla životnost nízká, řádu jen (3 až 4) cyklů. Přítomnost vměstků značných rozměrů vedla, i když ojediněle, podle tab.1 i u této skupiny výkovků k výskytu značného rozptylu, s nízkými hodnotami meze únavy při požadované vyšší hodnotě spolehlivosti. Vliv oblastí se sulfidickými vměstky značných rozměrů, obr.4 se u těchto tyčí v porovnání se shluky zrnitých komplexních vměstků významněji neprojevil. Např. v jednom z případů únavový lom inicioval na skupině zrnitých vměstků při povrchu s hodnotou a 7400 μm 2. Uvnitř, na rozměrném hnízdu sulfidů, obr.4, s a ca μm 2, a s rozměry 133x200 μm, došlo jen k nevýrazným známkám sekundární iniciace únavového lomu. Také u této skupiny výkovků se dále ukázalo,že ojedinělé zrnité vměstky při povrchu tyčí, o Ø 15 až 20 μm, obr.6, nevedly při dané jakosti zákalné struktury, obr. 5, s hrubší strukturou popuštěného bainitu, ještě k iniciaciaci únavového lomu. Únavový lom pak neinicioval na vměstcích, ale podle mikrofraktografické analýzy v základní zákalné struktuře. Získané poznatky z rozboru vměstků jsme v tab.2 porovnali s kritickými rozměry vměstků stanovenými podle vztahů Murakamiho aj. - (3). (4) -tab.2, a to pro meze únavy s pravděpodobností P= 50% a P=95%. Získané kritické velikosti vměstků (a ) se řádově blíží rozměrům vměstků stanovených mikrofraktograficky, i když hodnocení podle těchto vztahů odpovídá stále značně konzervativnímu přístupu. Je to dobře patrné z obr.7, kde jsou vyznačeny naměřené rozměry vměstků při povrchu spolu s grafickým vyjádřením vztahu (4). Tab. 2 Výkovek Povrch/Plocha Kritická velikost vměstků a [ μm 2 ], pro 1) σ C ( P=50%) σ C (P=95%) 1) Po Pl 90,7 309 Po 45,1 504,9 Pl 128,1 1431,7 Po 150,5 1623,7 Pl 427, ,4 Po 129,6 297 Pl 368,2 843,7 1) Konkrétní hodnoty σ C viz tab.1 Po = povrch Pl = plocha lomu pod povrchem 3

4 VLIV VMĚSTKŮ U VZORKŮ Z KLIKOVÝCH HŘÍDELÍ Jednalo se o výkovky rozměrných klikových hřídelí, s ø ložiskových čepů mm. Klikový hřídel z oceli 50CrMo4 Složení oceli (%) : 0,51C, 0,79Mn, 1,18Cr, 0,49 Ni, 0,27Mo, 0,1V, 0,007P, 0,001S, zušlechtěný na pevnost Rm = 928 MPa, tvrdost HV. Základní popuštěná struktura má hrubší jehlicovitou morfologii. Mikročistota : sulfidy A 0-0,5,oxidy D 1,5. Mez únavy v tahu - tlaku (R=-1) byla stanovena stupňovými únavovými zkouškami. Pro pravděpodobnost P=50% byla σ C = 441 MPa, pro P=95% jen σ C=249,5MPa. Podle makroprohlídky se u všech hodnocených tyčí jednalo o únavové lomy které ini-ciovaly na povrchu. Mikrofraktografické šetření ukázalo, že při povrchu se vyskytují buď jen drobné zrnité vměstky, zřejmě komplexní vměstky hlinitanů a Ca - oxidů, nebo skupinky vměstků tohoto typu. Dosahují rozměrů desítek μm, nejvýše však 100 až 170 μm. Jejich plocha a při povrchu dosahuje hodnot několika set μm 2 nejvýše 3000 μm 2. Charakteris-tickým příkladem může být obr. 8. Ale i v tomto případě je zřejmé, že iniciační centrum lomu leží mimo oblast drobných vměstků, ve struktuře základního materiálu. Lomové linie nejsou přítomností zrnitých vměstků prakticky ovlivněny. Obdobnou situaci jsme zjistili u většího počtu lomů. Vyskytují se ovšem případy s nespornou iniciací lomu na skupině vměstků obr.9. Tím si lze také vysvětlit zjištěný značný rozptyl výsledků únavových zkoušek, jak to vyplývá z hodnoty meze únavy pro P=95%. Hrubé rozměrné vměstky byly zjištěny uvnitř lomových ploch a i když zcela ojediněle, někdy s náznakem sekundární iniciace lomu. Šlo o vměstky patrně keramického původu, s rozměry až 445 x 270 μm. Klikový hřídel z oceli 34CrNiMo6 Složení oceli (%): 0,36C, 1,5Cr, 1,45Ni, 0,21Mo, 0,0058%Al, 0,0028P, 0,0067S, 0,019N, zušlechtěný na pevnost Rm = 961 MPa, tvrdost 315HV. Mez únavy v tahu tlaku (R=-1) byla opět stanovena stupňovou zkouškou. Pro pravděpodobnost P=50% byla σ C = 390 MPa, pro P=95% je σ C= 355,2 MPa. Také u tyčí z tohoto hřídele se ve všech případech jednalo o únavové lomy, které inicio-valy na povrchu. Přestože pevnostní hodnoty jsou u tohoto hřídele obdobné jako u předcho-zího - R m = 961 proti 928 MPa, hodnoty meze únavy pro P=50% jsou rozdílné. U předchozí-ho hřídele σ C = 441 MPa, zde 390 MPa. Jiná situace je zřejmá u hodnot pro P=95%. Podle mikrofraktografického šetření se na únavových lomech při povrchu tyčí vyskytují především oxisulfidické vměstky a dále komplexní zrnité vměstky oxidů Al a Ca. Oxisulfidy dosahují délky od 70 μm do 180 μm, vyjimečně až 900 μm. Shluky zrnitých vměstků běžně rozměrů do 100 μm, ojediněle až 1100 μm. Obdobná situace je uvnitř lomové plochy. Tyče jsou při zkouškách v tahu tlaku namáhány po průřezu rovnoměrně. Zjistili jsme, že i v místech vzdálených od povrchu došlo pak na některých vměstcích ke vzniku sekundár-ních iniciačních trhlinek. Vyplývá to z lomových stupňů, které se rozbíhají z místa vměstku. Příklady těchto sekundárních iniciací jsou na obr.10,11. Podle vztahu (4) lze stanovit pro mez únavy kritickou velikost vměstků a 271 μm 2. Tomu odpovídá u kruhového vměstku Ø18,6 μm, u podlouhlého vměstku (5 :1) rozměry 4

5 36,8 x 7,4 μm. Odhad mezného rozměru vměstku podle výpočtového odhadu (4) se podle dosažených výsledků jeví jako výrazně konzervativní. ZÁVĚR Práce se uskutečnila s využitím výsledků únavových zkoušek v tahu- tlaku z oblasti mezí únavy na tyčích odebraných z velkých výkovků z legovaných ocelí, zušlechtěných na pevnost na R m 800 až 960 MPa. Vměstky jsou u zušlechtěných částí velice často příčinou iniciace únavového lomu. Podle získaných poznatků tomu nemusí být, pokud se jedná o výskyt ojedinělých drobných např. zrnitých vměstků (do ca20 μm) zejména v hrubší zušlechtěné struktuře. Rozměrné shluky zrnitých vměstků o délce nad 100 μm, vedly podle našich výsledků z okolí meze únavy v tahu tlaku ke vzniku únavových lomů, často i v případech kdy ležely mimo citlivější oblast při povrchu tyče. Iniciační oblasti pak často vytvoří výraznou kruhovou rozetu, která po proniknutí k povrchu vede rychle k porušení. Na některých velkých oxisulfidických vměstcích a na shlucích zrnitých komplexních vměstků při povrchu často v průběhu únavového namáhání sekundární iniciační zárodky, které byly v oblasti do 10 7 cyklů latentní. Mohou však vést ke vzniku únavových lomů po velice dlouhých životnostech i o několik řádů vyšších než 10 7 cyklů, jak je to známo z provozu částí v praxi. Obdobným způsobem se mohou uplatnit i zmíněné vnitřní iniciace s rozetami. Podle získaných výsledků nepříznivý vliv vměstků se řídí především jejich rozměrovou velikostí, méně již typem vměstku. To zjednodušuje podmínky při hodnocení jejich vlivu. Z obecnějších přístupů k hodnocení významu vměstků s využitím poznatků z lomové mechaniky jsme věnovali pozornost především postupu dle Murakamiho aj.[ 7 ], s vy-jádřením dle vztahů (3) a(4), s charakteristickou veličinou průmětu plochy vměstku a. Porovnání s konkrétními podklady získanými v naší práci ( obr.7) ukázalo, že postup mů-že sloužit při hodnocení vměstků pro inženýrskou orientaci, ale většinou je na straně velice konzervativní, s přeceněním jejich nepříznivého účinku. PODĚKOVÁNÍ Práce vznikla v rámci řešení výzkumného záměru Ministerstva školství a mládeže č Autoři děkují za umožnění publikace. LITERATURA [.1 ] T.Abe, Y.Furuya, S.Matsuoka.,Faigue Fract. Engng. Struct. 27,2004, [ 2 ] Cummings H.N.aj., Proceedings of ASTM,V.8,1958 [ 3 ] Cummings H.N., Stulen F.B. aj. ASM Handbook,V.19, Fatigue and Fracture, ASM Int [ 4 ] P.Lukáš, L.Kunz,Int. J. Fatigue,3,( 2003), [ 5] El Haddad M.H., Toper T.H.,Smith K.N.., Eng.Fract.Mech., 1979,11,p.573 [ 6] P.Lukáš, L.Kunz,Weiss,B.,aj., Fatigue Fract.Eng.Mater.Struct.,1986,9,,p.195 [ 7] Y. Murakami,M.Endo, Fatigue,1994,16, [ 8] Y.Murakami, T.Nomoto,T.Ueda. Fatigue Fract. Engn. Mater.Struct.1999,22, [ 9] H.Bomas,T.Linkewitz,P.Mayr, Fatigue Fract. Engn. Mater.Struct.,1999,22, [10] L.Kunz, Lukáš P.,Materiálové inžinierstvo,2003,10, č.1,

6 [11] B.Strnadel,Z.Bůžek J.Kuběna,Hutnické listy,2003,č.12,3-7 [12] J.Bažan,Z.Bůžek,K.Stránský,R.Bužek, Hutnické listy, 1999,č.7-8,20-24 [13] V.Linhart,J.Sigmundová, Materiálové inžinierstvo,2007,14č.3, Obr.1 Iniciační rozeta pod povrchem Tyč č Obr.2 Skupina zrnitých vměstků v místě Obr.3 Shluk zrnitých vměstků v místě Iniciace. Tyč č iniciace. Tyč. č

7 Obr.4 Shluk sulfidů na ploše lomu Tyč č Obr.5 Středně hrubá popuštěná bainitická struktura Obr. 6 Iniciace únav. lomu není ojedinělými zrnitými vměstky prakticky ovlivněna Tyč č Obr. 8 Také v tomto případě není iniciace únavového lomu ovlivněna jednotlivými drobnými zrnitými vměstky. Tyč č. P7 z klikového hřídele 7

8 a [μm 2 ] 1000 výkovek č.4758 výkovek č.4759 výkovek č.5708 výkovek č a a % 50% σ c [MPa] Obr. 7 Porovnání výpočtové velikosti "a" dle [4] s rozměry zjištěných vměstků. Obr. 9 Řádek drobných zrnitých vměstků ovlivnil iniciaci únavového lomu Tyč č. P7 z klikového hřídele Obr.10,11 Sekundární iniciační trhlinky na rozměrných vměstcích. Klikový hřídel a) na sulfidu.tyč č.k1 b) na shluku zrnitých vměstků. Tyč č.k10 8