NĚKTERÉ POZNATKY O ŽÁRUPEVNÝCH VLASTNOSTECH INTERMETALICKÉ SLITINY TYPU Fe28Al3Cr0,02Ce.

Transkript

1 NĚKTERÉ POZNATKY O ŽÁRUPEVNÝCH VLASTNOSTECH INTERMETALICKÉ SLITINY TYPU Fe28Al3Cr,2Ce. J.HAKL, T.VLASÁK, P.KRATOCHVÍL SVÚM, a.s., Praha, Areál VÚ, 9 Praha 9, svum@mbox.vol.cz Katedra fyziky kovů, Matematicko-fyzikální fakulta Karlovy university, Ke Karlovu, 2 Praha2, pekrat@met.mff.cuni.cz Abstract Owing to advantageous mechanical properties and costs, the iron aluminides are perspective materials for many high-temperature applications in technical practice. A contribution deals with behaviour of hot rolled iron aluminide Fe-28Al-3Cr-,2Ce (at%) in creep conditions. Tests were conducted in temperature and stress intervals <;9> C and <;28>MPa. Mathematically evaluated data are given - creep curves, creep rates, creep strengths and strengths for specific creep strain.. ÚVOD Intermetalické fáze nebo krátce intermetalika jsou z hlediska strukturního tuhé roztoky, ve kterých jsou jednotlivé atomy pod určitou kritickou teplotou T c uspořádány na dlouhou vzdálenost. Většinou existují v relativně úzkém rozmezí koncentrací kolem jednoduchých stechiometrických složení. V padesátých letech byly intermetalické fáze podrobně studovány. Nepodařilo se však překonat jejich křehkost při pokojové teplotě. Na konci let sedmdesátých byly publikovány některé velmi dobré výsledky ukazující, že tvárnost a zpracovatelnost intermetalik je možné zvýšit využitím poznatků fyzikální metalurgie.zájem o tyto fáze pak stále rostl a byly započaty nové výzkumné programy s úkolem vyvinout materiály na bázi intermetalických fází použitelné v praxi jako konstrukčních materiálů. Nejvíce je pozornost věnována aluminidům TiAl, Ni 3 Al, NiAl, FeAl a Fe 3 Al, a jejich ternárním a kvaternárním modifikacím (viz např. [,2]). První pokusy s aluminidem Fe 3 Al se datují do šedesátých let, kdy ztroskotaly na malé tvárnosti tohoto materiálu při pokojové teplotě. Teprve v posledních letech se podařilo upravit plasticitu na přijatelné hodnoty jednak pomocí odklonu od stechiometrie (28at.%Al) a jednak použitím ternárních legur, zejména chrómu, v kombinaci s aditivy TiB 2 a Ce zjemňujícími zrno. Aluminidy železa [3,4] soutěží s některými austenitickými a niklovými slitinami. Specifické výhody slitin typu Fe 3 Al jsou: vynikající odolnost vůči síře, oxidační odolnost, nízká měrná hmotnost, dobrá otěruvzdornost, odolnost vůči kavitaci při erozi, nízká cena materiálů. Na těchto výhodách jsou založeny některé aplikace slitin typu Fe 3 Al (nejsou zmiňovány aplikace vycházející z použití různých modifikací práškové metalurgie): topné elementy, ponorné vařiče součásti pecí katalytické vrstvy konvertorů regenerátorové desky

2 nádoby na roztavené soli a pro další chemickou výrobu, aplikace ve sklářství stínění výfukové systémy a jiné části spalovacích motorů zařízení pro získávání energie z fosilních paliv V současné době je hlavním úkolem aplikovaného výzkumu dokončit přípravu podmínek, za nichž se dá připravit v České republice aluminid železa typu Fe28Al3Cr,2Ce (v U.S.A. se používá označení pro tyto slitiny FA 29, FAS nebo FAL), použitelný v různých případech jako vhodný konstrukèní materiál. Za zmínku stojí, že význam slitin Fe s obsahem Al okolo 3hm.% pro technickou praxi byl pochopen u nás již v.letech, což vedlo k vývoji a výrobnímu zavedení žáruvzdorné litiny PYROFERAL (ČSN ) []. Řadu dalších informací o aluminidech železa, týkajících se metalurgie, technologie a užitných vlastností, lze nalézt např. v [-]. V našem příspěvku se omezíme pouze na žárupevné vlastnosti slitiny Fe28Al3Cr,2Ce a naším cílem je podat dílčí výsledky experimentálního studia, provedeného v návaznosti na soubor prací jednoho z autorů [-7]. 2. EXPERIMENTÁLNÍ MATERIÁL A METODIKA Slitina, jejíž složení je uvedeno v tab.i., byla natavena a odlita pod argonovou atmosférou. Ingot byl pak tvářen za teploty C. Válcování z počáteční tloušťky 4 mm na koncovou 3 mm bylo uskutečněno postupnými úběry 2-4 mm s několika meziohřevy. Po posledním úběru byl materiál zakalen do oleje. Metalurgické a tvářecí procesy byly uskutečněny ve VÚK, s.r.o., Panenské Břežany. Z tohoto polotovaru byly vyrobeny zkušební tyče s měrným průměrem a délkou φx2 mm se závitovými hlavami M2, jejichž podélná osa byla rovnoběžná se směrem válcování. Zkoušky tečení byly provedeny na strojích konstrukce SVÚM na vzduchu při stálém zatížení v rozsahu napětí až 28 MPa a teplot -9 C. Všechny zkoušky byly ukončeny lomem, přičemž doby do lomu se pohybovaly od jednotek h po asi 32 h. Ve všech případech byl sledován časový rozvoj plastické deformace. Creepové experimenty jsou součástí širokého studia deformace aluminidů železa za širokých deformačních podmínek (teplota, rychlost deformace). Data, která presentuje tato práce se zpracovávají také fyzikálně metalurgickým způsobem zahrnujícím zjišťování deformačních procesů, jejich aktivační energie, a to v návaznosti na údaje o struktuře materiálu při a po creepové deformaci [8]. 3. VÝSLEDKY 3. Pevnost při tečení Základní veličinou charakterizující proces tečení je pevnost při tečení tj. závislost doby do lomu na teplotě a napětí. K matematickému vyhodnocení experimentálních dat bylo použito standardního postupu SVÚM, a to pomocí regresní funkce [9] ve tvaru log t r = A + A log + A log[ sinh( A σ T )] + A log log[ sinh( A σ T )] () T A T A kde t r je doba do lomu (h) σ je napětí (MPa) T je teplota (K) A -A jsou materiálové konstanty

3 Regresní parametry ve vztahu (), vyhodnocené z experimentů, jsou uvedeny v tab.ii. Grafické znázornění průběhu středních hodnot a experimentálních dat je zřejmé z obr.. Některé vypočtené hodnoty pevnosti při tečení pak uvádí tab.iii. 3.2 Deformační charakteristiky V prvé fázi byly vyhodnoceny jednotlivé creepové křivky pomocí modelu [2] [ g( π() t )] ε m ε c = ε (2) ε g K N + exp ( ()) ( 2 π ) π t = π + exp( 2) M (2a) π = t t r (2b) σ ε = E ( T) 2 (2c) E 3 E( T) = E + E 2 exp (2d) T kde ε c je celková creepová deformace (%), t je čas (h), ε je počáteční deformace (%), σ je napětí (MPa) T je teplota (K) K, M, N, ε m, E -3 jsou materiálové konstanty. Příklad regresní křivky a experimentálních bodů je zřejmý z obr.2. Z takto zpracovaných dat pak byly vyhodnoceny teplotní a napěťové závislosti meze tečení a rychlosti tečení. V obou případech byl použit regresní model (), přičemž v prvém případě byla aplikována rovnice [9] log t = B + B log + B log[ sinh( B σ T )] + B log log[ sinh( B σ T )] (3) T B T B kde t je doba do dosažení celkové deformace % (h) σ je napětí (MPa) T je teplota (K) B -B jsou materiálové konstanty a v druhém rovnice [2] log ε! = C + C2 log + C3 log sinh 4 σ T C T C [ ( C σ T )] + C log log[ sinh( C T )] (4) kde ε! je minimální rychlost tečení (%/h)

4 σ je napětí (MPa) T je teplota (K) C -C jsou materiálové konstanty Příslušné materiálové konstanty ze vztahu (3), (4) jsou uvedeny v tab.ii. Grafická znázornění průběhu regresních závislostí mezí a rychlostí tečení a odpovídajících experimentálních výsledků, vyhodnocených výše uvedeným způsobem jsou na obr.3 a 4. Pro informaci jsou dále v tab.iii. uvedeny některé vypočítané hodnoty pevností při tečení a mezí tečení. 4. VYMEZENÍ KONSTRUKČNÍ OBLASTI Na obr. je pro studovaný aluminid Fe28Al3Cr,2Ce vynesena teplotní závislost základních mechanických charakteristik [4] a meze pevnosti při tečení při h. Je zřejmé, že pevnostní vlastnosti (R p,2 a R m ) se do teploty 8 C příliš nemění a teprve nad touto teplotou začíná systematický pokles. V oblasti nižších teplot (asi do 4- C) lze tedy vycházet z pevnostních vlastností při pokojové teplotě a uvažovat s mezí kluzu asi 3-38 MPa a mezí pevností asi 3-72 MPa. Tažnost se systematicky zvyšuje z úrovně asi 8% při pokojové teplotě až k 28% při 7 C. Teplotní závislost meze pevnosti při tečení, která je na obr. vynesena pro čas h, vyznačuje oblast, kdy pevnostní návrh je nutno provádět již s přihlédnutím ke creepovému poškozování. Z diskutovaného obr. je dále zřejmé, že úroveň plasticity zkoumaného aluminidu je na velmi dobré úrovni. K tomu lze doplnit, že při zkouškách tečení byla zjišťována tažnost při lomu mezi 9 až %. Možno tedy očekávat, že materiál bude mít dostatečnou zásobu plasticity pro eliminaci vlivu případných vrubů, defektů či jiných koncentrátorů napětí. Na dalším obr. je provedeno porovnání teplotních závislostí minimální meze R p,2 austenitických ocelí 8 H (32Ni2CrTiAl), AC (32Ni28CrNbCe) a niklové slitiny 4 TM (NiCr28FeSiCe) [2] a úrovně této vlastnosti u aluminidu Fe28Al3Cr,2Ce (oblast je vyznačena šrafováním). Uvedené typy byly zvoleny jako příklad vysokolegovaných materiálů, jejichž aplikace je typická v sirném či oxidačním prostředí za vyšších teplot. Je zřejmé, že slitina Fe28Al3Cr,2Ce je oproti těmto materiálům lepší. Vzhledem k výrazně odlišnému způsobu legování lze ovšem předpokládat, že žárupevnost při teplotách -9 C bude u uvedených slitin vyšší než u Fe28Al3Cr,2Ce.. ZÁVĚR Tvářený aluminid Fe28Al3Cr,2Ce byl podroben zkouškám tečení v rozsahu teplot - 9 C a napětí -28 MPa. Matematicko-statistickými metodami byly vyhodnoceny třísložkové závislosti mezi teplotou, napětím a dobou pro pevnost při tečení a deformační charakteristiky. Je provedeno fenomenologické vyhodnocení výsledků creepových experimentů a komentovány základních mechanických charakteristik při zvýšených teplotách. Rozsah experimentálních dat zatím není dostatečný pro spolehlivý návrh. Výsledky lze pokládat za upozornění pro konstruktéry a materiálové odborníky, že výzkum aluminidů železa, jakožto "nových" materiálů se zajímavými užitnými vlastnostmi, již přechází z oblasti základního výzkumu do aplikační sféry. LITERATURA [] SAUTHOFF, G.: Intermetallics, VHC Weinheim, 99. [2] Physical Metallurgy and Processing of Intermetallic Compounds, ed. Stollof N.S., Sikka V.K., Chapman and Hall, 99.

5 [3] DEEVI, S.C.-SIKKA, V.K.: Nickel and Iron Aluminides: An Overview on Properties, Processing and Applications. Intermetallics 4(99), pp [4] McKAMEY, C.G.: Iron Aluminides, in [2], pp [] PLUHAŘ, J.: Karbidické žáruvzdorné slitiny železa a hliníku.in: Problémy a výhledy našeho hutnictví a slévárenství, s.-7, Ed.L.Jeníček a V.David, SNTL Praha 9. [] CHEN, G.-HUANG, Y.-YANG, W.-SUN, Z.: Improvement of High Temperature Properties for Fe3Al Based Aluminides. In: Processing, Properties and Applications of Iron Aluminides, pp.3-4. Ed.J.H.Schneibel and M.A.Crimp, The Minerals, Metals and Materials Society, 994. [7] McKAMEY, C.G.-MAZIASZ, P.J.: Effect of Heat Treatment Temperature on Creep Rupture Properties of Fe3Al Based Alloys. Ibid, pp [8] YANGSHAN, S.-ZHONGHUA, Z.-FENG, X.-XINGQUAN, Y.:Tensile and Creep Properties of Fe3Al-Based Alloys Containing Tungsten. Materials Science and Engineering A 28 (998), pp [9] DEEVI, S.C.-SWINDEMAN, R.W.: Yielding, Hardening and Creep Behaviour of Iron Aluminides. Ibid, pp [] VOYZELLE, B.-BOYD, J.D.: High-Temperature Deformation Behaviour of Fe3Al. Ibid, pp [] KRATOCHVÍL, P.: Slitiny na bázi aluminidu železa, základní fyzikálně metalurgické poznatky a konstrukční použití ve strojírenství. Hutnické listy č.7-8 (997), s.4-2, [2] KRATOCHVÍL, P.-KUBÍČEK, V.: Termomechanické zpracování a mechanické vlastnosti slitiny Fe28AlCr. Hutnické listy č. (998), s [3] KRATOCHVÍL, P.-KARLÍK, M.-HAUŠILD, P.-CIESLAR, M.: Influence of annealing on mechanical properties on an Fe-28Al-4Cr-.Ce alloy, Intermetallics, 7(999), pp [4] KRATOCHVÍL, P.-VODIČKOVÁ, V.-ŠEDIVÁ, I.: Struktura a mechanické vlastnosti aluminidu železa Fe28AlCr s přísadami cínu a titanboridu, Hutnické listy, č.9 (2), s.9-2. [] KRATOCHVÍL, P.-KOPEČEK, J.-PEŠIČKA, J.,-SCHMITZ, G.: The effect of annealing at temperature near B2 D3 transformation in Fe3Al-type alloy on the yield stress, Intermetallics, 8(2), pp [] KARLÍK, M.- KRATOCHVÍL, P.-JANEČEK, M.-SIEGL J.-VODIČKOVÁ, V.: Tensile deformation and fracture micromorphology of an Fe-28Al-4Cr-.Ce alloy, Mat.Sci.Eng. A289(2), pp [7] KRATOCHVÍL, P.-POSPÍŠIL, D.-ROUS, S.-FOSTER, Z.-ECKSTEIN, J.: Lité výrobky ze slitiny na bázi FeAl, struktura a vlastnosti. Hutnické listy, č. (2). [8] KRATOCHVÍL, P.-ŠEDIVÁ, I.-VLASÁK, T.-HAKL, J.:Creepové charakteristiky a struktura slitiny Fe-28Al-4Cr-.Ce, bude publikováno. [9] PECH, R.-KOUCKÝ, J.-BÍNA, V.: Matematizace hodnot pevnosti při tečení československých žárupevných ocelí pro výrobu trub. Strojírenství 29 (979), č.7, s.389. [2] BÍNA, V.-HAKL, J.: Relation between creep strength and strength for specific creep strain at temperatures up to 2 C, Mat. Sci. Eng. A (997), pp [2] High-Performance Materials. KRUPP VDM, Werdohl, publ. No. N PODĚKOVÁNÍ Provedené práce bylo možno uskutečnit díky podpoře Grantové agentury University Karlovy v rámci projektu č 2/2.

6 Tab.I. Chemické složení zkoumaného materiálu, Fe základ C Al Cr Mn Ce hm. %,4,8 2,89,4, at. %, 28,44 2,4,4,2 Tab.II. - Materiálové konstanty regresních vztahů (), (3), (4) () (3) (4) A 2,89347 B 7,2 C -23, A 2,298 B 2 3,37778 C 2 -,2893 A 3 4,2232 B 3,3438 C 3-4,3998 A 4 4,84 B 4 3,9393 C 4-3,392 A 3,229E+2 B 9,9E+4 C,437347E+3 A,838E- B,24E- C 8,9E- Tab.III Pevnost při tečení slitiny Fe28Al4Cr Mez pevnosti při tečení Mez tečení % Teplota (MPa) (MPa) ( C) h h h h h , , 78, , 33, ,8 7, ,, ,, , 4, 8 9 4,4 3, ,7 2,

7 9 8 7 Exprimentální body Doba do lomu [h] C C 7 C 8 C Deformace [%] Časová závislost deformace 9 C, Obr. - Pevnost při tečení pro vybrané úrovně teplot Čas [h] Obr.2. - Příklad křivky tečení pro teplotu C napětí a dobu do lomu 837h vyhodnocené modelem (2) 9 8 Doba do dosažení deformace % [h] C C, 7 C 7 8 C C, Obr. 3 - Meze tečení % v závislosti na teplotě a napětí Rychlost tečení [%/h],, 7, Obr. 4 - Změna minimální rychlosti při tečení v závislosti na teplotě a napětí C C 7 C 8 C 9 C 4 4 Rp,2 Rm Tažnost RmT/ 8 4 Tažnost A [%] Mez R p,2 [MPa] Teplota [ C] AC 8 H Nicrofer 4TM Fe28Al3Cr,2Ce 2 4 Teplota [ C] Obr. - Vymezení konstrukční oblasti Obr.. - Porovnání mezí R p,2 Fe28Al3Cr,2Ce, AC, 8H a Nicrofer 4TM