CREEP AUSTENITICKÉ LITINY S KULIČKOVÝM GRAFITEM CREEP OF AUSTENITIC DUCTILE CAST IRON

Transkript

1 METAL , Hradec nad Moravicí CREEP AUSTENITICKÉ LITINY S KULIČKOVÝM GRAFITEM CREEP OF AUSTENITIC DUCTILE CAST IRON Vlasák, T., Hakl, J., Čech, J., Sochor, J. SVUM a.s., Podnikatelská, 9 Praha 9, ČR, hightempmat@svum.cz ŽĎAS a.s., Strojírenská, 9 7 Žďár nad Sázavou, ČR, jan.cech@zdas.cz Abstrakt Austenitická litina s kuličkovým grafitem EN - GJSA - XNi má dobré mechanické vlastnosti v širokém teplotním rozsahu. Jako doplněk této skutečnosti jsou uvedeny creepové vlastnosti tohoto materiálu, který byl zkoušen v rámci spolupráce mezi SVÚM a.s. Praha a ŽĎAS a.s. Žďár nad Sázavou. Matematickým zpracováním dosažených výsledků byla stanovena pevnost při tečení, mez tečení a rychlost tečení. Abstract Austenitic ductile cast iron EN - GJSA - XNi has very good mechanical properties in wide temperature interval. The presented contribution describes creep properties of this material which was tested within the framework of co-operation between SVUM a.s. and ŽĎAS a.s. By mathematical processing of test results were evaluated creep rupture strength, strength for specific creep strain and minimum creep rate.. Úvod Austenitická tvárná litina EN-GJSA-XNi [] je nemagnetická a má dobré mechanické vlastnosti v širokém rozsahu teplot. Vyznačuje se dobrou slévatelností, což umožňuje zmenšení tloušťek stěn odlitků v porovnání s legovanými ocelemi. Používá se pro dílce, je zapotřebí vysoká plasticita. Jsou to např. části čerpadel, turbokompresorů a turbogenerátorů. Navíc má velmi dobrou odolnost proti erozi v prostředí vlhké páry, což je důležitá požadovaná vlastnost u součástí parních turbin. Vlastnosti a použití této tvárné litiny lze nalézt v práci []. Cílem našeho příspěvku je popis creepových vlastností austenitické tvárné litiny EN-GJSA-XNi při teplotách až 7 C. Tab. I Chemické složení Tab.I Chemical composition obsah prvku (hm.%) Prvek dle ČSN EN analýza min. max. C -,,7 Mn,,, Si,,, P,, Cr,,7 Ni,,, Mo, Nb, Cu,, Al, S, Mg,. Experimentální materiál Do kýlového bloku dle obr. byla odlita ve slévárenském provozu ŽĎAS a.s. austenitická tvárná litina s tavbovým označením 7. Jednalo se o materiál podle EN-GJSA-XNi (ASTM A 9 D-C) [], jehož chemické složení uvádí tab.i. Materiál měl austenickou matrici, obsahující kuličkový grafit.

2 METAL , Hradec nad Moravicí 7 7 Obr. Tvar kýlového boku Fig. Keel block shape Ze spodní časti tohoto odlitku bylo vyrobeno ks válcových polotovarů x7 mm. Tento materiál byl v litém stavu a byl určen pro zkoušky tečení v tepelně nezpracovaném stavu. Z těchto polotovarů pak byly vyrobeny tyče s měrným průměrem a délkou øxmm podle obr.. (7), Ø R MSe Obr. Tvar creepové zkušební tyče Fig. Creep specimen shape. Výsledky zkoušek tečení.. Pevnost při tečení Creepové zkoušky probíhaly za stálého zatížení na vzduchu v rozmezí teplot -7 C a napětí - MPa. Na základě těchto zkoušek byla nejprve vyhodnocena závislost napětí na Larson-Millerově parametru (P LM ) podle regresního modelu [] log σ = A +, () + A PLM A PLM PLM = T (log( t r ) + A ), σ je napětí (MPa), T je teplota (K), t r je doba do lomu (h), A -A jsou materiálové konstanty. Obr. znázorňuje průběh hodnot meze pevnosti při tečení, vyhodnocený modelem () v závislosti na P LM a výsledky zkoušek pevnosti při tečení. Jiné zobrazení podává obr., je vyneseno vyhodnocení závislosti napětí na době do lomu pro teploty 7 9 P LM=T.(log(t r)+a ), [K, h] Řídící křivka Teplota C Teplota C Teplota C Teplota C Teplota 7 C Obr. Mez pevnosti při tečení litiny EN- GJSA-XNi Fig. Creep strength of cast iron EN- GJSA-XNi

3 METAL , Hradec nad Moravicí až 7 C. Parametry A -A modelu () jsou uvedeny v tab.ii. Na obr. a je znázorněna závislost tažnosti a kontrakce na Larson-Millerově parametru (P LM ). Je zřejmé, že s růstem P LM tažnost klesá. Mnohem významnější je tato změna u kontrakce. Z uvedených obrázků vyplývá, že plasticita austenitické tvárné litiny se s růstem P LM mění dosti razantním způsobem. Lze očekávat, že se zvýšením doby expozice na teplotě bude pokles plasticity dále pokračovat. Doba do lomu [h] Teplota C Teplota C Teplota C Teplota C Teplota 7 C Obr. Mez pevnosti při tečení litiny EN- GJSA-XNi Fig. Creep strength of cast iron EN- GJSA-XNi Tab. II Materiálové konstanty regresních vztahů (),(),(). () () () A,79E+ B,9E+ C -,797E+ A,E- B -,79E- C -,9E+ A -,77E-9 B,9E- C -,97E+ A,E+ B,79E+ C -,99E+ C 7,7E+,97E- C Tažnost [%] Kontrakce [%] 7 9 P LM=T.(log(t r)+a ), [K, h] Obr. Tažnost při lomu litiny EN- GJSA-XNi Fig. Rupture elongation of cast iron EN-GJSA-XNi 7 9 P LM=T.(log(t r)+a ), [K, h] Obr. Kontrakce při lomu litiny EN- GJSA-XNi Obr. Rupture reduction of area of cast iron EN-GJSA-XNi

4 METAL , Hradec nad Moravicí.. Mez tečení Součástí creepových experimentů byl záznam časové změny deformace. Jednotlivá měření byla vyhodnocena pomocí modelu [] ε [ g( π)t)) ] m ε c = ε, () ε g( K) M N + exp( π π (t)) = π, (a) t r + exp( ) t π =, (b) σ E(T) ε =, (c) E E(T) = E + E exp, (d) T ε c je celková creepová deformace (%), t je čas, t r je doba do lomu (h), ε je počáteční deformace (%), σ je napětí (MPa), T je teplota (K), K,M,N,ε m, E - jsou materiálové konstanty. 7 7 C/MPa C/MPa C/MPa C/9MPa Deformace [%] Deformace [%] C/MPa C/MPa Deformace [%] 7 9 Čas [h] Teplota C Teplota C Čas [h] Teplota 7 C 7 C/MPa 7 C/7MPa 7 C/MPa 7 C/MPa Obr. 7 Creepové křivky litiny EN- GJSA-XNi Fig. 7 Creep curves of cast iron EN- GJSA-XNi 7 Čas [h] Příklady creepových křivek pro jednotlivé teploty jsou na obr 7. Z vyhodnocených křivek bylo možno stanovit teplotní a napěťové závislosti meze tečení. Pro vyhodnocení meze tečení % byla použita shodná rovnice () ve tvaru log σ +, () = B + B PLM B PLM P LM = T (logt + B ), σ je napětí odpovídající dosažení doby t, T je teplota (K), t je doba k dosažení celkové deformace % (h), B -B jsou

5 METAL , Hradec nad Moravicí materiálové konstanty, uvedené v tab.ii. Grafická interpretace vyhodnocení meze tečení % v závislosti na P LM je na obr.. Pro jednotlivé teploty je potom provedeno zobrazení na obr.9. Na obr. je porovnána mez pevnosti při tečení a mez tečení %. Z důvodů možnosti porovnání byly konstanty A =B =. Vzhledem ke skutečnosti, že plastické charakteristiky klesají s růstem P LM, tzn. s růstem teploty a doby do lomu (viz obr. a ), nastává % deformace v různých stadiích tečení a proto je porovnání pouze informativní. Řídící křivka Teplota C Teplota C Teplota C Teplota C Teplota 7 C Doba do % deformace [h] Teplota C Teplota C Teplota C Teplota C Teplota 7 C 7 P LM=T.(log(t r)+a ), [K, h] Obr. Mez tečení % litiny EN-GJSA- XNi Fig. Creep strength for % strain of cast iron EN-GJSA-XNi Obr. 9 Mez tečení % litiny EN-GJSA- XNi Fig.9 Creep strength for % strain of cast iron EN-GJSA-XNi Mez pevnosti při tečení Mez tečení % Rychlost tečení [%/h],,, Teplota C Teplota C Teplota C Teplota C Teplota 7 C 7 P LM=T.(log(t r)+a ), [K, h] Obr. Mez pevnosti při tečení a mez tečení % v závislosti na P LM litiny EN-GJSA-XNi Fig. Comparison of creep strength and creep strength for % strain of cast iron EN-GJSA-XNi, Obr. Vyhodnocení rychlosti tečení při lomu litiny EN-GJSA-XNi Fig. Creep rate evaluation of cast iron EN-GJSA-XNi.. Rychlost tečení Vyhodnocené křivky byly dále použity pro vyhodnocení rychlostí tečení modelem [] ve tvaru logε& = C + C log + C log sinh( C σ T ) + C log log sinh( C σ T C T C [ ] [ )], T ()

6 METAL , Hradec nad Moravicí ε& je minimální rychlost tečení (%/h), σ je napětí (MPa), T je teplota (K), C - jsou materiálové konstanty, uvedené v tab.ii. Vyhodnocené rychlosti tečení pro jednotlivé teploty jsou znázorněny na obr... Srovnání experimentálních výsledků s daty dle ČSN EN Výsledky creepových zkoušek hodnocené tvárné litiny byly na obr. porovnány s daty Data dle normy [] meze pevnosti při tečení podle normy [], uvedenými v tabulce III. Hodnoty v závorkách jsou interpolovány nebo extrapolovány. Je zřejmé, že závislost meze pevnosti při tečení je téměř shodná, přičemž hodnoty z normy jsou nevýrazně vyšší. Mírné P LM=T.(log(t r)+a ), [K, h] odchylky mohou být způsobeny rozdílnými experimentálními programy, na základě kterých byly meze pevnosti při tečení odhadnuty. Vyhodnocené zkoušky modelem () 7 9 Obr. Porovnání vyhodnocené pevnosti při tečení sledované litiny s daty podle [] Fig. Comparison of creep strength of evaluated cast iron and literature data [] Tab. III Creepové vlastnosti uvedené v normě ČSN EN Vlastnost Jednotka Teplota C Mez pevnosti při tečení ( h) N/mm EN-GJSA-XNi (EN-JS) 9 (9) 7 () 7 (). Závěr Byly provedeny creepové zkoušky austenitické tvárné litiny EN-GJSA-XNi při teplotách až 7 C a napětích až MPa. Výsledky byly matematicky vyhodnoceny a určeny pevnost při tečení (viz obr.), mez tečení (viz obr.) a rychlost tečení (viz obr.). Kromě toho byly zjištěny i plastické charakteristiky (viz obr. a ). Literatura [] ČSN EN Slévárenství austenitické litiny. Vydal Český normalizační institut, Praha,. [] MORRISON, J.,C.-COVERT, R.-RÖHRIG, K.-SPEAR, W.: Properties and applications of Ni-resist and ductile Ni-resist alloys, NIDI 99

7 METAL , Hradec nad Moravicí [] SEIFERT,W.-MELZER,B.: Rechnerische Auswertung von Zeitstandversuchen am Beispiel des Stahles CrMo-.. Vortragveranstaltung Langezeitverhalten warmfester Stähle und Hochtemperaturwerkstoffe, Düsseldorf,..99. [] BÍNA,V.-HAKL,J.: Relation between creep strength and strength for specific creep strain at temperatures up to C. Materials Science and Engineering A- (997), pp.-. [] PECH,R.-KOUCKÝ,J.-BÍNA,V.: Matematizace hodnot pevnosti při tečení československých ocelí pro výrobu trub. Strojírenství 9(979), č.7, s.9. 7