ÚNAVOVÁ PEVNOST LETECKÉ OCELI AISI 4340 S POVRCHEM PO ELEKTROEROZNIVNÍM ŘEZÁNÍ A ŘEZÁNÍ VODNÍM PAPRSKEM

Transkript

1 ÚNAVOVÁ PEVNOST LETECKÉ OCELI AISI 4340 S POVRCHEM PO ELEKTROEROZNIVNÍM ŘEZÁNÍ A ŘEZÁNÍ VODNÍM PAPRSKEM FATIGUE STRENGTH OF AN AIRCRAFT AISI 4340 STEEL WITH SURFACE AFTER ELECTRO-EROSIVE AND WATER JET CUTTING Ivo Černý a Dagmar Mikulová b a SVÚM, a. s., Podnikatelská 565, Praha 9, ČR, Ivo.Cerny@seznam.cz b SVÚM, a. s., Podnikatelská 565, Praha 9, ČR, d.mikulova@svum.cz Abstrakt Alternativní způsoby dělení materiálu jako elektroerozivní řezání a řezání vodním paprskem představují moderní technologie, které díky možnostem automatizace procesů a přesnosti řezů jsou perspektivní pro využití jako operace dělení do konečného tvaru a rozměru součástí. Příspěvek obsahuje výsledky studia odolnosti letecké oceli AISI 4340 proti únavovému namáhání na vzorcích při namáhání tříbodovým ohybem za normálních teplot a standardních laboratorních podmínek. Jsou porovnány výsledky únavových zkoušek vzorků s povrchem po elektroerozivním dělení a řezání vodním paprskem, kde je navíc studována zvlášť oblast vstupu paprsku do materiálu a oblast výstupu. Součástí prací byla metalografická analýza struktury materiálu, měření tvrdosti, a dále analýza charakteru stavu povrchu z makro- a mikroskopického hlediska. V porovnání s broušeným povrchem obě alternativní technologie způsobily částečné snížení únavové odolnosti a meze únavy, asi o 15%, přičemž účinek obou technologií byl srovnatelný. Za překvapivé lze označit zjištění, že únavová pevnost nezávisela na tvrdosti v jádře vzorků, tj. na pevnosti základního materiálu, a to v poměrně velkém intervalu hodnot tvrdosti, který byl zjevně ovlivněn lokálními rozdíly mikrostruktury materiálu. Mikrostruktura byla většinou feriticko-perlitická s lokálními ostrůvky bainitu v některých vzorcích. U vzorků s broušeným povrchem byl naopak zjištěn pokles únavové pevnosti s růstem tvrdosti. Tyto výsledky naznačují, že rozhodujícím mechanismem únavového poškozování byl ve sledovaném případě spíše rozvoj již existujících mikrodefektů v povrchové nebo podpovrchové vrstvě než běžná iniciace únavových trhlin na hladkém povrchu. Dílčí fraktografická analýza potvrdila tyto předpoklady. Abstract Alternative methods of material machining like electro-erosive or water jet cutting, respectively, represent modern technologies, which are perspective to be used as final end-to-shape operations due to their possibilities of automatization and cutting precision. The paper contains results of an investigation of resistance of an aircraft AISI 4340 steel against fatigue loading performed using specimens loaded by three point bending at ambient temperature and standard laboratory conditions. Results of fatigue tests of specimens with surface after electro-erosive and water jet cutting, respectively, whereas in the latter case, areas of water jet input and outlet are studied separately. Metallographical analysis of material microstructure, hardness measurement and analyses of surface character from the macro- and microscopic viewpoints were parts of the work. In comparison with ground surface, both the 1

2 technologies resulted in partial reduction of fatigue resistance and fatigue limit, by approximately 15 %, whereas the effect of both the technologies was comparable. The fact that fatigue strength did not depend on hardness of specimen bulk material, i.e. on strength, namely in a relatively large interval of values, which was affected by local microstructure differences, can be appointed as surprising. The microstructure mostly was of ferritic-pearlitic type with local bainitic islands in some of the specimens. Contrariwise reduction of fatigue strength with the hardness was observed with specimens with ground surface. These result indicate that in the studied case, development of preexisting microdefects in surface or subsurface layers was the deciding mechanism of fatigue damage rather than usual fatigue crack initiation on smooth surface. Partial fractographical analysis confirmed these assumptions. 1. ÚVOD Technologie řezání vodním paprskem a elektroerozivní metodou se výhodně využívají zejména pro dělení těžko obrobitelných materiálů, např. speciálních kovových materiálů vysoké tvrdosti, nekovových materiálů jako kompozitů se skelnými výztužnými vlákny, keramických materiálů a rovněž skelných desek [1]. Využívají se ale výhodně i pro dělení běžných kovových materiálů a tenkých plechů [2]. Sklolaminátové kompozity, jinak velmi těžko obrobitelné, je možno vodním paprskem rychle a přesně řezat do finálních rozměrů [3]. Tyto technologie jsou však velmi výhodné i pro běžné kovové materiály díky rychlosti a možnosti automatizace obrábění [4]. Na druhé straně však je nutno detailně hodnotit kvalitu řezu a řezného povrchu pro konkrétní případy materiálu a technologických parametrů, neboť dosud neexistují jednoznačné všeobecně platné poznatky. Technologie jsou obvykle spojeny s určitým druhem povrchové nerovnosti, často silně závislé na technologických parametrech [5]. Povrchová drsnost a nerovnosti ovlivňují zejména únavové vlastnosti, jelikož iniciačními místy únavových trhlin je ve většině případů povrch [6]. Konkrétní vliv povrchu je však spojen s dalšími parametry jako je povrchová pevnost, mikrostruktura materiálu, vrubová citlivost, povrchové a podpovrchové reziduální pnutí apod. Zvýšená povrchová drsnost má většinou za následek snížení únavové pevnosti. Pokud však tato drsnost není příliš velká, může mít minoritní efekt a mohou se uplatnit jiné mechanismy porušování [7]. V příspěvku jsou shrnuty nejdůležitější výsledky studia odolnosti letecké oceli AISI 4340 proti únavovému namáhání po aplikaci technologií řezání vodním paprskem a elektroerozivní metodou, v obou případech s konkrétními parametry, a jsou hodnoceny a diskutovány souvislosti s některými materiálovými parametry. 2. EXPERIMENTÁLNÍ PRÁCE Experimentální práce proběhly na letecké oceli AISI 4340 ANNEA AMS 6359 řezané vodním paprskem a elektroerozivní metodou. Tloušťka řezaného plechu byla přibližně 35 mm. Technologie dělení vodním paprskem byla realizována na stroji WJ402B v Popovicích s rychlostí řezu 81 mm/min (Al-slitina) s abrazivem přírodní granát, zrnitost µm při tlaku 3800 barů a průměru trysky 1.02 mm. Elektroerozivní řezání bylo provedeno na stroji HITACHI 355R, s mosazným drátem průměru 0.25 mm s řeznou rychlostí 3.2 mm/min pro Al slitinu, ve společnosti 2

3 OBZOR Zlín. Únavové vlastnosti byly zjišťovány při namáhání míjivým tříbodovým ohybem (koeficient asymetrie cyklu přibližně R = 0.1), rozteč podpor 62.2 mm. Vzorky měly čtvercový průřez 7x7 mm. Experimenty proběhly na stroji SCHENCK PHG. Analýzy struktury byly provedeny na optickém mikroskopu Olympus s programovým vybavením pro digitální zpracování obrazu. Mikrostruktury byly analyzovány na mikroskopu Neophot 32, rovněž s počítačovým zpracováním obrazu. Mechanismy iniciace únavových trhlin byly sledovány na řádkovacím elektronovém mikroskopu JEOL JSM-35 s digitálním záznamem obrazu. Fraktografické analýzy byly provedeny především s využitím řádkovacího elektronového mikroskopu JEOL JSM-35 s možností digitálního zobrazení. Měření mechanických vlastností ovlivněných oblastí řezných hran bylo provedeno mikrotvrdostí na zařízení Hanemann, které je součástí optického mikroskopu Neophot 21, a dále měřením tvrdosti HV 30, HV 10 a HV 1. Tvrdosti HV 30 a HV 10 byly měřeny na zařízení Vickers Ltd. HTM, tvrdost HV 1 na zařízení Zwick type Zvláštní pozornost byla věnována odběru zkušebních těles pro únavové zkoušky v případě řezání vodním paprskem. Kvalita řezu v tomto případě, narozdíl od elektroerozivního řezání, závisí na vzdálenosti od povrchu, kam paprsek dopadá. Proto byly vyrobeny dvě skupiny vzorků: vzorky odebrané z oblasti dopadu vodního paprsku a z oblasti výstupu paprsku. 3. EXPERIMENTÁLN Í VÝSLEDKY A DISKUSE Rozkmit napětí (MPa) Drátovka 450 Broušený Dopad H2O Výstup H2O Počet cyklů Obr. 1. Souhrnný diagram porovnání výsledků únavových zkoušek Fig. 1. Summary diagram of comparison of results of fatigue tests ( drátovka = electroerosive cutting, broušený = ground, dopad = impact, výstup = outfall) Výsledky zkoušek únavy vzorků s povrchem řezaným vodním paprskem a elektroerozivně jsou na souhrnném diagramu obr.1. Základní, výsledkem únavových 3

4 zkoušek je zjištění, že obě technologie řezání způsobují snížení únavové pevnosti a meze únavy obr.1. Zatímco mez únavy vzorků s broušeným povrchem přesahuje 670 MPa, u ostatních vzorků se únavová pevnost snižuje a mez únavy odpovídá 546 MPa u elektroerozivního dělení a 551 MPa u řezání vodním paprskem. Jedná se tedy o snížení o %. V případě řezání vodním paprskem navíc únavová pevnost závisí na oblasti dopadu, resp. výstupu vodního paprsku. Oblast výstupu paprsku má ještě dále sníženou únavovou pevnost obr.1. Kromě uvedených rozdílů se závislosti vyznačují poměrně velkým rozptylem výsledků zejména v tom smyslu, že některé vzorky měly výrazně menší únavovou životnost než by odpovídalo průměru regresní závislosti. Pro vysvětlení rozptylu byly provedeny další detailní analýzy a měření: tvrdosti, mikrotvrdosti, metalografická a fraktografická analýza. Měřené hodnoty tvrdosti vykazovaly neobvykle velký rozptyl. Proto byly hodnoty zpracovány jako distribuční funkce - obr.2. Hodnoty tvrdosti HV 30 ležely v intervalu od 237 do 311. Je zřejmé, že statická pevnost v tahu jednotlivých vzorků měla podle informativního přepočtu tvrdosti na pevnost významné rozdíly. Jelikož obecně únavová pevnost na tvrdosti může záviset, byly výsledky zkoušek únavy přehodnoceny s uvážením faktoru rozptylu tvrdosti. Bylo postupováno takto: Šikmými větvemi Di str ib uč ní fu nk ce Skupina tvrdosti 5 HV < 246 Skupina 4 HV Skupina 3 HV Skupina tvrdosti 2 HV Skupina tvrdosti 1 HV > 290 únavových křivek, tj. oblastmi časovaných životností, byly proloženy regresní závislosti mocninného typu, přičemž byla ověřena i přiléhavost regresní závislosti 0.2 logaritmického typu, která však měla ve všech třech případech nepatrně HV 30 Obr. 2. Reálná distribuční funkce tvrdosti vzorků horší přiléhavost (nižší koeficient R2). Fig. 2. Actual distribution function of specimens Pro každý bod odpovídající porušenému vzorku byla vyhodnocena hodnota log (Nf / N reg ), představující de facto relativní normalizovanou životnost charakterizující, zda a jak silně byla konkrétní hodnota životnosti N f vyšší nebo nižší než průměrná hodnota N reg odpovídajíc regresní závislosti. Hodnoty log (Nf / N reg ) byly vyneseny jako závislosti na konkrétní tvrdosti HV 30 daného vzorku. Vypočtené závislosti relativních životností na tvrdosti jsou na obr. 3. Výsledky na obr. 3 lze hodnotit jako zajímavé a do značné míry neočekávané: V rozmezí hodnot tvrdosti od HV 240 do více než HV 300 by se očekával v případě bezdefektního materiálu růst únavové životnosti s rostoucí tvrdostí, tj. pevností materiálu. Ve skutečnosti v daném případě únavová životnost vzorků s řezným povrchem po aplikaci jak vodního paprsku tak po elektroerozivním dělení je nezávislá na tvrdosti materiálu. Při hodnocení byl ze souborů vyjmut pouze vzorek VD3, který měl abnormálně sníženou relativní únavovou životnost. Jiná situace nastala v případě broušeného povrchu, kde byl zjištěn neobvyklý pokles relativní únavové 4

5 METAL 2009 životnosti s rostoucí tvrdostí. Regresní hodnocení bylo v tomto případě provedeno pouze na základě čtyř bodů, což mohlo zkreslit výsledek. Nicméně ve všech třech případech je průběh závislosti životnosti na tvrdosti atypický a pravděpodobně souvisí s mechanismy iniciace únavových trhlin, které budou následně diskutovány. 0.6 Elektro-erosivní Broušený Vodní paprsek Vodní paprsek Lineární (Elektro-erosivní) Lineární (Vodní paprsek) Lineární (Broušený) D3_5 0.4 log (N f / N reg) D3_6-0.2 D2_3 D3_12 D3_7-0.4 VD3 D3_ y = x R = HV 30 Obr. 3. Závislost relativní únavové životnosti na tvrdosti v jádře vzorků Fig. 3. Dependence of relative fatigue life on hardness of specimen bulk material Mikrostruktura všech analyzovaných vzorků byla v podstatě feriticko perlitická, přičemž v ploše výbrusů byly vyloučeny široké pásy feritu a perlitu obr. 4. U řady vzorků se však vedle feritu v pásech perlitu vyskytoval i bainit obr. 5. Tyto strukturní nerovnoměrnosti patrně souvisely s velkým rozptylem tvrdosti vzorků. Ve struktuře se vyskytovaly četné vměstky, lokálně různé velikosti i hustoty, většinou náhodně rozdělené. Pouze u vzorku VD3 byly vměstky koncentrovány do pásů, což zřejmě bylo spojeno s výrazně nízkou relativní únavovou životností a také s odlišnou morfologií lomu. Obr. 5. Lokální oblasti obsahující bainit Obr. 4. Feriticko-perlitická struktura vzorků Fig. 4. Ferritic-pearlitic structure of specimens Fig. 5. Local areas containing bainite 5

6 METAL 2009 Pokud se týká charakteru řezného povrchu, v případě řezu vodním paprskem bylo patrné již pouhým okem, že povrch má dvě úrovně nerovností: jednak makroskopické nerovnosti typické pro řez vodním paprskem (obr. 6a), v literatuře nazývané jako striace (jedná se o zcela jiný typ striací než striace na lomové ploše v důsledku růstu únavových trhlin), a dále mikroskopické nerovnosti charakteru jemné zrnitosti, která měla v případě vodního paprsku určitou orientaci ve směru působení paprsku obr. 6b. Striace byly výraznější v oblasti výstupu paprsku z materiálu,v oblasti dopadu paprsku byly málo výrazné, do značné míry v souladu s [8]. Povrch vzorků po elektroerozivním dělení měl z makroskopického hlediska podobný charakter zrnitosti, avšak podle očekávání bez směrové orientace a pochopitelně bez striací. a) b) Obr. 6. a) Makroskopický a b) mikroskopický charakter řezného povrchu vodním paprskem Fig. 6. a) Macroscopic and b) microscopic character of water jet cutting surface Fraktografická analýza byla provedena na cíleně vybraných vzorcích, které měly sníženou únavovou životnost. Ukázalo se, že zejména v případě broušeného povrchu je iniciace trhlin a životnost silně ovlivněna vměstky a strukturními nečistotami obr. 7. Částečný vliv vměstků a nečistot se projevil rovněž u vzorků s řeznými povrchy vodního paprsku a elektroerozivního dělení obr. 8. Obr. 7. Iniciace trhliny na strukturním defektu na broušeném povrchu Fig. 7. Crack initiation on structural defect on ground surface Obr. 8. Iniciační oblast na řezném povrchu vodním paprskem, sekundární mikrotrhliny Fig. 8. Initiation area on water jet cutting surface with secondary microcracks 6

7 Častý iniciační mechanismus na vměstcích zřejmě souvisí s anomálií průběhu závislosti únavové životnosti na tvrdosti na diagramu obr. 3 pokles relativní únavové životností s rostoucí tvrdostí materiálu u broušeného povrchu. Standardně platí, že ocel větší pevnosti má lepší únavovou odolnost. V případě přítomnosti vměstků se však situace mění, neboť únavová životnost je determinována odolností materiálu proti růstu fyzikálně krátkých trhlin vzniklých na přítomných defektech a bývá pravidlem, že materiál vyšší pevnosti má tuto odolnost nižší nižší prahové hodnoty růstu. 4. ZÁVĚR Nejdůležitější výsledky experimentálního výzkumu vlivu technologií a parametrů řezání oceli AISI 4340 ANNEA AMS 6359 vodním paprskem a elektro-erozivní metodou na mikrostrukturu řezné hrany, mechanické a únavové vlastnosti a mechanismy iniciace únavových trhlin lze shrnout takto: Únavová pevnost po řezu studovanými technologiemi se v porovnání s broušeným povrchem snížila o %. Únavová pevnost po elektreoerozivním dělení byla srovnatelná s řezem vodním paprskem v oblasti dopadu paprsku, v oblasti výstupu byla pak nižší. Základní materiál byl poměrně nehomogenní z hlediska tvrdosti, která se pohybovala v rozmezí HV 30 od 237 do 311, což odpovídá přibližně rozdílu pevnosti Rm od 835 do 1110 MPa. Struktura materiálu byla převážně feritckoperlitická, lokálně se vyskytoval bainit. Materiál obsahoval četné vměstky různé velikosti, v některých případech řádky vměstků. U řezaných vzorků nebyla zjištěna závislost relativní únavové životnosti na tvrdosti, u broušených vzorků pak byla opačná tendence než obvyklá: pokles relativní únavové životnosti s rostoucí tvrdostí. Řezné vrstvy byly charakteristické drsností, u vodního paprsku směrově orientované ve směru působení paprsku. Na většině míst řezných povrchů se vyskytovaly četné ostré mikrodůlky a poměrně dlouhé mikrotrhliny. Rozptyl únavových vlastností byl ovlivněn přítomností vměstků v povrchové a podpovrchové oblasti. Vzorky s přítomností velkých vměstků v namáhané oblasti měly sníženou únavovou odolnost, trhliny iniciovaly na vměstcích nebo spolupůsobením vlivu vměstků a poškozeného povrchu řezáním. PODĚKOVÁNÍ Práce byla provedena s finanční podporou grantů MSM a FI-IM/039. LITERATURA [1] ZHU, H. T., HUANG, C. Z., WANG, J., LU, X. Z., FENG, Z. X. Mach inability of glass by abrasive water jet. Int. J. of Materials and Product Technology, Vol. 31, No. 1, 2007, pp [2] ČERNÝ, I., MIKULOVÁ, D. An effect of water jet cutting on fatigue resistance of Al sheet of different thickness. In Proc. of 2 nd Fatigue Symposium, ed. by W. Eichlseder, Inst. of Mechanical Engineering, Leoben, 2008, p.255 7

8 [3] ČERNÝ, I., JERONIMIDIS, G., MAYER, R.M., MEDLICOTT, P. Static and fatigue resistance of GRP materials and flywheel disc of a storage unit for environmentally friendly urban vehicles. Materials Science Forum, Vols , 2008, pp [4] GEREN, N., BAYRAMOGLU, M., ESME, U. Improvement of a low-cost water jet machining intensifier using reverse engineering and redesign methodology. J. of Engineering Design, Vol. 18, No. 1, 2007, pp [5] CHEN, F. L., SIORES, E. The effect of cutting jet variation on surface striation formation in abrasive water jet cutting. J. of Materials Processing Technology, Vol. 135, No. 1, 2003, pp. 1-5 [6] POLAK, J. Cyclic plastic response and fatigue life of materials. Key Engng. Materials, Vol , 2007, pp [7] ITOGA, H., TOKAJI, K., NAKAJIMA, M., KO, H.-N. Effect of surface roughness on step-wise S-N characteristics in high strength steel. Int. J. of Fatigue, Vol. 25, No. 5, 2003, pp [8] LEBAR, A., JUNKAR, M. Simulation of abrasive water jet cutting process: Part 1. Unit event approach. Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering, Vol. 12, No. 6, 2004, pp