OVLIVNĚNÍ CREEPOVÉHO CHOVÁNÍ STRUKTURNÍMI DEFEKTY U Mg SLITINY AZ91 LITÉ DO PÍSKU

Transkript

1 OVLIVNĚNÍ CREEPOVÉHO CHOVÁNÍ STRUKTURNÍMI DEFEKTY U Mg SLITINY AZ91 LITÉ DO PÍSKU INFLUENCE OF STRUCTURAL DEFECTS ON THE CREEP BEHAVIOUR OF A SAND-CAST ALLOY AZ91 František Hnilica a Vladivoj Očenášek b a UJP PRAHA a s, Nad Kamínkou 134, 16 Praha, hnilica@ujp.cz b VUK Panenské Břežany,s.r.o., Panenské Břežany 0, Odolena Voda Abstrakt U hořčíkové slitiny AZ911 lité do písku byl hodnocen vliv licích vad (pórů) na jejich creepové chování. Creepové zkoušky byly provedeny při konstantním zatížení v rozsahu 20 až 80 MPa a teplotě 200 o C. Způsob porušování a výskyt licích vad (pórů) byl hodnocen na lomových plochách i povrchu creepových tyčí pomocí řádkovacího elektronové mikroskopie a světelnou mikroskopií na plochách metalografických výbrusů. Kvantitativní fraktografií byl určen relativní podíl plochy defektů na průmětu celkové lomové plochy. Odečtením plochy defektů od celkové plochy průřezu zkušební tyče byla určena plocha nosného průřezu a určeno korigované napětí jako podíl aplikované síly a plochy nosného průřezu tyče. U křivek závislostí doby života i tažnosti a kontrakce na jmenovitém napětí pozorujeme větší rozptyl experimentálních bodů, u křivky závislosti minimální rychlosti creepu je tento rozptyl minimální. Určení těchto závislostí na korigovaném napětí nevedlo ke snížení rozptylu experimentálních bodů. Licí vady typu pórů neovlivňovaly významněji minimální rychlost creepu. Urychlovaly však vznik rozsáhlejšího creepového porušování, což bylo příčinou rychlejšího nástupu terciálního creepu a při stejném aplikovaném jmenovitém napětí zkrácení doby do lomu a zmenšení tažnosti a kontrakce. The goal of the present work was to assess the effect of casting defects on the creep behaviour of a sand-cast alloy AZ91. The influence of defects on the overall creep life and the deformation, characterised by minimum creep rate, tensile elongation and contraction, was studied. Creep tests were carried out at 200 C and constant load in the range 20 to 80 MPa. The mode of damage and the occurrence of casting defects (pores) were studied by means of scanning electron microscopy and light microscopy. Quantitative fractography allowed measure the area fraction of defects on the projection of fracture surface. The difference between the area of the full cross section of the test piece and defect area fraction determines the area of the bearing cross-section. The corrected stress was then calculated as the ratio of applied force and the area of bearing cross-section. The dependencies of fatigue life, elongation and contraction on the total stress exhibit a large scatter of measured values whereas minimum creep rate curves as function of stress have a minimum scatter. When the dependencies between the former characteristics and the corrected stress were calculated, no decrease in the scatter of experimental point was observed. Casting defects do not significantly affect minimum creep rate. However, the defects accelerate the generation of extensive creep damage that is the cause of the earlier start of tercial creep. Defects are thus the cause of the shortening of fatigue life and decrease of elongation and reduction of area. 1

2 1. ÚVOD Slitiny hořčíku se vyznačují nízkou specifickou hmotností a slibují tak perspektivní uplatnění zejména v automobilovém a leteckém průmyslu. Jsou proto v současné době předmětem rozsáhlého teoretického i aplikovaného výzkumu. Z některých slitin, jakou je např. studovaná slitina AZ91, jsou již komerčně vyráběny zejména lité součásti automobilů. Do popředí proto vystupuje zájem o posouzení vlivu licích vad na mechanické vlastnosti odlitků.v některých výzkumných pracích bylo ukázáno, že pevnost odlitků R m i únavová životnost jsou ovlivněny především maximální velikostí vyskytujících se pórů, celková objemová hustota má na tyto vlastnosti až sekundární vliv [1]. U únavové životnosti je důležitá také poloha pórů, tj. jejich výskyt uvnitř resp. u povrchu odlitků [2]. Cílem práce bylo zjistit, jak licí vady ovlivňují creepové chování slitiny AZ91 lité do písku, tj. celkovou creepovou životnost a deformační chování charakterizované minimální rychlostí creepu, tažností a kontrakcí. Podrobně byly studovány také mechanismy creepového porušování vedoucí ke konečnému lomu. 2. EXPERIMENTÁLNÍ MATERIÁL A METODIKA Obr. 1 Struktura do písku lité slitiny AZ91 Fig. 1 Structure of sand-cast AZ91 alloy Pro analýzu mechanismů creepového porušování a vlivu licích vad na creepové chování Mg slitiny AZ91 byly připraveny odlitky litím do písku o rozměrech 90 x 70 x 200 mm. Chemické složení slitiny bylo 9.14 wt. % Al; 0.78 % Zn; 0.23 % Mn; % Cu; % Si; % Fe a % Ni. Odlitek nebyl podroben žádnému tepelnému zpracování. Struktura materiálu odlitku je ilustrovaná na obr. 1. Jedná se o typickou litou strukturu slitiny AZ91, ve které se díky pomalé rychlosti ochlazování vyskytuje fáze Mg 17 Al 12 jednak ve tvaru masivních útvarů po obvodu dendritů a jednak ve formě jemných lamel diskontinuálně vyprecipitovaných v okolí její masivní formy. Po hranicích dendritů se nacházejí drobné póry buď jednotlivě nebo ve formě větších shluků. Mechanické vlastnosti, které byly určeny v dřívější práci [3], vykazují větší rozptyl. Pevnost se pohybovala v rozmezí R m = (129± 42) MPa, mez kluzu R p0,2 = (8, ± 1,0) MPa a tažnost A = (3,2 ± 1,4) %. Přitom byl zjištěn pokles těchto mechanických vlastností od okraje ke středu odlitku. Z odlitků byly odebrány vzorky pro zkoušky tahem a únavy, které byly souběžně prováděny v pracích [3,4] a pro creepové zkoušky. Zkušební tělesa byly hladká, válcového tvaru o průměru 6 mm a měrné délky 30 mm. Creepové zkoušky byly provedeny při teplotě 200 o C za konstantního zatížení s jmenovitým napětím v rozsahu od 20 do 80 MPa. Hodnocení creepového porušování bylo prováděné jednak světelnou mikroskopií na plochách metalografických výbrusů orientovaných rovnoběžně s osou vzorku a procházejících jejich středem, tj. kolmo na lomovou plochu, a jednak řádkovací elektronovou mikroskopií na řádkovacím mikroskopu JEOL JSM LV. Řádkovací mikroskopií byl hodnocen jak povrch porušených zkušených vzorků a jejich lomové plochy, tak i povrch vzorků před konečným lomem. Kromě kvalitativní fraktografie bylo provedeno i kvantitativní 2

3 hodnocení podílu oblastí povrchu pórů. Byl určen procentuální podíl průmětů celkové plochy pórů z průmětu celé lomové plochy. Lomová plocha byla promítaná ve směru osy zatěžování, tj. ve směru osy vzorku. Odečtením plochy defektů od celkové plochy průřezu zkušební tyče byla určená plocha nosného průřezu a stanoveno korigované napětí jako podíl aplikované síly zatěžování a plochy nosného průřezu tyče. 3. VÝSLEDKY A JEJICH DISKUSE Výsledky creepových zkoušek Výsledky creepových zkoušek jsou uvedeny v tabulce 1. Pro použité jmenovité napětí δ jsou uvedeny dosažené doby do lomu t f, tažnost A, kontrakce Z a minimální rychlost creepu ε. Tabulka 1. Výsledky creepových zkoušek vzorek jm.napěti [MPa] t f [h] ε [h -1 ] A [%] Z [%] E E E E E E-06 x x E Table 1. Creep test results U vzorku zatěžovaného při napětí 30 MPa byla zkouška ukončena v oblasti terciálního creepu před dosažením konečného lomu. Na obr. 2 až jsou postupně uvedeny závislosti sledovaných veličin na jmenovitém napětí δ, tj. závislost t f vers. δ (obr. 2), A vers. δ (obr. 3), Z vers. δ (obr. 4) a ε vers. δ (obr. ). Z obrázku je patrný výrazný rozptyl prvních tří veličin t f, A, Z, na rozdíl od minimální rychlosti creepu ε, která rovnoměrně roste s růstem jmenovitého napětí δ (obr. ) doba do lomu [h] 00 0 A[%] jmenovité napětí [MPa] jmenovité napětí [MPa] Obr. 2 Závislost doby do lomu t f na napětí σ Fig. 2 Dependence t f on nominal stress σ Obr. 3 Závislost tažnosti A na jm. napětí σ Fig. 3 Dependence A on nominal stress σ 3

4 E+00 Z [%] min. rychlost creepu [h -1 ] 1.00E E E E E jmenovité napětí [MPa] 1.00E jmenovité napěti [MPa] Obr. 4 Závislost Z na jmenovitém napětí σ Fig. 4 Dependence Z on stress nominal σ Obr. Závislost ε na jmenovitém napětí σ Fig. Dependence min.creep rate ε on σ Povrch creepových vzorků Hladký povrch tyčí s rovnoběžnými rýhami po obrábění umožňoval sledovat způsob a rozsah postupně se rozvíjející plastické deformace v průběhu creepových zkoušek a její souvislost s rozvíjejícím se creepovým porušováním. Počáteční stadium probíhající plastické deformace, projevující se na povrchu vzorků, je dokumentováno na obr.6. Z obrázku lze usuzovat, že intenzivní plastická deformace probíhá uvnitř dendritů a na jejich hranicích se projevuje tvorbou záhybů (detail záhybu na obr.7). Pokračující plastická deformace vede na povrchu tyče k zvýraznění záhybů a k většímu zvlnění povrchu a v pozdějších stadiích ke vzniku jednotlivých dutin. Dutiny vznikají nejdříve v místě nejrozsáhlejší plastické deformace, tj. na hranicích dendritů a to na styku tří resp. čtyř hranic (obr. 8). Jejich počet roste a postupně se propojují v rozsáhlejší trhliny (obr. 9). V případě výskytu pórů u povrchu zkušebních tyčí dochází k tvorbě rozsáhlejších trhlin dříve, již při malé plastické deformaci okolní matrice (obr., detail na obr. 11). Obr. 6 Fig. 6 Povrch creepové tyče Creep sample surface Obr.7 Detail obr. 6 Fig.7 Detail of Fig.6 Obr.8 Kavita na povrchu tyče Fig.8 Surface cavity Plastická deformace se může při creepových zkouškách uskutečňovat pokluzy po hranicích zrn nebo plastickou deformací probíhající uvnitř zrn. Pokluzy po hranicích dendritů, identifikovatelné v našem případě na povrchu vzorků vzájemným posuvem rysek, nebyly při našich creepových zkouškách pozorovány. Creepová deformace probíhala výhradně uvnitř dendritů. Při stejném jmenovitém napětí je výraznější plastická deformace, projevující se na 4

5 Obr.9 Povrchová creepová trhlina Fig.9 Creep surface crack Obr. Trhlina v místě pórů Fig. Crack located on pores Obr.11 Detail obr. Fig.11 Detail of Fig. povrchu vzorku intenzivnější tvorbou záhybů, pozorovaná u vzorků s větší tažností a delší dobou do lomu. Studium porušování metodou metalografických výbrusů Z průběhu lomové čáry, tj. průsečnice lomové plochy s rovinou výbrusu, i z průběhu trhlin nacházejících se pod lomovou plochou, je zřejmé, že lom probíhal v převážné míře po hranicích dendritů praskáním hrubých fází Mg 17 Al 12, respektive jejich oddělováním od matrice (obr. 12). Hrubé mezidendritické částice Mg 17 Al 12 se porušovaly v důsledku působení napětí vznikajícího od plastické deformace okolní matrice. Na obr. 12 jsou rovnoběžné skluzové čáry, různě orientované v sousedních dendritech, po naleptání výbrusu dobře patrné. V levé části obr. 12 je ilustrován také případ, kdy lom probíhal přes dendritickou matrici, zřejmě tvárným smykovým porušováním při propojení sousedních rozsáhlejších mezidendritických trhlin. Spojitost pórů s probíhající lomovou čárou je patrná na obr.13. Jednotlivé póry a jejich shluky se nacházejí na mezidendritických hranicích. Trhlina pak může probíhat oslabenou mezidendritickou hranicí porušováním můstků mezi póry. Obr.12 Kolmý řez lomovou plochou Fig.12 Perpendicular section through fracture Obr.13 Kolmý řez lomovou plochou Fig.13 Perpendicular section through fracture Fraktografický rozbor lomových ploch Výše uvedený způsob creepového porušování dokresluje fraktografický rozbor lomových ploch, kdy jsou tyto mechanismy porušování posuzovány na základě rozboru mikrofraktografických znaků. Podmínkou je jejich zachování, tj. v průběhu dlouhodobé expozice za zvýšených teplot nesmí dojít k jejich odstranění a překrytí korozními zplodinami.

6 Obr.14 Creepová lomová plocha Fig.14 Creep fracture surface Obr.1 Tvárné důlky na ploše lomu Fig.1 Ductile dimples on fracture surface Obr.16 Smykové tvárné důlky na povrchu lomu Fig.16 Shear ductile dimples on fracture surface Obr.17 Shluk pórů na lomové ploše Fig.17 Cluster of pores on fracture surface Na druhou stranu, podle míry korozního napadení lze usoudit na okamžik vzniku trhliny, tj.vzniku již v průběhu creepové expozice nebo až v závěrečné části dolomu. Oblasti lomové plochy vzniklé praskáním hrubých částic Mg 17 Al 12 na hranicích dendritů, resp. jejich dekohezí, jsou ukázány na obr. 14. Tvárné porušení mezidendritických oblastí mezi hrubými částicemi je charakterizované zvlněným povrchem nebo tvárnými důlky různé velikosti a tvarů(obr. 14). Tvárné porušení s jamkovou morfologií je typické pro porušení rozsáhlejších oblastí na hranicích dendritů, kde se nevyskytovaly hrubé Mg 17 Al 12 fáze (obr. 1) a zejména oblastí, kde lom probíhal přes dendrity ( obr. 16). Při převládající smykové složce Obr.18 Detail porušení shluku pórů Fig.18 Detail of failure of pore cluster porušování mají jamky protažený tvar. Na obr. 1 jsou tvárné jamky pokryty tenkou korozní vrstvou. Je zřejmé, že v těchto případech ke vzniku důlků došlo již v průběhu creepové expozice před závěrečným dolomem. 6

7 Charakter povrchu v místě výskytu dutin je ilustrován na obr. 17. Porušování materiálu mezi sousedními dutinami probíhalo jejich tvárným zaškrcováním, v některých případech za vzniku velmi dlouhých tenkých vláken, tj. s velmi rozsáhlou plastickou deformací (zřejmě bez zpevňování nebo jen s malým zpevněním porušujícího se materiálu můstku) (obr.18). Podíl lomové plochy pokrytý póry byl hodnocen také kvantitativně. Výsledky kvantitativního hodnocení jsou uvedeny v tabulce II. Tabulka 2. Výsledky kvantitativního hodnocení lomové plochy vzorek jmenovité plocha pórů nosný průřez korigované napěti napěti [MPa] [%] [mm 2 ] [MPa] Table 2. Results of quantitative fracture surface evaluation Výše uvedeným postupem bylo korigováno jmenovité napětí a na následujících obrázcích (obr. 19 až 22 jsou uvedeny závislosti sledovaných creepových parametru t f,a, Z, ε na tomto korigovaném napětí doba do lomu [h] 00 0 A [%] korigované napětí [MPa] korigované napětí [MPa] Obr. 19 Závislost t f na korigovaném napětí Obr. 20 Závislost A na korigovaném napětí Fig.19 Dependence t f on corrected stress Fig. 20 Dependence A on corrected stress 7

8 Z obrázků je patrné, že nebylo dosaženo lepší korelace a pro minimální rychlost creepu je korelace s korigovaným napětím dokonce výrazně horší než pro jmenovité napětí. Ukazuje se, že licí vady typu pórů zřejmě neovlivňují významně minimální rychlost creepu, k iniciaci a rozvoji větších trhlin spojených s těmito vadami však dochází působením jen malé plastické deformace v jejich okolí. To vede ke zkrácení etapy sekundárního creepu, rychlejšímu rozvoji trhlin a tudíž i ke zkrácení etapy terciálního creepu, dřívějšímu dosažení lomového stavu []. Důsledkem toho je zkrácení celkové doby do lomu t f oproti vzorkům bez licích vad zatěžovaných stejným jmenovitým napětím. Ze stejných důvodů jsou pozorovány i menší tažnosti A a kontrakce Z. Z [%] korigované napětí [MPa] min. rychlost creepu [h -1 ] 1.00E E E E E E E korigované napeti[mpa] Obr. 21 Závislost Z na korigovaném napětí Fig.19 Dependence Z on corrected stress Obr. 22 Závislost ε na korigovaném napětí Fig. 20 Dependence ε on corrected stress 4. ZÁVĚR Za aplikovaných creepových podmínek, tj. 200 o C a v rozsahu jmenovitého napětí 20 až 80 MPa, probíhalo creepové porušování v převážné míře praskáním a dekohezí hrubých fází Mg 17 Al 12 na hranicích dendritů v důsledku působení napětí vyvolaných plastickou deformací okolní matrice. V případě výskytu licích vad typu pórů, které se nacházely na hranicích dendritů, creepové trhliny iniciovaly a šířily se podél takto oslabených hranic již při malé plastické deformaci okolní matrice. Licí vady typu pórů neovlivňovaly významněji minimální rychlost creepu. Urychlovaly však vznik rozsáhlejšího creepového porušování, což bylo příčinou rychlejšího nástupu tercialního creepu a při stejném aplikovaném jmenovitém napětí zkrácení doby do lomu, tažnosti a kontrakce. Poděkování Tento příspěvek byl realizován s finanční podporou GA ČR v rámci řešení projektu 6/03/0903. Autoři tímto agentuře za poskytnutí finančních prostředků potřebných pro výzkum. LITERATURA [1] HORSTEMEYER,M.F. aj.: Acta Materialia, 2, 2004, pp [2] MAYER,H.: Int. Journal of Fatigue, 2, 2003,

9 [3] ] OČENÁŠEK,V., HNILICA,F.: Struktura a vlastnosti hořčíkové slitiny AZ91 lité do písku a metodou queeze casting. In Metal 2004 : 13.mez. metal. konference : Červený zámek,hradec nad Moravicí, Česká republika [CD-ROM]. Ostrava : Tanger : Květen, 2004 [4] HNILICA,F., OČENÁŠEK,V: Struktura a vlastnosti hořčíkové slitiny AZ91 lité do písku a metodou queeze casting. In Metal 2004 : 13.mez. metal. konference : Červený zámek,hradec nad Moravicí, Česká republika [CD-ROM]. Ostrava : Tanger : Květen, 2004, [] SKLENIČKA,V., SAXL,I.: Porušování a lom kovových materiálů za vysokých teplot, Kovové Materiály,1999, roč.37, č.3, s