Hana Tesaová a Martin Petrenec b Bohumil Pacal a.

NÍZKOCYKLOVÁ ÚNAVOVÁ ODOLNOST FERITICKÉ LITINY S KULIKOVÝM GRAFITEM LEGOVANÉ NIKLEM LOW CYCLE FATIGUE OF FERRITIC DUCTILE CAST IRON WITH ALLOYING NICKEL Hana Tesaová a Martin Petrenec b Bohumil Pacal a a VUT v Brn, Fakulta strojního inženýrství, Technická 2896/2, 61669 Brno, R, hankatesarova@seznam.cz b Ústav fyziky materiál AV R,v.v.i., Žižkova 22, 61662 Brno, R, petrenec@ipm.cz Abstrakt Zkoušky nízkocyklové únavy byly provedeny na válcových vzorcích z litiny s kulikovým grafitem (dále LKG) v režimu ízené deformace za úelem posouzení únavové odolnosti. Byly získány kivky cyklického zpevnní, cyklická deformaní kivka a kivky únavové životnosti. Je dokumentována mikrostruktura pomocí svtelné mikroskopie. Lomová plocha byla pozorována pomocí elektronové rastrovací mikroskopie. Únavovou životnost lze uspokojiv charakterizovat Manson-Coffinovým a Basquinovým zákonem. Místa iniciace únavových trhlin v blízkosti povrchu jsou zdokumentovány. Abstract Total strain controlled tests have been performed on cylindrical specimens of ductile cast iron with aim to assess of the fatigue resistance. Cyclic hardening, cyclic stress-strain and fatigue life curves were obtained. The microstructure is documented using light microscope. Fracture surface was studied using scanning electron microscopy. Manson-Coffin and Basquin laws can reasonably approximate the fatigue life data. Fatigue crack initiation close to the surface is documented. 1. ÚVOD LKG pes své znané rozšíení jsou stále pedmtem zájmu nejen v praxi, ale i v oblastech výzkumu. LKG má mnohé mechanické vlastnosti pln srovnatelné s vlastnostmi lité oceli. Tyto materiály jsou bžn používány k výrob rozmrných souástí dopravních prostedk. Toto použití vyžaduje zachování dostaten vysoké úrovn mechanických vlastností i pi pomrn nízkých teplotách. Tmto požadavkm nejlépe vyhovuje feritická LKG. Jednou z možností zvyšování mechanických vlastností je zmnou chemického složení, v našem pípad legováním niklem [1]. Dosavadní literární podklady se pevážn týkají vysokocyklové únavy litin [2,3]. Data o nízkocyklové únav nejsou asté [4] a údaje LKG s feritickou matricí jsou neetné [5] navíc legované niklem nejsou žádné. Cílem tohoto píspvku je studium nízkocyklové únavové odolnosti feritické litiny s kulikovým grafitem legované 2,8 % niklu, zejména pak získání údaj o napovdeformaní odezv, stanovení kivek únavové životnosti a dokumentace míst iniciace únavových trhlin. 1

2. EXPERIMENTÁLNÍ MATERIÁL A METODY Vzorky, byly vyrobeny z litých kýlových blok. Chemické složení je uvedeno v tab.1. Na obr. 1 je prezentována mikrostruktura, která je tvoena nodulárním grafitem (prmrná velikost 51 µm) s jemnou feritickou matricí. Ta byla získána tepelným zpracováním, které zahrnovalo normalizaci pi 840 C / 1 h a následné izotermické žíhání pi 700 C / 5 h, ochlazení na klidném vzduchu. Zkušební tlesa pro zkoušky nízkocyklové únavy byly vzorky ve tvaru hladkých tyí s kruhovým prezem o prmru 8 mm na mrné délce 12 mm. Po soustružení byla mrná délka broušena postupným snižováním úbru na požadovanou drsnost 0,4 m. Rozmry a tvar vzorku jsou uvedeny na obr.2. Tabulka 1.: Chemické složení zkoumané LKG (hm. %) C Mn Si P S Cu Cr Ni Mg 3,41 0,18 2,35 0,02 0,015 0,02 0,01 2,75 0,05 Table 1.: Chemical composition of DI (in wt.%) a b Obr.1.: Mikrostruktura LKG (SM), a pehled, b - detail. Fig.1.: Microstructure of DI (LM), a summary, b - detail. Zkoušky nízkocyklové únavy byly provádny na elektrohydraulickém testovacím systému MTS 810 ízeném poítaem v režimu ízení deformace pi konstantní rychlosti celkové deformace 0,002 s -1 v symetrickém deformaním cyklu (R = -1). V prbhu zkoušek byla udržována konstantní hodnota amplitudy deformace a 0,28 %, 0,4 % a 0,7 %. Deformace byla mena citlivým axiálním extenzometrem s mrnou délkou 12 mm umístným ve stední ásti vzorku (obr. 3). Bhem experimentu byly zaznamenávány do poítae hysterezní smyky pro zvolené poty cykl. Krom toho ídící program bhem zkoušek vyhodnocoval a ukládal do pamti amplitudu naptí, stední naptí, amplitudu celkové deformace, maximální a minimální hodnoty naptí a deformace v daném cyklu a efektivní modul pružnosti pi odlehení z tahu a tlaku. Amplituda plastické deformace rovnající se poloviní šíce hysterezní smyky pi prchodu stedním naptím byla vyhodnocena po ukonení zkoušky zvláštním programem s využitím elektronických dat pro jednotlivé zaznamenané hysterezní smyky. Pro studium lomových ploch byl použit rastrovací elektronový mikroskop PHILIPS XL 30, pracující s urychlovacím naptím 20 kv a sekundárními elektrony pro tvorbu obrazu. 2

Obr.2. Tvar a rozmry zkušebních vzork. Fig.2.: Shape and dimensions of specimen. Obr. 3. Upnutí vzorku s extenzometrem. Fig. 3. Gripping of specimen with extensometer. 3. VÝSLEDKY 3.1. Cyklická napov-deformaní odezva Na obr. 4 jsou uvedené kivky cyklického zpevnní. Na obr. 4a je závislost amplitudy naptí a na potu cykl N pro testované hodnoty amplitudy celkové deformace a. Na obr. 4b je zobrazena závislost amplitudy plastické deformace ap na potu cykl N. Z obr. 4 je patrno, že se prbh tchto kivek mní s amplitudou zatžování. V oblasti vysokých a stedních amplitud celkové deformace bylo pozorováno poátení dlouhodobé cyklické zpevnní následované obdobím saturace probíhajícím po vtšinu únavového zatžování materiálu, které bylo ke konci životnosti vystídáno výrazným poklesem amplitudy naptí v dsledku šíení únavové trhliny. Prbhy poáteního zpevnní jsou nejvýraznjší u nejvyšších hodnot amplitud zatžování. V oblasti nízkých amplitud celkové deformace následuje po mírném poátením zpevnní stabilní napové odezva pokraující až do konce životnosti. 500 ε a [%] 0.7 0.4 0.28 0.005 0.004 ε a [%] 0.7 0.4 0.28 σ a [MPa] 450 ε ap [-] 0.003 0.002 400 0.001 (a) 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 N (b) Obr. 4.: Kivky cyklického zpevnní feritické LKG. Fig. 4.: Cyclic hardening curves of ferritic LKG. 0 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 N 3

Na obr. 5 je uvedena cyklická deformaní kivka ve tvaru závislosti amplitudy naptí a na amplitud plastické deformace ap stanovené v polovin životnosti. Takto stanovená cyklická deformaní kivka je na obr. 5 uvedena v logaritmickém mítku. 500 σ a [MPa] 400 Obr. 5.: Cyklická deformaní kivka LKG. Fig.5.: Cyclic stress-strain curve of DI. 10-4 10-3 10-2 ε ap Experimentálními body byla proložena mocninová závislost: a = K ( ap ) n, (1) ve tvaru: log a = log K + n log ap, (2) kde K je koeficient cyklického zpevnní a n je exponent cyklického zpevnní. Tyto koeficienty byly stanoveny lineární regresní analýzou a jejich hodnoty jsou uvedeny v tabulce 2. Zárove je zde uvedena cyklická mez kluzu R 0,2 urená vztahem R nb p 0,2 = Kb( 0,002). 3.2. Kivky únavové životnosti Na obr. 6 a 7 jsou prezentovány kivky únavové životnosti materiálu LKG v logaritmickém mítku jako závislost amplitudy plastické deformace ap urené v polovin života na potu cykl do lomu N f (obr.6) a jako závislost amplitudy naptí a stanovené v polovin života na potu cykl do lomu N f (obr.7). Experimentálními body ap a N f (obr.6) byla proložena Masonova-Coffinova závislost ap = f (2N f ) c (3) ve tvaru: log ap = log f + c log 2N f, (4) kde f je koeficient únavové tažnosti a c je exponent únavové tažnosti, které byly stanoveny lineární regresní analýzou a jejich hodnoty jsou uvedeny v tabulce 2. Experimentálními body a versus N f (obr.7) byla proložena Basquinova závislost a = f (2N f ) b, (5) ve tvaru: log a = log f + b log 2N f, (6) p 4

kde f je koeficient únavové pevnosti a b je exponent únavové pevnosti, které byly stanoveny lineární regresní analýzou a jsou uvedeny v tabulce 2. Tabulka 2.: Parametry cyklické plasticity a nízkocyklové únavové životnosti feritické LKG. 0,2 R p K n ε c σ [MPa] [MPa] [ ] [ ] [ ] [MPa] [ ] 469 640 0,05 0,990-0,841 639-0,042 Table 2.: Parameters of cyclic plasticity and low cycle life of ferritic DI. f f b 10-2 500 ε ap 10-3 σ a [MPa] 400 10-4 10 2 10 3 10 4 10 2 10 3 10 4 3.3. Fraktografické pozorování N f únavových lomových ploch N f Obr. 5.: Mansonova-Coffinova kivka životnosti Obr. 6. Basquinova kivka životnosti materiálu LKG. materiálu LKG. Fig. 5.: Manson-Coffin plot of DI Fig. 6. Basquin plot of DI. Pro studium lomových ploch a míst iniciace únavových trhlin byly vybrány vzorky se všemi hodnotami amplitudy celkové deformace pokrývající celý rozsah životností. Lomová plocha je charakterizována jamkovou morfologii danou nodulami grafitu. Jak ukazuje obr.7. lze rozlišit ásti vzniklé od šíících se únavových trhlin a od statického dolomu. Dolom Dolom Únavová trhlina Únavová trhlina a = 0,28 % a =0,4 % Obr. 7.: Pehled lomových ploch LKG (SM) Fig. 7.: Fracture surfaces of DI (LM). 5

Podrobné studium lomových ploch prokázalo, že jednou z píin iniciace únavové trhliny jsou slévárenské defekty mikrostaženiny, staženiny (mezidendritické dutiny) obr.8 a 9. Staženiny se vyskytovaly v blízkosti povrchu zkušebních tyí (obr. 8 a obr.9), kde byly iniciátory trhlin. Velikost staženin byla až 0,25 mm (viz obr. 9). Na lomové ploše byly nalezeny i pole striací ( obr.11) v blízkosti povrchu vzorku. Obr. 8.: Místo iniciace trhliny (REM) Obr. 9.: Detail místa iniciace z obr. 8 Fig. 8.: Initiation of area (SEM) Fig. 9.: Detail of initiation area of fig.8 a = 0,4 % Obr. 10.: Detail lomové plochy (REM) Obr. 11.: Detail z obr. 10 Fig. 10.: Detail of fracture surface (SEM) Fig. 11.: Detail of fig. 10 a = 0,28 % 4. DISKUSE Cyklické zatžování feritické LKG legované 2,8 % niklu je charakterizováno dlouhým cyklickým zpevnním následováno saturací probíhající do konce únavové životnosti. Intenzita cyklického zpevnní narstá se zvtšující se zátžnou amplitudou celkové deformace. Toto chování je typické pro vyžíhané materiály [6]. Oblast saturace na kivkách cyklického zpevnní je v pípad jednofázových kov [6] spojena s lokalizací cyklické plastické deformace do perzistentních skluzových pás. Jak je to u feritické LKG je teprve spojeno s podrobnjším studiem mechanismu cyklické plastické deformace v relaci ke struktue studované LKG. Výsledky studia parametr nízkocyklové únavy feritické LKG lze ásten porovnat s údaji v literatue, které se vtšinou týkají LKG mající matrici tvoenou perlitem, horním i 6

dolním bainitem [4,5]. Cyklická mez kluzu je tém shodná s LKG mající perlitickou matrici [4] a je daleko nižší než LKG s matrici horního nebo dolního bainitu. Parametry cyklické deformaní kivky ukazují, že LKG s feritickou matricí je mén cyklicky pevná a více tažná než LKG s perlitickou matricí [4,5], nebo parametry K je menší o 300 MPa i n je dvakrát menší. V oblasti kivek života máme strmjší ale výše posunutou Manson-Coffinovu kivku feritické LKG oproti perlitické LKG. Basquinova kivka života má díky vtší cyklické plasticit feritické matrici LKG poloviní b (menší sklon kivky) než perlitické LKG ovšem parametr σ f je o 172 MPa nižší u feritické LKG. Provedeme-li porovnání nízkocyklových únavových charakteristik feritické LKG s vyžíhanou feritickou ocelí 12 010 [6] pak cyklická mez kluzu feritické LKG je vyšší než u ocelí 12 010 (je 250 MPa). Naproti tomu u oceli 12010 jsou koeficient cyklického zpevnní 830 MPa a exponent cyklického zpevnní 0,193 vyšší. Únavová životnost feritické LKG daná Mason-Coffinovým zákonem (velikostí exponentu únavové tažnosti ) je horší než u oceli 12 010 (c = 0,529). Z napového pístupu vyjádeným Basquinovým zákon je únavová životnost feritické LKG lepší než u oceli 12010 nebo její koeficient únavové pevnosti je sice vtší o 70 MPa, ale její exponent únavové pevnosti je -0,104 (tudíž dvakrát vtší). Z pohledu nízkocyklové únavy je feritická LKG legována 2,8 % niklu vhodný konstrukní materiál s dobrou cyklickou odolností srovnatelný s konstrukními ocelemi. Z hlediska kumulace únavového poškozování hrají dležitou roli grafitické ástice a licí defekty. Studium iniciace a poátení šíení únavových trhlin v tvárných litinách ukázalo, že trhliny vznikají v oblasti licích defekt a grafitických ástic a spojování tchto trhlin je dležitou charakteristikou jejich poáteního rozvoje [2,5]. 5. ZÁVRY Výsledky studia cyklické napové-deformaní odezvy, únavové životnosti a faktografického pozorování lomových ploch zkušebních tles feritické LKG cyklicky zatžovaných s konstantními amplitudami celkové deformace vedou k tmto závrm: Pi vysokých amplitudách celkové deformace probíhá poátení výrazné zpevnní materiálu. Pi nízkých amplitudách je pozorována stabilizovaná napová odezva. Cyklickou deformaní kivku lze dobe popsat mocninovou funkcí. Únavovou životnost lze charakterizovat Mansonovým-Coffinovým zákonem a Basquinovým zákonem. Únavové trhliny iniciují v oblasti slévárenských vad. PODKOVÁNÍ Tato práce byla podporována granty GA R. 106/05/H008 a GA AV R. AV0Z 204 10507 a. 1QS200410502. LITERATURA [1] TESAOVÁ, H., PACAL, B., MAN, O. Vliv obsahu niklu na vlastnosti LKG po feritizaním žíhání. In Metal 2007: 16. mezinárodní konference metalurgie a materiál: 22.-24.5.2007. Hradec nad Moravicí, eská republika [CD-ROM]. Ostrava: Tanger: Kvten 2007, s. ISBN 80-85988-48-8. 7

[2] LUO, J., HARDING, R.A., BOWEN, P. Evaluation of the Fatigue Behaviour of Ductile Irons with Various Matrix Microstructure. Metallurgical and Materials Transactions, 2002, Vol. 12, No. 33A, p. 3719. [3] VCHET, S., KOHOUT, J. Slévárenství, 1999,. 47, s. 638-641; 2000,. 48, s. 37-41. [4] OBRTLÍK, K., POLÁK, J., DORAZIL, E., VCHET, S., ŠVEJCAR, J. Low cycle fatigue in ductile cast iron. In Strength of Ductile Cast Iron and Other Cast Metals 93. (Nishitani, H., Harada, S., Kobayashi, T., eds.). Kitakyushu, 1993, pp. 85-90. [5] HARADA, S., AKINIWA, Y., UEDA, T. The effect of microstructure on the low cycle fatigue behaviour of ductile cast iron. In Low Cycle Fatigue and Elastoplastic Behaviour of Materials-3. (Rie, K.T., ed.). Elsevier Applied Science, London, 1992, pp.43-48. [6] POLÁK, J. Cyclic Plasticity and Low Cycle Fatigue Life of Metals, Academia/Elsevier, Prague/Amsterdam, 1. 8