Solidification of Metais and Alloys, Year 2000, Volume 2, Book No. 43 Krzepnięcie Metali i Stopów, Rok 2000, Rocznik 2, Nr 43 PAN- Katowice PL ISSN 0208-9386
43/26
VNITRNi PORUCHY MATERIALU ODLITKU Frantisek HA VLIĆEK, Petr KOZELSKY, Pavel SZROMEK VSB-TU Ostrava, FMMI, katedra slevarenstvf, 17. listopadu 15,708 33 Ostrava, ĆR
Uvod Hlavnim pi'edstavitelem vniti'nich poruch souvislosti materialu odlitku jsou
trhliny, vznikajici pi'i vysoicych teplotach a praskliny, jejichz ryskyt je pi'i teplotach nizsich, nejcasteji az pi'i uplnem vychladnuti odlitku Nebezpecnost techto vad spociva v tom, ze jsou obtizne identifikovane a neopravitelne, takze odlitek znehodnocuji. Jejich rozliseni, jde-li o trhlinu nebo prasklinu, je momo urcit podle charakteru łomu . U trhliny je Iom hruby, interkrystalicky kameniteho vzhledu, bez nabehorych barev, u praskliny je Iom jemnozmny, transkrystali ck)', houzevnaty. Vnitfni
trhłiny
Trhlinou rozumfme porusenf souvislosti materiału, postupujfcf po hranicfch primamich zrn . Trhlina je tudiz charakterizovana interkrystalickym łomem, coz je jednfm z dukazu jejiho vizualniho urceni. Druhym dukazem trhliny je jej i ki'ivolaky prubeh Trhliny vznikaji po ztuhnuti odlitku, jeste pfi vysokych teplotach kovu, ve druhe fazi rezimu chladnuti. V teto dobe chladnou rychlej i vniti'ni oblasti odlitku (obr. l b, ki'ivka ki'. 5, odlitek 0550 mm, doba tuhnutf 83 min.) a jsou namahany plastickymi deformacerni V tahu . Prubehem techto deformaci vsak dochazi kjejich vycerpani a ke zpevneni materiału. Plastickymi deformacemi totiz vzrusta pocet dislokaci a pi'i jejich vysoke hustote si navzajem omezuji pohyblivost [!], cimz se stezuje dalsi vlastni prubeh techto deformaci,takze kjejich dalsimu prubehu je nutne opet vyssi deformacni napeti [6] . Za techto podminek se v centralni casti odlitku, v dusledku jejiho staleho intenzivniho chladnuti a tim i smrsteni (viz ki'. 5 na obr. !b), vyviji podelne (osove) napeti a nemuze-li probehnout jiz zminena plasticka deformace (nebo jeji prubeh je silne omezen), muze tOtO napetf yYVOJat V OSOVe obJasti pficnou trhJinu. Jak ukazuji experimentalni rysledky mei'eni pevnostnich a plasticcych vlastnosti kovu za vysokych teplot, podminky pro vznik trhlin jsou v te dobe v odlitku pfiznive. Podle nasich mei'eni [12, 14] ma ocel pi'i teplote krystalizace pevnost V tahu kołem cca 8
244 MPa a s pakiesem teploty a s o bsahem uhlfku pevnost Vtahu vzrusta, jak ukazuje obr. 2a. Uhlik svym vlivem na pevnostnf vlastnosti (i pfi vysołcych teplotach) pfevy~uje ostatni prvky. Zfetelny rozptyl hodnot pevnostf jednotlivych typu ocelf v zavislosti na teplotl:\ nastava do teplot 1100 °C; nad touto teplotnf hranicf az do teploty nulove pevnosti (teplota solidu) nenf mezi nimi rozdflu v pevnosti v tahu . Były zkoumany ocele
(poi'adi podle obsahu C): a) bl:\zna nfzkouhlfkova ocel pro vyrobu odlitku CSN 422633 (0.20 % C, 0.7 % Mn), jejfz teplota nulove pevnosti (pi'i bodu solidu) nastava pfi teplotl:\ 1450 oc; b) manganova, velmi pouzfvana ocel na dolitky CSN 422712 (0 .26 %C, 1.06 % Mn); nulove pevnosti dosazeno pfi teplotl:\ 1445 °C; c) stfedneuhlikova ocel CSN 422650 (0.39 % C, 1.06 % Mn) na odlitky; teplota nulove pevnosti 1438 °C; d) ocel CSN 422719 s kfemfkem (0.55% C, 0.69% Mn, 0.71% Si), doporucena pro vy~~~ namahanf ; teplota nulove pevnosti pfi 1406 oc; e) ocel CSN 422711 , manganova oteruvzdoma; nulove pevnosti było dosazeno pfi 1407 oc. Prubl:\h plasticity pfi vysokych teplotach vy~e uvedenych ocelf ukazuje obr. 2b. Vysledky experimenta!nfch ml:\fenf ukazujf zavislosti prubl:\hu plasticity tuhnouciho a dale chladnouciho kovu, ktere umoznuji objasnit vznik vnitfnfch poruch souvislosti materialu odlitku pfi jeho tuhnutf. Z o br. 2b vyplyva, ze ocel v okamziku ztuhnuti nema plasticitu, je tudiz kfehka a proto k poru~eni souvislosti muze dojit pfi zcela nizkem napeti kfehkym łomem. Oznacujeme ji jako teplotu primami kfehkosti. Trhlina probfha po hranicfch zrn, Iom je interkrystalicky a hruby. Praxe potvrzuje vznik takoveho hrubeho az karnenitehe charakteru łomu u odlitku. Trhlina se muze dale rozvfjet vlivem Jineamiho i gravitacniho smrsteni a Z toho vznikJym tahovym pnutfm V OSOVe casti odlitku a to co do sfi'ky a rozsahu prurezu. z vysledku mefenf dale vyplyva, ze s pakiesem teplot odlitku z bodu solidu v maJem teplotnfm intervalu cca 10 °C, vzroste nahle plasticita az na 100% hodnoty. Doba trvanf tohoto stavu materialu s maximaJni plasticnosti, pfi da!Sfm chladnutf zavisf na dobe vycerpanf plastickych deformacf a je urcena teplotou, pfi ktere plasticita opet kiesa, takze material ma pfi dal~fm chladnuti nabeh ke kfehkemu poru~enf. Tato teplota j e pro kazdou ocel ruzna a je zavisla na Chemiekern slozenf. Oznacujeme ji jako leplotu sekundarni kfehkosti. U oceli jakosti 422633 dochazf k vyznamnemu pakiesu pJasticity, tedy k sekundarni kfehkosti pfi tep)ote 1100 °C V tep)otnim interva)u az do teploty 860 °C, u ocele 422712 je to 1137 °C, u ocele 422650 to cini 1200 °C. Ocele 422719 a 422711 s vysokym obsahem uhliku maji shodny prubeh plasticity a kfehkosti: sekundarni kfehkost pfi teplote 1200 oc s pok1esem plasticity do 1000 oc a tercialnf prubeh ki'ehkosti pfi teplote 820 a 830 oc. Prubeh pevnosti v tahu litin - s kulickovym grafitem CSN 422305 a litiny s lupfnkovym grafitem CSN 422425 pi'i vysokych teplotach ukazuje obr. 3a. Pevnost s teplotou kiesa u obou materialu terner rovnoml:\rne, s tim rozdilem, ze Iitina s kulickovym grafitem vykazuje v celem teplotnfm rezimu vice nez. dvojnasobnou pevnost oproti litine s Iupfnkovym grafitem. V oblasti krystalizace pak dochazf k nahle ztnHe pevnosti a soudrfuosti.
245 Plasticita obou litin je na obr. 3b. Z vysledku je zl'ejme, ze jej i prubeh u litiny s kulickovym grafitem je shodny s oceli. Uvazujeme-li dej od teploty krystalizace, tak jak tuhne a chladne odlitek, potom pfi teplote solidu nevykazuje tato litina opet zadnou plasticitu a poruSen i vzorku nastava zcela ki'ehkym łomem . Ochlazen im o cca l O °C vzorek vykazuje plasticitu jiz 30 %, pficemz dalSim chladnutfm nerovnomeme stoupa az do 50 % pri teplote l 000 °C, kterou lze oznacit jako teplot sekundami krehkosti, pri ktere plasticita kiesa. Rozdfl oproti oceli je v nizsich hodnotach plasticity. Plasticita litiny s lupfnkovym grafitem je z technickeho hlediska zcela zanedbatelmi. Vniti'ni trhlina vychazi ze stfedu prufezu, v kolmem smeru na hlavni (deiSi) osu odlitku. Podle stavu napjatosti pevnostnfch a plastickych vlastnostf materiału, stavu hranic zm a podobne, muze mit trh!ina rozdiJnou ve!ikost V prufezu odJitku, V krajnim pfipade zasahuje jeho cely prurez [8, 11]. Trhlina vemho rozsahu nevznika najednou, ale postupne se rozviji. Na obr. 4aje pfipad, kdy trhlina s hrubou strukturou zasahuje v odlitku valce pouze vnitrni stfedovou cast prurezu. VneW, jemny, houzevnacy Iom na prufezu vznikl zlomenim valce na trati. Na obr. 4b je trhlina s hrubou kamenitou strukturou, jdouci pfes cely prurez oceloveho valce a pfedstavuje vznik uplne vnitfni pffcne necelistvosti. Praxe i teorie potvrzuji, ze nachylnast ke vzniku vniti'ni trhliny je vysSi pfi vetSim prUfezu a delce odlitku, vySsim obsahu uhliku a legujicich prvku v oceli a vySSi intenzite ochlazovani odlitku ve forme i pfi tepelnem zpracovani. Vniti'ni praskliny Podobne jako trhliny, vznikaji v odlitcich i vnitl'ni praskliny, ov!lem v teplotnf oblasti pfevladajicich prumych deformaci [3, 5], tedy v oboru nizkych teplot. Vyskytujf se V OSOVe casti masivniho odJitku, nebo V odJitcich tuhe konstrukce S rozdiJnou tlouSt'kou sten s omezenou deformacni schopnosti [3 , 11]. Pficinou techto vad poruseni souvislosti materialu jsou vniti'ni zbytkova napeti [9, 3], ktera jsou ve sti'edni casti masivniho odlitku v dobe chladnuti tahova. V nekter)'ch pffpadech mohou b)'t zvysena jeste o napeti docasna [ 11 ]. Vnitfni trvale napeti je dano vztahem: CJ=a·E · !l.T (MPa)
(l)
kde znaci: a - soucinitel tepelneho srnrSteni (roztamosti) (I/0 C) E - moduł prumosti materialu odlitku (MPa) !loT- teplotni gradient V prurezu steny nebo mezi tenkou a masivni stenou ( 0 C). Teplotnf gradient !l. T je vyznacen na o br. 4 v okamziku r2. kdy cely prufez odlitku dosahuje pfi chladnuti kriticke teploty Tkr a nachazf se v pasmu elasticko-plastickych deformacfch (mezi teplotami Tx a Ty). Protoze pfi dalSim chladnuti dochazi v teto oblasti jeste k urcitemu prubehu plastickych deformaci a tim k uvolneni (snizeni) hodnoty
246 skutecneho napeti, je vypoctene napeti vzdy koeficienty snizujicijeho hodnotu [3, 7, 14]:
vy~~i;
proto se zai'azuji do vztahu (l)
a=EaD.T(l - 8)
(2)
kde 8 ma niz~f hodnotu nez l (0,25 az 0,45) podle typu odlitku, nebo vztah: a kde
aE
s(1- J.-L)
D.T
(3)
s ma vym hodnotu nez l (1,4 az 2), J.-L je
Poissonova konstanta.
Vlivy pusobici na hladinu napeti v odlitku Omezeni vzniku vniti'nich poruch souvislosti je problemem vnitfnfch pnutf v odlitku a jejich snizeni. Hladina napeti souvisi s i'adou cinitelu, na pi'. intenzitou chladnuti odlitku, s chemickym slozenim materialu s konstrukci a hmotnosti odlitku. Pi'i rychlem chladnuti vznikaji v odlitku vem rozdily teplot a zbytkova napeti jsou vy~~i. Rovnez tak s vy~~im o bsahem uh liku, kremiku a legujkich prvku. U techto materialu je nigi tepelna vodivost, cimz vznikaji opet vy~~~ rozdily teplot v chladnoucim odlitku. Maji vy~~~ moduł pruznosti E, vy~~~ tvrdost, kl'ehkost a nigi plasticnost. To v~e jsou pi'iciny vym hladiny vniti'nich pnuti a nachylnosti odlitku k prasklinam. V pl'ime zavislosti je hodnota napeti take spojena s konstrukci odlitku a to jak na velikostnim ciniteli, tak na tvaru odlitku. NejvetSi vniti'ni napeti je v odlitcich masivnich, jednoduchych tvaru, prost)'ch jakekoliv tvarove deforrnaćni schopnosti. Dale pak v odlitcfch tuhe konstrukce s velkymi rozdfly tlou~t'ky steny [14]. Tenzometricka mei'eni na pokusnych odlitcich ukazuji (obr. 5), ze trvala napetf v tenJcych stenach (nebo v povrchovych vrstvach) jsou tlakova a v tlust)'ch stenach, nebo ve stl'ednich castech masivnich odlitktl jsou napeti tahova. Napetf dale vzrusta s rychlostf tuhnuti a ochlazovanf odlitku. Prasklina je vilci trhline terner rovna a lornova plocha vykazuje jemnou houzevnatou strukturu, coz take potvrzuje jej i vznik pl'i nfzJcych teplotach, nebo v dobe uplneho vychladnutf odlitku. Jednou z nekonvencnich metod, kterou je mozno sledovat vznik a dal~f vyvoj napeti a vznik poruchy souvislosti materialu odlitku v kterekoliv jeho vyrobnf fazi, je akusticka emise [3]. Nevyjadl'uje napeti v MPa, ale podava obraz o jeho charakteru a hlavne hodnotou cetnosti emisnfch pulsu, ktere se snfmajf, udava zmenu a v)'~i napet'oveho stavu v prubehu procesu chladnuti nebo nahl'evu dolitku. Pl'i sledovanl tohoto deje na obrazovce, lze upravou tepelneho rezimu, hlavne pl'i TZ nebo pi'i upalovani nalitku kysliko-acetylenov)'m hol'akem, stav napjatosti l'idit. Zcela prukazne !ze touto metodou zaznamenat vznik trhliny a praskliny.
247
zaver Vnitrni poruchy souvislosti materialu odlitku jsou z ekonomickeho hlediska velmi vadami, protoze jsou obtifue zjistitelne a neopravitelne, takle zcela znehodnocuji veginou drahy odlitek. Jejich vznik je slozitou problematikou tepelnych a fazov)'ch pnuti, fyzikalnich a materialov)'ch vlastnosti, konstrukce odlitku a prub~hu technologickeho procesu v)'roby od zpusobu liti, tuhnuti a chladnuti, az po tepelne zpracovani a odstranovani velkych nalitku. Dulezitou podminkou k opatreni proti vzniku vniti'nich trhlin n e bo prasklin je znalos t pruzne-plastickych vlastnosti materialu a pi'iciny vzniku vniti'nich pnuti v odlitku. Z obecneho h lediska je zvy~ene nebezpeci vzniku techto vniti'nich vad u odlitku z oceli s vy~~im obsahem uhliku, legujkich prvku, vysokou hodnotou modułu pruznosti a pi'i rychłych zm~nach tepelneho rezimu v dobe chladnuti odlitku. Prace vznikla na zaklade i'e~eni grantoveho projektu GA ĆR ć. I 06/99/ 1537 nebezpećnymi
Literatura l. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15.
Pluhai', J.: Nauka o kovech, SNTL, Praha 1987. Elbel, T. a kol.: Vady odlitku ze slitin zeleza, MATCS, 1992, Brno. Havlićek, F. : Teorie slevarenstvi, ES VSB, Ostrava, 1992. Stransky, K.,Levicek, P.:Metalurgicke vady ocelov)'ch odlitku, SNTL, Praha, 1983 . Braszczynski, J.: Teorie procesow odlewnicznych, PWN, Warszawa, 1989. Dekker, A. J.: Fyzika pevnych latek, Acadernia, Praha, 1966. Havlićek, F. aj .: Teplotni oblast a kriticka teplota pruzne-elastickeho stavu u licych materiału; Mezinarodni konference VSB-TU Ostrava, FrenStat p/R., 1997, Sb. S. 66. Havlićek, F.: Vyvojova zprava, Vitkovice, n.p. Techn. Rozvoj, Ostrava 1982. Cech, J.: Podminky ovlivnujici vniti'ni pnuti odlitku a moznosti jeho mei'eni, DT ĆSVTS, Brno, 1973 . Longa, W.: Krzepniecie odlewow; Wydawnictwo " Ślask", Katowice 1985. Havlicek, F. : K otazce vzniku trhlin v odlitcich; Slevarenstvi, c. 8, s. 360-366. Kozelsky, P., Szromek, P., Havlicek, F.: Studium vlastnosti oceli v oblasti solidu; Mezinarodnf konfere nce VSB-TU Ostrava,Frenstat p!R. ,1997,Sb, s. 85 . Havlicek, F. a kol. : Krystalizacni pevnost slitin zeleza v oblasti teplot solidu; Zaverecna zprava grantoveho ukolu, Katedra slevarenstvi, VSB, 1994. Havlicek, F., Kozelsky, P., Szromek, P.: Termofyzikalni a pruzne-plasticke vlastnosti kovu pi'i tuhnuti a chladnuti; Zaverecna zprava grantoveho ukolu, kat. slevarenstvf, VSB-TUO, 1999. Recenzował:
prof. dr hab.
inż . Zdzisław
Samsonowicz
248 a)
b)
., 820 01550
o
c
.t
1600
1600
1400
1400
1200
1200
1000
1000
800
800
600 400 200
200
Obr. l Teplotni zavislost pevnosti oceli pro odlitky 250,---------~--~--------~--~--------~--. 0 .6%C:
.. .. . ... ,.. . . .. , . .. . . .,...... , ....
200
.
. '
. •
. '
•
. . ,... . . . ........ . •
o
---422712
--+-422633 --.--422711 - - 4227 19 -w--422650
:f 150
1!. 1ii o c:
...~
100
50
o ~~~~~--~~~~~~~~~-4~~~~
600
700
800
900
1000
1100
Teplota ["C)
Obr. 2a
1200
1300
1400
1500
249
Teplotni zavislost l@błti<Stv oceli pro odlitky
BO
· ·· ··1· · - - --, · ·· ·· ·,·· ···· .-·· · · '
20
•
•
l
----422712 --422633 ........-422711 --422719 -----422650
0 --~~4---~~~--~~~~--~~~--~~~
600
700
800
900
1000 1100 Teplota reJ
1200
1300
1400
1500
Obr. 2b Teplotni zavislost pevnosti lltin
...
50
~ 40
~
.. ~
' ' ···· ·· · ··· .-·· ·········· ·-,······
' 30 - - . . - ..... - -- ···-······-· · · ··-· ·· · ····· · · ··· '' · · .' '
C>.
.
..
-·' · · ······ ··· ···· ·········
20 10
- - Litina s kulić. grafitem CSN 42 23 05 ---- Litina s lupin . grafitem CSN 42 24 25
o+-------~-4~----~~4-----~~~~--~~~~
780
880
980 Teplota ["C]
Obr. 3a
1080
1180
250 Teplotni zavislost plasticlty litiny vyjadi'ene zuienim ~-----~------~- --·- --
60 50
.... ..... . . .. .,. . ... ..... .... ' .. .
40
... ..
····· · ·· ··· · ·
~ 30
.
~
.--- Utina s kulić.
0:
20
.. .
10
...
grafitem ĆSN 42 23 05
----- litina s łupin . grafitem ĆSN 42 24 25
·,······· · ······;····· · -·
o L----~~~~------~--------~._--~_.~ 780
1080
980 Teplota ["C]
880
Obr. 3b
PLASTICKE
PAsMO
PLAST!CKE
--------PASMO
r.
Cas Obr. 4
1180
251
20 18
p,.jqczy srqror/
f
MIUREZ KIIAJri
PAtCKr ..t,oom,.,!
PRtOO
sso""'"\
1s
c __
11.
b---- P 800 rnw·} a ...... ... p 110~
m,."..
Obr. 5
