1
KINETYKA EFEKTÓW KRZY OWYCH W PROCESIE PRZEMIANY
MARTENZYTYCZNEJ INDUKOWANEJ CYKLICZNYM
ODKSZTAŁCENIEM W PRÓBKACH MASYWNYCH
STRESZCZENIE
Celem pracy było zbadanie kinetyki wybranych efektów krzy owych (efektu Villariego oraz efektu Kelvina) w
procesie atermicznej przemiany martenzytycznej. Obiektem bada
była metastabilna stal austenityczna 2H18N9.
Obci
ano cyklicznie masywne próbki walcowe. Mierzono wielko
ci mechaniczne (napr
enie
σ
(
ξ
),
odkształcenie
ε
(
ξ
)), przyrost temperatury
∆
T(
ξ
) i zmian
nat
enia pola magnetycznego H(
ξ
). Analizowano
sygnały
w celu rozdzielenia procesu przemiany martenzytycznej zachodz
cej w warstwie wierzchniej próbki oraz w jej
rdzeniu. Sprawdzono przydatno
oryginalnego układu pomiarowego.
WPROWADZENIE
Przemiana martenzytyczna typu atermicznego zachodzi w metastabilnych stalach austenitycznych,
w nast pstwie wyst pienia granicznej warto ci odkształcenia plastycznego w procesie obci e
statycznych lub cyklicznych.
Przemiana wywołuje zmian własno ci wytrzymało ciowych, technologicznych i eksploatacyjnych.
Mo e zatem mie zarówno nast pstwa pozytywne jak i negatywne dla u ytkownika. Masowe
stosowanie tej grupy stali w praktyce in ynierskiej uzasadnia konieczno gruntownego badania
atermicznej przemiany martenzytycznej.
1. OBIEKT BADA
Obiektem bada była stal austenityczna produkcji polskiej (2H18N9). Skład chemiczny i własno ci
wytrzymało ciowe zawarto w tabeli 1.
Tabela 1. Skład chemiczny i wła ciwo ci wytrzymało ciowe stali 2H18N9
Skład chemiczny
Wła
ciwo
ci
wytrzymał.
C
Si
Mn
P
S
Cr
Ni
R
e
R
m
A
5
Materiał
%
%
%
%
%
%
%
MPa
MPa
%
2H18N9
0,17
0,56
1,75
0,022
0,02
17,9
8,2
245
590
40
W przypadku materiału rozwa ano wst pnie problem podatno ci stali na przemian martenzytyczn
typu atermicznego. W tym celu wyznaczono warto ci współczynników stabilno ci austenitu według
ró nych, znanych z literatury przedmiotu procedur. Warto ci współczynników przytoczono w tabeli 2.
Współczynniki stabilno ci austenitu wyznaczano według nast puj cych wzorów [12,13] (udziały
stopowe wyra one w procentach):
(
)
+
−
−
−
−
−
+
−
=
∆
15
27N
Cu
35C
0,5Mn
12
20
1,5Mo
Cr
Ni
2
1
(1)
12,6C
0,35Si
1,05Mn
0,98Mo
0,65Cr
Ni
2
+
+
+
+
+
=
∆
(2)
2
Tabela 2. Współczynniki stabilno ci austenitu dla stali 2H18N9
Współczynniki stabilno
ci austenitu
∆
1
∆
2
-0,34%
23,8
Analiza warto ci współczynników stabilno ci austenitu w tabeli 2 wskazuje na to, i badana stal
2H18N9 była podatna na przemian martenzytyczn typu atermicznego (im współczynnik stabilno ci
austenitu
∆
1
przyjmuje mniejsze warto ci tym łatwiej zachodzi omawiana przemiana).
Materiał próbek poddano równie obróbce cieplnej. Jej celem było zlikwidowanie tekstury oraz
uzyskanie wył cznie materiału jednofazowego o mo liwie drobnym i równomiernym ziarnie
austenitu. W tym celu próbki poddano przesycaniu w temperaturze 1050
o
C przez 5 min a nast pnie
chłodzono w wodzie.
Badaniom poddano próbki walcowe o rednicy cz ci pomiarowej d = 8mm.
2. METODYKA BADA , WIELKO CI MIERZONE
Widmo
obci enia
miało
charakter
sinusoidalny
(R=-1)
o
cz stotliwo ci
f = 1Hz. W pocz tkowej fazie pomiaru zastosowano sterowanie amplitud napr enia (w przedziale
50 MPa
≤
σ
a
≤
150 MPa
)
, a nast pnie amplitud odkształcenia (w przedziale 0,0008
≤
ε
a
≤
0,0044).
Do wyznaczenia własno ci cyklicznych a w tym: cyklicznej granicy plastyczno ci
σ
cpl
, krzywej
cyklicznego odkształcania
σ
a
-
ε
a
oraz energii odkształcenia plastycznego
∆
W u yto metody
dynamicznej p tli histerezy. Jedynym wymuszeniem zewn trznym było cykliczne obci enie
mechaniczne.
Do pomiaru temperatury wykorzystano ekstremalnie cienk termopar typu J o
rednicy
termoelementów 25
µ
m. Ró nic napi z termoelementów podano na układ pomiarowy, który
zapewniał wzmocnienie, z jednoczesn eliminacj wpływów zakłóce zewn trznych pochodz cych od
innych urz dze elektrycznych. Najmniejszy rejestrowalny przyrost temperatury wynosił
∆
T =
±
0,001
o
C. Do pomiaru z kolei nat enia pola magnetycznego zastosowano specjalnie zbudowany
układ z sensorem magnetorezystancyjnym firmy Philips KMZ51. Układ charakteryzował si du
czuło ci ; mo na nim mierzy przyrosty nat enia pola magnetycznego
∆
H = 0,01A/m. W rezultacie
mo liwe stało si rejestrowanie sygnałów mechanicznych (napr enie
σ
(
ξ
), odkształcenie
ε
(
ξ
)),
termicznych (
∆
T(
ξ
)) i magnetycznych (nat enie pola magnetycznego
∆
H(
ξ
)).
Szczegółowo układy do pomiaru wielko ci krzy owych opisano w [10,11,14-22]
3. ANALIZA WYNIKÓW
Rysunek 1 prezentuje zestaw przebiegów czasowych (a dokładniej jednego ich okresu) sygnałów
kolejno: napr enia
σ
(
ξ
), odkształcenia
ε
(
ξ
), zmian temperatury
∆
T(
ξ
) oraz nat enia pola
magnetycznego H(
ξ
) odpowiadaj cych kolejnym poziomom obci enia próbki.
Na rysunku 2 przedstawiono z kolei krzyw cyklicznego odkształcania
σ
a
-
ε
a
oraz pochodn d
σ
a
/d
ε
a
,
któr z kolei mo na interpretowa jako lokaln warto modułu spr ysto ci E
lok
(wyznaczon na
wierzchołku ka dej p tli w pierwszej wiartce). Pełn palet p tli histerezy
σ
(
ε
) zawarto równie na
rysunku 2
.
3
Rys.1. Przebiegi czasowe mierzonych sygnałów
σ
(
ξ
),
ε
(
ξ
),
∆
T(
ξ
), H(
ξ
).
Rys.2. Krzywa cyklicznego odkształcania
σ
a
-
ε
a
oraz jej pochodna d
σ
a
/d
ε
a
wraz
z p tlami histerezy
σ
(
ε
).
Analiza krzywej
σ
a
-
ε
a
pozwala przyj cykliczn granic plastyczno ci na poziomie obci enia
σ
cpl
=
130MPa, czemu odpowiada amplituda odkształcenia
ε
a
≅
0,0007. Zwró my uwag , i w pracy [1]
autorzy zaproponowali by w próbce o rednicy cz ci roboczej d = 8mm wyró ni rdze o rednicy d
R
= 7,6mm a na nim warstw wierzchni składaj c si z 10 słojów o ł cznej grubo ci cianki
∆
r = 0,2mm. Maj c na uwadze dominuj cy udział rdzenia w ł cznym przekroju próbki nale y uzna ,
i wyznaczona warto cyklicznej granicy plastyczno ci równie odnosi si do rdzenia.
Zmiana temperatury
∆
T(
ξ
).
4
Rys.3. Składowe harmoniczne (kosinusowe i sinusowe) sygnału temperatury
∆
T(
ξ
) w funkcji
amplitudy odkształcenia
ε
a
.
Analizuj c okresowy sygnał
∆
T(
ξ
) mo na łatwo wykry moment pojawienia si w nim wy szych
składowych harmonicznych, czego obrazem na rysunku 1 jest charakterystyczne siodło. Fakt ten
oznacza, i w fazie paramagnetycznej (austenit) pojawiła si niewielka ilo fazy ferromagnetycznej
(martenzyt
α
’). Poniewa naskórek jest bardziej podatny na odkształcenia trwałe, a wi c i na
zainicjowanie przemiany martenzytycznej, mo na przyj , i koniec liniowego przebiegu pierwszej
sinusowej składowej sygnału temperatury (oznaczonej jako 1_sin na rysunku 3) uto samiany by
mo e jako wyst pienie cyklicznej granicy przemiany martenzytycznej w naskórku
σ
cm(N)
. Napr eniu
temu odpowiada amplituda odkształcenia równa
ε
a
=
ε
cm(N)
= 0,0009. Zauwa my, i w tym samym
momencie ujawniaj si te pierwsze składowe kosinusowe 1_cos. Analiza kinetyki sygnału
temperatury
∆
T(
ξ
) dla odkształce wi kszych od 0,0009 nie jest jednoznaczna ze wzgl du na
sumaryczne oddziaływanie przyrostu odkształce plastycznych i fazy ferromagnetycznej.
Nat enie pola magnetycznego H(
ξ
). Czujnik pola magnetycznego (magnetorezystor nowej generacji)
rejestruje nat enie pola magnetycznego b d ce nast pstwem efektu Villariego, z du ego obszaru
próbki zarówno zatem z warstwy wierzchniej jak i rdzenia. Nale y ponadto zauwa y , i warto
sygnału H zale y
Rys.4. Zale no warto ci redniej sygnału magnetycznego od poziomu obci enia H
m
(
ε
a
).
od dwóch czynników, a mianowicie od ilo ci fazy ferromagnetycznej i stopnia jej napr enia.
Poni ej przyj to, i przyrost martenzytu mo na uto samia ze zmian zerowej składowej kosinusowej
sygnału nat enia, czyli z warto ci redni H
m
(
ε
a
).
5
Przebieg ten (Rys.4.) charakteryzuje stała warto a do odkształcenia
ε
a
= 0,0009. Fluktuacje sygnału
w tym obszarze nale y uzna za równe bł dowi pomiaru. Nast pnie od warto ci odkształcenia
ε
a
≅
0,0018 nast puje wyra ny spadek warto ci H
m
, co interpretowane jest jako pojawienie si martenzytu
α
’ w rdzeniu. Analiza przebiegu krzywej cyklicznego odkształcenia
σ
a
-
ε
a
wykazuje, i dla
ε
a
= 0,0025
÷
0,0030 nast puje wyra ne cykliczne umocnienie (Rys.1.). Sugeruje to znacz cy przyrost
martenzytu w rdzeniu. Potwierdza ten fakt dalsze opadanie wykresu H
m
(
ε
a
) (Rys.4.). Z kolei przebiegi
odpowiednio 1_sin oraz 1_cos (Rys.5.) wiadcz o blokowaniu mo liwo ci ruchu domen, co te mo e
by nast pstwem przyrostu martenzytu. Widoczne jest to dobitnie równie w postaci zmian p tli
krzy owej H -
ε
, zmierzaj ce w fazie ko cowej a do swoistego przemagnesowania o czym wiadczy
fakt, i p tla znajduj ca si przez cały czas procesu w wiartce I i III wykresu, znalazła si pod koniec
w wiartce II i IV (Rys.5.).
Rys.5. Składowe harmoniczne (kosinusowe i sinusowe) sygnału magnetycznego H(
ξ
) w funkcji
amplitudy odkształcenia
ε
a
.
3. WNIOSKI I UWAGI KO COWE
1.
Badania kinetyki wybranych efektów krzy owych stwarzaj szans poznania istoty atermicznej
przemiany martenzytycznej indukowanej cyklicznym odkształceniem plastycznym.
2.
Efekt Villariego oraz efekt Kelvina umo liwi rejestracj momentu inicjacji martenzytu oraz jego
przyrostu w badaniach typu „on-line”.
3.
Zastosowane sensory oraz technologia ich mocowania daje szans badania efektów przemiany
zarówno w warstwie wierzchniej próbki oraz w jej rdzeniu.
4.
Zastosowana aparatura badawcza oraz własne rozwi zania pomiarowe wykazały pełn
przydatno do analizy kinetyki efektów Villariego i Kelvina.