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.