KINETYKA EFEKTÓW KRZY OWYCH W PROCESIE PRZEMIANY
MARTENZYTYCZNEJ INDUKOWANEJ CYKLICZNYM
ODKSZTAA
CENIEM 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 Ã(¾),

odksztaÅ‚cenie µ(¾)), przyrost temperatury "T(¾) i zmian nat enia pola magnetycznego H(¾). 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
WÅ‚a ciwo ci
Skład chemiczny
wytrzymał.
Materiał
C Si Mn P S Cr Ni Re Rm A5
% % % % % % % 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):
2
ëÅ‚ öÅ‚
(Cr +1,5Mo - 20)
ìÅ‚
"1 = Ni - - 0,5Mn - 35C - Cu - 27N +15÷Å‚ (1)
ìÅ‚ ÷Å‚
12
íÅ‚ Å‚Å‚
"2 = Ni + 0,65Cr + 0,98Mo +1,05Mn + 0,35Si +12,6C (2)
1
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 Å‚atwiej 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 oC 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 d" Ãa d" 150 MPa), a nast pnie amplitud odksztaÅ‚cenia (w przedziale 0,0008 d" µa d" 0,0044).
Do wyznaczenia wÅ‚asno ci cyklicznych a w tym: cyklicznej granicy plastyczno ci Ãcpl, krzywej
cyklicznego odksztaÅ‚cania Ãa - µa oraz energii odksztaÅ‚cenia 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 25µm. Ró nic napi z termoelementów podano na ukÅ‚ad pomiarowy, który
zapewniał wzmocnienie, z jednoczesn eliminacj wpływów zakłóce zewn trznych pochodz cych od
innych urz dze elektrycznych. Najmniejszy rejestrowalny przyrost temperatury wynosił "T =
Ä…0,001oC. 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 staÅ‚o si rejestrowanie sygnałów mechanicznych (napr enie Ã(¾), odksztaÅ‚cenie µ(¾)),
termicznych ("T(¾)) i magnetycznych (nat enie pola magnetycznego "H(¾)).
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 Ã(¾), odksztaÅ‚cenia µ(¾), zmian temperatury "T(¾) oraz nat enia pola
magnetycznego H(¾) odpowiadaj cych kolejnym poziomom obci enia próbki.
Na rysunku 2 przedstawiono z kolei krzyw cyklicznego odksztaÅ‚cania Ãa-µa oraz pochodn dÃa/dµa,
któr z kolei mo na interpretowa jako lokaln warto modułu spr ysto ci Elok (wyznaczon na
wierzchoÅ‚ku ka dej p tli w pierwszej wiartce). PeÅ‚n palet p tli histerezy Ã(µ) zawarto równie na
rysunku 2.
2
Rys.1. Przebiegi czasowe mierzonych sygnałów Ã(¾), µ(¾), "T(¾), H(¾).
Rys.2. Krzywa cyklicznego odksztaÅ‚cania Ãa-µa oraz jej pochodna dÃa/dµa wraz
z p tlami histerezy Ã(µ).
Analiza krzywej Ãa-µa pozwala przyj cykliczn granic plastyczno ci na poziomie obci enia Ãcpl =
130MPa, czemu odpowiada amplituda odksztaÅ‚cenia µa E" 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 dR
= 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(¾).
3
Rys.3. SkÅ‚adowe harmoniczne (kosinusowe i sinusowe) sygnaÅ‚u temperatury "T(¾) w funkcji
amplitudy odksztaÅ‚cenia µa.
Analizuj c okresowy sygnaÅ‚ "T(¾) mo na Å‚atwo 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 ą ). 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 Ãcm(N). Napr eniu
temu odpowiada amplituda odksztaÅ‚cenia równa µa = µcm(N) = 0,0009. Zauwa my, i w tym samym
momencie ujawniaj si te pierwsze składowe kosinusowe 1_cos. Analiza kinetyki sygnału
temperatury "T(¾) dla odksztaÅ‚ce 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(¾). 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 sygnaÅ‚u magnetycznego od poziomu obci enia Hm(µa).
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
sygnaÅ‚u nat enia, czyli z warto ci redni Hm(µa).
4
Przebieg ten (Rys.4.) charakteryzuje staÅ‚a warto a do odksztaÅ‚cenia µa = 0,0009. Fluktuacje sygnaÅ‚u
w tym obszarze nale y uzna za równe bÅ‚ dowi pomiaru. Nast pnie od warto ci odksztaÅ‚cenia µa E"
0,0018 nast puje wyra ny spadek warto ci Hm, co interpretowane jest jako pojawienie si martenzytu
Ä… w rdzeniu. Analiza przebiegu krzywej cyklicznego odksztaÅ‚cenia Ãa - µa wykazuje, i dla
µa = 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 Hm(µa) (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 - µ, 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. SkÅ‚adowe harmoniczne (kosinusowe i sinusowe) sygnaÅ‚u magnetycznego H(¾) w funkcji
amplitudy odksztaÅ‚cenia µa.
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.
5