BADANIA WYTRZYMAŁOŚCI NA ROZCIĄGANIE KRZEPNĄCEGO I

ARCHIWUM ODLEWNICTWA
Rok 2005, Rocznik 5, Nr 17
Archives of Foundry
Year 2005, Volume 5, Book 17
PAN - Katowice PL ISSN 1642-5308
22/17
BADANIA WYTRZYMAŁOŚCI NA ROZCIĄGANIE
KRZEPNĄCEGO I STYGNĄCEGO SILUMINU AlSi5Cu3MgMn
J. MUTWIL1 , R. ROMANKIEWICZ2 , K. KUJAWA 3
Wydział Mechaniczny Uniwersytetu Zielonogórskiego
65-546 Zielona Góra, ul. Szafrana 4.
STRESZCZENIE
Opisano badania wytrzymałości na rozciąganie krzepnącego siluminu A lSi5Cu3MgMn. W pomiarze rejestrowano siłę rozciągającą i wydłużenie test owego
odlewu oraz temperaturę na przekroju jego ścianki. Badano wpływ dodatków stop owych na wytrzymałość krzepnącego stopu. Badania prowadzono na stopie niemodyfikowanym oraz modyfikowanym kompleksowo strontem , tytanem i borem.
Key words: tensile strength of solidifying aluminum-silicon alloys
1.
WPROWADZENIE
W zamieszczonej w tym numerze Archiwum Odlewnictwa pracy [2] opisano hydrauliczne stanowisko do badań wytrzymałości na rozciąganie krzepnących metali
i stopów. Rozwiązanie stanowi modyfikację wcześniejszego urządzenia [1] i dzięki zast osowaniu napędu hydraulicznego pozwala na prowadzenie eksperymentów przy większych
wartościach siły rozciągającej i przy ściśle określonej i łatwo dobieranej prędkości rozciągania odlewu. Wykorzystując wspomniane stanowisko badawcze, przeprowadzono opis ane poniżej badania nad wytrzymałością na rozciąganie krzepnącego podeutektycznego
siluminu typu AK52. W badaniach w pierwszej kolejności próbowano ocenić rolę pierwiastków stopowych na wytrzymałość w końcowym etapie krzepnięcia stopu. Dla ost atecznego składu stopu (5.2 %Si, 2.9 %Cu, 0.43 %Mg, 0.43 %Mn, 0. 63 % Fe) oceniano
też wpływ innych czynników, takich jak: prędkość rozciągania, stopień zaawansowania
krzepnięcia, modyfikacja zaprawą złożoną: AlSr10+AlTi5B.
1
dr hab. inż., prof. UZ, [email protected]; 2mgr inż. ; 3 student-5 rok-WM UZ
191
ARCHIWUM ODLEWNICTWA
2.
OPIS BADAŃ
W pierwszej kolejności przeprowadzono badania mające ustalić wpływ podstawowych składników stopu na jego wytrzymałość na rozciąganie w końco wej fazie krzepnięcia (odpowiednik temperatury TK na rys. 1). W tym celu wtopiono najpierw do aluminium hutniczego A0 krzem, a w następnych etapach uzupełniano stop kolejno: miedzią,
magnezem, manganem, żelazem. Po uzyskaniu każdego stopu cząstkowego prze prowadzano próbę ATD w celu określenia temperatur krzepnięcia (rys. 1), po czym realizowano
dwa eksperymenty rozciągania. W każdym eksperymencie stosowano tę samą, przyjętą
w tych badaniach za podstawową, teoretyczną prędkość rozciągania 3.4 mm/s, a rozciąganie, w oparciu o obserwację temperatury krzepnącego odlewu, starano się rozpoczynać po
zakończeniu przemiany eutektycznej. Z uwagi na mało wyrazisty na wykresie temperatury
(rys. 2a) efekt przemiany eutektycznej wybór momentu aktywacji rozciągania odlewu
często był utrudniony. Wspomniane eksperymenty oznaczone zostały w tabeli 1 numerami od 1 do 10. W eksperymentach tych, jak i pozostałych, metal przegrzany o 100 deg
zalewano do kokili testowej podgrzanej do 100ºC. Pozostałe eksperymenty (w tabeli numery: 11-21) prowadzono już na stopie o składzie ostatecznym (A lSi5.2Cu2.9Mg0.43Mn0.43Fe0.69), typowym dla siluminu AK52. W kolejnych pięciu
eksperymentach (w tabeli numery: 11-15), zachowując podstawową prędkość rozciągania,
zmieniano temperaturę początku rozciągania. Pomiary o numerach 16-19 to eksperymenty, w których rozciąganie prowadzono z obniżoną (1.7 mm/s) i podwyższoną (5.8 mm/s)
prędkością rozciągania. Dwa ostatnie eksperymenty przeprowadzono ponownie przy
podstawowej prędkości rozciągania, lecz dla stopu zmodyfikowanego mieszanką zapraw:
AlSr10+AlTi5B. Każda z zapraw miała równy udział w mieszance dodanej w ilości 0.2 % w
stosunku do masy stopu. Stop modyfikowano po półgodzinnym przetrzymaniu w temp eraturze 750 C, a próbę ATD (rys. 1b) przeprowadzono pół godziny po wprowadzeniu
zaprawy.
Na rysunku 2a zestawiono wszystkie rejestrowane w pojedynczym pomiarze sygn ały. Krzywe reprezentują temperaturę T1(t) w osi odlewu i jej pochodną po czasie T1’(t),
temperaturę w odległości 6 i 12 mm od osi odlewu (odpowiednio: T2(t), T3(t)) oraz
temperaturę T4(t) zmierzoną termoelementem, którego spoinę odgięto ku ściance kokili.
jak również siłę rozciągającą F(t) oraz wydłużenie odlewu dL(t). Na rysunkach zaznaczono symbolami literowymi charakterystyczne etapy eksperymentu (L– początek
krzepnięcia metalu, E– początek przemiany eutektycznej, K– koniec krzepnięcia metalu,
R– początek rozciągania odlewu, S– początek pękania odlewu). Dla tak wprowadzonych
oznaczeń
wydrukowano
odpowiadające
im
wartości
czasu
i temperatury T1 metalu, a dla punktu S również wartości siły i wydłużenia odlewu.
W części (b) rysunku przedstawiono wyznaczoną z eksp erymentu relację pomiędzy
umownymi (odniesionymi do całego przekroju odlewu) naprężeniami rozciągającymi
(sig), a umownym (obliczonym na podstawie przemieszczenia szczęki maszyny) wydłużeniem względnym odlewu (eps). Druga krzywa to pochodna naprężeń po wydłużeniu, z przebiegu której wyraźnie widać, że w całym zakresie wydłużenia odlew odkształcał się
plastycznie
(brak
liniowej zależności pomiędzy
naprężeniami
192
ARCHIWUM ODLEWNICTWA
i odkształceniami). Podobne zachowanie odnotowano we wszystkich eksperymentach,
w tym prowadzonych w niższych temperaturach (460 C), gdy całkowite wydłużenie
względne nie przekraczało 3%.
a)
b)
Rys. 1. Wykres ATD: a) stop AlSi5, b) modyfikowany stop AK52
Fig. 1. ATD diagram of: :a) AlSi5 alloy, b) modified AK52 alloy
193
ARCHIWUM ODLEWNICTWA
a)
T 1’(t)
dL(t)
T 1(t)-T4(t)
F(t)
b)
Rys. 2. Niemodyfikowany AK52: a) zarejestrowane w eksperymencie: temperatura w czterech
miejscach odlewu T1-T4, siła rozciągająca F(t) oraz wydłużenie odlewu dL(t); b) naprężenia rozciągające sig wraz z pochodną dsig/dl w funkcji względnego wydłużenia odlewu
eps.
Fig. 2. Unmodified AK52 alloy: a) curves registered in experiment: temperature in fourth places of
casting T1-T4, tensile force F(t) and casting expansion dL(t); b) tensile strength sig and
derivative dsig/dl versus relative expansion eps .
194
ARCHIWUM ODLEWNICTWA
Tabela 1.Zestawienie wyników badań
Table 1. Statement of investigations result
Stop
1
AlSi5
AlSi5Cu3
AlSi5Cu3Mg
AlSi5Cu3MgMn
AlSi5Cu3MgMnFe
Próba, T L,
Nr
C
2
3
AT D
624
1
624
2
625
AT D
615
3
614
4
616
AT D
613
5
614
6
614
AT D
614
7
612
8
615
AT D
611
9
615
10 **
613
11
614
12
614
13
613
14
614
15
612
16 1)
613
17 1)
613
18 2)
614
19 2)
613
20 3)
615
21 3)
615
T E,
C
4
575
573
574
563
561
561
554
549
549
549
530
534
555
545
542
539
542
540
545
538
538
542
547
544
537
537
T K,
C
5
548
552
563
524
542
547
494
538
531
503
518
526
497
525
525
520
532
525
529
523
523
527
525
529
520
522
T R,
C
6
545
568
518
537
546
540
540
531
536
533
466
524
538
536
445
507
521
520
516
513
516
*** max ,
MPa
7
4.20
4.21
3.06
2.07
2.20
2.43
1.00
1.99
3.25
3.26
4.88
3.55
2.35
3.19
5.85 *
3.44
4.86
3.54
4.53
2.20
1.71
*** max ,
%
8
4.92
4.90
1.17
2.54
10.24
10.80
14.66
13.90
11.90
13.55
2.56
12.66
11.30
13.38
1.86
12.72
13.26
11.60
12.10
6.00
12.12
- obniżona prędkość rozciągania: 1.7 mm/s (standardowo: 3.6 mm/s)
- podwyższona prędkość rozciągania: 5.8 mm/s
3)
– stop modyfikowano: 0.2% ( AlSr10+AlTi5B )
*- brak zerwania; **- ilustrowany na rys. 2
*** - umowne naprężenia rozciągające i umowne wydłużenie względne odlewu
1)
2)
Wyniki przeprowadzonych eksperymentów zgromadzono w tabeli 1, podając wart ości charakterystycznych temperatur, umownego naprężenia granicznego i maksymaln ego umownego wydłużenia względnego. Z uwagi na możliwość powstawania różnych
eutektyk [3] z udziałem wtapianych pierwiastków można przypuszczać, że kolejność
wtapiania mogłaby mieć istotny wpływ na wartości przedstawione w tabeli, co prawd opodobnie stwierdzono by, zmieniając np. kolejność wprowadzania miedzi i magn ezu.
195
ARCHIWUM ODLEWNICTWA
3.
PODSUMOWANIE
Zaprezentowany w pracy materiał empiryczny z uwagi na małą liczbę eksperyme ntów nie upoważnia do formułowania daleko idących wniosków, tym bardziej, że niekt óre z uzyskanych wartości trudno jest uzasadnić. Słuszne wydają się jednak być sp ostrzeżenia, że:
 wprowadzanie do stopu miedzi, magnezu i manganu powodowało stopniowe o bniżanie umownej wytrzymałości na rozciąganie w końcowym etapie krzepnięcia,
 wprowadzenie miedzi wywołało spadek umownego wydłużenia względnego,
które istotnie wzrosło dzięki wprowadzeniu magnezu,
 wprowadzenie żelaza wywołało wzrost umownej wytrzymałości na rozciąganie
w końcowym etapie krzepnięcia, nie wpływając na wydłużenie odlewu,
 zastosowany zabieg modyfikacji obniżył umowną wytrzymałość na rozciąganie
w końcowym etapie krzepnięcia stopu.
 prędkość rozciągania nie wpływała istotnie na wytrzymałość krzepnącego stopu.
LITERATURA
[1] Mutwil J.: Stanowisko do badania wytrzymałości na rozciąganie krzepnących metali
i stopów, Archiwum Odlewnictwa, vol. 4, nr 12, 2004, s. 103-108.
[2] M utwil J., Romankiewicz R., Kujawa K.: Nowa wersja stanowiska do badania wytrzymałości
na rozciąganie krzepnących metali i stopów, Archiwum Odlewnictwa, vol. 5, nr 17, 2005,
s. 183-190.
[3] Pietrowski S.: Siluminy. Podręcznik Akademicki. WPŁ 2001.
INVESTIGATION OF TENSILE STRENGTH OF SOLIDIFYING AND
SELF-COOLING AlSi5Cu3MgMn ALLOY
SUMMARY
The examinations of tensile strength of solidifying A lSi5Cu3MgMn alloy have been
described. The tensile force, extension of test casting and temperatures of his wall are in
measurement registered. The influence of alloying elements on tensile strength of solid ifying alloy has been examined. The examinations have been carried out on unmodified
and modified alloy (by complex-addition of strontium, titanium and boron).
Recenzował: prof. dr hab. inż. Andrzej Chojecki
196