raport zadanie GT5.5

Zadanie Nr II
„Diagnozowanie stanu zaawansowania procesu destrukcji mikrostruktury”
Wykonawcy: Dr hab. in . Jan BONARSKI (Kierownik zadania), Dr in . Leszek TARKOWSKI
Opis wyników
Opracowanie nieniszcz cego sposobu uzyskiwania wska ników zmian strukturalnych, które
sygnalizuj stan zaawansowania procesów zu ycia zm czeniowego elementów konstrukcyjnych
zaopatrzonych w tzw. technologiczn warstwa wierzchni (TWW). Wska nikami tymi s : zmiana
poziomu napr e własnych oraz charakterystyczne składowe tekstury krystalograficznej. Wska niki
te umo liwiaj pozyskiwanie charakterystyk materiałowych stanowi cych podstaw procedury oceny
stanu zaawansowania procesów destrukcji tzw. eksploatacyjnej warstwy wierzchniej (EWW)
elementów konstrukcyjnych (np. w wyniku zu ycia zm czeniowego) oraz prognozowanie tzw. czasu
bezpiecznej eksploatacji.
Na podstawie przeprowadzonych bada kół z batych ze stali 16HG (ozn. jako 319, 516 i 565),
po testach trybologicznych ustalono, e poziom napr e własnych sygnalizuj cy etap
przyspieszonego zu ycia poprzedzony jest przewarto ciowaniem ich znaku (z „-” na „+”).
Zmianom napr e własnych (co do warto ci jak i konfiguracji) wyst puj cych podczas
degradacji struktury warstwy przypowierzchniowej (o grubo ci ok. 60 µm) towarzysz zmiany
tekstury krystalograficznej. Wyra aj si one generowaniem szczególnej orientacji składowej ferrytu
{111}<uvw>, tzw. składow destruktywn . Narastanie tej składowej sygnalizuje zbli aj cy si etap
przewarto ciowania napr e własnych materiału. Intensywno
tej składowej (po stosownej
kalibracji) mo e stanowi wska nik zaawansowania procesu zu ycia.
Z punktu widzenia diagnostyki struktury warstw wierzchnich i monitorowania stanu jej
degradacji, obydwie opisane wy ej charakterystyki materiałowe, tzn. poziom napr e własnych
(szczególnie ciskaj cych) oraz intensywno składowej destruktywnej tekstury mog by uwa ane za
parametry funkcji celu, za pomoc której mo liwa jest optymalizacja okre lonych konstrukcji jak
równie analiza jej niezawodno ci.
Wyznaczono warto ci jednego z podstawowych wska ników zu ycia zm czeniowego, jakim s
napr enia własne dla rzeczywistych elementów konstrukcyjnych, tzn. dla pier cieni kół pojazdów
szynowych po ró nym czasie eksploatacji (Tab. 1).
Tabela 1. Warto ci napr e własnych badanych pier cieni kół kolejowych
Oznaczenie
próbki
Charakterystyka próbki
Warto
napr e własnych [MPa]
wg. metody Reussa
wg. metody Voigta
0
0 km, zestaw fabrycznie nowy
–732 ±24
–723 ±24
1
przebieg ok. 200 000 km
–310 ±29
–306 ±29
2
przebieg 327 923 km
–355 ±31
–350 ±29
3
przebieg 485 021 km
–233 ±24
–231 ±24
Uzyskane wyniki wskazuj , e:
 W przypadku kół pojazdów szynowych, wydłu aj cy si czas eksploatacji wyra nie redukuje
poziom napr e panuj cych w ich warstwie wierzchniej. Pier cienie po najdłu szym z
badanych czasów eksploatacji wykazuj jeszcze odpowiednio du y (ok. 30%) „zapas“ napr e
ciskaj cych, który upowa nia do wnioskowania, e ich dalsza eksploatacja jest nadal
bezpieczna w sensie zaawansowania procesu zu ycia materiału.
 Zmiany profilu powierzchni pracuj cych wskazuj , e relief powierzchniowy wyst puj cy w
elemencie fabrycznie nowym zaznacza si w strukturze jeszcze po stosunkowo długim czasie
eksploatacji (do ok. 300 000 km) i wpływa na konfiguracj formuj cego si pola napr e
własnych w tym etapie zu ycia.
Powy sze wnioski mog stanowi elementy składowe algorytmu oceny niezawodno ci pracy takich
elementów konstrukcyjnych, jak powierzchnie pracuj ce ło ysk, wałów, kół z batych, itp.
Inny aspekt prowadzonych bada dotyczył profilu gł boko ciowego napr e własnych generowanych
w powłokach ochronnych Cr osadzanych metod galwaniczn na pr tach stalowych do zastosowa
konstrukcyjnych (Rys. 1.).
Residual stresses [MPa]
Thickness of coating [ µm]
-2500
-2000
Surface of coating
-1500
-1000
-500
0
500
1000
1500
2000
0
0,5
1
Cr2
Cr1
Cr3
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
Rysunek 1. Mikrostruktura (po lewej) oraz profil gł boko ciowy napr e własnych (po prawej) powłok Cr
osadzonych na powierzchni bocznej zahartowanego pr ta stalowego
Profil ten uzyskano dzi ki zastosowanej modyfikacji konwencjonalnej metody rentgenowskiej sin2ψ.
Zauwa ono, e napr enia u rednione w badanych powłokach mierzone w sposób konwencjonalny,
wynosz ce odpowiednio; Cr1 = -516 ±205 MPa, Cr2 = -652 ±205 MPa, Cr3 = -1590 ±205 Mpa, maj
charakter ciskaj cy. Jednak e, ich profil gł boko ciowy wskazuje na bardzo wyra ne zró nicowanie
napr e pod powierzchni powłoki. W niektórych przypadkach (próbki Cr2 i Cr3) zidentyfikowano
wr cz zmian charakteru napr e na rozci gaj ce. Tak ukształtowany profil gł boko ciowy napr e
własnych bardzo silnie determinuje trwało powłoki i jej odporno na obci enia mechaniczne w
warunkach eksploatacyjnych
Wyniki realizowanych prac zostały uwzgl dnione w nast puj cych publikacjach naukowych:
 Jan T. Bonarski. (2006). X-ray texture tomography of near-surface areas. Progress in Materials Science,
51, 61-149.
 Jan T. Bonarski. (2006). Non-invasive investigation tool of functionally graded materials. in Foundation of
Materials Design, Ed. K.Kurzydłowski, B. Major and P. Zi ba, 157-174
— J. Bonarski, J. Smolik, L. Tarkowski, M. Biel; Depth-profile of residual stresses in metallic/ceramic
coatings, Arch. Met & Mat., 2008 (w druku)
— L. Tarkowski, M. Zhilina, J. Bonarski and I. Alexandrov; Planar irregularities of texture and stress field
detected by X-ray diffraction technique, Arch. Met & Mat., 2008 (w druku)
— L. Tarkowski; Zastosowanie metody topografii tekstury krystalograficznej do badania struktury
powierzchni, Praca doktorska, IMIM PAN, Kraków (2007)