prace instytutu odlewnictwa transactions of foundry research institute
Transkrypt
prace instytutu odlewnictwa transactions of foundry research institute
PRACE INSTYTUTU ODLEWNICTWA TRANSACTIONS OF FOUNDRY RESEARCH INSTITUTE Volume LIII Year 2013 Number 3 DOI: 10.7356/iod.2013.17 Porównanie mikrostruktury i właściwości mechanicznych żeliwa sferoidalnego ausferrytycznego oraz stali poddanych dynamicznej deformacji w teście Taylora The comparison of the microstructure and the mechanical characteristics of austempered ductile cast iron and steel subject to dynamic deformation using the Taylor test Dawid Myszka, Tadeusz Cybula Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, ul. Narbutta 85, 02-524 Warszawa Warsaw University of Technology, Faculty of Production Engineering, ul. Narbutta 85, 02-524 Warsaw E-mail: [email protected] Streszczenie Abstract W artykule podjęto próbę porównania odporności na dynamiczne obciążenia żeliwa sferoidalnego ausferrytycznego i stali S215. Próbki poddano badaniom z zastosowaniem metodyki testu Taylora przy różnych prędkościach odkształcenia, w celu określenia charakterystycznych cech materiałowych (rys. 1). Stwierdzono znaczny wzrost twardości w obszarach silnie zdeformowanych oraz zmiany w mikrostrukturze wskazujące na umocnienie materiału. Określono, iż badane właściwości są porównywalne w stali i w żeliwie po obróbce cieplnej na podstawie oceny dynamicznej granicy plastyczności oraz współczynnika umocnienia. Wyniki badań obu materiałów mogą służyć do oceny ich przydatności do produkcji części urządzeń eksploatowanych w ekstremalnych warunkach obciążenia. The article attempts to compare the resistance of austempered ductile cast iron and S215 steel to dynamic loads. The samples were subject to research using the Taylor test methodology at different speeds of deformation, in order to determine the characteristics of the material (Fig. 1). There was a significant increase in hardness in the highly deformed areas, and changes in the microstructure indicating the strengthening of the material. It was determined that the studied properties are comparable in steel and in iron after heat treatment on the basis of assessment of dynamic yield limit and the strengthening coefficient. The results of both materials may be used to assess their suitability for the production of equipment operating under extreme load conditions. Słowa kluczowe: żeliwo sferoidalne ausferrytyczne, dynamiczne odkształcenie, umocnienie, austenit Keywords: austempered ductile cast iron, dynamic deformation, strengthening, austenite Wprowadzenie Materiałom stosowanym w przemyśle rolniczym, górniczym, specjalnym, etc. stawiane są coraz to nowe wymagania – należy do nich również odporność na dynamiczne obciążenia. Ze względu na złożoność zjawisk podczas tego typu oddziaływań materiały poddawane są specyficznym, innym niż statyczne, rodzajom badań. Określają one właściwości w sposób, pozwalający na nowo charakteryzować znany już materiał i pozwalają znaleźć dla niego nowe zastosowania. Jednym z takich specjalnych rodzajów badań jest test Taylora, w którym wyznacza się dynamiczną Introduction The materials used in agricultural, mining, special industries, etc., have to meet more and more demands to which also belongs the resistance to dynamic loads. Due to the complexity of the phenomenon during this type of interaction, materials are subject to specific types of tests. They define the properties in a way that allows re-characterizing the already known material which allows finding new uses for it. One of these special types of tests is the Taylor test during which the dynamic yield limit is determined [1, 2]. It is 73 D. Myszka, T. Cybula: Porównanie mikrostruktury i właściwości mechanicznych żeliwa sferoidalnego ausferrytycznego… granicę plastyczności [1, 2]. Jest on niezwykle przydatny ze względu na możliwość szerokiego porównania z innymi materiałami oraz możliwość przełożenia jego wyników na aplikacyjne możliwości badanego materiału. Test Taylora zakłada dynamiczną deformację cylindrycznej próbki, która uderza z założoną prędkością w nieodkształcalną przegrodę (rys. 1). Parametry uderzenia oraz stopień deformacji próbki, który jest możliwy do określenia za pomocą geometrycznych pomiarów, jest miarą dynamicznych właściwości badanego materiału. Zastosowanie wyznaczonych w teście parametrów uderzenia oraz stopnia deformacji próbki do zależności (1) podanej przez Taylora pozwala na wyznaczenie tzw. dynamicznej granicy plastyczności. Zależność ta umożliwia porównanie różnych materiałów w warunkach dynamicznych obciążeń. incredibly useful due to the possibility to make a wide comparison with other materials and the possibility to translate the results to the application possibilities of the tested material. The Taylor test assumes the dynamic deformation of a cylindrical sample that hits with the assumed speed in a non-deformable barrier (Fig. 1). The parameters of the hit and the level of deformation of the sample, which can be identified with geometric measurements, is a measure of the dynamic properties of a material. The use of the parameters set in the impact test and the level of deformation of the sample to dependance (1) given by Taylor test allows for determining the so called dynamic yield limit. This dependance allows the comparison of different materials under dynamic loads. l 1 � ρV �1 � � � L 2 R� � L� L �1 � � l� � � L l� (1) Rys. 1. Założenia testu Taylora: a) próbka po deformacji, b) próbka przed deformacją; zależność (1), gdzie: Rd – dynamiczna granica plastyczności, ρ – gęstość materiału, V – prędkość uderzenia próbki, L – długość próbki przed uderzeniem, Lf – długość próbki po uderzeniu, lf – długość nieodkształconej części próbki po uderzeniu [2] Fig. 1. Taylor Test Assumptions: a) sample after deformation, b) sample before deformation; dependence (1), where: Rd – dynamic yield limit, ρ – material density, V – speed of hitting the sample, L – length of the sample before the hit, Lf – length of the sample after the hit, lf – length of the undeformed part of the sample after the hit [2] Żeliwo sferoidalne ausferrytyczne Ausferritic ductile cast iron W dzisiejszych czasach znane są nowoczesne gatunki żeliwa (np. żeliwo sferoidalne ausferrytyczne, żeliwo wermikularne) znakomicie konkurujące ze stalą lub przewyższające ją swoimi unikalnymi właściwościami [3, 4, 5]. Gęstość o 10% mniejsza od stali, zdolność tłumienia drgań, odporność na obciążenia udarowe, wytrzymałość na rozciąganie sięgająca 1700 MPa, doskonała odporność na zużycie, odporność na korozję, możliwość kształtowania wyrobów o dowolnym kształcie metodami odlewniczymi itd. Pozwalają myśleć o tym materiale jako o alternatywie dla wielu rozwiązań. W świetle nowych badań żeliwo sferoidalne ausferrytyczne posiada unikalną cechę dynamicznego „reagowania” na zadane obciążenia [6]. Cecha ta związana jest z obecnością w jego mikrostrukturze metastabilnego austenitu, który ulega efektowi TRIP (ang. TRansformation Induced Plastisity) [7]. Efekt ten nie został do końca zbadany w żeliwie, jednak teoretyczne podstawy oraz wyniki badań kilku autorów z Polski, Anglii oraz Nowadays, modern types of iron are known (e.g. austempered ductile cast iron, vermicular graphite iron) competing very well with steel or exceeding its unique properties [3, 4, 5]. With a density of 10% less than steel, the ability to reduce vibrations, impact resistance, tensile strength reaching 1700 MPa, excellent wear resistance, corrosion resistance, the possibility to form products of any shape by casting, etc. allow us to think of this material as an alternative to many solutions. In the light of new research austempered ductile cast iron has a unique feature of giving dynamic ”response” to given loads [6]. This feature is connected with the presence of metastable austenite in its microstructure, which undergoes the TRIP effect (TRansformation Induced Plasticity) [7]. This effect has not been thoroughly researched yet in cast iron but theoretic bases and the results of studies by a few authors from Poland, England and Spain suggest that it will have great importance from the point of view of the unique characteristics of the material [8, 9, 10]. 74 Prace IOd 3/2013 D. Myszka, T. Cybula: The comparison of the microstructure and the mechanical characteristics of austempered ductile… Hiszpanii pozwalają sądzić, że będzie on miał duże znaczenie z punktu widzenia unikalnych właściwości tego materiału [8, 9, 10]. Wykonanie próbek Sampling Badaniom poddano próbki walcowe ø 8 × 30 mm ze stali i żeliwa o składzie chemicznym przedstawionym w tabeli 1. Obróbka cieplna dla próbek z żeliwa została zrealizowana z wykorzystaniem pieca komorowego Nabertherm oraz złoża fluidalnego na bazie SiC o wielkości ziarna około 100 µm w Zakładzie Odlewnictwa Politechniki Warszawskiej. Żeliwo było austenityzowane w temperaturze 900°C w czasie 60 minut, a następnie hartowane izotermicznie w temperaturze 370°C w czasie 60 minut (materiał oznaczono: ADI_370_060). The research covered cylindrical samples ø 8 × 30 mm made of steel and cast iron, whose chemical composition is presented in Table 1. The heat treatment of cast iron samples was performed with the use of Nabertherm chamber furnace and fluidized bed based on SiC having particle size of about 100 µm in the Department of Casting of the Warsaw University of Technology. The cast iron was austenitised in 900°C for 60 minutes, and then subject to isothermal quenching in 370°C for 60 minutes (material marked: ADI_370_060). Tabela 1. Skład chemiczny materiałów poddanych badaniom, % wag. Table 1. Chemical composition of the tested materials, % of weight. Materiał/oznaczenie Material/mark Żeliwo/ADI_370_060 Cast iron/ADI_370_060 Stal/S215 Steel/S215 C Si Mn P S Ni Mg Cu Mo 3,40 2,80 0,28 0,035 0,015 0,02 0,055 0,72 0,27 0,15 0,33 1,00 0,030 0,025 0,10 - 0,10 - Tabela 2. Właściwości mechaniczne materiałów poddanych badaniom Table 2. Mechanical properties of the tested materials Wytrzymałość na rozciąganie / Tensile strength Umowna granica plastyczności / Agreed yield limit Wydłużenie/ Elongation Twardość/Hardness Rm, MPa Rp0,2, MPa A 5, % HB ADI_370_060 961 584 15,7 313 S215 471 380 18,4 181 Oznaczenie/Mark Wyniki testu Taylora Taylor test results Do wyznaczenia dynamicznej granicy plastyczności żeliwa sferoidalnego ausferrytycznego wykorzystano stanowisko badawcze przedstawione na rysunku 2. Stanowisko składa się z uniwersalnego przyrządu balistycznego (UPB) – (1), na którym zamontowano prochowy układ miotający – (2). W przedniej części stanowiska znajduje się układ wychwytywania próbki – (4), zestaw bramek fotoelektrycznych – (7) oraz rejestrator prędkości uderzenia próbki w „kowadło” – (8). Przebieg ciśnienia gazów prochowych w układzie miotającym rejestrowany jest przez rejestrator ciśnienia – (9). Układ miotający ma za zadanie nadanie próbce wymaganej prędkości wylotowej. W układzie do miotania wykorzystano lufę balistyczną 12,7 × 99 mm o zmniejszonej długości To determine the dynamic yield limit of the austempered ductile cast iron the scientific stand presented in Figure 2 was used. The stand includes a universal ballistic instrument – (1), on which gunpowder propellant system is mounted – (2). In the front part of the stand there is a sample capture system – (4), a set of photoelectric gates – (7) and the impact speed of the sample recorder – (8). The layout of the gunpowder gases in the propellant system is recorded by the pressure recorder – (9). The propellant system is designed to give the sample the required discharge speed. In the propellant system a ballistic barrel 12.7 × 99 mm was used but the threaded part was shortened. The capture system included: resistive frame – (4) and ”anvil” – (5) rigidly connected to the resistive plate. Transactions of FRI 3/2013 75 D. Myszka, T. Cybula: Porównanie mikrostruktury i właściwości mechanicznych żeliwa sferoidalnego ausferrytycznego… części gwintowanej. W skład układu wychwytującego o zmniejszonej części gwintowanej. W skład układu wychwytującego wchodzą: rama oporowa wchodzą: mm rama oporowa –długości (4) oraz „kowadło” – (5) – (4) oraz „kowadło” – (5) sztywno połączone z płytą oporową. sztywno połączone z płytą oporową. mm o zmniejszonej długości części gwintowanej. W skład układu wychwytującego wchodzą: rama oporowa – (4) oraz „kowadło” – (5) sztywno połączone z płytą oporową. mm o zmniejszonej długości części gwintowanej. W skład układu wychwytującego wchodzą: rama oporowa – (4) oraz „kowadło” – (5) sztywno połączone z płytą oporową. Rys. 2. Schemat stanowiska badawczego do wyznaczania dynamicznej granicy plastyczności: 1 – łoże UPB, Rys. 2. Schemat stanowiska badawczego do wyznaczania dynamicznej granicy plastyczności: 2 – 12,7 układ 3 – piezoelektryczny czujnik ciśnienia, – rama do4mocowania 5 –„kowadła”, 1 – łoże UPB, 2 –mm 12,7 mmmiotający, układ miotający, 3 – piezoelektryczny czujnik 4ciśnienia, – rama do „kowadła”, mocowania „kowadło”, 7 – zestaw bramek fotoelektrycznych, 8 – rejestrator prędkości, – rejestrator ciśnieniagazów gazówprochowych 5 – „kowadło”, 7 – zestaw bramek fotoelektrycznych, 8 – rejestrator prędkości, 9 –9rejestrator ciśnienia prochowych Fig. 2. A scheme of the scientific stand used for determining the dynamic yield limit: 1 – the W bed of thewykorzystano universal ballistic instrument, 2 – 12.7naboje mm propellant system, 3 – piezoelectric pressure badaniu specjalnie skonstruowane rozdzielnego ładowania. Nabój taki składał się z: sensor, 4 – 2. „anvil” frame,stanowiska 5 – „anvil”, – a set of photoelectric gates, 8 dynamicznej –miotającym speed recorder, 9 – pressure of gunpowder gases zaspłonkowanej łuski z7umieszczonym wewnątrz ładunkiem oraz pocisku badawczego. Pocisk Rys. Schemat badawczego do wyznaczania granicy plastyczności: 1 – łoże UPB, (rys. 3) składał 3się– zpiezoelektryczny sabotu (2) wykonanego z tworzywa sztucznego orazdo próbki (1) wykonanej z recorder 2 – 12,7 badawczy mm układ miotający, czujnik ciśnienia, 4 – rama mocowania „kowadła”, 5– badanego materiału umieszczonej wewnątrz sabotu. „kowadło”, 7 – zestaw bramek fotoelektrycznych, 8 – rejestrator prędkości, 9 – rejestrator ciśnienia gazów The study used specially designed rounds for W badaniu wykorzystano specjalnie skonstruprochowych separate Such a round consisted of aUPB, shell owane naboje rozdzielnego ładowania. Nabój takido wyznaczaniacharge. Rys. 2. Schemat stanowiska badawczego dynamicznej granicy plastyczności: 1 – łoże 2 – 12,7 mm układ miotający, 3 – piezoelektryczny czujnik ciśnienia, 4 – rama do mocowania „kowadła”, 5 z: – W badaniu wykorzystano specjalnie skonstruowane naboje rozdzielnego ładowania. Nabój taki składał się closed with a detonating cap with the expelling składał się z: zaspłonkowanej łuski z umieszczonym „kowadło”, 7 – zestaw bramek fotoelektrycznych, 8 – rejestrator prędkości, 9 – rejestrator ciśnienia gazów zaspłonkowanej łuski z umieszczonym wewnątrz ładunkiem miotającym oraz pocisku badawczego. Pocisk charge and research bullet inside. The research bullet wewnątrz ładunkiem miotającym oraz pocisku badawprochowych badawczy (rys. 3) składał się 3) z sabotu z tworzywa sztucznego oraz (2) próbki (1) of wykonanej z 3) consisted of a sabot made plastic and czego. Pocisk badawczy (rys. składał(2) sięwykonanego z sabotu (Fig. badanego materiału umieszczonej wewnątrz sabotu. the sample (1) made of the researched material placed (2) wykonanego zWtworzywa sztucznego oraz próbki badaniu wykorzystano specjalnie skonstruowane naboje rozdzielnego ładowania. Nabój taki składał się z: łuski z umieszczonym wewnątrz ładunkiem miotającym oraz pocisku badawczego. Pocisk inside the sabot. (1) wykonanej z zaspłonkowanej badanego materiału umieszczonej badawczy (rys. 3) składał się z sabotu (2) wykonanego z tworzywa sztucznego oraz próbki (1) wykonanej z wewnątrz sabotu. badanego materiału umieszczonej wewnątrz sabotu. Rys. 3. Pocisk badawczy: 1 – próbka, 2 – sabot Rys. 4. Próbka po deformacji w teście Taylora Przedmiotem badań były 4 próbki wykonane z żeliwa sferoidalnego ausferrytycznego i stali S215 – po 2 próbki z każdego materiału. Badania przeprowadzono w układzie miotającym do wyznaczania dynamicznej granicy plastyczności metodą testu Taylora zgodnie z metodyką IMiP WIP Politechniki Warszawskiej. Zastosowano naboje badawcze standardowe pokazane na rysunkach 3 i 4. W badaniach oddano 4 strzały z pomiarem prędkości próbek i ciśnienia gazów prochowych w lufie. Wyniki testu przedstawiono w postaci uproszczonej w tabeli 3. W tabelach przedstawiono wyznaczoną prędkość każdej próbki, obliczoną dynamiczną granicę plastyczności oraz umowną granicę plastyczności, którą określoną w wyniku badań statycznych. Wyznaczono współczynnik wzmocnienia „k”, który jest stosunkiem Rys. 3. Pocisk badawczy: 1 – również próbka, tzw. 2 – sabot 4. Próbka deformacjiwdynamicznej wteście teście Taylora Taylora Rys.Rys. 4. Rys. Próbka popo deformacji Rys. 3.granicy Pociskplastyczności badawczy: 1 umownej –badawczy: próbka, 21 –– próbka, sabot do granicy plastyczności. 4. Próbka po deformacji w teście Taylora Rys. 3. Pocisk 2 – sabot Fig. 3. Research bullet: 1 – sample, 2 – sabot Fig. 4. The sample after deformation in Taylor test Przedmiotem badań 4 były próbki wykonane Thesferoidalnego subject of the research were 4 samples made Przedmiotem 4 próbki wykonane żeliwa ausferrytycznego i stali S215 –– po po 22 Przedmiotem badań były były 4 badań próbki wykonane z żeliwa zsferoidalnego ausferrytycznego i stali S215 próbki z każdego materiału. Badania przeprowadzono w układzie miotającym do wyznaczania dynamicznej z próbki żeliwa zsferoidalnego ausferrytycznego i stali S215 of austempered ductile cast iron and S215 steel każdego materiału. Badania przeprowadzono w układzie miotającym do wyznaczania dynamicznej– plastyczności testuprzeTaylora 2zgodnie z metodyką IMiPmaterial. Politechniki Warszawskiej. – granicy po 2 próbki z granicy każdego materiału. Badania ofIMiP each The Warszawskiej. research was plastyczności metodą testumetodą Taylora zgodnie z samples metodyką WIP WIP Politechniki Zastosowano naboje badawcze standardowe pokazane na rysunkach 3 i 4. W badaniach oddano 4 strzały z prowadzono w naboje układzie miotającym do wyznaczania conducted in the propellant system used for deterZastosowano badawcze standardowe pokazane na rysunkach 3 i 4. W badaniach oddano 4 strzały pomiarem prędkości próbek i ciśnienia gazów prochowych w lufie. Wyniki testu przedstawiono w postaciz dynamicznej granicy plastyczności testu miningw the dynamic yield przedstawiono limit withpróbki, the Taylor test pomiarem prędkości próbek gazów prochowych lufie. Wyniki prędkość testu wobliczoną postaci uproszczonej wi ciśnienia tabeli 3.metodą W tabelach przedstawiono wyznaczoną każdej plastyczności oraz umowną granicę plastyczności, którąkażdej określoną w wyniku badańof Taylora zgodniewzdynamiczną metodyką WIP Politechniki according to the methodology ofpróbki, the Institute uproszczonej tabeli 3. granicę WIMiP tabelach przedstawiono wyznaczoną prędkość obliczoną statycznych. Wyznaczono również tzw. współczynnik wzmocnienia „k”, który jest dynamiczną granicę plastyczności umowną granicę plastyczności, którą określoną w wyniku badań Warszawskiej. Zastosowano naboje oraz badawcze stanMechanics and Printing of the stosunkiem Faculty ofdynamicznej Production granicy plastyczności do umownej granicy plastyczności. statycznych. Wyznaczono również 3tzw. „k”, jest stosunkiem dardowe pokazane na rysunkach i 4.współczynnik W bada- wzmocnienia Engineering at thektóry Warsaw University ofdynamicznej Technology. granicy plastyczności umownej granicy plastyczności. niach oddano 4 strzały do z pomiarem prędkości próbek The used standard research bullets are presented in i ciśnienia gazów prochowych w lufie. Wyniki testu Figures 3 and 4. In study 4 shots were fired at the przedstawiono w postaci uproszczonej w tabeli 3. speed of the samples and the pressure of powder W tabelach przedstawiono wyznaczoną prędkość gases in the barrel was measured. The results of the 76 Prace IOd 3/2013 D. Myszka, T. Cybula: The comparison of the microstructure and the mechanical characteristics of austempered ductile… każdej próbki, obliczoną dynamiczną granicę plastyczności oraz umowną granicę plastyczności, którą określoną w wyniku badań statycznych. Wyznaczono również tzw. współczynnik wzmocnienia „k”, który jest stosunkiem dynamicznej granicy plastyczności do umownej granicy plastyczności. test in a simplified form are presented in Table 3. The tables show the determined speed of each sample, calculated dynamic yield limit and the agreed yield limit, which was set as a result of statistical research. Also the so called „k” coefficient was determined which is the relation of the dynamic yield point to the agreed yield point. Tabela 3. Wyniki badań dla próbek odkształconych w teście Taylora Table 3. Results of the research of the samples deformed in Taylor test Oznaczenie/Mark Prędkość/Speed Umowna granica plastyczności / Agreed yield limit Dynamiczna granica plastyczności / Dynamic yield limit Tabela 3. Wyniki badań dla próbek odkształconych w teście R Taylora , MPa V, m/s R , MPa p0,2 ADI_370_060_1 ADI_370_060_2 306 237 S215_1 Oznaczenie 302 S215_2 282 ADI_370_060_1 k = Rd / Rp0,2 d 584 Prędkość Współczynnik wzmocnienia / Strengthening coefficient Umowna 584 granica plastyczności 380 947 Dynamiczna 997Współczynnik granica wzmocnienia plastyczności V, m/s 380 , MPa Rp0,2 Rd, MPa 306 584 947 1,62 1,71 619 170 698 k = Rd / Rp0,2 1,91 1,62 An analysis of the calculation results shows Z analizy wyników obliczeń wynika, że zarówno ADI_370_060_2 237 584 997 1,71 żeliwo, jak i stal uległy umocnieniu, na co wskazuje that both cast iron and steel have been strengthS215_1 619 170 by significantly higher dynamic wyraźnie wyższa dynamiczna granica 302 plastyczności380ened, as indicated yield limit compared to the agreed one, as defined w porównaniu z umowną, określoną w próbie statyczS215_2 282 380 698 1,91 nego rozciągania. Wskazuje na to również współ- in the static tensile test. It is also shown by the „k” czynnik „k”, chociaż jego wartości są wyższe dla coefficient although its values are higher for lower Z analizy wyników obliczeń wynika,wże„kowadło”, zarówno żeliwo, i stal uległy umocnieniu,hitting na co wskazuje wyraźnie speeds of samples the „anvil” i.e. for sample niższych prędkości uderzenia próbek tj. jak wyższa dynamiczna granica plastyczności w porównaniu z umowną, określoną w próbie statycznego ADI_370_060_2 and S215_2. In both cases dla próbki ADI_370_060_2 oraz S215_2. W obu tych rozciągania. Wskazuje na to również współczynnik „k”, chociaż jego wartości są wyższe dla niższych the material plasticized more in theWcase samples fired przypadkach materiał uplastycznił bardziej niż dla próbki prędkości uderzenia próbek się w „kowadło”, tj. dla ADI_370_060_2 orazthan S215_2. obu of tych przypadkach materiał bardziej niż dla próbek wystrzeliwanych wyższymi at higher speeds z(Fig. 5). prędkościami (rys. próbek wystrzeliwanych z uplastycznił wyższymisięprędkościami 5). (rys. 5). S215_1 S215_2 Rys. 5. Zależność współczynnika wzmocnienia „k” od rodzaju materiału poddanego testowi Taylora Rys. 5. Zależność współczynnika wzmocnienia „k” od rodzaju materiału poddanego testowi Taylora Fig. 5. The relation of the strengthening coefficient „k” to the type of material subject to Taylor test Badania właściwości materiałowych Badania właściwości materiałowych Testing the material properties Wszystkie odkształcone próbki następnie przecięto wzdłuż osi i na przekroju wykonano szereg badań materiałowych: pomiar twardości, ocenę makroi mikroskopową oraz pomiary magnetyczne. Pomiary Wszystkie odkształcone próbki następnie przeAll the deformed samples were then cut along twardości metodą Vickersa przy obciążeniu 100 g zrealizowano w postaci rozkładu od powierzchni czołowej cięto wzdłuż osi i na przekroju wykonano szereg the axis and various tests were conducted on the odkształconej próbki w kierunku części nieodkształconej. Ocenę makroskopową wykonano na mikroskopie badań materiałowych: pomiar stopień twardości, ocenę of the powierzchni sample: czołowej hardness measurement, stereoskopowym badając odkształcenia oraz section sposób deformacji próbek. makro- i mikroskopową oraz pomiary magnetyczne. macroand microscopic assessment magnetic Obserwacje mikroskopowe LM i SEM przeprowadzono na zgładach metalograficznych nietrawionychand i trawionych metodą 3% Nitalem dla powiększeń x200 i x1000, measurements. identyfikując zmianyThe w części czołowej measurement każdej z Pomiary twardości Vickersa przy obciążeniu hardness with próbek z żeliwa i stali. Pomiary magnetyczne zrealizowano na próbkach żeliwnych za pomocą ferrytomierza, 100 g zrealizowano w postaci rozkładu od powierzchni Vickers method with a load of 100 g was conducted wykorzystując metodę prądów wirowych, oceniając udział faz ferromagnetycznych w czterech charakterystycznych punktach próbki: A, B, C i D (oznaczonych na wykresie), z tym, że punkt A leżał najbliżej krawędzi odkształconej. Transactions of FRI 3/2013 W tabeli 4 zamieszczono wyniki obserwacji makroskopowych w skojarzeniu z wykresami rozkładów twardości. Widoczne na zdjęciach odkształcone czołowo próbki wykazują we wszystkich przypadkach wzrost twardości w strefie zdeformowanej uderzeniem zarówno przy niższych, jak i wyższych prędkościach 77 D. Myszka, T. Cybula: Porównanie mikrostruktury i właściwości mechanicznych żeliwa sferoidalnego ausferrytycznego… czołowej odkształconej próbki w kierunku części as a distribution from the face of the deformed sample nieodkształconej. Ocenę makroskopową wykonano to the undeformed part. The macroscopic assessment na mikroskopie stereoskopowym badając stopień was performed with a stereoscopic microscope studodkształcenia oraz sposób deformacji powierzchni ying the degree of deformation and the way of deforczołowej próbek. Obserwacje mikroskopowe LM mation of the face of the samples. The microscopic i SEM przeprowadzono na zgładach metalograficznych observations of LM and SEM were conducted on nietrawionych i trawionych 3% Nitalem dla powięk- metallographic sections digested and undigested with szeń × 200 i × 1000, identyfikując zmiany w części 3% Nital for × 200 and × 1000 enlargements identifying face section eachoraz cast nieosiowo iron and steel czołowej każdejUwagę z próbek z żeliwa i stali. Pomiary uderzenia. zwraca fakt zniszczenia próbki changes żeliwnej in dlatheprędkości 306ofm/s zdeformowana próbka S215_1. Zarówno pęknięcie, i nieosiowość deformacji mogą być spowodowane The magnetic measurements were performed magnetyczne zrealizowano na próbkach żeliwnych za jaksample. niecentrycznym uderzeniem próbki ometodę „kowadło”. pomocą ferrytomierza, wykorzystując prądów on the cast iron samples with a ferritometer, using the wirowych, oceniając udział faz ferromagnetycznych eddy current method and assessing the share of ferroInteresującym będzie porównanie próbek: żeliwnej i stalowej odkształconych z niższą prędkością: w czterech charakterystycznych punktach próbki: A, magnetic phase in the four characteristic points of the ADI_370_060_2 i S215_2. Obie próbki mają wyraźną strefę deformacji plastycznej, z tym, że próbka stalowa B, C bardziej i D (oznaczonych na wykresie), z tym, że punkt A sample: A, B, C and D (marked on the graph), where „grzybkowaty” charakter, natomiast żeliwna – „beczkowaty”. Obie w strefie odkształconej mają silnie pointczęści A waspróbki. the closest to żeliwna the deformed part. leżałzwiększoną najbliżej krawędzi twardośćodkształconej. w porównaniu do nieodkształconych Próbka wykazuje jednak S215_2 S215_1 ADI_370_060_2 ADI_370_060_1 zdecydowanie wyższy stopień utwardzenia (rys. 6) sięgający wartości 550 HV. Taki przyrost twardości może Tabela 4.fazowe, Wyniki badań materiałowych próbek odkształconych teście Taylora sugerować przemiany jakie zaszły w wynikudla deformacji na powierzchniwczołowej próbki. Table 4. Results of the material tests of the samples deformed in Taylor test Tabela 4. Wyniki badań materiałowych dla próbek odkształconych w teście Taylora Tableod4 czoła presents thez results the macroscopic W tabeli tabeli5 zamieszczono 4 zamieszczono wyniki W zbiorcze wynikiobserwacji oceny mikroskopowej każdej próbek of odkształconych observations associated with graphs makroskopowych w skojarzeniu z wykresami uderzeniowo. Stwierdzono znaczną deformację kulek grafitowych w obszarze odkształconym do presenting głębokości the layout of hardness. The deformed rozkładów Widoczne na zdjęciach min. 1 twardości. mm dla próbek żeliwnych. Świadczyodkształto o znacznym zasięgu deformacji, co frontally jednak nie przekładasamples się 78 na zmodyfikowanie mikrostruktury osnowy – zmiany w osnowie ausferrytycznej są nierozpoznawalne dla zastosowanych powiększeń x1000 i należy je szacować objętościowo, za pomocą innych technik Prace IOd 3/2013 badawczych, np. badania magnetyczne. W próbkach stalowych na niewielkiej głębokości (do kilkuset mikrometrów) widoczne są zdeformowane ziarna ferrytu i perlitu (rys. 7b). Dla stali widoczne jest również mniejsze utwardzenie w strefie odkształconej. D. Myszka, T. Cybula: The comparison of the microstructure and the mechanical characteristics of austempered ductile… cone czołowo próbki wykazują we wszystkich przypadkach wzrost twardości w strefie zdeformowanej uderzeniem zarówno przy niższych, jak i wyższych prędkościach uderzenia. Uwagę zwraca fakt zniszczenia próbki żeliwnej dla prędkości 306 m/s oraz nieosiowo zdeformowana próbka S215_1. Zarówno pęknięcie, jak i nieosiowość deformacji mogą być spowodowane niecentrycznym uderzeniem próbki o „kowadło”. Interesującym będzie porównanie próbek: żeliwnej i stalowej odkształconych z niższą prędkością: ADI_370_060_2 i S215_2. Obie próbki mają wyraźną strefę deformacji plastycznej, z tym, że próbka stalowa bardziej „grzybkowaty” charakter, natomiast żeliwna – „beczkowaty”. Obie w strefie odkształconej mają silnie zwiększoną twardość w porównaniu do nieodkształconych części próbki. Próbka żeliwna wykazuje jednak zdecydowanie wyższy stopień utwardzenia (rys. 6) sięgający wartości 550 HV. Taki przyrost twardości może sugerować przemiany fazowe, jakie zaszły w wyniku deformacji na powierzchni czołowej próbki. visible in the pictures in all cases show an increase of hardness in the area deformed from the hit both at lower and at higher speeds of the hit. Attention is drawn to the fact that the cast iron sample was damaged at speed 306 m/s and that sample S215_1 was deformed eccentrically. Both the crack and the misalignment of the deformation can be the result of an eccentric hit of the sample into the ”anvil”. The comparison of cast iron and steel samples deformed at lower speed will be very interesting: ADI_370_060_2 and S215_2. Both samples have a very distinct area of plastic deformation, however, the steel sample is more mushroom-shaped, and the cast iron one – barrel-shaped. In the deformed area both of them have much higher hardness in comparison to the undeformed areas of the samples. The cast steel sample shows a higher level of hardness (Fig. 6) reaching 550 HV. Such a raise in hardness may suggest phase transitions brought by the deformation to the front part of the sample. S215_1 S215_2 Rys. 6. Przyrost twardości na próbkach – różnica pomiędzy najwyższą twardością zmierzoną na czole próbki Rys. 6. Przyrost twardości na próbkach – różnica części pomiędzy najwyższą twardością zmierzoną na czole próbki a twardością nieodkształconej a twardością części nieodkształconej Deformacja próbek z ofżeliwa i stali –poprzez uderzenie w nieodkształcalne „kowadło” powodujein the front of Fig. 6. The increase of hardness the samples the difference between the highest hardness measured zniekształcenie ziaren w mikrostrukturze tych materiałów. W stali, w strefie deformacji, obserwuje się the sample with the hardness of the undeformed part wydłużone, zgniecione ziarna ferrytu, pomiędzy którymi obecny jest perlit (rys. 7b). W żeliwie ziarna płytkowego ferrytu nabierają wyraźnej kierunkowości (rys. 7a). Niewidoczne jednak są zmiany mikrostruktury, które – oprócz zgniotu – mogłyby tak 5 znaczący wzrost twardości w strefie W tabeli 5 zamieszczono zbiorcze wyniki oceny wpłynąć na Table presents collective results of microscopic odkształconej żeliwa. mikroskopowej od czoła każdej z próbek odkształco- evaluation of the front part of each of the samples nych uderzeniowo. Stwierdzono znaczną deformację deformed by hitting. Significant deformation was a) kulek grafitowych w obszarze odkształconym do found in the graphite balls in the area deformed to głębokości min. 1 mm dla próbek żeliwnych. Świadczy the depth of at least 1 mm in cast iron samples. This to o znacznym zasięgu deformacji, co jednak nie prze- reflects the large coverage of deformation which does kłada się na zmodyfikowanie mikrostruktury osnowy not translate into modified structures of the matrix – – zmiany w osnowie ausferrytycznej są nierozpozna- the transformations in the austempered matrix are walne dla zastosowanych powiększeń × 1000 i należy unrecognizable for the used ×1000 enlargements and je szacować objętościowo, za pomocą innych technik their volume has to be estimated with other research badawczych, np. badania magnetyczne. W próbkach techniques e.g. magnetic tests. In steel samples at stalowych na niewielkiej głębokości (do kilkuset mikro- shallow depths (up to several hundred micrometers) metrów) widoczne są zdeformowane ziarna ferrytu there are deformed grains of ferrite and perlite visible i perlitu (rys. 7b). Dla stali widoczne jest również (Fig. 7b). In steel there is also less hardening in the mniejsze utwardzenie w strefie odkształconej. deformed area. b) c) Deformacja próbek z żeliwa i stali poprzez Deformation of the cast iron and steel samples uderzenie w nieodkształcalne „kowadło” powoduje while hitting an aundeformable ”anvil” causes deforzniekształcenie ziaren w mikrostrukturze tych mate- mation of the grains in the microstructure of these Transactions of FRI 3/2013 79 D. Myszka, T. Cybula: Porównanie mikrostruktury i właściwości mechanicznych żeliwa sferoidalnego ausferrytycznego… riałów. W stali, w strefie deformacji, obserwuje się wydłużone, zgniecione ziarna ferrytu, pomiędzy którymi obecny jest perlit (rys. 7b). W żeliwie ziarna płytkowego ferrytu nabierają wyraźnej kierunkowości (rys. 7a). Niewidoczne jednak są zmiany mikrostruktury, które – oprócz zgniotu – mogłyby wpłynąć na tak znaczący wzrost twardości w strefie odkształconej żeliwa. materials. In steel the deformation area is elongated, crushed ferrite grains between the perlite can be observed (Fig. 7b). In cast iron the lamellar ferrite grains become clearly directional (Fig. 7a). However, the transformations of the microstructure are not visible while they – apart from crushing – could influence this significant increase of hardness in the deformed area of the cast iron sample. S215_2 S215_1 ADI_370_060_2 ADI_370_060_1 Tabela 5. Wyniki obserwacji mikroskopowych LM dla próbek odkształconych w teście Taylora Tabela mikroskopowych LM dla próbek odkształconych w teście Taylora Table 5. Wyniki Resultsobserwacji of the LM microscopic observations of the samples deformed in Taylor test 80 Prace IOd 3/2013 Rys. 6. Przyrost twardości na próbkach – różnica pomiędzy najwyższą twardością zmierzoną na czole próbki a twardością części nieodkształconej Deformacja próbek z żeliwa i stali poprzez uderzenie w nieodkształcalne „kowadło” powoduje zniekształcenie ziaren w mikrostrukturze tych materiałów. W stali, w strefie deformacji, obserwuje się zgniecione ziarna pomiędzy którymi obecny jest perlitcharacteristics (rys. 7b). W żeliwie ziarna D. Myszka, T. wydłużone, Cybula: The comparison of ferrytu, the microstructure and the mechanical of austempered ductile… płytkowego ferrytu nabierają wyraźnej kierunkowości (rys. 7a). Niewidoczne jednak są zmiany mikrostruktury, które – oprócz zgniotu – mogłyby wpłynąć na tak znaczący wzrost twardości w strefie odkształconej żeliwa. a) b) c) 7. Mikrostruktura próbek w częścibliskiej bliskiej krawędzi krawędzi zdeformowanej uderzeniem w „kowadło”: Rys. 7. Rys. Mikrostruktura próbek w części zdeformowanej uderzeniem w „kowadło”: zniekształcony w żeliwie sferoidalnym, b) ausferrytyczna sferoidalnego, a) zniekształcony a) grafit w żeliwie grafit sferoidalnym, b) ausferrytyczna osnowaosnowa żeliwa żeliwa sferoidalnego, c) mieszanina ziaren c) mieszanina ziaren ferrytu i perlitu w stali ferrytu i perlitu w stali Bazując na wiedzy o mikrostrukturze żeliwa sferoidalnego ausferrytycznego, wiadomo, że pod wpływem odpowiednio dużego odkształcenia pewna część osnowie tego materiału przemienia się w Fig. 7. Microstructure of the samples on the areaaustenitu close towthe edge deformed after hitting the ”anvil”: twardy martenzyt [4]. Stąd twardość w matrix strefie of odkształconej oraz wyraźny a) deformed graphite in ductile cast tak iron,wysoka b) austempered ductile castuderzeniem iron, c) mixture of ferriteprzyrost and perlite grains zawartości faz ferromagnetycznych w stosunku do miejsc nieodkształconych próbki (rys. 8) (martenzyt jest in steel fazą ferromagnetyczną w przeciwieństwie do austenitu). Rys. 8. Zawartość faz ferromagnetycznych na przekroju próbek żeliwnych po teście Taylora Rys. 8. Zawartość faz ferromagnetycznych na przekroju próbek żeliwnych po teście Taylora Fig. 8. The content of ferromagnetic phases on the section of cast iron samples after Taylor test Podsumowanie Bazując na wiedzy o mikrostrukturze żeliwa On the basis of the knowledge about the microW artykule podjęto problematykę dynamicznej deformacji próbek z żeliwa sferoidalnego ausferrytycznego i sferoidalnego ausferrytycznego, wiadomo, że pod structure of Taylora, austempered ductile iron it is known stali S215. Cylindryczne próbki, odkształcone czołowo w teście wykazują wysokicast wskaźnik wpływem odpowiednio dużego odkształcenia pewna thatstali, under influence of a sufficiently large deforumocnienia. Obliczenia wskazują, że zarówno w przypadku jak ithe żeliwa, wyższe wskaźniki umocnienia w analizowanym przypadku powodują niższe prędkości próbek. Zarejestrowany został również część austenitu w osnowie tego materiału prze- odkształcenia mation some proportion of austenite in the matrix of twardości w strefie[4]. dynamicznej W próbkach stalowych przyrost w mienia sięwzrost w twardy martenzyt Stąd takdeformacji wysoka próbek. the material is transformed into twardości hard martensite [4]. stosunku do miejsc nieodkształconych był jednak zdecydowanie mniejszy niż w żeliwie i sięgał 96 HV. W twardość żeliwie w strefie odkształconej uderzeniem oraz Hence, such a high hardness in the deformed area o osnowie ausferrytycznej strefa odkształcona ma twardość sięgającą 550 HV, co wskazuje na wyraźny przyrost zawartości faz ferromagnetyczand pronounced increase in the content of ferromagobecność twardej fazy – martenzytu. W wyniku oceny magnetycznej stwierdzono, że martenzyt pojawia się w osnowie w wyniku odkształcenia i jest produktem przemiany paramagnetycznego austenitu. nych w stosunku dożeliwa miejsc nieodkształconych próbki netic phases in relation to the undeformed areas of Test Taylora pozwolił na porównanie żeliwa sferoidalnego ausferrytycznego ze stalą S215 w warunkach dynamicznego odkształcenia. Oba materiały umacniają się w wyniku uderzenia o nieodkształcalne jednak mechanizmy tego umocnienia są inne. W stali dominującym jest zgniot, w przypadku Transactions„kowadło”, of FRI 3/2013 żeliwa o osnowie ausferrytycznej dodatkowo pojawia się umocnienie poprzez przemianę austenitu w martenzyt inicjowaną odkształceniem. Literatura 81 D. Myszka, T. Cybula: Porównanie mikrostruktury i właściwości mechanicznych żeliwa sferoidalnego ausferrytycznego… (rys. 8) (martenzyt jest fazą ferromagnetyczną w przeciwieństwie do austenitu). the sample (Fig. 8) (the martensite phase is ferromagnetic as opposed to austenite). Podsumowanie Conclusions W artykule podjęto problematykę dynamicznej deformacji próbek z żeliwa sferoidalnego ausferrytycznego i stali S215. Cylindryczne próbki, odkształcone czołowo w teście Taylora, wykazują wysoki wskaźnik umocnienia. Obliczenia wskazują, że zarówno w przypadku stali, jak i żeliwa, wyższe wskaźniki umocnienia w analizowanym przypadku powodują niższe prędkości odkształcenia próbek. Zarejestrowany został również wzrost twardości w strefie dynamicznej deformacji próbek. W próbkach stalowych przyrost twardości w stosunku do miejsc nieodkształconych był jednak zdecydowanie mniejszy niż w żeliwie i sięgał 96 HV. W żeliwie o osnowie ausferrytycznej strefa odkształcona ma twardość sięgającą 550 HV, co wskazuje na obecność twardej fazy – martenzytu. W wyniku oceny magnetycznej stwierdzono, że martenzyt pojawia się w osnowie żeliwa w wyniku odkształcenia i jest produktem przemiany paramagnetycznego austenitu. Test Taylora pozwolił na porównanie żeliwa sferoidalnego ausferrytycznego ze stalą S215 w warunkach dynamicznego odkształcenia. Oba materiały umacniają się w wyniku uderzenia o nieodkształcalne „kowadło”, jednak mechanizmy tego umocnienia są inne. W stali dominującym jest zgniot, w przypadku żeliwa o osnowie ausferrytycznej dodatkowo pojawia się umocnienie poprzez przemianę austenitu w martenzyt inicjowaną odkształceniem. The article touches upon the issue of dynamic deformation of austempered ductile cast iron and S215 steel. Cylindrical samples, deformed frontally in the Taylor test, show a high strengthening coefficient. The calculations show that both in the case of steel and cast iron the higher strengthening coefficients in the analyzed case cause lower speeds of sample deformation. An increase of hardness in the area of dynamic deformation of the samples was also recorded. In the steel samples the increase of hardness compared to the undeformed areas was significantly lower than in cast iron and reached 96 HV. In cast iron with austempered matrix the deformed area’s hardness reaches 550 HV, which indicates the presence of the hard phase – martensite. The magnetic evaluation shows that martensite in the matrix occurs due to deformation of the iron and is a product of paramagnetic austenite transformation. The Taylor test allowed comparing austempered ductile cast iron with S215 steel in dynamic deformation. Both materials hardened after hitting the undeformable ”anvil” but the mechanisms of this process are different. In steel the deformation is dominant, and in the case of cast iron with austempered matrix there occurs additional hardening due to transformation of austenite in martensite initiated by the deformation. Literatura/References 1. Janiszewski J., Gacek J., Burdek M., Stępień J. (2010). Badania dynamicznych właściwości materiałów stosowanych na korpusy. Prace Instytutu Metalurgii Żelaza, 1(62), 118–123. 2. Grązka M. (2011). Analiza numeryczna deformacji walcowej próbki w zderzeniowym teście Taylora. Postępy Nauki i Techniki, 7, 186–194. 3. www.ductlie.org. 4. Guzik E. (2001). Procesy uszlachetniania żeliwa – wybrane zagadnienia. Monografia nr 1M Katowice: Archiwum Odlewnictwa PAN. 5. Myszka D., Kaczorowski M., Tybulczuk J. (2003). Żeliwo sferoidalne ausferrytyczne – bezpośrednio hartowane izotermicznie. Kraków: Instytut Odlewnictwa. 6. Myszka D., Pokorska I., Mońka G. (2011). Umocnienie warstwy wierzchniej odlewów z żeliwa sferoidalnego ausferrytycznego poddanych kulowaniu. Inżynieria Materiałowa, 4(182), 616–619. 7. Jeleńkowski J. (2005). Kształtowanie struktury stali Fe-26Ni-2Ti z wykorzystaniem przemiany martenzytycznej. Warszawa: Oficyna Wydawnicza PW. 8. Myszka D. (2007). Austenite-martensite transformation in austempered ductile iron. Archives of Metallurgy and Materials, 3(52), 475–480. 9. Garin J. L., Mannheim R. L. (2003). Strain-induced martensite in ADI alloys. Journal of Materials Processing Technology, 143–144, 347–351. 10. Nili Ahmadabadi M. (1997). Bainitic transformation in austempered ductile iron with reference to untransformed austenite volume phenomenon. Metall. Mater. Trans. A 28(10), 2159–2162. 82 Prace IOd 3/2013