Badania mikrostrukturalne

Porównawcze badania mikrostrukturalne stali austenitycznej X5CrNi18-10 poddanej działaniu obciążeń proporcjonalnych i nieproporcjonalnych opisano w pracach autora [120, 121]. Próbki poddano trzem rodzajom testów: rozciąganiu (próba A), skręcaniu (próba B) i obciążeniu nieproporcjonalnemu – naprzemiennemu rozciąganiu i skręcaniu w blokach po 500 cykli aż do zniszczenia (próba C). Badania wykonano przy częstotli-wości 0,5 Hz. Wartość naprężenia przy rozciąganiu wynosiła 440 MPa, a przy skręcaniu 380 MPa. W przypadku obciążeń jednoosiowych – prób A i B – trwałość była na po-ziomie 20 000 cykli. Trwałość dla obciążenia nieproporcjonalnego – próba C – była znacznie mniejsza i wynosiła średnio około 10 000 cykli.

Po testach zmęczeniowych wykonano zgłady metalograficzne. Próbkę przecięto wzdłuż osi, tak aby płaszczyzna zgładu dzieliła symetrycznie strefę zmęczeniową złomu (rys. 7.16.b). Obserwacje mikroskopowe przeprowadzano na zgładach nietrawionych i trawionych odczynnikiem do ujawnienia struktury austenitycznej. Skład odczynnika:

1 cz. obj. HNO3 + 2 cz. obj. HF + 3 cz. obj. gliceryny (odczynnik o symbolu Mi16Fe PN-61/H-014503). Obserwacje prowadzono również za pomocą skaningowego skopu elektronowego. Na rysunku 7.16.a przedstawiono miejsca fotografowania mikro-struktury na przekroju wzdłużnym próbek. Miejsca oznaczone „1” i „2” znajdowały się przy brzegu próbki od strony złomu. Natomiast miejsca „3” i „4” położone były w od-ległości 1 mm od krawędzi złomu. W miejscu „0”, w części chwytowej próbek wyko-nano zdjęcie struktury nieodkształconej.

a) b)

Rys. 7.16. Przekrój zmęczeniowych próbek A, B i C; 0, 1, 2, 3 i 4 – miejsca fotografowania mikrostruktury

Przyjęta w badaniach wartość obciążeń cyklicznych spowodowała przemianę martenzy-tyczną indukowaną odkształceniem plastycznym w częściach pomiarowych próbek dla wszystkich rodzajów obciążeń. Po próbach zmęczeniowych części pomiarowe próbek stały się ferromagnetyczne. Przy rozciąganiu nominalna wartość odkształcenia całkowi-tego wynosiła εa ≅ 0,0025, a odkształcenia plastycznego εpl ≅ 0,0005. Dla materiałów o zbliżonych właściwościach są to wartości bliskie granicznym wartościom cyklicznego odkształcenia, przy których zainicjowana zostaje przemiana martenzytyczna indukowa-na odkształceniem plastycznym, a mianowicie: εpl = 0,0003 dla stali 304L [47] oraz εa= 0,0025÷0,0030 i εpl = 0,0006 dla stali X2CrNi18-9 [10, 48].

Obrazy uzyskane z części roboczych próbek porównano ze zdjęciem uzyskanym w miejscu „0”. Na zgładzie w części chwytowej widoczne są ziarna austenitu z licznymi bliźniakami (rys. 7.17). W ziarnach tych nie widać ani pasm poślizgu ani śladów

prze-3 4

7. Sformułowanie kryteriów wytrzymałości i trwałości zmęczeniowej

102

miany martenzytycznej. Część chwytowa po próbie zmęczeniowej pozostaje parama-gnetyczna.

Rys. 7.17. Mikrostruktura stali X5CrNi18-10. Zdjęcie próbki A po próbie zmęczeniowej wyko-nane w części chwytowej w miejscu 0. Powiększenie 130x. Trawiono odczynnikiem Mi16Fe

Analiza mikrostruktury stali próbek A, B i C w ich częściach roboczych wykazała róż-nicę w rozmieszczeniu i intensywności przemiany fazowej. W przypadku próbki A na całym przekroju widoczne są skutki równomiernego wytężenia stali (rys. 7.18.a i 7.18.d). Bez względu na strefę przekroju, mikrostruktura nie wykazuje znaczących różnic. W austenicie występuje martenzyt odkształceniowy i w mniejszym, śladowym udziale linie poślizgu.

Z kolei analizując mikrostrukturę z próby B (rys. 7.18.b i 7.18.e) można stwierdzić, że w odległości 1 mm od krawędzi złomu i na głębokości 1,5 mm od powierzchni walco-wej próbki są ziarna austenitu, w których nie ma wydzieleń fazy α’. Przemiana nie zo-stała zainicjowana ze względu na zbyt małą na tym promieniu wartość naprężeń od skręcania.

W przypadku próbki C, podobnie jak w próbce A, intensywność przemiany jest rów-nomierna na całym przekroju próbki (rys. 7.18.c i 7.18.f).

Do ciekawych spostrzeżeń można dojść porównując intensywność przemiany pomiędzy rodzajami obciążeń. Z obserwacji organoleptycznych i jakościowych mikrostruktury stali wynika, że przemiana indukowana odkształceniem plastycznym była najbardziej intensywna w próbce C (rys. 7.18.c, d), a zatem w przypadku, gdy obciążenie zmęcze-niowe charakteryzowała zmienność kierunków głównych. Próbki poddane obciążeniom proporcjonalnym (7.18.a, b, d, e) charakteryzowały się wydzieleniami martenzytu mniej licznymi i w mniejszej liczbie ziaren.

7.7. Analiza wyników badań pomocniczych

a) b) c)

d) e) f)

Rys. 7.18. Mikrostruktura stali próbek: A – z miejsca 3 – a) i 4 – d); B – z miejsca 3 – b) i 4 – e);

C – z miejsca 3 – c) i 4 – f). Powiększenie 270x. Trawiono odczynnikiem Mi16Fe Jeleńkowski [43] omawiając dyslokacyjny mechanizm odkształceniowej przemiany martenzytycznej stwierdza, że istotny wpływ na intensywność przemiany ma zmiana

7. Sformułowanie kryteriów wytrzymałości i trwałości zmęczeniowej

104

kierunku i zwrotu działającego obciążenia. Z drugiej strony w niniejszej pracy starano się dowieść, że stopień nieproporcjonalności obciążenia zależy także od zakresu obrotu wektora maksymalnego naprężenia stycznego. W jednym i drugim przypadku dla prze-biegu procesu ważna jest zmienność kierunku działającego obciążenia. Ponadto wiado-mo, że w przypadku obu zjawisk ważną rolę odgrywają te same parametry materiałowe, np. energia błędu ułożenia. Czy w związku z powyższym oraz biorąc pod uwagę do-strzeżoną korelację pomiędzy intensywnością przemiany a uzyskanymi wynikami trwa-łości zmęczeniowej (intensywniejsza przemiana ≡ spadek trwatrwa-łości) można stwierdzić, że intensywność przemiany martenzytycznej ma związek ze stopniem nieproporcjonal-ności obciążenia? Nasuwa się pytanie czy intensywność przemiany świadczyć może o stopniu nieproporcjonalności obciążenia.

7.8. Wnioski

1. W wyniku przeprowadzonych badań trwałości zaobserwowano, że w przypad-ku materiału wrażliwego na nieproporcjonalność istnieje wpływ zakresu obrotu osi głównych na trwałość zmęczeniową. Są więc podstawy do stwierdzenia, że o stopniu nieproporcjonalności obciążenia decyduje, oprócz modułu obracają-cego się wektora naprężenia, również jego położenie.

2. Biorąc pod uwagę, że:

– w przypadku materiału niewrażliwego na nieproporcjonalność efekt zmniejszenia trwałości w warunkach obciążenia nieproporcjonalnego nie został zaobserwowany,

– zaobserwowano związek pomiędzy typem obciążenia proporcjonalnym i nieproporcjonalnym a intensywnością przemiany martenzytycznej indu-kowanej odkształceniem plastycznym,

– podobieństwo przełomów zmęczeniowych w warunkach obciążeń jedno- i wieloosiowych proporcjonalnych świadczy, że charakter procesu zmęcze-niowego w przypadku obu rodzajów obciążeń wykorzystanych do budowy obciążenia blokowego, nie był jakościowo różny,

można ostatecznie stwierdzić, że zaproponowana metodyka badawcza pozwala na zbadanie wybranej cechy obciążenia nieproporcjonalnego. Uzyskane wyniki trwałościowe są więc rezultatem tylko działania nieproporcjonalności obciąże-nia o kontrolowanej wartości i żadne inne cechy tego obciążeobciąże-nia nie miały znaczącego wpływu na uzyskane wyniki.

3. Na podstawie:

– porównania trwałości dla przypadków jedno- i wieloosiowych proporcjonal-nych dla stali X5CrNi18-10 oraz porównania trwałości jedno- i wieloosio-wych proporcjonalnych i nieproporcjonalnych stopu aluminium AW-6101B, – analizy korelacji położenia płaszczyzny złomu zmęczeniowego i

płasz-czyzn krytycznych w przypadku stali X5CrNi18-10, dla dwuosiowych ob-ciążeń proporcjonalnych i nieproporcjonalnych,

można stwierdzić, że proponowane w pracy naprężenie ekwiwalentne propor-cjonalne opiera się na poprawnych założeniach fizycznych, pozwala na po-prawne szacowanie trwałości zmęczeniowej i może służyć do budowy obcią-żenia blokowego różnych typów.