międzymetalicznej FeAl
Materiały na osnowie fazy międzymetalicznej FeAl o strukturze B2 zwykle cechują się niską odkształcalnością, ograniczoną odpornością na działanie obciążenia dynamicznego i podatnością na kruche pękanie.
Dlatego powszechne metody badania właściwości mechanicznych, takie jak statyczne próby rozciągania lub próby dynamiczne (np. próby udar-ności), nie zawsze są wystarczające do oceny technicznej przydatności takich materiałów. Na właściwości mechaniczne wpływa wiele czynni-ków, m.in. skład chemiczny oraz stan wyjściowy materiału. Stopy na osnowie fazy międzymetalicznej FeAl o składzie podstechiometrycznym charakteryzują się uporządkowaniem dalekiego zasięgu, zwiększającym się wraz ze wzrostem stężenia aluminium. Granica plastyczności oraz twardość zmieniają się w funkcji udziału aluminium, osiągając wartości maksymalne dla składu stechiometrycznego. Sposób pękania stopów na osnowie fazy międzymetalicznej FeAl w temperaturze pokojowej jest rów-nież zależny od zawartości aluminium. W stopach zawierających poniżej 45% at. aluminium obserwuje się niewielkie wydłużenie względne, a powierzchnia przełomu obejmuje obszary pękania międzykrystalicz-nego oraz transkrystaliczmiędzykrystalicz-nego kruchego.
Rys. 2.1.1. Rodzaje przełomów występujących w stopach na osnowie fazy między-metalicznej FeAl w zależności od zawartości aluminium
Fig. 2.1.1. Types of fractures occurring in alloys based on the FeAl intermetallic phase depending on the aluminum content
Źródło: Opracowanie własne.
Dla stopów o zawartości aluminium poniżej 38% at. obserwuje się występowanie jedynie przełomu transkrystalicznego łupliwego, na-tomiast przy zawartości aluminium powyżej 48% pękanie przebiega całkowicie po granicach ziaren, co prowadzi do uzyskania przełomu międzykrystalicznego [16].
Poza zawartością aluminium w stopie ważną rolę odgrywa również mikrododatek boru, który zwiększa kohezję granic ziaren w stopach FeAl o zawartości aluminium przekraczającej 40% at. Uzyskany dla takiego składu chemicznego przełom próbek po statycznej próbie roz-ciągania w powietrzu jest transkrystaliczny łupliwy w porównaniu ze stopem bez mikrododatku boru, w którym obserwuje się pękanie po granicach ziaren (przełom międzykrystaliczny). Bor segreguje do gra-nic ziaren, wzmacniając ich kohezję, jednak ze wzrostem zawartości aluminium w stopie jego działanie maleje, czego wynikiem jest pęka-nie międzykrystaliczne [16]. W pracy [22] określono wpływ wielkości ziarna na wydłużenie oraz sposób pękania stopów na osnowie fazy mię-dzymetalicznej FeAl w temperaturze pokojowej. Zmniejszenie wielko-ści ziarna stopu z 400 do 50 µm o zawartowielko-ści aluminium na poziomie ok. 45% at. oraz z mikrododatkiem boru (0,05%) przy jednoczesnym wygrzewaniu redukującym liczę nadmiarowych wakansów pozwala na uzyskanie wyższej plastyczności o ok. 5%, a tym samym zmianę cha-rakteru pękania z transkrystalicznego dla stopu gruboziarnistego na mieszany dla stopu o zmniejszonej wielkości ziarna.
Tabela 2.1.1 Wpływ wielkości ziarna na wydłużenie oraz sposób pękania stopów
na osnowie fazy międzymetalicznej FeAl
Skład
-Źródło: Bystrzycki J.: Niekonwencjonalne metody kształtowania struktury i właś-ciwości stopów na osnowie fazy międzymetalicznej FeAl. WAT. Rozprawa habilitacyjna, Bel Studio, Warszawa 2004.
Pękanie stopu o strukturze B2 jest procesem złożonym, a zmniejsze-nie wielkości ziarna bez przeprowadzenia określonej obróbki cieplnej nie wpływa na zmianę charakteru przełomu stopu na osnowie fazy mię-dzymetalicznej FeAl (tabela 2.1.1).
Podobne rozważania w swojej pracy [48] prowadzili Fraś i Kopy-ciński, którzy dowiedli, że na wielkość ziarna, a tym samym właści-wości mechaniczne ma również wpływ dodatek chromu i tytanu do składu chemicznego stopów na osnowie fazy międzymetalicznej FeAl.
Na rys. 2.1.2 pokazano wpływ składu chemicznego na wielkość ziaren w strukturze wysokoaluminiowych stopów. Z przeprowadzonych ba-dań wynika, że dodatki boru i tytanu rozdrabniają strukturę stopów FeAl. Takie założenie potwierdzone zostało również przez Bohadura i Mohantego, których wyniki opublikowano w pracy [3]. Badania te dowiodły m.in., że wprowadzenie boru i tytanu do stopów FeAl i Fe3Al rozdrabnia mikrostrukturę oraz zmienia rodzaj kryształów ze słupko-wych na równoosiowe. Należy podkreślić, że w wyniku domieszko-wania samym borem mikrostruktura wysokoaluminiowych stopów w zasadzie nie ulega zmianie. Dopiero jednoczesne wprowadzenie boru i tytanu powoduje jej rozdrobnienie. Zjawisko to spowodowane jest efektem synergicznym pomiędzy borem i tytanem, który zwiększa licz-bę zarodków krystalizacji.
Rys. 2.1.2. Wpływ składu chemicznego na liczbę ziaren dla stopu Fe-C-Al
Fig. 2.1.2. Influence of chemical composition on the number of grains for Fe-C-Al alloy
Źródło: Fraś E., Kopyciński D.: Mikrostruktura i właściwości wysokoaluminiowych stopów Fe-C-Al z dodatkami tytanu, niobu, chromu i boru. Inżynieria Ma-teriałowa, 5, 2007, s. 835-839.
W tabeli 2.1.2 przedstawiono skład chemiczny stopów, na których autorzy Fraś i Kopyciński prowadzili badania, a w tabeli 2.1.3 uzyska-ne wyniki właściwości mechanicznych. Z tabeli 2.1.3 wynika, że przy stałej zawartości chromu (wytopy 2B, 4B i 6B oraz 3B, 5B i 7B) zwięk-szanie zawartości aluminium w stopach Fe-C-Al od 13% mas. do 26%
mas. powoduje zmniejszanie się ich wytrzymałości na rozciąganie Rm. Dla stopów o zawartości aluminium na poziomie 13%mas. (wytopy 1B-3B) podwyższenie zawartości chromu od 2% do 4% zwiększa wy-trzymałość na rozciąganie Rm o ok. 130% i znacznie obniża twardość.
W stopach o większych zawartościach aluminium (wytopy 4B-7B) wpływ chromu na wytrzymałość na rozciąganie Rm i twardość jest mały.
Tabela 2.1.2 Skład chemiczny badanych stopów, procent masowy
Źródło: Fraś E., Kopyciński D.: Mikrostruktura i właściwości wysokoaluminiowych stopów Fe-C-Al z dodatkami tytanu, niobu, chromu i boru, Inżynieria Mate-riałowa, 5, 2007, s. 835-839.
Tabela 2.1.3 Zestawienie właściwości mechanicznych badanych stopów
oznaczenie Rm [MPa] HV30
1B 164 631±1
Źródło: Fraś E., Kopyciński D.: Mikrostruktura i właściwości wysokoaluminiowych stopów Fe-C-Al z dodatkami tytanu, niobu, chromu i boru, Inżynieria Mate-riałowa, 5, 2017, s. 835-839.
Stopy na osnowie fazy międzymetalicznej Fe40Al w stanie po od-laniu charakteryzują się niejednorodną wielkością ziarna oraz wy-stępowaniem wad odlewniczych w postaci pustek lub rzadzizn [26].
Obecność tych wad wpływa na poziom właściwości mechanicznych stopu oraz charakter pękania. Przeróbka plastyczna pozwala na ujed-norodnienie mikrostruktury stopu na osnowie fazy międzymetalicznej FeAl oraz zmniejszenie wielkości ziarna, co prowadzi do uzyskania wyższych właściwości mechanicznych tego materiału (granicy pla-styczności, wytrzymałości na rozciąganie, twardości). Badania prze-prowadzone przez autora monografii i innych w pracach [26, 28, 25]
na stopie Fe40Al5Cr0,2TiB pozwoliły na wyznaczenie podstawowej
charakterystyki mechanicznej badanego stopu, tj. granicy plastyczności, wytrzymałości na rozciąganie i wydłużenia względnego (tabela 2.1.4) w stanie po krystalizacji oraz po przeróbce plastycznej metodą walco-wania. Wskazują one na niską plastyczność w przypadku materiału po odlaniu bez względu na temperaturę prowadzonej próby rozciągania, natomiast przeróbka plastyczna znacznie poprawia właściwości mecha-niczne stopu Fe40Al5Cr0,2TiB.
po krystalizacji 20 - 256
-Fe40Al5Cr0,2TiB
po walcowaniu 20 398 458
-Fe40Al5Cr0,2TiB
po krystalizacji 600 - 240
-Fe40Al5Cr0,2TiB
po walcowaniu 600 387 421 7
Źródło: Cebulski J., Pasek D.: Mechanical properties and nature of cracking FeAl al-loys. Metal 2019, May 22nd-24th 2019, Brno, Czech Republic.
Uzyskany przez przeróbkę plastyczną wzrost wytrzymałości na roz-ciąganie, połączony z możliwością wyznaczenia granicy plastyczności, wynika z usunięcia struktury dendrytycznej, która w odlewie występu-je w szczególnie dużym udziale. Obecność struktury pierwotnej została wykazana na podstawie badań za pomocą elektronowego mikroskopu skaningowego przełomów po statycznej próbie rozciągania (rys. 2.1.3--2.1.6). Wyniki statycznej próby rozciągania zarówno w temperaturze pokojowej, jak i w temperaturze 600°C wykazały utrzymanie tej ten-dencji, a powierzchnie pęknięć stopu po krystalizacji miały struktu-rę dendrytyczną na znacznej części powierzchni. Wykazano również zróżnicowanie składu chemicznego w obszarach dendrytycznych, skut-kujące spadkiem zawartości aluminium w dendrytach w stosunku do obszarów poza dendrytami. Wysokotopliwe składniki krystalizujące w dendrytach powodują spadek stężenia aluminium do wartości, po-niżej której nie powstanie faza FeAl, a determinujący występowanie fazy Fe3Al. Przedstawione na rys. 2.1.7 i w tabeli 2.1.5 wyniki mikro-analizy rentgenowskiej składu chemicznego pierwiastków obrazują rozmieszczenie poszczególnych składników stopu w obszarach ziaren
i dendrytów. Segregacja składu chemicznego, warunkująca tworzenie się różnych faz międzymetalicznych po krystalizacji, skutkuje tym, że materiał będzie wykazywał niejednorodną fazową strukturę i róż-ne właściwości, a materiał będzie narażony na degradację struktury i właściwości w sposób trudny do przewidzenia (w tabeli 2.1.5 kolorem czerwonym zaznaczono różnice w stężeniu aluminium w zależności od badanego obszaru). Uzyskane wyniki potwierdzają wcześniejsze analizy i badania własne prowadzone nad stopami z układu Fe-Al i wskazują na celowość przeróbki plastycznej do zwiększenia potencjału aplikacyjne-go stopu Fe40Al5Cr0,2TiB. Nieliczne przypadki, w których można sto-sować stopy międzymetaliczne FeAl niepoddane przeróbce plastycznej, dotyczą elementów o niewielkich wymiarach, wykonywanych najczęś-ciej metodami obróbki elektroiskrowej z materiału pobranego z obsza-rów wlewka o możliwie najmniejszej liczbie wad odlewniczych z części pozbawionej dendrytów. Występują one poza osią wlewka, jednak cha-rakteryzują się gruboziarnistością, która dodatkowo sprzyja kruchemu pękaniu. Stopy FeAl przerobione plastycznie po statycznej próbie roz-ciągania wykazują jednorodny przełom pozbawiony dendrytów [28], co potwierdza zasadność prowadzenia przeróbki plastycznej.
Rys. 2.1.3. Powierzchnia pęknięcia stopu Fe40Al5Cr0,2TiB po statycznej próbie roz-ciągania, materiał odlewany, temperatura 20°C. Przełom transkrystalicz-ny łupliwy z obszarami dendrytycztranskrystalicz-nymi
Fig. 2.1.3. Crack surface Fe40Al5Cr0,2TiB alloy after static tensile test, cast materi-al, temperature 20°C. Fissile transcrystalline breakthrough with dendritic areas
Źródło: Badania własne.
Rys. 2.1.4. Powierzchnia pęknięcia stopu Fe40Al5Cr0,2TiB po statycznej próbie rozciągania, materiał po walcowaniu, temperatura 20°C. Przełom tran-skrystaliczny łupliwy
Fig. 2.1.4. Crack surface Fe40Al5Cr0,2TiB alloy after static tensile test, material after rolling, temperature 20°C. Fissile transcrystalline breakthrough Źródło: Badania własne.
Rys. 2.1.5. Powierzchnia pęknięcia stopu Fe40Al5Cr0,2TiB po statycznej próbie roz-ciągania, materiał odlewany, temperatura 600°C. Przełom międzykrysta-liczny z obszarami dendrytycznymi
Fig. 2.1.5. Crack surface Fe40Al5Cr0,2TiB alloy after static tensile test, cast ma-terial, temperature 600°C. Intercrystalline breakthrough with dendritic areas
Źródło: Badania własne.
Rys. 2.1.6. Powierzchnia pęknięcia stopu Fe40Al5Cr0,2TiB po statycznej próbie roz-ciągania, materiał po walcowaniu, temperatura 600°C. Przełom między-krystaliczny kruchy
Fig. 2.1.6. Crack surface Fe40Al5Cr0,2TiB alloy after static tensile test, cast ma-terial, temperature 600°C. Inter-crystalline breakthrough with dendritic areas
Źródło: Badania własne.
Rys. 2.1.7. Mikroanaliza rentgenowska składu chemicznego przełomu stopu Fe40Al5Cr0,2TiB po odlaniu i statycznej próbie rozciągania w tempera-turze otoczenia
Fig. 2.1.7. X-ray microanalysis of the chemical composition of the Fe40Al5Cr0,2TiB alloy breakthrough after casting and static tensile test at ambient temperature
Źródło: Badania własne.
Tabela 2.1.5 Wyniki mikroanalizy rentgenowskiej składu chemicznego przełomu
stopu Fe40Al5Cr0,2TiB po odlaniu i statycznej próbie rozciągania w temperaturze otoczenia
Badany stop Fe40Al5Cr0,2TiB poddano przeróbce plastycznej me-todą wyciskania. Przeprowadzone badania rozciągania stopu po wyci-skaniu w temperaturze podwyższonej w zakresie 600-900°C wykazały wzrost właściwości wytrzymałościowych w porównaniu z materiałem po krystalizacji [25].
Tabela 2.1.6 Wyniki statycznej próby rozciągania stopu Fe40Al5Cr0,2TiB po krystalizacji
oraz po wyżarzaniu ujednorodniającym i wyciskaniu
Tempera-tura [°C] Fe40Al5Cr0,2TiB po krystalizacji Fe40Al5Cr0,2TiB po wyciskaniu Rm [MPa] R0,2 [MPa] Z [%] Rm [MPa] R0,2 [MPa] Z [%]
600 261 - 2 454 410 8
700 206 - 7 315 170 21
800 121 62 8 192 94 36
900 48 38 10 106 79 73
Źródło: Cebulski J., Lalik S., Niewielski G.: Mechanical properties of Fe40Al5Cr0.2TiB alloy after plastic deformation by extrusion. Inżynieria Materiałowa, 3-4, 2007, p. 124-127.
Rys. 2.1.8. Porównanie wytrzymałości na rozciąganie stopu Fe40Al5Cr0,2TiB po krystalizacji i po przeróbce plastycznej metodą wyciskania
Fig. 2.1.8. Comparison of tensile strength of the Fe40Al5Cr0.2TiB alloy after cry-stallization and after plastic working by extrusion
Źródło: Cebulski J., Lalik S., Niewielski G.: Mechanical properties of Fe40Al5Cr0.2TiB alloy after plastic deformation by extrusion. Inżynieria Materiałowa, 3-4, Katowice 2007, s. 124-127.
2.2. Żaroodporność stopu na osnowie fazy międzymetalicznej