Zmiany w strukturze stali pod wpływem zmęczenia

(1)

________ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLISKIEJ

Nr 41 MECHANIKA z09 1961

TADEUSZ ŚWIERZ , JAN ADAMCZYK

ZMIANY W STRUKTURZE STALI POD WPŁYWEM ZMOCZENIA

Streszczenies Przeprowadzono próby zmęczenia stali konstrukcyjnej 35 przy naprężeniach obu- stronnie zmiennych skręcająco - zginających.

Przedstawiono zmiany strukturalne w staliw zależ

ności od ilości cykli i wielkości naprężenia zmien

nego o

1 o Cel i zakres badań

Badanie niniejsze jest częścią pracy badawczo-nauko

wej, mającej na celu określenie stadium zmęczenia ele«

mentu maszynowego, pracującego pod zmiennym obciążeniem skręcająco - zginającym0 Praca obejmuje badania metalo- graficzne i rentgenograficzne stali zmęczonej oraz pró

bę ilościowego określenia tych zmian w zależności od ilości cykli i wielkości naprężenia,,

W artykule przedstawiono metodę badań zmęczeniowych oraz jakościowe zmiany struktury pod wpływem naprężeń zmiennych przy różnej ilości zmian obciążenia (cykli)0

2 C Przegląd piśmiennictwa

Na wykresie rozciągania próbki w zakresie odkształ

ceń sprężystych, linia obciążenia nie pokrywa się z li

nią odciążenia -rys01. , a więc praca zużyta na odkształ

cenie próbki przy obciążeniu nie jest oddawana w ca

łości przy odciążeniu. Zjawisko to nosi nazwę histerezy sprężystej (2). Oprócz występowania zjawiska histerezy sprężystej szczególnie przy naprężeniach wahadło zmień-

/

(2)

52 T.Ćwierz * J.Adamczylc

nych wystąpić może również histereza plastyczna - od

kształceniowa (1,4,5)* której towarzyszy w każdym cyklu obciążenia nieprzerwany wzrost odkształcenia trwałego -rys.2 .

Rys.1. Pętla histerezy sprężystej przy rozciąganiu (5)

Rys * 2. Pętla histerezy plastycznej przy naprężeniach wahadłowych (5)

(3)

Zmiany w strukturze stali . ... 53

Pochłanianie energii przy histerezie plastycznej ma wyraźnie charakter nieodwracalny, towarzyszy mu nieprzer

wane wydzielanie się ciepła i znaczne nagrzewanie się próbki.

W wyniku energii straconej wskutek histerezy odkształ

ceniowej następuje pov/olne naruszenie spójności w meta

lu, które może doprowadzić do powstania pęknięcia zmę

czeniowego w. miejscu najbardziej osłabionym.

Zjawisko zmęczenia metalu do chwili obecnej nie jest jeszcze dokładne wyjaśnione. Wydaje się mało prawdopo

dobnym, aby zjawisko zmęczenia można wyjaśnić jedno

znacznie na podstawie uproszczonego modelu struktury me

talu, dla którego podobnie jak w teorii sprężystości przyjmuje się, że posiada on budowę izotropową, W rzeczywistości metale są ciałami ąuasiizotropowymi, zło

żonymi z drobnych zorientowanych ziarn, których własno

ści mechaniczne wykazują cechy kierunkówości. Poza tym poszczególne ziarna oddzielone są od siebie granicami, na których występują często wtrącenia niemetaliczne,mi

kroskopijne pory wynikłe z zakłóceń uporządkowania ato

mów i inne. Przy krystalizacji metalu zaistnieć może stan zakłócenia porządku atomowego nawet w poszczególnym ziarnie, wobec czego należy się liczyć z tym, że tylko niewielkie części ziarna "bloki” wykazywać będą własno

ści izotropowe.

Na skutek różnych własności mechanicznych, jakie wy

kazują poszczególne ziarna i blokijpo przełożeniu obcią

żenia powstaną w nich różne naprężenia. Mimo że naprę

żenia średnie (nominalne) na przekroju materiału są jeszcze znacznie niższe od granicy sprężystości, to w niektórych blokach czy ziarnach granica ta może zostać przekroczona, na skutek czego doznają one pewnych od

kształceń plastycznych.

W ziarnach tych otoczonych ośrodkiem odkształconym sprężyście już po kilku zmianach obciążenia - cyklach zachodzi umocnienie materiału w wyniku zmiennych od

kształceń plastycznych i obniżenie granicy sprężystości wskutek efektu Bauschingera (4,6)«

W konsekwencji tego przy dostatecznej ilości zmian obciążenia w blokach i ziarnach "słabych" nastąpić może przekroczenie granicy plastyczności, a dalej wytrzyma

łości - co z kolei prowadzi do powstania mikropęknięć wywołujących zaburzenie stanu naprężeń podobnie jak przez wtrącenia niemetaliczne i pory.

(4)

54 To Świ erz, J 0 Adamc zyk

Dalszy rozwój, czy przerwanie rozrostu mikropęknięć zależy od sprężystego otoczenia odkształconych bloków czy ziarn oraz od rozkładu naprężeń. Tego rodzaju od

kształcenia spowodowane są wyłącznie działaniem naprężeń stycznycho

Stopniowy rozwój mikropęknięć, łączenie się ich w większe, przebiegające przez szereg bloków, a dalej przez ziarno i jego granice, powoduje powstanie makropęknięcia - bezpośredniej przyczyny złomu zmęczeniowego.

Zjawisko zmęczenia usiłuje wyjaśnić wielu autorówn Jedną z najbardziej rozpowszechnionych i ogólnie przyjęć tych jesti&ada opracowana przez Orowana (7JU E© ladaria zjawisk zmęczenia posłużył się specjalnym układem kinema

tycznym, składającym się ze sprężyn i ciała odkształcał- nego plastycznie. Teoria podana przez Orowana jest na ogół zgodna z wywodami Gough*a i Wood^a (8), i w większo

ści pokrywa się z teorią Afanasjewa (9) i innych auto

rów, lecz nie wyjaśnia całkowicie zjawiska zmęczenia c o

wypływa z założeń upraszczających.

Badanie metalograficzne zjawisk zmęczeniowych i zmian zachodzących w strukturze metalu pod działaniem obciążeń okrsowo zmiennych prowadziło wielu badaczy, jak Ewing i Humfrey (10) Afanasjew (9), Gough (8), Moore (11) Forsyth (129 13) oraz Wever , Hempel, Schrader (14) i inni.

3o Badania własne 3.1« Materiał do badań

Próby zmęczeniowe przeprowadzono na próbkach ze stali konstrukcyjnej 35. Skład chemiczny i własności mechanicz

ne stali zestawiono w tablicy 10

T a b l i e a 1 Skład chemiczny i własności mechaniczne stali poddanej

zmęczeniu

Gatunek S k ta ó ch em iczny w % Rr Q r a* c U

s ta li c Mn S i P S Cr NL Ca kG/mm2 kG/mm2 % % kGm/cm

35 0,36 0,58 0,32 0,035 0,035 0,20 0,22 0,2 56 3 2 27,5 46 4 ,8 0

(5)

Zmiany w strukturze stali ....__________55^.

.3o2« Maszyną do prób na zmęczenie

Próby zmęczenia przeprowadzono na maszynie do prób na zmęczenie firmy Arasler, przy naprężeniach złożonych zgi

naj ąco-skręcających, typ NPL434 -rys.3 .

Rys.3. Schemat maessyny zmęczeniowej f ir m y M # 1 « P do pitfb p r z y naprężeniach złożonych zginająco skręcających

Próbkę S mocuje się jednym końcem w uchwycie głowi

cy K , która przymocowana jest do korpusu G za pomocą śrub i może być obracana wraz z próbką. Drugi koniec mocuje się w ruchomej głowicy C z którą łączy się dźwi

gnia A w ten sposób, że możliwy jest obrót głowicy wo

kół prostopadłej osi przechodzącej przez środek próbki.

Dźwignia A za pośrednictwem prętów Ł poddana jest drganiom pochodzącym od obracającej się niezrównoważo

nej tarczy D , które powstają w wyniku przymocowania do niej ciężarków W, Tarcza D obraca się w łożysku zamocowanym na jednym końcu dwóch sprężyn płaskich U, podczas gdy drugi koniec sprężyn umocowany jest stale w korpusie maszyny. Do napędu tarczy D służy silnik elektryczny o n » 1500 obr/min.

Masy drgające i sprężyny podtrzymujące tarczę drgają

cą są tak dobrane pod względem dynamicznym, że próbka

(6)

56 T.Źwierz, J .Adamc zyk

poddana jest jedynie obciążeniom spowodowanym przez siłę odśrodkową niezrównoważonych mas wirujących. Przez zmia

nę wielkości niezrównoważenia tarczy wywołuje się zmia-' nę naprężeń w próbce. Przy ustawieniu głowicy K jak na rys.3 - kąt i>a 0 • na próbkę działa tylko moment zgi

nający, zaś przy kącie 90° , próbka poddana jest tylko działaniu momentu skręcającego. Przez ustawienie głowicy pod określonym kątem wywołuje się w próbce wy

magane naprężenie złożone zginająco-skręcające.

3.3. Dobór kształtu i obliczenie wytrzymałościowe próbek Charakterystyka maszyny do prób na zmęczenie przewidu

je stosowanie próbek o przekroju kołowym -rys.4 . Ten

i?_Cs

—

12.7+0 _{- 0,05}

Rys, 4, Próbka do prób zmęczeniowych przy naprężeniach złożonych wg f-my Amsler

kształt próbki nie nadaje się do prowadzenia badań me

talograficznych, w związku z czym do prób na zmęczenie zastosowano próbki o przekroju kwadratowym -rys.5.,

89 n

©fCs

36,5 12

l i s i

/ m

$ g*ąon /

y/ .12,1*0 , -0,05

Rys, 5. Próbka zastosowana do prób zmęczeniowych

(7)

Zmiany w strukturze stali 0.0o 57

stosując odpowiednie przeliczenie wytrzymałościowe,, a) Naprężenia styczne i odkształcenia zachodzące

przy skręcaniu«

Próbka o przekroju kwadratowym?

M ’ M ’ M ’

T' = + -§- - + 4,807 -f- (1) max - V - . 3 — * 3 v

cc« a a

M « 1 M' . l' M ’ l'

d - — ---- - — 7 ■ 7,14 (2)

G o J / $G 0 a G o a

Próbka o przekroju kołowymi

M" 16 M" M"

r ' m a x ‘ ¿ " i T " i f - - + 5 . 0 9 . - 1 ( 3 )

max o * d-5 dJ

M" . 1" 32 M" . 1" M” . 1"

r - - § — --- 1--- . 10,18 - S _ (4) G 4 Jo # d4 * G G«d

przy czym.*

T' : - maksymalne naprężenie styczne w próbce max max kwadratowej i okrągłejj

M'§ M" - momenty skręcającej s s

V - zastępczy wskaźnik wytrzymałości na skręcaniem dla kwadratu Ya oc « a° j a’s - 0 g208§

W - wskaźnik wytrzymałości na skręcanie\ dla przekroju kołowego

® d"

W =s — r?— j o 16 9

«• kąt skręcenia w próbce kwadratowej i okrągłej §

(8)

58 T»Świerz , J»Adamczyk

l'i 1^" - długość próbki kwadratowej i okrągłej;

G - moduł sprężystości postaciowej 5

4^.

J - dla kwadratu J - j3 a § ¡i - 0,140$

Jq - moment bezwładności$ dla przekroju kołowego

% d4

o = 32 •

a - bok kwadratu d - średnica próbki

Z założenia flt* ** M" wynikają wzory, do przeliczenia naprężeń styczny§h i Sdkształceń przy skręcaniu8

T " m 1,057^' H r ~ ) 3 (5)

max * maxv d ' v 7

iT- 1,3951>'-^- ( “ f-)4 (6)

b) Naprężenia i odkształcenia występujące przy zgi~

naniu.

Próbka o przekroju kwadratowym?

M ’ 12 M ’ Ii’

f f ' S + 1'J1.1, - a + * & 3 + 8,48 (7⁾

““ - *x - V 2 . a 3 - a3

m'. 1' 12 B ’. 1’ M' . X'

& ' m . ■£-■■■- 3^— ^-S ^s1 2 , 1 7 ^{( 8 )}

EJ a « E E « a

Próbka o przekroju kołowym?

M” 32 M" H"

“ ± tT2“ - ± --- f-- + 10,18 — f- (9)

maX x dJ d-5

(9)

Zmiany w strukturze stali 800 59

przy czymś

ffma * ^max “ maksymalne naprężenie zginające w próbce kwadratowej i kołowej § M* s M ” ” momenty zginającej

g g

7/ - wskaźnik wytrzymałości na zginanief E - moduł sprężystości podłużnej $

J - biegunowy moment bezwładności.

Z założenia M* as M" wynikają wzory do obliczenia na

prężeń zginającfch i odkształceń przy zginanius

6 " * 1 , 2 6 " ( ~ ~ ) 4 ( 1 1 )

max * max v d / ' '

a - 1*675 c5' -^r (f-)4 O 2 )

3.4. Próby zmęczeniowe

Celem umożliwienia obserwacji zjawisk zachodzących w strukturze stali pod wpływem naprężeń zmiennych na próbkach przed zmęczeniem wykonywano zgład przez polero

wanie elektrolityczne i trawienie0

Ił a okres zmęczenia zgład zabezpieczono przed korozją i zanieczyszczeń przez nałożenie błonki z 10% roztworu nitrocelulozy w octanie amylowym.

Próbki poddano naprężeniom zmiennym złożonym przy zachowaniu stosunku 6 /t ■ 1, wyższym od wyznaczonej wy

trzymałości zmęczeniowej » i 22,5 kG/rami Stosowano naprężenia od 22,5 kG/mm^ podwyższając je dla każdej następnej serii próbek c 2,5 kG/mm“1 aż do 32,5 kG/mm oraz zmiennej ilości zmian obciążenia 0,5$ 1»0§ 2,5$ 5,0$

7,5$ oraz 10 milionów cykli.

4e Wyniki badań

Próbki po zmęczeniu poddano obserwacji na mikroskopie metalograficznym UeP firmy "Reichert” przy powiększeniu 500 i 1 0 0 0 -krotnym. Wyniki obserwacji zmian struktury

(10)

60 T.Świerz, . J.Adamczyk

stali przy różnych naprężeniach złożonych i różnej ilości zmian obciążenia zestawiono w tablicy 2.

Prace zilustrowano rysunkami Nr.6 do 21. Opis rysun

ków zawiera tablica 3*

5 o Analiza wyników

Badania zmęczeniowe i metalograficzne normalizowanej stali 35 poddanej zmiennym naprężeniom złożonym zginają- co-skręcającym, wykazały charakterystyczne zmiany w jej strukturze. Zachodzą one w cienkiej powierzchniowej war

stwie metalu, przede wszystkim w ziarnach ferrytu, w wy

niku odkształceń plastycznych wywołanych zmęczeniem.

Na zgładach próbek zmęczonych pojawiają się linie po

ślizgu, których ilość i stopień zagęszczenia zależą głównie od wielkości naprężeń zmiennych i ilości zmian obciążenia, W pierwszym okresie w niektórych ziarnach ferrytu pojawiają się pojedyncze linie poślizgu. Ze y/zro

stem ilości zmian obciążenia linie te poszerzają się i wydłużają oraz pojawiają się nowe także w innych ziarnach.

Y/zrost szerokości linii poślizgu prowadzi do powstania pasm, a te z kolei łącząc się pod dalszymi cyklami obcią

żenia tworzą jakby obszary poślizgu, zajmujące część, a

niekiedy całe ziarna ferrytu, #

Badania przeprov/adzone na mikroskopie metalograficz

nym elektronowym i emisyjnym (1 4) wykazały, że w zacie

mnionych ziarnach ferrytu powstać mogą szczeliny o wy

miarach submilcroskopowych, będące zaczątkiem złomu zmę

czeniowego.

Opisany przebieg zmian strukturalnych przy napręże

niu złożonym obustronnie zmiennym symetrycznym +

32,5 kG/mcr przedstawiono na rys. 6 do 1 3 . Pierwsze li

nie poślizgu pojawiają się ok. 10.000 cykli -rys. 6 po

szerzając się i wydłużając ze wzrostem ilości zmian obciążenia. Przy 50.000 cykli -rys.8 widoczne są już pasma poślizgu, które stopniowo łączą się w większe sku

piska -rys.9 i 10 .

Po 100.000 zmianach obciążenia - rys,9, w nielicznych ziarnach ferrytu zaobserwowano powstawanie linii pośli

zgu przecinających się prawie pod kątem prostym, co tłu

maczy się szczególnym układem krystalograficznym tych ziarn. Dalszy wzrost ilości cykli powoduje zaciemnienie części ziarn ferrytu rys,11, przy czym przy zmianach struk

turalnych widocznych na rys0 11 próbka uległa zniszcze

niu.

(11)

Zm ia ny w st ru k tu rz e st a li 35 po ci w pł yw em zm ęc ze n ia

Zmiany w strukturze stali oe»0 ⁶¹

CM

«0 O

•H rH

«5

•H SP

I

u

w .

>3

fi

I ta

fi o

w

rH

tO

-P

Pi 0 AJ 01

_o

S I

■g a

•fi -H

o

O Ch P i

cofi

-pfi

as

+>

g

05

CO

IA

CT

1 -H

^r-ł

■ h O !>» ¿j

'O ,P O

' 5 3 O ^

^ S

O

• H 9$

•rH vO OJ O H r—

E o

N -N 1

•N •©

©

CH

O © E

fi

fi a

Pi

>

Jfitu

X>

!

fi fi

'O

Tt

£3 P.AS

CA

CM

VO t- C O

fi o

I

to N

■ r - j

<1)

£ to

&

o

N

rH

•H

CO

a

fio

£

w

•H N

,fi

O

¡33

43

•H

t— I

fi

C l)

•H O,

-P

>s

§

fi +3

¡0

ta

cO fi

- pfi

ja

-p g

03 <H

>s Pt

« N G >>

O

^{- H}

• H 03 rH0 ęj>

•H T-3

£ «5

& &

•H to 1 1-3

O

Pi

rH

' 0 3

O

fi N

I

>\ł CO TJ fi

- p

O

03 f i

o So

fi N

N -H

£ rH

0) O -m

•1-3 P i

fiPi -H

C L > * -H

■P 03 tOfi fi

C O N

•H

fi

r-H

•H O

'0 3

O

43

a o !0

fifi

•rl

to C H

•fi

O

•S O

fi

.fi

o

ta fi fi fi fi © p, -p tp

AS s - s. -P CCf -H CO 3 rH

•H

O

£

<50

•H

^cn O o fcO

-H C Q

<D -H

§ fi

i t ;

fi fi 1-3 fi O © ftCH

A S

rH t>ł O* fi fi

-H © 03 Cjh GS* -fi

•r-3 O tO tO

•H f i

& fi CO CO

i~3 -rH

0 N Pr

1 O

>3

&

5-" °

? fi

•1-5

cd *

43s s

N

AJ iH

-P o

g?3

00^Pi to*

T 3 £ CO rj

N EÓ

fi M

© -H N rH ta '03

O O

P i P i

■ra ©

© P i

•rl C

fi .

-P

©

•H r>

AJ

to

•N -ra

1 -3 fi

-Pca

■rj &

ca E -P -p ©■

O

& to

fi

o

lf\ ir>

r- CM LA

0_* 0 ^O

Ci •*

0 0 ^O

UTi CM CA

(12)

d»c«tablç2

62 T » Świerz , J .Adamo zyk

VD

®I CO Ö <s O ü Al N X> tsD W 'O © -H

tí H tí a tí «

tiA OA

»

HO 0 P . 01 a

© a

"O

‘Dlo

(0tí

■ptí

-p co

1 I

1 1 © 1 1

'O

•H r l

o

tí ^©s i N

©

O ©^rH•rl 1 N

r'<tl *CQ 'Cl a oi © X» ■H M tí ^©

01 co I—1 >> •rl a © a 01 •rH © H •H S

ca •H Fh i r—1 •H XI ©■ Ö ^•H © £ CÖ

O Jsi © -01 te o O O •H © tí tí O £

Ö ©• © co © O 'O © ©* © -rl O a o

© *H CO01 •H a tí •rl « •p g

£ © M

ÿ 01 XI CO © 01 tí 01 © s _{•rl tí}*—■*>>

o c Ai o © » O o tH © >1 O ■P © £

Se tí a> XI -H 01 O Se tí tí tH tí ^© Pn-rH

£ W) •H & O tí ^© XI T l -P N © O tí CO_{tí tí} CÖ

© X! N Se >»^{•H •H} ^O & ta © © tí ©

&

01 o •H © » PH X» tí ©• 01 C0 tH © © s

X1^{*rł rH} co •H 'O © -p bfl •rl >1 Ai N tp o ■r-3

O '© © © -P ©* -H 01 tu 01 N a» © tí © tS © (0 ©• O tí Al •rj 01 o •H

©* © *H •r~3

© r l tí rM •rl CO •rł a o >5 © © tí rH i—1 tí Se tí © tí © Ö ta o CO •rl -P o H ‘01 T-J © Ed O Tl •H Tl © -S a >> O tí W TÍ ? O © Tl a o ^N •H O tí

>> ta u 1 tí* 5 a « •rH ? 1 ^N a tí —•>

CO ■H © rM & O © t tí 1 rH t O •rl

•Sw+» ©

O tí » a w © © '© a O tí -tí

© to • a 'Cl Tl • -rl N • O « '© • >} © \—•O

> ) N B £ W © tí © 5 tí n £ a ? tí t» £ rM ■o ©*

N O o T l « CO •p a •r-J -rl o T-3 •o hO N *T3 © o tí T l

tí ca*g *H >> o rH a a N O O © Tl Tl

a A) © H «ktí -p © © © © ■rl © H © co

© tí -01 tí tí © tí‘01 © tí tí © t í H X» tí •H tí rM ta O A! ca O to © o tí © rM S> tí a tí'© tí tí O Í30 O -p Tl © +» a n <h tí -P N Tl ^ta -P -P O rH -p •rl «H CO m

01 *H AÍ ■f-ł a Al ©tH M •rl Ai a M O © ©

c0 'O a ? B H í¡ P «t a rH p tí xi p ‘ M T l •rl tí u ‘ M

S i £ 01 ‘Cl o ^tí tí tí O-01 tí S tí Se p tí ©» tí -p to O •p © o © S) -P tí) ■P o -P 'O -P 'O r»> -p N © S © Ö © w a a £ CO CO « 01 a 01 tí CO tí rM CO O Ö O o

p a LÍA o O O

m

r* CM C'A •M- t -LÍA

«• « «• •» «•

O o O O o

cm

LÍA

•»

CMC'A

(13)

d0c0 tabl

Zmiany w strukturze stali .«> 63

© •

r— t i— I©

P 1 £ P ¹ P

ND *H Tl

^ a o Ad N ©

Sl to

•rl rl

S3 N

'O (0^o 'O © O

£ tM Cd £ tM co

ft M m P. 60 ©

CA I A I ^ • r d * -

1

O N -rd O <A CO

r- ^ r - r— _t— _CM _i— _t—

1

O 1

1

cd t si si

o, .P o © © & •rl o (0 o>>

O cri

•rl N £ ^

0

1 O © u

{■» O £ Ji © 'CO £ 1 1 o 8*

M O' ■H '01 CU p 'O © co ©• £ O O •r~3

tri

Cd •rl £ ©• P id © N © £ P. o> ^P

CO © Cd P >i © P. © O -rl Ad •H 'Tj

CD •rd O t»0 £ Cd * N -rl © CO ©

rQ © d od £ ta ©* o © g •rl •rd

O •H g © •rl © S> •rl -rl •rl "5 £ O CD

£ © £ •rl H 1h O CO o ^£ ^© ^•3 ^{•rl ©■}

Cd © •rd p £ '© '01 © .c ca rd CD

£ +>

O !>>

CQ Ad

a *

Pt £ -rl

£ co ^•rl£ od o

P

t, i - s , &

•H -P

>»

N

U ^&

_ £ ©* © 0 £ © © O © £ >£ © £ O _£

¡2 O © £ 0 id © Od Od £ •H £ © 0 £ N 5o

'ł 0 © S TS •rl © 01 Cd -rl

»

0 £ O © r-3 ca © CO Cd

ca «h O £ O <M © £ £ © © <H O © <H O fd

cd P, -Cd U tri Pt O © rM O N P. Pt P»r-ł

P . A J © © n a CO Cd a s '01

o 1 (0

1

p

•rl Cd

u

i ©

1 © £

Ś 1 1

S E

1 £ ©

P.$

£ ta •H w © •H N rt

0

>3

• £ • N •rl «i N * © -p ' • •rl ’rl J N O * H • £

£ ctf id O £ S T 3 5 rd Od £ O ź © © £

•<-> -rl T O rd 'CO ■r-3 ,£ • O td n 'CS -d t-3 -rd CD ©

Cd 'CO O* O N © o © O -H Cd

ot Pt <£

tri © O Cd © t»> © £ © CU -rd © >i £ « ©

£ * £ Pi O £ rM £ © o £ £ £ £ tM £ £ & U © ^

3 £ P ©

• § § ■ *

& 3 rS © P ^©P ^Tł P P ^O

P £ P S id P O Od P £ •rd +> O -P rl •p p p £ ©

Ad to Ad 'O Ad Ad N -H •H Ad to g Ad Tł © Ad tsO Ad © £

£ Cd r* £ si £ Od S T ) M r-d £ Od 0 £ N H N P Cd £ Cd £

£ -rl £ © O £ © £ O 3 '01 £ m © £ © £ O £-rl

& ^© P rd p Cd >> p £ +» Si £ O P rQ •rl •P £ © N •P rd p •rl

02^'to ^K) ^{CO tM} ^{co o} ⁿ ô ^© ^P. ^CO Ô Ô CO O P. OJ C O '01 CO rM Cd

CA IACk O

O<x vo

ON f—

«k

T~

c a

m o

o*•

i—

V0r~

•>*■

T“

IA

•ł

O 1,0

o ^IA o

CM a

o

CA fc ^t-^*>

CM

i ••

*

CM S

ii • • •

t M CM d~ CM t—

T™ CM «

CM

« CM

• CA

• o

(14)

d»databl,2

54_______________T»Śvvierz, J» Adamczyk

O

• 1 5

fi r-i

P l i i N «

t— CM

to 1 CM ** 8 0 1 8 8

f t o •H 1 Fi O tí >3

co tí N •H f t XI •H rH Fl to-M

•rl § •H to Fi Fi 'ta

•rl ©

l £

C N Fi -P N X3 >3 fi Fl -ri

N ta •rl Fi •rl <H O rH >3 S Fi 6 *rl ta e

» g

O ©

rM O ta rH O •s f t tí f t ft ÏÏ o o

1 >3 -P I ^fi » £ ^{1 r l}? 1 O 1 tí ^{1 ca}

• ^ta fi • ^ta • *r! • ^{-rl O} o Fl j -H - |s tí

T > P 1-3 XI 1~3 •r~3 -r-3 -H •r-3 -ta •rj -H >3

M

t í ta ? N p M pi ^{Fi tí} ^tí t í « tí ta t í ca fi H *rl "H f i « f i © fi © © -p fi -rl ^{Fi ca} fi © © -P rH O •P Fi -P -H -p ca -rl >3 ■P rH -P

x>

-P ^Fl-H CO '03 '03 CO ^o CO Ö ^to m s Fi co 'ca co o co o ta

LTs COo ITS o m ^o ^LTV O

ro ot » o 91 » e» 9

CM O CM ^LfN t - O

r -

O ur\

» «• tí 5 s S ç

CM ^tr>

CM CM

CM

« o

9

o 0 « 9

CM

r~

CM r-\ H- m

r-

9

« e o • •

9

⁹

ir\ tr\ IT\ ir> Lf\ LfN

(15)

10 ¹¹

12 ¹³

Opis rysunków

T a b l i c a 3

Nr rys.

Napręże

nie ^red kG/mm 2

Ilość zmian obciążenia x1Q6

S t r u k t u r a

Powię

kszenie

X

6 32,5 ^{0 , 0 1 5} Struktura stali znorma

lizowane js ferryt i per

lit - w ziarnach ferrytu widoczne pojedyncze li

nie poślizgu

1 0 0 0

? ⁿ 0,025 Struktura jw. - wzrost grubości i szerokości

linii poślizgu oraz po

jawienie się ich w no

wych ziarnach ferrytu

1 0 0 0

8 ^?t 0,05 Struktura jw. - poja

wienie się linii pośliz

gu w nowych ziarnach ferrytu oraz występowa

nie pasm poślizgu

1 0 0 0

9 0 , 1 Struktura jw. - wzrost

ilości pasm poślizgu oraz łączenie się ich w większe skupiska - ohsza ry poślizgu

1 0 0 0

1 0 ^w 0 , 2 0 Struktura jw. - dalszy

wzrost obszarów pośliz

gu, pojawienie się li

nii poślizgu prostopa

dłych do siebie

1 0 0 0

11

1 2 ti

22,5

0,575*

0,5

Struktura j w - powię

kszenie się obszarów po

ślizgu powoduj e zacieranie nie części ziarn ferrytu Struktura jw. - linie poślizgu w niektórych ziarnach f errytu

1 0 0 0

5 0 0

13 ^{2 5 , 0} 0,5 Struktura jw. - pasma

poślizgu oraz częścio

we zaciemnienie ziarn ferrytu

500

21I' Próbka uległa zniszczeniu.

(16)

1 4

2 0 2 1

c„ds tablicy 3 Nr

rys o

Napręże

nie ^red kCr/mra2

Ilość zmian obciążenia x106

S t r u k t u r a

Powię

kszenie

X

H 27,5 0,5 Struktura stali znor

malizowanej ferryt i perlit - pasma oraz obszary poślizgu w ziarnach ferrytu

500

15 30,0 0,5 Struktura jw. 500

16 30,0 , 1,196* Struktura jw. - za

ciemnienie części oraz całych ziarn ferrytu

500

17 30,0 1,196 Szczegół rys018 1000

18 25,0 1,0 Struktura jw. - łą

czenie się pasm po

ślizgu w sąsiadują

cych ziarnach fer

rytu

1000

19

20

27,5 1,416* Struktura jw. - pa

sma poślizgu oraz częściowe zaciemnie

nie ziarn ferrytuj w ziarnach perlitu po

jedyncze mikroszcze- liny przechodzące przez część lub całe ziarno

1000

21 25,0 ^3,08* Struktura jw. - pa

sma poślizgu oraz częściowe zaciemnie

nie ziarn ferrytu^

linie poślizgu prze

chodzą przez wtrą

cenie niemetaliczne

500

Próbka uległa zniszczeniu.

(17)

Zmiany w strukturze stali 90.. 65

Podobny obraz struktury otrzymano po zniszczeniu próbek poddanych naprężeniom + 30 kG/mm2- ryse18 i 19? + 27»5 kG/mnu + 25 kG/mm2oraz naprężeniom 22„5 kG/mm2po

10.10° zmianach obciążenia, tj. przy wytrzymałości na zmęczenie stali 35. Wynika stąd, że zaciemnienie części oraz całych ziarn ferrytu zachodzi w ostatnim stadium zmęczenia stali przed jej zniszczeniem.

Podobny przebieg zmian strukturalnych zaobserwowano badając zależność między zmianami w strukturze stali 35 a zmianą wielkości naprężeń zmiennych przy stałej ilości zmian obciążenia. Zależność tę zilustrowano na rys, 12 do 15, przymując naprężenia od + 22,5 kG/mm2

do + 30 kG/mm2i stałą ilość zmian obciążenia równą 500,000 cykli. Przy naprężeniu równym + 22,5 kG/mm2za

obserwowano tylko pojedyncze linie poślizgu w nielicz

nych ziarnach ferrytu, -rys.12 . Wzrostowi naprężenia do +_ 25 kG/mm2 towarzyszy wystąpienie pasm poślizgu oraz częściowe zaciemnienie nielicznych ziarn ferrytu, zaś naprężeniu + 27,5 kG/mm2 - powstanie obszarów poślizgu

zaciemniających częściowo oraz całkowicie niektóre ziar

na ferrytu - rys. 14 .

Podobny obraz struktury otrzymano wywołując w próbce naprężenia złożone równe +_ 30 kG/mm2 -rys. 15 .

Zaobserwowano, że nie wszystkie ziarna ferrytu wyka

zują zmiany strukturalne nawet w momencie zniszczenia próbki, co związane jest prawdopodobnie z różnymi 'wła

snościami wytrzymałościowymi poszczególnych ziarn oraz stosunkiem głównych elementów krystalograficznych do kierunku działania naprężenia wywołującego zmęczenie, W niektórych ziarnach ferrytu sąsiadujących z sobą i posiadających podobny układ krystalograficzny istnieje możliwość łączenia się linii i pasm poślizgu, względnie przerzucanie się ich z jednego ziarna na drugie, co po

kazano ma rys. 13 do 15 i 18. Pod wpływem działania na

prężeń zmiennych w strukturze stali wystąpić mogą pewne zmiany również w ziarnach perlitu. Na rys. 19 widoczna jest mikroszczelina w części ziarna perlitu, zaś na rys, 20 mikroszczelina przebiega prawdo przez całe ziarno perlitu.

v; toku pracy obserwowano również zachowanie się wtrą

ceń niemetalicznych w stali poddanej zmęczeniu. Obser

wacje wykazały, że nie są one źródłem zapoczątkowania zmian strukturalnych ani nie stanowią przeszkód przy powstawaniu i rozroście linii i pasm poślizgu -rys«12, 15 i 21 .

(18)

66^» T.áwierz, J.Adamczyk

6 0 Wnioski Przeprowadzone badania wykazałys

1. Widoczne zmiany strukturalne stali 35 pod wpływem zmęczenia zachodzą w cienkiej warstwie powierz

chniowej , w niektórych ziarnach ferrytu ®

2. Zależą one od wielkości naprężenia i ilości zmian obciążenia«, Ze wzrostem naprężenia i ilości cykli wzrasta ilość linii poślizgu, które następnie sku

piają się w pasma a dalej w obszary poślizgu za

ciemniające części oraz całe ziarna ferrytu.

3« Zaciemnienie części oraz całych z i a m ferrytu za

chodzi w ostatnim stadium zmęczenia przed zniszcze

niem stalis

4o Przy określonej wartości naprężenia zmęczeniowego i liczby cykli występują pojedyncze mikroszcze- liny również w ziarnach perlitu.

5. Wtrącenia niemetaliczne w stali nie są źródłem za

początkowania zmian strukturalnych ani nie stano

wią przeszkód przy powstawaniu i rozroście linii i pasm poślizgu.

LITERATURA

(1) WoMoszyński '= Wytrzymałość zmęczeniowa części maszy

nowych o PV/T - Warszawa 1954.

(2) JoA.Pope « Metal Fatique Champan Hall, London 195 9 . (3) MoPopiel - Przegląd Mechaniczny. T 0 3 Nr 8, 11, 13,

i 14. Warszawa 1937.

(4) I.D.Oding - Dopuskajerayje napriażenija w maszinostro- jenii. i cykliczeslcaja procznost mietałłow, Moskwa 1947.

(5) G .17o Użik - Mietody ispytanij mietałłow i detalej maszin na wynosliwost. I . A . N . Moskwa 194 8.

(6) NaSaposznikow - Badanie własności mechanicznych.

PWU, Warszawa 1954.

(19)

Zmiany w strukturze stali«««« 67

(7) Eo Orowan - Proc« Roy0 Soc0 Vol*171, str0 79, 1939.

(,8)

HoIoGoughj, V/oAoWood

^{- Proc0}

I 0 Mecho Eo

^{Vol0 14%}

str. 175. 1939.

(9) N.TT.Afanasjew-Staticzeskaja teoria ustałostnoj procznostio Żurnał TechniczeskoJ Fiziki, 1940.

(10) I 0A 0Ewing => Transo Roy0 3oce 200 A 0 str0 241. 1903 (11) H.EoMoore, Buli ~ Illinois« Engng0Exp0 Stat. Nr0

208o 1930o

(12) P.I.Forsyth ■= J 0Inst0 Metals« 80, str0 181 ~ 1951/52.

(13) P.I.Forsyth - J.Inst„ Metals« 82, str« 449 - 1953/54.

(14) F.Wever, MoHempel, A Schrader - A r c h o Eisehhtttten- wessen 26, str« 739o 1955.

(15) 3 o Katarzyn ski, SoKocaiída, M.Zakrzewski - Badanie własności mechanicznych« PWT Warszawa 19560