ANALIZA CAUZELOR A FISURILOR LA DEFORMAREA UNEI PIESE TURNATE CONTINUU IN STARE BIFAZICA

Se stie ca la deformarea unei piese obtinute prin turnare continua si nesolidifcata complet apar figuri in forma de cuburi. Aparitia acestora este influentata de marimea si de viteza de deformatie, de temperatura stratului care se deformeaza si de compozitie chimica a otelului.

Pentru studierea procesului de deformare a metalului in cazul cand exista si faza lichida, s-a realizat o instalatie cu ajutorul careia s-a incercat o epruveta care a continut si faza lichida (fig. 1). Epruveta cu sectiunea transversala a partii de lucru de 20 x 20 mm, asezata orizontal in clestii mecanismului de tractiune a fost incalzita pana la topire in mediu de argon. Sub epruveta a fost pus un dispozitiv de racire racit cu apa. La capatul epruvetei s-a aflat un traductor piezolelectric conectat electric cu un defectoscop ultrasonic iar de partiler laterale ale epruvetei au fost lipiti pereti ceramici pemtru egalizarea temperaturii in straturile orizontale ale epruvetei si pentru evitarea fazei lichide de pe suprafata ei.

pag

Dupa indicatiile unor termocupluri situate pe suprafetele epruvetei s-a calculat campul de temperartura. Solicitarea epruvetei s-a facut dupa ce pe suprafata lui a aparut o potiune de metal lichid si dupa stabilizarea temperaturii.

In timpul incercarilor, epruveta a fost supusa la tractiune cu viteza constanta pana la o anumita deformatie. In acest timp, s-au inregistrat sarcinile aplicate epruvetei si alungirea ei absoluta. Momentul fisurilor in epruveta s-a determinat cu ajutorul unui defectoscop ultrasonic.

Figura 1 - Schema solicitarii la tractiune a unei epruvete cu o potiune de

metal lichid pe ea

In cadrul acestei lucari s-a determinat valoarea deformatiei limitata a metalului in stare bifazica in functie de compozita chimica, de viteze de deformare si de temperatura.

S-a obtinut o ecuatie pentru determinarea tensiunii in orice portiune a sectiunii epruvetei la tractiunea acesteia cu viteza constanta:

formula a la pag. 35

unde E - modului de elasticitate;

A - coeficientul care caracterizeaza proprietatile metalului;

e - viteza de deformare;

t - timpul.

Sub actiunea sarcinii aplicate pe directia axei geometrice de simetrie intr-o epruveta incalzita neuniform, ca rezultat al modificarii caracteristicilor mecanice in sectiunea acesteia au aparut si tensiunii de incovoiere, pe langa tensiunile de tractiune.

Pentru simplificarea celorlalte s-a presupus ca tensiunile de incovoiere vor actiona numai in domeniul elastic:

formula b pag. 35

unde M - momentul incovoietor;

y_i - distanta dintre axa neutra a sectiunii epruvetei si stratului considerat;

J - momentul de inertie redus al sectiunii stratului considerat in raport cu axa neutra a sectiunii;

E_O - modul de elasticitate de baza al oricarei sectiuni.

Ecuatiile pentru determinarea tensiunii in stratului al epruvetei la tractiune excentrica (tinand seama de incovoierea elastica daotrita tractiunii excentrice si viteza constanta de deformare) au urmatorul aspect:

formula c pag. 35

Pentru determinarea modului de elasticitate e_i, solicitarea epruvetelor s-a facut cu temperatura constanta (900 - 1400 grade C) si viteza de deformare constanta (110^-2 - 10^-5 s^-1).

Dupa datele experimentale, variatia coeficientului A_i in functie de viteza de deformare este parabolica iar in functie de temperatura exponentiala.

In functie de viteza de deformare, de campul de temeperatura si de caracteristicile mecanice ale materialului legate de temperatura se poate determina tensiunea si deformatia in orice punct al epruvetei. Pentru aceasta, in sectiunea epruvetei incercate la tractiune s-au trasat pe epruvetele tensiunilor si deformatiilor.

S-au facut experiente cu epruvete de otel 20 si 40 H cu urmatorul continut de elemente in %:

Valorile modulului de elasticitate al otelului 20 au scazut de la 2000 N/m² la 900 C pana la zero la temperatura solidusului.

Verificarea corectidunii modelului matematic adoptat s-a facut prin integrarea epurei tensiunilor in aria sectiunii epruvetei, valoarea calculata a sarcinii aplicate epruvetei s-a comparat cu cea reala.

In fig. 2 sunt prezentate rezultatele integrarii epurei rtensiunilors eroare medie pentru otelurile 20 si 40 H a fost deaproximativ 15 %, ceea ce explica prin incalzirea neuniforma a epruvetei in grosime.

In momentul atingerii deformatiei stabilite, solicitarea prin tractiune a epruvetei s-a incercat si, dupa racirea pana la temperatura camerei, s-au decupat epruvete metalografice longitudinmale pentru studiul structurii si fisurarii otelului.

Ca stare initiala a materialului s-au luat epruvetele de otel 20 si 40 H dupa incalziorea in limitele temperaturii de lucru (suprafata superior a epruvetei incalzita pana la topire iar suprafata inferioara epruvetei a avut temperatura de 1200 C) si dupa o racire ulterioara.

Structura partii din otel    care s-a cristalizat s-a caracterizat prin graunti de austenita cu axe egale de ,5 - ,6 mm; la limitele grauntilor si in interiorul acestora s-au aflat fasii mari de ferita (fig. 3, a.

Deformarea epruvetei de otel cu viteza de 10^-3 s^-1 a atras dupa sine formarea unor graunti mai marunti; marinmea acestora la un grad de deformare de 1,36 % - 2 % a fost egala cu 0,4 - 0,5 mm. In partea superioara a epruvetei recristalizate, fasiile de ferita au fost mai marunte si alungite pe aceeasi directie. La un grad de deformare de 2, 10 si 14 %, in structura epruvetei s-a observat ferita Widmannsttten (fig. 3, b). La un grad de dformare de 10 - 14 %, marimea grauntelui de austenita a fost egala cu 0 - 0,2 mm.

Odata cu scaderea vitezei de deformare pana la 10^-4 - 10^-5 s^-1, structura epruvetelor s-a modificat neibsemnat; marimea grauntelui a fost egala cu 0 - 0,35 mm. La o viteza de deformare de 10^-5 s^-1 si la un grad de deformare de 2 - 5 % s-a observat o anumita crestere in dimensiuni a dungilor ferito - perlitice; in unele zone ale grauntelui acestea au fost alungite pe directia deformatiei (fig. 3, c).

In stare initiala, structura otelului 50 H a fost perlitica, cu graunti mici de ferita; grauntele initial de austenita a avut marimea de aproximativ 0,5 mm (fig. 4, a).

Dupa o deformare la temperatura inalta, in structura otelului, in limitele grauntilor mari de austenita cu dimensiunile de 0,4 - 0,5 mm, conturate de intereelatii subtiri de ferita, s-au observat graunti perlitici si beinitici , care s+au intins de la limitele graunteloui de austenita catre interiourul acestuia. Unii grauntii perlitici se deosebesc prin contrastul lor pronutat (fig. 4, b).

Figura 2 - Distributia tensiunii, deformatiei, tempraturii in inaltimea

epruvetei si variatia sarcinii aplicate epruvetei la tractiunea acesteia o

viteza constanta v = 4 10^-4 s^-1 dupa s (1), 50 s (2) si 120 s (3)

I si II - valori experimentale si calculate

Cresterea gradului de deformare de la 0 pana la 2,1 % la o viteza de 10^-3 s^-1 conduce la o crestere a grauntilor perlitici si beilitici de la 0,02 pana la 0,3 mm. Odata cu cresterea gradului de deformare pana la 5 %, structura otelului a devenit mai omogena din punct de vedere al orientarii si diferentierea dintre marimile grauntilor s-a redus (fig. 4, c).

La o viteza de deformare de 10^-4 - 10^-5 s^-1, marimea grauntelui initial de austenita a fost initial de 0,4 - 0,5 mm. In structura a crescut proportia de beinita si s-a redus diferentierea dintre marimile grauntilor; grauntii de benita si perlita au avut marime de 0,15 - 0,2 mm (fig. 4, c, d).

Fisurarea otelului s-a studiat vizual, la microscop precum si prin defectoscopie cu pulbere magnetica. Deformatia limita s-a determinat pe epruvete la care au aparut primele fisuri. Dupa pozitia fisurilor fata de suprafetele epruvetei, s-au pus in evidenta conditiile de aparitie a fisurilor la viteza respectiva de deformare si pentru marca respectiva de otel: temperatura, tensiunea si deformatia stratului in care s-a format fisura.

Rezultatele studiului au aratat ca in epruvetele de otel 20 si 40 H, fisurile au parut in straturi cu temperatura de > 1300sC; in straturile cu temperatura de < 1300sC la o deformatie de pana la 10 % nu au aparut fisuri.

Figura 3 - Microstructura (x 60) otelului 20 in functie de gradul (h) si de

viteza (v) de deformare: a - starea initiala; b - c - dupa deformare:

h = 2 %, v = 10^-3 s^-1 (b); h %, v = 10^-5 s^-1 (c)

Figura 4 - Microstructura otelului 40 H in functie de gradul (h) si de

viteza (v) de deformare: a - starea initiala (x 210); b - d - dupa

deformare:

h = 5 %, v = 1,74 10^-4 s^-1 (b); (x 200);

h %, v = 1,74 10^-4 s^-1 (b); (x 500)

h = 5 %, v = 1,74 10^-4 s^-1 (d); (x 200)

Ca grad de deformare limita s-a adoptat in mod conventional gradul de deformare la care apar primele fisuri cu deschiderea de 2,5 mm si cu lungimea de > 0,5 mm de celelalte prin defectoscopie cu pulbere magnetica. Deformatie limita pentru otelurile 20 si 40 H la o teava de deformare de 10^-3; 10^-4; 10^-5 s^-1 a fost aproximativ 1 %; 1,5 - 2 % si respectiv 0,2 - 0,5 %.

Inaintea fisurii odata cu cresterea in continuare a deformatiei are loc catre straturile cu temperatura mai joasa. Gradul de fisurare a otelului 20 s-a determinat dupa numarul si dupa marimea fisurilor. Odata cu cresterea gradului de deformare peste valoarea limita, in otelul 20 numarul de fisuri si dimensiunile acestopra au crescut in gama tuturor vitezelor de deformare folosite in incercare. Cresterea gradului de deformare pana la 5 % a condus la formarea unor fisuri cu cavitate cu dimensiunile de 5 x 3 mm iar numarul de fisuri a crescut de 3 - 4 ori.

La o viteza de deformare de 10^-3 s^-1 a otelului 40 H, numarul si dimensiunile fisurilor au crescut odata cu cresterea gradului de deformare peste cel liminta si la 5 % au aparut fisuri cu cavitate. La o viteza de deformare de 10^-4 si 10^-5 s^-1, odata cu cresterea gradului de deformare numarul de fisuri a crescut cu o intensitate mai mica. La un grad de deformare de 5 % nu au existat fisuri cu cavitate.

Analiza metalografica a aratat ca in otelul 20, in intervalul gradelor si vitezelor de deformare folosite in studiu, fisura s-a intins pe limitele grauntelui de austenita in otelul 40 H la o viteza de deformare de 10^-3 s^-1 fisura dinspre limitele grauntelui austenitic initial iar la o viteza de deformare de 10^-4 si 10^-5 s^-1 fisura s-a intins pe limitele granulelor marunte de perlita si beinita.

Aceasta explica tendinta mai mica a otelului 40 H de a forma fisuri la scaderea vitezei de deformare.

Figura 5 - fisuri cu incluziuni sub zona topita, intr-o epruveta de otel

40 H, dupa o deformare de 5 % cu o viteza de 10^-3 s^-1 (x 500)

Analiza facuta cu ajutorul unui microscop electronic cu explorare (cu rastru) a pus in evidenta existenta unor incluziuni in interiorul fisurii (fig. 5), formate in principal din sulfuri (Fe, Mn) S.

CONCLUZII

Studiile au aratat ca valorile limita ale deformatiei otelului 20 si 40 H la o viteza de deformare de 10^-3, 10^-4 si 10^-5 s^-1 sunt egale cu aproximativ 1 %, 1,5 - 2 % si 0,5 %. Caracterul formarii fisurilor la viteza mica de deformare este diferit, datorita particularitatilor de structura ale otelurilor 20 si 40 H.