ISPITIVANJE DELOVANJA OPTEREĆENJA NA NAVARENI SLOJ …scindeks-clanci.ceon.rs/data/pdf/0354-7965/2012/0354-79651204155A.pdf · Termička obrada ovog čelika nije nimalo laka za izvođenje

NAUKAISTRAŽIVANJERAZVOJ SCIENCERESEARCHDEVELOPMENT

ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE, 4/2012, str. 155-161 155

Milica Antić, Vladan Jeremić, Marko Maričić

ISPITIVANJE DELOVANJA OPTEREĆENJA NA NAVARENI SLOJ OD VISOKO-MANGANSKOG ČELIKA

PREVIOUSLY LOADING OF SURFASED LAYER MADE OF HIGH MANGANESSE STEEL TESTING

Originalni naučni rad / Original scientific paper UDK / UDC: 621.791:669.15-194.3

Rad primljen / Paper received: 06.08.2012.

Adresa autora / Author's address: Milica Antić, dipl.ing, Vladan Jeremić, dipl.ing, Marko Maričić, IWT, Zavod za zavarivanje a.d. Grčića Milenka 67, Beograd, Srbija. e-mail: [email protected]

Ključne reči: navarivanje, visokomanganski čelici, opterećenje, ispitivanje.

Keywords: surfacing, high manganese steels, loading, testing.

Izvod

Činjenica je da su visokomanganski čelici, otporni na habanje, namenjeni za rad pod dejstvom udarnog opterećenja. S obzirom da se oni često isporučuju u gašenom stanju, odn. sa austenitnom strukturom, to značajno smanjuje njihov eksploatacioni vek. Poznate su razne metode za otvrdnjavanje površine pre ugradnje nekog elementa, ali nije dovoljno prostudirana zakonomernost prethodnog opterećenja i tvrdoće. Tako su u radu prikazani rezultati ispitivanja navarenih slojeva od visokomanganskog “Hatfildovog“ čelika posle delovanja određenog opterećenja.

Abstract

The fact is that highmanganesse steels are resistant to wear, are proposed for impact load. Because they are often delivered in quenched condition, e.g. with austenitic structure, it is reason for pooring of exploatation life. Different methods for surface hardening before installation of any element are known, but regularity of previosly loading and hardness is not enough studied. So, in this paper, testing results of surfaced layer made of highmanganesse „Hartfield“ steel after specified dinamical load, are presented.

UVOD

Austenitni manganski čelik, tzv. Hadfield-ov manganski čelik, prema imenu onoga koji ga je otkrio, je izuzetno žilava nemagnetična legura kod koje je uobičajeno ojačavanje transformacijom sprečeno kombinacijom visokog sadržaja mangana i brzim hlađenjem sa visokih temperatura.

Ovaj čelik karakteriše velika vrednost čvrstoće, velika duktilnost i odlična otpornost na habanje. Veoma ekonomično ispunjava zahteve mnoštva industrijskih grana a posebno je pogodan za oštre uslove rada gde postoji kombinacija abrazije i jakih udarnih opterećenja.

Struktura manganskog čelika u obliku odlivka ili valjanog proizvoda sadrži karbide i druge produkte transformacije koji, u zavisnosti od svog prisustva, značajno doprinose krtosti. Standardna termička obrada za povećanje žilavosti koja podrazumeva austenitizaciju i kaljenje u vodi, daje normalne mehaničke osobine.

Termička obrada ovog čelika nije nimalo laka za izvođenje - visoke temperature austenitizacije, ograničena mogućnost povećanja brzine hlađenja, zaostali naponi usled gašenja, mogućnost razugljeničenja površine (usled delovanja gasova u peći) i sl.

Ponovno zagrevanje delova od manganskog čelika je veoma problematično. Umesto uobičajenog

omekšavanja i povećanja duktilnosti, manganski čelik postaje krt i ukoliko je dovoljno zagrejan, počinje delimična transformacija metastabilnog austenita. Dakle, kao opšte pravilo važi to, da se manganski čelik ne sme zagrevati iznad 280°C ako je primenjen standardni postupak za poboljšanje žilavosti.

Najznačajnije komplikacije usled ponovnog zagrevanja ovog čelika javljaju se pri zavarivanju. Približni opseg zateznih karakteristika kod manganskog čelika se postiže otvrdnjavanjem u toku rada.

Tvrdoća ovog čelika je oko 200HB posle obrade za povećanje žilavosti, ali ova vrednost ima mali značaj za ocenu mašinske obradivosti ili otpornosti na habanje. Tvrdoća će brzo rasti usled deformacije tako da se austenitni manganski čelici moraju ocenjivati na drugoj osnovi. Poput zateznih karakteristika, otpornost na udar (žilavost) je u zavisnosti od veličine zrna i termičke obrade.

Otvrdnjavanje tokom rada predstavlja glavnu karakteristiku ovih čelika koja i diktira njihovu upotrebljivost.

S obzirom da realni kristali odstupaju od savršenosti, t.j. imaju tačkaste, linijske i ravanske greške. Dislokacije kao linijske greške izazivaju pojavu klizanja koja metale plastično deformiše. Uobičajena metoda plastične deformacije je klizanje blokova kristala, duž definisanih kristalografskih ravni. Jedna od glavnih


156 ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE, 4/2012, str. 155-161

karakteristika plastične deformacije metala je, da smičuće naprezanje potrebno za klizanje, stalno raste sa porastom smičuće deformacije. Povećanje naprezanja potrebnog za klizanje naziva se deformaciono ojačavanje ili ojačavanje tokom rada.

Poznato je da broj dislokacija raste sa deformacijom usled nagomilavanja dislokacija po ravnima klizanja na

barijerama u kristalima. Ovo nagomilavanje stvara povratno naprezanje koje se suprotstavlja primenjenom naponu na ravni kilzanja.

Brzina ojačavanja se može povećati sa porastom broja barijera koje ometaju kretanje dislokacija. Dve važne barijere za kretanje dislokacija su granice zrna i čvrsti rastvori sa legirajućim elementima.

Slika 1: Vertikalni presek ravnotežnog stanja sistema Fe-Mn-C za sadržaj 13% Mn

Slika 2: Ilustracija temperature austenitizacije



Poznate su razne metode za otvrdnjavanje površine pre ugradnje nekog elementa od ovog čelika kao što su čekićanje, preddeformacija, eksplozija itd.

S druge strane, već je uveliko prihvaćeno da je austenitni manganski čelik izložen brzom ojačavanju, stabilan tokom plastične deformacije. Međutim, postoje dokazi da brzo deformaciono ojačavanje i plastična deformacija mogu izazvati transformaciju iz austenita u ε martenzit.

Pokazano je da transformacija γ u ε zavisi od brzine deformacije. Na primer povećanje brzine sa 6 x 10-3 na 60 x 10-3 min-1 na sobnoj temperaturi, uzrokuje martenzitnu transformaciju nestabilnog austenita.

Cilj ovog rada je da se ispita način delovanja udarnog opterećenja na navareni sloj od visokomanganskog čelika, odn. posle delovanja opterećenja, ispitni komadi su podvrgnuti ispitivanju tvrdoće i metalografskom ispitivanju.

EKSPERIMENT

U ovom eksperimentu kao podloga za navarivanje - ploče korišćen je čelik S 235 dimenzija 150 x 100 mm i debljine 20mm. Na takve ploče naneto je navarivanjem po 5 navara (gusenica) u sredini uzorka, visine navara do 3 mm da bi se napravila površina na koju se može delovati udarnim opterećenjem.

Korišćeni dodatni materijal za navarivanje je obložena elektroda za postupak 111 oznake po EN 14700 E Fe 9, odn. komercijalne oznake E Mn 14 proizvođača, železarna Jesenice, prečnika 3, 25 mm. Hemijski sastav čistog metala šava (kataloški poadatak) je 1,2% C; 12,5 Mn; 0,7 Mo.

Parametri navarivanja su: jačina struje 120 A, napon 23 V. Po završetku navarivanja, svaka od ploča podvrgnuta je brzom hlađenju (vodom) da bi se navareni sloj podvrgao „gašenju“.

Posle toga se na ploče delovalo opterećenjem, t.j. na površine navarenog sloja puštan je sa visine od 0,8 m teg pogodnog oblika (koji pokriva površinu navara) težine od 785 N.

REZULTATI ISPITIVANJA

Rezultati ispitivanja tvrdoće

Merenje tvrdoće uzoraka obavljeno je tvrdomerom TEMP2 sondom „G“ uz opterećenje od 11N sa etalonom od 187 HB a rezultati su dati u tabeli 1.

Rezulati ispitivanja mikrostrukture

Mikrostrukturna ispitivanja su nakon klasične pripreme i izazivanja strukture nitalom (5%) obavljena na optičkom mikroskopu Axio Scope A1, Carl Zeiss, sa uvećanjima 200 i 500, slike 3-16.

Tabela 1: Rezultati merenja makrotvrdoće na uzorcima ( bez pripreme)

Posle „gašenja“ Osnovni materijal

124-190 HB

Navareni sloj

160-196 - -

Posle ojačanja - - Uzorak 1

321-456 HB

Uzorak 2

315-467 HB

Tabela 2: Rezulati merenja tvrdoće na uzorcima pripremljenim za metalografsko ispitivanje po Vikersu sa opterećenjem 49 N – HV 5

Osnovni materijal 1. Niz 138-144

Srednja

vrednost

143

ZUT 2. Niz 201-206 211

Navareni sloj (posle ojačanja)

3. Niz

4. Niz

5. Niz

358-376

246-260

225-317

367

253

313



Slika 3. Osnovni materijal 200x Slika 4 Osnovni materijal 200x

Slika 5. Osnovni materijal 500x Slika 6. Osnovni materijal 500x

Slika 7. Metal šava 200x Slika 8. Metal šava 200x





Slika 13. ZUT 200 x Slika 14. ZUT 200 x



Slika 15. ZUT 500 x Slika 16. ZUT 500 x

DISKUSIJA REZULTATA

Prema literaturi [1]: „Egzaktni mehanizmi ojačavanja –otvrdnjavanja u toku rada koji se javlja u ovom tipu čelika su još uvek kontroverzni i posle više odjednog veka primene (1882.g. je „otkriven“). Elektronska mikroskopija je dala svoj doprinos samo na polju idetifikacije faza i mikrostruktura.

Posle otkrića mehanizma dvojnikovanja (u čistom bakru 1957.g, Blekwith) istraživanja su bila usmerena na ulogu dvojnika deformacije u smislu plastičnosti ovih materijala [9]. Proučavanja Hadfield-ovog čelika [4,10-13] pokazala su identifikaciju mikrostrukutre dvojnika deformacije. Mnoge od ovih studija, najčešće pominjani Adler, Olson i Owen [4] su sugerisali da dvojnici deformacije utiču na plastičnost i otvrnjavanje tokom rada na isti način kao i kod drugih legura koje se deformišu po kombinovanom sistemu klizanje-dvojnikovanje [9,14-20].

Međutim, neke druge studije, Dastur i Leslie [21] kao i Zuidema, Subramnyam i Leslie [22] sugerisali su da je osnovni princip otvrdnjavanja Hadfield-ovog čelika starenje dinamičkom deformacijom, uzrokovan reorijentacijom Mn-C parova unutar jezgara dislokacija.

Mada je deformacijom izazvana martenzitna transformacija bila glavni atribut uzroka deformacionog otvrdnjavanja Hadfield-ovog čelika [23], dokazano je da se ova transformacija ne javlja čak ni na temperaturama tečnog azota. Whiter i Honeycombe [6] su uz pomoć TEM replike visoke rezolucije i difrakcije X-zraka, pokazali da prethodno elektropolirane površine epruveta nemaju reljef površinske faze koji pokazuje faznu transformaciju i da se samo Fe-Mn-C legure sa niskim sadržajem C i niskim sadržajem Mn transformišu u martenzit.

Studije [10, 11 i 12 ] su pomoću istih ispitivanja pokazali da nema prisustva α ́ martenzita mada je Roberts zapazio da se pojavljuje mala količina ε

martenzita u epruvetama deformisanim čekičanjem. Dvojnike deformacije koje je predvideo Depkin [3] kao potencijalni doprinos deformacionom otvrdnjavanju Hadfield-ovog čelika zapazio je na osnovu slučajnosti. Značajna deformacija u dva do tri pravca koji su u korelaciji sa {111} ravnima dvojnikovanja i veoma su glasni-čujni (saopštenja o tome postoje) zavisno od toga kada se pojavljuje skok deformacije pri ispitivanju zatezanjem. Stvarne krive napon-deformacija za temperaturno područje od -1960 C do 1000C iz Dopkin-ove studije pokazuju skoro konstantan prosek brzine deformacionog ojačavanja δσ/δε. Dodatna potvrda dvojnikovanja pri deformaciji [6] na TEM replikama pokazala su da nema znakova klizanja do 3000C, a deformisana struktura je opisana kao veoma slična α-mesingu, (sada poznato da se deformiše kombinacijom klizanja i dvojnikovanja).

Roberts [10] je bio među prvimistraživačima koji su obezbedili ubedljive eksperimentalne dokaze o dvojnikovanju kod Hadfield-ovog čelika. Zaključio je da se kod Hadfield-ovog čelika deformisanog zatezanjem i eksplozijom javljaju dvojnici deformacije kao najizraženija mikrostruktura uz postojanje različitih drugih mikrostruktura zavisno od stadijuma deformacije bilo zatezanjem, bilo čekićanjem ili šokovima-udarima. Zato je predložio da tvrdoća mikrostrukture bude funkcija ukupne rezultantne gustine dislokacija, a ne neke specifične mikrostrukture.

Značaj uticaja ugljenika na tvrdoću Hadfield-ovog čelika zapazio je Roberts - postoje tri bazna tipa dvojnikovanog martenzita koji doprinose otvrdnjavanju u Cohen-ovom prikazu (1) rafinacija dvojnikovane substrukture, (2) ugljenikom izavana distorzija ili interakcija dipolnih dislokacija i (3) svi načini taloženja karbida. Cohen je pokazao da Fe-Ni-C legure imaju konstantnu MS pri sadržaju ugljenika od 0,02 do 0,82%, a da čvrstoća martenzita značajno zavisi od sadržaja ugljenika i temperature starenja preko temperaturno nezavisne dipolne distorzije ugljenikom i temperaturno zavisnog taložnog ojačavanja kao



dodatak osnovnom, ali je mali doprinos obezbeđen temperaturno nezavisnim dvojnikovanjem strukture bez ugljenika.

Dvojnici deformacije kod Hadfield-ovog čelika koje je zapazio Roberts imaju veliko rastojanje između dvojnika i nastaju eksplozijom i velike su tvrdoće (600HV) u poređenju sa bezugljeničnim dvojnicima martenzita tvrdoće do 300 HV sa malim rastojanjem između dvojnika. Time je nagovestio to da ugljenik može da ima značajnu ulogu u tvrdoći kod Hadfield-ovog čelika.

Raghavan [11] je proučavao mikrostrukture u svim stadijumima deformacije pritiskom. Ustanovio je da dvojnici deformacije deluju kao zaustavljači drugih dvojnika i dislokacija tokom deformacije. Interakcija klizanje-dvojnikovanje je prodiskutovana i zaključeno je da se prolazak klizne dislokacije mora odvijati kroz koherentnu međupovršinu matrica-dvojnik tako da dilokacije generalno moraju ostati na granicama dvojnika. One se nagomilavaju i povećavaju naprezanje pre nastavka klizanja po granicama. Rezultat ojačavanja deformacijom- klizanjem dislokacija tokom dvojnikovanja je sličan način rafinaciji zrna t.j. Hall-Petch-ov način rafinacije dvojničke strukture koji se javlja kod legura sa kombinovanim mehanizmom klizanja-dvojnikovanja. [9, 14, 15, 17].

Dastur i Leslie [21] su sugerisali da kod dinamičkog deformacionog ojačavanja, dominantni faktor koji doprinosi ojačavanju nije dvojnikovanje. Pokazali su da postoji monotono opadanje dvojnika do nulte gustine u temperaturnom opsegu od -25 do 225C na bazi krivih sa donjom maksimalnom deformacijom od 0,04 i inkrementom otvrdnjavanja od 0,002 do 0,4.

Autori [4] i [22] su odredili uticaj aluminijuma na otvrdnjavanje tokom rada, žilavost i habanje modifikovanog Hadfield-ovog čelika sa 2,7% Al i 1,75 C. Potvrđeno je da postoji neuobičajeno strukturno ojačavanje uz dvojnike deformacije.

Osnovni izgled relacije [7] σ - ε dopunjen je plastičnošću martenzitne transformacije što uključuje efekte i omekšavanja i otvrdnjavanja. Otvrdnjavanje je vezano za naprezanje dislokacija pri deformaciji sastavnog dela – austenita, ono je korigovano udelom dvojnika do povećanja deformacije i pretpostavljeni porast tvrdoće pseudodvojnika u Hadfield-ovom čeliku. Ova tvrdoća je pretpostavljena jer ponekad uključuje doprinose tvrdoći kako je to ustanovljeno u dvojnikovanom martenzitu usled dipolne distorzije i starenja usled ugljenika.“

Rezultati ispitivanja navarenih uzoraka podvrnutih dinamičkom opterećenju pokazuju da nije došlo do izuzetno velikog porasta vrednosti tvrdoća.

Metalografska analiza uzoraka nije ni nagovestila postojanje bilo koje strukture martenzita niti strukture dvojnikovanja bilo austenita, bilo martenzita.

Veoma je teško zaključiti koji je mehanizam delovao na deformisani navareni sloj kod kojeg je evidentno postignut neki stepen deformacionog ojačanja.

ZAKLJUČAK

Eksperiment ove vrste bio je uzrokovan potrebom povećanja veka eksploatacije delova (posebno na bageru vedričaru) izloženih konstantnom kombi-novanom opterećenju habanje-abrazija uz česte, bez zakonomernosti, udare srednje jačine.

Uz poznavanje samo jednog od mehanizama deformacionog otvrdnjavanja da dinamičko naprezanje dovodi do transformacije metastabilnog austenita u ε martenzit, praćen odgovarajućom tvrdoćom, utvrđeno je da uz korišćeno opterećenje to nije dovelo do tog, očekivanog rezultata.

S obzirom da je Hadfield-ov čelik još uvek velika nepoznanica kako za metalurge, tim više i za zavarivače, ovo ostaje veoma zanimljivo područje daljih istraživanja.

LITERATURA

[1] Chinella,F.J., Processing and characterization of high strentgh, hih ductility Hadfield steel, MTL TR 90-21, 1990, pp.15-22

[2] Dastur,Y.N., Leslie, W.C., Mechanism of work hardening in Hadfield manganese steel, Metallurgical and materials transactions A, Vol. 12, No 5 , 1981, pp.749-759

[3] Bayraktar, E., Levaillant., Altinas, S, Strain rate and temperature effect on the deformation behavior of the original Hadfield stee, Journal de Physique IV, Colloque C7, supplement au Journal de Physique III, Volume 3, 1993

[4] Aribo,S., Alaneme,K.K., Folorunso,D.O., Aramide,F.O., Effect of Precipitation Hardening, Journal of Minerals and Material Characterization and Engineering, Vol. 9, No 2, 2010.

[5] Efstathion, C., Sehitou, H., Strenghening Hadfield steel welds by nitrogen alloying, Material Sciency and Engineering A, 2009

[6] Weilin Y., Fang,L, Kun, S. Yunhua,X. Effect of surface work hardening on wear behavior of Hadfield steel, Material Sciency and Engineering A, Vol. 460-461, 2007, pp. 542-549

[7] Yildiziy,K, Eroglu,M., Karamis.M.B., Erosive wear of hardfacing austenitic manganese deposit, Tribology in Industry, Vol.27, No.3-4, 2005, pp.15-21

[8] Acarer,M., Guleng,B. Cladding on high Mn steel on low C steel by explosive welding, Turkish J. Eng. Env.Sci, No 27, 2003, pp. 431-434

[9] Owen, W.S., Grujicic,M., Strain aging of austenitic Hadfield manganese steel, Acta Mater. , Vol.47, No 1, 1999., pp. 111-126,

Documents

ISPITIVANJE DELOVANJA OPTEREĆENJA NA NAVARENI SLOJ …scindeks-clanci.ceon.rs/data/pdf/0354-7965/2012/0354-79651204155A.pdf · Termička obrada ovog čelika nije nimalo laka za izvođenje