Odpornośc na zużycie ścierne i niszczenie

wodorowe austenitycznych Stopów  Fe-Mn-C

PART  1  PART 2 PART 3

Waleryj KOLESNIKOV

Wschodnioukraiński Państwowy Uniwersytet im W.Dalja, Ługańsk, Ukraina



Badania porównawcze modelujące zachowanie się  austenitycznej osnowy żeliwa wykonano na stali manganowej DDT 68. Na rolce ze stali DDT 68 i użytej do badań porównawczych (rys. 5a), w warunkach tarcia powłoka z adsorbowanych wtrąceń grafitu i smaru utrzymuje się na powierzchni w ciągu dłuższego, w porównaniu z żeliwami austenitycznymi, okresu eksploatacji (do 4 godzin).  Analiza metalograficzna  potwierdziła, że po obróbce plastycznej na zimno stal manganowa nie tworzy ognisk mikrozgrzewania, jakie obserwuje się na stalach typu 20 HN [11]. Niszczenie powierzchniowych stref stali wysokomanganowej zachodzi przez inicjację mikropęknięć i naruszenie spójności fragmentów materiałów a nie jako wynik procesu mikrozgrzewania. Identycznie zachowuje się austenityczna osnowa badanych żeliw.  Prawdopodobne jest, że chropowaty mikrorelief z pasm poślizgu, jaki tworzy się na powierzchni tarcia, również wpływa na utrzymywanie na powierzchni warstw smaru i grafitu. Na powierzchni rolki po zużyciu w warunkach niedostatecznego smarowania zaobserwowano ślady warstw zaadsorbowanych. Z tego wynika, że obecność grafitu w żeliwach austenitycznych oddziaływa podobnie jak dodatek grafitu do smaru, obniżając zużycie węzła ciernego.

Rys. 5. Rolka ze stali 45Г2 po badaniu w warunkach nieobecności oleju , × 30 (a, ) Powierzchnia zużycia austenitycznej  stali manganowej w warunkach nieobecności oleju  (w centralnej części - pęknięcie) × 5000 (b); na powierzchni trącej – pasma i obszary uszkodzone w procesie pęknięcia ×1000 (с),

 

Obserwuje się wyrywanie dużych cząstek materiału osnowy z obszarów pomiędzy blisko położonymi wydzieleniami grafitu. Wykruszenie tych cząstek podczas pękania zaobserwowano na fraktogramach jako ubytki (rys. 6). Wyniki badań fraktograficznych pozwalają wnioskować o transkrystalicznym charakterze niszczenia. Zaobserwowano ponadto wyłamania bloków ziaren, co podwyższa energochłonność pęknięcia.

pozwala na głębsze wyjaśnienia mechanizmów pękania korozyjnego tych materiałów, biorąc pod uwagę temperaturę, potencjał elektrodowy, skład chemiczny i poziom intensywności naprężeń.

Pęknięcie w wilgotnej atmosferze wodorowej przebiega na ogół wg mechanizmu quasi-skoków. Przy tym mechanizmie niszczenia obserwuje się płaskie fasetki krystalograficzne z charakterystycznymi śladami wydzielenia wodoru na granicach. Na powierzchni przełomu, przy trwałym obciążeniu statycznym, pojawiają się miejsca o podwyższonej koncentracji pęcherzy wodoru, co świadczy o lokalnym odkształceniu plastycznym.

Rys. 6. Fraktogramy żeliwa manganowego: а – stop Nr 3, × 250; b – stop Nr 2, ×500;
stop Nr 2 (c – × 300; d – ×1000) prędkość propagacji pęknięcia 10^–6 m/cykl w stopie Nr 2 (f – × 2000) i Nr 3 (e – × 2500) (powietrze, wilgotność 40%).

  Stal manganowa w wodorze ulega niszczeniu wg mechanizmu ciągłego skoku. Jedną z odmian jest naruszenie spójności po płaszczyznach poślizgu. Wzdłuż pojedynczych płaszczyzn poślizgu pojawiają się krótkie wtórne pęknięcia i wydzielanie pęcherzy wodoru. Przy obciążeniu statycznym w atmosferze wilgotnej, wodór powiększa prędkość propagacji pęknięć do 10 razy a elektrolityczne nawodorowanie może powiększyć tą prędkość do 100 razy w porównaniu z prędkością pęknięć na powietrzu [10, 15,16].

 

Wnioski

 

Ustalono, że istotą podwyższenia fizykomechanicznych właściwości manganowych żeliw austenitycznych są zmiany strukturalne wywołane wprowadzeniem pierwiastków węglikotwórczych.

Wzrost udziału fazy grafitowej obniża właściwości mechaniczne (w tym w środowiskach wodoronośnych) i odporność na pękanie. Równocześnie obserwuje się poprawę właściwości tribologicznych.

Kompleksowe stopowanie powoduje efekt umocnienia roztworu stałego z obniżeniem plastyczności stopów i zmniejszenie ich zdolności do trybu aktywowania powierzchni swobodnej podczas tarcia.

Skład zestawu pierwiastków stopowych, zmieniających udział i skład frakcyjny fazy grafitowej oraz właściwości osnowy może być zatem uznany za regulator zespołu właściwości użytkowych. Analizując wyniki przedstawione w tablicach 3 i 4  w zestawieniu z tablicą 1, można stwierdzić, że dodatki Cr i Ti w badanym zakresie  zmian, korzystnie wpływają na parametry mechaniki pękania austenitycznych żeliw manganowych i związane z nimi wskaźniki eksploatacyjne tych materiałów.

Bibliografia

 

1.       Balitskii A.: Reliability and durability assessment of structural materials for NPP using fracture mechanics approaches. Zeszyty Naukowe Politechniki Opolskiej. Seria: Mechanika, z.79, Nr kol. 300/2005, s.33.-52.

2.       Fracture mechanics and strength of materials: Reference book , Editor-in-chief V. V. Panasyuk. V. 8.  Strength of materials and durability of structural elements of nuclear  power plants,  A.I.Balitskii, O.V.Makhnenko, O.A.Balitskii, V.A.Grabovskii, D.M.Zaverbnyi, B.T.Timofeev. Editor A. I. Balitskii – Kyiv: PH “Akademperiodyka”, 2005. – 544 p.  ISBN 966-360-035-7.

3.       Thoman U.I., Uggowitzer P.J.: Wear-corrosion behaviour of biocompatible austenitic stainless steels. Wear, 239, 2000, pp. 48-58.

4.       Patent of Ukraine 2004020827, С22С38/38. Manganese cast iron, V.О.Kolesnikow, A.І.Balitskii; Declared 05.02.04; Publ. 15.12.04. Bul. № 12.

5.       Balicki A., W.Kolesnikow, J.Kubicki: Podwyższanie odporności na zużycie ścierne  stopów Fe-Mn poprzez wprowadzenie wybranych dodatków stopowych, Inżynieria Materiałowa. 2003. s.244-246.

6.       Balytskyi O.I., Kolesnikov V.O., Kaviak P.: Tribotechnical properties of austenitic manganese steels and cast-irons under sliding friction conditions. Physicochemical mechanics of materials,  2005, № , p. 55 –60.

7.       Balytskyi O.I., Kolesnikov V.O.: Investigation of wear products of austenitic manganese cast-iron. Materials Science, vol.40, № 1, 2004. p. 78-82.

8.       Balytskyi O.I., Kolesnikov V.O., Kubicki J.: Enhancement of the crack resistance of manganese cast irons, Materials Science, Vol.41, № 1, 2005, p. 67 –73.

9.       Kolesnikov V.A.:”Increasing of operational properties of austenitic manganece cast iron by alloying of carbide creating elements” (PhD thesis defended 21.9.2005, Lviv, Karpenko Physico-Mechanical Institute, National Academy of Sciences of Ukraine).

10.   Balitskii A. I., Kostyuk I., Kolesnikow V., Kubicki J., Medvid A.G., Ostaf V.Yu.: Hydrogen induced changes of physical and mechanical properties of materials for power generation and transport equipment. Hydrogen Treatment of Materials (Proceedings of the Fourth International Conference ‘HTM-2004”, Donetsk-Svyatogorsk, May 17-21, 2004),  Council of Interparlimentary Assembly of States-Participants of Concord of Independent States,  Donetsk, 2004, p.508-512.

11.   Balitskii A., Kolesnikow W., Kubicki J.: Role of chromium, vanadium and titanium alloying on the ferrous-manganece alloys tribologycal properties increasing. Problems of Tribology, 2003, № 1, p. 94–100.

12.    Balitskii A.I., Kostjuk I.F.,  Kolesnikow W. O., Kochmanski P.: Increasing of corrosion-mechanical resistance of high nitrogen steel welding joining. Visnik EUNU named after V Dal, 2003, №11(68), p.41-46.

13.   Balitskii A., Kolesnikov V., Kubicki J.: High manganese doped iron-carbon alloys – a promising material for parts in railway transport working under wearing condition /Industrial and tourist transport, 2003, Issue 2, p.54-59.

14.   Balitskii A., Kostyuk I., Kochmanski P., Ostaf V., Kolesnikow W.: Irregularity of Mechanical and Electrochemical Characteristics of Chromium-Manganese Welded Joints, Proc. 6-th International Symposium of Ukrainian Mechanical Engineers in Lviv, Lvivska Politechnika, 2003. p. 134-135.

15.   Balitsky A.I., Kostyuk I.F., Krokhmalny O.A.: Physical-mechanical non-homogeneity of welded joints of high-nitrogen Cr-Mn steels and their corrosion resistance. The Paton Welding Journal. 2003. № 2, P.26-29.

16.   Balitskii A.I.,  Diener M., Harzenmoser M., Kostjuk I.F.,Kochmański P., Ostaf V. : Corrosion-Mechanical Resistance of High-Nitrogen Austenitic Steels Welded Joints. Advances in Corrosion Science and Application.- Proceedings of Michal Smialowski International Symposium on Corrosion and Hydrogen Degradation. Institute of Physical Chemistry of the Polish Academy of Sciences. 2003. p. 163-168.

 

Recenzent:

 

Prof.

 

Keywords:

Manganese cast irons, austenite, crack resistance, wear, wear products, hydrogen degradation.

 

Wear resistance and hydrogen resistance of austenitic Fe-Mn-C alloys

 

It was carried out the analyses of the influence of alloying elements on the surface and under surface layers structure of Fe-Mn-Cu alloys modified by Cr – V – Ti during the wear under different loading and hydrogen embrittlement. It was shown, that alloying elements  increasing of operational properties in the different ways.  It was established, that increase of hardness and change of structural-phase structure of the investigated alloys in conditions of dry friction at constant loading and high-speed modes can be accompanied by reduction of intensity of wear process, that is transition from pathological modes of destruction of a material to a normal operating mode wear process.