Vpliv strukture in dimenzij preizkušanca, napetosti in hitrosti preizkušanja na zilavostne vrednosti UDK: 620.178.7 ASM/SLA: Q5, JI, J29 F. Uranc Dejanske odpornosti snovi proti porušenju z udarci ne poznamo, dokler ne vemo, kakšne vrste udarcev delujejo na izdelek in kako se izdelek dane oblike, dimenzij in strukturne sestave obnaša proti danim vrstam udarcev. Vemo, da z zvojnimi preizkusi laže kot z upo-gibnimi razlikujemo krhke snovi, ni pa zagotovo znano, ali morda popuščanje ne spreminja upo-gibne žilavosti drugače kot zvojno. O efektu hitrosti preizkušanja je veliko napisanega, toda ne vemo ničesar o odvisnosti odpornosti različnih struktur proti različno hitrim udarcem. Ni znan vpliv debeline preizkušanca na občutljivost žilavostnega preizkušanja pri različnih strukturnih spremembah in pri različnih trdotah. Zelo malo vemo o odpornosti proti zlomu kot energiji, ki še ne povzroči zloma. Skušajmo zožiti to nevednost o lastnostih snovi! 1. EFEKT ZVEČEVANJA ODPORNOSTNEGA MOMENTA NA ODPORNOST PROTI UDARCEM Pri enaki energiji nihala, udarjajočega na tenek ali debel preizkušanec se za porušenje prvega porabi manj dela kot za zlom drugega. Delo pa je v najbolj preprosti obliki produkt F . s = F . v. t kar pomeni, da je pri približno enakih časih za zlom tenkega in debelega preizkušanca razlika med produktoma F. v za oba precejšnja. Zadel j spreminjanja F. t in m . v po istem zakonu ter m • v in m. v2/2 tudi po skupnem zakonu, lahko sklepamo, da je razlika med silama F za zlom tenkega in za zlom debelega preizkušanca velika. Preizkušanec dvakrat večjega prereza terja pri sobni temperaturi od nihala manj kot dvakrat večjo energijo za zlom debelejšega kot za zlom tanjšega preizkušanca (1), če sta maksimalni napetosti (na površini preizkušanca) enaki, t. j. 1 m . A v,2 ^ m . A v22 2 2 2 A V!... zmanjšanje hitrosti nihala ob zlomu debelejšega preizkušanca, Av2 ... zmanjšanje hitrosti nihala ob zlomu pol tanjšega preizkušanca. To velja, če je debelina preizkušancev v smeri udarca enaka, torej je v smeri pravokotno na smer udarca pri debelejših preizkušancih dvakrat večja kot pri tanjših. To pomeni, da so tenki preizkušanci razmeroma bolj žilavi kot tolsti. To smo dokazali tudi s poskusi pri jeklu č. 1840 (OC 80). Cisto drugačne so razmere pri preizkušancih, ki nimajo enakih debelin v smeri udarca: debelejši preizk. vzamejo od nihala nesorazmerno veliko energije. Slika 1: Žilavost dveh vrst tenkih preizkušancev iz Č. 1430 (C 35), preizkušanih v smeri večjega ali Č. 1430 -C 35 Slika 1 Žilavost tenkih prob jekla Č. 1430 (C 35) kaljenih z 850" C v vodi Fig. 1 Toughness of Č. 1430 (C 35) steel thin probes quenched in vvater from 850" C 2ZB 14 (1980) štev. 3 Vpliv strukture in dimenzij preizkušanca, napetosti in hitrosti preizkušanja na žilavostne vrednosti manjšega odpornostnega momenta, je )ahko zelo različna, predvsem pri bolj žilavem stanju (višje popuščenem). Relativnega minimuma žilavosti (pri popuščni temperaturi 250° C) ne opazimo v krivulji za rezi-laste preizkušance (t. j. tiste z večjim odpornost-nim momentom v smeri udarca, s prerezom v udarni ravnini 4x9 mm2). Vzrok tega je vpliv večje ukrivljenosti tenkih preizkušancev, preizkušenih v tej smeri, kot je vpliv ukrivljenosti pri udarjanju na ploščato stran — to kaže desna stran diagrama z vrisanim razponom žilavostnih vrednosti. Samo preizkušanci, po-puščeni na 150° C (popustitev napetosti) se obnašajo drugače kot drugi: ploščati preizkušanci so bolj žilavi od rezilastih in tudi variacija žilavosti je večja! Žilavost na enoto prereza je pri rezilastih preizkušancih za 100 % večja kot pri ploščatih (70 J oz. 140). Torej je tudi sila za zlom pri rezilastih preizkušancih veliko večja kot pri ploščatih. Slika 2 kaže udarno upogibno žilavost tenkih ploščatih in rezilastih preizkušancih jekla č. 6441 (OW3) ter navadnih preizkušancev (prerez 9x10 mm2) z zaokroženo zarezo, polmera 10 mm in globine 1 mm. Ploščati preizkušanci s preizkusnim prerezom 3x10 mm2, popuščeni na 150, oz. na 180° C, so pokazali žilavost okoli 1,3 J, enako popuščeni re- Č.6441-OW3 Popuščna temperatura (°C) Slika 2 Žilavost jekla Č. 6441 (OW3) kaljenega z 800° C v olju ali s 780° C v vodi Fig. 2 Toughness of C. 6441 (OW3) steel quenched in oil from 800° C and vvater from 780" C zilasti pa 3,3 J, t. j. za 150 % večjo (pri tem je omeniti, da so bili rezilasti preizkušanci kaljeni v olju in zato malo manj žilavi). Preizkušanci s preizkusnim prerezom 9 x 10 mm2 (spodnja krivulja) so pokazali pri enakem popuščanju žilavosti okoli 10 J, kar je malo manjša specifična žilavost kot pri rezilastih preizkušancih. Trše jeklo (Č. 6441 (OW 3) zahteva v primerjavi z mehkejšim glede na trdoto nesorazmerno veliko energijo in silo za upogibni zlom, če pri obeh jeklih enako povečamo odpornostni moment. Zato so lahko orodja oblikovana s sorazmerno majhnim odpornostnim momentom, tudi če grozi nevarnost nasilnega zloma — gledano tako, kakor ocenjuje varnost proti zlomu uporabnik konstrukcijskih jekel. 2. ODPORNOST PROTI RAZLIČNIM RAZMERJEM STRIŽNE IN NORMALNE NAPETOSTI Primerjajmo udarno upogibno žilavost z zvojno žilavostjo nelegiranega jekla! Slika 3 kaže podobnost krivulj zvojne in upo-gibne udarne žilavosti jekla č. 1940 (OC100). Zvojne žilavosti nismo določali pri preizkušancih, ki bi bili popuščeni na 200° C, odtod majhna razlika v obliki obeh krivulj. Slika 4 kaže upogibno in zvojno žilavost jekla Č. 7680 (BRM 2). Primerjajmo krivuljo za preizkušance, kaljene s 1230° C na zraku ali v termalni kopeli (upogibni preizkušanci) s krivuljo za preizkušance, kaljene s 1240° C na zraku (zvojni preizkušanci). Minimum upogibne žilavosti nastopa C. 1940 -OC 100 Popuščna temperatura (°C) Slika 3 Zvojna in upogibna žilavost jekla C. 1940 (OC 100), kaljenega s 780" C v vodi Fig. 3 Torsional and bending toughness of Č. 1940 (OC 100) steel quenched in vvater from 780° C 70 (Č. 7680) BRM 2 upogib zvoi • 1180 / termalna k. * 1230/ termalna k. x 1180/ zrak a 1230/ zrak E s I -70 c to ^ o 81! g O h 3 N 100 200 300 400 500 600 700 Popuščna temperatura (°C) Slika 4 Zvojna in upogibna žilavost jekla Č. 7680 (BRM 2) Fig. 4 Torsional and bending toughness of C. 7680 (BRM 2) steel pri popuščanju na 540° C (če so bili preizkušanci kaljeni v termalni kopeli). Minimum upogibne žilavosti preizkušancev, kaljenih na zraku, pa je po popuščanju 540—580° C. Pri isti popuščni temperaturi nastopa tudi minimum preizkušancev, kaljenih enako in preizkušanih na zvoj. Ni videti bistveno različnega obnašanja preizkušancev pri zvojni ali upogibni obremenitvi, zato lahko samo ovržemo dosedanja mnenja o različnem efektu popuščanj na zvoj no in upogib no žilavost. Zvojna žilavost se s popuščanjem spreminja veliko intenzivneje kot upogibna. 3. OBNAŠANJE RAZLIČNIH STRUKTURNIH SESTAVIN OB ZLOMU PREIZKUŠANCA Primerjajmo lastnosti nelegiranega orodnega jekla C. 1940 (OC 100) z lastnostmi jekla C. 4150 (OCR 12). Slika 5 kaže zvojno in udarno upogibno žilavost (različnih tipov jekla Č. 1940 (OC 100) z odpornostjo proti sunkom. Preizkusi na Izodovem stroju so dali v najboljšem primeru, t. j. z gladkimi preizkušanci, podobno krivuljo kot preizkusi tenkih preizkušancev (plošč s preizkusnim prerezom 3x10 mm2): razlika je le v tem, da so pri Izodovem stroju dobili krivuljo premaknjeno za 50° C k višjim po-puščnim temperaturam. Krivulja meje vzdržnosti pri večkratnem udarjanju teče paralelno krivulji udarne upogibne žilavosti tenkih preizkušancev — pri popuščnih temperaturah nad 150° C. Krivulja meje loma pa je za 50° C premaknjena k nižjim popuščnim temperaturam. Lahko pa rečemo tudi, da leži krivulji žilavosti tenkih ploščatih preizkušancev paralelno tudi krivulja meje loma, in sicer do popuščne temperature 180° C. Tako vidimo, da kaže krivulja žilavosti tenkih preizkušancev v območju popuščnih temperatur 150 do 180° C istočasno potek krivulje vzdržnosti in krivulje loma. Kot je videti, občutimo z merjenjem dela za zlom predvsem spremembe (odpravljanje) napetosti v preizkušancih, z merjenjem vzdržnosti pa efekte izločanja (epsilon karbida) in pretvorb (avstenita v martenzit). Žilavostni krivulji upogiba preizkušancev s prerezom 9x10 mm2 ali zvoj a preizkušancev debeline 0 6 mm občutita efekt odprave napetosti in efekt tvorbe epsilon karbida pri eni popuščni temperaturi, tj. pri popuščanju na 180° C. Popuščni efekti delujejo torej na tenke in debele preizkušance različno; na prve ločeno, na druge združeno. Največji razdalji med krivuljama vzdržnosti in loma sta pri popuščnih temperaturah najbolj strmega porasta ali malo nad padcem krivulje udarne zvojne (in upogibne s preizkušanci, zareze rl0/l mm) žilavosti. Meja vzdržnosti (ali kratko vzdržnost) proti udarcem se znatno poveča šele s popuščanjem na 200° C in nato se nadalje poveča šele s popuščanjem na 250° C. Za zlom rabijo veliko energije že C1940-OC100 Kaljeno 100 200 300 Popuščna temperatura °C Slika 5 Odpornost proti lomu in žilavost jekla C. 1940 (OC 100), kaljenega s 780° C v vodi Fig. 5 Fracture resistance and toughness of Č. 1940 (OC 100) steel quenched in water from 780° C ŽZB 14 (1980) štev. 3 Vpliv strukture in dimenzij preizkušanca, napetosti in hitrosti preizkušanja na žilavostne vrednosti preizkušanci, ki so popuščeni na 150° C in imajo nizko mejo vzdržnosti. Preizkus tenkih preizkušancev na Charpy kladivu je dal krivuljo vzdržnosti, preizkus debelih preizkušancev (9x10 mm2 preizkusnega prereza) je dal krivuljo, ki je podobna meji loma. Sklepamo: preizkus tenkih preizkušancev daje bolj resnično podobo odpornosti proti udarcem kot preizkus normalno debelih preizkušancev. Vzrok tega je možnost prekaljenja tenkih preizkušancev (za preizkusne meje odpornosti in preizkuse tenkih preizkušancev na Charpy kladivu). Preizkusi vzorcev, debeline 10 mm, so pokazali maksimum žilavosti že po popuščanju na 180° C — verjetno zavoljo ohranjene trdnosti nekaljenega jedra. Zato je prav preizkušati vzorce z enakimi strukturnimi sestavinami, kot so v orodju (ali drugačnem izdelku), katerega lastnosti bi radi spoznali. Za nelegirana orodna jekla so tenki preizkušanci, prereza 3x10 mm2 primernejši od do zdaj uporabljanih žilavostnih preizkušancev s prerezom v zarezi 9x10 mm2 (ali 7x10 mm2). Slika 6 kaže za jeklo C. 4150 (OCR 12) udarno in statično upogibno žilavost ter odpornost proti udarcem. Meja loma in meja vzdržnosti (proti udarcem) tečeta paralelno, zato obravnavajmo za primerjavo samo eno. Paralelni sta verjetno zato, ker so efekti popuščanja napetosti pri tem jeklu blažji kot pri OC 100, ter se zato vzdržnost poveča že z enakim popuščanjem, ki poveča tudi delo za zlom. Preizkušanci, debeline 10 mm, prekalijo. Zakaj je krivulja, dobljena s temi preizkušanci (zaokrožitev zareze rl0/l mm) drugačna kot tista, dobljena z lomljenjem tenkih preizkušancev, to je premak- I njena za 50° (pri 300°), oz. 100° (pri 400°) popuščne temperature (na desno) k višji popuščni temperaturi? Minimum udarne žilavosti (preizkušancev 9x10 mm2, rl0/l mm) pri popuščni temperaturi 300° C sovpada z dosego nizke trdote, ko je vzdržnost na maksimumu!. Vzrok vzdržnosti je veliko elastično delo za zlom. Minimum vzdržnosti (popuščanje na 250° C) je posledica zastoja v zvečanju elastičnega dela ob istočasnem padanju trdote pri zviševanju popuščne temperature. Zmanjšanje dviganja elastičnega dela za zlom pri popuščanju nad 250° C je v zvezi z že odpravljenimi napetostmi in s postopno povečujočo se zavorno dejavnostjo popustnih izločkov. Za debele žilavostne preizkušance je minimum pri 300° C popuščne temperature, zato ker so se pri debelih preizkušancih šele tedaj (pri tisti temperaturi) prenehale intenzivno zmanjševati napetosti (torej se je ustavljal porast elastičnega dela za zlom). Drugi minimum vzdržnosti se ujema s padcem elastičnega dela za zlom in je v zvezi z večanjem trdote ob izločanju posebnih karbidov. Sklep: Merjenje vzdržnosti proti lomu, oz. proti večkratnemu udarjanju, je veliko zanesljivejši kazalec strukturnih sprememb, ki nastopajo v nelegiranem ali v visokolegiranem jeklu, kot določanje dela za zlom. Preizkušanci naj bodo zadosti tenki, da dobimo po kaljenju strukture, kakršne resnično želimo preizkušati. 4. ODPORNOST PROTI OBREMENITVAM RAZLIČNIH HITROSTI Delovanje dveh stopenj hitrosti upogibanja na žilavostno obnašanje različnih preizkušancev smo ugotavljali s preizkusi jekla Č. 1940 (OC 100). Slika 7 kaže udarno upogibno žilavost različno popuščenih preizkušancev (po tri enako popuščeni preizkušanci), izdelanih z blago zarezo (zaokrožitev 10 mm, globina 1 mm). Risba kaže žilavost in trdoto preizkušancev s preizkusnim prerezom 9x10 mm2 ter lastnosti tenkih preizkušancev ploščate oblike, s prerezom 3 X 10 mm2 na mestu, določenem za zlom. Posebnosti prvih dveh krivulj (debelejšega preizkušanca) sta pojav maksimuma žilavosti za preizkušance, popuščene na 180° C, in strm padec krivulje trdote med popuščnima temepraturama 150° C in 180° C. V poprečju je padec krivulje trdote do popuščne temperature 200° C povsem enakomeren, s tem da je precej strmo dviganje žilavosti in padanje trdote pri popuščanju do trdota 3x 10 mm upogibna napetost meja plastičnosti celotno -rrr? %4)last. komp. dela .v,-p elastično delo nh zlomu Č 4150- OCR 12 rXJ/l 50 I "Si 1^6 7090 Vi800 1 ^ o fc-S1! 600 8 - 9 <00 f Ofl o S &200 n 200 300 iOO 500 Popuščna temperatura [?Ql Slika 6 Odpornost proti lomu, statična in udarna upogibna žilavost jekla C. 4150 (OCR 12) Fig. 6 Fracture resistance, static and impact bending toughness of C. 4150 (OCR 12) steel 100 200 300 400 500 600 Popuščna temperatura (°C) Slika 7 Žilavost tenkih in debelih prob jekla Č. 1940 (OC 100), kaljenega s 780" C v vodi Fig. 7 Toughness of thin and thick probes of C. 1940 (OC 100) steel quenched in water from 780° C 180° C. Popuščanje na 200° C skoraj ne spremeni trdote v primerjavi s popuščanjem na 180° C, pač pa zmanjša žilavost, kar je posledica razpada zaostalega avstenita v bainitu podoben produkt. Drugi par krivulj (za tenke žilavostne preizku-šance ima v zanimivem območju drugačen potek: krivulja trdot strmo pada od popuščne temperature 150° C do 200° C, krivulja žilavosti pa se strmo dvigne samo od popuščne temperature 180° C do 200° C, nato se zložno dviga. Pri tenkih preizku-šancih je manj zadržanega avstenita, zato tudi ni zmanjšana strmina padca trdote po popuščanju med 150 in 180° C. Napetosti se pri tenkih preiz-kušancih odpravljajo pri popuščanju do 150° C, medtem ko pri debelih do 180° C. Pri debelih je efekt odpravljanja napetosti tudi večji kot pri tenkih prekaljenih preizkušancih. Slika 8 kaže rezultate statičnih, t. j. počasnih upogibnih preizkusov vzorcev iz tega jekla. Trdoti tenkih in debelih preizkušancih se podobno spreminjata s spreminjanjem popuščne temperature. To kaže na možnost napake pri popuščanju tenkih preizkušancev za udarne žilavostne preizkuse. Žilavostna krivulja kot produkt porušne sile in upogiba kaže za tenke preizkušance spremembe pri nižjih popuščnih temperaturah kot za debele! Očitno v tanjših preizkušancih začne nekaj dvigati žilavost že pri nižji popuščni temperaturi kot v debelejših preizkušancih. Tanjši preizkušanci se manj upognejo kot debelejši in porabijo za zlom komaj tretjino dela, ki gre za zlom debelejših preizkušancev. To pomeni v razmerju do prereza povečanje žilavosti za 150 %, če povečamo razdaljo prijemališča maksimalne napetosti od nevtralne osi za 100 %. Razmerja žilavosti so podobna kot pri udarnem upogibnem preizkusu. Pa tudi premik žila-vostnih krivulj tenkih preizkušancev k nižjim po-puščnim temperaturam je navzoč tako pri udarnih kot pri statičnih preizkusih, tako pri nelegi-ranih kot pri legiranih jeklih. Vidimo, da je obnašanje tenkih preizkušancev podobno obnašanju debelih pri počasnem preizkušanju v tem smislu, da krivulje žilavosti nimajo relativnega maksimuma po popuščanju na 150° (oz. 180° C), temveč kažejo le zastoj dviga žilavosti s popuščanjem na malo višji temperaturi. Vidimo podobnost krivulj žilavost-popuščna temperatura preizkušancev, zlomljenih hitro ali počasi. Č.1940- OCIOO . probe 10x10x100mm2 r probe 10 x 5x100 mm2 600-2 100 200 300 400 500 600 Popuščna temperatura (°C) Slika 8 Počasno upogibanje prob jekla Č. 1940 (OC 100), kaljenega s 780° C. Obremenjevanje v treh točkah, razdalja fiksnih podpor 80 mm, hitrost obremenjevanja 200 kp/mln. Fig. 8 Slovv bending of probes of C. 1940 (OC 100) steel quenched from 780° C. Loading in three points, distance betvveen fixed supports is 80 mm, loading rate 200kp/min • , X __„„,„,-(! in hitrosti preizkušanja na žilavostne vrednosti .3 Vpliv strukture in dimenzij preizkušanca, napetosti in nitroso pn.__ Vidimo razliko med popuščnima temperaturama, ki povzročita zastoj žilavosti pri tenkih ali debelih preizkušancih. SKLEPI 1. Poskusi z nelegiranim jeklom Č. 1430, Č. 1940 (C 35, OC 100) kažejo strm porast žilavosti ploščatih preizkušancev, ki jih popustimo na 150° C — vzrok je odprava napetosti. Rezilasti preizkušanci še ne čutijo te odprave, ker se med preizkušanjem ustvarjajo v vzorcih jekla velike večosne napetosti. Vpliv večanja odpornostnega momenta na žilavost raste s trdnostjo. 2. Popuščne efekte moremo s preizkusi tenkih preizkušancev posamezno zasledovati: pri debelih preizkušancih sovpadata efekta odprave napetosti in izločanja epsilon karbida. Zato moramo preizkušati vzorce debelin, podobnih debelinam orodij ali konstrukcijskih delov, katere raziskujemo. 3. Hitrost preizkusa ne vpliva na premik maksimumov krivulje žilavost-popuščna temperatura. 4. Razmerje strižna-normalna napetost v preizkušancih ni pomembno pri zasledovanju popuščnih efektov na jeklu, vendar je efekt popuščanja veliko večji na zvojno kot na upogibno obremenjenih delih, kar zadeva žilavost. 5. Vpliv strukturnih sprememb se bolje občuti z merjenjem odpornosti proti lomu kot z merjenjem dela za zlom preizkušanca. Vir: 1. Nicodemi W.: Metallovedenie i termičeskaja obrabotka metallov, 1966, No. 10, str. 76-77. ZUSAMMENFASSUNG Der Vergleich der Kerbschlagzahigkeitswerte erhalten durch die dynamischen und statischen Biege und Verdreh-versuche, die Schlagversuche und Biegeversuche der dunnen und dicken Proben zeigt die Vorteile der einzelnen Unter-suchungsmethoden fiir die an Sonderfallen vorgesehenen oder enviinschten Beanspruchungen der Fertigerzeugnisse. Der Einfluss des Widerstandmomentes auf die Kerb-schlagzahigkeit wachst mit der Festigkeit. Die Biegeversuche an dunnen Proben machen die Unterscheidung der Wirkung der Verminderung der Eigen-spannungen von den Ausscheidungs- bzw. Struktureffekten moglich. Die Verdrehzahigkeit verandert sich durch das Anlas-sen verhaltnismassig mehr, jedoch ahnlich wie die Biege-zahigkeit. Der Einfluss der Strukturanderungen ist bei der Messung des Bruchvviderstandes besser zu spuren als bei der Messung der zum Bruch der Probe benotigen Arbeit. SUMMARY Comparison of toughness values obtained by the dynamic and static, bending and torsional tests, multiple impact and bending tests of thin and thick probes gives the advantages of single methods for special cases of expected or desired loadirig of single products. Influence of the moment of resistance on the toughness gains importance with the strength. Bending tests of thin probes enable to distinguish effects of reduced in- terna! mechanical stresses from the structural or preci-pitation effects. Torsional toughness varies vvith tempering in a similar way as the bending one but the changes are more pro-nounced. Influence of structural changes is better determined by measuring the resistance to breaking than by measuring the breaking energy. 3AKAIOTEHHE CpaBHeHHH 3HaKH0CTb pa3AHHaTb 34>eKTOB paCTBOpeHHH, OTH. OT CTpyKTypHbIX 3<}>eKT0B. XOTH nO-Ao6Ha H3TH6y, HO CpaBHHTeAbHO SOAbme H3MeHHeTCH KpyTHAbHaa B»3KOCTb. BAHHHHe CTpyKTypHbIX H3MeHeHHH 6oAee Bbipa3HTeAbHO C H3-MepeHHeM conpoTHBAeHHH pa3pb!By, neM npH H3MepeHHH pa60Tbi, Heo6xoAHMoft Ha pa3pymeHHe o6pa3ua.