Maradó feszültség élettartamra gyakorolt hatása ciklikus igénybevétel közben

Átírás

1 Maradó feszültség élettartamra gyakorolt hatása ciklikus igénybevétel közben Cseh Dávid 1, Dr. Mertinger Valéria 1, Dr. Lukács János 2 1 Miskolci Egyetem, Műszaki Anyagtudományi Kar, Fémtani és Nanotechnológiai Intézet 2 Miskolci Egyetem, Gépészmérnöki és Informatikai Kar, Anyagszerkezettani és Anyagtechnológiai Intézet 1. Bevezető Gépelemeink tönkremenetelének egyik fő típusa a fáradásos anyagkárosodás (Findlay & Harrison, 2002, November) mely tönkremeneteli folyamatot gátolhatjuk, bekövetkezését késleltethetjük helyesen megválasztott, beállított felszíni maradó feszültség állapottal (Martin, et al., 1997) (Timoshenko, 1983) (Macherauch & Hauk, 1987). A fáradási tulajdonságokat javítani képes, a felhasználás számára kedvező direkt maradó nyomó feszültség kialakítására alkalmas eljárások közül a szemcseszórás a legelterjedtebb (Davis, 2002). A direkt létrehozott maradó nyomó feszültség fárasztó igénybevétel közbeni viselkedésének leírására még nem született formula, habár egyes ötvözet családok ciklikus igénybevétel közbeni maradó feszültség megtartó képességének vizsgálata már megkezdődött (Dalaeia, et al., 2010) (Kim, et al., 2013) (Nikitin & Besel, 2008). Itt bemutatott eredményeink egy eddig még nem vizsgált ötvözet család, a nemesíthető acélok csoportjának egy járműiparban széleskörben elterjedt típusának az EN szabvány szerinti 42CrMo4 ötvözetnek a fárasztó igénybevétel közbeni maradó feszültség megtartó képességét tárgyalják. 2. Alapanyag Mivel számos direkt maradó nyomófeszültséggel erősített gépalkatrész, fogaskerekek, tengelyek, nemesíthető alapanyagból készülnek egy általánosnak mondható EN szabvány szerinti 42CrMo4 acél ciklikus igénybevétel közbeni maradó feszültség megtartó képességének vizsgálata mellett döntöttünk. A használt ötvözet jellemző összetételét az 1. táblázat tartalmazza. A hengerelt köracélból forgácsolt próbatesteket (1. ábra) indukciós hevítő berendezéssel ausztenitesítettük C -on 2 perc hőntartás után, termoelemmel 850 C -ig hűtve (a próbatestekhez hegesztett termoelemre az induktor szabályozásához volt szükség). Mikor a darab az induktorból való kivétel után elérte a 850 C -t a termoelemet levágva, a próbadarabot függőlegesen tartva olajba merítve edzettük. Az edzés után a próbatesteket egy samott lapon máglyába rakva, 600 C -on félóráig hőn tartva megeresztettük majd a kemencéből a kerámia lappal együtt kivéve nyugvó levegőn hagytuk kihűlni. 1. táblázat ötvöző elem m/m% C Si Mn P S Cr Mo 0,38 0,45 0,4 0,6 0,9 0,025 0,035 0,9 1,2 0,15 0,3 A próbatestek előkészítésének befejező művelete a sörétszórása volt, mely művelet kivitelezésébe a Rába Járműipari holding Nyrt nyújtott segítséget. A próbatestek szórása ipari célokra (merev tengelyek kezelése) optimalizált körülmények között történt. Kérésünkre

2 rögzítették a kezelés tényleges adatait melyek a következők voltak: A szórás egy három kerekes WMKD-3 típusú berendezésben történt. A kerekek átmérője 350mm, forgási sebessége /min. A mintatartóba helyezett próbatesteket 3X3 percig verették. A szóró egységek (3db kerék) áramfelvétele: 28A, 26A, 28A-volt. A próba testek tartójára helyezett teszt lemezek eredménye 0,26 illetve 0,24 (Almen C) volt. A szóráshoz 4 óráig kondicionált 1,8 mm átmérőjű, 1,8 mm hosszra darabolt, 430 HV keménységű huzalt használtak. A szórás lefedettsége minimum 150% volt. A szemcsék átlagos sebessége mikor elhagy-ták a szóró kereket 55 m/s. Így a szórással átlagosan 117 J/mm2 energiát vittünk a felületbe. A szóró kerekek szórási teljesítménye 252 kg/min volt. A próbatesteket fixáltük a szórás közben, ehhez mintabefogót építettünk (2. ábra). 1. ábra Az alkalmazott próbatestek méretei Az esetleges mérethatás megfigyelési lehetőségének megteremtésére a 7x7-es keresztmetszetű középen karcsúsított sörétezett próbatestekből a kísérlet közben kialakítottunk 6db 5x5-ös próbatestet is. Ezeket az újbóli forgácsolás után ismételten azonos paraméterekkel söréteztettük. Kettőt bemetszéssel, négyet a 7x7 es próbatestekkel azonosan vizsgáltunk. 2. ábra A próbatestek az épített mintabefogóban a sörétezés előtt és azt követően 3. Mérésiparaméterek A röntgen diffrakciós mérésekhez a Miskolci Egyetem, Műszaki Anyagtudományi Karának Fémtani, Képlékenyalakítási és Nanotechnológiai Intézetének Lisa Laboratóriumában működő Stresstech G3R típusú röntgen diffraktométert használtuk.

3 Vizsgálatainkat Cr katódos röntgencsővel végezttük. Karakterisztikus Kα, λ=229 pm, röntgen sugárzást használtunk így a ferrit (211) miller indexű síksorozatának 2θ=156,4 -ban jelentkező diffrakciós csúcsának eltolódásából számoltunk maradó feszültséget módosított sin2 Ψ módszerrel. A mérés során ψ =0 ; ±20.7 ; ±30 ; ±37.8 ; ±45 döntési pozíciókban 5 sec. gyűjtési időkkel regisztrálttuk az adatokat. A próbatestek négy oldalának három-három 3mm folt átmérőjű területén (3. ábra) rögzítettünk maradó feszültség értékeket sörétezés utáni, kiinduló állapotban és minden terhelési egységet követően, utolsó lépésben a törött próbatestek maradó feszültség állapotát is rögzítettük. Minden esetben ugyan azokban a pontokban (területeken) a jellemző fárasztó igénybevétel, azaz a darab hossz tengelyének irányban monitoroztuk a felszínre jellemző maradó feszültség értékét. Ilyen módon 12 db maradó feszültség értékeket rögzítettünk a fárasztó igénybevétel előtt, a fárasztás közben és a fejben tört próbatesteken is. 3. ábra A próbatest egy oldalán monitorozott három jellemző terület. A próbatestek fárasztó igénybevételéhez a Miskolci Egyetem, Anyagszerkezettani és Anyagtechnológiai Intézet Anyagvizsgáló laboratóriumának MTS típusú elektronikus vezérlésű hidraulikus fárasztó berendezést használtuk. Az alkalmazott fárasztó igénybevétel minden esetben egytengelyű, holtjáték nélküli, Rσ=-1 feszültség aszimmetria tényezőjű, húzónyomó jellegű volt. 4. A próbatestek kiinduló állapotának jellemzése A fárasztási feszültség szintek meghatározásához saját szakítószilárdság mérést végeztünk. A próbatestek alapanyagából három szakító próbatestet készítettünk, melyekből meghatároztuk a próbatestek hőkezelési állapotára jellemző szakítószilárdságot. A szakító vizsgálat a ME- MAK-FKNI- Mechanikai Anyagvizsgáló Laboratóriumának Instron típusú szakító berendezésével történt. Az alapanyag átlagos szakító szilárdsága 1247 MPa-nak adódott. A 4. ábra szemlélteti a 42CrMo4 minőségű próbatestek jellemző mélységi maradó feszültség eloszlását. A maradó feszültség maximuma a felület alatt mérhető. 1. Eredmények A maradó feszültség viselkedésének fárasztás közbeni megfigyeléséhez először próbafárasztásokat végeztünk, azaz az első hat próbatestet törésig fárasztottuk 510, 450, és 400 MPa feszültség szinteken. Ezeket a próbatesteket a későbbiekben próbafárasztott próbatesteknek nevezzük. Ezeknek a vizsgálatoknak az eredményeiből becsültük a várható élettartamot (törésig elviselt ciklusszám) az egyes feszültség szinteken, majd a meg állapítottuk milyen ciklusszámnál kell a fárasztó igénybevételt megállítani és a próbatesteket újra mérni. A több lépésben újra mért és közben fárasztott próbatesteket a későbbiekben koncepcionálisan fárasztott próbatesteknek nevezzük. Az így felállított kísérleti program a 2. táblázatban látható. Az alkalmazott terhelési feszültség szinteket σt -vel jelöltük. N1 az első terhelési egység ciklusszáma, Nn a további terhelési egységek ciklusszám növekménye, azaz egy terhelési

4 Maradó feszültség, MPa egység során ennyi ciklust táplálunk a próbatestbe. H jelöléssel szerepel a kísérlet sorozatban egy nemesített, de nem sörétezett csak hőkezelt próbatest is. 0 mélység, mm ,000 0,500 1,000 1, ábra A próbatestek kiinduló állapotának mélységi feszültség eloszlása 2. táblázat próbatest száma méret terhelési feszültség σt terhelési egységek 1 7x7 510 rögtön törésig 2 7x7 450 rögtön törésig 3 7x7 450 rögtön törésig 4 7x7 400 rögtön törésig 5 7x7 400 rögtön törésig 6 7x7 400 rögtön törésig 7 7x x x x x x x x5 bemetszett itt nem közölt 15 5x5 bemetszett itt nem közölt 16 7x x x x x H 7x N1 Nn

5 Feszültség változás, % Az első hat rögtön törésig fárasztott próbatestből négy fejben tört. Meggyőződésünk, hogy a kísérlet sorozat eredményei a törésmechanika témakörében tevékenykedők számára is értékes információt jelentenek, ezért a továbbiakban igyekeztünk minimalizálni a próbatestek fejben törésének lehetőségét. Mivel a törésmechanikával foglalkozó szakma számára csak a karcsúsított részben tört próbatest értékelhető, ugyanúgy ahogy ez elvárás szakító próbatestek esetében is. A hidraulikus fárasztó berendezés hidraulikusan két pofa közé szorítja a próbatestek két végén található fejeket. Ha a próbatestek fejeinek síkjai az egyedi kézi edzés ellenére sem párhuzamosak, akkor a próbatestben összetett, többtengelyű feszültség állapot alakul ki, ami megnöveli a fej alatti keresztmetszet változásában a feszültség koncentrációs hatást. Ennek a lehetőségnek a megszüntetése érdekében a koncepcionálisan fárasztott próbatestek, a sörétezést követően a fej síkjainak párhuzamosságát bebiztosítva finom utóforgácsolást kaptak. A szemcseszórás eredményeként kialakuló felszíni maradó nyomófeszültség állapot eloszlása mindig hordoz magában bizonytalanságot. A próbatest karcsúsított részének különböző területeire becsapódott szemcsék számának függvényében változik a mintában ébredő maradó feszültség állapot. A lefedettség mértéke a felület mentén változik. A próbatestekben uralkodó kiinduló maradó feszültség állapot, minden igyekezetünk ellenére széles érték tartományban szór értve ez alatt az egyes próbatesteken felvett 12 db. feszültség adatot, illetve a próbatestek egymáshoz viszonyított átlagos maradó feszültség értékét is. Ez a jelenség az eredmények összehasonlíthatóságának érdekében megkövetelte, hogy eredményeinket átlagos és százalékos formában fejezzük ki. Az egyes mérési lépésekben rögzített 12 db feszültség adatot átlagolva, a sörétezés utáni kiinduló átlagos feszültség értékeket 100%-nak tekintve a különböző feszültség szinteken, az egyes terhelési egységek után ismételten mért átlagos feszültség értékeket a kiinduló értékek százalékában kifejezve, s ezeket a ciklus számok függvényében ábrázolva az 5. ábra következik. 105,00 100,00 95,00 90,00 85,00 80,00 75,00 70,00 65,00 60,00 55,00 7 (500) % 8 (450) % 9 (400) % 16 (500) % 17 (450) % ábra A fárasztó vizsgálatok eredményei Az egyes próbatestek kiinduló feszültség értékekeit 100%-nak tekintve a különböző feszültség szinteken, az egyes terhelési egységek után ismételten mért átlagos feszültség értékek a kezdeti feszültség %-os értékében a ciklus szám függvényében ábrázolva

6 Az eredmények megértését segíti, ha azokat feszültség szintekre bontva is közöljük 6. ábra;7. ábra; 8. ábra; 9. ábra. A feszültség szintekre bontott ábrák esetén az egy próbatesthez tartozó esetben zölddel jelöltük az előfárasztások eredményeit és szürkével a kisebb keresztmetszetű 5x5-ös próbatesteket. A sárga színű utolsó jelölő olyan próbatesteket jelöl, melyek nem fejben hanem kvadrátos átmenetben törtek, így ezeken utolsó törött állapotban nem 12 hanem csak 8 felületi feszültség adat átlagából volt kalkulálható a maradó feszültség százalékos változása. A feszültség szintekre bontott ábrákon az egyes százalékos értékek jelölői mellett megtalálhatóak azok az átlagos abszolút értékű maradó feszültség adatok is amelyeket a felületen mért 12 terület eredményeinek átlagolásával kaptunk. 8. Összefoglalás Az eredmények alapos vizsgálata után megfigyelhető: a sörétszórás alapanyagra gyakorolt fárasztó igénybevétellel szembeni teljesítmény növelő hatása a fárasztó igénybevétel a maradó nyomófeszültségre gyakorolt erodáló hatása a fárasztási feszültség szint kettős hatása a fárasztási feszültség szint növekedésével csökken a törésig elviselt ciklus szám (irodalom alapján elvárt eredmény) a fárasztási feszültség szint növekedésével nő a maradó feszültség leépülésének mértéke a próbatestek méretbeli különbsége nem gyakorol hatást a maradó feszültség leépülésére az alapanyag (H jelű minta) maradó feszültség állapotának viselkedése nem releváns, a kiinduló átlagos érték 12 MPa, ami gyakorlatilag feszültség mentes állapot a maradó feszültség sörétezett állapotból kezdődő relaxációja a fárasztó igénybevétel kezdeti szakaszán a leggyorsabb az azonos feszültség szinten fárasztott próbatestek, fárasztó igénybevétel közben monitorozott átlagos feszültség értékének százalékos változásai gyakorlatilag együtt mozognak nincs kapcsolat a felszínen mérhető maradó feszültség mérete és leépülési hajlandósága között Köszönetnyilvánítás A kutatómunka Az EMBERI ERŐFORRÁSOK MINISZTÉRIUMA ÚJ NEMZETI KIVÁLÓSÁG PROGRAMJÁNAK TÁMOGATÁSÁVAL KÉSZÜLT

7 Feszültség változás, % Feszültség változás, % 105,00 100,00 95,00 90,00 85, (500) % 16 (500) % 1 (510) % 10 (500,5x5) % 80,00 75,00 70,00 65,00 60, , ábra az 500 MPa feszültség szinten fárasztott próbatestek eredményei 105,00 100,00 95,00 90,00 85,00 80,00 75,00 70,00 65, (450) % 17 (450) % 19 (450) % 2 (450) % 3 (450) % 11 (450,5x5) % ,00 55, ábra a 450 MPa feszültség szinten fárasztott próbatestek eredményei

8 Feszültség változás, % Feszültség változás, % 105,00 100,00 95,00 90,00 85,00 80,00 75,00 70,00 65,00 60,00 55, (400) % 18 (400) % 4 (400) % 5 (400) % 6 (400) % 12 (400,5x5) % ábra a 400 MPa feszültség szinten fárasztott próbatestek eredményei (350,5x5) % (350) % 65 H (350) % ábra a 350 MPa feszültség szinten fárasztott próbatestek eredményei értékeket folytonos vonal köti össze. A jelmagyarázatban az egyes jelölők melletti első szám a próbatest sorszámát jelöli, a zárójeles érték pedig az alkalmazott feszültség szintet. Minden

9 9. Irodalomjegyzék Dalaeia, K., Karlssona, B. & Svenssona, L.-E., Stability of shot peening induced residual stresses and their influence on fatigue lifetime. Materials Science and Engineering A, pp Davis, J., Surface hardening of steels. USA: ASM International. Findlay, S. J. & Harrison, N. D., 2002, November. Why aircraft fail. Materials Today., pp Kim, J.-C., Cheong, S.-K. & Nog, H., Residual stress relaxation and low- and highcycle fatigue behavior of shot-peened medium-carbon steel. International Journal of Fatigue, pp Macherauch, E. & Hauk, V., Residual stess in Scinence Technology Vol 2. Németország: I.R. Publications. Martin, U. és mtsai., Cyclic deformation and near surface microstructures of normalized shot peened steel. Material Science and Engineering, pp Nikitin, I. & Besel, M., Correlation between residual stress and plastic strain amplitude during low cycle fatigue of mechanically surface treated austenitic stainless steel AISI 304 and ferritic pearlitic steel SAE Materials Science and Engineering A, pp Timoshenko, S., History of strength of materials. Dover: Dover Publications.