UDK 669.14.018.298:539.374:539.55:620.17 ISSN 1580-2949 Izvirni znanstveni članek MTAEC 9, 36(1-2)25(2002) O DEFORMACIJSKEM STARANJU KONSTRUKCIJSKIH JEKEL ON STRAIN AGEING OF STRUCTURAL STEELS Franc Vodopivec1, Bojan Breskvar1, Jelena Vojvodič-Tuma1, Boris Arzenšek1, Savo Spaić2, Bojan Markoli2, Danijela A. Skobir1 1 Inštitut za kovinske materiale in tehnologije, Lepi pot 11, 1000 Ljubljana, Slovenija 2 NTF, Oddelek za materiale in metalurgijo, Aškerčeva 12, 1000 Ljubljana, Slovenija franc.vodopivecŽimt.si Prejem rokopisa - received: 2001-12-03; sprejem za objavo - accepted for publication: 2002-01-21 Ovrednoten je vpliv deformacijskega staranja kot celote ter ločeni vpliv 10 % plastične deformacije in 30 min žarjenja pri 250 °C na lastnosti jekla. Deformacija in žarjenje, ločeno, ne spremenita prehodne temperature Charpyjeve žilavosti, ta se poviša po deformacijskem staranju. Učinek je podoben pri nad 100 in pri 2,4 ppm ogljika v ferito. Analiza procesov pokaže, da efekta staranja ni mogoče pripisati tvorbi diskretnih poliedričnih izločkov cementita. Verjetnejša razlaga je prerazdelitev ogljika v povezavi s strukturo plastično deformirane kristalne mreže ferita, ki olajša prelom s cepljenjem s tem, da vnese v kristalno mrežo elastične napetosti, ki povečajo občutljivost jekla za krhki lom in zmanjšajo enakomerni raztezek. Ključne besede: konstrukcijskojeklos feritnomikrostrukturo, deformacijskostaranje, mehanske lastnosti, prehodna temperatura žilavosti, vsebnost ogljika v trdni raztopini, tvorba cementitnih izločkov The effect of strain ageing as proces as well as the separate effects of 10 % of plastic strain and of 30 min. of annealing at 250 °C on steel properties are discussed. The deformation and the annealing separately do not change the Charpy transition temperature and the uniform elongation. The transition temperature is increased and uniform elongation decreased after strain ageing. The effect on transition temperature is virtually equal by the same steel with over 100 ppm and 2.4 ppm of carbon in solid solution in ferrite. The analysis of experimental data and theoretical calculations show that the effect of ageing can not be ascribed to the formation of discrete polyhedric particles of cememtite. The explanation that the strain ageing is caused by a synergystic effect of the redistribution of carbon atoms and the structure of the plastically deformed ferrite lattice fits better to the experimental findings. This proces introduces in the ferrite lattice elastic stresses, which increase the propensity of ferrite to cleavage fracture. Key words: ferritic structural steel, strain ageing, mechanical properties, notch toughness transition temperature, content of carbon in solution, precipitation of cementite 1 LASTNOSTI JEKEL PRED DEFORMACIJSKEMSTARANJEMIN PO NJEM Za deformacijskostaranje soobčutljiva vsa jekla, ki imajo v intersticijski trdni raztopini ferita ogljik in dušik. Klasična metoda za preverjanje stopnje občutljivosti jekla za deformacijsko staranje je 10 % hladna deformacija in žarjenje 30 min pri 250 °C, ohladitev na zraku in določitev odvisnosti med Charpyjevo žilavostjo in temperaturopreskusa. Značilnosti staranega jekla so povečanje trdnosti in meje plastičnosti, majhna sprememba kontrakcije, veliko zmanjšanje enakomernega raztezka in, kar je inženirsko najbolj pomembno, dvig temperature krhkega loma pri preizkusu udarne zarezne (Charpy) žilavosti. Po staranju se pri nekaterih jeklih nekoliko zniža žilavost nad temperaturo popolne duktilnosti - TPD (upper shelf notch toughness). Krhek prelom se začne pri nižji energiji, žilavost pod temperaturo popolne krhkosti - TPK (lower shelf notch toughness) pa ostane praktično enaka kot v nestaranem jeklu (slika 1). Relativno povečanje meje plastičnosti zaradi deformacijskega staranja (AES) opisuje izraz: AES = 1647,5 (Ez - 200)°>674 (1) AES = (Es - Ez) Es % in Ez - začetna meja plastičnosti (pred deformacijskim staranjem jekla) ter Es - meja plastičnosti staranega jekla1. Odvisnost med povečanjem trdnosti zaradi staranja in začetno trdnostjo je podobna, vendar je povečanje trdnosti manjše kot meje plastičnosti. Enakomerni raztezek se po staranju zmanjša manj, če je bil manjši pred staranjem jekla. Med prehodnotemperaturo žilavosti (Tp), ki je podefiniciji temperatura polovične žilavosti nad TPD, in mejo plastičnosti jekla pred staranjem je naslednja odvisnostjo: Tp = 27 Arsh Š-0,016 (Ez - 410)] -35 z Arsh (t) = = In Ez+ (Ez1/2 + 1)1/2 (2) Deformacijsko staranje ne vpliva na morfologijo preloma v Charpyjevem prehodnem temperaturnem področju. Pod TPD se pojavi v srednjem delu Charpyjevega preizkušanca otok cepilne površine, ki se pri nižji temperaturi širi v vseh štirih smereh preseka preizkušanca (slika 2) in tik nad PPK opazimo le še ozek pas duktilne dekohezije tik ob hrbtni strani preizkušanca, ki je bil plastičnodeformiran zaradi udarca kladiva. Krhki prelom se izvrši s cepljenjem med ploskvami ferita (100) v vsakem kristalnem zrnu. Njegova temeljna MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 1-2 25 F. VODOPIVEC ET AL.: O DEFORMACIJSKEM STARANJU KONSTRUKCIJSKIH JEKEL NDTT dobavljeno - 115°C NDTT def. starano-120°C 300 200 h 100 h -200 -100 0 +50 Temperatura . °C Slika 1: Vpliv temperature preizkusa na mehanske lastnosti jekla z mejo plastičnosti 350 MPa in mikrostrukturo iz poligonalnih zrn ferita in perlita 2 Figure 1: Effect of testing temperature on the mechanical properties of a steeel with yield stress of 350 MPa and a microstructure of polygonal ferrite and pearlite značilnost so facete in neke vrste žile, ki se na vsaki faceti zlivajo s smeri napredovanja razpoke v vsakem feritnem kristalnem zrnu (slika 3). Te žile sostopničke, na katerih se združuje cepljenje, ki v istem kristalnem zrnu poteka v različnih ploskvah iste družine š100}. Kristalna zrna in ploskve cepljenja so različno orientirane v prostoru, zato so facete različno nagnjene glede na makroskopsko ravnino preloma. Pri nateznem preizkusu, pri katerem se izvrši plastična deformacija jekla z enakomernim raztezkom v osni smeri, torej pri ravninskem napetostnem stanju, po lokalizaciji deformacije v kontrakcijskem lijaku pa v triosnem napetostnem stanju, se prelom staranega jekla izvrši duktilno(slika 4) še pri temperaturi, ki je 20 °C nižja od temperature ničelne duktilnosti jekla3. Postaranju se je žilavost jekla z mikrostrukturo iz poligonalnega ferita in perlita in mejoplastičnosti nad 350 MPa nad PPD zmanjšala od 148 na 113 J. Tega zmanjšanja ni mogoče neposredno povezati s spremembo nobene od razteznih lastnosti jekla. Večina deformacijske energije se pretvori v toploto 4. Pri raztržnem preizkusu se energija porazdeli v veliko prostornino, zato se dejanska temperatura preizkusa sprejemljivo ujema z nazivno. Prelom Charpyjevega preizkušanca je zelohiter, pri 150 J se prelom izvrši v okoli 0,01 s, zato toplota ostane na mestu nastanka. Dejanska temperatura preloma je višja od nazivne 5. Pri Charpyjevem duktilnem prelomu se na obeh straneh prelomne ravnine izoblikuje neke vrste kontrak-cijski lijak, mikromorfologija prelomne površine pa je enaka pri dobavljenem in staranem jeklu v področju Charpy-TPD, v prehodnem področju do TPK in pri raztržnem preizkusu. Mehanizem duktilne dekohezije je v obeh primerih enak, poraba energije za dekohezijo je različna zaradi razlike v prostornini kovine, ki je udeležena v procesu deformacije, pred potekom dekohezije in med njim. Pri duktilnem prelomu Charpyjevih preizkušancev se okoli 2/3 energije porabi za deformacijo in dekohezijo, potem ko se je na dnu zareze Slika 2: Prelomna površina jekla z mejo plastičnosti 250 MPa in mikrostrukturo iz poligonalnih kristalnih zrn ferita in perlita blizu TPD. Pov. 2,4-krat. Figure 2: Fracture surface of a steel with a microstructure of polygonal ferrite and pearlite and with yield stress of 250 MPa near the lower shelf notch toughness. Magn. 2,4 x. Slika 3: Krhka prelomna površina jekla z mejo plastičnosti 350 MPa in mikrostrukturo iz poligonalnih zrn ferita in perlita Figure 3: Cleavage fracture of a steel with a yield stress of 350 MPa and a microstructure of polygonal ferrite and pearlite 26 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 1-2 F. VODOPIVEC ET AL.: O DEFORMACIJSKEM STARANJU KONSTRUKCIJSKIH JEKEL Slika 4: Duktilna površina preloma deformacijsko staranega jekla na sliki 3 pri temperaturi popolne duktilnosti Figure 4: Ductile fracture of the strain aged steel in fig. 3 above the upper shelf temperature odprla razpoka (slika 5). Pri raztržnem preizkusu podobnega jekla se porabi 2/3 energije za deformacijo pred začetkom nastanka kontrakcijskega lijaka, po staranju pa le 40 % (slika 6) 6. Podeformacijskem staranju je žilavost, v nasprotju z mejo plastičnosti in trdnostjo, manjša kot v dobavljenem jeklu, zato ker se porabi manj energije za plastično deformacijo jekla pred odprtjem razpoke na dnu zareze 7. Energija, porabljena za plastično deformacijo in dekohezijo, se razlikuje, 18,0 - 16,0 - 14,0 - 12,0 - z 10,0 -2C ë 8,0 (P O M 6,0 O) o Q_ •=> 4.0 : 2,0 - j 0,0 0 0 Upogib, mm Slika 5: Instrumentiran preizkus Charpyjeve žilavosti. Odvisnost med upogibnosiloin deformacijo Figure 5: Instrumented Charpy test. Relationship flexion force versus deformation kolikor se razlikuje volumen jekla, ki se deformira vzporedno z dekohezijo, in kolikor se zaradi lokalnega povečanja temperature zmanjša deformacijski odpor jekla pri Charpyjevem preizkusu. Temeljni značilnosti fenomena deformacijskega staranja sta torej povišanje temperature krhkega loma ferita in zmanjšanje deformacije, pri kateri se pri Charpyjevem začne proces dekohezije, torej deformacije, do katere se ohranja pogoj ravninskega napetostnega stanja. Pri Charpyjevem preizkusu pravega ravninskega napetostnega stanja ni, slika 5 pa dokazuje, da se izvrši neka plastična deformacija že pred odprtjem razpoke. Ta deformacija in enakomerni raztezek pri raztržnem preizkusu sta manjša podeformacijskem staranju. Predloženi sta bili dve razlagi za spremembo mehanizma propagacije razpoke iz žilave v krhko. Po eni se začne cepilni prelom v karbidnih zrnih in vključkih tik pred čelom duktilne razpoke 89. Podrugi se prehod izvrši z zdrsom ali dvojčenjem na čelu razpoke lon. Eksperimentalno je bilo dokazano, da se prehod izvrši s plastičnim ravninskim zdrsom, ko se plastična zona pred vrhom razpoke zmanjša na okoli 10 um, tedaj je kritično razprtje razpoke (COD) 6,8-IO8 m, premer vrha razpoke pa 0,62-IO"7 m12. 2 POVIŠANJE TEMPERATURE CEPILNEGA PRELOMA FERITA Naravni prelom kovin in zlitin s čisto kovinsko vezjo med atomi v kristalni mreži je duktilen in se izvrši po določeni strižni deformaciji z drsenjem dislokacij v diskretnih kristalnih ploskvah in smereh. Te ploskve in smeri sov feritu (a-železu) (110), (112) in (113) smer pa Š111]. Dislokacije drsijo v najbolj gosto posedenih kristalnih ploskvah in v smeri, v kateri je najmanjša razdalja med atomi. Kovine, ki imajo v kristalni mreži tudi kovaletnovez, npr. silicij, se prelomijosamos cepljenjem, torej krhko, ker je pri njih potrebna za drsenje dislokacij napetost, ki presega napetost žilavosti loma. Predpogoj za duktilni prelom je, da vrh razpoke emitira dislokacije, zaradi česar pred njim nastaja plastična cona, konica razpoke s tem otopi in napetost pred njo se zmanjša pod tisto, ki je potrebna za cepilni lom. Npr. jeklo, na sliki 1, ima pri temperaturi NDT -20 °C mejoplastičnosti 480 MPa in cepilnotrdnost 1250 MPa 12. Sposobnost atomov, da se pred vrhom razpoke stabilizirajo v cepilni konfiguraciji, je temeljna lastnost kovin in ločuje kovine, ki se cepijo, od tistih, ki se ne cepijo 13. Premikanje dislokacij v kristalni mreži ovira Peierls-Nabarrova sila trenja (t), ki ima dve komponenti 14. Ena je odvisna od temperature (tt), druga pa je od nje neodvisna (xk), torej: T = TT+Tk (3) MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 1-2 27 F. VODOPIVEC ET AL.: O DEFORMACIJSKEM STARANJU KONSTRUKCIJSKIH JEKEL Slika 6: Odvisnost med silo in raztezkom pri raztržnem preizkusu jekla v dobavljenem stanju (A), po 10 % plastični deformaciji (B) in po deformacijskem staranju (C) 6 Figure 6: Dependence tensile force versus deformation for the as delivered (A), 10 % plastically deformed (B) in strain aged steel (C) 6 Komponento ?k, ki je neodvisna od temperature, tvorijo ovire v kristalni mreži in v mikrostrukturi, ki jih ni mogoče premagati z energijo termične aktivacije in imajo napetostna polja z velikostjo nad 10 parametrov kristalne mreže, npr. izločki, ki niso koherentni z matično kristalno mrežo. Druga komponenta sile trenja je odvisna od temperature, sestave, mikrostrukture in hitrosti deformacije. Vpliv temperature pri določeni sestavi, mikrostrukturi in hitrosti deformacije je mogoče opisati z enačbo 15: TT=ßČ (4) ß = 1,2-103 MPa °C1 in y = 0,4M02 °C-1 14 za dinamični preizkus. Izračun pokaže, da zraste Peierls-Nabarrova sila od 22 do -20 °C 5-krat, do -50 °C pa za 16-krat. Sila trenja raste sorazmerno s količino ogljika in dušika v raztopini v a-železu (slika 7). Očitno je torej, da se krhki lom pojavi zato, ker se zaradi nižje temperature poveča Peierls-Nabarrova sila trenja in se zavre emisija dislokacij iz konice razpoke, kar zmanjša njeno otopitev pod kritično mejo. Pri večji količini ogljika in dušika v trdni raztopini v feritu je večja Peierls-Nabarrova sila in zato tudi večja nagnjenost h krhkemu prelomu. Na sliki 8 je prikazana sila trenja v odvisnosti od temperature za dobavljeno jeklo, za 10 % plastičnodeformiranoin za jeklopodeformaciji žarjeno pol ure pri 250 °C, torej za deformacijsko starano jeklo. Pri prehodni temperaturi žilavosti 0 °C za starano jeklo z mikrostrukturo iz poligonalnih zrn ferita in perlita se sila trenja poveča od 220 MPa pri dobavljenem na 600 MPa pri staranem jeklu. Večina, 74 % tega povečanja, je posledica deformacijske utrditve jekla. Meja plastičnosti jekla na sliki 1 je v dobavljenem stanju 366 MPa, po deformacijskem staranju pa 586 MPa in, sodeč po sliki 6, je večina povečanja meje plastičnosti posledica defor-macijske utrditve. Temperatura cepilnega loma ferita se poviša zaradi zmanjšanja emisije dislokacij iz konice in zmanjšanja njene otopitve pod kritično mejo, ki je potrebna za duktilno propagacijo. Ni jasna vloga ogljika pri deforma-cijskem staranju. Na osnovi slike 7 in 8 se mu lahko pripiše le majhen delež, največ četrtina, zmanjšanja emisije dislokacij. Slika 7: Napetost trenja v odvisnosti od vsebnosti ogljika in dušika v ?-železu 17 Figure 7: Peierls-Nabarro stress in dependence of the content of carbon and nitrogen in solution in ferrite 17 28 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 1-2 F. VODOPIVEC ET AL.: O DEFORMACIJSKEM STARANJU KONSTRUKCIJSKIH JEKEL Slika 8: Sila trenja pri spodnji meji plastičnosti za jeklo z 0,19 % C in 1,4 % Mn in mikrostrukturo iz poligonalnih zrn ferita in perlita nestarano, deformirano in deformacijsko starano 14 Figure 8: Peierls-Nabarro force at the lower level yield stress for the steel with 0.19 % C, 1.4 % Mn and a microstructure of polygonal ferrite and pearlite as delivered, deformed and strain aged 14 Pri staranju lahko pripišemo ogljiku trojno vlogo, majhen vpliv na trdnostne lastnosti, velik vpliv na enakomerni raztezek, kije merilo deformacijske utrditve ferita 16, in močno povečanje nagnjenosti ferita k prelomu s cepljenjem. Kakšen je v procesu staranja mehanizem vpliva ogljika, ni jasno in prav poskus razlage tega mehanizma je temeljni cilj tega dela. V rekristaliziranem feritu je mobilnost dislokacij enaka mobilnosti atomov železa, ta pa je povezana s temperaturo (T v K) z Arrheniusovo odvisnostjo z aktivacijskoenergijoza samodifuzijov a-železu (Q = 251,2 kJ/mol)), torej: Q Č D = D0 eksp - RT J (5) Do je konstanta (D0 = 118), R - univerzalna plinska konstanta (R = 8,314 J/mol, K) in T - temperatura v K. Približnodolžinopoti vrzeli izračunamoiz x « 2VDt (čas v s). Pri 30 min žarjenju pri 250 °C je x - 7,9-1012 m. Ne glede na približnost računa in na pospešeno difuzivnost vrzeli zaradi stanja plastične deformiranosti jekla lahkosklepamo, da med žarjenjem pri 250 °C praktično ni poprave deformiranega ferita, ki bi bila posledica premikanja vrzeli in združevanja dislokacij. Deformacijska utrditev torej ostane in le razliko med mejo plastičnosti oz. trdoto po deformaciji in po žarjenju pri 250 °C lahkopripišemodogajanju, v katerem je udeležen ogljik. Povečanje strižne trdnosti (At) zaradi izločkov v zlitini je18: At = 0,5 (G b tVtt) Vf (6) G - strižni modul (za a-železoje G = 82 GPa), b -Burgersov vektor (za a-železoje b = 0,247 nm), f -volumski delež izločkov in r - velikost izločkov. Na sliki 9 je prikazano povečanje strižne trdnosti v odvisnosti od vsebnosti ogljika v raztopini v feritu in za različno velikost izločkov cementita, izračunano iz enačbe (6). Pri temperaturi 250 °C je stabilen cementit Fe3C, ki je ortorombičen, ima parametre kristalne mreže, ki se močno odmikajo od parametra kristalne mreže ferita. Zatocementit že v zelomajhnih izločkih ni koherenten s kristalno mrežo ferita in ne povzroča koherentnih napetosti, ki bi olajšale nukleacijo ali propagacijo cepilne razpoke. Medsebojna oddaljenost izločkov cementita je odvisna od njihove velikosti in od količine ogljika, iz katerega so nastali (slika 10). Razen pri najmanjših izločkih je razdalja zelo velika v primerjavi z njihovo velikostjo. Slika 9: Povečanje strižne trdnosti za premik dislokacij v odvisnosti od vsebnosti ogljika, iz katerega so nastali različno veliki izločki cementita Figure 9: Increase of the dislocations shearing stress in dependence of the content of carbon in cementite precipitates of different size r MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 1-2 29 F. VODOPIVEC ET AL.: O DEFORMACIJSKEM STARANJU KONSTRUKCIJSKIH JEKEL Slika 10: Povprečna razdalja med izločki cementita z različno velikostjo v odvisnosti od količine ogljika v feritu, iz katerega so nastali 1 Figure 10: Average mutual distance of cementite precipitates with different size in dependence of the content of carbon in solid solution 3 EKSPERIMENTALNO DELO Argumente za odgovor lahko dobimo iz ugotovitve, kako se občutljivost ferita za cepljenje spreminja v odvisnosti od količine ogljika v raztopini pred deformacijskim staranjem. Ni bilo možnosti, da bi pripravili jekla enake sestave z različnokoličinoogljika v trdni raztopini, zatosmotokoličinodosegli z žarjenjem jekla s sestavo0,12 % C, 0,26 % Si, 0,59 % Mn, 0,027 % Al, 0,007 % N in 0,003 % S. Razmerje med vsebnostjoaluminija in dušika je bilo4 in blizu tistega, ki ga vir 19 navaja kot mejo, nad katero ni več deformacijskega staranja mehkega jekla zaradi dušika. Jeklena plošča z debelino 12 mm je bila normalizirana, natorazrezana na dele, ki sobili žarjeni 2 uri pri 500 oz. 400 °C. Polovica je bila porabljena za preizkuse v žarjenem normaliziranem oz. žarjenem stanju, polovica pa podeformacijskem staranju. Zaradi relativnohitrega ohlajanja odrezkov plošče na zraku v feritu ni bilo zadržano sicer 218 ppm ogljika, kolikor je največja topnost pri evtektoidni temperaturi, gotovo pa nad 100 ppm. Topnost ogljika pri temperaturi vmesnega žarjenja smoizračunali iz 20: mas. % C = 240 eksp - 77300Č RT J (7) Izračun pokaže naslednje topnosti: pri 250 °C 0,045 ppm C, pri 400 °C 2,4 ppm C in pri 500 °C 14,2 ppm C. Na voljo za preizkuse občutljivosti za deformacijsko staranje je biloistojekloz razponom koncentracije ogljika v trdni raztopini od 2,4 ppm do nad 100 ppm. Odvisnosti med Charpyjevo žilavostjo in temperaturo preizkusa smo določili po toplotni obdelavi in po staranju jekla, kot je navedeno v razpredelnici 1. Na enem preizkušancu od vsake toplotne obdelave smo izmerili tudi 10 odtisov trdote po Vickersu. 4 REZULTATI, OPIS IN RAZPRAVA Odvisnosti Charpyjeve žilavosti od temperature preizkusa za 9 različnih priprav preizkušancev so prikazane na sliki 11, v razpredelnici 1 pa sozbrane nekatere značilnosti iz odvisnosti na sliki 11 in navedena je trdota preizkušencev. Razpon med TPD in TPK, torej širina prehodnega področja temperature, v vseh primerih med 20 °C in 40 °C ne kaže nobene logične povezave s toplotno- Tabela 1: Podatki o preizkusih Charpy žilavosti in trdota Table 1: Data on Charpy tests and hardness Preizkus Stanje jekla C1 Žilavost, J Temperatura, oC Trdota, HV ppm +20 TPK2 PT3 APT4 TPK ATPK5 AN6 0 Normalizirano >100 183 11 -60 - -80 - 124 - 0’ Norm., 30 min. 250 oC - - - - - - 129 5 1 Norm., def.starano - 172 10 -22 38 -30 50 185 61 3 Norm., 2 uri 550oC 14.4 198 13 -52 - -70 - 131 7 2 Norm., 2 uri 550oC, def.starano 171 11 -5 47 -40 30 183 59 4 Norm., 2 uri 400 oC 2.4 190 12 -49 - -70 - 132 8 5 Norm., 2 uri 400oC, def.starano - 185 10 -11 38 -30 40 183 59 6 Norm., 2 uri 550oC, def. 14.4 231 13 -45 - -70 - 179 55 7 Norm., 2 uri 550oC, 30 min.250oC 195 11 -29 16 -40 30 129 5 8 Kaljeno, 2 uri 550 oC >100 240 13 -112 - -150 - 211 87 9 Kaljeno, 2 uri 550oC, def.starano 236 12 -85 27 -120 30 213 89 1. Vsebnost ogljika v feritu, ppm 2. Temperatura popolnoma krhkega preloma 3. Prehodna temperatura žilavosti 4. Povišanje prehodne temperature žilavosti po deformacijskem staranju 5. Povišanje temperature popolnoma krhkega preloma 6. Povečanje trdote glede na trdoto po normalizaciji 30 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 1-2 F. VODOPIVEC ET AL.: O DEFORMACIJSKEM STARANJU KONSTRUKCIJSKIH JEKEL Slika 11: Vpliv temperature na žilavost jekla po Charpyju, ki je bilo pred preizkusom toplotno obdelano na različne načine Figure 11: Effect of temperature on Charpy notch toughness for the steel submitted todifferent treatments before the test deformacijsko obdelavo preizkušancev. Žilavost nad PTPD je v vseh primerih manjša postaranju. Razlika ni sistematična in tudi ni v logični povezavi s toplotno-deformacijsko zgodovino jekla. V primerjavi z žilavostjo ponormalizaciji žarjenje pri 500, 400 in 250 °C ne vpliva pomembno na žilavost v področju popolne duktilnosti preloma. Tudi deformacija po normalizaciji in po žarjenju pri 500 oz. 400 °C ne vpliva na žilavost. V področju popolnoma krhkega loma je žilavost neodvisna od deformacijsko termične zgodovine jekla. Žarjenje normaliziranega jekla pri 400 oz. 500 °C in deformacija nimata pomembnega vpliva na prehodno temperaturožilavosti. Izjema je preizkus 7, pri katerem je bilojeklonajprej žarjenopri 500 °C, natopa še pri temperaturi staranja 250 °C. Prehodna temperatura se pomembnozniža podeformacijskem staranju, ne glede na termično zgodovino jekla pred deformacijskim staranjem. Po deformacijskem staranju se je povišala prehodna temperatura žilavosti za 38 °C pri jeklu, ki je ponormalizaciji zadržalov trdni raztopini v feritu nad 100 ppm ogljika, in pri jeklu, ki je po žarjenju pri 400 °C zadržalo v raztopini v feritu le 2,4 ppm ogljika. To dokazuje, da je za deformacijsko staranje občutljiv ferit z zelomaloogljika v trdni raztopini. Razdaljomed atomi ogljika (xC), ki sov trdni raztopini v feritu in enakomerno porazdeljeni v kockasti mreži, izračunamo iz: Xc = 3 ac iooČi cc'A aFe (8) Fe / cC - koncentracija ogljika v raztopini v feritu v mas. %, AC in AFe - atomska masa ogljika in železa ter aFe -parameter kristalne mreže ferita 2. Izraz v oklepajih pomeni razdaljo med atomi ogljika, ki so razporejeni v kockasti obliki, izraženo kot število atomov železa. Po enačbi (8) izračunamo, da je pri koncentracijah ogljika 100 ppm oz. 2,4 ppm razdalja med atomi ogljika 13 oz. 44 atomov železa, razdalji pa sta pri aFe = 0,286 nm 3,76 nm in 12,6 nm. Vpliv na dvig prehodne temperature Charpyjeve žilavosti je praktično enak v obeh primerih. Odvisnost difuzijske konstante za ogljik v a-železu (Dc) od temperature (TK) in aktivacijske energije opisuje izraz: Dc = 3,94.10-3eksp - 80200Č RT J (9) Pri polurnem žarjenju pri 250 °C napravi atom ogljika teoretično pot 0,53 µm. V krogli s tem polmerom je pri 100 ppm ogljika 1,17·107 in pri 2,4 ppm ogljika 3,11·105 atomov ogljika. Predpostavimo, da se veže v kuboidalne izločke cementita polovica atomov ogljika, ki je na voljo v difuzijskem dosegu žarjenja v trajanju pol ure pri 250 °C. Molarni volumen cementita pri 250 °C je 23,505 cm3. Vsaka molekula cementita ima en atom ogljika, zato je 1 molu cementita 6,022·1023 atomov ogljika. Preprost račun pokaže, da nastane iz polovice ogljikovih atomov, ki so v difuzijskem dosegu polurnega žarjenja pri 250 °C, izloček cementita kuboidalne oblike z velikostjo roba 64,4 nm v feritu s 100 ppm C v raztopini in izloček z velikostjo 18,2 nm v raztopini z 2,4 ppm C. Taki izločki ne povzročijo nobene izločilne utrditve in tudi pri mnogo manjših izločkih bi bila izločilna utrditev komaj opazna. Analizirajmoše podatke otem, kakšna je trdota po različni deformacijsko termični zgodovini jekla. Trdota normaliziranega jekla se je malo povečala po žarjenju pri 250, 400 in 500 °C. Razlike med temi temperaturami so v razponu merilnega odmika, kar je bilo pričakovano glede na teoretični izračun utrditve. Trdota se je močno povečala po deformaciji in je še nekoliko zrasla po žarjenju pri 250 °C. Povečanje je podobno kot pri žarjenju normaliziranega jekla pri isti temperaturi. Očitno je torej, da tvorba cementitnih izločkov pri žarje-nju pri vseh treh temperaturah pomembno ne utrdi ferita in ji zato ne bi mogli pripisati povečanja nagnjenosti ferita h krhkemu lomu. S kaljenjem jekla v vodi je nastala mikrostruktura iz acikularnega in poligonalnega ferita in martenzita s približno2 reda velikosti manjšovelikostjozrn. Prehodna temperatura žilavosti se je po kaljenju in popuščanju pri 500 °C znižala za 60 °C v primerjavi z jeklom, ki je bilo po normalizaciji popuščeno pri isti temperaturi in se je po deformacijskem staranju povišala nekoliko manj kot pri normaliziranem jeklu. To je dokaz, da deformacijsko staranje ni povezano z obliko in velikostjo zrn ferita. Eksperimentalni rezultati kažejo, da je povišanje temperature krhkega loma rezultat kombinacije vplivov ogljika in plastične deformacije. Vpliv ogljika je praktično enak pri vsebnosti 100 in 2,4 ppm v raztopini v feritu in ni povezan z nastankom poliedričnih izločkov cementita. Plastična deformacija praktično ne vpliva na enakomerni raztezek in na prehodno temperaturo žilavosti, tudi žarjenje normaliziranega jekla za izločanje MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 1-2 31 F. VODOPIVEC ET AL.: O DEFORMACIJSKEM STARANJU KONSTRUKCIJSKIH JEKEL cementita ne spremeni trdote in prehodne temperature. Enakomerni raztezek in prehodna temperatura žilavosti se močnospremenita požarjenju deformiranega jekla pri 250 °C. Logičen je zato sklep, da je deformacijsko staranje proces, ki je vezan na interakcijo atomov ogljika v trdni raztopini v feritu, interakcijo, ki je povezana s strukturoplastičnodeformirane kristalne mreže ferita. Posledica te prerazdelitve je povečana občutljivost ferita za prelom s cepljenjem pri Charpyjevem preizkusu. Ker se cepljenje ferita izvrši v (100) kristalnih ploskvah, se ponuja razlaga, da je vpliv ogljika posledica zgostitve atomov ogljika ali nastanka planarnih izločkov med ploskvami (100). Oboje lahko ustvari med temi ploskvami elastične napetosti, ki zmanjšajocepilnotrdnost ferita in olajšajo začetek krhkega loma. Dejstvo, da ima praktičnoenak učinek nad 100 in 2,4 ppm C kaže na možnost, da je zmanjšanje cepilne trdnosti lahko posledica neke vrste nadstruktukture, pri kateri ogljik oslabi kohezijo med ploskvami (100), pri žarjenju za defor-macijskostaranje. 5 SKLEPI Analiziran je vpliv deformacijskega staranja in ločeni vpliv 10 % plastične deformacije in 30 min žarjenja pri 250 °C na mehanske lastnosti jekla. Na istem konstrukcijskem jeklu je z izločilnim žarjenjem po normalizaciji zmanjšana vsebnost ogljika v trdni raztopini v feritu do 2,4 ppm in določena je prehodna temperatura Char-pyjeve žilavosti za normalizirano normalizirano in žarjeno, normalizirano in deformirano in normalizirano in deformacijskostaranojeklo. Rezultati kažejoda: – se trdota le malo poveča zaradi žarjenja in se močno poveča zaradi 10 % plastične deformacije; – zaradi žarjenja oz. plastične deformacije se prehodna temperatura žilavosti praktično ne spremeni, tudi se ne spremeni širina intervala prehodne temperature od popolnoma žilavega do popolnoma krhkega loma; – prehodna temperatura žilavosti se močno zniža po deformacijskem staranju. Znižanje je podobno v jeklu z 2,4 ppm in z 100 in več ppm ogljika v feritu. Žilavost v področju popolne duktilnosti se nekoliko zmanjša, žilavost v področju popolne krhkosti pa ostane enaka kot v nestaranem jeklu; – povečanja občutljivosti jekla za krhki lom ni mogoče pripisati tvorbi poliedričnih izločkov cementita pri žarjenju za deformacijsko staranje. Kot zelo verjetna se kaže razlaga, da je vzrok za povišanje prehodne temperature žilavosti oz. za zmanjšanje cepilne trdnosti ferita segregacija ogljika ali nastanek planarnih izločkov, ki zmanjšajo kohezijo med ploskvami kocke (100), med katerimi se izvrši cepilni prelom. Ker sama deformacija oz. žarjenje prehodne temperature žilavosti praktično ne spremenita, je očitno, da je prerazdelitev ogljika povezana s strukturo deformirane kristalne mreže ferita. 6 LITERATURA F. Vodopivec, J. Vojvodič-Tuma, M. Lovrečič-Saražin: Metalurgija, 38 (1999) 127 F. Vodopivec, L. Kosec, B. Breskvar: Metalurgija, 39 (2000) 139 J. Vojvodič-Gvardjančič: Ph. D. Thesis, FAGG, Univ. v Ljubljani, 1993 T. Tani, M. Naguno: Metall. Mater. Trans.A, 26 A (1994) 391 F. Vodopivec, J. Vojvodič-Tuma: M. Tokuda, B. Xu: Mechanical Properties of Advanced Engineering Materials, Mie Univers. Press, Tsu, 2001, 187 W. Dahl, H. Hengstemberg, H. Behrens: Stahl u. Eisen, 87 (1967) 1030 F. Vodopivec, B. Breskvar, J. Vojvodič-Tuma, D. Kmetič: Kov. Zlit. Techn. 33 (1999) 3, 393 J.F. Knott: Journ. ISI, 204 (1966) 104 D.A. Curry, J.F. Knott: Met. Sci. 12 (1978) 511 D.A. Curry: Met. Sci, 14 (1980) 319 P. Brozzo, M. Capurro, E. Stagno: Mat. Sci. Techn. (1994) 10, 334 F. Vodopivec, J. Vojvodič-Tuma, B. Arzenšek, D. Kmetič, B. Breskvar: Mat. Sci. Techn, 18 (2001) 61 J. Rice, J.M. Thompson: Phil. Magn., 29 (1974) 73 W. Dahl, H. Ress: W. Dahl: Grunlagen des Festigkeits- und Bruchverhalten, Stahleisen Verlag, 1974, 55 R.W. Armstrong: Acta Metall., 15 (1967) 667 B. Ule, J. Vojvodič-Gvardjančič, Š. Strojnik, K. Kuzman: Želez. Zbornik, 22 (1988) 51 J. Heslop, N. J. Petch: Phil. Magn., 1 (1956) 866 R.E. Reed-Hill, R. Abbashian: Physical Metallurgy Principles, PWS Kent publ. Corp., Boston, 1992 P. Messien, V. Leroy: Steel Res., 56 (1985) 385 J. Chipman: Metall. Trans., 3 (1972) 55 32 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 1-2