UDK 539.55:669.14.018.252 Izvirni znanstveni članek ISSN 1580-2949 MTAEC9, 37(6)369(2003) B. ŠUŠTARŠIČ ET AL.: LOMNA ŽILAVOST KIc HITROREZNEGA JEKLA AISI M-2 LOMNA ŽILAVOST KIc HITROREZNEGA JEKLA AISI M-2 FRACTURE-TOUGHNESS (KIc) OF HSS AISI M-2 TYPE Borivoj Šuštaršič, Vojteh Leskovšek, Gorazd Jutriša Inštitut za kovinske materiale, Lepi pot 11, Ljubljana, Slovenija borivoj.sustarsicŽimt.si Prejem rokopisa – received: 2002-11-11; sprejem za objavo – accepted for publication: 2003-09-09 Določevali smo lomno žilavost KIc hitroreznega jekla AISI M2 pri cilindričnih preizkušancih z zarezo po obodu. Na mehko žarjenih preizkušancih smo z utrujanjem po vrtilno upogibnem načinu v korenu zareze pripravili atomsko ostro utrujenostno razpoko s kontrolirano globino. Preizkušance smo nato vakuumsko toplotno obdelali, temu pa je sledila natezna porušitev dinamično utrujanih vzorcev. S statistično obdelavo rezultatov smo izračunali lomno žilavost KIc. V prispevku je predstavljen postopek merjenja in nekatere izboljšave, uvedene pri spremljanju postopka utrujanja in porušitve vzorcev z obodno zarezo in utrujenostno razpoko. Ključne besede: lomna žilavost, upogibno rotacijski način utrujanja, cilindrični preizkušanci z zarezo, metodologija in postopki preizkušanja The fracture toughness of AISI M2 high-speedsteel was determinedon simple pre-crackedround-notchedspecimens. The atomic sharp fatigue crack in the notch root was obtainedwith rotating-bendloading of soft annealedspecimens. These specimens were then subjectedto a standardheat treatment in a vacuum furnace andthen fracturedin the tensile regime. Using a statistical analysis of the results of the obtainedtensile strength, the fracture toughness was calculated. In this article the methodology for the fracture-toughness determination and some improvements to the tracing procedures of fatiguing and fracturing of round-notched specimens with a fatigue crack are presented. Key words: fracture toughness, rotating-bend mode, cylindrical V-notched specimens with a fatigue crack, testing methodology andprocedure 1 UVOD Lomna žilavost je sposobnost materiala, da se upira napredovanju razpoke. Pri trdih in krhkih materialih, medkatere spada preiskovano jeklo, je v kaljenem in popuščenem stanju vedenje linearno elastično do loma. V tem primeru lahko uporabimo koncept linearne elastomehanike loma (LEFM; angl.: Linear Elastic Fracture Mechanic)1,2. Merilo za porušitev materiala z utrujenostno razpoko je faktor kritične intenzitete napetosti KIc, ki ga imenujemo tudi lomna žilavost materiala. Za določevanje lomne žilavosti KIc uporabljamo standardizirane in nestandardizirane preizkušance. Standardizirani obliki sta CT – (angl.: Compact Tension) in SENB – (angl: Single Edge Noched-Bend) preizku-šanec1-5, najpogosteje uporabljeni nestandardizirani preizkušanci pa so cilindrični natezni z zarezo po obodu in utrujenostno razpoko v dnu zareze6,7 (KIc-preizku-šanci). Lomno žilavost preizkušamo v razmerah ravninskega deformacijskega stanja, kar dosežemo z zadostno debelino preizkušanca8. Pri cilindričnih KIc-preizkušancih je pogoj ravninskega deformacijskega stanja izpolnjen že pri manjših premerih6-8 kot pri standardnih oblikah preizkušancev. Prednost teh KIc-preizkušancev pred standardnimi je njihova radialna simetrija, zato so posebej primerni za študij vpliva mikrostrukture kovinskih materialov na lomno žilavost. Izoblikovanje mikrostrukture po obodu je namreč zaradi radialno simetričnega odvajanja toplote popolnoma uniformno9. Na raztros izmerjenih vrednosti lomne žilavosti hitroreznega jekla, ki jo določamo z uporabo KIc-preiz-kušancev, pri katerih izdelamo obodno utrujenostno razpoko v dnu zareze pred končno toplotno obdelavo, vpliva ekscentričnost utrujanega področja, razvejenje in otopitev atomarno ostre konice utrujenostne razpoke, heterogenost mikrostrukture in pojav šibkega mesta na prelomni površini6,7,9. Čeprav so ključni problemi teoretično utemeljeni in metodološko rešeni6,7,9, smo želeli še izboljšati točnost in ponovljivost meritev. Zato smo pri izdelavi utrujenostne razpoke po rotacijsko-upogibnem načinu uvedli računalniško podprt sistem za merjenje osne sile, pri trganju KIc-preizkušancev pa spremljanje odvisnosti med silo in pomikom. Z uvedbo digitalnega merilnega mikroskopa za opazovanje zareze in prelomne površine KIc-preizkušancev smo izboljšali kontrolo izdelane utrujenostne razpoke po obodu v dnu zareze in povečali točnost meritev premera naglo zlomljenega dela in radialne oddaljenosti šibkega mesta od konice utruje-nostne razpoke. Digitalni merilni mikroskop omogoča računalniško zajemanje merjenih veličin in njihovo lahko obdelavo v enem od standardnih orodij za delo s preglednicami (na primer Microsoft Excel). V nadaljevanju podajamo natančnejši opis izboljšav ter pridob- MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 37 (2003) 6 369 B. ŠUŠTARŠIČ ET AL.: LOMNA ŽILAVOST KIc HITROREZNEGA JEKLA AISI M-2 ljeno znanje in izkušnje pri merjenju lomne žilavosti hitroreznega jekla AISI M2. 2 EKSPERIMENTALNI DEL 2.1 Material in geometrija preizkušancev Konvencionalno izdelano jeklo AISI M2 je bilo dobavljeno v obliki valjanih luščenih mehko žarjenih (maks. trdota 234 HB) palic ? 20 mm × 3600 mm iz iste šarže. Palice smo označili s črkami odA do G. Iz teh palic smo za vsako izbrano temperaturo popuščanja izdelali po dvajset KIc-preizkušancev (slika 1). Utruje-nostno razpoko v dnu zareze smo izdelali v vrtilno-upogibnem režimu še predkončno toplotno obdelavo. KIc-preizkušanci so bili kaljeni s temperature avstenitizacije 1230 °C v toku N2 pri 5 bar d o 80 °C in dvakrat po eno uro popuščeni v območju temperatur 500 °C in 630 °C v vakuumski peči. Osnove postopka, priprava vzorcev in rezultati meritev so bili že natančneje opisani10. Zato se na tem mestu ne bomo spuščali v podrobnosti, posvetili se bomo predvsem opisu uvedenih izboljšav merjenja KIc in ugotovitvam, ki so z njimi povezane. 2.2 Izdelava utrujenostne razpoke Zaradi velike zarezne občutljivosti trdih in krhkih materialov, medkatere po končni toplotni obdelavi spada tudi preiskovano hitrorezno jeklo M2, je izdelava utrujenostne razpoke izjemno težavna. Zato smo uvedli izdelavo utrujenostne razpoke na KIc-preizkušancih že predkončno toplotno obdelavo, ko so bili preizkušanci še v mehko žarjenem stanju. Predhodne preiskave7 so potrdile, da minimalna otopitev konice utrujenostne razpoke, ki nastane zaradi difuzije med toplotno obdelavo, nima vpliva na izmerjene vrednosti lomne žilavosti. Še več, po toplotni obdelavi smo odpravili tudi vse zaostale napetosti, ki smo jih vnesli v material med izdelavo utrujenostne razpoke. Utrujanje izvajamo na rotacijsko-upogibni način na stroju, ki omogoča kontrolirano vpetje, vrtenje in istočasno upogibno obremenjevanje KIc-preizkušanca. S tem načinom izdelave utrujenostne razpoke se izognemo ekscentričnosti utrujenostnega področja, ki ima, če se le-ta pojavi, za posledico precenjene vrednosti lomne žilavosti7. Osno silo, ki je potrebna za izdelavo utrujenostne razpoke v dnu zareze KIc-preizkušanca, smo v preteklosti izbrali s horizontalnim pomikom trna z uležajenim kolescem, ki pritiska na sredino vrtečega se preiz-kušanca. Ta način je sicer preprost a nenatančen, saj ne omogoča aktivne nastavitve želene absolutne vrednosti obremenitve in njenega spremljanja medutrujanjem. Zato smo se odločili, da bomo utrujanje inštrumentirali in v trn vgradili senzor z analogno-digitalnim (AC/DC) pretvornikom za merjenje osne obremenitve, ki omogoča zvezno zajemanje vrednosti osne sile, s katero med 370 Slika 1: Shematični prikaz cilindričnega nateznega preizkušanca za merjenje lomne žilavosti z zarezo po obodu in utrujenostno razpoko v dnu zareze (KIc-preizkušanec). Vse dimenzije so v mm. Figure 1: Circumferentially-notchedandfatigue pre-crackedtensile test specimen1 (KIc-test specimen). All dimensions are in mm. rotacijsko-upogibnim načinom utrujanja vležajeno kolesce trna pritiska na KIc-preizkušanec. Kot senzor smo izbrali merilno celico za vgradnjo ali tako imenovani PF-pretvornik, ki se v praksi najpogosteje uporablja kot univerzalni merilnik raztezka za jeklene konstrukcije. Z ustreznim umerjanjem omogoča tudi tehtanje ali določanje sil oziroma napetosti v vgrajenem strojnem elementu, napravi ali konstrukciji. Elastično (tlačno, natezno ali strižno) deformacijo pretvarja senzor preko uporovnih merilnih lističev, vezanih v Wheat-stonov mostiček, v električni signal, ki ga ojačimo in pretvorimo v ustrezno merjeno veličino. Delovno območje senzorja smo izbrali glede na praktično uporabljene pomike (povese ali upogibe). Za okvirni izračun sile smo uporabili osnovne enačbe iz nauka o trdnosti za enostavni, statično, točkovno in upogibno obremenjeni nosilec, podprt na dveh podporah11. Shematični princip vgradnje senzorja in dejanski videz trna z vgrajenim senzorjem je prikazan na sliki 2. Senzor je neposredno povezan z digitalnim prikazovalnikom sile (Tracker 240 Series, Data Track Process Instruments Ltd, Anglija) in preko njega ter vmesnika RS 232 še s prenosnim računalnikom. Izdelana je tudi ustrezna programska oprema, ki omogoča na računalniku zvezno spremljanje, zapis, shranjevanje in obdelavo merjenih veličin. Na sliki 3 je prikazano programsko okno za spremljanje sile v odvisnosti od časa utrujanja. Na sliki 4 pa je prikazan celoten sistem, tako načina utrujanja kot tudi njegovega spremljanja. 2.3 Kvazistatično trganje utrujanih preizkušancev Po izdelavi utrujenostne razpoke s programirano globino razpoke v dnu zareze KIc-preizkušancev in njihovi toplotni obdelavi sledi še njihovo kvazistatično natezno obremenjevanje do porušitve. To operacijo MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 37 (2003) 6 B. ŠUŠTARŠIČ ET AL.: LOMNA ŽILAVOST KIc HITROREZNEGA JEKLA AISI M-2 Slika 2: Trn za izvajanje upogibne obremenitve z vgrajenim senzorjem: a) shematični princip vgradnje senzorja in b) dejanski videz trna z vgrajenim senzorjem Figure 2: Piston for the bendloading of samples: a) the built in schematic view of the Ramsey PF sensor andb) the actual piston view with sensor andbearing wheel izvajamo na 500 kN univerzalnem servo-hidravličnem natezno-tlačnem preizkuševalnem stroju Instron 1255 (slika 5), ki smo ga nadgradili s sistemom za zajemanje in analogno/digitalno pretvorbo merjenih vrednosti sile in pomika. Senzorja sile in pomika smo povezali preko SCXI (angl.: Signal Conditioning System) – modulov tipa SCXI-1305 in SCXI-1321 podjetja National Instruments z osebnim računalnikom. Moduli skrbijo za ustrezno zajemanje, uravnavanje, prenos in obdelavo merjenih vrednosti. V okolju oken smo z grafičnim programskim jezikom za inštrumentiranje LabVIEW 5.0 izdelali ustrezno programsko opremo, ki omogoča umerjanje senzorjev, izračunavanje ter vizualno in grafično predstavitev odvisnosti med silo in pomikom (slika 6). Slika 3: Videz programskega okna na zaslonu osebnega računalnika (PC) za spremljanje sile v odvisnosti od časa utrujanja Figure 3: View into the program window for the tracing of the load during sample fatigue, visible on the monitor of a PC MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 37 (2003) 6 Slika 4: Prikaz celotnega sistema za pripravo razpoke z utrujanjem na rotacijsko-upogibni način: a) utrujanje preizkušancev in b) spremljanje sile medutrujanjem na prenosnem računalniku Figure 4: Complete system for the fatigue-crack growing in the rotating-bendmode: a) sample fatiguing andb) monitoring and registering of the bending load with a PC Slika 5: Kvazistatično natezno trganje utrujanih preizkušancev: a) univerzalni statično-dinamični servo-hidravlični preizkuševalni stroj Instron 1255 in b) detajl načina vpetja preizkušanca Figure 5: Quasi-static tensile fracturing of precrackedsamples: a) universal static-dynamic servo-hydraulic testing machine Instron 1255 andb) detail of specimen fixing 371 B. ŠUŠTARŠIČ ET AL.: LOMNA ŽILAVOST KIc HITROREZNEGA JEKLA AISI M-2 Slika 6: Videz programskega okna na zaslonu PC za spremljanje sile v odvisnosti odpomika medtrganjem preizkušanca z izdelano utru-jenostno razpoko Figure 6: View into the program window for tracing the dependence load vs. displacement during the quasi-static tensile loading to fracture of a precrackedsample on the PC monitor Sistem ni opremljen z aktuatorji za avtomatski zagon/ustavitev preko PC. Zato sta potrebna ročni zagon in ustavitev preizkuševalnega stroja ter merjenja in je potrebno sinhronizirano delo dveh operaterjev; enega, ki upravlja računalnik, in drugega, ki upravlja preizku-ševalni stroj. Sistem je bil uspešno preizkušen in se sedaj že uporablja pri standardnem inženirskem nateznem preizkusu ter preizkusu določevanja stisljivosti kovinskih prahov12. Na tem mestu pa poročamo še o njegovi uspešni uporabi pri določevanju lomne žilavosti KIc oziroma merjenju odvisnosti med silo in pomikom pri natezanju KIc-preizkušancev. Natančna določitev sile pri porušitvi te vrste preizkušancev je namreč zelo pomembna, saj je le-ta ena odosnovnih parametrov v enačbi10 za izračun pogojne lomne žilavosti KQ oziroma določitev prave vrednosti KIc. Poleg natančne določitve sile porušitve je pomembna tudi oblika odvisnosti med silo in pomikom. Ta odvisnost mora biti linearna do loma, kar kaže na to, da so bili v celoti izpolnjeni zakoni ravninskega deformacijskega stanja in LEFM. Pri manjših odmikih od LEFM (v primeru bolj žilavih jekel) so sicer možni nekateri popravki, ki pa so zaradi digitalnega zapisa te odvisnosti tudi mnogo lažje obvladljivi (izračun površine pod krivuljo, 5-odstotna sekantna metoda itd.)3-5,13. 2.4 Določitev velikosti utrujenostne razpoke Optično kontrolo izdelave utrujenostne razpoke po obodu v dnu zareze in večjo točnost meritev premera naglo zlomljenega dela in radialne oddaljenosti šibkega mesta odkonice utrujenostne razpoke smo izboljšali z uvedbo digitalnega merilnega mikroskopa za opazovanje zareze (slika 7 a) in prelomne površine KIc-preizkušan-cev (slika 7b). Pri določevanju lomne žilavosti KIc sta namreč zelo pomembna točnost izmerjenega premera naglo zlomlje- Slika 7: Optični merilni mikroskop: a) način opazovanja zareze in b) način opazovanja prelomne površine in merjenje parametrov utrujenostne razpoke (povečava od3- do 10-krat) Figure 7: Optical measuring microscope: a) the methodof notch sample observation andb) the methodof observation of the fracture surface anda measure of the parameters of the fatigue crack (magnification 3 to 10-times) nega dela (d1 oziroma d2) in radialna oddaljenost šibkega mesta odvrha utrujenostne razpoke x (slika 8), saj sta ti dve merjeni veličini osnovna parametra pri določevanju lomne žilavosti KIc7. 3 REZULTATI IN DISKUSIJA Z uvedbo novega merilnega sistema pri izdelavi utrujenostne razpoke smo pričakovali, da bo mogoče medutrujanjem KIc-preizkušancev spremljati nastanek in napredovanje utrujenostne razpoke pri konstantni osni sili. Pričakovali smo, da bo med porajanjem razpoke in njenim napredovanjem prišlo do vidnega popuščanja sile. Pokazalo pa se je, da je pri relativno majhni osni sili (cca. 600 N), ki je potrebna za nastanek in napredovanje utrujenostne razpoke celoten sistem merjenja osne sile premalo tog in občutljiv, da bi lahko pri izbranih pogojih utrujanja, ko še ne prihaja do pretiranega in nedovoljenega utrjevanja materiala, zaznali iniciacijo in napredovanje (rast) razpoke. Značilen zapis odvisnost obremenitve F odčasa utrujanja t, ki jo zapišemo z zgoraj opisanim merilnim sistemom pri izdelavi utrujenostne razpoke (globina Slika 8: Shematični prikaz merjenja geometričnih parametrov prelomne površine preizkušanca in oddaljenosti šibkega mesta x Figure 8: Schematic representation of the measuring of the geometrical parameters of specimens' fracture surface andweak spot distance x 372 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 37 (2003) 6 55 B. ŠUŠTARŠIČ ET AL.: LOMNA ŽILAVOST KIc HITROREZNEGA JEKLA AISI M-2 ißtČČi***'Č*Č* ČV*iČČftir/Č»-''\M čv Č\ --- EE06 EE07 EE09 EE13 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 t/s Slika 10: Merjena sila F medutrujanjem petih različnih preizku-šancev, izdelanih iz istega materiala Figure 10: Measuredload F during fatigue-crack growth on five different specimens from the same material zlomljenega dela d pri KIc-preizkušancu EE09 bistveno manjši kot pri KIc-preizkušancu EE13. Iz analize prelomnih površin KIc-preizkušanca EE13 in EE09 pri večji povečavi smo ocenili, da je na prelomnih površinah KIc-preizkušanca EE09 v primerjavi s prelomnimi površinami KIc-preizkušanca EE13, prisotna precej večja količina relativno velikih evtek-tičnih karbidov, ki so lokalno združeni tudi v večje karbidne skupke. Iz slike 11 je razvidno, da se z izdelavo utrujenostne razpoke v rotacijsko-upogibnem načinu izognemo ekscentričnosti utrujanega območja, globina utrujenostne razpoke pa je enakomerna po obodu. Merilni sistem, ki ga uporabljamo pri izdelavi utrujenostne razpoke nam omogoča, da za različne materiale, za katere želimo izmeriti lomno žilavost izberemo optimalne pogoje za izdelavo utrujenostne razpoke v dnu zareze KIc-preizkušancev. V tem primeru na osnovi izkušenj izberemo nekaj različnih obremenitev in različnih časov utrujanja. Nato vzorce prelomimo in izmerimo globino razpok, ki so nastale pri izbranih razmerah utrujanja, narišemo odvisnost med globino Slika 11: SEM-slika preloma KIc-preizkušanca EE13 in EE09: a) pravilno izdelana utrujenostna razpoka, EE13 in b) pri katerem je prišlo do pretiranega napredovanja utrujenostne razpoke v dnu zareze; originalna povečava 10-krat Figure 11: SEM image of the fracture surface of a cylindrical round-notchedandfatigue precrackedtensile specimen: a) with normal crack size andb) with exaggeratedcrack growth, original magnification: 10 times MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 37 (2003) 6 373 B. SUSTARSIC ET AL.: LOMNA ŽILAVOST Klc HITROREZNEGA JEKLA AISI M-2 ¦ Sila utrujanja 650 N D Sila utrujanja 920 N D ¦__!------i-----' ¦>sr = U,U38*t ¦ U.4U <\r =0,022xt + J,05 R2 = 0,61 ¦ P I D Kn =—Č— -1,27 + 1,72 — Q D312 š d (1) 10 11 Slika 12: Odvisnost med velikostjo utrujenostne razpoke ô sj- in casoni utrujanja t za izbrani obremenitvi (sili) utrujanja Figure 12: The dependence of crack length oSI andthe time of fatigue t for the selectedloads, which shows the fatigue crack formation rate razpoke in časom utrujanja za dano obremenitev (slika 12) ter izberemo optimalne razmere utrujanja. Iz nagiba premic lahko ocenimo tudi hitrost napredovanja razpoke dô/dt v območju izbranih razmer utrujanja. Pri določevanju lomne žilavosti Kic tako krhkih materialov, kot je preiskovano hitrorezno jeklo, je zelo pomembno pravilno registriranje sile pri prelomu Kic-preizkušanca. To nam omogoča zgoraj opisani sistem za zajemanje, prenos in obdelavo merjenih vrednosti. Merjene vrednosti prenesemo v obliki računalniške datoteke v enega od programov za delo s preglednicami. Z njim narišemo izmerjeno odvisnost med silo in pomikom ter določimo silo, potrebno za porušitev posameznega K-preizkušanca. Značilen zapis, dobljen medkvazistatičnim natezanjem toplotno obdelanih Kic-preizkušancev do porušitve, je prikazan na sliki 13. Za cilindrični natezni preizkušanec z zarezo po obodu in utrujenostno razpoko v dnu zareze (slika 1) zapišemo enačbo za računanje lomne žilavosti v naslednji obliki: Slika 13: Značilen zapis obremenitev F - pomik vpenjalne glave stroja x, dobljen na univerzalnem statično-dinamičnem servo-hidrav-ličnem preizkuševalnem stroju Instron 1255 pri kvazistatičnem nateznem obremenjevanju toplotno obdelanega preizkušanca do porušitve Figure 13: Typical diagram load F vs. displacement x, obtainedfor a quasi-static tensile loading of the finally heat-treated precracked specimens on the universal static-dynamic servo-hydraulic testing machine kjer je d premer naglo zlomljenega dela in P obremenitev pri lomu preizkušanca. Enačba (1) velja za razmerje 0,5 < d/D < 0,8. Iz diagrama na sliki 13 je razvidno, da je vedenje Kic-preizkušanca do loma praktično popolnoma linearno elastično. Samo v začetnem delu krivulja odstopa od linearnosti in kaže neko navidezno (posledica prilagoditve celotnega sistema preizkusevalni stroj - vpenjalne glave - preizkušanec; npr. zračnost medpreizkušancem in vpenjalnim sistemom itd.), lahko pa tudi dejansko (otopitev konice utrujenostne razpoke) lokalno plastifi-kacijo materiala. Najverjetneje je to posledica prilagoditve celotnega sistema (preizkuševalni stroj -vpenjalne glave - preizkušanec; na primer zračnost med preizkušancem in vpenjalnim sistemom itd.) na naraščajočo obremenitev. Ker pri vseh preizkusih dobljena odvisnost med silo F in pomikom x pred porušitvijo preizkušanca ni kazala značilnosti duktilnega loma, smo lahko v vseh primerih za izračun lomne žilavosti uporabili enačbo (1). Poleg sile, potrebne za porušitev preizkušanca, moramo določiti še povprečni premer naglo zlomljenega d, +d„ dela d = —------- in radialno oddaljenost šibkega mesta x odkonice utrujenostne razpoke, ki ima korenski radij približno 0,7 |am, kot je bilo ocenjeno že v predhodnih raziskavah79. Premer naglo zlomljenega dela d in oddaljenost šibkega mesta x odkonice utrujenostne razpoke merimo z optično merilno napravo Mitutoyo (slika 7 b) pri 10-kratni povečavi, kot je shematsko prikazano na sliki 8. Pravo lomno žilavost preiskovanega materiala Kic pa določimo s statistično zanesljivostjo pri skupini najmanj šestnajstih Kic-preizkušancev, saj na pravo vrednost lomne žilavosti Kic vpliva še radialna oddaljenost šibkega mesta x odkonice utrujenostne razpoke (slika 8). Sistematične raziskave9 so namreč pokazale, da pravo lomno žilavost materiala lahko določimo dovolj konservativno le z linearno aproksimacijo izračunanih pogojnih lomnih žilavosti KQ v konico utrujenostne razpoke (x = 0). Na osnovi opazovanja velikega števila prelomov hitroreznega jekla, ki je bilo različno izdelano, smo ugotovili, da je oblika šibkega mesta lahko različna. Pri konvencionalno izdelanem hitroreznem jeklu z relativno nizko stopnjo vroče plastične predelave so navadno v matriksu neenakomerno porazdeljena relativno velika neraztopljena karbidna zrna, ki so pogosto združena v skupke, zato se pojavi t. i. kumulativno šibko mesto na prelomni površini, ki se razteza preko določenega področja (slika 14 a). Pri hitroreznih jeklih, ki so bila izdelana po postopku pretaljevanja pod žlindro (EPŽ) ali po postopku metalurgije prahov (P/M-HIP), dobimo po vroči plastični 374 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 37 (2003) 6 B. ŠUŠTARŠIČ ET AL.: LOMNA ŽILAVOST KIc HITROREZNEGA JEKLA AISI M-2 Slika 14: SEM-posnetek šibkega mesta a) z značilno kumulativno in b) lokalno ozko točkovno omejeno obliko na prelomni površini preizkušanca z dobro vidnimi t. i. Chevronovimi linijami napredovanja preloma; originalna povečava 50-krat Figure 14: SEM image of a weak spot with: a) characteristic cumulative ligament andb) local point shape on the fracture surface of a specimen; original magnification: 50 times 14 T 13 12 " 10 9 ___-ČO O oČ- K, , = P) 4fi ¦ *• + ft 73 Č—« o o o R2 = 0,80 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 x/mm 0.45 0.5 Slika 15: Izmerjene vrednosti lomne žilavosti KQ v odvisnosti od oddaljenosti šibkega mesta x odroba utrujenostne razpoke za skupino enako toplotno obdelanih preizkušancev Figure 15: Measuredvalues for fracture toughness KQ versus the radial distance x of the main crack initiation site from the fatigue crack frontline for a group of specimens with the same heat treatment predelavi mikrostrukturo, ki ima enakomerno porazdeljena relativno drobna neraztopljena karbidna zrna brez izrazitih skupkov. V tem primeru se šibko mesto pojavi v t. i. točkasti obliki, slika 14 b. O različnih oblikah šibkega mesta poročajo tudi drugi raziskovalci14. Značilna odvisnost med radialno oddaljenostjo šibkega mesta x odkonice utrujenostne razpoke in izmerjeno lomno žilavostjo KQ, dobljeno za serijo dvajsetih KIc-preizkušancev, ki so bili enako toplotno obdelani, je prikazana na sliki 15. V tem primeru prava vrednost lomne žilavosti KIc sledi iz ekstrapolacije k x = 0, to je v konico utrujenostne razpoke. V konkretnem primeru je bila izmerjena lomna žilavost KQ (11,66 ± 1,53) MPa m, prava lomna žilavost KIc pa 8,73 MPa m. Povprečna trdnost krhkega loma pa (254 ± 30) MPa. 4 SKLEPI Poznanje pravih oz. dovolj konservativnih vrednosti lomne žilavost KIc različnih kovinskih materialov je zelo pomembno. Danes se le-ta uporablja kot ena odosnov-nih mehanskih lastnosti materiala tudi pri konstruiranju različnih orodij za delo v hladnem, ki so izdelana iz hitroreznih jekel. Uporabniki odproizvajalca jekla zahtevajo zanesljivo metodologijo meritev lomne žilavosti KIc, ki daje točne in ponovljive rezultate. Zato smo v obstoječo metodologijo merjenja lomne žilavosti s cilindričnimi nateznimi preizkušanci z zarezo po obodu in utrujenostno razpoko v dnu zareze uvedli nekatere izboljšave, ki so pokazale, da: • inštrumentirano merjenje osne sile medrotacijsko-upogibnim utrujanjem omogoča pripraviti utruje-nostno razpoko v dnu zareze KIc-preizkušancev tako, da so zadoščeni vsi pogoji za veljavno izvedbo meritev lomne žilavosti; • sistem, ki je povezan z osebnim računalnikom in sproti shranjuje merjene veličine omogoča zanesljivo kontrolo izdelave utrujenostne razpoke in pravočasno izločanje tistih KIc-preizkušancev, pri katerih je globina razpoke prevelika in ni zadoščeno pogoju: 0,5 < d/D < 0,8; • inštrumentirano računalniško podprto spremljanje sile medkvazistatičnim obremenjevanjem KIc-preiz-kušancev na univerzalnem preizkuševalnem stroju Instron 1255 omogoča zelo natančno spremljanje in kasnejšo analizo vedenja KIc-preizkušancev do loma ter natančno odčitavanje sile pri njihovi porušitvi, kar je pri jeklih s tako nizkimi vrednostmi lomne žilavosti izjemno pomembno; • zelo smo izboljšali natančnost in ponovljivost meritev premera naglo zlomljenega dela d in radialne oddaljenosti šibkega mesta x odkonice utrujenostne razpoke na prelomni površini KIc-preizkušancev z uporabo digitalnega merilnega mikroskopa. Rezultati meritev lomne žilavosti KIc konvencionalno izdelanega jekla M2, ki so objavljeni v ref.10, so potrdili upravičenost uvedbe omenjenih izboljšav pri določe-vanju lomne žilavosti hitroreznih jekel s KIc-preizku-šanci, pridobljene izkušnje pa uspešno prenašamo tudi na naslednjo skupino jekel, in sicer na orodna jekla za delo v vročem. ZAHVALA Avtorji se zahvaljujemo Tomažu Španu iz podjetja Conphis, Medvode, za izdelavo programske opreme ter kolegoma Borisu Arzenšku in Tomažu Ahačiču iz IMT, Ljubljana, kakor tudi Tatjani Večko Pirtovšek in Ferdinandu Grešovniku iz Metala Ravne za pomoč pri izvajanju eksperimentalnega dela. Avtorji se zahvaljujejo tudi MŠZŠ Republike Slovenije, ki je finančno podprlo projekt L2-3070 in RP 206-503 ter s tem omogočilo izvedbo raziskav in uvedbo pričujočih izboljšav. 5 LITERATURA 1 F. Nilsson: Fracture Mechanics – From Theory to Application, KTH (Royal Institute of Technology), Stockholm, 2001 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 37 (2003) 6 375 B. ŠUŠTARŠIČ ET AL.: LOMNA ŽILAVOST KIc HITROREZNEGA JEKLA AISI M-2 M. Janssen, J. Zuidema, R. J. H. Wanhill: Fracture Mechanics, 2-nd Edition, Delft University Press, Delft, 2002 K. H. Schwalbe, B. K. Neale, J. Heerens: The GKSS test procedure for determining the fracture behaviour of materials, Report GKSS 94/E/60, GKSS-Forschungszentrum Geesthacht GmbH, Geesthacht, 1994 ASTM E 399-90: StandardTest Methodfor Plane-Strain Fracture Toughness of Metallic Materials, ASTM Standards, april 1991 ASTM E 1820-96: StandardTest Methodfor Measurement of Fracture Toughness, ASTM Standards, februar 1997 B. Ule et al., Engineering Fracture Mechanic, 65 (2000) 559-572 B. Tuma, Naravoslovnotehniška fakulteta, Univerza v Ljubljani, Ljubljana, 1997, Bachelor's Degree Shen Wei et al., Engineering Fracture Mechanic, 16 (1982) 69-82 V. Leskovšek, University of Zagreb, 1999, Ph. D. thesis V. Leskovšek et al.: Fracture toughness KIc, measure for the selection of heat treatment of high-speedsteels, Materiali in Tehnologije, 36 (2002) 6, 337-341 B. Kraut: Pocket handbook of mechanical engineering, TK Zagreb, 1964 B. Šuštaršič et al.: Instrumental cell for the behaviour analysis of metal powders during cold uniaxial compaction, Materiali in Tehnologije, 35 (2001) 6, 351-360 Dj. Dobi, B. Šuštaršič: Determination of stress intensity factor KIc, Instruction manual for experimental testing at IMT, Internal material, Ljubljana 2000 I. Dlouchy, Z. Chlup, M. Holzman: Local characteristics of brittle failure assessedfrom Charpy type specimen, Notch Effects in Fatigue andFracture, NATO Sciences Series, II. Math., Phys. & Chemistry, Vol. 11, Cluver Academic Publishers, London, 2000 376 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 37 (2003) 6