Toplotno razpokanje orodij za delo v vročem

Loading....

Loading....

Loading....

Loading....

Loading....

Full text

(1)

UDK 620.192.42:539.4.016.3:669.14

T o p lo tn o razpokanje o ro dij za delo v vročem

FRANC KOSEL in LADISLAV KOSEC

V članku obravnavam o toplotno razpokanje, k i je pogost pojav poškodovanja jeke l

pri delu v vročem . Raziskali smo sprem em be na površini poškodovanega jekla. A n a ­ lizirali smo pom en kem ične nehom ogenosti je k la za nastanek in rast razpok v p o ve­ zavi z zunanjim i vplivi. Izračunali smo napetostno stanje za obravnavani prim er, pri čemer smo upoštevali tu d i vp liv oksidacije na širjenje korena razpok.

1. UVOD

Raziskavo, opisano v tem prispevku, je vzpod­ budil pojav t. i. toplotnega (vročega, m režastega) razpokan j a, ki je pogosta in usodna poškodba de­ lovnih površin n ek a te rih kovaških orodij, kokil in sestavnih delov strojev za tlačno litje kovin. G ra­ diva za te dele so iz skupine jek el za delo v v ro ­ čem. Med njim i p revladujejo jek la »prve gen era­ cije« npr. C.4750, C.4751 in C.4753, pogosto poim e­ novana tudi po svojih am eriških različicah in p re d ­ hodnikih: H 11, H 12 in H 13.

P rak tičn a k ritik a tega pojava večinom a ni ob­ jektivna. R azdeljena je v dve skupini: ena vali krivdo n a izdelovalca jekla, druga pa na nasprotno stran, ki naj bi ne znala ra v n a ti z jeklom.

Iz strokovne lite ra tu re razberem o, da je pojav toplotnega razpokanja posledica več m ed seboj po­ vezanih h k ra tn ih zu nanjih vzrokov. N ajbolj pogo­ sta in najbolj dognana je teorija, ki razlaga pojav toplotnega razpokanja kot posledico tem p eratu rn e utrujenosti, upošteva p a tu d i vlogo raztaljen e ko­ vine, oksidacije površine jek la in koncentracije n a­ petosti.

V članku je opisan pom en prispevka neenako­ m ernosti kem ične sestave jek la (kristalnih izcej) na velikost in m ikroskopsko neenakom ernost tem pe­ ra tu rn ih napetosti v jek lu te r na m esto začetka in širjen ja razpok. Poleg tega smo analizirali še p ri­

spevek dveh objektivnih vzrokov, oksidacije po­ vršine jek la in selektivne oksidacije ostankov ra z­ taljen e kovine v razpokah n a n astan ek in širjen je oksidnih klinov.

K ristalne izcej e štejem o m ed nepopolnosti zlitin, ki so posledica neravnotežnega strjev an ja. Za ve­ čino tak ih zlitin velja, da im ajo slabše m ehanske in fizikalno kem ične lastnosti, kakor če ne bi imele te napake. M nogokrat se dajo v celoti ali zadovolji­ vo gospodarno odpraviti z ustreznim visokotem pe- ra tu rn im žarjenjem , včasih p a so trdožive in tudi dolgotrajna ža rjen ja ne rode popolnega uspeha.

K ristalne izceje so bolj ali m anj periodično sprem injajoča se k oncentracija sestavin zlitine. »Valovne dolžine« so enakih razsežnosti k ak o r m i­ kroskopski elem enti strje v a n ja zlitine, dendriti. M ikropodročja, v k a te rih je k oncentracija legirnih elem entov večja od povprečne koncentracije v zli­ tini, so področja pozitivnih, m ikropodročja pa, v k aterih je koncentracija legirnih elem entov m anjša

od povprečne v zlitini, pa področja n eg ativ n ih iz­ cej. Z največjim i in n ajm anjšim i koncentracijam i leg irn ih elem entov v te h področjih je določena am plituda tega periodičnega pojava. M ikropodročja z različno kem ično sestavo se razlik u jejo tu d i po m ehanskih in fizikalno kem ičnih lastnostih, v raz­ teznostnih koeficientih, toplotni prevodnosti, trdoti, trdnosti, odpornosti p ro ti koroziji (tudi visokotem - p e ra tu rn i oksidaciji) ipd. R azlika v kem ični sestavi se pozna tu d i v k in etik i transfo rm acij p ri toplotni obdelavi. P ro fili razdelitve leg irn ih elem entov so pravilom a n ak lju čn e funkcije, ki p a se dajo, ne da bi popačili naravo pojava, idealizirati s porazde­ litv am i npr. v obliki periodičnih ali podobnih fu n k ­ cij. Z m etalografskim i in m ikroanaliznim i m etoda­ m i lahko izm erim o valovne dolžine in am plitude k ristaln ih izcej.

S preoblikovanjem zlitine se valovne dolžine izcej pravilom a zm anjšujejo; zarad i visokotem pe- ra tu rn ih ža rjen j, ki sprem ljajo preoblikovanje, pa se zm anjšujejo tudi am plitude segregacij. D opustno idealiziranje razdelitve leg irn ih elem entov (C, Cr, Mo, V) v orodnem jek lu C.4751 je bilo osnova po­ enostavljenega term oelastičnega m odela za izračun napetosti zaradi zu n an jih vplivov in kem ične n e­ hom ogenosti jekla.

Sestavili smo model, ki je osnova analitičnega in k v an titativ n eg a izraču n a napetosti na površini b ata; p ri izračunu smo posebej upoštevali elem ente, ki doslej v lite ra tu ri niso bili obravnavani, tj. ke­ mično nehom ogenost jekla, skupaj z že znanim vplivom m enjajoče tem p eratu re in oksidnega klina.

2. ZNAČILNOSTI TOPLOTNEGA RA ZPO K A N JA P ojav toplotnega razp o k an ja bomo ponazorili z značilnostm i delovne površine b a ta za tlačno litje medi, k je r je dosegel ta k e razsežnosti, d a ta del stro ja ni bil več uporaben.

(2)

Sl. 1. Delovna površina tlačnega bata stroja za tlačno litje medi; m reža razpok zaradi toplotnega razpokanja; površina je prekrita z mešanico škaje in bakra, nastale pri selektivni oksidaciji obdelo­ vane kovine. Puščica kaže mesto, k jer se je odluščil

del poškodovane površine (1,5:1)

bata (podoben kakor na sl. 1) z mrežo razpok; v ši­ rokih kanalih, odprtih na površino so ostanki

obdelovane kovine in škaje (4: 1)

več polj med razpokam i lahko odlušči. N a osnem prerezu imajo razpoke obliko klinov, zapolnjenih s škajo ali škajo in kovino (medjo ali bakrom). Oksidni klini so lahko razm erom a ozki in segajo globlje v kovino, široki in kotanjasti pa običajno končajo bliže površini; lahko so enojni ali sestav­ ljeni iz dveh ali tre h sosednjih prim arn ih oksidnih klinov, ki so združeni na topem delu (sl. 3 do 7).

Sl. 3. Zajeda, sestavljena iz dveh oksidnih klinov; razpoke v sm eri osi klinov so pota hitrega dotoka kisika na vrh (čelo) klinov. Bela vlakna so nega­ tivne, tem na pa pozitivne izceje. Ob tem enu oksid-nega klina se iz odklona vla ken sklepa na deform a­

cijo jekla (50: 1)

Sl. 4. Oksidna klina, deformacija jekla ob površini in s škajo prekrita delovna površina bata (50 :1)

Sl. 5. Zajeda, sestavljena iz treh oksidnih klinov; v čaši zajede na tem enu klinov je ostanek m edi;

v osi klinov so razpoke (30 :1)

(3)

Sl. 6. O ksidni klin pod debelo plastjo oksida in bakra na delovni površini bata (100 :1)

Sl. 7. T rije različno dolgi oksidni klin i pod tanko plastjo iz škaje in bakra (50 :1)

so se razvili iz m ikroskopskih razpok zaradi dolgo­ trajn e g a delovanja v uvodu om enjenih zunanjih vzrokov. N a preiskanem b a tu so bile širine klinov n a tem enih ob površini od nekaj 10 do več 100 m ikrom etrov; segajo pa v globino p ra v tako nekaj 10 do več 1000 m ikrom etrov, najgloblje celo več m m (sl. 8 do 10). V rh oksidnega k lin a je drobna m ikroskopska razpoka, do k a te re je h itra po t za prenos kisika po razpokah in drugih n apakah v oksidu.

K line sestavljajo oksidi železa, krom a, m olibde­ na, silicija in cinka — sestavine jek la in obdelo­ vane kovine.

Oksidni klini se razlikujejo po kakovostni in kolikostni kem ični sestavi. Na stenah klinov je več krom a, silicija ali m olibdena; v jed ru pogosto p re­ vladujejo oksidi obdelovane zlitine. P ovršinska ška- ja je predvsem selektivno oksidirana obdelovana kovina, v k a te ri p re v la d u jeta cinkov oksid in b ak e r (sl. 11, 12).

Oksidni klin n ap red u je v globino v povezavi z elem enti m ik ro stru k tu re jekla, posebej s k rista l­ nim i zrni in izcejami. V preiskanem vodno h la je ­ nem b atu so se razpoke širile pretežno tra n sk rista l- no; v livarsko kovaških orodjih, ki niso b ila h lajena

Sl. 8. O ksidni klin i na delovni površini livarsko-kovaškega orodja. S m er širjenja razpok in oksidnih klinov se ne ujem a s sm erjo vla k e n izcej (100 :1)

Sl. 9. O stanki m edi v kanalu razpoke na delovni površini bata (30 :1)

Sl. 10. P otek razpok prečno na sm er v la k e n na de­ lo vn i površin i bata (30 :1)

in so se p ri delu segrela n a višje tem p eratu re, pa je p rim a rn a razpoka ra sla predvsem vzdolž k ri­ staln ih mej.

(4)

Sl. 11. Mikroanaliza dela oksidnega klina in s ška-jo prekrite površine (s sl. 4). Razdelitev elementov

medi in jekla

Sl. 12. Razdelitev elementov jekla in medi v oksid-nem klinu

in m olibdena so bile v pozitivnih izcejah 7 %», ozi­ rom a od 2,5 do 3 %, najm anjše pa v negativnih izcejah okrog 3 % (krom) in od 0,5 do 0,7°/» (mo­ libden). Segregacije drugih legirnih elementov, vključno ogljika, se ujem ajo s segregacijam i krom a in m olibdena (sl. 13).

Približno v osi kanalov pozitivnih in negativnih izcej smo izm erili potek m ikrotrdot. Med dolgotraj­ nim delom p ri visoki tem p eratu ri se je trd o ta ob

Sl. 13. Potek koncentracij kroma in molibdena prečno na smer vlaken izcej. S C je označeno mesto

oksidnega klina

Sl. 14. Potek trdote v osi kanalov pozitivne in ne­ gativne izceje od delovne površine v notranjost

bata: a) pozitivna, b) negativna izceja

delovni površini zm anjšala n a velikost, ki je zna­ čilna za skoraj idealno mehko žarjeno jeklo te v r­ ste (sl. 14).

Se daleč od površine je trd o ta jek la m anjša od začetne trdote. M ikrotrdoti v kanalih pozitivnih in negativnih izcej se razlik u jeta za približno kon­ stantno vrednost od površine do več m ilim etrov globoko. Iz tega sklepam o tudi na razlike v drugih m ehanskih lastnostih, trdnosti, tra jn i trdnosti itd.

N ukleacije razpok na površini nismo mogli opa­ zovati, p rav tako ne začetkov oksidnih klinov.

P ri m etalografskih analizah velikega števila oksidnih klinov (več 100) smo opazili praktično vsem skupno lastnost, da so bili njihovi vrhovi in v rh napredujoče razpoke vedno v področju nega­ tivnih izcej, ne glede na to, čez koliko širin izcej se je razširilo tem e klina. Ta ugotovitev velja za razm erom a k ra tk e kakor tu d i za najdaljše kline (več mm), iz česar sklepamo, da so se razpoke oz. klini ves čas širili v kanalih negativnih izcej.

(5)

3. RAČUNSKI MODEL

3.1. Term oelastično napetostno stanje

Za zgoraj opisani p rim er je bil izdelan poeno­ stav ljen term oelastični model. P ostavili smo, da se koncentracije legirnih elem entov znotraj nehom o­ genega jek la porazdelijo po sinusovem zakonu s periodo, ki je približno enaka povprečni razdalji m ed m estom z največjo in najm anjšo koncentracijo legirnih elem entov (Zs). S kem ično sestavo se sp re­ m injajo tudi vse fizikalne in kem ične lastnosti. Iz om enjenih virov [8, 9] je razvidno, da im a različna koncentracija legirnih elem entov največji vpliv na sprem em bo linearnega tem p eratu rn eg a razteznost­ nega koeficienta.

P orazdelitev tem p eratu rn eg a polja v obm očju D določimo iz diferencialne enačbe za vezano te r ­ m oelastično stan je [1]

(2/u + 31) ат škkT + p cVTk Т,л — gq — 0 (1)

V obravnavanem p rim eru lahko menimo, da je potek term okinetičnega procesa v k o n tin u u m u ra z­ m erom a počasen. V tem p rim eru preide enačba (1) v preprostejšo obliko, ki popisuje kvazistatično te r ­ m oelastično stanje. Ob postavki, da je te m p e ra tu r­ no polje v sm eri osi y konstantno in da v obm očju D ni toplotnih izvirov q, je enačba (1) p re p ro stejša

w _ \ < E (2)

dz2 a dt

Sl. 15. Definicijsko območje D tankega sloja tlač­ nega bata

Sl. 16. Spreminjanje temperature na m e ji območja z = 0

k je r je a = k/cv toplotna prevodnost, ki je za ob­ ra v n av an i p rim er k o n stan tn a v celotnem obm očju D in tem p eratu rn em in te rv a lu /IT = ToTi. F izi­ kalni p rim e r te rja upoštevanje n asled n jih robnih in začetnih pogojev

t(o, t) = T 0m m , d = T, m

T(z, o) = z + To) f (o) (3)

m = b — ch(gft)

k je r je f( t) funkcija, k i določa n ih a n je tem p era­ tu rn e g a polja.

T em peraturno polje določimo iz d iferencialne enačbe (2) tako, da čas t izločimo z uporabo in ­ teg ralsk e Laplaceove tran sfo rm acije [2]

___ o o

L {T (z, t ) } = T(z, p) = I e~tP T(z, t) d t (4) o

In teg ral je absolutno k o n vergenten; če je p a ­ ra m e te r p takšno kom pleksno število, da v e lja za realn i del Re(p) > ki, potem izhaja:

Tl (z, p) = ...g' |t„

(p2 —

g2)p

L

+ Tish (z p i)l

sh(Z pi)

J

sh(Z — z)pi sh(Z pi) 'Ti — To

+

b — 1

(5)

pi = j/p/a

Z izbiro koordinatnega sistem a (y , z) lahko do­ ločimo definicijsko območje D {/y / < l;/, z > 0}, l„ — — n l B, n e N, v k aterem je ta n e k sloj, izrezan iz srednjega dela tlačnega b a ta (sl. 15). V enem de­ lovnem ciklu to n ih a tem p eratu rn o polje za veli­ kost AT(y, z, t). V času to = 0 s, ko začnemo proces

opazovati, je tem p eratu ra n a m eji obm očja D, (z = 0) enaka T0, po času ti se te m p e ra tu ra na m eji (z = 0) zniža n a Ti = To — AT, potem pa se v času

t-2 ponovno zviša na začetno vrednost To (sl. 16). Tlačni b a t je v globini z = l h lajen s hladilno teko­ čino, ki im a tem p eratu ro Tj, zato domnevamo, da je tem p eratu ra b a ta v tem delu tu d i enaka tem pe­ ra tu ri hladilne tekočine.

R ešitev fu n k cije tem p eratu rn eg a po lja T(z, t) dobimo, če n a funkcijo T(z, p) uporabim o inverzno Laplaceovo transform acijo

c -fiR

T(z, t) = ---- - lim j e'Pfn.n) dp, c > 0 (6)

2л i Ä - ä - o o J

c—i R

Iz enačbe (5) je razvidno, da im a fu n k c ija T(z, p) pole v točkah pi = 0, рг,з = ± g in tam , k je r im a fu n k cija sh (l|/p „/a) = 0, ničle.

Iz zveze sh(n n i ) = i sin (n n) je zarad i l ]/p,Ja — = n n i , n e N = {1, 2, . . . } lega polov p„

(6)

Integral v form uli (6) lahko določimo z upo­ rabo residuov

T(z, t) = lim — f e‘Pr(2,P) dp = Res (0) + Res (g) +

k-*oo 2л i J

+ Res (■

:-*>

+ 2 Res (p„) (8)

П = 1

ko:

S tem je tem peraturno polje v območju D

ena-T(z,t) =

= b(

Tl — To

l z + T 0

To sh(Z — z) co + Tj sh(z co)

--- —

2sh(Z co)

T0 sin (Z — z) co + Ti sin (z co) . .

---e~gc + 2 sin (Z co)

-2

f„(t) sin (X z)

k je r je

X = n n / l a) = |/д/а

/«(t) = - — f ( 1)П l~Tl er*** h

= l

(9)

n n[{X\Y— 1] co

R avninsko napetostno stanje v območju D do­ ločimo z uporabo napetostne A iryjeve funkcije F =

= F(y, z, t), če zanem arim o m asne sile

(%! ryz, 0\

TZ2)i Ог, 0 j — (— l) ž+^ F,ij (18)

0, 0, 0 /

ki m ora za izpolnitev vseh elastom ehanskih enačb kvazistatičnega term oelastičnega napetostnega sta­ nja v ravnini zadoščati diferencialni enačbi

A AF + ЕА[ат(у) T(z, t)] = 0 (11)

k je r je E — Youngov oziroma elastični modul, ki je v tem p rim eru krajev n a in časovna konstanta.

. d2 , d2

A —----+ --- Laplaceov operator

dy2 dz2

ат = ат(у) = ao + ai sin (a y)

— linearni tem p eratu rn i razteznostni koeficient k jer so

ao = 0,5 (ar1 + ar2) ai = 0,5 (ar1ar2)

a = nlls (12)

ar1 — linearni tem p eratu rn i razteznostni koeficient območja s pozitivno izcejo

ar2 — linearni tem p eratu rn i razteznostni koeficient območja z negativno izcejo.

O bravnavani model te rja izpolnitev naslednjih robnih pogojev na m eji območja D:

Oz(y, 0, t) = ryz(y, 0, t) = rzy(y, 0, t) = 0 lim on =& °o (13)

Tlačni b at im a na delovni tem p eratu ri predpi­ sano tolerančno območje, zato deform acija b ata v sm eri osi y ni ovirana.

Z upoštevanjem funkcije tem peraturnega polja (9) in linearnega tem peraturnega koeficienta (12) je znan nehomogeni del diferencialne enačbe (11), k atere rešitev lahko izrazimo na naslednji način:

F(y, z, t) = U(y, z, t)[E/( 1 + v)] ip(y, z, t ) (14)

F unkciji U(y, z, t) in tp(y, z, t) m orata zadoščati diferencialnim a enačbam a

A AU(y, z, t) — 0

A yi(y, z, t) = (1 + v) aT(y) T(z, t) (15)

k je r je r — Poissonovo število.

Elem enti tenzorja ravninskega stan ja napetosti (10) so:

o,j — (— 2a D + a2 C + a2 Dz) e~aZ sin (a y)

To sh(l — z) co + Ti sh(ft) z) -E co2 ai sin ( ay)

2(a2 — co2) sh(ft) I)

T 0 sin (I — z) co + Ti sin (co z)

egt.

2 (a2 + co2) sin (co I)

_e-gt -f.

+ X2

a2 + X2- sin (X z)

tyz = TZy = (a CD + a Dz) e~az a cos (a y) +

+ E a ai cos (a y) b [T i— T0\

a2 \ Z /

, Tich(ft) z) — Toch(l z) co .

t ft)---egzt

2 (a2 — co2) sh(ft) Z) , Ticos (co z) — T0 cos (Z — z) co

+ ft)--- --- 1--- 1— е~вГ — 2 (a2 + ću2) sin (co Z)

74 CO

-2

jn

a2 + X2X cos (X z)

Oz = — a2(C + Dz)e~aZ sin (a y) +

b /Ti — To

+ £ a 2 «i sin (a y)

- - I "a2 \ Z z + T0 +

Tosh(Z — z) co + Ti sh(ft) z) ,

T ---e9t +

2(a2 — co2) sh(o) Z)

To sin (Z — z) co+ Ti sin (co z) +

io

-2

2(a2 + ca2) sin (co Z)

fn

(7)

k je r sta

C = E ai To

( "

b a2 ch(g) + m2 sh(gt) \

a2 a4 — a>4 /

D = a CE a i b / T ;— Tp\

a2 \ I J

+

+ T° ch(w — — coev* +

+

2 (a2— co2) sh(co l)

To cos (co l) — T;

2 (a2 + co2) sin (co l)

e-gt + fn - A

a 2 + A2

(16)

3.2. Vpliv oksidnega klina n a širjen je razpoke

določa z dislokacijam i [5], ki so kolin earn e z ra z­ poko. P lastična deform acija je izražena z B u rg er- sovimi v e k to rji (b) dislokacij, ki so v razpoki dol­ žine c in plastičnem obm očju velikosti s p orazdelje­ ni linearno. Iz pogoja, da m orajo b iti vse sile n a dis- lokacijah v rav n o težju in je širin a razpoke w(t) na m eji obm očja D, z = 0 enaka številu dislokacij, pom noženih z njihovim i B urgersovim i vek to rji, je določena zveza m ed plastičnim obm očjem s — a — c, z rušilno trd n o stjo g rad iv a azr in širino razpoke

w(t) [3]

n ]/c(a — c)

4(1 — v)oZT sin (j/c/a)

p l O y

1 1 Г a + 1/ c(a c)l

\ 2 0 z r cos (|/c7a)J [sin ( \ Ш J

V tem delu n as zanim a ra st površinskih razpok, zaradi n astan k a oksidnega klin a v razpoki. Oksid je poln napak, tako da omogoča lahek dostop oksi­ d an ta k sveži kovinski površini, s tem pa se ra z ­ poka povečuje. V prim eru, da se koren razpoke elastično deform ira, je n jen a globina v času t ena­ ka [3]

Podobno lahko izrazim o tu d i zvezo m ed širino korena razpoke Ф(с) v sm eri osi y in velikostjo plastičnega obm očja s = a — c

n џ ф (с) |/c(a — c) ^

4(1 — v)ozr c o s(j/c /a )

c(t) = 4

ЏУ

(1

OyW(t) + Г W(t) % ]0'5) + [

л(1

v) Oy2 \ 4y L 2y J i

[

7 1 O y

Ozr COS(l/c/a).

^ c(a — c) ■

cos

(

1

ш \

(21)

k je r so

y — površinska napetost

[i — E '2(1 + v) — strižni m odul

(17) Iz enačb (20) in (21) lahko določimo zvezo m ed širino razpoke in širino ko ren a razpoke. Z a ob­ ra v n a v a n p rim e r postavim o, d a v e lja a — c « c , s tem je širin a k orena razpoke

w(t) — širina razpoke

P red zn ak (+ ) pom eni p rim er n estabilne razpo­ ke, predznak (—) pa p rim er stabilne razpoke.

Po določenem času, ki je potreben, da se raz­ poka zapolni z oksidnim klinom, se začne razpoka širiti s hitrostjo C(t)

č(t) = Џ w (t) (P 7l(l — V)0y\_

M t ) O y

2 7

(18)

Popolnom a nestabilni lom se pojavi tedaj, Jco postane h itro st ra sti razpoke neskončna. To se zgodi v času, potrebnem za porušitev (ti), p ri pogoju

w(t{) = 2yloy.

V prim eru, ko n i napetosti oy zaradi tem p era­ tu rn ih obrem enitev, se razpoka lahko širi samo zaradi vpliva oksidnega klina in je enaka

џ w 2(t)

8л y( 1 — v) (19)

Iz izraza (18) je razvidno, da se nestabilni lom ne m ore pojaviti samo zaradi oksidnega klina, če ni h k ra ti tu d i napetosti ov na m eji obm očja (D).

V obravnavanem prim eru, ko tlačni b a t deluje p ri višjih tem p eratu rah , se n a konici razpoke po­ ja v lja tu d i plastifikacija. V tem p rim eru lahko uporabim o B. A. Bilby, A. H. C ottrell-Sw indenov m odel [4], ki plastično območje n a konici razpoke

Ф(с) = — ---- ^ U - tan & + л o J ' (22) 4jtџ azr Ц — v J

k je r pom eni & — kot klin a razpoke.

F u n k cija (22) pove, da se širje n je ko ren a ra z ­ poke v sm eri osi y lahko v določenih ra zm era h ustav i ozirom a zm anjša, če se k o t k lin a 0 zm an j­ ša, k a r pom eni, da je razpoka v tak šn em sta n ju stabilna.

Ko n i dodatne napetosti zarad i te m p e ra tu rn ih obrem enitev, se širina k orena razpoke tu d i zm an j­ ša in zato razpoka ne m ore ra sti vse dotlej, dokler se širin a razpoke w(t) in s tem kot 0 za rad i vpli­ va oksidnega k lin a dovolj ne poveča in doseže do­ ločeno velikost, p ri k a te ri doseže širin a k o ren a razpoke k ritično velikost Фс = 2y/azr, ki povzroča nestabilno ra st razpoke.

P ovršinska n ap eto st y je iz [5]

y = - t J t L e i n —

4л(1 — v) 2n 0 k je r so

a = jb|(l — r)i’5

-d

|b| — velikost B urgersovega v e k to rja

(8)

3.3. Številčni primer

Za velikostno analizo, ki omogoča prim erjavo rezultatov računskega m odela s preizkusnim i ugo­ tovitvam i, smo izm erili in izbrali naslednje številč­ ne podatke:

E (To) ■

600 «C, Tl = 15 »C,

= 1 ,0 5 .105 N/mm2 T0 = 780 °C, Ti

E(Ti)

2

ls «« 0,11 mm, ly = 26 mm, l = 10 mm, b = 2,

g = 9 ,5 2 8 .10“2 mm 2/s

a r 1 = 13,1 . 10-« [«C]"1, aT2 = 1 4 ,3 .10-« [°C]-‘, ti = = 7 s, arz = 80 N/mm2, v = 0,3, 0 = 0,5°, c = 0,1 p m

V rednosti za tem peraturne razteznostne koefi­ ciente v pozitivnih in negativnih izcejah smo do­ ločili iz podatkov za jekla, k aterih kem ična sestava je bila najbolj podobna koncentracijam legirnih elem entov v obeh v rstah izcej.

G radivo im a rešetko cbc s privzetim približ­ nim param etrom osnovne celice ai = 2 ,8 6 .10~4 p m

in velikostjo Burgersovega vektorja

ai / 3 4in d «iV2

Iz prve enačbe (16) je določena največja natezna napetost Oy = 49 N/mm2 na m eji območja D pri

z = 0, ki je upoštevana v izrazu (22). V tem p ri­ m eru je širina korena razpoke Ф(с) = 8,6.10—*«m. K ritična velikost, pri k ateri se pojavlja nestabilno širjenje razpoke, je Фс = 1 ,3 .10“3 /im. K er velja za obravnavani prim er Фс > Ф(c), pomeni, da oksidni klin ne vpliva na nestabilno ra st razpoke, k a r se tudi sklada z opazovanji.

4. SKLEP

Po računskem m odelu določene napetosti so v področju negativnih izcej p ri z = 0 natezne in im a­ jo velikost Oy = 49 N/m m 2 napetosti oz in t yz pa sta enaki nič. S časom ti = 7 s pa te napetosti u tri­ pajo za A oy = + 6 N/m m 2 (sl. 17), k a r im a za po­ sledico u tru ja n je jekla.

Sl. 17. Spreminjanje napetosti ay na m eji območja pri z = 0

Iz tega izhaja, da je območje z negativno izcej o mesto n ajverjetnejšega n astan k a u tru jen o stn e ra z­ poke.

V obravnavanem p rim eru je skupni vpliv tem ­ p e ratu rn ih napetosti ay in k ristaln ih izcej na pojav razpok največji, k e r so tem p eratu rn e napetosti pravokotne na sm er vlaken izcej. K a d ar pa ni tako, se razpoke širijo v sm eri pravokotno na sm er de­ lovanja tem p eratu rn e napetosti oy (sl. 8).

Iz analize pojava toplotnega razpokan j a skle­ pamo, da je kemično homogeno jeklo (brez ali z neznatnim i izcejami) odpornejše p roti tem p eratu rn i utrujenosti, k a r govori v p rid uporabi jekel, izde­ lanih po sodobnih postopkih npr. s sintranjem , EPŽ ipd.

LITERATURA Na pojav toplotnega razpokanja vplivajo zuna­

nji in n o tran ji vzroki.

Med zunanjim i vzroki so najbolj vplivne tem ­ p eratu rn e obrem enitve, oksidacija in vpliv taline, p ri n o tran jih pa kem ične in stru k tu rn e nehomoge­ nosti jekla.

Naše raziskave potrjujejo ugotovitve, da je os­ novni vzrok za nastanek razpoke tem p eratu rn a utrujenost. Razpoke se začno in širijo v področju negativnih izcej, torej tam, k je r im a jeklo n a j­ m anjšo trdnost in oksidacijsko odpornost.

R ast razpoke pospešujeta še oksidaciji jekla in obdelovane kovine, ki vplivata na geom etrijo ko­ rena oksidnega klina. R ezultati računskega modela se ujem ajo z eksperim entalnim i ugotovitvam i o vlogi kem ične nehomogenosti jek la za nastanek in širjen je razpok. Iz podatkov, ki izhajajo iz stro­ kovnih virov [8] in [9], smo za jekla ustreznih kem ičnih sestav ocenili za območje s pozitivno iz- cejo velikost statične zrušilne trdnosti pri tem pe­ ra tu ri To = 780 °C, ozr+ = 100 N/mm2 in za območje z negativno izcejo о,л~ = 80 N/mm2.

[1] Kovalenko A. D., Osnovi termouprugosti, Nau-kova Dumka, Kiev (1970).

[2] Vidav I., Višja matematika III. Državna založba Slovenije, Ljubljana (1976).

[3] Heald P. T., The Oxide Wedging of Surface Cracks, Mat. S. E., 35, Lausanne (1978).

[4] Bilby B. A., Cottrell A. H. and Swinden K. H., Proč. R. Soc. London, Ser. A, 272 (1963).

[5] Hirth J. P. and Lothe I., Theory of Dislocations, Atomizdat, Moskva (1972).

[6] Matematičeskie metodi v termomehanike, Zbor­ nik naučnih trudov, Naukova Dumka, Kiev (1980).

[7] Sneddon I. N., Furier transforms, McGraw-Hill book company, INC New York, Toronto, London (1958). [8] Novikov I. I., Gončarov V. G., Obidalo K. I., Roščupkin V. V., Raskina R. J., Semaško N. A., Plot-nost i koeficient Linejnogo razširenija instrumentalnih stalej povišennoj teplostojkosti. Metall, Izvesti j a aka-demii nauk SSSR, Nauka (1978).

[9] Metals Handbook, vol. 3, ASTM, Ohio (1980).

N a slo v a v to rje v : — doc. d r. F r a n c K o sel, d ip l. in g ., F a k u lte ta z a s tro jn iš tv o v L ju b lja n i

Figure

Updating...

References

Updating...

Related subjects :