Influence of the microstructure on low-temperature fracture of ultra-fine grained Armco iron

Maciej Giżyński

Abstract

Body centered cubic (bcc) metals are known to change their mechanical properties with decreasing temperature. There is threshold temperature called ductile to brittle transition temperature (DBTT). Below DBTT bcc metal cracks in brittle manner without significant plastic deformation. In this paper mechanical properties and changes in fracture behavior of ultra-fine grained (UFG) and microcrystalline Armco iron was investigated. The UFG iron was produced by 3 stage hydroextrusion (HE) process. After each stage of HE material’s grain size decreases and dislocation density increases. Average grain size after 1st stage of HE is 377 nm, after 2nd and 3rd is ca. 250 nm. The UFG microstructure causes substantial increase of strength. At room temperature microcrystalline iron and after 1st stage of HE deform plastically before fracture. Fractography reveals dimples on fractured surface that indicates ductile manner of fracture. Below DBTT these materials crack in brittle way without noticeable plastic deformation. The DBTT of UFG iron is lower than the DBTT of microcrystalline iron. It is assumed that the ductile to brittle transition (BDT) is controlled by thermally activated dislocation mobility, thus there is activation energy of BDT. For microcrystalline iron the activation energy of the DBT was measured and equals 0,66 eV, for UFG iron that energy equals 0,81 eV. Iron after 2nd and 3rd stage of HE deforms in plastic manner under tensile test at all applied temperatures and do not show DBTT. To investigate influence of dislocation structure on fracture mechanism UFG iron was annealed at temperature up to 350°C. Annealing of iron after 3rd stage of HE causes annihilation of dislocations but does not led to significant grain coarsening. Recovery promotes brittle cracking at low temperature and appearance of DBT.
Diploma typeMaster of Science
Author Maciej Giżyński ZPM
Maciej Giżyński,,
- Division of Materials Design
Title in PolishWpływ mikrostruktury na pękanie w niskiej temperaturze ultradrobnoziarnistego żelaza Armco
Supervisor Zbigniew Pakieła ZPM
Zbigniew Pakieła,,
- Division of Materials Design
Certifying unitFaculty of Materials Science and Engineering (FMSE)
Affiliation unitDivision of Materials Design (DMD)
Study subject / specializationInżynieria Materiałowa
Languagepl polski
StatusFinished
Defense Date06-09-2013
Issue date (year)2013
Internal identifierIM-001709
Reviewers Małgorzata Lewandowska ZPM
Małgorzata Lewandowska,,
- Division of Materials Design
, Jerzy Latuch ZMKF
Jerzy Latuch,,
- Division of Construction and Functional Materials
Keywords in PolishMECHANIKA MATERIAŁÓW, MECHANIKA PĘKANIA
Abstract in PolishMetale o sieci regularnej przestrzennie centrowanej (RPC) charakteryzują się temperaturą, poniżej której materiał zmienia mechanizm pękania z ciągliwego na kruchy i spada jego odporność na pękanie, nazywanej progiem kruchości. W pracy zbadano właściwości mechaniczne oraz zmiany mechanizmu pękania w niskich temperaturach ultradrobnoziarnistego żelaza Armco wytworzonego w procesie wyciskania hydrostatycznego (HE ang. hydroextrusion) oraz żelaza mikrokrystalicznego jako materiału referencyjnego. Badano próbki charakteryzujące się różnym odkształceniem wprowadzonym w procesie HE, przez co różnią się wielkością ziaren oraz gęstością defektów struktury. Po 1. etapie HE uzyskano materiał ultradrobnoziarnisty o wielkości ziarna wynoszącej 377 nm, po 2. i 3. etapie uzyskano ziarna o wielkości ok. 250 nm. Utworzenie nanometrycznej struktury spowodowało podniesienie właściwości mechanicznych. Wyższe wartości odkształcenia zadanego w procesie HE powodowały wzrost wytrzymałości. Materiał w stanie wyjściowym oraz po 1. etapie HE w temperaturze pokojowej w próbie rozciągania odkształcał się plastycznie a powstałe przełomy zawierały dołeczki charakterystyczne dla pękaniaciągliwego. Poniżej temperatury progu kruchości żelazo ulegało kruchemu pękaniu bez oznak odkształcenia plastycznego. Temperatura progu kruchości jest niższa dla żelaza po przeciskaniu hydrostatycznym. Przyjęto, że za przejście krucho-plastyczne odpowiadają zmiany mobilności dyslokacji przy zmieniającej się temperaturze, konsekwencją tego założenia jest występowanie pewnej energii aktywacji przejścia. Dla żelaza wyjściowego i po 1. etapie HE wyznaczono energię aktywacji przejścia krucho-plastycznego, która dla materiału wyjściowego wynosi 0,66 eV, a dla rozdrobnionego 0,81 eV. Żelazo po 2. i 3. etapie HE w każdej temperaturze badania odkształcało się plastycznie, pękając przy tym w sposób ciągliwy i nie wykazując progu kruchości. Aby zbadać wpływ struktury dyslokacyjnej na zmiany mechanizmu pękania ultradrobnoziarniste żelazo wyżarzono w temperaturze do 350°C. Przeprowadzone wyżarzanie żelaza po 3. etapie HE spowodowało zmniejszenie gęstości dyslokacji przy niewielkim rozroście ziarna. Wyzdrowienie struktury dyslokacyjnej doprowadziło do pojawienia się progu kruchościi zachodzenia pękania kruchego w niskiej temperaturze. Świadczy to dużej roli struktury dyslokacyjnej w kontrolowaniu zjawiska przejścia krucho-plastycznego.
File
magisterka v2_1 druk.pdf 18.92 MB

Get link to the record
msginfo.png

Back