Ghostscript wrapper for D:\Digitalizacja\MTS86_t24z1_4_PDF_artyku³y\mts86_t24z1_2.pdf M E C H AN I KA TEORETYCZNA X  S TOS OWANA <  12, 24,  (1986) WPŁYW  CYKLICZNYCH  ZM IAN  TEM PERATURY  W  ZAKRES IE 293K- 77K  NA  WŁAS NOŚ CI  WYTRZYM AŁOŚ CIOWE  POŁĄ CZEŃ S PAWANYCH  M IEDZI  M OB  I  S TALI  1H18N9T WI E SŁ AW  OŚ WI Ę C I M SKI BO G U M I Ł A  K U Ź N I C KA J AN   SZ P I L Instytut  Mater.  i  Mech  T echn. Politechniki  W rocł awskiej Wykaz  oznaczeń 0r>  0r,  °rl»  ar  —  chwilowe  wartoś ci  zm ien n ych  n aprę ż eń  ciepln ych  o d p o wied n io  pierw- szego,  drugiego  i  trzeciego  rodzaju  o r a z  wywoł an ych  reakcjam i  wię zów, < r m „   —m a ksym a ln a  wartość  n aprę ż eń  poch odzą cych  o d  zm ien n ej  sił y  rozcią - gają cej, N r   —  liczba  cykli  zm ian  tem peratury  w  p rzyp ad ku  czystego  zm ę czen ia  ciepl- n ego, J V T M  —  liczba  cykli  zm ian  t em perat u ry  w  przypadku  zm ę czen ia  ciepln o- m ech a- n iczn ego, T   — t em perat u ra, t r ,  t- iu  — c z a s  trwan ia  1  cyklu  zm ę czenia  cieplnego  i ciepln o- m ech an iczn ego, a sp   —wsp ó ł c zyn n ik  osł abien ia  spoin ą   (równ y  ilorazowi  i?„,  p r ó bek  spawa- n ych  i  R m   m ateriał u  rodzim ego). 1.  Zagadnienie  niskotemperaturowego  zmę czenia  cieplnego Z mę czeniem  cieplnym  n iskotem peraturowym  n azywan e  jest  zjawisko  p o wst awan ia i  rozwoju  uszkodzeń  w  m ateriale  wskutek  cyklicznych  zm ian  t em p erat u ry  w  zakresie t em perat u r  niż szych  od  tem peratury  otoczen ia. Liczba  ba d a ń  poś wię con ych  t em u  zjawisku jest  bardzo  m ał a,  zwł aszcza  w  po ró wn an iu  z  liczbą   ba d a ń  (o  szerokim  zakresie)  dot y- czą cych  zmę czenia  cieplnego  w  t em perat u rach  wyż szych  od  t em p erat u ry  o t o czen ia. Z wią zane  jest  to  prawd o po d o bn ie  z  faktem ,  że  proces  powstawan ia  i  rozwoju  p ę kn ięć wskutek  cyklicznych  zm ian  tem peratury  przebiega  in ten sywn iej  i  jest  bardziej  n iebez- 24  W.  OŚ WIĘ CIMSKI, B.  KU Ź N ICKA,  J.  SZ P I L pieczny  w  wysokich  niż  w niskich  temperaturach. Wiadomo jest jednak,  że  w elementach cyklicznie  ochł odzonych  do  niskich  temperatur  powstają   i  rozwijają   się   mikropę knię cia, które  mogą   spowodować  zł om,  szczególnie  w  przypadku,  gdy  elementy  te  przenoszą dodatkowo  obcią ż enia  zewnę trzne.  Dlatego  też  pilną   potrzebą   stał o  się   poznanie  prze- biegu  niskotemperaturowego  zmę czenia  cieplnegQ. D otychczasowe  badania  tego  zjawiska  został y zrealizowane  w  mocno zróż nicowanych warunkach.  W  wię kszoś ci  prac  brak  jest  informacji  dotyczą cych  rodzaju  naprę ż eń ciepl- nych  powstają cych  w  próbkach  w  zależ noś ci  od  struktury  materiał u, wymiarów  próbek, sposobu  ich  mocowania  itp.  U trudnia to  korzystanie  z  ich  rezultatów. Jeś li  przyją ć  kryterium  rodzaju  naprę ż eń  cieplnych  powstają cych  w  próbce  lub  ele- mencie  wskutek  cyklicznych  zmian  temperatury,  moż na  wyodrę bnić  trzy  przypadki niskotemperaturowego  zmę czenia  cieplnego,  mianowicie  gdy: 1.  Zmiany  temperatury  wywołują   w  próbce  mikroskopowe  naprę ż enia cieplne  I i i  III rodzaju  (a T   =   o ^ + c "1 ) , 2.  N a  naprę ż enia  mikroskopowe  nakł adają   się   dodatkowo  makroskopowe  naprę ż e- nia  cieplne  I rodzaju  (cr r   = a^ +a^   + a^ ), 3.  Stan  naprę ż eń  cieplnych  w  próbce  jest  sumą   stanu  naprę ż eń  z  przypadku  pierw- szego  lub  drugiego  i  stanu  naprę ż eń  wywoł anego  reakcjami  wię zów  (a T   =  a^ +a^   + a^ - lub  ar  -   3p +  af  + a\ +oft. Pierwszy  przypadek  dotyczy  próbek  lub  elementów  maszyn  o  bardzo  mał ych  prze- krojach  (folie,  blachy,  druty),  wykonanych  z  materiał ów  o  duż ej  przewodnoś ci  cieplnej, w  których  wyrównanie  temperatury  w  cał ej  obję toś ci  nastę puje  bardzo  szybko.  Cykliczne zmiany  temperatury  powodują ,  w  tych  warunkach,  nierównomierne  odkształ cenie  posz- czególnych  kryształ ów  lub  faz  materiał u  wskutek  anizotropii  ich  współ czynnika  rozsze- rzalnoś ci  cieplnej.  Powstają ce  wówczas w  próbce naprę ż enia cieplne II i III  rodzaju  zmie- niają   się   współ fazowo  z  temperaturą .  Rozwój  uszkodzeń  w  materiale  spowodowany  tymi naprę ż eniami  jest  nazywany  umownie  „czystym"  zmę czeniem  cieplnym  [1]. Badaniom  czystego  zmę czenia  cieplnego  są   poś wię cone  prace  [1- 6].  U szkodzenie materiał u,  powstał e  wskutek  cyklicznych  zmian  temperatury,  oceniano  mierzą c  najczę ś- ciej  zmiany  wł asnoś ci  mechanicznych  (R m ,R 0t2 A,Z,  twardoś ć)  [1- 4],  uzupeł niają c je  badaniami  metalograficznymi  i  rentgenograficznymi.  Przebieg  zmę czenia  cieplnego podlegał   obserwacjom  na  podstawie  zmian  wł asnoś ci  fizycznych  materiał ów:  gę stoś ci [1- 4]  i  rezystancji  [5, 6].  Zmiany  wł asnoś ci  mechanicznych  materiał ów  wyznaczano przeprowadzają c  po  okreś lonej  liczbie  cykli  zmian  temperatury  statyczną   próbę   rozcią - gania  w  temperaturze  otoczenia  lub  w  minimalnej  oraz  maksymalnej  temperaturze cyklu zmę czeniowego.  Badane  materiał y  to  technicznie czyste  metale: miedź,  cynk, aluminium, kadm  i  tytan. Autorzy  prac  [1, 2]  poddają c  próbki  z  aluminium,  miedzi  i  cynku  dział aniu  cykli termicznych  w  zakresie  297K  ?±  77K  stwierdzili  w  przypadku  każ dego  z tych metali, że ze  wzrostem  liczby  cykli  nastę puje  obniż enie  ich  wytrzymał oś ci  i  plastycznoś ci.  Spadek wł asnoś ci  mechanicznych  drutu  miedzianego  był   tym  wię kszy  im  wię kszy  był   stopień jego  wstę pnego  odkształ cenia  plastycznego  [1].  Podobnej  prawidł owoś ci  nie  zaobser- wowano  w  przypadku  pł askich próbek  z  miedzi  a  także  z  aluminium  i  cynku, które.był y WP Ł YW  CYKLICZN YCH   ZMIAN   TEMPERATU RY  25 poddawane  dział aniu  cykli  termicznych  po  wstę pnym  odkształ ceniu  plastycznym  próbek o  róż nych  wartoś ciach  [2].  Stwierdzony  spadek  wł asnoś ci  mechanicznych,  mierzonych w temperaturze maksymalnej  cyklu,  był  na ogół  wię kszy  od spadku  wł asnoś ci mierzonych w  minimalnej  temperaturze  cyklu.  Wedł ug  danych  w  pracy  [2],  po  720  cyklach  zmian temperatury,  wytrzymał ość  R m   aluminium, cynku  i  miedzi  zmniejszył a  się   o  okoł o  20%, natomiast wydł uż enie A  —  o 22% dla aluminium, 12% dla  miedzi i 50% dla cynku  (w przy- padku  próbek  zrekrystalizowanych  i  pomiarów  w  temperaturze  297K). Znaczniejsze  zmiany  wł asnoś ci  mechanicznych  wykazał   cynk  (w  stanie  zrekrystali- zowanym)  poddawany  dział aniu cykli  temperatury  w  zakresie  318K  ?±  77K  [3],  Po  300 cyklach  zmian  temperatury  jego  granica  wytrzymał oś ci  R,„, okreś lona  w  temperaturze 297K,  stanowił a  50%'  granicy  wytrzymał oś ci  bez  zmę czenia  cieplnego,  wydł uż enie  nato- miast  zmalał o  do  20%  swojej  począ tkowej  wartoś ci. Inny  charakter  zmian  wł asnoś ci  mechanicznych, spowodowany  zmę czeniem  cieplnym w  zakresie  temperatur  373K  <=*  77K,  stwierdzono  dla  technicznie  czystego  «  — tytanu [4].  Materiał   ten  po  1000  cyklach  termicznych  wykazał   wzrost  R, n   i  R e   o  10-   15%  przy jednoczesnym  wzroś cie  wł asnoś ci  plastycznych  —  wydł uż enia  i  przewę ż enia. Drugi  przypadek  zmę czenia  cieplnego  dotyczy  próbek  czy  elementów  o  duż ych  prze- krojach  lub  wykonanych  z materiał ów o  mał ej przewodnoś ci  cieplnej, w których  powstaje, w czasie  nagrzewania  lub  chł odzenia, znaczny  gradient  temperatury. W takich elementach (próbkach) a  także  w  konstrukcjach  spawanych  zł oż onych z elementów  o  róż nych współ - czynnikach  rozszerzalnoś ci  cieplnej,  zmiany  temperatury  powodują ,  oprócz  nierówno- miernego  odkształ cenia  poszczególnych  ziarn  (faz)  materiał u, nierównomierne  odkształ - cenie  poszczególnych  warstw  przekroju  lub  róż nych  czę ś ci  konstrukcji.  Ten  niejedno- rodny  stan  odkształ cenia  jest  wówczas  przyczyną   powstawania  zmiennych  naprę ż eń cieplnych mikroskopowych  (II i I I I rodzaju)  oraz  sumują cych  się  z nimi naprę ż eń makros- kopowych  I  rodzaju,  które  zmieniają   się   synchronicznie  z temperaturą . W  literaturze  brak  jest  danych  dotyczą cych  rezultatów  badań  tego  przypadku  zmę - czenia  cieplnego.  W  pracy  [7]  dokonano  jedynie  oceny  wielkoś ci  naprę ż eń  cieplnych, powstają cych  w  zł ą czach  spawanych  rur,  wykonanych  z  róż nych  gatunków  stali  nie- rdzewnych  oraz  inwaru  (stopu  o  niskim  współ czynniku  rozszerzalnoś ci  cieplnej)  ochł o- dzonych  cyklicznie  do  temperatury  4K. Trzeci przypadek  zmę czenia cieplnego wystę puje  wtedy,  gdy  na próbki  lub  elementy  — okreś lone  w  pierwszym  i  drugim  przypadku  zmę czenia  cieplnego  —  są   nał oż one  wię zy uniemoż liwiają ce  swobodną   zmianę   ich  wymiarów  podczas  nagrzewania  lub chł odzenia. Powstają ce  wówczas w materiale  naprę ż enia  są   sumą   naprę ż eń  pochodzą cych  od  reakcji wię zów  oraz  naprę ż eń  mikroskopowych  II  i  I I I  rodzaju  (z  przypadku  pierwszego)  lub naprę ż eń  mikro  i  makroskopowych  I  rodzaju  (z  przypadku  drugiego).  W  literaturze  nie znaleziono  przykł adów  badań  tego  przypadku  zmę czenia  cieplnego. Oprócz  omówionych  powyż ej  przypadków  zmę czenia  cieplnego  należy  wyodrę bnić czę sto  wystę pują cy  przypadek  jednoczesnego  dział ania na  elementy  konstrukcji  zmiennej temperatury  i  zewnę trznego  obcią ż enia.  Zjawisko  powstawania  i  rozwoju  uszkodzeń w  materiale  wskutek  zmian  temperatury  i  zewnę trznego  obcią ż enia  nazwać  moż na  zmę - czeniem  cieplno- mechanicznym.  W  warunkach  zmę czenia  cieplno- mechanicznego  na- prę ż enia  cieplne, wynikają ce  ze zmian  temperatury, sumują   się   z  naprę ż eniami pochodzą - 26  W.  OŚ WIĘ CIM SKI,  B.  KU Ź N I C KA,  J.  SZ P I L cymi  od  sił   zewnę trznych,  które  mogą   być  stał e  lub  zmienne  (zmę czenie  mechaniczne). W  ogólnym  przypadku  naprę ż enia  zmę czeniowe  mogą   zmieniać  się   niesynchronicznie ze  zmianami  temperatury. W dostę pnej  literaturze nie znaleziono prac poś wię conych  badaniom zmę czenia cieplno- mechanicznego materiał ów  spowodowanego  dział aniem cyklicznie  zmieniają cej  się   tempe- ratury  i zmiennego  obcią ż enia  zewnę trznego.  Badania  nad zmę czeniem cieplno- mechanicz- nym  zrealizowano  jedynie  w  warunkach  cyklicznego  chł odzenia próbek,  zwykle  o  duż ych przekrojach  oraz  z  ograniczoną   moż liwoś cią   swobodnego  odkształ cania się   pod  wpływem temperatury  (trzeci  przypadek  zmę czenia  cieplnego),  obcią ż onych  stał ą   sił ą   rozcią gają cą [8-   11].  Badane  materiał y,  to  stopy  mają ce  zastosowanie  w  budowie  urzą dzeń  kriotech- nicznych:  stale  austenityczne  oraz  stopy  typu  inwar. W  pracy  [8]  stwierdzono,  że  w  przypadku  gdy  naprę ż enia  stał e  od  zewnę trznej  siły rozcią gają cej  nie  przewyż szają   granicy  plastycznoś ci,  stal  H18N 10T  nie  wykazuje  istot- nych  zmian  wartoś ci  R m   do  50  cykli  zmian  temperatury  (w zakresie  300K  ?±  77K  i  300 K  +±  4,2K)  przy  mał ym  ( ~  10%)  obniż eniu  wartoś ci  R QtZ .  Ta  sama  natomiast  liczba cykli  termicznych  (w  zakresie  300K  ?=t 77K)  powoduje  znaczny  wzrost  (~100%)  war- toś ci  M 0i2   stali  O00H18NB  przy  nieznacznym  (~6%)  obniż eniu  wartoś ci  R m .  Autor pracy  [8]  tł umaczy  ten  anomalny  wzrost  granicy  plastycznoś ci  intensywnym  powsta- waniem  martenzytu  w  tej  stali,  wskutek  czego  nastą pił  wzrost  tej  mikrotwardoś ci  o okoł o 30%.  W  przypadku,  gdy  wartoś ci  naprę ż eń  od  zewnę trznej  sił y  rozcią gają cej  przewyż szają wartość  granicy  plastycznoś ci,  autorzy  prac  [9, 10] stwierdzili,  że próbki  z  karbem  ze stali chromoniklowych  ulegają   zł omowi  po  nie  przekraczają cej  1000  liczbie  cykli  zmian  tem- peratury.  N a  podstawie  przebiegu  zmian  odkształ cenia  plastycznego,  mierzonego  w  dnie karbu,  autorzy  prac  [9,  10]  stwierdzili  również,  że w  stalach  chromoniklowych  zmę czenie cieplne  przebiega  w  trzech  etapach  (przez  analogię   do  niskocyklowego  zmę czenia mecha- nicznego):  cyklicznego  umacniania  się ,  stabilizacji  i  osł abienia.  W  momencie  zł omu, wartość  skumulowanego  odkształ cenia  plastycznego  tych  stali  odpowiada  odkształ ceniu w  przypadku  statycznego  zerwania  próbki. W  pracy  [U ]  zasygnalizowano  badania  poł ą czeń  spawanych  przewodów  rurowych ze  stali  H 18N 10T  oraz  inwaru  39N ,  obcią ż onych  statyczną   siłą   rozcią gają cą   (wywołują cą naprę ż enia  niż sze  od  granicy  plastycznoś ci)  i  poddanych  dział aniu zmiennej  temperatury (w  zakresie  297K  <=*  77K). Badania  te miał y charakter  eksploatacyjny,  gdyż oceny  stopnia rozwoju  uszkodzeń  zmę czeniowych  dokonywano  w  nich jedynie  przez  sprawdzenie  szczel- noś ci  zł ą czy  spawanych,  po  okreś lonej  liczbie  cykli  temperatury.  N a  bazie  103  cykli, autorzy  pracy  nie  zaobserwowali  jeszcze  pojawienia  się   pę knięć  w  zł ą czach  obydwu materiał ów. Podsumowują c  powyż szy  przeglą d  wyników  badań  niskotemperaturowego  zmę czenia cieplnego  moż na  stwierdzić,  ż e: 1.  P oddanie próbek  z technicznie czystych  metali dział aniu cykli  termicznych, w zakre- sie  niskich  temperatur,  powoduje  zmianę   ich  wł asnoś ci  mechanicznych.  O  charakterze tych  zmian  decyduje  typ  i  parametry  sieci  danego  metalu.  Wł asnoś ci  wytrzymał oś ciowe i  plastyczne  Cu,  Zu i  Al  obniż ają   się   w  miarę   wzrostu  liczby  cykli  termicznych, natomiast w  przypadku  a. —  Ti  wł asnoś ci  te  rosną .  Efekt  zmniejszenia  wł asnoś ci  mechanicznych WP Ł YW  CYKLICZN YCH   ZMIAN   TEMPERATURY  27 Cu,  Zu  i  Al  wskutek  zmę czenia  cieplnego  zależy  od  stopnia  odkształ cenia  tych  metali w  stanie  wyjś ciowym. 2.  Cykliczne  zmiany  temperatury  próbek  ze  stał i  austenitycznych  obcią ż onych  sta- tycznie  powodują ,  niewielkie  zmiany  ich  wł asnoś ci  wytrzymał oś ciowych  w  przypadku, gdy  zewnę trzne  obcią ż enie  nie  przewyż sza  granicy  plastycznoś ci  a  zmiany  temperatury nie  wywołują   w  tych  stalach  przemian  fazowych.  Przy  duż ych  obcią ż eniach  zewnę trznych (powyż ej  granicy  plastycznoś ci)  zmiany  temperatury  mogą   spowodować  zł om  próbek z  tych  stali  przy  stosunkowo  mał ej  liczbie  cykli. Mał a liczba  prac poś wię conych  niektórym  tylko  (jak  wynika  z  dokonanego  przeglą du) przypadkom,  wskazuje  na  to,  że  badania  niskotemperaturowego  zmę czenia  cieplnego zaledwie  zapoczą tkowano.  Zauważ alny  jest  też  brak  danych  dotyczą cych  niskotempera- turowego  zmę czenia cieplnego zł ą czy spawanych  materiał ów konstrukcyjnych  stosowanych w  budowie  urzą dzeń  kriotechnicznych. 2.  Program  badań  własnych Celem  pracy  był o  zbadanie,  jaki  wpływ  wywierają   cykliczne  zmiany  temperatury w  zakresie  293K  ?±  77K  n a  wł asnoś ci  wytrzymał oś ciowe  próbek  poł ą czeń  spawanych wybranych  materiał ów  konstrukcyjnych,  stosowanych  w  budowie  urzą dzeń kriotechnicz- nych  (np. kriostaty,  zbiorniki  na ciekł e gazy  itp.).  U rzą dzenia tego  rodzaju  i ich elementy są   naraż one  podczas  eksploatacji  na  tego  typu  oddział ywania  termiczne,  wywoł ują ce zmianę   odkształ cenia ich  elementów  synchroniczną   ze  zmianami  temperatury.  W  rzeczy- wistoś ci  stan  odkształ cenia  (naprę ż enia) powstają cy  w  konstrukcji  jest  najczę ś ciej  bardzo zł oż ony.  W  ogólnym  przypadku  stan  ten jest, jak  już  wspomniano,  superpozycją   zmien- nego  stanu  odkształ cenia  wywoł anego  tylko  cyklicznymi  zmianami  temperatury  (zmę - czenie  cieplne)  oraz  stanu  odkształ cenia  wywoł anego  oddział ywaniem  zewnę trznego statycznego  lub  dynamicznego  obcią ż enia  (wytrzymał ość  statyczna,  zmę czenie  mecha- niczne). W  pracy  podję to  próbę   oddzielnego  zbadania  przypadku  zmę czenia  cieplnego  zbli- ż onego  do  tzw.  czystego  zmę czenia  cieplnego  oraz  przypadku  zmę czenia  cieplno- mecha- nicznego,  w  którym  rozwój  uszkodzeń  spowodowany  zmianami  temperatury  jest  inten- syfikowany  dział aniem  zmiennej  (synchronicznej  ze  zmianami  temperatury) zewnę trznej siły  rozcią gają cej.  D o  badań  przyję to  próbki  zł ą czy  spawanych  —  ze  wzglę du  na  fakt powszechnego  stosowania  poł ą czeń  spawanych  w  budowie  urzą dzeń  kriotechnicznych oraz  brak  danych  o wpł ywie  cykli  niskotemperaturowych  na  wł asnoś ci  wytrzymał oś ciowe tych poł ą czeń. Szczegół owy  program  badań  był   nastę pują cy: 1.  Wyznaczenie  wł asnoś ci  wytrzymał oś ciowych  przy  statycznym  rozcią ganiu  materia- ł ów  rodzimych  i  ich  poł ą czeń spawanych  w  ekstremalnych  temperaturach  cyklu  zmę cze- niowego  293K  i  77K. 2.  Przeprowadzenie  prób  czystego  zmę czenia  cieplnego  próbek  poł ą czeń  spawanych do  liczby  cykli  zmian  temperatury  N T   =  100,  500  i  1000  oraz  wyznaczenie  po  tychże liczbach  cykli  wytrzymał oś ci  na  rozcią ganie  próbek  w  temperaturze  297K  i  77K. 28  W.  OŚ WIĘ CIM SKI,  B.  K U Ź N I C K A,  J.  SZ P I L 3.  Przeprowadzenie  prób  zmę czenia  cieplno- niechanicznego  próbek  poł ą czeń  spa- wanych  do liczby  cykli  zmian temperatury  N T M   — 100  i  wyznaczenie  po  tej  liczbie  cykli, wytrzymał oś ci  na  rozcią ganie  próbek  w  temperaturze 297K  i  77K. Analiza  wyników  przeprowadzonych  badań  miał a  umoż liwić  ocenę   wpływu  stosowa- nych  liczb  cykli  N r   i N T M   na  wytrzymał ość  próbek  zł ą czy  spawanych  oraz  ewentualnego udział u  czystego  zmę czenia  cieplnego  w  zmę czeniu  cieplno- mechanicznym. 3.  Materiał y, próbki D o  badań  wybrano  stal  kwasoodporną   1H18N 9T  oraz  miedź  beztlenową   MOB w  postaci  cienkich  blach,  jako  materiał y  stosowane  w  kriotechnice.  Skł ad chemiczny tych  materiał ów podano w  tabeli  1. Wł asnoś ci mechaniczne materiał ów rodzimych, wyzna- czone w  statycznej  próbie rozcią gania  w temperaturach 293K i 77K, zestawiono  w tabeli 2. D o  badań  statycznych  i  do  prób  zmę czenia  cieplnego  wybrano  jeden  rodzaj  próbki, co  stwarzał o  moż liwość  porównywania  wyników  statycznej  próby  rozcią gania  badanych materiał ów  przed  i  po próbach zmę czenia cieplnego.  Kształ t  i  wymiary  próbki  przedsta- wiono  na  rys.  1, Tego  rodzaju  próbka,  charakteryzują ca  się   mał ymi wymiarami  przekroju Lp. 1 2 M ateriał m iedź M OB stal 1H 18N 9T Tabela  1.  Skł ad  chemiczny C Mn — 0,03 — 1,90 Si Cr badanych materiał ów N i Ti P zawartość  piewiastków  w  % — 0,50 — 17,10 — 8,92 — 0,16 — 0,020 S — 0,040 Cu 99,96 — Tabela  2.  P odstawowe  wł asnoś ci  wytrzymał oś ciowe  i  plastyczne  badanych  materiał ów w  stanie  wyjś ciowym (wartoś ci  ś rednie) Lp. 1 2 3 4 5 6 7 8 M aterial M iedź  M OB Z ł ą cze  spawan e z  miedzi  M O B Stal  1H 18N 9T Z ł ą cze  spawan e ze  stali  1H 18N 9T Tem peratura próby K 293 77 293 77 293 77 293 77 M Pa 101 123 — 220 275 — sm M Pa 210 318 200 306 632 1536 607 1412 A, % 44 56 — 61 35 — E M P a 1,20- 10' 1,23- 105 — 1,93  •   105 2,05 •   10' — WP Ł YW  CYKLICZN YCH  ZMIAN   TEMPERATURY 29 l v  \ ^ -  Qfy •   r 1 5 32 | l j — • 4 5 / 1 60 Rys.  1 poprzecznego,  speł nia  w  przybliż eniu  warun ek  szybkiego  wyrówn an ia  t em p erat u ry  w  prze- kroju  poprzeczn ym  w  przypadku  czystego  zm ę czenia  ciepln ego,  a  jedn ocześ n ie  jej  m ał a m asa  ogran icza  zuż ycie  ciekł ego  azotu  podczas  pół cykJu  ch ł odzen ia.  Jej  zaletą   jest  rów- nież  ł atwość  wykon an ia  zarówn o  z  blachy  m ateriał u  rodzim ego  ja k  i  z  pł yty  kon troln ej spawanego  doczoł owego  zł ą cza.  P róbki  m ateriał ów  rodzim ych  wycię to  z  blach y  o  gru- boś ci  fl0  =   1,9  mm  (miedź  IVfOB)  i  a0  =» 1,5  m m  (stal  1H 18N 9T)  zgodn ie  z  kierun kiem walcowania.  P róbki  poł ą czeń  spawanych  n atom iast  wycię to  w  p o d o bn y  sp o só b  ze  spa- walniczych  pł yt  kon troln ych  ja ko  pary  wzdł uż ne  z  poł ą czeń  doczoł owych  dwóch  blach , przy  czym  uprzedn io  o bro bio n o  lico  i  grań  spoin  w  celu  usun ię cia  n ierówn oś ci.  W  wyniku tej  obróbki  grubość  a 0   próbek  poł ą czeń  spawanych  był a  n ieco  m niejsza  od  gruboś ci próbek  m ateriał ów  rodzim ych . Pł yty  kon troln e  ze  stali  1H 18N 9T,  z  których  wycię to  próbki,  spawan o  rę czn ie  m etodą T I G   w  osł onie  argon u  (przy  I  —  110  A)  elektrodą   wolfram ową   i  drutem  spawaln iczym Sp  06H 19N 9, Pł yty  kon troln e  z  miedzi  M O B  wykon an o  równ ież  przez  spawan ie  rę czne  w  osł on ie argon u  (przy  / =   150  A)  elektrodą   wolframową .  P odczas  spawan ia  d o ko n a n o  jedyn ie przetopu  nie  stosują c  d ru t u  m iedzianego  ja ko  spoiwa.  N a  podstawie  ba d a ń  radiogra- ficznych  obydwu  rodzajów  spoin  zaliczono je  d o  pierwszej  grupy  wadliwoś ci  wg  P N - 74/ M- - 69772. Obserwacje  m ikroskopowe  zł ą czy  doczoł owych  stali  austen ityczn ej  nie  wykazał y wad  dyskwalifikują cych  zł ą cze.  M ateriał   rodzim y  m iał   typową   poliedryczn ą   strukturę austenityczną   z  drobn ym i,  pasm owo  rozm ieszczonym i  ziaren kam i  ferrytu  8  o raz  równ o- miernie  rozmieszczonymi  wtrą cen iami  wę glikoazotków  t yt an u .  W  wą skiej  strefie  wpł ywu ciepł a  zwię kszony  był   udział  ferrytu  <5  i  widoczny  rozrost  ziarn  austen itu.  Sp o in a  wykazy- wał a  typową   strukturę   dendrytyczn ą   z  ferrytem  ó  w  przestrzen iach  m ię dzyden drytyczn ych i  sł abo  zaznaczoną   segregacją .  Wyznaczony  n a  podstawie  dan ych  z  tabeli  2  współ czyn n ik osł abienia  stali  austen ityczn ej  na  skutek  spawan ia  wyn osił   o d p o wied n io : —  dla  tem peratury  293K  —  a s p  =   0,96, —  dla  tem peratury  77K  —  a sp   =   0,92. P róbki  zł ą czy  doczoł owych  miedzi  wykazywał y  wady,  kt ó re  om ijan o  przy  wycin an iu próbek.  W  badan iach  m ikroskopowych  stwierdzon o,  że  spoin a  wykazywał a  n iezn aczn ą segregację   w  kom órkowych  den drytach .  W  szerokiej  strefie  wpł ywu  ciepł a n ast ą pił   zn aczn y rozrost  ziarn .  N a  podstawie  przeprowadzon ej  próby  rozcią gan ia  nie  st wierdzon o  osł a- bienia  miedzi  wskutek  spawan ia,  zarówn o  w  tem peraturze  293K  jak  i  77K . 30  W.  OŚ WIĘ CIMSKI,  B.  KUŹ NICKA,  J.  SZPIL 4.  Próby  zmę czenia  cieplnego  i  cieplno- mechanicznego P róby  zmę czenia  cieplnego  i  cieplno- mechanicznego  przeprowadzono  na  specjalnie w tym  celu  skonstruowanym  urzą dzeniu  [12], wywołują cym  cykliczne  zmiany  temperatury jednocześ nie  czterech  pakietów  próbek  —  przez automatyczne ich zanurzanie na przemian w  czynniku  chł odzą cym  (LN 2)  i  czynniku  nagrzewają cym  do  temperatury  otoczenia (podgrzewany  alkohol  etylowy).  Urzą dzenie  to  daje  moż liwość  regulacji  czasu  wytrzy- mywania  próbek  w  ką pieli,  w  zależ noś ci  od  rodzaju  materiał u  próbek  i  elementów  oraz ich  masy. Biorą c  pod  uwagę   niezbę dne  czasy  ochł odzenia i  nagrzania  próbek  w  ką pielach  oraz czas  ich  transportu  mię dzy  zbiornikami,  ustalano  minimalny  czas  trwania  1 cyklu  tempe- raturowego  czystego  zmę czenia  cieplnego  dla  próbek  stalowych  / ,. =   6  min  i  przyję to ten  sam  czas  dla  próbek  miedzianych  —  ze wzglę du  na równoczesne  zanurzanie  w  ką pieli obydwu  rodzajów  próbek.  Przykł adowy  kształ t  zarejestrowanego  cyklu  zmian  tempe- ratury  w  próbce  stalowej  podczas  prób  zmę czeniowych  pokazano  na  rys.  2. TWi 293 1 1 " 1 — 1 ~t 1 - t - —- T I 1 I — r i l i i / i 77  '—| /   Z  3  4 Rys.  2 D o  realizacji  zmę czenia  cieplnego  z  udział em  siły  rozcią gają cej  skonstruowano  spec- jaln e  uchwyty  [12]  (rys.  3), które  wraz  z  zamocowanymi  w  nich próbkami  zanurzane były w  ką pieli  chł odzą cej  i  nagrzewają cej.  Jednoczesne  zmiany  temperatury  próbki  i  ele- mentów  noś nych  uchwytu  wywoł uje  wówczas  (na  skutek  róż nic  w  odkształ ceniach  ter- micznych)  odzerowo  zmienne,  synchroniczne  ze  zmianami  temperatury,  sił y  rozcią gają ce w  próbkach.  U stalony  doś wiadczalnie  minimalny  czas  trwania  1 cyklu  temperaturowego tego  rodzaju  zmę czenia  cieplno- mechanicznego  wynosił   t IM   =   17  min  dla  próbek  sta- lowych  i miedzianych.  Zarejestrowany  przykł adowy  przebieg  zmian temperatury  w  1 cyklu dla  próbki  stalowej  przedstawiono  na rys.  4. Wartoś ci  maksymalnych  odkształ ceń wzdł uż- WP Ł YW  CYKLICZN YCH   ZMIAN   TEMPERATURY 31 nych,  wywoł anych  dział an iem  sił y  rozcią gają cej,  wyzn aczon o  m etodą   elektryczn ej  ten so- m etrii  oporowej  [12],  uzyskują c  w  przypadku  obydwu  m ateriał ów  e m a x  =   6-   10~ *[ i t *\ Odpowiada  t o  wartoś ciom  m aksym aln ych  n aprę ż eń  rozcią gają cych  w  cyklu  zmę cze- niowym : —  dla  miedzi  M OB  —  erm ax  =   74  M P a . —  dla  stali  1H 18N 9T  — ffmax  =   123  M P a . Z aznaczyć  należ y,  że  powyż sze  wartoś ci  odkształ cen ia  (n aprę ż en ia)  od  sił y  rozcią ga- ją cej  w  stosowan ych  uch wytach  są   wartoś ciami  m aksym aln ym i  z  moż liwych  d o  uzys- kan ia. próbka my/ v/ m m- a A 2 l i Rys.  3 TLK1 293 ! 7 7  • i \| . \ \ \ \ \ ,L —i i! !/ / 1 iv> II 7 i / ,.* ~  i5/upe/c miedziany 4  5  fi  7  5  9 Rys.  4 12  13  14  15  16  tLmiri) *}  Pomiary  przeprowadzono  przy  uż yciu  próbki  kompensacyjnej  (z naklejonym  tensometrem kom - pensacyjnym.  Tensometry  poł ą czono  w ukł ad pół mostka zapewniają cy  samokompensację   odkształ ceń  nie wywoł ują cych  naprę ż eń  termicznych.  Szacowana  dokł adność pomiarów  odkształ ceń  wynosił a  5%. D okł adne  informacje  dotyczą ce  metody  pomiaru  znajdują   się  w  pracy [12]. 32 W.  OŚ WIĘ CIMSKI,  B.  KUŹ NICKA,  J.  SZPIL P r ó b o m  czystego  zm ę czenia  ciepln ego  w  zakresie  N T   =   10 -  1000  cykli  p o d d a n o  ogó- ł em  32  p ró bki  stalowe  i  24  próbki  m iedziane, a  próbo m  zmę czenia cieplno- mechanicznego d o  liczby  N T M   =   100  cykli  p o  8  próbek  stalowych  i  m iedzianych.  Liczbę   N T M   =   100  cykli przyję to  n a  podstawie  analizy  wyn ików  badań  czystego  zmę czenia  cieplnego,  w  której stwierdzon o  istotn e  zm ian y  granicy  wytrzymał oś ci  R m   tylko  w  zakresie  tej  liczby  cykli. 5.  Wyniki  prób  rozcią gania  oraz  ich  statystyczna  analiza 5.1.  Wyniki  prób po  czystym  zmę czeniu  cieplnym.  P róbki  poł ą czeń  spawanych  z miedzi M OB i  stali  1H 18N 9T ,  p o  uprzedn im  poddan iu  ich  dział an iu  okreś lonej  liczby  cykli  zmian t em p erat u ry,  p o d d a n o  statycznej  próbie  rozcią gania  n a  maszynie  wytrzymał oś ciowej I N S T R O N   m odel  1126.  P róby  t e  przeprowadzon o  w  tem peraturze  293K  i  77K,  badają c p o  cztery  p r ó bki  dla  każ dej  liczby  cykli  2Vj>.  P odczas  p ró b  w  tem peraturze  77K,  prób- ki  był y  zan u rzan e  w  ciekł ym  azocie.  U zyskan e  wyniki  p ró b  rozcią gania,  opracowan e  sta- tystyczn ie,  przedstawion o  w  t ab.  3  oraz  na  rys.  5  i  6. Tabela  3.  Wytrzymał ość na rozcią ganie  próbek  poł ą czeń  spawanych  po róż nych liczbach  cykli  zmian temperatury  N T   (czyste  zmę czenie cieplne) M at er ia ł i 1 g 1H 18 Temperatura próby T K 293 77 293 77 Liczba  cykli zmian  tempera- tury N T cykle 0 100 500 1000 0 100 500 1000 0 10 100 500 1000 0 J0 100 500 ]000 Rmir  * [jlPURmir** MPa 200,5 209,5 212,5 195,0 306,5 319,0 303,0 309,5 607,5 644,5 675,5 680,5 665,0 1412,0 1480,5 1520,5 1503,5 1533,5 11,0 19,0 19,0 9,5 19,0 38,5 24,0 24,5 22,5 19,0 16,0 47,0 14,5 11,5 59,0 30,0 51,5 35,0 189,5 190,5 193,5 185,5 287,5 280,5 279,0 285,0 585,0 625,5 659,5 633,5 650,5 1400,5 1421,5 1490,5 1452,0 1498,5 211,5 228,5 231,5 204,5 325,5 357,5 327,0 334,0 630,0 663,5 691,5 727,5 679,5 1423,5 1539,5 1550,5 1555,0 1568,5 (.*)  Wartoś ci  ś rednie  z  4  prób (• *)  Polowa  95%- owego  przedział u  ufnoś ci  wartoś ci WP Ł YW  CYKLICZ N YCH   Z M IAN   TEM PERATU RY 33 [ MPa] 200' T - . 77K T - 293K 1  fi m ś r-  '  Jej  95%'owy  przedziat ufnoś ci P mi r'fCN T ) ufnoś ci -  pojedynczych  spostrzeż eń R m .  oraz  ś redniej  O m i r 0  tOO 500  L iczba cykli  N T R ys.  5 1000 O  wpływie  cyklicznych  zmian  temperatury  na wytrzymał ość  badanych  próbek  poł ą - czeń  spawanych  wnioskowano  na podstawie  analizy  wariancyjnej  odpowiednich  grup ś rednich  (test F  do  porównywania  kilku  ś rednich  [13]). Analiza  ta w przypadku  miedzi • wykazała  brak  statystycznie  istotnych  róż nic  mię dzy  ś rednimi  wartoś ciami  R mir   wyzna- czonymi  po N T   =  0,  100, 500 i  1000  cykli  zmian temperatury —  w  obydwu temperatu- rach  próby  rozcią gania.  Wobec  tego  dokonano ł ą cznego  oszacowania  ś redniej  wartoś ci wytrzymał oś ci  R mirp   oraz  95% przedział ów  ufnoś ci  wartoś ci  ś redniej  i  pojedynczych wyników  prób.  Wartoś ci  ś rednie  są   równe  (rys.  5): —  dla temperatury 293K — R mSrp   =  204,5 +  6,0  M P a —  dla temperatury  77K — R mirp   =  309,5 ±  9,0  M Pa. 'W przypadku próbek poł ą czeń  spawanych  ze stali  podobna analiza wykazał a  statystycznie istotne  róż nice w  rozpatrywanych  grupach  ś rednich  wyznaczonych  po N r   =  0,  10,  100, 500 i  1000  cykli  termicznych. N a podstawie  dalszej  analizy  statystycznej,  w  której  stoso- wano  zmodyfikowany  test  rozstę pu  D uncana  [14],  stwierdzono  brak  statystycznie  istot- nych  róż nic  mię dzy  wartoś ciami  R mir   wyznaczonymi  po N r   =  100, 500 i  1000 cyklach .termicznych  (po  oszacowaniu  ł ą cznym Rf^   =  673,5  ± 11,5  M P a i  i?„Irp  =   1519,0 + ± 16, 5  MPa)  oraz  istnienie  tych  róż nic  mię dzy  wartoś ciami  R mirp   a  wartoś ciami  R mir - wyznaczonymi  po N T   =  0  i  10 cykli  (rys.  6). Mech.  Toaret.  i  Stos.  1—2/86 34 W.  OŚ WIĘ CIMSKI,  B .  KUŹ NICKA,  J .  S ZPIL 5.2.  Wyniki  prób po zmę czeniu cieplno- mechanicznym.  Próbki  poł ą czeń  spawanych  miedzi M OB  i  stali  1H 18N 9T, po  przeniesieniu  okreś lonej  liczby  cykli  zmian  temperatury  i siły rozcią gają cej,  poddan o  próbie  rozcią gania  w  sposób  opisany  w  punkcie  5.1.  U zyskane wyniki,  p o  opracowaniu  statystycznym,  przedstawiono  w  tabeli  4. "msr \ MPa~] 1500 1400' 1300 1200 1100 1000 900 800 700 6Orf L Dmś r.  <  JeJ  9S%- ow pnediiat  ufnoś ci ,  « const  oraz 957.- towe p   przecfziaty  ufnoś ć / pojedynczych  spostrze- -  ż eń  R m .  oraz  R mir(> T- 293K 0  100 500 Rys.  6 Liczba  cykli  NT 1000 Analiza  statystyczna  tych wyników  (analogiczna jak  w  punkcie  5.1)  wykazał a  w  przy- padku  miedzi  brak  statystycznie  istotnych  róż nic  mię dzy  ś rednimi  wartoś ciami  R mi , próbek w  stanie wyjś ciowym, po N r  =   100 cykli  (czyste zmę czenie cieplne) oraz po N T M   — 100  cykli  (zmę czenie  cieplno- mechaniczne)  —  w  obydwu  temperaturach  próby  rozcią - gania,  natom iast  w  przypadku  stali  —  róż nice  statystycznie  istotne.  W  dalszej  analizie statystycznej  (test  rozstę pu  D uncana)  wyników uzyskanych  dla próbek  stalowych  stwier- dzono  istnienie  statystycznie  istotnych  róż nic  w  przypadku  każ dej  pary  z  wymienionych wyż ej  trzech  wartoś ci  R mir ,  w  temperaturach  293K  i  77K. WP Ł YW  CYKLICZN YCH  ZMIAN   TEMPERATURY 35 Tabela 4. Wytrzymał ość na rozcią ganie  próbek poł ą czeń spawanych po N T M  =   100 cykli  zmian  temperatury (zmę czenie  cieplno- mechaniczne) er ia ł m at § 1H 18 Tempera- tura próby T K 293 77 293 77 Liczba  cykli zmian temperatury N T M cykle 0 100 0 100 0 100 0 100 N aprę ż e- nie  roz- cią gają ce fmax Rmir  *> Rmś rtoia M Pa 0 74 0 74 0 123 0 123 200,5 201,5 306,5 311,0 607,5 704,0 1412,0 1553,0 11,0 15,0 19,0 19,0 22,5 21,0 11,5 20,0 189,5 186,5 287,5 292,0 585,0 683,0 1400,5 1533,0 211,5 216,5 325,5 330,0 630,0 725,0 1423,5 1573,0 (*)  Wartoś ci  ś redn ie  z  czterech  p r ó b (**)  P olowa 95%- owego  przedział u  ufnoś ci  wartoś ci 6.  Podsumowanie  wyników  badań  i  wnioski Analiza wyników  statycznej  próby rozcią gania wykazał a, że poddanie próbek  poł ą czeń spawanych  z  miedzi  MOB  dział aniu  cyklicznych  zmian  temperatury  (czyste  zmę czenie cieplne)  pomię dzy  293K  a  77K  w  zakresie  N T   =   0 - 1000  cykli,  nie  powoduje  istotnych zmian  ich  wytrzymał oś ci  R mś r   wyznaczonej  tak  w  temperaturze 293K  jak  i  77K.  Stwier- dzony  brak  zmiany  wytrzymał oś ci  potwierdził y  obserwacje  na  mikroskopie  ś wietlnym w których nie stwierdzono zmian w mikrostrukturze spoiny i  materiał u rodzimego. Badany w pracy  [1], w podobnych warunkach, drut z czystej  miedzi (w stanie  zrekrystalizowanym) wykazał   również  brak  wraż liwoś ci  na  dział anie cykli  termicznych.  Inny  wynik  uzyskano natomiast w pracy  [2],  w której  dla pł askich próbek z czystej  miedzi badanej w podobnych warunkach  stwierdzono  zmniejszenie  wartoś ci  R m   niemal  o 20%. W  przypadku  próbek  poł ą czeń spawanych  ze  stali  1H 18N 9T po  N T   — 10 cykli  zmian temperatury nastą pił  statystycznie istotny wzrost ich wytrzymał oś ci  R mlr   —  o  6,0%  i  4,8% odpowiednio  w  temperaturach 293K  i  77K.  Zwię kszenie  liczby  cykli  do N T   =   100  cykli spowodował o  dalszy  wzrost  wytrzymał oś ci  R mir   do  10,9%  i  7,6%  —  w  temperaturach 293K i 77K w stosunku do wartoś ci  R mir   próbek w  stanie wyjś ciowym.  D alsze  zwię kszenie liczby  cykli  do 7YT  =   500 i  1000 cykli  nie spowodował o już  istotnych zmian wytrzymał oś ci próbek w  stosunku  do wyznaczonej  po N T   =  100 cykli.  Wydaje  się , że  stwierdzone um oc- nienie  poł ą czeń spawanych  stali  1H18N 9T, objawiają ce  się   wzrostem  ich  wytrzymał oś ci, spowodowane  został o, jak  wykazał y  obserwacje  mikroskopowe  [12], zmianami w  m ikro- strukturze  stali,  polegają cymi  na  przemianie  martenzytycznej  i  powstawaniu  bliź niaków zarówno  w  spoinie jak  i  materiale rodzimym. W miarę  wzrostu  liczby  cykli  zmian tempe- 3 * 36 W .  OŚ WIĘ CIMSKI,  B .  KU Ź N ICKA,  J .  SZPIL ratury  zwię kszała  się   liczba  bliź niaków  oraz udział   obję toś ciowy  martenzytu  w  strukturze. W  dostę pnej  literaturze  nie  znaleziono  danych  dotyczą cych  czystego  zmę czenia  cieplnego stali  chromoniklowych. P oddan ie  próbek  poł ą czeń  spawanych  z  miedzi  MOB  stu  cyklom  zmian  temperatury (zmę czenie  cieplno- mechaniczne N T M   =   100  cykli)  wywołują cym  w nich współ fazowy  do zmian temperatury pulsują cy  cykl  naprę ż eń o wartoś ci ffmal( =   74 M Pa =   0,74 i?o?! K  =   0,6 - KoJlS  również  nie  wpł ywa  w  istotny  sposób  na  ich  wytrzymał ość  R m .  W  tym  przy- padku  nie  zaobserwowano  także  zmian  struktury  w  spoinie  i  materiale  rodzimym próbek,  dostrzegalnych,  na  mikroskopie  ś wietlnym.  N ależy  zauważ yć,  że  dotychczas nie  zajmowano  się   przypadkiem  zmę czenia  cieplno- mechanicznego  metali  czystych. 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 B00 TOO 600 500 r  -   295K ® ® © Rys.  7.  1- N T   =   0  cykli,  2—N T =  100  cykli,  3 —N T M   =   100  cykli Analogicznie  jak  w  przypadku  miedzi  badania  zmę czenia  cieplno- mechanicznego próbek  poł ą czeń  ze  stali  1H 18N 9T  (przy