Mechanical properties of Fe-3Mn-0.8C sintered steel based on sponge and atomised iron powders; Comparison and probabilistic failure prediction

• Autorzy: Faryj K. , Ciaś A.

Warianty tytułu

PL

Własności mechaniczne spiekanych stali manganowych Fe-3Mn-0.8C wykonanych na bazie gąbczastego i rozpylanego proszku żelaza porównanie i probabilistyczna analiza zniszczenia

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper presents a systematic approach to study the effect of manufacturing variables on the mechanical properties of sintered Fe-3Mn-0.8C steel. Tensile and 3 point bending tests have been performed on specimens madę of three different iron powders with variations of sintering conditions. Ferro-manganese and graphite powders were admixed to Hoganas sponge, NC100 24, and water atomised, ABC 100.30 and ASC 100.29, iron powders - to produce three variants of Fe-3Mn-0.8C mixtures. The powders were pressed into specimens at 660 MPa, sintered in semi-closed containers for 1 h in dry nitrogen or hydrogen at 1120 or 1250°C, and cooled at 64°C/min. Green and sintered densities were expectedly highest for ABC 100.30 powder at ~7.1 g/cm3. They were >0.2 g/cm3 higher than for the sponge powder based specimens. Similarly, Young's modulus in the former materiał attained ~130 GPa, being ~117 GPa in the latter. Yield strengths were higher for the atomised powder based alloys and for 1250°C and nitrogen sintering. Tensile and bend strengths were somewhat higher for specimens sintered in nitrogen and, generally by ~10%, higher for specimens pressed from sponge iron powder, resulting in ~730 MPa tensile strength for sintering in nitrogen at 1250°C. The strongest ABC 100.30 powder based specimens attained tensile strength ~650 MPa. The higher plasticity of the sponge powder based steel and hence strengths are associated with the increased surface area available to the Mn vapour for alloying. This ensures also cleaner, morę cohesive prior powder particie boundaries, the favoured microcracking paths. The study of fracture stress is based on a statistical strength theory suggested by Weibull. lt enables fracture probability to be calculated as a function of applied stress. The paper shows that Weibull distribution is morę applicable to the strength evaluation and failure statistics of PM steels than the morę commonly used normal distribution.

PL

W artykule zaprezentowano systematyczne badania wpływu warunków wytwarzania na własności mechaniczne spiekanych stali Fe-3%Mn-0,8%C. Badania wytrzymałości na rozciąganie i zginanie trójpunktowe przeprowadzono przy użyciu próbek spiekanych w różnych warunkach, wykonanych z trzech różnych proszków żelaza. W celu otrzymania próbek Fe-3%Mn-0,8%C, do redukowanego, gąbczastego proszku żelaza gatunku Hoganas NC 100.24, oraz do rozpylanych proszków żelaza gatunków Hoganas ABC 100.30 i ASC 100.29, wprowadzono mangan w ilości 3%, w postaci proszku żelazomanganu niskowęglowego, oraz grafit w ilości 0,8%. Z proszków sprasowano pod ciśnieniem 660 MPa próbki, które poddano następnie spiekaniu w półhermetycznym pojemniku, w czasie 1 h, w suchym azocie lub wodorze, w temperaturze 1120 lub 1250°C; próbki chłodzono z prędkością 64<,C/min. Zgodnie z oczekiwaniami, gęstość tak wyprasek, jak i spiekanych stali była najwyższa w przypadku próbek wytworzonych z proszku ABC 100.30 i wynosiła ~7.1 g/cm3. Była ona o ponad 0,2 g/cm3 wyższa, niż gęstość spieków wykonanych z proszku gąbczastego. Podobnie moduł Younga, który osiągał w przypadku pierwszej stali ~130 GPa, podczas gdy w przypadku drugiej ~117GPa. Wartości umownej granicy plastyczności były wyższe w przypadku spieków otrzymanych z rozpylanego proszku żelaza - oraz dla próbek spieczonych w azocie - i próbek spieczonych w temperaturze 1250°C. Wytrzymałość na rozciąganie i zginanie trójpunktowe próbek spieczonych w azocie była wyższa, średnio o ~10%, niż próbek otrzymanych z gąbczastego proszku żelaza, osiągając ~730 MPa w przypadku wytrzymałości na rozciąganie próbek spieczonych w azocie, w temperaturze 1250°C, podczas gdy najmocniejsze próbki wykonane z proszku ABC 100.30 osiągały ~650 MPa. Wyższa plastyczność stali wykonanej z proszku gąbczastego i wyższe jej wytrzymałości związana jest z powiększoną, dostępną dla par manganu, powierzchnią cząstek proszku, co ułatwia wnikanie do nich tego pierwiastka stopowego. Zapewnia to także czyste, bardziej spoiste pierwotne granice cząstek proszku, będące zazwyczaj uprzywilejowanymi ścieżkami mikropęknięć. Badania wytrzymałości oparto na teorii statystycznej zaproponowanej przez Weibulla. Umożliwia ona obliczenie prawdopodobieństwa powstania przełomu w funkcji występującego naprężenia. W artykule wykazano, że do szacowania wytrzymałości stali wytworzonych techniką metalurgii proszków - i do statystycznego opisu tej wytrzymałości -rozkład Weibulla jest bardziej odpowiedni niż, stosowany powszechnie, rozkład normalny.

Słowa kluczowe

EN

fracture probability; sintered steels; strength; Weibull analysis

PL

stale spiekane; pęknięcie; wytrzymałość; analiza Weibulla

• Wydawca: Institute of Metallurgy and Materials Science of Polish Academy of Sciences ; Committee of Materials Engineering and Metallurgy of Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Metallurgy and Materials
• Rocznik: 2008
• Tom: Vol. 53, iss. 3
• Strony: 817--826
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Faryj K.

autor

Ciaś A.

• AGH University of Science and Technology, 30-059 Kraków, 30 Mickiewicza Av.

Bibliografia

• [1] A. Salak, Ferrous Powder Metallurgy. Ed. Cambridge International Science Pub. (1995).
• [2] M. Sułowski, A. Ciaś, Inżynieria Materiałowa 4, 1179-1183(1998).
• [3] A. Ciaś, Development and Properties of Fe-Mn-(Mo)-(Cr)-C steels. Ed. Uczelniane Wydawnictwo AGH, Kraków (2004).
• [4] A. Ciaś, S. C. Mitchell, A. Watts, A. S. Wroński, Powder Met. 42, 227-233 (1999).
• [5] A. Ciaś, S. C. Mitchell, K. Pilch, H. Ciaś, M. Sułowski, A. S. Wroński, Powder Metallurgy 46, 165-170(2003).
• [6] S. C. Mitchell, A. Ciaś, Powder Metallurgy Progress 4,132-142 (2004).
• [7] A. Ciaś, S. C. Mitchell, Powder Metallurgy Progress 5, no. 2, p. 82-91 (2005).
• [8] A. Ciaś, A. S. Wroński, Powder Metallurgy Progress 7,139-149 (2007).
• [9] J. W. Newkirk, S. Thakur, Powder Met. 45, p. 354-358 (2002).
• [10] A. S. Wroński, A. Ciaś, Powder Metallurgy Progress 3, 119-127(2003).
• [11] A. S. Wronski, A. Ciaś, PM 2004 World Congress & Exhibition, Vienna 17-21 October 3, 1-6 (2004).
• [12] S. S. Shapiro, W. B. Wilk, H. Chen, Journal of the American Statistics Association 63, 1343-1354 (1968).
• [13] McGraw-Hill Dictionary of Scientific and Technical Terms, 6th edition, McGraw-Hill (2003).