Creep Behavior of High Temperature Cast Materials for Exhaust Applications

Abstract

Sammanfattning

Avhandlingen fokuserar på krypbeteende hos fyra gjutna material som används till avgasgrenrör i lastbilsmotorer. Dessa material inbegriper två ferritiska segjärn, betecknade SiMo51 och SiMo1000, ett austenitiskt segjärn, D5S, och ett austenitiskt gjutstål, HK30. Gjutjärnen är rika på kol och har en mikrostruktur som utöver matrisen består av grafitnoduler och olika utskiljningar, de senare huvudsakligen karbider och intermetalliska faser. Gjutstålet har ett lägre kolinnehåll och saknar därför grafitnoduler, men innehåller andra utskiljningar. Under drift cyklas avgasgrenrören termiskt upp till 800 °C i ett låst tillstånd, eller mer specifikt fastskruvade till motorblocket. Lastfallet och miljön ger upphov till krypdeformation, utmattning, oxidation och andra förändringar i mikrostrukturen. Generellt sett har utvecklingen mot mer miljövänliga lastbilsmotorer lett till högre avgastemperaturer vilket i sin tur innebär högre krav på materialen.

Det huvudsakliga målet med studien var att utreda krypbeteende och relaterade fenomen hos de inkluderade materialen (se ovan). Ett sekundärt mål var även att jämföra resultat från tre olika typer av kryptester: i) SRTC (stress relaxations with thermal cycling) är ett sätt att framkalla spänningsrelaxationer i materialet genom att cykla det termiskt i ett låst tillstånd, ii) STT (sequential tensile test) är ett dragprov vid konstant temperatur under vilket töjningshastigheten ändras vid givna töjningsnivåer, iii) CL (constant-load creep test) är den traditionella krypprovningsmetoden, som innebär konstant last och temperatur. SRTC och STT är avsedda som snabba och billiga krypprovningsmetoder medan CL-metoden generellt betraktas som långsam och dyr. Resultat från de tre metoderna jämfördes regelmässigt i s.k Norton plots, det vill säga logaritmiska krypdiagram med spänning och töjningshastighet.

Resultat från i) SRTC (i kompression) och ii) STT (i drag) överensstämde generellt mycket väl vilket indikerar att krypning i materialen inte beror av lastriktning. Utöver detta var töjningshastigheten som registrerades i SRTC-testerna konstant med antalet cykler. Båda dessa upptäckter underlättar modellering av cyklisk krypning i materialen, ett ämne som dock inte ingick i avhandlingen. Det finns diskrepanser mellan den krypdata som erhölls med CL-metoden och den som erhölls med de snabbare metoderna (STT och SRTC). Dessa kunde inte fullt ut förklaras, men olika alternativ diskuterades. Hursomhelst är det givet att den tidsberoende krypskada som utvecklas under ett långsamt krypprov (CL) inte kan uppstå efter snabba spänningsrelaxationer eller dragprov.

De mikrostrukturella förändringar som skedde under krypning dokumenterades genom LOM-, SEM- och EBSD-mikroskopi, med flera olika tekniker för preparering och etsning.

I CL-provning vid 700 °C uppvisade SiMo51 primärkryp som mer eller mindre direkt följdes av tertiärkryp. Tertiärkrypet var i sin tur uppdelat i två subregimer, av vilka den första assoceriades med skada från kaviteter runt grafitnoduler och runt korngränser/karbider, och den andra med större sprickor mellan grafitnodulerna. Den oxidation som skedde under krypning var påtaglig, men inte tillräcklig för att förklara uppdelningen i två tertiärkrypregimer. Oxidationen på provytan och runt nodulerna studerades explicit. Oxiden som helhet bestod av flera individuella lager som kunde identiferas genom att kombinera EDX-data och termodynamiska beräkningar.

Både D5S och HK30 CL-testades vid 750 °C för att reflektera en högre driftstemperatur hos dessa material jämfört med SiMo51. Efter långvarig krypexponering uppvisade HK30 typiska krypkaviteter vid korngränserna, utskiljning av sigma-fas och G-fas, små oxidinträgningar och ett tunt rekristalliserat lager på provytan. D5S å sin sida uppvisade olika typer av kaviteter/porer runt grafitnodulerna, liknande den skada som noterades för SiMo51 vid 700 °C. Brottmekanismen bestod av skjuvsprickor som propagerade mellan grafitnodulerna. Olika utskiljningar bildades under krypexponeringen.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-286090