ZKOUŠENÍ POMOCÍ MALÝCH VZORKŮ VE FYZIKÁLNÍ METALURGII

Transkript

1 ZKOUŠENÍ POMOCÍ MALÝCH VZORKŮ VE FYZIKÁLNÍ METALURGII Jaroslav Purmenský, Karel Matocha VÍTKOVICE Výzkum a vývoj, spol. s r. o., Ostrava Abstract Present paper brings some informations about small Bulge (Punch) and Shear penetrating tests and their application in testing of some mechanical properties of high energy equipments. The possibility to use these test techniques for determination of the main tensile, fracture or creep data at lower, room and elevated temperatures (YS, UTS, FATT, fracture toughness and creep properties) has been demonstrated. The new sampling method removing a small amount of material from equipment surface connected with the small penetrating tests are very suitable to obtain serious informations about material degradation of determined power plant component and their remaining life assessment. 1. ÚVOD Seriózní odhady zbytkové životnosti strojních zařízení a konstrukcí jsou v současné době nemyslitelné bez znalostí stavu, resp. stupně degradace použitých konstrukčních materiálů vlivem dlouhodobé expozice. Původní metody ověření komplexu materiálových vlastností, spočívající v odběru potřebného množství materiálu, vedou vlivem desintegrace součásti k časově náročným odstávkám a následným opravám, což představuje ve většině případů významné ekonomické ztráty. Tyto negativní vlivy je možno do značné míry eliminovat metodou tzv. "bezdeformačního" odběru referenčního materiálu a následnými zkouškami vlastností pomocí penetračních testů, resp. testů malých vzorků. 2. ODBĚR ZKUŠEBNÍHO MATERIÁLU Tradiční odběr zkušebního materiálu u provozovaných zařízení představuje vedle nezbytných odstávek rovněž nevhodný zásah do celistvosti hodnocené součásti, ať už se jedná o odběr strojním obráběním, tepelným dělením nebo dalšími způsoby. Uvedené destruktivní metody vyžadují následující opravu odebraného místa, většinou zavařením, včetně tepelného ošetření a řady nedestruktivních kontrol. Nezřídka se toto místo, které prodělalo řadu teplotních cyklů při svařování, stává zdrojem dalších potíží včetně možnosti vzniku trhlin při dalším provozu. Tyto zřejmé nevýhody odstraňuje nový způsob povrchového odběru materiálu tzv. SSam systém (Small Sampling Method), který bez ovlivnění testované součásti i odebraného vzorku odebírá materiál do hloubky cca 0,5 až 4 mm prakticky bez vrubového účinku[3, 6, 7]. Princip odběru, který je schématicky znázorněn na obr. 1a) a 1b) zahrnuje odbroušení mezivrstvy mezi vzorkem a součástí pomocí rotujícího nástroje tvaru kloboučku o tloušťce cca 0,5 mm a průměru okolo 50 mm. Pomocí jednoduchého pákového mechanismu je brusný klobouček, pokrytý na lemu diamantovou drtí, posunován velmi pomalou rychlostí do záběru. Celý proces odběru, trvající asi 2-3 hodiny, umožní získání vzorku ve tvaru kulového vrchlíku o poloměru cca 25 mm a rovinné ploše asi 3 cm 2. Absence tepelného a deformačního ovlivnění u odebraného vzorku i testované součásti je zajištěna vysokou obvodovou rychlostí odbrušovacího nástroje a pomalým posuvem do záběru za současného intenzivního chlazení chladicí kapalinou. Odebraný vzorek umožňuje - 1 -

2 vedle běžné chemické, metalografické, případně elektronomikroskopické analýzy provést přípravu j e d n o d u ch ý ch zkušebních tělísek pro ověření základních mechanických vlastností i dalších speciálních modifikovaných testů, např. odolnosti proti křehkému porušení, lomové houževnatosti nebo zkoušek tečení. Zařízení SSam umožňuje provádět odběry jak na vnějším povrchu testovaných dílů, tak v jejich dutinách (tlakové nádoby, parovodní potrubí, skříně a rotory turbín atd.). Praktický příklad odběru vzorku z povrchu trubky 800 x 100 mm pomocí zařízení SSam uvádí obr. 2. Zvlášť vhodné je použití odběru u svarových spojů, např. v oblasti převýšení svarové housenky, pochopitelně za úzké součinnosti konstruktéra, resp. výpočtáře při determinaci odběrového místa. 3. METODY TESTOVÁNÍ MALÝCH VZORKŮ PRO OVĚŘENÍ MECHANICKÝCH VLASTNOSTÍ Oprávněná snaha o zjednodušení a zlevnění zkušebních operací vedla v 80. letech k poměrně úspěšnému zmenšování klasických typů zkušebních těles, nicméně s určitým rizikem ztráty přesnosti a reprodukovatelnosti. Současně byly vyvíjeny metody a postupy nahrazující běžně zavedené testy. Jedním z úspěšných řešení je použití tzv. penetračních testů malých tělísek tvaru disku. Díky vysoké přesnosti současných trhacích strojů, řízení zkušebního procesu počítači a výstupu ve formě digitálního záznamu na jedné straně a znalostem vlivu konstrukčních faktorů a zkušebních podmínek na druhé straně, zajišťují současné penetrační testy malých vzorků vysokou úroveň přesnosti a reprodukovatelnosti výsledků srovnatelných s běžnými zkouškami mechanických vlastností [1, 2, 6]. Jejich princip spočívá v průniku zvláštního razníku přes plochý vzorek tvaru disku nebo ploché - 2 -

3 destičky, který je uchycen mezi horním přidržovačem a dolní matricí. Podle tvaru aktivní části razníků rozlišujeme dva typy penetračního testu. Při protlačování kuličky, resp. razníku s hemisférickou plochou se jedná o kuličkový test nebo o střihový test v případě ostrohranného válcového razníku. Jednou z alternativ kuličkové zkoušky je tzv. ohybový test, kdy je vzorek pouze podložen matricí a razník je ve tvaru kužele [1, 4]. Schematické uspořádání kuličkového testu je znázorněno na obr. 3. Při použití poměrně jednoduchého zařízení je možno za registrace zatěžovací síly a délkových změn při penetraci vzorku získat spolehlivé údaje vlastností, dané při běžné zkoušce v tahu (zatížení na mezi kluzu, zatížení na mezi pevnosti s odpovídající deformací). Z podrobného studia, které provedli MANAHAN a kol. [4] vyplývá, že u obou testů je záznam výše uvedené závislosti na počátku testu lineární a odpovídá Hookovu zákonu. V okamžiku ztráty linearity, která je u kuličkového testu pro stejnou tloušťku vzorku i stejný průměr razníku pozorována při nižších hodnotách než u střihové zkoušky, se v obou případech předpokládá dosažení napětí blízkého mezi kluzu v testovaném materiálu. U střihového testu dále následuje plastická deformace vzorku převážně střihovým mechanismem až k maximálnímu napětí, které je indikováno maximem v záznamu zatížení - deformace. V případě kuličkového testu je po dosažení meze kluzu indikován pokles zatížení, který je vysvětlován tzv. membránovým efektem při průběžné změně úhlu styku penetrující kuličky s deformovaným vzorkem. Po docílení úhlu cca 30 o (u ocelí s mezí pevnosti až do 700 MPa) dochází dále k parabolickému zpevnění až k maximálnímu zatížení, jako v případě střihového testu. V obou případech je při maximálním zatížení iniciována trhlina v deformovaném vzorku, jejíž další šíření vede k poklesu zatížení ve výše uvedených diagramech. Příklady záznamu průběhu zatěžovací síly a průhybu deformovaného vzorku u kuličkové a střihové penetrační zkoušky z nízkolegované CrMoV žárupevné oceli uvádí obr. 4 a 5. Na obr. 6 je uvedena postupující deformace zkušebního tělíska u přerušovaného testu s nárůstem zatěžovací síly až ke konečnému lomovému stadiu

4 - 4 -

5 4. PRAKTICKÉ VYUŽITÍ ZKOUŠEK MALÝCH VZORKŮ 4.1 Příprava zkušebních tělísek Na základě původního studia obou penetračních testů na Universitě College ve Swansea [2] byly ve VÍTKOVICE Výzkum a vývoj, spol. s r. o., Ostrava dále rozvinuty a v krátké době do praktického použití zavedeny metody zkoušení základních mechanických vlastností materiálů pomocí malých vzorků. Podrobné studium provedené na našem pracovišti se zaměřilo zejména na přípravu zkušebního tělíska (paralelita zkušebních ploch, kvalita jejich povrchu, tloušťka vzorku). Za neméně významné se ukázalo zjištění vlivu podmínek zkoušení na získání vysoké přesnosti a reprodukovatelnosti výsledků (rychlost zatěžování, vliv mazadel, poměry penetrujícího nástroje a matrice, zaoblení hran zkušebního přípravku atd.). V současné době zavedený způsob zkoušení používá vzorků tvaru disku o průměru 8 mm a tloušťce 0,5 ± 0,005 mm zajištěný přesným metalografickým dobrušováním. Uvedený typ vzorku je originálním způsobem vyroben z původního vzorku materiálu tvaru vrchlíku, který je u testované součásti odebrán zařízením SSam 2 (viz obr. 1 a 2). Z pohledu získání co největšího množství informací o stupni degradace materiálů provozovaných zařízení jsme původní testy mechanických vlastností malých vzorků rozšířili i do dalších fyzikálně-metalurgických oblastí. Použitím jednoduchých přídavných zařízení umožňujících změnu teplotních, resp. deformačních podmínek, lze pomocí malých vzorků ověřovat pevnostní vlastnosti jak za vyšších teplot (do cca 650 C), tak při snížených teplotách (až do 196 C). Jako původní je možno označit současné práce zaměřené na stanovení odolnosti proti křehkému porušení, únavových a creepových charakteristik. Následující přehled uvádí úroveň současných znalostí o využití miniaturizovaných testů - 5 -

6 malých vzorků k získání komplexu užitných vlastností nezbytných zejména k serióznímu stanovení další možné provozní expozice, resp. výpočtu zbytkové životnosti. 4.2 Stanovení mechanických vlastností Určení zatěžovacích sil u základních pevnostních charakteristik je zřejmé z diagramů na obr. 4 a 5. I když výpočet konkrétních hodnot meze kluzu, resp. meze pevnosti z výše uvedených údajů penetračních testů představuje u obou způsobů zkoušení zdánlivě jednoduché vztahy [1, 3 až 5], jsou některé parametry výpočtu (obalovací úhel u kuličkového testu, frikční síla u střihového testu) možným zdrojem nepřesností a zvětšeného rozptylu. Z tohoto důvodu je upřednostňována metoda korelačních závislostí mezi hodnotami pevnostních vlastností získaných pomocí klasických tahových zkoušek a hodnotami zatěžovacích sil z penetračních diagramů. Uvedené závislosti stanovené pro konkrétní zkušební zařízení představují pro stejné tloušťky vzorků sérii přímek, které jsou nezávislé na typu a struktuře, resp. pevnostním stavu testované oceli nebo slitiny [1, 2, 5]. V současné době byly tyto závislosti na našem pracovišti stanoveny u rozsáhlého souboru 14 druhů ocelí s rozsahy meze kluzu 235 až 1523 MPa a meze pevnosti od 402 do 1703 MPa. Příklady korelace obou pevnostních charakteristik umožňující jejich jednoduché stanovení pomocí kuličkového testu uvádí obr. 7 a

7 V diagramech je patrný relativně velmi malý rozptyl výsledků okolo vypočtených přímkových závislostí pro použitou konstantní tloušťku vzorku t = 0,5 ± 0,005 mm přes značnou různorodost použitých materiálů. 4.3 Stanovení odolnosti proti křehkému porušení Za zcela originální je možno označit způsob získání velmi žádaných údajů odolnosti materiálu proti křehkému porušení ať už při srovnání testu malých vzorků s klasickými testy vrubové houževnatosti nebo stanovením hodnot lomové houževnatosti. V prvém případě se jedná o využití tzv. lomové energie pomocí plochy pod penetrační křivkou v závislosti na teplotě zkoušení, ve druhém případě jde o korelaci standardní lomové houževnatosti s ekvivalentní lomovou deformací penetrovaného vzorku. Příklady změn energie porušení s teplotou penetrovaného kuličkového testu pro ocel A533B cl.1 uvádí obr. 9. Na obr. 10 je uvedena korelace mezi teplotou křehkého porušení (FATT) získanou klasickými testy vrubové houževnatosti a tranzitní teplotou přechodu křehký - houževnatý stav, která byla stanovena kuličkovou penetrační zkouškou [10]. Závislost lomové houževnatosti K JC na ekvivalentní lomové deformaci malého vzorku pro ocel St 52-3 v rozmezí teplot 120 až 60ºC uvádí obr. 11. Ekvivalentní lomová deformace je v tomto případě definována jako přirozený logaritmus podílu výchozí tloušťky vzorku t o a nejmenší tloušťky deformovaného tělíska v místě trhliny t r [12]. 4.4 Stanovení únavových charakteristik Ukončen byl rovněž vývoj využití malých vzorků pro stanovení únavových křivek životnosti a meze únavy v oblasti vysokocyklové únavy a pro hodnocení odolnosti vůči šíření únavových trhlin. Pro tyto účely byl navržen tvar zkušebního tělesa (viz obr. 12) a speciální hydraulické upínací čelisti pro upnutí do servohydraulického zkušebního stroje. Ze vzorku - 7 -

8 materiálu odebraného pomocí zařízení SSam-2 lze vyrobit jedno zkušební těleso pro únavové zkoušky

9 Na obr. 13 je znázorněna závislost amplitudy napětí při asymetrii cyklu R = -1 na počtu cyklů do porušení, stanovená na malých vzorcích vyrobených z oceli Získaná závislost je porovnána se závislostí získanou na standardních zkušebních tělesech pro stanovení vlivu velikosti a tvaru zkušebního tělesa [12]

10 4.5 Creepové charakteristiky malých vzorků Jedny z nezbytných údajů pro výpočet zbytkové životnosti energetických zařízení pracujících za vysokých pracovních teplot jsou hodnoty charakterizující odolnost daného materiálu proti tečení. K jejich stanovení byl vyvinut speciální creepový stroj s ochrannou atmosférou umožňující dlouhodobé penetrační zkoušky za vysokých teplot. Použití zkušebního zařízení z tepelně odolné Ni slitiny a miniaturizovaného zatěžovacího systému umožňuje stanovit cenné údaje tzv. creepových charakteristik. Vedle stanovení doby do lomu a celkové deformace umožňuje získaný průběh creepové křivky určit rovněž rychlost sekundárního tečení zkoušeného materiálu jako základního parametru k výpočtům dlouhodobé odolnosti proti tečení. Praktický příklad křivek tečení získaných u zkušebních kuličkových testů malých vzorků z CrMoV žárupevné oceli při teplotách 500 a 600 o C přináší obr. 14 [8, 11]

11 Výše uvedené příklady ukazují na současný stav vývoje a zejména možnosti praktického použití malých penetračních testů. Je pochopitelné, že získání komplexu informací o stupni degradace struktury a vlastností exponovaných materiálů bez nutnosti desintegrace provozovaného dílu dovolí provádět kvalifikované odhady jejich stavu, resp. další provozuschopnosti s výraznými ekonomickými efekty. Pozornost je v tomto případě zejména soustředěna na oblast svarových spojů, které v řadě případů představují kritické místo konstrukce, resp. strojní součásti. Jednoznačné přednosti kombinovaných metod odběru a testování vlastností pomocí malých vzorků se odrazily již ve zvýšeném zájmu jak výrobců, ale zejména provozovatelů ocelových konstrukcí i tlakových systémů a součástí energetických a chemických zařízení. Dokladem je provedení řady materiálových expertíz a stanovení užitných vlastností u některých zařízení u nás i v zahraničí, které uvádí referenční list v tab ZÁVĚR Předložený článek uvádí některé základní aspekty a možnosti využití nových metod nedestruktivního odběru referenčního vzorku materiálu a následné materiálové expertízy ke stanovení komplexu jeho užitných vlastností. Vedle běžné chemické analýzy a metalografického rozboru, případně fázové strukturní analýzy lze pomocí testu malých vzorků stanovit na relativně malém množství materiálu důležité informace o pevnostních a plastických vlastnostech, podobně jako jeho chování za normálních, snížených i vysokých teplot. I když využití obou metod je možné již při stanovení mezioperačních stavů nebo konečných vlastností výrobků v praktické výrobě, hlavní efekty lze jednoznačně očekávat při ověřování úrovně poškození kovových materiálů již provozovaných v praktické službě a při odhadu jejich dalšího bezpečného provozu. Jedná se zejména o zařízení vysoké ceny i strategického významu - jako jsou součásti a uzly tepelné, jaderné i vodní energetiky, chemického strojírenství, obranného průmyslu, podobně jako jejich stavební, dopravní a jiné ocelové konstrukce. Nedestruktivní odběr referenčních vzorků bez nezbytných odstávek a oprav spolu se získáním seriózních informací pomocí testů malých vzorků představuje kvalitativně nový přístup vědeckého a ekonomického hodnocení degradace materiálu a jeho zbytkové životnosti v praktické službě

12 - 12 -

13 LITERATURA [1]LUCAS, G.E.:"Review of Small Specimen Test Techniques for Irradiation Testing" Met. Trans., Vol. 21A,May 1990, s [2]PURMENSKÝ, J.: "Rewiew of Small Punch Techniques (Bend Test,Bulge Test and Shear Punch Test)". Studie Materials Dep.of University College,Swansea,May 1991 [3]PARKER, J.D., PURMENSKÝ, J.: Assessement of performance by monitoring in service changes in material properties. Proc. Reliability and Structural Integrity of Advanced Materials - Ninth European Conference on Fracture, Varna, Sept [4]MANAHAN, M.P., BROWNING, A.E., ARGON, A.S., HARLING, O.K.: Miniaturized Disk BendTest, Technique Development and Application. Proc. The Use of Small Scale Specimens for Testing Irradiated Materials, ASTM, STP 888, Ed. W. R.Corwin and G. E. Lucas, Philadelphia 1986, s.77 [5]OKADA, A., YOSHIE, Y., KOJIMA, S., ABE, K., KIRITANI, M.: The correlation amonga variety of miniaturized mechanical tests and their application to D-T neutron irradiated metals. Journal of Nuclear Materials, Vol (1985), s.321 [6]PURMENSKÝ, J., KUPKA, V.: Hutnické listy 7-8, 1993, s.65 [7]BISBEE, L.H., MERCALDI, D.W. and PARKER, J.D.: SSam - a system for nondestructive materials sampling, Proc. COMADEM 91, Ed.Raj B.K.N. Rao and A.D.Hope, IOP Publishing,U.K.1991 [8]PURMENSKÝ, J., WOZNIAK, J.: Small Samples Method Application for the Evalution of Mechanical Properties at Elevated Temperatures. Proc. IX. Int. Symposium CREEP 1996", Belaria, Czech Rep. Sept. 1996, s. 142 [9]KARÁSEK, J.: Hodnocení materiálových vlastností metodou malých vzorků. Zpráva divize Výzkum a vývoj, a.s. VÍTKOVICE, Ostrava, listopad 1999 [10]PURMENSKÝ, J., FOLDYNA,V., SOJKA, J., KARÁSEK, J.: Small Sample Testing Methods for Conditional Assessment of High Energy Equipments, Int. Conf. Compass 1999", Ed.W.J.Evans; A.W.Evans; M.R.Bache, Swansea U.K. March - April 1999, s. 227 [11]PURMENSKÝ, J.: Nová metoda diagnostiky životnosti materiálu energetických zařízení. Sborník referátů mezinárodního semináře Efektivní energetika, Lendorf, , s. 85. [12]MATOCHA, K., PURMENSKÝ, J., KARÁSEK, J., KANDER, L.: VÍTKOVICE, a.s. Výzkum a vývoj a jeho přínos k diagnostice ocelových konstrukcí. Sborník přednášek II. Ostravské konference ocelových konstrukcí, VTS VÍTKOVICE, Čas. Ocelové konstrukce, Ostrava, květen 2000, s