Síla [N] 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Posunutí razníku [mm]

Transkript

1 zkušebnictví, měřictví, laboratorní metody Testování provozovaných svarových spojů ocelových konstrukcí Testing of the Exploited Weld Joints of Steel Structures Doc. Ing. Karel Matocha, CSc., MATERIÁLOVÝ A METALURGICKÝ VÝZKUM s.r.o., Ostrava-Vítkovice, Prof. Ing. Jaroslav Purmenský, DrSc., Rybí 155 Mechanické vlastnosti jednotlivých oblastí svarového spoje (základní materiál, svarový kov, tepelně ovlivněná oblast (TOO)) se mezi sebou mohou významně lišit. Zatímco mechanické vlastnosti svarového kovu a základního materiálu je možno většinou stanovit pomocí standardizovaných postupů, je téměř nemožné použít tyto postupy pro stanovení mechanických vlastností TOO. Pevnostní, křehkolomové charakteristiky jednotlivých oblastí svarových spojů je v současné době možno stanovit pomocí penetračních testů. Tato metoda umožňuje spolehlivější způsob stanovení materiálových vlastností jednotlivých částí TOO v porovnání s nepřímými metodami, které jsou založeny na simulaci pomocí tepelného zpracování. V předloženém příspěvku je uvedeno praktické použití penetračních testů pro hodnocení meze kluzu a meze pevnosti základního materiálu, svarového kovu a TOO svarového spoje plechu o tloušťce 80 mm z oceli GS13MnNi6,4. Mechanical properties of individual regions of weldment (parent material, weld metal, heat-affected zone (HAZ)) can be significantly different. While the mechanical properties of weld metal and parent material can be determined by standardized test procedures, it is almost impossible to use these methods for determination of mechanical properties of HAZ. At present tensile properties and fracture behaviour of individual regions of weldments can be determined by means of penetration tests. This method enables more reliable way of evaluation of mechanical properties of individual regions of HAZ in comparison with indirect methods based on simulation by means of heat treatment. The present paper shows the practical application of penetration tests for evaluation of tensile properties of parent material, weld metal and HAZ of GS13MnNi6.4 steel weldment 80 mm in thickness. Tensile properties of parent material and weld metal were determined using both the standardized test procedure and penetration tests using disc test specimens 8 mm in diameter and 0.5 mm in thickness. Very good conformity was found between tensile properties determined by both methods. Tensile properties of fine grained region of HAZ, determined by means of penetration tests, were found significantly higher in comparison with tensile properties of parent material and weld metal. 1. Úvod Mechanické vlastnosti jednotlivých oblastí svarového spoje (základní materiál, svarový kov, tepelně ovlivněná oblast (TOO)) se mezi sebou mohou významně lišit. Významně odlišné mechanické vlastnosti pak lze očekávat především mezi jednotlivými oblastmi TOO svarového spoje, která je tvořena oblastí hrubozrnné a jemnozrnné mikrostruktury a oblastí interkriticky žíhaného základního materiálu [1,2] (viz obr.1). Zatímco mechanické vlastnosti svarového kovu a základního materiálu je možno většinou stanovit pomocí standardizovaných postupů, je téměř nemožné použít tyto postupy pro stanovení mechanických vlastností jednotlivých oblastí TOO, nebo jednotlivých oblastí svarových spojů prováděných elektronovým či laserovým paprskem. V těchto případech je hodnocení mechanických vlastností více méně omezeno na měření mikrotvrdosti. Tato měření poskytují představu pouze o pevnostních vlastnostech jednotlivých oblastí TOO resp. 51

2 svarového spoje, neposkytují však žádnou informaci o lomovém chování těchto oblastí. Pevnostní, plastické a křehkolomové charakteristiky jednotlivých oblastí reálných svarových spojů je v současné době možno stanovit pomocí tzv. penetračních testů [2,3,4]. Tato metoda umožňuje především spolehlivější způsob stanovení materiálových vlastností jednotlivých částí TOO v porovnání s nepřímými metodami, které jsou založeny na simulaci pomocí tepelného zpracování. Obr zkušební těleso tvaru disku, 2-razník, 3-spodní opěrná matrice, 4-horní přítlačná matrice, 5- snímač posunutí (převzato z [3]) Fig disc-shaped test specimen, 2 punch, 3 receiving die, 4 clamping die, 5 deflection measurement rod (quoted from [3]) F m Obr. 1 Schematické znázornění jednotlivých oblastí TOO jako funkce Tmax svařovacího cyklu (převzato z [1]) Fig. 1 Cross-sectional scheme of individual regions of HAZ as a function Tmax of welding cycle (quoted from [1]) V předloženém příspěvku je uvedeno praktické použití penetračních testů pro hodnocení meze kluzu a meze pevnosti základního materiálu, svarového kovu a TOO svarového spoje plechu o tloušťce 80 mm z oceli GS13MnNi6,4. Svarový spoj byl proveden technologií APT. 2. Princip penetračního testu Princip penetračního testu spočívá v průniku (penetraci) razníku s hemisférickou plochou přes ploché zkušební těleso tvaru disku nebo čtverce o tloušťce 0,2-0,6 mm (viz obr.2) [3]. Experimentálně stanovená závislost síla - posunutí razníku snímaná v průběhu penetračního testu (viz obr.3) obsahuje informace o elasto-plastickém chování a pevnostních vlastnostech materiálu. Síla [N] F e 0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Posunutí razníku [mm] u m Obr. 3 Křivka síla posunutí razníku s hemisférickou plochou snímaná v průběhu penetračního testu Fig. 3 Load- punch displacement curve recorded during a small punch test V České republice byla tato metoda zavedena ve společnosti VÍTKOVICE - Výzkum a vývoj, spol. s r.o. (nyní MATERIÁLOVÝ A METALURGICKÝ VÝZKUM s.r.o.) na počátku 90. let. Na tomto pracovišti jsou nyní penetrační testy používány pro stanovení creepových charakteristik, meze kluzu, meze pevnosti a tažnosti do teploty 400 o C, FATT a lomové houževnatosti. Postupy pro stanovení meze kluzu, meze pevnosti a tažnosti při laboratorní teplotě a FATT jsou akreditovány Českým institutem pro akreditaci o.p.s.. Pro stanovení Re (Rp, 0,2 ) a Rm při laboratorní teplotě je z výsledků penetračních testů používán akreditovaný postup využívající empiricky stanovených korelačních závislostí mezi výsledky standardizovaných zkoušek tahem při laboratorní teplotě a parametry získanými ze závislosti síla-posunutí razníku při penetračním testu. 52

3 Mez kluzu Re (Rp, 0,2 ) je korelována s hodnotou F e /h02 a mez pevnosti je korelována s hodnotou F m /(u m.h0). SK2 SK1 TOO ZM1 ZM2 Obr.4 Makrolept svarového spoje spolu se schematickým znázorněním místa odběru zkušebních těles pro penetrační testy Fig. 4 Macro-etching of a weldment together with a location of test specimens in the parent material, weld metal and HAZ 3. Zkušební materiál Jako zkušební materiál byl použit svarový spoj lité desky z oceli GS13MnNi6,4 o tloušťce 80 mm (viz obr.4). Svarový spoj byl proveden technologií APT elektrodou OK Autrod ø 4 mm s tavidlem OK Flux (ESAB Vamberk) [5] za obvyklých proudových parametrů. Litá deska byla před svařením podrobena následujícímu tepelnému zpracování: 1040 o C/6 hod./vzduch o C/5 hod./voda 12 min o C/6 hod./vzduch. Po svaření bylo provedeno PWHT (Post Weld Heat Treatment) 565 o C/4 hod./pec 300 o C/ vzduch. Mez kluzu a mez pevnosti základního materiálu a svarového spoje stanovené na standardizovaných válcových zkušebních tělesech jsou uvedeny v tab. I [6]. Tab. I R p,0,2 a R m základního materiálu a svarového spoje při laboratorní teplotě stanovené standardizovanými zkušebními tělesy Tab. I Yield stress and tensile strength of parent material and a weldment at laboratory temperature determined by means of standardized test specimen Umístění zkušebního tělesa R p,0,2 [MPa] R m [MPa] Základní materiál Ze svarového spoje byla vyrobena zkušební tělesa pro penetrační zkoušky ve tvaru disku o průměru 8 mm a tloušťce 0,5 mm. Zkušební tělesa byla situována do základního materiálu, svarového kovu a TOO (viz obr.4). U základního materiálu a svarového kovu byl sledován rovněž vliv orientace zkušebního tělesa (osa zkušebních těles rovnoběžná a kolmá ke směru svařování). Na obr. 5 je uveden detail přechodu svarový kov TOO základní materiál. V tab. II jsou uvedeny naměřené šířky jednotlivých oblastí TOO. U sledovaného svarového spoje nebylo možno pomocí světelné mikroskopie rozlišit rozhraní mezi jemnozrnnou a interkritickou oblastí TOO. Tab. II Šířka hrubozrnné (CG TOO) a jemnozrnné (FG TOO) + interkritické (IC TOO) oblasti TOO Tab. II Widths of coarse-grained HAZ, fine-grained HAZ + intercritical region of HAZ Oblast Interval naměřených hodnot [mm] Průměrná hodnota [mm] CG TOO 0,75 1,32 0,94 FG+ IC 1,41 2,08 1,67 TOO Průměrná šířka TOO činí cca 2,61 mm, z toho průměrná šířka hrubozrnné oblasti 0,94 mm. Svarový kov Svarový spoj

4 Hrubozrnná oblast Svarový kov Jemnozrnná oblast zv. 12,5x Obr. 5 Přechod svarový kov-too-základní materiál Fig. 5 Boundaries among weld metal- HAZ parent material 3.1 Mikrostruktura základního materiálu Po naleptání v 4% Nitalu se zviditelnila feritická struktura s nerovnoměrně distribuovanými ostrůvky feriticko karbidické směsi. Z pozorované mikrostruktury nelze přesně definovat, zda se jedná o bainitiskou nebo perlitickou složku. Přítlačná matice 3.2 Mikrostruktura TOO V jemnozrnné oblasti byly vedle feritu pozorovány drobné útvary kontrastněji se leptající feriticko karbidické směsi.v oblasti hrubozrnné struktury TOO byly detekovány nepravidelné útvary feriticko karbidické směsi. V malém množství byly ve feritu pozorovány nerovnoměrně distribuované karbidy. 676 Pouzdro Penetrační testy Z každé sledované oblasti svarového spoje byly vyrobeny 4 kusy zkušebních těles tvaru disku o průměru 8 mm a tloušťce 0,5 mm. Zkušební tělesa z TOO (označení TOO) byla odebírána tak, aby reprezentovala jemnozrnnou oblast TOO. Ze základního materiálu a svarového kovu byla vyrobena zkušební tělesa s navzájem kolmou orientací označená ZM1, ZM2, SK1,SK2 (viz obr. 4). Zkušební těleso bylo sevřeno mezi spodní opěrnou matrici a vodící pouzdro pomocí přítlačné matice ( viz obr. 6). Poté byl do otvoru v přítlačné matici vložen razník a tato sestava zatěžována do porušení zkušebního tělesa. 54 Spodní opěrná matice Obr. 6 Příčný řez přípravkem pro penetrační testy při laboratorní teplotě Fig. 6 Cross-sectional scheme of testing apparatus for penetrations tests at laboratory temperature Penetrační testy při laboratorní teplotě byly prováděny na servomechanickém zkušebním zařízení INOVA TSM 10 konstantní rychlostí pohybu příčníku 1,5 mm/min (viz obr.7). V průběhu zatěžování byla snímána závislost síla posunutí razníku. Po ukončení každé zkoušky byla ze snímané závislosti vyhodnocena síla Fe, Fm a posunutí um (viz obr.3). Meze kluzu a meze pevnosti byly z výsledků penetračních testů odečteny z korelačních závislostí stanovených doposud u 27 typů ocelí s BCC mřížkou.

5 Obr.7 Zkušební zařízení INOVA TSM 10 s přípravkem pro penetrační testy. Fig. 7 INOVA TSM 10 testing machine with testing apparatus Tab. III Meze pevnosti a meze kluzu stanovené z výsledků penetračních testů Tab. III Tensile strengths and yield stresses determined of the results of penetration tests Rp,0,2 [MPa] Rm [MPa] ZM1 403 ± ± 8 ZM2 380 ± ± 5 V tab. III jsou uvedeny průměrné hodnoty a směrodatné odchylky meze kluzu a meze pevnosti stanovené na základě výsledků penetračních testů v jednotlivých oblastech svarového spoje. Výsledky získané pro základní materiál a svarový kov na základě výsledků penetračních testů jsou ve velmi dobré shodě s výsledky získanými na standardizovaných hladkých válcových zkušebních tělesech. Statistickými testy významnosti [7] bylo prokázáno, že u svarového spoje lité oceli není na hladině významnosti α < 0,05 ani mez kluzu ani mez pevnosti základního materiálu statisticky významně závislá na orientaci zkušebního tělesa pro penetrační zkoušky. Mez kluzu základního materiálu stanovená z výsledků penetračních testů je pak rovna Rp,0,2 = 391,5 ± 19 MPa, což je ve velmi dobré shodě s výsledkem standardizovaných zkoušek tahem (Rp,0,2 = 394 MPa). Také mez pevnosti základního materiálu stanovená z výsledků penetračních testů Rm = 586 ± 8 MPa je rovněž ve velmi dobré shodě s výsledky stadardizovaných zkušebních těles (Rm = 561 MPa). Také rozdíl meze kluzu a meze pevnosti svarového kovu stanovený na základě výsledků penetračních testů není statisticky významně závislý na orientaci zkušebního tělesa. Mez kluzu svarového kovu stanovená z výsledků penetračních testů je rovna Rp,0,2 = 427 ± 41 MPa, což je ve velmi dobré shodě s výsledkem standardizovaných zkoušek tahem (Rp,0,2 = 445 MPa). Také mez pevnosti základního materiálu SK1 410 ± ± 4 SK2 444 ± ± 29 TOO 538 ± ± 14 stanovená z výsledků penetračních testů Rm = 633 ± 26 MPa je rovněž ve velmi dobré shodě s výsledky stadardizovaných zkušebních těles (Rm = 591 MPa). Mez kluzu i mez pevnosti jemnozrnné oblasti TOO stanovená z výsledků penetračních testů je však významně vyšší v porovnání s vlastnostmi základního materiálu a svarového kovu. 4. Závěr Na základě experimentálních výsledků hodnocení meze kluzu a meze pevnosti jednotlivých částí svarového spoje lité desky o tloušťce 80 mm z oceli GS13MnNi6 pomocí standardizovaných zkoušek tahem na válcových zkušebních tělesech a pomocí penetračních testů prováděných na zkušebních tělesech tvaru disku o průměru 8 mm a tloušťce 0,5 mm je možno konstatovat: 1. Mez kluzu a mez pevnosti základního materiálu a svarového kovu stanovená na základě výsledků penetračních testů je statisticky nevýznamně závislá na orientaci zkušebních těles. 2. Meze kluzu a meze pevnosti stanovené na základě výsledků penetračních testů a standardizovaných zkušebních těles jsou ve velmi dobré shodě. 3. Mez kluzu a mez pevnosti jemnozrnné oblasti TOO je významně vyšší v porovnání s mezí kluzu a mezí pevnosti základního materiálu a svarového kovu. 55

6 4. Penetračními testy je možno stanovit dále i FATT a lomovou houževnatost jak hrubozrnné, tak jemnozrnné oblasti TOO za použití dostatečného rozmezí zkušebních teplot a odpovídajícího počtu zkušebních těles. Poděkování Autoři článku vyjadřují poděkování za finanční podporu MŠMT v rámci programu Výzkumný záměr MSM Literatura [1] BRZIAK,P.-HOLÝ,A.-BERNASOVSKÝ,P.: Trhliny IV druhu ve zvarových spojoch feritických žiarupevných ocelí. Sborník přednášek KOTLE A ENERGETICKÁ ZAŘÍZENÍ 2007, Brno , CD-ROM, ISSN [2] KARTHIK,V.-LAHA,K.-KASIVISWANATHAN,K.,V.- BALDEV,R.: Determination of Mechanical Property Gradients in Heat-Affected Zones of Ferritic Steel Weldments by Shear- Punch Tests. Small Specimen Test Techniques: Fourth Volume, ASTM STP 1418, M.A. Sokolov, J.D. Landes and G.E. Lucas, Eds., ASTM International, West Conshohocken,PA,2002. [3] Small Punch Test Method for Metallic Materials. CEN WORKSHOP AGREEMENT CWA 15627:2007 D/E/F, December [4] GAI,X.-SATO,Y.S.-KOKAWA,H.-ICHIKAWA,K.: Ductilebrittle transition of steel electron beam weld metal in small punch test. Science and Technology of Welding and Joining, Vol.7, No.4, 2002, p [5] MATOCHA K., PURMENSKÝ,J.: Determination of actual mechanical properties of power plant components by small specimen testing technique. KEMA Workshop Small Punch Testing, Arnhem, 28 October [6] KORČÁK,A.-HOŇKOVÁ,L.-MATOCHA,K.-KANDER,L.: Castings of Weldable GS13MnNi6.4 Steel for Fixed Offshore Structures. Qualification programme, Ostrava, April [7] HENDL,J.: Přehled statistických metod zpracování dat:analýza a metaanalýza dat. Vyd.2., opr.- Praha: Portál, s. ISBN Recenze: Doc. Ing. Václav Mentl, CSc. Prof. Ing. Miroslav Tvrdý, CSc. KATEDRA TVÁRNENIA ÚSTAV VÝROBNÝCH TECHNOLÓGIÍ MATERIÁLOVOTECHNOLOGICKÁ FAKULTA SO SÍDLOM V TRNAVE SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE KATEDRA TECHNOLOGII MATERIALOW POLITECHNIKA ŚLĄSKA KATOWICE KATEDRA TVÁŘENÍ MATERIÁLŮ VŠB TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA Usporiadajú v dňoch XVII. medzinárodnú vedeckú konferenciu na tému PLASTICITA MATERIÁLOV s miestom konania Hotel***SOREA Sĺňava Piešťany, Slovenská republika Na konferenciu Vás pozýva jej hlavný organizátor KATEDRA TVÁRNENIA, UVTE, MTF STU Všetky potrebné informácie o konferencii a možnosti prihlásenia sa na konferenciu sú uvedené na v sekcii FORMING Tešíme sa na Vašu účasť. 56