HODNOCENÍ VRUBOVÉ HOUŽEVNATOSTI POMOCÍ MALÝCH NESTANDARDIZOVANÝCH ZKUŠEBNÍCH TĚLES THE EVALUATION OF IMPACT TOUGHNESS BY SMALL NONSTANDARDIZED TEST SPECIMENS Karel Matocha a, Bohumír Strnadel b a) VÍTKOVICE-Výzkum a vývoj, spol. s r.o., Pohraniční 31, 706 02 Ostrava 6, ČR, karel.matocha@vitkovice-vyzkum.cz b) VŠB-TU Ostrava, FMMI, Katedra materiálového inženýrství, 17.listopadu 15, 708 33 Ostrava, ČR: bohumir.strnadel@vsb.cz Abstrakt V práci je analyzována možnost odhadu tranzitních teplot t FS (pro zvolené nárazové práce) stanovených na standardizovaných tělesech Charpy s V vrubem ze znalosti tranzitních teplot t SS stanovených na malých tělesech Charpy o rozměrech 4x3x27 mm. Byly získány vztahy mezi tranzitními teplotami t 68J a t 3,1J a teplotami t 41J a t 1,9J získanými na reprezentativním výběru konstrukčních ocelí širšího technického využití v energetickém a chemickém strojírenství. 1. ÚVOD Snaha o prodlužování životnosti dlouhodobě provozovaných zařízení je nemyslitelná bez znalosti jejich aktuální zbytkové životnosti. Kvalifikované posuzování zbytkové životnosti vyžaduje znalost aktuální úrovně mechanických charakteristik použitých materiálů resp. stupně jejich degradace při minimalizaci zásahu do integrity posuzované součásti. Požadavek minimalizace zkušebního materiálu odebíraného z posuzovaného zařízení si v řadě případů vynucuje použití buď penetračních testů [1] a/nebo malých nestandardizovaných zkušebních těles. Jejich použití však vyžaduje studium problematiky vlivu velikosti zkušebního tělesa na stanovované mechanické vlastnosti materiálů [2]. Spolehlivý přenos výsledků lomového chování ocelí získaných na malých (nestandardizovaných) zkušebních tělesech na standardizovaná tělesa vyžaduje hlubší analýzu nejen z hlediska vlastní metodiky zkoušení zkušebních těles odlišných velikostí [2,3], ale také hodnocení vztahů mezi lomovými charakteristikami stanovenými v jednotlivých teplotních oblastech na tělesech odlišných velikostí [4,5,6]. Stejně tak důležitý je i rozbor rizik přenosu mechanických vlastností stanovených ze zatěžování nestandardních zkušebních těles na reálné konstrukce a hodnocení spolehlivosti výsledků zkoušek. Při vyšetřování příčin havárií konstrukcí a hodnocení rizika vzniku lomové nestability byl faktor velikosti tělesa posuzován zejména v souvislosti se vznikem nízkoenergetického křehkého lomu [7]. Předložená práce je zaměřena na studium vlivu velikosti zkušebního tělesa na tranzitní chování uhlíkových, mikrolegovaných a nízkolegovaných ocelí pří rázové zkoušce v ohybu a navazuje na výsledky získané autory při studiu vlivu velikosti zkušebního tělesa na horní mez vrubové houževnatosti [8]. Malá zkušební tělesa byla, stejně jako v práci [8], reprezentována zkušebními tělesy Charpy 4x3x27 mm s V vrubem o hloubce 1 mm a poloměru zaoblení 0,1 mm. 1
2. EXPERIMENTÁLNÍ MATERIÁL A VÝSLEDKY ZKOUŠEK Ke studiu vlivu velikosti zkušebních těles na teplotní závislost vrubové houževnatosti byly použity bezešvé trubky z uhlík manganových ocelí S355J2H dle EN10210 a Gr.6 dle ASTM A333, bezešvé trubky olejovodné z uhlík manganových ocelí, X52 a X60 dle API 5L a nízkolegované oceli F22, F3VCb a A533 používané k výrobě tlakových systémů a zařízení v jaderné energetice a chemickém průmyslu. Chemická složení a základní mechanické vlastnosti sledovaných ocelí jsou uvedeny v tab.1 a tab. 2. Tabulka 1 Chemické složení testovaných ocelí v hm. % Table 1 Chemical composition of tested steels in wt. % Materiál C Mn Si P S Cu Ni Cr Mo V Nb Ti S355J2H 0,16 1,17 0,23 0,007 0,007 0,19 0,12 0,28 0,06 0,01 0,01 0,01 Gr 6 0,18 0,60 0,26 0,018 0,015 0,14 0,05 0,1 0,01 0,001-0,002 X60 0,21 1,52 0,19 0,012 0,003 0,15 0,15 0,16 0,16 0,05 0,029 0,01 X52 0,16 1,22 0,22 0,007 0,009 0,12 0,08 0,12 0,01 0,06 0,05 - F22 0,14 0,57 0,41 0,01 0,009-0,16 2,42 0,99 0,009 0,006 0,002 F3VCb 0,13 0,33 0,06 0,009 0,009-0,08 2,99 0,98 0,21 0,03 0,007 A533 0,18 1,42 0,24 0,017 0,004 0,14 0,84 0,12 0,51 0,002 - - Tabulka 2 Pevnostní a plastické vlastnosti stanovené zkouškou tahem při laboratorní teplotě Table 2 Tensile properties determined at laboratory temperature Materiál Výrobek Orientace Zkuš. tělesa R eh, R p 0,2 [MPa] R m [MPa] A 5 [%] Z [%] S355J2H trubka tang. 326 490 33,6 76 Gr 6 trubka tang. 286 449 34,0 64 X60 trubka tang. 529 732 22,9 62 X52 trubka tang. 393 538 33,0 72 F22 deska podél. 434 586 25,3 74 F3VCb deska podél. 498 620 20,0 76 F3VCb (TZ) deska podél. 509 618 21,6 77 A533 plech příč. 522 652 23,4 74 U všech sedmi typů sledovaných ocelí byly stanoveny teplotní závislosti vrubové houževnatosti na standardizovaných tělesech Charpy s V vrubem a tělesech Charpy (4x3x27 mm) s vrubem o hloubce 1 mm, poloměru zaoblení r = 0,1 mm a vrcholovým úhlem 60 o. Použité nestandardizované zkušební těleso o rozměrech 4x3x27 mm je uvedeno v německé normě DIN 50115 Prüfung Metallischer Werkstoffe-Kerbschlagbieversuch. Teplotní závislosti nárazové práce stanovené pro sledované materiály, velikosti zkušebních těles a místa jejich odběru (hlava, pata trubky) byly vyjádřeny ve tvaru [8] T T1 KV = A(1+ tgh ) (1) T o kde T [ o C] je zkušební teplota a T 1 a T o jsou konstanty které udávají polohu inflexního bodu v rovnici (1). Vynesením normalizované absorbované energie KV/W.b 2 (kde b je velikost ligamentu pod vrubem a W je tloušťka tělesa) na teplotě zkoušení bylo prokázáno, že změna velikosti 2
zkušebního tělesa Charpy z 4x3x27 mm na 10x8x55 mm se projeví u závislostí KV/W.b 2 vs. t zk posunem tranzitních teplot k vyšším teplotám a snížením horní mezní úrovně normalizované absorbované energie. Avšak fraktografickým rozborem lomových ploch obou sledovaných velikostí zkušebních těles bylo prokázáno, že fraktografické znaky nalezené na lomových plochách obou typů těles porušených v tranzitní oblasti jsou shodné. Rozdílné fraktografické znaky byly nalezeny pouze v případě, kdy shodné normalizované nárazové práce bylo u zkušebních těles 4x3x27 mm dosaženo v tranzitní oblasti, zatímco u těles Charpy 10x10x55 mm odpovídala stejná normalizovaná nárazová práce horní mezní úrovni [8]. Závislost mezi tranzitními teplotami stanovenými na zkušebních tělesech různé velikosti je v literatuře nejčastěji popisována vztahem [3,9] t FS = t SS + t Aby bylo možno porovnat výsledky zkoušek vrubové houževnatosti s literárnímu údaji, byly tranzitní teploty t 68J a t 41J, vypočtené z teplotních závislostí nárazové práce na standardizovaných zkušebních tělesech, korelovány s tranzitními teplotami t 3,1J a t 1,9J stanovenými na malých zkušebních tělesech Charpy. Závislosti tranzitních teplot t 41J vs. t 1,9J a t 68J vs. t 3,1J jsou znázorněny na obr.1 a obr.2 [8]. (2) +30 +10-10 t 41J [ C] -30-50 -70-90 -110-180 -160-140 -120-100 -80 t 1,9J [ C] Obr. 1 Závislost mezi tranzitní teplotou t 41J (standardizovaná tělesa Charpy) a tranzitní teplotou t 1,9J (malá tělesa Charpy) Fig. 1 Dependence between transition temperature t 41J (standardised Charpy specimens) and transition temperature t 1,9J (small test specimen) 3
Vyjádříme-li závislosti mezi tranzitními teplotami stanovenými na standardizovaných tělesech t FS (t 41J, t 68J ) a tranzitními teplotami stanovenými na malých tělesech t ss (t 1,9J, t 3,1J ) rovnicí (1), dostáváme pro závislosti uvedené na obr.1 a obr.2 vztahy t t 79 (3) 41 J = 1,9 J + 68 J = t3,1j + t 81 (4) +70 +50 +30 +10 t 68J [ C] -10-30 -50-70 -90-170 -150-130 -110-90 -70-50 t 3,1J [ C] Obr. 2 Závislost mezi tranzitní teplotou t 3,1J (malá tělesa Charpy) a tranzitní teplotou t 68J (standardizovaná tělesa Charpy) Fig. 2 Dependence between transition temperature t 68J (standardised Charpy specimens) and transition temperature t 3,1J (small test specimen) V práci [3,9] je závislost mezi t FS a t SS stanovená na stejných typech zkušebních těles vyjádřena vztahem t t + 65 (5) FS = SS směrodatná odchylka σ = ±15 C. Pozorovaný rozdíl je možno přisoudit korekci zkušební teploty prováděné v práci [3] u zkoušek rázem v ohybu na malých tělesech Charpy. Tato korekce respektuje skutečnost, že malé zkušební těleso Charpy s V vrubem o rozměrech 4x3x27 mm mění svoji teplotu po vytažení z ochlazovací lázně podstatně rychleji než standardizované těleso Charpy s V vrubem. Skutečná teplota malého tělesa v okamžiku zkoušky byla experimentálně 4
korelována s teplotou zkušebního tělesa v okamžiku jeho vytažení z ochlazovací lázně. Nalezený vztah má tvar [3] t t 0,1118( t 14,79) (6) skut. = lázeň lázeň Teplotní závislosti vrubové houževnatosti stanovené na malých zkušebních tělesech byly přepočteny s respektováním této korekce a stanoveny nové závislosti tranzitních teplot t 41J vs. t 1,9J a t 68J vs. t 3,1J.Vyjádříme-li korigované závislosti rovnicí (3), dostáváme pro výše uvedené vztahy závislosti vztahy t t 65 (7) 41 J = 1,9 J + 68 J = t3,1j + t 69 (8) tedy vztahy uváděné v práci [3]. 3. ZÁVĚR Uvedené korelační vztahy mezi tranzitními teplotami t 41J a t 1,9J a teplotami t 68J a t 3,1J spolu s výsledky získanými v teplotní oblasti horní meze vrubové houževnatosti na reprezentativním výběru konstrukčních ocelí širšího technického využití v energetickém a chemickém strojírenství nejen z hlediska přesnosti korelace, ale také vzhledem k rozsahu sledovaných souborů výsledků vrubové houževnatosti malých a standardizovaných těles, technicky odůvodňují využití malých těles pro stanovení vrubové houževnatosti v celém teplotním intervalu. Tato novým způsobem navržená koncepce je východiskem pro zajištění provozní bezpečnosti a spolehlivosti energetických zařízení, jak v běžných provozních podmínkách, tak v nestandardním provozním režimu. Tento příspěvek byl vypracován za finančního přispění MPO v rámci programu PROGRES z projektu FF-P/048. 4. LITERATURA [1] CEN/WS21 Small Punch Test Method for Metallic Materials. Part B: A Code of Practice for Small Punch Testing for Tensile and Fracture Behaviour. 12.9.2006. [2] LUCON, E.: European Activity on Instrumented Impact Testing of Subsize Charpy V-Notch Specimens (ESIS TC5). Pendulum Impact Testing: A Century of Progress, STP 1380,T.A.Siewert and M.P.Manahan, Sr.,Eds., American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, PA, 2000, p.242. [3] LUCON, E. - CHAUADI, R. - FABRY, A. - PUZZOLANTE, J. - L.- VanWALLE, E.: Characterizing Material Properties by the Use of Full-Size and Subsize Charpy Tests: An Overview of Different Correlation Procedures, Pendulum Impact Testing: A Century of Progress, STP 1380,T.A.Siewert and M.P.Manahan, Sr.,Eds., American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, PA, 2000, p. 146. [4] SCHINDLER, H.-J.: Relation Between Fracture Toughness and Charpy Fracture Energy: An Analytical Approach., Pendulum Impact Testing: A Century of Progress, STP 1380,T.A.Siewert and M.P.Manahan, Sr.,Eds., American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, PA,2000,p. 337. [5] MATOCHA, K. - STRNADEL, B.: Vliv velikosti zkušebních těles na mechanické vlastnosti konstrukčních ocelí. Kovové materiály, 42, 2004, č. 6, s. 399. 5
[6] MATOCHA, K. - STRNADEL, B.: The Effect of Size of Testing Samples on Notch Toughness of Structural Steels. International Journal of Fracture (2005) 134:L3-L9. DOI 10.1007/s10704-005- 0634-2. [7] Failure Analysis and Prevention. ASM Handbook. Vol.11. Red: Becker,T.,Shipley R.J. Ohio,USA, Materials Park 2002, p.1164. [8] MATOCHA, K.: Výzkum, vývoj a zavedení nových zkušebních metod pro hodnocení materiálových vlastností ocelí ve vztahu k podmínkám jejich aplikace. Závěrečná zpráva projektu v programu PROGRES, event.č. FF-P/048, Ostrava, leden 2005. [9] AMAYEV, A.D. - BADANIN, V.I. - KRYUKOV, A.M. - NIKOLAYEV, V.A. - ROGOV, M.F. - SOKOLOV, M.A.: Use of Subsize Specimens for Determination of Radiation Embrittlement of Operating Reactor Pressure Vessels. Smal Specimen techniques Applied to Nuclear Reactor Vessel. Thermal Annealing and Plant Life Extension. ASTM STP 1204, W.R. Corwin,.M. Haggag and W.L. Server, Eds., ASTM, Philadelphia, 1993, p. 424-439. 6