Sborník str. 392-400 ZKOUŠKY MIKROLEGOVANÝCH OCELÍ DOMEX 700MC Antonín Kříž Výzkumné centrum kolejových vozidel, ZČU v Plzni,Univerzitní 22, 306 14, Česká republika, kriz@kmm.zcu.cz
Požadavky kladené dnešními výrobci, zejména v průmyslu dopravních prostředků, na vlastnosti konstrukčních materiálů, jsou hnacím motorem pro vylepšování klasických konstrukčních materiálů.
Požadavkem je, aby materiál splňoval celou řadu, mnohdy protichůdných vlastností. Na jedné straně je to vyšší mez kluzu a pevnosti, na druhé straně dostatečná tažnost a svařitelnost. AHSS Advanced high-strength steels (DP, TRIP, complex-phase (CP), martensite (Mart)
Princip vysokopevnostních ocelí Vyšší mez kluzu a pevnosti zajišťují dostatečnou tuhost konstrukce, při snížení její hmotnosti. Tažnost a svařitelnost jsou požadovány z důvodů technologického zpracování. Tyto vysoké požadavky splňují také mikrolegované oceli obsahující definované množství legujících prvků, které vytváří zpevňující precipitáty. Řízené válcování je založeno na principu klasického tváření v oblasti austenitu při teplotě okolo 1000 C a následném tváření při nižších teplotách (okolo 800 C).
Pro svařované spoje je charakteristická tepelně ovlivněná oblast, která se vyznačuje odlišnou strukturou i vlastnostmi. U běžných ocelí, kde velikost zrna nemá tak významný vliv spolu s rozložením precipitujících fází na výsledné vlastnosti, není třeba tento mechanismus příliš sledovat. Významný problém nastává právě u mikrolegovaných ocelí, které dosahují svých specifických vlastností uvedenými faktory.
V automobilovém průmyslu s ohledem na technologii svařování (se zavádí laserové automaty a používají se bodové svary) není tento problém až tak neřešitelný. Zelená: HSLA 250 Modrá: HSLA 350 Červená: HSLA 550 Aplikace HSLA ocelí v automobilovém průmyslu. karoserie vozu Ford 500 Jiná situace je u dopravních prostředků, kde nelze použít samonosnou karoserii, ale nosný rám. Zde se používají V a 1/2V svary popř. koutové svary. U těchto svarů vzniká velmi rozsáhlá oblast tepelného ovlivnění a následkem toho i zmíněná degradace.
Cílem řešeného projektu je doporučit konstruktérům kolejových vozidel takový materiál, který by splňoval stále se zvyšující bezpečností kriteria a přitom nedocházelo ke zvýšení hmotnosti vozu. Ocel DOMEX 700MC b. I Chemické složení a mechanické vlastnosti oceli DOMEX 700MC C Si Mn P S Al Nb Ti V Max. 0,12 Max. 0,1 Max. 2,1 Max. 0,025 Max. 0,01 Min. 0,015 Max. 0,09 Max. 0,15 Max. 0,2 Nb+V+Ti max. 0,22%; Mo max. 0,5%; B max. 0,005% Smluvní mez kluzu Rp0,2 Min. 700 MPa Mez pevnosti Rm 750-950 MPa Tažnost A5 Min 12%
První pokus svaření malé zkušenosti a pracovní kázeň Defekt v kořeni svaru Vzorky byly prohnuty následkem tepelných pnutí Lomová plocha dokumentovala neodbornost svaření
Druhý pokus svaření jiná firma s většími zkušenostmi Svařování bylo provedeno svařovacím agregátem KEMPPI PRO 3200, technologií 135 (MAG). Svařování probíhalo v ochranné atmosféře s 82%Ar a 18%CO 2. Přídavný materiál (drát o průměru 1 mm) byl EN 12 534 G Mn4Ni2CrMo (Thyssen UNION X90). Plechy byly před svařováním předehřáty na teplotu 100 C. Během svařování byla kontrolována teplota, která nesměla překročit 200 C. S ohledem na citlivost svařovaného materiálu na překročení teploty, byla kontrolována rovněž rychlost svařování, která se pohybovala okolo v=50cm/min. Svařovací proud se pohyboval od 180-235A o napětí 22,3 27,3V.
Metalografické výsledky Makrosnímky jednotlivých svarů. Téměř všechny pozorované svary byly bez fektů, pouze u jednoho byl zachycen drobný defekt v kořeni svaru. Ze snímků jsou vněž rozpoznatelné jednotlivé oblasti svaru, nataveného základního materiálu tepelně ovlivněné oblasti.
Tepelně ovlivněná oblast základního materiálu Svarový kov Natavená oblast základního materiálu
yp svaru Vzorek Rp0,2 [MPa] Rm [MPa] A [%] ez svaru Kolmý směr k válcování Rovnoběžný směr k válcování 1 2 3 4 5 6 852 857 859 804 799 798 856 3,6 800 3,5 890 890 888 870 868 869 889 1,2 869 1,0 11,5 11,0 11,5 14,5 14,5 15,0 11,3 0,29 14,7 0,29 V svar Kolmý směr k válcování Rovnoběžný směr k válcování I/6 I/4 I/5 II/4 II/5 II/6 711 580 692 629 580 585 661 70,8 598 30,1 766 781 776 824 783 777 774 7,6 795 25,6 3,5 4,5 4,5 3,5 5,0 4,0 4,2 0,58 4,2 0,76 svar Kolmý směr k válcování Rovnoběžný směr k válcování IV/4 IV/5 IV/6 III/4 III/5 III/6 611 626 548 663 658 653 595 41,4 658 5 798 835 814 858 862 851 816 18,6 857 5,6 4,5 4,0 3,5 5,5 6,5 6,5 4,0 0,50 6,2 0,58
Z uvedených výsledků vyplývá, že orientace směru válcování se projeví již na vzorcích bez svaru. Jestliže jsou vlákna materiálu ve směru osy zkušební tyče (rovnoběžný směr válcování) pak je poněkud, oproti příčnému směru, vyšší tažnost, ale naopak klesá mez kluzu a nepatrně i pevnost. Všechny dosažené hodnoty však splňují normu. Následkem svaru dojde k výraznému snížení mechanických i elastickoplastických vlastností. Průměrné hodnoty meze pevnosti splňují požadavek normy. Mez kluzu a tažnost ani v jednom případě nedosáhly požadovaných hodnot. Je to způsobeno tím, že následkem svaru se lokalizují elasticko-plastické procesy do oblasti změněné struktury. Všechny lomy byly v oblasti svaru popř. ovlivněného materiálu. Tomu odpovídají nejen průběhy pracovních diagramů, ale i charaktery lomů. Smluvní mez kluzu Rp0,2 Min. 700 MPa Mez pevnosti Rm 750-950 MPa Tažnost A5 Min 12%
Diagramy dokumentují příslušné změny. Jak z pracovních diagramů vyplývá tyto změny jsou dány především v oblasti elasticko-plastické, kde je již odlišný sklon lineární části. Jak již bylo uvedeno, je to dáno následkem lokálních deformací právě v oblasti svaru a ovlivněných struktur.
300 Průběh tvrdosti ve svaru "1/2V" Hodnoty tvrdosti HV5 280 260 240 220 200 180 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Vzdálenost [mm] Průběh tvrdosti definuje oblast, kde bude probíhat přednostní deformace při zkoušce tahem
Fraktografická studie Lom vz. č. 1 bez svaru - kolmý směr k válcování. Ve střední části lomu jsou rozsáhlé trhliny. V celém průřezu je tvárné transkrstalické porušení s jamkovou morfologií. Lom vz. č. 4 bez svaru - rovnoběžný směr k válcování.
Co je příčinou fraktografických odlišností ve středu vzorku bez svaru? Střední část plechu má odlišnou strukturu, která je dána citlivostí technologie řízeného tváření a procesy při kontinuálním odlévání oceli.
Lomová plocha vzorku IV/5 V svar - kolmý směr k válcování. Lokálnost plastické deformace, místy dle strukturní heterogenity je transkrystalické křehké štěpení. Lomová plocha vzorku IV/5 V svar - rovnoběžný směr k válcování. Na jednom snímku je zachycen 100% tvárné porušení, zatímco na dalším je transkrystalické křehké štěpení.
Závěr Z uvedených výsledků a poznatků vyplývá, jak technologie svařování konstrukcí ovlivňuje vlastnosti materiálu. U HSLA ocelí je třeba věnovat technologii svařování vysokou pozornost a při výpočtech konstrukcí je třeba na základě experimentálních poznatků pracovat s jednotlivými materiálovými charakteristikami. Tam, kde to technologie spoje umožňuje, je doporučeno používat bodové svary popř. jinou technologii spojování. U nosných rámů velkých dopravních prostředků, kde je tato operace nevyhnutelná, je zapotřebí odladit technologii svařování a věnovat dostatečnou pozornost jejímu dodržování a kontrole. Tato technologická kázeň je oprávněná, neboť nedodržením odzkoušených postupů může dojít k výrazné degradaci materiálu a následnému provoznímu poškození.
DĚKUJI ZA POZORNOST