VYUŽITÍ NESTANDARDNÍCH ZKUŠEBNÍCH TĚLES PRO STANOVENÍ TRANZITNÍCH TEPLOT KONSTRUKČNÍCH OCELÍ EVALUATION OF TRANSITION TEMPERATURES OF STRUCTURAL STEELS USING NONSTADARD SPECIMENS Ladislav Kander VÍTKOVICE Výzkum a vývoj, spol s r.o., Pohraniční 31, 76 2 Ostrava - Vítkovice, ČR, ladislav.kander@vitkovice.cz Abstrakt V příspěvku jsou shrnuty výsledky svědčící o možnosti využití nestandardních zkušebních těles malých rozměrů pro hodnocení lomového chování a zejména tranzitních teplot konstrukčních ocelí. V souvislosti se současnými obecnými trendy volajícími po miniaturizaci velikosti klasických zkušebních těles probíhá v současné době celá řada ověřovacích programů hledajících korelace mezi výsledky získanými na standardních zkušebních tělesech a různých typech těles malých rozměrů. Cílem toho příspěvku je ukázat způsoby stanovení tranzitních teplot konstrukčních ocelí i při nedostatku zkušebního materiálu pro výrobu standardních zkušebních těles. Abstract In the article are compared a results of Charpy impact test on specimens with Charpy V and Charpy subsize geometry for 19 types of structural steels. The main goal of this work is verificate the specimen geometry under investigation and show the possibility of evaluation of transition temeperatures of structural steels using this type of specimens. 1. ÚVOD Konvenční zkouška rázem v ohybu na zkušebním tělese standardních rozměrů (1x1x55) patří mezi základní typy zkoušek. Na základě výsledků takovýchto zkoušek provedených v širokém teplotním intervalu je možné sestrojit tranzitní (Vidalovy) křivky, které charakterizují lomové chování z pohledu polohy tranzitní oblasti, která je velmi významná z hlediska konstruování a návrhu servisních teplot pro aplikace ve strojírenství. V souvislosti s obecnými trendy panujícími zejména při dozorovacích programech ocelí pro tlakové nádoby v jaderné energetice, volajícími po miniaturizaci velikosti zkušebních těles došlo ke schválení v rámci ESIS TC 5 [1] tzv. sub-size Charpy geometry (tj. zkušebního tělíska tvarem připomínajícím tvar klasických Charpy těles, ale s menšími rozměry 3x4x27 mm). Tato geometrie patří mezi hlavní favority a v současné době je značná pozornost věnována jak nalezení a ověření korelací pro výsledky zkoušky rázem v ohybu, ale také pro ověření použitelnosti takovýchto miniaturizovaných zkušebních těles pro stanovení lomové houževnatosti. V současné době probíhá celá řada ověřovacích programů a hledání korelací mezi výsledky získanými na standardních zkušebních tělesech Charpy V a těmito zmenšenými tělísky a to zejména na ocelích používaných pro tlakové nádoby. Tyto zkušební tělesa mají jednu základní výhodu a to tu, že je možné je vyrobit z již přeražených polovin standardních zkušebních těles. V literatuře existuje kromě výše uvedené geometrie celá řada dalších možných variant geometricky podobných miniaturizovaných zkušebních těles lišících se zpravidla pouze v různých rozměrech šířky a výšky zkušebních tělísek a jejich vzájemným poměrem. V principu se však jedná o stále stejný typ zkušebního tělesa, který by při aplikaci obecných zásad převodu dat z miniaturizovaných těles na klasická měl dávat spolehlivé korelace. 1
V rámci našich aktivit jsme se pokusili navrhnout vlastní typ nového miniaturizovaného zkušebního tělesa, na kterém by bylo možné stanovit jak křehkolomové vlastnosti vycházející ze zkoušky rázem v ohybu, tak také i křehkolomové vlastnosti určované na základě parametrů lomové mechaniky. Jak již bylo prokázáno v práci [2], tato zkušební tělesa je možné bez problémů využít pro hodnocení posunu tranzitní oblasti v důsledku některých metalurgických nebo technologických faktorů (byl ověřován vliv stupňovitého ochlazování na posun tranzitních teplot tří hlavních představitelek ocelí používaných zejména v petrochemickém průmyslu) []. Tvar a rozměry námi navrženého zkušebního tělesa jsou patrné z obrázku 1 a jeho nespornou výhodou je možnost vytvoření únavové trhliny a zkoušení podobně jako v běžné praxi zkoušek založených na vyhodnocování parametrů lomové mechaniky. Námi zvolené rozměry vycházely především z možnosti zkušebních zařízení naší laboratoře pro Obr.1. Miniaturizované zkušební těleso potenciální vytvoření únavových trhlin v těchto Fig.1. Subsize test specimen tělesech a jejich využití z pohledu lomové mechaniky. 1.1 Některé používané metody korelace pro miniaturizovaná zkušební tělesa V současné době existuje několik přístupů k hodnocení vzájemného vztahu dat, doposud však nebyla navržena žádná obecná a spolehlivá korelace dat. Horní prahová hodnota Tato korelace patří mezi nejpoužívanější, existuje mnoho prací, např. [3-5] včetně Luconem [6] zpracovaného teoretického podkladu tohoto přístupu. Korelace se vyskytuje buď přímá mezi horní prahovou hodnotou standardních těles a horní prahovou hodnotou miniaturizovaných těles, nebo je založena na tzv. normalizačním faktoru NF, jehož definice vyplývá ze vztahu USECharpy V NF = (1) USEsubsize spec Hodnoty faktoru NF uváděné autory v literatuře na tělesech 4x3x27 se pohybuje v rozmezí 8,9 až 26,5. Hlavním nedostatkem tohoto přístupu je to, že je založen pouze na předpokládaném plně elastickém stavu a není schopen vzít do úvahy plastickou deformaci, tvárné trhání ani změnu stavu napjatosti při šíření trhliny. Další nevýhodou je, že je korelována pouze horní prahová hodnota Vidalovy křivky a ne daleko významnější přechodová oblast. Změna teploty přechodu houževnatý-křehký stav Změna teploty přechodu houževnatý-křehký stav je definována jako DBTT = DBTT Charpy-V - DBTT subsize (2) 2
Tato hodnota se v literatuře [6] pohybuje 65 ± 3 C. Výše uvedená závislost pak může být rovněž vyjádřena obecněji ve tvaru DBTT subsize = DBTT Charpy-V + M (3) kde M je posun teploty, který je různý a je určen experimentálně pro různé tranzitní teploty, např. 28J, 41J, 68 J atd. Popis dalších metod používaných pro korelaci takto získaných dat je uveden v literatuře, např. [7] 2. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST V rámci ověřování námi navrženého tvaru zkušebního tělesa bylo nejprve přistoupeno k jeho validaci a verifikaci výsledků získaných na 19 typech konstrukčních ocelí a různých stavů tepelného zpracování, aby bylo možné pokrýt co nejširší oblast rozsahu přechodových teplot. Na následujících obrázcích jsou vyneseny získané korelace mezi různě definovanými přechodovými teplotami. V prezentovaných obrázcích je použita následující legenda USE horní prahová hodnota Vidalovy křivky (upper shelf energy) T přechodová teplota Vidalovy křivky, definovaná jako teplota pro hodnotu aritmetického průměru horní a spodní prahové hodnoty nárazové práce (DBTT ductilebrittle transition temeperature) T 68J přechodová teplota získaná z Vidalovy křivky na standardních typech těles (1x8 mm) pro hodnotu nárazové práce 68 J T 5,3J přechodová teplota získaná z Vidalovy křivky na miniaturizovaných zkušebních tělesech (5x3 mm), pro hodnotu nárazové práce 5,3 J (odpovídající svou polohou na Vidalově křivce teplotě T 68J ) T 41J přechodová teplota získaná z Vidalovy křivky na standardních typech těles (1x8 mm) pro hodnotu nárazové práce 41 J T 3,75J přechodová teplota získaná z Vidalovy křivky na miniaturizovaných zkušebních tělesech (5x3 mm), pro hodnotu nárazové práce 3,75 J (odpovídající svou polohou na Vidalově křivce teplotě T 41J ) T 28J přechodová teplota získaná z Vidalovy křivky na standardních typech těles (1x8 mm) pro hodnotu nárazové práce 28 J T 2,1J přechodová teplota získaná z Vidalovy křivky na miniaturizovaných zkušebních tělesech (5x3 mm), pro hodnotu nárazové práce 2,1 J (odpovídající svou polohou na Vidalově křivce teplotě T 28J ) T,9mm přechodová teplota získaná z Vidalovy křivky na standardních typech těles (1x8 mm) pro hodnotu příčného rozšíření,9 mm T,27mm přechodová teplota získaná z Vidalovy křivky na miniaturizovaných zkušebních tělesech (5x3 mm), pro hodnotu příčného rozšíření,27 mm (odpovídající svou polohou na Vidalově křivce teplotě T,9mm ) Jak je obrázků patrné, korelace zahrnuje hodnoty pokrývající značný rozsah oblasti horních prahových hodnot a v celé šířce této oblasti vykazují dosažené korelace velmi dobrý souhlas s hodnotami stanovenými na standardních zkušebních tělesech, což umožňuje považovat korelaci i celý experimentální program za věrohodný a smysluplný. 3
Například porovnáním pomocí normalizačního faktoru NF zjistíme, že jeho hodnota se pro použitý typ miniaturizovaného zkušebního tělesa pohybuje v rozmezí 6,83 až 14,2. Na první pohled je patrný nižší rozptyl hodnot tohoto normalizačního faktoru oproti hodnotám pro tělesa 4x3x27 mm uvedený v práci [7], který se pohyboval v rozmezí 8,9 až 26,5. Nižší absolutní hodnota námi získaného normalizačního faktoru vyplývá z použití miniaturizovaných zkušebních těles s větším ligamentem a tudíž pro tato tělesa bylo zapotřebí k přelomení větší nárazové práce. Tato zvětšená hodnota horní prahové hodnoty nárazové práce dosazená do jmenovatele vztahu (1) způsobí zmenšení hodnoty normalizačního faktoru NF. Rovněž srovnání dle kritéria DBTT vychází pro použitá zkušební tělesa dobře, podle literatury [6] se tato hodnota pohybuje pro vzorky 4x3x27 mm v rozmezí 65 ± 3 C. Námi stanovené hodnoty na studovaných materiálech dosahovaly hodnot 18,9 až 11,5, je však třeba si uvědomit, že pro experimentální program byly použity jak běžné konstrukční oceli používané v energetickém strojírenství, petrochemickém průmyslu a dalších konstrukčních aplikací, tak svarové kovy a to zejména legované zvýšeným obsahem Ni, neboť se jednalo o svarové spoje určené buď pro nízkoteplotní aplikace, nebo pro aplikace off-shorového typu. Jak vyplývá z práce [8], lomové chování ocelí legovaných nad 2,5 % Ni se může vymykat výsledkům získaným na běžných typech konstrukčních ocelí. Zvýšený obsah Ni zvyšuje houževnatost matrice jako takové a tedy zvyšuje složku energie potřebnou pro šíření trhliny. Vzhledem k tomu, že zkouška rázem v ohybu je svým provedením zaměřená zejména na zjištění obou složek tj, jak složky iniciační, tak složky určené pro šíření trhliny, přičemž zpravidla složka iniciační bývá u běžných konstrukčních materiálů významně vyšší může použití takovýchto ocelí v korelaci způsobovat jisté problémy. I přesto všechno je možné považovat zjištěné korelace za velmi dobrý základ pro použití miniaturizovaných zkušebních těles pro stanovování křehkolomových vlastností konstrukčních ocelí zkouškou rázem v ohybu. Pro další období budou práce zaměřené na USE 1x1 mm [J] 35 3 25 2 15 1 5 USE y = 16,247x - 47,42 R 2 =,9381 5 1 15 2 25 USE 5x3 mm [J] Obr.2. Korelace pro horní prahovou hodnotu nárazové práce Fig.2. Correlation for upper shelf energy 4
b USE 1x1 mm [mm] 3, 2,8 2,6 2,4 2,2 2, 1,8 1,6 1,4 Příčné rozšíření v USE y = 2,5135x -,4179 R 2 =,7616,8,9 1, 1,1 1,2 1,3 b USE 5x3 mm [mm] Obr.3. Korelace pro hodnotu příčného rozšíření odpovídající horní prahové hodnotě nárazové práce Fig.3. Correlation for lateral expansion values in the upper shelf energy T 1x1 mm [ C] 1 5-5 -15 T y =,9885x + 56,215 R 2 =,825-2 -15-5 T 5x3 mm [ C] Obr.4 Korelace pro přechodovou teplotu odpovídající aritmetickému průměru horní a spodní prahové hodnoty nárazové práce Fig 4. Correlation for transition temperature taken as a average value of upper and lower shelf energy 5
T 68J 1x1 mm [ C] 5-5 -15 T 68J y =,8625x + 52,89 R 2 =,9191-2 -16-12 -8-4 T 5,3J 5x3 mm [ C] Obr.5. Korelace pro tranzitní teplotu odpovídající teplotě, při níž je na standardních tělesech pro zkoušku rázem v ohybu dosaženo hodnoty nárazové práce 68 J Fig.5. Correlation for transition temperature for energy level 68 J T 41J 1x1 mm [ C] 2-2 -4-6 -8-12 -14 T 41J y =,7385x + 36,751 R 2 =,8566-2 -18-16 -14-12 -8-6 -4 T 3,75J 5x3 mm [ C] Obr.6. Korelace pro tranzitní teplotu odpovídající teplotě, při níž je na standardních tělesech pro zkoušku rázem v ohybu dosaženo hodnoty nárazové práce 41 J Fig.6.Correlation for transition temperature for energy level 41 J 6
T 28J 1x1 mm [ C] -2-4 -6-8 -12-14 T 28J y =,6521x + 23,148 R 2 =,7691-2 -18-16 -14-12 -8-6 -4 T 2,1J 5x3 mm [ C] Obr.7. Korelace pro tranzitní teplotu odpovídající teplotě, při níž je na standardních tělesech pro zkoušku rázem v ohybu dosaženo hodnoty nárazové práce 28 J Fig.7. Correlation for transition temperature forenergy level 28 J T,9mm 1x1 mm [ C] 4 2-2 -4-6 -8-12 -14 T,9mm y =,9582x + 67,698 R 2 =,935-2 -16-12 -8-4 T,27mm 5x3 mm [ C] Obr.8. Korelace pro tranzitní teplotu odpovídající teplotě, při níž je na standardních tělesech pro zkoušku rázem v ohybu dosaženo hodnoty příčného rozšíření,9 mm Fig.8. Correlation for transition temperature for lateral expension,9 mm 3. ZÁVĚR Výsledné korelace uvedené v následujících obrázcích představují výsledky velmi rozsáhlého experimentálního a v neposlední řadě také teoretického programu, který byl realizován po dobu přibližně 3 let. Konkrétní výsledky a Vidalovy křivky pro konkrétní typy materiálů byly publikovány buď v rámci řešení tohoto projektu např. ve zprávě anebo jsou připraveny k publikaci velmi krátkém časovém horizontu. Výsledné hodnoty spolehlivosti charakterizované hodnotou R 2 pohybující se pro všechny korelace v rozmezí,76 až,94 svědčí o velmi dobré shodě a rovněž o velmi dobře 7
zvládnutém teoretickém základu, který sloužil jako podklad pro sestavení takovéhoto rozsáhlého experimentálního programu. Získané korelace umožňují predikovat hodnoty jak horních prahových hodnot nárazové práce, tak hodnoty přechodových teplot, stejně tak jako hodnoty příčného rozšíření na základě výsledků získaných na miniaturizovaných zkušebních tělesech na hodnoty, které by bylo možné získat na tělesech standardních. V případě, kdy není k dispozici dostatek zkušebního materiálu, je možné s výhodou stanovit křehkolomové vlastnosti oceli pomocí výše navrženého typu zkušebních těles. Značnou výhodou je možnost výše uvedeným typem tělesa hodnotit i reálné konstrukce na základě tzv. nedestruktivních odběrů, kdy se odebere jen velmi malé množství zkušebního materiálu, na kterém se pak posuzuje či stanovuje zbytková životnost exploatované konstrukce. Vzhledem ke své tloušťce jsou navržená zkušební tělesa rovněž velmi vhodná pro stanovování křehkolomových vlastností různých kovových vrstev, např. navařovaných nebo tvrdokovových vrstev či funkčních galvanických povlaků. LITERATURA [1] ESIS TC 5 Proposed Standards Method for Instrumented Impact Testing of Sub-Size Charpy V Notch Specimens of Steels, Draft 8, European Structural Integrity Society (ESIS), TC5, May,1999 [2] Kander,L.: Hodnocení lomového chování ocelí pomocí miniaturizovaných nestandardních zkušebních těles. Dílčí zpráva D-19/23. VÍTKOVICE - Výzkum a vývoj, spol. s r.o., prosinec 23 [3] Corwin,W.R., Houghland,A.M.: Effect of Specimen Size and Material Condition on the Charpy Impact Properties of 9Cr1MoVNb Steel, ASTM, STP 888, 1986, pp. 325-338 [4] Schubert, L.E., Kumar,A.S., Rosinski,S.T. Hamilton, M.L.: Effect of Specimens Size on the Impact Properties of Neutron Irradiated A 533 B Steel, J. Nucl. Mat., 225, 1995, pp.231-237 [5] Louden, B.S., Kumar, A.S., Garner, F.A., Hamilton, M.L., Hu, W.L.: The Influence of Specimens Size on Charpy Impact Testing, J. Nucl. Mat.,155-157, 1988, pp. 662-667 [6] Lucon, E., Chaouadi, R., Fabry,A., Puzzolante, J-L.Van Walle, E.: Characterising Material Properties by the Use of Full-Size and Sub-Size Charpy Tests: An Overview of Different Correlatio Procedures, ASTM, STP, 138, 1999 [7] Schill, R., Forget, P., Sainte-Catherine, C.: Correlation Between Charpy V a Sub Size Charpy Tests Results for an Un-irradiated Low Alloy RPV Ferritic Steel In Proc.ECF 13 [8] Wallin, K.: Correlation Between Static Initiation Toughness K JC and Crack Arrest Toughness K Ia 224-T351 Aluminium Alloy, Fatigue and Fracture Mechanics: 32th Volume, ASTM STP 146, R. Chona, Eds., American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, PA, 21, pp.17-34 8