SIMULACE STRUKTURNÍ STABILITY SVAROVÝCH SPOJŮ ŽÁRUPEVNÝCH OCELÍ SIMULATION OF STRUCTURAL STABILITY OF WELD JIONTS OF HEAT-RESISTANT STEELS

Podobné dokumenty
SIMULACE REDISTRIBUCE UHLÍKU V HETEROGENNÍM SVAROVÉM SPOJI P91/27NiCrMoV15-6

STRUKTURNÍ STABILITA HETEROGENNÍCH SVAROVÝCH SPOJŮ ŽÁROPEVNÝCH OCELÍ STRUCTURAL STABILITY OF DISSIMILAR WELDS OF CREEP-RESISTANT STEELS

REDISTRIBUCE UHLÍKU A FOSFORU VE SVAROVÝCH SPOJÍCH UHLÍKOVÝCH OCELÍ ČSN ( ,1%P) A ( ,4%P) S AUSTENITICKOU OCELÍ ČSN

REDISTRIBUCE HLINÍKU A UHLÍKU VE SVARECH OCELÍ V INTERVALU TEPLOT o C (1,15 hm.% Al)

Mikrostrukturní analýza svarového spoje oceli P92 po creepové expozici

Výpočet rovnovážných stavů ve vysokolegovaných chromových ocelích. Rudolf Foret, Petr Unucka, Antonín Buchal a Aleš Kroupa b

STRUKTURNÍ STABILITA A VLASTNOSTI SVAROVÝCH SPOJŮ OCELI T24

Hodnocení degradace ocelí pro tepelnou energetiku pomocí mikrosrukturních paramertrů

HOMOGENNÍ A HETEROGENNÍ SVAROVÉ SPOJE ŽÁROPEVNÝCH OCELÍ SIMILAR AND DISSIMILAR WELD JOINTS OF CREEP-RESISTING STEELS

PROBLEMATICKÉ SVAROVÉ SPOJE MODIFIKOVANÝCH ŽÁROPEVNÝCH OCELÍ

MECHANICKÉ VLASTNOSTI A STRUKTURNÍ STABILITA LITÝCH NIKLOVÝCH SLITIN PO DLOUHODOBÉM ÚČINKU TEPLOTY

VÝZKUM MECHANICKÝCH VLASTNOSTÍ SVAROVÝCH SPOJŮ MODIFIKOVANÝCH ŽÁROPEVNÝCH OCELÍ T24 A P92. Ing. Petr Mohyla, Ph.D.

PŘÍSPĚVEK K REDISTRIBUCI HLINÍKU VE SVARECH OCELÍ. ÚFM AV ČR Brno, Žižkova 22, Brno, ČR, million@ipm.cz

MIKROSTRUKTURA A ŽÁROPEVNÉ VLASTNOSTI SVAROVÉHO SPOJE OCELI P92 SVOČ FST 2009

VLIV TEPELNÉHO ZPRACOVÁNÍ NA VLASTNOSTI VYSOCEPEVNÉ NÍZKOLEGOVANÉ OCELI. David Aišman

PŘÍSPĚVEK K TERMODYNAMICKÝM A DIFÚZNÍM INTERAKČNÍM KOEFICIENTŮM A JEJICH VZÁJEMNÉMU VZTAHU

SVĚTELNÁ A ELEKTRONOVÁ MIKROSKOPIE SVAROVÉHO SPOJE OCELI P91 LIGHT AND ELECTRON MICROSCOPY OF THE STEEL P91 WELD JOINT.

PODSTATA VYSOKOTEPLOTNÍ STABILITY Ni-Cr-W-C SLITIN. THE NATURE OF HIGH-TEMPERATURE HEAT RESISTANCE OF Ni-Cr-W-C ALLYS

VLIV PARAMETRŮ LASEROVÉHO POVRCHOVÉHO ZPRACOVÁNÍ NA MIKROSTRUKTURU OCELÍ

REDISTRIBUCE HLINÍKU A UHLÍKU VE SVARECH OCELÍ V INTERVALU TEPLOT o C

Kvantifikace strukturních změn v chrom-vanadové ledeburitické oceli v závislosti na teplotě austenitizace

DEGRADACE MATERIÁLOVÝCH VLASTNOSTÍ OCELI A PŘÍČINY VZNIKU TRHLIN VYSOKOTLAKÝCH PAROVODŮ

Vladislav OCHODEK VŠB TU Ostrava Katedra mechanické technologie ústav svařování Vl. Ochodek 3/2012

Obr. 1. Řezy rovnovážnými fázovými diagramy a) základního materiálu P92, b) přídavného materiálu

INFLUENCE OF TEMPERING ON THE PROPERTIES OF CAST C-Mn STEEL AFTER NORMALIZING AND AFTER INTERCRITICAL ANNEALING. Josef Bárta, Jiří Pluháček

POUŽITÍ TERMODYNAMICKÝCH VÝPOČTŮ PRO OPTIMALIZACI CHEMICKÉHO SLOŽENÍ FERITICKÝCH ŽÁRUPEVNÝCH OCELÍ

MIKROSTRUKTURNÍ VLASTNOSTI V DIFUZNÍCH SPOJÍCH Ni 3 Al-Ni A NiAl-Ni. Barabaszová K., Losertová M., Kristková M., Drápala J. a

Strukturní charakteristiky hořčíkové slitiny AZ91. Structure of Magnesium Alloy AZ91.

DIFÚZE C A Mn VE SVAROVÉM SPOJI Fe-0,3C/Fe-0,3C-15Mn. DIFFUSION OF C AND Mn IN STEEL WELDMENT Fe-0.3C/Fe-0.3C-15Mn

Petr Kubeš. Vedoucí práce: Prof. Ing. Petr ZUNA, CSc. D. Eng. h.c. Konzultant: Ing. Jakub HORNÍK, Ph.D.

Hodnocení opotřebení a změn tribologických vlastností brzdových kotoučů

Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava Fakulta metalurgie a materiálového inženýrství Katedra materiálového inženýrství DIPLOMOVÁ PRÁCE

ŽÁRUPEVNÉ VLASTNOSTI A MIKROSTRUKTURA HETEROGENNÍCH SVAROVÝCH SPOJŮ P91/P23 CREEP PROPERTIES AND MICROSTRUCTURE OF HETEROGENEOUS WELD JOINTS P91/923

Nauka o materiálu. Přednáška č.10 Difuze v tuhých látkách, fáze a fázové přeměny

OBSERVATION OF KINETICS OF STRUCTURAL CHANGES DURING LONG-TERM ANNEALING OF TRANSITIONAL WELDS ON P91 STEEL

Nauka o materiálu. Přednáška č.2 Poruchy krystalické mřížky

Metalografie. Praktické příklady z materiálových expertíz. 4. cvičení

Heterogenní spoje v energetice, zejména se zaměřením na svařování martenzitických ocelí s rozdílným obsahem Cr

PODKRITICKÝ RŮST TRHLINY VE SVAROVÉM SPOJI MEZI KOMOROU A PAROVODEM KOTLE VÝKONU 230 T/H. Jan KOROUŠ, Ondrej BIELAK BiSAFE, s.r.o.

a UJP PRAHA a.s., Nad Kamínkou 1345, Praha Zbraslav, b PBS Velká Bíteš a.s. Vlkovská 279, Velká Bíteš,

PŘEROZDĚLENÍ UHLÍKU A MANGANU VE SVAROVÝCH SPOJÍCH MANGANOVÝCH OCELÍ THE REDISTRIBUTION OF CARBON AND MANGANESE IN STEEL WELDMENTS OF MANGANESE STEELS

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Fakulta strojního inženýrství Ústav materiálového inženýrství. Ing. Vít JAN

DIFÚZE C VE SVAROVÉM SPOJI Fe-0,3C-5%Mn/Fe-0,3C-15Mn. DIFFUSION OF C AND Mn IN STEEL WELDMENT Fe-0.3C-5%Mn/Fe-0.3C-15Mn

K CHEMICKÉ MIKROHETEROGENITĚ NIKLOVÉ SUPERSLITINY ON CHEMICAL MICROHETEROGENEITY OF A NICKEL SUPERALLOY

Metalografie. Praktické příklady z materiálových expertíz. 4. cvičení

DEGRADACE STRUKTURY A VLASTNOSTÍ NÍZKOLEGOVANÝCH OCELÍ DLOUHODOBÝM ÚČINKEM TEPLOTY

VÝZKUM MECHANICKÝCH VLASTNOSTÍ A STRUKTURNÍ STABILITY SUPERSLITINY NA BÁZI NIKLU DAMERON. Karel Hrbáček a

5.0 ZJIŠŤOVÁNÍ FÁZOVÝCH PŘEMĚN

VÝVOJ MIKROSTRUKTURY ŢÁROPEVNÝCH OCELÍ BĚHEM KLASICKÝCH A ZRYCHLENÝCH ZKOUŠEK TEČENÍ SVOČ FST 2017

TITANEM STABILIZOVANÉ HLUBOKOTAŽNÉ OCELI

Precipitace sekundárních fází v ocelích obsahujících 2 až 3,5%Cr s ohledem na strukturní stabilitu a žárupevnost

MĚŘENÍ ELASTICITRY OVLIVNĚNÝCH PÁSEM SVAROVÝCH SPOJŮ VYSOKOPEVNOSTNÍCH OCELÍ

VLIV TEPELNÉHO ZPRACOVÁNÍ NA MECHANICKÉ VLASTNOSTI A VYSOKOTEPLOTNÍ STABILITU NIKLOVÉ SLITINY IN 792 5A

TEPELNÉ ZPRACOVÁNÍ. Ing. V. Kraus, CSc. Opakování z Nauky o materiálu

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Fakulta strojního inženýrství Ústav materiálových věd a inženýrství

ŽÍHÁNÍ. Tepelné zpracování kovových materiálů

METALOGRAFIE II. Oceli a litiny

STRUKTURNÍ STABILITA A ŽÁRUPEVNOST FERITICKÝCH OCELÍ STRUCTURAL STABILITY AND CREEP RESISTANCE OF FERRITIC STEELS

5/ Austenitické vysokolegované žáruvzdorné oceli

Hodnocení růstu zrna uhlíkových a nízkolegovaných nástrojových ocelí v závislosti na přítomnosti AlN

STRUKTURA A VLASTNOSTI SVAROVÉHO SPOJE ROTOROVÝCH OCELÍ STRUCTURE AND PROPERTIES OF WELDMENT OF ROTOR STEELS

VLIV TECHNOLOGIE ŽÁROVÉHO ZINKOVÁNÍ NA VLASTNOSTI ŽÁROVĚ ZINKOVANÝCH OCELÍ

Autokláv reaktor pro promíchávané vícefázové reakce

VLIV OBSAHU NIKLU NA VLASTNOSTI LKG PO FERITIZAČNÍM ŽÍHÁNÍ EFFECT OF THE CONTENT OF NICKEL ON DI PROPERTIES AFTER FERRITIZATION ANNEALING

MIKROSTRUKTURNÍ PARAMETRY KOMBINOVANÉHO SVAROVÉHO SPOJE PO DLOUHODOBÉ VYSOKOTEPLOTNÍ EXPOZICI.

Svafiování elektronov m paprskem

POVRCHOVÉ VYTVRZENÍ PM NÁSTROJOVÉ OCELI LEGOVANÉ NIOBEM PLAZMOVOU NITRIDACÍ SURFACE HARDENING OF NIOBIUM-CONTAINING PM TOOL STEEL BY PLASMA NITRIDING

Metodika hodnocení strukturních změn v ocelích při tepelném zpracování

VLIV NANOČÁSTIC NA ŽÁROPEVNÉ VLASTNOSTI PROGRESIVNÍCH ŽÁROPEVNÝCH FERITICKÝCH OCELÍ

MATERIÁLOVÁ PROBLEMATIKA SPALOVEN S VYŠŠÍMI PARAMETRY PÁRY

ZKOUŠKY MIKROLEGOVANÝCH OCELÍ DOMEX 700MC

HLINÍK A JEHO SLITINY

Západočeská univerzita v Plzni fakulta Strojní

Termodynamika (td.) se obecně zabývá vzájemnými vztahy a přeměnami různých druhů

Technologie I. Část svařování. Kontakt : michal.vslib@seznam.cz Kancelář : budova E, 2. patro, laboratoře

Houževnatost. i. Základní pojmy (tranzitní lomové chování ocelí, teplotní závislost pevnostních vlastností, fraktografie) ii.

POPIS PRECIPITAČNÍCH DĚJŮ PŘI SEKUNDÁRNÍM VYTVRZENÍ PM NÁSTROJOVÉ OCELI SE ZVÝŠENÝM OBSAHEM NIOBU. P. Novák, M. Pavlíčková, D. Vojtěch, J.

DEGRADACE STRUTURY A MECHANICKÝCH VLASTNOSTÍ SLITINY LVN13 DLOUHODOBÝM ÚČINKEM TEPLOTY

Pojednání ke státní doktorské zkoušce. Hodnocení mechanických vlastností slitin na bázi Al a Mg s využitím metody AE

Žáropevné oceli pro energetiku a jejich degradace

VŠB Technical University of Ostrava, Faculty of Mechanical engineering, 17. Listopadu 15, Ostrava Poruba, Czech Republic

VÝVOJ TECHNOLOGIE PŘESNÉHO LITÍ ČÁSTÍ ZE SUPERSLITIN, POUŽÍVANÝCH VE SKLÁŘSKÉM PRŮMYSLU.

, Hradec nad Moravicí POLYKOMPONENTNÍ SLITINY HOŘČÍKU MODIFIKOVANÉ SODÍKEM

ŽÁRUPEVNOST A JEJÍ VLIV NA ŽIVOTNOST ENERGETICKÝCH ZAŘÍZENÍ. Prof. Ing. Jaroslav PURMENSKÝ, DrSc., Rybí č.155, ,

LETECKÉ MATERIÁLY. Úvod do předmětu

SMA 2. přednáška. Nauka o materiálu NÁVRHY NA OPAKOVÁNÍ

NĚKTERÉ ZKUŠENOSTI S MODIFIKACÍ SLITIN Mg. SOME OF OUR EXPERIENCE OF MODIFYING THE Mg ALLOYS. Luděk Ptáček, Ladislav Zemčík

MŘÍŽKY A VADY. Vnitřní stavba materiálu

KOROZE A TECHNOLOGIE POVRCHOVÝCH ÚPRAV

ASTM A694 F60 - TEPELNÉ ZPRACOVÁNÍ A MECHANICKÉ VLASTNOSTI ASTM A694 F60 HEAT TREATMENT AND MECHANICAL PROPERTIES

ŽÍHÁNÍ 1. ŽÍHÁNÍ OCELÍ

TEPELNÉ ZPRACOVÁNÍ, MECHANICKÉ VLASTNOSTI A STRUKTURNÍ STABILITA PERSPEKTIVNÍCH LITÝCH NIKLOVÝCH SUPERSLITIN

VLIV ZPŮSOBŮ OHŘEVU NA TEPLOTNÍ DEGRADACI TENKÝCH OTĚRUVZDORNÝCH PVD VRSTEV ZJIŠŤOVANÝCH POMOCÍ VYBRANÝCH METOD

Superslitiny (Superalloys)

INFLUENCE OF TREATING CONDITIONS ON STRUCTURE OF FORGED PIECES FROM THE STEEL GRADE C35E

Tepelné a chemickotepelné zpracování slitin Fe-C. Žíhání, kalení, cementace, nitridace

Precipitace. Změna rozpustnosti je základním předpokladem pro precipitační proces

VLIV MIKROLEGUJÍCÍCH PRVKŮ A PARAMETRŮ TEPELNÉHO ZPRACOVÁNÍ NA MECHANICKÉ VLASTNOSTI PLECHŮ JAKOSTI P 460N

TEPELNÉ ZPRACOVÁNÍ RYCHLOŘEZNÝCH OCELÍ SVOČ FST 2010 Lukáš Martinec, Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 8, Plzeň Česká republika

NAUKA O MATERIÁLU I. Přednáška č. 03: Vlastnosti materiálu II (vlastnosti mechanické a technologické, odolnost proti opotřebení)

Transkript:

SIMULACE STRUKTURNÍ STABILITY SVAROVÝCH SPOJŮ ŽÁRUPEVNÝCH OCELÍ SIMULATION OF STRUCTURAL STABILITY OF WELD JIONTS OF HEAT-RESISTANT STEELS Rudolf Foret, Vít Jan, Bronislav Zlámal a Jiří Sopoušek b Milan Svoboda c a FSI VUT v Brně, Technická 2, 616 69 Brno, ČR, foret@fme.vutbr.cz b Př.F. MU v Brně, Kotlářská 2, 611 37 Brno, ČR, sopousek@chemi.muni.cz c ÚFM AV ČR, Žižkova 22, 616 62 Brno, ČR, svobm@ipm.cz Abstract The simulation of carbon redistribution and related structural stability of laboratory weld joints of the 6CrMoV 8-3-2 and X12CrMoVNb 10-1 heat-resistant steels was calculated. For the calculation the Thermo-Calc and DICTRA programs were used. The aim of the work was to compare the simulation of chemical composition profile and phase composition profile with experimental results. The results showed that simulation was in a relatively good agreement with experiment. 1. ÚVOD Nedílnou součástí vývoje žárupevných ocelí s feritickou matricí je studium degradačních procesů působících během provozu energetických zařízení, včetně případů strukturní nestability jak vlastních ocelí, tak i jejich svarových spojů. Strukturní nestabilitou se rozumí zpravidla pozvolné změny mikrostruktury směrem k rovnovážnému stavu, kterému odpovídá minimální hodnota Gibbsovy energie a kdy v žárupevných ocelích dochází k rozpouštění metastabilních a precipitaci stabilních minoritních fází, k poklesu hustoty dislokací a ke snižování velikosti plochy hranic zrn (mezifázových rozhraní). Příkladem vlivu strukturní nestability na creepové vlastnosti některých modifikovaných 9 12% Cr ocelí je jejich sigmoidální chování [1]. S ohledem na vyčerpanou životnost řady elektrárenských bloků (2.10 5 h provozu i více) a s ohledem na rostoucí energetické nároky nejen tzv. rozvojových zemí se v oblasti výstavby konvenčních elektráren očekává zvýšená investiční aktivita. Pochopitelně při výstavbě nových elektrárenských bloků a při rekonstrukcích bloků stávajících je usilováno o zvyšování jejich účinnosti, což sebou nese i kontinuální vývoj žárupevných ocelí s feritickou matricí, jak je uvedeno např. v práci [2]. Jaderné i konvenční elektrárny jsou složitými systémy, ve kterých se používají různé druhy materiálů a prakticky nelze vyloučit svařování různých druhů žárupevných ocelí. V případě heterogenních svarových spojů typu austenit/ferit či ferit/ferit již během jejich tepelného zpracování (PWHT), nebo v průběhu jejich následné exploatace může docházet k redistribuci zejména intersticiálů (C, N a H), která vede k tvorbě oduhličených oblastí na straně nízkolegovaných ocelí a naopak ke vzniku nauhličených oblastí ve vysokolegovaných ocelích, obojí v těsné blízkosti pásma ztavení. Tvorba uvedených oblastí je určena typem svařovaných ocelí a podmínkami PWHT a vlastní exploatace. Strukturu oduhličené oblasti zpravidla tvoří relativně hrubá feritická zrna bez patrného karbidického precipitátu [3, 4], ve které může docházet k lokalizaci plastické deformace a kde se vytváří stav trojosé napjatosti. 1

V práci [5] je uvedeno, že ve svarových spojích žárupevných ocelí se vyskytují tyto dva dominantní typy porušení:- - Porušení typu IV, kde trhlina iniciuje v interkriticky žíhaném pásmu tepelně ovlivněné zóny při relativně nízké úrovni napětí a má interkrystalický průběh. - Porušení typu IIIa, které je charakterizováno vysokou úrovní plastické deformace lokalizovanou do oduhličené oblasti. Brett a Smith (citováno v [3]) provedli statistickou studii výskytu porušení typu IIIa a IV během kontrol elektráren National Power v UK se zjištěním, že významný počet porušení byl typu IIIa a že difúze uhlíku z nízkolegované do vysokolegované oceli byla jejich hlavní příčinou. Zevrubný popis dvou případů provozních havárií parovodů, které odpovídají porušení typu IIIa je popsán v práci [6]. Spolehlivé modely redistribuce intersticiálů ve svarových spojích přispějí k optimální volbě svařovaných a přídavných materiálů a případně umožní popsat kinetiku degradace vlastností strukturně nestabilního svaru. Redistribuci uhlíku (dusíku i vodíku) je možné řešit těmito způsoby: a) modelem kvazistacionární difúze; b) použitím komerčního software DICTRA. ad a) Model kvazistacionární difúze spolu s metodou numerického řešení odpovídající soustavy parciálních diferenciálních rovnic byl publikován v pracích [7, 8]. Tento model kolektivu Stránský, Million, Kučera umožňuje kvalifikovaný odhad redistribuce C a i simultánní redistribuce C a N (H) za předpokladu znalosti koeficientů difúze uhlíku a dusíku v odpovídajících soustavách a dostupnosti interakčních koeficientů dle Wágnera. Obojí naráží na problémy spojené s komplexností legování reálných slitin a s relativně nízkými teplotami, pro které je citelný nedostatek odpovídajících kinetických a termodynamických parametrů. V uvedeném modelu není řešeno fázové složení svarového spoje. ad b) Program DICTRA (DIffusion Controled TRAnsformation) [9] je nadstavbou programového systému Thermo-Calc. Skládá se z modulů umožňujících načtení kinetických a termodynamických dat, definování difúzního problému, realizaci vlastního výpočtu a grafický výstup. Pro výpočet fázových dat používá program DICTRA programu Thermo-Calc, včetně potřebných databází termodynamických parametrů. Analogicky jako u Thermo-Calc(u) i přesnost software DICTRA je závislá na kvalitě korespondující databáze pro výpočty mobilit difundujících složek, kterou lze doplňovat údaji z literatury nebo optimalizací (assesmentem) kinetických dat získaných experimentálně. Program DICTRA řeší difúzní rovnice s použitím mobilit jednotlivých složek za předpokladů platnosti lokální podmínky rovnováhy a objemové difúze. Sledovaná soustava se aproximuje sítí elementárních buněk. Z počátečního zadání se vypočítá celkové chemické složení v jednotlivých buňkách. Zavede se předpoklad lokální rovnováhy. V buňkách se minimalizací Gibbsovy určí a upřesní stabilní fáze v termodynamické koexistenci a chemické potenciály složek. Poté se provede výpočet gradientů chemických potenciálů všech složek přes hranice sousedících buněk. Vypočítají se mobility a hodnoty difúzních koeficientů jednotlivých složek v každé buňce numerické sítě a výpočet difúzních toků jednotlivých složek přes hranice sousedících buněk v časovém intervalu určeném uživatelem nebo řízeném programem. Řešení jednoho difúzního kroku poskytne nové chemické složení jednotlivých buněk sítě. Popsaný cyklus se poté opakuje do úplného vyrovnání chemických potenciálů v jednotlivých buňkách nebo po zadaný čas. Detailnější popis programu DICTRA a jeho aplikaci na heterogenní laboratorní spoj ocelí 15 128/P91 obsahuje práce [10]. V předloženém příspěvku jsou obsaženy výsledky studia strukturní stability laboratorních svarových spojů ocelí T25 (vývojová ocel popsaná v práci [11]) s ocelí P91. Příspěvek obsahuje porovnání výsledků experimentálních prací s výsledky teoretických výpočtů. 2

2. EXPERIMENTÁLNÍ MATERIÁL A METODY Chemické složení použitých ocelí je uvedeno v tab. 1. Tabulka 1 Chemické složení, hm.% Ocel C Mn Si P S Cr Mo V W B Al N Nb T25 0,06 0,42 0,34 0,012 0,011 1,91 0,31 0,22 0,01 0,003 0,009 0,024 0,058 P91 0,12 0,38 0,44 0,010 0,003 9,96 0,89 0,22 - - 0,010 0,069 0,070 Z obou ocelí byly vyrobeny vzorky o průměru 12 mm a výšce 4 mm, jejich základny byly vybroušeny a vyleštěny. Svarové spoje byly připraveny kontaktním svařením průchodem elektrického proudu v atmosféře argonu. Poté byly vzorky izotermicky žíhány v evakuovaných křemenných ampulích dle režimu, který je uveden v tab. 2. Po ukončeném žíhání byly vzorky v ose rozříznuty na diamantové pile, jedna polovina byla určena k metalografickému rozboru a druhá polovina k analýze koncentračního přerozdělení prvků v okolí svarového spoje. Tabulka 2 Režim žíhání, základní charakteristiky svarového rozhraní Ozn. Žíhání Výsledky mikroanalýz Výsledky metalografie vzorku T, C t,h C max,% šířka OUO, mm šířka NUO, mm šířka OUO, mm 1 1 100 3 - - - 2 1 000 5 - - - 3 900 18 0,19 - - 4 800 26 0,70 více než 1,5 0,60 asi 2,0 5 750 32 0,61 asi 1,5 0,35 asi 1,0 6 700 56 0,65 asi 0,8 0,30 0,33-0,60 7 600 240 0,58 asi 0,25 0,15-0,20-8 500 1 000 - - - - Koncentrace C, (N), Cr, Mo a V byly stanoveny úsečkovou, vlnově disperzní rentgenovou spektrální analýzou na elektronovém mikroanalyzátoru JEOL JXA-8600/KEVEX Delta-V v závislosti na vzdálenosti od svarového rozhraní. Příklad naleptané kontaminační stopy v oceli T25 je uveden na obr. 2b. Uhlíkové extrakční repliky, odebrané z oduhličené oblasti (dále OUO) oceli T25, z nauhličené oblasti (dále NUO) oceli P91 a ze svařováním neovlivněných částí obou materiálů, byly použity k rozborům vyskytujících se minoritních fází. Chemické složení těchto fází bylo stanoveno energiově dispersní analýzou (TEM/STEM Philips CM 12, vybavený analyzátorem EDAX Phoenix), fázové složení bylo upřesňováno elektronovou difrakcí. Modelové výpočty byly provedeny s pomocí software Thermo-Calc a DICTRA s využitím termodynamické databáze Steeel16.tdb a kinetické databáze Dif.tdb. 3. VÝSLEDKY EXPERIMENTÁLNÍCH PRACÍ A JEJICH ROZBOR Redistribuce uhlíku byla měřena na vzorcích 3, 4, 5, 6 a 7, příklady rozdělení C napříč svarovým rozhraním jsou uvedeny na obr. 1. Pro použité teploty žíhání dle očekávání C difundoval z nízkolegované oceli T25 do vysokolegované oceli P91. zhledem k nízké koncentraci C nebylo možné spolehlivě určit obsah C v OUO a i určení šířky této oblasti je 3

přibližné. Maximální koncentrace C v NUO (C max ) je uvedena v tab. 2 spolu s odhadem její šířky. Pokud matrice obou ocelí je během žíhání austenitická (teploty 900 C a vyšší), pak přerozdělování uhlíku je nevýrazné. Pokud uvedené matrice jsou alespoň z části feritické, pak přerozdělování C je podstatně výraznější, přičemž hodnoty koncentrací C max leží v intervalu 0,6-0,7 hm.% a souhlasí s hodnotami naměřenými autory práce [3]. S rostoucí teplotou žíhání lze pozorovat tendenci růstu hodnot C max, výrazně se však zvětšují šířky nauhličených oblastí, roste tedy množství přerozděleného uhlíku. koncentrace C, hm. % koncentrace C, hm.% koncentrace C, hm.% 0,2 0,18 0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0-2000 -1500-1000 -500 0 500 1000 1500 vzdálenost, um 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0-2000 -1500-1000 -500 0 500 1000 1500 vzdálenost, um 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1-2000 -1500-1000 -500 0 500 1000 1500 vzdálenost, um 0 4 Obr. 1 Rozložení koncentrace uhlíku napříč svarovým rozhraním (shora dolů 900 C/18h, 700 C/56h, 600 C/240h Mikrostruktura svarového rozhraní výrazně závislá na teplotě žíhání a na množství přerozděleného uhlíku. Při teplotách žíhání 900 C a vyšších, kdy matrice obou ocelí je austenitická, dojde při následném ochlazení na vzduchu k martensitické (P91) a k převážně bainitické přeměně (T25). V těchto strukturách jsou oduhličení a nauhličení obtížně pozorovatelné, jak je patrné z obr. 2a. Typická struktura svarového rozhraní vzorků žíhaných při teplotách nižších než 900 C je patrná z obr. 2b-d. OUO v oceli T25 je tvořena feritickými zrny nepravidelného tvaru, ve kterých lze pozorovat výskyt relativně hrubých precipitátů (obr. 2b,c) Při teplotách 500 a 600 C zůstává ještě z části zachována morfologie původního bainitu. V NUO oceli P91 se v porovnání s neovlivněnou oblastí vyskytuje výrazně zvýšená hustota karbidů (obr. 2d). Odhady šířek nauhličených a oduhličených oblastí jsou obsaženy v tab. 2. Detailní rozbory vyskytujících se minoritních fází byly provedeny na

vzorcích 3 a 7 (8), tedy pro teploty žíhání 900 a 600 (500) C. Výsledky chemických i fázových rozborů jsou shrnuty v tab. 3, která obsahuje i výsledky výpočtů fázových rovnovah v jednotlivých oblastech studovaných svarových spojů. Při teplotě 900 C se v oceli T25 vyskytuje pouze fáze MX, v oceli P91 byly pozorovány M 23 C 6 a MX. Výpočty experimentální výsledky potvrzují s výjimkou základního materiálu P91, kde byly detekovány ještě nerozpuštěné karbidy M 23 C 6. Obr. 2 Mikrostruktura svarového rozhraní (žíháno a 900 C/18h, b až d 700 C/56h) Při teplotě 600 C se v neovlivněném materiálu T25 vyskytují M 7 C 3 a MX, oduhličení vedlo k rozpuštění karbidů M 7 C 3, v OUO se tedy vyskytuje pouze fáze MX, což bylo zjištěno i pro teplotu žíhání 500 C. Minoritní fáze v oceli P91 při teplotě 600 C tvoří M 23 C 6 +MX+M 2 X, nauhličením se fázové složení nemění. Experimentální výsledky se shodují s termodynamickými výpočty kromě neovlivněného materiálu P91, kde by se dle výpočtu měly vyskytovat M 23 C 6 +MX+Lavesova fáze. V případě experimentů se opět jedná o analýzu nerovnovážného stavu, neboť Lavesova fáze se při teplotě 600 C vyskytuje až po delších časech žíhání a fáze M 2 X je nahrazována fází MX [2]. Z tab. 3 je patrné, že dle výpočtu fáze MX v obou ocelích je obecně karbonitrid, přičemž poměr obsahu C a N závisí na typu oceli a na předcházející teplotní historii. V oceli T25 se jedná o karbonitridy s převažujícím podílem C, jehož obsah se mění od 27 do 46 at.%, zatímco v oceli P91 lze hovořit o téměř čistých nitridech, což literární rozbory provedené v pracích [2, 12] potvrzují. V obou ocelích se vyskytuje primární fáze NbX, ve které se obsah Nb pohybuje v rozmezí 27-39 at.%, dále tato fáze obsahuje 7-22 at.%v. Chemické složení sekundárních fází MX je 5

značně proměnné a patrně souvisí s obtížným dosahováním rovnovážných stavů. Sekundární fáze MX byly rozděleny do dvou skupin. Fáze označená MX (2) je nitrid nebo karbonitrid s převahou vanadu (35-41 at.%), která dále obsahuje malá množství Nb (4-7 at.%) a Cr (1-10 at.%). Téměř shodné složení udává i výpočet. Složení kovového podílu fáze MX (2) nezávisí na složení oceli a teplotě žíhání. Fáze označená MX (1) se vyskytuje v oceli T25 a v porovnání s MX (2) má nižší obsah V (27-30 at.%) a vyšší obsah Nb (15-21 at.%). Podle chemického složení se jedná o přechodový typ mezi NbX a MX (2). Nelze vyloučit, že jedná o současnou analýzu obou částic, nebo o heterogenní nukleaci částic MX na nerozpuštěných primárních části- Tabulka 3 Chemické a fázové složení minoritních fází Teplota, C Vzorek Experiment *) Výpočet *) Fáze V Cr Fe Nb Mo Fáze V Cr Fe Nb Mo C N 900 MX (2) 38.5 2.4 0.9 5.4 3.0 MX (2) 40.2 1.0 0.0 11.4 0.2 33.0 14.4 MX (1) 27.1 1.2 1.1 17.7 3.0 NbX 16.1 0.4 0.4 32.1 1.1 MX (2) 40.8 2.2 0.5 4.8 1.8 MX (2) 39.6 0.5 0.0 12.5 0.2 0.5 46.9 MX (1) 27.2 0.7 0.3 21.1 0.7 NbX 17.3 0.6 0.5 30.6 1.1 M 23 C 6 1.7 47.5 25.5 0.6 4.0 M 23 C 6 1.1 47.5 27.7 0.0 2.8 20.7 0.0 MX (2) 35.1 7.5 0.7 6.2 0.7 MX (2) 35.3 8.9 0.0 7.6 0.1 7.3 40.1 NbX 7.0 1.9 1.0 38.8 1.4 M 23 C 6 1.3 47.3 26.3 0.5 4.0 MX (2) 35.9 6.1 0.3 7.3 0.6 MX (2) 36.1 8.2 0.0 7.6 0.1 6.5 41.6 NbX 7.5 2.6 0.9 37.9 1.3 600 M 7 C 3 4.1 35.3 28.9 0.6 1.1 M 7 C 3 1.9 54.7 10.7 0.0 0.8 30.0 0.0 MX (2) 33.6 6.0 1.5 4.1 5.0 MX (2) 44.9 1.9 2.9 4.9 0.0 26.6 21.6 MX (1) 29.7 2.4 0.6 15.0 2.4 MX (1) 26.8 0.1 0.0 20.4 3.7 46.4 1.8 NbX 16.6 0.7 0.4 31.2 1.2 MX (2) 39.9 3.2 0.6 3.7 2.7 MX (2) 39.3 0.5 0.0 13.7 0.0 5.9 40.6 NbX 21.6 0.7 0.3 26.6 1.0 M 23 C 6 1.0 52.8 20.8 0.6 4.1 M 23 C 6 0.3 56.5 18.8 0.0 3.3 20.7 0.0 MX (2) 34.9 10.2 0.65 3.6 0.6 MX (2) 35.9 7.7 0.0 7.2 0.0 2.1 47.2 M 2 X 9.6 54.3 1.1 0.4 1.3 M 23 C 6 1.1 51.8 21.7 0.6 4.1 M 23 C 6 0.4 62.8 12.7 0.0 3.1 20.7 0.0 MX (2) 35.9 9.8 0.6 3.2 0.6 MX (2) 38.1 5.8 0.0 7.3 0.0 1.1 47.7 NbX 7.4 2.4 1.0 38.0 1.3 Laves 0.0 16.5 45.1 0.0 33.3 0.0 0.0 M 2 X 9.3 53.1 1.1 0.7 2.5 ZT základní materiál oceli T25, ZP základní materiál oceli P91, NUO,OUO - nauhličená nebo oduhličená oblast *) koncentrace jsou uváděny v at.% ZT OUO NUO ZP ZT OU O NUO ZP cích NbX. Naměřené chemické složení karbidu M 7 C 3 v oceli T25 pro teplotu 600 C se shoduje se složením tohoto karbidu v oceli 42 2747 [13]. Výpočtem určené složení udává vyšší obsah Cr a naopak nižší obsah Fe a shoduje se s výpočty presentovanými v [2]. Naměřené chemické složení karbidu M 23 C 6 v oceli P91 se shoduje s údaji uváděnými v práci [2] a je ve velice dobré shodě s výpočty. 6

Na obr. 3 je uvedena vypočtená teplotní závislost aktivity uhlíku v obou svařených ocelích. Aktivita uhlíku v oceli T25 je vyšší než v oceli P91, přičemž tento rozdíl je podstatně větší ve feritické než v austenitické matrici. Vypočtená teplotní závislost aktivity C tedy potvrzuje pozorovanou up-hill difúzi C z oceli T25 do oceli P91 a podstatně vyšší rozdíly v koncentracích v uhlíku v obou ocelích na vlastním svarovém rozhraní pro nižší teploty, kdy struktura je alespoň z části tvořena feritem. Na obr. 4 je uveden příklad vypočteného průběhu obsahu C napříč svarovým rozhraním pro teplotu 700 C. Porovnáme-li vypočtené a experimentálně stanovené (viz.tab. 2) hodnoty C max a šířku NUO, pak vidím, že soulad je uspokojivý (výpočet vedl k hodnotám nižším v případě C max o 0,1% C a v případě šířky NUO o asi 0,1 mm). Spoj obou progresivních ocelí je strukturně nestabilní, redistribuce uhlíku, která intenzivně probíhá ještě při teplotě 800 C vede k výrazným změnám v OUO nízkolegované oceli. V této oblasti se rozpouštějí karbidy M 7 C 3, karbidy a karbonitridy V a Nb jsou nahrazovány nitridy ACR(C) 1.1.01.001 10-4 10-5 500 600 700 800 900 1000 1100 TEMPERATURE_CELSIUS Obr. 3 Závislost aktivity uhlíku v ocelích T25 (horní křivka) a P91 na teplotě 7 obou prvků, které postupně hrubnu. Při teplotách vyšších než 600 C navíc dochází k výrazné rekrystalizaci feritu. Pří teplotách 600 C a nižších, které odpovídají předpokládanému použití studovaného svarového spoje, rekrystalizace feritu je účinně bržděna sekundárními fázemi MX. Přesnost použitých termodynamických a kinetických výpočtů je v současné době určována především přesností používaných databází. Pozorovaná dobrá shoda mezi vypočteným a experimentálně ověřeným fázovým složením, včetně chemického složení jednotlivých fází, a v rozdělení C napříč svarovým rozhraním dokládají konzistenci používaných (vytvořených) databází, v jejichž budování je třeba pokračovat. V reálných spojích se bude vyskytovat pásmo ztavení, svarový kov svým složením musí ležet mezi složení obou ocelí nebo ocelí podobných (oceli T23, T24 versus modifikované 9-11 %Cr oceli) a tudíž gradienty aktivity C napříč svarovým spojem budou podstatně WEIGHT-PERCENT C 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 T25 P91 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 10-4 DISTANCE Obr. 4 Vypočtené rozdělení koncentrace uhlíku napříč svarovým rozhraním po žíhání 700 C/56h menší. Rozpouštění karbidů chrómu v OUO a naopak precipitace dalších karbidů a nitridů v NUO vede ke snížení rozdílů v aktivitách C na obou stranách spoje. Intenzita přerozdělování C a N v reálných spojích tedy bude méně intenzivní, než ve studovaných laboratorních spojích a bude mít retardační efekt. Přesnost teoretických predikcí bude vyšší s ohledem na podstatně delší časy tohoto procesu a průběžné dosahování rovnovážných stavů, na straně druhé bude nutné uvažovat reálnou strukturu svarových spojů. 4. ZÁVĚR

Strukturní nestabilita heterogenních svarových spojů žárupevných ocelí a související možnost výskytu porušení typu IIIa může být závažným technickým problémem v budoucnosti v souvislosti s postupnou degradací stávajících spojů a při opravách, rekonstrukcích a budování nových energetických bloků, neboť spoje uvedeného typu budou stále četnější. Používaný software Thermo-Calc a DICTRA spolu s vytvořenými databázemi Steel16.tdb a Dif.tdb představují užitečný nástroj při optimalizaci volby přídavných materiálů a PWHT. Lze očekávat, že obou programů bude možné používat i při predikcích kinetiky degradace mechanických vlastností heterogenních svarových spojů během jejich dlouhodobé exploatace. Vznik oduhličené oblasti s rekrystalizovanými, relativně hrubými feritickými zrny by měl být nepřípustný. Poděkování Autoři děkují Ing. A. Rekovi, CSc. z VTÚO v Brně za pečlivě provedené analýzy redistribuce uhlíku Příspěvek vznikl v rámci řešení projektů reg.č. 106/03/0636 GA ČR a 5th Framework Programme "Smartweld", GRD1-2001-00490. LITERATURA [1] STRANG,A. VODÁREK,V.: In Proc. Materials for advanced power engineering. Liege 1998, Edit. J. Lecomte-Beckers et al., Jülich: Forschungszentrum, 1998, p. 601. [2] VODÁREK,V.: Fyzikální metalurgie modifikovaných (9 12)% Cr ocelí. Ostrava: VŠB-TU Ostrava, 2003, 163 s., ISBN 80-248-0329-1. [3] HELANDER,T., ANDERSSON, H.C.M., OSKARSSON,M.: Materials at high temperatures, 17, 3, pp.389-396. [4] FORET,R. et al.: Science and Technology of Welding and Joining, vol. 6, 2001, no. 6, p. 405 411. [5] BRET, S. J.: In Proc. of International conference Intengrity of high-temperature Welds. Nottingham 1998, London: I. Mech. E., 1998, p. 3 [6] FORET,R. et al.: In Proc.of International conference Intengrity of hightemperature Welds. Nottingham 1998, London: I. Mech. E., 1998, p. 153. a [7] KUČERA, J. MILLION, B. STRÁNSKÝ, K.: Czech Journal of Physic, 1985, vol. B35, p. 1355 1363. [8] KUČERA, J. et al.: Czech Journal of Physic, 1986, vol. B36, p. 514 520. [9] DICTRA Users Guide. Stockholm: Royal Institute of Technology, 1998. [10] SOPOUŠEK, J. FORET, R. JAN, V.: Science and Technology of Welding and Joining, 2004, vol. 9, no. 1, p. 59 64. [11] FOLDYNA, V. et al.: In Proc. of the 7 th Liege Conference Materials for advanced power engineering. Eds.D.Coutsouradis et al., Klewer Academic Publisher, Liege 2002, p.1477. [12] VODÁREK, V.- KUBOŇ, Z. FOLDYNA, V.: Hutnické listy 1997, vol.52, no.4, s.31-38. [13] FORET, R. et al.: In Proc. of 11. mezinárodní konference metalurgie a materiálů METAL 2002, [CD-ROM], Hradec nad Moravicí 2002, Ostrava: Tanger s.r.o., 2002, Paper no 63. d b a 8