ZKOUŠKY MIKROLEGOVANÝCH OCELÍ DOMEX 700MC TESTING OF DOMEX 700MC MICROALLOYED STEELS Antonín Kříž Department of Material Engineering and Engineering Metallurgy, ZČU-Plzeň, Univerzitní 22, Plzeň 306 14, Czech Republic Abstrakt This article responds to needs of industrial use of microalloyed steels for rail vehicle design solutions. Welded steel plates were cut to obtain tensile testing, bend testing and metallographic samples. Results of tensile tests have indicated changes in the tensile strength and the elastic-plastic properties. This effect is due to deviations from the proper welding procedure. For this reason, metallographic and fractographic observations were conducted on fractured tensile test specimens. Consequently, changes to the welding technology were introduced and the results of subsequent tests were more favourable than the previous ones. This article is a response to the needs of engineering design practice where new advanced materials should be introduced, while their technological aspects must be observed as well. ÚVOD 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[1; 2]. Výrobci ocelí reagují na tyto požadavky mikrolegovanými ocelemi. Pro konstruktéry je důležitým faktorem zjistit změnu užitných vlastností materiálu při použití jednotlivých technologií výroby. Tento článek vznikl na základě řešení projektu výběru vhodné oceli pro výrobce kolejových vozidel. Nejčastěji používaná technologie u kolejových vozidel je svařování, proto se i pozornost orientuje na zjištění rozsahu změn mechanických vlastností při svařování. K posouzení vlivu svařování byla zvolena ocel DOMEX 700MC, neboť s ocelemi této pevnostní třídy se počítá pro stavbu skříní elektrických lokomotiv. 1. OCEL DOMEX 700MC Tato ocel je vyráběna švédskou firmou SSAB Tunnplat. Je charakterizována velmi vysokou pevností, výbornou plasticitou, dobrou rázovou houževnatostí a dobrou svařitelností. Tyto vlastnosti jsou zajištěny speciální technologií řízeného tváření. 1
Tabulka 1 Chemické složení a mechanické vlastnosti oceli DOMEX 700MC[3] Table 1 - Chemical composition and mechanical properties of DOMEX 700MC steel C Si Mn P S Al Nb Ti V 0,12 0,1 2,1 0,025 0,01 Min. 0,015 0,09 0,15 0,2 Nb+V+Ti max. 0,22%; Mo max. 0,5%; B max. 0,005% Smluvní mez kluzu Rp0,2 Mez pevnosti Rm Tažnost A5 Min. 700 MPa 750-950 MPa Min 12% 2. TECHNOLOGIE SVAŘOVÁNÍ Pro experimentální účely byly dodány tabule plechu o tloušťce 6 mm a rozměru 900x1000mm s vyznačeným směrem válcování. V souvislosti s normou ČSN EN 1597-2 a s normou ČSN EN 288-3 změna A1 byly plechy připraveny pro aplikaci svarů V a 1/2V a koutový svar. Tvary a rozměry jednotlivých svarů byly v souladu se směrnicí [5]. Tyto svary byly zvoleny proto, že jsou nejčastěji aplikovány na konstrukčních prvcích kolejových vozidel. Svařování bylo provedeno svařovacím agregátem KEMPPI PRO 3200, technologií 135 (MAG). S ohledem na požadovanou vysokou technologickou kázeň a zručnost svářeče byla zvolena firma Schäfer Menk. Tato firma se dlouhodobě orientuje na využití mikrolegovaných ocelí, které používá pro výrobu namáhaných součástí jeřábů. Z tohoto důvodu disponuje nejen kvalitním technickým vybavením, ale rovněž i erudovanými zaměstnanci s dlouholetou praxí. 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. Ze svařených desek byly v souladu s výše uvedenými normami odebrány vzorky pro zkoušku tahem, ohybem a metalografickou analýzu. Vzorky byly odebrány jak z materiálu bez svaru, tak i se svarem uprostřed zkušebních vzorků. Cílem experimentu bylo také zjistit, zda má vliv směr válcování tj. hlavní směr deformace, na výsledné vlastnosti svařeného materiálu. Z tohoto důvodu byly svařeny desky s podélným a příčným směrem. 3. METALOGRAFICKÉ VÝSLEDKY Vzorky byly odebrány ze svařených desek v souladu s normou ČSN EN 288-3A1. Struktura byla zviditelněna leptadlem 3% NITAL a dokumentována pomocí světelného i řádkovacího elektronového mikroskopu. Z pořízených metalografických snímků budou uvedeny pouze ty, které mají prokazatelnou souvislost s následující fraktografickou studií. Následující makrosnímky dokumentují stav jednotlivých svarových spojů a iniciované změny základního materiálu. Jak vyplývá ze snímků, nebyly všechny analyzované svary bez vnitřního defektu a to i přesto, že kořen housenky byl při svařování pečlivě vybroušen a znovu převařen. Jak bude vyplývat z uvedených mechanických hodnot i z faktografické studie, nebyly tyto defekty ve sledovaných zkušebních tyčích, přesto je třeba u svarových spojů i s touto možností počítat. 2
Obr.1 Makrosnímky jednotlivých svarů. Fig. 1 - Macrophotos of individual welds. Téměř všechny pozorované svary byly bez defektů, pouze u jednoho byl zachycen drobný defekt v kořeni svaru. Ze snímků jsou rovněž rozpoznatelné jednotlivé oblasti svaru, nataveného základního materiálu a tepelně ovlivněné oblasti. Obr. 2 Střední část plechu má odlišnou strukturu, která je dána jeho výrobním procesem kontinuální lití má za následek vznik tzv. segregačního pásu. Fig. 2 - Middle part of the sheet has different structure, which is given by production process continuous casting results in so called segregation band. 3
Jak vyplyne z následujících fraktografických snímků, zkušební vzorky, které nebyly svařeny mají ve střední části lomu jiný charakter porušení a to bez ohledu na směr válcování. Příčina je zachycena na snímku (obr.2). Svarový spoj je ze strukturního hlediska velmi nestejnorodý materiál a to i při zachování všech potřebných pravidel, jako je např. předehřev, následné tepelné zpracování, minimalizace tepelného zatížení apod. Tyto strukturně heterogenní oblasti byly pozorovány i na jednotlivých metalografických výbrusech. Jednak je to oblast svaru (obr.3) tj. přídavného materiálu. Pro tuto lokalitu je důležité, aby neměla žádné defekty ve formě vměstků v kořeni housenky popř. svarové trhliny. V těsné blízkosti je struktura tvořena přetavením základního materiálu. V této lokalitě by neměly být nežádoucí rovnoosá zrna (obr.4). V tepelně ovlivněné oblasti (obr.5) nesmí dojít ke zhrubnutí struktury a v případě HSLA ocelí by nemělo dojít ani k výrazné změně rozložení precipitátů, které spolu s velikostí zrna zajišťují požadované vlastnosti. Obr. 3 Svarový kov Fig. 3 - Weld metal Obr. 4 Natavená oblast základního materiálu Fig. 4 Molten area of basic material Obr. 5 Tepelně ovlivněná oblast základního materiálu Fig. 5 Heat-affected zone of basic material Jak vyplývá z uvedených snímků, jsou patrny jednotlivé strukturní odlišnosti. Tyto odlišnosti se projevují i v charakteru lomu iniciovaného při zkoušce tahem. U vysokopevných ocelí jsou nejdůležitějším faktorem jejich mechanické a elasticko-plastické vlastnosti. Při svaření by nemělo dojít k výraznému snížení uvedených hodnot. Vzhled lomové plochy není prioritní, ale lze z jeho charakteru vysledovat jednotlivé příčiny snížení požadovaných vlastností. 4. Mechanické vlastnosti Tato kapitola byla předřazena kapitole fraktografie z toho důvodu, že jednak dosažené hodnoty získané ze zkoušky tahem, ale i průběh pracovních diagramů názorně dokumentují materiálové změny iniciované při svařování. Tyto informace pak budou doplněny faktografickou studií a charakteristickými snímky lomů. Zkouška tahem byla provedena ve firmě Bodycote Material Testing s.r.o. Výsledkem byla certifikátem ošetřená měření jejichž výstupem je následující tabulka. 4
Tabulka 2 Hodnoty získané ze zkoušky tahem zkušebních vzorků bez svaru a s V a 1/2V svarem. Table 2 Values obtained from the tensile test with samples without weld and with V weld and 1/2V weld. Typ svaru Vzorek Rp0,2 [MPa] Rm [MPa] A [%] 1 852 856 890 889 11,5 11,3 Kolmý směr k válcování 2 857 ± 890 ± 11,0 ± 3,6 1,2 0,29 3 859 888 11,5 Bez svaru 4 804 800 870 869 14,5 14,7 Rovnoběžný směr k válcování 5 799 ± 868 ± 14,5 ± 3,5 1,0 0,29 6 798 869 15,0 ½ V svar V svar Kolmý směr k válcování Rovnoběžný směr k válcování Kolmý směr k válcování Rovnoběžný směr k válcování I/6 711 661 766 774 3,5 I/4 580 ± 781 ± 4,5 70,8 7,6 I/5 692 776 4,5 II/4 629 598 824 795 3,5 II/5 580 ± 783 ± 5,0 30,1 25,6 II/6 585 777 4,0 IV/4 611 595 798 816 4,5 IV/5 626 ± 835 ± 4,0 41,4 18,6 IV/6 548 814 3,5 III/4 663 658 858 857 5,5 III/5 658 ± 862 ± 6,5 5 5,6 III/6 653 851 6,5 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 elasticko-plastických 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 elastickoplastické procesy do oblasti změněné struktury. Všechny lomy byly v oblasti svaru popř. ovlivněného materiálu (viz kap. 2). Tomu odpovídají nejen průběhy pracovních diagramů, ale i charaktery lomů. Následující diagramy (obr. 6) 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. 4,2 ± 0,58 4,2 ± 0,76 4,0 ± 0,50 6,2 ± 0,58 5
Obr.6 Pracovní diagramy zkoušky tahem vybraných zkušebních tyčí. Fig. 6 Tensile test stress-strain diagram of selected specimens. 5. Fraktografická studie Z iniciačního charakteru i šíření trhliny lze vysvětlit celou řadu vlastností materiálu a odhalit další děje, které při zatížení v materiálu probíhají. Z konstrukčního hlediska je lom velmi nežádoucím jevem, s ohledem na povahu konstrukce je nežádoucí i plastická tj. trvalá deformace. Přesto je třeba sledovat procesy předcházející porušení, tak i porušení samotné. Aktuálnost tohoto přístupu se ukazuje i v tomto případě. Pevnost v tahu nepoklesla pod předepsanou mez, ale další charakteristiky, které jsou neméně důležité pro správnou činnost konstrukce, nedosáhly požadovaných hodnot. Zůstane na konstruktérovi, zda tento materiál použije s tím, že pro výpočet budou použity nižší hodnoty meze kluzu, nebo bude hledána jiná možnost spojení, tak aby nedegradovaly důležité materiálové vlastnosti. Následující fraktografické snímky dokumentují jednotlivé odlišnosti zkušebních tyček, které byly popsány v předchozích kapitolách. Obr. 7 Lom vz. č. 1 kolmý směr. Ve střední části lomu jsou rozsáhlé trhliny. Fig. 7 - Fracture sample no. 1 perpendicular direction. There are extensive cracks in the middle part of the fracture. 6
Obr.8 Detail předchozí lomové plochy v celém průřezu je tvárné transkrstalické porušení s jamkovou morfologií Fig. 8 Detail of previous fracture area there is ductile transcrystalline failure with dimple morphology in the whole cross section. Obr. 9 Makrosnímky tyček po zkoušce tahem v místě lomu zdokumentované v podélném metalografickém výbrusu po naleptání ve 3% roztoku NITAL Fig 9 - Macrophotos of specimens after the tensile test in the place of fracture documented in longitudinal metallographic specimen after etching in 3% NITAL solution. Z analýzy lomů vyplývá, že především u vzorků bez svaru se projevil směr válcování nejen na mechanické hodnoty, ale rovněž i na vzhled lomu. U vzorků se svarem došlo v převážné většině k rozvoji porušení v oblasti, která byly v těsné blízkosti svarového kovu tzv. tepelně ovlivněné oblasti. V této oblasti, jak dokumentuje obr.10, je i nejnižší tvrdost HV5. Tento pokles tvrdosti je vyvolán strukturní změnou, která je dána teplotním ovlivněním. Následkem snížení tvrdosti dojde k lokalizaci deformace do této oblasti a zde také dojde k poškození. 7
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] Obr. 10 Průběh tvrdosti HV5 v podélném směru svaru 1/2V Fig. 10 Course of hardness HV5 in longitudinal direction of 1/2V weld. 5. Závěr Z dosažených výsledků mechanických vlastností stanovených zkouškou tahem vyplývá, že následkem provedeného svaru 1/2V a V došlo k poklesu nejen tažnosti, ale výrazně i meze kluzu. Pokles těchto vlastností byl pod normou přípustných hodnot. Technologické zpracování plechů ohýbáním je u tohoto materiálu zajištěno, neboť v žádném ze zkušebních testů při ohybu o 90 a 180 nenastal rozvoj povrchového poškození. 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 uplatňovat 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. Poděkování Tento příspěvek vznikl za podpory projektu MŠMT 1M0519 Výzkumné centrum kolejových vozidel. Literatura [1] HARDY, M.: Laser Welding of Modern Automotive High Strength Steels. HSLA Steels 2005, November 8-10, 2005, China, 2005. [2] SSAB Tunnplåt AB, [online], 15.2.2006 [cit. 2006-07-25] Dostupné na http://www.ssabtunnplat.com [3] Liebherr, Innerbetriebliche Schei3richtlinie ISR-B010, Spezifikation 9839 511 08, Version 13-09/04 8