Oceli do nízkých a kryogenních teplot Podkladem pro přednášku byla zpráva pro Výzkumné centrum kolejových vozidel.
Železniční neštěstí u Eschede 3.června 1998 Statistika pasažérů: 287 (v ICE-1 max. 651) mrtvých: 101 vážně zraněných: 88 nezraněných: 106
Největší rozvoj nízkoteplotních ocelí nastal na počátku 20.stol, z důvodu nutnosti nalezení vhodných materiálů pro skladování a dopravu zkapalněných plynů Nádoba pro zkapalněné plyny uskladněné při teplotě -163 C (např. etylen)
Podle minimální pracovní teploty můžeme konstrukční materiály pracující v oblasti kryogenních teplot rozdělit do třech základních skupin: 1) oceli pracující do teplot -50 C 2) oceli pracující do teplot -100 C 3) oceli pracující do teplot blížících se teplotě absolutní nuly Příklady možnosti výběru materiálu: Ad1) konstrukční jemnozrnné mikrolegované oceli Ad2) nízkolegované oceli s obsahem niklu od 2,5 do 6% Ad3) 9% Ni ocele martenziticky vytvrditelné, manganové oceli, austenitické CrNi, či MnCr ocele a slitiny
Obecně se jedná o oceli, které si zachovávají uspokojivou houževnatost i za teplot pod 10 C. Oceli používané za nízkých nebo kryogenních teplot si musí oproti běžným druhům konstrukčních materiálů zachovávat především dostatečnou houževnatost a také vysokou a pokud možno v závislosti na teplotě nesnižující pevnost. Obecně lze tedy říci, že oceli, které jsou používány při velmi nízkých teplotách (event. při kryogenních teplotách), musí kromě svých základních charakteristik splňovat v prvé řadě požadavek vysoké úrovně lomové houževnatosti za podmínek nízkých pracovních teplot.
Výroba konstrukcí z nízkoteplotních ocelí obvykle zahrnuje procesy svařování. Z tohoto důvodu je nezbytnou podmínkou aplikovatelnosti těchto ocelí nutný požadavek na zaručenou svařitelnost
Liberty ship jedna z prvních svařovaných lodních konstrukcí, vyrobeno 2700 lodí, každá 7. postižena křehkým lomem Porušení lodí bylo zapříčiněno souhrou: konstrukce většina lomů byla iniciována v rozích hranatých palubních otvorů, v nichž bylo koncentrováno napětí použitého materiálu použitá ocel měla velmi nízkou dynamickou lomovou houževnatost až tak, že některé lodi se rozlomily dřív než byly nasazeny do boje v chladných vodách výroby svary zhotovené nezkušenými pracovníky obsahovaly poruchy podobné trhlinám Lomová houževnatost použitých oceli byla zcela dostatečná pro nýtované konstrukce, kde každá trhlina může být zachycena na nýtu; ve svařovaných konstrukcích však trhlina nenarazí na žádnou barieru a může tak projít celým trupem.
Jaké oceli jsou považovány za oceli vhodné pro práci za nízkých teplot? snaha o nalezení kriteriální hodnoty rázové energie zjištěna hodnota KV = 20 ft. lb., což odpovídá energii 27,11636 J => Současné normy používají hodnotu 27 J (dříve se v našich normách používala hodnota KCV 35 J/cm 2, což odpovídalo 28 J/0,8cm 2 ) Nevýhoda hodnoty 27 J platí pouze pro C-Mn oceli s mezí kluzu 230-270 MPa, tloušťku stěny 10-38 mm a pro podmínky spojené s provozem lodi Výhoda hodnoty 27 J hodnota leží v ohybu tranzitní křivky, nad touto hodnotou hodnota rázové práce s teplotou prudce vzrůstá
dnes je v mnoha případech překročen požadavek minimální hodnoty vrubové houževnatosti, která je určena v normách. Přehled vývoje požadavků na houževnatost 9% niklových ocelí Dnešní požadavky na minimální hodnoty houževnatosti převyšují třikrát hodnoty požadované před 30 lety =>nutnost aplikace speciálních tepelných zpracování.
Další pro nízkoteplotní materiály důležitou mechanickou veličinou, je tzv. přechodová teplota udává teplotu, při které dochází k přechodu houževnatého porušení materiálu na křehký charakter porušení snižuje-li se teplota při zkoušce, klesá nárazová práce potřebná k přeražení zkušební tyče za vyšších teplot zjišťovaný houževnatý (tvárný) lom se při poklesu teploty mění v lom křehký, který je obecně charakteristický pro nižší teploty
Určuje se z křivky teplotní závislosti vrubové houževnatosti, získané na souboru více zkušebních tyčí, přeražených při různých teplotách. Podstata přechodové teploty: v závislosti na teplotě a rychlosti deformace se lomová pevnost významněji nemění, kdežto mez kluzu je velice závislá na jejich změně křivky lomové pevnosti a meze kluzu se protnou v bodě, který odpovídá přechodové t p.
Zjištění přechodové energie: jelikož existuje mnoho jejich definicí, existuje i mnoho způsobů jejího určení. 1.Nejnižší teplota, při níž je lom zkušební tyče v celém průřezu houževnatý 2.Teplota, při níž houževnatý lom tvoří 50% celkové lomové plochy zkušební tyče. 3.Teplota odpovídající střední hodnotě vrubové houževnatosti KC stř. = (KC max + KC min )/2 4.Teplota odpovídající inflexnímu bodu křivky teplotní závislosti vrubové houževnatosti POZOR!!!!: Průběhy teplotní závislosti vrubové houževnatosti se mění nejen podle druhu zkoušeného materiálu, ale i podle strukturního stavu, který je dán jednak technologií výroby a jednak provozními podmínkami!!!!
V důsledku vlivu technologii výroby a zpracování dochází k posuvu křivky teplotní závislosti vrubové houževnatosti k vyšším teplotám nebezpečný jev!!!
Přechodová teplota není konstantou, neboť může být ovlivněna mnoha faktory. Přechodová teplota, při které může dojít ke křehkému porušení se obecně snižuje: Snížením obsahu uhlíku, je požadován maximální obsah uhlíku 0,15%. Snížením obsahu kyslíku, síry, mědi, fosforu a dusíku => tyto prvky ovlivňují výrazně morfologii sulfidů a oxidosulfidů. Zvýšením obsahu manganu (až do obsahu 1,60%), křemíku (pouze do 0,3%), niklu (ovlivňuje snížení největší měrou), hliníku, molybdenu, titanu, boru. Snížením rychlosti deformace - čím větší je rychlost deformace, tím více se t p posouvá k vyšším teplotám Zmenšení hloubky vrubu Zvětšením rádiusu vrubu minimálně na 6 mm
Snížením velikosti zrna; toto je žádoucí, neboť při použití dezoxidované oceli s obsahem hliníku se při žíhání vytvoří jemná perlitická struktura a tím se při následném případném popouštění zabrání vzniku bainitu. Zvýšením obsahu manganu poměr Mn/C by měl být větší než 21, nejlépe 8. Tvar a velikost vrubu (Čím je vrub větší a ostřejší, tím více se t p posouvá k vyšším teplotám) Vliv orientace podélné osy zkušební tyče ke směru tváření - tvářením vzniká vláknitost, textura v materiálu
Stárnutí oceli - Projevuje se podstatným zvýšením t p, a to zejména u nízkouhlíkové oceli (kolem 0,1 %C). Přispívá k němu fosfor, dusík a kyslík v oceli. Technologie tváření a tepelného zpracování - Podle provedeného druhu tepelného zpracování nebo tváření se může t p buď zvyšovat nebo snižovat Přechodovou teplotu zvyšují: Kalení Tváření za studena (deformace tlakem, malá deformace tahem) Postupy, které mají za následek zhrubnutí struktury Postupy, které mají za následek heterogenitu struktury Přechodovou teplotu snižují: Žíhání Zušlechťování Tváření za studena, po kterém následuje rekrystalizace. Postupy, které mají za následek zjemnění struktury. Čím je menší velikost feritického zrna, tím je nižší tp Postupy, které mají za následek vznik homogenní struktury.
struktura oceli - výhodná je struktura vysoce popuštěného martenzitu. Pro zvýšení prokalitelnosti se tyto oceli legují chromem a molybdenem. povrchové technologické úpravy materiálů - v důsledku povrchového zpevnění může dojít ke zkřehnutí materiálu Metody měření tranzitních teplot: Charpyho zkouška rázem v ohybu Pelliniho zkouška padajícím závažím - DWTT Cílem této zkoušky je stanovení limitní teploty t NDT, nad níž nedojde k nestabilnímu šíření lomu z malého, uměle vyvolaného defektu do základního materiálu a to při dynamickém namáhání a při napětí kolem meze kluzu.
Robertsonův test Ploché zkušební těleso o tloušťce stejné jako tloušťka konstrukce je zatěžované tahovým napětím σ. Na jedné straně zkušebního tělesa je vrub, tato strana je ochlazována kapalným dusíkem a protější strana je ohřívána plynovými hořáky. Tak vzniká napříč tělesa teplotní gradient, který je naznačený v dolní části obrázku. Trhlina se vyvolá úderem na klín vložený do vrubu a šíří se kolmo na směr tahového napětí V objemu, kde je nízká teplota, se šíří štěpná trhlina velice rychle, v závislosti na růstu teploty postupně rychlost trhliny klesá až se trhlina úplně zastaví. Teplota místa zastavení trhliny se označuje jako TZT teplota zastavení trhliny, která při daném nominálním napětí S n charakterizuje schopnost materiálu zastavit šířící se trhlinu
=> To že se na rozdíl od charpyho zkoušky používá skutečných konstrukčních prvků, má za úkol zjistit vliv konstrukčních prvků na celkovou houževnatost konstrukcí a to především za provozních podmínek => tzv. typové zkoušky Těmito typovými testy se provádí především odhad iniciace mikrotrhlin a jejich zastavení Proto se provádí ještě např. vrubová zkouška tahem a vrubová zkouška rázem k přesnému určení kritické teploty iniciace trhliny atd.
Vliv typu krystalové mřížky na nízkoteplotní chování materiálů PROČ? Při záporných teplotách je chování kovů značně závislé na jejich krystalové struktuře Kovy krystalizující v BCC mřížce (kubické prostorově středěné mřížce): mez kluzu a mez pevnosti jsou silně závislé na teplotě vykazují již v úzkém intervalu záporných teplot ztrátu houževnatosti Kovy krystalizující v FCC mřížce (kubické plošně středěné mřížce): Mez pevnosti je mnohem více závislá na teplotě než jejich mez kluzu Nevyskytuje se tak prudký pokles houževnatosti jako u kovů s BCC Navíc některých kovů s kubickou plošně středěnou mřížkou dochází často při snižování teploty spíše k nárůstu jejich houževnatosti!!!
!!! => Je tedy snaha používat pro nízkoteplotní aplikace legovaných ocelí s austenitickou strukturou, slitin mědi, niklu nebo hliníkových slitin!!!
Korozivzdorné materiály do nízkých teplot Z předchozích podmínek vyplývá, že nejvhodnějším materiálem jsou austenitické korozivzdorné oceli, nebo slitiny Ni (např.inconel 706, 718) Základním představitelem austenitických ocelí je ocel typu Cr18Ni10 (AISI 304). Austenitické ocele je možné dále dělit na nestabilní a stabilní podle toho, jestli vlivem poklesu teploty a působením deformace u nich dochází k martenzitické přeměně nebo si austenitickou strukturu zachovávají Nestabilní: např. 18Cr(8-10)Ni Stabilní: např. 25Cr20Ni
Přehled vybraných typů ocelí pro práci za nízkých teplot 18Cr10Ni: - nestabilní!!! M s = 8 C M f = -126 C Austenitická X Martenzitická???
Doporučení Všude tam, kde se vyskytuje teplota nižší než 100 C, anebo kde součást s vrubem musí odolávat rázovému zatížení pod teplotou 0 C, je nejvhodnější používat 18/8 austenitické oceli (18%Cr, 8%Ni), nebo jiné neželezné materiály s kubickou plošně středěnou mřížkou Jediným typem ocelí, jenž je doporučována pro použití do kryogenních teplot je niklová ocel s 9% obsahem niklu. Tento typ oceli lze bezpečně použít pro teploty až do 196 C. Tato ocel je také poměrně levná a snadno se obrábí. Důvod: Její vysoká houževnatost je způsobena jemnozrnnou strukturou niklového feritu zbaveného karbidického síťový, které vyvolává náchylnost ke zkřehnutí. Tato struktura se během žíhání na teplotu 570 C roztaví a následně se z ní vytváří stabilní austenitické ostrůvky
Z austenitických ocelí vhodných pro práci při nízkých teplotách jsou to v prvé řadě méně nákladné oceli legované na bázi Mn-Cr-N nebo Mn-Cr-Ni-N. Oceli 304 a 304L (18/8) jsou zvláště vhodné pro výrobu zařízení pro dopravu kapalných plynů a jiných kapalin, neboť u těchto typů zařízení je vyžadována odolnost vůči korozi a zároveň ocel nesmí kontaminovat dopravované kapaliny AISI 304
Nevýhody korozivzdorných ocelí: nízká účinnost svarového spoje z důvodu vyžíhání materiálu během procesu svařování transformace na martenzit, která může nastat během expozice materiálu v podmínkách kryogenních teplot ( lze plně vyřešit použitím fázově stabilní ocelí typu AISI 310 (X12Cr23Ni21) u niklových ocelí je nutné udržet obsah fosforu a síry na extrémně nízké hodnotě - obsahem fosforu okolo 0,010% a síry pod 0,003% je dosaženo nejlepší kombinace mezi pevností a houževnatostí, zatímco obsah fosforu pod 0,005% nemusí znamenat další nárůst houževnatosti
Uhlíkové oceli pro použití do nízkých teplot vzhledem k pevnostním vlastnostem a relativně nízké ceně používá v celé řadě případů vybraných uhlíkových nebo nízkolegovaných konstrukčních ocelí uvedené podmínky splňují například jemnozrnné oceli dokonale uklidněné hliníkem, popř. jemnozrnné nízkolegované oceli (např. mikrolegované Nb) uhlíkové oceli pro použití do nízkých teplot se vyznačují nízkými obsahy uhlíku a zároveň mají jemnozrnnou strukturu Výhody: + nízká cena + lepší svařitelnost než korozivzdorné oceli + vysokou pevnost + nižší koeficient tepelné vodivosti oproti jiným druhům ocelí
Přehled uhlíkových ocelí vhodných pro použití do nízkých teplot
Otázky ke zkoušce 1. Co bylo důvodem, který zapříčinil rozvoj ocelí do nízkých a kryogenních teplot? 2. Jaká materiálová vlastnost je důležitá pro materiály do nízkých a kryogenních teplot? 3. Jaký je nejznámější případ, kdy došlo ke křehkému porušení konstrukce? Jaké příčiny vedly k tomuto křehkému porušení konstrukce? 4. Jaké oceli jsou považovány za oceli vhodné pro práci do nízkých teplot. 5. Jaké jsou výhody a nevýhody kriterální hodnoty rázové energie 27 J? V důsledku čeho byla zvolena tato hodnota? 6. Přechodová teplota definice, způsoby určení, podstata 7. Faktory způsobující posuv přechodové teploty. 8. Metody měření tranzitních teplot
9. Typové zkoušky podstata, účel jejich použití 10. Vliv typu krystalové mřížky na nízkoteplotní chování materiálů. Důsledky. 11. Korozivzdorné materiály do nízkých teplot zástupci, typy struktur 12. Stabilní a nestabilní austenitické oceli. 13. Uhlíkové oceli pro použití do nízkých teplot.