Primerjava različnih metod preizkušanja jekla NIOMOL 490 za določevanje lomnih karakteristik pri nizkih temperaturah
Comparison of different tests on NIOMOL 490 steel to determine fracture characteristics at lovv temperature
J. Vojvodič-Gvardjančič"1, F. Vodopivec"2
V prispevku so obravnavane lomne značilnosti drob-nozrnatega mikroiegiranega jekla NIOMOL 490. To jeklo ima feritno bainitno mikrostrukturo ter mejo plastičnosti minimalno 490 MPa, dobro duktilnost pa ima še tudi pri temperaturi - 60" C. Staranje tega jekla pa duktilne lastnosti poslabša, zato nevarnost krhkega loma postane realna. Lastnosti tega jekla v odvisnosti od temperature uporabe so bile določene tako s statičnimi preizkusi, kot tudi z udarnimi preizkusi ter merjenjem lomne žilavosti.
1.	UVOD
Nosilni element konstrukcije odpove zaradi prekoračitve mejne napetosti, zaradi nestabilnosti ali pa zaradi loma. Prva dva kriterija sta v konstruktorski praksi že dolgo znana, njuna uporaba pa je predpisana s standardi. V novejšem času, ko se zaradi tehnoloških zahtev uvajajo materiali izredno visokih trdnosti, pa prva dva kriterija za varnost nosilnega elementa nista več zadostna. Zasnovana sta na predpostavki, da je material homogen in izotropen, ter ne upoštevata napak v materialu, ki med eksploatacijo lahko prerastejo v razpoke kritične velikosti, ki povzročijo porušitev zaradi loma.
Pojav krhkega loma lahko pričakujemo tudi pri jeklu NIOMOL 490, ki spada v skupino mikrolegiranih drobno-zrnatih jekel s feritno bainitno mikrostrukturo ter mejo plastičnosti min 490 MPa. Jeklo je zaradi dobre duktilno-sti še tudi pri temperaturi -60° C primerno za izdelavo tlačnih posod za utekočinjene pline. Ravno pri teh konstrukcijah pa se nevarnost pojavljanja krhkega loma v praksi še stopnjuje zaradi procesov staranja predhodno v hladnem deformiranega jekla (podnice).
Zato moramo tlačne posode kontrolirati tudi s stališča lomne mehanike, ki se ukvarja z vplivom atomarno ostre razpoke v nosilnem materialu. Ob tem pa moramo poznati lomne značilnosti jekla, da lahko določimo temperaturno mejo uporabnosti tega jekla.
2.	VRSTA PREISKAV
Za določanje lomnih značilnosti drobnozrnatega mikroiegiranega jekla NIOMOL 490 smo uporabili statične in dinamične mehanske preizkuse. Iz skupine statičnih
"1 mag. Jelena Vojvodič-Gvardjančič, dipl. gradb. ing. — Inštitut za metalne konstrukcije, Ljubljana, stanovanje: Resljeva 1, Ljubljana
"2 prof. dr. Franc Vodopivec, dipl. ing. — Metalurški inštitut, Ljubljana, Lepi pot 11
UDK: 620.178.74.001.36:669-973:669.14.018.41 ASM/SLA: Q26s, Q6n, SGBr, 1—54
The article presents fracture characteristics of the fine grained microalloyed NIOMOL steel. This steel's microstructure is ferritic-bainitic and its minimal yield strength 490 MPa. It is good at ductility even at - 60°C. Aging impairs the ductile properties, causing brittie fracture. The steel properties in relation to vvorking temperatures have been determined by static load testing as well as impact testing, and measurements of fracture toughness.
1. INTRODUCTION
Exceded stress threshold, instability or fracture cause a construction bearing element to fail. For a long time the first two criteria have been knovvn to builders and their application specified by standards. Recentiy, when high strength materials vvere required by development of tehnology, the two first mentioned criteria became insufficient because the supposition of homo-genous and isotropic material did not consider flavvs in the material vvhich could develop cracks of critical size causing colapse.
NIOMOL 490, belonging to the group of fine grained microalloyed steels vvith a ferritic bainitic microstructure and a minumum yield stress of 490 MPa might become subject to brittie fracture. The steel shovvs good ductility at - 60° C, thus it is suitable for high pressure vessefs for Hquid gases. Such constructions are endangered by brittie fracture because of the aging of the cold formed steel bottom. Therefore, the high pressure vessels have to be checked for fractures in the bearing material. For this reason it is neccessary to know the fracture characteristics of the steel, and to define the temperature boundary for the use of this steel.
2. TEST TYPES
To determine fracture characteristics, static load and dynamic mechanical tests vvere performed. The conventional tensile test, the tensiie test of specimens vvith a circumferential notch and measurement of fracture toughness vvith the J integral method and correction by Schvvalbe, vvere chosen from the group of static mechanical tests.
The impact Charpy-V method for toughness measurement and the method for the niH ductility temperature determination by drop vveight test vvas selected from the group of dynamic mechanical tests.
mehanskih testov smo izbrali konvencionalni natezni preizkus, natezni preizkus cilindričnih preizkušancev z obodno zarezo ter merjenje lomne žilavosti z metodo J integrala ter korekcijo po Schvvalbeju. Iz skupine dinamičnih mehanskih preizkusov pa smo izbrali metodo udarnega merjenja žilavosti Charpy-V in metodo določanja temperature neduktilnega loma (drop vveight test).
3. EKSPERIMENTALNI DEL
3.1 Določanje trdnostnih karakteristik jekla NIO-
MOL 490 in NIOMOL490 K
Za preiskave smo uporabili drobnozrnato mikrolegi-rano jeklo NIOMOL490, debeline 12 mm, z mejo plastičnosti 490 MPa. To jeklo spada med mikrolegirana jekla, legirana z Mn, Mo, Nb s feritno bainitno mikrostruktura. Železarna Jesenice ga je dobavila v normaliziranem stanju. Mehanske lastnosti in kemična analiza so razvidne iz tabel I, II, III. Izoblikovanje mikrostrukture jekla NIO-MOL 490 je prikazano s TTT diagramom kontinuirnega ohlajanja na sliki 1. Mikrostruktura jekla NIOMOL490 je prikazana na sliki 2. Sestavljata jo ferit in bainit. Iz slike 2 je razvidno, da je jeklo izrazito drobnozrnato in ima ferit-no-bainitno mikrostrukturo z dokajšnjim deležem baini-ta. Delež bainita v mikrostrukturi pa domnevno zaradi segregiranja, zlasti ogljika, nekoliko variira.
Del preiskav smo opravili tudi na jeklu NIO-MOL 490 K, zato prikazujemo tudi njegove karakteristike - tabela IV, V, VI.
Slika 1.
TTT diagram jekla NIOMOL49C) Figure 1.
TTT diagram of the NtOMOL 490 steel
Tabela 1: Mehanske lastnosti pločevine Niomol 490
Pločevina Niomol	Mehanske lastnosti pločevine
490	Rp Rm A5 Z Smer
t = 12 mm	MPa MPa % % preizkušanja
Potrdilo o kvaliteti
Železarne Jesenice 488 614 26 — prečno na
št. 11759__smer
valjanja
Podatki iz prospekta ,gg 560— ^ _ Železarne Jesenice	—740
3.0	EXPERIMENTS
3.1	Tensile strength characteristic
AH specimens vvere manufactured from a 12 mm thick plate vvith yieid strength 490 MPa and delivered after normalising by Jesenice steelvvorks. The NIOMOL 490 and 490 K steels belong to microalloyed steels alloyed vvith Mn, Mo, Nb vvith a ferritic-bainitic microstructure. Their mechanical properties and the chemical composition are shovvn in table /., II. and III The TTT diagram for continuous cooling of the NIOMOL 490 K steel is shovvn in Figure 1.
The microstructure of the steel shovvn in Figure 2 consists of ferrite and bainite and is finegrained. The share of bainite in the microstructure varries to a certain extent because of local seggregations, mostly carbo-nous.
The investigation vvas partiy carried out on the NIOMOL 490 K steel, vvhose characteristics are shovvn in
nital 10000X
Slika 2.
Mikrostruktura jekla NIOMOL.490 Figure 2.
Microstructure of the NIOMOL 490
Tabela 2: Kemijska sestava pločevine Niomol 490
Kemijska sestava pločevine Niomol 490 t= 12 mm
Oznaka	C	Si	Mn	P	S Cr %	Ni	Cu	Mo	Al	Nb
1	0.11	0.26	1.20	0.018	0.006 0.24	0.30	0.18	0.26	0.031	0.054
2	0.09	0.24	1.21	0.018	0.006 -					
1.	Dejanska analiza pločevine
2.	Podatki iz atesta Železarne Jesenice št. 11/59
Table 1: Mechanical properties of Niomol 490 in 12 mm plate
Plates Niomol 490 t= 12 mm
Mechanical Properties
Rp MPa
Rm MPa
A5 Z
Direction of Testing
Quality certificate issued by Jesenice Steelvvorks No. 11759
488
614
26 -
transverse
Data from Jesenice Steelvvorks booklet
490
560--740
19 -
Tabela 3: Žilavost pločevine Niomol 490
Smer valjanja
Žilavost ISO - V (J) nestarano stanje
Žilavost DVM (J) starano stanje
Temperatura preizkušanja
Rp Rm A5 MPa MPa %
Z	Smer
% preizkušanja
Potrdilo o kvaliteti Železarne Jesenice
496 564 21.8 529 604 19.8
prečno na smer valjanja
Tabela 5: Kemijska sestava pločevine Niomol 490 K
Kemijska sestava pločevine Niomol 490 K t = 24 mm C Si Mn P S Cr Ni Cu Mo Al Nb Ti N
Table 2: Chemical composition of Niomol 490 steel
Chemical Composition of Niomol 490 Plates /= 12 mm
+ 20 0 -20-40-50-60 + 20+ 5-20-40-60
Vzdolžno 63 63 63 55 47 39 47 41 41 31 27 Prečno	55 55 47 39 34 31 35 31 31 27 —
Tabela 4: Mehanske lastnosti pločevine Niomol 490 K Mehanske lastnosti pločevine Niomol 490 K t = 24 mm
Desi-
gnati- C Si Mn on
Cr Ni Cu Mo Al Nb
0.11 0.26 1.20 0.018 0.006 0.24 0.30 0.18 0.26 0.031 0.054
0.09 0.24 1.21 0.018 0.006
1.	Analysis of the tested plate
2.	Data from the Jesenice Stee!works certificate No. 11759
Table 3: Impact toughness of Niomol 490
Rolling direction
impact Toughness ISO- V Impact Toughness (J) not Aged_DVM (J) Aged
Test temperature
+ 20 0 -20-40-50-60 + 20+ 5-20-40-60
Longitudinal 63 63 63 55 47 39 47 41 41 31 27 Transversal 55 55 47 39 34 31 35 31 31 27 —
0.09 0.31 0.33 0.012 0.002 0.53 0.18 0.37 0.28 0.052 0.052 0.022 0.0093
Tabela 6: Žilavost pločevine Niomol 490 K
Smer valjanja
Žilavost ISO - V (J) Žilavost ISO - V (J) nestarano stanje nestarano stanje
Temperatura preizkušanja C)
-20
-60
Prečno
300 249 228 238
300 240
162 163
166 161
163 160
Table 4: Mechanical properties of Niomol 490 K steel Mechanica/ properties of Niomol 490 K plates t= 24 mm
Rp Rm A5 Z Direction of MPa MPa % % Testing
Quality certificate issued 496 564 21.8 by Steelvvorks Jesenice 529 604 19.8
Transverse
Mikrostruktura jekla NIOMOL 490 K je razvidna s slike 3. Mikrostruktura je podobna kot na sliki 2, vendar je delež bainita nižji, medtem ko so kristalna zrna ferita približno enako velika, kot pri jeklu NIOMOL 490.
Iz jekla NIOMOL 490 smo izdelali različne vrste preiz-kušancev in določili mehanske lastnosti te pločevine, ki so razvidne iz tabele VII. Natezni preizkus cilindričnih preizkušancev z obodno zarezo iz jekla NIOMOL 490 v dobavnem stanju, kot tudi 10 % deformiranem v hladnem ter umetno staranem 307250° C je razviden iz tabele VIII in IX
Na osnovi zbranih rezultatov je razvidno, da jeklo NIOMOL 490 v pogojih statičnega preizkušanja ne kaže bistvenega poslabšanja lastnosti vse do temperature -100° C. Lastnosti tega jekla v dobavnem stanju so si-
Table 5: Chemical composition of the Niomol 490 K steel
Chemical composition of Niomol 490 K plates t= 24 mm C Si Mn P S Cr Ni Cu Mo Al Nb Ti
0.09 0.31 0.33 0.012 0.002 0.53 0.18 0.37 0.28 0.052 0.052 0.022
Table 6: Impact toughness of the Niomol 490 K steel
Rolling direction
Impact toughness Impact toughness ISO- V (J) not aged ISO- V (J) not aged
Test temperature (°C)
-20
-60
Transversal
300 249 300 162 166 163 228 238 240 163 161 160
nital 500 X
Slika 3.
Mikrostruktura jekla NIOMOL 490 K Figure 3.
Microstructure of the NIOMOL 490 K
nital 10000 X
cer znatno boljše od lastnosti deformiranega in staranega jekla, vendar pa je primerjava teh lastnosti v odvisnosti od temperature preizkušanja praktično enaka. Izkaže se tudi, da je enakomerni raztezek boljši kazalnik duktil-nosti jekla, kot pa je to zarezno trdnostno razmerje, kar je pravzaprav presenetljivo, če upoštevamo, da enakomerni raztezek meri le največjo dosegljivo homogeno deformacijo, z zareznim trdnostnim razmerjem pa merimo tudi sposobnost utrjevanja jekla ob zarezi. Podobno pa velja tudi za lomno duktilnost, ki je dobra mera za de-
tables I V., V. and VI The microstructure of the NIOMOL 490 K steel is shown in Figure 3. The grain size is similar to that in Figure 2, while the amount of bainite is smaller.
The mechanical properties of 490 steel are shovvn in table VII. The tensiie test results of cylindrical speci-mens vvith a circumferential notch made from the NIOMOL 490 steel in the as delivered condition as well as after 10 % cold deformation and aging for 30 min at 250° C are shovvn in table VIII. and IX
Tabela 7: Mehanske lastnosti drobnozrnatega mikrolegiranega jekla Niomol 490 t=12 mm Table 7; Mechanical properties of the finegrained microalloyed steel Niomol 490 t= 12 mm
Odvzem preizkušanca vzdolž smeri valjanja pločevine
Odvzem preikušanca pravokotno na smer valjanja pločevine
Vrsta preizkušanca in trgalni stroj	epruvete	Rp	Rm	■4*	egi	Z	epruvete	Rp	Rm		eg<	Z
		Mpa			%			Mpa			%	
	2,1	482	600	22,3	16,07	72	1,1	499	611	34,6	17,6	67,5
»minitrac« 0 5 mm, Amsler 100 kN	2,2	477	599	23,1	17,0	72,7	1,2	484	593	35,8	17,9	71,9
	2,3	482	605	22,5	16,6	72	1,3	499	597	33,2	16,8	70,8
	2,10	467	596	28,5	13,8	72,4	1,7	486	579	25,9	12,0	69,1
Okrogla epruveta 0 10 mm/M 16 (strictiomax), Amsler 100 kN	2,11	461	586	28,5	14,2	72,9	1,8	476	584	18,8	12,2	70,1
	2,12	429	580	20,2	13,8	73	1,9	463	579	18,9	12,7	67,2
	2,15	458	586	25,2	12,70	71,9	1,13	467	586	24,7	13,40	68,6
Okrogla epruveta 0 10 mm, L-250 mm, Instron 1343	2,16	453	575	26,7	14,20	72,2	1,14	465	588	24,3	13,00	68,5
	2,17	458	586	25,2	12,70	71,9	1,15	483	579	25,2		71,9
»minitrac« 0 5 mm, odvzet s površine pločevine, Amsler 100 kN	2,18	462	585	31		78,8	1,16					
	2,19	465	583	28,4		73,9	1,17					
	2,20	462	585	31		78,8	1,18					
Podatki s prospekta Železarne								490	560-	19		
Jesenice									740			
kjer pomeni:
egt.. . max. enakomerni raztezek (%)
Tabela 8: Konvencionalni natezni preizkus in preizkus cilindričnih preizkušancev z obodno zarezo na jeklu Niomol 490 v dobavnem stanju
Table 8: Conventional tensiie test and test on cylindrical specimens with circumferentiai notch of the steel Niomol 490 in as delive-red condition
Podatki o preizkušancu	Mehanske lastnosti
Osnovni----—--g
t ., Oblika Oznaka Temperatura premer do s , ,	Pp Pm „ □ *	& = In—2
Osnovni material epmve,e epruvete preizkušanja epruvete d (dj) Su 10	(kN) (kN) H> ""	Eu
,mm) (Im) (mm2)' <™> ^ _ <MPa>	<%>_
1,1
brez zareze
5,0	50,24
8,0	19,63	4o 50,05 23,7 29,8 472 593 15,6 0,145	0,9397
26	15 2	25 32,5 9,20 11,65 469 593 18,1 0,166	0,967
44	5^81
1,2	010 —-100 118,1 38,7 48 493 611 14,3 0,134 1,195
Niomol 4901 = 12 mm- T = -20°C
5,5 23,76
0 70 11 22
1,3	0 8 ——-;- 25 - 7,44 8,98 - 800 2,1 0,021
2,90 6,60
brez zareze
7	0 38 48
14	010 -1-;- 100 - 33,5 36,0 - 935 2,8 0,028
__6,1 29,22 ___________
8	0 50 27
15	0 8 -;-:- 40 49,4 30,1 37,5 599 746 16,9 0,156 1,106
4,6 16,62	_
1,6	0 8 —--40 50,0 25,5 32,3 507 643 14,1 0,132 1,242
T = -40'C
4,3 14,51
1 7	0 8 —-40 - 25 28,4 - 1153 0,9 0,009
5,1 20,43
z zarezo
brez zareze
5,5 23,75
1 8	0 8 - 40 40,5 19,24 23,6 - 994 1,4 0,014
4,4 15,20
8,0 50,24 4,65 16,97
40 48,45 27,9 35,2 555 700 18,8 0,172 1,085
8 0 50 24
1 10	0 8 -1- 40 50,0 27,2 33,8 542 673 16,3 0,151 1,195
T = -100'C
4,4 15,20
5,5 24,62
0 e 5,6 23,75 40 ^ 28,2? « _ 1146 „ ^ 4,8 18,09
z zarezo
5,5 23,75
1 12	0 8 - 40 41,25 24,51 26,9 - 1133 2,0 0,020
Epruvete odvzete	'	4,7 17,34
prečno na smer	— —
valjanja*	1 13	0 8 -'-:- 40 43,70 30,75 37,8 612 752 15,6 0,145 1,202
4,8 18,10
brez zareze
1,14	0 8 —'--40 48,45 35,3 41,7 702 830 15,6 0,145 0,900
T = -150*0
5,1 20,42
5,65 25,07
1,15	0 8 - 40 - 31,4 31,4 - 1252
brez zareze
5 8 26 41
1 16	0 8 -:-:- 40 40,75 28,2 28,4 - 1113 1,7 0,016
_4,3 14,51__
1 17	0 8 —1—-40 45,55 36,3 39,4 722 784 9,2 0,088 1,042
4,75 17,71
8 0 50 24
1,18	0 8 - 40 47,3 32,3 39,3 644 782 8,7 0,084 0,980
T = —196° C
4,9 18,85
z zarezo
5,8 26,41
1 19	0 8 - 40 40,1 34,8 35,9 - 1359 0,4 0,004
5,2 21,23	_
5,8 26,41
1 20	0 8 -:- 40 40,3 37,7 37,7 - 1427 0,4 0,004
5,6 26,62
Tabela 9: Konvencionalni natezni preizkus in preizkus cilindričnih preizkušancev z obodno zarezo na 10 % deformiranem in umetno staranem (250° C/30 minut) Niomolu 490
Table 9: Conventional tensiie test and test on cyiindricai specimens vvith circumfereniai notch on 10 % strained and artifficaiy aged (250° C/30 ') Niomoi 490__
Osnovni -
Podatki o preizkušancu
Mehanske lastnosti
Osnovni material
Oblika epruvete
Oznaka Temperatura premer do
epruvete preizkušanja epruvete ^ j^j §u (mm)
"m eg,	Sr-Kl-2
- tu	ou
(mm) (mm2) <mm>. <mm)
(MPa) (%)
Niomoi 4901 = 12 mm 10 % hladno deformiran in staran 250730'
z zarezo
2,1
brez zareze
8.0	50,27
5.01	1971 40 46
4,7	17,35 25 28'5
3,0	7,07
33,58 12,3
34,40 13,72
668 684 2,75 0,0271 0,936 624 696 1,4 0,014 0,897
2,2
■ T= +20"C -
10,0 78,54
0 10 - 100 109,4
6,7 35,24
2,3
2,4
50,5 51,85 643 660 4,5 0,044 0,801
3,52 9,73 3,10 7,55
25 - 10,70 10,70
1099 0,5 0,005
6,83 36,64 0 10 - 100
39,75 39,75 - 921 3,3 0,032
brez zareze
z zarezo
2,5
2,8
8,0 50,27 4,85 18,47
40 46,35 41,3 41,7 822 830 3,6 0,035 1,001
2,6 0 8
- T = -40°C -
2,7	0 8
8,0 50,27 5,75 25,97
40 47,25 36,27 37,50 722 746 5,0 0,0488 0,660
5,6 24,63 5,4 22,90
40 - 27,6 33,8 - 1372 1,4 0,014
5,56 24,28 5,0 19,63
40 43,7 30,1 30,1 - 1240 0,54 0,0054
brez zareze
2,9
2,10
T = -100°C
2,11
8,0 50,24 4,7 17,34
40 43,65 36,0 37,6 717 748 6,4 0,062 1,063
8,0 50,24 4,7 17,34
40 49,1 38,48 39,80 766 792 5,83 0,0567 1,063
5,6 24,62
40
30,6 30,6 - 1243 2,8 0,028
Epruvete odvzete prečno na smer valjanja #
z zarezo
brez zareze
brez zareze
z zarezo
2,12
5,7 25,52 5,1 20,43
40 40,6 32,2 32,2 - 1262 0,75 0,00747 -
2,13
8,0 50,27 5,10 20,43
40 41,2 37,89 39,0 754 776 1,46 0,0145 0,900
2.14	0 -T = -150*0-
2.15	0
8,0 50,27 5,20 21,24
40 44,65 43,2 43,2 859 859 3,3 0,0328 0,861
2,16
0 8
5,69	25,4
5,30	22,05
5,6	24,63
5,20	21,24
40 - 35,3 35,3 - 1390 0,82
40 40,4 36,5 36,5 - 1482 0,17 0,00167 -
2,17
8,° 50,27	pretrg v
5,7 25,52	m'
45,6 45,6 907 907 0,58 6,00582 0,677
2,18 0 -T = -196'C-
8,0 50,27 6,35 31,67
40 41,8 55,6 55,6 1106 1106 0,79 0,00789 0,462
2,19
2,20
5,6 24,63 5,6 24,63
40 40,1 32,8 32,8 - 1332 0,21 0,00208 -
5,7 25,52 5,6 24,63
40 40,1 39,1 39,1 - 1532 0,29 0,00291 -
2,0
z zarezo
2,22
T = -196°C
5,8 26,42 5,7
40 40 33,2 33,2 1257 1257 0,21 0,00208 -
5,8 26,42 5,5 23,76
40 40,1 36,5 36,5 1381 1381 0,33 0,00291
formabilnost jekla. Zarezno trdnostno razmerje se tudi ne spreminja kaj dosti s temperaturo preizkušanja, kar zlasti velja za dobavno stanje pločevine NIOMOL 490. Šele pri staranem stanju opažamo poslabšanje pri temperaturah preizkušanja, ki so nižje od -140° C. Zdi se tudi, da korenski radius zareze ni tako zelo odločilen, vsaj v tem primeru, saj je zarezno trdnostno razmerje staranega jekla, merjeno pri —196° C, skoraj enako, tako pri korenskem radiusu 0,25 mm (NSR = 1,423), kot tudi pri korenskem radiusu 0,025 mm (NSR = 1,311).
Temperatura prehoda v krhko stanje za statični režim obratovanja, merjena z enakomernim raztezkom v odvisnosti od temperature preizkušanja, je zanesljivo nižja od -140° C, čeprav je tedaj absolutna vrednost enakomernega raztezka že razmeroma nizka (velja za starano stanje, ne pa za material v dobavnem stanju), enako velja tudi za lomno duktilnost. Tudi razmerje med mejo elastičnosti in trdnostjo jekla je tedaj že zelo blizu 1, kar pomeni, da se tedaj jeklo obnaša že skoraj povsem elastično. Rekapitulacija mehanskih lastnosti NIOMOLA 490 ter izračunano zarezno trdnostno razmerje NSR sta razvidna iz tabele X ter grafično iz diagrama na sliki 4.
Tabela 10: Mehanske lastnosti Niomola 490 izmerjene pri statičnem preizkušanju
Temper. preizk. °C
Največji
Raz- enako- Trdnost	Zarezno
Rp Rm merje merni zarezanega	trdnostno
N/mm2 N/mm2 Rp/Rm razte- preizkuša.	razmerje
N/mm2 zek N/mm2	NSR
Niomol 490 — dobavno stanje
+ 20	482	602	0.80	14.9	867	1.440
- 40	553	694	0.79	15.5	1073	1.546
-100	548	686	0.80	17.5	1116	1.626
-150	657	791	0.83	15.6	1182	1.494
-196	683	783	0.87	8.9	1393	1.779
	Niomol 490	- 101	'/o deformiran in staran 307250° C			
+ 20	655	672	0.97	3.6	1010	1.503
- 40	772	788	0.98	4.3	1306	1.657
-100	741	770	0.96	6.1	1252	1.626
-150	806	817	0.98	2.4	1436	1.757
-196	1006	1006	1.00	0.7	1432	1.432
					1319 +	1.311 +
Opomba: Vrednosti označene s + se nanašajo na korenski radius zareze 0,025 mm, medtem, ko so vse ostale vrednosti veljavne za zarezo s korenskim radiusom 0,25 mm (Charpy-V zareza)
kjer pomeni:
NSR = -
zarezna krhkost oziroma občutljivost
The obtained results prove the NIOMOL 490 steel does not show a substantiai impairment in properties down to the temperature of - 100° C. This steel properties in the as deiivered condition improve considerabiy after strain aging, but the comparison of these properties in re/ation to testing temperature is practicatiy the same.
It is evident, that the uniform elongation is a better indicator of ductility of the steel, as the notch strenght ratio. This is surprising, considering that the uniform elongation measures only the largest achievable homo-genous deformation whilst the notch strength ratio measures also the propensity of strain hardening of the steel at the notch. Similarly the ductility at fracture is a good measure for the deformability of the steel. The test temperature does not change the notch strength ratio very much, vvhich is particularly true for the as deiivered condition. After strain aging an impairment is observed at test temperatures lovver than - 140° C. It seems that the radius at notch root is not decisive — at least in this čase — as the notch strength ratio of the aged steel, measured at — 196°C, is almost the same at the root radius of 0,25 mm (NSR= 1,423), as at the root radius of 0,025 mm (NSR= 1,311).
The transition temperature of the brittle state for the static Ioading, measured vvith the uniform elongation is certainly iovver than - 140° C aithough at this point the absolute value of the uniform elongation is aiready relativen iow (this is valid for the aged, but not for the as deiivered steel). The same can be said for the ductility at fracture. The ratio betvveen the yield strength and tensile strenght is then aiready near 1, vvhich means that in this čase the steel behaves almost completely elastically. The recapitulation of the mechanicai properties of NIOMOL 490 and the calculated notch strength ratio on NSR are shovvn in table X, and in diagram in Figure 4
Table 10: Mechanicai properties of Niomol 490 evaluated by static load testing
Largest Tensile Test R o Ratio- uniform strength of
t ^ ebtZ sp«
% N/mrrf
Notched strength ratio NSR
Niomol 490 — as deiivered
Ker z zniževanjem temperature zarezno trdnostno razmerje NSR, kot tudi enakomerni raztezek egt nekaj časa še rasteta in ker bi ta učinek lahko pripisali morebitno prisotnemu zaostalemu avstenitu v mikrostrukturi (posledica toplotne obdelave jekla) oziroma iz njega nastalem martenzitu pri nizkih temperaturah preizkušanja, smo iz NIOMOLA 490 izdelali 4 natezne preizkušance, od katerih sta bila dva preizkušena pri sobni temperaturi, dva pa sta bila podhlajena 1/2 ure pri T= -196°C (tekoči dušik), ogreta do sobne temperature, nato pa je bil opravljen natezni preizkus. Pri nateznem preizkusu nismo opazili nobenih razlik med obema vrstama preizku-šancev, kar pomeni, da je imelo jeklo stabilno mikro-
+ 20	482	602	0.80	14.9	867	1.440
- 40	553	694	0.79	15.5	1073	1.546
-100	548	686	0.80	17.5	1116	1.626
-150	657	791	0.83	15.6	1182	1.494
-196	683	783	0.87	8.9	1393	1.779
	Niomol 490 - 10		% strained and aged 307250° C			
+ 20	655	672	0.97	3.6	1010	1.503
- 40	772	788	0.98	4.3	1306	1.657
-100	741	770	0.96	6.1	1252	1.626
-150	806	817	0.98	2.4	1436	1.757
-196	1006	1006	1.00	0.7	1432	1.432
					1319+	1.311 +
Remark: Values marked vvith + refer to the root radius of the 0,025 mm notch, aH other values are valid for a notch vvith a root radius of 0,25 mm (Charpy-V notch) vvith the follovving eguation:
Notch brittlenes sensitivity NSR=-
strukturo in da domneva o morebitno prisotnem zaostalem avtenitu in njegovemu vplivu na izboljšanje raztezka ne drži.
Legenda :
- dobavno stanje -Niomol 490
---10 % deformirano in starano 250 "C/30'
Legend:
- as delivered condition - Niomol 490
---10% strained and aged 250°C/30'
Temperatura preizkušanja C C J Test temperature (°C)
Slika 4.
Enakomerni raztezek egt, lomna duktilnost e, in zarezno trdnostno razmerje NSR v odvisnosti od temperature preizkušanja za NIOMOL 490 v dobavnem stanju in 10% deformiranem ter staranem stanju (30 minut pri 250° C) Figure 4.
Uniform elongation egt, fracture ductiiity e,, and the notch strength ratio NSR as a function of test temperature for NIOMOL 490 in the as delivered condition and for 10% deformed and aged condition (30 minutes at 250° C)
3.2 Vpliv deformacije v hladnem ter staranja na žilavost
jekla NIOMOL 490 in NIOMOL 490 K, Drop Weight
Test
Da bi neposredno dokazali, da je jeklo NIOMOL 490 nagnjeno k staranju, smo opravili razbremenilni natezni preizkus, rezultati so razvidni s slike 4, merjenje Char-py-V žilavosti v odvisnosti od temperature pa je razvidno s slike 5.
Poleg opisanih raziskav smo določili še temperaturo neduktilnega loma NDT po standardu ASTM E 208. Rezultati vseh meritev so zbrani v tabeli XI.
Iz rezultatov je razvidno, da že manjša deformacija v hladnem povzroči zamik prehodne temperature k višjim vrednostim (A T = 55° C), da pa je zaradi procesov staranja ta zamik še intenzivnejši (AT = 83°C).
Staranje izhodnega materiala, ki ni bil predhodno deformiran v hladnem, ne poslabša bistveno prehodne temperature (AT=15°), čeprav so bili časi staranja dovolj dolgi (20 ur pri T = 250° C).
Omeniti moramo še vpliv ostrine zareze na Charpye-vih preizkušancih. Evidentno je, da je preizkušanje z V zarezo ostrejše, presenetljiva pa je velika razlika med obema prehodnima temperaturama, kar AT = 40°C, kar je za prakso zelo pomembno spoznanje. Sledi namreč, da je neobhodno meriti žilavost tudi z metodami mehanike loma, torej z atomarno ostro zarezo, tako da zajamemo najmanj ugodne pogoje s stališča eksploatacije pri nizkih temperaturah.
Ker, kot že rečeno, za preiskano jeklo NIOMOL 490 ni bilo mogoče določiti korelacije med NDT-temperaturo ter temperaturo prehoda v krhko stanje tudi za starano jeklo, smo ta del preizkusov ponovili, in sicer z jeklom
With decreasing temperature the notch strenght ratio NSR and the uniform elongation egt increase for a short period of time vvhich could be related to the pres-ence of residuai austenite, and to the martensite respec-tiveiy, formed at lovver test temperatures — four tensile test specimens vvere prepared from NIOMOL 490 to prove it. Two of them vvere tested at room temperature, the other two vvere cooled dovvn to T= - 196° C in iiquid nitrogen hold for 1/2 an hour, and tested at room temperature. The tensile test shovved no differences betvveen the two specimens. That means that the steel had a stab/e microstructure and that the supposition of presence of residuai austenite is not founded.
3.2 Strain aging of NIOMOL 490 and NIOMOL 490 K,
checked by Drop Weight Test
To prove directly that the steel NIOMOL is affected by strain aging the unloading tensile test shovvn in Figure 4 was performed white the effect of temperature on the Charpy-Vimpact toughness is shovvn in Figure 5.
Slika 5.
Natezni preizkus NIOMOLA490 (t = 12mm) za ugotavljanje podvrženosti k staranju Figure 5.
Tensile test of NIOMOL 490 (t= 12 mm) to ascertain proneness to aging
Table 11: Results of measurements performed for the Niomol 490 steel
Designa-tion of the curve	Steel aging	Type of notch on specimen	Measured transition temperat T54 CO	Drop vveight test results C C)
A	initial condition/ normalized with a ferrit-bainit structure	Charpy V	-93	-85
B	initial condition + aging 250" C/20 hours	Charpy V	-78	-
C	initial condition + cold straining	Charpy V	-38	-
D	initial condition + 10 % cold straining + aging 250° C/30 min	Charpy V	-10	—
E	initial condition 4-10 % straining aging 250° C/30 min	Charpy U (P«)	-50	-
Tabela 11: Rezultati meritev za jeklo Niomol 490
Oznaka krivulje
Staranje jekla
Vrednosti Tip zareze ^.g drop
navzorcu prehoda j,* T54 (° C)	1
izhodno stanje (normalizirano s feritno-bainitno mikrostrukturo)
Charpy V
-93
-85
B C D
izhodno stanje + Charpy staranje 250° C/20 ur V
-78
izhodno stanje + hladna deformacija
Charpy V
-38
izhodno stanje + 10 % deformacija v Charpy hladnem + staranje V 250° C/30 minut
-10
izhodno stanje + 10 % deformacija v hladnem + staranje 250° C/30 minut
Charpy U
(P.)
-50
A B
C D
E .----
/1 B
C D
E .—
Niomol 490 - dobavno stanje - zareza Charpy-V Niomol -',90 - staran 250°C/20h- zareza Charpy-V Niomol 490 - I0%hladno deformiran-zareza Charpy-V Niomol 490 - 10% hladno deformiran in staran 250°C /30'- zareza Charpy -V Niomol 490- 10% hladno deformiran in staran 250°C/30'- zareza p3
Niomol 490 - as delivered condition -Charpy-Vnotch Niomol 490 -aged 250°C/20h- Charpy-V notch Niomol 490 -10% cold strained -Charpy-V notch Niomol 490 -10% cold strained and aged 250° C/30'- Charpy-V notch Niomol 490 - 10% cold strained and aged 250 "C/30'- p3 notch
žilavost (J) impact toughness
A
-140 -120 -100
T('°C> -93 -78 -50-36 Slika 6.
Žilavost v odvisnosti od temperature za jeklo NIOMOL 490 Figure 6.
Impact toughness as a function of temperature for the NIOMOL 490
The niti ductility temperature NDT as defined in ASME E 208 vvas determined. The results of aH measure-ments are shovvn in table XI.
It is evident, that already a small cold straining causes the transition temperature to shift to higher vaiues (A T= 55° C), and that this shift is stili greater after strain aging (AT= 83"C). The aging of the initiai material vvhich previously vvas not cold strained does not essen-tiaiiy affect the transition temperature (AT= 15°C) not even after a reiativeiy iong aging tirne up to 20 hours at T= 250° C.
The influence of the notch sharpness on Charpy specimens should be mentioned, too. It is evident, that the test vvith the V notch is more rigorous. The differ-ence betvveen the two transition temperatures, as high as AT= 40°C is surprising and very important from the user standpoint. it suggests nameiy that the toughness must be measured by the methods of fracture mechan-ics i. e. by an atomic sharp notch considering the ieast favourable conditions of use at lovv temperature.
/Is aiready mentioned, for the investigated NIOMOL 490, it vvas not possible to determine the correia-tions betvveen NDT and the transition temperatures not even for the aged steel, therefore these tests were partly repeated vvith NIOMOL 490 K, vvhich is a modified version of NIOMOL 490, vvith a transition temperature shifted to a lovver degree. The results are shovvn in Figure 6 and in table XII.
Table 12: Correlation betvveen transition temperatures into brittle state by the 54 J, 68 J criteria, resp. NDT temperature from DWT for Niomol 490 k
	Transition temp. to brittle state		
Material	Criterion 54 J	Criterion 68 J	from NWT
(°C)			
A	-122	-115	-120
B	-112	-110	-105
C	- 80	- 77	- 78
A Niomol 490 K — initiai state, that is as delivered B Niomol 490 K — aged state (250 °C/30 minutes) C Niomol 490 K —10% cold strained and aged (250° C/ 30 minut)
Temperature of the transition to the brittle state on the basis of the average vaiue for impact toughness 54 J (lit. V for NIOMOL 490, and on the basis of the criteria 68 J (lit.2) for steels ofsimilar type were determined from diagram in Figure 6. The curves in the transition region are very steep, thus the reading is very approximative. The obtained vaiues are shovvn together vvith the NDT temperatures of drop vveight tests in table XII.
The conformity of the Charpy's temperature of transition into brittle state to the NDT of drop vveight tests is surprising. it is important for the appiication of NIOMOL 490 K, but at the same tirne the general vaiidity of the reference vaiue of the CA T curve by Pellini is ques-tioned. Namely, it is obvious that the relation betvveen NDT and Charpy transition temperatures (into the brittle state) is compiicated and varies from type to type of steel.
3.3 Microfractografic examinations
Figure 7 shovvs the morphoiogy of the fracture surface of a NIOMOL 490 Charpy-V speci men in the initiai
NIOMOL 490 K, torej z modificirano verzijo jekla NIOMOL, ki pa ima temperaturo prehoda pomaknjeno k nižjim vrednostim. Rezultati so razvidni s slike 6 in tabele XII.
Tabela 12: Korelacija med temperaturo prehoda v krhko stanje po kriteriju 54 J, 68 J ter NDT temperaturo DWT testa
Temperatura prehoda v krhko stanje
Material
Kriterij 54 J
Kriterij 68 J
("C)
A	-122	-115	-120
B	-112	-110	-105
C	- 80	- 77	- 78
/5	—
B	—
C	—
A	—
B	~
c	—
NDT temperatura - iz DWT testa
Niomol 490 K dobavno stanje -zareza Charpy-V Niomol 490 K-10 %hiadno deformiran-zareza Charpy-v Niomol 490 K-10% hladno deformiran-staran 250"C/30' zareza Charpy - V
Niomol 490 K as delivered condition Charpy-Vnotch Niomol 490 K-10% cold strained -Charpy-V notch Niomol 490 K-10%cold strained -aged 250'C/30' Charpy-V notch
žilavost (J) impact ........o toughness
A Niomol 490 K — osnovno, to je dobavno stanje B Niomol 490 K — starano stanje (250 "C/30 minut) C Niomol 490 K — 10% deformirano v hladnem in starano (250° C/30 minut)
Iz diagrama na sliki 6 je odčitana temperatura prehoda v krhko stanje na osnovi kriterija srednje vrednosti žilavosti 54 J (lit.1), kot pri NIOMOLU 490, in na osnovi kriterija 68 J (lit.2) za jekla podobne vrste. Krivulje so namreč v območju temperature prehoda tako strme, da je izbira kriterija lahko poljubna. Dobljene vrednosti so skupaj z NDT temperaturami Drop VVeight Testa zbrane v tabeli XII
Ujemanje med Charpyjevimi temperaturami prehoda v krhko stanje ter NDT temperaturami je presenetljivo. S stališča uporabe jekla NIOMOL 490 K je to sicer zelo pomembno, vendar pa se ob tem postavlja vprašanje splošne veljavnosti definiranih referenčnih vrednosti na CAT krivulji po Pelliniju. Očitno je namreč, da je odvisnost med NDT ter Charpyjevimi temperaturami prehoda v krhko stanje bolj komplicirana in tudi povsem različna za različne vrste jekel.
3.3 Mikrofraktografske preiskave
Na sliki 7 je prikazana morfologija preloma površine Charpy-V preizkušanca jekla NIOMOL 490 je v izhodnem nestaranem stanju pri temperaturi —80° C.
Poleg obsežnih področij cepilnega tipa loma opazimo tudi področja jamičaste duktilne ločitve, ki jeklu še tudi pri tako nizki temperaturi preizkušanja dajejo znatno žilavost (80 J).
Mikromorfologija prelomne površine Charpy-V preizkušanca, izdelanega iz staranega jekla (10 % deformacije v hladnem + 250° C/30 minut) pri T = - 80° C je prikazana na sliki 8.
Prelom je povsem cepilne narave in temu je ustrezna tudi žilavost, vsega 20 J. V nasprotju s preizkušancem z V zarezo pa na preizkušancu z U zarezo, preizkušanim pod enakimi pogoji, lahko še vedno najdemo tudi področja duktilne ločitve, kot je to videti s slike 9.
Na Charpy-V preizkušancih iz staranega jekla se prvi duktilni grebeni pričnejo pojavljati na frakturnih površinah šele pri temperaturi preizkušanja —40° C ali višji, kot je to razvidno s slike 10.
Podobna kot slika 10 je tudi slika 11, ki pa prikazuje prelomno površino Charpy-V preizkušanca iz jekla, ki je bilo le deformirano v hladnem za 10 %, ne pa tudi starano.
Prvi duktilni grebeni se tu pojavljajo pri temperaturi preizkušanja —60° C ali večji, (slika 12)

\B
C

-4—
rm
150
100 90 80
70-68J 60
50
r54J
-140 -120\\\-X)0 -8Q
-122^112 -n5°c-tio°c
-60
-40 -20
-80
-77 "C
Slika 7.
Žilavost Charpy-V v odvisnosti od temperature za jeklo NIOMOL 490 K Figure 7.
Charpy-V impact toughness as a funetion of temperature for the NIOMOL 490 K
(nof aged) condition at the temperature — 80"C. Next to the extensive areas of eteavage fracture areas of dim-pied and duetite decohesion make steel considerably tough (80 J) at very iow test temperatures.
Figure 8 shovvs the fracture surface micromorpho-logy of a Charpy-V specimen of a strain aged steel at T= 80°. The fracture surface is of a cleavage type and consequently, the toughness amounts to only 20 J. Con-trary to the specimen vvith the V notch, in the U notch specimen under the same conditions, areas of duetite propagation stili can be found, as shovvn in Figure 9.
On the fracture surface of the Charpy V specimens made from aged steel the first ductiie ridges appear at the test temperature of - 40° C or higher, as shovvn in Figure 10 Like Figure 10, Figure 11 shovvs a fracture surface of a Charpy-V specimen of a steel, vvhich vvas cold strained for 10 % but not aged. The first ductiie ridges appear in this čase at a test temperature of - 60°C or higher. Finally it can be established that the nature of the fracture of the examined Charpy-V specimens in the region of transition temperature is of a mixed type. Besides, eteavage facets on the smaller or larger areas of ductiie fracture can be distinguished. These areas essentially contribute to the toughness because the toughness of the completely eteavage fracture is neariy nit.
Slika 8.
Mikromorfologija preloma površine Charpy-V preizkušanca jekla NIOMOL 490 v izhodnem stanju pri T= -80° C Figure 8.
Micromorphology of the fracture surface on Charpy-V speci-men of the NIOMOL 490 in the initial condition at T= - 80° C
Slika 9.
Mikromorfologija preloma površine Charpy-V preizkušanca jekla NIOMOL 490 za starano jeklo (10% def. v hladnem + 250" C/30 min.) pri T = - 80° C Figure 9.
Fracture surface micromorphoiogy of Charpy-V specimen of the aged NIOMOL 490 (10% cold deformation and +250" C/ 30 min.) at T=-80°C
Zaključimo lahko zagotovitvijo, da je narava preloma preiskanih CHARPY-V preizkušancev v območju prehodnih temperatur mešane oblike. Poleg cepilnih ploskev je na posnetkih moč razločiti večja ali manjša področja jamičastega duktilnega tipa loma. Žilavost jekla dajejo, oziroma k njej prispevajo, le ta duktilna področja,
Slika 10.
Mikromorfologija preloma površine Charpy-U preizkušanca jekla NIOMOL 490 za starano jeklo (10% def. v hladnem + 250°C/30 min.) pri T=-80°C Figure 10.
Fracture surface micromorphology of Charpy-U specimen of the aged NIOMOL 490 (10% cold deformation and aged 250° C/ 30 minutes) at 7"= - 80°C
Slika 11.
Mikromorfologija preloma površine Charpy-V preizkušanca jekla NIOMOL 490 za starano jeklo (10 % def. v hladnem + starano 250" C/30') pri T= -40" C Figure 11.
Fracture surface micromorphology of Charpy-V specimen of the NIOMOL 490 for the aged steel (10 % cold deformation and 250° C/30 minutes) at -40° C
3.4 Application of fracture mechanics to the analysis of results
The analysis was performed on NIOMOL 490 in the as delivered condition because this steeTs transition to
Slika 12.
Mikromorfologija preloma površine Charpy-V preizkušanca iz jekla NIOMOL 490 v nestaranem stanju (le 10 % det. v hladnem) pri T= -60°C Figure 12.
Fracture surface m/cromorpho/ogy of Charpy-V specimen of the not aged NIOMOL 490 (10 % cold deformation on/y) at T= — 60° C
medtem ko je žilavost s povsem cepilno obliko loma praktično nična.
3.4 Uporaba lomne mehanike pri analizi rezultatov
Za analizo je bilo izbrano jeklo NIOMOL 490 v dobavnem stanju. Pri tem jeklu je namreč prehod v krhko stanje bolj položen, zato je računanje soodvisnosti med temperaturami prehoda in NDT temperaturami sploh smiselno. Pri temperaturi -20° C (253 K) je bila žilavost Charpy-V tega jekla enaka 145 J. Lomno žilavost K,c izračunamo najprej s korelacijo Barsom-Rolfe za območje prehodnih temperatur, kot so navajata Faucher in Do-gan (lit.1):
Kfc = 0,22-E-CVN15
Dobimo:
Kfc = 0,22-2,05-102-1451,5 K,c = 280 M Pa (m)1'2
Pri tem smo za modul elastičnosti E vstavili vrednost 2,05-102 GN m-2, Charpyjeva-V žilavost pa je izražena v joulih.
Nekoliko nižjo vrednost dobimo, če izračunamo lomno žilavost KIC s pomočjo Hahn-Rosenfieldove korelaci-je. Dobimo namreč:
K|C = (0,05 • e, ■ n2 ■ E • Rp/3)1/2 Klc = (0,05 • 1,20 • 0,1492 ■ 2,05 ■ 105 • 472/3)1/2 K,c = 207 M Pa m1'2
Če izračunamo še K,c, kot sledi na osnovi merjenja J
integrala (lit.4), dobimo za KIC rezultat (K2 = J• E):
Kfc = 655-2,05-108 kN2 m-3 K|C = 336 M Pa m1'2
Na osnovi izračunavanj lahko sklepamo, da bi morebiti lahko K|C vrednosti pri nizkih temperaturah določili
brittle state is siower, therefore calculation of the corre-iation betvveen transition temperature and NDT temperatures is meaningful at ali. At the temperature of - 20° C (253 k) the Charpy V toughness of this steel vvas 145 J. The fracture toughness K,c is obtained first from the Barsom-Rolfe correlation for the transition temperature region, as stated by Faucher and Dogan (Ref.1):
Kfc= 0,22■ E■ CVN15
vvhich shovvs:
K2C= 0,22-2,05- 102- 145'5 K,c= 280 M Pa (m)1/2
For the elastic modulus the value of 2,05.102GN m~2 vvas chosen and the Charpy V notch toughness expressed in Joules. Lovver vaiues are obtained if the fracture toughness K/c is calculated vvith the Hahn-Ro-senfield correlation:
KIC= (0,05- Ef n2- E■ Rp/3)1/2 KIC= (0,05- 1,20■ 0,1492-2,05■ 106-472/3)1/2 K,c= 207 M Pa mm
lfnow KIC is calculated on the basis of J integral measurement (lit.4) for K/c, is the follovving:
K2C= 655■ 2,05■ 10skN2 m ~ 3
KIC= 336 MPa m1/2
These calculations shovv that K,c could be determined at lovv temperatures simply vvith the correlation given by Rolfe-Novak and thus the relationship betvveen KIC and NDT obtained. The vaiues for NIOMOL 490 and a temperature TJ— — 85° C are shovvn in table XIII The KIC vaiues vvere calculated on the basis of the correlation given by Barsom-Rolfe as a function of the reference transition temperature of nil ductility TNDtre, vvhich is defined as the difference betvveen the test temperature and the nil ductility temperature NDT.
Table 13: Relationship betvveen fracture toughness K,c and TuDTret for the Niomoi 490 steel in the delivered state (Tndt= — 85 °C)
Test temperature (°C)	TfJDT ref (K)	Impact toughness Charpy-V (J)	Calculated fracture toughness KIC (Mpa]im)
-20	65	145	280
-60	25	120	243
-75	10	100	212
-85	0	68	159
Let us compare the above mentioned results vvith the results (12, 13) from Figure 13, vvhich shovvs the relationship betvveen the reference vaiues of fracture toughness (the lovver band of these vaiues) and the relative temperature as quoted above. The diagram is vaiid for steeis, vvhich are used in the USA for nuclear reactor pressure vessels. On the basis of this diagram two steeis of similar type, vvhich have different NDT temperatures can be compared resulting in a logical supposition is that at a given vvorking temperature the resistance to fracture, defined by K/c, differs. One of the tvvo steeis could be used at lovver temperatures than the other, but vvith the same safety margin against fracture. /4s reference a value of K,c 210 MPa ji m, is chosen. In the NIOMOL steel such a toughness is achieved at the vvorking temperature, vvhich is only 10° C higher than NDT so already in the hazardous area. Just the opposite hap-
pens to the steel of Figure 13 where such a toughness is reached at a vvorking temperature of 100°C above the NDT in safe distance from NDT.
3.5 Fracture toughness determination for NIOMOL 490
by J integral measurements
J integral of the NIOMOL 490 was measured with CT specimens according to ASTM 813 method (13) and a procedure recomended by J. Heerens and K. H. Schwalbe (14). The determination of J integral and J,c values was carried out by the method of one speci-men with partial unioading. For detailed description of NIOMOL 490 testing see (Ref. 11). Figure 14 shows a loaded CT specimen with an instaied clip gauge for ioad line displacement measurement. In table XIV the JIC values obtained by the two methods are listed. The results shovv that the classical determination of the J integral in accordance with the standard ASTM E 813 is unsuitable for such tough materials as NIOMOL 490 as the values obtained are unrealistically high for J,c. The major part of the error is caused by blunting line which is unsuitable and does not consider the strain hardening of the metal. In the modified method proposed by J. Heerens, J. K. Schwalbe, the improvements refer to the R-line, which was aproximatec by an exponential function of the J form A. (A a)B (A and B being constants, Aa is
Slika 14.
Obremenjen CT preizkušanec z montiranim merilcem hoda v liniji delovanja obremenitve Figure 14.
Loaded CT specimen with an installed clip gauge for ioad line displacement measurements
kar enostavno s korelacijo po Rolfe-Novak ter na ta način dobili soodvisnost med K,c in NDT. Za jeklo NIOMOL 490 v dobavnem stanju dobimo pri Tndt=-85°C vrednosti, podane v tabeli XIII.
Tabela 13: Soodvisnost med lomno žilavostjo K,c in Tndt ref za jeklo Niomol 490 v dobavnem stanju (Tndt= -85°C)
Žilavost	Izračunana
Temperatura Tndt rel rh.m„ u	lomna žilavost-
testiranja (°C) (K) Oharpy-V	Kjc_
wt	(Mpajm)
150 " _130 "
t no -ago-
5 70-s50 -
" 30--
\ -90 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 ZO 30 4 0 50 60 70 80 90 100 Temperatura glede na T ndx™+ 'K' Temperature relative to TNDT „,f i k t
Slika 13.
Spodnja meja pasu referenčnih K,R vrednosti lomne žilavosti glede na referenčno prehodno temperaturo ničelne žilavosti (T Tndt ref) Figure 13.
Lower bound of KlR reference values as a function of the relative test temperature (T — TNDTre/J
V tej tabeli so prikazane KIC vrednosti izračunane na osnovi korelacije Barsom-Rolfe v odvisnosti od referenčne prehodne temperature ničelne žilavosti Tndt ref. Torej je Tndt ref določena kot razlika med temperaturo nične duktilnosti NDT in temperaturo testiranja.
Primerjamo sedaj zgornje rezultate z rezultati (lit.512) s slike 13
Iz diagrama na sliki 13 izhaja soodvisnost med referenčnimi vrednostmi lomne žilavosti (spodnji pas teh vrednosti) in relativno temperaturo, kot je bila definirana zgoraj. Diagram je veljaven za jekla, ki se v ZDA uporabljajo za nuklearne reaktorske posode. Na osnovi tega diagrama lahko primerjamo dve jekli podobne vrste, ki imata različni NDT temperaturi. Logičen je namreč sklep, da je pri dani temperaturi eksploatacije odpornost teh dveh jekel proti lomu, določena s K,c, različna. Eno od obeh jekel bo namreč uporabno do nižjih temperatur kot drugo, a z enako stopnjo zaščite pred lomom.
Kot referenčno vrednost za K|C izberemo npr. 210 MPa j'm. Pri NIOMOLU je takšna žilavost dosežena pri temperaturi eksploatacije, ki je le še 10° C višja od NDT, torej smo že v nevarnem območju. Nasprotno pa je v primeru jekla s slike 13, kjer je takšna žilavost dosežena pri temperaturi eksploatacije, ki je kar za 100° C višja od NDT in smo zato od NDT varno oddaljeni.
3.5 Določevanje lomne žilavosti jekla NIOMOL 490 z J integralom
J integral jekla NIOMOL 490 smo določili s CT preiz-kušanci po metodi ASTM E 813 (lit.13) in postopku, ki ga
Tabela 14: Vrednosti J,c določene po metodi ASTM E 813 in modificirani metodi J. Heerens, K. H. Schvvalbe za jeklo Niomol 490
JiC določen po
Oznaka Standardu ASTM Modificirani metodi preizkušanca	E 813_J. Heerens, K. H. Schvvalbe
2.2 2.3
2.5
2.6 2.7 2.9
1135 960 1400 1520 1690
kJ/m2
795 720 655 980 870 1330
Table 14: Values of J,c determined in accordance vvith ASTM E 813 and the modified method by J. Heerens, K. H. Schvvalbe for the Niomol 490 steel
„ .	J/c determined bv
Design at ion	-
of the test	Standard ASTM Modified method by
specimen	E 813 J. Heerens, K. H. Schvvalbe
2.2 2.3
2.5
2.6 2.7 2.9
1135 960 1400 1520 1690
kJ/rrf
795 720 655 980 870 1330
priporočajo J. Heerens, K. H. Schvvalbe (lit.14). Določanje J integrala in J|q vrednosti je potekalo po metodi z uporabo enega preizkušanca z delnim razbremenjevanjem. Potek preizkušanja NIOMOL 490 je podrobneje opisan v (lit.11). Na sliki 14 je prikazan obremenjen CT preizkuša-nec z montiranim clip-gauge v liniji delovanja obremenitve. V tabeli XIV pa so zbrane vrednosti J,c, določene po obeh metodah.
Iz rezultatov lahko povzamemo, da je klasično določanje J integrala skladno s standardom ASTM E 813, za tako žilave materiale, kot je NIOMOL 490, neustrezno, saj daje nerealno visoke vrednosti za J|c- Največji del napake gre na račun neustrezne blunting linije (linije otopi-tve), ki premalo upošteva utrjevanje kovine. Pri modificirani metodi, ki jo predlagajo J. Heerens, J. K. Schvvalbe ... se izboljšave nanašajo tako na R linijo, ki smo jo aproksimirali s potenčno funkcijo oblike J = AAa8 (A, B sta konstanti, Aa je napredovanje razpoke), kot tudi na blunting linijo, ki je določena z enačbo Aae = 0,4-dn-J/ a0. Tako napetost tečenja ct0, kot tudi faktor dn sta bila določena z upoštevanjem eksponenta deformacijskega utrjevanja n. Takšna realnejša enačba blunting linije, ki v večji meri upošteva utrjevanje kovine ter s tem močno plastifikacijo korena razpoke še pred njenim napredovanjem, daje v splošnem nižje vrednosti za JjC. Dobljene vrednosti za JIC od 655 kJ/m2 do 1330 kJ/m2 so bistveno nižje od vrednosti, dobljenih s klasičnim postopkom, vendar še vedno zelo visoke, kar govori o kvaliteti tega jekla.
4. ZAKLJUČEK
Raziskane so bile lomne značilnosti drobnozrnatega mikrolegiranega jekla NIOMOL 490 in deloma NIOMOL 490 K. Ugotovili smo, da z nateznim preizkusom, opravljenim pri nizkih temperaturah, lahko sicer določimo konvencionalne mehanske lastnosti jekla, ki jih konstruktor potrebuje za dimenzioniranje, nič pa ne moremo soditi o temperaturni meji uporabnosti jekla. O tem nam nič ne pove niti merjenje enakomernega raztezka niti lomne duktilnosti in tudi ne merjenje zarezne občutljivosti. Vsa ta merjenja so namreč opravljena v statičnih pogojih.
Udarni preizkusi so zajeli tako študij vpliva staranja jekla na temperaturo prehoda v krhko stanje, določeno s Charpy-V merjenjem žilavosti, kot tudi določanje temperature nične duktilnosti jekla z Drop VVeight Testom. Ugotovili smo, da se temperatura prehoda v krhko stanje, določena z merjenjem Charpy-V žilavosti, izredno dobro ujema s temperaturo ničelne duktilnosti jekla, kar daje pri tem jeklu merjenju Charpy-jeve žilavosti povsem nov pomen.
Mikrofraktografske preiskave so pokazale, da je prehod v krhko stanje povezan s spremembo morfologije preloma žilavostnih preizkušancev, katerih frakturna po-
crack increasement), as wel/ as to the blunting, vvhich is defined vvith the equation AaB= 0,4- dn- J//3o. The flovv stress po and also the factor dn vvere determined by tak-ing into consideration the exponent of strain hardening n. Such a more realistic equation of the blunting line tak-ing into consideration the strain hardening and thus the strong piastification of the cracks root before its propa-gation presents in general a iovver vaiue for J/c. The obtained values forJ/c from 655 kJ/m2 to 1330 kJ/m2 are essentialy Iovver from values obtained by a classical procedure, but stili very high, vvhich speaks for the qual-ity of this steel.
4. CONCLUSION
Finegrained microalloyed steel NIOMOL 490 and partly NIOMOL 490K vvere investigated for fracture char-acteristics. It vvas estabiished that by the tensile test performed at lovv temperatures the conventional mechanical properties required by designers can be determined, but nothing can be concluded on the temperature limits of the steel. Neither the uniform elongation nor the fracture ductility or notch sensibility give reliable information because ali those measurements are performed under static conditions.
The impact tests included the research on the effects of strain aging on the transition temperature to brittle state determined by Charpy-V toughness measurements as vvell as the determination of nii ductility temperatures vvith the drop vveight test.
It vvas estabiished, that the transition temperature defined by measurements of Charpy-V notch toughness agrees vvell vvith the nil ductility temperature, vvhich gives this steel a new meaning to Charpy-V notch impact toughness measurements.
Micro fractographic examinations shovved that the transition in to brittle state is connected vvith the change in morphology of the fracture surface on impact tough-ess specimens vvhich is a dimpied ductile in the upper shelf region. In the region of transition to brittle state the number of cleavage facets increases until at temperatures lovv enough the fracture becomes a completely brittle cleavage. The correlation betvveen the fracture toughness of steel at a particular operating temperature and the reference nii ductility temperature, Tndt ret is of vita/ importance for safe dimensioning, for NIOMOL 490 the correlation betvveen fracture toughness (in the region of transition temperatures K/c calculated as pro-posed by Roife-Barson) and the reference nii ductiiity temperature, TNDTre, vvas determined.
It became evident that just such a correlation is necessary for safe application of this steel at lovv temperatures. This makes possible a comparison vvith other
vršina je v območju »upper shelf« vrednosti povsem ja-mičasto duktilna, v območju prehoda v krhko stanje pa se povečuje delež cepilnih prelomnih ploskvic, vse dokler ni pri dovolj nizkih temperaturah prelom povsem ce-pilen.
Ker je za konstruktorja s stališča varnega dimenzioniranja izredno pomembna soodvisnost med lomno žila-vostjo jekla pri določeni temperaturi eksploatacije in referenčno temperaturo ničelne duktilnosti jekla (TNDTref), smo za preiskano jeklo NIOMOL 490 določili še odvisnost lomne žilavosti jekla (v območju prehodnih temperatur je bila KIC izračunana po Rolfe-Barsom) od referenčne prehodne temperature nične duktilnosti Tndt ref.
Izkazalo se je, da prav takšna soodvisnost pove vse o varni uporabi tega jekla pri nizkih temperaturah. Na tej osnovi je namreč možna primerjava s kakšnim drugim jeklom podobne vrste, ki pa ima drugačno NDT temperaturo; ugotovljena soodvisnost pa nam pove, katero od obeh bo imelo boljšo varnost proti krhkemu lomu.
steels of similar type, but of a different NDT temperature. The determined corretation shovvs vvhich ofthe tvvo resists the brittle fracture the best.
LITERATURA / REFERENCES
1.	B. Faucher and B. Dogan: Evaluation of the Fracture Toughness of Hot-Rolled Low-Alloy Ti-V Plate Steel, Metallurgical transactions, 19A, March 1988, 505—516.
2.	ASTM E 185: Standard Practice for Conducting Surveillance Tests for Light-VVater Cooled Nuclear Povver Reactor Ves-sels, E 706.
3.	G. T. Hahn, A. R. Rosenfield: Sources of Fracture Toughness — the Relation between K,c and the Ordinary Tensiie Properties of Metals, Applications Related Phenomena in Ti-tanium Alloys, ASTM STP 432, 1968, 5—32, Philadelphia.
4.	Barsom J. M., Rolfe S. T. "Correlations betvveen KIC and Charpy V-Notch. Test Resuits in the Transition — Temperature Range" — Impact testing Metals ASTM 466, American Society for Testing and Materials, 281—302, 1970.
5.	Scarlin R. B.. Shakeshaft M. "Limitations of some methods of establishing fracture-toughness data" — Metals Techno-logy, January 1981, 1—9.
6.	Rolfe S. T., Novak S. R "Slow-bend K,c testing of medium-strength high-toughness steels" — STP 463, Philadelphia, American Society for Testing and Materials, 124—159, 1970.
7.	Putatunda S. K. "A comparison of various fracture toughness testing methods" — Enginering Fracture Mechanics (Great Britain), 25, 1986, 4, 429-439.
8.	ASTM E 208: Standard Method for Conducting Drop-VVeight Test to Determine Nil-Ductility Transition Temperature of Ferritic Steelseels.
9.	J. M. Barsom and S. T. Rolfe: Impact testing of Metals ASTM STP 466, American Society for Testing and Materials 1970, pp. 281-302.
10.	Franc Vodopivec: Mikromorfologija preloma i mikrostruktura čelika. Zbornik letne škole "Perspektive razvoja i primeri mehanike loma", Dubrovnik, 23.-27. junij 1986, 173—187.
11.	Jelena Vojvodič-Gvardjančič: Lomne značilnosti drobnozr-natega mikrolegiranega jekla NIOMOL 490 (magistrska naloga, 1990).
12.	Eberhard Roos, Thomas Demler, Ulrich Eisele and Rainer Gillog: Fracture mechanics safety assessment based on mechanics of materials — Steel Research 61,1990, No. 4.
13.	ASTM Standard E 813-81: Standard Test Method for JIC, A Measure of Fracture Toughness, ASTM Standards, Part 10, 822-840.
14.	Modification of ASTM E 813-81, Standard Test Method for Improved Definition of J|C Using Nevv Blunting Line Equation J. Heerens et. al., 18th Natnl. Symp. on Fracture Mechanics Boulder, Colorado 1985.