Razvoj in uvajanje visokotrdnih drobnozrnatih mikrolegiranih jekel za uporabo v procesni industriji in gradbeništvu
Development and Introduction of High Strength Microalloyed Steels for Applications in Process Industry and Civil Engineering
J. Vojvodič Gvardjančič, Inštitut za kovinske materiale in tehnologije, Ljubljana B. Ule, Inštitut za kovinske materiale in tehnologije, Ljubljana S. Ažman, Slovenske Železarne, ACRONId.o.o., Jesenice
Raziskave mikrolegiranih jekel so pokazale, da staranje takšnih jekel premakne temperaturo prehoda Charpyjeve žila\>osti k višjim vrednostim, da pa se temperatura ničelne duktilnosti določena z Drop Weight Testom, zniža.Zato je pojasnjeno obnašanje takšnih jekel v pogojih nizkotemperaturne eksploatacije.
Ključne besede: mikrolegirana jekla, nizkotemperaturna žilavost, temperatura ničelne duktilnosti, mehanika loma
The tests on microalloyed steels have shown that the aging of these steels shifts the Charpy-V transition temperature towards higher values, while the nil ductility temperature determined with Drop Weight Test is reduced. So the behaviour of these steels will be described in the conditions of low temperature exploatation.
Key words : microalloyed steels, low temperature toughness, nil ductility temperature, fracture mechanics
1	Uvod
Raziskave obnašanja drobnozrnatih mikrolegiranih jekel pri nizkih temperaturah so pokazale, da se Charpyjeve krivulje prehoda iz žilavega vkrhko stanje, zaradi staranja jekla premaknejo k višjim temperaturam. Povsem nepričakovana pa je ugotovitev, da so temperature ničelne duktilnosti Tndt jekel v staranem stanju določene z Drop Weight Testom nižje od Tndt temperatur jekel v dobavnem stanju.
2	Eksperimentalni del
Kemične sestave jekel so zbrane v tabeli 1. Iz naštetih jekel smo izdelali Charpyjeve preizkušance z V zarezo za merjenje udarne žilavosti, ploščate upogibne preizkušance tipa P-3 po ASTM E 208 dimenzij 15,9* 127 mm s krhkim navarom na površini za merjenje temperature ničelne duktilnosti Tndt z Drop Weight testom, večje število cilindričnih nateznih preizkušancev premera 10 mm za določanje konvencionalnih mehanskih lastnosti jekel pri nizkih temperaturah ter večje število cilindričnih nateznih preizkušancev z zarezo po obodu za merjenje lomne žilavosti pri nizkih temperaturah. Merjenje lomne žilavosti

smo opravili s CT preizkušanci z modificirano zarezo po ASTME 399-83.
Vsi preizkušanci so bili orientirani prečno, torej tako, da je bila vzdolžna os preizkušancev pravokotna na smer valjanja. Zareze na drop vveight preizkušancih pa niso mogle biti orientirane od stranskih ploskev pločevine navznoter, torej z boka pločevine tako, kot pri žilavostnih preizkušancih, pač pa le z zgornje oziroma spodnje površine pločevine, torej z glavnih površin ploščatih preizkušancev proti notranjosti.
3 Rezultati
V diagramih na slikah 1 in 2 so prikazane udarne zarezne žilavosti po Charpyju v odvisnosti od temperature testiranja in to za dobavno in starano stanje (10% def. v hladnem + 250°C/30min. )jekel. Vdiagramesmo vnesli tudi izmerjene temperature ničelne duktilnosti Tndt določene z Drop We-ight testom.
Pri naših raziskavah smo našli dve korelacijimed lomno žilavostjo Kic in zarezno Charpyjevo žilavostjo CVN in sicer za jekla v dobavnem stanju v obliki:
Tabela 1 : Kemična sestava jekel v ut. - % Table 1 : Chemical composition ofthe steel (vveight %)
Vrsta jekla	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Mo	Cu	Nb	V	Al
NIOVAL 47 (20mm)	0,19	0,42	1,49	0,013	0,005	0,13	0,10	0,04		0,050	0,07	0,087
NIOVAL 47 (65mm)	0,14	0,33	1,53	0,014	0,005	0,16	0,15	0,01		0,042	0,07	0,026
NIONICRAL 70 (20mm)	0,11	0,28	0,27	0,009	0,007	1,07	2,80	0,26	0,20		0,06	0,043
NIONICRAL 70 (50mm)	0,11	0,37	0,34	0,009	0,003	1,03	2,63	0,27	0,17		0,08	0,050
NIONICRAL 96 (20mm)	0,14	0,29	0,51	0,017	0,009	1,64	2,76	0,42	0,21		0,01	0,054
NIOMOL 490 K (25mm)	0,08	0,34	0,36	0,011	0,004	0,54	0,17	0,27	0,36	0,058		0,052
NIOMOL 490 K (60mm)	0,05	0,35	0,42	0,011	0,004	0,75	0,29	0,33	0,40	0,058		0,057
Č.0562 (25mm)	0,17	0,32	1,28	0,020	0,009	0,21	0,23	0,05	0,35	0,003		0,045
Č.0562 (80mm)	0,18	0,46	1,29	0,036	0,004	0,30	0,15	0,03	0,22	0,001		0,043
Č.1204 (30mm)	0,21	0,25	0,51	0,011	0,025	0,02	0,04	0,01	0,009	0,050		0,027
sr
žilavost Charpy ■ V (J)
160
140 120 100 SO 60 40 20 0
	......											*			
—	'K dobavno ^ starano									A		*			
													1 J		
										j		> /	Si		it—
								* r	/		r' '■ti				
							/			/ / /					
		i v—					*		/	\					
	i			*		i,	.6-								
				>											
žilavost Charpy - V (J)
280
200 180 160
80
	1 + dc	i bavno	! »	stara	DO			A			-i	
							/ / -Pr+—					
												
			l			4		—				
		-Š "	i--			ti						
•r				i-""		<t		-				
-150-135-120-105 -90 -75 -60 -45 -30 -IS 0 15 30 45 60 75 90
temperatura preiskušanja ('C)
-195 -180 -165 -150 -135 -120-105 - 90 -75 -60 -45 -30 -15 0 15 30
temperatura preiskušanja ("C)
Slika 1 Odvisnost udarne žilavosti po Charpyju od temperature preizkušanja za jeklo Č. 0562, debeline 25 mm. Vrisani sta tudi Tndt temperaturi za obe stanji. Figure 1 Relation between Charpy - V notch toughness and testing temperatures for steel Č. 0562 thickness 25 mm. The arrows indicate the nil ductility temperatures.
Kic = 15,11.CVN 1
m za starano stanje:
Kic=35,10.CVN 0321
Višje vrednosti lomne žilavosti Kic za starano stanje ne presenečajo, ker staranje materiala porabi vso nukleacijsko
Slika 2 Odvisnost udarne žilavosti po Charpyju od temperature preizkušanja za jeklo Niomol 490 K, debeline 25 mm. Vrisani sta tudi Tndt temperaturi za obe stanji.
F'igure 2 Relation between Charpy - V notch toughness and testing temperatures for Niomol 490 K thickness 25 mm. The arrovvs indicate the nil ductility temperatures.
energijo, zato mora biti pri določeni vrednosti udarne žilavosti po Charpyju lomna žilavost Kic večja za starano m manjša za dobavno stanje. Rezultati merjenja lomne žilavosti Kic, Jic in izračunanih vrednosti po korelacijskih enačbah so za jeklo Č. 0562 debeline 25 mm prikazani na sliki 3
250 200 150 100 50
lomna žilavost K/c (MPa / m)
300
1 Tndt dob. =	-115° C I
	
.....	
1 Tndt star =	-120' Č
D
L/ Kje
72ZZZZ. AžČZČZZ. • '	••
Jqc
/upper shelf - dd/bavno
upper shelf starano
s
KjC
^^^^.......................,..................................,,,.......„,,.......
;	i	;	,	i	i	i	i	i	i	i	I	i	i	I	i	I
o
-150-140-130-120-110-100-90-80-70-60-50-40-30-20 -10	0 10 20 30 40
temperatura preiskušanja (' C)
lovver shelf • dobavno
legenda
dobavno stanje			starano stanje		
oznaka		enačba	Oznaka		enačba
		Izmtrjtna veljavna vrednost Kjq, J^ ( Kjq )	.... ^		Ižfnerjena veljavna vrednost K^ Jjq ( Kjq )
		Izmerjena vrednost ( ni izpolnjen pogoj debeline )	V		Izmerjšhd vrednost Kqq Jqq ( ni izpolnjen pogoj debelihej
		lower shelf K,c - 14.6285. (CVN) 1,2 K/c - 0.0717. o Kir2 - 0,0002219. E.(CVN)3'2			lovver shelf KIC = 14,6285. (CVN) 1,2 K/c - 0.0717. a K,r? - 0,0002219.8. (CVN)312
V					
					
*	W/t	upper shelf	+		upper shelf
		K/c = . / 0,6459. CVN. / <7y,5 - 0,00635			Kir - Gr- / 0,6459. CVN J Oj/r - 0,00635
* *		prehodno območja K,c2 - 0,0002219.E.(CVN)312 Kin - 11.53. (CVN)112	X X		prehodno območje KjC2 - 0,0002219. E. (CVN)312 Kin = 11,53.(CVN) 1'2
O		KIC~15.11169. CV/^ 0100^	0		KjC" 35,095.cvrfj j':uajl
Slika 3 Primerjava izmerjenih lomnih žilavosti izračunanimi po korelacijskih enačbah za jeklo Č. 0562, d=25 mm v dobavnem in staranem
stanju v odvisnosti od temperature
4 Diskusija
1.	Naše meritve dokazujejo, da je merjenje temperature ničelne duktilnosti pravilno tudi za starano stanje, saj bi sicer kakšna od izmerjenih vrednosti lomne žilavosti Kic ah Kje pri bistveno drugačni referenčni Tndt padla tudi pod referenčno krivuljo Kir v.s\ T - R Tndt, prikazano na sliki 4, kar pa se ni zgodilo.
2.	Temperature ničelne duktilnosti Tndt za jeklo v stara-
nem stanju lahko napovemo tako, da povežemo odvisnosti CVN vi'. T in CVN vs. K tako, da imajo diagrami skupno ordinato, kot je to prikazano na sliki 5. Na desnem delu te sestavljene slike je vsakokrat nanešena poleg naše korekcije CVN vs. Kic za dobavno in starano stanje še
odvisnost CVN vs. Kir upoštevaje krivulje po ASME na sliki 4. Na sliki 5 prikazana procedura temelji na hipotezi, da Tndt temperatura za jekla v različnem stanju ustreza odgovarjajoči Kir vrednosti za dano geometrijo preizkušanca in pogoje testiranja.
Dobro ujemanje izmerjenih vrednosti z napovedanimi, je razvidno iz tabele 2.
5 Zaključek
1. Odvisnost med lomno žilavostjo Kic in udarno zarezno žilavostjo CVN po Charpyju v območju temperatur ničelne duktilnosti je za starana jekla drugačna kot za nestarana jekla. Starana jekla imajo pri določeni vrednosti udarne
t/c. Kje. K/R I /nT J
							1			i				
												/ /		j
												/ /		/
									t				c -	SME
									e					
											/			
							*				V			
			*	*							/			
				L	' A	* A	A	Ci V	*					
___	___			A	Ai		JU-	i—-				KIR	■ ASME —	
														
240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20
0
-200-180 -160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100
r • RTNDT ( " C)
legenda:
* izmerjene veljavne vrednosti Kje - dobavno stanje
fc izmerjene veljavne vrednosti J;c - dobavno stanje (preračunano v Kjq )
a izmerjene veljavne vrednosti K/r - starano stanje
z izmerjene veljavne vrednosti J/c - starano stanje (preračunano v Kjq )
Slika 4 Odvisnost referenčnega faktorja intenzitete napetosti Kir od
referenčne temperature ničelne duktilnosti. Figure 4 The dependence of the reference stress intensity factor Kir on the nil ductility reference temperature RTndt
Tabela 2 : Primerjava izmerjenih in nomogramsko določenih
temperatur ničelne duktilnosti za starana jekla Table 2 : The comparison of the measured and by nomogram determined nil ductility temperatures for aged steels
Vrsta materiala	Izmerjena temperatura ničelne duktilnosti Tndt (°C)	Nomogramsko določena temperatura Tndt (°C)	ujemanje
Č.0562 _(d = 25 mm)	-120	-130	dobro
č. 1204 (d = 30 mm)	-101	-100	odlično
Niomol 490 K (d = 25 mm)	-145	-142	odlično
Nionicral 96 (d = 50 mm)	-125	-120	odlično
Nionicral 70 (d = 50 mm)	-117	-102	dobro
žilavosti po Charpyju v splošnem nekoliko višjo lomno žilavost.
2. Starana jekla imajo pri temperaturi ničelne duktilnosti viško Kir oziroma Karrest. vrednost, kot pa jo imajo nestarana jekla pri isti temperasturi, to je pri Tndt temperaturi staranih jekel. Starana jekla imajo namreč precej višjo napetost tečenja. Zato, da pri staranihjeklih dosežemo
zarezna žilavost Charpy - V (J)
zarezna žilavost Charpy - V (J)
-200 -190 -180 -170 -160 -160 -140 -130 -120 -110 -100 -90 temperatura prelskušanja - (°C)
20	40	60	80	100	120
faktor intenzitete napetosti K (MPa / m)
Slika 5 Nomogram za določanje temperature ničelne duktilnosti jekla Niomol 490 K d -25 mm. Figure 5 The nomogram for the determination of the nil ductilitv temperature of the steel Niomol 490 K 25 mm thickness.
enako Kir( Karrest.) vrednost ,j ih moramo še nekoliko bolj
podhladiti, kar pomeni, da bodo imela starana jekla nižjo
Tndt temperaturo.
6 Literatura
1	B. Ule, A. Rodič, J. Vojvodič Gvardjančič, I. Kovše, S. Ažman, Lomna žilavost drobnozrnatih mikrolegiranih jekel pri temperaturi ničelne duktilnosti, Rudarsko Metalurški zbornik, 39, 1- 2, 1992, 21-38
2	J. Vojvodič Gvardjančič, B. Ule, S. Ažman, Fracture Toughness of Fine Grained Microalloyed Steels atNil Ductility Temperature, The 3rd European Conference on Advanced Materials and Processes, Pariz, C. 364, 1993
3	J. Vojvodič Gvardjančič, Pogoji za prehod v krhki lom pri drobnozrnatih mikrolegiranih jeklih, Doktorska disertacija, 1994