ISSN 1318-0010 KZLTET 32(3-59)165(1998) VPLIV MEJE TEČENJA IN TEMPERATURE NA ODPORNOSTNE KRIVULJE J-R JEKEL S POVIŠANO TRDNOSTJO INFLUENCE OF YIELD STRENGTH AND TEMPERATURE ON J-R RESISTANCE CURVES OF HSLA STEELS JANKO LEGAT1, N. GUBELJAK1, J. VOJVODIČ TUMA2 1Fakulteta za strojništvo, Smetanova 17, 2000 Maribor 2Inštitut za kovinske materiale in tehnologije, Lepi pot 11, 1000 Ljubljana Prejem rokopisa - received: 1997-10-01; sprejem za objavo - accepted for publication: 1997-12-19 Namen tega dela in eksperimentalnih raziskav je ugotavljanje vpliva meje tečenja in temperature preizkušnja na odpornost materiala proti stabilnemu širjenju razpoke (krivulje odpornosti J-R) za konstrukcijsko jeklo in dva mikrolegirana jekla s povišano trdnostjo. Vsi trije materiali so bili preizkušani v treh različnih stanjih: dobavljeno (normalizirano ali poboljšano), deformirano in deformacijsko starano stanje. Preizkusi so bili opravljeni na standardnih preizkušancih CT pri sobni temperaturi in pri temperaturi neduktilnega loma. Za določitev prirastka razpoke med preizkusom je bila uporabljena metoda elastične popustljivosti. Dobljeni rezultati kažejo, da pride pri jeklih z višjo mejo plastičnosti s spremembo stanja materiala in temperature do večjega padca odpornosti materiala proti stabilnemu širjenju razpoke kot pri jeklih z nižjo trdnostjo. Ključne besede: integral J, odpornostne krivulje J-R, lomna žilavost The aim of this research program was to study the influence of yield strength and temperature on the ductile crack growth resistance (J-R resistance curves) of a common construction steel and three HSLA (high strength low alloy) steels. Three different material conditions were observed: normalized condition (as-delivered), deformed state and aged state. The experiments were carried out on standard CT specimens at room temperature and at the temperature of nonductile tearing. The unloading compliance technique to determine the stable crack growth during the test was used. The results obtained show that HSLA steels with higher yield strength are more sensitive to the condition of the steel and to low temperature influence than lower-strength steels are. Key words: integral J, resistance J-R curves, fracture toughness 1 UVOD Mikrolegirana visokotrdnostna jekla in jekla s povišano trdnostjo so namenjena za izdelavo delov konstrukcij ali strojev, ki so izpostavljeni nateznim obremenitvam. Z manjšimi debelinami pri visokotrdnostnih jeklih je mogoče zagotoviti enako nosilnost konstrukcije (nižje troosno napetostno stanje), kot pa s splošnimi konstrukcijskimi jekli, ki se uporabljajo za tlačno obremenjene dele konstrukcij. S širjenjem uporabe teh jekel na različna področja konstrukcijske gradnje je posebna pozornost posvečena parametrom, ki zagotavljajo duktil-nost, žilavost, sposobnost preoblikovanja in varivost teh jekel. Med izdelavo in obratovanjem jeklene konstrukcije so jekla lahko izpostavljena toplotnim vplivom, vplivom okolice in procesom staranja. Prav tako se tudi posamezni deli konstrukcije trajno preoblikujejo. S temi postopki se vpliva na spremembo mehanskih lastnosti in s Tabela 1 : Kemična sestava mikrolegiranih jekel v masnih procentih Table 1: Chemical compositions (weight %) of steels Jeklo C % Si % Mn % P % NIOVAL 47 0,19 0,42 1,49 0,013 0,005 NIONICRAL 70 0,09 0,27 0,25 0,015 0,004 Fe510D(Č.0562) 0,17 0,32 1,28 0,02 0,009 tem na nosilnost jeklene konstrukcije med obratovanjem. Zaradi tega je bil namen raziskovalnega dela podati primerjalno oceno odpornosti proti stabilnemu lomu med jekli z različnimi mejami plastičnosti in z različnimi stanji materiala. Lomnomehanski preizkusi so se izvajali na jeklih v treh različnih stanjih: A - dobavljeno stanje (normalizirano ali poboljšano), B - deformacijsko starano stanje (10% hladno deformirano + segrevanje na 250°C 30 minut), C - deformirano stanje (10% deformacije v hladnem na jeklih v dobavljenem stanju). 2 MATERIALI IN PREIZKU[ANJE Lomnomehanske meritve so bile opravljene na dveh mikrolegiranih jeklih s povišano trdnostjo: NIOVAL 47, NIONICRAL 70A in na konstrukcijskem jeklu Fe 510 D (po ISO 1052-1982) (po JUS: "Č.0562" ali po DIN: "St 52-3 N"). Kemična sestava teh jekel je podana v tabeli 1. 0,13 0,1 0,04 - 0,05 0,07 0,087 1,12 2,63 0,25 - - - 0,020 0,21 0,23 0,05 0,35 0,03 - 0,045 S % Cr % Ni % Mo % Cu % Nb % V % Al % KOVINE, ZLITINE, TEHNOLOGIJE 32 (1998) 3-4 165 J. Legat et al.: Vpliv meje tečenja in temperature Tabela 2: Oznake preizkušancev in mehanske lastnosti mikrolegiranih jekel, določene z nateznimi preizkusi (DIN 50125) Table 2: Marks of specimens and mechanical properties of HSLA steels obtained by round tensile testing (DIN 50125) Jeklo Oznake preizkušanca Rp0,2 MPa Rm MPa en % n VA 442 610 13,7 0,131 NIOVAL 47 V VB 647 726 4,7 0,073 VC 627 684 4,5 0,035 NA 737 787 7,5 0,054 NIONICRAL 70 N NB 838 895 2,0 0,029 NC 836 886 2,0 0,039 CA 366 553 14,3 0,153 Fe 510D C CB 586 656 4,8 0,070 CC 595 624 4,1 0,041 V tabeli 2 so poleg mehanskih lastnosti (Rpo,2 - meja plastičnosti, Rm - natezna trdnost, en - inženirski raztezek pri maksimalni sili, n - eksponent deformacijskega utrjevanja) tudi razvidne oznake preizkušancev, kjer prva črka v oznaki (V, N ali C) pomeni vrsto jekla, druga pa stanje materiala (A, B ali C). Preizkušanci so bili izrezani iz plošč 500x200x20 mm (NIOVAL 47, NIONICRAL 70), oziroma 500x200x25 mm (Fe 510D). Lomno mehanski preizkusi so bili izvedeni na standardnih1 preizkušancih CT (ang. "Compact Tension") pri sobni temperaturi za vsa tri jekla in pri temperaturah neduktilnega loma za jekla NIOVAL 47 (Tndt = -72°C) in Fe 510D (Tndt = -92°C). Jeklo NIONICRAL 70 v dobavljenem stanju ima temperaturo neduktilnega loma Tndt = -115°C, za katero nismo imeli na razpolago primerne hladilne opreme. Za določitev odpornostne krivulje J-R sta bili v skladu s priporočili2,3 uporabljeni metoda prekinjene obremenitve na seriji enakih preizkušancev (ang. "Multispecimen method") in metoda elastične popustljivosti pri delnih razbremenitvah enega preizkušanca (ang. "Single specimen method"). 3 REZULTATI IN RAZPRAVA Inženirske vrednosti J-integrala J0,2bl so kot rezultat lomnomehanskih preizkusov na sobni temperaturi zbrani v tabeli 3. Povprečni potek odpornostnih krivulj J-R na sobni temperaturi je podan na sliki 1. Opazno je, da imata obe poboljšani mikrolegirani jekli (NIOVAL 47 in NIONICRAL 70) višjo začetno odpornost proti stabilnemu lomu kot konstrukcijsko jeklo Fe 520D. Razmerje med J-R krivuljami jekel NIOVAL 47 in NIONICRAL 70 je značilno glede na razmere med mejami plastičnosti Rp0,2 in inženirskim raztezkom en. NIONICRAL 70 bo zaradi višje stopnje izločilnega utrjevanja s karbonitridi in nitridi izkazal višje vrednosti Rp0,2 in en, obenem pa bo izkazal manjšo odpornost proti stabilnemu širjenju razpoke glede na NIOVAL 47. Jeklo Fe 510D, v normal-iziranem stanju, izkazuje kljub najnižjim vrednostim Rp0,2 in višjim en najnižjo začetno odpornost proti stabilnemu lomu. Pri tem jeklu zaradi višjega eksponenta de- 344 formacijskega utjevanja n lomna odpornost materiala z rastjo razpoke narašča in bo v končni točki odpiranja v povprečju dosegla enako vrednost J integrala Jk kot pri poboljšanih jeklih. Pri jeklih, ki so bila po deformaciji starana, pa prihaja do nadaljnjega povišanja meje plastičnosti Rp0,2 ob hkrati skoraj nespremenjenem rastezku. To je posledica procesa umetnega staranja (T = 250°C za 30'), ker po hladni deformaciji prihaja do tvorbe nasičene Cottrelove atmosfere intersticijskih atomov (ogljika in dušika) okrog dislokacij, katerih gibanje zato postane ovirano. Posledica tega je povišana napetost tečenja in premik krivulje prehoda iz žilavega v krhko stanje k višjim temperaturam. Zaradi tega vsa tri jekla izkazujejo najnižjo odpornost proti iniciaciji in stabilnem širjenju razpoke z nižjo stopnjo nadaljnjega deformacijskega utrjevanja, kot je prikaznano na sliki 2 in podano v tabeli 3. V deformacijskem stanju, za razliko od dobavljenega stanja, kot je prikazano na sliki 3, pa vsa tri jekla izkazujejo nižjo odpornost proti iniciaciji in stabilnemu širjenju razpoke z nižjo stopnjo nadaljnjega deformacijskega utrjevanja. Vendar so inžinerske vrednosti J0,2bl kot rezultati lomnomehanskih preizkusov nekoliko višje glede na jekla v staranem stanju. Na osnovi primerjeve odpornost-nimi krivuljami J-R med iz slik 1, 2 in 3 je opazno, da sta poboljšani jekli najbolj občutljivi na stanje materiala. Konstrukcijsko jeklo, ki v dobavnem stanju izkazuje najnižjo vrednost iniciacije, bo v staranem in deformiranem stanju izkazalo najmanjši padec vrednosti J0,2bl kot parametra lomne žilavosti. Prav tako na osnovi primerjav med odpornostnimi krivuljami J-R je opazno, da se vpliv deformacijskega stanja najbolj izraža pri nižanju eksponenta deformacijskega utrjevanja n, medtem ko starano stanje vpliva bolj izrazito na višino dosežene vrednosti Jk-integrala v končni točki odpiranja. Med lomnomehanskimi preizkusi na jeklih NIOVAL 47 in Fe 510D pri nizkih temperaturah so se vsi preizkušanci krhko zlomili. Tako so krivulje v diagramu F-CMOD sedaj bistveno krajše, saj je npr. pri jeklu NIOVAL 47 kritična sila (zlom) dosežena za dobavljeno stanje že pri p0,5 mm odpiranja CMOD oziroma pri p0,35 mm za deformirano in pri p0,27 mm za starano stanje. S slike 4 je razviden zelo majhen raztros poteka eksperimentalnih krivulj F-CMOD, tako da krivulje, dobljene pri sobni temperaturi in pri -84°C za različna stanja (A, B, C), praktično sovpadajo, le da so krivulje pri nizkih temperaturah bistveno krajše. Ker so se vsi preizkušanci krhko zlomili, je sedaj poleg začetne relativne dolžine razpoke a0/W, sile F in J-integrala pri zlomu v tabeli 4 podan še kritični faktor intezivnosti napetosti, izračunan iz vrednosti Jc z izrazom1: KIf Ö JcE 1-u2 (1) kjer je Poissonovo število v = 0,3. KOVINE, ZLITINE, TEHNOLOGIJE 32 (1998) 5 J. Legat et al.: Vpliv meje tečenja in temperature 750 5dü 4BÛ Son -V-^tti. Jl i£0 F 4VBm>CB — t * j. ïteptv? r i i ! ^^ i j ( / ->■ v^ 4Ä * 'v HC S t ■ I r j t iö.. ,3h0 M|W-it) \ j < ^ r i ■ 0,2 d,4 g.g c iži t □ mm I Slika 1: Povprečni primeri odpornostne krivulje J-R mikrolegiranih jekel na sobni temperaturi v dobavljenem stanju Figure 1: Average examples of J-R resistance curves of HSLA steels at room temperature and normalized condition Slika 3: Povprečni primeri odpornostne krivulje J-R za deformirano stanje mikrolegiranih jekel pri sobni temperaturi Figure 3: Average examples of J-R resistance curves of HSLA steels at room temperature and deformed state Tabela 3: Povprečne vrednosti lomnomehanskih preizkusov pri sobni temperaturi Table 3: Average values of the fracture toughness testing at room temperature Oznaka ao/W Da mm J0,2BL N/mm Da0,2BL mm Jk N/mm VA 0,549 1,659 440 0,381 821 VB 0,566 1,445 265 0,307 592 VC 0,556 2,975 320 0,326 550 NA 0,562 1,129 327 0,325 556 NB 0,563 1,516 230 0,280 332 NC 0,560 1,156 231 0,279 457 CA 0,575 1,554 220 0,280 320 CB 0,552 1,430 254 0,298 410 CC 0,559 1,591 273 0,304 530 Tabela 4: Povprečni vrednosti lomne žilavosti izmerjene pri temperaturah Tndt Table 4: Average values of fracture toughness measured at Tndt temperatures Tnd Oznaka a0/W Fc Jc Kjc t °c kN N/mm MPa.m0,5 VA 0,554 31,9 53,6 109 -84°C VB 0,559 19,3 19,5 66 VC 0,553 22,7 26,5 77 CA 0,543 39,3 33,1 258 -72°C CB 0,562 27,6 65,1 116 CC 0,565 26,6 46,7 100 Povprečni rezultati preizkusov pri nizkih temperaturah, ki so zbrani v tabeli 4, kažejo na zmanjšanje od- gge JV 3ÛD 15Đ F a-Emici i rtipKt J i j F r VB j 1 J ** CB i \ S T" i jrt-' ' ' V -ND w * J 1 ■ □.2 D4 at □,& 1.0 1,3 ab. mr* Slika 2: Povprečni primeri odpornostne krivulje J-R za starano stanje mikrolegiranih jekel pri sobni temperaturi Figure 2: Average examples of J-R resistance curves of HSLA steels at room temperature and aged state Slika 4: Primerjava krivulj J-CMOD za jeklo nioval 47 pri sobni temperaturi in pri -84°C Figure 4: Comparison of J-CMOD curves of nioval 47 steel between room temperature and Tndt = -84°C 344 KOVINE, ZLITINE, TEHNOLOGIJE 32 (1998) 5 J. Legat et al.: Vpliv meje tečenja in temperature pornosti materiala proti stabilnemu širjenju razpoke, saj so vrednosti kritičnega J-integrala Jc tudi do 90% nižje, kot pri sobni temperaturi. Nadalje je razvidno še dodatno znižanje žilavosti Jc (oziroma Kjc) pri deformiranem stanju (za p50%) in še bolj pri staranem stanju (za p70%). Prav tako je opazno, da se rastros žilavosti z deformacijo, predvsem pa s staranjem in z nižanjem temperature, znižuje. To pomeni, da stanje jekla z nižanjem temperature postaja odločilno za lomno vedenje konstrukcije. 4 SKLEPI Učinek nižanja odpornosti materiala proti stabilnemu širjenju razpoke postaja bolj izrazit z nižanjem temperature, pri čemer je stanje jekla odločilno za lomno vedenje konstrukcije. Zaradi tega je treba pri snovanju jeklene konstrukcije predvideti spremembo lomne odpornosti jeklene konstrukcije med obratovanjem. ZAHVALA Avtorji se zahvaljujejo Železarni Jesenice - ACRONI, d.o.o., za dobavo in pripravo jekel za lomnomehanska preizkušanja. Mikrolegirana jekla s povišano trdnostjo imajo v primerjavi s konstrukcijskimi jekli v dobavljenem stanju pri sobni temperaturi višjo odpornost proti iniciaciji stabilne rasti razpoke. Pri hladni deformaciji ali staranju jekla pa prihaja do nižanja žilavosti, ki je tudi nižja od žilavosti (normaliziranega) konstrukcijskega jekla z nižjo mejo plastičnosti. 5 LITERATURA 1ASTM E 813-88: Annual Book of ASTM Standards, Vol. 03.01, American Society for Testing and Materials, Philadelphia, 1990 2Schwalbe, K.-H., Neale, B. K. and Heerens, J.: EFAM GTP 94, Geesthacht 1994 3 European Structural Integrity Society.: ESIS P2-1992 344 KOVINE, ZLITINE, TEHNOLOGIJE 32 (1998) 5