UDK 621.791.052:539.55:669.14.018.298 ISSN 1580-2949 IzvirniznanstveničlanekMATER.TEHNOL.34(6)371(2000) V. GLIHA ET AL.: PRIMERJAVA LOMNE ŽILAVOSTI TVP ... PRIMERJAVA LOMNE ŽILAVOSTI TVP, IZMERJENE PRI DVEH VRSTAH MAJHNIH PREIZKUŠANCEV COMPARISON OF HAZ FRACTURE TOUGHNESS MEASURED BY TWO TYPES OF SMALL SCALE SPECIMENS Vladimir Gliha1, Tomaž Vuherer1, Boris Ule2, Jelena Vojvodič-Tuma2 1Fakulteta za strojništvo, Univerza v Mariboru, Smetanova 17, 2000 Maribor, Slovenija 2Inštitut za kovinske materiale in tehnologije, Lepi pot 11, 1000 Ljubljana, Slovenija vladimir.glihaŽuni-mb.si Prejem rokopisa - received: 2000-10-10; sprejem za objavo - accepted for publication: 2000-11-16 Na simulatorju Gleeble smo pripravili vzorce materiala z mikrostrukturo štirih različnih TVP ob črti taljenja. Iz njih smo izdelali preizkušance za merjenje udarne in lomne žilavosti. Lomno žilavost smo izmerili pri dveh vrstah majhnih preizkušancev z razpoko: pri okroglih nateznih in upogibnih SENB-preizkušancih. Pri prvih smo lahko določili KIc, pri drugih pa ?c. Ko primerjamo vrednosti ?c s KIc, dobimo preoptimistične rezultate. Debelina SENB-preizkušancev je tudi pri zelo nizki lomni žilavosti še premajhna. Ključne besede: zvarni spoj, konstrukcijsko jeklo, toplotno vplivano področje (TVP), črta taljenja, termični vpliv, lomna žilavost Samples of material with microstructures of four different HAZ situated at the fusion line were prepared on a Gleeble simulator. Specimens for the experimental determination of impact and fracture toughness were machined from samples. The fracture toughness was measured on two types of small pre-cracked specimens. The KIc was determined on round tensile specimens while the ?c was obtained from SENB specimens. The results obtained from the SENB specimens are too optimistic in comparison with the KIc. The SENB specimens are not thickenough, even at very low fracture toughness. Key words: weld joint, constructional steel, heat-affected zone (HAZ), fusion line, thermal influence, fracture toughness 1 UVOD Na toplotno vplivanem področju (TVP) zvara se termični vpliv varjenja opazi že pri mikrostrukturi. Spremenjena mikrostruktura se kaže pri lastnostih TVP. Te so drugačne kot lastnosti vgrajenega osnovnega materiala. Za zanesljivo in varno uporabo zvarjenih konstrukcij je zelo pomembna žilavost TVP. Pri naši raziskavi smo analizirali žilavost TVP zvarnega spoja na poboljšanem visoko trdnem konstrukcijskem jeklu Niomol 490K. To jeklo so razvili, da bi bilo odporno proti koroziji v kislih medijih, zato je zelo čisto. Pri takšnih konstrukcijskih jeklih so poglavitni problem varivosti manjša ali večja krhka področja TVP. Le-ta so posebno nevarna, kadar pri obremenitvi zvarnih spojev pride do interakcije med napetostmi in obsto-ječimi ravninskimi napakami, še posebno, če so to razpoke. Nastajanje razpok pri varjenju konstrukcijskih jekel pa je zelo očiten znak slabe varivosti. V industriji uporabljajo za kontrolo kakovosti izdelovanja zvarnih spojev že od nekdaj različne metode neporušnih preiskav zvarov. Povečana verjetnost, da se pri uporabi varjene konstrukcije s krhkmi področji v zvarih zlomi obremenjeni spoj delavniške kakovosti, je resna grožnja celovitosti varjene konstrukcije. Zato je razumljivo, da skušamo pri varjenju priti do čim bolj žilavega TVP. Lomna žilavost je tista lastnost materiala, od katere je odvisna raven največje možne interakcije med napetostmi in razpokami brez škodljivih posledic. Lomna žilavost je tako kot vse druge lastnosti TVP funkcija kemične sestave varjenega jekla in termične zgodovine. Termična zgodovina TVP pa je funkcija parametrov varjenja in načina gradnje vara, torej uporabljene tehnologije izdelave zvarnih spojev. 2 EKSPERIMENTALNO DELO Kemična sestava obravnavanega jekla je navedena v tabeli 1. Tabela 1: Kemična sestava jekla (mas. %) Table 1: Chemical composition of steel (wt. %) C Si Mn P S Mo Cr V Nb N Al 0,07 0,54 0,56 0,008 0,002 0,35 0,67 0,01 0,062 0,007 0,025 Na simulatorju Gleeble smo pri vzorcih jekla debeline ?17 mm simulirali termične razmere tikob črti taljenja pri varjenju z dvema vnosoma toplote. Tako se je mikrostruktura izoblikovala pri dveh različnih hitrostih ohlajanja. Pri transformabilnih jeklih je merilo za hitrost ohlajanja čas ?t8/5, ko se TVP ohladi z 800 na 500 °C. Tu se avstenit transformira v fazo, ki je stabilna pri temperaturi, kjer se varjeno konstrukcijo pozneje uporablja. Področje tikob črti taljenja je značilno po najbolj MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 34 (2000) 6 371 V. GLIHA ET AL.: PRIMERJAVA LOMNE ŽILAVOSTI TVP grobem zrnu. Ponavadi je zelo trdo in manj žilavo kot preostanekTVP. Simulirali smo enovarkovni in dvovarkovni termični vpliv izdelave zvarnega spoja: a) Vzorce jekla smo s hitrostjo 200 K/s segreli do Tp=1350 °C. To temperaturo smo držali tri sekunde. Vzorce smo nato ohladili s hitrostjo, ki ji ustreza čas ?t8/5. Pri takšnih termičnih razmerah (slika 1) se pri varjenju izoblikuje ob črti taljenja grobozrnato TVP. b) Vzorce smo dvakrat segreli s hitrostjo 200 K/s, prvič do Tp1=1350 °C in drugič do Tp2=780 °C. Obe temperaturi smo držali po tri sekunde. Pri takšnih termičnih razmerah (slika 2) se pri varjenju izoblikuje ob črti taljenja dvovarkovno TVP, ki je bilo po varjenju prvega, najbližjega varka grobozrnato. Pri reprezentativnih vzorcih s simulirano mikro-strukturo TVP smo izmerili trdoto. Iz drugih vzorcev smo izdelali preizkušance Charpy za meritev udarne žilavosti in dve vrsti majhnih preizkušancev z razpoko za meritev lomne žilavosti (slika 3). Za obravnavane štiri vrste TVP ob črti taljenja so podatki o termičnem vplivu pri simulaciji v tabeli 2. Tabela 2: Termične razmere pri simulaciji TVP in trdota Table 2: Thermal condition during HAZ simulation and hardness oznaka Tp/pi t/tj At8/5 Tp2 t2 At5/3 trdota °C S s °C s S HVsooss OM - - - - - - 150 TVPi-io 1350 3 10 - - - 215 TVPi-30 1350 3 30 - - - 197 TVP2-10 1350 3 10 780 3 20 219 TVP2-30 1350 3 30 780 3 60 220 Temperaturno območje, ki je zanimivo za uporabo obravnavanega jekla, je od sobne temperature pa do -40 °C, kar je najnižja možna temperatura, ki so jo ugotovili v našem podnebnem območju. 3 REZULTATI MERITEV IN RAZPRAVA Rezultati meritev udarne in lomne žilavosti analiziranih TVP ob črti taljenja so v odvisnosti od 1400 300 350 temperature prikazani na slikah 4 in 5, njihova trdota pa v tabeli 2. Že rezultati meritev udarne žilavosti CVN kažejo pri obravnavanem jeklu na slabo žilavost TVP ob črti taljenja. Prehodna temperatura iz krhkega v žilavi lom je namreč dokaj visoka. Pri preizkusih pri okroglih nateznih preizkušancih z razpoko (dimenzije so na sliki 3) smo določili lomno žilavost materiala naslednji zahtevi: KIc, saj so te vrednosti ustrezale D>1,5 Ic R (1) p J D je premer preizkušanca (10 mm). Mejo tečenja Rp posameznih TVP smo ocenili iz znane meja tečenja z varjenjem termično nevplivanega jekla (>490 MPa) in iz razmerja med trdotami jekla in TVP, ki jih izračunamo iz podatkov v tabeli 2. V temperaturnem območju od -40 do 0 °C je KIc analiziranih štirih TVP med 40 in 50 MPam1/2. Pri enovarkovnih TVP smo ugotovili nekoliko višje vrednosti kot pri dvovarkovnih. Pri preizkusih pri SENB-preizkušancih z razpoko (dimenzije so na sliki 3) ni bilo mogoče določiti lomne žilavosti KIc, niti vrednosti Kc v skladu s standardom 1. Sicer trenutni zlom je vsakokrat nastal pri preveč nelinearnem preizkusu. Vsi preizkušanci so se zlomili brez najmanjšega predhodnega stabilnega naraščanja razpoke. Tako smo kot lomno žilavost materiala določili parameter ?c 2. Izmerjene vrednosti ?c pri -40 °C so majhne. Pri -20 °C so izmerjene vrednosti ?c pri obeh enovarkovnih TVP opazno večje, pri dvovarkovnih pa le neznatno večje. Iz rezultatov meritev (sliki 4 in 5) lahko sklenemo, da je lomna žilavost enovarkovnega grobozrnatega TVP (TVP1-10 in TVP1-30) večja od dvovarkovnega ob črti taljenja, ki je bilo po prvem varku grobozrnato (TVP2-10 in TVP2-30). Med lomno žilavostjo TVP pri ?t8/5=10 s (TVP1-10 in TVP2-10) in tisto pri ?t8/5=30 s (TVP1-30 in TVP2-30) pa ni opaziti prav velikih razlik. Isto potrjujejo 1400 1200 1000 U 800 H 600 400 200 0 hTpl T = 800°C \ T = 500°C \t = 300°C u .AtoČčč-Č. JČ AČačč-—Č_ ----- 50 100 250 300 350 Slika 1: Simulacija enovarkovnega grobozrnatega TVP pri ?t8/5=30 s Figure 1: Single-cycle coarse-grain HAZ simulation at ?t8/5=30 s 150 200 t Šs] Slika 2: Simulacija dvovarkovnega TVP ob črti taljenja, ko je At8/5=10 s (At5/3=20 s) in Tp2=780 °C Figure 2: Simulation of double-cycle HAZ at the fusion line when At8/5=10 s (At5/3=20 s) and Tp2=780 °C 2 372 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 34 (2000) 6 V. GLIHA ET AL.: PRIMERJAVA LOMNE ŽILAVOSTI TVP Slika 3: Preizkušanci za merjenje udarne žilavosti (levo) ter lomne žilavosti KIc (sredina) in CTOD (desno) Figure 3: Specimens for measurement of impact toughness (left), fracture toughness KIc (middle) and CTOD (right) tudi rezultati meritev udarne žilavosti CVN. Prehodna temperatura iz krhkega v žilavi lom je pri obeh enovarkovnih TVP nižja kot pri dvovarkovnih, pri čemer pa razlike v trdnosti (trdoti) niso posebno velike. Trdota TVP ob črti taljenja je glede na izhodiščno stanje obravnavanega jekla zvečana za 30 do 50 %. Niti pri simulaciji varjenja z najmanjšem vnosom toplote, ki ustreza hitrosti ohlajanja ?t8/5=10 s, trdota TVP ne doseže trdote martenzita s C=0,07 % 3. Prekaljivost tega jekla je, tako kot velja za vsa nizkoogljična konstrukcijska jekla, dokaj nizka. Jeklo Niomol 490K ima v poboljšanem stanju drobnozrnato feritno-bainitno mikrostrukturo. Ker je jeklo zelo čisto, ni odporno proti rasti zrn. Zrna najbolj rastejo tam, kjer je med varjenjem temperatura najvišja. To je tikob črti taljenja. Kar se tiče žilavosti TVP pri konstrukcijskih jeklih, je zaželeno, da so zrna čim bolj fina. Tudi otočki konstituentov M/A, ki jih lahko najdemo v TVP tikob črti taljenja, za žilavost niso ugodni 4. Te mikrostrukturne sestavine so posledica obogatitve avstenita s C v času izločanja predevtektoidnega ferita po mejah avstenitnih zrn. Zaradi povečane koncentracije C in hitrega ohlajanja pride ponekod do -100 -so TŠ°C] TŠ°C] Slika 4: Temperaturna odvisnost udarne žilavosti CVN (zgoraj) ter lomne žilavosti KIc (sredina) oziroma ?c (spodaj) materiala enovar-kovnih grobozrnatih TVP z oznako TVP1-10 (levo) in TVP1-30 (desno) Figure 4: Temperature dependance of impact toughness CVN (top), fracture toughness KIc (center) and ?c (bottom) of single-cycle coarse-grain HAZ designated as TVP1-10 (left) and TVP1-30 (right) transformacije avstenita šele pri zelo nizkih temperaturah, zato je takrat izoblikovana faza trda in krhka. Pri grobozrnatem avstenitnem zrnu ob črti taljenja so razmere za izločanje predevtektoidnega ferita bolj ugodne, zato je tu mogoče pogosteje najti konstituente M/A. Napetostne razmere pri eksperimentalnem določe-vanju lomne žilavosti so definirane z vpetostjo. Če bi bile te na obeh vrstah uporabljenih preizkušancev pri zlomu enake, bi morali dobiti identične rezultate. Rezultati meritev dokazujejo, da pri enaki temperaturi vpetost pri obeh vrstah preizkušancev ni bila enaka. Vpetost, ki zagotovi ob konici razpoke ravninsko stanje napetosti, je odvisna od lastnosti materiala in geometrije preizkušanca. Ta pogoj je za okrogle natezne preiz-kušance podan z (ne)enačbo 1, za SENB-preizkušance pa z (ne)enačbo 2: B>2,5 i (2) p J B je debelina SENB-preizkušanca, ki je v našem primeru 8 mm (slika 3). Čeprav rezultati meritev lomne žilavosti pri okroglih nateznih preizkušancih zadostijo pogoju v (ne)enačbi 1 (zato označimo izmerjene vrednosti s KIc), pa pogoj v (ne)enačbi 2 za enake vrednosti ni izpolnjen. Pri SENB-preizkušancih zaradi tega sploh nismo mogli izmeriti lomne žilavosti KIc. Kljub kvazi-krhkemu lomu pri vseh preizkusih smo lahko določili samo ?c. V nadaljevanju je poskus primerjave eksperimentalno določenih vrednosti lomne žilavost ?c in KIc, ki sta izmerjena pri različnih majhnih preizkušancih iz enakega materiala: 200 300 150 250 ° o 73. =Ȧ200 Z 150 Z 100 o 50 O 100 60 0 -r *$-&¦L? 100 100 F 75 S" 75 E S. 50 S. 50 ¦ -0-O-9--U--------%- Č 25 s| 25 0 0 0,3 0.3 A 1-0,2 ?0,2 E E / ** 0,1 •* 0,1 •f* "Č o/ / faÜ /> 00 » / J bO 9 +1**-*° TŠ°C] T fC] Slika 5: Temperaturna odvisnost udarne žilavosti CVN (zgoraj) ter lomne žilavosti KIc (sredina) oziroma ?c (spodaj) materiala dvovar-kovnega TVP ob črti taljenja z oznako TVP2-10 (levo) in TVP2-30 (desno) Figure 5: Temperature dependance of impact toughness CVN (top) and fracture toughness KIc (center) and ?c (bottom) of double-cycle HAZ at the fusion line designated as TVP2-10 (left) and TVP2-30 (right) Ic MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 34 (2000) 6 373 V. GLIHA ET AL.: PRIMERJAVA LOMNE ŽILAVOSTI TVP 400 sF 300 "E co O- 200 100 0 400 T = -40 °C | A Kc A A KEE A A A A A k A S A e 0 0 i TVP,.10 TVPlso TVP2.10 TVP2 E cö D. T = -20 °C A O K|C k A «e ¦  IKee & A A ' A A - A 0 0 Ô 1 300 200 100 TVP,.Č TVPL30 TVP2.10 TVP2.30 Slika 6: Primerjava eksperimentalno določene lomne žilavosti Kic pri -40 in -20 °C z ustreznimi vrednostmi parametrov Kc in KEE, ki so preračunani iz izmerjenih vrednosti 5C. Figure 6: Comparison of experimentally determined fracture toughness Kic at -40 and -20 °C with relevant values of parameters Kc and KEE calculated from measured values of 5C. 1. Najprej uporabimo predpostavko, da sta oba parametra v naslednji zvezi 2: Kc = 2-R-E-O l-Šl2 (3) 2. Rp, E in µ so meja tečenja, elastični modul in Poissonovo število materiala. Rp smo ocenili iz trdot, za E oz. µ pa smo vzeli 210 GPa oz. 0,3. Gornja enakost gotovo drži pri popolnoma linearnih preizkusih. Ko se nelinearnost, ki je posledica plastične deformacije ob konici razpoke, povečuje, so razlike med KIc in ?c vse večje. Za štiri analizirane TVP so pri temperaturah -40 in -20 °C rezultati preračuna ?c v Kc (enačba 3) prikazani na sliki 6. Nato uporabimo metodo, pri kateri se potek preizkusa linearizira s predpostavko o enaki energiji za zlom 5. Pri tej predpostavki lahko iz izmerjene energije A pri ne dovolj linearnem preizkusu izračunamo fiktivno obremenitev PE, ki omogoča izračun faktorja KEE: Y ?P P =4l-k-A K = - EE B-ylW (4) k je začetna linearna odvisnost diagrama obre-menitev-pomik. Y je oblikovni faktor, ki je funkcija relativne velikosti razpoke a/W, B in W pa sta debelina in širina SENB-preizkušanca. Da smo lahko pri preizkusu ocenili energijo A, smo predpostavili, da je upogib SENB-preizkušanca sorazmeren z merjenim razmikom CMOD. To velja le, dokler ni stabilnega naraščanja razpoke. Tega pa nismo registrirali niti v enem primeru. Za štiri analizirane TVP so pri temperaturah -40 in -20 °C rezultati te pretvorbe (enačba 4) prikazani na sliki 6. Primerjamo jih lahko z vrednostmi KIc, ki smo jih izmerili pri okroglih nateznih preizkušancih z razpoko, in z vrednostmi Kc, ki so preračunane iz ?c z uporabo enačbe 3. Ugotavljamo, da so vrednosti KEE bližje dejanski lomni žilavosti materiala analiziranih TVP kot vrednosti Kc. Pri nizki žilavosti sta KEE in KIc skoraj enaka. Ker debelina SENB-preizkušancev niti v teh primerih ne zadovolji pogoja v enačbi 2, to še ni KIc. Metoda ekvivalentne energije je torej kar primerna za približno ocenitev lomne žilavosti materiala KIc, posebno če nelinearnost pri preizkusu ni prevelika. 4 SKLEP Obe vrsti uporabljenih majhnih preizkušancev (okrogli natezni in upogibni SENB) so primerni za eksperimentalno določitev lomne žilavosti vzorcev s simulirano mikrostrukturo TVP, ki so tako majhni, da jih je mogoče pripraviti na simulatorju Gleeble. Pri rezultatih preizkusov pri obeh vrstah preizkušancev gre za približno enaknivo izmerjene lomne žilavosti. Ker je pri SENB-preizkušancih vpetost manjša kot pri okroglih nateznih preizkušancih, so prvi manj primerni za določitev KIc. Zakaj pa bi potem sploh uporabljali SENB-preizkušance? Obe vrsti majhnih preizkušancev lahko izdelamo iz vzorcev, ki so pripravljeni na simulatorju Gleeble. Vendar pa tudi okrogli natezni preizkušanci z razpoko ne omogočajo določitve lomne žilavosti KIc, ko merila v (ne)enačbi 1 ni mogoče več izpolniti. Ker geometrija okroglih nateznih preizkušancev, nasprotno od upogib-nih SENB-preizkušancev, ni primerna za enostaven način določitve ustreznih parametrov lomne žilavosti CTOD, kot so ?c, ?i, ?0,2, ?u ali pa ?m, je prav to bistvena glavna prednost uporabe SENB-preizkušancev. 5 LITERATURA 1 ASTM E 399-90: Standard Test Method for Plane-Strain Fracture Toughness of Metallic Materials 2 ASTM E 1290-93: Standard Test Method for Crack-Tip Opening Displacement (CTOD) Fracture Toughness Measurement 3 K. Lorenz, C. Dueren, Evaluation of Large Diameter Pipe Steel Weldability by Means of the Carbon Equivalent; IIW doc. IX-1356-85 4 D. Rojko, Fracture Toughness Determination on Large Scale Specimens and Comparison with Standard Ones, Master's degree, Univerza v Mariboru, Fakulteta za strojništvo, 2000 5 ASTM E 992-84: Standard Practice for Determination of Fracture Toughness of Steels Using Equivalent Energy Methodology (Reaproved 1989) 374 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 34 (2000) 6