Izbira lomnih testnih metod za karakterizacijo drobnozrnatega mikrolegiranega jekla Nioval 47 Selection of Fracture Test Methods for the Characterization of Fine Grained Micro Alloyed Steel Nioval 47 Vojvodič Gvardjančič J.1, IMT Ljubljana l/ prispevku so opisane lomno mehanske preiskave za določitev nizkotemperaturne meje uporabnosti jekla Nioval 47. Lomne žilavosti, izračunane po korelacijskih izrazih za različna temperaturna območja, se zelo dobro ujemajo z ASME K,c oziroma KIR krivuljami po Marstonu3. Ključne besede: mikrolegirana jekla, nizkotemperaturna žilavost, mehanika loma In this article fracture test methods for determination of low-temperature range for the steel Nioval 47 are presented. The values of fracture toughness vvhich are calculated by means of correlation expressions for various temperature ranges are in good correspondance to ASME KjC or KIR curves of Marston3. Key vvords: micro - alloyed steels, lovv temperature toughness, fracture mechanics 1. Uvod Drobnozrnata mikrolegirana jekla uporabljamo za izdelavo zahtevnih jeklenih konstrukcij, ki obratujejo tudi pri nizkih temperaturah od -20 do -60°C. Čeprav tovrstne konstrukcije di-menzioniramo z računalniško podprtimi numeričnimi metodami kot je metoda končnih elementov, ob upoštevanju tako geometrijskih nelinearnosti, nehomogenosti materiala in začetnih geometrijskih nepopolnosti, zaostalih napetosti itd., pa moramo prav zaradi nevarnosti krhkega loma kontrolirati konstrukcije tudi s stališča mehanike loma. Vzporedno z razvojem lomne mehanike kot znanstvene discipline, so se razvijale tudi preizkusne metode za določevanje nizkotemperaturne meje, do katere je uporaba jekel s pretežno feritno mikrostruktura, še varna. Razvoj mehanike loma lahko delimo v tri faze, ki jih po Tvsonu1 poimenujemo kot empirično, linearno elastično ter elasto - plastično. Vsaka od teh faz karakterizira razvoj specifičnih preizkusnih metod za ocenjevanje kovinskih materialov. Standardizirane preizkusne metode so navedene v tabeli 1. 2. Teoretični del Razvoj varnega projektiranja zahtevnih konstrukcij izdelanih iz jekel s feritno mikrostruktura, je privedel do vrste postop- tli. Jelena VOJVODIČ GVARDJANČIČ. dipl. in/, gradb Inštitut /a kovinske materiale in tehnologije Lepi pol 1 I. 61000 Ljubljana kov za določevanje žilavosti, ki jih ni mogoče kar enostavno povezati. Odvisnost referenčnega faktorja intenzitete napetosti K,R od temperaturne razlike (T - RTNm ) je prikazana na sliki 1. Kik predstavlja spodnjo ovojnico vse izmerjenih vrednosti lomnih žilavosti (K,c, KJC, Kla). Diagram je povzet po Marstonu- . referenčna temperatura ničelne duktilnosti RTndt pa je odvisna tako od temperature ničelne duktilnosti Tndt. kot tudi od temperature, ki ustreza določeni referenčni vrednosti udarne žilavosti po Charpyju oziroma določeni prečni razširitvi preizkušanca4. r -RTndt C o Slika 1: ASME Kl( oz. KIR krivulji po Marstonu1 Figure 1: ASME K„ or K|K curves of Marston Tabela 1: Standardizirane lomno mehanske preizkusne metode1 Standard Preizkusna metoda Opomba ASTM E 23 Udarna žilavost po Charpyju (J) Udarni; majhni preizkušanci; topa zareza: merimo absorbirano energijo. ASTM E 436 Drop-vveight tear Udarni; plošča debeline 3.2 do 19.1 mm; plitva vtisnjena zareza; merimo delež strižne deformacije (videz preloma). ASTM E 604 Dvnamic tear Udarni; plošča debeline 4.8 do 15.9 mm: globoka vtisnjena zareza; merimo absorbirano energijo. ASTM E 208 Drop-weight NDT Udarni; plošča debeline 15.9 do 25.4 mm; ostra zareza: merimo prehodno temperaturo. ASTM E 399 Lomna žilavost pri ravninskem deformacijskem stanju (Plain-strain fraeture toughness) Poljubna hitrost obremenjevanja; spremenljiva debelina preizkušancev; ostra utrujenostna razpoka; merimo KIC. ASTM E 813 Elastoplastična žilavost J-integral (Elastic-plastic toughness (J)) Poljubna hitrost obremenjevanja; spremenljiva debelina preizkušancev; ostra utrujenostna razpoka; merimo Jlr. BS 5762 COD Počasno obremenjevanje; velika debelina preizkušancev (tuli seetion); ostra utrujenostna razpoka; merimo odpiranje razpoke, ko ta začne napredovati. Obe krivulji, prikazani na sliki 1, lahko matematično zapišemo v naslednji obliki: K1R = 29.5 + 1.344 exp (0.0261 (T - RTndt + 89)) (1) K,c = 36.5 + 3.084 exp (0.036 (T - RTNI)1 + 56)) (2) kjer je enota za lomno žilavost MPa m"2, temperatura pa je merjena v °C. V literaturi so navedeni številne empirične korelacije med lomno žilavostjo KIC in udarno žilavostjo po Charpyju (CVN) oziroma napetostjo tečenja (oYS). Uporabili smo naslednje: Barsom - Rolfe": K,c = 0.22 E (CVN)v: (3) Enačba (3) velja za nizkotemperaturno območje, modul elastičnosti E je izražen v GPa. lomna žilavost K,< v MPa m1'2 in udarna žilavost CVN v J. Barsom - Rolfe - Novak' 7: K]c = ctys ((0.646 CVN/ctys) - 0.00635)"2 (4) Enačba (4) velja za zgornji nivo žilavosti, lomna žilavost Kuje izražena v MPa m"2, udarna žilavost CVN v J in napetost tečenja v MPa. Shakeshaft*: KIC = 0.717 crvs (5) Enačba (5) velja za nizkotemperaturno območje, enota za lomno žilavost je MPa m"2, napetost tečenja pa je izražena v MPa. Langford': KIC= 14.63 (CVN)"2 (6) Enačba (6) velja za nizkotemperaturno območje, enota za lomno žilavost je MPa m"2, udarna žilavost CVN je izražena v J. 3. Eksperimentalni del Za preiskave smo izbrali drobnozrnato mikrolegirano jeklo Nioval 47 debeline 20 in 65 mm. Kemijska sestava jekla je zbrana v tabeli 2. Tabela 2: Kemi jska sestava jekla v ut. - % Vrsta jekla C Si Mn P S Cr Ni Mo Cu Nb V Al N (debelina) NIOVAL 47 0.19 0.42 1.49 0.013 0.005 0:13 0.10 0.04 - 0.050 0.07 O.OS7 0.006 (20niin) NIOVAL 47 0.14 0.33 1.53 0.014 0.005 0.016 0.015 0.01 - 0.042 0.07 0.026 0.006 (65 mm) Jeklo smo preiskali v dobavnem, deformiranem in staranem stanju. Z dobavnim stanjem označujemo jeklo, ki je bilo dobavljeno v normaliziranem izhodnem stanju. S staranim stanjem označujemo jeklo, kjer smo preizkušanee starali z valjanjem v hladnem z 10 % stopnjo deformacije ter 1/2 urnim ogrevanjem pri temperaturi 250°C. Jeklo debeline 20 mm smo preiskali tudi v deformiranem stanju (10 % deformacija v hladnem). Iz pločevine smo izdelali Charpyjeve preizkušanee z V zarezo za merjenje udarne žilavosti, ploščate upogibne preizkušanee tipa P3 po ASTM E 208 dimenzij 15,9 x 127 mm s krhkim navarom na površini za merjenje temperature ničelne duktil-nosti. Izdelali smo tudi večje število cilindričnih nateznih preizkušancev premera 10 mm za določevanje konvencionalnih mehanskih lastnosti jekla 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 ASTM E 399-83. Vsi preizkušanci so bili orientirani prečno, torej tako, daje bila vzdolžna os preizkušancev pravokotna na smer valjanja. Zareze na drop weight 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. 4. Rezultati preiskav V diagramih na slikah 2 in 3 so prikazane udarne žilavosti po Charpvju v odvisnosti od temperature testiranja. V diagrame smo vnesli tudi izmerjene temperature ničelne duktilnosti Tndt določene z Drop Weight testom. Izmerjene vrednosti lomne žilavosti K1( so zbrane v tabeli 3. temperatura prelskušanja ('C) Slika 2: Odvisnost udarne žilavosti po Charpvju od temperature preizkušanja za jeklo Nioval 47 debeline 20 mm. Vrisane so tudi TN„ temperature za vsa tri stanja Figure 2: Relation betv. cn Charpy - V notch toughness and testing temperatures for steel Nioval 47 thickness 20 mm. The arrovvs indicate the nil duciility temperatures žilavost Charpy - V (J) 160 -200 -180 -160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 temperatura preiskusanja fC) Slika 3: Odvisnost udarne žilavosti po Charpyju od temperature preizkušanja za jeklo Nioval 47 debeline 65 mm. Vrisani sta tudi TM„ temperaturi za obe stanji Figure 3: Relation betvven Charpy - V notch toughness and testing temperatures for steel Nioval 47 thickness 65 mm. The arrovvs indicate the nil ductilitv temperatures Tabela 3: Izmerjene vrednosti lomne žilavosti K„ Vrsta materiala in K izmerjeni [MPaVmj Udarna žilavost po Charpyju[J 1 Stanje debelina T\m-:n T\m Tnd1>:(1 Tndt-:o T\m TMm:„ materiala Nioval 47 (20 mm) 78.0 107.8 146.0 22 50 72 dobavno Nioval 47 (65 mm) 69.5 85,5 107,0 13 18 35 dobavno Nioval 47 (20 mm) 53,0 63.0 73.0 3 4 5 starano Nioval 47 (65 mm) 56.5 58,2 65.5 S 10 10 starano Nioval 47 (20 mm! 55,0 59.5 74.0 1 2 3 deformirano Pri naših raziskavah1"11 srno našli dve korelaciji med lomno žilavostjo Klt in zarezno Charpyjev o žilav ostjo CVN in sicer za jekla v dobavnem stanju v obliki: K„ 15.1 I CVN" (7) in za starano stanje: Klc- = 35.10 CVN"t S i Enačbi (7) in (8) sta veljavni v območju temperature ničelne duktilnosti. to je v območju udarne žilavosti po Charpyju do 40J. Rezultati meritev J integrala1"121 so zbrani v tabelah 4 in S. Tabela 4: J integral pri sobni temperaturi Vrsta materiala Stanje Oznaka a„ preiskušanca (mm) a,/W Aa JQ Jk CTOD, (mm) (N/mm)iN/mml(mm) DOBAVNO VA1 27.444 0.549 1,659 516.3 821,4 0.795 VA2 28.052 0.561 2.038 4S4.6 873.3 0.699 VA3 28.089 0.562 1.142 445.6 611.9 0.659 VA4 27.388 0.548 0.418 - 450.2 - NIOVAL 47 STARANO VB1 <10% hI. def. VB2 + VB3 250 C/30') VB4 27.931 0.559 1.547 229.3 345.0 0.223 28.299 0,566 1,445 242.7 364.3 0.255 27.797 0.55h 1.531 228.7 453.0 0.233 31.881 0.638 1.51 1 218.6 323.9 0.221 VCI DEFORMIRANO VC2 HOff hl.def.) VC3 VC4 28.358 0.567 3.029 338.2 "44.2 0.379 28.564 0.571 3.166 346.6 750.3 i!..«!! 323.2 858.5 0.332 302.7 540.3 0.314 27.823 0.556 3.377 29.766 0.595 1.989 Tabela 5: J integral pri nizkih temperaturah Vrsta Stanje Temp.preisk. Oznaka A. A/W materiala (;Ci preizkus. I mm F,- CTOD, J, K, (kNJ (mml lN/mml (MPavml VA7 26.820 0.537 39.025 0.095 80,1 136.0 VAS 27.412 0.545 35.638 0.081 67.8 125.1 DOBAVNO -84 VA9 28.600 0.571 25.127 0.033 30.1 83.3 VA10 27.800 0.553 31.710 0.055 46.9 104.0 VA11 28.050 0.566 28.050 0.055 43.1 99.7 NIOVAL 47 STARANO VB7 27.756 0.556 2.1910 0.025 24.2 82.1 (109r hI. def. VB8 27.591 0.552 14.910 0.007 9.8 47.5 + -84 VB9 27.845 0.559 19.020 0.014 17.4 63.4 2505C/30'| VB 10 28.075 0.564 17.300 0.012 15.2 59.2 VB 11 28.344 0.566 16.380 0.009 13.7 56,2 VC7 27.753 0.556 22.771 0.021 2ti.2 77.7 DEFORMIRANO ves 27.753 0.555 23.126 0.021 28,3 80.8 (10% hI. def.) -84 VC9 27.276 0.547 27.330 0.030 36.9 92.3 VC10 27.327 0.548 16.540 0.008 :2..: 53.2 ven 27.832 0.558 23.632 0.022 28.9 SI.t) Rezultati merjenja lomne žilavosti K]c, JIC in izračunanih vrednosti po korekcijskih enačbah (3-8) so za jeklo Nioval 47 debeline 20 in 65 mm prikazani na slikah 4 in 5. L| e S zaornri nivo - dobavno Tndt dob.— -72 'C TnDT star.- -104 °C zgornji nivo - star.™ £ 00 0 1 —o s? legenda temperatura preizkušanja (°C) dobavno stanje starano stanje oznaka enačba oznaka enačbo A Izmerjena veljavna vrednost K^, J^ (K^ ) T Izmerjeno veljavna vrednost . (K^ ) ▲ Izmerjena vrednost Kx . JK ( ni izpolnjen pogoj debeline ) V Izmerjena vrednost KK ,JX ( ni izpolnjen pogoj debeline ) spodnji nivo K = 14.6285'fCVNj K = 0.0717* o 2 * 3/2 Kk = 0.0002219*E*(CA*) spodnji nivo ^ *• = t4.6285*(CVN) Kr = 0.0717• a " J/J Kk - 0.00022!9>E>(CW) ■čr ★ zgornji nivo + zgornji nivo K = a, Jo. 6459*CVM»/a - 0.00635 ic y /* K-o,» yJo.6*59 >CVN'/om- 0.00635 * ¥ prehodno območje 2 3/2 K c= 0.0002219*E»(CVN) Ka)= 11.5J'(CVN),/2 X I prehodno območje ! J/J K c= 0.0002219*E*(CVN) Ke= 1I.5J»(CWJ 1 © 0HZK3 KK = 15.11169*CVN O O.VOSJI Kc= J5.095.CW Slika 4: Primerjava izmerjenih vrednosti lomnih žilavosti z izračunanimi po korelacijskih enačbah za jeklo Nioval 47 debeline 20 mm v dobavnem in staranem stanju v odvisnosti od temperature Figure 4: The comparison of the valid measured fracture toughness with the values calculated vvith eorrelation equations for steel Nioval 47 thickness 20 mm in as received and aged condition vs. temperatures 5. Diskusija 240 220 200 190 160 140 120 100 80 60 40 20 0 J . 1 7 S i ! * fs!