UDK 621.791.05:669.14.018.298:620.178.3 Izvirni znanstveni članek ISSN 1580-2949 MATER. TEHNOL. 35(1-2)55(2001) V GLIHA: VPLIV UMETNIH POVRŠINSKIH NAPAK ... VPLIV UMETNIH POVRŠINSKIH NAPAK NA DINAMIČNO TRDNOST MATERIALA NA PREHODU TEMENA VARA THE INFLUENCE OF ARTIFICIAL SURFACE DEFECTS ON THE FATIGUE STRENGTH OF MATERIAL AT THE WELD TOE Vladimir Gliha Fakulteta za strojništvo, Univerza v Mariboru, Smetanova 17, 2000 Maribor, Slovenija vladimir.glihaŽuni-mb.si Prejem rokopisa - received: 2000-10-10; sprejem za objavo - accepted for publication: 2000-11-24 Dinamično obremenjeni kakovostni soležni zvarni spoji se porušijo zaradi utrujenosti materiala na prehodu temena vara v osnovni material. Pri tem je pomembna tudi prisotnost inicialnih mikronapak. Vzorce materiala TVP smo pripravili na simulatorju termičnega cikla. Iz njih smo izdelali preizkušance z žlebom in umetnimi površinskimi inicialnimi mikronapakami. Na dnu žleba je bila koncentracije napetosti približno takšna kot pri zvarnih spojih. Inicialne mikronapake so bili posamični odtisi in nizi odtisov Vickersove piramide. Pri analizi rezultatov smo upoštevali termične parametre pri varjenju in mehanske lastnosti. Rezultate smo primerjali z dinamičnimi lastnostmi, ko ni vpliva inicialnih mikronapak. Z manjšanjem hitrosti ohlajanja, ki je posledica večjega vnosa toplote pri varjenju, dinamična trdnost materiala z inicialnimi mikronapakami pada, ob tem pa linearno raste s statično trdnostjo. Ključne besede: soležni zvarni spoj, prehod temena vara, utrujenost materiala, inicialna mikronapaka, odtis Vickersove piramide, produktivno varjenje Dynamically loaded high-quality butt-weld joints fail due to fatigue of the material at the weld toe. Initial micro-defects present in that material are important too. Samples of HAZ materials were prepared on the thermal cycle simulator. Specimens with a groove and an artificial surface of initial micro-defects were made from these samples. Stress concentration at the bottom of the groove was approximately the same as at the actual welded joints. Initial micro-defects were single and series indentations of the Vickers pyramid. In the analysis of results, parameters of the welding and mechanical properties were taken into account. Results were compared with those from samples without any influence of initial micro-defects. The decreasing cooling rate that is the consequence of the higher heat input by welding fatigue strength of material with initial micro-defects is decreasing while the fatigue strength is linearly increasing with ultimate tensile strength. Key words: butt-welded joint, weld toe, material fatigue, micro-defects, Vickers pyramid indentation, productive welding 1 UVOD Porušitev kakovostnih dinamično obremenjenih soležnih zvarnih spojev se praviloma začne z nastankom utrujenostnih razpok na prehodu temena vara v osnovni material. Zaradi potrebne konveksne oblike temena vara so napetosti na prehodu zmeraj nekoliko koncentrirane. Zaradi specifičnosti varjenja so v zvarnih spojih pogosto napake, zaradi oviranega raztezanja/krčenja pri segrevanju/ohlajanju pa so spoji po varjenju še statično prednapeti (zostale napetosti). Po definiciji so kakovostni zvarni spoji brez makronapak, vendar so pri tem mikronapake izvzete. Material na prehodu temena vara v osnovni material je TVP (toplotno vplivano področje) zvara, kjer je mikrostruktura materiala zaradi termičnega vpliva varjenja spremenjena. Zato so lastnosti TVP drugačne od lastnosti vgrajenega materiala. Zaradi najintenzivnejšega termičnega vpliva tik ob varu je ta del TVP grobozrnat, torej GZTVP. Ker so lastnosti kovinskih materialov funkcija njihove mikrostrukture, se pričakuje, da bo od nje odvisna tudi dinamična trdnost TVP na prehodu temena vara, tudi takrat, ko razpoke nastanejo zaradi interakcije med napetostmi in obstoječimi inicialnimi mikronapakami. MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 35 (2001) 1-2 Ali se bodo iz obstoječih inicialnih mikronapak razvile makrorazpoke, je odvisno od intenzitete interakcije med napetostmi in mikronapakami ter od prisotnosti ovir za širjenje mikrorazpok. Kristalne meje polikri-stalnih kovinskih materialov so mikrostrukturne ovire za širjenje mikrorazpok pri utrujanju. Zato bi bila lahko bolj groba zrna v TVP tik ob črti taljenja merodajna za nastanek razpok zaradi utrujenosti materiala. Ta prispevek se navezuje na rezultate predhodnega prispevka1. V njem so bile obravnavane lastnosti materiala TVP na prehodu temena vara v osnovni material, ko je vpliv inicialnih mikronapak zanemarljiv. Tokratni eksperimentalni rezultati se nanašajo na razmere, ko je vzrok za nastanek razpoke zaradi utrujenosti materiala inicialna mikronapaka, katere velikost je primerljiva z dimenzijami kristalnih zrn na prehodu temena vara v osnovni material. 2 EKSPERIMENTALNO DELO Uporabili smo poboljšano visoko trdno konstrukcijsko jeklo Nionicral 70. To jeklo je med drugim namenjeno tudi za gradnjo dinamično obremenjenih varjenih konstrukcij2. Vzorce materiala z mikrostrukturo 55 V GLIHA: VPLIV UMETNIH POVRŠINSKIH NAPAK TVP smo v laboratorijskih razmerah pripravili s simulacijo termičnega vpliva varjenja na računalniško vodenem simulatorju termičnega cikla Smitweld. Naredili smo dovolj velike vzorce, da smo iz njih lahko izdelali preizkušance za nadaljnje eksperimentalno delo. Obravnavali smo material, ki ga je pri soležnih zvarnih spojih pri tem jeklu možno najti na prehodu temena vara. Pri tem smo upoštevali, da je bolj produktivno variti z velikimi vnosi toplote kot z manjšimi. Pri večjih vnosih toplote so izdelovalni časi zvarnih spojev namreč krajši. Zato smo pripravili naslednje tri tipe materiala TVP: a) GZTVP, ki nastane pri termičnem vplivu enega samega varka b) dvovarkovno TVPQi=Q2, ki nastane pri termičnem vplivu dveh varkov, varjenih z enakima specifičnima vnosoma toplote Qi in Q2 c) dvovarkovno TVPQi>q2, ki nastane pri termičnem vplivu dveh varkov, varjenih z različnima specifičnima vnosoma toplote Qi in Q2 (pri simulaciji termičnega vpliva prvega, polnilnega varka smo predvideli velik vnos toplote, pri drugem, korekcijskem pa za lastnosti najugodnejši, precej manjši vnos toplote) Na simulatorju termičnega cikla se vzorce materiala kontrolirano segreva elektrouporovno, ohlaja pa v kombinaciji z vodno hlajenimi čeljustmi. Na ta način se da doseči za varjenje ustrezne termične razmere le na sredini vzorca. Za nadaljnje eksperimentalno delo smo zato predvideli tritočkovno upogibne preizkušance z žlebom. Pri preizkusih so bile največje napetosti tam, kjer se nahaja material z mikrostrukturo TVP. Dimenzije preizkušanca in žleba (slika 1) smo izbrali tako, da je koncentracija napetosti približno tolikšna kot pri soležnih zvarnih spojih na prehodu temena vara v osnovni material, to je 1,74 345. Na dnu žleba smo z odtiskovanjem Vickersove piramide, s kakršno se meri F(t)=Fsr + F„ sin wt simulirano TVP G=KtGN Slika 1: Tritočkovno upogibni preizkušanec za določitev trajne dinamične trdnosti materiala na prehodu temena vara v osnovni material. Zaradi žleba je v materialu z mikrostrukturo TVP koncentracija napetosti približno tolikšna kot pri soležnih zvarnih spojih Figure 1: Three-point bend specimen for the determination of the endurance limit of material at the toe of the weld. Stress concentration in the material with HAZ microstructure, caused by the groove, is approximately the same as for the butt-weld joints Slika 2: Umetne inicialne mikronapake so narejene z odtiskovanjem Vickersove piramide. Uporabili smo posamične odtise (velikost diagonale d) in nize petih odtisov (skupna dolžina niza l) Figure 2: Artificial initial micro-defects are made by indenting with the Vickers pyramid. Single indentations (diagonal d) and a series of five indentations (total length l) were used trdoto, naredili umetne inicialne mikronapake v naprej predvidenih velikostih. Pri prav vseh vrstah materialov so to bili posamični odtisi z diagonalo d=0,ll in =0,22 mm in nizi petih odtisov z diagonalo d=0,22 mm v skupni dolžini 1=0,675 mm. Takšne mikronapake so prikazane na sliki 2. Razen tega smo na nekaterih materialih naredili tudi odtise z diagonalo d=0,165 mm in nize petih odtisov z diagonalo d=0,ll mm v skupni dolžini 1=0,37 mm. Preizkušance smo pri sobni temperaturi utripno obremenjevali (razpon obremenitve AF je bil 2F0) s frekvenco 115 Hz. Posamezne preizkušance smo obremenili 2106-krat. Če v tem času nismo opazili makroskopsko razpoko, smo pri naslednjem preizkušancu obremenitev povečali. Ker se je material na dnu žleba v začetku obremenjevanja nekoliko plastično deformiral, značaj napetosti na mestu, kjer so nastale razpoke, ni bil povsem utripen. Razmerje R med najnižjo in najvišjo napetostjo na dnu žleba zato ni bilo nič, ampak manj (R<0). Nominalno upogibno trajno dinamično trdnost materiala TVP v takšnih razmerah (Aod-nom|R O 350 0,1 0,2 0,5 1 velikost napake d ali 1 Šmm] Slika 3: Nominalna upogibna trajna dinamična trdnost treh vrst TVP na prehodu temena vara (GZTVP, TVPqi=q2, TVPqi>q2) in osnovnega materiala (OM) z umetnimi inicialnimi mikronapakami (odtisi na površini) v odvisnosti od velikosti mikronapak. Primerjamo jih s trajno dinamično trdnostjo istih materialov brez umetnih inicialnih mikronapak (gladka površina). Črta povezuje rezultate za OM Figure 3: Nominal bending endurance limit of three types of HAZ at the weld toe (GZTVP, TVPqi=q2, TVPqi>q2) and the base metal (OM) with artificial initial micro-defects in relation to the size of the micro-defects. They are compared with the endurance limit of the same materials without artificial initial micro-defects. Base-metal results (OM) are connected with the line Termično nevplivano jeklo (OM) ima zelo drobno mikrostrukturo bainita in popuščenega martenzita, dočim je zrnatost TVP, vsaj njegovo primarno zrno, bistveno bolj groba (100-180 µ)1. Da velikost primarnega zrna materiala TVP brez mikrorazpok na prehodu temena vara v osnovni material, ki je odvisna od parametrov termično najvplivnejšega varka, ni v zvezi s trajno dinamično trdnostjo, smo dokazali že v predhodnem prispevku1. Velikost primarnega zrna je odvisna od termično najvplivnejšega varka, ki je temu področju najbližji. Pri enovarkovnih GZTVP vemo, kateri je to, pri dvovarkovnih TVP na prehodu pa je termično najvplivnejši varek zmeraj prvi varek. Varjenje drugega varka, katerega termični vpliv je tako velik, da prekri-stalizira predhodno GZTVP (Tp2>Ac3), je merodajno le za mikrostrukturne sestavine, ki se izoblikujejo v TVP. Do neke mere velja to tudi za dvovarkovne TVP na prehodu, ki so le delno prekristalizirani (Ac1 pos. odtisi z dsO.ll mm Aod = 0,50Rm+191 MPa => pos. odtisi z ds0,22 mm Aod = 0,38Rm+278 MPa => nizi odtisov z ds0,675 mm (3) Statična in dinamična trdnost sta merjeni v MPa. Če imamo opravka z inicialnimi mikronapakami tega tipa z dsO.ll ali 0,22 mm oziroma 1Č0,675 mm, se da s temi tremi relacijami zelo enostavno oceniti trajno 1000 Oh g, 3 900 800 700 600 500 " * A.. u " Č - nČJČČ ¦ ¦. ¦č. ČOČ & ¦¦-..*--.: A "--.._ Dd=0,ll mm O d=0,22 mm A 1=0,66 mm O gladka pov. " ' " -a .": 10 100 AtjH Šs] Slika 5: Lokalna trajna dinamična trdnost (??d) z ozirom na čas ohlajanja ?t8/5. Ta se nanaša na izdelavo varka, ki je zadnji imel vpliv na material na prehodu. Dvovarkovni TVP, ki pri tem termičnem vplivu niso v celoti prekristalizirani, so izvzeti Figure 5: Local endurance limit (??d) in relation to the cooling time ?t8/5. It is related to the weld pass execution which influences the material at the weld toe the least. Double-cycle HAZ with incompletely recrystalized former micro-structure are not included 1000 r 900 ¦ s« 800 O 700 < 600 - 500 ? d=0,llmm O d=0,22mm ¦ A 1=0,66 mm O gladka pov. ncgć om 3aČ' * A ČP ČS* A Ç.-0-A- A TVP 700 800 900 1000 1100 Rm ŠMPa] 1200 1300 Slika 6: Lokalna trajna dinamična trdnost materiala vseh TVP in osnovnega materiala (OM) v razmerah koncentriranih napetosti (Kt=1,74) v odvisnosti od statične trdnosti Figure 6: Endurance limit of all HAZ materials and base metal (OM) in the concentrated stress condition (Kt=1,74) in relation to static strength dinamično trdnost materiala na prehodu temena vara v osnovni material. Poznati moramo njegovo statično trdnost. Statična trdnost polikristalnih kovin je v linearni zvezi s trdoto, ki jo je na obrusih zvarnih spojev, pa tudi sicer, zelo enostavno meriti. Ker trajna dinamična trdnost materiala na prehodu posredno definira dinamično nosilnost kakovostnih soležnih zvarnih spojev, bi se tako dalo primerjati in celo ovrednotiti učinkovitost različnih ukrepov za povečanje dinamične nosilnosti zvarnih spojev kar na osnovi trdote materiala TVP na prehodu temena vara. Vendar pa inicialne mikronapake na prehodu temena vara v osnovni material pri dejanskih zvarnih spojih niso posamični odtisi ali nizi odtisov. Zato bo treba v nadaljevanju ovrednotiti vpliv v tem prispevku uporabljenih umetnih mikronapak in jih primerjati z vplivom inicialnih mikronapak drugačne oblike. To bo omogočilo konstrukcijo medsebojne zveze med statično trdnostjo (trdoto) materiala TVP na prehodu, velikostjo inicialnih mikronapak in trajno dinamično trdnostjo. 4 SKLEP Za dinamično nosilnost kakovostnih soležnih zvarnih spojev je pomembna trajna dinamična trdnost materiala na prehodu temena vara v varjeni material, pri čemer igrajo pomembno vlogo morebitne inicialne mikronapa-ke. Za mehanske lastnosti materiala na prehodu temena vara je pomemben zadnji varek, ki še vpliva na končno mikrostrukturo TVP. Trajna dinamična trdnost TVP na prehodu je pri manjših ?t8/5 namreč večja kot pri večjih. Čas ?t8/5 je v odvisnosti od debeline varjenega materiala linearna ali pa kvadratna funkcija specifičnega vnosa toplote, ki je kvocient moči vira energije za taljenje materiala in hitrosti varjenja1. Merilo produktivnosti varjenja je količina pretaljenega materiala v enoti časa, 58 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 35 (2001) 1-2 to je pa odvisna od moči vira. Zato je ?t8/5 večji pri zvarnih spojih, ki so izdelani bolj produktivno. Pri njih je, ne glede na to ali so enovarkovni ali večvarkovni, na prehodu temena vara material z manjšo trajno dinamično trdnostjo, kot bi lahko bil v optimalnih termičnih razmerah. Posledica tega je, da najbolj kakovostni soležni zvarni spoji, ki so narejeni produktivno, nimajo posebno velike dinamične nosilnosti. Trajno dinamično trdnost materiala na prehodu temena vara v varjeni material, ko je in ko ni vpliva inicialnih mikronapak, je v razmerah koncentriranih napetosti mogoče oceniti na osnovi njegove trdnosti oziroma trdote. To ima veliko praktično uporabnost, saj je trdoto relativno enostavno meriti. Trdota na prehodu je odvisna od kemične sestave in stanja osnovnega materiala ter od parametrov varjenja in načina gradnje vara. Na trdoto ima največji vpliv varjenje varka, pri katerem je material nazadnje popolnoma avstenitiziran ter zato prekristaliziran. To je mogoče koristno uporabiti za povečanje dinamične nosilnosti produktivno izdelanih zvarnih spojev, kar dokazujejo izmerjene lastnosti materiala dvovarkovnih TVP, ki so izdelani z različnima vnosoma toplote pri prvem in drugem varku (TVPQ1>Q2). Ti niso nič manjši od tistih, ki so izdelani z enakima V GLIHA: VPLIV UMETNIH POVRŠINSKIH NAPAK ... vnosoma toplote (TVPQ1=Q2), je pa njihova izdelava mnogo manj produktivna. Pri realnih zvarnih spojih so na prehodu mikronapake različnih tipov in velikosti. Zato je treba vpliv inicialnih mikronapak na raven trajne dinamične trdnosti še kvantitativno oceniti. 5 LITERATURA 1 V. GLIHA: Fatigue strength of a material at the weld toe of the weld joint on a high-strength structural steel, Kovine, zlitine, tehnologije, 34 (2000) 5, 231-237 2 SŽ ŽJ ACRONI: High Strength Low Alloy Structural Steels, Heavy and Middle Quenched and Tempered Steel Plates with High Yield Point; prospectus 3 R. E. PETERSON: Stress Concentration Factors, John Wiley & Sons, 1974 4 N-A. Noda. M. Nisitani: Stress Concentration of a Stripwith a Single Edge Notch, Engineering Fracture Mechanics, 2 (1987), 223-238 5 V. GLIHA, D. Toplak: Fatique Strength of a Butt Welded HSLA Structural Steel with Backing, 5th International Fracture Mechanics Summer - The Application of Fracture to Life Estimation of Power Plant Components, Dubrovnik 1989, Jugoslavija 6 V. GLIHA: Fatigue Strength Determination of HAZ Material Using Thermal Cycle Simulator, Proceedings of the International Conference MATEST ’98 - Life Extension, Brioni 1998, Hrvaška MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 35 (2001) 1-2 59