Nizkotemperaturna meja uporabnosti mikrolegiranih jekel s stališča lomne mehanike J. Vojvodič-Gvardjančič, Inštitut za metalne konstrukcije, Mencingerjeva 7, Ljubljana V prispevku so obravnavane lomne značilnosti finozrnatega mikrolegiranega jekla NIOMOL 490. To jeklo ima feritno bainitno mikrostrukturo ter mejo plastičnosti minimalno 490 MPa, dobro žilavost pa ima tudi še pri temperaturi -60° C. Eksperimentalno je bila določena soodvisnost med lomno žilavostjo in temperaturo ničelne duktilnosti ter na ta način opredeljena nizkotemperaturna meja uporabnosti takega jekla. The article presents fracture characteristics of the fine grained microalloyed NIOMOL steel. This^ steel's microstructure is ferritic-bainitic and its minimal yield strength 490 MPa. It is good at ductility even at -60° C. The relation between fracture toughness and nil ductility temperature has been experimentaly determined and the temperature boundary for the use of this steel has been established. 1 Uvod Jeklene konstrukcije dimenzioniramo s postopkom dopustnih napetosti. Ta postopek pa zlasti pri statično nedoločenih konstrukcijah, pri vplivu lastnih napetosti, nestabilnosti, pri koncentracijah napetosti, ne omogoča vpogleda v dejansko varnost konstrukcij. Ta postopek tudi ni povsem zadosten, ker ne pove nič o temperaturni meji uporabnosti konstrukcije. Z znižanjem temperature se namreč trdnost jekla skoraj ne spreminja, močno pa pade žilavost, zato je smiselno dimenzioniranje tudi na osnovi lomne mehanike ob predpostavljeni velikosti napake. 2 Teoretični del Za žilava jekla z izrazitim elastoplastičnim obnašanjem, kakršno je tudi obravnavano jeklo NIOMOL 490. je s stališča nizko temperaturne meje uporabnosti, zelo pomembna soodvisnost med lomno žilavostjo A'/c 'n temperaturo neduktilnega loma XI)'!'. Za ilustracijo tega si oglejmo diagram na sliki 1, ki je bil objavljen v PVRC Recom-mendations on Toughness Requirements for Ferritic Materials, Welding Research Council Bulletin 175, August 19721 in v katerem so prikazane vrednosti spodnjega pasu lomne žilavosti v odvisnosti od referenčne /V DT temperature. Kot referenčna N DT temperatura je v tem primeru razumljena temperaturna diferenca med temperaturo preizkušanja T in temperaturo neduktilnega loma določeno z Drop Weight Testom. Prikazani diagram velja za jekla, ki se v ZDA uporabljajo za nuklearne reaktorske posode. Uporabnost tega diagrama nam postane popolnoma jasna, ko na osnovi tega diagrama primerjamo dve jekli podobne vrste, ki pa imata različni .V DT temperaturi. V tem primeru se zdi logičen privzetek, da je pri dani temperaturi eksploatacije njuna odpornost proti lomu (običajno definirana s A'/r), različna. Eno od teh dveh jekel bi bilo namreč uporabno do višjih temperatur kot drugo, a bi pri tem še vedno imelo enako stopnjo zaščite pred lomom. Iz povedanega sledi, da moramo eksperimentalno določiti temperaturo neduktilnega loma ter temperaturno odvisnost lomne žilavosti zato, da lahko za obravnavano Slika 1. Spodnja meja pasu referenčnih hjc vrednosti lomne žilavosti glede na referenčno prehodno temperaturo ničelne žilavosti ('/' - TfJ D T.re f )■ Figure 1. Lower bound Km reference values as a funetion of the relative tesl temperature (T - T\; oT.re/)■ jeklo ugotovimo veljavnost v diagramu prikazane odvisnosti. Ker je merjenje A"/c vrednosti pri nizkih temperaturah težavno, še zlasti za elasto-plastično obnašanje, kjer moramo meriti lomno žilavost preko ./ integrala, bomo uporabili naslednje empirične korelacijske izraze: 2.1 Merjenje lomne žilavosti z gladkimi cilindričnimi preizkušanci Če potrebujemo le okvirne vrednosti Kic. lahko za določanje lomne žilavosti uporabimo kar natezni preizkus, saj sta G.T. Hahn ter A.R. Rosenfield2 prav na modelu nateznega preizkusa zasnovala svojo polempirično koncepcijo določanja lomne žilavosti: KIC = y/0.0 bsfn2ERp/3. (1) kjer je z n označen eksponent deformacijskega utrjevanja in je določen z izrazom n = ln(/ + eu), fu je maksimalni enakomerni inženirski raztezek izražen kot f u 100 (v J. Vojvodič-Gvardjančič: Nizkoleniperaturna meja uporabnosti mikrolegiranih jekel s stališča lomne mehanike Tabela 1. Mehanske lastnosti pločevine NIOMOL 490 Pločevina NIOMOL 490 Mehanske lastnosti pločevine t — 12 mm Rp Rm A5 Z Smer preizkušanja MPa MPa % % Potrdilo o kvaliteti železarne Jesenice 488 614 26 - prečno na smer štev. 11759 valjanja Podatki iz prospekta 490 560- 19 - Železarne Jesenice -740 Tabela 2. Kemijska sestava pločevine NIOMOL 490, f = 12 mm. Oznaka C Si Mn P S Cr Ni Cu Mo Al Nb % 1 0.11 0.26 1.20 0.018 0.006 0.24 0.30 0.18 0.26 0.031 0.054 2 0.09 0.24 1.21 0.018 0.006 - - - - - - 1. Dejanska analiza pločevine 2. Podatki iz atesta Železarne Jesenice št. 11759 Tabela 3. Žilavost pločevine NIOMOL 490 Smer Žilavost ISO—v (J) Žilavost DVM (J) valjanja nestarano stanje Starano stanje Temperatura preizkušanja +20 0 -20 -40 -50 -60 +20 +5 -20 -40 -60 vzdolžno 63 63 63 55 47 39 47 41 41 31 27 prečno 55 55 47 39 34 31 35 31 31 27 - %), Rp je meja plastičnosti, E modul elastičnosti jekla, Sf je lomna duktilnost določena iz kontrakcije pri nateznem preizkusu, Sj = \nS0/Sj, kjer je S0 začetni, Sj pa lomni presek cilindričnega nateznega preizkušanca. Če mejo plastičnosti in modul elastičnosti izrazimo v MNm-2, dobimo A'/c v MNm"3/2 (MPa^/m). 2.2 Merjenje lomne žilavosti s Charpy preizkušam i Za območje prehodnih temperatur lahko izračunamo lomno žilavost A'/c s korelacijo Barsom-Rolfe'': I\jc = 0.22ECV N1,5, (2) kjer smo s C\ N označili absorbirano energijo pri Charpy-jevem udarnem merjenju žilavosti z V zarezo v joulih, modul elastičnosti v GPa, enota za lomno žilavost pa je MPav/m. Za "upper shelf'območje na krivulji temperaturne odvisnosti prehoda žilavosti iz duktilnega v krhko stanje uporabljamo korelacijo Rolfe-Novak4, : / o.mcvN ... h'C = Rp\jRp- 0.00635' (3) Pri nizkih temperaturah, kjer je obnašanje jekla že izrazito krhko, pa lahko uporabimo naslednjo korelacijo: I\ i c = 0.0717/?/;. (4) 3 Eksperimentalni del 3.1 Vrsta preiskav Za določanje lomnih značilnosti finozmatega mikrolegi-ranega jekla NIOMOL 490 smo uporabili statične in dinamične mehanske preizkuse. Iz skupine statičnih mehanskih testov smo izbrali konvencionalni natezni preizkus, natezni preizkus cilindričnih preizkušancev z obodno zarezo ter merjenje lomne žilavosti z metodo J integrala ter korekcijo po Schwalbeju. Iz skupine udarnih mehanskih preiskav smo izbrali metodo merjenja žilavosti Charpy-V in metodo določanja temperature neduktilnega loma (drop weight test). Na osnovi poznanih konvencionalnih mehanskih lastnosti pa smo določili tudi lomne žilavosti z empiričnimi korelacijskimi izrazi. 3.2 Rezultati preiskav Za preiskave smo uporabili jeklo NIOMOL 490, ki spada med mikrolegirana jekla, legirana z Mn, Mo, Nb s feritno bainitno mikrostrukturo. Železarna Jesenice ga je dobavila v normaliziranem stanju. Mehanske lastnosti in kemična analiza so razvidne iz tabel 1, 2, 3. Mehanske lastnosti jekla NIOMOL 490 izmerjene pri statičnem preizkušanju so razvidne iz tabele 4 in grafično iz diagrama na sliki 2. Merjenje žilavosti Charpy-V v odvisnosti od temperature je prikazano na sliki 3. Tabela 5. Prehodne temperature določene z merjenjem Charpy-V žilavosti ter NDT temperatura z Drop Weight Testom. Tabela 4. Mehanske lastnosti NIOMOLA 490 izmerjene pri statičnem preizkušanju. Temper. Razmerje Največji Trdnost Zarezno preizk. Rp Rm Rp/Rm enakomerni zarezanega trdnostno raz težek preizkuš. razmerje °C N/mnr N/mnr' N/mnr % N/mnr' NSR NIOMOL 490—dobavno stanje + 20 482 602 0.80 14.9 867 1.440 - 40 553 694 0.79 15.5 1073 1.546 -100 548 686 0.80 17.5 1116 1.626 -150 657 791 0.83 15.6 1182 1.494 -196 683 783 0.87 8.9 1393 1.779 NIOMOL 490— 10% deformiran in staran 30'/ 250°C + 20 655 672 0.97 3.6 1010 1.503 - 40 772 788 0.98 4.3 1306 1.657 -100 741 770 0.96 6.1 1252 1.626 -150 806 817 0.98 2.4 1436 1.757 -196 1006 1006 1.00 0.7 1432 + 1.432 + 1319 1.311 Tip Izmerjena Vrednosti Oznaka Staranje jekla zareze temperat. drop krivulje na prehoda vveight vzorcu T54 (°C) testa (°C) A izhodno stanje (normalizirano s feritno-bainitno CHARPY - 93 - 85 mikrostrukturo V B izhodno stanje + staranje 250°C/20 ur CHARPY V - 78 C izhodno stanje+ 10% hladna deformacija CHARPY V - 38 D izhodno stanje + 10%. CHARPY deformacija v hladnem + V - 10 staranje 250°C/30 minut E izhodno stanje + 10% CHARPY deformacija v hladnem + U - 50 staranje 250°C/30 minut (Pš) Iz rezultatov je razvidno, da že manjša deformacija v hladnem povzroči zamik prehodne temperature k višjim vrednostim (A'/' = 55°C), da pa je zaradi procesov staranja ta zamik še veliko intenzivnejši (AT = 83°C). Po standardu ASTM E 208 smo določili tudi temperaturo neduktilnega loma. Rezultati vseh meritev so zbrani v tabeli 5. 3.3 Uporaba lomne mehanike pri analizi rezultatov Za analizo smo izbrali preiskovano jeklo v dobavnem stanju. Pri temperaturi —20°C (253K) je bila žilavost Charpy-V tega jekla enaka 145 J. Lomno žilavost A'/c izračunajmo najprej s korelacijo Rolfe-Novak, ki velja za "upper shelf' območje na krivulji temperaturne odvisnosti prehoda žilavosti iz duktilnega v krhko stanje (enačba 3): I\ic = RpsJmmCVS/Rp - 0.00(i3.") Kje = 472^/0.646 ■ 145/472 - 0.00635 K,c = 206.876 MPa/v^ Izračunajmo lomno žilavost A'/c s pomočjo Hahn-Rosenfteldove korelacije (enačba 1). Dobimo: K, c = ^O.OSf/h-ERp/3 K,c = v/0.05 • 1.20 ■ 0.149- ■ 2.05 • 105 ■ 472/3 K,c = 207.276 MPa/v^ Pri tem smo za fy, n in Rp vstavili povprečne vrednosti, dobljene z nateznim preizkusom pri temperaturi —20° C. Legenda: - dobavno stanje -Niomol 490 ---10 V. deformrano in starano 250 °C/30' Temperatura preizkušanja ('CJ Test temperature CC) Slika 2. Enakomerni raztezek cgl. lomna duktilnost tj in zarezno trdnostno razmerje .VSli v odvisnosti od temperature preizkušanja za NIOMOL 490 v dobavnem stanju in 10'7i deformiranem ter staranem stanju (30 minut pn 250°C). Figure 2. Uniform elongation r gt. fracture duct i lity c j. and the noteh strength ratio .V SR as a function of test temperature for NIOMOL 490 in the as delivered condition and for 10% deformed and aged eondition (30 minutes at 250°C). Iz rezultatov je razvidno, da smo dobili skoraj enako vrednost za lomno žilavost /\/r, čeprav smo jo izračunali na dva med seboj neodvisna načina, korelacija Hahn-Rosenfteld temelji na nateznem preizkusu, korelacija Rolfe-Novak pa na merjenju udarne žilavosti Charpy z V zarezo. Takšno ujemanje je nedvomno le naključno in ga v splošnem ne smemo pričakovati. Sprejemljive bi bile celo vrednosti, ki bi se medsebojno razlikovale tudi za 10% in več. 3.4 Povezava med kvantitativnimi in kvalitativnimi preizkusi (h'ic N DT temperaturo) Rezultati soodvisnosti med lomno žilavostjo A'/c> izračunano na osnovi korelaeije Rolfe-Novak (enačba 3), in sicer za "upper shelf" območje ter temperaturo referenčne ničelne duktilnosti /'\//7 ,. / pri temperaturi testiranja — '20° C so prikazani v tabeli 6. Tabela 6. Soodvisnost med lomno žilavostjo Kje in Tndt.tc I rA jeklo NIOMOL 490 v dobavnem stanju (Tndt = -85°C). Temperatura T;V DT.re) Žilavost Izračunana testiranja Charpy-V lomna žilavost A'/c (°C) (K) (J) (MPa^m) - 20 65 145 207.0 - 60 25 117 92.2 - 75 10 91 76.3 - 85 0 70 62.7 Za nižje temperature (-60°C, -75°C, -8.r)°C) pa so bile uporabljene korelaeije, ki veljajo za prehodno območje A - Hkmol 4SO - dobavno stanje - zareza Charpy-V B--Niomol 490 - staran 250'C/20h- zareza Charpy -V C---- Niomol 490-K)%h!arpy-V D----Niomol <90 - K>y. hladno deformiran In staran 250'C /30'- zareza Charpy -V E - NI omot 490- 10 K hladno deformiran in staran 250 'C/30'- zareza pj Slika 3. Žilavost v odvisnosti od temperature za jeklo NIOMOL 490. Figure 3. Impact toughness as a function of temperature for the NIOMOL 490. (enačba 2). Pri tem smo za modul elastičnosti E vstavili vrednost 2.05 ■ 102 GNnr, Charpy-jeva žilavost pa je izražena v Joulih. 4 Analiza rezultatov Primerjava rezultatov iz tabele 6 s podatki iz diagrama na sliki 1 kaže, da je pri jeklu Niomol 490 lomna žilavost npr. 207 MPa^m dosežena pri temperaturi eksploatacije takšnega jekla, ki je za 65°C višja od temperature neduk-tilnega loma, medtem, ko je iz diagrama moč razbrati, da je takšna lontna žilavost kot minimalna referenčna vrednost dosežena še pri temperaturi eksploatacije, ki je kar za 100°C višja od temperature neduktilnega loma. To pomeni, da ima jeklo Niomol 490 pri temperaturi eksploatacije, ki je npr. za 65°C višja od Tndt skoraj še enkrat višjo žilavost od tiste, ki jo kot minimalno navaja diagram na sliki 1. Na problem pa lahko gledamo še z druge plati. Če predpišemo temperaturo eksploatacije npr. —40°C, kar je 45 K nad temperaturo neduktilnega loma, potem ima pri teh pogojih eksploatacije Niomol 490 lomno žilavost, ki je vsekakor višja od 100 MPa^m (glej tabelo 6), vrednost iz diagrama na sliki 1 pa je nekje pri 70 MPav/m. Jeklo Niomol 490 je torej tudi s tega stališča varnejše v eksploat-aciji, saj ima pri temperaturi, ki je še dovolj varno odmaknjena od temperature neduktilnega loma, lomno žilavost, ki je vsaj 30%. višja od minimalne referenčne vrednosti, nanašajoče se na izbrano referenčno T^dt- 5 Zaključek Na osnovi opravljenih raziskav ugotavljamo, da soodvisnost med lomno žilavostjo in referenčno temperaturo ničelne duktilnosti pove skoraj vse o varni uporabi jekla pri nizkih temperaturah. Na tej osnovi je namreč možna primerjava med dvema različnima jeklinta podobne vrste, ki pa imata različno N DT temperaturo. Takšna primerjava bo namreč odgovorila na vprašanje, katero od obeh jekel bo imelo boljšo varnost proti krhkemu lomu. 6 Literatura 1 PVRC Recommendations on Toughness Requirements for Ferritic Materials, Welding Research Council Bulletin 175, August 1972. 2 G .T. Hahn, A.R. Rosenfield: Sources of Fracture Toughness-the Relation between Kir and the Ordinary Tensile Properties of Metals, Applications Related Phe-nomena in Titanium Alloys, ASTM STP 432, 1986, 5-32, Philadelphia. 3 Bar som J.M., Rolfe S.T. "Correlations between A'/c and Charpy V-Notch. Test Results in the Transition-Temperature Range"—Impact testing Metals ASTM 466. American Society for Testing and Materials. 281-302. 1970. 4 Rolfe S.T.. Novak S.R. "Slow-bend h,,- testing of medium-strength higli-toughness steels"—STP 463. Philadelphia, American Society for Testing and Materials. 124-159, 1970. 5 Scarlin R.B.. Shakeshaft M. "Limitations of some meth-ods of establishing fracture-toughness data"—Metals Technology, January 1981. 1-9. ASTM E 208: Standard Method for Conducting Drop-Weight Test to determine Nil-Ductility Transition Temperature of Ferritic Steelseels. 7 J. Vojvodič-Gvardjančič: Lomne značilnosti drobnozr-natega mikrolegiranega jekla NIOMOL 490 (magistrska naloga. 1990). 8 Eberhard Ross, Thomas Demler. Ulrich Eisele and Rainer Gillog: Fracture mechanics safety assessment based on mechanics of materials—Steel Research 61. 1990. No. 4. 3 B. Faucher and B. Dogan: Evaluation of the Fracture Toughness of Hot-Rolled Low-Alloy Ti-V Plate Steel, Metallurgical transactions, 19A, March 1988. 505-516. 10 ASTM E 185: Standard Practice for Conducting Surveil-lance Tests for Light-Water Cooled Nuclear Power Reac-tor Vessels, E 706. 11 Putatunda S.K. "A comparison of various fracture toughness testing methods"—Enginering Fracture Mechanics (Great Britain). 25. 1986. 4, 429-439.