DOLOČITEV KRHKIH PODROČIJ NA FRONTI RAZPOKE V TVP ZVARNEGA SPOJA magistrsko delo Študent: Študijski program: Mentor: Somentor: Lektorica: Marko Mlakar

Transkripcija

1 DOLOČITEV KRHKIH PODROČIJ NA FRONTI RAZPOKE V TVP ZVARNEGA SPOJA magistrsko delo Študent: Študijski program: Mentor: Somentor: Lektorica: Marko Mlakar Magistrski študijski program 2. stopnje Energetika Doc. dr. Zdravko Praunseis Red. prof. dr. Jurij Avsec Nuša Božičnik, prof. slovenščine Krško, julij 2015 I

2 II

3 ZAHVALA Zahvaljujem se mentorju doc. dr. Zdravku Praunseisu in somentorju red. prof. dr. Juriju Avscu za koristne nasvete, ki sem jih uporabil pri izdelavi magistrskega dela. Hvala Železarni Ravne za pomoč pri izvajanju varjenja in metalografskih raziskav. Zahvala gre tudi moji družini, sodelavcem, sošolcem in prijateljem, ki so me podpirali in mi stali ob strani skozi celotni študij. III

4 DOLOČITEV KRHKIH PODROČIJ NA FRONTI RAZPOKE V TVP ZVARNEGA SPOJA Ključne besede: visokotrdnostna jekla, zvarni spoji, toplotno vplivano področje, fronta razpoke UDK: : : (043.3) Povzetek Zvarni spoji so pri gradnji energetskih komponent najšibkejši člen jeklene konstrukcije. Najbolj krhko področje večvarkovnega zvarnega spoja je toplotno vplivano področje, kjer se najpogosteje pojavi krhki zlom konstrukcije. V nalogi je obravnavano celotno toplotno vplivano področje visokotrdnostnega večvarkovnega X zvarnega spoja. Natančno so določene vse krhke mikrostrukture in velikosti lokalno krhki področij ob fronti utrujenostne razpoke. IV

5 DETERMINATION OF LOCAL BRITTLE ZONES AT THE CRACK FRONT IN THE HAZ OF WELDED JOINT Key words: high strenght steels, welded joints, heat affected zone, crack front UDK: : : (043.3) Abstract Welded joints are the most weakest link at the construction of steel structures. The most brittle part of multypass welded joint is heat affected zone, where often appeared brittle fracture of structure. In this thesis, the whole heat affected zone of high strenght multypass X welded joint was performed. All microstructures and local brittle zones largeness at the crack tip front were precisely determined. V

6 KAZALO VSEBINE 1 UVOD PROBLEMATIKA VARIVOSTI JEKEL LASTNOSTI KEMIJSKIH ELEMENTOV V JEKLU Vpliv ogljika Vpliv silicija Vpliv mangana Vpliv žvepla Vpliv fosforja Vpliv dušika VARIVOST VISOKOTRDNOSTNIH JEKEL DOLOČITEV VARILNIH PARAMETROV ZA DOPUSTNE VNESENE TOPLOTE IN VARILNI NAČRT GRADNJE VARKOV IN ZVARNIH SPOJEV TOPLOTNO VPLIVANO PODROČJE VEČVARKOVNEGA ZVARNEGA SPOJA TOPLOTNI CIKEL VARJENJA Debelina varjencev Energija varjenja Začetna temperatura (predgretje) Naknadno segretje (pogretje) DOLOČITEV MEHANSKIH LASTNOSTI TVP S POMOČJO EMPIRIČNIH ENAČB Trdnost in duktilnost TVP Meja tečenja Natezna trdnost Rastezek METODE PRIPRAVE METALOGRAFSKIH VZORCEV METALOGRAFIJA IN METALOGRAFSKI OBRUSI Izdelava metalografskih obrusov Izrez obrusov Pritrjevanje Brušenje vzorca Jedkanje Mikroskopiranje Optični mikroskopi Elektronski mikroskop (SEM - Scanning Electron Microscope) VI

7 5 ZGRADBA ZVARA IN LOKACIJA UTRUJENOSTNIH RAZPOK V TVP ZVARNEGA SPOJA DOLOČITEV DOLŽINE LOKALNO KRHKIH PODROČIJ OB FRONTI RAZPOKE IN DISKUSIJA REZULTATOV KOTIRANJE LOKALNO KRHKIH PODROČIJ CTOD VREDNOST SKLEP VIRI IN LITERATURA PRILOGE PRILOGA A: IZJAVA O ISTOVETNOSTI TISKANE IN ELEKTRONSKE VERZIJE ZAKLJUČNEGA DELA IN OBJAVI OSEBNIH PODATKOV DIPLOMANTOV PRILOGA B: IZJAVA O AVTORSTVU ZAKLJUČNEGA DELA VII

8 KAZALO SLIK SLIKA 1.1: POSTAVITEV GLOBOKE UTRUJENOSTNE RAZPOKE V X OBLIKO VEČVARKOVNEGA ZVARNEGA SPOJA IN VOLUMSKA PORAZDELITEV LKP NA FRONTI RAZPOKE [2]... 2 SLIKA 2.1: DOPUSTNA TRDNOST 350 HV KOT FUNKCIJA POVEČANJA DEBELINE [7]... 5 SLIKA 2.2: KEMIJSKA SESTAVA PLAMENSKO REZANEGA VISOKOTRDNOSTNEGA JEKLA [7]... 7 SLIKA 2.3: ZAKALITEV PLAMENSKO REZANEGA ROBA POBOLJŠANEGA VISOKO TRDNOSTNEGA KONSTRUKCIJSKEGA JEKLA [7]... 8 SLIKA 2.4: ŽILAVOST NIZKO IN VISOKO OGLJIČNEGA MARTENZITA [4]... 9 SLIKA 2.5: VPLIV ČASA OHLAJANJA PO VARJENJU NA VIŠINO TRDOTE IN PREHODNO TEMPERATURO V KRHKI LOM TP [4]... 9 SLIKA 2.6: DOPUSTNE DOVEDENE TOPLOTE V ODVISNOSTI OD DEBELINE IN TEMPERATURE PREDGREVANJA PRI VARJENJU SOČELNIH ZVARNIH SPOJEV [7] SLIKA 2.7: DOPUSTNA DOVEDENA TOPLOTA ZA SOČELNI ZVARNI SPOJ [4] SLIKA 2.8: DOPUSTNA DOVEDENA TOPLOTA ZA KOTNI ZVARNI SPOJ [7] SLIKA 3.1: PRIMERJAVA SPREMEMBE TEMPERATUR, NAPETOSTI IN VODIKA MED VARJENJEM BREZ PREDGRETJA (POLNE ČRTE, INDEKS 0) IN S PREDGREVANJEM (PREKINJENE ČRTE, INDEKS P). SIMBOLI tr 800/500 IN tr TM/100 POMENIJO ČAS OHLAJANJA MED 800 IN 500 C IN MED NAJVIŠJO TEMPERATURO IN 100 C [2,7] 20 SLIKA 3.2: PRIMERJALNI RAZVOJ (OD NAJVIŠJE TEMPERATURE NAPREJ) TEMPERATURE, NAPETOSTI IN VODIKA PRI ENOSTAVNEM PREDGRETJU ( POLNA ČRTA) IN PRI KOMBINIRANEM PREDGRETJU S POGRETJEM (PREKINJENA ČRTA) [7] SLIKA 3.3: PODROČJA IN OKOLIŠČINE MOŽNEGA RAZPOKANJA V ODVISNOSTI OD TEMPERATUR Tp IN ČASA tp POGRETJA ( VSI DRUGI PARAMETERI SO SICER ENAKI) A RAZPOKANJE MED POGRETJEM: NEZADOSTNA TEMPERATURA; B RAZPOKANJE PO POGRETJU: ČAS NEZADOSTEN; C NI RAZPOKANJA: USTREZNA TEMPERATURA IN ČAS [1] SLIKA 3.4: PORAZDELITEV MIKROSTRUKTUR V TVP VEČ VARKOVNEGA ZVARNEGA SPOJA [2] SLIKA 3.5: ŠIRINA ZMEHČANEGA PODROČJA PRI ZVARNEM SPOJU IZ POBOLJŠANEGA JEKLA VTML IN TERMOMEHANSKO OBDELANEGA MIKRO LEGIRANEGA JEKLA [2] SLIKA 3.6: SHEMATIČEN PRIKAZ RASTI IN ODKLONA SMERI RAZPOKE V TRDOSTNO SLABŠI ZVAR [2,8] SLIKA 4.1: PASTA ZA BRUŠENJE METALOGRAFSKIH VZORCEV ALUMINA (AL2O3) [10] SLIKA 4.2: ROČNA BRUSILNA NAPRAVA [10] SLIKA 4.3: AVTOMATIZIRANA BRUSILNA NAPRAVA [10] SLIKA 4.4: EH-PH DIAGRAM ZA ŽELEZO [10] SLIKA 4.5: SHEMA VEZAVE ELEKTROLITSKEGA JEDKANJA [1] SLIKA 4.6: METALOGRAFSKI OBRUSI PRIPRAVLJENI ZA MIKROSKOPIRANJE [10] SLIKA 4.7: PRIMER METALOGRAFSKE SLIKE Z BF OSVETLITVIJO [1] SLIKA 4.8: PRIMER METALOGRAFSKE SLIKE Z DF OSVETLITVIJO [1] VIII

9 SLIKA 4.9: OPTIČEN MIKROSKOP S KAMERO [1] SLIKA 4.10: ELEKTRONSKI MIKROSKOP [1] SLIKA 4.11: ŽILAVI PRELOM JEKLA, POSNETEK S SEM MIKROSKOPOM [2,8] SLIKA 5.1: VISOKOTRDNOSTNI VEČVARKOVNI X - ZVARNI SPOJ SLIKA 5.2: PORAZDELITEV TERMIČNIH VPLIVOV VARKOV IN IZOBLIKOVANJE MIKROSTRUKTUR V TVP VEČVARKOVNEGA X-ZVARNEGA SPOJA, Q=15 KJ/CMM, Δt 85 = 12 S SLIKA 5.3: PORAZDELITEV TERMIČNIH VPLIVOV VARKOV IN IZOBLIKOVANJE MIKROSTRUKTUR V TVP VEČVARKOVNEGA X-ZVARNEGA SPOJA, Q=30 KJ/CMM, Δt 85 = 28 S SLIKA 5.4: SHEMATSKA POSTAVITEV GLOBOKE UTRUJENOSTNE RAZPOKE V X OBLIKO VEČVARKOVNEGA ZVARNEGA SPOJA IN VOLUMSKA PORAZDELITEV LKP SLIKA 5.5: DEJANSKA POSTAVITEV GLOBOKE RAZPOKE V TVP VEČVARKOVNEGA ZVARNEGA SPOJA SLIKA 5.6: IZGLED PRELOMNE POVRŠINE ZVARA Z IZDELANO GLOBOKO UTRUJENOSTNO RAZPOKO V TVP ZVARNEGA SPOJA SLIKA 5.7: METODA RAZREZA IN PRELOMA PREIZKUŠANCA Z GLOBOKO UTRUJENOSTNO RAZPOKO V TVP ZVARNEGA SPOJA SLIKA 5.8: POSTAVITEV PLITVE UTRUJENOSTNE RAZPOKE V TVP ZVARNEGA SPOJA IN VOLUMSKA PORAZDELITEV LKP V TVP ZVARNEGA SPOJA SLIKA 6.1: IDENTIFIKACIJA LOKALNO KRHKIH PODROČIJ VZDOLŽ UTRUJENOSTNE RAZPOKE VEČVARKOVNEGA ZVARNEGA SPOJA Z VNESENO TOPLOTO A) Q=15 KJ/CM ZVARA IN B) Q=30 KJ/CM ZVARA SLIKA 6.2: REALNA TOPLOTNA PODROČJA VARKOV V TVP ZVARNEGA SPOJA, NJIHOV MEDSEBOJNI TOPLOTNI VPLIV, NASTALA LKP, TER INICIACIJO LOMA V SREDINI PRELOMNE POVRŠINE SLIKA 6.3: GROBO ZRNATO TOPLOTNO VPLIVANO PODROČJE (GZ TVP) KOT GLAVNA MIKROSTRUKTURA ZA ZAČETEK LOMA SLIKA 6.4: MEDKRITIČNO SEGRETO GROBO ZRNATO TEMPERATURNO VPLIVANO PODROČJE (MK GZ TVP) SLIKA 6.5: KRHKA MARTENZITNO-AVSTENITNA MIKROSTRUKURA V MK GZ TVP SLIKA 6.6: ZVAR SLIKA 6.7: REALNI PRELOM ZVARNEGA SPOJA V TVP S PRIPADAJOČIMI MIKROSTRUKTURAMI SLIKA 6.8: MARTENZITNO-AVSTENITNA STRUKTURA (A) V MEDKRITIČNEM SEGRETEM GROBOZRNATEM TEMPERATURNO VPLIVANEM OBMOČJU (MK GZ TVP) IN RAZGRAJENA - V KONČNI FAZI NASTANE FERIT IN CEMENTIT (B) SLIKA 6.9: PORAZDELITEV MIKROSTRUKTUR OB UTRUJENOSTNI RAZPOKI V TVP ZVARNEGA SPOJA, Q= 30 KJ/CM SLIKA 6.10: POPUŠČENO GROBOZRNATO TOPLOTNO VPLIVANO PODROČJE (GZ TVP) OB UTRUJENOSTNI RAZPOKI PRI MAJHNI (A) IN VELIKI (B) POVEČAVI Z IZMERJENO MIKROTRDOTO HV SLIKA 6.11: OHLAJEVALNA IN SEGREVALNA KRIVULJA JEKLENEGA VEČVARKOVNEGA ZVARNEGA SPOJA SLIKA 6.12: CEMENTIT (Fe3C) KOT NAJTRŠA MIKROSTRUKTURA V GZ TVP ZVARNEGA SPOJA SLIKA 6.13: ALTERNATIVNI POSTOPEK ZA DOLOČITEV LBZ VELIKOSTI VZDOLŽ ČELA RAZPOKE IX

10 SLIKA 6.14: RAZPOREDITEV LOKALNO KRHKIH PODROČIJ OB FRONTI KONICE UTRUJENOSTNE RAZPOKE V TVP ZVARNEGA SPOJA SLIKA 6.15: ZVEZA MED CTOD VREDNOSTJO IN LF ZVARNIH SPOJEV [8] X

11 KAZALO TABEL TABELA 2.1: FAKTORJA F3 IN F2 ZA RAZLIČNE ZVARNE SPOJE PRI DVO- IN TRORAZSEŽNEM OHLAJANJU TABELA 4.1: IZBIRA ABRAZIVNEGA SREDSTVA ZA MATERIALE TABELA 4.2: MATERIALI ZA PRITRJEVANJE OBRUSOV TABELA 4.3: EVROPSKA P-LESTVICA GRANULACIJE IN PREMER DELCEV TABELA 4.4: GROBO POLIRANJE ZA RAZLIČNE MATERIALE TABELA 4.5: FINO POLIRANJE ZA RAZLIČNE MATERIALE TABELA 4.6: SESTAVA ZA KEMIČNO JEDKANJE RAZLIČNIH MATERIALOV TABELA 6.1: REZULTATI IZMERJENIH LOKALNO KRHKIH PODROČIJ OB FRONTI KONICE UTRUJENOSTNE RAZPOKE V TVP ZVARNEGA SPOJA ZA VEČVARKOVNI X ZVARNI SPOJ Z VNESENO ENERGIJO 15 KJ/CM ZVARA IN 30 KJ/CM ZVARA XI

12 UPORABLJENE KRATICE LKP - lokalno krhko področje TVP - toplotno vplivano področje GZ TVP - grobozrnato toplotno vplivno področje TRN - zvarni spoj z nižjo trdnostjo v zvaru IIW - international institute of welding (mednarodni inštitut za varjenje) EPP - elektro pod praškom varjenje REO - ročno elektro obločno varjenje MIG - varjenje v zaščiti argona MAG - varjenje v zaščiti CO2 TIG - Varjenje z volframsko elektrodo v zaščiti argona ASTM - ameriško združenje za preizkuse in materiale CTOD - odpiranje konice razpoke (angl. Crack Tip Opening Displacement) MK GZ TVP - medkritična segreto grobozrnato temperaturno vplivano področje FZ TVP - finozrnato toplotno vplivno področje PK GZ TVP - podkritično segreto grobo-zrnato temperaturno vplivano področje XII

13 1 UVOD Danes po svetu gradijo velike in težko obremenjene zvarjene konstrukcije. Vse večji je poudarek na varnosti konstrukcij in njihovi vzdržljivosti ter čim cenejši izdelavi. Pri varjenju so izredno pomembna toplotno vplivana področja, katerih mikrostruktura vpliva na lomno obnašanje zvarnega spoja, ter martenzitno-avstenitne sestavine, ki drastično zmanjšujejo lomno žilavost zvara. Zato je potrebno pri večvarkovnem varjenju konstrukcijskih materialov nameniti posebno pozornost nastanku teh sestavin [1-4]. Uporaba visokotrdnostnih malo legiranih jekel (VTML) za zelo obremenjene strukture, npr. posode pod pritiskom in cevovode, zahteva uporabo dodajnega materiala, ki zgradi zvar z večjo trdnostjo. Tako grajeni zvari vsebujejo lokalna področja z različno trdnostjo, ki lahko vplivajo na nestabilno lomno vedenje zvara in celotne varjene konstrukcije. Če takšna heterogena področja ležijo v bližini konice razpoke, je to lahko zelo nevarno za nenaden zlom konstrukcije [1]. V nekaterih priporočenih postopkih obravnavanja lokalno krhkih področij (LKP) [2] je priporočljivo uporabiti kvadratni razdelek oziroma globoko utrujenostno razpoko za posebno oceno toplotno vplivanega področja (TVP) na nastanek razpok, kot je prikazano na sliki 1.1. Globoka utrujenostna razpoka simulira dejansko ostrino nastalih razpok v TVP večvarkovnega zvarnega spoja. Zaradi tega je pomembno, da skrbno in natančno spremljamo širjenje razpoke v TVP zvarnega spoja [5-7]. Iz raziskav [2] je ugotovljeno, da je zelo težko slediti širjenju razpoke skoz različna lokalno krhka področja TVP zvarnega spoja, ker je celotno TVP izredno ozko (največ 1-2 mm). 1

14 Slika 1.1: Postavitev globoke utrujenostne razpoke v X obliko večvarkovnega zvarnega spoja in volumska porazdelitev LKP na fronti razpoke [2] Značilnost globoke utrujenostne razpoke je tudi njena heterogena fronta na konici razpoke, kar v praksi pomeni, da dejansko prečka in s tem zajema zelo različna področja žilavosti, enkrat ozka področja z večjo lomno žilavostjo in drugič ozka področja z nižjo žilavostjo. Ker je velikost grobo zrnatega toplotno vplivanega področja (GZ TVP) komaj nekaj 100 µm, je realna možnost prečkanja takšnega ozkega področja LKP zelo majhna. Zavedati se moramo, da je ponovljivost testiranja zvarnih spojev pod enakimi varjenimi pogoji skoraj nemogoča, zato moramo biti pri preiskavi TVP izredno natančni [7-9]. Danes gradimo zvarne spoje tudi s trdnostno mehkejšimi zvari, t.i. nizkotrdnostne (TRN) zvarne spoje, ki pa morajo dosegati zadostno visoko lomno žilavost. Takšni TRN zvarni spoji preprečujejo nastanek hladnih razpok po varjenju. TRN zvarni spoji so v praksi zelo produktivni in prav tako ekonomični. Z uporabo TRN zvarnih spojev s prisotno ravninsko napako dobimo veliko stopnjo deformacije. Ob tem lahko tudi povemo, da ima TRN zvarni spoj s prisotno ravninsko napako veliko prednost, ker utrjuje zvar in ob-enem ima lastnost, da lahko poveča žilavost. Posledica tega je, da prepreči lom, ki nastanejo že pri majhnih obremenitvah [9-10]. V raziskavi je predstavljen fraktografski in metalografski pristop za natančno določitev vseh mikrostruktur in velikosti lokalno krhkih področij na fronti konice utrujenostne razpoke v TVP večvarkovnega zvarnega spoja. 2

15 2 PROBLEMATIKA VARIVOSTI JEKEL Glede na varivosti ogljikovih jekel lahko iz njegove kemijske sestave vidimo, kakšna je vrednost oz. vsebnost naslednjih materialov C,Si,Mn,P in S [2,7]. 2.1 LASTNOSTI KEMIJSKIH ELEMENTOV V JEKLU Vpliv ogljika Za varivost je najbolj pomemben element ogljik. Za dobro varivost ga je potrebno v jeklu vsebovati C < 0,22 %. Ta odstotek se smatra kot meja med dobro in slabo kalivostjo jekla. Če je kalivost slaba, to pomeni, da je dobra varivost, kar pa pove, da nastopajo v TVP bolj žilave in mehkejše mikrostrukture. Če dodajamo več ogljika v jeklo, pomeni, da močno povečujemo trdoto v TVP. Vsekakor pa na varivost pri tem vplivajo tudi drugi dejavniki, kot so; debelina jekla, prisotne nečistoče, plini, drugi legirni elementi Konec koncev vidimo, da je varivost jekel zelo kompleksna zadeva in jo ni enostavno pojasniti. Spodaj sta prikazana dva primera ogljikovih jekel. Uporabimo ogljikov ekvivalent, ki nam ga predpisuje mednarodni inštitut za varljivost (IIW - International Institute of Welding). S temi predpisi lahko določimo oz. ocenimo kakšna je varivost jekel. 1. 0,14 % C, 0,22 % Si, 0,62 % Mn, 0,032 % P, 0,021 % S 2. 0,40 % C, 0,30 % Si, 0,80 % Mn, 0,022 % P, 0,023 % S Analizo jekel lahko določimo na podlagi kemijske analize Ceq po IIW: Ceq iiw= C + Mn/6 + (Cr +Mo + V)/5 + (Ni +Cu)/15 je za oba primera naslednji: Ceq 1. jekla = 0,242, 3

16 Ceq 2. jekla = 0,533. Pravilo: Če je Ceq < 0,45, pomeni, da je jeklo dobro varljivo. Pri tem ne potrebujemo predgrevanja. Prav tako nam je prepuščena uporaba poljubnih elektrod. Če je Ceq = 0,45-0,60, pomeni, da je v tem primeru potrebno predgrevanje in to na C. V tem primeru je določeno, katero elektrodo bomo uporabili, in to je uporaba bazičnih nizkovodičnih elektrod. Če je Ceq > 0,60, pomeni, da je v tem primeru prav tako potrebno predgrevanje in to visoko predgrevanje na C. V tem primeru imamo prav tako določeno uporabo elektrod. V tem primeru bomo uporabili posebne nizkovodične elektrode. Ker se v tem primeru uporabljajo visoke varilne napetosti, je nujno potrebno uporabiti termično obdelavo zvarnega spoja po varjenju. Po določitvi IIW je meja med slabo in dobro varivostjo izmerjena maksimalna trdota 350 HV v TVP. V enačbi (2.1) je podana zveza med Ceq in trdoto. HV maks ~1200C eq 200 (2.1) Kjer je: HV maks izmerjena maksimalna mikrotrdota po Vikersu C eq ogljikov ekvivalent Torej lahko rečemo, da ko je Ceq = 0,46, je dosegel maksimalno trdoto 350 HV. Iz slike 2.1 pa lahko vidimo, da se HV manjša glede na večanje debeline. Za ogljikova jekla, ki imajo vsebnost C > 0,18 %, velja zgornja zveza med Ceq in trdoto. Sodobna nizkotrdnostna jekla, ki imajo nižjo vsebnost ogljika, z njimi se bomo ukvarjali v nadaljevanju, za nas postanejo netočna in posledično tudi za oceno varivosti jekel pregroba, ker pride do zniževanja trdote s predgrevanjem in večjo količino vnesene toplote [7]. 4

17 Slika 2.1: Dopustna trdnost 350 HV kot funkcija povečanja debeline [7] Vpliv silicija Glede na to, da silicij deluje močno dezoksidacijsko, mora biti prisoten v pomirjenih ogljikovih jeklih nekje z vsebnostjo 0,15-0,45 %. Ker silicij veže O 2, ga pri varjenju odplavlja v žlindro. Prav tako je zelo dober pri preprečevanju nastankov blokovnih izcej in je dober za povečanje odpornost proti staranju. V primeru, ko je jeklo nepomirjeno (pomeni, da je Si < 0,15 %), se tvorijo blokovne izceje, ki pa so pri varjenju neugodne. Pri varjenju se neugodno razporedijo po valjancu, kar pa privede do tega, da povzročijo toplotne razpoke. Zato lahko govorimo, da je varjenje omejeno le na področje oz. območje, kjer ni izcej Vpliv mangana Kadar dodajamo jeklu mangan, želimo doseči večjo trdnost in ob enem znižati vsebino Ceq. S tem mu prav tako izboljšamo žilavost in varljivost. Ker mangan dezoksidira talino, 5

18 nase veže žveplo in s tem zniža občutljivost jekla za razpokljivost v vročem. Po določenih standardih je priporočilo, da je razmerje Mn/s > 20. V primeru varjenja ob obremenitvi pravokotno na debelino lahko toplotno vplivno področje povzroči lamelne lome. Do lamelnih lomov pa pride zaradi posledic podolgovatih vključkov MnS od valjanja Vpliv žvepla V jeklu vsekakor žveplo ni zaželeno, saj nam povzroča krhkost v toplem (v primeru, ko temperatura doseže več kot 1000 C, se pojavi tekoči efekt Fe FeS) in prav tako se pri varjenju pojavi razpokljivost v vročem. Žveplo, ki se nahaja v jeklu znaša v povprečju S < 0,035 %. V primeru, da je zahteva po odpornosti proti lamelnim lomom pa mora vsebnost žvepla v jeklu biti S < 0,01 %. Prav tako pa žveplo znižuje duktilnost v toplotno vplivnem področju pri napetostnem žarjenju CrMoV jekel. Zaradi omenjenega v prejšnjem stavku pa pri tem pospešuje nastanek razpok, ki se pojavijo pri termični obdelavi Vpliv fosforja Fosfor v jeklu je načeloma dober, ker nam viša natezno trdnost in mejo tečenja, vendar pa ima tudi slabost, ker pospešuje krhkost v hladnem. Zaradi omenjenega ga je lahko posledično v jeklu običajno P < 0,035 %. Fosfor povzroča izceje, ki ga zaradi njegove slabe difuznosti v αfe in γfe ne moremo popraviti s toplotnim izenačevanjem koncentracij. Fosfor v primeru, ko so prisotne večje količine le-tega, povzroča krhkost ferita in posledično lome v hladnem. Kadar pride, do dolgotrajnega žarjenja, se nakopiči na kristalnih mejah in posledica tega je, da povzroči popuščno krhkost. Predvsem pri nizkih temperaturah dosežemo, da žilavost jekla poboljšamo v primeru, če je P < 0,02 % Vpliv dušika Dušik se v jeklu veže v obliki nitridov. Dušik, ki je vezan na železo, pa povzroča lom v modrem in staranje (v primeru, da niso prisotni elementi kot so Al, Nb,V oz. elementi, ki 6

19 imajo večjo afiniteto do N kot pa Fe). Zaradi tega naj bi ga bilo v ogljikovem jeklu N < %. Kadar govorimo, da je dušik vezan na navedene elemente v močno pomirjenem jeklu, nam nitridi kali predstavljajo drobnozrnatost, kar pa je osnova za pridobitev finozrnatih jekel. Ker dušik stabilizira avstenit lahko rečemo, da je lahko uporaben kot legirni element pri nerjavnih jeklih. Ker dušik pri varjenju pridobivamo iz zraka, se lahko pri dolgem električnem obloku pri ohlajanju taline zgodi, da pride do poroznosti. 2.2 VARIVOST VISOKOTRDNOSTNIH JEKEL Pri plamenskem rezanju nelegiranih ogljikovih jekel za pripravo zvarnih žlebov težav ni, ker se tanka zakaljena plast pretali in varilne napetosti popustijo (slika 2.2) [2,7]. Težave nastopijo pri visokotrdnostnih jeklih, ko plamensko režemo proste robove, ki so kasneje podvrženi nateznim izmeničnim napetostim, ker se lahko pojavijo utrujenostni lomi, ali ko izvajamo plastično deformacijo s krivljenjem robov. Na sliki 2.3 je razviden vzrok za krhkost robov, ti so posledica zakalitve pri termičnem rezanju v območju, segretim nad temperaturo AC 3. Slika 2.2: Kemijska sestava plamensko rezanega visokotrdnostnega jekla [7] 7

20 Slika 2.3: Zakalitev plamensko rezanega roba poboljšanega visoko trdnostnega konstrukcijskega jekla [7] Pri varjenju je vedno potrebno upoštevati posledice, ki nastanejo zaradi termičnega varilnega ciklusa. Ta ima velik vpliv na lastnosti zvarnega spoja. Zaradi omenjenega lahko nastanejo naslednje posledice: povišanje nagnjenosti h krhkemu lomu, razpoke v vročem v strnjenem zvaru in TVP, razpoke v hladnem, lamelna podzvarna pokljivost, znižanje korozijske odpornosti, razpoke med napetostnim žarjenjem, znižanje trajne utripne trdnosti, zmehčanje predela TVP, segretega nad temperaturo poboljšanja jekla. Posebej je treba poudariti, da se nagnjenosti jekla zaradi zgoraj naštetih posledic ne da ugotavljati z neporušno defektoskopijo, kot so izotopne metode, ultrazvočne metode, rentgenske metode, magnetografske metode Z defektoskopskimi neporušnimi metodami lahko ugotavljamo napake zaradi posledice nepravilnega varjenja. Lastnosti TVP so zaradi povišane prekaljivosti, zaradi topnosti izločkov, ki so porazdeljeni v času valjanja in vpliva visoke temperatur (govorimo o delu, kjer smo ga segreli preko 1100 C) odvisne od: vrste in tipa izoblikovanih mikrostruktur pri ohlajanju, 8

21 obsega povečanja velikosti zrna. Ker želimo dosegati boljše mehanske lastnosti, so navedena jekla legirana, vendar se zaradi tega pri varjenju ne moremo izogniti, da se nam ne pojavi martenzita oz martenzita z bainitom. Zaradi tega mora biti vsebnost ogljika v jeklu nizka, da lahko v strnjenem zvaru ali TVP nastaja samopopuščni žilav martenzit. Navedeno je razvidno iz slike 2.4, kjer je lepo prikazana primerjava med žilavostjo nizko in visokoogljičnega martenzita. Zato je treba varilno tehnologijo prirediti, kot že omenjeno, v smislu, da znižamo dovoda toplote, torej v smislu neproduktivnega varjenja, kot nam kaže sliki 2.5. Slika 2.4: Žilavost nizko in visoko ogljičnega martenzita [4] Slika 2.5: Vpliv časa ohlajanja po varjenju na višino trdote in prehodno temperaturo v krhki lom Tp [4] 9

22 Na sliki 2.4 lahko vidimo, da v primeru, če skrajšamo čas ohlajanja, raste trdota. Posledica tega je, da se zrno manj povečuje, kar pomeni, da se temperatura prehoda v krhki lom znižuje. Slika 2.5 prikazuje diagram, na katerem so tri področja: V I. območju je razvidno, da pride do dobre žilavosti materiala, pojavi se tudi visoka trdota. Ker je prisotnost praktično martenzitne mikrostrukture, se zaradi tega občutno poviša občutljivost za pojav vodikovih razpok v hladnem. Da bi se temu izognili, moramo natančno določiti temperaturo predgrevanja, prav tako je potrebna temperatura med varki in seveda je odvisno tudi od temperature ter časa pogrevanja. Potrebna pa je tudi predvsem nizka količina difuzijskega vodika. V II. območju je dosežen kompromis med trdoto in prehodno temperaturo Tp in tako to območje predstavlja tehnologijo običajnega varjenja, kjer je tudi izpolnjen kompromis med lastnostmi TVP in strnjenega zvara. V III. Območju pa je odvod toplote previsok, posledica je povečanje zrna v TVP in s tem dvig prehodne temperature Tp, vendar velik padec trdote. Posledica je nizka žilavost, ki je s termično obdelavo ne moremo popraviti; torej je to območje pri varjenju visoko trdnostnih jekel prepovedano. Ta priporočila je treba upoštevati pri zasnovi varilne tehnologije visoko trdnostnih fino zrnatih konstrukcijskih jekel. Parametri zasnove [2] so naslednji: Ocenitev mikrostruktur v CCT diagramu za ustrezno jeklo in izbira časa ohlajanja t 8/5, ki je s za fino zrnata normalizirana jekla, 8 15 s za v vodi kaljena in poboljšana jekla in 2 9 s za TMO jekla. Izbira ustreznega dodajnega materiala z nizkim H D, običajno < 5 ml/100 g strnjenega zvara. Odvisno je od značaja konstrukcije in kako si interpretiramo te napake v zvarnih spojih. Za njih je potrebno izbrati faktor trdnostne neenakosti. Ta faktor trdnostne neenakosti pa izberemo med osnovnimi materiali in strnjenim zvarom M > 1, M < 1 ali M = 1. Določitev temperature predgrevanja T PRED = f(h D, d, C eq /P cm, Q). Ker je to najpomembnejši parameter za preprečevanje razpok v hladnem v TVP in strnjenem zvaru, so glede na izbrano jeklo in dodajni material na razpolago naslednje možnosti: - kvalitativni eksperimentalni način z Y preizkusom, 10

23 - kvantitativni eksperimentalni način s preizkusom implant, - koncept po Ito Bessyu analitični način, - koncept po Dürenu eksperimentalno/analitično, - koncept po Suzukiju analitično. Konstrukcija varilnega diagrama za dvo- in trorazsežno ohlajanje in določitev dopustne dovedene toplote v zvarni spoj: Dovedena toplota pri varjenju je odvisna od načina ohlajanja, ki ga terja debelina zavarjenega materiala. Kot je razvidno iz obeh enačb za trorazsežno ohlajanje 3R in dvorazsežno ohlajanje 2R, je dovedena toplota pri večjih debelinah za določeno jeklo konstantna, pri tanjši debelini pa se mora reducirati z njenim zmanjševanjem, da v vsakem primeru ohranimo izbrani čas ohlajanja Δt8/5. Zaradi navedenega moramo za vsako kvaliteto jekla in vneseno toploto določiti kritično debelino, kjer se oba načina ohlajanja spojita. Čas ohlajanja, v (s), Δt 8/5 za 3R je po enačbi (2.2): Kjer je: Δt 8 5 = 1 η 2πλ (Q) ( 1 1 ) F I 500 T T 3 (2.2) 0 Δt 8 5 čas ohlajevanje zvarnega spoja od 800 do 500 stopinj λ toplotna prevodnost Q vnešena toplota v zvarni spoj T 0 temperatura predgrevanja F 3 faktor zvarnega spoja pri trorazsežnem ohlajanju Čas ohlajanja, v (s), Δt 8/5 za 2R je po enačbi (2.3): Kjer je: 1 Δt 8 5 = 4πλρϲ η2 ( Q I )2 1 [( 1 ) 2 1 ( ) 2 ] F d T T 2 (2.3) 0 Δt 8 5 čas ohlajevanje zvarnega spoja od 800 do 500 stopinj Q vnešena toplota v zvarni spoj λ toplotna prevodnost 11

24 ρ gostota materiala c specifična toplota I dolžina zvarnega spoja d debelina plošče T 0 temperatura predgrevanja F 2 faktor zvarnega spoja pri dvorasežnem ohlajanju Vrednosti za oba faktorja [7] so razvidne iz tabele 2.1. S faktorji, ki smo jih navedli, reguliramo dovod toplote za zvarne spoje, ki so možni z različnim dovajanjem toplote. Tabela 2.1: Faktorja F3 in F2 za različne zvarne spoje pri dvo- in trorazsežnem ohlajanju Vrsta zvarnega spoja Faktor zvarnega spoja pri: dvorazsežnem ohlajanju trorazsežnem ohlajanju F3 F ,45-0,67 0,67 0,90 0,67 0,90 0,90 Če oba časa izenačimo, določimo iz izraza kritično debelino dk v (m) po enačbi (2.4): Kjer je: d k kritična debelina d k = ηe ( 1 1 ) + ( ) (2.4) 2ρϲ 500 T T 0 η izkoristek moči obloka UI E elastični modul ρ gostota materiala 12

25 c specifična toplota T 0 temperatura predgrevanja 0,90-0,99 pri varjenju EPP 0,66-0,85 pri varjenju REO, MIG/MAG 0,20-0,50 pri varjenju TIG ρ = gostota materiala (kgm 3 ), za finozrnato jeklo znaša 7850, c = specifična toplota (kjkg 1 K 1 ), za inozrnato jeklo znaša C, 0,994, V primeru, ko je debelina uporabljenega jekla d < d k, pomeni oz. vlada v materialu dvorazsežno ohlajanje, 2R. V primeru, ko pa je debelina uporabljenega jekla d > d k, pomeni oz. vlada v materialu trorazsežno ohlajanje, 3R. Podatke, ki jih pridobimo z vnos toplote tako po dvo kot tudi trorazsežnem ohlajanju za izbrano kvaliteto finozrnatega visokotrdnostnega konstrukcijskega jekla primerjamo z diagram dopustnih vnesenih toplot v odvisnosti od debeline za zgornjo in spodnjo vrednost izbranega časa Δt 8 5. Tako dobimo razpon dopustne vnesene toplote za vse debeline varjenega jekla; navedeno prikazuje slika 7. Slika 2.6: Dopustne dovedene toplote v odvisnosti od debeline in temperature predgrevanja pri varjenju sočelnih zvarnih spojev [7] 13

26 Iz diagrama je razvidno, da se kritična debelina povišuje s poviševanjem dovedene toplote. Kadar varimo in pri tem dovajamo toploto nad dopustnim razponom, povzročimo v TVP grobo zrno in posledično tudi nizko žilavost. V primeru, ko pa varimo z dovedeno toploto, ki je pod dopustnim razponom pa dobimo drobno zrno, ki je sicer zaželeno, vendar je posledica takšna, da je območje v TVP občutljivo na nizke količine HD. Na sliki 2.7 je prikazan primer dovoda dopustne dovedene toplote za sočelni in na sliki 2.8 za kotni zvarni spoj pri različnih temperaturah predgrevanja. Iz tega je razumljivo, da moramo zaradi višjega odvoda toplote dovajati več toplote pri kotnih zvarnih spojih kot pri sočelnih zvarnih spojih. Linije predstavljajo srednjo vrednost opisanega razpona dopustno dovedene toplote [2,7]. Slika 2.7: Dopustna dovedena toplota za sočelni zvarni spoj [4] 14

27 Slika 2.8: Dopustna dovedena toplota za kotni zvarni spoj [7] 2.3 DOLOČITEV VARILNIH PARAMETROV ZA DOPUSTNE VNESENE TOPLOTE IN VARILNI NAČRT GRADNJE VARKOV IN ZVARNIH SPOJEV Iz znanega izraza povezave toplote pri varjenju z električnimi parametri in hitrostjo varjenja lahko za zgornjo in spodnjo dopustno mejo dovedene toplote iz diagrama na sliki 2.6 določimo parametre varjenja U(V), I(A) in v (cmmin 1 ) za ročno in avtomatsko varjenje (REO, EPP) [7]: 15

28 Za varjenje EPP: Kjer je: UI 60 Qzgornji/spodnji = η ( ) v (Jcm-1 dolžin varka) (2.5) Q zgornji spodnji vnešena toplota U napetost I tok ν hitrost varjenja Za varjenje REO: Kjer je: Szgornja/spodnja = η Q zg. sp. vnešena toplota U napetost I tok η izkoristek varjenja t čas varjenja UIt Q zg. sp. (Jcm -1 dolžin varka) (2.6) s = v cm, izvlečna dolžina varka z oplaščeno elektrodo, t = čas v min za odgorevanje elektrode do konca z odbitkom ostanka 50 mm v držalu pištole. Parametre U, I in V lahko zaradi gradnje varkov (korenski, vmesni, temenski) spreminjamo, vendar se pri tem dopustna dovedena toplota ne sme spreminjati. Gradnjo varkov iz zvarnih spojev uravnavamo po principih, da bi dosegali čim manjše notranje napetosti in lokalne deformacije zvarnih spojev [2,7]: Ocenitev potrebe pogrevanja (200 C, 0,5-1 ure) Ko zaradi zahtevane visoke žilavosti v TVP varimo z nizko dovedeno toploto, obstaja povečana nevarnost pojava razpok v hladnem, in sicer takoj ali v obliki časovno preostalih razpok (angl. delayed cracking) ali v primeru visokih vpetostnih 16

29 napetosti, ki se pojavljajo v zahtevnih zvarnih spojih velikih debelin, zato posegamo po tehnologiji pogrevanja po varjenju. Varjenec v širini 100 mm na vsaki strani zvarnega spoja segrejemo takoj po varjenju na 250 C v času ca. 0,5-1 ure, kar zadošča za popolno difuzijo vodika iz zvarnega spoja brez kvarnih posledic. Segrevanje izvajamo plamensko, indukcijsko ali uporovno. Ocenitev ustreznosti uporabe napetostnega žarjenja Po predpisih ASTM/ASME do debeline 38 mm napetostno žarjenje ni potrebno. Zaradi izločevalnih procesov mikrolegirnih elementov in ogljika so navedena jekla v TVP krovnih varkov zelo nagnjena k pojavu razpok v času termičnega sproščanja napetosti (angl. reheat cracking). Kadar je napetostno žarjenje nujno (npr. potrebno za poboljšanje antikorozijskih lastnosti), je treba tehnologijo varjenja prirediti ter z varivostnim preizkusom. Verifikacija zastavljene varilne tehnologije Na osnovi navedenih preiskav in rezultatov izvedemo varjenje podaljšanih preizkusnih etalonov s predvideno varilno tehnologijo, običajno v navzočnosti predstavnika uradne institucije za nadzor gradnje investicijske opreme. Najprej sledi ocena defektoskopske preiskave glede na pojav morebitnih napak med varjenjem. Temu sledi razrez varilnih etalonov in izdelava preizkušancev za mehanske, žilavostne in metalografske preiskave ter kemijsko analizo strjenega zvara. Rezultati preiskav za verifikacijo varilne tehnologije morajo ustrezati najnižjim jamčenim lastnostim, predvidenim za osnovni material. Na osnovi zapisnika o poteku in rezultatih verifikacije varilne tehnologije nadzorna institucija izda uradno dovoljenje za pričetek izdelave in varjenja opreme. Po izpolnitvi navedenih parametrov in verifikaciji varilne tehnologije so znani vsi podatki za izvedbo ustrezne proizvodne/delavniške in montažne tehnologije na terenu. 17

30 3 TOPLOTNO VPLIVANO PODROČJE VEČVARKOVNEGA ZVARNEGA SPOJA 3.1 TOPLOTNI CIKEL VARJENJA Morebitni pojav zakalitve jekla pri varjenju je direktno odvisen od toplotnega cikla varjenja in dejavnikov, ki so: masa varjencev, energija varjenja in začetna temperatura (predgretje). Toda obstoj jekel, ki so zaradi svoje kemične vsebnosti pri varjenju kaljiva, vodi k iskanju ne samo postopkov varjenja, ki preprečujejo zakalitev, če je to možno, ampak tudi tistih postopkov, ki sicer ne preprečujejo zakalitev, toda zmanjšujejo tveganja, posebej pojava pokljivosti v hladnem. Zato vključujemo pogretje (naknadno segretje), čeprav ga izvajamo na temperaturi, ki ne spreminja premene pri ohlajanju [2,7] Debelina varjencev Kar zadeva učinek debeline varjencev, je potrebno dodati dve pripombi; ena je toplotno- mehanskega značaja, druga pa metalurškega značaja. S toplotno-mehanskega vidika je debelina ustrezna, ker mejna debelina varjenca pomaga določiti konstantno vrednost časa ohlajanja glede na vneseno energijo še posebno v primeru varjenja gradnje zvarov z več varki. Zato martenzitno premeno spremlja tveganje za razpokanje v hladnem, ki se poveča, če debelina narašča. Z metalurškega gledišča velja, da standardi za jekla v glavnem predvidevajo višjo vsebnost ogljika in zlitinskih elementov za debele varjence kot pa za tanjše. Debelejši izdelki so 18

31 torej s stališča njihove kemične vsebnosti bolj kaljivi pri enaki trdnosti kot tanjši, zaradi česar obstaja dodatno tveganje za pokljivost v hladnem Energija varjenja Za jekla, ki med varjenjem niso sistematično nagnjena k zakalitvi, so pogoji kaljenja določeni v povezavi z začetno temperaturo in energijo varjenja, ki predstavlja krajši ali daljši čas ohlajanja od kritičnega časa ohlajanja za nastanek martenzita. V tem pogledu je uporaba diagramov ohlajevanja pomembna; če pa jih ni, lahko uporabimo kriterij merjenja trdote v zvaru. Za prakso je pomembno, da majhne energije varjenja povzročajo hitro ohladitev in zato moramo svojo pozornost posvečati primerom, kjer varimo z majhnim energijami, na primer: prvi varki v zvaru, ki so glede toplotnega cikla najnevarnejši; spenjalni zvari, ki se jih moramo izogibati ali variti v predgretem stanju enako kot pri kasnejšem varjenju; montažni zvari, katerih učinke pogosto zanemarjamo, ker jih hitro odstranimo. Pri tem se prepričamo, če pod njimi niso ostali ostanki razpok; pritrdilni zvari, čeprav niso obremenjeni; z njimi pritrjujemo ( različne opornike, distančnike, itd.); vžigi obloka izven zvarov; ti vžigi povzročajo žrelca, ki so močno zakaljena in ki lahko vsebujejo razpoke ter poslabšajo mehansko ponašanje (utrujenost), čeprav v bližini ni nobenega zvara. Vžige izven zvarov prepovedujemo. 19

32 Slika 3.1: Primerjava spremembe temperatur, napetosti in vodika med varjenjem brez predgretja (polne črte, indeks 0) in s predgrevanjem (prekinjene črte, indeks p). Simboli t R 800/500 in t R Tm/100 pomenijo čas ohlajanja med 800 in 500 C in med najvišjo temperaturo in 100 C [2,7] Začetna temperatura (predgretje) Predgretje povečuje vnos energije in poveča čas ohlajanja, torej preprečuje potek martenzitne premene. Podaljšani čas ohlajanja je daljši kot kritični čas ohlajanja za nastanek martenzita. Toda vloga predgretja je še pomembnejša, ker lahko celo pri martenzitni strukturi preprečimo razpokanje v hladnem. Prav tako moramo upoštevati vse učinke predgretja pri varjenju jekla, ne samo nastanek martenzita. Primerjava toplotnih ciklov brez predgretja (neprekinjene linije) pokaže (slika 3.1), da predgretje zniža varilne napetosti in količino vodika v zvaru. Martenzitni premeni se lahko izognemo, če podaljšamo čas ohlajanja, v kolikor ima jeklo ustrezen diagram ohlajanja (TRC diagram), tudi v primeru, če pride do pojava martenzitne premene, le-ta nastaja v daljšem časovnem intervalu med M S in M F. Pretvorba je torej manj silovita. 20

33 Napetosti zaradi varjenja se pojavijo med ohlajanjem in do konca ohlajanja; zaradi predgretja se dvig napetosti do največje vrednosti upočasni, ker merimo s podaljšanjem časa ohladitve in najvišje temperature. V primeru brez predgretja prisotni vodik nima časa, da bi med ohlajanjem difundiral (odtod končna vsebnost H 0 ), ima pa vsaj delno možnost za difuzijo (odtod končna vsebnost H p ). Pokanju v hladnem se lahko izognemo, kljub nastanku martenzita, če v trenutku, ko nastopi napetost σ p, doseže vodik v zvaru zadovoljivo nizko vrednost H p. V primeru uporabe predgrevanja najvišja napetost σ 0 nastopi zelo zgodaj, medtem ko se dejanska vsebnost vodika H 0 le malo zniža; zaradi tega nastane možnost pokanja. Tako se glede na naravo jekla kaže vloga predgretja bodisi glede pojava martenzita, razvoja vodika in napetosti bodisi samo glede zadnjih dveh dejavnikov. Če ni martenzita, ni tveganja za pojav razpok v hladnem; v primeru vpliva predgretja na vodik in napetosti pa je tveganje za razpoke zmanjšano Naknadno segretje (pogretje) Izraz naknadno segretje (pogretje) v praksi pomeni, da s segrevanjem prekinemo ohlajanje po določenem času in pri določeni temperaturi, preden dopustimo, da se ohlajanje nadaljuje. Tega postopka ne smemo zamenjavati s toplotno obdelavo po varjenju, ki pomeni, da varjence ali zvarne spoje ponovno segrejemo po predhodni popolni ohladitvi. V splošni praksi določimo temperaturo pogretja enako kot temperaturo predgretja, tako da lahko pogrevamo na višji ali nižji temperaturi. Če pregrevamo na nižji temperaturi od M F, kar je najbolj pogost primer, povzročimo poleg izenačenja temperature na robovih spoja, razvoj vodika in napetosti, kar dopolni in razširi vpliv predgretja, ne da bi prišlo do metalurških sprememb, ker se je ves martenzit že prej pojavil (slika 3.2). Pogretje omogoča čas za difuzijo vodika v odvisnosti od temperature T p na kateri pogrevamo. Kar zadeva napetosti, katerih višina je odvisna od temperature, njihova rast preneha med časom t p in se ponovno nadaljuje, potem ko pogretje preneha. Tako je 21

34 njihova največja višina (pri popolni ohladitvi) zadržana, dokler se difuzija vodika ne zniža na varno vsebnost vodika. Pokanju v hladnem se izognemo, če sta temperatura in čas pogretja pravilno izbrana. Kvalitativni primer (sliki 3.3) prikazuje, kako se spreminja čas t p, ki je potreben, da ne pride do pokanja v odvisnosti od temperature T p. Tako utemeljeno in v praksi potrjeno pogretje je omogočilo znatno razširitev možnosti varjenja visokotrdnostnih jekel in zaradi zmanjšanja temperature predgretja tudi izboljšanje udobja varilcev. Slika 3.2: Primerjalni razvoj (od najvišje temperature naprej) temperature, napetosti in vodika pri enostavnem predgretju ( polna črta) in pri kombiniranem predgretju s pogretjem (prekinjena črta) [7] 22

35 Slika 3.3: Področja in okoliščine možnega razpokanja v odvisnosti od temperatur T p in časa t p pogretja ( vsi drugi parameteri so sicer enaki) A Razpokanje med pogretjem: nezadostna temperatura; B Razpokanje po pogretju: čas nezadosten; C Ni razpokanja: ustrezna temperatura in čas [1] Porazdelitev mikrostruktur v toplotno vplivnem področju večvarkovnega zvarnega spoja je precej zapletena zaradi termičnega varilnega cikla in lastnosti osnovnega materiala (slika 3.4). Slika 3.4: Porazdelitev mikrostruktur v TVP več varkovnega zvarnega spoja [2] 23

36 TVP je precej heterogeno področje zaradi trdnosti in žilavosti. Kadar je govora oz. preučevanja lomne žilavosti heterogenega področja TVP, takrat precejšno pozornost namenjamo pomembnim področjem z izrazito majhno lomno žilavostjo oziroma t. i. lokalno krhkim področjem (LKP). Med takšna področja prav gotovo sodi celotno grobozrnato toplotno vplivano področje (GZ TVP). V le-tem se lomna žilavost še dodatno lokalno poslabša na mestu, ki je bilo ponovno segreto na medkritično temperaturo, to je od 700 do 900 C, zaradi termičnega vpliva naslednjega varka. Raziskovalci so ugotovili, da je vzrok za izredno majhno žilavost medkritičnega grobo zrnatega toplotno vplivanega področja (MK GZ TVP) krhka martenzitno-avstenitna mikrostruktura sestavina (sestavina M-A), za katero je značilna povišana koncentracija ogljika (do 1 %) in velika trdota (HV 500 do 700) [2]. Za visokotrdnostna konstrukcijska jekla je značilno zmehčanje (zmanjšanje trdote) (slika 3.5), ki nastane v toplotno vplivnem področju zvarnega spoja med temperaturo popuščanja jekla, npr. pri temperaturi 620 C. To se kaže v padcu trdote zmehčanega dela TVP. Kadar govorimo o širini zmehčanega področja, je potrebno povedati, da je odvisna od vnešene toplote pri varjenju in lastnosti osnovnega materiala. Zmehčano področje TVP je ožje pri termomehansko obdelanih mikrolegiranih jeklih v primerjavi z zmehčanim področjem pri poboljšanih visokotrdnostnih malolegiranih (VTML) jeklih, kar velja v primeru enake napetosti tečenja pri omenjenih jeklih [2,7]. 24

37 Slika 3.5: Širina zmehčanega področja pri zvarnem spoju iz poboljšanega jekla VTML in termomehansko obdelanega mikro legiranega jekla [2] Področje TVP linija zlitja je posebej občutljivo področje za nastanek ravninskih napak, kot so razpoke v hladnem, zlepljena mesta itd. Kadar je žilavost toplotno vplivnega področja neenakomerna in na posameznih področjih kritična, nastanejo na teh mestih omenjena lokalno krhka področja in prisotne napake lahko povzročijo lom v TVP. V zvarnih spojih TRN se lom zaradi večje trdnosti osnovnega materiala širi proti zvarnemu spoju (v TVP ali strjenemu zvaru) (slika 3.6). 25

38 Slika 3.6: Shematičen prikaz rasti in odklona smeri razpoke v trdostno slabši zvar [2,8]»Raziskave [2,4] so pokazale, da je v tem primeru upoštevan samo globalni vpliv trdnostne neenakosti (zvar OM, M < 1) zvarnega spoja na nastanek in širitev loma, ne pa tudi na lokalni vpliv trdnostne neenakosti na konici razpoke [4]«. Izredno pomembno je, da se upošteva lokalna neenakost na konici razpoke v primeru lokacije razpoke v zelo krhkih in žilavostno neenakomernih področjih, tako kot je tudi TVP zvarni spoj. Smer v katero bo šel odklon razpoke, je vedno kontroliran z lokalnimi trdnostnimi pogoji. Neglede na povedano se smer razpoke vedno nagiba proti področju, ki ima nižjo žilavost. Kakšen pa je vpliv lokalne ali globalne trdnostne neenakosti na CTOD pa ni natančno določeno. Eksperimentalni rezultanti CTOD so pokazali, da je lokalno trdnostno neenakost na konici razpoke potrebno upoštevati pri manjši žilavosti zvarnih spojev, ker je takrat lokalna trdnostna neenakost večji vzrok za nastop loma kot globalna trdnostna neenakost. 3.2 DOLOČITEV MEHANSKIH LASTNOSTI TVP S POMOČJO EMPIRIČNIH ENAČB Trdoto po varjenju nastale martenzitne mikrostrukture v TVP po žarjenju lahko ocenimo po empirični enačbi (3.1) [7]: 26

39 Kjer je: P SR srednja trdota T temperatura žarjenja 1 = 1 R 2,3 log t (3.1) P SR T H t čas na temperaturi žarjenja R plinska konstanta H aktivacijska energija, potrebna za mehčanje mikrostrukture, ki za C-Mn mikrolegirna in CrMo jekla znaša cca. 420 kjmol Trdnost in duktilnost TVP Trdnost lahko določimo iz krivulje za trdoto, pri tem pa je treba omeniti, da trdota ni odvisna le od strukturnih sprememb, temveč tudi od velikosti zrna. Lastnosti mikrostruktur po varjenju lahko primerno ocenimo iz simuliranih mikrostruktur po naslednjih empiričnih enačbah (3.1, 3.2, 3.3 in 3.4) Meja tečenja Kjer je: R e meja tečenja R e (MPa) = 877,9 397 ln t ,37(ln t 8 5 ) 75,43CE 3466C 168,3Si 608,4Mn 1983Cu + 155,4Ni + 936Cr C CE t 8 5 čas ohlajevanja zvarnega spoja od 800 na 500 stopinj CE ogljikov ekvivalent C ogljik Si silicij Mn mangan Cu baker (3.1) 27

40 Ni nikelj Cr krom Kjer je: C ogljik Si silicij Mn mangan Mo baker V nikelj CE ogljikov ekvivalent CE = C + Mn 6 + Si 24 + Mo 29 + V 19 (3.2) Natezna trdnost R m (MPa) = 978,9 360,6 ln t ,32 (ln t 8 5 ) 2 461,7CE(ln t 8 5 ) 56,1Ce (ln t 8 5 ) C 278,41Si 477,6Mn (3.3) Kjer je: R m natezna trdnost 1704Cu + 159,4Ni Cr C CE P cm t 8 5 čas ohlajevanja zvarnega spoja od 800 na 500 stopinj CE ogljikov ekvivalent C ogljik Si silicij Mn mangan Cu baker Ni nikelj Cr krom P em faktor hladne razpokljivosti 28

41 Rastezek Kjer je: A raztezek A(%) = 10, ,76 ln t 8 5 2,242 (ln t 8 5 ) 2 42,63CE (ln t 8 5 ) + 4,701 CE (ln t 8 5 ) ,68 Mn + 33,71 Cr 4,53 Ni 125,3 Cr C t 8 5 čas ohlajevanja zvarnega spoja od 800 na 500 stopinj CE ogljikov ekvivalent C ogljik Mn mangan Ni nikelj Cr krom (3.4) Vse tu navedene empirične enačbe veljajo kot zanesljive za jekla do 21/4Cr-1Mo, za višje legirana pa le za oceno. 29

42 4 METODE PRIPRAVE METALOGRAFSKIH VZORCEV 4.1 METALOGRAFIJA IN METALOGRAFSKI OBRUSI Metalografija je veda, ki govori o kristalni zgradbi kovin. Z njo kvali- in kvantitativno opišemo ter vrednotimo kovinsko strukturo in s pomočjo različnih mikroskopskih metod iščemo napake v materialih, vzroke poškodb, vrsto toplotne obdelave in še več. Metalografija je porušna metoda, kjer preiščemo samo del celotnega materiala. Vedno vzamemo najbolj reprezentativen vzorec, katerega mikrostruktura se pod nobenim pogojem ne sme spremeniti. Torej, ohraniti mora vse lastnosti preizkušanca, razen dimenzij. Ti vzorci so imenovani metalografski obrusi [2,8,10] Izdelava metalografskih obrusov Za kakovostno in zanesljivo oceno mikrostrukture materiala je treba tudi vzorce pripraviti zanesljivo in kakovostno, da so brez najmanjših napak, ki bi lahko vplivale na slabo oceno. Izdelava je deljena na 5 delov: Izrez obrusov Iz preizkušanca, odvisno od materiala, s posebno žago, hladilom in pravilno vrtilno hitrostjo žage izrežemo obrus velikosti približno 25 mm x 20 mm. 30

43 Tabela 4.1: Izbira abrazivnega sredstva za materiale Material Klasifikacija Abrazivo Barvne kovine (Aluminij, Mehke, neželezne SiC baker, cink...) Jekla Železno Alumina (Al2O3) Zlitine Ni-Cr zlitine Alumina (Al2O3) Slika 4.1: Pasta za brušenje metalografskih vzorcev Alumina (Al2O3) [10] Pritrjevanje S pritrjevanjem obrusa v smolah ali plastičnih masah izpolnimo tri pomembne pogoje: zaščitimo robove obrusa, zapolnjevanje praznin v poroznih materialih, lažje rokovanje z obrusom. Kovinske obruse pritrdimo s kompresijskim pritrjevanjem. V tabeli 4.2 so prikazani materiali za pritrjevanje obrusov. Tabela 4.2: Materiali za pritrjevanje obrusov Fenoli Akrili Epoksi Cena Nizka Zmerna Zmerna Enostavnost uporabe Odlična Zmerna Dobra»se nadaljuje«31

44 »nadaljevanje«fenoli Akrili Epoksi Število ciklov Odlično Zmerno Dobro Jasnost Je ni Odlična Je ni Trdota Nizka Dobra Visoka Odpornost na Glikol, Alkohol, oksidanti Topila, kisline, baze kemikalije petrokemikalije, nekatere kisline in baze, topila Temperatura za 150 C C C obdelavo Fenoli Akrili Epoksi Brušenje vzorca Brušenje je izredno pomembno, saj se moramo znebiti napak na materialu, ki so nastale pri izvzemanju iz preizkušanca. Obenem pa se material pripravi za poliranje, ki sledi. Brušenje sledi od najbolj grobega do najfinejšega brusnega papirja, vendar moramo paziti, da ne brusimo s pregrobim, saj bi s tem nastale napake večje kot pri izrezu obrusa. Poznamo naslednje načine brušenja in njeno obdelavo: Ročno brušenje: Obrus brusimo s posebno napravo (slika 4.2.), ki ima na vrteči se glavi pritrjen brusni papir, zraven pa doteka emulzija za hlajenje in mazanje. Hitrost vrtenja in granulacija papirja sta odvisni od materiala ki ga brusimo. Obrus med menjavo granulacije obrnemo za 90 stopinj, saj je smer brušenja izredno pomembna, in brusimo, dokler niso odstranjene vse sledi prejšnjega brušenja. 32

45 Slika 4.2: Ročna brusilna naprava [10] Avtomatizirano brušenje: Naprava je podobna kot za ročno brušenje, vendar ima ta svoj računalnik in servo motorje, ki obrus enakomerno premikajo po celotni površini brusnega papirja, da se ta enakomerno izrablja. Med vsako menjavo granulacije je potrebno očiščenje obrusa. Nastavi se tudi pritisk, s katerim stroj tišči obrus k brusnemu papirju, ta je odvisen od materiala, ki ga brusimo. Obstaja več vrst avtomatskih brusilnih naprav, od manjših do izredno velikih, ki hkrati obdelujejo več vzorcev (primer avtomatizirane brusilne naprave je prikazan na sliki 4.3). Slika 4.3: Avtomatizirana brusilna naprava [10] 33

46 Izbira brusnega papirja - abraziva: Najbolj pogosto abrazivo za kovinske in polimerne metalografske obruse je silicijev karbid (SiC) (tabela 4.1.). Je izvrsten za planarno brušenje, pri katerem imamo rotirajoči se disk, saj dolgo ohranja svojo ostrost zrn. Tabela 4.3 prikazuje evropsko P- lestvico granulacije in premere delcev pri določeni granulaciji. Za brušenje kovin, je najbolj primeren brusilni papir z zrni SiC, ki je najbolj učinkovit in ekonomičen. Priporočljivo je, da je prvo brušenje pri granulaciji P120 ali P240 in se nato zmanjšuje do P600, po potrebi do P1200. Glavna ideja je, da se znebimo vseh sledi prejšnjega brušenja, zato je prehod na drugo granulacijo odvisen od materiala in globine napak. Za brušenje keramike pa uporabimo papir z diamantnim prahom, premera mikronov. Tabela 4.3: Evropska P-lestvica granulacije in premer delcev Evropska P-lestvica Premer delcev [µm] , , , , , , ,8»se nadaljuje«34

47 »nadaljevanje«evropska P-lestvica Premer delcev [µm] , , , ,5 Grobo poliranje: Namen grobega poliranja je odstranitev napak pri jemanju obrusa in pri planarni obdelavi - brušenju. Pravilno poliranje bo ohranilo ravno površino, vendar zgladilo napake. V večini uporabimo poli-kristalna diamantna abraziva, ki imajo veliko število ostrih robov in proizvedejo veliko število zarez z minimalno poškodbo površine, s premerom zrnc od 9 do 1 mikron (slika 4.1). Kot emulzijo uporabljamo destilirano vodo. V tabeli 4.4 je opis grobega poliranja različnih materialov. Tabela 4.4: Grobo poliranje za različne materiale Kovine (vseh vrst) Po navadi zahteva dva koraka, prvega z 6-mikronsko diamantno krpo, drugega pa z 1-mikronsko. Keramika Uporabimo polikristalen diamanten prah zmešan z sferični zrni silicija v tekočini, rezultat je skoraj brezhibna površina. Plastike in polimeri Uporabimo SiC brusni papir granulacije P800 in P1200. Fino poliranje: To je zadnje poliranje, namenjeno poliranju samo površinskih napak. Ne sme se uporabiti za odstranjevanje napak, nastalih pri planarnem brušenju ali izrezovanju, če so te napake še prisotne, do tega koraka sploh nebi smeli priti. V tabeli 4.5 je opis finega poliranja različnih materialov. 35

48 Tabela 4.5: Fino poliranje za različne materiale Kovine Visoko kosmato polirno kolo, posuto z alumino (Al2O3). Polirni čas bi moral biti manjši od 30 sekund. Keramika Nizko kosmato polirno kolo z 1-mikronskim diamantnim prahom v kombinaciji z zrni silicija v tekočini, ali samo zrna silicija v tekočini. Plastike in polimeri Rahlo poliranje na visoko kosmatem polirnem kolesu, posutim z alumino (Al2O3) Jedkanje Jedkanje uporabljamo za optično krepitev mikrostrukture, kot so zrna in fazne spremembe in začetke razpok. Kemikalija, glede na to katero snov uporabimo, specifično "napade" določene dele obrusa, kompozicijo in kristalno strukturo. Z leti se je razvilo veliko tehnik jedkanja, ki variirajo na vrsto materiala: Kemično jedkanje Sestavljeno je iz kislin, baz, reducentov in oksidantov, katere vrste sestavin uporabiti je odvisno od materiala (tabela 4.6) obrusa - Eh-pH ali Pourbaix-ev (oksidacijsko/redukcijski) diagram (slika 4.4). 36

49 Slika 4.4: Eh-pH diagram za železo [10] Tabela 4.6: Sestava za kemično jedkanje različnih materialov Jedkanje Sestavine Aplikacija Kellerjev 190 ml destilirane vode Aluminijeve zlitine reagent 5 ml dušikove kisline 3 ml klorovodikove kisline 2 ml fluorovodikove kisline Krollov reagent 92 ml destilirane vode Titan 6 ml dušikove kisline 2 ml fluorovodikove kisline Nital 100 ml etanola 1-10 ml dušikove kisline Ogljikova jekla in nikljeve zlitine Kallingev reagent 40 ml destilirane vode 2 grama bakrovega klorida 40 ml klorovodike kisline ml etanola (85 %) Nerjaveče jeklo, Fe-Ni-Cr zlitine»se nadaljuje«37

50 »nadaljevanje«jedkanje Sestavine Aplikacija Lepitov reagent 50 ml ocetne kisline 50 ml dušikove kisline Visokotemperaturna jekla Marblov reagent 50 ml destilirane vode Nerjaveča jekla, 50 ml klorovodikove kisline nikljeve zlitine 10 g bakrovega sulfata Murakamijev 100 ml destilirane vode Nerjaveča jekla, reagent 10 g K3Fe(CN)8 10 g NaOH wolframove zlitine, srebrne zlitine, SiC Pikral 100 ml etanola Železo, jekla, 2-4 g pikrinske kisline kositrove zlitine Vilejev reagent 45 ml glicerola Nerjaveča jekla, 15 ml dušikove kisline 30 ml klorovodikove kisline ogljikova jekla, lito železo Elektrolitsko jedkanje: Je dokaj uporabljena metoda, podobna kemičnemu jedkanju, saj so tudi uporabljene kisline in baze, vendar se razlikuje po tem, da je elektrokemični potencial odvisen od spreminjanja toka in napetosti. Pogoj je, da je obrus električno prevoden, zato je ta način jedkanja omejen na kovine. Najbolj pogost način jedkanja vsebuje dve elektrodi, anodo in katodo, z bazami in kislinami kot elektrolitom (slika 4.5). 38

51 Slika 4.5: Shema vezave elektrolitskega jedkanja [1] Obstajajo še druge vrste jedkanja, ki pa v splošni uporabi niso zelo razširjene: jedkanje s staljeno soljo (keramika), termično jedkanje (keramika), plazma jedkanje (keramika). Na sliki 4.6 je prikazan končni izdelek metalografskih obruskov, ki so pripravljeni za mikroskopiranje. 39

52 Slika 4.6: Metalografski obrusi pripravljeni za mikroskopiranje [10] Mikroskopiranje Vsak metalografski obrus po obdelavi najprej preverimo z optičnim mikroskopom (LOM - Light Optical Microscope), šele kasneje, če napake niso vidne oz. so nerazločne, uporabimo močnejše, dražje priprave, kot so elektronski mikroskopi, iskanje napak z rentgenskimi žarki [2,8,10] Optični mikroskopi Z optičnim mikroskopom (slika 4.9) lahko povečamo do 2000x povečave, ampak ni nujno, da bomo kaj videli, saj poleg povečave rabimo še kontrast. Zato obstajata dve verziji: bright field (BF) in dark field (DF). Pri DF mikroskopu lahko dobimo občutno večjo resolucijo in kontrast, saj se zrna osvetlijo na drugačen način. Kar se pri BF vidi črno (slika 4.7), je pri DF belo (slika 4.8) in obratno. 40

53 Slika 4.7: Primer metalografske slike z BF osvetlitvijo [1] Slika 4.8: Primer metalografske slike z DF osvetlitvijo [1] Slika 4.9: Optičen mikroskop s kamero [1] 41

54 Elektronski mikroskop (SEM - Scanning Electron Microscope) Z elektronskim mikroskopom (slika 4.10) lahko opazujemo predmete povečane tudi do krat (prikazano na sliki 4.11). Snop elektronov, ki ga pošljemo proti opazovanemu telesu, se od vsakega atoma drugače odbije, te odbite elektrone s posebnimi senzorji zaznamo in s posebnimi tehnikami nato ustvarimo sliko predmeta (slika 3.1). Ker detektor ni kamera, problemov z resolucijo tukaj ni. Pod SEM-om v večini opazujemo kovinske obruse, saj so električno prevodni. Nekovinske obruse se prekrije z dragimi kovinami, kot so zlato, platina, wolfram, osmij... Obstaja pa tudi pot, da jih damo pod velik pritisk in znižamo napetost na mikroskopu. Slika 4.10: Elektronski mikroskop [1] Slika 4.11: Žilavi prelom jekla, posnetek s SEM mikroskopom [2,8] 42

55 5 ZGRADBA ZVARA IN LOKACIJA UTRUJENOSTNIH RAZPOK V TVP ZVARNEGA SPOJA Za praktični del naloge je bil zavarjen visokotrdnostni večvarkovni X - zvarni spoj (slika 5.1), debeline 30 mm, grajen z oplaščeno elektrodo EVB Ni premera 2,5 mm. Vnos toplote v zvarni spoj je bil 15 KJ/cm zvara (slika 5.2) in pripadajoči čas ohlajevanja Δt 8 5 = 12 s ter 30 KJ/cm zvara (slika 5.3) ter pripadajoči čas ohlajevanja Δt 8 5 = 28 s. Slika 5.1: Visokotrdnostni večvarkovni X - zvarni spoj 43

56 Slika 5.2: Porazdelitev termičnih vplivov varkov in izoblikovanje mikrostruktur v TVP večvarkovnega X- zvarnega spoja, Q=15 KJ/cmm, Δt 8 5 = 12 s Slika 5.3: Porazdelitev termičnih vplivov varkov in izoblikovanje mikrostruktur v TVP večvarkovnega X- zvarnega spoja, Q=30 KJ/cmm, Δt 8 5 = 28 s Za določitev lokalnih krhkih področij (LKP) v TVP zvarnega spoja je bila postavljena v X- zvarni spoj globoka razpoka, kot prikazuje slika

57 Slika 5.4: Shematska postavitev globoke utrujenostne razpoke v X obliko večvarkovnega zvarnega spoja in volumska porazdelitev LKP Realna postavitev utrujenostne razpoke je prikazana na sliki 5.5 in sliki 5.6. Slika 5.5: Dejanska postavitev globoke razpoke v TVP večvarkovnega zvarnega spoja 45

58 Slika 5.6: Izgled prelomne površine zvara z izdelano globoko utrujenostno razpoko v TVP zvarnega spoja Za preučitev in določitev dolžin LKP v TVP zvarnega spoja sta bila izdelana dva preizkušanca z X obliko zvara ter izbrano metodo razreza in preloma preizkušanca, kot prikazuje slika 5.7 [8]. Slika 5.7: Metoda razreza in preloma preizkušanca z globoko utrujenostno razpoko v TVP zvarnega spoja 46

59 V praksi [2,8] se uporablja poleg globoke utrujenostne razpoka tudi plitva utrujenostna razpoka slika 5.8), ki jo v našem primeru nismo uporabili zaradi omejenih finančnih sredstev. Slika 5.8: Postavitev plitve utrujenostne razpoke v TVP zvarnega spoja in volumska porazdelitev LKP v TVP zvarnega spoja. 47

60 6 DOLOČITEV DOLŽINE LOKALNO KRHKIH PODROČIJ OB FRONTI RAZPOKE IN DISKUSIJA REZULTATOV Lomna žilavost večvarkovnega zvarnega spoja je odvisna od vrste in velikosti LKP vzdolž fronte utrujenostne razpoke [2,8]. Največji problem je identifikacija in določitev velikosti LKP pri večvarkovnih zvarnih spojih zaradi medsebojnega termičnega vpliva varkov pri gradnji večvarkovnega zvarnega spoja. Slika 6.1 prikazuje shematsko, slika 6.2 pa realno toplotna področja varkov v TVP zvarnega spoja, njihov medsebojni toplotni vpliv, nastala LKP ter iniciacijo loma v sredini prelomne površine. Lahko ugotovimo, da ima MK GZ TVP območje najbolj krhko mikrostrukturo v GZ TVP večvarkovega varka. Slika prikazuje primere porazdelitve mikrostruktur vzdolž fronte razpoke, skladno s klasifikacijo mikrostruktur po mednarodnem IIW standardu. Ugotovimo, da je grobozrnato področje (GZ TVP) nezvezno in obdano s področji z zelo spreminjajočo lomno žilavostjo (bolj žilava in manj žilava področja). Čeprav je več vrst mikrostruktur prisotnih vzdolž fronte razpoke, se dejansko iniciacija krhkega loma prične v GZ TVP. Bistvena mikrostruktura, ki povzroči začetek krhkega loma, je GZ TVP (slika 6.3). Predvidevamo lahko, da je GZ TVP glavna mikrostruktura za začetek loma, širjenje razpok se sproži tudi iz drugih območij GZ TVP kot so MK GZ TVP in PK GZ TVP. Vidimo, da se lom nikoli ne prične v FZ TVP. 48

61 a) b) Slika 6.1: Identifikacija lokalno krhkih področij vzdolž utrujenostne razpoke večvarkovnega zvarnega spoja z vneseno toploto a) Q=15 KJ/cm zvara in b) Q=30 KJ/cm zvara Slika 6.2: Realna toplotna področja varkov v TVP zvarnega spoja, njihov medsebojni toplotni vpliv, nastala LKP, ter iniciacijo loma v sredini prelomne površine. 49

62 Slika 6.3: Grobo zrnato toplotno vplivano področje (GZ TVP) kot glavna mikrostruktura za začetek loma Pri preučitvi lomne žilavosti heterogenega temperaturno vplivanega področja je potrebno posebno paziti na področje z nizko lomno žilavostjo oziroma na tako imenovana lokalno krhka področja. V to področje pa spada celotno grobo zrnato temperaturno vplivano področje, v katerem se žilavost na določenih mestih še dodatno poslabša. Najbolj se poslabša v medkritično segretem grobo zrnatem temperaturno vplivanem področju (slika 6.4), ki je bilo ponovno segreto na temperaturo 700 C 900 C (to je medkritična temperatura). Dokazano je, da je vzrok za majhno žilavost medkritično segretega grobo zrnatega temperaturno vplivanega področja krhka martenzitno-avstenitna mikrostrukura (slika 6.5). Za to pa je značilno, da vsebuje do 1 % ogljika in ima veliko trdoto [2,8]. 50

63 Slika 6.4: Medkritično segreto grobo zrnato temperaturno vplivano področje (MK GZ TVP) Slika 6.5: Krhka martenzitno-avstenitna mikrostrukura v MK GZ TVP Slika 6.6 prikazuje shematski, slika 6.7 pa realni prelom večvarkovnega zvarnega spoja z nižje vneseno toploto, 15 kj/cm zvara. Posledica tega je, da imamo v zvaru večje število medkritično segretega temperaturno vplivanega območja, ki nastane pri temperaturi C. Pri tej temperaturi pa lahko začne nastajati martenzitno-avstenitna struktura. Le-ta pa je vzrok za nastanek krhkega loma, saj večkratno pregrevanje poslabša mehanske lastnosti zvara. 51

64 Dinamično obremenjenemu večvarkovnemu zvarnemu spoju se poslabšajo mehanske lastnosti zaradi utrujenosti materiala na prehodu temena vara v osnovni material, kjer nastanejo majhne mikro razpoke. V tem primeru (slika 6.6 in slika 6.7) je prišlo do začetka krhkega loma v medkritično segretem temperaturno vplivanem področju. Vidimo lahko, da grobozrnato temperaturno vplivano področje nastane le ob robu preizkušanca, in sicer pri temperaturi nad 1150 C. Popuščeno grobozrnato temperaturno vplivano območje se večkrat pojavi ob medkritično temperaturnem vplivanem področju, kadar na že predhodno temperaturno vplivano področje delujemo ponovno s temperaturnim vplivom gradnje novega varka. Takrat se lahko martenzitno-avstenitna struktura v medkritičnem segretem grobozrnatem temperaturno vplivanem območju razgradi in v končni fazi nastane ferit in cementit (slika 6.8). Slika 6.6: Zvar 52

65 Slika 6.7: Realni prelom zvarnega spoja v TVP s pripadajočimi mikrostrukturami a) b) Slika 6.8: Martenzitno-avstenitna struktura (a) v medkritičnem segretem grobozrnatem temperaturno vplivanem območju (MK GZ TVP) in razgrajena - v končni fazi nastane ferit in cementit (b) Slika 6.9 prikazuje varjenje z večjim vnosom toplote, 30 KJ/cm zvara. Takšni varki so debelejši in imajo za posledico manjše število medkritično segretih grobozrnatih temperaturno vplivanih področij. V zvaru je več popuščenih grobozrnatih temperaturno vplivanih področij, ki pa nastanejo zaradi večjih prekrivnih površin varov. Posledica tega pa je večja količina ferita in cementita. Krhki lom nastane na začetku popuščenega grobozrnatega temperaturno vplivanega področja (slika 6.10). 53

66 Slika 6.9: Porazdelitev mikrostruktur ob utrujenostni razpoki v TVP zvarnega spoja, Q= 30 KJ/cm a) b) Slika 6.10: Popuščeno grobozrnato toplotno vplivano področje (GZ TVP) ob utrujenostni razpoki pri majhni (a) in veliki (b) povečavi z izmerjeno mikrotrdoto HV 180 Avstenit je mikrostruktura, ki nastane pri ohlajevanju pri 900 C (slika 6.11) in je zelo žilava. Če pa avstenit zelo hitro ohlajamo dobimo martenzit, ki pa je zelo trda mikrostruktura. Feritna mikrostruktura (α-fe) je nosilka električne prevodnosti. Cementit (Fe3C) pa je najtrša mikrostruktura (Slika 6.12). 54

67 Slika 6.11: Ohlajevalna in segrevalna krivulja jeklenega večvarkovnega zvarnega spoja Slika 6.12: Cementit (Fe 3 C) kot najtrša mikrostruktura v GZ TVP zvarnega spoja Bistvena razlika med večvarkovnima zvarnima spojema (slika 6.6 in slika 6.9) je ta, da sta grajena z različnima vnosoma energije, in sicer prvi (slika 6.6) z nizkim vnosom energije 55