View
2
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
I
ANALIZA KRHKIH IN ŽILAVIH PRELOMOV HETEROGENIH
ENERGETSKIH KOMPONENT
diplomsko delo
Študent(ka): Marko Mlakar
Študijski program: Visokošolski strokovni študijski program 1. stopnje Energetika
Mentor(ica): doc. dr. Zdravko Praunseis
Somentor(ica): izr. prof. dr. Jurij Avsec
Lektor(ica): Natalija Zmazek, prof. slo in bio
Krško, julij 2013
II
III
ZAHVALA
Zahvaljujem se mentorju, doc. dr. Zdravku Praunseis, in somentorju, izr. prof. dr. Juriju
Avscu, za koristne nasvete, ki so mi pomagali pri nastanku diplomskega dela. Posebna
zahvala velja moji družini, prijateljem in sodelavcem, ki so me podpirali pri študiju.
Zahvalil bi se Železarni Ravne na Koroškem za pomoč pri izvedbi metalografskih in
fraktografskih raziskav.
IV
ANALIZA KRHKIH IN ŽILAVIH PRELOMOV HETEROGENIH
ENERGETSKIH KOMPONENT
Ključne besede: energetska komponenta, zvarni spoji, krhki in žilavi lom, konica razpoke
UDK: 621.791/.792:620.1(043.2)
Povzetek
Prelomi heterogenih energetskih komponent največkrat vodijo do nenadnih porušitev
energetskih konstrukcij (tlačne posode, cevovodi, mostovi, itd..), ki ogrožajo varnost ljudi,
okolja in povzročajo veliko ekonomsko škodo. Zaradi navedenega je nujna natančna in
sistematična analiza jeklenih prelomnih površin in pripadajočih heterogenih energetskih
komponent, tako imenovanih zvarnih spojev.
V nalogi so izvedene metalografske in fraktografske raziskave prelomnih površin z
optičnim in elektronskim mikroskopom, z namenom analize iniciacijskih krhkih in žilavih
prelomov, odklonov smeri razpoke in mikrostrukture na konici razpoke.
V
ANALYSIS OF BRITTLE AND DUCTILE FRACTURES OF HETEROGENEOUS
ENERGY COMPONENTS
Key words: energy component, welded joint, brittle and ductile fracture, crack tip
UDK: 621.791/.792:620.1(043.2)
Abstract
Fractures of heterogeneous energy components often lead to sudden failures of energy
constructions (pressure vessels, pipelines, bridges, etc..) which jeopardize people and
environment safety and cause a huge economy damage. Thus, an exact and systematics
analysis of steel fracture surfaces and its heterogeneous energy components, so called
welded joints, is necessary.
In this thesis, metallographical and fractographical investigations of fracture surfaces
were performed by using optical and scanning electron microscope with the purpose to
analyse initial fracture surface appearance (brittle or ductile), fracture path, as well as
microstructure at the crack tip.
VI
KAZALO VSEBINE
1 UVOD ........................................................................................................................... 1
2 DEFINICIJA HETEROGENIH ENERGETSKIH KOMPONENT ...................... 3
2.1 KRISTALOGRAFIJA STRJEVANJA ..................................................................... 3
2.1.1 Usmeritev kristalov v prehodnem področju: epitaksija ................................. 3
2.1.2 Trajektorija strjevanja, hitrost strjevanja ....................................................... 5
2.1.3 Uporaba makroskopskih podob talilnega področja ........................................ 7
2.1.4 Vloga premen v trdnem stanju .......................................................................... 9
2.2 FIZIKALNA KEMIJA STRJEVANJA ..................................................................... 12
2.3 FAZNE PREMENE V TRDNEM STANJU MED VARJENJEM ........................... 14
2.3.1 Rekristalizacija po hladni utrditvi .................................................................. 16
3 OSNOVNI MODELI KRHKEGA IN ŽILAVEGA LOMA .................................. 24
3.1 CEPILNI LOM IN OSNOVNI MODELI LOMA .................................................. 34
4 UPORABA MEHANIKE LOMA MATERIALOV V ENERGETIKI ................. 44
4.1 KARAKTERISTIKE TRN ZVARNIH SPOJEV ................................................... 45
4.2 TRDNOSTNA NEENAKOST V TOPLOTNO VPLIVANEM PODROČJU TRN
ZVARNIH SPOJEV ........................................................................................................ 49
5 LOMNO OBNAŠANJE ENERGETSKIH KOMPONENT .................................. 52
6 PRAKTIČNA UPORABA METODE RAZREZA PREIZKUŠANCEV ............. 57
6.1 PRELOM TRITOČKOVNIH UPOGIBNIH LOMNOMEHANSKIH ..................... 57
PREIZKUŠANCEV Z GLOBOKO ZAREZO ............................................................... 57
6.2 PRELOM TRITOČKOVNIH UPOGIBNIH LOMNOMEHANSKIH
PREIZKUŠANCEV S POVRŠINSKO RAZPOKO ....................................................... 63
7 DISKUSIJA REZULTATOV ................................................................................... 67
8 SKLEP ........................................................................................................................ 69
VIRI IN LITERATURA ................................................................................................... 70
PRILOGE ........................................................................................................................... 71
PRILOGA A: IZJAVA O ISTOVETNOSTI TISKANE IN ELEKTRONSKE VERZIJE
ZAKLJUČNEGA DELA IN OBJAVI OSEBNIH PODATKOV DIPLOMANTOV .... 71
PRILOGA B: IZJAVA O AVTORSTVU ZAKLJUČNEGA DELA ............................. 72
VII
KAZALO SLIK
SLIKA 2.1: EPITAKSALNO STRJEVANJE V PREHODNEM PODROČJU [1] ................................................................. 3
SLIKA 2.2: EPITAKSALNO STRJEVANJE PRI VEČVARKOVNEM VARJENJU ISTE KOVINE ALI ZLITINE BREZ FAZNE
PREMENE [1] ............................................................................................................................................. 4
SLIKA 2.3: MEHANIZEM SELEKTIVNE RASTI KRISTALNIH ZRN V PREHODNEM PODROČJU [1] .............................. 6
SLIKA 2.4: POGLEDI STRUKTUR STRJEVANJA NA PREČNIH PREREZIH IN TLORISIH [1] ......................................... 7
SLIKA 2.5: STRUKTURA STRJEVANJA UPOROVNIH TOČKOVNIH ZVAROV [1] ....................................................... 9
SLIKA 2.6: PREHOD STRUKTURE STRJEVANJA V STRUKTURO PREMENE V PREHODNEM PODROČJU [1] .............. 10
SLIKA 2.7: FAZNI PREMENI PRI SEGREVANJU V ČASU VARJENJA V VEČ ZVARKIH [1] ........................................ 11
SLIKA 2.8: SHEMATSKI PRIKAZ RASTI ZRNA PRI STRJEVANJU OD ZAČETNEGA KUBIČNEGA KRISTALA [1] ........ 13
SLIKA 2.9: MIKROSKOPSKI VIDEZ RAVNINSKE STRUKTURE, KI SE PRIČNE NA ZAČETKU STRJEVANJA V
PREDHODNEM PODROČJU [1] ................................................................................................................... 13
SLIKA 2.10: SHEMATSKI PRIKAZ SPREMEMBE NATEZNIH LASTNOSTI, KI JO POVZROČI HLADILNA DEFORMACIJA
(E) ........................................................................................................................................................... 17
SLIKA 2.11: RAZVOJ MIKROSTRUKTURE V HLADNEM UTRJENEGA IZDELKA MED SEGREVANJEM [1] ................ 18
SLIKA 2.12: VPLIV REKRISTALIZACIJE IN PREGRETJA NA MIKROSTRUKTURO IN TRDOTA V BLIŽINI ZVARA NA
HLADNO UTRJENEM IZDELKU, KI NIMA FAZNE PREMENE [1] ................................................................... 19
SLIKA 2.13: VPLIV FERITNO-AVSTENITNE PREMENE NA MIKROSTRUKTURO IN TRDOTO V BLIŽINI ZVARA NA
NIZKOOGLJIČNEM JEKLU, KI JE HLADNO DEFORMIRANO [1] .................................................................... 20
SLIKA 2.14: IZKORIŠČANJE REKRISTALIZACIJE S PREDHODNIM KOVANJEM ZVARNIH ROBOV [1] ...................... 22
SLIKA 2.15: REKRISTALIZACIJA VARA S KOVANJEM MED VARKI NA KOVINI BREZ FAZNE PREMENE [1] ............ 22
SLIKA 2.16: REKRISTALIZACIJA NABRIZGANEGA SLOJA PO TOPLOTNI OBDELAVI [1] ....................................... 23
SLIKA 3.1: ŽILAVI PRELOM JEKLA [2] ............................................................................................................... 24
SLIKA 3.2: VPLIVI NAPETOSTNIH POGOJEV NA OBLIKO IN USMERJENOST JAMIC, KI SE NAHAJAJO NA PRELOMU
POVRŠINE PREIZKUŠANCA [2] ................................................................................................................. 25
SLIKA 3.3: NESTABILNA BOČNA RAST IN ZDRUŽEVANJE MIKROVOTLIN [2] ...................................................... 26
SLIKA 3.4: MODELIRANJE BOČNEGA ZDRUŽEVANJA MIKROVOTLINE [2] .......................................................... 26
SLIKA 3.5: NASTAJANJE IN ŠIRJENJE LOMA V KONSTRUKCIJSKIH MATERIALIH [2] ............................................ 30
SLIKA 3.6: NAPETOSTNE IN DEFORMACIJSKE RAZMERE V OKOLICI KONICE OSTRE RAZPOKE [2] ...................... 31
SLIKA 3.7: VPLIV OTOPITVE KONICE NA VELIKOSTI Y V ELASTO-PLASTIČNEM MATERIALU [2] ....................... 32
SLIKA 3.8: »S« PREHODNA KRIVULJA UDARNE ŽILAVOSTI ZA FERITNA JEKLA [2] ............................................ 34
SLIKA 3.9: TRANSKRISTALNI CEPILNI LOM [2] ................................................................................................. 35
SLIKA 3.10: NASTAJANJE CEPILNIH STOPNIC [2] .............................................................................................. 36
SLIKA 3.11: SMITHOV MODEL CEPILNEGA LOMA PRI FERITNIH JEKLIH [2] ........................................................ 37
SLIKA 4.1: PORAZDELITEV NAPETOSTI IN DEFORMACIJE PRI VZDOLŽNO A) IN PREČNO B) OBREMENJENEM TRN
ZVARNEM SPOJU [3] ................................................................................................................................ 46
VIII
SLIKA 4.2: VPLIV MANJŠE TRDNOSTI ZVARKA NA PORAZDELITEV PLASTIČNIH DEFORMACIJ NA PREČNO
OBREMENJENEM TRN ZVARNEM SPOJU [3] ............................................................................................. 46
SLIKA 4.3: OBLIKOVANJE TRN ZVARNEGA SPOJA ZARADI LASTNIH NIHANJ NAPETOSTI TEČENJA OSNOVNEGA
MATERIALA. OZNAKI A IN B STA OSNOVNA MATERIALA Z RAZLIČNIMI MEHANSKIMI LASTNOSTMI [3] .. 47
SLIKA 4.4: PORAZDELITEV PLASTIČNIH DEFORMACIJ V SIMETRIČNEM X IN V TRN ZVARNEM SPOJU [3] ......... 48
SLIKA 4.5: PORAZDELITEV MIKROSTRUKTUR TVP VEČVARKOVNEGA ZVARNEGA SPOJA [3] ........................... 49
SLIKA 4.6: ŠIRINA ZMEHČANEGA PODROČJA PRI ZVARNEM SPOJU IZ POBOLJŠANEGA VISOKOTRDNOSTNEGA
MALOLEGIRANEGA JEKLA IN TERMOMEHANSKO OBDELANEGA MIKROLEGIRANEGA JEKLA [3] ............... 50
SLIKA 4.7: SHEMATIČEN PRIKAZ RASTI IN ODKLONA SMERI RAZPOKE V TRDNOSTNO SLABŠI ZVAR [3] ............ 51
SLIKA 5.1: NATEZNI LOMNOMEHANSKI PREIZKUŠANEC (NL) .......................................................................... 52
SLIKA 5.2: TRITOČKOVNI UPOGIBNI LOMNOMEHANSKI PREIZKUŠANEC (TUL) ................................................ 53
SLIKA 5.3: ŠIROKI PLOŠČATI LOMNOMEHANSKI PREIZKUŠANEC Z GLOBOKO ZAREZO (ŠPG) ........................... 53
SLIKA 5.4: ŠIROKI PLOŠČATI LOMNOMEHANSKI PREIZKUŠANEC S POVRŠINSKO ZAREZO .................................. 54
SLIKA 5.5: PRIMER RAZREZA TUL PREIZKUŠANCA Z GLOBOKO ZAREZO ZA DOLOČITEV MIKROSTRUKTURE OB
FRONTI UTRUJENOSTNE RAZPOKE IN OB INICIACIJSKI TOČKI LOMA ......................................................... 54
SLIKA 5.6: PRIMER RAZREZA: A) TUL PRIZKUŠANCEV Z GLOBOKO ZAREZO IN B) TUL PREIZKUŠANCEV S
POVRŠINSKO ZAREZO .............................................................................................................................. 55
SLIKA 5.7: RAZREZ OBEH PRELOMNIH POVRŠIN TUL PREIZKUŠANCA Z GLOBOKO RAZPOKO V TVP ZVARNEGA
SPOJA ZA IZRAČUN VSEBNOSTI GROBO ZRNATEGA TOPLOTNO VPLIVANEGA PODROČJA (GZ TVP) ......... 56
SLIKA 6.1: TUL PREIZKUŠANEC Z GLOBOKO ZAREZO V TRV ZVARNEM SPOJU ................................................ 57
SLIKA 6.2: IZBRANA PRELOMNA POVRŠINA ENEGA DELA TUL PREIZKUŠANCA Z GLOBOKO UTRUJENOSTNO
RAZPOKO ................................................................................................................................................ 58
SLIKA 6.3: INICIACIJSKI PREDEL PRELOMA V TVP ZVARNEGA SPOJA (INICIACIJSKA TOČKA 1)......................... 58
SLIKA 6.4: INICIACIJSKI PREDEL V SREDINI TRN ZVARA (INICIACIJSKA TOČKA 2) ........................................... 59
SLIKA 6.5: AL-SI-MN VKLJUČEK KOT INICIACIJSKA TOČKA KRHKEGA LOMA V SREDINI TRN ZVARNEGA SPOJA
(INICIACIJSKA TOČKA 2) ......................................................................................................................... 59
SLIKA 6.6: POSNETEK AL-SI-MN VKLJUČEK – INICIACIJSKE TOČKE Z EDX ANALIZO (INICIACIJSKA TOČKA 2) 59
SLIKA 6.7: PREREZ PRELOMNE POVRŠINE SKOZI INICIACIJSKO TOČKO 1 V T. I. TVP ZVARNEGA SPOJA IN PRIKAZ
RASTI IN ODKLONA RAZPOKE .................................................................................................................. 60
SLIKA 6.8: INICIACIJA KRHKEGA LOMA V TVP ZVARNEGA SPOJA (INICIACIJSKA TOČKA 1) .............................. 60
SLIKA 6.9: SPROŽILEC KRHKEGA LOMA V TVP ZVARNEGA SPOJA (INICIACIJSKA TOČKA 1) ............................. 61
SLIKA 6.10: IZLOČENI TI-CN (TITANOVI KARBIDI) PO MEJAH GROBEGA ZRNA V TVP ZVARNEGA SPOJA (GZ
TVP) (INICIACIJSKA TOČKA 1) ................................................................................................................ 61
SLIKA 6.11: TITANOV KARBID – TICN KOT SPROŽILEC KRHKEGA LOMA V TVP ZVARNEGA SPOJA .................. 62
SLIKA 6.12: TITANOV KARBID PRI VIŠJI SEM POVEČAVI (15 000 X) KOT SPROŽILEC KRHKEGA LOMA V TVP
ZVARNEGA SPOJA (INICIACIJSKA TOČKA 1) ............................................................................................. 62
SLIKA 6.13: TUL PREIZKUŠANEC S POVRŠINSKO ZAREZO V TRN ZVARNEM SPOJU .......................................... 63
IX
SLIKA 6.14: IZBRANA PRELOMNA POVRŠINA ENEGA DELA TUL PREIZKUŠANCA S POVRŠINSKO UTRUJENOSTNO
RAZPOKO ................................................................................................................................................ 63
SLIKA 6.15: NAMESTITEV UTRUJENOSTNE POVRŠINSKE RAZPOKE V SREDINO TRN ZVARA ............................. 64
SLIKA 6.16: INICIACIJSKA TOČKA KRHKEGA LOMA V SREDINI TUL PREIZKUŠANCA S POVRŠINSKO ZAREZO
(INICIACIJSKA TOČKA 1) ......................................................................................................................... 64
SLIKA 6.17: ŽILAVA RAST RAZPOKE PRI UPOGIBNI OBREMENITVI TUL PREIZKUŠANCA S POVRŠINSKO ZAREZO
............................................................................................................................................................... 64
SLIKA 6.18: INICIACIJSKA TOČKA KRHKEGA LOMA PO STABILNI – ŽILAVI RASTI RAZPOKE (INICIACIJSKA TOČKA
1) ............................................................................................................................................................ 65
SLIKA 6.19: INICIACIJSKA TOČKA KRHKEGA LOMA S PRIKAZANIMI LOMNIMI FASETAMI (INICIACIJSKA TOČKA 1)
............................................................................................................................................................... 65
SLIKA 6.20: INICIACIJSKA TOČKA KRHKEGA LOMA S PRIKAZANIMI MIKRO RAZPOKAMI (INICIACIJSKA TOČKA 1)
............................................................................................................................................................... 65
SLIKA 6.21: ŽELEZOV KARBID – FE3C KOT SPROŽILEC KRHKEGA LOMA V TRN ZVARU (INICIACIJSKA TOČKA 1)
............................................................................................................................................................... 66
SLIKA 6.22: RAST IN SMER RAZPOKE PO OBREMENITVI TUL PREIZKUŠANCA S POVRŠINSKO ZAREZO V TRN
ZVARU (INICIACIJSKA TOČKA 1) .............................................................................................................. 66
X
UPORABLJENE KRATICE
VTML – visokotrdnostno mikrolegirano jeklo
OM – osnovni material
TVP – toplotno vplivano področje
GZ TVP – grobo zrnato toplotno vplivano področje
LKP – lokalno krhko področje
TRN zvar – trdnostno nižji zvarni spoj
TRV – trdnostno višji zvarni spoj
CTOD – odpiranje konice razpoke (angl. Crack Tip Opening Displacement)
NT – natezni lomnomehanski preizkušanci
TUP – tritočkovni lomnomehanski upogibni preizkušanci
ŠP – široki lomnomehanski preizkušanci
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
1
1 UVOD
Energetska postrojenja so v današnjem času izdelana iz modernih visokotrdnostnih
mikrolegiranih (VTML) jekel, ki so odporna pri obratovanju na visokih in nizkih
temperaturah. Glavna značilnost teh jekel je visoka meja tečenja pri sorazmerno visoki
žilavosti. Problemi se pričnejo pri spajanju teh jekel, saj pri spajanju osnovnega materiala
(OM) dejansko poslabšamo mehanske lastnosti v tako imenovanem toplotno vplivanem
področju (TVP) do te mere, da se izrazito poslabša žilavost in poveča krhkost, kar lahko
privede do nenadne porušitve energetske konstrukcije.
Pri spajanju energetskih komponent (osnovnih materialov) nastane spoj (zvarni spoj), ki je
izrazito mehansko heterogen, kar v praksi pomeni, da nastajajo lokalna krhka področja
(LKP), ki jih moramo zaradi zagotovitve varnosti varjene konstrukcije pravočasno odkriti.
Pri varjenju teh jekel največkrat nastanejo po varjenju razpoke v hladnem, ki so posledica
termičnih vplivov na osnovni material med samim varjenjem. Nastale razpoke
predstavljajo izredno nevarnost za porušitev konstrukcije, saj predstavlja ostrina konice
razpoke idealen inicial za širjenje krhkega loma. Za preprečitev nastanka hladnih razpok
gradimo v praksi t. i. zvarne spoje z nižjo trdnostjo zvara (TRN zvarne spoje). Osnovna
značilnost teh zvarnih spojev je, da pri natezni obremenitvi ostane razpoka ujeta v
plastičnem stanju zvara, medtem ko se okoliški osnovni material še nahaja v elastičnem
stanju.
Gradnja TRN zvarnih spojev je lahko rizična, saj ne uporabljamo predgrevanja osnovnega
materiala, s čimer pa prihranimo precejšnje stroške gradnje energetske konstrukcije (tlačne
posode, mostovi, plinovodi itd.). O zadovoljivi varnosti pri obratovanju TRN zvarnih
spojev lahko govorimo, če pri gradnji dosežemo visoko žilavost zvara, ki zagotovi ujetje
širjene razpoke. Zaradi navedenega je treba TRN zvarne spoje pred uporabo v praksi
natančno in sistematizirano preizkusiti z uporabo znanih eksperimentalnih metod lomne
mehanike. Pri tem lomnomehanskem preizkušanju uporabljamo standardne
lomnomehanske preizkušance, kot so natezni preizkušanci (NT), tritočkovni upogibni
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
2
preizkušanci (TUP) in široki preizkušanci (ŠP). V vseh preizkušancih moramo pred
začetkom CTOD (Crack Tip Opening Displacement) preizkusa simulirati ostrino razpoke,
ki nastane v realni konstrukciji, kar dosežemo z izdelavo utrujenostne razpoke in natančno
postavitvijo razpoke v željeni del preizkušanega dela zvarnega spoja. Poznamo
utrujenostne razpoke, ki jih postavimo skozi celotno debelino zvarnega spoja (globoke
razpoke) in razpoke, ki jih postavimo v natančno določeno mikrostrukturo zvarnega spoja
(površinske razpoke).
V diplomskem delu je obravnavana metalografska in fraktografska analiza prelomnih
površin TUL preizkušancev z globoko in površinsko razpoko, na osnovi natančnega
razreza prelomljenih lomnomehanskih preizkušancev. S pomočjo optičnega in
elektronskega mikroskopa je izvedena natančna in sistematična analiza krhkih in žilavih
prelomnih površin ter identifikacija iniciacijskih točk krhkega in žilavega loma. Na ta
način so bile ugotovljene kritične mikrostrukture zvarnih spojev z izrazito nizko lomno
žilavostjo, ki lahko privedejo do nenadne porušitve energetske konstrukcije.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
3
2 DEFINICIJA HETEROGENIH ENERGETSKIH KOMPONENT
2.1 KRISTALOGRAFIJA STRJEVANJA
2.1.1 Usmeritev kristalov v prehodnem področju: epitaksija
Strjevanje talilne kopeli se pri pomiku in upoštevanju njene oblike začne na stičišču vara in
osnovnega materiala na mestu, kjer je prečni prerez največji. Prerez je zelo dobro viden na
makrografskem posnetku zaključenega zvara [1].
Na stičišču, katerega pomik povzroča prehodno področje, poteka kristalizacija kovine na
epitaksni način med strjevanjem (slika 2.1).
Slika 2.1: Epitaksalno strjevanje v prehodnem področju [1]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
4
Pri tem načinu si kristalna zrna, ki nastajajo pri strjevanju talilne kopeli, prisvojijo
usmeritev kristalnih zrn osnovnega materiala, iz katerega rastejo. Ker je vsako zrno
zgradba enako usmerjene kristalne mreže, so spoji med zrni meje med različno usmerjeno
kristalno mrežo. Za to ugotovitev zadošča mikrografska preiskava. Če var prevzame v
vsaki točki svojega strjevanja usmeritev kristalnega zvara spodaj ležečega osnovnega
materiala, se mora videti mesta, kjer so kristalna zrna vara priraščena na kristalna zrna
osnovnega materiala, in kako prehaja preko prehodnega področja, tako da zasledimo
njihovo podaljšanje brez prekinitve kristalnega zrna strjenega vara. To je izhodiščna lega
pri strjevanju, ki pa izhodiščno lego spremeni s hitrostjo [1].
V prehodnem področju je pomembna posledica epitaksije, da je velikost zrna pri strjevanju
točno določena z velikostjo zrna osnovnega materiala, ki je zraven tega področja. Na tem
mestu nastanejo mesta pregretja, ki je spremenljivo glede načina in višine varjenja. Pri tem
načinu so pregretja osnovnega materiala in zrna, ki je lahko bolj ali manj grobo, pri
strjevanju povezana. Zato ima, posebno v primeru jekel, vsak ukrep, ki bi poskušal v
osnovnem materialu omejiti rast zrn, zelo ugoden učinek na manjšo rast zrn pri ohlajevanju
oziroma strjevanju v talilnem območju. Epitaksija ima značaj strjevanja vara, ki je bil
pravkar zgoraj opisan, v zvezi z osnovnim materialom. Na stičnih površinah, kjer sta dva
zaporedna zvara, in ob pogoju, da se ponovno segreje prvi var, ki je posledica varjenja
naslednjega vara, v njej ne povzroči strukturnih sprememb. Epitaksija se zelo pogosto
uporablja na večvarkovnih zvarkih pri materialih kot so aluminij in pri njegovih zlitinah,
kot tudi na avstenitnem jeklu, to pa zato, ker ti materiali v trdnem stanju nimajo faznih
premen (slika 2.2) [1].
Slika 2.2: Epitaksalno strjevanje pri večvarkovnem varjenju iste kovine ali zlitine brez fazne premene
[1]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
5
2.1.2 Trajektorija strjevanja, hitrost strjevanja
»Od prehodnega področja naprej, kjer se določa usmeritev vsakega kristalnega zrna,
poteka strjevanje v odvisnosti od pomika talilne kopeli, tako da zrna poskušajo rasti vzdolž
ortogonalnih trajektorij na izoterme v skladu z zakoni strjevanja. Tako lahko določimo za
zaporedne lege I1, I2, I3 itd. izotermne površine, ki omejujejo zadaj talilno kopel in
”trajektorijo strjevanja” A1, A2, A3 itd., ki se začenja v A1 in se ukrivi v smeri pomika
talilne kopeli, dokler ne doseže osi zvara. Tako se vzdolž celote teh trajektorij, ki so
krivulje, vzpostavlja struktura v pogojih strjevanja [1]«.
Še pred tem ugotavljamo, da je v varu strjevalna hitrost Vs spremenljiva vzdolž te
trajektorije od majhne vrednosti ali celo nične, ki je na začetku, pa vse do največje
vrednosti, ki nastane na osi zvara, kjer je Vs enaka hitrosti varjenja [1].
V tem primeru strjevanja skuša strjevanje napredovati pravokotno na izoterme in njegovo
hitrost Vs določa na vsaki točki s projekcijo vektorja hitrosti varjenja pravokotno na
izotermo. V tem primeru se vidi, da vektor prehaja iz vrednosti nič v vrednost A1 in na
začetku prehaja z največjo vrednostjo v enako v osi zvara; pri tem kot α znaša enako nič,
ker strjevanje napreduje v enako smer kot talilna kopel [1].
Poleg te stalne spremembe hitrosti strjevanja se na drugi strani kažejo rezultati, ki so
posledica napredovanja talilne kopeli; lahko je opaziti stalno se ponavljajoče spremembe,
ki so povezane s toploto, z načinom prehoda dodanega materiala, lahko tudi zaradi s
prevelikim taljenjem na čelu strjevanja ali pa tudi z nepravilnim pomikom talilne kopeli pri
avtomatskem varjenju. Spremembe je lahko opaziti vzdolž zvara; te so vidne v zvezi s
kristalizacijo. Brazde, ki nastanejo, lahko vidimo na površini, kakor tudi na vzdolžnih
prerezih zvarkov zvara [1].
Pri poteku strjevanja, ki poteka vzdolž trajektorije, katere posledica je pomik talilne kopeli,
se uporabljajo zakoni strjevanja, ki povzročajo, da zrna tehnične kovine in zlitin rastejo na
račun drugih, lahko pa tudi na njihovih mestih. V primeru, če gre za enako kovino, potem
kristalno zrno raste iz tekoče kovine z enako hitrostjo v vseh smereh, katere dovoli
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
6
kristalna mreža. Pri tem načinu usmeritve, ki je posledica epitaksije na stičišču, nima
nikakršnega vpliva rast zrn, ki se razvija od njihovih kali v predhodnem področju naprej, in
pri tem nima nobene ovire na področju, ki se nahaja po vsej dolžini trajektorije strjevanja.
Ravno obratno pa velja za kristalna zrna pri strjevanju tehničnih kovin in zlitin, pri katerih
je značilna prednostna smer rasti, da je hitrost rasti zrna največja. Iz tega je razvidno, da
imajo zrna, katerih prednostna smer rasti sovpada s trajektorijo strjevanja, prednost pri rasti
na račun sosednjih zrn, katerih možnosti rasti so manjše, ker so drugače usmerjene (slika
2.3). Pri tej rasti, ki ji pravimo tudi selektivna, se pokaže, da manj ugodno usmerjena zrna
izginjajo. Pri tem se število zrn zmanjša, kar je posledica, da se zrna povečajo glede na
začetno velikost. Kadar se trajektorija strjevanja sama po sebi zadostno ukrivi, zrna
izgubijo prednost razraščanja in jih morajo nadomestiti druga zrna, katera imajo prednost
usmeritve bliže smeri močneje ukrivljene trajektorije [1].
Slika 2.3: Mehanizem selektivne rasti kristalnih zrn v prehodnem področju [1]
»Za tehnične kovine in zlitine obstaja za vsako od njih mejna hitrost usmerjenega
strjevanja. Skladnost strjevanja s hitrostjo pomika talilne kopeli, ki zavisi od načinov in
postopkov varjenja, ustvarja različne oblike strjene strukture [1]«.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
7
2.1.3 Uporaba makroskopskih podob talilnega področja
Na sliki 2.4 je razvidno več vrst makroskopske podobe talilnih zvarov, ki so posledica
varjenih zvarov s pomikom izvora toplote. Na sliki 2.4 so prikazani prerezi, ki so
vzporedni s poševnimi varjenci, kakor tudi prečni prerezi. Delno so odvisni od toplotnih
značilnosti načina varjenja in od odvisnosti izbranega materiala, delno so tudi odvisni od
časa strjevanja zvarne taline v primerjavi s hitrostjo Vs, ki poteka vzdolž trajektorije
strjevanja [1].
Slika 2.4: Pogledi struktur strjevanja na prečnih prerezih in tlorisih [1]
a) Počasno varjenje, zaokrožena talilna kopel; rast zrn se nadaljuje do osi zvara, proti kateri se
zrna ukrivljajo pravokotno na prečni prerez.
b) Hitro varjenje; razvoj prečnih zrn, ki konvergirajo proti središču v smeri prečnega prereza.
c) Hitro varjenje, prevelika hitrost v sredini glede na hitrost strjevanja; od tod enakoosno
strjevanje na tem mestu. Na prečnem prerezu je ta sprememba opazna.
Omeniti je potrebno tudi, da pri jeklu makroskopija odkrije strukture strjevanja, prav tako
pa tudi razkrije strukturo, ki izvira iz transformacije pri ohlajanju po strditvi. Do teh
transformacij prihaja zaradi vpliva primarne kristalizacije [1].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
8
Na sliki 2.4, pod oznako a, je prikazano relativno počasno varjenje, pri katerem talilna
kopel skoraj ni podolgovata, in daje obliko trajektorijam strjevanja, ki so v začetni fazi
pravokotne na prehodno področje, zaradi katerega se postopno ukrivijo v smeri pomika
talilne kopeli. Če je hitrost strjevanja vzdolž teh trajektorij manjša od mejne hitrosti
strjevanja obravnavane kovine, se zrna razvijajo ne glede na centralni del. Zaradi tega so
vidne na prečnem prerezu povsod okoli prehodnega področja območja zrn podolgovate
oblike, ker trajektorija strjevanja pomeni oziroma opisuje majhen kot z ravnino prereza. V
središču zvara se nahajajo različne oblike zvara, to pa zato, ker je na tem delu ravnina
prereza pravokotna na trajektorijo strjevanja [1].
Na sliki 2.4, pod oznako b, so drugačne okoliščine, pri katerih je razvidno, da gre
podolgovata oblika talilne kopeli pri hitrem varjenju vzporedno s prečno razporeditvijo
trajektorij strjevanja. V primeru, da se zaradi hitrosti strjevanja na obravnavanem materialu
njegova zrna zgrajujejo do središčnega dela, lahko dobimo pogled na ravnino in prečni
prerez. Zaradi tega, ker zrna rastejo iz prehodnega področja, se simetrično razvijajo do
združitve vse do središčnega dela. Ker na tem mestu ni več področja, ki bi zrna razvilo
pravokotno na ravnino prereza, dobimo značilen makroskopski videz prečnega prereza [1].
Na sliki 2.4, pod oznako c, je prikazan primer hitrega varjenja, pri katerem je talilna kopel
podolgovata kot v prejšnjem primeru. V tem primeru je talilna kopel na material, pri
katerem mejna hitrost strjevanja na določenem mestu ne omogoča nadaljnjega strjevanja,
usmerjena po trajektoriji strjevanja. Zaradi prej naštetih lastnosti v tem primeru
kristalizacija poteka drugače in se tvori na enoosni način, ki nima prednostne usmeritve iz
kakršne koli usmeritve kristalnih kali, ki se pojavljajo v talini, pri tem pa kasni s
strjevanjem zaradi prevelikega taljenja. Pri tem dobimo makroskopske podobe v ravnini in
prečnem prerezu, ki so dokaj podobne kot v primeru slike 4a, vendar jih ne smemo
zamenjati, ker gre v tem primeru v središčnem delu za enoosno strukturo [1].
»Jasno je, da je pojav ene od teh treh vrst makrostrukture po strjevanju odvisen od načina
in postopka varjenja ter od materiala varjenca [1]«.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
9
»Kar zadeva zvarne točke uporovnega varjenja, povzročajo trajektorije strjevanja
centripetalni pomik izotermnih površin od periferije zvarne taline proti notranjosti, pod
vplivom močnega ohlajanja zaradi prevodnosti v varjencu in zaradi močnega odvoda
toplote preko konic elektrode, ki sta vodno hlajeni. Če se zaradi lastne hitrosti strjevanja
materiala temu prilagodi, dobimo radialno strukturo, katere zrna se razvijajo tako, da se
stiskajo na ekvatorialni ravni (primer slika 2.5, pod oznako a); v nasprotnem primeru
strukturo usmerjenega strjevanja sčasoma nadomesti enakoosna struktura v sredini zvarne
točke (primer slika 2.5, pod oznako b) [1]«.
Slika 2.5: Struktura strjevanja uporovnih točkovnih zvarov [1]
a) Radialna rast zrn, ki se nadaljuje skozi ekvatorialno ravnino
b) Prekinitev radialne rasti zrn s pojavom enakoosne strukture
2.1.4 Vloga premen v trdnem stanju
Pri materialih, ki imajo v trdem stanju fazne premene, to je lahko na primer jeklo, je
potrebno opazovati oziroma pregledovati časovno zaporedje pojavov, ki nastajajo med
ohlajanjem, ki se nanaša na strditve, in ponovnim segretjem vara po strditvi in ohlajanju,
predvsem če gre za večvarkovno varjenje [1].
Z metalografsko preiskavo zvara lahko na primer pri jeklu v talilnem področju ustvarimo
tako imenovano strukturo strjevanja – transformacije, pri katerih je viden rezultat
prekrivanja v začetni fazi strjevanja, in transformacije, ki se pokažejo v kasnejši fazi v
trdnem stanju, ki je posledica zakonitosti ohlajanja in kemične sestave [1].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
10
V tem primeru lahko pridemo do zaključka, da ima po transformaciji struktura zvara
sestavo in obliko, ki je posledica dednosti začetne strukture strjevanja, po drugi strani pa so
oblike transformacijskih izoterm različne, a vendar so še vedno dovolj podobne tisti obliki,
ki jih imajo strjevalne izoterme [1].
Iz zgoraj omenjenih razlogov so strukture, ki nastajajo pri strjevanju, zelo podobne druga
drugi, kar se tiče njihovih usmeritev in morfologije, čeprav nam natančna preiskava
pokaže, da ne sovpadajo. V prehodnem področju je vidna tudi posebna epitaksija tako kot
pri strjevanju. Na sliki 2.6 je prikazana intragranularna mreža ferita, ki jo imenujemo tudi
proevtektoid, ki se nahaja oziroma ostane na prehodu med osnovnim materialom in varom,
ki se je že transformiral in strdil obenem, nam pa tudi ostane usmeritev intragranularnega
ferita.
Slika 2.6: Prehod strukture strjevanja v strukturo premene v prehodnem področju [1]
Posledice, ki se pojavljajo pri dednosti, so, da vsi dejavniki, ki kakorkoli vplivajo na
nastanek drobne strukture po strjevanju, vplivajo tudi na nastanek dednosti drobnejše
strukture po transformaciji. Če zmanjšamo učinek strukturne dednosti, obenem vplivamo
na spremembo transformacije in s tem dosežemo boljše in bolj dispergirane dele v strukturi
[1].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
11
Transformacija, ki nastaja pri segrevanju zvara na jeklu, nam omogoča v talilnem področju
zvarov nastanek precej bolj finega zrna v primerjavi z zrni, ki jih dobimo po normalizaciji
odlitka. Do takšnih učinkov ne pride le zaradi toplotne obdelave po varjenju, ti so lahko
posledica, da bi dobili bolj fino, grobo strukturo zvara, varjenega z veliko energijo, ampak
je lahko posledica tudi in predvsem pri pojavih večvarkovnega varjenja. Pri toplotnem
ciklu je dobro vidno, da pri varkih, ki jih opravimo naknadno, ponovno segrejemo okolico
in vark, ki je bil opravljen že predhodno. V vsakem delu varka, kjer presežemo
temperaturo premena A3, se pojavi pojav, ki ga imenujemo strukturna regeneracija. Ko ga
segrevamo, prehaja v avstenitno strukturo, ki potem pri ohlajanju z nastankom nove
transformacije izbriše in nadomesti prejšnjo strukturo. Ni pa nadaljnjih sprememb pri
večvarkovnih zvarih na kovini, ki nimajo faznih premen, ali na monofazni zlitini, kot je
lahko na primer aluminij, avstenitno jeklo in podobni materiali, ki po strditvi vsebujejo
edino nespremenjeno kovino med posameznimi varki (prikaz na sliki 2.7a).
Slika 2.7: Fazni premeni pri segrevanju v času varjenja v več zvarkih [1]
a) Nelegirana kovina ali monofazna zlitina
b) Jeklo: posredovanje premene pri segrevanju: strukturna regeneracija na vsakem delu varka,
ki je posledica temperaturne prekoračitve med varjenjem varka.
Enak zvar, ki je varjen na nelegiranih ali nizko legiranih jeklih v istih pogojih, vsebuje
področja normaliziranega vara, kateri loči področja lite in transformirane strukture zvara
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
12
(prikaz na sliki 2.7b). V praktičnem primeru večvarkovnega zvara na debeli pločevini bi
lahko razumeli kot primer vsebovanja talilnega področja zvara pod praškom, zvarjenega v
dveh zvarkih, kjer je eden s temenske, drugi pa s korenske strani, ki je majhen delež tako
regenerirane kovine. V primeru, ko je večvarkovni zvar MAG ali MIG ali celo
večvarkovni zvar pod praškom v ozki reži, je skoraj v celoti regeneriran [1].
2.2 FIZIKALNA KEMIJA STRJEVANJA
Pojav izcejanja, ki ga drugače imenujemo tudi segregacija – to so lokalne heterogenosti
kemične sestave, ki spremljajo strjevanje obravnavanega izdelka, delimo na tri stopnje:
stopnja kristalizacije: dendritne izceje,
na stopnji zrna: intragranularne izceje in
na makroskopski stopnji: izceje v ingotu.
Dendritne izceje so posledica, ki nastane zaradi načina rasti kristalnih zrn v tehničnih
zlitinah kot nečistih proizvodov in pojava, ki ga imenujemo konstrukcijsko pretirano
taljenje. Če je rast kristalnih zrn dendritična, to pomeni, da raste kristalno zrno iz kristalne
kali le v eni prednostni smeri, ki jo seveda določi kristalna mreža in mora biti istočasno
tudi najbližja trajektoriji strjevanja. Na sliki 2.8 je tudi shematski prikaz tega pojava. V
primeru, da se uporabljajo iste kovine, se pri tem načinu strjevanja ne dogaja nobena
kemična heterogenost. Pri posameznem, usmerjeno zgrajenem zrnu, je zelo težko
ugotavljati, kakšna naj bi bila dendritna kristalizacija. Kadar se uporabljajo zlitine in
nečiste tehnične kovine, prve kali pri strjevanju spremenijo kemično sestavo taline, ki jih
pri tem obdajajo, in tako se proces strjevanja upočasni. V tem primeru se pojavi preveliko
taljenje, ki ga imenujemo tudi konstitucija. V primeru postopnega strjevanja pride do
posledic, ki so rast dendritov in so neenake sestave. Pri komponentah, ki imajo nižja
tališča, je njihova sredina bogatejša, medtem je tudi njihova zunanjost bogatejša na
komponenti z nižjim tališčem. Ker pride do hitrega ohlajanja, je tudi homogenizacija preko
difuzije nepopolna in se zaradi tega pri ohladitvi kemična heterogenost obdrži. Zaradi tega
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
13
so dendrite vidne tudi pri metalorgrafski preiskavi. Kemična heterogenost se da
kvantitativno dopolniti na primer tudi z elektronsko mikroanalizo [1].
Slika 2.8: Shematski prikaz rasti zrna pri strjevanju od začetnega kubičnega kristala [1]
»Ta mehanizem pri varjenju pa ne deluje od začetka trajektorije strjevanja naprej, to je na
prehodnem področju, kajti dana hitrost ohlajanja je na trenutke zelo majhna in gradient
temperature zelo velik. Na tem mestu se stvori ozek sloj strukture, imenovan ravninski
(prikazan na sliki 2.9): zrna se tvorijo na trajnem čelu, pojav dendritov vpliva kasneje, ko
začne naraščati hitrost, ki jo pogojuje strjevanje [1]«.
Slika 2.9: Mikroskopski videz ravninske strukture, ki se prične na začetku strjevanja v predhodnem
področju [1]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
14
Intergranularno izcejanje se lahko pojavi v zlitinskih elementih kot tudi pri nečistočah, ki
nastajajo v končni fazi strjevanja kristalnih zrn. Pri mehanizmu odrinjanja, ki ga
imenujemo tudi repulzija, se nižje taljive taline proti zunanjosti kristalnega zrna nadaljujejo
vse do meje sosednjega zrna. S pomočjo točkovne kemične analize se da odkriti lokalno
heterogenost, ki nam omogoča vpogled v koncentracijo zlitinskega elementa ali pa v
predvsem nizko taljiv del, v katerem se predvsem nahaja neka nečistoča. Pri tej obliki
izcejanja se zgodi, da se prizadene tudi področja, ki imajo ravninsko strukturo, kar pomeni,
da se meje v zrnu osnovnega materiala podaljšajo v zrna, ki so dendritna, kar je zelo
velikega pomena pri tveganju pokljivosti na toplem [1].
Pri izcejanju v ingotu se ta pojav prikaže pri strjevanju mirujočih talin. Heterogenost
kemičnih sestavin se kaže v merilu odlitka, pri katerem se v sredini kaže večja vsebina
elementov, ki so zlitinski dodatki ali nečistoče, pri katerih se zniža točka taljenja, in so
posledično med strjevanjem potisnjene proti notranjosti v primeru, da strjevanje poteka od
stene kokile ali kalupa proti notranjosti odlitka [1].
Izcejanje v ingotu se v nobenem primeru ne more pojaviti pri varjenju, edina izjema pa je
pri točkovnem uporu, ker edino v tem primeru talilna kopel miruje. Mehanizem strjevanja
omogoča koncentracije, ki so nižje taljivih elementov v sredini talilnega področja, to pa
pomeni, da je to področje, v katerem se stikajo usmerjena zrna, ali pa intergranularna
oblika izcejanja v enakoosnem zrnu. Pri razporeditvi bi lahko bilo to izcejanje škodljivo,
glede na to, da je ta način nagnjen k pokljivosti v toplem. V primeru, da med strjevanjem
zraven deluje pritisk ali kovanje po strjenju, pa ta učinek zmanjšamo [1].
2.3 FAZNE PREMENE V TRDNEM STANJU MED VARJENJEM
V tem primeru se posvečamo faznim premenam v trdnem stanju, ki jih prestane osnovni
material in tudi var med segrevanjem pri varjenju. Te premene nam podrobneje opišejo
osnovno zgradbo in mikrostrukturo [1].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
15
Izraz osnovna zgradba pomeni enako kot sestava trdnih faz in se uporablja pri kovinah ali
zlitinah glede na njihovo naravo in delež posameznih faz, ki jih je možno ugotavljati in
določiti z metolografsko preiskavo, s katero lahko metolografija v merilu mikroskopije ali
kristalno zgradbo razpolaga. Primer je lahko jeklo, ki je v normalnem stanju pri sobni
temperaturi sestavljen iz ferita in cementita, ki sta seveda prisotna v ravnotežnem faznem
diagramu železo-ogljik in sta neposredno povezana na vsebino ogljika v jeklu. Zaradi tega
je sestava določena in odvisna od temperature in prav zaradi tega vpliva je predmet
ravnotežnih faznih diagramov. Spremembe sestave trdih faz so reverzibilne ali drugače
povedano povratne le v primeru, ko so temperaturne spremembe skladne z ravnotežnim
stanjem. Pri sobni temperaturi je jeklo sestavljeno iz ferita in cementita. Pri temperaturi
okoli 900º C in glede na vsebnost ogljika ga lahko označimo tudi z A3, lahko so tudi višje
temperature – takrat se na njunem mestu nahaja trdna raztopina, ki jo imenujemo avstenit.
V času, ko se material ohlaja, in to dovolj počasi, se nam v primeru pri sobni temperaturi
pri začetnih deležih pojavita ferit in cementit, v nasprotnem primeru pa pogoji za
ravnotežje niso doseženi in končna zgradba bo drugačna. Ker je možnost nastanka
zakalitve, lahko nastane martenzit, ki pa je neravnotežna trdna faza [1].
Ko se pogovarjamo o strukturi ali natančneje o mikrografski strukturi, vedno določimo
porazdelitev in morfologijo prisotnih trdnih faz, pri kateri je zrno grobo ali drobno,
obenem je tudi enakoosno ali usmerjeno. Razvidno je tudi, ali je oborina masivna ali
razprašena. Na tako določeno mikrostrukturo vpliva temperatura, ki je tudi povezana s
časom, toda nepovratna. Na primer v normaliziranem jeklu, ki je v peči, se nahajata ferit in
cementit, ki sta dve trdni fazi v sestavi in ga imenujemo perlit, to pa nastane zaradi tega,
ker sta obe fazi trdni in razporejeni izmenično v lamelah, ena zraven druge. Pri podaljšanju
toplotne obdelave na temperaturi, ki se nahaja blizu temperature A, vendar nižje od nje,
nam povzroči koalescenco, kar pa pomeni globulizacijo lamel cementita. Pri nasprotnem
primeru, ki velja za osnovno zgradbo oziroma sestavo, nastane ta sprememba strukture
nepovratna, kar pomeni, da ko se enkrat material ohladi, cementit obdrži globularno
obliko, ki je seveda posledica toplotne obdelave. Tako kot je prisotna nagnjenost k
spremembi pri toplotni obdelavi, je tudi mikrostruktura občutljiva na mehansko obdelavo,
tako v toplem kot tudi v hladnem stanju [1].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
16
Razlikovanje med osnovno zgradbo, ki opisuje fazo oziroma fazno sestavo in strukturo,
nam pove, da sta medsebojno neodvisni. Struktura vsekakor vpliva na pogoje, ki se tako
pri segrevanju kot pri ohlajanju pojavijo v določeni fazi ali fazni sestavi. To se zgodi pri
pregretem jeklu, ki mu drugače rečemo, da je v avstenitnem stanju in vsekakor vpliva na
mehanizem premen ohlajanja in s tem vpliva na strukturo in na fazo oziroma fazno sestavo
po ohladitvi [1].
Ker temperaturne spremembe vplivajo na posamezne faze in strukturo, se lahko te
spremembe preverjajo v samih zvarih in njihovi okolici. Ko govorimo o teh spremembah,
nikakor ne smemo pozabiti, da je večina varilnih ciklov kratkotrajnih [1].
2.3.1 Rekristalizacija po hladni utrditvi
Rekristalizacija pomeni reorganizacijo kristalne mreže in posledično kristalnih zrn kovine
ali zlitine pri segrevanju iz stanja, ki ga imenujemo deformacija v hladnem. Kovina ali
zlitina je deformirana v hladnem, ko opravljamo neko delo v hladnem področju in se to
tudi pozna na spremembi mikrostrukture, ki se kaže v tem, da so deformirana zrna tudi
razpotegnjena v smeri mehanske obdelave in pri spremembi kristalne zgradbe se dogaja, da
zrna enih drsijo v razmerju do drugih in poruši se ploskev z največjo gostoto atomov.
Zaradi teh sprememb se poveča odpornost proti deformaciji, kot so trdota, natezna trdnost,
meja elastičnosti. Obenem se pa tudi zmanjša možnost za deformacijo, kot so skrček,
raztezek, žilavost. Na sliki 2.10 je lepo prikazana sprememba odvisnosti od deformacije, ki
jo označujemo z malo črko ˝e˝ ali od stopnje utrditve, drugače povedano, od deformacije v
hladnem, ki je omejena na vrednost, za katero je sposobnost deformacije enaka 0.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
17
Slika 2.10: Shematski prikaz spremembe nateznih lastnosti, ki jo povzroči hladilna deformacija (e)
(Rm – natezna trdnost, Rp – meja elastičnosti, A – % raztezek) [1]
Kadar kovino deformiramo v hladnem, segrevamo, se nam zgodi rekristalizacija, ki je lepo
prikazana na sliki 2.11, in nam prikazuje shematske faze, ki si lepo sledijo po velikosti
mikrostrukture, ter so povezane z velikostjo zrn in tudi s spremenjenimi mehanskimi
lastnostmi. Kadar v hladilno deformirani strukturi pri segrevanju v bližini temperature
opazimo rekristalizacijo TR nastanek kali, se razvijajo v enakoosno strukturo, pri katerih so
zrna bolj drobna toliko, kolikor je začetna stopnja deformacije v hladnem višja. Pri tej
strukturi, ki jo imenujemo struktura primarne rekristalizacije, se nekako stabilizira šele z
malenkost povečanimi zrni pri temperaturi TS, kjer se pričenja pregretje, ki ga imenujemo
tudi sekundarna rekristalizacija. Obenem, ko rekristalizacija napreduje, se mehanske
lastnosti spreminjajo v obratni smeri od učinka deformacije v hladnem, kar pa pomeni, da
kovina ponovno pridobi sposobnosti raztezanja, obenem se pa trdnost, ki jo pridobimo z
deformacijo v hladnem, zmanjša [1].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
18
Slika 2.11: Razvoj mikrostrukture v hladnem utrjenega izdelka med segrevanjem [1]
Pri deformaciji v hladnem se pojavi rekristalizacija, ki ima svojo neposredno uporabo pri
varjenju na hladno deformiranem varjencu, ki nam v takšnih primerih povzroči, da varjenje
osnovnemu materialu zmanjša trdoto, ker je bil segret nad temperaturo rekristalizacije.
Kakšen je učinek, lahko ugotovimo iz rezultatov trdote, ki je tudi prikazana na sliki 2.12.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
19
Slika 2.12: Vpliv rekristalizacije in pregretja na mikrostrukturo in trdota v bližini zvara na hladno
utrjenem izdelku, ki nima fazne premene [1]
Več ali manj se kaže v značilnosti nateznega preizkusa na varjenem preizkušancu, ki je
izrezan pravokotno na zvarni spoj, ki ima različno široko toplotno vplivno področje. Kadar
imamo relativno široko toplotno vplivno področje, govorimo za primere varjenja TIG ali
plazemsko, s tem zmanjšamo trdote, pri tem pa se tudi ustrezno zmanjša natezna trdnost,
dejansko mesto loma pa se pojavi v področju z manjšo trdoto, ker se tam lahko zgodi, da
pride do deformacije. V primerih, kadar imamo ozko področje, ena od možnosti je varjenje
z elektronskim snopom, pride do loma le pri višjih obremenitvah, do tega pa pride zaradi
sosednje trdne kovine, ki utrdi področje z nižjo trdoto ali se na tem mestu lom sploh ne
pojavi, in v tem primeru učinek znižanja trdote sploh ne pride do izraza. V tem primeru
utrditve sodelujejo tudi pri talilnem področju, ki je zaradi tega mehko kot rekristaliziran
osnovni material ali pa tudi trdno kot hladno deformiran osnovni material [1].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
20
Tako si predstavljamo rekristalizacije pri varjenju v primerih kovinskih materialov, ki so
brez alotropske premene, kot je aluminij ali nerjavno avstenitno jeklo. Drugače je pa v
primerih nelegiranega ali nizko legiranega jekla zaradi premen α/γ, ki se pojavijo na
temperaturni točki A3, ki se nahaja malo nad temperaturo TRα rekristalizacije ferita. Na
sliki 2.13 je prikazano področje, ki ima manjšo trdoto zaradi rekristalizacije ferita,
omenjeno med temperaturama TRα in A3, kajti od te zadnje temperature naprej premena
α→γ povzroči po drugem mehanizmu normalizacijo, ki omejuje širino področja z manjšo
trdoto.
Slika 2.13: Vpliv feritno-avstenitne premene na mikrostrukturo in trdoto v bližini zvara na
nizkoogljičnem jeklu, ki je hladno deformirano [1]
a) na hladno utrjeni ferit
b) rekristalizirani ferit
c) ferit, ki izvira iz avstenitizacije malo nad A3
d) ferit, ki izvira iz pregretega avstenita
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
21
Pri tem načinu praktično ne pride do zmanjšanja trdote zaradi rekristalizacije pri varjenju
na hladno deformiranem jeklu, lahko pa se zgodi le v primeru, če je izredno mehko. V
primeru, da debelina varjenca dopušča, se pri varjenju hladno deformiranega materiala
vedno da s kovanjem na hladno utrditi področje znižane trdote zaradi cikla varjenja. V
primeru, ko uporabljamo zlitino, pa ni pomembno, ali imamo fazne premene v trdnem
stanju ali jih sploh nimamo [1].
Odvisno od okoliščin, ki jih je seveda potrebno poznati, se lahko izkoristi rekristelizacijo
po deformaciji v hladnem, še posebej pri razporeditvi vključkov in spremembi strukture
večvarkovnih zvarkov, ki nimajo alotropskih premen. V določenih premenih pred
varjenjem kujemo zaradi tega, ker rekristalizacija ne prizadene vključkov. Ker ni
vključkov ali intergranularnih faz na mejah zrn, ki so v bližini zvarov in bi lahko zaradi
tega povzročili temperaturno taljenje, zasledimo probleme likvacije, kar pomeni pojav
tekoče faze na mejah zrna, ko pride do rekristalizacije, ki je posledica varjenja, katero
nastane zaradi predhodne utrditve z deformacijo v hladnem. Na sliki 2.14 so prikazane
operacije in pojavi, ki nam prikazujejo najprej rob varjenca, ki ga najprej kujemo, pri tem
se spremeni enakoosna struktura z nečistočami, izločenimi na mejah zrn v hladno
deformirano strukturo, pri tem pa so zaradi deformacije nečistoče več ali manj zdrobljene
in razpotegnjene. V kasnejšem ciklu varjenja nam v kovanem področju povzroči
rekristalizacijsko zrno, vendar pri tem nečistoče ostanejo in so neodvisne od novih meja
zrn. Ta rezultat lahko dosežemo tudi s predhodno lego, kar pomeni s predhodnim
navajanjem robov žleba varjencev, kar je posledica, da povzroči rekristalizacijo pred
običajnim varjenjem [1].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
22
Slika 2.14: izkoriščanje rekristalizacije s predhodnim kovanjem zvarnih robov [1]
I – pripravljalna faza: kovanje zvarnih robov pred varjenjem
II – rekristalizacija, ki jo povzroča varjenje in ki povzroča, da so meje zrna in vključkov med seboj
neodvisni
III – oblaganje z navarjenjem, ki zagotavlja rekristalizacijo pred samim varjenjem
Pri preostalih primerih, kjer izrabljamo rekristalizacijo po utrditvi z deformacijo v
hladnem, je kovanje na hladnem med varki (kadar se večvarkovno vari kovino in zlitino),
ki pa nimajo fazne premene, to pa so lahko na primer materiali, kot je aluminij ali pa tudi
avstenitno nerjavno jeklo. Ta primer je tudi prikazan na sliki 2.15.
Slika 2.15: Rekristalizacija vara s kovanjem med varki na kovini brez fazne premene [1]
I – dva seledeča si varka brez vmesnega kovanja
II – kovanje pred izdelavo drugega varka
III – drugi varek povzroča rekristalizacijo prvega
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
23
Kadar nimamo vmesnega kovanja med varki, nastane zaradi epitaksije že opisana kristalna
zgradba. V primeru, da zvarek, ki je pravkar nastal, utrdimo s hladnim kovanjem, pride pri
naslednjem varku do kristalizacije v prejšnjem varku. Končni učinek nas spominja na
normalizacijo pri večvarkovnem varjenju nelegiranega jekla, ker mu je podoben. Pri tem
načinu lahko dobimo enako kot pri jeklu enoosno strukturo na dobršnem delu zvara, ki pa
ima izboljšave v mehanskih lastnostih in z vsakim kovanjem pride tudi do mehanske
sprostitve notranje napetosti. Do drobnejšega zrna v talilnem območju lahko pride tudi v
primerih samo enega zvarka, če ga varimo v dveh fazah, kar pa pomeni, da zvar in njegovo
okolico po varjenju lokalno kujemo in ga nato z nekim zunanjim izvorom toplote
segrejemo, da sprožimo rekristalizacijo [1].
»Enako povzroči toplotna obdelava metaliziranega sloja kovinskega predmeta (prevleka,
proizvedena pri toplem nabrizgavanju) rekristalizacijo nabrizganega sloja, ki se kaže v
enakoosnih zrnih, neodvisno od razporeditve oksidnih vključkov, ki so se lahko tvorili med
nabrizgavanjem (slika 2.16) [1]«.
Slika 2.16: Rekristalizacija nabrizganega sloja po toplotni obdelavi [1]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
24
3 OSNOVNI MODELI KRHKEGA IN ŽILAVEGA LOMA
Izgled faktografske površine, ki nastane pri žilavih lomih, je odvisen od mehanizma
nasajanja, rasti in združevanja mikrovotlin. Relief površine, ki nastane pri žilavih lomih, je
sestavek majhnih jamic, ki predstavljajo združevanje nastajajočih votlin, ki so prikazane na
sliki 3.1. Pri večini jamic je dobro razviden delec, ki so lahko izločki ali nekovinski
vključki, ki so pričeli z nastankom jamice in so po navadi manjši od 1 m. Glede na obliko
jamic jih delimo med simetrične in eliptične [2].
Slika 3.1: Žilavi prelom jekla [2]
Kakšen je nastanek oziroma oblika jamic, je odvisno od vrste in napetostnega položaja, ki
je posledica deformacije in se je aktiviral v času njihovega nastanka, kar pa pomeni, da
eliptične jamice nastanejo kot posledica delovanja nateznih napetosti. Razni znanstveniki
in raziskovalci so se prvo lotili raziskave, kako izločki oziroma nekovinski vključki
vplivajo na nastajanje votlin. Vendar jim ni uspelo, da bi bili njihovi modeli primerljivi z
realno faktografsko sliko žilavega preloma. Pomanjkljivost, ki je nastajala pri teh modelih,
je odpravil Broek. »V njem trdi, da se zaradi delovanja plastične deformacije, ki je
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
25
potrebna za nastanek žilavega loma, dislokacije nakopičijo ob tako imenovanem delcu –
nekovinskem vključku ali izločku [2]«, ki je prikazan na sliki 3.2a.
Slika 3.2: Vplivi napetostnih pogojev na obliko in usmerjenost jamic, ki se nahajajo na prelomu
površine preizkušanca [2]
Zaradi odbijalnih sil delca pride do tega, da so dislokacijske zanke odrinjene, vendar pa je
prva zanka zelo močno potisnjena proti delcu, ker nanjo delujejo napetostna polja
nakopičenih dislokacij in dejanske strižne napetosti. Posledica tega je, da nastane na eni
sili dveh zank proces dekohezije po dislokacijski ravnini, in posledica tega je nastanek
mikrovotline. Zaradi tega se zelo močno zmanjša odbijajoča se sila, ki se nahaja na
preostalih zankah, to pa zato, ker se na nakopičenih dislokacijah večinski del napetostnega
polja porabi za nastanek mikrovotline. Dislokacijski izvori, ki se nahajajo za zankami in so
bili pred tem neaktivni zaradi posledic združevanja spredaj nakopičenih dislokacij,
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
26
pridobijo ponovno moč. Posledica tega je, da povzročajo nestabilno bočno rast in
združevanje mikrovotlin, in to tako hitro, kakor se slednji inicirajo. Slikovni prikaz je
prikazan na sliki 3.2c in 3.2d. Slika 3.3 pa prikazuje bočno združevanje mikrovotlin [2].
Slika 3.3: Nestabilna bočna rast in združevanje mikrovotlin [2]
Thomason je kritično napetost podal v matematičnem izračunu za bočno združevanje
mikrovotlin, ki je shematsko predstavljena na sliki 3.4.
Slika 3.4: Modeliranje bočnega združevanja mikrovotline [2]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
27
V trenutku, ko pride do združitve mikrovotlin, ki je posledica napetosti v ligamentu med
dvema mikrovotlinama, in doseže kritično napetost oziroma nastopi njihovo združevanje
ob pogoju [2]:
1)(
bd
dcn (3.1),
kjer je:
n © – kritična normalna napetost
d – razdalja med mikrovotlinama
b – širina mikrovotline
1 – prostorska glavna napetost.
Simetrično mikrovotlino opisuje prostorski matematični model, ki sta ga opisala Rice in
Tracy. Zaradi tega, ker delujejo prostorske napetosti in deformacije, se nato spremenijo v
eliptične mikrovotline [2].
»Spreminjanje polmerov mikrovotline v glavnih smereh lahko zapišemo [2]«:
03
21 RDGR jjii
(3.2),
kjer je:
R – največja hitrost rasti zrna
G – hitrost sproščanja elastične energije
– deformacija
D – koeficient oviranja deformacije
R0 – začetna hitrost rasti zrna.
13
12
3
3
3
2
(3.3),
kjer je:
– deformacija
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
28
– padec električnega potenciala.
3 2
1 3
(3.4),
kjer je:
– padec električnega potenciala
– deformacija.
»Če upoštevamo pogoj nestisljivosti )0( 321 in vstavimo enačbi 3.3 in 3.4 v
enačbo 3.2, lahko izračunamo radialne pomike [2]«:
R A
BR1 2 0
3
2 3
R AB
R2 2 03
(3.5),
R A
BR3 2 0
3
2 3
kjer je:
R – radialni pomik
A – raztezek
– padec električnega potenciala
B – debelina preizkušanca
R0 – začetna hitrost rasti zrna.
»Vrednosti A in B zapišemo v obliki [2]«:
A D
exp
2 3
3
2
1
(3.6),
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
29
kjer je:
A – raztezek
– padec električnega potenciala
D – koeficient oviranja deformacije
– prava deformacija.
B
G A
D
1 1 (3.7),
kjer je:
B – debelina preizkušanca
G – hitrost sproščanja elastične energije
A – raztezek
D – koeficient oviranja deformacije.
»Prostorska rast praznine je opisana z enačbo [2]«:
eq
Rde
eq
e
m
0
5.1
0
283.0R
RIn (3.8),
kjer je:
R0 – največja hitrost rasti zrna
R – povprečna hitrost rasti zrna
e – tehnični raztezek
Re – elastična meja tečenja
d – debelina pločevine
eq – ekvivalentna deformacija.
Slabosti, ki smo jih opisali pri tem matematičnem modelu, se pokažejo v tem, da
obravnava le eno mikrovotlino in ne medsebojnega vpliva, ki je med prazninami [2].
Za nastajanje žilavega loma je potrebno, da nastaja hidrostatična napetost in tudi plastična
deformacija. Žilavi lom je nasprotje cepilnega loma, pri katerem je dovolj le delovanje
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
30
nateznih napetosti. Mehanizmi, ki zadostujejo, da pride do končnega žilavega preloma, so
posledica dislokacijskih premikov in razcepitvenega trganja, ki ga potrebujejo za rast in
združevanje mikrovotlin. Pri nastanku žilavega loma, ki je posledica plastične deformacije,
je lahko zelo majhen volumen materiala, pri katerem se bo lom širil, za sam prelom pa bo
potreboval relativno malo energije [2].
Kot je bilo že omenjeno, sestavljajo proces žilavega loma iniciacije, rast in združevanje
mikrovotlin, ki imajo pomoč delcev, ki so izločki, nekovinski vključki in se v
konstrukcijskem materialu razporejajo. Širjenje razpoke, ki je stabilno, se lahko hitro
spremeni v nestabilno, to pa zaradi tega, ker so lahko prisotni večji krhki delci in so
občutljivi na zelo nizke temperature in zaradi tega lahko pride do poka le-teh. Zaradi
takšnih delcev je zelo ovirano plastično tečenje materiala. Na sliki 3.5 je prikazana
posledica hitrega cepilnega loma delca in tudi prehitrega nastajanja mikrovotlin, in zaradi
tega imamo za posledico občutni padec lomne žilavosti materiala.
Slika 3.5: Nastajanje in širjenje loma v konstrukcijskih materialih [2]
»Kadar je velikost plastičnega področja majhna, v primerjavi z debelino, je tečenje
materiala ovirano v smeri debeline in na konici razpoke se pojavi RDS preko celotne
debeline materiala (slika 3.6). Zaradi tako imenovanega oviranja (angl.: constraint)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
31
deformacije s strani okoliškega materiala, ki je še v elastičnem stanju napetosti, je velikost
deformacij v smeri debeline (z osi) enaka 0 (z = 0). V tem primeru (ostra konica razpoke –
ni otopitve) doseže maksimalna normalna napetost pred konico razpoke vrednost 3 Rp.
Slika 3.6: Napetostne in deformacijske razmere v okolici konice ostre razpoke [2]
Otopitev na konici razpoke izboljšuje lomno žilavost, ker zmanjšuje maksimalno normalno
napetost pred konico razpoke (slika 3.7). Zaradi tega je za proces nastajanja, rasti in
združevanja mikrovotlin potrebna večja nazivna napetost [2]«.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
32
Slika 3.7: Vpliv otopitve konice na velikosti y v elasto-plastičnem materialu [2]
Ker poznamo več modelov, je ena od najbolj enostavnih in zanesljivih modelov zgoraj
opisane eksperimentalne ugotovitve Hahn-Rosenfieldov model. Pri tem modelu je podana
trditev, da je na konici razpoke področje intenzivne plastične deformacije. »Širina tega
področja λ je odvisna od deformacijske sposobnosti utrjevanja materiala oziroma
koeficienta deformacijskega utrjevanja n [2]«.
Na konici razpoke je podana strižna deformacija, ki jo podamo z izrazom [2]:
n
t
2
0 (3.9),
kjer je:
0 – površinska energija
t – začetno odpiranje razpoke
(n) – širina področja.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
33
»Najprej predpostavimo, da je povprečna natezna deformacija ( ) v področju intenzivne
plastične deformacije približno 0/2. Porazdelitev deformacije je linearna. Maksimalna
natezna deformacija na konici razpoke znaša [2]«:
max 2
20t
n (3.10),
kjer je:
max – maksimalna deformacija
– povprečna deformacija
0 – površinska energija
t – začetno odpiranje razpoke
(n) – širina področja.
»Do iniciacije žilavega loma pride v trenutku, ko je t = tkrit, max = f* in (n) = (n)krit
[2]«
f
tkrit
kritn
*
( )
2 (3.11),
kjer je:
f – deformacija pri zlomu
tkrit – kritično odpiranje razpoke
(n)krit – širina področja.
»Za jeklo znaša izmerjena vrednost (n)krit = 0.025n2 in deformacija na konici razpoke f*
= f/3, kjer je f resnična deformacija, dobljena iz nateznega preizkusa [2]«:
t krit
fn
0 05
3
2. (3.12),
kjer je:
tkrit – kritično odpiranje razpoke
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
34
f – deformacija pri zlomu
n – faktor utrjevanja.
3.1 CEPILNI LOM IN OSNOVNI MODELI LOMA
V tem poglavju bo podrobneje opisana metoda nastanka krhkega loma po predhodnem
stabilnem širjenju razpoke. Opisana bo metoda modela, ki smo ga v prejšnjem poglavju
omenjali.
Izraz žilavost opisuje deformacijo, ki jo je material sposoben deformirati v plastičnem
stanju in je obenem tudi sposoben absorbirati energijo, ki je pred in med procesom trganja.
Izraza krhek in žilav se uporabljata v namen, da lahko razlikujemo prelom pri materialih,
ki imajo manjšo oziroma veliko žilavost. Cepilni lom, ki se lahko pojavi v kristalnih
materialih, je oblika, ki opisuje najbolj krhko obliko loma. Če pride do nastanka cepilnega
loma, je to zaradi tega, ker narašča z nizkimi temperaturami in večjimi hitrostmi
deformacije. To si pa lahko pogledamo tudi v tako imenovanem Charpyevem diagramu
udarne žilavosti, ki je prikazan na sliki 3.8 [2].
Slika 3.8: »S« prehodna krivulja udarne žilavosti za feritna jekla [2]
Cepilni lom v kovini nastane kot posledica neposredne ločitve vzdolž kristalografskih
ravnin oziroma ker se medatomske vezi med seboj popolnoma pretrgajo. Značilnost
cepilnih lomov je, da prelom napreduje vzdolž dobro definiranih kristalografskih ravnin,
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
35
ki jih imenujemo tudi ravnine cepljenja. Vzamemo primer železa, ki se v svoji osnovi,
prostorsko centrirani kubični rešetki, cepi vzdolž ravnin. Prelomne površine, ki pri tem
nastanejo, so popolnoma ravne in so brez zunanjih oblik, ki jih prikazuje slika 3.9.
Slika 3.9: Transkristalni cepilni lom [2]
Pri ravnih cepilnih peresih, ki gredo skozi zrno, nastane visoka odsevnost, ki daje
cepilnemu prelomu odsev. Pri polikristalih nastaja nepopolnost v kristalni zgradbi, kar
pomeni, da so kristalne meje in podmeje, vključki, dislokacije in druge nepopolnosti, ki na
širjenje cepilnega preloma vplivajo tako, da so gladke površine cepljene, na površini skoraj
v večini primerov neopazne. Razpoka, ki nastane v zrnu, se lahko širi po dveh ali več
vzporednih kristalografskih ravninah [2].
Prej omenjeni vzporedni razpoki, ki nastaneta, se po določenem času ponovno združita na
mestu sovpadanja in to s pomočjo, ki jo imenujemo sekundarno cepljenje ali striženje, in s
tem načinom oblikujeta cepine stopnice, ki so prikazane pod sliko 3.10, v primeru "a".
Cepilne stopnice imajo možnost za nastanek tudi v kristalu s prehodom v vijačne
dislokacije, kar je prikazano na sliki 3.10, v primeru "b". V večini primerov nastajajo
cepilne stopnice tako, da so vzporedne s smerjo širjenja razpoke in pravokotne na njeno
cepilno ploskev. Ko se prične združevanje različnih smeri cepilnih stopnic v večje cepilne
stopnice, se zgodi, da ta mreža cepilnih stopnic, ki nastane, tvori rečne izvirke. Rečni
izvirki se v večini primerov pojavljajo na prehodu meje kristalnega zrna, ki je prikazan na
sliki 3.10, v primeru "c". Zaradi tega, ker se po večini rečnih izvirkov zliva v smeri širjenja
razpoke, se kaže tudi z znakom lokalnega širjenja preloma [2].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
36
Slika 3.10: Nastajanje cepilnih stopnic [2]
Pri cepilnih prelomih je možnost nastanka tudi mest, ki imajo manjšo plastično
deformacijo. Plastična deformacija porablja manjšo količino energije in posledica tega je
tudi pojav rečnih izvirkov in cepilnih stopnic, ki so zaradi tega veliko bolj poudarjene na
cepilnih prelomih; le-ti pa so bili izvedeni na temperaturah, ki so bližje prehodni
temperaturi, katera je prikazana na sliki 3.8 [2].
Še ena značilnost, ki se pojavlja pri cepilnem lomu, je tako imenovani cepilni jeziček.
Cepilni jezički nastanejo zaradi lokalnega loma vzdolž ravnine dvojčenja. Dvojčenje pa
pomeni, da so zaradi velike hitrosti deformacije na konici propagirane razpoke. Primer
nastanka jezičkov, ki so v železu, je neposredno povezan s širjenjem cepilne razpoke
vzdolž ravnine, sekanjem ravnine dvojčenja in majhnim širjenjem vzdolž ravnine, pri tem
pa cepilni lom zaobide dvojčka. Ko pa pride do nenadnega preloma dvojčkov, pa pravimo,
da je prišlo do končne ločitve [2].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
37
Smith je izdelal model cepilnega loma, ki se ga uporablja za maloogljična jekla, pri
katerem se mora upoštevati vpliv mikrostrukture na lomno žilavost jekla. Smithov model
cepilnega loma je prikazan na sliki 3.11.
Slika 3.11: Smithov model cepilnega loma pri feritnih jeklih [2]
Ker pri feritnih matricah deluje natezna napetost, se pred krhkim karbidom nakopičijo
dislokacije, ki s svojim načinom povzročijo, da pride do koncentracije in delovanja strižnih
napetosti, ki pa so neposredne na karbid. »Efektivna strižna napetost (eff) je maksimalna
napetost, ki je dosežena pred začetkom tečenja feritne matrice. Za prelom karbida je
potrebna efektivna strižna napetost [2]«:
eff
cE
v d
4
1 2( )
(3.13),
kjer je:
eff – efektivna strižna napetost
E – elastični modul
c – kritična površinska energija
v – Poisonovo število
d –premer zrna.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
38
»Ko pride do preloma karbida, obstajata dve možnosti [2]«:
1. Če je efektivna strižna napetost dovolj visoka, kar povzroči širjenje karbidne
razpoke v feritno matrico. Zato potrebujemo pogoj:
dv
E peff
)1(
4
2 (3.14),
kjer je:
eff – efektivna strižna napetost
E – elastični modul
p – ploščinska površinska energija
v – Poisonovo število
d –premer zrna.
2. Če se prične majhno tečenje feritne matrice, potem se nahaja vrednost (eff) nekje
med vrednostnima, izračunanima po enačbah 3.13 in 3.14. V tem primeru lahko
celotno debelino karbida 0C obravnavamo kot inicialno Griffithovo razpoko (3.15)
in lahko zapišemo:
f eff
i
eff
pc
d
c
d
E
v d
2 0 2 0
12
2
21
4 4
1
( )
(3.15),
kjer je:
eff – efektivna strižna napetost
E – elastični modul
p – ploskovna površinska energija
v – Poisonovo število
d –premer zrna
i – strižna napetost
0C – začetna razdalja med feritno matrico
f – kritična napetost,
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
39
ki je potrebna za začetek cepilnega loma, in i strižna napetost, pri kateri pride do
gibanja dislokacij.
Iz enačbe 3.15 je razvidno, da debelejši karbidi potrebujejo manjšo lomno napetost
za cepilni lom. Model je kolikosten in izkazuje dobro napovedovanje f za
grobozrnata jekla. Pri finozrnatih jeklih model zataji, ker so drobna zrna vedno
obdana s tankimi karbidi, sam model pa ne omogoča spreminjanja debeline
karbida [2].
Na podlagi Smithovega modela sta Gibson in Druce izdelala svoj model za cepilni
lom za feritna jekla. Ta model omogoča spreminjanje dimenzij, ki jih imenujemo
delci; to so lahko delci materialov (Fe3C, TiCN) in tudi vključki (MnS). Pri krhkih
delcih se ob nakopičenih dislokacijah pojavi oziroma povzroči njegov prelom in to
takrat, ko pride do kritične strižne napetosti:
c i
pE
v d
2
1 2
12
( ) (3.16),
kjer je:
c – kritična strižna napetost
i – strižna napetost
E – elastični modul
p – ploskovna površinska energija
v – Poisonovo število
d –premer zrna.
Ker je pri tem nastala mikrorazpoka, se zaradi tega pojava prične širiti v sosednjo feritno
matrico, ki je pri kritični vrednosti efektivne natezne napetosti:
L
E Q
v c
4
1 2
12
( )
(3.17),
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
40
kjer je:
L – efektivna natezna napetost
E – elastični modul
– efektivna površinska energija matrice
Q – koeficient amplitude napetostnega polja
v – Poisonovo število
c – trenutna razdalja med feritno matrico
L
e i
e
d
c
c
d
2
2 12
212
14
(3.18),
kjer je:
L – efektivna natezna napetost
– natezna napetost
e – kritična strižna napetost
i – inicialna strižna napetost
c – trenutna razdalja med feritno matrico
d – premer zrna.
Efektivna natezna napetost je sestavljena iz dveh komponent. Ena komponenta je lokalna
natezna napetost, ki je posledica neposredne nazivne obremenitve in tudi geometrije. V
drugi komponenti pa natezne napetosti nastanejo zaradi posledic delovanja nakopičenih
dislokacij in pričnejo delovati na konici nastale mikrostrukture. Kritična natezna napetost,
ki jo potrebujemo za širjenje mikrorazpoke čez meje zrna, je [2]:
21
2 )1(
4
dv
QEc
(3.19),
kjer je:
c – kritična natezna napetost
E – elastični modul
– efektivna površinska energija matrice
Q – koeficient
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
41
v – Poisonovo število
d – premer zrna.
»Ritchie, Knott in Rice (RKR) so predstavili model, ki podaja odvisnost lomne žilavosti od
temperature in temelji na predpostavki, da se krhki lom prične (sproži) s pomočjo
cepilnega loma karbida, ki se nahaja tik pred konico razpoke [2]«. Ta model predpostavlja,
da pride do nastanka krhkega loma v tistem trenutku, v katerem se bo prekoračila kritična
lomna napetost in to na karakteristični razdalji, ki je lahko na enem ali dveh premerih zrn,
pred konico razpoke. Kakšna je odvisnost lomne žilavosti od temperature, lahko opišemo
oziroma razložimo na naslednje načine [2]:
Kadar imamo opravka z nizkimi temperaturami, se vedno na konici ostre razpoke
napetost tečenja materiala zviša in že pri zelo majhni spremembi napetosti je
dovolj za prekoračitev f na karakteristični razdalji. Kadar govorimo o takšnem
lomu, je plastično področje majhno in KIc je dovolj majhen.
Kadar pa govorimo o višjih temperaturah, se vedno na konici razpoke pojavi
znatna otopitev in posledica tega je, da se napetost tečenja zniža, tako da dobimo
plastično področje širše. Da bi prišlo do nastanek krhkega loma, je potrebna večja
kritična napetost f in višji KIC.
»Kritična napetost (f) je lahko zaradi deformacijskega utrjevanja materiala na meji
matrice – delec celo 4–5 krat večja od napetosti tečenja materiala [2]«.
Kasneje je Curry z manjšimi popravki RKR modela podal splošno veljaven izraz za
izračun lomne žilavosti jekla, pri katerem se pojavi krhki lom:
KR
XIc
f
n
p
n n
1
1 1
(3.20),
kjer je:
IcK – kritična vrednost faktorja intenzitete napetosti
f – kritična napetost
pR – meja tečenja
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
42
X – karakteristična razdalja
– korekcijski koeficient.
Če bi gledali enačbo 3.20, bi videli, da je X karakteristična razdalja, ki jo določimo
empirično. Β nam pove korekcijski faktor in obenem zajame maksimalno vrednost
intenzitete napetosti na konici razpoke, zajema pa tudi vpliv utrjevanja materiala in
otopitev konice. Če imamo enačbo 3.20, lahko z njo napovedujemo najmanjšo lomno
žilavost jekla, ki je pri različni temperaturi. Poznati pa moramo naslednje podatke [2]:
odvisnost f in X od mikrostrukture (predvsem velikost zrna),
odvisnost Rp od temperature in mikrostrukture,
koeficient naj bo ocenjen s pomočjo analize napetostnega polja na konici
razpoke.
Robinson in Telman sta podala enačbo za nastop krhkega loma:
3
05.0 2 pfIc
ERnK
(3.21),
kjer je:
IcK – kritična vrednost faktorja intenzitete napetosti
f – deformacija pri zlomu
n – faktor utrjevanja
E – elastični modul
pR – meja tečenja.
Ta model upošteva samo makroskopske parametre in ne upošteva vpliva mikrostrukture na
konici razpoke na lomno žilavost materiala [2].
Konec koncev obstaja kar nekaj primerov, ki povezujejo IcK z razdaljo med delci in vse
ostale lastnosti materiala. Zelo natančni in uporabni sta naslednji dve Schwalbejevi enačbi
[2]:
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
43
KR
vd n
E
RIc
p f
p
n
1 21
1
( )*
(3.22),
kjer je:
IcK – kritična vrednost faktorja intenzitete napetosti
pR – meja tečenja
v – Poisonovo število
d – premer zrna
n – faktor utrjevanja
*
f – deformacija pri zlomu
E – elastični modul.
K dERIc f p 455 023. ( * . )
(3.23),
kjer je:
IcK – kritična vrednost faktorja intenzitete napetosti
*
f – deformacija pri zlomu
d – premer zrna
E – elastični modul
pR – meja tečenja.
Iz enačb 3.22 in 3.23 se dobro vidi, da je IcK odvisen tudi od ostalih lastnostih, ki jih ima
material. Naraščanje napetosti tečenja materiala posledično povzroči, da se zmanjša
deformacija na konici, kar pomeni, da se zaradi teh posledic tudi zmanjša efektivni premer
mikrovotline, kar na koncu povzroči nastanek krhkega loma.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
44
4 UPORABA MEHANIKE LOMA MATERIALOV V ENERGETIKI
Zvarni spoj sestavlja zvar in toplotno vplivno področje (TVP). Odvisno je, kakšna bo naša
izbrana kombinacija osnovnega in dodajnega materiala, ker lahko s tem vplivamo na
trdnostno zgradbo zvarnega spoja. Zaradi tega poznamo različne zvarne spoje, kjer ima [3]:
a) Zvar nižjo trdnost (TRN) kot osnovni material oziroma napetost tečenja zvara
(Rpzv) manjšo od napetosti tečenja osnovnega materiala (RpoM), ki ga imenujemo
zvarni spoj.
b) Zvar ima enako trdnost (TRE) kot ga ima osnovni material: Rpzv = RpoM,
imenujemo pa ga TRE zvarni spoj.
c) Zvar ima večjo trdnost (TRV) kot ga ima osnovni material: Rpzv > RpoM, imenujemo
ga TRV zvarni spoj.
Trdnostno heterogenost zvarnega spoja je mogoče določiti na vsaki točki, ki se nahaja na
prerezu zvarnega spoja s koeficientom trdnostne neenakosti (M):
poM
pz
R
RM (4.1),
kjer je:
M – koeficient trdnostne neenakosti
Rpz – meja tečenja zvara
RpoM – meja tečenja osnovnega materiala.
Glede na različno trdnost zvara prepoznamo [3]:
če je M > 1 TRV zvarni spoj;
če je M = 1 TRE zvarni spoj;
če je M < 1 TRN zvarni spoj.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
45
Trdnostna neenakost med osnovnim materialom, varom in toplotno vplivanim področjem
vedno vpliva na lomno obnašanje zvarnega spoja; pri tem je določitev koeficienta M zelo
pomembna, ko predvidevamo lomno-mehansko obnašanje trdnostno heterogenih zvarnih
spojev. V večini primerov, ko gradimo zahtevne varjene konstrukcije, uporabljamo TRV
zvarne spoje. Zvarni spoji TRN se uporabljajo pri reparaturnem varjenju oziroma le na
togih mestih v varjenih konstrukcijah, ki se nahajajo pod visokimi koncentracijami
napetosti, kot so: prebodi, vozlišča v paličnih konstrukcijah. TRN zvarni spoji so še
posebej zanimivi, ker preprečujejo vodikove razpokljivosti v hladnem. Zvarni spoji, ki
nastanejo pri TRN, so sestavljeni iz mehkejših, ampak še vedno dovolj žilavih varkov, s
katerimi se prepreči, da bi nastale razpoke v hladnem med varjenjem in po varjenju, in se
posledično zniža ali popolnoma eliminira temperaturo predgrevanja osnovnega materiala.
Za varjenje v načinu TRN lahko rečemo, da je produktivno in ekonomično. Poudariti pa je
tudi treba, da TRN zvarni spoji s prisotno ravninsko napako zahtevajo veliko stopnjo
deformacijske sposobnosti utrjevanja zvara kot tudi večjo žilavost, ki pa preprečuje lom že
pri relativno majhni obremenitvi [3].
4.1 KARAKTERISTIKE TRN ZVARNIH SPOJEV
»Heterogenost v mehanskih lastnostih zvarnega spoja se najbolje opazi na natezno
obremenjenem sočelnem zvarnem spoju, ki ga obremenimo vzdolž v smeri varjenja in
prečno na smer varjenja (slika 4.1) [3]«. Kadar imamo vzdolžno obremenjen zvarni spoj,
se bo moral zvar ne glede na lastno napetost tečenja deformirati hkrati z osnovnim
materialom. V tem primeru nam različne mehanske lastnosti zvarnega spoja ne
predstavljajo nobenega neposrednega vpliva na obnašanje zvara. Ravno nasprotno pa je pri
prečno obremenjenem zvarnem spoju, pri katerem se zvar in osnovni material različno
deformirata glede na relativno razliko med njunima napetostima tečenja oziroma med
njunima sposobnostima deformacijskega utrjevanja materiala.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
46
Slika 4.1: Porazdelitev napetosti in deformacije pri vzdolžno a) in prečno b) obremenjenem TRN
zvarnem spoju [3]
Na sliki 4.2 je prikazano, da je zvar A (RPA
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
47
Če bi zvar obremenjevali še naprej do sile F2, bi posledično zvar A dosegel lastno natezno
trdnost (Rm) in se prelomil. V področju plastične deformacije se poleg zvara B nahaja tudi
osnovni material, ki bi se lahko v primeru večanja sile in zadovoljivega deformacijskega
utrjevanja B celo pretrgal. Iz tega lahko ugotovimo, da pri TRN zvarih, ki imajo majhno
deformacijsko sposobnost utrjevanja oziroma visoko koeficientno (RP/Rm) verjetnost, pride
do plastične deformacije osnovnega materiala, lahko je zelo majhna ali pa je celo ni. Ravno
nasprotno se pa lahko pojavi pri TRN zvarih z visoko deformacijsko sposobnostjo
utrjevanja oziroma nizkim koeficientom plastične deformacije tudi v osnovnem materialu
[3].
Potrebno je tudi omeniti vpliv nihanja napetosti tečenja osnovnega materiala na pojav TRN
zvarnih spojev. Na sliki 4.3 se lahko vidi, da je verjetnost za oblikovanje TRN zvarnih
spojev pri jeklih večja kot pa pri drugih materialih, ker je bolj občutljiv na lastna nihanja
napetosti tečenja [3].
Slika 4.3: Oblikovanje TRN zvarnega spoja zaradi lastnih nihanj napetosti tečenja osnovnega
materiala. Oznaki A in B sta osnovna materiala z različnimi mehanskimi lastnostmi [3]
»Eden od načinov, da se izognemo oziroma zmanjšamo vpliv TRN zvara, je v določitvi
maksimalne napetosti tečenja osnovnega materiala [3]«. S TRN zvarom se lahko tudi
strinjamo, vendar je potrebno tudi hkrati predpisati večjo žilavost zvara z ustrezno
tehnologijo varjenja oziroma upoštevanjem kompleksnih varivostnih razmer. Slika 4.4
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
48
prikazuje porazdelitev deformacij v prečno obremenjenem TRN zvarjenem spoju, ki je v
odvisnosti od oblike zvarnega žleba [3].
Slika 4.4: Porazdelitev plastičnih deformacij v simetričnem X in V TRN zvarnem spoju [3]
Najvišja koncentracija plastične deformacije se vedno pojavi v korenu zvarnega spoja pri
obeh oblikah zvarnih spojev, in ker se na teh
Recommended