BADANIE WPŁYWU OBNIŻONEJ TEMPERATURY NA PĘKANIE ZŁĄCZA SPAWANEGO

Transkrypt

1 10/17 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2005, Rocznik 5, Nr 17 Archives of Foundry Year 2005, Volume 5, Book 17 PAN - Katowice PL ISSN BADANIE WPŁYWU OBNIŻONEJ TEMPERATURY NA PĘKANIE ZŁĄCZA SPAWANEGO S. DYMSKI 1, T. GIĘTKA 2, Z. STAWICKA 3, M. KACZMAREK 4 Katedra Inżynierii Materiałowej, Wydział Mechaniczny, Akademia Techniczno-Rolnicza w Bydgoszczy ul. S. Kaliskiego 7, Bydgoszcz STRESZCZENIE Badania dotyczyły spawanych płyt próbnych ze stali 18G2A drutem elektrodowym Union K56-Thyssen metodą GMA. Spawanie odbyło się półautomatycznie w osłonie gazu Corgon (82 % Ar+18 % CO 2 ). Zginanie udarowe wykonano na próbach udarnościowych o wymiarach 10x10x55 mm z karbem V w zakresie temperatur C. Karb V umiejscowiono w osi spoiny, strefie wpływu ciepła, i w linii obejmującej spoinę i strefę wpływu ciepła (strefa przejściowa). Badano również udarność materiału podstawoweg o. Wyznaczono temperaturę kruchości badanych elementów spoiny. Analizę uzupełniono badaniami przełomów za pomocą elektronowego mikroskopu skaningowego (SEM). Key words: shortness, couple, welding, cracking, toughness 1. WPROWADZENIE W wielu konstrukcjach stalowych są złącza spawane. Prawie wszystkie są eksploatowane w temperaturze otoczenia, jak również w temperaturze obniżonej. Z dużą przesadą można uznać, że ich eksploatacja odbywa się zazwyczaj w zakresie temperatur C. W tym to właśnie zakresie jest temperatura przejścia od przełomu ciągliwego do kruchego. Poniżej tej temperatury występuje podatność stali na nagłe 1 prof. nadzw. ATR dr hab. inż. Stanislaw.Dymski@mail.atr.bydgoszcz.pl 2 mgr inż. tgietka@mail.atr.bydgoszcz.pl 3 mgr zofstaw@mail.atr.bydgoszcz.pl 4 inż. 99

2 niespodziewane zniszczenie [1,3,4]. Znajomość tej temperatury ma wyeliminować częściową a nawet całkowitą awarię lub katastrofę budowli stalowej. W złączu spawanym jest zazwyczaj metal w stanie lanym, a czynniki metalu r- giczne i naprężeniowe wpływają na kruche pękanie. Przy ocenie kruchości stali spawanej trzeba uznać, że jest ona bardzo ściśle związana ze zmianami strukturalnymi w obszarze SWC [1,2]. Analizując złącze spawane stali należy zwrócić szczególną uwagę na czynniki inicjujące kruche pękanie. Stan lany spoiny wynika z topienia i krystalizacji pierwotnej. Uwzględniając skutki tych procesów i warunków cieplnych mikrostruktura i własności spoiny odbiegają od mikrostruktury i własności materiału podstawowego. W spoinie mogą być wady, podobne do wad metalurgicznych stali, w postaci m. in.; nieciągłości, zanieczys z- czeń, segregacji, pęcherzy gazowych, zażużlenia, tlenków, azotków, nawęglenia, odwęglenia i pęknięcia. Wady te wpływają na poziom wytrzymałości, twardości i odporności na pękanie. Sama spoina stanowi już pewien rodzaj nieciągłości materiału [1,2,4-6]. Obecnie poszukuje się odpowiedniej metody, za pomocą której można byłoby określić bezpieczny zakres temperatur eksploatacji konstrukcji spawanej. Próba udarności złączy spawanych jest jednym sposobem, który może właśnie posłużyć do określenia o d- porności na kruche pękanie [1,3-6]. Komisja IX Międzynarodowego Instytutu Spawalnictwa zaleca m.in. opracowanie próby ilościowej analizy pękania złącz spawanych i wykonania ilościowej oceny klasycznych prób pękania [7]. Uwzględniając przedstawione stwierdzenia uznano, że celem niniejszych b a- dań jest analiza odporności na pękanie poszczególnych stref złącza przy obniżaniu temperatury badania udarności. 2. BADANIA WŁASNE Do badań wykonano 4 płyty próbne o wymiarach 300x300 mm. Blachy o grubości 14 mm ze stali 18G2A, a wg atestu z E355N (PN-EN ; 2003), spawano doczołowo. Do spawania płyt użyto drutu elektrodowego Union K 56 firmy Boler Thyssen Schweisstechnik o średnicy 1,2 mm gatunek EN 876 (wg EN ). Spawano półautomatycznie w osłonie gazu Corgon (82 % Ar + 18 % CO 2 ). Z płyt ze spoinami doczołowymi na K wycięto próbki udarnościowe o wymiarach 10x10x55 mm z karbem V. Położenie karbu ustalono przez trawienie odczynnikiem do badania makroskopowego. Do opisania próbek i kierunku karbu podczas badania udarności posłużono się normą PN-EN Próbki oznaczono: 1) VWT 0/2 z osią karbu V w spoinie (WM), 2) VHT 2/2 z osią karbu V w odległości 2 mm od linii wtopienia (FL) nie ukos owanej blachy, 3) VHT 0/2U z karbem V naciętym na linii wtopienia (FL) ukosowanej blachy tak, aby obejmowała on strefę wpływu ciepła (HAZ) i linię wtopienia (FL), 4) VPM z karbem V materiału podstawowego. 100

3 Praca łamania, J ARCHIWUM ODLEWNICTWA Znak T informuje, że karb usytuowano prostopadle do powierzchni płyty próbnej. Badanie udarności wykonano zgodnie z EN z użyciem młota Charpy ego o energii uderzenia 300 J. Temperatura otoczenia podczas próby wynosiła 20 0 C przy wahaniu ± 5 K. Próbę udarowego łamania wykonano zgodnie z PN-79/H Temperatura próbki w chwili jej łamania była następująca: 20, 0, 20, 40 i 60 0 C. Do oziębienia próbek użyto mieszaniny składającej się z alkoholu etylowego i ciekłego azotu. Wielkość przechłodzenia wynosiła 3 4 K. Wytrzymywanie w mieszaninie oziębiającej każdego kompletu próbek było w czasie 20 minut. Dla każdej temperatury przygotowano po trzy próbki uda r- nościowe. Z próby udarności wyznaczono pracę K zużytą na złamanie próbki. Złomy próbek poddano badaniu makroskopowemu. Natomiast przełomy niektórych próbek poddano bad a- niu za pomocą elektronowego mikroskopu skaningowego. Zdjęcia przełomów wykonano w miejscu bardzo blisko krawędzi dna karbu. 3. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA Wpływ temperatury badania udarności na pracę łamania próbek, pochodzących ze stref złącza spawanego, przedstawiono na rysunku Temperatura, o C Rys. 1. Wpływ temperatury na pracę łamania próbek: VWT 0/2 (1), VHT 2/2 (2), VHT 0/2U (3), VPM (4) złącza spawanego stali 18G2A Fig. 1. The influence of temperature on the work of sample bending: VWT 0/2 (1), VHT 2/2 (2), VHT 0/2U (3), VPM (4) of the joint welded of steel 18G2A Na rysunku 2 pokazano wybrane przełomy próbek VWT 0/2. Próbka 1 (temperatura badania 20 0 C) przy łamaniu przeszła między podporami i miała duże odkształcenie plastyczne na przekroju w kształcie rombu, a przełom drobnoziarnisty, matowy. Próbka 2 (temperatura badania 40 0 C) podczas łamania również przeszła między podporami i miała przełom częściowo błyszczący. Jego odkształcenia plastyczne p o- 101

4 wierzchni bocznych są znacząco mniejsze niż odkształcenia powierzchni bocznych próbki Rys. 2. Fig. 2. Przełom próbek VWT 0/2 złącza spawanego stali 18G2A po badaniu w temperaturze 20 0 C (1) i 40 0 C (2) The fracture of the samples VWT 0/2 joint welded of steel 18G2A after the test in the temperature 20 0 C (1) and 40 0 C (2) Materiał podstawowy stal 18G2A, próbki 1,2 miały przełom ziarnisty, matowy z udziałem błyszczącego. Odkształcenie plastyczne tych próbek jest minimalne (rys. 3) Rys. 3. Fig. 3. Przełom próbek VPM materiału podstawowego, stal 18G2A po badaniu w temperaturze 20 0 C (1) i 0 0 C (2) The fracture of the samples VPM fundamental material, steel 18G2A after the test in the temperature 20 0 C (1) and 0 0 C (2) Przełom materiału podstawowego (próbki VPM) pokazano na rysunku 4. W temp e- raturze badania 20 0 C powierzchnia złomu miała cechy przełomu ciągliwego (rys. 4a), a w temperaturze badania 40 0 C kruchego ze słabo zaznaczonymi dorzeczami oraz pojedynczymi wtórnymi jamkami wyrwań materiału (rys. 4b). 102

5 ARCHIWUM ODLEWNICTWA a) b) Rys. 4. Przełom próbek VPM materiału podstawowego złącza spawanego stali 18G2A po badaniu w temperaturze 20 0 C (a) i 40 0 C (b). SEM. Pow. mikroskopowe 1000 x Fig. 4. The fracture of the samples of VPM fundamental material, joint welded steel 18G2A after test in the temperature 20 0 C (a) and 40 0 C (b). SEM. Magnification microscope 1000 x Przełom próbek VWT 0/2 spoiny, po badaniu w temperaturze 20 0 C i 60 0 C pokazano na rysunku 5. a) b) Rys. 5. Przełom próbek VWT 0/2 spoiny połączenia spawanego stali 18G2A po badaniu w temperaturze 20 0 C (a) i 60 0 C (b). SEM. Pow. mikroskopowe1000x Fig. 5. The fracture of the samples VWT 0/2 joint welded steel 18G2A after test in the temperature 20 0 C (a) and 60 0 C (b). SEM. Magnification microscope 1000x 103

6 Próbka 1 miała klasyczny przełom ciągliwy, zaś próbka 2 przełom mieszany składający się z kruchego i pewnego udziału ciągliwego na grzebietach. Próbki pochodzące ze spoiny złącza wykazały w każdej temperaturze badania udarności najwyższą wartość pracy łamania, w porównaniu do próbek z pozostałych stref. Obniżanie temperatury spowodowało ciągły spadek pracy łamania. W zakresie temperatur C spadek ten jest gwałtowny. Z graficznego wyznaczenia progu kruchości w tym zakresie temperatur wynika, że wartość temperatury krytycznej t k 32 0 C przy wartości KV 97 J. Minimalna natomiast wartość dla stopiwa KV = 47 J. Z porównania tych wartości pracy łamania wynika, że spawanie płyt zostało wykonane bez wad wpływających na temperaturę krytyczną. Ze zmian pracy łamania próbek wyciętych z SWC (oznaczenie VHT 2/2) wynika, że próg kruchości jest pomiędzy temperaturą 20 a 40 0 C. Graficzne wyznaczenie dla tej strefy złącza spawanego temperatury krytycznej t k 30 0 C przy wartości KV = 18 J. Mała wartość pracy łamania próbek jest wynikiem zaistniałych zmian mikrostruktury stali w przyspoinowej strefie materiału podstawowego. Przebieg pracy łamania pod wpływem temperatury badania jest zbliżony do przebiegu prostoliniowego. Wyznaczono, że strefa obejmująca częściowo spoinę i częściowo SWC ma temperaturę t k 30 0 C przy wartości pracy KV=48 J. Z porównania wartości pracy łamania próbek VHT 0/2U z wartościami pracy łamania próbek VWT 0/2 i VHT 2/2 wynika, że udział materiału spawu wyraźnie wpłynął na zwiększenie energii tworzenia przełomów ciągliwych i quasi-łupliwych. Zmiany linii wykresowej na rysunku 1 informują, że materiał podstawowy (stal 18G2A) ma temperaturę krytyczną t k < 20 0 C, a praca łamania KV<30 J. Przełom próbki badanej w obniżonej temperaturze 20 0 C ma charakter quasi-łupliwy ze śladowym udziałem ciągliwego na wyciągniętych grzbietach. Na podstawie badań mikrofraktograficznych można stwierdzić, że obniżanie temperatury badania udarności przyczyniło się do zmniejszenia udziału przełomu ciągliwego na powierzchni złamania próbek udarnościowych, a wzrostu natomiast quasiłupliwego. Zjawisko to wynika z ciągłego zmniejszania się wartości pracy łamania próbek pod wpływem obniżania temperatury badania. Zmiana pracy łamania pod wpływem obniżania temperatury ma związek ze zmniejszaniem plastyczności stali, dlatego tez próba udarności jest tylko jakościowym narzędziem przy ocenie odporności stali na kruche pękanie. 104

7 ARCHIWUM ODLEWNICTWA 4. ZAKOŃCZENIE Trwałość konstrukcji spawanych jest zależna od warunków ich eksploatacji poniżej temperatury przejścia od stanu ciągliwego do stanu kruchego. Obniżenie temperatury powoduje wzrost granicy plastyczności i wytrzymałości stali oraz zmniejszenie jej plastyczności (wydłużenie, przewężenie) i udarności. Zmianę plastyczności potwierdzono w badaniach makroi mikrofraktograficznych. Obniżanie temperatury łamania przyczyniło się do zmiany charakteru przełomów próbek udarnościowych i kształtu ich zarysu złomu pod krawędzią dna karbu. Na przekroju udział przełomu ciągliwego się zmniejszał, a rósł udział kruchego, quasi - łupliwego. Na przekroju złomu zaobserwowano malejące zwężenie w miejscu dna karbu powierzchni bocznych próbek. W bardzo niskiej temperaturze ( 40 i 60 0 C) krawędzie powierzchni bocznych próbek są proste, nieodkształcone. W literaturze [6] informuje się o przejściu przez próg kruchości stali z uwzględnieniem m. in. struktury dyslokacyjnej i energochłonności pękania. Na zmianę stanu stali wpływa ograniczenie źródeł Franka-Reada, które przy odkształceniu plastycznym nie generują nowych dyslokacji. W miarę obniżania temperatury łamania stali ferrytycznej w jej strukturze krystalicznej A2 ruch dyslokacji śrubowych jest coraz bardziej ograniczony. Dlatego w niskiej temperaturze łamania lub dynamicznej szybkości odkształcania plastycznego rozładowanie dużych naprężeń lokalnych następuje raczej na drodze pękania, a nie przez poślizg. Natomiast w zakresie progu kruchości krytyczne naprężenie bliźniakowania jest mniejsze od krytycznego naprężenia poślizgu. Bliźniakowanie jest z kolei głównym źródłem zarodkowania pęknięć kruchych i podstawowym odkształcenia plastycznego [4,6]. Cechą charakterystyczną przełomu ciągliwego jest to, że ma dużą energię łamania, obejmującą inicjację i rozwój pęknięcia w przeciwieństwie do energii łamania przełomu kruchego. Badanie udarności w obniżonej temperaturze próbek pozwoliło na wyznaczenie temperatury krytycznej dla stref złącza spawanego stali 18G2A. Próg kruchości spoiny, strefy wpływu ciepła i strefy przejściowej jest w temperaturze t k około 30 0 C. Dla materiału podstawowego temperatura t k < 20 0 C. Zgodnie z kryterium udziału 50 % przełomu ciągliwego to temperatura powinna mieć wartość z zakresu C. Wyznaczenie temperatury krytycznej dla materiału podstawowego nie jest takie oczywiste. Stal 18G2A miała wytrzymałość na rozciąganie R m = 547 MPa, a duża wytrzymałość ogranicza ustalenie temperatury t k. Z przebiegu krzywych na rysunku 1 wyznaczono pracę łamania, która odp o- wiada temperaturze krytycznej t k dla: - spoiny KV 97 J, - SWC KV=18 J, - strefy przejściowej KV=48 J i - materiału podstawowego KV<30 J. Różnice pracy łamania próbek pochodzących ze stref złącza spawanego są skutkiem stanu materiałowego i występującej w nich mikrostruktury, powstałej wskutek 105

8 cyklu cieplnego. Przedstawione tu wyniki mogą być pomocnymi wskazówkami przy doborze stali na części konstrukcji metalowej eksploatowanej w zmiennej temperaturze, w tym również w temperaturze obniżonej. LITERATURA [1] Butnicki S.: Spawalność i kruchość stali. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa (1991). [2] Łomozik M.: Wpływ spawalniczych cykli cieplnych na zmiany strukturalne w o b- szarze SWC oraz jej własności w złączach spawanych ze stali niskostopowych. Biuletyn Instytutu Spawalnictwa, nr 2, s. 39, (2000). [3] Blicharski M.: Wstęp do inżynierii materiałowej. Wydawnictwo Naukowo- Techniczne, Warszawa (2003). [4] Blicharski M.: Inżynieria materiałowa. Stal. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa (2004). [5] Wojtkun F., Sołncew I.P.: Materiały specjalnego przeznaczenia. Monografie, nr 36. Wydawnicwo Politechnika Radomska, Radom (1999). [6] Wyrzykowski I.W., Pleszakow E., Sieniawski I.: Odkształcenie i pękanie metali. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa (1999). [7] Ranatowski E.: Wybrane zagadnienia pękania zimnego w połączeniach spawanych ze stali niskostopowych. Hutnik Wiadomości Hutnicze, nr 7-8, s , (2004). SUMMARY EXAMINATION OF INFLUENCE OF LOW TEMPERATURE INTO CRECKING OF WELDING COUPLE The examinations concerned the welded tentative plates of steel 18G2A of GMA method with the weld deposit Union K56-Thyssen. The welding took place semi-automatically under the protection of gas Corgon (82 % Ar + 18 % CO 2 ). The impact bending was executed on the tension impact test of the dimensions 10x10x55 mm with V notch in the range of temperatures C. V notch was localized in the axis of weld, in heat affected zone and in the line which includes the weld, the heat affected zone (transition zone). The impact of parent material was also tested. The brittle point of the elements of weld which were tested was marked on the basis of the results. The analysis was completed through the examinations of fractures by means of the scanning electron microscope (SEM). Recenzował: prof. dr hab. inż. Antoni W. Orłowicz 106