Trwałość zmęczeniowa połączeń spawanych wysokowytrzymałej stali konstrukcyjnej S960QL ŚLĘZAK Tomasz 1, a, ŚNIEŻEK Lucjan 1,b

Transkrypt

1 Trwałość zmęczeniowa połączeń spawanych wysokowytrzymałej stali konstrukcyjnej S960QL ŚLĘZAK Tomasz 1, a, ŚNIEŻEK Lucjan 1,b 1 Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Mechaniczny, Instytut Budowy Maszyn, ul. Gen. S. Kaliskiego 2, Warszawa, Polska a tomasz.slezak@wat.edu.pl, b lucjan.sniezek@wat.edu.pl Słowa kluczowe: połączenia spawane, trwałość zmęczeniowa, stale wysokowytrzymałe. Streszczenie. W artykule przedstawiono wyniki badań niskocyklowej wytrzymałości zmęczeniowej połączeń spawanych stali konstrukcyjnej S960QL. Rozpatrywano złącza doczołowy dwóch typów: "I" oraz "V". Badania wykonano w warunkach obciążenia kontrolowanego amplitudą odkształcenia całkowitego ε ac. Analizę trwałości zmęczeniowej przeprowadzono w oparciu o równanie Mansona- Coffina-Basquina, co pozwoliło wyznaczyć wartości parametrów zmęczeniowych. Stwierdzono dużą zgodność przyjętego modelu opisu z wynikami doświadczalnymi. W badaniach wykazano różnice trwałości rozpatrywanych przypadków połączeń, przy czym spoiny "I" wykazały o około 20-50% większe trwałości. Podczas badań fraktograficznych przełomów zmęczeniowych połączeń ujawnione zostały szczegóły zmęczeniowego pękania oraz różnice w prędkości propagacji pęknięć zmęczeniowych. Wprowadzenie Wysokowytrzymałe stale konstrukcyjne HSS (high strength steels) o granicy plastyczności przewyższającej wartość 690 MPa są obecnie bardzo często stosowane w konstrukcjach spawanych, maszynach i obiektach infrastrukturalnych. Wykorzystuje się je szczególnie na elementy przenoszące obciążenia eksploatacyjne o bardzo dużej wartości bezwzględnej, a ich wysokie właściwości wytrzymałościowe można najefektywniej wykorzystać w elementach przenoszących obciążenia rozciągające oraz poddawanych zginaniu, jednak aby stale mogły znaleźć szerokie zastosowanie w rzeczywistych konstrukcjach inżynierskich muszą charakteryzować się należytą spawalnością. Jest ona podstawową cechą stali stosowanych na konstrukcje stalowe. Należy w tym miejscu podkreślić, że spawalność tych stali jest gorsza niż stali o podwyższonej wytrzymałości i pogarsza się wraz ze wzrostem wytrzymałości [1]. Podstawowymi kryteriami w procesie opracowywania nowoczesnym konstrukcji inżynierskich są w głównej mierze względy ekonomiczne oraz eksploatacyjne. Pod tym względem stale wysokowytrzymałe wypierają dotychczas stosowane stale węglowe wyższej jakości, gdyż umożliwiają przenoszenie większych obciążeń. Zmniejszenie grubości elementów powoduje obniżenie kosztów produkcji ujętych przede wszystkim w kosztach bezpośrednio związanych z wykonaniem złączy spawanych, lecz redukując masę można zastosować mniejsze elementy nośne lub jednostki napędowe. Z drugiej strony redukując masę możemy poprawić parametry eksploatacyjne poprzez zwiększenie zasięgów, udźwigów, ładowności itp. Z tych powodów stale te znajdują zastosowanie głównie w konstrukcji dźwigów samojezdnych, urządzeń dźwigowych, ram pojazdów ciężarowych, zbiorników ciśnieniowych, platform wiertniczych a ostatnio także w konstrukcji wagonów kolejowych. Mankamentem zastosowania stali HSS na ramiona wysięgników jest możliwość wystąpienia znacznych odkształceń sprężystych, a w konsekwencji ugięć ramienia. Taki charakter wytężenia może powodować lokalne odkształcenia plastyczne w miejscach występowania koncentratorów naprężeń, którymi w konstrukcjach spawanych są spoiny. W skrajnych przypadkach może dojść do inicjacji i rozwoju pęknięć zmęczeniowych skutkujących zniszczeniem elementu i awarią maszyny lub obiektu [2]. Wzrost wytrzymałości stali poprzez zwiększenie zawartości pierwiastków stopowych powoduje jednocześnie zwiększenie hartowności, co równocześnie pogorsza właściwości spawalnicze.

2 Obecnie stale o granicy plastyczności większej niż 460MPa otrzymywane są z wykorzystaniem zaawansowanych technologicznie procesów produkcyjnych, takich jak na przykład ulepszanie cieplne z kontrolowanych chłodzeniem czy termomechaniczne walcowanie (TMCP). Uzyskane w ten sposób stale charakteryzują się strukturą martenzytyczno-bainityczną, a wysokie właściwości wytrzymałościowe są efektem dużego rozdrobnienia ziarna, wysokiego stopnia zgniotu i bardzo dużej gęstości dyslokacji na granicach ziaren, które wywołują efekt umocnienia odkształceniowego [3,4]. Dodatkowo w stalach tych występują znaczące ściskające naprężenia własne, wpływające korzystnie na zdolność do przenoszenia obciążeń [5]. Opisane cechy stali HSS ulegają istotnemu pogorszeniu w przypadku zwiększenia temperatury stali powyżej temperatury początku przemian fazowych, co ma miejsce między innymi w procesie spawania. Z uwagi na stwierdzone, istotne zmiany właściwości mechanicznych stali HSS po nagrzaniu powyżej temperatury Ac1, niezwykle istotnym jest ujęcie wpływu połączeń spawanych na właściwości użytkowe wytwarzanych konstrukcji. Powszechnie wiadomo, że wytrzymałość zmęczeniowa materiałów nie zwiększa się proporcjonalnie wraz ze wzrostem ich wytrzymałości statycznej. Zjawisko to jest szczególnie zauważalne w przypadku elementów spawanych, dlatego najbardziej istotnym czynnikiem, który decyduje o możliwości zastosowania stali przeznaczonych na konstrukcje spawane jest ich wytrzymałość zmęczeniowa. Co więcej, wytrzymałość zmęczeniowa złączy spawanych elementów wykonanych ze stali wysokowytrzymałych może być niższa niż złączy wykonanych ze stali niskowęglowych [6]. Wynika to w głównej mierze z wrażliwości materiałów o wysokiej wytrzymałości na różnego rodzaju defekty, a w przypadku spoin mamy do czynienia zarówno z karbem geometrycznym powodującym spiętrzenie naprężeń, niejednorodnością struktury oraz znacznym gradientem naprężeń spawalniczych. Przedmiot badań Przeprowadzone badania dotyczą wysokowytrzymałej stali konstrukcyjnej S960QL o składzie chemicznym i właściwościach wytrzymałościowych przedstawionych w Tabeli 1. Tabela 1. Skład chemiczny i właściwości wytrzymałościowe stali S960QL C Si Mn Cr Mo Ni Al V Cu Skład chemiczny w t [%] 0,18 0,36 1,19 0,23 0,66 0,06 0,11 0,03 0,19 E R p0,2 R m A Właściwości [MPa] [MPa] [MPa] [%] wytrzymałościowe 2,20x ,2 Badania przeprowadzone zostały na dwóch rodzajach spoin doczołowych: "I" oraz "V" o geometrii przedstawionej na Rys. 1. Połączenia spawane zostały wykonane w Instytucie Spawalnictwa w Gliwicach. a) b) Rys. 1. Geometria elementów przed realizacją złączy spawanych typu "I" (a) oraz "V" (b) Techniczne parametry spawania zostały dobrane zgodnie z wymaganiami stawianym procesowi łączenia stali drobnoziarnistych S960QL, ze zwróceniem szczególnej uwagi na ilość wprowadzonego ciepła, która nie powinna przekraczać wartości 1 kj/mm [7]. Połączenia wykonano techniką MAG w osłonie gazu aktywnego EN ISO M21 ArC 18 zawierającego 82% CO 2

3 oraz 18% Ar. Dla stali S960QL zastosowano spoiwo EN ISO A G Mn4Ni2,5CrMo UNION X96. Wszystkie złącza wykonano w pozycji podolnej PA drutem spawalniczym o średnicy 1,2mm. Podstawowe parametry spawania zestawiono w Tabeli 2. Tabela 2. Parametry wykonania złączy spawanych stali S960QL Natężenie Napięcie Prędkość Prędkość Strumień Ilość prądu łuku podawania przesuwu objętości wprowadzonego Typ Numer drutu gazu ciepła złącza ściegu [m/min] [mm/min] [l/min] [A] [I] [kj/mm] ,5 5, ,67 "V" ,0 7, , ,0 7, ,75 "I" ,0 7, ,75 Na Rys. 2 przedstawiono fotografie wykonanych złączy, natomiast na Rys. 3 poprzeczne zgłady metalograficzne połączeń spawanych typu "V" i "I" stali S960QL. b) a) Rys. 2. Widok ogólny lica spoiny "V" ze stali S960QL (a) oraz grani spoiny "V" (b) a) b) Rys.3. Zgłady poprzeczne spoiny "I" (a) oraz spoiny "V" (b) ze stali S960QL Nadmienić należy, że najmniej niezgodności spawalniczych wykazały złącza ze spoinami typu "I", które zostały wykonane poprzez obustronne spawanie zmechanizowane. Natomiast w złączach ze spoinami typu "V" pierwszy ścieg spawalniczy (grań) został wykonany sposobem ręcznym, a ścieg drugi (lico) sposobem zmechanizowanym. Cel i zakres badań Celem pracy było określenie właściwości zmęczeniowych połączeń spawanych wykonanych z wysokowytrzymałej stali konstrukcyjnej S960QL w zależności od ich rodzaju oraz dokonanie oceny ich zmęczeniowego pękania. Badania zmęczeniowe zostały przeprowadzone w warunkach obciążenia sterowanego stałą wartością amplitudy odkształcenia całkowitego εac przy założeniu niezmiennej wartości prędkości odkształcenia ε& = /s oraz przy współczynniku asymetrii cyklu odkształcenia Rε = 0,1. Testy zmęczeniowe zostały wykonane na pięciu poziomach amplitudy εac wynoszących odpowiednio 0,15%, 0,20%, 0,25%, 0,30% i 0,40%. Wartość odkształceń była kontrolowana z wykorzystaniem ekstensometru dynamicznego o bazie pomiarowej 25 mm. Uzyskane wyniki poddano analizie, natomiast powierzchnie otrzymanych przełomów zmęczeniowych obserwowano z wykorzystaniem skaningowej mikroskopii elektronowej.

4 W badaniach zmęczeniowych wykorzystano próbki płaskie o geometrii przedstawionej na Rys. 4 wykonane ze spawanych arkuszy stalowych o wymiarach 500x320x6. Próbki zostały przygotowane w ten sposób, że osie próbek i spoin są wzajemnie prostopadłe, a spoina znajduje się w centralnej części bazy pomiarowej ekstensometru. Rys. 4. Wymiary geometryczne próbek użytych w testach zmęczeniowych Jako kryterium zakończenia próby zmęczeniowej przyjęto 25-cio procentowy spadek naprężenia maksymalnego w cyklu obciążenia. Wyniki badań zmęczeniowych połączeń spawanych Wykresy zmian amplitudy składowej plastycznej odkształcenia całkowitego ε ap oraz naprężenia maksymalnego w cyklu obciążenia σ max dla obu typów spoin przedstawiono na Rys. 5. Rys. 5. Zmiany amplitudy odkształcenia plastycznego ε ap (a,b) oraz naprężenia maksymalnego σ max (c,d) otrzymane dla spoin typu "I" i "V" zarejestrowane w badaniach stali S960QL Na podstawie powyższych wykresów można stwierdzić istotne różnice w przebiegach zmian amplitudy odkształcenia plastycznego ε ap podczas badań obu typów spoin (Rys. 5a,b). W spoinie typu "V" zakres wywołanych odkształceń plastycznych przy amplitudach obciążenia ε ac równych 0,3% oraz 0,4% jest znacznie większy od występujących w spoinach typu "I". Przy mniejszych

5 amplitudach odciążenia wartości ε ap są porównywalne, choć zauważyć można, że w przypadku spoin typu "I" występują nieznacznie większe wartości. Przebiegi zmian wartości naprężenia maksymalnego (Rys. 5c,d) są do siebie bardzo zbliżone i nie wykazują istotnych różnic. Opierając się na danych z poszczególnych prób zmęczeniowych oraz odczytując wartości parametrów z ustabilizowanych pętli histerezy (odpowiadających połowie trwałości zmęczeniowej) wyznaczono wartości średnie parametrów niezbędnych do dalszej analizy cyklicznego zachowania się badanych połączeń, które przedstawiono w Tabeli 3. Tabela 3. Uśrednione wartości parametrów otrzymane w próbach zmęczeniowych Typ Obciążenie ε ap ε ae E 2 N spoiny ε ac [%] [mm/mm] [mm/mm] f [MPa] 0,15 0, , ,20 0, , "I" 0,25 0, , ,30 0, , ,40 0, , ,15 0, , ,20 0, , "V" 0,25 0, , ,30 0, , ,40 0, , Powyższe dane posłużyły do przeprowadzenia analizy zmęczeniowej wykorzystując zależność Mansona-Coffina-Basquina (1), którego interpretację graficzną przedstawiono na Rys. 6. Wartości współczynników wytrzymałości zmęczeniowej σ' f i plastyczności, przy obciążeniu zmiennym ε' f oraz odpowiadającym im wykładników b i c, zostały także przedstawione na wykresie oraz w Tabeli 4 (indeks (w) oznacza, że wynik dotyczy połączenia spawanego). Zamieszczono w niej również wartości współ-czynników korelacji R 2 odpowiadające poszczególnym prostym zastosowanej regresji liniowej. σ f b ε ac = ε ae + ε ap = ( 2N f ) + ε f ( 2N f ) c (1) E Rys. 6. Wykresy zmęczeniowe połączeń spawanych stali S960QL ze spoiną typu "I" (a) oraz "V" (b) Na powyższych wykresach symbole zaciemnione ilustrują wyniki, które ze względu na układ punktów względem linii trendu nie zostały ujęte przy wyznaczaniu wartości parametrów zmęczeniowych. Odpowiadają one najniższemu poziomowi obciążenia, czyli ε ac =0,15%.

6 Tabela 4. Właściwości zmęczeniowe połączeń spawanych stali S960QL Typ spoiny σ' f (w) [MPa] b (w) [ - ] ε' f (w) [mm/mm] c (w) [ - ] "I" ,263 0,264-1,073 R 2 = 0,9788 R 2 = 0,9921 "V" ,267 4,408-1,523 R 2 = 0,9497 R 2 = 0,9986 Pełny wykres zmęczeniowy z naniesionymi eksperymentalnymi wynikami trwałości zmęczeniowej obu typów połączeń spawanych stali S960QL oraz krzywymi opisującymi właściwości zmęczeniowe badanych połączeń zależnością Mansona-Coffina-Basquina przedstawiono na Rys. 7. Rys. 7. Wykres zmęczeniowy dla połączeń spawanych stali S960QL Otrzymane wyniki badań świadczą o nieznacznie lepszych właściwościach zmęczeniowych połączeń spawanych stali S960QL ze spoinami typu "I". Ich trwałości średnie są wyższe o około 20-50% od trwałości spoin typu "V", lecz zarejestrowano również wyjątki (przy ε ac =0,15%). Właściwości zmęczeniowe opisujące składową sprężystą (σ' f (w) i b (w) w Tabeli 4) są do siebie bardzo zbliżone, natomiast opisujące składową plastyczną (ε' f (w) i c (w) ) wykazują duże różnice. Świadczy to o podobnych cechach zmęczeniowych w warunkach dominacji składowej naprężeniowej, czyli przy niższych obciążeniach, a jednocześnie wyższej trwałości zmęczeniowej. Odmienny charakter zmęczenia występuje natomiast w warunkach znaczącego udziału odkształceń plastycznych. Analiza fraktograficzna przełomów zmęczeniowych Analizę fraktograficzną przeprowadzono w oparciu o przełomy zmęczeniowe próbek połączeń spawanych badanych przy amplitudzie odkształcenia całkowitego ε ac = 0,3%, przedstawiono na Rys. 8. Linią kreskową zaznaczono obszary zmęczeniowego pękania, w których zostały wykonane fotografie umieszczone na Rys. 9. Przełomy w obu przypadkach wykazują zróżnicowany przebieg pękania, równomierny w przypadku spoiny "I" (Rys. 8a) oraz bardziej gwałtowny o złożonej morfologii w przypadku spoiny "V" (Rys. 8b). Nie stwierdzono obecności ognisk inicjacji pęknięć zmęczeniowych. Inicjacja w obu przypadkach następowała na całej długości linii wtopu (w spoinie "V" zawsze od strony grani), tworząc już na początkowym etapie rozwoju pęknięcia jednolity front pękania z nieznacznymi, lokalnymi uskokami łączącymi rozwijające się lokalne pęknięcia.

7 a) b) Rys. 8. Przełomy zmęczeniowe połączeń spawanych stali S960QL ze spoiną typu "I" (a) oraz typu "V" badanych przy εac = 0,3% Fotografie zamieszczone na Rys. 9 przedstawiają obszar przypowierzchniowy inicjacji pęknięć zmęczeniowych (a,b) i obszar początkowego wzrostu pęknięcia w odległości około 0,15 mm od powierzchni próbki (c,d) oraz obszar szybkiego wzrostu pęknięcia w odległości około 0,4 mm (e,f). a) b) c) d) e) f) Rys. 9. Strefy inicjacji pęknięć zmęczeniowych (a,b) oraz miejsca początkowego (c,d) i szybkiego (e,f) wzrostu pęknięć w badanych połączeniach spawanych ze spoiną typu "I" (a,c,e) oraz typu "V" (b,d,f) badanych przy εac = 0,3%

8 Mechanizm inicjacji pękania w obu przypadkach jest nieco odmienny. W spoinie "I" bezpośrednimi inicjatorami są drobiny zawalcowanej zgorzeliny walcownicze (Rys. 9a), natomiast w spoinie "V" inicjacja jest związana w nieciągłościami liii wtopu grani, gdyż ten ścieg spawalniczy został wykonany sposobem ręcznym. Ponadto w spoinie "V" stwierdzono występowanie pęcherzy gazowych oraz licznych mikropor (Rys. 9b,d), które wpływały na wzrost prędkości propagacji pęknięć zmęczeniowych. Zarówno na początkowym etapie rozwoju pęknięć zmęczeniowych (Rys. 9c,d), jak i dalszym etapie (Rys. 9e,f), zachowany jest charakter pękania plastycznego, czego dowodzi budowa przedstawionych przełomów z rozpoznawalnymi prążkami zmęczeniowymi. Przebieg pękania w spoinie typu "V" w dalszym etapie jest bardziej gwałtowny niż w przypadku spoiny "I", gdyż prawdopodobnie przebiega ono po granicy spoiny i strefy wpływu ciepła. Świadczy o tym mikrobudowa powierzchni, przedstawiona na Rys. 9f, o bardzo zróżnicowanej topografii oraz występującymi obszarami ("plastrami") pęknięć quasi-statycznych. Podsumowanie i wnioski W pracy zostały zaprezentowane wyniki badań niskocyklowej wytrzymałości zmęczeniowej dwóch typów połączeń spawanych wysokowytrzymałej stali konstrukcyjnej S960QL. Otrzymane wyniki pozwalają stwierdzić, że zastosowanie do oceny trwałości połączeń spawanych badanej stali kryterium odkształceniowego opisanego równaniem Mansona-Coffina-Basquina dobrze odzwierciedla wyniki badań doświadczalnych, choć przy mniejszych wartościach odkształceń pojawiają się problemy z określeniem składowej plastycznej ε ap. Spoiny typu "I" wykazały większe uśrednione wartości trwałości zmęczeniowej w odniesieniu do spoin "V" o około 20-50%. Różnice trwałości zmęczeniowych tych dwóch typów połączeń spawanych wzrastały wraz ze spadkiem amplitudy obciążenia całkowitego (wyjątek stanowiły wyniki uzyskane przy ε ac = 0,15%). Wyniki badań fraktograficznych przełomów zmęczeniowych połączeń spawanych wykazały brak występowania ognisk pęknięć zmęczeniowych Inicjacja następowała na całej długości linii wtopu z tym, że w spoinach typu "V" inicjacja następował zawsze po stronie grani. Budowa powierzchni przełomów wykazuje cechy pękania plastycznego, a szybszy rozwój pęknięć w spoinie "V" był związany z występowaniem pęcherzy gazowych oraz mikropor. Praca powstała w ramach grantu na rozwój młodych naukowców RMN Bibliografia [1] R. Willms, High strength steel for steel constructions, Proceedings of the Nornic Steel Construction Conference (NSCC 2009), September 2-4, Malmö, Sweden [2] M. Lachowicz, W. Nosko, Spawanie stali konstrukcyjnej Weldox 700, Przegląd spawalnictwa 1/2010, str [3] Y. Nie (i inni), 960 MPa Grade High Performance Weldable Structural Steel Plate Processed by Using TMCP, Journal of Iron and Steel Research, 2010, Vol. 17(2), pp [4] H. Yi, L. Du, G. Wang, X. Liu, Strengthening Mechanism of a New 700 MPa Hot Rolled High Strength Steel, Journal of Iron and Steel Research, 2008, Vol. 15(2), pp [5] Ślęzak T., Śnieżek L., Fatigue Properties and Cracking of High Strength Steel S1100QL Welded Joints, Key Engineering Materials Vol. 598 (2014), pp [6] C. Miki, K. Homma, T. Tominaga, High strength and high performance steels and their use in gridge structures. Journal of Constructional Steel Research, Vol. 58, 2002 str [7] SuperElso 960 A High Yield Strength steel for welded and weight-saving structures, ArcelorMittal - Industeel, issue ;