ANALIZA KRHKIH IN ŽILAVIH PRELOMOV HETEROGENIH … · Ključne besede: energetska komponenta, zvarni spoji, krhki in žilavi lom, konica razpoke UDK: 621.791/.792:620.1(043.2) Povzetek

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

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


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.


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]


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]


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


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]«.


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].


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]«.


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].


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].


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


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


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]


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].


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].


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.


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].


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.


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].


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


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].


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


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]


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


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,


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]


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


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


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),


29

kjer je:

A – raztezek


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


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)


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]«.


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.


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


34


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,


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].


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].


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.


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:



p – ploščinska površinska energija


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:



p – ploskovna površinska energija


d –premer zrna

i – strižna napetost

0C – začetna razdalja med feritno matrico

f – kritična napetost,


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


p – ploskovna površinska energija


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),


40

kjer je:

L – efektivna natezna napetost


– efektivna površinska energija matrice

Q – koeficient amplitude napetostnega polja


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


– efektivna površinska energija matrice

Q – koeficient


41


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


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:



n – faktor utrjevanja


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]:


43

KR

vd n

E

RIc

p f

p

n

1 21

1

( )*

(3.22),

kjer je:


pR – meja tečenja


d – premer zrna

n – faktor utrjevanja

*


E – elastični modul.

K dERIc f p 455 023. ( * . )

(3.23),

kjer je:


*


d – premer zrna


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.


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.


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.


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


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


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

Documents

ANALIZA KRHKIH IN ŽILAVIH PRELOMOV HETEROGENIH … · Ključne besede: energetska komponenta, zvarni spoji, krhki in žilavi lom, konica razpoke UDK: 621.791/.792:620.1(043.2) Povzetek