89

6 LASTNOSTI ZVAROV

Materiale za izdelavo varjenih konstrukcij izbiramo na osnovi njihovih lastnosti. Prav primerne lastnosti materiala zagotovijo konstrukcijam predvideno funkcionalnost in trajnost njihove uporabe378.

Kjerkoli v zvarih je mikrostruktura drugačna od mikrostrukture vgrajenega materiala, so drugačne tudi lastnosti materiala. Nekatere lastnosti materiala zvarov, ki so ključne za zanesljivost in varnost uporabe varjenih izdelkov, so praviloma slabše od lastnosti osnovnih materialov. To je posledica toplotnega vpliva med izdelavo zvarov. Za zanesljivost izdelanih zvarnih spojev in za varnost uporabe varjenih izdelkov je ključno, da poslabšanje lastnosti materiala ni preveliko379.

Zelo koristno je poznati vse možne slabosti materiala zvarov. Tako lahko oslabitev ključnih delov zvarov v naprej predvidimo in jih na ustrezen način tudi kontroliramo.

Tehnologi in varilci skušajo v delavnici ali na terenu uresničiti, kar so si konstrukterji na papirju zamislili380. Vendar pa v praksi pogosto pride do večjih ali manjših odstopanj od predvidenega:

1. za zvare so značilne varilne napake

2. na zvarih v varjenem stanju381 so prisotne varilne zaostale napetosti382.

Prav varilne napake in zaostale napetosti so zaradi poslabšanih lastnosti materiala zvarov odločilne za dejansko nosilnost varjenih konstrukcij. Zlom enega samega zvara lahko namreč povzroči porušitev celotne varjene konstrukcije. Ker napake in zaostale napetosti zmanjšajo trdnost zvarnih spojev, posredno vplivajo na nosilnost konstrukcij383.

6.1 Nepopolnosti zvarov

6.1.1 Varilne napake

Zaradi stroškov, ki so povezani z zagotavljanjem kakovosti zvarov, je v industrijskih razmerah nemogoče pričakovati, da bi bili zvari popolnoma brezhibni. Realni zvari lahko imajo zmanjšan nosilni presek, ponekod povečane napetosti, ali pa je na nekaterih področjih napetostno stanje bistveno bolj zahtevno.

378 To so osnovni materiali. Ponavadi so pomembne njihove mehanske lastnosti, včasih pa tudi kakšne druge

(npr trajnost, odpornost proti koroziji ali visoki temperaturi, toplotna prevodnost itd). 379 zahtevane lastnosti zvarov so predpisane v standardih 380 konstrukter predpiše zvare le okvirno, za dejansko kakovost zvarov je odgovoren tehnolog 381 zvari, ki niso toplotno ali na poseben način mehansko obdelani (npr vibrirani), so v varjenem stanju 382 Varilne zaostale napetosti so na zvarih nekje večje, drugje manjše in so lahko natezne ali tlačne. So

posledica različnih mehanskih, toplotnih in drugih vplivov na material, ki so prostorsko in časovno omejeni. Največkrat je vzrok zanje preprečena možnost raztezanja ali krčenja materiala zaradi spremembe temperature in premen. Varilne zaostale napetosti so lokalna statična prednapetost materiala zvarov.

383 V obremenjenih zvarih so ponekod napetosti zaradi napak skoncentrirane. Če so lokalno napetosti prevelike, se material poruši (poči). Škodljiv vpliv napake je zato potem še večji in lom se nadaljuje. Zaostale napetosti se prišteje k napetostim, ki so posledica zunanjih obremenitev. Če se lokalno prevelike napetosti s plastično deformacijo materiala ne morejo prerazporediti na okolico, se material poruši. Zato je potrebno, da ima tudi material oslabljenih delov zvarov primerne konstrukcijske lastnosti.

90

Varilne napake delimo na oblikovne ali konstrukcijske napake ter na volumske in ravninske napake. Njihov vpliv na trdnost zvarov je odvisen od vrste napake ter od njene velikosti in v določenih primerih tudi usmerjenosti.

− Oblikovne napake zvarov384 so pogosto vzrok za nefunkcionalnost varjenih komponent in konstrukcij. Povzročajo tudi koncentracijo napetosti, vendar običajno v omejenem obsegu. Kadar te napake nastopajo v kombinaciji z drugimi vrstami napak, so še posebno nevarne385.

− Volumske napake zvarov386 zmanjšajo nosilni presek zvarov in hkrati povzročajo koncentracijo napetosti, ki pa ni ekstremno velika. Stopnja koncentracije napetosti je odvisna od oblike in položaja napak.

− Večje in nevarno usmerjene ravninske napake zvarov387 zmanjšajo nosilni presek zvarov. Ker so te napake navadno ostre, povzročajo veliko koncentracijo napetosti. Zaradi njihovega vpliva se lahko lokalno spremeni napetostno stanje. Spremenjeno napetostno stanje vpliva na možni način, kako se zvari pri prevelikih obremenitvah porušijo388.

Tveganje zaradi prisotnosti varilnih napak je tem manjše, čim boljše so lastnosti materiala tistih delov zvarov, kjer je vpliv napak največji389. Idealno bi bilo, da bi bile lastnosti zvarov enakovredne lastnostim osnovnih materialov. Vendar ponavadi ni tako. Prav zato obravnavamo vse nekoliko bolj obremenjene zvare kot potencialno šibke členke varjenih konstrukcij.

Nosilnost varjenih konstrukcij je mogoče ovrednotiti, če poznamo:

1. kakovost vseh obremenjenih zvarov390

2. lastnosti materiala tistih delov zvarov, kjer so lastnosti zaradi varjenja najslabše

3. lastnosti materiala tistih delov zvarov, kjer lastnosti niso najslabše, ampak so tam obremenitve največje ali pa so ti deli zvarov v določenih primerih obremenjeni na posebno nevaren način391

384 to so linijska in kotna neosnost zvarov (stopničavost in slemenavost zvarov), zmanjšan nosilni prerez ali

hitra sprememba prereza zvarov 385 kombiniran vpliv napak je v praksi zelo pogost 386 to so plinski ter kovinski in nekovinski vključki ipd 387 To so razpoke, zlepi, neprevarjeni koren, robne zajede ipd.

Nevarno usmerjene so tiste ravninske napake, ki so v ravnini, ki je pravokotna na največje natezne napetosti (če ni tako, je njihov vpliv odvisen od projekcije napake na to ravnino). Predpostavimo lahko, da ravninske napake, ki so vzdolžne z napetostmi, trdnosti zvarov ne zmanšajo (take ravninske napake lahko pod določenimi pogoji trdnost in predvsem duktilnost zvarov celo zvečajo).

388 Od napetostnega stanja sta odvisni meja plastičnosti in trdnost materiala ter seveda duktilnost in žilavost. Pri najbolj neugodnem napetostnem stanju (npr ravninsko deformacijsko stanje, ko so vse tri komponente napetosti natezne) se lahko krhko zlomijo tudi takšni materiali, ki so v normalnih razmerah sorazmerno duktilni. Veliko nevarnost pri uporabi varjenih konstrukcij predstavlja obstoj krhkega materiala v zvarih. V elastično deformiranih delih konstrukcij je dovolj energije za krhki zlom zvarov (na razpolago je v obliki akumulirane elastične deformacijske energije, tako kot npr energija deformirane vzmeti).

389 tu gre za konstrukcijske lastnosti materiala 390 Za ocenjevanje vpliva volumskih in oblikovnih napak uporabljamo klasično mehaniko, za nevarno

usmerjene ravninske napake pa mehaniko loma. Z mehaniko loma kvantitativno opredelimo interakcijo med razpokami in napetostmi. Primerjamo jo z lomno žilavostjo materiala (lomna žilavost je lastnost materiala, tako kot elastični modul, meja tečenja, trdnost, žilavost itd).

391 npr v primeru obstoja ostrih zarez, razpok ipd

91

6.1.2 Varilne zaostale napetosti

Varilne zaostale napetosti niso posledica zunanjih mehanskih, toplotnih ali kakšnih drugih obremenitev. Nastanejo zaradi neenakomernosti mikrostrukture na zvarih in dejstva, da se ta mikrostruktura ne izoblikuje povsod v istem trenutku. Pogosto je to združeno z lokalno plastično deformacijo materiala392.

Če se po lokalni plastični deformaciji materiala ne spremeni kristalna zgradba, so zaostale napetosti posledica izključno te deformacije. Če pa gre za spremembo kristalne zgradbe materiala oziroma za premeno, so zaostale napetosti odvisne tudi od mikrostrukture.

Pri varjenju material lokalno hitro segrejemo. Meja tečenja kovine se z naraščajočo temperaturo znižuje. Zaradi oviranja temperaturnega raztezanja materiala se lahko ta plastično deformira. Pri ohlajanju se lokalno bolj segreti in pred tem plastično deformirani material zaradi okoliškega manj segretega materiala ne more toliko skrčiti kot bi bilo treba. Material se lahko spet plastično deformira. Zaradi lokalnosti plastične deformacije se pojavijo zaostale napetosti. Posledica nateznih zaostalih napetosti v enem delu zvara so tlačne zaostale napetosti v tistem delu, ki je raztezanje oviralo, in nasprotno. Raven varilnih zaostalih napetosti ponekod na zvarih doseže celo mejo tečenja materiala.

V določenih primerih se deli zvarov premenijo pri dokaj nizki temperaturi393. Takrat je meja tečenja materiala z na novo izoblikovano mikrostrukturo že prilično visoka in material je težje plastično deformirati. Tudi to je eden od vzrokov za nastanek zaostalih napetosti394.

Obstoj varilnih zaostalih napetosti ima negativni vpliv na trdnost zvarov pa tudi samo možnost varjenja močno ovira.

− V interakciji z nekaterimi mediji ali kemijskimi elementi raztopljenimi v jeklu, povzročajo razpad materiala395 ali pokljivost zvarov396.

− V lokalno prednapetih delih zvarov so skupne napetosti ponekod višje in pogosto bolj kompleksne od tistih, ki so posledica samo zunanjih obremenitev397. Tako varilne zaostale napetosti vplivajo na napetostno stanje v zvarih in lahko občutljivost materiala na pojav krhkega loma zvečajo. Na ta način je statična trdnost zvarov manjša.

− Lokalno natezno prednapeti deli materiala zvarov ne prenesejo tako visokih cikličnih napetosti, kot če niso prednapeti (poglavje 4.5.1). Zato so varilne zaostale napetosti pogosto vzrok za zmanjšanje ciklične trdnosti zvarov398.

392 Če je obremenitev, zaradi katere je presežena meja tečenja materiala, izrazito lokalna, sodeluje pri odporu

proti njej tudi okoliški material, ki je obremenjen samo elastično. Zaradi tega se lahko spremeni napetostno stanje (to vpliva na možne načine porušitve materiala).

393 grobozrnati del TVP je na zvarih pogosto zakaljen, tak pa je lahko tudi var, če ima ustrezno kemično sestavo (temperatura premene je funkcija kemične sestave in hitrosti ohlajanja, glej poglavje 4.6.3)

394 Transformacija γ → α je povezana s zmanjšanjem gostote jekla. Vzrok je sprememba kristalne zgradbe. Če je ta premena le lokalna, je premenjen material komprimiran, v okoliškem nepremenjenem materialu pa se kot posledica tega pojavijo natezne zaostale napetosti.

395 npr napetostna korozija 396 hladna pokljivost, vroča pokljivost, pokljivost pri pogrevanju, lamelarno trganje (vsaka od teh pokljivosti

znižuje trdnost zvarov, zato te pojave obravnavamo kot varivostne probleme) 397 skupne napetosti so seštevek napetosti zaradi zunanjih obremenitev in varilnih zaostalih napetosti 398 Varilne zaostale napetosti so ponekod tlačne, kar je ugodno za trdnost zvarov pri cikličnih obremenitvah.

To koristimo pri površinskem utrjanju zvarov s postopki "shot peening" in "hammer peening" (na površini so zaradi lokalne plastične deformacije materiala tlačne zaostale napetosti, ki povečajo dinamično trdnost površinskega sloja, kar je posebno pomembno pri upogibnih cikličnih obremenitvah).

92

Raven varilnih zaostalih napetosti, ki vplivajo na trdnost zvarov, je mogoče kontrolirati399. Po varjenju je mogoče z raznimi toplotnimi400 in mehanskimi postopki401 zaostale napetosti precej znižati, popolnoma pa nikoli.

6.2 Neposredni vplivi varjenja

Pri varjenju polimorfnih kovin je tam, kjer je bila temperatura dovolj visoka, da je material prekristaliziran, mikrostruktura po varjenju drugačna od mikrostrukture osnovnega materiala. Brez izjeme velja to za var in TVP. Med varjenjem se lahko v določenih primerih mikrostruktura bistveno spremeni tudi zunaj klasičnega TVP402. Prav zaradi sprememb mikrostrukture, ki niso posledica premene, poznamo TVP tudi pri varjenju kovin, ki niso polimorfne403.

1. Var, ki pri talilnem varjenju z uporabo dodajnega materiala nastane s strjevanjem taline v zvarni kopeli, ima drugačno kemično sestavo od osnovnega materiala (slika 5.8). Var, ki nastane s strjevanjem taline v zvarni kopeli pri varjenju brez dodajnega materiala, ima v principu isto kemično sestavo kot osnovni material.

Zaradi hitrega odvajanja toplote iz zvarne kopeli poteka pri talilnem varjenju strjevanje taline pod posebnimi pogoji (sliki 5.12 in 5.13)404. Polimorfne kovine se med ohlajanjem tudi premenijo (slika 5.17). Zato je mikrostruktura materiala takšnih varov popolnoma drugačna od mikrostrukture osnovnih materialov.

Var, ki nastane z gnetenjem delov osnovnega materiala, zaradi visoke stopnje plastične deformacije405 med ohlajanjem ali rekristalizira in prekristalizira406 ali samo rekristalizira407. Tako je tudi mikrostruktura materiala takšnih varov popolnoma drugačna od mikrostrukture osnovnih materialov.

2. Po poreklu je material TVP osnovni material. Njuna kemična sestava je ista. TVP na polimorfnih kovinah je popolnoma ali delno prekristaliziran osnovni material408. Zato se mikrostruktura posameznih delov TVP razlikuje od mikrostrukture osnovnih materialov. V njem so drugačna tako zrna kot prisotne faze (poglavje 5.3).

Izoblikovana mikrostruktura je rezultat zelo hitrega segrevanja osnovnega materiala in nato nekoliko počasnejšega, vendar še zmeraj sorazmerno hitrega ohlajanja. Ta potek

399 pravilna izbira pozicije zvarov in njihove oblike, tehnike gradnje varov, vrstnega reda izdelave zvarov

(zaporedje sestave konstrukcijskih komponent) ter ustrezne tehnologija varjenja 400 napetostno žarjenje pa tudi normalizacija 401 npr za zaostale napetosti na makro ravni preobremenjevanje zvarov oziroma preobremenjevanje celotnih

varjenih konstrukcij, za varilne zaostale napetosti na mikro ravni pa mehansko vibriranje 402 pri ogljikovih jeklih je to področje, ki ni bilo segreto nad temperaturo Ac1 403 npr aluminijeve zlitine 404 Hitro ohlajanje zvarov je posledica

− sorazmerno majhnega deleža staljenega materiala v primerjavi s preostalo maso varjenih elementov (volumen zvarne kopeli je majhen)

− majhne specifične talilne toplote kovin (v talini ni uskladiščeno prav veliko toplote) − dobre toplotne prevodnosti kovin glede na ostale snovi, ki so v stiku z najbolj segretimi deli zvarov in

prispevajo k odvodu toplote pri varjenju (zrak, plini, ki služijo za zaščito pri varjenju itd) 405 stopnja plastične deformacije je pri spajanju z gnetenjem lokalno segretih delov materiala zelo velika 406 material vara prekristalizira takrat, ko gre za polimorfno kovino 407 material vara zgolj rekristalizira takrat, ko gre za kovino brez premene 408 kjerkoli je presežena temperatura Ac3 jekla je prekristalizacija popolna, med temperaturo Ac1 in Ac3 pa je

prekristalizacija delna

93

temperature pri varjenju imenujemo varilni cikel. V največji meri je mikrostruktura TVP odvisna od maksimalne temperature varilnega cikla in od hitrosti ohlajanja.

Če osnovni material ni polimorfen, material TVP ni prekristaliziran. V tem primeru gre v TVP za prisotnost istih faz kot v osnovnem materialu. Razlika med mikrostrukturo pa vseeno obstaja. Mikrostruktura TVP je praviloma bolj grobozrnata. Razen tega se lahko zaradi visoke temperature varilnega cikla kakšne obstoječe drobne faze raztopijo ali pa se kakšne faze, ki jih prej ni bilo, izločijo.

6.2.1 Toplotni vpliv varjenja enega varka

Mikrostruktura vsake polikristalne kovine, ki je podvržena določenemu toplotnemu vplivu, je odvisna od kemične sestave in izhodnega stanja ter od poteka temperaturnega vpliva oziroma od najnovejše termične zgodovine kovine. Isto velja tudi var in TVP.

Ogljikova konstrukcijska jekla izdelujejo po treh postopkih. To so normalizirana, poboljšana in termomehansko obdelana ogljikova konstrukcijska jekla. Valjajo in toplotno jih obdelajo na različne načine:

− Normalizirana ogljikova konstrukcijska jekla po vročem valjanju za kratek čas segrejejo tik nad temperaturo Ac3 in jih nato počasi ohladijo. Ta vrsta konstrukcijskih jekel ima zato feritno-perlitno mikrostrukturo. Delež perlita je odvisen od vsebnosti ogljika, mehanske lastnosti pa tudi.

− Poboljšana ogljikova konstrukcijska jekla po valjanju segrejejo nad temperaturo Ac3 za dovolj dolgo, da postane avstenit po vsej debelini homogen, nato pa jih kalijo in popustijo. Mikrostruktura teh vrst konstrukcijskih jekel je zato iz popuščenega martenzita z določenim deležem bainita. Delež bainita je odvisen od kemične sestave jekla in od debeline materiala409, mehanske lastnosti pa prav tako.

− Termomehansko obdelana ogljikova konstrukcijska jekla imajo zelo nizko vsebnost ogljika. Kontrolirano jih valjajo, nazadnje pri tako nizki temperaturi in s tolikšno stopnjo plastične deformacije, da z rekristalizacijo in primerno hitrim ohlajanjem zagotovijo izoblikovanje zelo drobnozrnate mikrostrukture. Ta vrsta konstrukcijskih jekel ima zato feritno-perlitno mikrostrukturo z zelo majhnim deležem perlita, od katerega so odvisne mehanske lastnosti.

Različni učinki toplotnega vpliva pri varjenju so dobro vidni na dveh metalografskih posnetkih, ki sta na sliki 6.1. To sta dva prečna prereza enovarkovnih zvarov pri varjenju istega jekla. Pri obeh je uporabljen isti dodajni material, vnosa toplote pa sta različna. Kemični sestavi obeh varov sta različni, saj stopnji namešanosti dodajnega in osnovnega materiala zaradi različnih vnosov toplote nista enaki. Na obeh metalografskih posnetkih sta označeni meji med varom in TVP410 ter približni položaj meje med TVP in nespremenjenim osnovnim materialom411.

Pri zvarih v varjenem stanju je najnovejša termična zgodovina celotnega zvara posledica varjenja, oziroma vnešene toplote pri varjenju, pri čemer sta pomembni tudi temperatura varjenega materiala in oblika spoja (slika 5.5)412.

409 vsa ogljikova jekla so slabo prekaljiva (debelina materiala vpliva na dosegljivo hitrost ohlajanja pri kaljenju,

zato je v praksi odločilna za delež martenzita v poboljšanih konstrukcijskih jeklih) 410 to je črta taljenja 411 pri ogljikovih konstrukcijskih jeklih mejo med TVP in nespremenjenim osnovnim materialom predstavlja

doseg maksimalne temperature varilnega cikla do temperature Ac1 412 tu gre za število varjenih elementov in njihovo debelino

94

var TVP OM

var TVP OM

a zvar narejen z določenim vnosom toplote; b zvar narejen z vnosom toplote, ki je večji kot pri zvaru na sliki a

Slika 6.1: Zrnatost enovarkovnega zvara pri varjenju z različnima vnosoma toplote

Ob črti taljenja je grobozrnati del TVP. Rast poligonalnih zrn v tem delu TVP je posledica povečane difuzije gradnikov kristalov pri najvišjih temperaturah varilnega cikla. Ko kristali rastejo, znižujejo svojo energijsko raven413. Če je kovina dalj časa močno segreta, so zrna večja. Varjena kovina je dolgo segreta, ko varimo z velikimi vnosi toplote414.

Pri nekaterih kovinah je rast zrn ob črti taljenja posebno hitra415. Hitrost rasti zrn lahko izdatno ovirajo drobni, fino dispergiranimi izločki, ki se raztopijo šele pri zelo visokih temperaturah, ali vključki, ki se do tališča kovine sploh ne raztopijo. Ti drobni delci znotraj zrn se zoperstavljajo spremembi položaja kristalnih mej. Za njihovo prisotnost poskrbijo proizvajalci osnovnega materiala416.

Kovina, pri kateri med varjenjem zrna manj zrastejo, je bolje variva kot tista, pri kateri zrna bolj zrastejo417. Porabniki konstrukcijskih kovin, ki so usposobljeni za gradnjo najzahtevnejših varjenih konstrukcij in strojev, dobro poznajo prednosti konstrukcijskih materialov, ki so pri varjenju odporni proti rasti zrn. Zato je povpraševanje po takšnih materialih na trgu veliko. Te materiale je mogoče variti bistveno bolj ekonomično, saj se sme uporabljati večje vnose toplote418. Seveda so zaradi zahtevnejše proizvodnje ti

413 to je področje sekundarne rekristalizacije 414 količina dovedene toplote se odrazi tudi na količini staljenega materiala v zvarni kopeli oziroma na velikosti

prečnega prereza strjenega vara 415 npr čisti aluminij pa tudi njegove zlitine 416 za izdelavo takšnih konstrukcijskih materialov je potrebna posebna tehnologija 417 varivost materiala je lastnost, da ga je mogoče spajati z varjenjem, ter da imajo z varjenjem narejeni spoji

lastnosti, ki zagotavljajo zanesljivo in varno uporabo konstrukcij 418 Merilo za hitrost izdelave zvarov je količina staljenega materiala v enoti časa. Ta je odvisna od hitrosti

vnašanja toplote v material. Hitrost vnašanja toplote je moč (z močnejšimi varilnimi izvori je mogoče v enoti časa vnesti več toplote).

95

konstrukcijski materiali dražji. Proizvajalci takšnih kovin potrebuje vrhunske metalurge, v izdelavo pa vložijo več dela419.

Pri varjenju zvara na sliki 6.1a je bil vnos toplote manjši kot pri varjenju zvara na sliki 6.1b. Zato je TVP ožji, velikost zrn v grobozrnatem delu TVP pa manjša420. Razlika v količini vnešene toplote se odraža tudi na zrnatosti materiala vara. V varu, ki je narejen z večjim vnosom toplote, so zrna usmerjena, v tistem z manjšim vnosom toplote pa ne. Očitno sta bila v obeh zvarnih kopelih temperaturna gradienta pri kristalizaciji taline različna421.

Slika 6.2 prikazuje potek maksimalne temperature varilnega cikla in dvoje reprezentativnih lastnosti materiala preko celotnega enovarkovnega zvara, ki je narejen na nekem ogljikovem konstrukcijskem jeklu.

nevplivani OM var TVP

T

x

Tt

Ac1 Ac3

a

b

c HV

CVN

DM1 DM2 DM3 DM3 DM2 DM1

finozrnati normalizirani del TVP grobozrnati del TVPdelno prekristalizirani del TVP prekristalizirani del TVP

x a potek maksimalne temperature varilnega cikla; b prerez zvara in varjenega materiala; c trdota (HV) in žilavost (CVN) zvara in varjenih elementov pri treh različnih sestavah vara

Slika 6.2: Lastnosti enovarkovnega zvara

Posledica izoblikovanja različnih mikrostruktur pri varjenju so različne lastnosti posameznih delov zvarov. Na sliki 6.2c je vzdolž označene črte na sliki 6.2b prikazan potek trdote in žilavosti materiala. Meja tečenja ter statična trdnost materiala sta v vsaki točki sorazmerni s trdoto. Žilavost materiala, ki je merilo stopnje varnosti uporabe varjenih izdelkov, v katerih so prisotne tudi napake, je navadno obratno sorazmerna s trdoto materiala. Mehanske lastnosti vara in TVP so odvisne od dejanske kemične sestave enega in drugega ter od hitrosti ohlajanja, pri posameznih delih TVP pa je pomembna tudi maksimalna temperatura varilnega cikla.

419 cena vsakega blaga je posledica razmerja med njegovo ponudbo in povpraševanjem 420 na sliki je oboje približno v razmerju 3:2 421 pogoji za različne načine kristalizacije taline v zvarni kopeli so prikazani na sliki 5.13

96

Trdota in žilavost vara na sliki 6.2 ustrezata trem dodajnim materialom (DM1, DM2 in DM3), pri čemer prvi vsebuje več ogljika od drugega, ta pa od tretjega. Ker gre za enake vnose toplote pri varjenju, je stopnja namešanja vsakokrat enaka. Vsebnost ogljika v varu je tako odvisna samo od kemične sestave dodajnega materiala.

Kemična sestava TVP je identična s kemično sestavo varjenega jekla422. Za potek trdote in žilavosti je pomembna maksimalna temperatura varilnega cikla in hitrost ohlajanja. Na sliki 6.2a vidimo, da je maksimalna temperatura odvisna od oddaljenosti od črte taljenja. Najvišja je tik ob črti taljenja, nato pa se znižuje:

− Trdota TVP je največja v grobozrnatem delu TVP tik ob varu, z oddaljenostjo od črte taljenja pa se zmanjšuje. V finozrnatem delu TVP je manjša, v delu, ki je samo prekristaliziran pa se v določenih primerih poveča, v določenih pa zmanjša. V delno prekristaliziranemu delu TVP se trdota zmanjšuje, dokler se pri maksimalni temperaturi okoli temperature Ac1 ne izenači s trdoto osnovnega materiala.

− Žilavost TVP je najmanjša v grobozrnatem delu TVP. V finozrnatem delu TVP je žilavost znatno večja. V prekristaliziranemu delu TVP je žilavost v določenih primerih manjša kot v "normaliziranemu", v določenih primerih pa večja. Zanesljivo je večja od žilavosti grobozrnatega dela TVP. V delno prekristaliziranemu delu TVP se žilavost povečuje skladno z deležem neavstenitiziranega materiala.

Tp, °C

HB

TVP na jeklu Nionicral 70 Δt8/5 ≅ 10 s

OM

TVP na jeklu Nionicral 70 Δ t 8/5 ≅ 10 s T = − 40°C

CVN

OM

T p , °C

J

a b

a trdota TVP po Brinellu - HB; b udarna žilavost TVP - CVN

Slika 6.3: Trdota in žilavost enovarkovnega TVP v odvisnosti od maksimalne temperature varilnega cikla

Podrobneje poglejmo izmerjene lastnosti enovarkovnega TVP pri varjenju visoko trdnega ogljikovega konstrukcijskega jekla Nionicral 70423.

Na sliki 6.3 sta prikazani trdota in žilavost TVP zvara na tem jeklu pri ohlajanja s časom Δt8/5 ≅ 10 s. Obe lastnosti sta odvisni od maksimalne temperature varilnega cikla Tp oziroma od oddaljenosti od črte taljenja. Da gre pri varjenju z različnimi vnosi toplote za isto maksimalno temperaturo varilnega cikla na različnih oddaljenostih od črte taljenja, je shematsko prikazano na sliki 6.4a. Zaradi različnih vnosov toplote so tudi časi ∆t8/5 različni.

422 to velja za vse materiale, ne le za ogljikova konstrukcijska jekla 423 vzorci materiala delov TVP na sliki 6.3 in sliki 6.4b so bili izdelani s simulacijo termičnih razmer pri

enovarkovnem varjenju, medtem ko so bili vzorci na sliki 6.7b izdelani s simulacijo termičnih razmer pri dvovarkovnem varjenju

97

Na sliki 6.4a je položaj grobozrnatega dela TVP posebej poudarjen. Ta del TVP je zaradi večjih zrn bolj kaljiv kot finozrnati del TVP, zato je navadno to najtrši del zvara in tudi njegov najmanj žilavi del. Na sliki 6.4b vidimo, da je stopnja zakaljenosti grobozrnatega dela TVP odvisna od hitrosti ohlajanja oziroma od časa ∆t8/5. Varilni CCT diagram grobozrnatega dela TVP na jeklu Nionicral 70 je prikazan na sliki 5.7a.

Na sliki 6.4b je trdota največja pri časih Δt8/5 ≤ 7 − 8 s in sicer okoli 380 HV424. Ker gre za nizkoogljični martenzit je njegova trdota odvisna samo od vsebnosti ogljika (enačba 5.6). Podatki o žilavosti na sliki 6.3b ustrezajo testni temperaturi − 40°C. Pri višjih temperaturah bi bila žilavost tega dela TVP večja.

S primerjavo slik 5.7a in 6.4b ugotovimo, da je material grobozrnatega dela TVP na jeklu Nionicral 70 najbolj žilav, ko je v njem nekaj bainita425. To je takrat, ko je Δt8/5 ≅ 8 − 15 s. Trdota in udarna žilavost materiala tega dela TVP se pri naraščanju časa ∆t8/5 zmanjšujeta. Ko se začne pri času Δt8/5 ≅ 400 s iz avstenita izločati tudi ferit, se zmanjševanje trdote in žilavosti ustavi.

≅ 1500°C ≅ 700°C

∆t8/5

var TVP OM

var TVP OM

Tp

grobo zrno

HVOM

CVNOM CVN J

0

102

HV

CVN

400

HV10

300

200

Grobozrnati del TVP na jeklu Nionicral 70

T = − 40°C

101 1032

200

100

Δt8/5, s a b

a shematski prikaz širine celotnega TVP in njegovega grobozrnatega dela v odvisnosti od vnešene toplote pri varjenju oziroma od časa ∆t8/5; b trdota HV in udarna žilavost CVN grobozrnatega dela enovarkovnega TVP

Slika 6.4: Lastnosti grobozrnatega dela TVP enovarkovnih zvarov v odvisnosti od časa ∆t8/5

Na sliki 6.3a in 6.3b ter na sliki 6.4b lahko trdoto in žilavost enovarkovnega TVP primerjamo z izhodno trdoto in žilavostjo z varjenjem nespremenjenega osnovnega materiala Nionicral 70. Ta ima trdoto okoli 245 HV in udarno žilavost 170 J pri − 40°C. Ugotovimo sledeče:

1. Trdota in žilavost materiala grobozrnatega dela TVP, kjer je bila maksimalna temperatura varilnega cikla blizu temperature tališča jekla, sta odvisni od hitrosti ohlajanja. Ko ni več pogojev za nastanek martenzita, prične trdota padati. Pri času ∆t8/5 = 400 s trdota tega dela TVP še ne doseže trdote osnovnega materiala, se mu pa precej približa. Žilavost raste do Δt8/5 = 7 − 8 s, doseže maksimum v območju 8 − 15 s, nato pa upada. V najboljšem primeru doseže le četrtino žilavosti osnovnega materiala.

424 Trdota na sliki 6.3a je izmerjena po Brinellu (HB) s sorazmerno veliko kroglico in pri veliki obremenitvi.

Ker so bile meritve trdote narejene na vzorcih s simulirano mikrostrukturo TVP, ki niso prav veliki, so odstopanja od vrednosti, ki so izmerjena po Vickersu (HV), razumljiva. Podatki dobljeni z vtiskovanje Vickersove piramide pri sili 98,1 N (HV10) na sliki 6.4b so vsekakor bolj reprezentativni.

425 bainit je mehkejša faza od martenzita

98

2. Material finozrnatega dela TVP z najbolj drobnozrnato in stabilno mikrostrukturo, je manj trd in nekoliko bolj žilav od materiala grobozrnatega dela TVP. Oboje pa še zdaleč ni blizu trdoti in žilavosti izhodnega osnovnega materiala. Na sliki 6.3 to vidimo za čas ∆t8/5 ≅ 10 s. V tem delu TVP maksimalna temperatura varilnega cikla dovolj dolgo znatno presega temperaturo Ac3 jekla, da avstenit postane homogen, medtem ko pa zrna ne rastejo. Temperaturne razmere so podobne razmeram pri normalizaciji jekel, čeprav pri varjenju nikoli ne gre za posebno počasno ohlajanje426. Vseeno je upravičeno pričakovati v finozrnatem delu TVP boljšo žilavost kot v grobozrnatemu delu, če že ne zaradi manjše trdote, pa zaradi bolj drobnega zrna.

3. Trdota prekristaliziranega dela TVP, kjer maksimalna temperatura varilnega cikla malo preseže temperaturo Ac3 jekla, je navadno nižja, kot trdota "normaliziranega" dela TVP, ni pa to nujno. Pričakovati je sicer manjšo žilavost, vendar s podatki na sliki 6.3 tega ni mogoče potrditi.

4. V delno prekristaliziranemu delu TVP je maksimalna temperatura varilnega cikla med temperaturo Ac1 in Ac3. Med varilnim ciklom je tako avstenitiziran le delež osnovnega materiala427. Pri ohlajanju se v odvisnosti od časa ∆t8/5 in vsebnosti ogljika v avstenitiziranemu delu materiala lahko ta bolj ali manj zakali. Zaradi večje vsebnosti ogljika avstenitiziranega dela materiala je trdota tega dela TVP večja od trdote prekristaliziranega dela TVP428. V neavstenitiziranemu delu materiala so temperaturne razmere nekaj časa ugodne za popuščanje obstoječega martenzita429. Prav učinek popuščanja je pri varjenju poboljšanih konstrukcijskih jekel pogosto vzrok za manjšo trdoto in večjo žilavost delno prekristaliziranega dela TVP430.

6.2.2 Toplotni vplivi varjenja več varkov

Pri večvarkovnem varjenju je vpliv varjenja vsakega sledečega varka na material enak kot vpliv varjenja enega samega varka pri enovarkovnem varjenju. Vendar pa so pri večvarkovnem varjenju geometrijske razmere in material, na katerega deluje varilni cikel, nekoliko drugačni. Vpliva sledečih varkov ne opazimo samo na osnovnem materialu, ampak tudi na predhodnih varkih in na delih TVP predhodnih varkov (slika 5.2a)431.

426 Kaže, da se zelo velik delež materiala v finozrnatem delu TVP pri ohlajanju s časom ∆t8/5 ≅ 10 s zakali.

Dokaz tega je potek druge ohlajevalne krivulje na CCT diagramu s slike 5.7b. Trdota vzorca z martenzitno-bainitno mikrostrukturo je 347 HV. Tretja ohlajevalna krivulja na istem CCT diagramu je povezana z nastankom bainitne mikrostrukture. Trdota tega vzorca je le še 322 HV.

427 To je delež materiala, v katerih poteče reakcija α + Fe3C → γ (ta reakcija se začne pri temperaturi Ac1). Obseg prekristaliziranega deleža materiala je odvisen od maksimalne temperature varilnega cikla (pri temperaturi Tp = Ac1 je prekristalizirani delež materiala praktično nič, pri Tp = Ac3 pa skoraj 1)

428 avstenitizira se samo tisti del mikrostrukture, kjer je vsebnost ogljika večja od povprečja (kaljivost je odvisna od vsebnosti ogljika v jeklu)

429 Jeklo, na katerem so narejene simulacije varjenja s podatki na slikah 6.3 in 6.4b, je poboljšano konstrukcijsko jeklo. Ima mikrostrukturo bainita in popuščenega martenzita (temperatura popuščanja poboljšanih jekel je nižja od temperature Ac1)

430 pri varjenju normaliziranih feritno-perlitnih jekel je drugače 431 Na sliki 5.3a je prikazan makro obrus večvarkovnega soležnega zvara. Povsod, kjer je med varjenjem

temperatura presegla temperaturo Ac1, se je predhodna mikrostruktura spremenila. Posebno pomembni področji toplotnega vpliva vseh sledečih varkov sta: − grobozrnati del TVP predhodnih varkov (zrna lahko še rastejo, pa tudi prekaljivost grobozrnatega

materiala je večja, zaradi česar je v tem delu TVP možna prisotnost avstenitno-martenzitnih faz) − predhodni varki z dendritsko strukturo, ki so anizotropni (del materiala je zaradi najnovejšega

varilnega cikla prekristaliziran, anizotropnost lastnosti pa v tem delu varkov po večini izgine)

99

Lastnosti materiala, ki je med varjenjem sledečih varkov ponovno segret nad določeno temperaturo432, so odvisne od njegove kemične sestave in izhodnega stanja ter seveda od najnovejše termične zgodovine. Najnovejšo termično zgodovino pa predstavlja prav varjenje zadnjega vplivnega varka433.

Pri varjenju se zvari dokaj hitro ohladijo434. Zaradi tega sta pri ogljikovih konstrukcijskih jeklih tako var kot večji del TVP do neke mere zakaljeni jekli. Stopnja zakalitve je odvisna od vsebnosti ogljika ter od prekaljivosti materiala vara in osnovnega materiala435.

Katere faze obstajajo v zvarih, ki so toplotno vplivani z varjenjem naslednjih varkov, ter trdota in žilavost materiala posameznih področij teh zvarov436 je odvisno od:

− maksimalne temperature varilnega cikla Tp2

− časa ohlajanja Δt8/5437

Na sliki 6.5 je prikazan prerez trivarkovnega zvara, katerega termična zgodovina je odvisna od parametrov varjenja in od načina gradnje vara.

vpliv v TVP

vpliv v varu

Ac1 Tt

1. varek

2. varek

3. varek

TVP

Slika 6.5: Večvarkovni zvar s področji različnih toplotnih vplivov

Vsi trije varki so narejeni z različnimi vnosi toplote. To se odraža na njihovih presekih438. Oba temenska varka sta namešana tudi z materialom prejšnjega varka, ne samo z osnovnim materialom439. Pri varjenju večjega od temenskih varkov (drugi varek) je bil vnos toplote večji kot pri varjenju manjšega (tretji varek). To se pozna tako na trdoti kot na žilavosti materiala varkov:

− Drugi varek je zaradi največjega vnosa toplote in zato najbolj počasnega ohlajanja najmehkejši, sledita pa mu prvi varek in nato tretji440.

− Žilavost drugega varka je iz istih razlogov največja, temu pa sledi žilavost prvega varka, nato pa tretjega.

432 npr pri ogljikovih jeklih temperatura Ac1433 dotedanja termična zgodovina varjenja je zajeta v izhodnem stanju materiala prejšnjih varkov in TVP 434 časi ohlajanja ∆t8/5 so od nekaj sekund do nekaj deset sekund (izjema so nekateri varilni postopki kot npr

lasersko varjenje, varjenje z elektronskim snopom, varjenje pod žlindro itd) 435 Prekaljivost jekel je odvisna od legirnih elementov, predvsem Cr in Mo. Kemična sestava vara je odvisna

od deležev staljenega dodajnega in osnovnega materiala, kemična sestava TVP pa je identična kemični sestavi osnovnega materiala.

436 meja tečenja in trdota sta sorazmerni s trdoto, za žilavost in duktilnost pa velja obratno 437 Hitrost ohlajanja med gradnjo večvarkovnega vara je funkcija parametrov varjenja, debeline materiala in

trenutne oblike spoja 438 presek prvega varka je zmanjšan zaradi uvara sledečih dveh varkov 439 Zaradi vsakokrat drugačnih geometrijskih pogojev je vsak varek, kljub morebitnim enakim varilnim

parametrom, malo drugače namešan. Zato imajo posamezni varki različno kemično sestavo, tudi če so varilni parametri enaki. Sestava TVP je zmeraj enaka sestavi osnovnega materiala.

440 dodajni material je izbran po načelu, da je meja tečenja (trdota) izdelanega vara najmanj enaka osnovnemu materialu

100

Na sliki 6.6 je prikazan zvar s slike 6.5. Vzdolž označenih treh črt (1, 2 in 3) sta prikazana možna poteka trdote in žilavosti materiala. Kjerkoli v zvaru gre za isto mikrostrukturo, morata biti tudi trdota in žilavost enaki:

črta 2

črta 1

črta 3

HV

x črta 1 črta 2 črta 3

CVN

OM TVP 2.varek TVP OM 2.varek 1.varek 3.varek 2.varek TVP 3.varek

Slika 6.6: Mehanske lastnosti večvarkovnega zvara

1) Črta 1 seka nevplivani osnovni material ter enovarkovno TVP in var preko drugega varka, ki je v varjenem stanju441.

Tu gre za izrazito enovarkovni vpliv varjenja, saj se na tej črti toplotnih vplivov drugih dveh varkov ne opazi. Trdota osnovnega materiala je manjša od trdote TVP in vara, žilavost pa večja. Oba dela zvara sta vsaj nekoliko zakaljena. Tik ob črti taljenja je trdota TVP največja, žilavost pa najmanjša442.

Trdota vara ne presega največje trdote TVP, kar je dokaz, da je v varu manj ogljika kot v osnovnem materialu. Hitrost ohlajanjaje v varu in TVP je namreč enaka. V primeru, da bi bilo v varu ogljika prav toliko ali celo več kot v osnovnem materialu, bi bil prikazan potek trdote in žilavosti na sliki lahko posledica večje prekaljivosti osnovnega materiala. Zaradi večje legiranosti dodajnih materialov od osnovnih je tak primer v praksi malo verjeten443.

2) Črta 2 seka var preko vseh treh varkov in na prvem varku tudi tista dela materiala, ki sta bila pod vplivom varjenja obeh naslednjih varkov.

Trdota tretjega varka v varjenem stanju je zaradi najmanjšega vnosa toplote večja od trdote dela prvega varka v varjenem stanju, ta pa je iz istega razloga večja od trdote dela drugega varka, ki je tudi v varjenem stanju. Pri žilavosti je ravno obratno.

441 to pomeni, da zaradi varjenja sledečega varka mikrostruktura tega varka ni bila spremenjena 442 Osnovni material je izdelan pri optimalnih pogojih, kar za zvar ne velja. Maksimum trdote v TVP čisto ob

varu imenujemo trdotna konica. Trdotne konice je mogoče znižati s termično obdelavo zvarov po varjenju (napetostno žarjenje), pri katerem se globalne lastnosti zvarov ne spremenijo. Takšno termično obdelavo navadno koristimo za znižanje varilnih zaostalih napetosti (zvari v odžarjenem stanju niso več v varjenem stanju).

443 vsebnost ogljika v dodajnih materialih je navadno manjša kot v osnovnih (ker je potrebna v varu enaka ali večja trdnost kot v osnovnem materialu, proizvajalci dodajnih materialov to dosežejo z legirnimi elementi, ki jih v osnovnem materialu ni)

101

Drugače je na delih prvega varka, kjer je toplotni vpliv varjenje sledečih varkov spremenil prvotno mikrostrukturo. Del spremenjenega prvega varka je v celoti prekristaliziran, del pa le delno444.

Na strani drugega varka je trdota prvega varka zmanjšana, žilavost pa zvečana. Na strani tretjega varka je to obratno. Hitrost ohlajanja je pri varjenju drugega varka namreč manjša kot pri varjenju prvega varka, medtem ko je hitrost ohlajanja pri varjenju tretjega varka večja. Je pa hitrost ohlajanja pri varjenju tretjega varka večja kot pri varjenju drugega varka, zato lastnosti materiala v celoti in delno prekristaliziranega dela prvega varka niso enake.

3) Črta 3 seka drugi in tretji varek ter TVP ob prvem varku. TVP je na enem mestu posledica varjenja samo prvega varka, na dveh mestih pa prvega in sledečega varka, enkrat drugega, enkrat pa tretjega.

Najmanj trd in najbolj žilav je material drugega varka. Trdota in žilavost drugega in tretjega varka sta isti kot na črti 2. V enkrat in dvakrat vplivanem delu TVP prvega varka, sta trdota in žilavost tolikšni kot v TVP drugega varka na črti 1445. Trdota enovarkovnega TVP je na večji oddaljenosti od črte taljenja manjša kot tik ob njej (slika 6.3). Tik ob črti taljenja je enaka z obema dvovarkovnima trdotnima konicama. Potek žilavosti je nasproten poteku trdote.

Kjer je v toplotnem dosegu drugega in tretjega varka maksimalna temperatura varilnih ciklov presegla temperaturo Ac3, je izoblikovana mikrostruktura TVP posledica varilnih parametrov teh dveh varkov446. Kjer pa je maksimalna temperatura dosegla temperaturni interval med temperaturo Ac3 in Ac1, je izoblikovana mikrostruktura malo odvisna tudi od parametrov varjenja prvega varka.

Podrobneje si oglejmo lastnosti dvovarkovnega TVP tik ob črti varjenja na jeklu Nionicral 70. Da gre pri dosegu maksimalne temperature varilnega cikla sledečih varkov za različne oddaljenosti od črte taljenja varkov je shematsko prikazano na sliki 6.7a.

Na sliki 6.7b sta prikazani trdota in udarna žilavost dvovarkovnega dela TVP ob črti taljenja povsod tam, kjer se je zaradi varjenja sledečega varka spremenila mikrostruktura. Merilo oddaljenosti posameznih točk dvovarkovnega TVP od črte taljenja sledečega varka je maksimalna temperatura varilnega cikla Tp2. Trdoto in žilavost materiala dvovarkovnih TVP je mogoče primerjati z materialom izhodnih grobozrnatih enovarkovnih TVP:

− Pri maksimalni temperaturi Tp2 ≅ 780°C je žilavost materiala prej enovarkovnega grobozrnatega dela TVP zvečana, trdota pa zmanjšana. Grobozrnati material se je segrel med temperaturo Ac1 in Ac3 in je zato delno prekristaliziran. Očitno je vpliv popuščenega deleža materiala z manj ogljika večji od vpliva prekristaliziranega deleža materiala z več ogljika.

− Pri maksimalni temperaturi Tp2 ≅ 960°C sta trdota in žilavost materiala prej enovarkovnega grobozrnatega dela TVP enaki kot prej. Čeprav je ta temperatura višja od temperature Ac3, grobozrnati material očitno ni "normaliziran", ampak je samo

444 v celoti je prekristaliziran tisti del prvega varka, kjer je temperatura presegla temperaturo Ac3, delno pa tisti

del, kjer je bila med temperaturo Ac1 in Ac3 (prvi varek v varjenem stanju lahko ima dendritsko strukturo) 445 Trdota grobozrnatega dela TVP ni odvisna od velikosti zrn. Bolj pomembna je vsebnost ogljika in stopnja

zakalitve. Očitno je grobozrnati del TVP drugega in tretjega varka na sliki 6.6 enako trd kot grobozrnati del TVP prvega varka (pomeni, da gre v vseh treh primerih za martenzitno mikrostrukturo, saj hitrost ohlajanja pri varjenju teh varkov ni enaka).

446 najnovejšo termično zgodovino materiala dvovarkovnega TVP predstavlja vpliv varjenja obeh sledečih varkov

102

prekristaliziran. Slaba žilavost je posledica heterogenosti sestave materiala tega dela TVP. V času trajanja maksimalne temperature varilnega cikla se koncentracija ogljika in ostalih legirnih elementov še ni mogla izenačiti.

− O "normalizaciji" materiala enovarkovnega grobozrnatega dela TVP lahko govorimo pri doseženi maksimalni temperaturi Tp2 ≅ 1100°C. Žilavost grobozrnatega materiala je izboljšana, trdota pa malo zmanjšana. To je torej na jeklu Nionicral 70 finozrnati del dvovarkovnega TVP ob črti taljenja.

− Pri maksimalni temperaturi Tp2 ≥ 1350°C je žilavost materiala prej enovarkovnega grobozrnatega dela TVP še nekoliko manjša. Večje spremembe pri trdoti ni bilo mogoče opaziti.

Tp2

2. varek

grobo zrno enovarkovnega TVP

meja TVP 1. varka

meja TVP 2. varka

1. varek

OM

≅1500°C

≅700°C

enovarkovni grobozrnati del TVP

CVN J

0

400 HV10

300

200

200

100

Τp2, °C

TVP ob črti taljenja na jeklu Nionicral 70 ∆t8/5 ≅ 10 s T = − 40°C

HV

CVN

300 500 1100900700 1300

a b a shematski prikaz dosega maksimalne temperature varilnega cikla sledečega varka na TVP predhodnega; b trdota HV in udarna žilavost CVN dvovarkovnega dela TVP tik ob črti taljenja

Slika 6.7: Področje dvovarkovnega dela TVP ob črti taljenja in njegove lastnosti

6.2.3 Toplotni vpliv varjenja, ki ne preseže temperature Ac1

Spremembo mikrostrukture zvarov in varjenih materialov opazimo tudi pri maksimalni temperaturi varilnih ciklov pod temperaturo Ac1. Takrat jeklo niti delno ni avstenitizirano. Če je jeklo v prav posebnem stanju pa je vseeno možna sprememba mikrostrukture.

Stanje jekla je funkcija pogojev pri izoblikovanju njegove mikrostrukture. Zaradi dokaj hitrega ohlajanja, ki je povezano z načinom izdelovanja zvarov, so vari in TVP navadno v nekakšnem poboljšanem stanju447. V poboljšanem stanju so pred varjenjem tudi vsa poboljšana jekla448.

Lastnosti materiala zvarov v varjenem stanju so odvisne od stopnje zakalitve in stopnje popuščenosti jekla. Pri varjenju poboljšanih jekel pa se dodatnemu popuščanju osnovnega materiala ni mogoče izogniti449.

447 Zaradi sorazmerno hitrega ohlajanja pri varjenju sta materiala vara in TVP do določene stopnje zakaljena.

Zaradi značilne oblike varilnega cikla je med ohlajanjem zvarov upadanje temperature pri nižjih temperaturah bolj počasno (slika 5.4). Čas trajanja temperature, ki omogoča popuščanje martenzita v zakaljenih delih zvara, je kar dolg. Na koncu varilnega cikla je zato malo prej nastali martenzit že nekoliko popuščen. To poznamo kot samopopuščanje jekel. Zato rečemo, da so zvari v "poboljšanem stanju".

448 ena vrste konstrukcijskih jekel je narejena s poboljšanjem (včasih varimo tudi druga poboljšana jekla) 449 pojav prostorsko omejenega popuščanja pri varjenju poboljšanih konstrukcijskih in orodnih jekel je znan kot

nastanek mehkega žepa (njegov obstoj je pomemben za trdnost zvarov in nosilnost varjenih konstrukcij)

103

Na sliki 6.8 je na primeru dvovarkovnega zvara prikazan doseg maksimalne temperature varilnega cikla nad 300°C na tistih delih zvara, ki so bili pred varjenjem drugega varka v "zakaljenem" oziroma v "poboljšanem" stanju. Trdota martenzita ali otočkov martenzita, ki so bili posledica kaljenja pri varjenju prvega varka, se na teh mestih zmanjša, žilavost materiala kot celote pa se zveča450.

OM (C jeklo)

prekristalizirani del TVP (b)

prekristalizirani del 1. varka (e)

“poboljšani” del 1. varka (g)

popuščeni del 1. varka (f)

“poboljšani” del TVP (d)

popuščen del TVP (c)

T = Ac1 T = 300°C

povzročitelj varilnega cikla

A-A’ B-B’

HV

prerez A-A’ prerez B-B’

a b c d a e f g

2. varek (a)

Slika 6.8: Doseg varilnega cikla z maksimalno temperaturo 300°C in njegov vpliv na trdoto

pri dvovarkovnem varjenju ogljikovih jekel

Iz poteka trdote v prerezu A-A' vidimo naslednje:

1. Trdota področja drugega varka, ki je označeno s črko a, je odvisna od kemične sestave varka in od hitrosti ohlajanja pri varjenju tega varka.

2. Trdota področja prekristaliziranega dela TVP prvega varka, ki je označeno s črko b, je odvisna od kemične sestave osnovnega materiala in od hitrosti ohlajanja pri varjenju drugega varka, nekoliko pa tudi od izhodnega stanja TVP, ki je posledica varjenja prvega varka.

3. Trdota področja popuščenega dela TVP prvega varka, ki je označeno s črko c, je odvisna predvsem od stopnje zakalitve TVP in od časa trajanja temperature nad 300°C pri varjenju drugega varka.

4. Trdota področja skoraj nespremenjenega dela TVP prvega varka, ki je označeno s črko d, je odvisna od kemične sestave osnovnega materiala in od hitrosti ohlajanja med varjenjem prvega varka. To področje zvara se pri varjenju drugega varka ni segrelo nad temperaturo 300°C.

450 učinek popuščanja je tem večji, čim višja je maksimalna temperatura varilnega cikla na določenemu

predelu zvara in čim dlje tu najvišja temperatura traja (čas zadrževanja na najvišji temperaturi varilnega cikla je odvisen predvsem od količine vnešene toplote)

104

Iz poteka trdote v prerezu B-B' vidimo naslednje:

1. Trdota področja, ki je označeno z a, je ista kot v prerezu A-A'.

2. Trdota področja prekristaliziranega dela prvega varka, ki je označeno s črko e, je odvisna od kemične sestave prvega varka in hitrosti ohlajanja pri varjenju drugega varka.

3. Trdota področja popuščenega dela prvega varka, ki je označeno s črko f, je odvisna od predhodnega stanja vara in od časa trajanja temperature nad 300°C v času varjenja drugega varka.

4. Trdota področja z drugim varkom nevplivanega dela prvega varka, ki je označeno s črko g, je odvisna od kemične sestave in hitrosti ohlajanja pri varjenju prvega varka. To je področje s "poboljšanim" materialom TVP prvega varka.

Na sliki 6.9 je na primeru enovarkovnega zvara prikazan doseg maksimalne temperature varilnega cikla nad 300°C na poboljšano jeklo, ki je bilo pri izdelavi popuščeno na temperaturi 300°C. Trdota enega dela osnovnega materiala ob zvaru se zaradi popuščanja pri varjenju zmanjša, žilavost pa poveča451.

poboljšani OM (h)

T = Ac1

T = 300°C

TVP (j)

dodatno popuščeni OM (i)

C-C’

HV prerez C-C’

h i j k j i h

var (k)

povzročitelj varilnega cikla

Slika 6.9: Doseg varilnega cikla z maksimalno temperaturo 300°C in njegov vpliv na trdoto pri enovarkovnem varjenju poboljšanega jekla

Iz poteka trdote v prerezu C-C' vidimo sledeče:

1. Trdota področja poboljšanega osnovnega materiala, ki je označeno s črko h, je odvisna od kemične sestave osnovnega materiala in od paramerov pri poboljšanju. To sta hitrost ohlajanja pri kaljenju in višina temperature pri popuščanju jekla.

2. Trdota področja dodatno popuščenega osnovnega materiala, ki je označeno s črko i, je odvisna od izhodiščne trdote jekla, dosežene temperature varilnega cikla in časa trajanja temperature nad 300°C. Čas segretja nad 300°C je v glavnem funkcija količine vnešene toplote pri varjenju.

451 Trdnost poboljšanih konstrukcijskih jekel (isto velja tudi za mejo tečenja) je odvisna od vsebnosti ogljika v

jeklu, od hitrosti ohlajanja pri kaljenju (to je povezano z debelino materiala in kalilnim sredstvom) in od temperature popuščanja (višja kot je temperatura popuščanja, več se zmanjšata meja tečenja in trdnost zakaljenega jekla, za žilavost in duktilnost pa velja obratno). Zaradi popuščanja materiala ob zvarih, kjer maksimalna temperatura preseže temperaturo popuščanja osnovnega materiala, se lokalno trdnost zvarov zmanjša. Pojavi se namreč takoimenovani mehki žep. Posledično je zaradi tega manjša tudi nosilnost varjenih konstrukcij. Vpliv popuščanja materiala ob zvaru je tem večji, čim nižja je bila temperatura popuščanja pri izdelavi jekla in čim dlje je bil material ob zvaru med varjenjem segret nad temperaturo popuščanja osnovnega materiala).

105

3. Trdota področja prekristaliziranega dela osnovnega materiala oziroma TVP, ki je označeno s črko j, je odvisna od kemične sestave osnovnega materiala in od hitrosti ohlajanja pri varjenju452.

4. Trdota področja varka, ki je označeno s črko k, je odvisna od kemične sestave vara, kjer je dodajni material namešan tudi z osnovnim materialom, in od hitrosti ohlajanja pri varjenju.

6.3 Posredni vplivi varjenja

Konstrukcijske in strojne elemente je pogosto treba pred vgradnjo z varjenjem še primerno preoblikovati, saj proizvajalci konstrukcijskih materialov masovno izdelujejo svoje proizvode le v določenih oblikah in izmerah. Kadar je mogoče in dopustno, konstrukcijske elemente iz teh proizvodov oblikujemo na najbolj hiter, enostaven in poceni način.

V poštev pride lokalno izvedena plastična deformacija materiala. To je nereverzibilen pojav, zaradi katerega se konstrukcijski elementi po preoblikovanju ne morejo povrniti v prvotno obliko. Preoblikovane elemente zvarimo in iz tako pripravljenih komponent zgradimo konstrukcijo.

Za takšno vrsto predelave materiala so primerni le tisti materiali, ki imajo dovolj dobre konstrukcijske lastnosti453. Pri plastični deformaciji v hladnem se nekatere lastnosti lahko namreč močno poslabšajo. Stopnja poslabšanje konstrukcijskih lastnosti je sorazmerna s stopnjo hladne deformacije materiala454.

S hladnim plastičnim preoblikovanjem materiala od zahtevnejših konstrukcij izdelujemo cevovode in tlačne posode. Pri oblikovanju cilindrične lupine valja gre za takoimenovano uvijanje debele pločevine (slika 6.10).

d + εmax

− εmax r

x

Slika 6.10: Stopnja deformacije materiala pri uvijanju debele pločevine

Potrebna debelina plašča teh konstrukcij je odvisna od premera cevovoda ali tlačne posode, od tlaka v njih ter od meje tečenja materiala in predpisanega varnostnega faktorja455. Te

452 V grobozrnatem, finozrnatem, prekristaliziranem in delno prekristaliziranem delu TVP je trdota večja od

trdote osnovnega materiala. Največja je trdota tam, kjer se je material pri varjenju kalil z zelo visoke temperature. Razlog je zakalitev jekla v martenzit, ki pa za razliko od kaljenja pri proizvodnji jekla ni optimalno popuščen, ampak je le nekoliko samopopuščen.

453 tu gre predvsem za duktilnost in žilavost materiala 454 poslabšanje konstrukcijskih lastnosti materiala opazimo tam, kjer je material plastično deformiran, zunaj

tega območja pa ne 455 d = k(pD/2Rp) ; d je debelina stene, p tlak, D premer valja, Rp meja tečenja materiala, k pa faktor

varnosti

106

konstrukcije so lahko precej obremenjene, saj je napetostno polje dokaj enostavno, obremenitve pa navadno statične456. Zato je predpisani varnostni faktor lahko majhen.

Dokler so deformacije pri uvijanju debeline pločevine elastične (slika 6.9) je na sredini pločevine nevtralna črta, kjer material ni deformiran. Deformacija materiala (ε) in napetost (σ) sta odvisni le od krivinskega radija lupine r in oddaljenosti od nevtralne črte x.

16E;r2

.xε=σ=ε

Pri obremenitvi, ko napetost preseže mejo tečenja materiala, je na zunanjih delih pločevine celotna deformacija materiala vsota elastične in plastične komponente deformacije (slika 4.8). Kjerkoli je napetost presegla mejo tečenja materiala, se je material plastično trajno deformiral. Tehnično uporabne kovine, ki jih plastično deformiramo, pa se navadno med deformiranjem tudi utrjajo457.

Material z maksimalno stopnjo deformacije (εmax) se nahaja na obeh površinah uvitega elementa458.

264rdεmax .=

Vidimo, da se material pločevine pri uvijanju samo lokalno hladno deformira. Po odstranitvi sile za oblikovanje elementa je lokalizirana hladna deformacija materiala vzrok za spremenjeno obliko elementa in za obstoj zaostalih napetosti. Večji kot je obseg hladne deformacije pri uvijanju, manjši je krivinski radij lupine, raven zaostalih napetosti, ki se pojavijo zaradi uvijanja, pa je višja459.

V praksi imamo pri hladnem uvijanju redko opraviti s posebno velikimi plastičnimi deformacijami. Ponavadi gre za deformacije nekaj odstotkov in le redko 5% ali celo več460.

456 σc = pD/2d , σz = σc/2 ; σc je napetost v cirkularni smeri, σz pa vzdolžni smer 457 V mehaniki konstrukcijske materiale navadno obravnavamo kot idealno elastične − idealno plastične.

Takšni materiali se ne utrjajo, realni materiali pa se. Eden od načinov enostavnega in poceni izdelovanja bolj trdnih konstrukcijskih materialov je hladno deformiranje (primer tega so hladno valjani, vlečeni ali izstiskani izdelki iz aluminijevih zlitin). − Aluminijeve zlitine so tako deformabilne, da tudi obsežnejša hladna deformacija lastnosti materiala ne

poslabša toliko, da jih ne mogli več imeti za konstrukcijski material (tudi v deformiranem stanju imajo dobre konstrukcijske lastnost).

− Kristalna zrna aluminijevih pa tudi bakrovih zlitin so značilna po ploskovno centrirani kubični kristalni mreži. Takšna kristalna mreža omogoča dislokacijam lažje drsenje. Rezultat tega je zelo dobra duktilnost in žilavost kovine

− Razlog, da kovači jeklo segrejejo nad temperaturo Ac3 in ga vročega plastično preoblikujejo, je ploskovno centrirana kubična kristalna mreža avstenita (v hladnem tako obsežno preoblikovanje ne bi bilo mogoče, pa tudi potrebne sile za to bi bile prevelike).

458 To velja samo ob predpostavki, da se material enako vede pri tlaku in nategu. Takrat sta meji tečenja enaki (seveda se mora material, ki se deformacijsko utrja, v obeh primerih enako utrjati).

459 Zaostale napetosti zaradi uvijanja so na izbočeni ploskvi tlačne, na vbočeni pa natezne. Tako kot pri varilnih zaostalih napetostih, tudi za te napetosti ni potrebna zunanja obremenitev. Natezne napetosti so v ravnotežju s tlačnimi napetostmi. − Pri velikih tlačno obremenjenih posodah in cevovodih, ki se jih napetostno ne more odžariti, je na

zunanji površini takšno napetostno stanje koristno, saj so tu napetosti pri obremenitvi manjše). − Zaostale napetosti so v pomoč pri spremembi smeri razširjanja razpok iz napak v zvarih. Vzdolžne

razpoke zavijejo iz zvara in se zaustavijo v žilavem osnovnem materialu (posledice porušitve so manjše, sanacija varjene konstrukcije pa je lažja).

460 cilindrična lupina debeline 20 mm in premera 2 m, narejena s hladnim uvijanjem, je hladno deformirana za 1%, dva krat tako debela za 2% (če je pa premer le 1 m, je deformacija še zmeraj samo 4%)

107

Mikrostruktura kovin se zaradi hladne deformacije spremeni, saj ostanejo kristalna zrna trajno deformirana. Lastnosti deformiranih kovin so zaradi spremenjene mikrostrukture drugačne od lastnosti nedeformiranih. Energija deformiranih zrn je na račun opravljenega dela pri plastičnem deformiranju materiala zvečana461. Zaradi te energije so trdota in trdnost ter meja tečenja kovine povečani, duktilnost in žilavost pa zmanjšani, material kot tak pa v nekem posebnem stanju462.

6.3.1 Primarna rekristalizacija

Če hladno deformirano kovino segrejemo na rekristalizacijsko temperaturo, se po določenem času zgradijo popolnoma nova zrna z isto kristalno mrežo, kot so jo imela deformirana zrna. Ta pojav je posledica zvišane ravni notranje energije deformiranih zrn. V njih je uskladiščena določena količina deformacijske energije. S segretjem kovine se v zrnih difuzija gradnikov kristalov zveča in deformirana zrna si lahko z rekristalizacijo energijo znižajo.

Da je izgradnja novih zrn mogoča, morajo obstajati v deformiranem materialu za to določene kali. Hitrost rekristalizacije je odvisna od stopnje hladne deformacije, višine temperature in čistosti kovine. Lastnosti rekristalizirane kovine so drugačne, saj se pri rekristalizaciji spremeni mikrostruktura. Hladna deformacija in rekristalizacija ustvari teksturo, tako da rekristalizirana kovina ni več izotropna, kot je bila pred deformacijo.

Višina temperature primarne rekristalizacije TR je odvisna od tališča kovine Tt pa tudi od stopnje hladne deformacije kovine. Pri kovinah z visokim tališčem je višja, pri kovinah z nizkim tališčem pa nižja463.

36[K]v420 tRtR .T,TT,T ×=

Gostota kali za rekristalizacijo je odvisna od stopnje hladne deformacije materiala:

− pri relativno majhni stopnji hladne deformacije kovine kali ne obstojajo

− pri kritični stopnji hladne deformacije kovine (pri jeklih je to 5-8%) je gostota kali majhna

− pri nadkritični stopnji hladne deformacije kovine (pri jeklih je to nad 8%) je gostota kali velika

Kovinska zlitina s podkritično stopnjo hladne deformacije ima po rekristalizacijskem žarjenju skoraj nespremenjeno mikrostrukturo (slika 6.11, zgornja vrsta), kovinska zlitina s kritično stopnjo hladne deformacije ima grobozrnato mikrostrukturo (slika 6.11, srednja vrsta), kovinska zlitina, ki je bila deformirana z nadkritično stopnjo hladne deformacije, pa ima finozrnato mikrostrukturo (slika 6.11, spodnja vrsta)

Drobnozrnata kovina ima večjo trdnost in žilavost od grobozrnate kovine, tudi če so v njej prisotne iste faze464. Zato je za nosilnost in varnost uporabe varjenih konstrukcij pomembno ali se pri varjenju hladno oblikovanih elementov material ob zvarih lahko rekristalizira. Predvsem je pomembno, kje se lahko zaradi primarne rekristalizacije

461 Kristalna mreža kovine in posamezne faze se pri deformaciji ne spremenijo. Tudi elastični modul in

Poissonovo število kovine se ne spremenita (so pa izjeme, ko se pri hladni deformaciji faze spremenijo kot npr pri močno hladno deformiranem avstenitnem jeklu, ko se avstenit lahko premeni v martenzit).

462 tak material je v hladno deformiranem stanju 463 tako je temperatura rekristalizacije železa okoli 485°C, svinca pa vsga – 20°C 464 Napetost tečenja feritnih jekel raste sorazmerno z d−1/2 (Hall-Petcheva enačba, d je velikost zrna), kakšen

je vpliv velikosti zrna na žilavost pa že vemo.

108

izoblikuje grobozrnata in kje finozrnata mikrostruktura. Pri oblikovanju konstrukcijskih elementov je stopnja hladne deformacije na posameznih področjih praviloma različna465.

εp ≅ 1%

εp = 5 − 8%

εp >> 8%

a b c

a izhodna velikost zrn kovine; b oblika deformiranih zrn kovine po 1%, 5-8% in več kot 8% hladni deformaciji (stopnja deformacije je enaka stopnji zmanjšanja debeline); c velikost in oblika zrn po rekristlizacijskem žarjenju deformirane kovine

Slika 6.11: Vpliv stopnje hladne deformacije in rekristalizacijskega žarjenja na velikost zrn

Z rekristalizacijskim žarjenjem hladno deformirane kovine lahko v določenih primerih naredimo iz finozrnate kovine grobozrnato ali iz grobozrnate finozrnato kovino466. Material je treba primerno močno plastično deformirati in ga za določen čas segreti do temperature, kjer poteče rekristalizacija467.

Kot vemo, obseg plastične deformacija pri hladnem uvijanju plaščev cevovodov in tlačnih posod le redko preseže 5%. Zato zelo redko obstaja možnost, da bi pri napetostnem žarjenju tlačnih posod ponekod nastal material z grobozrnato mikrostrukturo. Ne smemo pa pozabiti hladno oblikovanih podnic tlačnih posod, ki so ponekod deformirane tudi precej več kot 20%468. Če so varjene posode med uporabo močno obremenjene, ali pa je ogroženost okolja pri izlivu vsebine posode velika, je treba podnice za tlačne posode oblikovati v vročem ali pa jih po hladni deformaciji normalizirati469.

V varilski praksi imamo kljub temu pogosto opravka z lokalno močno deformiranim materialom kot npr hladno oblikovanimi kotniki in na škarjah odrezani robovi. Tako oblikovane konstrukcijske elemente pogosto vgradimo z varjenjem brez kakršnekoli naknadne toplotne ali mehanske obdelave.

465 po celotnem preseku je lahko stopnja hladne deformacije enaka le pri valjanju in izstiskanju 466 velja le za tiste faze, ki so pri temperaturi rekristalizacije stabilne (npr pri feritno-perlitnih jeklih samo feritna

zna) 467 Večvarkovni zvari, ki jih izdelamo z velikimi vnosi toplote, so grobozrnati in imajo slabe lastnosti. Če jih

nadkritično hladno deformiramo na kovaški način, lahko pri varjenju sledečih varkov rekristalizirajo (izoblikuje se drobnozrnata mikrostruktura). Da material deformiranega vara lahko popolnoma rekristalizira, mora biti dovolj časa segret. Vnos toplote za rekristalizacijo prejšnjih varkov mora biti pri varjenju zato velik ali pa je treba zvare močno predgrevati.

468 torisferične podnice (te podnice so sferične, v toroidnem delu pa preidejo v cilindrično obliko) je dopustno na hladen način oblikovati le pri nezahtevnih tlačnih posodah (to so posode, ki so malo obremenjene, in kjer morebitni izliv vsebine posode ne ogroža okolja)

469 normaliziramo lahko tudi celotne varjene izdelke, ki so narejeni iz hladno deformiranih elementov (npr bombe za gospodinjski plin zvarijo iz dveh delov, ki sta pred tem hladno oblikovani, pri čemer gre skoraj za globoki vlek)

109

Pri gradnji varjenih konstrukcij je pogosto treba med sestavo konstrukcijskih elementov prisilno prilagoditi nekatere elemente, tako da se jih da natančno sestaviti in zvariti. Uporablja se močne mehanske ali hidravlične priprave470. Lokalno je lahko stopnja hladne deformacije v takšnih primerih zelo velika, zato pri varjenju konstrukcijskih komponent možnosti pojava primarne rekristalizacije ne smemo kar zanemariti.

6.3.2 Obstoj prenasičenih trdnih raztopin

Med nastajanjem talilnih zvarov je zvarna kopel v stiku z okoliškimi mediji471.

Topnost drugih snovi v kovinski talini je največja, ko je njena temperatura najvišja. Talina v zvarni kopeli vpija snovi, ki izvirajo iz osnovnega materiala472, zraka, zaščitnega plina, oplaščenja, stržena ali zaščitnega praška in tudi drugih snovi, ki so lahko prisotne pri samem varjenju473.

Najpomembnejši elementi za lastnosti kovine, ko se talina strdi, so dušik, kisik in vodik. Prva dva kemijska elementa sta sestavini zraka in lahko prideta v stik z zvarno kopeljo pri nezadostni zaščiti med izdelavo zvara, tretji pa je posledica prisotnosti vlage474 in vode475 ali organskih nečistoč476 pri varjenju. Vodik v zvarni kopeli je lahko celo posledica samega procesa varjenja477.

1. Kisik, ki pride v stik z zvarno kopeljo, tvori zaradi velike afinitete do drugih kemijskih elementov različne okside. Le neznatno malo kisika vstopi v trdno raztopino z železom. Oksidi imajo dokaj visoko tališče in so že v zvarni kopeli v trdnem agregatnem stanju. V varih so po strditvi prisotni kot večji in manjši vključki ter vplivajo predvsem na zmanjšanje žilavosti materiala varov.

Ogljik v talini reducira obstoječe kovinske okside. Pri reakciji se sprošča plin ogljikov monoksid (CO), ki med varjenjem izhaja iz taline478. Pri tem povzroča nemirnost zvarne kopeli. Nastanejo lahko plinskih vključki (pore), kakovost površine takšnih zvarov pa je zaradi nemirne površine zvarne kopeli slaba.

2. Dušik, ki ga vpije talina v zvarni kopeli, se kemično ne veže v spojine s prisotnimi kovinskimi atomi. Pri strjevanju dušik tvori z železom intersticijsko trdno raztopino. Raztopljen dušik je lahko pod določenimi pogoji kasneje vzrok za naravno ali umetno staranje jekla v varu.

3. Vodik v obloku je ponavadi rezultat disociacije vodne pare.

2H2O + Q1 → 2H2 + O2 ; H2 + Q2 → 2H

Sproščeni kisik se porabi pri reakcijah z drugimi kemičnimi elementi v talini in pri tem tvori okside, vodik pa preide v talino.

470 včasih se to dela na kovaški način 471 izjema so zvari, ki so narejeni v vakuumu (npr varjenje z elektronskim snopom) 472 te snovi so lahko vsebina plinskih por, izločkov itd 473 to so razna maziva, barve, korozijski produkti ipd 474 vlago vpije oplaščenje elektrode ali v varilni prašek, vlaga je lahko prisotna v zaščitnem plinu itd 475 tu gre za varjenje na omočeno osnovo in za podvodno varjenje 476 to so razna olja, škrob, saje ipd 477 npr pri varjenju z atomarnim vodikom in ročnem varjenju s celuloznimi elektrodami (celulozno je oplaščenje

elektrod) 478 Jeklo pomirjeno s silicijem, je dezoksidirano. Produkt dezoksidacije železovega oksida FeO je silicijev

dioksid SiO2, ki pa ne reagira z ogljikom. Tako redukcija železovega oksida v talini sploh ne poteka. Silicijev dioksid se veže v žlindro, ki izplava iz taline. Na ta način izdelujejo pomirjena jekla.

110

Staranje ogljikovih jekel in zvarov

Topnost ogljika in dušika v α-feritu je omejena. Z nižanjem temperature se topnost zmanjšuje479.

− Kadar je ohlajanje jekla po dokončani premeni pri temperaturi Ac1 dovolj počasno, se presežek topljenca postopoma izloča iz raztopine in se na določenih mestih veže na razpoložljive kemijske elemente, ki so prisotni v kristalih, ter tako tvori izločke480.

− Kadar je ohlajanje jekla po dokončani premeni prehitro za izločanje presežka topljenca, se ta ne more izločiti. Zato postaja topitelj vse bolj prenasičen s topljencem. Po dokončni ohladitvi je mikrostruktura takšnega jekla v nestabilnem stanju.

Pojav počasnega spontanega izločanja topljenca iz prenasičene trdne raztopine ferita, ki poteka pri sobni temperaturi, poznamo kot naravno staranje jekel. Gre za ti dve reakciji:

⎩⎨⎧

+→ 6.4NFeCFe

αα*4

3

Prvo je primer izločanja ogljika iz prenasičene trdne raztopine, drugo pa izločanje dušika iz prenasičene trdne raztopine. Z α* označimo, da gre za prenasičeno trdno raztopino ferita. Pri staranju se jeklo utrdi. Staranje je v inženirski praksi navadno nezaželen proces, saj se zaradi njega lastnosti kovine nekontrolirano spreminjajo. Seveda pa obstojajo tudi izjeme.

Zaradi majhne notranje energije kristalnih zrn jekla je sposobnost difuzije intersticijsko raztopljenih atomov pri sobni temperaturi majhna. Tvorba izločkov pri naravnem staranju je zato zelo počasna481. Izločeni delci so drobni, njihovo število v jeklu pa veliko.

1. Pri izločanju ogljika iz prenasičene α*-faze se tvori tercialni cementit (Fe3C). Ta se v feritu nalaga večinoma na kristalnih mejah, če pa je v mikrostrukturi prisoten tudi perlit, se cementit nalaga tudi na cementitnih lamelah.

2. Pri izločanje dušika iz prenasičene α*-faze se tvori železov nitrid (Fe4N). Ti izločki nastanejo znotraj kristalnih zrn in jekleno zlitino bistveno bolj utrdijo kot cementitni izločki, ki so povečini na kristalnih mejah.

Zaradi večje stopnje utrditve se pri staranju jekla z dušikom duktilnost in žilavost bistveno bolj zmanjšata, kot pri staranju z ogljikom482.

Če postarano jeklo segrejemo, se topnost kemijskih elementov, iz katerih so nastali izločki, poveča. Zato so pogoji, da se ti delci pri povišani temperaturi v kovinski matici spet raztopijo, vse bolj ugodni. Pri temperaturi normalizacije jekel se ti izločki popolnoma raztopljeni483. Normalizacijsko žarjenje je primerno za odpravo postaranosti jekel.

479 Pri ogljiku to velja za temperaturno območje pod temperaturo Ac1 (slika 5.14b), pri dušiku pa pod

temperaturo 590°C (železo je tu topitelj, ogljik oziroma dušik topljenec, vse skupaj pa je trdna raztopina) Kolikšna je topnost obeh legirnih elementov pri teh dveh temperaturah v feritu (α-železo) in pri sobni temperaturi je navedeno v tabeli 4.3

480 če gre za ogljik, je to železov karbid − Fe3C (cementit), če pa za dušik, železov nitrid − Fe4N 481 produkt kT je pri sobni temperaturi majhen, zato je sposobnost difuzije omejena (naravno staranje jekel z

dušikom zato poteka več deset let) 482 ker je maksimalna topnost dušika v feritu pet krat večja (0,1%) od maksimalne topnosti ogljika (0,02%), je

izločkov dušika v celoti lahko mnogo več kot izločkov ogljika (poleg tega se izločki dušika nahajajo na drsnih ravninah in je zato njegov vpliv na žilavost in duktilnost postarane kovine večji)

483 temperatura normalizacije je nekaj 10K nad temperaturo Ac3 jekla (temperatura Ac3 je odvisna od vsebnosti ogljika v jeklu)

111

Tvorba izločkov pri zmanjševanju topnosti različnih kemijskih elementov v trdnih raztopinah je koristen pojav pri proizvodnji nekaterih pomembnih vrst konstrukcijskih materialov. To si poglejmo na primeru visoko trdnih nizko legiranih ogljikovih konstrukcijskih jekel, kjer dobre lastnosti jekel dosežemo z zelo natančnim legiranjem z majhnimi količinami titana (Ti), niobija (Nb), vanadija (V) itd484. Če v talini ni teh kemijskih elementov ali aluminija (Al), se pri hitrem ohlajanju strjenega jekla presežek dušika ali ogljika v avstenitu kemično ne more vezati na te elemente in tako ostane v trdni raztopini. Kadar pa so navedeni elementi v talini prisotni, se iz trdne raztopine materiala vara, ko je avsteniten, izločijo drobne in fino dispergirane sekundarne faze njihovih karbidov, nitridov, karbonitridov itd. Koristi teh izločkov so različne:

1. visoka trdnost (jekla so izločilno utrjena)

2. boljša duktilnost in žilavost (zaradi fino dispergiranih delcev, ki služijo kot kali za premeno, se izoblikuje drobnozrnata mikrostruktura)

3. izboljšana varivost zaradi odpornosti proti rasti zrna (ko je jeklo tik ob varu močno segreto, zrna zaradi obstoječih izločkov, ki so ovira za rast zrna, rastejo počasneje)

Če prenasičeno trdno kovinsko raztopino pri nizki temperaturi (npr pri sobni temperaturi) plastično deformiramo, se zaradi opravljenega dela notranja energija kristalov zveča. Zaradi zvečane notranje energije kristalov se poveča nestabilnost teh kristalov Pri segrevanju, je zaradi nestabilnosti kristalov proces izločanja topljenca iz prenasičene trdne raztopine hitrejši. Ta pojav imenujemo umetno staranje485. Zelo duktilnim kovinam je na ta način mogoče izdatno povečati trdnost, saj sta njihovi duktilnost in žilavost lahko kljub deformaciji in staranju še zmeraj zelo dobri486.

Umetno staranje in normalizacija jekel omogočata, da se na primerno velikih vzorcih jekla, ki so zadostni za klasične mehanske teste, ugotovi, ali je jeklo odporno na staranje ali ne, in, ali so njegove slabe lastnosti posledica staranja ali ne487.

Za varno uporabo varjenih jeklenih konstrukcij je zelo pomembno ali obstaja kakršnakoli možnost, da bi se pri varjenju hladno oblikovanih elementov, jeklo ob zvarih staralo488. Izločilno utrjena jekla ima višjo trdnost od neutrjenih, zato pa tudi manjšo duktilnost in žilavost489. Na mestih umetnega staranja bi jeklo zaradi varjenja lahko postalo krhko.

Pri hladnem uvijanju cilindričnih lupin je plastična deformacija materiala redko 5%. Možnost umetnega staranja pri varjenju je pri takšnih varjenih izdelkih majhna. Pomembno pa je umetno staranje pri nekaterih bolj obsežno deformiranih konstrukcijskih elementih kot so npr hladno oblikovane podnice tlačnih posod, kadar so iz ogljikovih konstrukcijskih jekel. Te izdelke moramo zaradi možnosti staranja po oblikovanju praviloma še normalizirati.

484 ta jekla so mikrolegirana visoko trdna konstrukcijska jekla 485 pri ogljikovih jeklih povzročimo umetno staranje s hladno deformacijo 5 − 10% in segrevanjem za pol ure

na 200 − 300°C 486 npr nekatere aluminijeve zlitine proizvajalci izločilno utrdijo (pri varjenju takšnih zlitin se v TVP izločki, ki so

v osnovnem materialu vzrok za večjo trdnost, raztopijo, in kovina tam ni več utrjena) 487 gre za neko vrsto pogleda v prihodnost oziroma preteklost:

− če jeklo umetno postaramo, lahko primerjamo njegovo žilavost pred in po staranju (če po staranju ni spremembe na slabše, je jeklo obstojno na staranje)

− če jeklo z nizko žilavostjo normaliziramo, lahko primerjamo njegovo žilavost pred in po normalizaciji (če po normalizaciji ni spremembe na boljše, nizka žilavost ni bila posledica staranja)

488 gre za nezaželeno umetno staranje 489 staranje je vzrok za slabše konstrukcijske lastnosti jekel

112

Jekla, ki so odporna na staranje, ne vsebujejo veliko dušika, ki ni kemično vezan na druge elemente v jeklu. Samo dušik, ki je po premeni raztopljen v feritu, lahko ostane prisilno raztopljen in kot tak povzroči staranje jekel490.

Hladna pokljivost zvarov

Zvarna kopel lahko pri normalnem tlaku vpije nekaj 10 ml vodika na sto gramov železa491. Ko se talina strdi, je v 100 gramih avstenita lahko raztopljeno do 12 ml vodika492. Morebitni presežek vodika se pri kristalizaciji izloči iz taline in, če ne more pravočasno izplavati, ustvarja v varu pore.

Topnost vodika v avstenitnem varu se med ohlajanjem zmanjšuje. Tik pred začetkom premene γ → "α" (točka "αs"var)493 je topnost vodika v avstenitu okoli 6 ml na 100 g. Med premeno vara se topnost vodika v materialu vara hitro zmanjšuje, saj je ta vse manj avsteniten494. Tudi med nadaljnjim ohlajanjem po končani premeni materiala vara se topnost vodika v "α"-fazi zmanjšuje in zato ta postane z vodikom prenasičena trdna raztopina "α∗".

Zaradi spremenjene kristalne mreže je po premeni γ → "α" difuzivnost vodika v "feritu" znatno večja kot je bila pri isti temperaturi v avstenitu495.

Faktor PCM je merilo za višino temperature "Ac3" oziroma za Ms temperaturo ogljikovega jekla496. Večji kot je PCM jekla, nižja je Ms temperatura jekla497.

565B10V

15Mo

60Ni

20CrCuMn

30SiCPCM .++++

++++=

Kaj se zgodi z raztopljenim vodikom v prenasičeni "α∗"-fazi v varu je odvisno prav od PCM vara in osnovnega materiala. Na sliki 6.12 je prikazano, kaj se dogaja z vodikom, kadar je PCM osnovnega materiala večji od PCM vara498.

Večja difuzivnost vodika v "feritnem" varu omogoči njegov transport iz "α∗"-faze v obstoječo γ-fazo v TVP, kjer je topnost vodika večja. Ta kristalna oblika jekla se mora nahajati blizu prenasičene "α∗"-faze, saj difuzijski doseg vodika ni posebno velik. Pogoji za transport vodika iz materiala z "α∗"-faze v material z γ-fazo so najbolj ugodni na meji med varom in TVP499.

490 Na temu temelji tehnologija izdelovanja jekel, ki so obstojna proti staranju.

V talino se doda primerno količino aluminija, ki ima veliko afiniteto do dušika. Nastane aluminijev nitrid (AlN), v matici pa več ni dušika. Nastali drobni in fino dispergirani delci AlN pri premeni služijo kot kali za nastanek drobnozrnate mikrostrukture.

491 tudi več kot 30 ml (1 ml = 1cm3) 492 100 g železa ima volumen nekaj manj kot 13 cm3

493 ker je pri varjenju ohlajanje hitro se avstenit (γ-faza) ne premeni v ferit (α-faza), ampak v fazo, ki ima kristalno mrežo samo podobno feritu. To označimo kot "α"- faza (npr martenzit ali bainit)

494 ker gre za zlitino, v kateri se premena izvrši v nekem temperaturnem pasu, sprememba topnosti ni trenutna 495 večja gostota manjših vmesnih prostorov v kristalni mreži α-faze kot v kristalni mreži γ- faze je neugodna za

tvorbo intersticijske trdne raztopine, olajša pa difuzijo 496 višina temperature Ac3 in Ms je odvisna od kemične sestave jekla (predvsem od vsebnosti ogljika v jeklu) 497 Pri relativno počasnem ohlajanju se premena začne pri temperaturi Ac3. Če se zaradi hitrega ohlajanja

avstenit podhladi, pri Ms temperaturi nastane martenzit. Obe temperaturi sta odvisni od vsebnosti ogljika. 498 Ponavadi je v osnovnem materialu znatno več ogljika kot v dodajnem materialu. Zato je PCM osnovnega

materiala večji od dodajnega. Var nastane s taljenjem dodajnega in osnovnega materiala. Zato je v takšnem primeru PCM vara manjši osnovnega materiala.

499 tu gre za črto taljenja

113

Koncentracija vodika v avstenitnem TVP med potekom premene materiala vara γ → "α∗" namreč narašča, vse dokler se premena ne zaključi (točka "αf"var). Ko kasneje pri nadaljnjem ohlajanju zvara pride do premene γ → "α∗" tudi v materialu TVP (točka "αs"OM) in, ko se ta v TVP tudi dokonča (točka "αf"OM), je material TVP lahko z vodikom že zelo močno prenasičen. Za prisilno raztopljeni vodik v trdni raztopini materiala TVP, sta na razpolago samo dve možnosti:

1. Pravočasno zapustiti prenasičen material500. Ker je to mogoče le z difuzijo, je ugodno, da je temperatura zvara čim bolj dolgo visoka501.

2. Kopičiti se na napakah kristalov in med kristali, kjer je več praznega prostora kot v samih kristalih. Zbrani atomi med seboj kemično reagirajo in tvorijo molekule vodika. Zato se vodik tu nahaja v plinastem stanju.

nevplivani OM

TVP

T

talina γ γ + "α∗" var

TVP γ γ + "α" "α∗"

"α"

difuzijski tok vodika

OM

topnost vara

"α"svar

"α"sOM

razpoka

Ttvar

"α"fOM

Topnost

izoterme

1

2

3 4 5

1

2

3 4 5

topnost OM

"α"fvar

T

Topnost OM/var

a

b

c

"α"

a topnost vodika v jeklu na meji var-TVP v odvisnosti od temperature; b vzdolžni prerez zvara z nastajajočim varom in TVP; c razlika v topnosti vodika v TVP in v varu

Slika 6.12: Transport vodika iz strjenega vara v TVP in njegovo kopičenje med ohlajanjem vara, ko je PCM osnovnega materiala večji od vara

Hitrost difuzije vodika v kristalih je odvisna od prenasičenosti jekla z vodikom in od temperature jekla. Temperatura zvara se z ohlajanjem kaj kmalu zmanjša na temperaturo okolice. Difuzija se med ohlajanjem upočasnjuje, pa tudi prenasičenost jekla z vodikom se postopoma zmanjšuje. V napakah se zaradi stalnega priliva vodika tlak povečuje (enačba 3.20), vsaj dokler v kristalih, ki tvorijo TVP obstaja presežek raztopljenega vodika. To se

500 to je mogoče le na površini zvara 501 to se v varilski praksi uporablja kot pogrevanje zvarov

114

upočasnjuje, vendar proces traja še dolgo po tistem, ko se zvar že popolnoma ohladi. Zaradi naraščanja tlaka mehanska napetost okoli napak ves čas raste. Če je material TVP premalo žilav, ne more preprečiti nastanka razpoke zaradi nakopičenega vodika502. Material poči.

To vrsto pokljivosti zvarov imenujemo hladna ali vodikova oziroma zapoznela pokljivost zvarov503. Natezne varilne zaostale napetosti pospešijo nastanek razpok504. Na usmerjenost hladnih razpok v TVP vpliva smer varilnih zaostalih napetosti505.

Kje v zvaru pri določeni temperaturi jeklo še obstaja v avstenitni obliki (γ-faza) in kje ne more več obstajati (α*-faza), je odvisno od kemične sestave vara in osnovnega materiala (enačba 6.5).

Za razliko od razmer na sliki 6.12 je na sliki 6.13 prikazano, kaj se dogaja z vodikom, ki je raztopljen v talini zvarne kopeli, kadar je PCM vara večji od PCM osnovnega materiala506. V tem primeru se premena v materialu TVP (točka "αs"OM) začne prej kot premena v materialu vara (točka "αs"var).

Presežek vodika v varu, ki je posledica premene materiala vara γ → "α∗", tudi v tem primeru narašča vse dokler se premena ne zaključi (točka "αf"var). Vendar pa presežek vodika ne more z difuzijo zapustiti vara, saj nikjer v bližini ne obstoja jeklo, ki bi bilo v avstenitni obliki (γ-faza). Za prisilno raztopljeni vodik v trdni raztopini materiala vara, sta na razpolago samo dve možnosti:

1. Pravočasno zapustiti prenasičen material507. Ker je to mogoče le z difuzijo, je ugodno, da je temperatura zvara čim bolj dolgo visoka508.

2. Kopičiti se na napakah kristalov in med kristali, kjer je več praznega prostora kot v samih kristalih. Zbrani atomi med seboj kemično reagirajo in tvorijo molekule vodika. Zato se vodik tu nahaja v plinastem stanju.

Če je material vara premalo žilav, ne more preprečiti nastanka razpok zaradi nakopičenega vodika509. Material poči. Tudi to je hladna oziroma vodikova ali zapoznela pokljivost zvarov. Na usmejenost hladnih razpok v varu tudi v tem primeru vpliva smer varilnih zaostalih napetosti510.

502 Merilo sposobnosti materiala, da se zoperstavi previsokim napetostim je žilavost (žilavost TVP je odvisna

od kemične sestave, izhodnega stanja in najnovejše termične zgodovine varjenja oziroma predvsem od hitrosti ohlajanja pri zadnjem varilnem ciklu)

503 hladne razpoke nastajajo še 24 ur po varjenju (zato zapoznela pokljivost), ko je zvar že popolnoma ohlajen, vzrok pa je raztopljeno vodik v zvaru (zato vodikova pokljivost)

504 Hladna pokljivost zvarov je ena od škodljivih posledic obstoja varilnih zaostalih napetosti. Varilne zaostale napetosti na zvarih imajo tudi druge negativne posledice (vroča pokljivost, pokljivost pri pogretju, lamelarno trganje).

505 Hladne razpoke, ki nastanejo v TVP, so vzdolžne. Za njihov nastanek so pomembne prečne zaostale napetosti v zvarih.

506 Ponavadi je vsebnost ogljika v osnovnem materialu večja kot v dodajnem. Ker v varu zaradi zakaljivosti TVP ne sme biti preveč ogljika, trdnost vara zvečajo z drugimi legirnimi elementi. So pa tudi izjeme. Primer je varjenje visoko trdnih ogljikovih konstrukcijskih jekel, ko si zamislimo v varu višjo mejo tečenja kot v osnovnem materiala. To je takoimenovana trdnostna neenakost zvarov (ang mis-matching).

507 to je mogoče le na površini zvara 508 pogrevanje zvarov 509 žilavost vara je odvisna od kemične sestave, izhodnega stanja in najnovejše termične zgodovine

(predvsem od hitrosti ohlajanja) 510 Hladne razpoke, ki nastanejo v varu so prečne. Za njihov nastanek so pomembne prečne zaostale

napetosti v zvarih.

115

nevplivani OM

TVP

T

talina γ γ + "α∗" var

TVP

γ γ + "α" "α"

"α∗"

OM

topnost vara

"α"sOM

"α"svar

razpoka

Ttvar

Topnost

izoterme

1

2

345

1

2

3 4

topnost OM

"α"fvar

T

Topnost OM/var

a

b

c

γ "α"

"α"fOM

"α"

a topnost vodika v jeklu na meji var-TVP v odvisnosti od temperature; b vzdolžni prerez zvara z nastajajočim varom in TVP; c razlika v topnosti vodika v TVP in v varu

Slika 6.13: Kopičenje vodika v strjenem varu, ko je PCM vara večji od osnovnega materiala

Pri preprečevanju hladne pokljivosti zvarov tako v TVP kot v varu pridejo v poštev naslednji ukrepi:

1. omejitev količine raztopljenega vodika v zvarni talini511 (če je raztopljenega vodika v zvarni kopeli malo, ga bo manj tudi v varu oziroma TVP)

2. zmanjšanje zaostalih napetosti na zvarih512 (če je raven zaostalih napetosti na zvarih po varjenju nizka, so manjše tudi skupne napetosti z napetostmi zaradi tlaka plinastega vodika v napakah)

3. zagotovitev obstoja dovolj žilave mikrostrukture na tistih mestih, kjer se kopiči vodik513 (če je material v okolici napak z vodikom žilav, je bolj odporen proti nastanku razpok, kot če je krhek).

511 Kako to dosežemo?

− sušimo elektrode in zaščitne praške ter iz njih odstranimo absorbirano ali adsorbirano vlago − predgrevamo zvare ter tako preprečimo obstoj vode na varjenem materialu − varimo z dovolj suhimi zaščitnimi plini oziroma s plini, ki imajo garantirano nizko vsebnost vlage − odstranjujemo vodik iz zvarov z dovolj visokim in dovolj dolgo trajajočim pogrevanjem zvarov

512 uporaba optimalne tehnologije varjenja 513 Zvare predgrejemo oziroma varimo z večjim vnosom toplote.

Pri določeni debelini varjenega materiala in določeni obliki spojev je izoblikovana mikrostruktura funkcija hitrosti ohlajanja oziroma časa ∆t8/5. Na to je mogoče vplivati s količino vnešene toplote in s temperaturo varjenega materiala (predgrevanje, temperatura med zaporednimi varki ipd)

116