7. Anyagvizsgálat a Gyakorlatban (AGY) Szakmai Szeminárium

Kecskemét, 2014. június 19-20.7. Anyagvizsgálat a Gyakorlatban (AGY)

Miskolci Egyetem Anyagszerkezettani és Anyagtechnológiai Intézet

1

7. Anyagvizsgálat a Gyakorlatban (AGY) Szakmai Szeminárium7. Anyagvizsgálat a Gyakorlatban (AGY) Szakmai Szeminárium

Hegeszthetőségi problémák megoldása fizikai szimulációval

Gáspár M. - Kuzsella L. - Koncsik Zs. - Lukács J.

ME



2

Tartalom

• A fizikai szimuláció• GLEEBLE 3500 termo-mechanikus fizikai szimulátor• Hegesztési problémák:

– Ömlesztő hegesztések: Melegrepedési hajlam (NST, HTT)

Nagyszilárdságú alumínium és acél ötvözetek Hegesztési paraméterek hőhatásövezetre gyakorolt hatásának vizsgálata (HAZ test)

Nagyszilárdságú acél

– Sajtoló hegesztések:» Dinamikus újrakristályosodás vizsgálata lineáris dörzshegesztés esetén

Alumínium ötvözetek

• Összefoglalás, következtetések



3

A fizikai szimuláció

Anyagvizsgálat meleg szakítóvizsgálatok meleg nyomóvizsgálatok feszültség – alakváltozás görbék meghatározása zérus szilárdsághoz tartozó hőmérséklet (NST) meghatározása alakváltozó képesség vizsgálata szívósság vizsgálata dilatometria (CCT)kúszásvizsgálatok fárasztóvizsgálatok termikus fárasztás termo-mechanikus fárasztás

Folyamat szimuláció folyamatos öntés kovácsolás sajtolás meleghengerlés ömlesztő hegesztés: hőciklus, hőhatásövezet (HAZ) sajtoló hegesztés (pl. ellenálláshegesztés)diffúziós egyesítés, diffúziós kötések hőkezelés: különféle hőciklusok megvalósítása porkohászat: szinterelés



4

Fizikai szimuláció a hegesztésben – GLEEBLE 3500

• Fogalma: a fizikai szimuláció nem más, mint a tényleges és a lehetséges ipari folyamatok megvalósítása, a valósággal egyező időléptékben és a valóságot jól megközelítő geometriai (térfogati) léptékben

• Jellemzők:– Hevítés: 10000 °C/s– Hűtés: 10000 °C/s– Elmozdulás: 100 mm– Elmozdulási sebesség: 2000 mm/s– Max. statikus erő: 100 kN

(húzás és nyomás)– Próbatest átmérő: 20 mm



5

A melegrepedések keletkezésének alakváltozási elmélete

Pth = a melegrepedések elkerüléséhez szükséges alakváltozó képesség

BTR = Brittleness Temperature Range → a képlékenység nem éri el a szükséges (küszöb) alakváltozó képességet (P < Pth) → melegrepedések keletkezhetnek ha a varratfém alakváltozása nagyobb, mint az

alakváltozó képesség, akkor melegrepedések keletkeznek (ε1 > P)

ha a varratfém alakváltozása kisebb, mint az alakváltozó képesség, akkor nem keletkeznek melegrepedések (ε2 < P)



6

A melegrepedés-érzékenység számszerűsítése

melegszakítómelegszakítóvizsgálatvizsgálat

NST vizsgálatNST vizsgálat



7

A melegrepedés-érzékenység számszerűsítése

NST: zérus szilárdsághoz tartozó hőmérséklet (Nil-Strength Temperature) – NST vizsgálat

NDT: zérus alakváltozó képességhez tartozó hőmérséklet (Nil-Ductility Temperature) – HTT vizsgálat, hevítéses: Z = 0%

DRT: az alakváltozó képesség helyreállásának hőmérséklete (Ductility Recovery Temperature) – HTT vizsgálat, hevítéses-visszahűtéses: Z = 5%

BTR: minimális alakváltozó képesség / ridegség hőmérséklet tartománya (Brittleness Temperature Range) – számítás

NDR: zérus alakváltozó képesség tartománya (Nil-Ductility Range) – számítás DRR: az alakváltozó képesség helyreállásának aránya (Ductility Recovery Rate) –

számítás RDR: az alakváltozó képesség helyreállásának aránya (Ratio of Ductility Recovery) –

számítás CF: repedési tényező (Crack Factor) – számítás %100

NDTDRTNSTCF



8

Az elvégzett NST vizsgálatok eredményei

• Példa: 6082-T6 Al ötvözet

• Eredmények:Anyagminőség Próbatestek

száma, darabÁtlag, °C Szórás , °C Szórási

együttható, %S690QL 9 1421,5 19,15 1,35S960QL 11 1408,0 30,46 2,16AlMg3, 5754 10 602,6 1,81 0,30AlSi1MgMn, 6082-T6 10 616,6 7,15 1,16

0 25 50 75 100 1250

100

200

300

400

500

600

700 Beállított hőm. Mért hőm.

Hőm

érsé

klet

, °C

Idő, s

21 21 ˚C/s˚C/s

1 ˚C/s1 ˚C/sTermoelemek

Cement kötőanyag

NSTNST



9

Az elvégzett meleg szakítóvizsgálatok eredményei

Hőmérséklet, °C Kontrakció, %800 93,051000 99,821100 99,521200 99,991300 99,991340 99,911360 99,971380 100,00

1380/1360 99,951380/1300 99,941380/1200 99,931380/1100 99,851380/1000 96,431380/800 92,731380/500 83,98

S960QL: Hevítés-visszahűtés (on cooling)

NST = 1408 °CNDT = 1390 °CDRT = 1370 °CCF = 2,73% < 4%, nincs repedés



10

Hőhatásövezet tulajdonságai

• A hőhatásövezet felépítése egy- éstöbbsoros varratfelépítés esetén

• Kritikus sávok:– Durvaszemcsés (DSZ)– Interkritikus (IK)– Interkritikusan megeresztett durvaszemcsés (IK DSZ)– Szubkritikusan megeresztett durvaszemcsés (SZK DSZ)

varrat

alapanyag

első varratsor

második varratsor

alapanyag

csúcshőmérséklet1100 – 1500 °C (DSZ)850 – 1100 °C (N)750 – 850 °C (IK)500 – 750 °C (SZK)

(a) (b)

A. Változatlan durvaszemcsés sáv (VDSZ)B. Szuperkritikusan megeresztett durvaszemcsés sáv (SZPK DSZ) C. Interkritikusan megeresztett durvaszemcsés sáv (IK DSZ)D. Szubkritikusan megeresztett durvaszemcsés sáv (SZK DSZ)



11

Nemesített nagyszilárdságú acélok hegeszthetőségi problémái

Hidegrepedések•Hidrogéndiffúzió•Húzófeszültség jelenléte (zsugorodás korlátozottsága)•Jelentős karbonegyenérték: 0,5<CEVS960Q<0,65

Inhomogén hőhatásövezet•Szívósságcsökkenés•Felkeményedett és kilágyult övezetek

6 5 15Mn Cr Mo V Cu NiCEV C

250

270

290

310

330

350

370

390

410

0 3 6 9 12 15 18

Kem

énys

ég, [

HV

]Lenyomat

KoronaGyök

aa1 hhö1 hhö2 aa2v



12

Fizikai szimuláció – HAZ teszt

• Hőhatásövezet szimulációja: hegesztési hőciklus modellek– F(s,d) => mérési eredmények vagy VEM– Hannerz– Rykalin-2D– Rykalin-3D– Rosenthal– Exponenciális

• Inhomogén hőhatásövezet különböző sávjainak precíz előállítása– A kis hőbevitel miatt a hőhatásövezet különböző sávjai kis kiterjedésűek, amik más

módszerrel korlátozottan lennének vizsgálhatók.

• Ajánlott próbatest méret: 10x10x70 mm• Lehetséges anyagvizsgálatok:

– Mikroszkópi vizsgálatok (optikai és elektronmikroszkóp) és keménységmérés– Ütővizsgálat (10x10x55 mm), törésmechanikai vizsgálatok

2,2

v x Rv aET R x e

R

2 2 2R x y z p

ac

Megnevezés Ev λ cp ρ v

Jelölés vonalenergia (fajl. hőbevitel)

hővezetési tényező

fajhő (p=áll) sűrűség hegesztési

sebesség



13

Hőhatásövezeti teszt végrehajtása

• Próbatestek kimunkálása az alapanyagból– Méret- és helyzetpontosság, felületi minőség

• Termoelemek rögzítése a próbatestek felületéhez:– Visszacsatolás a szabályozási folyamathoz– Típus: NiCr-Ni (K típusú)

• Próbatestek befogása• Hegesztési hőciklus előállítása:

– Modell kiválasztása: Rykalin-3D– Hegesztési paraméterek megadása– HHÖ sáv jellemző csúcshőmérsékletének megadása

• Szimuláció/teszt lefuttatása• Eredmények értékelése a szimulált és mért hőciklusok

összevetésével



14

Csúcshőmérsékletek kiválasztása

• Előállítandó sávok (NST = 1408 ºC, előkísérletek):– Durvaszemcsés sáv: Tmax = 1350 ºC– Interkritikus sáv: Tmax = 800 ºC

• Indoklás:

Hőm

érsé

klet

[°C

]

Hevítési sebesség [°C/s]



15

Hegesztési paraméterek

• Alapanyag: WELDOX 960 (S960QL)

• Paraméterek (előkísérletek alapján):– Hőfizikai jellemzők (cp,ρ, λ): átlagos szerkezeti acél jellemzőit adtuk meg– Telő = 200 °C– t8,5/5 = 5 és 15 s („Optimális” hűlési idő tartomány)– Ev = 1015 és 3046 J/mm– tcsúcs = 1 s– vhev= 500 °C/s

WELDOX 960

C Si Mn P S Cr Ni CEV 0,17% 0,20% 1,23% 0,007% 0,002% 0,20% 0,06% 0,55

Mo V Ti Cu Al Nb B N CET 0,599% 0,041% 0,003% 0,01% 0,053% 0,015% 0,001% 0,008% 0,36

WELDOX 960 RP0,2 Rm A5 KV (-40ºC) MPa MPa % J 1058 1082 14 70



16

Hőhatásövezeti hőciklusok

0 40 80 120 160 2000

200

400

600

800

1000

1200

1400

T [°

C]

t [s]0 40 80 120 160 200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

T [°

C]

t [s]

t8,5/5 = 5 s t8,5/5 = 15 s



17

Hőhatásövezeti tesztek értékelése

• Mikroszerkezet vizsgálata optikai mikroszkóp segítségével:– csiszolás– polírozás– maratás (2% HNO3)

5 s

15 s

DSZ IK



18


• Keménységvizsgálat:– Értékelés alapja: HVmax = 450 HV MSZ EN 15614-1 alapján a CR ISO 15608 szerinti 3.

acélcsoportra

Lenyomat

Hőhatásövezet

Próbatest

10

70

ÖvezetÁtlagkeménység,

HV10t8,5/5 = 5 s t8,5/5 = 15 s

Durvaszemcsés sáv (DSZ) (Tmax = 1350 °C) 417 385

Interkritikus sáv (IK) (Tmax = 800 °C) 348 351

Alapanyag 330…340



19


• Ütővizsgálat:– Értékelés alapja: 27 J teljesítése -40 °C hőmérsékleten (S960QL jelű acélra az MSZ

EN 10025-6 szerint)– 3 próbatest hőciklusonként => átlagos ütőmunka meghatározása– WELDOX 960 E:

70 J [-40 °C]

0

10

20

30

40

50

1350 800

Ütőmunka, J [-40 C]

Tmax [C]

Ütővizsgálat

5 s15 s



20

Dinamikus újrakristályosodás szerepének vizsgálata lineáris dörzshegesztésnél

• A szakirodalom szerint a varrat finomszemcsés szövetszerkezete a dinamikus újrakristályosodás (DRX) lejátszódásának tulajdonítható.

• A DRX egy, a melegalakítás közben lejátszódó jelentős hatással bíró fémtani folyamat, melynek pontos ismerete alapján szabályozhatjuk az anyag mikroszerkezetének és a mechanikai tulajdonságainak változását. A folyamat során szemcsefinomodás megy végbe a szövetszerkezetben.

• A DRX jelenlétére utal, ha a valódi feszültség-alakváltozás görbén a rugalmas alakváltozás után a feszültség eléri az alakítás során fellépő maximális értékét. A dinamikus újrakristályosodásnak még a maximális feszültség elérése előtt el kell indulnia.

• Poliak és Jonas módszer: a DRX kezdőpontját az alakítási keményedés- valódi feszültség görbe inflexiós pontja adja.



21

Dinamikus újrakristályosodás szerepének vizsgálata lineáris dörzshegesztésnél

Melegzömítő vizsgálatok a GLEEBLE 3500 berendezésen•a próbatest geometriája: ø10 mm átmérőjű és 15 mm hosszú henger,•a hengerlésre illetve az extrudálás irányára merőlegesen kivéve az alapanyagból,•az előírt hőmérsékletre való hevítés,•előírt alakváltozási sebesség alkalmazása,•előírt alakváltozás alkalmazása,•mintavételezési frekvencia: 1000 Hz•a vizsgálati hőmérsékleteket szakirodalomból és a hegesztés során mért hőmérsékletekből határoztam meg,•az alakváltozási sebességet is szakirodalmi adatok alapján határoztam meg.•az első széria vizsgálatnál nagy alakváltozási mértéket határoztam meg, hogy biztosan elérjük a dinamikus újrakristályosodás határát.•kontrollvizsgálatok=> Dinamikus újrakristályosodás szemcsefinomító hatásának bizonyítása lineáris dörzshegesztés esetén.

5754-H22 Al ötvözet (200x)



22

Összefoglalás, következtetések I.

• A GLEEBLE 3500 fizikai szimulátor segítségével sikeresen meghatároztuk a zérus szilárdsághoz tartozó hőmérsékleteket (NST) acél és alumínium ötvözetekre.

• A melegrepedés-érzékenység kiértékelése az acélok esetére megtörtént, az alumínium ötvözetek tekintetében az eredmények pontosítása miatt további (HTT) vizsgálatok szükségesek.

• WELDOX 960 E (S960QL, MSZ EN 10025-6) nemesített nagyszilárdságú acél szívósság szempontjából legkritikusabb hőhatásövezeti sávjai egysoros varratfelépítés esetén a durvaszemcsés és interkritikus sávok, többsoros varratfelépítés esetén pedig az interkritikusan megeresztett durvaszemcsés sáv.

• A GLEEBLE 3500 fizikai szimulátoron elvégzett hőhatásövezeti tesztek segítségével sikeresen előállítottuk a durvaszemcsés és interkritikus sávokat az optimálisnak feltételezett hűlési idő tartomány alsó (t8,5/5 = 5 s) és felső (t8,5/5 = 15 s) határértékére.



23

Összefoglalás, következtetések II.

• A durvaszemcsés és interkritikus sávok szívóssága jelentősen elmaradt az alapanyag szívósságától. Mindkét sáv tekintetében a szívósság a -40 °C-on megkövetelt 27 J-ra csökkent.

• Az egysoros varratfelépítés esetén előforduló két legkedvezőtlenebb szívóssággal rendelkező övezet, a durvaszemcsés és interkritikus sávok kombinációja többsoros varratfelépítés esetén előfordulhat. Ezek a csökkent szívósságú részek kedvező feltételeket teremtenek a repedéskeletkezéshez, ezért ezzel a speciális sávval a továbbiakban részletesen kívánunk foglalkozni.

• A szimulációs kísérletsorozat folytatását célszerű szélesebb t8,5/5 hűlési időintervallumra kiterjeszteni (2,5 – 30 s).

• A fizikai szimulátoron elvégzett melegzömítő vizsgálatok elvégzésével sikerült bizonyítanunk a lineáris dörzshegesztéskor adott feltételek esetén fennálló dinamikus újrakristályosodás szemcsefinomító hatását.



24

Irodalomjegyzék[1] Adony, Y.: Heat-affected zone characterization by physical simulations, Welding Journal, 2006 October pp. 42-47., 2006[2] Gáspár, M.; Balogh, A.: A hegesztési paraméterek hőhatásövezetre gyakorolt hatásának fizikai szimulációval történő vizsgálata S960QL acél esetén, Hegesztéstechnika, 2014/1 pp. 21-28. [3] Węglowski, M.: Modern toughened steels – their properties and advantages, Biuletyn Instytutu Spawalnictwa, 2012/02. pp. 25-36.[4] Heikkilä, S. J.; Porter, D.A.; Karjalainen, L. P.; Laitinen, R. O.; Thinen, S. A; Suikkanen, P. P.: Hardness Profiles of Quenched Steel Heat Affected Zones, Materials Science Forum Vol 762, Trans Tech Publications, Switzerland, 2013. pp. 722-727.[5] Laitinen, R.; Porter, D. A.; Karjalainen, L. P.; Leiviskä, P.; Kömi, J.: Physical Simulation for Evaluating Heat-Affected Zone Toughness of High and Ultra-High Strength Steels, Materials Science Forum Vol. 762, Trans Tech Publications, Switzerland, 2013. pp. 711-716.[6] Gáspár, M.; Balogh, A.: Hegesztéstechnológiai paraméterablak nagyszilárdságú acélok hegesztésénél, GÉP, LXIII. évf. 4. sz., p.: 11-16., 2012[7] Komócsin, M.: Nagyszilárdságú acélok és hegeszthetőségük, Hegesztéstechnika, 2002/1, pp. 5–9.[8] Kuzsella, L.; Lukács, J.; Szűcs, K.: Fizikai szimulációval végzett vizsgálatok S960QL jelű, nagyszilárdságú acélon, GÉP, LXIII. évf. 4. sz., 2012. pp. 37-42.[9] Lukács, J., Kuzsella, L., Dobosy, Á., Pósalaky, D.: Hegesztési melegrepedés-érzékenység megítélése fizikai szimuláció segítségével, GÉP LXIV. évf. 8. sz. 2013. pp. 45-50.[10] Koritárné Fótos, R.; Koncsik, Zs.; Lukács, J.: A fizikai szimuláció és alkalmazása az anyagtechnológiákban, „Műszaki Tudomány az É-K Moi. Régióban”, Szolnok, 2012[11] Meilinger, Á.; Török, I.: Effect of temperature field and pressure force on the inhomogeneity of 5754-H22 and 6082-T6 FSW joints, Materials Science Forum Vols. 794-796 (2014) pp. 377-382[12] Pósalaky, D.; Lukács, J.: Nagyszilárdságú alumíniumötvözetek hegeszthetősége, XXVII. Hegesztési Konferencia, Budapest, 2014. pp. 247-256.[13] Gáspár, M.; Balogh, A.: Kritikus sávok a nagyszilárdságú acélok hőhatásövezetében, XXVII. Hegesztési Konferencia, Budapest, 2014 pp. 195-211.[14] Verő, B.: A fizikai és matematikai szimuláció helye és szerepe a műszaki anyagtudományban, Bányászati és kohászati lapok 145. évfolyam 1. szám, Budapest 2012. pp. 2-6.



25

Köszönjük a figyelmet!

Az előadásban ismertetett kutatómunka a TÁMOP-4.2.1.B-10/2/KONV-2010-0001 projekt eredményeire alapozva a TÁMOP-4.2.2/A-11/1-KONV-2012-0029 jelű projekt részeként – az Új Széchenyi Terv keretében – az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg.

Köszönetnyilvánítás

Documents

7. Anyagvizsgálat a Gyakorlatban (AGY) Szakmai Szeminárium