Prof Clanak

7/24/2019 Prof Clanak

1/9

Z. Burzi, S. Sedmak, M. Manjgo

EKSPERIMENTALNO ODREIVANJE PARAMETARA

MEHANIKE LOMA ZAVARENIH SPOJEVA

EXPERIMENTAL EVALUATION OF WELDMENT

FRACTURE MECHANICS PARAMETERSStruni rad /Professional paperUDK / UDC 621.791.05:539.42Rad primljen / Paper received: 1.11.2001.

Adresa autora / Author's address:Dr Zijah Burzi, Vojnotehniki institut VJ, BeogradProf. dr Stojan Sedmak, Tehnoloko-metalurki fakultet, BeogradMersida Manjgo, Mainski fakultet Univerziteta u Mostaru, BIH

Kljune rei

zavareni spoj, metal ava (M), zona uticaja toplote (ZUT),parametri mehanike loma

Rezime

U ovom radu su opisani standardni postupci odrei-vanja parametara mehanike loma zavarenih spojevaispitivanjem epruveta sa prslinom: ilavosti koma K

Ic,

otvaranja prsline CTOD i J-integrala, nezavisnog odputanje. Kao primer, analizirana je ilavost loma od-reena ispitivanjem J integrala zavarenog spoja e-lika 4730 i uticaj heterogenosti strukture i meha-nikih osobina

Keywords

welded joint, weld metal (WM), heat-affected-zone (HAZ),fracture mechanics parameters

Summary:

The paper describes standard procedures for the eva-luation of fracture mechanics parameters of weldedjoint by testing cracked specimens: fracturre toughness

KIc, crack opening displecment CTOD and path-in-dependent J-integral. As an example, KIc, obtained bytesting J-integral for 4730 welded joint and the effectof heterogeneity of microstructure and mechanicalproperties is investigated.

UVOD

Mehanika loma je teorijskim i eksperimentalnim anali-zama ponaanja tela sa prslinom otvorila nove mogunostiu obezbeenju sigurnosti konstrukcija. Razvoj standarda zaodreivanje ilavosti loma pri ravnoj deformaciji, KIcomoguio je primenu linearno-elastine mehanike loma na

realne konstrukcije, izraene od materijala visoke vrstoe.Uslov vaenja tih ispitivanja je da je razvijena samo malazona plastine deformacije oko vrha prsline pre nego todoe do razvoja prsline i loma. Direktno odreivanjeilavosti loma KIci njegova primena su ogranieni samo namaterijale visoke vrstoe, jer je kod veine konstrukcijskihmaterijala oko vrha prsline razvijena velika zona plastinedeformacije. Zbog toga su analizom plastinog ponaanjamaterijala sa prslinom, kojom se bavi elasto-plastinamehanika loma, uvedena jo sledea dva parametra: otvaranje vrha prsline CTOD (), i

konturni (J) integrala, nezavisan od putanje integracije.

U linearno-elastinoj oblasti, kada su ispunjeni uslovi

ravne deformacije, ova dva parametra predstavljaju kritineveliine (Ic i JIc) i direktno su povezani sa veliinom KIc.Pogodnost primene parametara i J je u mogunosti njiho-ve analize i posle razvoja znaajnih plastinih deformacija,sa jedne strane, kao i u pogodnosti njihovog standardima

propisanog eksperimentalnog odreivanja, s druge strane.Prve predloge standarda za odreivanje ilavosti loma pri

ravnoj deformaciji su objavili Ameriko drutvo za ispitivanjei materijale (American Society for Testing and Materials -ASTM) - ASTM E399-70T, i Britanska institucija za standar-de (British Standard Institution - BSI) - DD 3. Ovi su predlozi

prihvaeni pod naslovom "Standardni postupak ispitivanjailavosti loma pri ravnoj deformaciji metalnih materijala"

(Standard Test Method for Plane-Strain Fracture Toughness ofMetallic Materials) kao ASTM E 399 83 /1/, odnosno BS

5447. Neto kasnije je BSI objavio predlog standarda zaodreivanje otvaranja prsline DD 19 (Standard Test Methodfor Crack Opening Displacement), usvojen kao BS 5762.

Posle usvajanja ovih sttandarda, predloen je veliki brojstandarda za ispitivanje epruveta sa prslinama. Meu njimasu najvie korieni: ASTM E 813 - 89: Standard Test Method for JIc, A Me-

asure of Fracture Toughness (Standardni postupak ispi-tivanja JIc, mere ilavosti loma) /2/

ASTM E 1152 - 87: Standard Test Method for Deter-mining J-R Curve (Standardni postupak ispitivanja zaodreivanje J-R krive) /3/

ASTM E 1290 - 89: Standard Test Method for Crack -

Tip Opening Displacement (CTOD) Fracture ToughnessMeasurement (Standardni postupak ispitivanja ilavostiloma merenjem otvaranja vrha prsline (CTOD))

ASTM E 1737 - 96: Standard Test Method for J IntegralCharacterization of Fracture Toughness (Standardni pos-tupak ispitivanja za odreivanje ilavosti loma pomou Jintegrala). Ovaj standard je objedinio dva standarda (E813 i E 1152), koji su u najveem delu podudarni, a naosnovu iskustva iz njihove primene u proireno podru-je primene J integrala u karakterizaciji materijala.

ASTM E 1820 - 99a: Standard Test Method for Measu-

rement of Fracture Toughness (Standardni postupak is-pitivanja za merenje ilavosti loma). Ovaj standard jeobjedinio standarde E 399, E 1290 i E 1737.Slini pristup je usvojen i u Britanskim standardima, pa

je u BS 7448 "Fracture mechanics toughness tests" /4, 5/definisano ispitivanje ilavosti loma, odnosno u njegovom

prvom u delu "Methods for determination of KIc, criticalCTOD and critical J values of metallic materials" obje-dinjeni su postupci za odreivanje K

Ic, kritinog CTOD i

kritine J vrednosti metalnih materijala. U drugom delu BS

INTEGRITET I VEK KONSTRUKCIJA (2/2001), str. 97-105 97


2/9

Zijah Burzi Eksperimentalno odreivanje parametara...

7448 "Methods for determination of KIc, critical CTOD andcritical J values of welds in metallic materials", koji jeobjavljen 1997. godine, propisuje se postupak ispitivanjamehanike loma zavarenih spojeva. U razradi su trei deo zaodreivanje dinamike ilavosti loma i etvrti deo za odre-ivanje krivih otpornosti.

Tendencija objedinjavanja standarda, zasnovana na is-

tim oblicima epruvete i slinom postupku ispitivanja, iska-zana je i u pristupu koji je prihvaen u Evropi.

Jugoslovenski standardi (JUS), koji se odnose na meha-niku loma, predloeni su znatno kasnije, oko 1990. godine.To su standardi JUS C.A4.083 - Mehanika ispitivanja ma-terijala. Osnovni pojmovi i veliine u mehanici loma /6/ iJUS C.A4.084 - Mehanika ispitivanja. Ispitivanje ilavostiloma pri ravnoj deformaciji (KIc) /7/.

Ono to je za zavarene spojeve od posebnog znaaja, jeopte prihvaeno miljenje da je u prisustvo prslina i drugihgreaka mogue, pa ak i neizbeno. Odatle i potie velikiinteres da se parametri mehanike loma primene na zavarenespojeva i konstrukcija. Meutim, postoje dva znaajna

problema u primeni parametri mehanike loma na analizuponaanja zavarenih spojeva /8/

Ograniena mogunost otkrivanja greaka u pogledunjihove veliine i poloaja.

Heterogenost mikrostrukture, sl. 1, i mehanikih osobi-

na zavarenog spoja.

Slika 1. Makroskopski izgled zavarenog spoja [5]:1 - M, 2 - ZUT, 3 - OM

Prema tome, pouzdanost u proceni sigurnosti zavarenihspojeva nije dovoljno pouzdana, jer nema dovoljno podata-ka o grekama, a nije izvesno kako e se prslina razvijati

prolazei kroz razliite strukture zavarenog spoja. Zbogtoga je jedan od znaajnih problema u ispitivanju uzorakasa prslinom iz zavarenog spoja lokacija vrha prsline /8, 9/.

S obzirom na razliite mehanike osobine, jasno je dae uslovi rasta prsline, iji je vrh u razliitim oblastima za-varenog spoja, biti razliiti. Ove tekoe nisu preprekaeksperimentalnom odreivanju ilavosti loma u kritinimzonama zavarenog spoja ili zavarenog spoja kao celine, vese pre tekoa u tumaenju izmerenih vrednosti /9/.

ISPITIVANJA MEHANIKE LOMA ZAVARENIH SPOJEVADa bi se dobila to potpunija slika o primeni ispitivanja

mehanike loma na zavarene spojeve potrebno je opisatiepruvete i ukazati na greke i odstupanja koja su pri tommogua. Pre svega, predvieno je da se epruvete mehanikeloma ispituju zatezanjem ili savijanjem. Meu brojnimoblicima koji su u razliitim istraivanjima korieni, naj-iru primenu su nale epruvete za savijanje u tri take, sl. 2.i kompaktne epruvete za zatezanje, sl. 3 /2, 3, 7/.

Epruveta za savijanje u tri take (savijanje silom) sepokazala veoma prikladnom za praksu, pa se primenjuje uispitivanjima sva tri navedena parametra mehanike loma(KIc, , J). Kompaktna epruveta za zatezanje omoguavaznaajnu utedu materijala u poreenju sa drugim oblicimaepruveta, kao i srazmerno manju silu za ispitivanje.

Ispitivanja mehanike loma su veoma sloena. Da bi sedobili to taniji rezultati sve faze ispitivanja su preciznodefinisane i svi zahtevi u pogledu vaenja rezultata morajuda budu budu ispunjeni. Pri tom se struktura materijala, odkoga su epruvete izraene, smatra homogenom, to omogu-ava da definicije budu dovoljno precizne. Ipak je potrebnoda se istaknu mogua odstupanja u rezultatima ispitivanja,kako bi se i ona uzela u obzir kada se ispituju epruvete sa

prslinom iz zavarenog spoja, ija je struktura heterogena:

uticaj konanosti dimenzija epruveta,

odstupanja i greke izrade i pripreme epruveta, odstupanja i greke vezane za proces ispitivanja, i

odstupanja i greke u analizi rezultata ispitivanja.

Prvi uticaj na tanost rezultata je konanost dimenzijaepruveta. Parametri mehanike loma su prvobitno definisaniza tanku plou beskonane duine i irine. Uvoenjem gra-ninih uslova zbog konanih dimenzija ploe moraju se re-zultati korigovati, jer odnos duine prsline a i irine ploe w

je konana vrednost i ne moe se zanemariti kao u sluajubeskonane ploe. Taj se problem reava tzv. K-kalibraci-jom /10/. Kada je odnos duine prsline i irine epruvete ma-li (blizak nuli,) vai osnovna jednaina mehanike loma, ko-

jom se odreuje faktor intenziteta napona KI

a) pravougli presek b) kvadratni presekSlika 2. Epruveta za savijanje u tri take /2, 3/

INTEGRITET I VEK KONSTRUKCIJA (2/2001), str. 97-10598


3/9


a) standardna CT epuveta b) modifikovana CT epruveta

Slika 3. Kompaktna epruveta za zatezanje /2, 7/

aKI = (1)

gde je delujui proseni napon u udaljenom preseku, gdenema prsline, dok je a poluduina prsline. Ako se uzmu uobzir granice ploe onda e biti /7/

YawB

F

w

afaKI

=

= (2)

pa je jasna definicija faktora K-kalibracije:

=

=

w

af

aF

wBKY I (3)

Drugi razlog moguih greaka u rezultatu vezan je zaizradu i pripremu epruveta. Bez obzira na ostvarivu preciz-nost u izradi i kontroli mera, izvesna odstupanja mera ep-ruveta iz iste serije su uobiajena. Priprema epruveta obuh-vata i poetnu zamornu prslinu, ostvarenu prema postupku iuz ogranienja koja propisuju standard, npr. /2,7/. Sem zna-ajnog uslova da faktor intenziteta napona pri zamaranju

bude ograniene velilne (do nivoa 0,8KIc), ovde kao mo-gui razlog greke treba navesti merenje duine prsline. I tuse postavljaju dva pitanja: tanost merenja i princip mere-nja. Front zamorne prsline je vie ili manje zakrivljen, i bezobzira na svu panju pri zamaranju, on e se od epruvete doepruvete razlikovati. Princip linearizacije fronta prsline me-renjem veeg broja taaka i uzimanjem proseka, uz subjek-tivnu i objektivnu tanost merenja u svakom sluaju daje

priblian, a ne taan rezultat za duinu prsline. Dodatno jepitanje to ligament ima razliitu ulogu pri zatezanju i prisavijanju, to e i greku u oceni duine prsline uiniti ve-om ili manjom.

Greke i odstupanja se javljaju i u toku ispitivanja. Semgreaka mernih instrumenata, koji prate veliine opteree-nja i deformacija, znaajna mogunost greaka potie od

postavljanja epruvete. Tako se raspon oslonaca pri savijanjumenja od epruvete do epruvete, a menjae se i u toku ispi-tivanja s obzirom na ugib. Sem toga trenje u osloncima, iakozanemarljivo, doprinosi nekorisnom utroku optereenja.

etvrta grupa odstupanja se odnosi na analizu zapisa-nih rezultata. Na sl. 4. prikazan je realni dijagram vaeegispitivanja KIc /11/. Standardom ASTM E399, BS 7448 iliJUS C.A4.084 definisan je postupak uzimanja podataka.Propisani postupak odreivanja veliine KQ preko sile FQ

doputa znaajna odstupanja u definisanju ordinate y, koje,

prema steenom iskustvu moe iznositi ak i 5%.Ako se dopusti odstupanje zbog K-kalibracije do 1%,

zbog izrade i pripreme epruveta do 3%, zbog ispitivanja do3% i zbog oitavanja rezultata do 5%, to je s obzirom nasloenost postupka ispitivanja mehanike loma moguno,ukupna greka moe da bude i vea od 10%. Primena rau-nara doprinosi veoj tanosti ispitivanja i rezultata.

Slika 4. Dijagram sila - otvaranje prsline vaeeg ispitivanja

Ispitivanje epruveta sa prslinom pokazuje lokalno pona-anje materijala oko vrha prsline dovoljno homogenog mate-rijala epruvete, tako da se rezultati lokalnog ponaanja mogu

tretirati globalno, odnosno da se mogu neposredno preneti naodgovarajuu konstrukciju. Imajui u vidu heterogenu struk-turu sa sl. 1, ovakav postupak ispitivanja nije dovoljno pouz-dan, jer vrh prsline pri razvoju loma moe da prolazi kroz

podruja razliitih struktura i mehanikih osobina zavarenogspoja. Zbog toga je potrebna analiza zavarenog spoja s aspekta

primene mehanike loma. Sloenost u mikrostrukturnom igeometrijskom pogledu pri odreivanju ilavosti loma idrugih mehanikih osobina u ZUT ilustruje sl. 5, na kojoj je

prikazan niskolegirani, termomehaniki obraeni elika povi-ene vrstoe u vieprolaznom avu. Po pravilu, kod spojevaovih elika se u ZUT pod dejstvom ponovljenih termikihciklusa i plastinih deformacija, u uzanom pojasu ZUT uzliniju stapanja pojavljuju mesta smanjene ilavosti loma(rafirano naznaena mesta A i E na sl. 5).



4/9


Kada je u pitanju preporuka da se pri direktnom odre-ivanju ilavosti loma u kritinoj zoni spoja uzme najniaizmerena vrednost, sl. 5. ilustruje niz tekoa sa kojima jeovakvo odreivanje skopano. Kada je, kao kod elika,ZUT kritino podruje u kome se najee pojavljuju prsli-ne, njegova veliina od 2-3 mm u osnovnom metalu uzliniju stapanja ukazuje na eksperimentalne tekoe postav-

ljanja vrha poetne zamorne prsline na kritino mesto.Praktina istraivaka iskustva pokazuju da je i uz najbri-ljiviji rad potrebno ispitati desetine uzoraka da bi seuspeno locirao vrh prsline u milimetarski uzana kritina

podruja i pouzdano odredile stvarne minimalne vrednostiilavosti loma u ZUT, to drugim reima ograniava stepeniskorienja na najvie 10-20% ispitanih uzoraka /12/.

Slika 5. Presek kroz ZUT niskolegiranog elika poviene vrstoe

Sledea tekoa u odreivanju ilavosti loma je tragrasta zamorne prsline, iji je vrh lociran u ZUT (rafirano

podruje A na sl. 5), jer ona e prodire u podruja ZUT raz-liitih mikrostrukturnih i mehanikih karakteristika. Razli-ite karakteristike u odnosu na ravan rasta prsline rezulti-raju u asimetrinom formiranju plastine zone ispred vrha

prsline. Imajui jo u vidu da stvarne vrednosti nekih meha-nikih osobina, npr. napona teenja, ne mogu direktno da seodrede za usko krto podruje A i E u ZUT, oigledno je dasu naruene uslovi za odreivanje vrednosti parametaramehanike loma po postupcima za homogene materijale.

Zbog opisanih ogranienja razliite metode mehanikeloma nisu podjednako primenljive za odreivanje najnievrednosti ilavosti loma u zavarenom spoju. Ako se ima u

vidu da je problem postavljanja vrha zamorne prsline nakritino mesto u ZUT zajedniki za sve metode, onda bikriterijum za ocenu primenljivosti pojedinih metoda mogaoda bude njihova sposobnosti da mere ilavost loma nepo-sredno ispred vrha prsline, nezavisno od uticaja materijalana veim rastojanjima od tzv. procesne zone na vrhu prsline.U tom pogledu je KIc, kao linearno-elastini pokazateljilavosti loma, u prednosti, jer su uslovi ograniene plasti-ne zone pri njegovom odreivanju otriji nego kod elasto-

plastinih pokazatelja. U realnim situacijama, pri ispitiva-nju avova, ovi otri uslovi retko mogu da se ispune, zatoto je u pitanju najee elik relativno visoke ilavosti lo-ma. Kontrola veliine plastine zone poveanjem dimenzija

uzorka je teko ostvarljiva, prvo zato to bi kod mekihelika debljina uzorka bila viestruko vea od debljine kon-strukcijskih elemenata, a zatim to se kod uzoraka iseenih

iz avova sa poveanjem dimenzija dodatno komplikujepostavljanje vrha prsline u kritinu zonu.

Da je CTOD najvie praktino korieni parametar me-hanike loma zavarenih spojeva svedoi veliki broj publiko-vanih radova istraivanja u razliite svrhe, a naroito vieod 40 primena pri izradi odgovornih zavarenih konstrukcija(npr. cevovodi i morske platforme), od izbora dodatnih

materijala i provere postupka zavarivanja, do ocene veliineprihvatljive greke /13, 14/.

Analitiki postupak za odreivanje CTOD je usredsre-en na deformacije oko vrha prsline, to mu obezbeujevee lokalno znaenje od drugih naponskih i energetskihkriterijuma, jer je eksperimentalno odreivanje kritine vred-nosti je jednostavnije nego za druge pokazatelje, to uz pre-ciznije lokalno znaenje dobijenog rezultata predstavlja zna-ajnu prednost. Vana je i mogunost korekcije ovog para-metra pri deformacijskoj i naponskoj asimetriji, sl. 6 /15/.

Slika 6. Shematski prikaz postupka zaodreivanje CTOD po liniji stapanja

Podesnost COD koncepta za odreivanje ilavosti lomaava se izraava i kroz odreivanje irine zone razvlaenja(stretch zone width) nastale u procesu zaobljavanja vrha prs-line pre poetka rasta, sl. 7. Nakon duih istraivakih poku-aja /16/ da se merenje irine zone razvlaenja iskoristi zaocenu ilavosti loma, danas je ona uvedena kao standardni

parametar za odreivanje ilavosti loma /17/. Od merenjairine zone razvlaenja u podruju zavarenih spojeva seoekuje dalji napredak u boljem odreivanju lokalne ilavostiloma, kao i u preciznijem odreivanju uticaja asimetrije.



5/9


Slika 7. Shematski prikaz razvoja zonerazvlaenja na vrhu prsline

Kao pokazatelj elasto-plastine mehanike loma J-integralje sledei parametar ilavosti loma. On je osetljiviji od dru-

gih parametara na nehomogenost i asimetriju ponaanja a-va. Kritina vrednost ilavosti loma, JIc, se odreuje ekstra-polacijom iz JRkrive kao i za homogene materijale.

Kljuno pitanje ilavosti loma u avu je u kojoj je merii pod kojim uslovima najnia vrednost ilavosti loma u vrlouskim podrujima od uticaja na ponaanje itavog ava kaodela konstrukcije, pa time i itave zavarene konstrukcije.

Na sadanjem nivou znanja na ovako formulisano pitanjemogu da se daju samo intiutivni odgovori. Stohastiki pris-tup problemu loma u zavarenim spojevima omoguava dase umesto intuitivnih daju egzaktni odgovori. U ovom pris-tupu se otvaranje prsline () i ilavost loma KIctretiraju kaostohastine, a ne kao deterministike promenljive /18/.

Stepen sigurnosti se u ovom pristupu izraava numeri-ki preko verovatnoe da e do otkaza konstrukcije doi.Stohastiki pristup, iji znaaj raste sa stepenom odgovor-nosti konstrukcije (npr. nuklearna postrojenja), istovremenoukazuje i na praznine u znanju, i nedostatke u podacima sakojima je stohastiki tretman ocene sigurnosti suoen.

ANALIZA HETEROGENOSTI STRUKTURE IOSOBINA ZAVARENIH SPOJEVA

Heterogenost strukture i mehanikih osobina zavarenihspojeva uslonjava problem, pre svega u zavisnosti od po-loaja vrha zamorne prsline i osobina podruja kroz koja se

lom razvija. Ali, ako se zavareni spoj tretira kao konstruk-cijska celina, onda je od interesa odrediti podatke za najsla-

bije mesto kada je u pitanju lokalno ispitivanje, kakvo jeodreivanje parametara mehanike loma. Takoe je jasno da

pri odreivanju zateznih karakteristika, naroito zateznevrstoe, podatak za zavareni spoj kao celinu mora da se

prihvati kao merodavniji za zavarenu konstrukciju negopojedinani rezultat bilo za metal ava ili za osnovni metal.

Na primeru MAG postupkom zavarenog spoja elika4730 /19/ moe jasnije da se sagleda heterogenost meha-nikih osobina, iskazana kroz veliinu KIc. Kako zahtevi zaispunjenje uslova ravnog stanja deformacije:

2

2052

,p

Ic

R

K,B (4)

nisu zadovoljeni, umesto linearno-elastiene mehanike lo-ma definisane standardom ASTM E399, koriena je elas-to-plastina mehanika loma, tj. standard ASTM E813 /2/koji omoguava da se vrednost kritinog faktora intenzitetanapona, KIc, odredi preko kritinog J integrala, JIc.

Postupak ispitivanja se sastoji u definisanju R-krive,

odnosno J-

a krive, zavisnosti J integrala i prirataja prslinea. Eksperimenti su izvedeni metodom ispitivanja jedneepruvete sukcesivnim parcijalnim rastereenjem, odnosnometodom popustljivosti, kako je to definisano standardomASTM E1152 /3/. Dobijeni dijagrami F-COD () i J-a zaosnovni metal, metal ava i ZUT su prikazani na sl. 8.

Sem u podruju izraene plastine deformacije (deo di-jagrama od maksimalne sile do konanog loma epruvete),tok dijagrama za ove epruvete se poklapa u velikoj meri.Kada se, meutim, postupkom regresione linije odredi veli-ina JIconda se dobijaju jasne razlike, jer je za osnovni me-tal JIc=115,3 kJ/m

2, za metal ava JIc=96,6 kJ/m2 i za ZUT

je JIc=82,2 kJ/m2.

Iz veliine kritinog JIc integrala moe da se izraunavrednost kritinog faktora intenziteta napona ili ilavostloma pri ravnoj deformaciji KIc, pomou zavisnosti:

21

=

EJK IcIc

(5)

Vrednost KIcza osnovni metal je 153,7 MPam, za me-tal ava 140,7 MPam, a za ZUT 129,8 MPam.

Oigledno je da heterogenost zavarenog spoja ima zna-ajan uticaj na otpornost prema razvoju prsline, kako u ela-stinom, tako i u plastinom podruju. Zbog toga pri propi-sivanju uslova za ispitivanje mehanike loma treba definisatine samo postupak ispitivanja i poloaj zamorne prsline, vei nain tumaenja rezultata. Ovde treba napomenuti da sakonstrukcijskog aspekta osobine materijala mogu bolje dase procene kroz pojedinane veliine KIci Rei njihov odnosKIc/Re(koji je i u standardu E399, odnosno BS 7448 mero-davna veliina), nego samo na osnovu jedne od njih. Kodzavarenih spojeva napon teenja Re metala ava je vei(overmeing) ili manji (andermeing) od odgovarajuevrednosti za osnovni metal. Imajui u vidu razlike u veliiniKIc(kao u primeru za elik 4730), oigledno je da e punaocena zavarenog spoja zahtevati analizu obe veliine, Re iKIc. Standardom za ispitivanje mehanike loma zavarenihspojeva treba propisati nain izvoenja te analize.

STANDARDNO ISPITIVANJE PARAMETARAMEHANIKE LOMA ZAVARENIH SPOJEVA

Veliki broj razliitih proba zavarljivosti ukazuje na toda je problemu prslina u zavarenim spojevima uvek pokla-nja posebna panja. Ispitivanjem bez razaranja mogu seotkriti razliite greke, ali u mnogim sluajevima se donosiodluka da se one ostave. To znai da zavareni spoj moeimati greke i prsline koje nisu otkrivene i one, koje suotkrivene, ali nisu otklonjene. Lako je zakljuiti da je u tomsluaju ocena lokalnog ponaanja podruja zavarenog spojau blizini greke bar isto toliko vana kao i ocena globalnog

ponaanja spoja. Iako ispitivanje epruveta sa V zarezom na

klatnu (arpi) daje dragocene podatke o lokalnorn ponaa-nju podruja vrha zareza, ti podaci ne mogu u potpunosti daobjasne uslove nastanka ili rasta prsline.



6/9


0 1 2 3 4 5 60

200

400

600

800

1000

1200

JIc

Osnovni metal

JIc= 115,3 kJ/m

2

J-Integral,kJ/m

2

Rast prsline, a, mm a) F - osnovni metal a) J - a osnovni metal

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

200

400

600

800

1000

1200

0

JIc

Metal [ava

JIc= 96,6 kJ/m

2

J-Integral,

kJ/m

2

Rast prsline, a, mm b) F - metal ava b) J - a metal ava

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

100

200

300

400

500

600

700

0

JIc

Zona uticaja toplote

JIc= 82,2 kJ/m

2

J-Integral,kJ/m

2

Rast prsline, a, mm c) F - zona uticaja toplote c) J - a zona uticaja toplote

Slika 8. Dijagrami za odreivanje J integrala sukcesivnim rastereenjem jedne epruvete

Veliki interes za primenu ispitivanja mehanike lomazavarenih spojeva je veu poetku naiao na ogranienja.Pre svega, prema venavedenoj analizi treba ispitati bar 10epruveta mehanike loma da bi se odredio neki od para-metara mehanike loma zavarenog spoja. Vrednost ispitiva-nja jedne epruvete je oko 100 EVRA, pa za ocenu jednogzavarenog spoja sa aspekta mehanike loma treba odvojiti

bar 1000 EVRA. Ovako skupa ispitivanja e u mnogimsluajevima biti ekonomski opravdana ako doprinose sigur-nosti konstrukcije ili poveanju veka, imajui pri tom uvidu da se vie od polovine ukupno proizvedenog elika usvetu ugrauje u zavarene konstrukcije.

Treba imati u vidu da ispitivanja mehanike loma pod-razumevaju poznavanje mehanikih osobina. Kada su u

pitanju zavareni spojevi esto nedostaje pouzdan podatak oveliini napona teenja, koji je prema standardima zaispitivanje parametara mehanike loma jedan od osnovnihuporednih parametara mehanikih osobina.

I pored svih tekoa i nedoumica, primena mehanikeloma na ispitivanje zavarenih spojeva je sve ira. Razlog je,

pre svega, u boljem i potpunijem razumevanju ponaanjazavarenog spoja sa prslinom na osnovu analize podatakadobijenih u tim ispitivanjima. Standard BS 7448 /4, 5/ pred-via primenu sva tri parametra (KIc, CTOD, J integral) zakarakterizaciju otpornosti zavarenog spoja prema nastajanjui rastu prsline, i propisuje sluajeve u kojima je svaki odnjih merodavan. Uproena procedura postupka ispitivanja

prema standardu BS 7448, deo 2, data je shematski na sl. 9.



7/9


Poloàj metala {ava (M[)

Specifi~na mikrostruktura (SM)

Pre-test Metalografija

Da li je SM odgovaraju}a?

Izbor oblika i geometrije epruvete

Izbor orijentacije zareza

Obeleàvanje mesta urezivanja zareza

Urezivanje zareza

Da Ne

Prisustvo zaostalih napona

Stvaranje zamorne prsline

Ispitivanje epruvete

Merenje dimenzija epruvete i duìne prsline

Post-test metalografija

M[ SM Pop-in (M[ ili SM)

Bez metalografije Metalografija obavezna Metalografija obavezna

Analiza rezultata

Izve{taj Slika 9. Shematski prikaz procedura ispitivanja mehanike loma kod zavarenih spojeva prema BS 7448 - deo 2 /5/

U pogledu poloaja zareza i zamorne prsline, standardide dalje i definie razliite varijante za sueoni X i K av,kao i jednoprolazni av. Zahtevi za poloaj prsline su:

Zarez treba postaviti tako da ravan zamorne prslinebude paralelna sa uzdunom osom zavarenog spoja. Vrhprsline treba da se veom duinom nalazi u oblasti kojase ispituje, da ne bi dolo do lokalnih oteenja u malojzapremini materijala.

Zarez se postavlja u metal ava, liniju stapanja ili ZUT.

Za utvrivanje pogodnosti izbora dodatnog materijala

ispituje se metal ava. Shema vaenja epruveta sa zarezom izamornom prslinom u metalu ava je data na sl. 10.

Epruvete za odreivanje parametara mehanike loma seizrauju iz pridruenih probi, izraenih na isti nain kao istvarni proizvod. Za ploe manje debljine od 50 mm koristese epruvete pune debljine. Otpornost prema razvoju prslineu M i ZUT ispituje se na epruvetama sa zarezom i zamor-nom prslinom, to je shematski prikazano na sl. 11-13.

Za ocenu zbirnog uticaja svih podruja zavarenog spoja(M, linija stapanja i ZUT) i tehnolokih uslova zavarivanjazarez se postavlja tako da obuhvata usku traku sva tri

podruja, pri emu se kosina vrha ostvaruje na dubini 1,5 -

2,5 mm.



8/9


N - pravac normalan na M

P - pravac paralelan MQ - pravac po debljini M

Slika 10. Nain vaenja epruveta i poloaj prsline pri ispitivanju metala ava

Pravac Geometrijaepruvete

Poloajzareza

NP B x Bili B x 2B

M du

centralnelinije

NQ B x B M - izkorena ducentralne

linije

NP B x Bili B x 2B

ZUT- zarezu liniji

stapanjana polovini

debljine

NP B x B

ili B x 2B

ZUT- zarez

u linijistapanja naetvrtinidebljine

PQ B x B Popreno uM

PN B x B Popreno uM du

centralne

linije

Slika 11. Poloaj zareza u epruvetama mehanike loma zaispitivanje zavarenog spoja /5/

Postupak odreivanja parametara ilavosti loma zava-renih spojeva je dat i u standardu AWS B4.0M:2000 "Stan-dard Methods for Mechanical Testing of Welds" (Standard-ne metode za mehanika ispitivanja zavarenog spoja), /20/,koji je zajedniko izdanje American National StandardsInstitute - ANSI, American Society for Testing and Materi-als - ASTM i American Petroleum Institute-API.

Ovaj standard predvia ispitivanje epruveta sa zarezomu metalu ava (M) i zoni uticaja toplote (ZUT).

Pravac Geometrijaepruvete

Poloajzareza

NQ B x B Upravno

na M ducentralnelinije

NQ B x B U prvomzavaru

korena M

NQ B x B KrupnozrnastrukturaZUT uz

M

NP B x Bili B x 2B Kroznajveuzapreminu

M duspoja

NP B x Bili B x 2B

Upravno nanajveu

zapreminuM

NP B x Bili B x 2B -za uzorkedeblje od50 mm

Najmanje15% elaprsline u

krupnozrnojZUT

NP B x Bili B x 2B

ZUT - 5mm odlinije

stapanja

Slika 12. Primeri poloaja zareza /5/



9/9


Slika 13. Shema vaenja uzoraka za ispitivanja ilavosti loma prema standardu AWS B4.0M:2000 /20/

ZAKLJUAKPrimena ispitivanja mehanike loma na zavarene spoje-

ve otvorila je put propisivanju standarda za odreivanje od-govarajuih parametara. Danas su opte prihvaeni standar-di BS 7448 - deo 2 /4, 5/, kao i AWS B4.0M:200 /20/. Veiuspeh u primeni ovih ispitivanja je jo uvek ogranienodreenim brojem problema, koji su posledica osnovnihosobina zavarenog spoja i njegovih pojedinanih podruja,sa jedne strane, i posledica sloenosti ispitivanja mehanikeloma i tumaenja rezultata, sa druge strane. Potpunije razu-mevanje ponaanja zavarenog spoja sa prslinom na osnovuispitivanja epruveta sa prslinom i tumaenja dobijenih re-zultata e omoguiti proizvodnju ekonominijih, a sigur-nijih i pouzdanijih zavarenih konstrukcija.

Literatura

1. ASTM E399-87, Standard Test Method for Plane-Strain FractureToughness of Metallic Materials, Annual Book of ASTM Stan-dards 1986, Vol. 03. 01. p. 522.

2. ASTM E 813 - 89, "Standard Test Method for JIc, A Measureof Fracture Toughness", Annual Book of ASTM Standards1986, Vol. 03. 01. p. 651.

3. ASTM E 1152 - 91, "Standard Test Method for Determining J-R Curve" Annual Book of ASTM Standards 1986, Vol. 03. 01.p. 724

4. BS 7448 - Part 1:1991, "Fracture mechanics toughness tests -Methods for determination of K

Ic, critical CTOD and critical J

values of metallic materials"5.

BS 7448 - Part 2:1997, "Fracture mechanics toughness tests -Methods for deter-mination of KIc, critical CTOD and critical Jvalues of welds in metallic materials"

6.

JUS C.A4.083 - Mehanika ispitivanja materijala. Osnovni poj-movi i veliine u mehanici loma.

7.

JUS C.A4.084-Mehanika ispitivanja. Ispitivanje ilavosti lo-ma pri ravnoj deformaciji (KIc).

8.

RadoviA, "Mogunosti korienja kriterijuma mehanike lomau oceni sigurnosti zavarenih spojeva", Letnja kola mehanikeloma - Mehanika loma zavarenih spojeva, Aranelovac, 1984,str. 15-43.

9.

Sedmak A, BurziZ, "Izvetaj o kvalifikaciji tehnologije repa-raturnog zavarivanja reaktora DC-301, Mainski fakultet Beo-

grad, 1999.

10.

Brown, W. F., Srawley, J. E., "Plane Strain Crack ToughnessTesting of High Strength Metallic Materials", Special Techni-cal Publication STP 410, Philadelphia, 1969.

11.

Sedmak S, "Istraivanje uticaja koliine zavarivanjem unetetoplote na promene u ZUT kompleksno legiranih elika visokevrstoe", Naunoistraivaki projekt Fabrike vagona Kra-ljevo i OZN regiona Kraljevo-aak, TMF, Beograd, 1980-1981.

12.Gittus, M, Dolby, R, Welding Research International, No. 9,1989.

13.

Harrison, J. D, "The state-of-the-art in crack tip opening dis-placement (CTOD) testing and analysis - Part 3", Applicationof the CTOD approach, Metal Construction, 1980, p. 600/5.

14.Harrison, J. D,, Dawes, M. G., and Archer, G. L. "The CODApproach and its Application to Welded Structures", ASTM,Philadelphia, 1979;

15.

Satoh, K., Toyoda, M, "The Incidence of Mechanical Hetero-geneity on Fracture Toughness Evaluation of Welds", IIWDoc. X-1031-83, p. 232-248, 1983.

16.

Harris, D, and Elliott, D, "The Practical Significanc of StretchZones in Fracture Toughness Testing", The Mechanical andPhysics of Fracture, Cambridge, p. 107-118, 1975.

17.Miyamoto, M, Kobayashi, H, and Ohtsuka, H, "Standard Met-hod of Test for Elastic-Plastic Fracture Toughness JIcRecom-mended in Japan", ICM4, Stockholm, Vol. 2, p. 747-753,1983.

18.Bokalrud, T, and Korsgren, T "Some aspects of the applicationof probabilistic fracture mechanics for design purposes", Bra-tislava, p. 275-285, 1979.

19.

Manjgo M, "Uticaj koliine uneene toplote na mehanika ieksploatacijska svojstva zavarenog spoja elika 4730",Magistarski rad, Mainski fakultet Zenica, 2000.

20.

AWS B4.0M:2000, "Standard Methods for Mechanical Test-ing of Welds", American National Standards Institutr (ANSI),July 25, 2000.


Documents

Prof Clanak