VPLIV DELTA FERITA NA VARIVOST JEKEL ZA ENERGETIKO · metoda določanja delta ferita v zvarnih spojih. V ... Preizkus se je uveljavil zaradi enostavne izvedbe in iz njega izpeljanih

I

VPLIV DELTA FERITA NA VARIVOST JEKEL ZA

ENERGETIKO

Magistrsko delo

Študent: Matjaž Brajar

Študijski program: Magistrski študijski program 2. stopnje Energetika

Mentor:

Somentor

doc. dr. Zdravko Praunseis

izr. prof. dr. Miralem Hadžiselimović

Lektor: Davorin Lavrič

Krško, februar 2017

II

III

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju doc. dr. Zdravkotu Praunseisu za usmerjanje in vso pomoč pri

nastajanju tega zaključnega dela. Prav tako se zahvaljujem somentorju izr. prof. dr.

Miralemu Hadžiselimoviću. Posebno zahvalo namenjam svojima staršema, ki sta me

spodbujala pri nadaljnjem izobraževanju.

Hvala in obenem tudi opravičilo vsem, ki jih nisem imenoval, a so mi kakor koli pomagali

pri nastajanju tega zaključnega dela.

Posebna zahvala gre tudi Inštitutu za Energetiko Fakultete za energetiko Univerze v

Mariboru za eksperimentalno delo pri celotni nalogi.

IV

VPLIV DELTA FERITA NA VARIVOST JEKEL ZA ENERGETIKO

Ključne besede: merjenje delta ferita, kemijska sestava, varivostni preizkusi, razpokljivost

v vročem in hladnem.

UDK: 621.791/.792:620.1(043.2

Povzetek

Zvarni spoji imajo v energetiki še vedno najpomembnejšo vlogo pri trajnem spajanju

energetskih komponent in s tem različnih ali enakih osnovnih materialov. Za nosilnost in

varnost zvarnih spojev je najbolj pomembno, da jih gradimo brez nastanka razpok, ki

lahko nastanejo v vročem ali hladnem. V nalogi so predstavljeni glavni standardni

postopki eksperimentalnega določanja razpokljivosti v vročem in hladnem. Za varivost

finozrnatih visokotrdnostnih mikrolegiranih jekel je uporabljena analitična in merilna

metoda določanja delta ferita v zvarnih spojih.

V

INFLUENCE OF DELTA FERRIT ON WELDABILITY OF ENERGY STEELS

Key words: measurement of delta ferrite, chemical composition, hot cracking and cold

cracking, welding tests.

UDK: 621.791/.792:620.1(043.2

Abstract

In the energy sector, welding joints still have the most important role in permanent joining

of the same or different materials. For the capacity and safety of welds, it is important to

build them without cracks that occur in hot or cold conditions. For the weldability of high-

strength fine-grained micro-alloyed steels, analytical and measurement methods for

determining delta ferrite in welds are used.

VI

KAZALO VSEBINE

1 UVOD ............................................................................................................................................... 1

2 PROBLEMATIKA RAZPOKLJIVOSTI V ZVARNIH SPOJIH ENERGETSKIH

KOMPONENT .......................................................................................................................................... 3

2.1 KVALITATIVNI PREIZKUSI ............................................................................................................... 3

2.1.1 Varivostni preizkus CTS ................................................................................................................. 3

2.1.2 Preizkus Y/TEKKEN ................................................................................................................ 4

2.2 KVANTITATIVNI PREIZKUS ......................................................................................................... 5

2.2.1 Preizkus z vstavkom (angl. implant test) ................................................................................... 5

2.2.2 Varivostni preizkus TRC ........................................................................................................... 6

2.2.3 Varivostni preizkus RRC ........................................................................................................... 7

2.3 KVANTITATIVNI PREIZKUS VARESTRAINT IN PREIZKUS TRANSVARESTAINT .............. 8

2.4 KVALITATIVNI PREIZKUS FISCO ZA NASTANEK TOPLOTNIH RAZPOK PO SCHNADTU 9

2.5 RAZPOKLJIVOST V HLADNEM ..................................................................................................... 9

2.6 RAZPOKLJIVOST V VROČEM...................................................................................................... 11

3 EKSPERIMENTALNI DEL NALOGE – MERJENJE DELTA FERITA ................................... 13

3.1 PREDSTAVITEV INSTRUMENTA FISCHER ............................................................................... 13

3.2 PREDSTAVITEV NAPRAVE NITON GOLD+ .............................................................................. 16

3.3 POSTOPEK MERJENJA Z NAPRAVO .............................................................................................. 18

4 EKSPERIMENTALNI REZULTATI IN DISKUSIJA ................................................................. 24

4.1 POSTOPEK MERITEV IN REZULTATOV Z NAPRAVO NITON XL3 ............................................. 24

5 SKLEP ............................................................................................................................................ 40

VIRI IN LITERATURA.......................................................................................................................... 42

PRILOGE ................................................................................................................................................ 43

PRILOGA A: POROČILO MERITEV KEMIČNE ANALIZE Z NITON XL3 ............................................ 43

PRILOGA B: POROČILO MERITEV O MERJENJU C ........................................................................... 50

PRILOGA C: IZJAVA O ISTOVETNOSTI TISKANE IN ELEKTRONSKE VERZIJE ZAKLJUČNEGA

DELA IN OBJAVI OSEBNIH PODATKOV DIPLOMANTOV ............................................................... 52

VII

KAZALO SLIK

Slika 2.1: Preizkus CTS glede na razpokljivost v hladnem [1] ............................................. 3

Slika 2.2: Shematski prikaz razreza preizkusnega varka in možnega pojava razpok [2] ...... 4

Slika 2.3: Shematski prikaz preizkusa implant [2] ................................................................ 5

Slika 2.4: Zahteva veljavnosti pri prevaritvi vstavka preko krožne zareze [2] ..................... 6

Slika 2.5: Slika razpokljivosti [3] .......................................................................................... 7

Slika 2.6: Preizkus glede na razpokljivost v hladnem po metodi TRC [3] ........................... 7

Slika 2.7: Preizkus Varestraint za ugotavljanje razpokljivosti v vročem [4] ........................ 8

Slika 2.8: Preizkus elektrod Fisco glede na razpokljivost v vročem [4] ............................... 9

Slika 2.9: Vrste razpok v hladnem v enovarkovnih zvarnih spojih [5] ............................... 10

Slika 2.10: Teorija razpok v toplem po Borlandu [4] .......................................................... 12

Slika 3.1: Naprava Fischer za merjenje delta ferita ............................................................. 13

Slika 3.2: Aparat Fischer v času trenutnega merjenja ......................................................... 14

Slika 3.3: Prenos in obdelava podatkov na računalniku ...................................................... 15

Slika 3.4: Predstavitev in pogled naprave [6] ...................................................................... 16

Slika 3.5:Pregled naprave [6] .............................................................................................. 17

Slika 3.6: Opis in prikaz vseh vhodov [6] ........................................................................... 17

Slika 3.7: Ročno merjenje ................................................................................................... 19

Slika 3.8: A) Specifikacije naprave B) Meni System check ................................................ 19

Slika 3.9: Filtri in njihov čas trajanja .................................................................................. 20

Slika 3.10: A) Filtri Main; B) Filtri Low; C) Filtri Light ..................................................... 20

Slika 3.11: Prikaz rezultatov na analizatorju ....................................................................... 22

Slika 3.12: Prikaz rezultatov na računalniku, kjer se nahaja leča........................................ 22

Slika 3.13: Končno poročilo o rezultatih merjenja .............................................................. 23

Slika 4.1: Prikazuje Jeklene preizkušance ........................................................................... 25

Slika 4.2: Jekleni preizkušanec in ustrezno označene točke za izvajanje meritev kemijske

sestave jekla ......................................................................................................................... 25

Slika 4.3: Rezultati kemične analize jeklenega preizkušanca 1 z Nitonom XL3 ................ 25

Slika 4.4: Schaefflerjev diagram in rezultati na podlagi izračunanih ekvivalentov ............ 28

Slika 4.5: Schaefflerjev diagram z mikrostrukturami visoko legiranih jekel ...................... 28

Slika 4.6: Prikaz merjenja z FISCHER-jem ........................................................................ 31

VIII

Slika 4.7: Trenutna meritev merjenja delta ferita ................................................................ 32

Slika 4.8: Posamezne meritve delta ferita v določeni točki preizkušanca ........................... 32

Slika 4.9: Prikaz rezultatov med izračunanimi in merjenimi vrednostmi ........................... 33

IX

KAZALO TABEL

Tabela 4.1: Prikaz rezultatov merjenja za vseh 9 preizkušancev ........................................ 26

Tabela 4.2: Določanje varivosti glede na izračunani ogljikov koeficient [7] ...................... 30

X

UPORABLJENI SIMBOLI

Nb – Niobij

Ti – Titan

S – Žveplo

P – Fosfor

Cr – Krom

Mo – Molibden

B – Bor

Mn – Mangan

Si – Silicij

Al – Aluminij

Co – Kobalt

W – Volfram

V – Vanadij

Fe – Železo

Ni – Nikelj

C – Ogljik

N – Dušik

t – Debelina materiala

R – Polmer upogibanja

XI

UPORABLJENE KRATICE

TVO – Toplotno vplivno območje

TIG – Tungsten inert gas (varjenje v internem zaščitnem plinu z Wolframovo

elektrodo)

RD – Angl. research development (razvojne raziskave)

CTS – Angl. controlled thermal severity

TRC – Angl. tensile restraint cracking test

RRC – Angl. rigid restraint cracking test

IIW – Mednarodni inštitut za varivost

HW – Trdota

MAG – Angl. metal active gas

REO – Ročno elektro obločno varjenje

MIG – Angl. metal inert gas

Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko

1

1 UVOD

Varjenje je v sodobni energetiki izrednega pomena in lahko trdimo, da je varjenje

interdisciplinarna in zelo kompleksna veda. Zaradi tega za razumevanje pojavov pri

varjenju, ki se dogaja z lokalnim toplotnim poseganjem v kovinske materiale, potrebujemo

interdisciplinarno znanje. Ker se predvsem v ozkem območju zvarnega spoja povsem

spreminjajo lastnosti material, ki jih je imel pred varjenjem, so slednje le redko dosežene

po varjenju. Lastnosti materiala pred varjenjem pa so odvisne od tega, kako je bil izdelan.

Pri tem imajo pomemben vpliv ulivanje, predelava in preoblikovanje v vročem in hladnem

(valjanje, kovanje, vlečenje), termična obdelava (normalizacija, poboljšanje, izločilno

utrjevanje, žarjenje za odpravo preostalih napetosti, predgrevanje, pogrevanje) ter obdelava

za povišanje korozijske obstojnosti, fizikalnih lastnosti in zaščito ter utrjevanje površin. Za

doseganje optimalnih lastnosti zvarnega spoja in s tem celotne zvarjene konstrukcije je v

prvi vrsti bistvenega pomena poznavanje toplotnih pojavov pri varjenju. Na osnovi tega

poznavanja je treba izbrati primerne načine in postopke varjenja glede na zahteve za

obratovanje bodoče varjene konstrukcije in opreme, tako da z izbranimi načini in postopki

varjenja najmanj poslabšamo lastnosti osnovnega materiala na mestu spajanja. Zaradi tega

je bistvenega pomena podrobno poznavanje posameznih načinov varjenja, vključno z

obsegi možnih področij uporabe. Pri tem moramo tudi poznati in upoštevati značilnosti

načinov in postopkov toplotnega rezanja, varjenju sorodnih postopkov in načinov

nabrizgavanja ter uporabe pomožnih naprav, ki jih pogosto uporabimo za pripravljanje

varjencev pred varjenjem ali po njem, in so lahko odločilnega pomena za kakovost

zvarnega spoja.

Iz navedenega je razvidno, da je težavno podati univerzalni recept za tehnologijo varjenja.

Kakovost neke vrste jekla je mogoče uporabiti za različne pogoje obratovanja, tako da

mora tehnologija varjenja slediti različnim zahtevam. Za nosilnost in varnost zvarnih

spojev je najbolj pomembno, da jih gradimo brez nastanka razpok, ki lahko nastanejo v

vročem ali hladnem. V nalogi so predstavljeni glavni standardni postopki

eksperimentalnega določanja razpokljivosti v vročem in hladnem. Za varivost finozrnatih


2

visokotrdnostnih mikrolegiranih jekel je uporabljena analitična in merilna metoda

določanja delta ferita v zvarnih spojih.

Merilo za dobro ali slabo varivost jekel je vsebnost delta ferita. Cilj naloge je

eksperimentalna in analitična določitev delta ferita v jeklih in neposredna ocena varivosti.

Uporabljeni bosta analitična metoda določevanja delta ferita s pomočjo Schaefflerjevega

diagrama in eksperimentalna metoda.


3

2 PROBLEMATIKA RAZPOKLJIVOSTI V ZVARNIH SPOJIH ENERGETSKIH

KOMPONENT

2.1 KVALITATIVNI PREIZKUSI

To so preizkusi, s katerim se ugotavlja pojav razpok v hladnem.

2.1.1 Varivostni preizkus CTS

Ta preizkus se uporablja predvsem za visokotrdnostna jekla v vojaški industriji in omogoča

preizkušanje pod pogoji dvo- in tridimenzionalnega ohlajanja za jekla do 1500 MPa.

Izvedbo prikazuje slika 2.1. Preizkusni pločevini togo zvijačimo in izvedemo vpenjalne

zvarne spoje. Tako pripravimo več preizkušancev. Po ohladitvi izvedemo preizkusni varek

za dvo- in trirazsežno ohlajanje z različnimi temperaturami predgrevanja in pogrevanja. Po

24 urah pregledamo preizkušance vizualno in metalografsko glede na pojav razpok in

določimo ustrezno temperaturo predgrevanja, pri kateri razpoke v hladnem ne nastanejo

več [1].

Slika 2.1: Preizkus CTS glede na razpokljivost v hladnem [1]


4

2.1.2 Preizkus Y/TEKKEN

Preizkus za preizkušanje visokotrdnostnih konstrukcijskih jekel z nizkim deležem ogljika

do trdnosti 1000 MPa so razvili Japonci. Preizkus je rezultat številnih preiskav in pomeni

povezavo z osnovnim preizkusom RRC, ki zajema razmere, ki se pojavijo pri dejanskem

varjenju korenskih varkov v zvarnem spoju, in pri katerem instrumentno merimo kritične

napetosti pri pojavu razpok. Preizkus se je uveljavil zaradi enostavne izvedbe in iz njega

izpeljanih kvantitativnih konceptov. Iz pločevine, ki bo kasneje uporabljena v zahtevni

zavarjeni konstrukciji, izrežemo preizkusne plošče, ustrezno mehansko obdelamo zvarne

robove ter jih paroma sestavimo, kot prikazuje Slika 2. Tako izdelamo več parov

preizkusnih plošč. Po varjenju vpenjalnih zvarnih spojev preizkušance napetostno

odžarimo, da odpravimo vpliv preostalih napetosti. Pri tem moramo paziti, da temperatura

žarjenja ne presega temperature popuščanja pri poboljšanih jeklih. V tako pripravljenem Y-

žlebu z izbrano elektrodo z znano količino vodika pri različnih temperaturah predgrevanja

izvedemo kratek varek s predpisanimi parametri. Po 48 urah preizkusne varke najprej

vizualno pregledamo glede na pojav razpok, nato pa jih prerežemo za metalografsko

preiskavo, kot prikazuje slika 2.2 [1].

Slika 2.2: Shematski prikaz razreza preizkusnega varka in možnega pojava razpok [2]


5

Kot je razvidno, je ta preiskava temeljita, da bi zagotovo odkrila položaj in velikosti

razpok. Po meritvi vseh pojavljenih razpok izvedemo diagram in ugotovimo temperaturo

predgrevanja, ko razpoke ne nastanejo več. [1]

2.2 KVANTITATIVNI PREIZKUS

2.2.1 Preizkus z vstavkom (angl. implant test)

Pri tem preizkusu iz preizkusne pločevine izrezane cilindrične vstavke v smeri valjanja

vstavljamo v pripravljeno ploščo za izvedbo preizkusa ter pri različnih temperaturah

predgrevanja navarimo nanj varek z izbrano elektrodo z znano količino vodika. Preden se

varek ohladi pod 100°C, vstavek vpnemo in obremenimo. Pri preizkusu določamo napetost

in temperaturo, ko se zlom vstavka ne pojavi več. Za vsako posamezno temperaturo

predgrevanja uporabimo en vstavek. Metoda je zelo selektivna in praktično uporabna, saj

sta odvzem vstavkov in izdelava hitra in poceni. Naprava je prikazana na sliki 2.3 [2].

Slika 2.3: Shematski prikaz preizkusa implant [2]


6

Preizkus je končan, ko po 16 urah vstavek ne poči. Napravo sestavljajo stabilno ohišje

naprave, stalna preizkusna plošča (jeklo CMn) z do 4 izvrtinami za vstavke ter ena ali več

mehanskih ali hidravličnih vlečnih naprav različnih kapacitet. Zelo pomembna je točnost

pri izdelavi te vrste in globine krožne zareze, saj mora površina prevaritve preko krožne

zareze znašati φ = 2–20 % površine preseka ob vrhu krožne zareze, x pa predstavlja

območje vrha zareze izven grobozrnate TVO – oba parametra sta odvisna od razdalje

zareze od čela vstavka a – navedene razmere prikazuje slika 2.4. Rezultat je tem

ustreznejši, čim bolj se napetost zloma približuje meji tečenja[1].

Slika 2.4: Zahteva veljavnosti pri prevaritvi vstavka preko krožne zareze [2]

2.2.2 Varivostni preizkus TRC

V preizkusno aparaturo je privijačena z zvarnim žlebom opremljena preizkusna plošča iz

materiala, ki ga preverjamo glede na razpokljivost v hladnem. Takoj po izvedbi varka ali

več varkov z ustrezno temperaturo predgrevanja in tehnologijo varjenja ploščo natezno

vpnemo na predvideno napetost, merjeno z merilnimi lističi, in pri tem opazujemo

nastajanje razpok v preizkusnem varku. Za vsako temperaturo predgrevanja uporabimo po

en preizkušanec. Kot je razvidno iz slike 2.5, razpokljivost ne bo nastopila, če po 16 urah

pri določeni temperaturi predgrevanja v preizkušancu razpoke v hladnem ne bodo nastale

[3].


7

Slika 2.5: Slika razpokljivosti [3]

2.2.3 Varivostni preizkus RRC

Preizkus je podoben preizkusu TRC, le da napetost vpetja nadomestimo z dejanskimi

napetostmi, ki nastopijo po varjenju v togo vpetem stanju, torej v stanju, ki v konstrukciji

lahko nastopi ob najbolj neugodnem trenutku. Preizkus prikazuje slika 2.6. Učinkovitost

vpetja reguliramo z različnimi dolžinami vpetja, torej z različno velikimi preizkušanci, ki

jih togo vpnemo v aparaturo. Preizkušanci so za meritev vpetosti opremljeni z merilnimi

lističi. Potem iz diagrama dobimo temperaturo predgrevanja, pri kateri v dejanskem

zvarnem spoju z uporabljeno tehnologijo varjenja razpoke v hladnem ne nastanejo [3].

Slika 2.6: Preizkus glede na razpokljivost v hladnem po metodi TRC [3]


8

2.3 KVANTITATIVNI PREIZKUS VARESTRAINT IN PREIZKUS

TRANSVARESTAINT

Pri tem preizkušanju se uporablja ocenjevana jeklena pločevina dimenzij 220 × 50 × 10

mm, tako da eno stran vpnemo. Varek nanašamo z ene strani na drugo po sredini s

postopkom za varjenje TIG brez dodajnega materiala ali z dodajanim materialom. Takoj po

prekinitvi električnega obloka vključimo mehanizem za upogibanje. Upogib se izvaja

preko naslona z določenim polmerom R, s čimer dosežemo deformacijo gornjih vlaken ε:

(2.1)

Z menjavo polmera podloge lahko spreminjamo velikost deformacije gornjega dela

navarka. Razpoke v vročem nastajajo v času upogibanja v sredini strjenega varka ali v

tistem delu TVO, ki je bil na meji tekoče in trdne faze. Iz diagrama lahko ocenimo višino

deformacije, pri kateri se začnejo pojavljati razpoke. Na ta način lahko med seboj

primerjamo različna jekla glede na nagnjenost k vročim razpokam. Navedeno metodo

Varestraint in ocenitev prikazuje slika 2.7 [4].

Slika 2.7: Preizkus Varestraint za ugotavljanje razpokljivosti v vročem [4]

Razpoke prečno na smer varjenja nastopajo pri preizkusu Varestraint. V praksi pa se

razpoke v vročem običajno pojavijo v sredini zvarnega spoja v smeri varjenja. Zato pri

preizkusu Transvarestraint smer preizkusa glede na predhodno stanje obrnemo za 90 ° [4].


9

2.4 KVALITATIVNI PREIZKUS FISCO ZA NASTANEK TOPLOTNIH RAZPOK

PO SCHNADTU

Preizkus je predlagal Schnadt in ga imenoval test Fisco. Podoben je preizkusu RD in ga

uporabljamo za preiskavo nagnjenosti zvarnih spojev k razpokam v debelih pločevinah.

Zvarni spoj izvedemo z izbranim postopkom varjenja v obdelani žleb, ki je sestavljen brez

razmika, tako da sta oba dela preizkušanca ukleščena. Tu za selekcijo dodajnih materialov

uporabljamo elektrode, tako da spreminjamo razmik v korenu ter ocenjujemo elektrode in

njihovo sposobnost na premagovanje razmika z vložki, kot prikazuje slika 2.8. Čim širši

razmik v korenu elektroda premosti brez razpok, tem bolj je kakovostna. Metoda je zato

uporabna za selekcijo elektrod s kislo, rutilno in predvsem bazično oblogo glede na pojav

razpok v toplem [4].

Slika 2.8: Preizkus elektrod Fisco glede na razpokljivost v vročem [4]

2.5 RAZPOKLJIVOST V HLADNEM

Razpokljivost v hladnem, ki jo imenujemo tudi vodikova razpokljivost, nastane v varku,

predvsem korenskem, ko so izpolnjeni trije dejavniki:

Zakaljene mikrostrukture (bainiti, vmesne strukture M+B, masivni in igličasti

martenziti)

Natezne varilne napetosti (prečne in vzdolžne),


10

Kritična točka vodika

Čim višja je vpetost varka in čim več je trdih mikrostruktur, tem manjša količina kritične

koncentracije difuzijskega vodika je potrebna za tvorbo razpok. Od vseh treh omenjenih

faktorjev lahko pri pojavu razpokljivosti v hladnem vplivamo le na količino vodika.

Mikrostrukture so namreč odraz kemijske sestave, natezne napetosti pa so odraz debeline,

torej izbranega materiala za določeno konstrukcijo. Ta tip napake predstavlja najtežjo vrsto

napake v sodobnih konstrukcijskih jeklih visokih trdnosti in je lahko vzrok za kasnejši

krhki ali utrujenostni lom. Razpoke se pojavijo v TVO ali strjenem zvarku zaradi počasne

difuzije vodika in njegovega koncentriranja ob ostrih mikro napakah do kritične vrednosti

šele po popolni ohladitvi zvarnega spoja ali pa z zakasnitvijo. Nastopajo lahko vzdolžno v

grobozrnatem predelu TVO pod strjenim zvarom ali prečno v strjenem delu zvara [5].

Slika 2.9 prikazuje nekaj tipov nastajanja razpok v hladnem v zvarnem spoju.

Slika 2.9: Vrste razpok v hladnem v enovarkovnih zvarnih spojih [5]

Vzrok za vzdolžne razpoke v TVO pod korenskim varkom je povečevanje koncentracije

vodika ob zarezi v korenu, torej zaradi interakcije med prečnimi napetostmi in

koncentracijo vodika na vrhu zareze (čim višja je koncentracija vodika ob zarezi, tem nižje

prečne napetosti so potrebne za nastanek razpok). Vzrok za prečne napetosti v strjenem

varku pa so visoke vzdolžne napetosti in difuzijsko naraščanje koncentracije vodika iz

spodnjih plasti proti temenu zaradi izhajanja na prosto. Japonski raziskovalci so s

simulacijo razmer na vrhu zareze in ob prisotnosti plastične deformacije (ko napetost ob


11

vrhu zareze preseže mejo tečenja) ugotavljali intenziteto kopičenja vodika na vrhu zareze.

Plastična deformacija deluje kot črpalka za zbiranje vodika v pasteh, kot so votline,

vključki in izločki. Torej je ob prisotnosti plastične deformacije okoli vrha zareze

pospešena difuzija vodika ob vrhu zareze, ki lahko daleč preseže kritično koncentracijo

vodika za tvorbo razpok.

Zaradi navedenega je treba v vsakem trenutku zajamčiti take pogoje, da razpoke ne

nastanejo. Navedeno dosežemo s predgrevanje in pogrevanjem, tako da pospešimo difuzijo

vodika iz zvarnega spoja in s tem ne dovolimo visoke akumulacije okoli vrha zareze [5].

2.6 RAZPOKLJIVOST V VROČEM

Primarni vzrok za pojav razpok v vročem je izguba sposobnosti deformacije pri visokih

temperaturah. Z zniževanjem temperature v strjenem zvarku ali TVO se vedno pojavljajo

napetosti krčenja, ki izzovejo določeno natezno deformacijo. Razlikujemo nastanek razpok

v strjenem zvarku in nastanek razpok v toplem v TVO.

Razpoke v strjenem zvarku nastanejo zaradi izcejanja nečistoč, kot so S, P in oksidi – torej

zaradi primesi, ki jih ne dodajamo namerno v zvarno talino – imenujemo jih tudi

ekstrinzične razpoke. Kot razlika od navedene nastajajo tudi intrinzične razpoke, ki

nastajajo zaradi reakcije elementov, ki jih namerno dodajamo v zvarno talino, kot so npr.

Nb, Cr, Mo in B. V obeh primerih je pogoj za nastanek razpok v toplem, da so navedeni

elementi v raztaljenem stanju, tako da tvorijo tanke tekoče filme, kar znižuje trdost

kristalnih mej [4]. Teorija nastanka razpok v vročem po Borlandu je shematsko prikazana

na sliki 2.10.


12

Slika 2.10: Teorija razpok v toplem po Borlandu [4]

Razpoke v TVO nastopajo v obliki likvacijskih razpok v konstrukcijskih jeklih. Valjana

jekla imajo vključke in druge nečistoče razporejene v slojih v smeri valjanja. Predvsem

sulfidi, sulfokarbidi in sulfonitridi ter nečistoče imajo temperaturo taljenja, ki je pod

temperaturo krivulje solidus jekla. Tako se del sulfidov pri varjenju v TVO stali in staljeni

film migrira po kristalnih mejah primarnih zrn, ki so pri visoki temperaturi še povečana in

tako še dodatno znižajo njihovo kohezijsko trdnost. Napetosti krčenja na tem območju

povzročijo odpiranje kristalnih mej in pojavi se mreža mikrorazpok v toplem. Pri

visokotrdnostnih konstrukcijskih jeklih v tem mehanizmu sodelujejo še mikrolegirni

elementi, kot so Nb in Ti. Likvacijske razpoke v toplem so bile v TVO opažene v

temperaturnem območju 1300–1350 °C; temperatura krivulje solidus pa se pri teh jeklih

nahaja v območju 1400–1480 °C [4].


13

3 EKSPERIMENTALNI DEL NALOGE – MERJENJE DELTA FERITA

3.1 PREDSTAVITEV INSTRUMENTA FISCHER

Delta ferit merimo z napravo Fischer. Napravo vklopimo s tipko ON/OFF, kjer moramo

najprej izbrati aplikacijo na tipki APPL No. Za izvajanje novih meritev si izberemo prazno

aplikacijo, ki jo moramo pred uporabo kalibrirati. Po izbrani aplikaciji pritisnemo tipko

CAL, če aplikacija še ni kalibrirana, in sledimo postopku, ki se nam izpisuje na zaslonu.

Kalibracija poteka s pomočjo priloženih modelov, ki so prikazani na sliki 3.1.

Slika 3.1: Naprava Fischer za merjenje delta ferita

Kalibracijo začnemo z bazo in tako nadaljujemo, kot to zahteva kalibracija. Vsako meritev

ponovimo trikrat. Nato s smernimi tipkami gor in dol nastavimo točno število določenega

modela, ki je napisan pod vsakim modelom, in potrdimo s pritiskom na ENTER. Po

končani kalibraciji se lahko lotimo izvajanja meritev. Meritve so najbolj natančne, če je

površina merjenca ravna. V primeru, da je površina konveksna ali konkavna, moramo to

upoštevati pri končnem rezultatu, razen v primeru, da smo napravo kalibrirali za takšno

površino. Pri izvajanju meritev sondo pritisnemo na površino in po pisku odmaknemo od

površine. Sonda je narejena tako, da ima v merilni glavi tuljavo, ki generira magnetno


14

polje. Magnetna indukcija ionizira zrna, ki so različne oblike in so med seboj različno

oddaljena, tako da magnetno polje vmes različno penetrira. Pomembno je, da izvajamo

meritve več kot 2 mm od roba in da je površina merjenca čista, saj lahko sicer dobimo

napačne rezultate. Rezultati se po pisku izpišejo na zaslonu naprave in se tudi shranijo za

poznejše pregledovanje. Fisher ima tudi možnost trenutnega merjenja, tako da lahko po

merjeni površini drsimo s sondo in na zaslonu opazujemo trenutne rezultate, ki pa se ne

shranjujejo. To možnost vključimo tako, da pritisnemo tipko za dol, da se na zaslonu

prikaže simbol iz dveh puščic (slika 3.2). Sedaj enostavno sondo pritisnemo na površino in

po njej drsimo v katero koli smer želimo. Rezultati so prikazani na napravi v odstotkih.

Slika 3.2: Aparat Fischer v času trenutnega merjenja

S počjo programa FISCHER DataCenter lahko vse shranjene rezultate prenesemo na

računalnik. Napravo povežemo s priloženim USB kablom in odpremo ustrezen program, ki

je priložen napravi. V primeru, da se naprava ni povezala z računalnikom, jo poskusimo

vklopiti v druga USB vrata. Za prenos podatkov iz aplikacije, ki jo imamo trenutno odprto

na napravi, kliknemo v programu na ikono Current Application. Če pa želimo shranjene

podatke prenesti iz izbrane aplikacije, kliknemo v programu na ikono Selected Application

in izberemo aplikacijo. V programu lahko tako podatke pregledujemo in urejamo. S

pomočjo programa lahko tudi izvajamo meritve, tako da kliknemo na ikono Online. Želeno

meritev poljubno poimenujemo in začnemo z izvajanjem. Podatki se sproti shranjujejo v


15

računalnik, kot vidimo na sliki 3.3, ki jih v primeru kakšne nepravilnosti oz. odstopanja

izbrišemo ali označimo kot nepomembne. Računalnik nam tudi omogoča, da shranimo

trenutne meritve, ki jih sama naprava ne more. Postopek je isti kot s samo napravo:

kliknemo na puščico za dol, da aktiviramo trenutno merjenje, in na računalniku kliknemo

Online za začetek izvajanja meritve. V primeru, da se meritev ne izvaja, moramo v

nastavitvah naprave to omogočiti. To naredimo tako, da petkrat zaporedoma pritisnemo na

Enter, da se pokaže številka 157. To številko s tipko gor povečamo na 159 in kliknemo na

Enter. Nato v nastavitvah USB aktiviramo Send in free in sedaj lahko izvedemo meritve.

Za prekinitev in obdelavo podatkov kliknemo na ikono Stop Online Measurement.

Slika 3.3: Prenos in obdelava podatkov na računalniku


16

3.2 PREDSTAVITEV NAPRAVE NITON GOLD+

Naprava NITON Gold+ je rentgenski analizator materialov. Naprava je v obliki pištole z

zaslonom ter upravljalno zgornjo ploščo (slika 3.4).

Slika 3.4: Predstavitev in pogled naprave [6]

Zgornja plošča je sestavljena iz štirih tipk, srednjega potrdilnega ter dveh nadzornih

gumbov. Tipke se nahajajo pod zaslonom, preko katerih se pomikamo po meniju naprave

(slika 3.4). Napravo vklopimo tako, da držimo tipko za vklop 3 s. Za premikanje po

zaslonu uporabimo zaslon na dotik, ki ga ne moremo ločiti od naprave, spreminjamo pa

lahko nagibni kot zaslona. S prilagajanjem nagibnega kota zaslona nam analizator

omogoča lažji pregled podatkov in s tem tudi izvajanje meritev. Zaslon lahko upravljamo s

pomočjo namenskega orodja (v obliki pisala) ali pa s prstom. Z ekranom na dotik lahko

tako enako upravljamo z napravo kot s štirismernim gumbom. Na zaslonu (slika 3.5) se

dotaknemo ikone in se pomikamo po meniju, za vračanje nazaj pa se dotaknemo tipke

Return.


17

Slika 3.5:Pregled naprave [6]

Meritev začnemo izvajati s pomočjo naprave, tako da pritisnemo na oranžno tipko. Držimo

jo toliko časa, kolikor časa želimo izvajati meritev (največ 60 s). Naprava je opremljena s

štirimi LED lučkami, ki nas opozarjajo na to, da naprava deluje. Analizator ima spodaj

lečo v velikosti 8 mm. S strani so na napravi z vsake strani zareze, ki nam označujejo

sredino leče. Naprava ima vgrajeno tudi kamero, ki nam lahko pokaže položaj leče in tako

bolj točno postavimo analizator na želeno lokacijo. Leča na analizatorju mora biti med

postopkom meritve naslonjena na preizkušancu, saj se preko rentgenske cevi na površino

izsevajo x-žarki. Preko USB vhoda na napravi lahko napravo povežemo z računalnikom

(slika 3.6).

Slika 3.6: Opis in prikaz vseh vhodov [6]


18

S programom na računalniku lahko v celoti upravljamo z napravo. Ko odpremo program,

se na računalniku v živo prikazuje trenutno stanje naprave, kjer lahko z miško klikamo na

ikone in se pomikamo po meniju, kot bi pritiskali ročno. Meritev lahko poženemo tudi

preko računalnika in jo izvajamo toliko časa, kolikor časa želimo. Ta funkcija nam je

predvsem v pomoč, če za elementarno analizo uporabljamo nosilec in naprave ne držimo v

rokah. Z drugim programom, ki je prav tako priložen analizatorju, lahko prenesemo

meritve na računalnik. Podatke lahko nato na računalniku preko programa pregledujemo,

urejamo ter izdelujemo poročila. Naprava se napaja preko baterije, ki zadostuje za kar

nekaj meritev.

V primeru nepravilnega delovanja naprave oz. kake manjše okvare najprej na napravi

odstranimo baterijo, napravo pospravimo v kovček, obvestimo osebo z obsevanji in nato

takoj pokličemo servis. V primeru katere koli večje okvare na napravi najprej analizator

ugasnemo in odstranimo baterijo. V primeru, da baterije ne moremo odstraniti, se

odmaknemo 3 metre ter preprečimo dostop do naprave ostalim in nato pokličemo

nadrejenega, ki je odgovoren za napravo.

3.3 POSTOPEK MERJENJA Z NAPRAVO

Napravo v času izvajanja meritev nikoli ne smemo usmeriti neposredno na sebe ali kako

drugo osebo. Pri izvajanju meritve preizkušancev ne uporabljamo lesene podlage oz. ne

usmerimo naprave neposredno na les, saj les ne absorbira x-žarkov in jih v celoti odbije v

okolico. Pri merjenju površin merjencev najprej zagotovimo, da je merjenec fiksen ter da

se nam v času izvajanja meritev merjenec ne premika. Majhne vzorce lahko pri meritvi

postavimo na leče ter analizator držimo v višini oči. Pred merjenjem katere koli površine

le-te najprej očistimo, saj so tako rezultati natančnejši. Z velikostjo merjenca dobimo tudi

natančnost, saj če je merjenec čez celotno površino leče velikosti 8 mm, so meritve

natančnejše, ker se več žarkov odbije od merjene površine. Lečo naprave ščiti 2-mikronska

folija, ki se na primer pri uporabi opilkov lahko prebode in tujek lahko zaide v notranjost

ter poškoduje analizator. Zato jo je treba v takšnih primerih redno pregledovati in jo v

primeru poškodbe takoj zamenjati.


19

Ročno merjenje z analizatorjem je prikazano na sliki 3.7.

Slika 3.7: Ročno merjenje

Napravo najprej vklopimo, nato počakamo, da se na zaslonu pokaže možnost za prijavo, in

se dotaknemo zaslona ter vpišemo geslo. Pred začetkom izvajanja meritev moramo v

meniju zbrati funkcijo System check, če naprava dlje časa ni bila v uporabi (slika 3.8 B).

Slika 3.8: A) Specifikacije naprave B) Meni System check

Potem gremo v glavni meni in izberemo Advanced ter nastavimo filtre v aplikaciji Element

range (slika 3.9), in sicer Main, Low ter Light Range. Občutljivost detekcije določenih

elementov v posameznem filtru nastavimo z nastavitvijo filtrov. Filtre imamo nastavljene

tako, da čas merjenja z vsemi filtri poteka 60 s (slika 3.9).


20

Slika 3.9: Filtri in njihov čas trajanja

V vsakem filtru se naprava med meritvijo osredotoči na določene elemente. V prvem filtru

Main Range, ki je nastavljen na 8 s, naprava zazna vse elemente. Najbolj je občutljiv na

elemente, ki so prikazani na sliki 3.10 A. Po 8 sekundah preide v filter Low Range, ki traja

5 s in je osredotočen na elemente, ki so prikazani na sliki 3.10 B. Nazadnje preide še v

zadnji filter Light Range, ki traja 47 s in je osredotočen na elemente prikazane sliki 3.10 C.

Slika 3.10: A) Filtri Main; B) Filtri Low; C) Filtri Light

Meritev z vsemi filtri skupaj traja 60 s in tako dobimo tudi natančne meritve. Lahko pa

opravimo meritev v krajšem času in gremo samo skozi en filter, vendar meritev ni tako

natančna, a vseeno dovolj dobra za prepoznavnost materiala. Rezultat meritev določenega

preizkušanca je prikazan v odstotkih.


21

Po vseh končanih nastavitvah lahko začnemo z izvajanjem meritev. V osnovnem meniju

odpremo aplikacijo Analyze. Po končanem vnosu vse potrdimo ter nastavimo lečo na

preizkušanec. Leča mora biti lepo naslonjena na preizkušanec, saj s pokritostjo celotne leče

pridobimo bolj točne meritve. Merjenec mora biti pred izvedbo meritve očiščen, saj bi

prisotni tujki na površini lahko vplivali na napačne meritve. Z napravo moramo ravnati v

skladu s pravili, kot jih narekuje proizvajalec, saj vsebuje rentgensko cev, ki izseva x-

žarke. Le ti so ob preveliki količini nevarni za človeka in zato previdnost nikoli ni odveč.

Sedaj, ko se zavedamo nevarnosti in imamo analizator lepo naslonjen na merjenec, lahko

pritisnemo in držimo sprožilec. Sprožilec držimo toliko časa kot želimo. Dlje kot bo trajala

meritev, bolj bodo podatki natančni. Kot smo že omenili v prejšnjem poglavju, je treba

sprožilec držati 60 s, če želimo preiti skozi vse filtre. O prehodu iz enega filtra v drugega

nas opozori zvočni signal. Med samim izvajanjem meritve nas opozarjajo štiri rdeče LED

lučke na napravi. LED lučke nas opozarjajo, da meritev poteka in da je pri tem prisotno

sevanje. Zaradi prisotnosti sevanja v času meritve pred nami ne sme stati oseba bližje kot 3

m in zadaj ne bližje kot 2 m. Sam analizator je oblikovan v obliki solze, ki zagotovi našo

varnost pred sevanjem (slika 3.7). Analizator bi v primeru sevanja žarke odbil stran od nas,

zato nismo v nevarnosti, ko stojimo za njim.

Med samo meritvijo lahko na zaslonu, ki mu lahko spremenimo nagibni kot, spremljamo

trenutno analizo. Na zaslonu se sproti osvežujejo pridobljene informacije o analizi ter čas

izvajanje meritve. Ko želimo končati meritev, spustimo sprožilec ter počakamo, da se

meritev zaključi in shrani. Nato lahko analizator odmaknemo od merjenca in pregledamo

rezultate, ki so se izpisali na zaslonu (slika 3.11). S smernimi tipkami gor in dol lahko

pregledamo podatke. S tipkami levo in desno pa se premikamo med ostalimi meritvami, ki

so shranjene v napravi. Če želimo nadaljevati z analizami, pa enostavno spet postavimo

analizator na merjenec ter pritisnemo in držimo sprožilec. S tem ponovimo celoten

postopek meritev. Za dostop do rezultatov se vrnemo v glavni meni ter kliknemo na ikono

Data, kjer imamo pod ikono View data dostop do vseh meritev, ki so bile opravljene in

shranjene. Zgoraj na levi strani meritve vidimo zaporedno številko (slika 3.11), malo nižje

pa je naveden čas opravljanja meritve v sekundah. Vrstico nižje je izpisano ime kovine po

standardu, ki je primerljiv glede na elemente v knjižnici naprave (npr. SS-304). Naprej


22

desno od primerljivega elementa je izpisana številka zanesljivosti, ki v primeru, da je

prevelika, izpiše No match, kar pomeni, da zlitina ni primerljiva z nobenim materialom v

knjižnici. Če je številka zanesljivosti manjša od 2, pomeni, da je zlitina dobro primerljiva z

izbranim elementom iz knjižnice.

Slika 3.11: Prikaz rezultatov na analizatorju

Vse meritve lahko iz naprave tudi izbrišemo, tako da v meniju Data kliknemo na Erase all

date. Za obdelavo meritev je najboljše, da prenesemo vse želene meritve na računalnik. S

priloženim USB kablom povežemo računalnik ter analizator in na računalniku odpremo

program NDT. Tukaj kliknemo na ikono Download, kjer izberemo vse želene meritve za

prenos in jih prenesemo. V programu imamo lep pregled nad vsemi meritvami in jih lahko

primerjamo. S klikom na kamero pred poimenovano meritvijo lahko tudi vidimo sliko, kjer

se je leča nahajala (slika 3.12).

Slika 3.12: Prikaz rezultatov na računalniku, kjer se nahaja leča


23

Z dvoklikom na izbrano meritev lahko odpremo Specreview. O vsaki meritvi lahko s tem

programom ustvarimo poročilo z našim logotipom ter podatki, tako da desno kliknemo na

izbrano analizo ter izberemo Print Certificate Preview (slika 3.13). Poročilo lahko tudi

shranimo in pretvorimo v format pdf. Poročilo je opremljeno s časom in datumom

izvajanja meritve, trajanjem meritve, primerljivim elementom, številko primerljivosti ter

seznamom vseh izmerjenih elementov.

Slika 3.13: Končno poročilo o rezultatih merjenja


24

4 EKSPERIMENTALNI REZULTATI IN DISKUSIJA

Kemijska analiza je preizkus, s katerim ugotovimo kemično sestavo preizkušanca, pri tem

pa ga ne poškodujemo. Se pravi, da ta metoda spada med neporušne metode. Za kemično

analizo je bilo treba uporabiti merilno napravo Niton XL3. Ko je kemijska sestava znana,

zmerimo še vsebnost ferita vsakega merjenca posebej z merilno napravo Fischer.

4.1 POSTOPEK MERITEV IN REZULTATOV Z NAPRAVO Niton XL3

Pri postopku kemične analize preizkušancev želimo pridobiti podatke o sestavi materiala

na takšen način, da pri tem ne poškodujemo preizkušanca. Se pravi, da je način preizkusa

neporušne narave. Za ta namen smo uporabili analizator Niton XL3.

Na podlagi rezultatov meritve in računanja ekvivalentov smo določili sestavo jekla in

kakšna je varivost.

Jeklene preizkušance (slika 4.1) različnih oblik smo ustrezno označili. Meritve smo

opravili na treh mestih, ki smo jih enakomerno določili po dolžini preizkušanca, s čimer

smo odpravili vpliv lokalnih področij na točnost rezultatov (slika 4.2). Meritve so potekale

na vsaki lokaciji približno eno minuto, da je naprava odčitala vse potrebne parametre za

določitev kemične sestave preizkušanca.


25

Slika 4.2: Jekleni preizkušanec in ustrezno označene točke za izvajanje meritev kemijske sestave jekla

Rezultati meritev so prikazani v obliki poročila, ki se nahaja pod prilogo A. Izvleček

poročila je prikazan na sliki 4.3.

Slika 4.3: Rezultati kemične analize jeklenega preizkušanca 1 z Nitonom XL3

Slika 4.1: Prikazuje Jeklene preizkušance


26

Na podlagi rezultatov iz poročila (Priloga A) smo po spodnjih enačbah 4.1 in 4.2 določili

ustrezen nikljev in kromov ekvivalent. Vsebnosti C pa z napravo Niton ne moremo zmeriti,

zato sem prosil podjetje Sij Acroni, da mi zmerijo vsebnost C, saj so izračuni tako bolj

točni kot če bi vzel neko povprečje. Dobljene podatke sem vnesel v tabelo 4.1.

(4.1)

(4.2)

Tabela 4.1: Prikaz rezultatov merjenja za vseh 9 preizkušancev

Komponenti Preiz.

1

Preiz.

2

Preiz.

3

Preiz.

4

Preiz.

5

Preiz.

6

Preiz.

7

Preiz.

8

Preiz.

9

% % % % % % % % %

Ogljik – C 0,070 0,120 0,049 0,048 0,140 0,090 0,180 0,021 0,120

Silicij – Si 0,400 0,574 0,083 0,0626 0,00 0,080 0,382 0,426 0,800

Magnezij –

Mn

0,900 0,577 0,000 1,419 1,529 0,340 0,496 1,738 7,000

Krom – Cr 22,50 13,856 0,043 17,651 17,724 0,063 0,553 17,489 19,000

Molibden –

Mo

2,50 0,549 0,000 0,198 0,052 0,004 0,273 0,278 9,000

Nikelj – Ni 13,10 0,211 0,000 8,341 8,120 0,034 0,145 8,038 0,000

Niobij – Nb 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,030 0,000 0,000

Titan – Ti 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000

Rezultati izračunov za nikljev ekvivalent za vsak preizkušanec posebej:

(4.3)

(4.4)

(4.5)


27

(4.6)

(4.7)

(4.8)

(4.9)

(4.10)

(4.11)

Rezultati izračunov za kromov ekvivalent:

(4.12)

(4.13)

(4.14)

(4.15)

(4.16)

(4.17)

(4.18)

(4.19)

(4.20)


28

Na podlagi izračunanih ekvivalentov lahko iz Schaefflerjevega diagrama razberemo

mikrostrukturo naših jeklenih preizkušancev. Schaefflerjev diagram z umeščenimi točkami

in rezultati je prikazan na sliki 4.4 in na sliki 4.5.

Slika 4.4: Schaefflerjev diagram in rezultati na podlagi izračunanih ekvivalentov

Slika 4.5: Schaefflerjev diagram z mikrostrukturami visoko legiranih jekel


29

Za določitev varivosti moramo izračunati ogljikov ekvivalent za določitev razreda

težavnosti varjenja. Za določitev tega koeficienta smo uporabili Dearden-O'Neillovo

enačbo (enačba 4.21):

(4.21)

Rezultati izračunov za ogljikove ekvivalente:

(4.22)

(4.23)

(4.24)

(4.25)

(4.26)

(4.27)

(4.28)

(4.29)

(4.30)


30

Varivost po Dearden-O'Neillovi enačbi se določi iz tabele 4.2 .

Tabela 4.2: Določanje varivosti glede na izračunani ogljikov koeficient [7]

Ogljikov ekvivalent Varivost

< 0,35 Odlična

0,36–0,40 Zelo dobra

0,41–0,45 Dobra

0,46–0,50 Slaba

> 0,50 Zelo slaba

Ogljik je za oceno varivosti najpomembnejši element. Njegova vsebnost v jeklu za oceno

dobre varivosti mora biti C < 0,22 %, ker je to meja slabe oz. dobre kaljivosti jekla. Slaba

kaljivost pomeni dobro varljivost, ker v TVO nastopajo mehkejše in bolj žilave

mikrostrukture. S povišanjem vsebnosti C v jeklu močno narašča trdota v TVO. Vendar na

oceno varivosti pri tem vplivajo še dodatni parametri, npr. debelina jekla, drugi legirni

elementi, prisotne nečistoče, plini … Torej je vpis in razumevanje varivosti jekla

kompleksen pojem. Za primerjavo varivosti dveh različnih ogljikovih jekel, ki sta kot

primer navedeni spodaj, uporabimo ogljikov ekvivalent, ki ga je predpisal IIW, s katerim

na splošno ocenimo varivost jekla [8].

Glede na kemijsko analizo jekla določimo Ceq po IIW:

Pravilo:

- Če je Ceq < 0,45, je jeklo dobro varljivo in ni potrebno predgrevanje, dovoljena je

uporaba poljubnih elektrod;

- Če je Ceq = 0,45–0,60, je potrebno predgrevanje na 100–200 °C z uporabo

bazičnih nizkovodikovih elektrod;

- Če je Ceq > od 0,60 je potrebno visoko predgrevanje na 250–350 °C in uporaba

posebnih nizkovodikovih elektrod. Glede na visoke varilne napetosti je treba

uporabiti termično obdelavo zvarnega spoja po varjenju.


31

Meja med dobro in slabo varivostjo je okvirno po IIW dogovorjena dopustna trdota

maksimalno 350 HV v TVO. Zveza med trdoto in Ceq je podana z enačbo HV maks in je

približno 1200 Ceq minus 200. Torej je pri Ceq = 0,46 dosežena mejna trdota 350 HV, ki

se znižuje s porastom debeline. Zgornja zveza med trdoto in Ceq velja za ogljikova jekla z

vsebnostjo C > 0,18 %. Za jekla z nižjo vsebnostjo C, kot so sodobna visokotrdnostna

jekla, pa postaja netočna in za oceno varivosti jekla pregroba zaradi zniževanja trdote s

predgrevanjem in večje količine vnesene toplote [8].

Jeklene preizkušance smo nato zmerili še z napravo za merjenje delta ferita – Fischer.

Meritve smo izvajali z merilno sondo prav tako na treh mestih. Rezultate smo vnesli v

tabelo. V spodnji tabeli je pogled prvega preizkušanca, pri čemer smo vzeli povprečje.

To je neporušna metoda merjenja.

Na podlagi rezultatov meritev smo določili vsebnost ogljika v posameznemu merjencu.

Izvajanje merjenja delta ferita z inštrumentom je prikazano na sliki 4.6.

Slika 4.6: Prikaz merjenja z FISCHER-jem


32

Rezultati meritev so prikazani v obliki poročila v prilogi B. Izvleček poročila je prikazan

slikah 4.7 in 4.8.

Slika 4.7: Trenutna meritev merjenja delta ferita

Slika 4.8: Posamezne meritve delta ferita v določeni točki preizkušanca

Rezultati meritev so prikazani v obliki poročila v prilogi B

Na podlagi izračunanih in merjenih ekvivalentov lahko iz Schaefflerjevega diagrama

razberemo raztros med izračunanimi in merjenimi rezultati jeklenih preizkušancev.

Schaefflerjev diagram z raztrosom je prikazan na sliki 4.9.


33

Slika 4.9: Prikaz rezultatov med izračunanimi in merjenimi vrednostmi

Med poglavitnejše legirne elemente štejemo Mn, Mo, Si, Cr, Al, Co, W, V, Ti, Ni … in

mnoge druge, ki jih dodajamo, da bi zmanjšali ali izničili učinke nečistoč. Delimo pa jih

lahko na elemente, ki z ogljikom tvorijo karbide (Cr, Mn, W, Mo, Ti) ali ne (Ni). Zlitinski

element, kot je npr. Ni, stabilizira fazo (avstenit) in tako povečuje področje stabilnosti

avstenita. Te elemente imenujemo gamageni. Drugi zlitinski element, kot je na primer Cr,

pa stabilizira fazo (ferit).

Silicij deluje močno dezoksidacijsko in mora biti prisoten v pomirjenih C jeklih v

vsebnosti 0,15–0,45 %. Si veže ter ga pri varjenju odplavlja v žlindro. Preprečuje

nastanek blokovnih izcej ter povečuje odpornost proti staranju.

Če je jeklo nepomirjeno (Si < 0,15 %), se tvorijo blokovne izceje, ki se pri valjanju

neugodno razporedijo po valjancu in pri varjenju povzročajo toplotne razpoke. Torej je

varjenje omejeno le na območja, kjer izcej ni. Priporočena je uporaba bazičnih elektrod ali

postopka TIG/MAG.

Mangan dodajamo za povišanje trdnosti ob sočasnem znižanju vsebnosti C in tako

izboljšamo varivost in žilavost. Poleg tega Mn dezoksidira talino in nase veže tudi žveplo v

obliki MnS, s čimer znižuje občutljivost jekla za razpokljivost v vročem [8]. Priporočljivo

je, da je razmerje Mn/S > 20. Pri varjenju ob obremenitvi pravokotno na debelino lahko v


34

TVO povzroča lamelarne lome, ki so posledica pojavljanja podolgovatih vključkov MnS

od valjanja.

Žveplo v jeklu ni zaželeno, ker povzroča krhkost v toplem (pri temperaturi valjanja ca. nad

1000 °C se tvori tekoči evtektik Fe-FeS), pri varjenju pa razpokljivost v vročem. Običajno

je vsebnost žvepla v jeklu S < 0,035 %, kadar pa je zahtevana odpornost proti lamelarnim

lomom, mora biti S < 0,01 %. Žveplo tudi znižuje duktilnost TVO pri napetostnem

žarjenju jekel CrMoV in tako pospešuje nastanek razpok pri termični obdelavi.

Fosfor sicer dviguje natezno trdnost in mejo tečenja, vendar pospešuje krhkost v hladnem

in ga je zato lahko v jeklu običajno P < 0,035 %. P povzroča izceje, ki jih zaradi njegove

slabe difuznosti v αFe in Fe ni mogoče popraviti s toplotnim izenačevanjem koncentracij.

P ob večjih vsebnostih povzroča krhkost ferita in tako lome v hladnem. Pri daljših časih

žarjenja se nakopiči na kristalnih mejah in povzroča popuščno krhkost. Žilavost jekla je

izboljšana predvsem pri nizkih temperaturah, če je P < 0,02 %.

Dušik je vezan v jeklu v obliki nitridov. Vezan na železo (če ni prisoten Al, Nb, V, Ti, ki

ima večjo afiniteto do N kot Fe) povzroča staranje in lom v modrem, zato naj ga bo v

ogljikovem jeklu N < 0,002 %. Z vezavo N na navedene elemente v močno pomirjenem

jeklu predstavljajo nitridi kali za drobnozrnatost in so osnova za proizvodnjo finozrnatih

jekel. Poleg tega N stabilizira avstenit in je tako namensko uporaben kot legirni element pri

nerjavnih jeklih. Dušik pri varjenju prihaja iz zraka in tako predvsem pri dolgem

električnem obloku pri ohlajanju taline lahko povzroča poroznost [8].

Krom ima telesno (prostorsko) centrirano kubično kristalno zgradbo in je alfageni element,

zato stabilizira ferit . Ogljik C pa gamageni element, zato si njuna učinka nasprotujeta. Z

večanjem deleža ogljika je treba za doseganje feritne mikrostrukture povečati tudi delež

Cr.

Martenzitna jekla so pri povišanih temperaturah sestavljena iz avstenita. Pri ohlajanju se

zaradi zelo majhne kritične ohlajevalne hitrosti pretvorijo v martenzit tudi pri ohlajanju na

zraku. Martenzitna jekla so samokaljiva.


35

Visoko legirana jekla uporabljamo predvsem za procesno opremo, ki obratuje pri zelo

nizkih, nizkih, povišanih in visokih temperaturah pod normalnim ali povišanim tlakom ter

v normalnih ali korozijsko agresivnih okoljih.

Navedena jekla vsebujejo več kot 5 % legirnih elementov in jih uporabljamo za:

- izboljšanje korozijske ali visokotemperaturne obstojnosti,

- doseganje boljših električnih ali magnetnih lastnosti,

- povišanje obrabne obstojnosti,

- izboljšanje trdnostnih lastnosti za obratovanje pri nizkih temperaturah.

Glavni legirni elementi so porazdeljeni v dve skupini :

- stabilizatorji avstenita: Ni, C, Cu, Co, Mn, N, ki s povečanjem vsebnosti širijo območje γ;

- stabilizatorji ferita: Cr, Mo, Si, Al, W, Ti, Nb, V, ki s povišanjem vsebnosti ožijo

območje γ.

Pregled izoblikovanih mikrostruktur podaja Schaefflerjev diagram, ki je sestavljen na

osnovi Ni-ekvivalenta kot merila za avstenitno izoblikovanje mikrostruktur in Cr-

ekvivalenta kot merila za izoblikovanje feritnih mikrostruktur [9]:

(4.31)

(4.32)

Kemijska analiza je preizkus, s katerim ugotovimo kemično sestavo preizkušanca, pri tem

pa ga ne poškodujemo. Se pravi, da ta metoda spada med neporušne metode. Za kemično

analizo je bilo treba uporabiti merilno napravo Niton XL3. Ko je kemijska sestava znana,

zmerimo še vsebnost ferita vsakega merjenca posebej.

Jedrske elektrarne ter kemične, petrokemične in farmacevtske tovarne uporabljajo posebna

kakovostna jekla, pri katerih je potrebno redno preverjanje vsebnosti ferita.


36

Dobili smo izbrane merjence, ki smo jih izmerili, se pravi opravili kemijsko analizo in

določili vsebnost ferita. Nato pa smo izbrane podatke vnesli v tabelo in v Schaefflerjev

diagram (slika 4.9).

V diagramu na sliki 4.9 so vrisana območja mikrostruktur A, F, A+F, A+M, M+F, A+F+M

in A+F+M ter območja neugodnih pojavov, ki so obravnavana pri vsakem tipu jekla

posebej. Posebej je v tem diagramu ponazorjena sestava ferita: alfa-ferit predstavlja

sestavo čistega ferita, gama-ferit pa predstavlja sestavo ferita z različnimi osebnostmi Cr.

Nerjavna jekla vsebujejo 13 do 17 % kroma, ognjeodporna pa do 25 % Cr. Za dobro

obstojnost proti koroziji je potrebna najnižja vsebnost 13 % Cr. Ognjeodporna jekla so

tista, ki nad 550 °C na površini tvorijo kompaktni kromov oksid, ki ščiti pred škodljivimi

vročimi plini, pepelom in solnimi ter kovinskimi talinami. Feritna Cr jekla imajo pretežno

feritno in martenzitno mikrostrukturo, pri čemer je martenzit popuščen v mehkejšo in bolj

žilavo vmesno strukturo, če uporabljamo istovrstni dodajni material, strnjeni zvar pa v

varjenem stanju vsebuje martenzit in delta-ferit z majhnim deležem ostalega avstenita [9].

Poviševanje ferita znižuje zarezno žilavost.

Pri varjenju feritnih jekel lahko nastopi naslednja problematika:

- Rast zrnja: nad temperaturo 1050 °C se pospešeno tvori grobo zrno, kar močno

zniža zmožnost preoblikovanja. Naknadna termična obdelava za zmanjšanje zrna ni

mogoča, ker od temperature solidus do sobne temperature ta jekla nimajo premene.

Dodatki Ti, N2 in Al lahko s povečanjem števila kali zavirajo rast zrna [10].

- Krhkost 475°C: v temperaturnem območju 450–525 °C pride do finega izločanja

intermetalnih faz, ki povišajo krhkost jekla in zvarnega spoja. K temu pojavu so po

daljšem časovnem zadrževanju v navedenem temperaturnem intervalu bolj

nagnjena jekla z > 17 % Cr, manj pa so občutljiva jekla z < 14 % Cr. Ker so časi pri

varjenju v kritičnem temperaturnem območju kratki, ta fenomen pri varjenju ne

pride do izraza. Krhkost 475 °C lahko odpravimo s kratkočasovnim segrevanjem

elementa na 700–800 °C in gašenjem v vodi [10].


37

- Delta faza: v temperaturnem območju 650–850 °C se lahko tvori intermetalna faza,

bogata s Cr in z visoko trdoto do 1000 HV. S povišanjem vsebnosti Cr se veča

območje ferita in zapira območje avstenita v legirnem sistemu Fe-Cr. Čim višji je

procent Cr, višja je krhkost. Z žarjenem pri 900 °C delta fazo raztopimo, tako da so

jekla nad to temperaturo uporabna brez bojazni za pojav dodatne krhkosti. Tudi

tukaj velja ugotovitev, da pri kratkih časih, ki jim je jeklo pri varjenju izpostavljeno

v navedenem temperaturnem intervalu, fenomen ne pride do izraza.

- Interkristalna korozija: nad temperaturo 950 °C pride do izločanja karbidov Cr 23

in C6 ter nabiranja na kristalni meji, tako da sosednja območja padejo pod mejo

rezistence 13 % Cr in se lahko pojavi interkristalna korozija, v nasprotju z

avstenitnimi jekli, tik ob meji spajanja. Navedeno lahko delno odpravimo z

difuzijskim žarjenjem med 650 in 900 °C, ker pride do izenačevanja koncentracij in

do koagulacije karbidov. Feritna jekla z nad 18 % Cr lahko proti interkristalni

koroziji zavarujemo tako, da jih stabiliziramo s Ti v vrednosti Ti = 0,20 + 4 (C +

N2).

- Zarezna občutljivost: s povišanjem vsebnosti Cr se v jeklu znižuje zarezna žilavost.

Z omejevanjem vsebnosti C in N na skupno vrednost 0,03–0,05 % po varjenju

dobimo zvarne spoje z zadovoljivo žilavostjo. Pri majhnih debelinah lahko

predgrevanje in termično obdelavo po varjenju izpustimo. Pri večjih debelinah

varimo tako, da element primerno predgrejemo na 200 °C, varjenje pa izvajamo z

nizko dovedeno toploto za preprečitev nastajanja grobega zrnja v TVO (elektrode z

majhnim premerom). Po varjenju odžarimo pri 700–800 °C. S predgrevanjem

znižamo nevarnost razpok, s termično obdelavo pa znižamo krhkost. Debelina

pločevine naj pri visokih vsebnostih Cr ne prisega 6 mm. Varimo z istovrstnimi ali

avstenitnimi dodajnimi materiali. Če korozijske razmere to dopuščajo, je bolje

uporabiti duktilni avstenitni strnjeni zvar. Kadar so prisotni žveplovi plini (možen

nastanek nizko taljivega evtektika Ni+NiS), potem polnilne varke izvajamo z

avstenitnimi dodajnimi materiali, krovni varek pa izvedemo s feritnimi. Pri

cikličnih temperaturnih obremenitvah pa zaradi avstenitnega strnjenega zvara

nastanejo visoke varilne napetosti kot posledica razlike v razteznostnem koeficientu


38

med feritom in avstenitom, kar lahko vodi do pojava utrujenostnih razpok. Kadar

varimo z avstenitnimi dodajnimi materiali, izberemo stabilizirani material z 22 %

Cr, 14 % niklja in 2,7 % Mo. Dodajni material s 25 % Cr in 4 % Ni je avstenitno-

feritni, vendar s podobnim razteznostnim koeficientom kot feritno jeklo. Po DIN

8556 so dodajni materiali za varjenje REO, MIG/MAG in EPP. Po EN 1600 so

normirane oplaščene elektrode, po EN 12072 in EN 12073 pa so normirane palične

elektrode žice in polnjene žice za varjenje v zaščitnem plinu ter brez njega [11,12].

Navedena jekla z nizko vsebnostjo C imenujemo metastabilna, zato ker se pri teh jeklih iz

taline zmesni najprej začnejo izločati kristali delta-ferita, nato pa iz njega šele s premeno

zmesni kristali avstenita. Poleg tega pa po daljšem času pri nizki temperaturi ali pa po

hladni plastični deformaciji prične iz avstenita izhajati martenzit (premena iz avstenita v

martenzit je premaknjena pod sobno temperaturo), kar je pospešeno, če sta prisotna Mo in

Nb [11, 12].

Avstenitna nerjavna jekla so normirana po EN 10088 – 1,2,3. Označujemo jih tudi kot

nerjavna kislinsko odporna jekla in so legirana s Cr in Ni ter z dodatki Mo, Mn, Ti, Nb in

N. Običajna sestava je z 18 % Cr in 8 % Ni. Jekla so duktilna, žilavost je dobra tudi pri

zelo nizkih temperaturah in dobro so variva z istovrstnimi dodajnimi materiali. Jekla niso

nagnjena k tvorbi grobega zrnja in niso nagnjena h krhkosti 475 °C. Pri varjenju ni

potrebno predgrevanje niti ni potrebna termična obdelava po varjenju. V TVO jekla niso

nagnjena k tvorbi grobega zrnja, kot je to pri feritnih nerjavnih in ognjeodpornih jeklih.

Kljub temu je treba paziti na pojav delta faze interkristalne korozije, ko so za to dani

pogoji:

- Tvorba delta faze: v mikrostrukturnem deležu delta ferita lahko nastopi delta faza z

razpadom ferita v temperaturnem območju od 650 do 850 °C, s čimer se poslabšajo

žilavostne lastnosti. Nastop krhkosti lahko odpravimo z žarjenjem na 1050 °C in

hitrim ohlajanjem.

- Pojav interkristalne korozije: ker se navedena jekla uporabljajo pretežno kot

kislinsko odporni materiali pri gradnji kemijske opreme, je korozijska obstojnost

izredno pomembna. Prvenstveno je ta podana z mejo vsebnosti Cr pri več kot 12 %


39

. Pri varjenju ob zvarnem spoju na obeh straneh v temperaturnem območju od 500

do 800 °C tudi po kratkih časih nastopi izločanje kromovih karbidov Cr 23 C6 po

kristalnih mejah iz sosednjih območjih matrice zrnja. Tako se vzdolž kristalnih mej

sosednja območja osiromašijo s Cr in lahko padejo pod mejo korozijske odpornosti

12 % Cr . Ob prisotnosti agresivnih medijev tako pride do razpada navedenih

območij, ki so v nasprotju s feritnimi jekli oddaljeni od linije zlitja in prepustnosti

opreme [11, 12].


40

5 SKLEP

Jekla so tiste železove zlitine, pri katerih je poleg železa najpomembnejši zlitinski element

ogljik (C), poznamo dve osnovni vrsti jekel, in sicer legirana in nelegirana. Odvisno od

deleža legirnih elementov in ogljika jeklo uvrstimo v določeno mikrostrukturo.

Delta ferit zelo pogosto nastopa v avstenitnih jeklih, seveda pa nastopa tudi v čistih

avstenitnih jeklih. Pojavlja se in obstane predvsem v strukturi jekel CrNi. Za določevanje

delta ferita v določenem preizkušancu se največkrat uporablja Schaefflerjev diagram. Na

določevanje delta ferita vpliva tudi temperatura.

Praktični prispevek naloge je, da sem se naučil izvajati analitični izračun in

eksperimentalno merjenje delta ferita ter primerjavo, s pomočjo katere sem lahko ocenil

varivost jekel za energetiko.

V našem primeru smo imeli preizkušance, ki smo jim s pomočjo kemijske analize in nato

še z inštrumentom za direktno merjenje določili vsebnost delta ferita. Ugotovili smo, da je

po merjeni metodi lahko do 23 % več delta ferita v jeklu, kot smo ga določili z analitično

metodo, v nekaterih preizkušancih pa tudi manj. To pomeni, da če tega ne določimo

pravilno, smo se lahko zmotili pri oceni varivosti jekel za energetiko, kar lahko vodi do

pojava razpok in porušitve konstrukcije.

Glede na izračunan nikljev in kromov ekvivalent ter Schaefflerjev diagram lahko

opredelimo mikrostrukturo jeklenega preizkušanca. Če jekla ne vsebujejo feritne strukture,

pomeni, da je jeklo slabo varivo in ima visoko trdnost. Optimalno varivost dosežejo

avstenitna jekla, ki vsebujejo med 5 in 12 % delta ferita. Varivost smo ocenili z izračunom

ogljikovega ekvivalenta.


41

Pravilo varivosti je naslednje:

Če je Ceq < 0,45, ni potrebno predgrevanje za odpravo kalilnih mikrostruktur.

Če je Ceq = 0,45 – 0,60, je potrebno predgrevanje.

Če je Ceq > 0,60, sta potrebna visoko predgrevanje in termična obdelava po varjenju.

Če je Ceq > 0,60, sta potrebna visoko predgrevanje in termična obdelava po varjenju [13].

Meja kaljivosti je ca. 0,22 % C [13].

Primarni vzrok za pojav razpok v vročem je izguba sposobnosti deformacije pri visokih

temperaturah. Z zniževanjem temperature v strjenem zvarku ali TVO se vedno pojavljajo

napetosti krčenja, ki izzovejo določeno natezno deformacijo. Razlikujemo nastanek razpok

v strjenem zvarku in nastanek razpok v toplem v TVO.

Razpoke v hladnem se pojavijo v TVO ali strjenem zvarku zaradi počasne difuzije vodika

in njegovega koncentriranja ob ostrih mikronapakah do kritične vrednosti šele po popolni

ohladitvi zvarnega spoja ali pa z zakasnitvijo. Nastopajo lahko vzdolžno v grobozrnatem

predelu TVO pod strjenim zvarom ali prečno v strjenem delu zvara.

Z izračuni smo ugotovili, da so preizkušanci 1, 2, 3, 6, 7 in 8 dobro varljivi ter da pri teh

preizkušancih ni potrebno predgrevanje za odpravo kalilnih mikrostruktur. Slabo varljiva

pa sta bila preizkušanca 4 in 5, kjer bi bila pri varjenju potrebna visoko predgrevanje in

termična obdelava. Varivost smo ocenili s izračunom ogljikovega ekvivalenta ter s

pomočjo tabele 4.2 za določanje varivosti glede na izračunani ogljikov koeficient.

Z meritvami smo ugotovili, da določanje vsebnosti delta ferita v jeklih ni enaka računski

metodi. Analitična metoda za določevanje delta ferita s pomočjo Schaefflerjevega

diagrama odstopa od neposrednega merjenja vsebnosti delta ferita. Vrednosti, ki smo jih

izračunali, v večini merjenih preizkušancev kažejo nižje vrednosti od dejanskih. Vemo pa,

da so varivostni preizkusi za določevanje delta ferita zelo dragi in zavzamejo veliko časa.

Zato je najprimernejši in tudi najbolj ugoden način s Schaefflerjevim diagramom. Na

podlagi ugotovljenih razmer ugotovimo, da je analitično metodo neprimerno uporabljati v

raziskovalne namene ter da je treba verjeti eksperimentalni metodi.


42

VIRI IN LITERATURA

[1] Vodopivec, F.: Kovine in zlitine. Inštitut za kovinske materiale in tehnologije,

Ljubljana 2002.

[2] Inagaki, M., K. Satoh, S. Matsui, Y. Yuji: Application of Implant Test on Cold

Cracking. IIW Documeny IX-1078-78.1.

[3] IIW Cold Cracking Test, Methods Using Implants. IIW Document IX-12340-82

(Rev.2).

[4] Hrivnak, I.: Zavarljivost čelika. IRO Gradjevinska knjiga, Beograd 1982.č

[5] Granjon, H.: Metalurške osnove varjenja. Zveza društev za varilno tehniko

Slovenije, Ljubljana 1994.

[6] Thermo Fischer Scientific, Navodila za uporabo 2011.

[7] Varjenje konstrukcije, Varivost jekel, doc.dr. Boris Jerman, univ. dipl. inž. Str.

Univerza v Ljubljani – Fakulteta za strojništvo.

[8] EN 10025: 1993: Schweissbare normalgeglute Kolenstoffstahle.

[9] IIW Document IX-1485-87: Guide to the Welding and Weldability of CrMo in

CrMoV Creep Resistant Steels.

[10] Lukačevič, Z.: Zavarivanje. Strojarski fakultet Slavonski Brod, Slavonski Brod,

1998.

[11] Ruge, J.: Handbuch der Schweisstechnik, Band I. Werkstoffe. Springer Verlag,

Berlin etc. 1991.

[12] Hrivnak, I.: Zavarljivost čelika. IRO Gradjevinska monografija, Beograd 1982.

[13] Praunseis Z.: Varivost jekel in spojev, diplomsko delo, Maribor, 1987.

[14] Rak I.: Varilna tehnologija, Visoka tehniška šola,1981

[15] Praunseis Z.: Gradniki v energetiki, Univerzitetni učbenik, 2012


43

PRILOGE

PRILOGA A: POROČILO MERITEV KEMIČNE ANALIZE Z Niton XL3


44


45


46


47


48


49


50

PRILOGA B: POROČILO MERITEV O MERJENJU C


51


52

PRILOGA C: IZJAVA O ISTOVETNOSTI TISKANE IN ELEKTRONSKE VERZIJE

ZAKLJUČNEGA DELA IN OBJAVI OSEBNIH PODATKOV DIPLOMANTOV


53

Documents

VPLIV DELTA FERITA NA VARIVOST JEKEL ZA ENERGETIKO · metoda določanja delta ferita v zvarnih spojih. V ... Preizkus se je uveljavil zaradi enostavne izvedbe in iz njega izpeljanih