VPLIV UDARNE ŽILAVOSTI NA LOMNO ŽILAVOST ZVARA … · EPML elasto-plastična mehanika loma CTOD odpiranje konice razpoke . Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko 1 1 UVOD

I

VPLIV UDARNE ŽILAVOSTI NA LOMNO ŽILAVOST ZVARA

ENERGETSKE KOMPONETE

magistrsko delo

Študent: Tadej Pavlin

Študijski program: Magistrski študijski program 2. stopnje Energetike

Mentor: Doc. dr. Zdravko Praunseis

Somentor: Izr. prof. dr. Peter Virtič

Lektorirala: Tea Berkovič, prof.

Krško, september, 2015

II

III

ZAHVALA

Zahvalil bi se mentorju mojega magistrskega dela, dr. Zdravku Praunseisu, za koristne

nasvete in za pomoč pri pridobivanju potrebne literature ter izvedbo eksperimentalnega

poglavja magistrskega dela.

Hvala tudi somentorju, dr. Petru Virtiču, za svetovanje in usmerjanje.

Iz srca sem hvaležen svoji družini za moralno podporo skozi celotni študij in razumevanje

v času nastajanja tega dela.

Hvala tudi vsem, ki jih na tem mestu nisem imenoval, a so na kakršenkoli način pomagali.

IV

VPLIV UDARNE ŽILAVOSTI NA LOMNO ŽILAVOST ZVARA ENERGETSKE

KOMPONETE

Ključne besede : Zvar, razpoka, udarna žilavost, lomna žilavost, mehanske lastnosti

UDK : 621.791/.792:620.178.2(043.3)

Povzetek

Magistrsko delo zajema kratek teoretični opis osnovnih značilnosti zvarnih spojev.

Opisana je problematika pojava razpok v varjenih konstrukcijah, ki so hkrati najbolj

nezaželene napake, ki se pojavljajo pri zvarnih spojih. Magistrsko delo vsebuje tudi opise

določitve Charpyjeve udarne žilavosti in postopka določitve ter pomena lomne žilavosti

zvara. Praktičen del zajema določitev eksperimentalne udarne žilavosti zvara v korenu in

temenu. Opisuje osnove mehanskih lastnosti v temenu in korenu zvara. Te so predstavljene

s pomočjo korelacijskih enačb na podlagi mikrotrdote v korenu in temenu zvara. Med

osnovne mehanske lastnosti zvara sodita meja tečenja in natezna trdnost. Cilj naloge

predstavlja izračun lomne žilavosti zvara na podlagi eksperimentalnih rezultatov udarne

žilavosti. Izračun je izveden po predpisu S.I.N.T.A.P metode. Namen magistrske naloge je

prikazati, kako lahko tehnično, korektno in ekonomično upravičeno pridemo do odličnih

rezultatov določitve lomne žilavosti zvara. Rezultati so podani na podlagi izvedbe

Charpyjevega preizkusa udarne žilavosti.

V

INFLUENCE OF IMPACT TOUGHNESS ON WELD METAL FRACTURE

TOUGHNESS OF ENERGY COMPONENT

Key words: Weld, crack, impact toughness, fracture toughness, mechanical properties

UDK: 621.791/.792:620.178.2(043.3)

Abstract

Master's work covers a brief theoretical description of the basic characteristics of welded

joints. It is described the problem of occurrence of cracks in welded structures, which are

at the same time the most undesirable errors that often occur in welded joints.

Determination of Charpy's is also described the impact toughness and determination, and

the importance of the toughness of the weld. Practical part of the experimental

determination of weld toughness covers in the root and crown. The basic mechanical

properties of crown and root of the weld are presented through correlation equations on

the basis of microhardness in the root and crown of the weld. The basic mechanical

properties of the weld yield strength and tensile strength limit of the fall. The objective of

the tasks is the calculation of toughness on the basis of the results of the experimental

impact reject toughness. The calculation is performed as directed S.I.N.T.A. P method. The

purpose of the thesis is to show how you can technically and economically justified, we get

to the excellent results of the determination of the toughness. Results are derived on the

basis of performance Charpy's impact toughness test.

VI

KAZALO VSEBINE

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

2 PROBLEMATIKA POJAVA RAZPOK V VARJENIH KONSTRUKCIJAH ..................................... 3

2.1 OPIS DELOVANJA VODIKA V RAZPOKLJIVEM HLADNEM OBMOČJU ZVARA...................... 4

2.1.1 Razvijanje in sodelovanje vodika pri razpokah ............................................................................... 5

2.1.2 Razpokljivost v vročem temperaturnem območju zvara. ................................................................. 8

3 STANDARDNA DOLOČITEV CHARPYJEVE UDRARNE ŽILAVOSTI ....................................... 12

3.1 TEORETIČNI OPIS PRIMER CHARPYEVEGA PREIZKUSA ..................................................... 13

3.2 LASTNOSTI IN MOŽNOSTI PRI CHARPYEVI METODI ................................................................ 14

4 POMEN DOLOČITVE LOMNE ŽILAVOSTI ZVARA ..................................................................... 16

4.1 LINEARNO ELASTIČNA MEHANIKA LOMA ................................................................................ 18

4.2 PRIKAZ ENERGIJSKE ZVEZA MED ATOMI .................................................................................. 18

4.3 VPLIV KONCENTRACIJE NAPETOSTI NA PORUŠITEV .............................................................. 21

4.4 GRIFFITHOVE RAZPOKE ................................................................................................................. 22

4.5 OPIS ČLENA INTENZITETI FAKTOR NAPETOSTI........................................................................ 23

4.6 VELIKOST PLASTIČNE CONE V KONICI RAZPOKE .................................................................... 24

4.7 ELASTO – PLASTIČNA MEHANIKA LOMA ................................................................................... 28

4.8 ODPIRANJE KONICE RAZPOKE CTOD .......................................................................................... 28

4.9 J INTEGRAL ........................................................................................................................................ 31

5 PRAKTIČNI DEL ................................................................................................................................ 34

5.1 OPIS DOLOČITVE NAČINA OCENJEVANJA SPREMENLJIVOSTI NAPAKE OZIROMA

RAZPOKE .................................................................................................................................................. 34

5.1.1 Odziv osnovnega materiala v odvisnosti od temperature ............................................................. 35

5.1.2 Nizko temperaturno področje zvara .............................................................................................. 35

5.1.3 Srednje temperaturno področje zvara ........................................................................................... 36

5.1.4 Visoko temperaturno področje zvara ............................................................................................ 36

5.2 OPIS DINAMIČNEGA PREIZKUS PO CHARPYJU.......................................................................... 37

5.3 PRIKAZ, KAKO IZ TRDOTE IZRAČUNAMO MEJO TEČENJA RP ................................................ 39

5.4 KONSERVATIVNA OCENITEV LOMNE ŽILAVOSTI IZ CHARPYJEVE UDARNE ŽILAVOSTI

.................................................................................................................................................................... 41

6 EKSPERIMENTALNA DOLOČITEV UDARNE ŽILAVOSTI ZVARA .......................................... 43

6.1 PORAZDELITVE TEMPERATUR V KORENU ZVARNEGA SPOJA X Z UPORABO

ELEKTRODE EVB S ................................................................................................................................. 43

VII

6.2 PORAZDELITVE TEMPERATUR V TEMENU ZVARNEGA SPOJA X Z UPORABO

ELEKTRODE EVB S ................................................................................................................................. 44

6.3 OPIS ELEKTRODE EVB S, UPORABLJENE PRI VARJENJU IN NJENE LASTNOSTI ................ 44

6.4 IZRAČUN DEBELINE ZVARA .......................................................................................................... 45

6.5 IZPELJAVA ENOTE ZA LOMNO ŽILAVOSTI: ............................................................................... 45

6.6 ODČITANE VREDNOSTI PRI T28J V KORENU IN TEMENU ZVARA X OBLIKE: ....................... 46

7 IZRAČUNANE VREDNOSTI LOMNE ŽILAVOSTI ZVARA .......................................................... 47

7.1 DIAGRAMA PRIKAZUJETA REZULTATE UDARNE ŽILAVOST. ............................................... 47

7.2 IZRAČUN PARAMETRA LOMNE ŽILAVOSTI PO STANDARDU ISO EN 1043-1IN POSTOPKU

SINTAP ...................................................................................................................................................... 48

8 DISKUSIJA .......................................................................................................................................... 55

9 SKLEP .................................................................................................................................................. 59

VIRI IN LITERATURA.......................................................................................................................... 61

PRILOGA A: IZJAVA O ISTOVETNOSTI TISKANE IN ELEKTRONSKE VERZIJE ZAKLJUČNEGA DELA IN OBJAVI

OSEBNIH PODATKOV DIPLOMANTOV ............................................................................................................ 61

PRILOGA B: IZJAVA O AVTORSTVU ZAKLJUČNEGA DELA .......................................................................... 62

VIII

KAZALO SLIK

Slika 2.1 Vpliv mikrostrukture, vodika in .napetosti na lastnosti materiala. [6] ................... 5

Slika 2.2 Primer pojave hladne razpoke pri tanki pločevini. [6] ........................................... 5

Slika 2.3 Topnost vodika v kovini. ........................................................................................ 6

Slika 2.4 Difuzijski koeficient vodika v želez. ...................................................................... 7

Slika 2.5 Pretvorba zaporedij v zvaru TVP, difuzija vodika na osnovni material. ............... 7

Slika 2.6 Vrste hladnih razpok. ............................................................................................. 7

Slika 2.7 Porazdelitev tekočih faz (nečistoč) na mejah zrn. [6] ............................................ 9

Slika 2.8 Sistem Fe-Fe3C in območja, ki so se ob strjenem zvaru temperaturno visoko

segrela. [5] ........................................................................................................................... 10

Slika 2.9 Premenske točke za čist Fe. [5] ............................................................................ 10

Slika 2.10 Tip kristalizacije in tipičen vzrok za nastanek vročih razpok v zvaru. [5] ......... 10

Slika 2.11 Prikaz toplotno vplivnega območja .................................................................... 11

Slika 2.12 Definicija varilnega ciklusa in pojmov v samem zvarnem spoju. [5] ................ 11

Slika 2.13 Shematski prikaz lamelnih lomov v TVO območju kotnih in K zvarnih spojev.

[5] ........................................................................................................................................ 11

Slika 2.14 Prikaz različnih načinov strjevanja v odvisnosti od kemične sestave, hitrosti

ohlajanja in temperaturnega gradienta pri ohlajevanju. [5] ................................................. 11

Slika 3.1 Oblika in dimenzija Charpyjevega žilavostnega preizkušanca z ostro V zarezo po

DIN-115. [1] ........................................................................................................................ 12

Slika 3.2 Mesto odvzema žilavostnih preizkušancev in položaj mehanske zareze pri

homogenem in heterogenem TRN zvarnem spoju. [1]........................................................ 12

Slika 3.3 Charpy kladivo. [7] .............................................................................................. 14

Slika 3.4 Dimenzije Charpyevega preizkušanca za določevanje udarne žilavosti smo

uporabili preizkuse z ISO zarezo V. [7] .............................................................................. 14

Slika 3.5 Način merjenja zoženja ali širjenja Charpyevega preizkušanca. [7] .................... 15

Slika 3.6 Krhki lom (levo) in žilav lom (desno). [7] ........................................................... 15

Slika 3.7 Shematski prikaz določanja Charpyjeve žilavosti v zvarnem spoju. [5] .............. 15

Slika 4.1 Klasičen pristop h konstruiranju. [4] .................................................................... 16

Slika 4.2 Osnovni način konstruiranja. [4] .......................................................................... 16

Slika 4.3 Prikaz energije mehanike loma. [4] ...................................................................... 16

IX

Slika 4.4 Letalo Boeing 737 po zasilnem pristanku brez dela kabine. [4] .......................... 17

Slika 4.5 Nestabilno napredovanje razpoke. [4] .................................................................. 17

Slika 4.6 Stabilno napredovanje razpoke. [4] ...................................................................... 17

Slika 4.7 a) Razporeditev atomov v kristalni mreži. ........................................................... 19

Slika 4.8 Sprememba odbojne in privlačne sile med atomoma. [4] .................................... 19

Slika 4.9 Ploskev z eliptičnem utorom. [4] ......................................................................... 21

Slika 4.10 Prikaz obravnavane neskončne plošče na nateg. Vključuje sredinsko razpoko.

[4] ........................................................................................................................................ 23

Slika 4.11 Osnovni načini odpiranja razpoke. [4] ............................................................... 24

Slika 4.12 Prikaz realnih oblik razpok z geometrijskimi oblikami. [4] ............................... 24

Slika 4.13 Plastična cona na konici razpoke........................................................................ 27

Slika 4.14 a) Prikaz RNS loma b) Prikaz RDS loma........................................................... 28

Slika 4.15 Princip odprtja vrha razpoke CTOD. [4] ............................................................ 30

Slika 4.16 Princip določevanja CTOD z upogibom preizkušanca. [4] ................................ 31

Slika 4.17 Prikaz komponente pomika odprtja razpoke, elastična Ve , plastična VP. .......... 31

Slika 4.18 Prikaz dvodimenzionalna telesa za opis nelinearnega elastičnega gradiva. [4] . 32

Slika 4.19 R- odpornostna krivulja za določitev točke nestabilnosti materiala. [4] ............ 33

Slika 5.1 Prikaz razporeditve odpornosti materiala oziroma zvara v odvisnosti od

temperature. [4] ................................................................................................................... 37

Slika 5.2 Prikaz preizkušanja žilavosti v sočelnem zvarnem spoju. [5] .............................. 38

Slika 5.3 Prikaz epruvete za določanje žilavosti in določitev prehodne temperature pri 28 J

energije (porušitev za različna stanja). [5]........................................................................... 39

Slika 6.1 Skica zvarnega spoja oblike x. ............................................................................. 43

Slika 6.2 Shema izračuna debeline zvara in lokacija CTOD. .............................................. 45

Slika 7.1 Prikaz eksperimentalno določene udarne žilavosti v korenu zvara x oblike. ....... 47

Slika 7.2 Prikaz eksperimentalno določene udarne žilavosti v temenu zvara x oblike. ...... 48

Slika 7.3 Prikazuje udarno žilavost v korenu zvara............................................................. 50

Slika 7.4 Prikazuje izračunano lomno žilavost v korenu zvara po postopku S.I.N.T.A.P. . 51

Slika 7.5 Prikazuje udarno žilavost v temenu zvara. ........................................................... 52

Slika 7.6 Prikazuje izračunano lomno žilavost v temenu zvara po postopku S.I.N.T.A.P. 53

Slika 7.7 Primerjava med krivuljama udarne in lomne žilavosti zvara v korenu zvara. ..... 54

Slika 7.8 Primerjava med krivuljama udarne in lomne žilavosti zvara v temenu zvara. .... 54

X

Slika 8.1 Primer varilca s klasičnim elektroobločnim varjenjem v energetskem objektu ... 58

Slika 8.2 Prikaz klasičnega zvarjenega energetskega elementa s postopkom

elektroobločnega varjenja. ................................................................................................... 58

XI

KAZALO TABEL

Tabela 5.1 Prikazana je brez dimenzijska funkcija g1(a0/W) za upogibni preizkus. [5] ..... 40

Tabela 6.1 Prikaz eksperimentalnih vrednosti udarne žilavosti zvarnega spoja v korenu .. 43

Tabela 6.2 Prikaz eksperimentalnih vrednosti zvarnega spoja v temenu ............................ 44

Tabela 6.3 Podana je kemična sestava za tipični čisti var [8] ............................................. 44

Tabela 6.4 Prikazane so mehanske lastnosti za EVB [8] .................................................... 45

Tabela 6.5 Odčitane vrednosti pri T28J v korenu in temenu zvara x oblike ......................... 46

Tabela 7.1 Rezultati izračunov lomne žilavosti v korenu zvara x oblike ............................ 49

Tabela 7.2 Rezultati izračunov lomne žilavosti v temenu zvara x oblike ........................... 49

XII

UPORABLJENI SIMBOLI

Kmat parameter lomne žilavosti

TF izoterma železa

H vodik

H* ioniziran vodik

Pcm ekvivalent, ki zajema kemično sestavo zvarnega spoja

PHA parameter akumulacije vodika v korenu

FeS železov sulfid

MnS manganov sulfid

S žveplo

P fosfor

O kisik

Nb niobij

Ca kalcij

Mo molibden

B bor

Q vnesena energija (kJ/cm)

𝜎dop dopustna napetost

Ti titan

Zr cirkonij

RP0,2 meja tečenja

K1 intenziteti faktor napetosti

W energija

f(a/W) brez dimenzijska funkcija

𝜋 potencialne energije

A površinska razpoka

Lr normirana obremenitev

𝜎ref napetost obremenitve

𝜎y meja plastičnosti

Kr normirana vrednost faktorja intenzivnosti napetosti

𝐾𝑙 faktor intenzivnosti napetosti obremenjene komponente

XIII

Kmat faktor lomne žilavosti materiala

C ogljik

Rp=Re,02 meja tečenja

E elastični modul

𝑣 Poissonovo število (0,33 za kovinske materiale)

KmatP povprečni parameter lomne žilavosti

Tp povprečna temperatura

Δip povprečna lomna žilavost

XIV

UPORABLJENE KRATICE

NEK Jedrska elektrarna Krško (Nuklearna elektrarna Krško)

FE Fakulteta za energetiko

TVP toplotno vplivno področje

VTML visokotrdnostno malolegirano konstrukcijsko jeklo

CGHAZ grobozrnato TVP (Coarse grained HAZ)

FGHAZ drobnozrnato TVP (Fine grained HAZ)

FL linija zlitja (Fusion line)

DIN Nemški institut za standardizacijo ( Deutsches Institut für Normung )

OM osnovni material

ZV-K zvar koren

ZV-T zvar temena

ZV-M zvar mehki koren

ISO mednarodna organizacija standardizacijo(International Standard Organisation)

LEML linearno elastična mehanika loma

EPML elasto-plastična mehanika loma

CTOD odpiranje konice razpoke

Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko

1

1 UVOD

Potrebe po zvarnih spojih v energetiki se v Sloveniji in po celem svetu z leti povečujejo.

Opaziti je mogoče povečano grajenje energetskih objektov, predvsem pa tudi naraščanje

ostalih industrijskih postrojenj. Gradnja novih energetskih sistemov se množi z večanjem

prebivalstva in s potrebami, ki jih narekuje sodobni stil življenja. Iz tega stališča so potrebe

po grajenju novih energetskih objektov neizbežne. Vsak energetski objekt ima vsaj nekaj

tisoč zvarov, ki sestavljajo eno celoto – energetski kompleks, na primer obstoječo jedrsko

elektrarno Krško »NEK«. Zvarni spoji so pomembni dejavniki pri gradnji energetskih

postrojev in sistemov. Dovolj visoka žilavost zvarnega spoja v celotnem sistemu

predstavlja garancijo za varno obratovanje energetskih konstrukcij. Zvarni spoj zaradi

svoje izrazite heterogenosti v mehanskih lastnostih predstavlja izziv za določitev realnih

vrednosti udarne in lomne žilavosti.

V magistrskem delu je obravnavana x izvedba zvarjenega spoja. Namen magistrskega dela

je standardna določitev udarne žilavosti v korenu in temenu x oblike zvarnega spoja ter

določitev vpliva udarne žilavosti na lomno. Pri tem je zelo pomemben tudi parameter

lomne žilavosti Kmat, ki ga lahko s pomočjo korelacij določimo, če poznamo vrednosti

udarne žilavosti. Cilj naloge je določiti ustrezno velikost lomne žilavosti na podlagi

eksperimentalnih rezultatov udarne žilavosti. Teoretično poglavje magistrskega dela

zajema eno najbolj osnovnih, a hkrati pomembno poglavje s področja varjenja. To je

problematika pojava razpok v varjenih konstrukcijah, ki opisuje hladne in vroče razpoke.

Moja magistrska naloga opisuje tipično metodo standardne določitve Charpyjeve udarne

žilavosti ter način določitve lomne žilavosti zvara. Praktični del magistrske naloge zajema

določitev udarne žilavosti zvara. Posledično lahko iz tega izračunamo vrednost lomne

žilavosti zvara. V nalogi je vrednost izračunana po predpisu S.I.N.T.A.Pa metode. Vsa

literatura temelji na predpisu S.I.N.T.A.P (Structural integrity assessment procedures), ki je

poznan kot koncept določanja parametra lomne žilavosti. Zaradi omejitve z razpoložljivimi

sredstvi na FE je magistrska naloga omejena, predpostavili smo izrazito mehansko in


2

kemično heterogenost zvarnega spoja v korenu in temenu zvara. Ker je postopek določitve

lomne žilavosti izredno drag, smo vrednosti določili na podlagi ekonomično bolj

sprejemljive izvedbe Charpyjevega preizkusa udarne žilavosti. Izvedena je bila

eksperimentalna določitev udarne žilavosti v korenu in temenu zvara. Osnovne mehanske

lastnosti (meja tečenja in natezna trdnost) v korenu in temenu zvara so bile določene s

pomočjo korelacijskih enačb, na podlagi izmerjene mikrotrdote v korenu in temenu zvara.

Moja izvedba metode določitve parametra lomne žilavosti je za industrijo uporabna s

časovnega vidika, pa tudi iz ekonomičnega. Z uporabo te metode pri izvedbi energetskih in

ostalih konstrukcij v industriji so lahko podjetja veliko bolj konkurenčna na trgu. To je

lahko njihova prednost pred ostalimi podjetji, ki pridobivajo parametre lomne žilavosti z

določitvijo eksperimentalne lomne žilavosti. Postopek uporabe eksperimentalne lomne

mehanike je dražji od metode, ki sem jo uporabil za pridobitev rezultatov. V sami ceni se

lahko razlikuje tudi do 1000 % ali več. Rezultati so podkrepljeni s korelacijskimi

enačbami, ki jih lahko najdemo v mnogih literaturah.


3

2 PROBLEMATIKA POJAVA RAZPOK V VARJENIH KONSTRUKCIJAH

Problematika pojava razpok v varjenih konstrukcijah se pojavlja pri grajenju zahtevnih

energetskih komponent, kot so posode pod tlakom, mostovi, sestavni deli žerjavov, tlačni

cevovodi, nosilci pod obremenitvijo ipd. Pri izvedbah podobnih konstrukcij se pojavljajo

težave z varjenjem visokotrdnostih jekel. Trajno trdnost je težko določiti zaradi pojava

razpok v hladnem območju. Varjeni izdelki ogrožajo varnost okolice. Posledično vplivajo

na nosilnost varjene konstrukcije, zmanjšata se trdnost in trajnost pri cikličnih

obremenitvah, ki sta lahko vzrok za netesnost sistema. Zvarni spoj še dodatno termično in

napetostno obremenjuje del posamezne konstrukcije. Že pri sami izdelavi jekla pride do

heterogenosti. Zato je homogen zvarni spoj brez kakršne koli napake de facto težko

izvedljiv. Približek idealnega zvara pa je znak za pravilno izbiro tehnologije varjenja in

varilnega procesa. [2]

V realnosti nastajajo praktično v vsakem zvaru napake (nečistoče, tujki, razpoke, mikro

razpoke), ki so posledica nepravilne izbire tehnologije varjenja. Pri uporabi standardov

želimo doseči mejni kriterij napak. Pri tem se želimo izogniti ponovnem popravilu

zvarnega spoja ob predpostavki, da zvarni spoj zadostuje minimalnim lastnostim, ki so

predpisane s standardi za uporaba osnovnega materiala pri varjenju. Napake varilne

tehnologije so razpoke in mikrorazpoke v področju zvarnih spojev. [3]

Napake zvarnih spojev: razpoke v vročem področju zvarnega spoja, vodikove razpoke v

hladnem področju, razpoke zaradi napetostnega žarjenja, lamelarne razpoke. [2]

Razpoke so posledica več tipov napak in ne samo ene vrste napak v zvarnih spojih. V

vročem se indikacija razpoke širi, v hladnem pa se širi zaradi prisotnosti vodika v zvaru.

Optimalni zvarni spoj lahko dosežemo samo v zelo ozkem območju varilnih parametrov

pod natančno določenimi pogoji varjenja. Zaradi kompleksnosti nastanka in širjenja


4

razpok, ki so odvisne od množice faktorjev pri samem postopku izvedbe zvarnega spoja,

lahko pride do slabše izvedbe zvara. Za varno uporabo varjenih energetskih komponent so

diskontinuitete v zvarnih nezaželene (plinski vključki, vključki žlindre, zajede, zlepljena

mesta in razpoke, ki nastajajo pri varjenju). Obstajajo zakoni o kakovosti zvarnih spojev za

različne vrste varjenih energetskih konstrukcij, ki dopuščajo majhne prostorske

diskontinuitete. Načrtovanih diskontinuitet varilnih razpok ne dovoljujejo. Pri samem

dimenzioniranju in načrtovanju energetskih varjenih konstrukcij zaradi varnosti

upoštevamo lomne lastnosti materiala, ki so obravnavane v lomni mehaniki. Sem spadajo

vse vrste diskontinuitet, nečistoče, razpoke itd. Razpoka je diskontinuiteta z največjo

ostrino same konice. [3]

2.1 OPIS DELOVANJA VODIKA V RAZPOKLJIVEM HLADNEM OBMOČJU

ZVARA

Razpoke po končanem varjenju odkrijemo s pomočjo vodika. Indikacije ali napake pri

varjenju se nahajajo v temperaturnem območju od 100 ◦C do 150

◦C. V tem TVP območju

so hladne razpoke. Od razpok v vročih območjih se razlikujejo po značilni lomni površini.

Glede na usmeritev so lahko vzdolžne ali prečne razpoke. Pri TVP so opazne na grobo

zrnatem območju, ki presega temperaturo nad 1100 ◦C. Faktorji, ki vplivajo na sistem so

prikazani na sliki 2.1.[5]

Hladne razpoke v območju zvarnega spoja nastanejo pod naslednjimi pogoji:

- zvar mora imeti martenzitno ali spodnjebainitno strukturo (ta se pojavlja pri majhnem

vnosu energije),

- mikrostruktura TVP-ja mora biti občutljiva na delovanje vodika,

- v območju zvarnega spoja mora biti točno določena difuzijska vsebnost vodika,

- zvar je večinoma izvor (na območje zvara mora delovati napetost krčenja materiala).

Skoraj v vseh primerih lahko zavržemo hipotezo, ki teži nad preostalim delom ostanka

vodika pri varjenju. Sam vodik ne vpliva na osnovni material, ker izvira iz samega zvara. S

tem se zadržuje med varilnimi postopki in tako nastanejo hladne razpoke. Nastanek vodika

v varilnem oblaku je nezaželen. Razvidne so na sliki 2.2.


5

Slika 2.1 Vpliv mikrostrukture, vodika in .napetosti na lastnosti materiala. [6]

Slika 2.2 Primer pojave hladne razpoke pri tanki pločevini. [6]

2.1.1 Razvijanje in sodelovanje vodika pri razpokah

Ob visoki vrednosti temperatur se staljena kovina segreje v električni oblok, ko vodikovi

atomi preidejo v vodikove ione (H*). Prehod se zgodi ob prehajanju topnosti pri strjevanju

iz tekoče faze v trdo in z ohlajanjem po prekinitvi varjenja samega zvara. Krivulja na

spodnji sliki (slika 2.3) prikazuje topnost vodika v enoti (cm9/100 gr) v trdem in tekočem

stanju kovine. Prvič se zgodi odklon zaradi prehoda iz trdega v tekoče stanje. To privede

do zmanjševanja topnosti vodika v samem materialu. Drugi odklon krivulje pa je posledica

alotropnih premen železa. Ti dve posledici igrata pomembno vlogo pri obnašanju vodika v

TVP območju. [6]


6

Slika 2.3 Topnost vodika v kovini.

Kaljiva mikrostruktura vpliva na topnost oziroma kaže spreminjanje koeficienta difuzije

vodika v železu, kot je prikazano na sliki 2.3. Slika 2.4 prikazuje zaporedje pretvorbe v

zvaru pri staljenem materialu v TVP območju. TF izoterma je zvar v avstenitnem stanju z

vodikom, ki kratek čas vpliva na spodnji material (ta je tudi avsteniten in difunira v tem

časovnem obdobju). Pri transformaciji perlitne in baninitne pretvorbe zvara vodik izgubi

vrednost topnosti in lažje difundira. Zaradi slabega koeficienta difuzije vodik ne difundira

daleč od meje zvara. Posledično imamo kratko območje okoli zvara, ki vsebuje vodik. Na

sliki 2.5 lahko vidimo, da se od točke B naprej pojavljajo kalijeve strukture v TVP-pasu. V

zvaru se krhkost pojavi takoj ko imamo dovolj visoko vsebnost vodika, saj napetosti

nastajajo zaradi varjenja in pretvorbe agregatnega stanja materiala. Ob ne ustrezni uporabi

varilnega postopka privedemo postopek, do razpok razvidnih na sliki 2.6. [6]


7

Slika 2.4 Difuzijski koeficient vodika v želez.

Slika 2.5 Pretvorba zaporedij v zvaru TVP, difuzija vodika na osnovni material.

Slika 2.6 Vrste hladnih razpok.

Notranja razpoka tipa AL1 na sliki 6 se pojavi, če je vsebnost vodika manjša od notranje

napetosti materiala. Pri tem se lahko pojavijo tudi koncentrirane napetosti ob zarezi zvara.

AL2 in AL3 tipa razpok se pojavljata na temenu in korenu zvara. Razpoka pri teh dveh

tipih se lahko širi v osnovni material v TVP območju. Zvar je odvisen od PCM, ki zajema

kemično sestavo:

- razpoka v osnovnem materiali (TVP) -> Pcmom > PcmZVARA


8

- razpoka v zvaru -> Pcmom < PcmZVARA

Od vseh vplivnih faktorjev lahko vplivamo samo na vsebnost difuzijskega vodika v

obravnavanem primeru.

Vpliv vodika izničimo:

- s sušenjem samega predmeta ali komponente.

- s sušenjem elektrod in varilnega praška (200 ̶ 300 ◦C /2 uri),

- s pogrevanje zvarnih spojev (200 ◦C/1 uro),

- tako, da osnovni material predgrevamo. [6]

2.1.2 Razpokljivost v vročem temperaturnem območju zvara

Nastanek vročih razpok se zgodi, ko se ohlaja zvarni spoj. To temperaturno območje

imenujemo solidus, ki je v območju 900 ̶ 800 ◦C. Pojavljajo se v TVP in zvarnem spoju.

Pojav vročih razpok temelji na padcu deformacijske sposobnosti ali tehnološke trdnosti

zvarnega spoja pri visokih temperaturah. Pogosto nastanejo vroče razpoke v dvofaznem

območju, ko je sistem v stanju solidus. Solidus območje (FeS, MnS) je na meji kristalnih

zrn. Pri tem lahko trdimo, da je nastajanje vročih razpok odvisno od temperature in hitrosti

deformacije ter koncentrirane napetosti zvarnega materiala. Kadar en izmed spremenljivih

členov postane konstanta (npr. hitrost deformacije), dobimo temperaturni interval (TIK). V

njem prihaja do odvisnosti temperature od koncentrirane napetosti, kar vodi do nastanka

vročih razpok. V zvarnem spoju delimo vroče razpoke na likvacijske in kristalizacijske.

Dolge razpoke (kristalizacijske) so v zvarih manj razvejane in bolj odprte. Za takšne

razpoke je navadno značilna odvisnost od dihedralnega kota srečanja kristalov (prikazano

na sliki 2.7). Pri drugih vrstah vročih razpok (likvacijskih) prihaja do kratkih mikrorazpok

na mestih srečanja stebrastih kristalov samega zvara in na območju TVP. Pogost vzrok za

nastajanje razpok so segregacije nečistoč (S, P ali O in oksidi) na mejah primarnih zrn teh

elementov, ki so posledica nenačrtovanih metalurških reakcij. Nastanejo lahko tudi zaradi

drugih segregacij pri namerno dodanih elementih v zvarnih spojih ( Nb, Cr, Mo ali B).

Kristalizacija ima velik vpliv na nastanek vročih razpok. Dendritska kristalizacija je še

posebej neugodna zaradi podolgovatih usmerjenih dendritov. Z optimalno izvedbo varilnih

parametrov lahko vplivamo na način kristalizacije zvarnega spoja. Pri tem se mora varjenje


9

izvajati s čim manjšo vneseno energijo, po predpisu Q=10-15 kJ/cm zvara. Razpokljivost

zvara zmanjšamo z izvajanjem kristalizacije levo od perevtektoidne točke oziroma tako

omogočimo topnost žvepla v delu ferita. Kadar je zvar legiran z Ni, zgornja možnost

odpade. Takrat se postopoma izvaja vezanje žvepla v globularne sulfide z reaktivnimi

elementi Ti in Zr. Na sliki 2.7 so prikazane porazdelitve nečistoč po fazah. Na sliki 2.8 je

prikazana razporeditev v odvisnosti od temperature. Na sliki 2.9 so prikazane premenske

točke. Slika 2.10 je tipična vroča razpoka. Slika 2.11 je TVO. Tipičen varilski način

izvajanja slika 2.12. Na sliki 2.13 je prikaz k kotnega zvara. Na sliki 2.14 je prikazana

mikrostruktura strjevanja posameznega zvara.[6]

Slika 2.7 Porazdelitev tekočih faz (nečistoč) na mejah zrn. [6]


10

Slika 2.8 Sistem Fe-Fe3C in območja, ki so se ob strjenem zvaru temperaturno visoko segrela. [5]

Slika 2.9 Premenske točke za čist Fe. [5]

Slika 2.10 Tip kristalizacije in tipičen vzrok za nastanek vročih razpok v zvaru. [5]


11

Slika 2.11 Prikaz toplotno vplivnega območja

Slika 2.12 Definicija varilnega ciklusa in pojmov v samem zvarnem spoju. [5]

Slika 2.13 Shematski prikaz lamelnih lomov v TVO območju kotnih in K zvarnih spojev. [5]

Slika 2.14 Prikaz različnih načinov strjevanja v odvisnosti od kemične sestave, hitrosti ohlajanja in

temperaturnega gradienta pri ohlajevanju. [5]


12

3 STANDARDNA DOLOČITEV CHARPYJEVE UDRARNE ŽILAVOSTI

Najpogosteje uporabljena metoda za določitev udarne žilavosti ali odpornosti materiala

proti udarcem je Charpyjev preizkus. Poznamo tudi druge metode določevanja udarne

žilavosti (mehanolomski preizkus, natezni preizkus, kemično-linijski preizkus …).

Charpyev preizkus je zapisan po standardu DIN 50 (standard določa tudi obliko in

dimenzije). Na sliki 3.1 je prikazan preizkušanec z ostro V zarezo. Na sliki 3.2 je prikazan

odvzem iz homogenega TRN zvarnega spoja. Po istem standardu so bili izdelani

preizkušanci iz osnovnega materiala OM, temena zvara ZV -T, korena zvara ZV-K in

TVP. Na sliki 3.3 je heterogen zvarni spoj. Odvzet je bil ZV-M iz mehkega korena zvara.

Pomembna je pravilna namestitev mehanske zareze pri preizkušancih iz temena ZV -T,

korena ZV-K in ZV-M. Ti so bili nameščeni na sredino zvara. Videni sta tako imenovani

sestavljeni mehanski zarezi v TVP zvarnem spoju. V TVP prehaja mehanska zareza zraven

GZ TVP. Prednosti Charpyeve metode pred ostalimi metodami sta enostavnost in

usklajenost s predpisi iz področja varjenja. [1]

Slika 3.1 Oblika in dimenzija Charpyjevega žilavostnega preizkušanca z ostro V zarezo po DIN-115. [1]

Slika 3.2 Mesto odvzema žilavostnih preizkušancev in položaj mehanske zareze pri homogenem in

heterogenem TRN zvarnem spoju. [1]


13

Pri eksperimentalnih primerih pride do krhkega loma predvsem zaradi udarne

obremenitve. To je najbolj vidno na mestu največjih koncentracij in napetosti. Ob zarezah

se pojavijo največje napetosti, zato so tudi Charpjevi preizkušanci obdelani v obliki zarez

V, X ali U po ISO standardu.

3.1 TEORETIČNI OPIS PRIMER CHARPYEVEGA PREIZKUSA

Pri samem poskusu je potrebno kladivo, ki ga moramo odmakniti za kot 𝛼1 = 160 °.

Preizkušanec se mora nahajati na podpori, odmaknjeni za 40 mm. Zareza moram biti

obrnjena v nasprotni smeri kladiva. Pot kladiva poteka tako, da v spodnji legi svojo

potencialno energijo spremeni v kinetično. Preizkušanec ima pozicijo kot 𝛼0 = 0 °, kadar

se kladivo pomakne na pozicijo 0 °, se preizkušanec najprej elastično in nato še plastično

deformira. Pri dovolj veliki upogibni napetosti nastane na natezni strani ob zarezi razpoka,

ki napreduje do popolne porušitve. Ko se pri udarcu kladivo odkloni na 𝛼2 pozicijo na

nasprotni strani, lahko na skali razberemo energijo, ki se je absorbirala za lom

preizkušanca. Ta teoretični opis je prikazan na slikah 3.3 in 3.4. Poskus je izveden po

standardnih dimenzijah preizkušanca po predpisu ISO. [7]

Udarno delo določimo s pomočjo enačbe 3.1:

K=m*g*(Δh)= m*g*(h2-h1)= m*g*L*(cos α − cosα1) (3.1)

kjer je:

K - udarno delo (Js),

m - masa kladiva (Kg),

g - gravitacijski pospešek (m/s2),

L- dolžina kladiva od vrtišča do težišča (m),

𝛼1, 𝛼2- začetni in končni kot (◦),

h - višina udarnega kladiva (m).


14

Slika 3.3 Charpy kladivo. [7]

Slika 3.4 Dimenzije Charpyevega preizkušanca za določevanje udarne žilavosti smo uporabili preizkuse z

ISO zarezo V. [7]

3.2 LASTNOSTI IN MOŽNOSTI PRI CHARPYEVI METODI

Charpyeva metoda nam omogoča, da lahko izmerimo duktilnost. Podana je kot

deformacija preizkušanca v odstotkih [%]. Določitev deformacije po Charpyju poteka tako,

da nam prikaže, za koliko so se deformirale ustnice na eni ali drugi strani preizkušanca. To

je prikazano na sliki 3.5. Na mestu preloma lahko analiziramo prelomno površino s

Charpy-jevim preizkusom. Če se lomi duktilno, je prelomna površina prikazana kot žilav

lom, pri katerem so na površinskem sloju opazne ustnice, označene na sliki 3.6. Posledica

je dvoosno napetostno in troosno deformacijsko stanje površine merilnega mesta. Krhkost

je odraz troosnega napetostnega stanja na sredini preizkušanca. Kadar se prelomna

površina cepi, je to odraz krhkega loma. Deleže krhkega in žilavega preloma podajamo v

odstotkih (%). [7]


15

Slika 3.5 Način merjenja zoženja ali širjenja Charpyevega preizkušanca. [7]

Slika 3.6 Krhki lom (levo) in žilav lom (desno). [7]

Najvišjo žilavost predstavljajo finozrnate mikrostrukture območij, ki so bila segreta tik nad

prehodnim temperaturnim območjem Prikazane na sliki 3.7.

Slika 3.7 Shematski prikaz določanja Charpyjeve žilavosti v zvarnem spoju. [5]


16

4 POMEN DOLOČITVE LOMNE ŽILAVOSTI ZVARA

Obnašanje materiala ima ključno vlogo na področju mehanike lome, ki je del mehanike

trdih teles. Mehanika loma se ukvarja z napetostmi in deformacijskimi stanji v materialih

in komponentah. Zajema dimenzije konstrukcij in obremenjene komponente ob prisotnosti

razpok, ki so najbolj neugoden pojav v materialu. Nastanek mehanike loma je povezan s

porušitvami energetskih konstrukcij, letal, mostov, ladij, vesoljskih plovil in cevovodov.

Na sliki 4.1 in 4.2 je prikazan klasični pristop h konstruiranju. Na sliki 4.3 lahko vidimo

lomno-mehanski pristop h konstruiranju. Na sliki 4.4 je prikazana posledica loma

komponente letala Boeing 737 po zasilnem pristanku, ko je letalo ostalo brez dela kabine.

Mehanika loma prikazuje napetosti, ki povzročijo razpoke v osnovnih materialih in v

zvarnih spojih. Osnovni namen obravnavanja mehanike loma se navezuje na varnost pri

samem konstruiranju in načrtovanju energetskih komponent. [4]

Slika 4.1 Klasičen pristop h konstruiranju. [4]

Slika 4.2 Osnovni način konstruiranja. [4]

Slika 4.3 Prikaz energije mehanike loma. [4]


17

Slika 4.4 Letalo Boeing 737 po zasilnem pristanku brez dela kabine. [4]

Pri varjenju se vedno pojavljajo napake. Ob navzočnosti razpok se zmanjša prečni prerez

varjenega območja, kar sicer nekoliko poveča srednjo napetost v ostalem prerezu zvara.

Koncentrirane napetosti povzročijo mnogo pomembnejše odkrite napake ob vrhu razpoke

zvara. Velikost napetosti je večja kot nazivna napetost v samem materialu. S tem

apeliramo na napetost v materialu brez razpok, če napetost ob konici razpoke preseže

teoretično trdnost materiala, ki je reda velikosti E/10. Zaradi lokalne plastične deformacije

se lahko polmer zaokrožitve poveča in se s tem koncentracija napetosti zmanjša. To velja

za materiale, ki se dobro plastično oblikujejo. Kadar se stopnjuje zunanja napetost, to

privede do stabilnega napredovanja razpoke. Na sliki 4.5 vidimo napredovanje nestabilne

razpoke (pri napredovanju razpoke se sila zmanjšuje).

Slika 4.5 Nestabilno napredovanje razpoke. [4]

Slika 4.6 Stabilno napredovanje razpoke. [4]


18

Delovanje pri mehaniki loma temelji na primerjavi ustrezne odpornosti materiala z

dejansko vrednostjo obremenitve, kateri je izpostavljena konstrukcijska komponenta.

Običajno je odpornost izražena v obliki dopustne napetosti 𝜎dop, meje tečenja RP0,2 ali meje

utrujenostne vzdržljivosti. Celovitost konstrukcijskega materiala je zagotovljena, če

dejanska vrednost obremenitve ne presega odpornosti materiala na sliki 4.6. V

konstrukcijskih elementih se pojavljalo napake, ki jih lahko odkrijemo med samim

obratovanjem na mestu delovanja. Obremenitve se izražajo kot mikro razpoke, ki sčasoma

ob utrujenostni rasti dosežejo kritično vrednost. Posledica tega je zlom. Do lomov prihaja

ne glede na to, ali so strojne komponente zasnovane v skladu s standardnimi ali ne. Glede

na zgodovino je zabeleženo veliko porušitev, povezanih z lomom, ki so se končale

tragično. Pogosto so terjale več človeških življenj in hkrati povzročile ogromno škodo. [4]

4.1 LINEARNO ELASTIČNA MEHANIKA LOMA

LEML podaja zakonitosti širjenja razpok v strojnih delih in konstrukcijah. Napetost ali

deformacijsko območje okoli razpoke je linearno elastično oziroma je plastična cona okrog

razpoke zanemarljivo majhna. To tehniko (LEML) uporabljamo predvsem za

visokociklično utrujanje HCF10

. [4]

4.2 PRIKAZ ENERGIJSKE ZVEZA MED ATOMI

Lom materiala je posledica porušitve energijske zveze med atomi, ko sta napetost in delo

med atomoma večja od sile. S tem se atomi povezujejo skupaj (prikazano na sliki 4.7 ). Ob

obremenitvi pride do lomljenja atomskih vezi. Posledično se poveča razdalja med vezmi

atomov in poslabša lastnost vezi. Zakon o ohranitvi energije povzroči porušitev zveze med

atomi. Vezavna energija med atomi je potrebna, da se dva atoma, na razdalji x0, trajno

razmakneta. [4]


19

Vezavna energija, podana z enačbo 4.1:

Eb=∫ F ∗ dx∞

X0 (4.1)

kjer je:

Eb - vezavna energija (J),

∞ - zgornja meja integrala neskončnost,

x0 - spodnja meja integrala, razdalja med dva atoma (m),

F- sila med atomi v snovi (N).

Slika 4.7 prikazuje spremembe med privlačnimi silami in odbojem sile med dvema

atomoma. Energija med absciso in krivuljo v diagramu je enaka na površini na sliki 4.8.

Kohezivno trdnost ocenimo s sinusno krivuljo na nivoju atomov pri osnovni odvisnosti sile

med atomi. [4]

Slika 4.7 a) Razporeditev atomov v kristalni mreži.

b) Povečanje razmika med atomi zaradi delovanja obremenitve 𝜎. [4]

Slika 4.8 Sprememba odbojne in privlačne sile med atomoma. [4]

a) b)


20

Privlačna sila med vezmi atomov je podana s pomočjo enačbe 4.2:

F=Fc*sin𝜋∗𝑥

𝜆 (4.2)

kjer je:

F - privlačna sila med vezmi atoma (N),

Fc - povprečna sila med dvema atomoma (N),

x - razdalja med atomoma osnovnega materiala (m),

λ - toplotna prevodnost jekla (W*m−1

*K−1

),

sin - kotna funkcija,

π - potencialna energija (Kg*m*s-2

).

Odvisnost je za majhne pomike linearna prikazana z enačbo 4.2 in 4.3:

F=Fc*π∗x

λ (4.3)

kjer je:

F - privlačna sila med vezmi atoma (N),


x - razdalja med atomoma osnovnega materiala (m),


*K−1

),

π - potencialna energija(Kg*m*s-2

).

k= Fc*(π

λ) (4.4)

kjer je:

http://sl.wikipedia.org/wiki/Watt

http://sl.wikipedia.org/wiki/Meter

http://sl.wikipedia.org/wiki/Kelvin





21

k - koeficient sile med vezmi atoma za male pomike (N),



*K−1

),

π - potencialna energija(Kg*m*s-2

).

4.3 VPLIV KONCENTRACIJE NAPETOSTI NA PORUŠITEV

Raziskave prikazujejo, da je razlika med resnično in teoretično trdnostjo materiala

vzbujena s trčenjem materiala. Ob tem vidimo, da pri napetosti nastopi lom. Njegova

vrednost je manjša od kohezijske trdnosti materiala. Splošno tečenje materiala je posledica

lokalne koncentracije napetosti. Kvantitativna ocena primera na sliki 4.9 prikazuje napetost

na tečenje v obliki eliptične odprtine v ploskvi. Ploskev je obremenjena na nateg. Utor ne

vpliva na dimenzijo ploskve. [4]

Slika 4.9 Ploskev z eliptičnem utorom. [4]

Napetost v temenski točki A je sorazmerna razmerju med osmi elipse:

σA=σ*(1 +2a

b) (4.5)

kjer je:

σA - napetost v temenski točki A (N/mm2),





22

σ - dopustna napetost obremenitve poizkušanja predmeta (N/mm2),

a - dolžina stranice (mm),

b - dolžina stranice (mm).

Kadar je a > b, se eliptični utor spremeni v ozki podolgovati utor in pri tem je razmerje a/b

smotrno nadomestiti s polmerom zakrivljenosti ρ, prikazano z enačbo 4.5:

σA=σ*(1 + √a

ρ) (4.6)

kjer je:

𝜎A - napetost v temenski točki A (N/mm2),

𝜎 - dopustna napetost obremenitve poizkušanja predmeta (N/mm2),

a - dolžina stranice (mm),

ρ - polmer zakrivljenosti utora (mm).

4.4 GRIFFITHOVE RAZPOKE

To je koncept o teoriji loma, ki ga je razvil Griffith. Navezuje se na energijo in ne na

lokalno napetost. Pri tem je uporabil prvi zakon termodinamike, ki povezuje energijo loma

od zunanje oddaljenosti obremenitve do lokalne napetosti zvara. To je razlog zmanjšana

potencialne energija in prehod iz nestabilnega stanja v stabilno stanje. Na sliki 4.10 imamo

prikazano neskončno ploščo s sredinsko razpoko (2a). Razpoka je obremenjena z zunanjo

natezno obremenitvijo.


23

Slika 4.10 Prikaz obravnavane neskončne plošče na nateg. Vključuje sredinsko razpoko. [4]

Skupna potencialna energije plošče je prikazana z pomočjo enačbe 4.6:

𝜋 = 𝜋0 − 𝜋𝑎 + 𝜋𝑦 − 𝐹 (4.7)

kjer je:

𝜋 - potencialna energija(Kg*m*s-2

),

𝜋0 - potencialna energija v območju razpoke (Kg*m*s-2

),

𝜋𝑎 - potencialna energija v območju neskončne plošče (Kg*m*s-2

),

𝜋𝑦 - potencialna energija v območju globine razpoke samega materiala (Kg*m*s-2

),

F - sila, s katero smo delovali na sam preizkušan material (N).

4.5 OPIS ČLENA INTENZITETI FAKTOR NAPETOSTI

K1 je intenziteti faktor napetosti. Prikazuje intenzivnost napetostnega polja pomikov ob

konici razpoke. Pripadnost mu narekujejo parametri zunanje obremenitve 𝜎, dolžine same

razpoke a ter brez dimenzijska funkcija f (a/W). Vpliv opisuje tudi širino razpoke in širino

lomno-mehanskega preizkušanca. Na sliki 4.11 imamo prikazane 3 osnovne načine

odpiranja razpoke. Za neskončno debilno plošče, širino in višino plošče s sredinsko

razpoko, velja f (a/W) = 1. Za ostala telesa poljubnih veličin moramo posebej izračunati

brezdimenzijsko funkcijo. V ustrezni strokovni literaturi so že tabele izračunanih vrednosti

pogostih geometrijskih oblik za vrednosti brezdimenzijskih funkcij in napetosti na sliki

4.12. V specifičnih primerih razpok numerično določimo faktor intenzitete napetosti s

programskim orodjem, ki vsebuje reševanje mehanike loma, prikazane z enačbo 4.7. [4]


24

Slika 4.11 Osnovni načini odpiranja razpoke. [4]

K1=𝜎 ∗ √𝜋 ∗ 𝑎 ∗ 𝑓(𝑎/𝑊) (4.8)

kjer je:

K1 - faktor intenzitete napetosti za specifične primere, ki se uporablja v numeričnih

izračunih (N/mm2),


),

σ - dopustna napetost obremenitve poizkušanja predmeta (N/mm2),

a - dolžina stranice samega predmeta, uporabljenega pri poizkusu (mm),

𝑓(𝑎/𝑊) - brezdimenzijska funkcija za razpoke v materialu.

Slika 4.12 Prikaz realnih oblik razpok z geometrijskimi oblikami. [4]

4.6 VELIKOST PLASTIČNE CONE V KONICI RAZPOKE

Napetosti so visoke v linearno elastičnem področju. V primeru troosnega napetostnega

stanja se lahko preseže kohezijska trdnost. Pri obremenitvi nad mejo plastičnosti okrog

konice razpoke se izoblikuje plastična cona, prikazana na sliki 4.13. Ta povzroči otopitev


25

razpoke. S tem vrh razpoke ni več oster, temveč je zaokrožen, zaradi česar zavzamejo

napetostne komponente določene končne vrednosti. Materiali iz kovine imajo prednost

pred drugimi materiali, saj imajo sposobnost tečenja in deformacijskega utrjevanja.

Velikost plastične cone je mogoče izračunati z izenačitvijo 𝜎𝑦 z mejo plastičnosti Re, pri

kotu φ = 0:

Z enačbo 4.8 je prikazano RNS:

ry=1

2𝜋(

𝐾1

𝑅𝑒)2

(4.9)

kjer je:

ry - velikost plastične cone,

Re - meja plastičnosti (N/mm2),


),


izračunih (N/mm2).

Z enačbo 4.9 je prikazana RDS :

ry=1

6𝜋(

𝐾1

𝑅𝑒)2

(4.10)

kjer je:




),


izračunih (N/mm2).

Zgornje enačbe so zgolj teoretične. Za dejansko stanje v okolici razpok velja upoštevati

šifrirano področje na sliki 34. V realnosti se sprostitve teh napetosti in plastična cona pred


26

razpoko povečajo na dejansko vednost iz ravnotežnega stanja rPL, ki je prikazano v

enačbah 4.10, 4.11, 4.12. [4]

rPL*Re=∫ 𝜎𝑦𝑦 ∗ 𝑑𝑟 =𝑟𝑦

0∫

𝐾1

√2𝜋∗𝑟

𝑟𝑦

0∗ 𝑑𝑟 (4.11)

kjer je:

rPL - dejanska velikost plastične cone,

r - polmer (mm),

𝜎𝑦𝑦 - napetostna obremenitev (N/mm2),



),


izračunih (N/mm2).

rPL=2*ry (4.12)

kjer je:



Za dejansko vrednost plastične cone je podan RNS z enačbo 4.12:

rPL=1

𝜋(

𝐾1

𝑅𝑒)2

(4.13)

kjer je:




27


),


izračunih (N/mm2).

Za dejansko vrednost plastične cone je podan RDS z enačbo 4.13:

rPL=1

3𝜋(

𝐾1

𝑅𝑒)2

(4.14)

kjer je:




),


izračunih (N/mm2).

Na sliki 4.13 lahko vidimo, da je za strojne dele plastična cona kombinacija razmer pri

RDS in RNS. Na površini elementa B prevzamejo RNS, v notranjosti pa RDS. Pri realnih

običajnih elementih ni mogoče zaznati RDS, zazna pa se lahko RNS. Posledica tega je

večja plastična cona pri enaki zunanji obremenitvi. RDS je nasproten RNS glede na

debelino na sliki 4.14.

Slika 4.13 Plastična cona na konici razpoke.


28

Slika 4.14 a) Prikaz RNS loma b) Prikaz RDS loma

4.7 ELASTO – PLASTIČNA MEHANIKA LOMA

EPML podaja zakonitosti širjenja razpoke, kadar je polje okrog razpoke deformirano.

Kriteriji za veljavnost LEML niso izpolnjeni takrat, ko ni pogojev za ravnovesje nastajanja

razpoke. Ta metoda nam razloži iniciacijo razpoke pod elastičnimi pogoji.

4.8 ODPIRANJE KONICE RAZPOKE CTOD

CTOD je kriterij določitve kritičnega odpiranja konice razpoke. Utopitev konice razpoke

zaradi vpliva plastičnega območja predstavlja parameter lomne žilavosti, označen z δ.

Lahko je kot merljiva vrednost veljavna tudi v LEML. CTOD temelji na predpostavki, da

se pri duktilnih gradivih pred zlomom pojavi zlom odprtja razpoke, tako da iz začetne ostre

razpoke nastane otopela razpoka. To je prikazano na sliki 4.15. [4]

Razmerje med faktorjem intenzitete napetost in CTOD v področju LEML:

𝛿 =𝐾1

2

𝑚∗𝑅𝑒∗𝐸∗ (4.15)

kjer je:


izračunih (N/mm2).



29

𝛿 - lomna žilavost (J),

m - masa (kg),

E - elastični modul (MPa = N/mm2).

Za RNS velja enačba 4.15.

𝐸∗=E <=> m=1 (4.16)

kjer je:

m - masa (kg),

E - elastični modul (MPa = N/mm2).

Za RDS velja enačba 4.16

𝐸∗=𝐸

(1−𝜗2) <=> m=2 (4.17)

kjer je:

m - masa (kg),

E - elastični modul (MPa = N/mm2),

ν - Poissonovo število.

Najpogosteje se v laboratorijskih poskusih za določevanje CTOD uporablja upogibni

preizkušanec z enostransko razpoko (prikazan na sliki 4.16). Pri tej metodi se neposredno

izvaja merjenje odprtine razpoke. Tu uporabljamo merilne naprave, ki temeljijo na sodobni

merilni tehniki merjenja odprtja ustja razpok V ali tako imenovani CMOD. S tem lahko

določimo tudi enostavnejše CTOD metode za enostavne konstrukcije podobnih

trikotnikov, prikazanih z enačbo 4.17. [4]

CTOD=𝐶𝑀𝑂𝐷∗𝑟𝑝∗(𝑊−𝑎0)

𝑟𝑝∗(𝑊−𝑎0)+𝑎0+𝑧 (4.18)

kjer je:


30

CTOD - odpiranje konice razpoke,

CMOD - odpiranje razpoke na površini preizkušanca,

W - energija, uporabljena pri varjenju (J),

a0 - začetni položaj razpoke,

rP - faktor rotacije brez dimenzijska konstanta.

rP je faktor rotacije brezdimenzijske konstante, vrednosti med 0 in 1, realno 0,33 in 048.

Skupna vrednost CTOD je prikazana v enačbi 4.18:

CTOD=𝐾1

2

𝑚∗𝑅𝑒∗𝐸∗+

𝐶𝑀𝑂𝐷∗𝑟𝑝∗(𝑊−𝑎0)

𝑟𝑝∗(𝑊−𝑎0)+𝑎0+𝑧 (4.19)

kjer je:

CTOD - odpiranje konice razpoke,

CMOD - odpiranje razpoke na površini preizkušanca,

W - energija, uporabljena pri varjenju (J),

a0 - začetni položaj razpoke,

rP - faktor rotacije brez dimenzijska konstanta,

m - masa (kg),


ν - Poissonovo število,

Re - meja plastičnosti (N/mm2).

Oddaljenst je označena z mere točke od površine preizkušanca, kot je prikazano na sliki

4.15 in 4.16.

Slika 4.15 Princip odprtja vrha razpoke CTOD. [4]


31

Slika 4.16 Princip določevanja CTOD z upogibom preizkušanca. [4]

V elasto-plastičnem območju (po CTOD kriteriju) moramo poznati kritično vrednost

razpoke CTODcr, da jih lahko ovrednotimo na sliki 4.17. Predpisana sta BS 7990 in ASTM

E 1820 – 05 standarda. Klasičen upogibni preizkušanec počasi obremenjujemo z

naraščajočo silo F, hkrati pa merimo odprtje ustja razpoke V. Za določitev kritične

vrednosti CTODcr je odločilen samo pomik Vp. [4]

Slika 4.17 Prikaz komponente pomika odprtja razpoke, elastična Ve , plastična VP.

4.9 J INTEGRAL

J integral opisuje področje v elasto-plastičnem območju na osnovi opazovanja. Lomno

mehaniko uporabljamo tudi izven cone LEML. Predpis temelji na uporabi obremenitvene

krivulje 𝜎 − 휀 za nelinearno elastično območje ali plastično obnašanje materiala

(prikazano na sliki 4.18). Uporablja se parameter intenzivnosti napetosti ali tako imenovani

energijski parameter. Prikazovanje na J integralnem deležu sproščene energije pri

nelinearno elastičnem obnašanju merjenca nastopa enak J integral okrog celotnega

območja razpoke na sliki 4.19. Z J integralom lahko določimo energijske razmere pri


32

obremenitvi strojne komponente z vsebujočo razpoko in intenziteto napetosti v okolici

razpoke. [4]

Slika 4.18 Prikaz dvodimenzionalna telesa za opis nelinearnega elastičnega gradiva. [4]

Sproščeno energijo v območju EPML označimo z osnovno enačbo (za J) 4.19:

J=𝑑𝜋

𝑑𝐴 (4.20)

kjer je:

J - sproščena energija (J/m2=J/mm

2),

A - površina (mm2

),


).


33

Slika 4.19 R- odpornostna krivulja za določitev točke nestabilnosti materiala. [4]


34

5 PRAKTIČNI DEL

5.1 OPIS DOLOČITVE NAČINA OCENJEVANJA SPREMENLJIVOSTI NAPAKE

OZIROMA RAZPOKE

Po krivulji f(Lr) ocenimo spremenljivost razpoke na konstrukciji ob upoštevanju razpoke

na konici in spremembah plastičnosti. Razpoke na konstrukcijah se spreminjajo, dokler

faktor intenzivnosti napetosti na konici razpoke ne doseže kritične vrednosti. Ko velja Kr =

f(Lr), razpoka ni več spremenljiva. Normirana obremenitev je prikazana v enačbi 5.1. [4]

Lr=𝜎𝑟𝑒𝑓

𝜎𝑦 (5.1)

kjer je:

Lr - normirana obremenitev je,

𝜎𝑟𝑒𝑓 - napetost obremenitve (N/mm2

),

𝜎𝑦 - meja plastičnosti (N/mm2

).

Geometrija konstrukcijskega dela je neodvisna krivulje f(Lr). Vrednotenje je izvedeno v

diagramu z vnesenima točkama (Kr, Lr). Pri tem je podana normirana vednost faktorja

napetosti in intenzivnosti napetosti, prikazano v enačbi 5.2: [4]

Kr=𝐾𝑙

𝐾𝑚𝑎𝑡 (5.2)

kjer je:

Kr - faktor intenzivne napetosti,

Kl - faktor napetosti obremenitve,


35

Kmat - odpornost materiala proti rasti razpoke ali lomna žilavost materiala.

𝐾𝑙 je faktor intenzivnosti napetosti obremenjene komponente z razpoko. 𝐾𝑚𝑎𝑡 je

odpornost materiala proti rasti razpoke ali lomna žilavost materiala. Kadar je 𝐾𝑙 = 𝐾𝑚𝑎𝑡,

imamo nestabilni krhek lom in lomno žilavost eksperimentalno določimo po ASTM

standardu. Parameter lomne žilavosti prikazuje odpornost proti nestabilnemu začetku rasti

razpoke Ji in δi sata, ki je določena po standardu EFAM ETM-MM 96, GKSS 97/E/9

uporaba je prikazana v enačbi 5.3. [4]

𝐾𝑚𝑎𝑡 = √𝐽𝑖∗𝐸

(1−𝑣2) => 𝐾𝑚𝑎𝑡 = √

1,5∗𝛿𝑖∗𝜎𝑦∗𝐸

(1−𝑣2) (5.3)

kjer je:

Kmat - odpornost materiala proti rasti razpoke ali lomna žilavost materiala,

Ji - sproščena energija (J/m2=J/mm

2),


ν - Poissonovo število,

𝜎𝑦 - meja plastičnosti (N/mm2

).

5.1.1 Odziv osnovnega materiala v odvisnosti od temperature

V SINTAP postopku so predlagane naslednje korelacijske zveze med uporom razpoke in

udarno žilavostjo KV. Sam SINTAP predpis opisuje uporabo enačb v posamezni conah

zvara. Za nizko cona 5.4 enačba, srednja cona 5.5 in visoka cona 5.6 enačba.

5.1.2 Nizko temperaturno področje zvara

Enačba 5.4 opisuje odpornost materiala proti rasti razpoke v nizki coni zvara.


36

𝐾𝑚𝑎𝑡 = [(12√𝐾𝑉 − 20) ∗ (25

𝐵)

1

4] + 20[MPa√𝑚] (5.4)

kjer je:


𝐾𝑉 - lomna žilavost (J),

B - debelina konstrukcijskega elementa (mm).

5.1.3 Srednje temperaturno področje zvara

Enačba 5.5 opisuje odpornost materiala proti rasti razpoke v srednji coni zvara.

𝐾𝑚𝑎𝑡 = 20 + [11 + 77(0,019∗(𝑇−𝑇28𝐽)−3℃))] ∗ [(25

𝐵)

1

4] ∗ [𝑙𝑛

1

1−𝑃𝑓] [MPa√𝑚] (5.5)

kjer je:



B - debelina konstrukcijskega elementa (mm),

T - temperatura obravnavanja konstrukcije (℃),

T28J - prehodna temperatura pri žilavosti udarni energiji 28 J v (℃),

Pf - verjetnost porušitve.

5.1.4 Visoko temperaturno področje zvara

Enačba 5.6 opisuje odpornost materiala proti rasti razpoke v visokem območju zvara.

𝐾𝑚𝑎𝑡 = √𝐸∗(0,53∗𝐾𝑉1,28)∗0,28(0,133∗𝐾𝑉0,256)

1000∗(1−𝑣2) [MPa√𝑚] (5.6)

kjer je:


37

Kmat - odpornost materiala proti rasti razpoke ali lomna žilavost materiala [MPa√mm],

𝐾𝑉 - lomna žilavost izbere se najnižja energija za žilavost vrednosti izberemo 3

pospeškom (J),


Na sliki 5.1 imamo združene vse tri cone zvara opisane v zgornjem poglavlju.

Slika 5.1 Prikaz razporeditve odpornosti materiala oziroma zvara v odvisnosti od temperature. [4]

5.2 OPIS DINAMIČNEGA PREIZKUS PO CHARPYJU

Dinamični Charpyev preizkus je bil izveden po standardu EN 875. Ta metoda se uporablja

že vrsto let. Z njo se ugotavlja žilavost na raznih oblikah majhnih preizkušancev. Ta

metoda razvršča kvaliteto kovin in vseh vrst jekel. Veliko zahtevnejša je odločitev izbire

zvara v TVO območju. Pomembneje je, da izberemo pravo lokacijo za izvedbo Charpyeve

meritve, kot pa je sama mikrostruktura materiala. Na sliki 5.2 je prikazano, kako moramo

pripraviti zvarni spoj, da bo celoten vrh zareze v grobozrnatem TVO. S preizkusom treh

epruvet dobimo najnižjo žilavost v zvarnem spoju. Zaradi razmešanja v korenskih varkih v

odvisnosti od dodajanega materiala se lahko žilavost v korenu povsem razlikuje od

žilavosti v temenu zvarnega spoja. Tretji poskus, ki prikazuje način nameščanja vrha

zareze, je prikazan na sliki 5.3. S tem preverjamo kako hitri lom, ki se pojavi v grobo

zrnatem območju, vpliva na sosednja območja. Pri določeni temperaturi se žilavost


38

izračuna iz povprečja treh dobljenih energij za porušitev treh epruvet. Za energijo

porušitve 28 J dobimo žilavost 35 Jcm-2

na epruveto z ostro Charpyjevo zarezo globine 2

mm, ki je prikazana na sliki 5.3. Prikazana je sprememba energije za porušitev materiala v

odvisnosti od temperature preizkušanja. Zgornji diagram (slika 5.3) prikazuje vpliv ostre in

okrogle zareze z energijo, da se posledično lahko material poruši. Epruveta (Tk) z ostro

zarezo je bolj selektivna. Meja, pri kateri nastopa 50 % krhkega in 50 % žilavega loma, je

28 J. To je tudi razlog, da pri jeklenih konstrukcijah za določitev žilavosti zvarnega spoja

uporabljamo samo žilavostne epruvete z V- zarezo. Pri ostalih jeklih, kjer nastopajo nižje

žilavosti, se zaradi povišane količine C uporablja okrogla zareza, zato se običajno žilavost

določa le pri sobni temperaturi. Ob staranju materiala se energija za porušitev materiala

znižuje. Porušitveno mejo (pri faktorju staranja) določimo: od 1 % do 5 % hladne

deformacije, pri žarjenju v peči pri 250 °C v časovnem intervalu pol ure (všteto s

preskušanjem pri različnih temperaturah). [5]

Slika 5.2 Prikaz preizkušanja žilavosti v sočelnem zvarnem spoju. [5]


39

Slika 5.3 Prikaz epruvete za določanje žilavosti in določitev prehodne temperature pri 28 J energije

(porušitev za različna stanja). [5]

5.3 PRIKAZ, KAKO IZ TRDOTE IZRAČUNAMO MEJO TEČENJA RP

Imamo nabor enačb za TVO/osnovni material in strjeni zvar za določitev meje tečenja pri

sobni temperaturi:

- za TVO in OM velja za trdote 160 < HV < 495:

Re0,2=3,28 HV-221 (5.7)

- za strjeni zvar velja za trdote 150 < HV < 300:

Re0,2=3,15 HV-168 (5.8)

- trdnostne lastnosti pri sobni temperaturi določimo iz: za TVO/OM in strjeni zvar,

za trdote 100< HV < 250:

Rm=3,3 HV – 8 (5.9)


40

- za TVO/OM in strjeni zvar, za trdote 250 < HV < 400:

Rm=3,15 HV + 93 (5.10)

- za nižje temperature mejo tečenja določamo iz koenačb:

Re0,2= Re0,2 (pri sobni temperaturi)+ 105

(491+1,8∗𝑇) -180 (5.11)

kjer je:

T - temperatura v °C v času merjenja parametrov lomne žilavosti,

Re - meja plastičnosti (N/mm2).

Na tabeli 5.1 je prikazana tabela, ki predstavlja brezdimenzijsko funkcijo g1(a0/W) za

upogibni preizkus. [5]

Tabela 5.1 Prikazana je brez dimenzijska funkcija g1(a0/W) za upogibni preizkus. [5]

a0/W g1/( a0/W) a0/W g1/( a0/W)

0,450 2,29 0,630 4,25

0,455 2,32 0,635 4,34

0,460 2,35 0,640 4,43

0,465 2,39 0,645 4,53

0,470 2,43 0,650 4,63

0,475 2,46 0,655 4,73

0,480 2,50 0,660 4,82

0,485 2,53 0,665 4,92

0,490 2,57 0,670 5,01

0,495 2,60 0,675 5,11

0,500 2,63 0,680 5,21

0,505 2,67 0,685 5,30

0,510 2,70 0,690 5,40

0,515 2,74 0,695 5,50

0,520 2,77 0,700 5,59

0,525 2,81 0,705 5,69

0,530 2,84 0,710 5,78

0,535 2,88 0,715 5,88

0,540 2,91 0,720 5,98

0,545 2,95 0,725 6,07

0,550 2,98 0,730 6,17

0,555 3,02 0,735 6,27

0,560 3,05 0,740 6,36


41

5.4 KONSERVATIVNA OCENITEV LOMNE ŽILAVOSTI IZ CHARPYJEVE

UDARNE ŽILAVOSTI

Za konstrukcijske dele in stroje, ki so dalj čas v obratovanju, lomno-mehanskih podatkov

ni na razpolago. Pogoj za dobljen rezultat udarne žilavosti je dobljen odpor materiala pri

pojavu razpok v primerjavi s preizkusnimi vrednostnimi lomne žilavosti. Poznan je kot

koncept S.I.N.T.A.P (Structural integrity assessment procedures).

Koenačba v spodnjem delu žilavostne krivulje:

Kmat=((12*√𝐾𝑉 -20)251/4

𝐵) + 20 (5.12)

kjer je:



B - debelina konstrukcijskega elementa (mm).

Kmat =[MPa√𝑚], B=(mm) ustreza debelini konstrukcijskega elementa pri poteku razpoke

skozi debelino in dolžini površinske ali vgrajene razpoke. Vendar le v velikosti (2B) je

eksperimentalna lomna žilavost KV=(J). Pri tem se izbere najnižja energija za žilavostne

vrednosti izmed 3 poizkusov.

Koenačba v prehodnem delu duktilnega krhkega loma opisuje parameter lomne žilavosti

na žilavostni krivulji. Za duktilno krhko območje določamo lomno žilavost po konceptu

referenčne krivulje. Koenačba temelji na Charpyjevi energiji z vrednostjo 28 J pri dani

temperaturi. Lomna žilavost je Kmat=100Mpa√𝑚. Krivulja za lomno žilavost v prehodnem

območju je:

Kmat = 20+1*(11+77𝑒(0,019(𝑇−𝑇2𝐵)+18℃))*(25

𝐵)1/4 ∗∗ (𝑙𝑛

1

1−𝑃𝑓)1/4 (5.13)

kjer je:


42



B - debelina konstrukcijskega elementa (mm),

T - temperatura obravnavanja konstrukcije (℃),

T28J - prehodna temperatura pri žilavosti udarni energiji 28 J v (℃),

Pf - verjetnost porušitve.

Skupek vseh zgoraj navedenih enačb opišemo kot:

- T=temperatura obravnavanja konstrukcije (℃),

- T28J= prehodna temperatura pri žilavosti udarni energiji 28 J,

- Pf=verjetnost porušitve.

Pri koenačbi v zgornjem delu uporabimo deterministični pristop za duktilno območje na

osnovi poznavanja Charpyjeve energije zgornjega območja TVO. To velja za zgornji del

žilavostne krivulje. Pri tem ne obstaja ekvivalent za referenčno krivuljo. Za enačbo 5.11

velja, da se nanaša na standard EN 1043-1. [5]

Kmat=KJ0,2=√𝐸∗(0,53∗𝐾𝑉1,28∗0,2(0,133∗0,133∗𝐾𝑉0,256))

1000∗(1−𝑣2) (5.14)

kjer je :

Kmat - odpornost materiala proti rasti razpoke ali lomna žilavost materiala [MPa√mm],

𝐾𝑉 - lomna žilavost izbere se najnižja energija za žilavost vrednosti izberemo 3

pospeškom (J),


KJ0,2 prikazuje na K- transformirani odpor proti lomu za 0,2 mm narastka razpoke. [5]


43

6 EKSPERIMENTALNA DOLOČITEV UDARNE ŽILAVOSTI ZVARA

Zvarni spoj na sliki 6.1 je zavarjen na debelini osnovnega materiala 30 mm. Spojen je

zvarjen v x obliki s postopkom ročnega elektroobločnega varjenja z oplaščeno elektrodo

EVB S, proizvajalca SŽ elektrode Jesenice.

Slika 6.1 Skica zvarnega spoja oblike x.

6.1 PORAZDELITVE TEMPERATUR V KORENU ZVARNEGA SPOJA X Z

UPORABO ELEKTRODE EVB S

Rezultati udarne žilavosti pridobljene z eksperimentom postopkom so prikazani v tabeli

6.1 za koren zvarnega spoja.

Tabela 6.1 Prikaz eksperimentalnih vrednosti udarne žilavosti zvarnega spoja v korenu

-60[◦C] -50[

◦C] -40[

◦C] -30[

◦C] -20[

◦C] -10[

◦C] 0[

◦C] 10[

◦C] 20[

◦C]

KV [J] KV [J] KV [J] KV [J] KV [J] KV [J] KV [J] KV [J] KV [J]

28 35 41 48 55 86 84 105 136

42 41 45 59 73 98 111 136 168

33 21 34 37 32 61 92 78 97


44

6.2 PORAZDELITVE TEMPERATUR V TEMENU ZVARNEGA SPOJA X Z

UPORABO ELEKTRODE EVB S

Rezultati udarne žilavosti pridobljene z eksperimentom postopkom so prikazani v tabeli

6.2 za teme zvarnega spoja.

Tabela 6.2 Prikaz eksperimentalnih vrednosti zvarnega spoja v temenu

-60[◦C] -50[

◦C] -40[

◦C] -30[

◦C] -20[

◦C] -10[

◦C] 0[

◦C] 10[

◦C] 20[

◦C]

KV [J] KV [J] KV [J] KV [J] KV [J] KV [J] KV [J] KV [J] KV [J]

34 53 66 82 97 108 119 134 176

42 61 61 73 84 141 161 186 197

46 48 44 67 65 84 78 175 105

6.3 OPIS ELEKTRODE EVB S, UPORABLJENE PRI VARJENJU IN NJENE

LASTNOSTI

Elektroda je bazična, A testirana po metodi CTOD za varjenje nelegiranih in malo

legiranih jekel ter jeklenih litin trdnosti do 610 N/mm2. Varijo se lahko tudi drobno zrnata

jekla s povišano trdnostjo. Za vare je značilno, da so žilavi pri nizkih temperaturah in

odporni proti nastajanju razpok. Vsebnost vodika je najmanjša 5 ml/100 g vara. Elektroda

podaja odlične varilne lastnosti in stabilen oblok. Žlindra se zlahka odstranjuje. Prikazano

v tabeli 6.1,6.2 in 6.3 [8]

Tabela 6.3 Podana je kemična sestava za tipični čisti var [8]

C Si Mn

0.08 0.60 1.0

V tabeli 6.4 imamo tehnične podatke. Uporabljene EVB elektrode pri eksperimentalnem

delu zaključnega dela.


45

Tabela 6.4 Prikazane so mehanske lastnosti za EVB [8]

Meja tečenja Rp 0.2 %: > 440 N/mm2

Trdnost Rm 510-610 N/mm2

Raztezek A5 > 24 %

Žilavost Av > 47 J (-20 ◦C) & (-40

◦C)

Vsebnost vodika H < 5 ml/100 g vara

6.4 IZRAČUN DEBELINE ZVARA

Debelina osnovnega materiala B=30mm, vzet je bil mehanski preizkušanec na sliki 6.2.

B*2B→ (30mm*60mm)=1800mm s premenskih presekom. (6.1)

Slika 6.2 Shema izračuna debeline zvara in lokacija CTOD.

6.5 IZPELJAVA ENOTE ZA LOMNO ŽILAVOSTI:

Kmat2=

1,5∗𝛿𝑚𝑎𝑡∗𝑅𝑝∗𝐸

1−𝑟2 →Kmat2(1-𝑟2)=1,5*𝛿𝑚𝑎𝑥 ∗ 𝑅𝑝 ∗ 𝐸→𝛿𝑚𝑎𝑥 =

Kmat2∗(1−𝑟2)

1,5∗𝑅𝑝∗𝐸=

[𝑁2∗𝑚2∗𝑚∗𝑚2

𝑚2∗𝑁∗𝑁= [𝑚 = 𝑚𝑚]] (6.2)


46

6.6 ODČITANE VREDNOSTI PRI T28J V KORENU IN TEMENU ZVARA X

OBLIKE:

Podatki so bili odčitani iz grafov na sliki 7.4 in 7.5. Na sliki 7.4 je bila odčitana vrednost v

korenu zvara. Na sliki 7.5 je bila odčitana vrednost za teme zvara.

V tabeli 6.5 imamo odčitane povprečne pri faktorju T28J. Vrednosti se uporabijo za nazivni

izračun lomne žilavosti.

Tabela 6.5 Odčitane vrednosti pri T28J v korenu in temenu zvara x oblike

Koren T28J -60J

Teme T28J -58J


47

7 IZRAČUNANE VREDNOSTI LOMNE ŽILAVOSTI ZVARA

7.1 DIAGRAMA PRIKAZUJETA REZULTATE UDARNE ŽILAVOST.

Prikazovanje točkovnih razporeditev dobljenih eksperimentalnih rezultatov v korenu in

temenu zvara na sliki 7.1 in 7.2.

Slika 7.1 Prikaz eksperimentalno določene udarne žilavosti v korenu zvara x oblike.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

-60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20

KV

[J]

UD

AR

NA

ŽIL

AV

OST

T[◦C]

Diagram udarne žilavosti v


48

Slika 7.2 Prikaz eksperimentalno določene udarne žilavosti v temenu zvara x oblike.

7.2 IZRAČUN PARAMETRA LOMNE ŽILAVOSTI PO STANDARDU ISO EN 1043-

1IN POSTOPKU SINTAP

Pri standardu ISO EN 1043-1 je bila uporabljena enačba 5.11 za določitev parametra

lomne žilavosti.

Za izračun parametra lomne žilavosti po standardu ISO EN 1043-1 in postopku SINTAP

V SINTAP postopku so predlagane naslednje korelacijske zveze med uporom razpoke in

udarno žilavostjo KV:

Opis formul uporabljenih v izračunih lomne žilavosti.

a) Nizko žilavostnem (krhkem) temperaturnem področju velja naslednja enačba 5.4.

b) Duktilno (krhkem) prehodnem temperaturnem področju velja naslednja enačba 5.5.

c) Visoko žilavostno duktilno temperaturno področju velja naslednja enačba 5.6.

Podatke iz tabele 7.1 in 7.2 udrane žilavosti smo uporabili za izračun lomne žilavosti v

vseh treh conah zvara. Uporabljene so bile conske enačbe 5.4 , 5.5 in 5.6. Izris lomne

žilavosti iz udarne žilavosti so končni rezultati v korenu in temenu zvara.

-10

10

30

50

70

90

110

130

150

170

190

-60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20

KV

[J]

UD

AR

NA

ŽIL

AV

OST

T[◦C]

Diagram udarne žilavosti v temenu zvara


49

Tabela 7.1 Rezultati izračunov lomne žilavosti v korenu zvara x oblike

Tabela 7.2 Rezultati izračunov lomne žilavosti v temenu zvara x oblike

KOREN

T[◦C] KV[J] 1,5 E σy[N/mm2] v^2 Kmat[MPa√m] δ[mm]

-60 28 1,5 210.000 440 0,1089 34,93263601 0,784559581

-50 21 1,5 210.000 440 0,1089 32,01218722 0,785243676

-40 34 1,5 210.000 440 0,1089 37,15491578 0,887556024

-30 37 1,5 210.000 440 0,1089 38,19225833 0,937807911

-20 32 1,5 210.000 440 0,1089 47,58558886 1,215454845

-10 86 1,5 210.000 440 0,1089 49,45624728 1,57255387

0 84 1,5 210.000 440 0,1089 50,42421224 1,634712779

10 78 1,5 210.000 440 0,1089 68,78162217 3,041641617

20 97 1,5 210.000 440 0,1089 56,37346818 3,120102202

a) enačba

b) enačba

c) enačba

TEME

T[◦C] KV[J] 1,5 E σy[N/mm2] v^2 Kmat[MPa√m] δ[mm]

-60 34 1,5 210.000 440 0,1089 37,15491578 1,116647515

-50 48 1,5 210.000 440 0,1089 41,67508028 1,052483158

-40 44 1,5 210.000 440 0,1089 40,46000861 1,411417994

-30 67 1,5 210.000 440 0,1089 46,85395092 1,85725487

-20 65 1,5 210.000 440 0,1089 54,57227275 4,56558598

-10 84 1,5 210.000 440 0,1089 56,45377272 6,456775466

0 78 1,5 210.000 440 0,1089 59,45245255 8,23453443

10 134 1,5 210.000 440 0,1089 180,2912751 10,21561517

20 105 1,5 210.000 440 0,1089 157,0308989 10,12523563

a) enačba

b) enačba

c) enačba


50

Slika 7.3 Prikazuje udarno žilavost v korenu zvara.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

-60 -40 -20 0 20

KV

[J]

T[◦C]

Koren zvara udarna žilavost

KV[J]


51

Slika 7.4 Prikazuje izračunano lomno žilavost v korenu zvara po postopku S.I.N.T.A.P.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

-60 -40 -20 0 20

δ[m

m]

T[◦C]

Koren zvara lomna žilavost

δ[mm] Nizko temperaturno območje a) enačba

Srednje temepraturo območje b) enačba Visoko temp.

območje c) enačba


52

Slika 7.5 Prikazuje udarno žilavost v temenu zvara.

0

20

40

60

80

100

120

140

-60 -40 -20 0 20

KV

[J]

T[◦C]

Teme zvara udarna žilavost

KV[J]


53

Slika 7.6 Prikazuje izračunano lomno žilavost v temenu zvara po postopku S.I.N.T.A.P.

0

2

4

6

8

10

12

-60 -40 -20 0 20

δ[m

m]

T[◦C]

Teme zvara lomna žilavost

δ[mm]

Nizko temperaturno območje a) enačba

Srednje temepraturo območje b) enačba

Visoko temp. območje


54

Slika 7.7 Primerjava med krivuljama udarne in lomne žilavosti zvara v korenu zvara.

Slika 7.8 Primerjava med krivuljama udarne in lomne žilavosti zvara v temenu zvara.


55

8 DISKUSIJA

Pri svoji zaključni nalogi sem raziskoval eksperimentalne podatke, ki sem jih pridobil z

mentorjevo pomočjo. Varjenje so izvedli v podjetju Metal Ravne d. o. o.. Gre za posamični

zvarni spoj, zavarjen iz osnovnega materiala, ki je nizkoogljično jeklo ali konstrukcijsko

jeklo debeline 30 mm. Zvar je bil izveden v x obliki zvarnega spoja. Tip varjenja je bil

izbran na podlagi najpogostejših zvarov v energetskih postrojenjih, ki se uporabljajo za

gradnjo ali za vitalne dele energetskih objektov. Naloga je bila opravljena s postopkom

ročnega elektroobločnega varjenja z oplaščeno elektrodo EVB S, proizvajalca SŽ elektrode

Jesenice. Podjetje mi je priskrbelo podatke za zvar po postopku Charpyevega preizkusa.

Dobil sem podatke o vrednostih lomne žilavosti pri različnih temperaturah v območju od –

60 ◦C do 20

◦C. Podatki so se nanašali na koren in teme zvara oblike x. Poskus je bil

izveden trikrat v vsaki točki.

Zaradi vrednotenja podatkov in predpisa, ki ga je narekovala metoda S.I.N.T.A.P. za

določitev parametra lomne žilavosti, je bila izvedena analitična analiza zvara z opisno

metodo. Uporabljena je bila za nadaljnjo obdelovanje podatkov v magistrskem delu. Kot je

bilo že omenjeno, smo izbrali elektrodo slovenskega proizvajalca SŽ elektrode Jesenice,

tipa EVB S, ki je bazična. Testirana je bila po metodi CTOD za varjenje nelegiranih in

malo legiranih jekel in jeklenih litin trdnosti do 610 N/mm2. Varijo se lahko tudi drobno

zrnata jekla s povišano trdnostjo. Za vare je značilno, da so žilavi pri nizkih temperaturah

in odporni na nastajanje razpok. Elektroda ima dobre varilne lastnosti in stabilen oblok.

Žlindra se zlahka odstranjuje. Za sam izračun določitve parametra lomne žilavosti sem

potreboval podatke meje tečenja. Našel sem jih v tabeli mehanskih lastnosti v katalogu

EVB S elektrod.

Po izbrani metodi ocenimo spremenljivost razpoke na konstrukciji ob upoštevanju razpoke

na konici in spremembe plastičnosti. Razpoke na konstrukciji se spreminjajo, dokler faktor


56

intenzivnosti napetosti na konici razpoke ne doseže kritične vrednosti. Kadar je 𝐾𝑚𝑎𝑡,

imamo nestabilni krhek lom. To metodo eksperimentalno določimo po ASTM standardu.

Prikazuje odpornost proti nestabilnemu začetku rasti razpoke Ji in δi sata, in je določena po

standardu S.I.N.T.A.P, kar je prikazano in uporabljeno v enačbi 5.3. Kmat je odpornost

materiala proti rasti razpoke ali lomna žilavosti materiala. Pri metodi je prikazan odpor

materiala proti pojavu razpoke v primerjavi s preizkusnimi vrednostnimi. S.I.N.T.A.P.,

»Structural integrity assessment procedures« je poznan kot koncept določanja parametra

lomne žilavosti. Metoda ima deterministični pristop za duktilno območje na osnovi

poznavanja Charpyjeve energije. Za vsako področje na izračunani krivulji je bila izbrana

ustrezna enačba, izbrana po standardu za določitev Kmat. Za primer a, z nizko žilavostjo, je

za temperaturno območje uporabljena enačba 5.4, za primer b, z duktilno prehodnim

temperaturnim področjem je uporabljena enačba 5.5 ter pri primeru c, z visoko žilavostno

duktilnim tempretaturnim področjem, je bila uporabljena enačba 5.6.

Pri obeh delih zvara smo uporabili enako označbo Kmat, ki ponazarja odpornost materiala

proti rasti razpoke ali parameter lomne žilavosti materiala, izraženo v MPa√mm.

Podatke za udarno žilavost po klasični Charpyevi metodi sem dobil pri omenjenem

podjetju. Sledil je izris podatkov v diagramih za udarno žilavost. V samem grafu na sliki

7.3 so izrisane vse energijske vrednosti točk pri dani temperaturi v korenu zvara. Graf na

sliki 7.4 prikazuje izrisane energijske točke pri danih temperaturah v temenu zvara x

oblike. Izračunali smo povprečno vrednost vseh treh poizkusov določitve udarne žilavosti.

Izrisali smo povprečne vrednosti udarne žilavosti. Na sliki 7.4 imamo prikazano vrednost

povprečne udarne žilavosti v korenu zvara. Na sliki 7.5 imamo povprečno vrednost udarne

žilavosti v temenu zvara x oblike. Te vrednosti so uporabljene za nadaljnje izračune

prametrov lomne žilavosti, ki jih v nadaljevanju uporabimo za izračun same lomne

žilavosti zvara. Pri izračunu prametra lomne žilavosti je bilo ključno postaviti meje

področja, kjer smo uporabili različne enačbe za posamezno področje, kot na primer

prehodno temperaturno območje. Za parameter lomne žilavosti smo pri izračunu

potrebovali še E - elastični modul, σy - mejo plastičnosti, ν - Possinovo število, B -

izračunano debelino zvara ter T28J - prehodno temperaturo pri žilavosti udarni energiji 28 J.

T28J je bila uporabljena v enačbi b) (5.5) za prehodno temperaturno področje. S temi


57

podatki smo lahko skozi celotno območje zvara natančno določili parameter lomne

žilavosti. Nato smo izpeljali formulo za lomno žilavost, ki je prikazana v enačbi 6.2. Za

lomno žilavost smo uporabili parameter lomne žilavosti Kmat, po že zgoraj opisanem

postopku S.I.N.T.A.P. Na sliki 49 imamo izrisano vrednost lomne žilavosti v korenu zvara.

V coni a) (5.4) imamo blago stopnjevano naraščanje krivulje. Pri coni b) (5.5) imamo

linearno obliko krivulje, vse do ̶ 10 ◦C. Nato rahlo zaniha do 0

◦C. Cona c) (5.6) ima

linearno obliko krivulje do 10 ◦C, pri tem primeru imamo konstantno vrednost krivulje z

rahlim upadom, kar ni relevantna indikacija. Na sliki 51 imamo prikazano v coni a) (5.4)

vodoravno krivuljo, ki ima naraščanje manjše od 1 % vrednosti rezultata v samem

območju. Cona b) (5.5) je čista linearna oblika krivulje. V coni c) (5.6) imamo približne

vrednosti lomne žilavosti. Iz teh zaključkov je razvidno, da je metoda uporabna le za

določitev vrednosti v področju a) (5.5) krivulje, ker so med rezultati razlike med točkami

manjše od 1 %. Za nizko žilavostno (krhko) temperaturno področje je uporabljena enačba

5.4. Za ostali dve področji je bolje uporabiti druge metode za določanje lomne žilavosti v

zvaru.

Razlika med udarno žilavostjo in lomno žilavostjo je v tem, da se pri projektiranju

konstrukcij ne uporablja udarna žilavost, saj imamo predpise, ki nam narekujejo dopustne

napetosti pri lomni žilavosti. Lomna žilavost je lahko neposreden rezultat

eksperimentalnega poskusa. Lahko jo pa tudi izračunamo s povezavo med udarno

žilavostjo, kot v našem primeru. Udarna žilavost je posreden rezultat, ki se uporablja za

preverjanje obstoječih konstrukcij, ki seveda zajemajo sistemske napake. Lomna žilavost je

bila izvedena pri ravninskem deformacijskem stanju (Plain-strain fraeture toughness).

Opisuje poljubno hitrost obremenjevanja, spremenljivo debelino preizkušancev in ostro

utrujenostno razpoko (merimo jo mm). Udarna žilavost je obravnavana po Charpyju.

Postopek zajema udarno kladivo, majhne preizkušance in tope zareze. Absorbirano

energijo merjenca merimo v J. Prikazano na slikama 7.7 in 7.8 primerjava krivulj v temenu

in korenu zvara.

Spodnji sliki (sliki 8.1 in 8.2) nam prikazujeta primer zapletenega varjenja v energetskem

objektu z metodo elektroobločnega varjenja.


58

Slika 8.1 Primer varilca s klasičnim elektroobločnim varjenjem v energetskem objektu

Slika 8.2 Prikaz klasičnega zvarjenega energetskega elementa s postopkom elektroobločnega varjenja.


59

9 SKLEP

Stvari, ki so na videz najbolj preproste in enostavne, so v praksi zelo zahtevne. Tako je tudi

pri varjenju. Zvar je najpomembnejši člen energetske komponente, saj namreč ni sestavljen

iz osnovnih materialov in nima idealne mikrostrukture. Pri varjenju je najpomembnejša

pravilna izbira tehnološkega postopka varjenja, zato je težko zagotoviti varnost zvarov, ki

so nosilci vseh konstrukcij. Z našim raziskovanjem apeliramo na dejstvo, da smo vsaj malo

izboljšali in poenostavili določitev varnosti zvarov z željo, da bi bili sami zvari

kakovostnejši in izvedeni pod najbolj optimalnimi pogoji.

Iz opisnega magistrskega dela je razvidno, da se metoda izkaže kot korekten pristop k

določitvi odpornosti materiala proti rasti razpok ali lomni žilavost materiala. Izkaže se

uporabna za nizko žilavostno (krhko) temperaturno področje. Odstopanje je manjše od 1

%. Pri temenu zvara je povprečno odstopanje natančnosti med metodama 0,84 %. Metoda

za analitični izračun je primerna za uporabo v industriji. Razlika med krivuljo lomne

žilavosti v temenu in krivuljo lomne žilavosti v korenu je minimalna ali skoraj neopazna.

Metoda je uporabna izključno le v spodnjem delu krivulje, saj so odstopanja tam

minimalna, v srednjem delu in v zgornjem delu krivulje se metodi ne obneseta. To lahko

razberemo na slikah 7.4 in 7.6, če jih primerjamo s slikama 7.3 in 7.5. V spodnjem delu je

pričakovan krhki lom materiala. Do tega zaključka pridemo po ne idealni obliki krivulje S

oblike v diagramih, ki so hkrati analitični izračuni. Iz tehničnega vidika bi priporočal

izbiro metode za manj zahtevne energetske konstrukcije, predvsem zaradi uporabe večjega

števila vhodnih podatkov in manj določenih empiričnih faktorjev.

Zaključna naloga opisuje teorijo osnovnih lastnosti zvarnih spojev različnih oblik. Pri tem

je opisana problematika pojava razpok v varjenih konstrukcijah, ki so najbolj nezaželene

napake. Rezultati izhajajo na podlagi izvedbe Charpyjevega preizkusa udarne žilavosti.

Obnašanje osnovnega materiala ima ključno vlogo na področju mehanike lome. S tem


60

preučujemo napetosti in deformacijska stanja v materialih ter komponentah, kar v

najslabšem primeru lahko privede do nezaželenega pojava porušitve strukture objekta. S

tem zagotovimo varnostni faktor že pri samem načrtovanju in izvedbi energetskih

elementov, komponent in postrojev. Magistrsko delo bi lahko nadaljevali z izvedbo linijske

kemične analize samega zvara. Kasneje bi lahko uporabili tudi druge tipe varjenja,

identične primeru mojega zvara. Pri tem bi opazovali fizikalne in kemijske lastnosti novo

nastalih zvarov ter primerjali tipične varjene zvare v energetskih postrojenjih. Ker gre za

ekonomično najbolj upravičljiv in v praksi najpogosteje uporabljen zvar, smo se odločili za

elektroobločno varjenje zvarov in jim po ne tipični metodi določili lomno žilavost v korenu

ter temenu zvara.


61

VIRI IN LITERATURA

1 Praunseis, Z. Vpliv znižane trdnosti strjenega zvara z vključenimi heterogenimi

področji na lomne lastnosti zvarnega spoja visoko trdnostnega jekla, doktorska disertacija.

Maribor: 1998.

2 Praunseis, Z. Gradniki v energetiki, univerzitetni učbenik. Maribor: 2012.

3 Praunseis, Z. Zapiski predavanj pri predmetu Optimiranje oskrbovalnih sistemov.

Maribor: 2012.

4 Gubeljak, N. Mehanika loma, univerzitetni učbenik. Maribor: 2009.

5 Rak, I. Tehnologija varjenja, monografija, založba Modrijan. Ljubljana: 2008.

[6] Praunseis, Z. Lomna žilavost dejanskih in simuliranih struktur v TVP

visokotrdnostnega jekla, magistrsko delo. Maribor: 1993.

[7] The Welding Institute : Relationship between Charpy impact energy and Charpy

lateral expansion for ferritic steels.

Dostopno na svetovnem spletu pod: http://www.twi global.com/technical –

knowledge/fags/strectural-integrity-fags/fag-what-is-the-relationship-between-charpy-

impact-energy-and-charpy-lateral-expansion-for-ferritic steels/. (14. maj 2015).

[8] Priročnik elektrod za varjenje Jesenice: http://www.elektrode.si/html/slo/varjenje.html.

Dostopno dne: 23. 3. 2015.

Priloga A: Izjava o istovetnosti tiskane in elektronske verzije zaključnega dela in objavi

osebnih podatkov diplomantov

http://www.twi/

http://www.elektrode.si/html/slo/varjenje.html


62

PRILOGA B: Izjava o avtorstvu zaključnega dela


63

Documents

VPLIV UDARNE ŽILAVOSTI NA LOMNO ŽILAVOST ZVARA … · EPML elasto-plastična mehanika loma CTOD odpiranje konice razpoke . Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko 1 1 UVOD