METAL 2008 13. –15. 5. 2008, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________
VÝVOJ A OVĚŘOVÁNÍ VLASTNOSTÍ KONSTRUKČNÍCH OCELÍ SE ZVÝŠENOU ODOLNOSTÍ PROTI POŽÁRU DEVELOPMENT AND VERIFICATION OF MATERIAL PROPERTIES OF FIRE RESISTANT STEELS Zdeněk Kuboň, Šárka Stejskalová, Ladislav Kander Materiálový a metalurgický výzkum s.r.o., Ostrava-Vítkovice, ČR,
[email protected] Abstrakt Požární odolnost budov, jejichž nosná konstrukce je tvořena ocelovými nosníky, může být zvýšena několika různými způsoby, mezi které patří zejména návrh konstrukce a použití konstrukčních prvků tak, aby byly vystaveny účinkům požáru pouze částečně (ochranné požární nástřiky, apod.), dále pak použití větších nosných průřezů konstrukčních prvků a konečně použití ocelí se zvýšenou pevností za vysokých teplot ve srovnání s klasickými konstrukčními ocelemi. Základní požadavky na nové typy konstrukčních ocelí se zvýšenou odolností proti požáru jsou: − optimalizované chemické složení oceli a minimalizovaná cena, − výrobky dodávané ve stavu po řízeném válcování nebo normalizačním žíhání, − zaručená svařitelnost, nejlépe bez předehřevu a tepelného zpracování po svařování, dostupnými technologiemi a přídavnými materiály, − garance zvýšené odolnosti proti deformaci za zvýšených teplot, resp. ztrátě tvarové stability konstrukce. Příspěvek jednak shrnuje požadavky kladené na konstrukční oceli, vyznačující se zvýšenou odolností proti požáru, jednak uvádí výsledky ověřování vlastností nově vyvíjených typů těchto ocelí spolu se srovnáním materiálových charakteristik s již zavedenou ocelí FRS 30 vyráběnou konsorciem Thyssen-Krupp. Summary Fire resistance of buildings made of steel beams can be increased either by specified design so that the structural elements are exposed to the fire only in the limited extent (protective fire coatings, etc.) or by using bigger bearing members. Last but not least it can be done by using the steel with higher strength at elevated temperature. The basic requirements of the new structural steels with higher fire resistance are: − optimized chemical composition and minimized price of the steel, − products delivered in the control rolled or normalized state, − good weldability, the steel should be welded without preheat and post weld heat treatment, by using common welding technology and filler materials, − the resistance of the steel against high temperature deformation and lost of size stability of the structure. The paper summarizes the requirements towards the structural steel with higher fire resistance and presents the results of materials properties of newly developed fire resistant steels in comparison to the steel grade FRS 30 produced by Thyssen-Krupp.
1
METAL 2008 13. –15. 5. 2008, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________
1. ÚVOD
Rostoucí nebezpečí teroristických útoků a zkušenosti s požárem a následným zřícením budov World Trade Center v New Yorku v září 2001 obrátily pozornost i laické veřejnosti k problematice požární únosnosti staveb a možnostem jejího zvyšování. Renesance výstavby obřích mrakodrapů a výškových budov zejména v Asii pak celé problematice dodává stále aktuální rozměr. Tento příspěvek shrnuje požadavky kladené na konstrukční oceli, vyznačující se zvýšenou pevností v intervalu teplot, kterým mohou být vystaveny právě během požáru a uvádí výsledky užitných vlastností dvou laboratorních taveb tohoto typu oceli spolu se srovnáním materiálových charakteristik s již zavedenou ocelí FRS 30 vyráběnou konsorciem Thyssen Krupp.
2. MATERIÁLOVÁ PROBLEMATIKA ODOLNOSTI KONSTRUKCÍ PROTI
POŽÁRU Nosné ocelové konstrukce obytných a občanských budov nebo konstrukce průmyslových staveb mohou být při požáru vystaveny účinkům velmi vysokých teplot. S tímto faktem se pracuje již ve fázi návrhu konstrukce, která musí zaručit, že se ocelové nosné prvky při požáru neporuší v čase, potřebném především pro evakuaci a záchranu osob. To je možné zajistit jednak návrhem konstrukce tak, aby nosné prvky byly vystaveny účinkům požáru pouze částečně (stínění, ochranné požární nástřiky, apod.), použitím větších nosných průřezů konstrukčních prvků anebo právě použitím značek ocelí odolných proti požáru, tedy ocelí se zvýšenou pevností za vysokých teplot ve srovnání s klasickými konstrukčními ocelemi. 1.1
Materiály v normách pro stavební konstrukce Požární odolnost stavebních konstrukcí se určuje podle ČSN EN 1363-1 [1] a souvisejících ČSN a vyjadřuje se časem, po který je garantováno zachování stability a únosnosti konstrukce. Tento čas se pohybuje podle typu, složitosti a důležitosti objektu v intervalu od 15 minut až do 3 hodin. Stavební konstrukce se pak podle požární odolnosti zařazují do stupnice 15, 30, 45, 60, 90, 120 a 180 minut. Během požáru dochází k intenzivnímu ohřevu ocelového konstrukčního prvku, což s sebou přináší pokles jeho pevnostních charakteristik, zejména pak meze kluzu, meze pevnosti a také Youngova modulu E. Pokud je pokles meze kluzu v důsledku požáru tak vysoký, že jeho hodnota podkročí okamžité pracovní napětí, konstrukční element se zdeformuje nebo poruší. Teplota, při níž k tomu dojde, se udává jako kritická teplota, dosahuje u běžných typů konstrukčních ocelí asi 550°C, ale může kolísat i v závislosti na velikosti konstrukčního prvku. Při této teplotě si ocel zachovává pouze asi 60% své původní meze kluzu za normální teploty. Pro výpočet únosnosti konstrukcí vystavených účinkům požáru jsou jednotlivé materiálové charakteristiky (Xd, fi) v EN 1993-1-2 [2] definovány následujícím způsobem: k ⋅ Xk (1), X d ,fi = θ γ M ,fi kde Xk je příslušná materiálová charakteristika při normální teplotě, kθ je redukční faktor platný pro tuto charakteristiku a teplotu materiálu při požáru a γ M ,fi je pak faktor bezpečnosti pro danou materiálovou charakteristiku a požární situaci. Pro jednotlivé pevnostní charakteristiky při zvýšených teplotách jsou v EN 1993-1-2 k dispozici redukční faktory, které charakterizují pokles příslušné materiálové charakteristiky s teplotou, konkrétně:
2
METAL 2008 13. –15. 5. 2008, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ k y ,θ =
− redukční faktor pro mez kluzu
k p ,θ =
− redukční faktor pro mez úměrnosti
k E ,θ =
redukční faktor pro Youngův modul
f y ,θ fy
(2)
fp
(3)
Ea
(4)
f p ,θ
E a ,θ
Hodnoty výše uvedených součinitelů uvedené v normě ČSN EN 1993-1-2 a platné pro uhlíkovou ocel jsou uvedeny v tabulce 1. Tabulka 1: Redukční součinitele kyθ, kpθ a kEθ uhlíkové oceli podle EN 1993-1-2 T, °C kpθ kEθ kyθ 1.0000 1.0000 1.0000 20 1.0000 1.0000 1.0000 100 1.0000 0.8070 0.9000 200 1.0000 0.6130 0.8000 300 1.0000 0.4200 0.7000 400 0.7800 0.3600 0.6000 500 0.6250 0.2700 0.4550 550 0.4700 0.1800 0.3100 600 0.3500 0.1275 0.2200 650 0.2300 0.0750 0.1300 700 0.1700 0.0625 0.1100 750 0.1100 0.0500 0.0900 800 Tyto parametry představují také minimální rozsah zkoušení a prokazování vlastností, který musí každý nový materiál splňovat, aby mohl být zahrnut do skupiny konstrukčních ocelí se zvýšenou odolností proti požáru. Materiálová problematika je ovšem v normě EN 1993-1-2 omezena pouze na uvedení dvou skupin materiálů, a to jedné uhlíkové konstrukční oceli a tří značek austenitických ocelí. Navíc v normě uvedená uhlíková konstrukční ocel P 235 je ocel s minimální mezí kluzu, což způsobuje, že výpočty jsou značně konzervativní a naprosto ignorují různé materiálové charakteristiky a pevnostní úroveň ocelí. Například, při výpočtu je použita ocel P 235 s charakteristickou mezí kluzu při pokojové teplotě 235 MPa, avšak skutečná mez kluzu reálného výrobku může dosahovat (a také zpravidla dosahuje) hodnoty až 300 MPa. Toto zvýšení pevnosti s sebou přináší rovněž zvýšení kritické teploty až o 75°C. Pro zavedení nového materiálu do skupiny ocelí se zvýšenou odolností proti požáru (oceli označované jako oceli typu FRS – Fire Resistant Steels) je ovšem vhodné a do značné míry i nezbytné provést ověření i další charakteristik, jako jsou charakteristiky únavové pevnosti, mikrostruktury, apod., v případě materiálů určených pro vysoké teploty pak také odolnost proti creepové deformaci. Je sice pravdou, že stále značná část konstrukcí je spojována nýtováním, avšak ověření svařitelnosti musí být nedílnou součástí vývoje nové konstrukční oceli, a to spolu s výběrem vhodných přídavných materiálů, technologií svařování a následným prověřením jakosti vyrobených svarových spojů. 1.2
Stručná patentová rešerše Nejvíce pozornosti je ocelím se zvýšenou odolností proti požáru věnováno hlavně v Japonsku [3-5], ale také obecněji v Asii. Je to dáno zejména překotným vývojem v této 3
METAL 2008 13. –15. 5. 2008, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ oblasti, masivními investicemi i ze strany vyspělých zemí a stále rostoucím průmyslovým potenciálem těchto ekonomik (Čína, Indie, Malajsie). V Evropě pak přihlásily své oceli k patentové ochraně přední výrobci jako je Mannesmann [6], Thyssen-Krupp [7], či Corus [8] nebo ILVA [9]. V tabulce 2 jsou uvedeny některé z patentovaných ocelí typu FRS. Tabulka 2: Chemické složení ocelí typu FRS podle jednotlivých patentů Patent Výrobce
EP 0347156
EP 0347156
Nippon Steel [3]
Název
ocel 1
ocel 2
EP 047055
EP 1008667
GB 2388845
JP 10204573
JP 8269620
EP 1319731
ILVA [9]
Thyssen [7]
Corus [8]
NIPPON [4]
TOPY IND [5]
M&V [6]
-
FR 275 N
PYROVAN
-
-
-
C
0.04–0.15
0.04–0.15
0.03-0.14
0.01-0.14
0.12-0.21
0.01–0.08
0.05-0.15
0.06–0.13
Si Mn
max. 0.6 0.5–1.6
max. 0.6 0.5–1.6
max. 0.20 0.4–1.1
max. 0.30 0.2–1.2
max. 0.50 max. 1.6
0.05 0.8–1.6
0.1–0.5 0.1–0.6
0.15–0.50 1.0–2.0
Mo
0.4-0.7
0.2-0.7
0.3–0.8
0.10–0.25
-
0.7–1.0
0.3–0.6
0.20–0.40
Cr
0.05–1.0
0.05–1.0
max. 0.20
0.70-0.90
-
-
0.05–0.2
-
Ni
0.01-0.5
0.01-0.5
-
-
-
-
-
-
Cu
0.05–1.0
0.05–1.0
max. 0.20
max. 0.50
-
-
-
-
V Nb
0.005–0.10 0.005–0.04
0.005–0.10 -
0.003-0.05 0.003–0.05
0.01–0.05 max. 0.02
0.10-0.14 -
0.05–0.20 0.05–0.15
0.05–0.10 0.01–0.04
0.02–0.05 0.005-0.040
Al
max. 0.1
max. 0.1
max. 0.04
0.020-0.045
max. 0.060
-
-
Ti
0.005–0.10
0.005–0.10
max. 0.04
max. 0.02
-
0.005–0.025
-
-
Zr
0.005–0.03
0.005–0.03
-
-
-
-
-
-
N
0.001-0.006
0.001-0.006
0.002–0.01
max. 0.008
0.010-0.022
0.002–0.006
-
-
B
0.0003–0.002
0.0003–0.002
-
max. 0.004
-
-
-
-
V:N min. 4.5
0.003–0.006 O
Pozn.
Ti, Zr, V volitelně
0.40–0.70 W
Na základě provedené patentové rešerše [10] lze konstatovat, že požadovaných vlastností ocelí se zvýšenou odolností proti požáru se dosahuje jednak optimalizovaným chemickým složením oceli a jednak cestou termomechanického zpracování. Z hlediska fyzikálně metalurgického je zřejmé, že většina výrobců vsadila na kombinaci zpevnění tuhého roztoku molybdenem v kombinaci se zpevněním precipitačním, za tímto účelem jsou jednotlivé značky legovány vanadem, resp. niobem, bór je pak přidáván s cílem zvýšit prokalitelnost oceli. Cílem termomechanického zpracování je pak podpořit vznik jemných částic precipitátů, které jsou významným přínosem k precipitačnímu zpevnění. Z uvedených skutečností pak vyplývají požadavky na nový typ konstrukční oceli se zvýšenou odolností proti požáru, a to: − minimalizovaná cena oceli, − optimalizované chemické složení oceli, − výrobky dodávané ve stavu po řízeném válcování nebo normalizačním žíhání, − zaručená svařitelnost, nejlépe bez předehřevu a tepelného zpracování po svařování, dostupnými technologiemi a přídavnými materiály, − garance zvýšené odolnosti proti deformaci za zvýšených teplot, resp. ztrátě tvarové stability konstrukce. K výrobcům nových značek ocelí se zvýšenou odolností proti požáru se v poslední době zařadily také dvě přední české hutnické společnosti. V další části příspěvku budou proto srovnány vlastnosti těchto ocelí a oceli FR 275 N (obchodní značka FRS 30) výrobce Thyssen-Krupp.
4
METAL 2008 13. –15. 5. 2008, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________
3. SROVNÁNÍ VLASTNOSTÍ OCELÍ TYPU FRS
Srovnání užitných vlastností ocelí typu FR tak bylo provedeno u celkem 5 zkušebních sérií, které reprezentovaly čtyři tavby (série A a B byly vyrobeny z jedné tavby) zpracované do několika hutních polotovarů. Použitá označení, druh a rozměry výrobků včetně příslušné legující báze oceli jsou uvedeny v tabulce 3. Ve všech případech byly oceli podrobeny normalizačnímu žíhání bez následného popouštění. Tabulka 3: Materiály pro ověřování vlastností ocelí typu FRS Značení
Polotovar
Rozměry
Legující báze
A
Tyč
20x20 mm
C-Mn-Cr-Ti-B
B
Plech
tl. 12 mm
C-Mn-Cr-Ti-B
C
Tyč
20x20 mm
C-Mn-Cr-Ti-B
D
Plech
tl. 9.6 mm
C-Mn-Mo-V
FRS 30
Plech
tl. 25 mm
C-Mn-Cr-Mo-V
Jednotliví výrobci použili u svých ocelí rozdílné legující báze. Zatímco v případě oceli FRS 30 je legování založeno na kombinaci C-Mn-Cr-Mo-V, u ocelí A-C byla využita kombinace legur C-Mn-Cr-Ti-B a tavba D je založena na kombinaci legur C-Mn-Mo-V, nevyužívá tedy vůbec legování chrómem. Ve všech případech je však použito mikrolegování buď vanadem nebo niobem. U taveb A-C byla zvolena ekonomicky úsporná legující báze bez molybdenu. Skutečný přínos použití mikrolegur se projeví až při řízeném válcování, kdy jsou vytvořeny podmínky pro precipitaci extrémně jemných částic karbidů, resp. karbonitridů vanadu a niobu a významné zvýšení precipitačního zpevnění. 3. 1
Mechanické a křehkolomové vlastnosti sledovaných ocelí Nejdůležitější materiálovou charakteristikou ocelí odolných proti požáru je teplotní závislost meze kluzu, resp. meze pevnosti. Při hodnocení mechanických vlastností se vycházelo z požadavků, které jsou uvedeny v materiálové sekci normy ČSN EN 1993-1-2, a proto byly prováděny zkoušky jednoosým tahem v teplotním rozmezí +20 až 800°C. Výsledky zkoušek mechanických vlastností jsou uvedeny v grafické podobě na obrázcích 1 až 3, kde jsou srovnány právě teplotní závislosti jednotlivých materiálových charakteristik včetně meze kluzu a meze pevnosti všech hodnocených ocelí. Na základě hodnocení mechanických vlastností sledovaných typů ocelí odolných proti požáru s vlastnostmi oceli FRS 30 lze vyvodit, že v celém sledovaném teplotním intervalu se největší pevností vyznačuje ocel FRS 30, následovaná tavbou D a ostatními tavbami, přičemž maximální rozdíl na mezi kluzu činí až 100 MPa a u meze pevnosti až 200 MPa. Jak ocel D, tak i ocel FRS 30 se tak vyznačují větším deformačním zpevněním v oblasti teplot 200 až 500°C, přičemž v obou případech se jedná o oceli legované molybdenem a vanadem. Křehkolomové charakteristiky byly ověřovány zkouškou rázem v ohybu na zkušebních tyčích s V-vrubem v takovém teplotním rozmezí, které umožňovalo stanovit celou Vidalovu křivku. U tyčí byla zkušební tělesa orientována v podélném směru, u plechů pak byla použita přednostně orientace ve směru příčném. V těch případech, kdy tloušťka plechu neumožnila použít klasické rozměry zkušebních těles, byla použita tělesa o rozměrech 5x8x55 mm a výsledky pak byly přepočteny na normalizované hodnoty. Ve všech případech byly určeny také přechodové teploty houževnatý-křehký lom – FATT (charakterizované 50% podílem obou typů lomu na lomové ploše) a přechodové teploty, které odpovídají velikosti vrubové
5
METAL 2008 13. –15. 5. 2008, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ houževnatosti 35, resp. 50 J.cm-2. Výsledky jsou shrnuty v tabulce 4 a ukazují, že u tohoto typu ocelí není problémem dosáhnout velmi dobré úrovně vrubové houževnatosti. 300
250 000 A
250
B
200 000
200
D
150 000
FRS 30
E [MPa]
Rp0,001 [MPa]
C
150
A
100 000
B
100
C 50 000
50
D FRS 30
0
0 0
100
200
300 400 500 Teplota [°C]
600
700
800
0
90
100
200
300 400 500 Teplota [°C]
600
700
800
120 A
80
B 70
C
60
D
100 80 Z [%]
50 40 30
60 A B
40
C
20
D
20 10
FRS 30
0
0 0
100
200
300 400 500 Teplota [°C]
600
700
800
0
100
200
300 400 500 Teplota [°C]
600
700
800
Obr. 1: Teplotní závislost meze úměrnosti (Rp0.001), Youngova modulu pružnosti (E), lomové tažnosti (A5) a kontrakce (Z) sledovaných taveb a oceli FRS 30 400 350 300 250 Rp0,2 [MPa]
A5 [%]
FRS 30
200 A
150
B 100
C D
50
FRS 30 0 0
100
200
300
400 Teplota [°C]
500
600
700
800
Obr. 2: Teplotní závislost meze kluzu (Rp0.2) u sledovaných taveb a oceli FRS 30
6
METAL 2008 13. –15. 5. 2008, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________
700
600
Rm [MPa]
500
400
300
A B
200
C D
100
FRS 30 0 0
100
200
300
400 Teplota [°C]
500
600
700
800
Obr. 3: Teplotní závislost meze pevnosti (Rm) pro sledované tavby a ocel FRS 30 Tabulka 4: Hodnoty KCV, T35Jcm-2, T50Jcm-2 a FATT pro sledované oceli A
B
C
D
FRS 30
KCV (0°C), Jcm-2
351
376
209
164
339
T35Jcm-2, °C
-35.9
-51.6
-35
-62.0
-78.5
T50Jcm-2, °C
-34.3
-50.0
-29
-54.8
-73.1
FATT (T50%,) °C
-28.4
-44.6
-0.8
-34.5
-
Charakteristika
3. 2
Redukční součinitel ky,Θ Nejdůležitější užitnou vlastností tohoto typu materiálu je bezesporu teplotní závislost pevnostních charakteristik, zejména pak meze kluzu a z pohledu standardu EN 1993-1-2 také příslušné minimální hodnoty jednotlivých redukčních faktorů (viz rovnice (2) až (4)), které charakterizují poměr dané veličiny při sledované teplotě vzhledem k hodnotě téže veličiny při teplotě laboratorní. Hodnoty redukčního faktoru pro mez kluzu kyθ podle EN 1993-1-2 jsou uvedeny v tabulce 5. V této tabulce jsou barevně vyznačeny ty hodnoty redukčního faktoru kyθ, které u sledovaných ocelí leží pod příslušným požadavkem daným normou EN 1993-1-2 (hodnota v levém sloupci tabulky V). Je patrné, že ani jedna ze sledovaných ocelí nedosahuje v celém teplotním intervalu standardem požadované velikosti redukčního faktoru kyθ, a to ani tehdy, když jsou porovnávány hodnoty meze kluzu za zvýšených teplot se standardizovanou hodnotou této veličiny při 20°C platnou pro ocel typu S 275, tedy 275 MPa. Takový přístup není v rozporu s požární bezpečností, protože při návrhu konstrukce se nutně musí vycházet z hodnoty minimální požadované meze kluzu a všechny další výpočty z této hodnoty vycházejí.
7
METAL 2008 13. –15. 5. 2008, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ Tabulka 5: Redukční faktor kyθ podle EN 1993-1-2 a sledovaných ocelí T, °C
kyθ dle EN 1993-1-2
kyθ, A
kyθ, B
kyθ, C
kyθ, D
kyθ, FRS_30
20
1.00
1.04
1.09
1.14
1.25
1.27
100
1.00
0.91
1.02
1.05
1.17
1.17
200
1.00
0.86
0.88
0.90
1.07
1.04
300
1.00
0.74
0.74
0.82
0.85
0.97
400
1.00
0.68
0.68
0.78
0.90
0.95
500
0.78
0.65
0.65
0.74
0.76
0.87
550
0.63
0.59
0.62
0.68
0.71
0.85
600
0.47
0.51
0.51
0.54
0.59
0.73
650
0.35
0.38
0.38
0.39
0.42
0.54
700
0.23
0.26
0.26
0.27
0.25
0.33
750
0.17
0.16
0.16
0.17
0.17
0.18
800
0.11
0.12
0.13
0.14
0.13
0.14
Skutečnost, že hodnot požadovaného parametru plně nedosahuje ani komerčně velmi úspěšná ocel FRS 30 však není příliš překvapující. Nároky na vysokoteplotní odolnost jsou totiž takové, že jejich splnění naráží (minimálně u variant finálně tepelně zpracovaných normalizačním žíháním) na limity dané chemickým složením, resp. cenou oceli a požadavky na její svařitelnost. Experimenty pak potvrdily jinou, velice důležitou skutečnost, a to že všechny sledované tavby v kritickém teplotním rozmezí 550 až 800°C přesahují požadovanou minimální hodnotu korekčního faktoru na mez kluzu. Toto rozmezí teplot lze totiž považovat za kritické z hlediska únosnosti konstrukce během požáru. Ocel FRS 30 a ostatní experimentální tavby se pak v tomto teplotním intervalu jeví jako téměř zcela rovnocenné. 3. 3
Ověření svařitelnosti Na plechu z oceli D (tl. 9.6 mm) byl vyroben tupý svarový spoj metodou ručního obloukového svařování (111) na podložce v poloze PA za použití elektrody OK 74.46 (výrobce ESAB Vamberk, s.r.o.) o φ 4 a 5mm. Elektroda OK 74.46 je představitelkou přídavných materiálů pro svařování nízkolegovaných ocelí pro výrobu tlakových nádob a obsahuje 0.5% Mo. Je klasifikována podle EN 1599 jako E Mo B 32 H5. Svařování bylo v souladu s výše uvedenými požadavky provedeno bez předehřevu, s mezihousenkovou teplotou max. 150°C. Po svařování nebylo zařazeno relaxační žíhání, neboť charakter použití oceli a skutečnost, že se v naprosté většině případů bude jednat o montážní svarové spoje na stavbách, vyžaduje maximální možné zjednodušení zpracovávání plechu po svaření. Provedené svarové spoje byly podrobeny nedestruktivní kontrole utrazvukem podle EN 1714, tř. B, stupeň přísnosti EN 1712 stupeň 2, rozsah zkoušení 100% a magnetickou práškovou metodou podle EN 1290, stupeň přísnosti EN 1291 2X, rozsah zkoušení 100%. U vyrobených svarových spojů byly dále provedeny tahové zkoušky svarového spoje, zkouška lámavosti svarového spoje bočním ohybem, zkouška rázem v ohybu a měření profilu tvrdosti přes svarový spoj. Výsledky potvrdily v celém rozsahu dobrou svařitelnost i plně vyhovující vlastnosti svarového spoje. Na obrázku 4 je ukázána makrostruktura svarového spoje, na obr. 5 pak profil tvrdosti přes svarový spoj zjišťovaný jak v kořenové, tak i povrchové housence. Je evidentní, že rozdíly v tvrdosti mezi základním materiálem, tepelně ovlivněnou
8
METAL 2008 13. –15. 5. 2008, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ zónou a svarovým kovem jsou zejména v kořeni svaru v důsledku přežíhání výplňovou housenkou minimální a ani rozdíl 100 jednotek HV 10 v podpovrchové oblasti svaru nepředstavuje potenciální nebezpečí z hlediska použití těchto svarových spojů v konstrukcích.
Obr. 4: Makrostruktura svarového spoje oceli D
1.8x zv.
300
TOO 280
ZM
TOO
ZM
SK
HV 10
260
povrch
240
kořen 220 200
SK ZM
ZM
180
TOO
TOO
160 0
5
10
15
20
25
30
vzdálenost v mm
a
b
35
40
Obr. 5: Profil tvrdosti přes svarový spoj oceli D
c
d
Obr. 6: Mikrostruktura svarového kovu (a – 100x), hrubozrnné TOZ (b – 100 x), interkritické oblasti TOZ (c – 100x) a detail interkritické oblasti TOZ (d – 1000x) Mikrostruktura svarového spoje byla hrubá, licí, tvořená bainitem a feritem vyloučeným po hranicích licích zrn (obr. 6a), u hranice ztavení byla tepelně ovlivněná zóna (TOZ) 9
METAL 2008 13. –15. 5. 2008, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ hrubozrnná bainitická (obr. 6b), v tzv. interkritické oblasti TOZ, tedy oblasti, v níž dochází během svařování k ohřátí na teplotu v okolí teploty Ac1 a k největšímu poklesu pevnosti a tvrdosti, je struktura bainiticko-feritická (obr. 6c) s lokálním výskytem malého množství drobných ostrůvků martenzitu (obr. 6d), které vznikají u svarových spojů svařovaných bez předehřevu v důsledku vysoké rychlosti ochlazování. Lze tedy konstatovat, že použitá technologie svařování i přídavný materiál jsou schopny garantovat odpovídající užitné vlastnosti svarových spojů tohoto typu oceli.
4. DISKUZE VÝSLEDKŮ A ZÁVĚR
Provedené šetření komplexu užitných vlastností několika taveb ocelí se zvýšenou odolností proti požáru ukázalo, že ani legování oceli prvky, které významně přispívají ke zpevnění oceli (molybden, vanad) nedokáže v plném rozsahu zaručit požadované pevnostní charakteristiky v celém teplotním rozmezí. Největší rozdíly mezi požadavky standardu a reálně dosahovanými vlastnostmi byly zjištěny v teplotní oblasti 300-400°C, kdy je redukční faktor meze kluzu kyθ v ČSN EN 1993-1-2 stále roven jedné, avšak reálné hodnoty meze kluzu již klesají. V této teplotní oblasti také, na rozdíl od teplot vyšších, ještě nejsou vytvořeny podmínky pro vytvrzení oceli vznikem sekundárních fází na bázi těchto legujících prvků. Vzhledem k charakteru použití těchto ocelí jako běžných konstrukčních ocelí s požadavky na zvýšenou pevnost, odpovídající plasticitu a houževnatost při zachování relativně nízké ceny a dobré svařitelnosti je však rozsah legování oceli, který by dokázal zbrzdit pokles pevnosti do vysokých teplot, významně omezen. Konvenční přístup pro zvýšení pevnosti do teploty cca. 350°C zvýšením koncentrace uhlíku není u tohoto typu oceli použitelný. Mangan sice zvyšuje zpevnění tuhého roztoku, zároveň je však jeho maximální koncentrace v nízkolegovaných ocelích omezena tendencí snižovat koncentraci uhlíku eutektoidního bodu, podporovat vznik horního bainitu a segregace v oceli. Maximální koncentrace manganu tedy u ocelí typu FRS dosahují asi 1.5%. Křemík je dalším z prvků, které účinně zpevňují tuhý roztok a zejména křemík brzdí změkčení při vyšších teplotách [11]. Problémem je však tendence ocelí obsahujících křemík ke zvyšování přechodové teploty křehký-houževnatý stav. Na rozdíl od křemíku je zpevnění tuhého roztoku chrómem zanedbatelné, zejména z důvodu jeho silné afinity k uhlíku a tvorbě karbidů. Chróm se však v ocelích pro zvýšené teploty používá v kombinaci s molybdenem. A molybden je právě tím prvkem, který zvyšuje vysokoteplotní pevnost, a to i při relativně nízkých obsazích okolo 0.20% [12]. Molybden má jednak větší atomový poloměr oproti železu, jednak vyšší modul pružnosti, proto silně ovlivňuje substituční zpevnění oceli. Mimoto molybden v tuhém roztoku snižuje rychlost difúze železa, a tím omezuje rekrystalizaci, a tedy i snižování pevnosti při vysokých teplotách. Při zvyšování pevnosti oceli se s výhodo využívá potenciál vanadu, niobu nebo i titanu přidávaných do oceli v nízkých koncentracích jako mikrolegury. Specifikou působení mikrolegujících prvků je totiž vznik sekundárních fází, zejména karbidů, resp. karbonitridů vyvolaný plastickou deformací během tváření finálních hutních výrobků. Částice vzniklé tímto způsobem mají totiž až řádově menší rozměry než částice vzniklé při obvyklém tepelném zpracování, a dokážou tak blokovat rozvoj plastické deformace až do vysokých teplot. Při srovnání výsledků získaných na experimentálních ocelích s publikovanými výsledky vlastností ocelí odolných proti požáru se ukazuje, že pro to, aby ocel dosahovala asi až 2/3 své výchozí meze kluzu i při teplotě 600°C, je nezbytné provádět termomechanické zpracování [13]. Z hlediska mikrostruktury je optimální kombinace bainitu s malým podílem feritu, následovaná feriticko-bainitickou strukturou, nejmenší schopnost udržet požadovaný poměr meze kluzu při teplotě 600°C a meze kluzu při teplotě pokojové pak vykazuje mikrostruktura tvořená feriticko-perlitickou směsí [14].
10
METAL 2008 13. –15. 5. 2008, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ Zachování vysokého poměru meze kluzu při zvýšené teplotě se ukazuje jako principiální vlastnost ocelí se zvýšenou odolností proti požáru. Ostatní užitné vlastnosti těchto ocelí jsou za předpokladu optimální kombinace legujících prvků a mikrostrukturních parametrů velmi dobře srovnatelné a vyhovují v celém rozsahu požadavkům, které jsou na oceli této specifikace kladeny. Poděkování Autoři této práce by rádi vyjádřili poděkování Ministerstvu školství, mládeže a tělovýchovy ČR za finanční podporu výzkumného záměru MSM 2587080701 „Výzkum a ověření nových netradičních postupů výroby kovových materiálů“, v jehož rámci byly získány zde uvedené výsledky. Literatura [1] ČSN 41 2022 – Ocel 12 022, účinnost od 1. 2. 1987 [2] pr EN 1993-1-2 Eurocode 3 – Design of steel structures – Part 1-2: General rules – Structural fire design. 2003 [3] European Patent Application EP 0347156 – Process for manufacturing building construction steel having excellent fire resistance and low yield ratio, and construction steel material, NIPPON STEEL CORPORATION, Tokyo, Japan, 1989 [4] JP 10204573 – 700°C fire resistant rolled shape steel and its production, NIPPON STEEL CORPORATION, Tokyo, Japan, 1998 [5] JP 8269620 – Fire resistant steel for shape steel, TOPY IND, 1996 [6] EP 1319731 – Feuerresistenter Stahl für den Stahlbau und Verfahren zur Herstellung von Warmgewalzten Hohlprofilen, Trägern, Formstahl oder Grobblech daraus, Mannesmann-Vallourec Deutschland GmbH, Düsseldorf, Germany, 2003 [7] EP 1008667 – Verfahren zur Herstellung feuerresistenter, Thyssen-Krupp Stahl AG, Duisburg, Germany, 2000 [8] GB 2388845 – Fire resistant steel, Corus UK Limited, London, 2003 (britský patent) [9] European Patent Application EP 047055 – Process for the production of fire resistant structural steel, ILVA S.p.A., Roma, Italy, 1992 [10] KUBOŇ, Z., aj. Vývoj nových typů ocelí se zvýšenou pevností za tečení při teplotách vyšších než 500°C, dílčí zpráva, VÍTKOVICE-Výzkum a vývoj, Ostrava, č. zprávy D17/04, prosinec 2004 [11] GLEN, J. Effect of Alloying Elements on the High-temperature Tensile Strength of Normalized Low-carbon Steel. JISI, 1957, Vol. 186, , s. 21 [12] HONEYCOMBE, R. W. K. Steels: Microstructure and Properties. 2. vydání, Londýn: Edward Arnold, 2000. 256 s. [13] PANIGRAHI, B. K. Microstructures and properties of low-alloy fire resistant steel. Bull. Mater. Sci., Vol. 29, 2006, s. 59-66 [14] MIZUTANI, Y., aj. 590MPa Class Fire-Resistant Steel for Building Structural Use. Nippon Steel technical Report No. 90. Nippon Steel Co., July 2004
11
