Oceli do nízkých a kryogenních teplot
Podkladem pro přednášku byla zpráva pro Výzkumné centrum kolejových vozidel.
Železniční neštěstí u Eschede 3.června 1998 Statistika •pasažérů: 287 (v ICE-1 max. 651) •mrtvých: 101 •vážně zraněných: 88 •nezraněných: 106
• Největší rozvoj nízkoteplotních ocelí nastal na počátku 20.stol, z důvodu nutnosti nalezení vhodných materiálů pro skladování a dopravu zkapalněných plynů
Nádoba pro zkapalněné plyny uskladněné při teplotě -163°C (např. etylen)
•
Podle minimální pracovní teploty můžeme konstrukční materiály pracující v oblasti kryogenních teplot rozdělit do třech základních skupin: 1) oceli pracující do teplot -50°C 2) oceli pracující do teplot -100°C 3) oceli pracující do teplot blížících se teplotě absolutní nuly Příklady možnosti výběru materiálu: Ad1) konstrukční jemnozrnné mikrolegované oceli Ad2) nízkolegované oceli s obsahem niklu od 2,5 do 6% Ad3) 9% Ni ocele martenziticky vytvrditelné, manganové oceli, austenitické CrNi, či MnCr ocele a slitiny
• Obecně se jedná o oceli, které si zachovávají uspokojivou houževnatost i za teplot pod –10°C. • Oceli používané za nízkých nebo kryogenních teplot si musí oproti běžným druhům konstrukčních materiálů zachovávat především dostatečnou houževnatost a také vysokou a pokud možno v závislosti na teplotě nesnižující pevnost. • Obecně lze tedy říci, že oceli, které jsou používány při velmi nízkých teplotách (event. při kryogenních teplotách), musí kromě svých základních charakteristik splňovat v prvé řadě požadavek vysoké úrovně lomové houževnatosti za podmínek nízkých pracovních teplot.
• Výroba konstrukcí z nízkoteplotních ocelí obvykle zahrnuje procesy svařování. Z tohoto důvodu je nezbytnou podmínkou aplikovatelnosti těchto ocelí nutný požadavek na zaručenou svařitelnost
Liberty ship – jedna z prvních svařovaných lodních konstrukcí, vyrobeno 2700 lodí, každá 7. postižena křehkým lomem
Porušení lodí bylo zapříčiněno souhrou: • konstrukce – většina lomů byla iniciována v rozích hranatých palubních otvorů, v nichž bylo koncentrováno napětí •použitého materiálu – použitá ocel měla velmi nízkou dynamickou lomovou houževnatost – až tak, že některé lodi se rozlomily dřív než byly nasazeny do boje v chladných vodách •výroby – svary zhotovené nezkušenými pracovníky obsahovaly poruchy podobné trhlinám Lomová houževnatost použitých oceli byla zcela dostatečná pro nýtované konstrukce, kde každá trhlina může být zachycena na nýtu; ve svařovaných konstrukcích však trhlina nenarazí na žádnou barieru a může tak projít celým trupem.
Jaké oceli jsou považovány za oceli vhodné pro práci za nízkých teplot? • snaha o nalezení kriteriální hodnoty rázové energie • zjištěna hodnota KV = 20 ft. lb., což odpovídá energii 27,11636 J => Současné normy používají hodnotu 27 J (dříve se v našich normách používala hodnota KCV 35 J/cm2, což odpovídalo 28 J/0,8cm2) Nevýhoda hodnoty 27 J – platí pouze pro C-Mn oceli s mezí kluzu 230-270 MPa, tloušťku stěny 10-38 mm a pro podmínky spojené s provozem lodi Výhoda hodnoty 27 J – hodnota leží v ohybu tranzitní křivky, nad touto hodnotou hodnota rázové práce s teplotou prudce vzrůstá
• dnes je v mnoha případech překročen požadavek minimální hodnoty vrubové houževnatosti, která je určena v normách. Přehled vývoje požadavků na houževnatost 9% niklových ocelí
Dnešní požadavky na minimální hodnoty houževnatosti převyšují třikrát hodnoty požadované před 30 lety =>nutnost aplikace speciálních tepelných zpracování.
Další pro nízkoteplotní materiály důležitou mechanickou veličinou, je tzv. přechodová teplota • udává teplotu, při které dochází k přechodu houževnatého porušení materiálu na křehký charakter porušení • snižuje-li se teplota při zkoušce, klesá nárazová práce potřebná k přeražení zkušební tyče • za vyšších teplot zjišťovaný houževnatý (tvárný) lom se při poklesu teploty mění v lom křehký, který je obecně charakteristický pro nižší teploty
Určuje se z křivky teplotní závislosti vrubové houževnatosti, získané na souboru více zkušebních tyčí, přeražených při různých teplotách. Podstata přechodové teploty: • v závislosti na teplotě a rychlosti deformace se lomová pevnost významněji nemění, kdežto mez kluzu je velice závislá na jejich změně • křivky lomové pevnosti a meze kluzu se protnou v bodě, který odpovídá přechodové tp .
Zjištění přechodové energie: jelikož existuje mnoho jejich definicí, existuje i mnoho způsobů jejího určení. 1.Nejnižší teplota, při níž je lom zkušební tyče v celém průřezu houževnatý 2.Teplota, při níž houževnatý lom tvoří 50% celkové lomové plochy zkušební tyče. 3.Teplota odpovídající střední hodnotě vrubové houževnatosti KC stř. = (KCmax + KCmin)/2 4.Teplota odpovídající inflexnímu bodu křivky teplotní závislosti vrubové houževnatosti POZOR!!!!: Průběhy teplotní závislosti vrubové houževnatosti se mění nejen podle druhu zkoušeného materiálu, ale i podle strukturního stavu, který je dán jednak technologií výroby a jednak provozními podmínkami !!!!
V důsledku vlivu technologii výroby a zpracování dochází k posuvu křivky teplotní závislosti vrubové houževnatosti k vyšším teplotám – nebezpečný jev!!!
Přechodová teplota není konstantou, neboť může být ovlivněna mnoha faktory. Přechodová teplota, při které může dojít ke křehkému porušení se obecně snižuje: • Snížením obsahu uhlíku, je požadován maximální obsah uhlíku 0,15%.
• Snížením obsahu kyslíku, síry, mědi, fosforu a dusíku => tyto prvky ovlivňují výrazně morfologii sulfidů a oxidosulfidů. • Zvýšením obsahu manganu (až do obsahu 1,60%), křemíku (pouze do 0,3%), niklu (ovlivňuje snížení největší měrou), hliníku, molybdenu, titanu, boru. • Snížením rychlosti deformace - čím větší je rychlost deformace, tím více se tp posouvá k vyšším teplotám • Zmenšení hloubky vrubu • Zvětšením rádiusu vrubu – minimálně na 6 mm
• Snížením velikosti zrna; toto je žádoucí, neboť při použití dezoxidované oceli s obsahem hliníku se při žíhání vytvoří jemná perlitická struktura a tím se při následném případném popouštění zabrání vzniku bainitu.
• Zvýšením obsahu manganu – poměr Mn/C by měl být větší než 21, nejlépe 8. • Tvar a velikost vrubu (Čím je vrub větší a ostřejší, tím více se tp posouvá k vyšším teplotám)
• Vliv orientace podélné osy zkušební tyče ke směru tváření - tvářením vzniká vláknitost, textura v materiálu
• Stárnutí oceli - Projevuje se podstatným zvýšením tp, a to zejména u nízkouhlíkové oceli (kolem 0,1 %C). Přispívá k němu fosfor, dusík a kyslík v oceli. • Technologie tváření a tepelného zpracování - Podle provedeného druhu tepelného zpracování nebo tváření se může tp buď zvyšovat nebo snižovat Přechodovou teplotu zvyšují: • Kalení • Tváření za studena (deformace tlakem, malá deformace tahem) • Postupy, které mají za následek zhrubnutí struktury • Postupy, které mají za následek heterogenitu struktury Přechodovou teplotu snižují: • Žíhání • Zušlechťování • Tváření za studena, po kterém následuje rekrystalizace. • Postupy, které mají za následek zjemnění struktury. Čím je menší velikost feritického zrna, tím je nižší tp • Postupy, které mají za následek vznik homogenní struktury.
• struktura oceli - výhodná je struktura vysoce popuštěného martenzitu. Pro zvýšení prokalitelnosti se tyto oceli legují chromem a molybdenem. • povrchové technologické úpravy materiálů - v důsledku povrchového zpevnění může dojít ke zkřehnutí materiálu
Metody měření tranzitních teplot: Charpyho zkouška rázem v ohybu Pelliniho zkouška padajícím závažím - DWTT •Cílem této zkoušky je stanovení limitní teploty tNDT, nad níž nedojde k nestabilnímu šíření lomu z malého, uměle vyvolaného defektu do základního materiálu a to při dynamickém namáhání a při napětí kolem meze kluzu.
Robertsonův test Ploché zkušební těleso o tloušťce stejné jako tloušťka konstrukce je zatěžované tahovým napětím σ. Na jedné straně zkušebního tělesa je vrub, tato strana je ochlazována kapalným dusíkem a protější strana je ohřívána plynovými hořáky. Tak vzniká napříč tělesa teplotní gradient, který je naznačený v dolní části obrázku. Trhlina se vyvolá úderem na klín vložený do vrubu a šíří se kolmo na směr tahového napětí V objemu, kde je nízká teplota, se šíří štěpná trhlina velice rychle, v závislosti na růstu teploty postupně rychlost trhliny klesá až se trhlina úplně zastaví. Teplota místa zastavení trhliny se označuje jako TZT – teplota zastavení trhliny, která při daném nominálním napětí Sn charakterizuje schopnost materiálu zastavit šířící se trhlinu
=> To že se na rozdíl od charpyho zkoušky používá skutečných konstrukčních prvků, má za úkol zjistit vliv konstrukčních prvků na celkovou houževnatost konstrukcí a to především za provozních podmínek => tzv. typové zkoušky
Těmito typovými testy se provádí především odhad iniciace mikrotrhlin a jejich zastavení
Proto se provádí ještě např. vrubová zkouška tahem a vrubová zkouška rázem k přesnému určení kritické teploty iniciace trhliny atd.
Vliv typu krystalové mřížky na nízkoteplotní chování materiálů PROČ? • Při záporných teplotách je chování kovů značně závislé na jejich krystalové struktuře Kovy krystalizující v BCC mřížce (kubické prostorově středěné mřížce): • mez kluzu a mez pevnosti jsou silně závislé na teplotě • vykazují již v úzkém intervalu záporných teplot ztrátu houževnatosti Kovy krystalizující v FCC mřížce (kubické plošně středěné mřížce): • Mez pevnosti je mnohem více závislá na teplotě než jejich mez kluzu • Nevyskytuje se tak prudký pokles houževnatosti jako u kovů s BCC • Navíc některých kovů s kubickou plošně středěnou mřížkou dochází často při snižování teploty spíše k nárůstu jejich houževnatosti !!!
!!! => Je tedy snaha používat pro nízkoteplotní aplikace legovaných ocelí s austenitickou strukturou, slitin mědi, niklu nebo hliníkových slitin
!!!
Korozivzdorné materiály do nízkých teplot • Z předchozích podmínek vyplývá, že nejvhodnějším materiálem jsou austenitické korozivzdorné oceli, nebo slitiny Ni (např.Inconel 706, 718) • Základním představitelem austenitických ocelí je ocel typu Cr18Ni10 (AISI 304). • Austenitické ocele je možné dále dělit na nestabilní a stabilní podle toho, jestli vlivem poklesu teploty a působením deformace u nich dochází k martenzitické přeměně nebo si austenitickou strukturu zachovávají Nestabilní: např. 18Cr(8-10)Ni Stabilní: např. 25Cr20Ni
Přehled vybraných typů ocelí pro práci za nízkých teplot
18Cr10Ni: - nestabilní !!! Ms = 8°C Mf = -126°C
Austenitická X Martenzitická ???
Doporučení • Všude tam, kde se vyskytuje teplota nižší než –100°C, anebo kde součást s vrubem musí odolávat rázovému zatížení pod teplotou 0°C, je nejvhodnější používat 18/8 austenitické oceli (18%Cr, 8%Ni), nebo jiné neželezné materiály s kubickou plošně středěnou mřížkou Jediným typem ocelí, jenž je doporučována pro použití do kryogenních teplot je niklová ocel s 9% obsahem niklu. Tento typ oceli lze bezpečně použít pro teploty až do –196°C. Tato ocel je také poměrně levná a snadno se obrábí. Důvod: Její vysoká houževnatost je způsobena jemnozrnnou strukturou niklového feritu zbaveného karbidického síťový, které vyvolává náchylnost ke zkřehnutí. Tato struktura se během žíhání na teplotu 570°C roztaví a následně se z ní vytváří stabilní austenitické ostrůvky
Z austenitických ocelí vhodných pro práci při nízkých teplotách jsou to v prvé řadě méně nákladné oceli legované na bázi Mn-Cr-N nebo Mn-Cr-Ni-N. Oceli 304 a 304L (18/8) jsou zvláště vhodné pro výrobu zařízení pro dopravu kapalných plynů a jiných kapalin, neboť u těchto typů zařízení je vyžadována odolnost vůči korozi a zároveň ocel nesmí kontaminovat dopravované kapaliny
AISI 304
Nevýhody korozivzdorných ocelí: • nízká účinnost svarového spoje z důvodu vyžíhání materiálu během procesu svařování • transformace na martenzit, která může nastat během expozice materiálu v podmínkách kryogenních teplot ( lze plně vyřešit použitím fázově stabilní ocelí typu AISI 310 (X12Cr23Ni21) • u niklových ocelí je nutné udržet obsah fosforu a síry na extrémně nízké hodnotě - obsahem fosforu okolo 0,010% a síry pod 0,003% je dosaženo nejlepší kombinace mezi pevností a houževnatostí, zatímco obsah fosforu pod 0,005% nemusí znamenat další nárůst houževnatosti
Uhlíkové oceli pro použití do nízkých teplot • vzhledem k pevnostním vlastnostem a relativně nízké ceně používá v celé řadě případů vybraných uhlíkových nebo nízkolegovaných konstrukčních ocelí • uvedené podmínky splňují například jemnozrnné oceli dokonale uklidněné hliníkem, popř. jemnozrnné nízkolegované oceli (např. mikrolegované Nb) • uhlíkové oceli pro použití do nízkých teplot se vyznačují nízkými obsahy uhlíku a zároveň mají jemnozrnnou strukturu Výhody: + nízká cena + lepší svařitelnost než korozivzdorné oceli + vysokou pevnost + nižší koeficient tepelné vodivosti oproti jiným druhům ocelí
Přehled uhlíkových ocelí vhodných pro použití do nízkých teplot
Otázky ke zkoušce 1. Co bylo důvodem, který zapříčinil rozvoj ocelí do nízkých a kryogenních teplot? 2. Jaká materiálová vlastnost je důležitá pro materiály do nízkých a kryogenních teplot? 3. Jaký je nejznámější případ, kdy došlo ke křehkému porušení konstrukce? Jaké příčiny vedly k tomuto křehkému porušení konstrukce? 4. Jaké oceli jsou považovány za oceli vhodné pro práci do nízkých teplot. 5. Jaké jsou výhody a nevýhody kriterální hodnoty rázové energie 27 J? V důsledku čeho byla zvolena tato hodnota? 6. Přechodová teplota – definice, způsoby určení, podstata 7. Faktory způsobující posuv přechodové teploty. 8. Metody měření tranzitních teplot
9. Typové zkoušky – podstata, účel jejich použití 10. Vliv typu krystalové mřížky na nízkoteplotní chování materiálů. Důsledky. 11. Korozivzdorné materiály do nízkých teplot – zástupci, typy struktur 12. Stabilní a nestabilní austenitické oceli. 13. Uhlíkové oceli pro použití do nízkých teplot.
