METAL 2004
Hradec nad Moravicí
VLIV VELIKOSTI ZKUŠEBNÍCH TELES NA MECHANICKÉ VLASTNOSTI KONSTRUKCNÍCH OCELÍ KAREL MATOCHA1, BOHUMÍR STRNADEL 2 1
Ing.Karel Matocha,CSc., VÍTKOVICE – Výzkum a vývoj, spol. s r.o., Pohranicní 31, 706 02 Ostrava 6, e- mail:
[email protected] 2
Prof.Ing.Bohumír Strnadel,DrSc., Katedra materiálového inženýrství, Fakulta metalurgie a materiálového inženýrství, VŠB-TU, 17.listopadu 15, 708 33 Ostrava, e-mail:
[email protected] V práci je analyzována možnost odhadu horní meze vrubové houževnatosti velkých teles (FS) ze znalosti horní meze vrubové houževnatosti malých teles (SS) vybraného souboru konstrukcních ocelí. Predikce vztahu vrubové houževnatosti teles rozdílných velikostí stanovená na základe Schindlerovy analýzy ?6? se ukazuje být ve velmi dobré shode s experimentálními výsledky. Empiricky stanovená konstanta úmernosti q* = 0.54 mezi vrubovou houževnatostí velkých a malých teles pro uvedenou trídu konstrukcních ocelí velmi dobre koresponduje s teoreticky stanovenou konstantou q* =0.50 – 0.54 a muže tak být využita i prakticky. Presná znalost vlivu velikosti zkušebního telesa na teplotní závislost vrubové houževnatosti je podmínena detailní analýzou rozptylového pásma experimentálních výsledku. THE SIZE EFFECT OF TESTING SAMPLES ON MECHANICAL PROPERTIES OF STRUCTURAL STEELS
The paper analyses notch toughness assessment of full scale testing samples (FS) knowing upper shelf toughness of sub sized (SS) samples of structural carbon manganese steels. The predicted relationship of notch toughness found on different sized testing samples proposed by Schindler ?6? is in very good accordance with experimental results. Empirical proportional constant q* = 0.54 between notch toughness of full scale and sub sized samples of studied structural steels very well corresponds with theoretically provided constant of q*= 0.50 –0.54. Then it can be utilized also practically. The exact knowledge of the size effect of testing samples on temperature dependence of notch toughness is conditioned by detailed analyse of the scatter band in experimental results. K e y w o r d s: C-Mn steel, notch toughness, upper shelf, sub sized sample, full sized sample
1
1
METAL 2004
Hradec nad Moravicí 1. Úvod
Stále castejší požadavky na mechanické zkoušení malých teles ve snaze respektovat presnou lokalizaci odberu vzorku, nedostatek zkušebního materiálu nebo prímo podmínka minimálního odberu materiálu prímo z konstrukce si vynucují studium problematiky vlivu velikosti telesa a stavu napjatosti na jeho mechanické vlastnosti. Nekdy jsou tyto snahy podporeny ekonomickými duvody náhrady výsledku testování lomové houževnatosti levnejšími zkouškami vrubové houževnatosti. Avšak prestože jsou v nekterých pracích ?1-3? prezentovány empirické vztahy mezi lomovou houževnatostí a energií spotrebovanou pri rázové zkoušce, rozdílný zpusob zatežování, odlišný stav napjatosti zkušebních teles a v této souvislosti casto rozdílný mechanismus kontrolující lomový proces, neumožnují jejich použití u materiálu urcených pro nárocné technické aplikace ?4,5?. Potreba hlubší analýzy nejen z hlediska vlastní metodiky zkoušení teles odlišných velikostí, ale také pro vývoj obecných kritérií hodnocení vztahu lomových charakteristik s ohledem na vymezenou teplotní oblast zkoušení zejména konstrukcních ocelí, se ukazuje být v tomto smeru nezbytná. Stejne tak duležitý je i rozbor rizik prenosu mechanických vlastností stanovených ze zatežování nestandardních zkušebních teles na reálné konstrukce a hodnocení spolehlivosti výsledku zkoušek. Tato práce se zabývá hodnocením vlivu velikosti telesa na základní charakteristiky zkoušek vrubové houževnatosti uhlíkových, mikrolegovaných a nízkolegovaných ocelí urcených pro výrobu tlakových systému v energetice a chemickém prumyslu. Využitím vztahu mezi energií Charpyho zkoušky a lomovými charakteristikami materiálu je cílem práce zjistit jak se hodnota vrubové houževnatosti Charpyho zkušebních teles mení s jejich velikostí. Prubežné hodnocení stupne degradace materiálu v závislosti na dobe provozu tlakových zarízení a odhady jejich spolehlivosti pri technických prohlídkách jsou jen jedny z možných zpusobu praktického využití ocekávaných výsledku rešení. 2. Vliv velikosti zkušebního telesa na hodnotu vrubové houževnatosti
Prestože k hodnocení odolnosti materiálu proti iniciaci a rustu trhlin se stále více používá metod lomové mechaniky, zkouška vrubové houževnatosti zustává, zejména pro svou nenárocnost a operativnost, jednou ze základních mechanických zkoušek.Merení spotrebované energie pri rázovém dynamickém zatežování vrubovaných teles je casto plne dostacujícím údajem pro kvantifikaci odolnosti materiálu proti vzniku lomových procesu. Hledání souvislosti mezi hodnotou nárazové práce KV zkoušky vrubové houževnatosti a lomovou houževnatostí Kc je však velmi komplikováno zejména výrazne rozdílným stavem napjatosti v okolí korene vrubu a ostré únavové trhliny, ale také odlišnou rychlostí deformace pri dynamickém a kvazistatickém zatežování zkušebních teles. Snahy nekterých autoru ?1-3? o rešení této úlohy vyústily jen v empirické vztahy splatností omezenou na predem zadané podmínky zkoušení a testovaný materiál a nelze je proto použít obecne. Zajímavý návrh hodnocení lomové houževnatosti s využitím znalosti nárazové práce KV predložil Schindler ?6?. Analytické rešení vztahu techto lomových
2
2
METAL 2004
Hradec nad Moravicí
charakteristik pri výrazné plastické deformaci materiálu je založeno na srovnání lomové energie vrubovaných teles s únavovou trhlinou zatežovaných tríbodovým ohybem a nárazové práce KV zkoušky rázem v ohybu. Ze závislosti síly F na posunutí s získané zatežováním vrubovaných teles s ostrou únavovou trhlinou testovaných na instrumentovaném kladivu lze stanovit energii Wm do dosažení maximální síly Fm a celkovou energii lomu Wt. Parametr C zobecné závislosti Jintegrálu na prírustku délky trhliny ? a ?7?,
J ? C? a p ,
? a ? ? am
(1)
ve tvaru, p
?2? ? (a 0 ) C ? ?? ?? Wtp W1m? p , p ? 1 ? p ? B0 ?w ? a 0 ?
(2)
závisí krome geometrie zkušebního telesa, a0, B0, w i na parametrech p a ? (a0). Tvar techto parametru je následující ?7? ?1
3? W ? p ? ??1 ? m ?? , 4? Wt ?
(3)
? (a) = 13.81 (a/w) – 25.12 (a/w)2 ; 0 ? a/w? 0.275,
(4)
kde a je délka trhliny. Z prírustku délky trhliny pri maximální síle F m
Wm p( w ? a 0 ) (5) 2 Wt a z rovnosti W m = nWt kde n je koeficient deformacního zpevnení,je po úprave rovn.(1) a jejím srovnáním pro dve ruzné geometrie zkušebních teles oznacených ? am ?
KV2 ?
? (a 01 ) B02 ( w 2 ? a 02 ) p? 1 ? ( a 02 )B 01 ( w 1 ? a 01 ) p? 1
KV1
(6)
když KV ? Wt. Ze znalosti výsledku standardních zkoušek vrubové houževnatosti KV1 lze užitím rovn. (6) nalézt nárazovou práci KV2 pri jiné geometrii zkušebních teles s vrubem. Overení platnosti tohoto výsledku v základních trídách konstrukcních ocelí se muže stát vhodným podkladem pro technické zduvodnení náhrady klasického zkoušení vrubovaných teles malými vzorky. Srovnání výsledku zkoušky rázem v ohybu získaných na telesech malými vzorky. Srovnání výsledku zkoušky rázem v ohybu získaných na telesech rozdílných velikostí musí pritom zahrnovat i statistickou analýzu dat. Projevy faktoru ovlivnujících rozptyl experimentálních výsledku pri ruzných velikostech zkušebních teles budou s nejvetší pravdepodobností rozdílné.
3
3
METAL 2004
Hradec nad Moravicí 3. Experimentální materiál a výsledky zkoušek
Ke studiu velikosti zkušebních teles na teplotní závislost vrubové houževnatosti byly použity bezešvé trubky z uhlík-manganové oceli S355J2H vyrábené dle EN10210 a oceli Gr6 podle ASTM A 333, bezešvé trubky olejovodné z uhlík -manganových ocelí X52 a X60 vyrábené dle normy API 5L a nízkolegova né oceli F22, F3VCb a A 533 používané k výrobe tlakových systému a zarízení v jaderné energetice a chemickém prumyslu. Chemická složení sledovaných ocelí v hm. % jsou uvedena v tab. 1. Ocel F3VCb byla studována jak v základním stavu, tak také ve stavu po step cooling, stupnovitém ochlazování z teploty 595°C.Podobný zpusob tepelného zpracování byl uplatnen i u nízkolegované oceli F22 a u uhlík-manganové oceli A 533. Všechny studované oceli vykazují typickou feriticko-perlitickou mikrostrukturu. Celkem osm základních strukturních typu konstrukcních ocelí pro vybrané technické aplikace bylo podrobeno zkoušce tahem. Základní pevnostní a plastické vlastnosti, mez kluzu Rp0.2, mez pevnosti Rm, tažnost A5 a kontrakce Z stanovené pri normální teplote jsou pro tyto oceli a jejich strukturní stavy uvedeny v Tab. 2. Teplotní závislost nárazové práce KV ?J? a vrubové houževnatosti KCV Jcm-2 byla u všech osmi typu sledovaných ocelí testována jednak na standardizovaných telesech Charpy s V vrubem oznacených jako FS a na nestandardních telesech oznacených jako SS. Rozmery použitého nestandardního telesa SS o prurezu 3x4 mm uvádí norma DIN 50115. Experimentálními výsledky teplotní závislosti vrubové houževnatosti stanovené na FS a SS telesech byly metodou nejmenších ctvercu proloženy krivky ve tvaru
? T ? ?1 ? ??, KCV(T) ? kc1 ? kc 2 tgh ?? ? ?0 ?
(7)
kde T ?°C? je zkušební teplota, kc1 ?Jcm-2? a kc2 ?Jcm-2? jsou konstanty, jejichž soucet, kc1 + kc2 urcuje horní mez vrubové houževnatosti a ?0 a ?1 jsou konstanty ve ?°C?, které udávají polo hu inflexního bodu funkce rovn. (7). Graficky jsou experimentálne zjištené teplotní závislosti vrubové houževnatosti pro oba typy zkušebních teles uvedeny na obr. 1. Experimentální hodnoty horní meze vrubové houževnatosti, soucet konstant kc1 + kc2, jsou pro FS a SS vzorky studovaných typu konstrukcních ocelí uvedeny v tab. 3. Zjištená lineární souvislost obou hodnot horní meze vrubové houževnatosti má tvar, KCVuSS ? q *KCVuFS,
(8)
kde q * = 0.5498 je numerická konstanta. Rovnice (8), tedy prepocet KCVuFS na vrubovou houževnatost malých teles KCVuSS byla uplatnena pro maximální shodu, kdy q* = 0.5438 v celém rozsahu studovaného teplotního intervalu. Graficky jsou výsledky uvedeny na obr. 1 vždy napravo od experimentálne stanovené teplotní závislosti KCVSS(T) a KCVFS (T). U 4
4
METAL 2004
Hradec nad Moravicí
všech studovaných ocelí se jednoznacne ukazuje, že prepocet vrubové houževnatosti velkých teles na telesa malá užitím empirického vztahu rovn. (8) se ztotožnuje jen s velmi malým rozptylem výsledku v oblasti horní meze vrubové houževnatosti. U malých teles se tranzitní oblast posouvá k nižším teplotám. Oba tyto poznatky jsou duležité pri technických aplikacích výsledku zkoušení. 4. Diskuse Hledání vztahu mezi nárazovou prací KV a nebo vrubovou houževnatostí KCV velkých a malých zkušebních teles typu Charpy s V-vrubem je z hlediska prímého technického využití pri hodnocení bezpecnosti a spolehlivosti energetických zarízení a zarízení chemického prumyslu nevyhnutelné. Nedostatecný charakteristický rozmer konstrukcní cásti pro výrobu standardizovaných zkušebních teles, požadavky na znalost anizotropie houževnatosti v telese a nebo snahy vyloucit nehomogenitu struktury v prurezu jsou jedny z nejduležitejších duvodu proc je nutné tuto problematiku studovat. Detailní znalost zá vislosti vrubové houževnatosti na velikosti telesa umožnuje však perspektivne zcela prokazatelne hodnotit houževnatost i na velmi malých telesech odebraných prímo z provozovaného zarízení bez ztráty jeho funkce a získat tak podklady pro odhad jeho zbytkové životnosti. Jedním z velmi úcelných zdroju hledání vztahu mezi vrubovou houževnatostí zkušebních teles ruzných velikostí se ukazuje být Schindlerova analýza vztahu Jintegrálu a nárazové práce KV pri zkoušce rázem v ohybu ?6?. S využitím principu podobnosti šírení trhliny v telesech rozdílných velikostí byl na základe této analýzy nalezen vztah mezi horní mezí vrubové houževnatosti standardizovaných (FS) a malých teles (SS). Uplatnení tohoto vztahu (rovn. (6)) pro širokou škálu konstrukcních ocelí prokázalo v teplotní oblasti horní meze vrubové houževnatosti velmi dobrou shodu predikované hodnoty numerické konstanty úmernosti q*, která se pohybuje v rozmezí od q* =0.50 do 0.54 a experimentálne zjištené hodnoty q* = 0.54, která je prakticky totožná s její horní mezí. Experimentálne zjištená konstanta q* presne vypoctená metodou nejmenších ctvercu q* = 0.5438 se tak muže stát vodítkem pro prepocet horní meze vrubové houževnatosti malých KCVuSS a velkých KCVuFS Charpyho teles. 5. Závery Z Schindlerovy analýzy vztahu J-integrálu a nárazové práce KV pri zkoušce rázem v ohybu v teplotní oblasti horní meze byl navržen vztah mezi vrubovou houževnatostí velkých a malých teles. Platnost tohoto vztahu byla experimentálne overena na osmi rozdílných strukturních stavech vybraných konstrukcních ocelí s feriticko-perlitickou strukturou.Konstanta úmernosti mezi vrubovou houževnatostí velkých a malých teles stanovená z experimentálních hodnot horní meze q* = 0.54 je ve velmi dobré shode s rozptylovým pásmem nalezeným predikcí z napetovedeformacních charakteristik studovaných ocelí, q * = 0.50-0.54. Detailní hodnocení faktoru velikosti vybraných typu konstrukcních ocelí ve všech trech zásadních teplotních oblastech lomového chování je do budoucna podmíneno studiem teplotní závislosti rozptylového pásma vrubové houževnatosti.
5
5
METAL 2004
Hradec nad Moravicí
Modelování rozptylu houževnatosti v souvislosti se studiem faktoru velikosti je jednou z klícových podmínek zajištení bezpecnosti konstrukce z posouzení lomového chování malých zkušebních vzorku.
Tento príspevek byl vypracován za financního prispení GA CR z grantu GA CR 106/03/0771 a financního MPO v rámci programu PROGRES z projektu FFP/048.
6
6
METAL 2004
Hradec nad Moravicí
Literatura ?1? ?2? ?3? ?4? ?5? ?6? ?7?
BARSOM,J.M.-ROLFE,S.T.: ASTM STP 466, 1970, s. 281. BARSOM,J.M.: Engng.Fract.Mech.7, 1975, s. 605. MARANDET, B.-SANZ,G.: ASTM STP 631, 1977, s. 72. ROLFE,S.T.-BARSOM,J.M.: Fracture and Fatigue Control in Structures, Aplications of Fracture Mechanics, Preintice – Hall, New York 1977. BROEK,D.: Elementary Enginneering Fracture Mechanics, Martinus Nijheff Pub., Hague 1983. SCHINDLER,H.J.: ASTM STP 1380, 2000, s. 337. ANDERSON,T.L.: Fracture Mechanics, Fundamentals and Applications, CRC Press, New York 1994, s.243.
7
7
METAL 2004
Hradec nad Moravicí Tabulky
Tabulka 1 Chemické složení testovaných ocelí v hm. % Materiál S355 J2H Gr 6 X60 X52 F22 F3VCb A533
C 0,16 0,18 0,21 0,16 0,14 0,13 0,18
Mn 1,17 0,60 1,52 1,22 0,57 0,33 1,42
Si 0,23 0,26 0,19 0,22 0,41 0,06 0,24
P 0,007 0,018 0,012 0,007 0,010 0,009 0,017
S 0,007 0,015 0,003 0,009 0,009 0,009 0,004
Cu 0,19 0,14 0,15 0,12 0,14
Ni 0,12 0,05 0,15 0,08 0,16 0,08 0,84
Cr 0,28 0,10 0,16 0,12 2,42 2,99 0,12
Mo 0,06 0,01 0,16 0,01 0,99 0,98 0,51
V 0,010 0,001 0,05 0,06 0,009 0,21 0,002
Nb 0,010 0,029 0,05 0,006 0,03 -
Ti 0,010 0,002 0,01 0,002 0,007 -
Tabulka 2 Základní pevnostní a plastické vlastnosti zkoušených ocelí Materiál
Výrobek
S355 J2H Gr 6 X60 X52 F22(TZ) F3VCb F3VCb (TZ) A533 (TZ)
trubka trubka trubka trubka deska deska deska deska
Orientace ReH , Rp0.2 zkuš.tel. ?MPa? tang. 326 tang. 286 tang. 529 tang. 393 podél. 434 podél. 498 podél. 509 príc. 522
Rm ?MPa? 490 449 732 538 586 620 618 652
A5 ?%? 33,6 34,0 22,9 33,0 25,3 20,0 21,6 23,4
Z ?%? 76 64 62 72 74 76 77 74
(TZ) – tepelne zpracováno – step cooling – stupnovité ochlazování z teploty 595°C
Tabulka 3 Horní mez vrubové houževnatosti malých (SS) a standardních (FS) zkušebních teles Materiál S355 J2H Gr 6 X60 X52 F22(TZ) F3VCb F3VCb (TZ) A533 (TZ)
p (rovn.(13)) 0,561 0,560 0,610 0,564 0,599 0,625 0,617 0,608
(kc 1+ kc 2) ?Jcm-2? 217.8 133.6 141.9 175.0 161.7 137.5 111.4 261.2
(kc 1+ kc 2)ss ?Jcm-2? 134.8 68.4 72.0 101.4 98.8 70.5 67.2 121.9
8
KCVuFS/KCVuSS exper. 1.62 1.95 1.97 1.73 1.64 1.95 1.66 2.14
fFSSSKVuFS/KVuSS (rovn.(14)) 1.85 1.86 1.95 1.86 1.93 1.98 1.96 1.94
8
METAL 2004
Hradec nad Moravicí
9
9
METAL 2004
Hradec nad Moravicí
10
10
METAL 2004
Obr. 1
Hradec nad Moravicí
Teplotní závislosti vrubové houževnatosti stanovené na standardních (FS) a malých (SS) zkušebních telesech pro studované typy konstrukcních ocelí.
11
11
