VLIV VODÍKU NA MATERIÁLOVÉ A STRUKTURNÍ VLASTNOSTI OCELI CM 5 (ČSN 415 142 ) Michal Valdecký, Petr Mutafov, Jaroslav Víšek, Pavel Bílek Vedoucí práce : Ing. Jana Pechmanová Poděkování podniku Poldi-Hütte za poskytnuté vzorky ocelí 1 Úvod Práce vznikla ve vzájemné vazbě na právě probíhající diplomovou práci: Vliv přítomnosti vodíku na materiálové a strukturní vlastnosti vybraných ocelí. V rámci naší práce byla vyzkoušena metodika hodnocení na šesti vzorcích materiálu konstrukční oceli 15 142 (41CrMo 4, podnikové označení CM 5 ). 1.1 Řešená problematika Vodík je nežádoucí prvek v oceli. Do materiálu se dostane už při výrobě a dále při provozu např. v chemickém průmyslu (kolony pro krakování ropy). Setkáváme se s dvojími mechanismy vedoucí k degradaci vlastnosti ocelí a to je vodíková křehkost nebo vodíková koroze. Rozpuštěný vodík v tuhém roztoku oceli má podstatný vliv na zpevnění, avšak způsobuje podstatné snížení tvárnosti a zejména houževnatosti. [1] Současný stav posuzování vlivu vodíku na vlastnosti materiálu ve výrobním závodě (Poldi – Hütte) je následující : Pro jednotlivé materiály mají na základě dlouholetých zkušeností stanovena hraniční množství vodíku v jednotkách ppm ( per partes milion ). Hraniční množství dle zkušeností výrobního závodu Poldi je 2,5 ppm. Tyto množství nejsou ovšem dány do souvislosti s výsledky mechanické a strukturní analýzy. Cílem této práce je zjistit vliv vodíku na mechanické a strukturní vlastnosti oceli. Do jakého množství lze vodík považovat za neškodný a od jakého množství už převažují jeho škodlivé vlivy a právě tuto zjištěnou hodnotu podložit měřením mechanických vlastností a metalografickým rozborem.
2 Experimentální část 2.1. Materiál Pro výzkum poskytl podnik Poldi-Hütte 6 vzorků oceli téhož druhu ovšem s jiným množstvím vodíku. Směrné chemické složení udává tabulka č.1 dle normy 41CrMo4. Tab. č. 1
C Mn Si Cr Ni Mo P S 0,38-0,45 0,50-0,80 0,17-0,37 0,90-1,20 max.0,50 0,15-0,30 max.0,035 max.0,035 Rozdělení podle množství vodíku je uvedeno v tabulce č.2. Tab č.2 (Hodnocený materiál)
Tavba Obsah H v [ppm]
C1 1,6
C2 1,9
C3 2,5
C4 2,9
C5 3,5
C6 3,6
Stanovení množství vodíku bylo provedeno v laboratoři Poldi-Hütte na kvantometru LECO RH 404. Zařízení funguje na principu tavení vzorku. V grafitovém kelímku v proudu nosného plynu argonu roztaví vzorek. Po odstranění CO2 (CO oxidován na CO2) na askaritu, uhlovodíků na anhydronu a oddělení dusíku na molekulovém sítě se vodík určí tepelněvodivostním čidlem. Výsledky jsou udávány v ppm, tj. desetitisíciny hmotnostních %. Rozdíly mezi výsledky paralelních stanovení vzorků pro ocel nesmí přesahovat 0,5 ppm (0,00005 %). Pro naše hodnocení byly k dispozici vzorky z malého zkušebního ingotu (viz obr č.1). Od všech taveb se odlévá malý zkušební ingot který je následně prokován. Prokovává se z důvodu dosažení přibližně stejné struktury která je u tyčí. Kování je zápustkové, kovací teplota je 1000°C. Z dokovací teploty (800°C) je zkušební ingot následně ochlazen do vody a potom žíhán při teplotě 720°C po dobu 3 minut. Ingot má rozměry 50x50x50 mm. Konečným výrobkem z námi zkoumaného druhu materiálu jsou v podniku Poldi-Hütte válcované tyče. Žíhání je prováděno z důvodu následného odběru třísek pro spektrální analýzu. Na uvedených vzorcích bylo provedeno měření tvrdosti a dále provedena metalografická a faktografická analýza. obr č.1 Zkušební ingot
-2-
2.2 Hodnoty z laboratoře Ústavu materiálového inženýrství FS ČVUT v Praze 2.2.1 Měření tvrdosti Na každém vzorku byla obrobena jedna plocha , na níž bylo provedeno 15 vtisků. viz obr. č.2. Měření jsme provedli v laboratořích Ústavu materiálového inženýrství strojní fakulty ČVUT v Praze . Na tvrdoměru LECO V – 100 – C . Použité zatížení bylo 30 Kg. Výsledky jsou zpracovány v tab. č 4. Obr. č. 2 ( Schéma rozmístění vtisků na obrobené ploše zkušebního ingotu)
Tab č. 4 (výsledky měření tvrdosti a směrodatná odchylka)
tavba Hodnota tvrdosti (HV) C1 598 C2 650 C3 695 C4 681 C5 639 C6 550
Směrodatná odchylka ±7 ± 13 ±8 ± 10 ± 12 ± 11
Změřené hodnoty byly zprůměrovány a dále na 15 změřených hodnot byl použit Grubbsův vyřazovací test a vypočítána hodnotu tvrdosti a její směrodatnou odchylku.
-3-
2.2.2 Příprava vzorků pro metalografickou a faktografickou analýzu Z každého vzorku na metalografické pile MTH Mikron 3000 byl uříznut vzorek ve tvaru kvádru o průřezu 7x7 mm a délce 50mm. Dále vprostřed délky byl vybroušen vrub a vzorek byl mechanicky zlomen. Jedna polovina posloužila pro fraktografickou analýzu a druhá byla zalita do dentakrylu pro metalografickou analýzu. Vzorek pro metalografickou analýzu byl broušen na rovinné kotoučové brusce MTH 150. Vzorek byl připraven standardním metalografickým postupem. Vizualizace struktury byla provedena leptadlem Nital. 2.3 Metalografie 2.3.1 Mikročistota Před naleptáním vzorku bylo provedeno ověření mikročistoty na mikroskopu Zeiss Neophot 32 . Z mikroskopu byly pořízeny snímky digitálním fotoaparátem (zvětšení 1:100) obr.č.5. Vměstky na vyšetřovaných vzorcích byly typu – A Sulfidické velikost – 1 (malé) množství - malé Všechny vzorky vyhovují dle normy ČSN EN 10247 pro následující metalografický rozbor. 2.3.2 Sekundární struktura Metalografický rozbor vzorku byl proveden na mikroskopu Zeiss Neophot 32. Struktura všech sledovaných vzorků je martenzitická. U vzorku C1 došlo k vyloučení Feritu a Perlitu. U vzorku C1 nebyl dodržen kovací režim., čemuž svědčí perlitické pásy. U vzorku C4 je jemná martenzitická struktura. Nebyl pozorován vliv vodíku na strukturu takto zpracovaného vzorku. Struktura byla dokumentována digitálním fotoaparátem (zvětšení 1:200), viz obr, č .6. 2.4 Faktografická analýza Faktografický rozbor vzorku byl proveden na řádkovacím elektronovém mikroskopu JEOL. JSM 5410. Podíl houževnatého a transkrystalického lomu odpovídá velkosti tažnosti u jednotlivých vzorků.U vzorku C1 je výrazný podíl houževnatého lomu Byly pořízeny mikrosnímky každého vzorku viz obr č. 4. 2.5 Hodnoty z laboratoře Poldi-Hütte Mechanické vlastnosti pro vzorky v zušlechtěném stavu byly zjištěny v laboratořích výrobního závodu Poldi - Hütte. Udává je tabulka č.3 která je dále doplněna o zkoušky ultrazvukem ve stupnici A až E , kde písmenem E je označován materiál nejlepší (excelent) a B se rovná vyřazení (nesmí do prodeje).Zkoušky ultrazvukem se provádí na hotových tyčích,na zkušebních vzorcích nikoliv. Tab. č.3 (Mechanické vlastnosti vybraných vzorků oceli dodané laboratoří Poldi-Hütte)
označení číslo dle vzorku obsahu vodíku 1. C1 2. C2 3. C3 4. C4 5. C5 6. C6
obsah vodíku [ppm] 1.6 1.9 2.5 2.9 3.5 3.6
mez kluzu Re [MPa] 756 737 782 790 753 777
mez kontrakce pevnosti Rm Z [MPa] [%] 1017 14.1 1002 13.1 1024 14.4 1026 14.7 1008 12.1 1010 9.7 -4-
tažnost ultrazvuk A [%] 46.6 37.6 34.5 47.3 33.3 30.6
D C D D C C
3.Výsledky experimentální části 3.1 Metalografické a faktografické analýzy CM 5 s různým obsahem vodíku obr. č.4 Vzorek
Lomové plochy C1
Obsah H 1,6ppm
obr.č.5
C2
C3
C4
C5
1,9ppm
2,5ppm
2,9ppm
3,5ppm
3,6ppm
C4
C5
C6
2,5ppm
2,9ppm
3,5ppm
3,6ppm
C2
C3
C4
C5
1,9ppm
2,5ppm
2,9ppm
3,5ppm
Mikročistota
Vzorek C1
C2
Obsah H 1,6ppm
1,9ppm
obr.č. 6 Vzorek
C6
C3
Struktura C1
Obsah H 1,6ppm
-5-
C6 3,6ppm
3.2 3.2.1
Grafické znázornění mechanických hodnot Hodnoty z laboratoře Ústavu materiálového inženýrství FS ČVUT v Praze Závislost tvrdosti HV na obsahu vodíku H 800 700
tvrdost [HV]
600 500 400 300 200 100 0 1,6
1,9
2,5
2,9 H [ppm]
-6-
3,5
3,6
3.2.2
Hodnoty z laboratoře Poldi-Hütte Závislost meze pevnosti Rm na obsahu vodíku H 1030
mez pevnosti Rm [MPa]
1025 1020 1015 1010 1005 1000 995 990 985 1,6
1,9
2,5
2,9
3,5
3,6
H [ppm]
Závislost meze kluzu Re na obsahu vodíku H 800 790
mez kluzu Re [MPa]
780 770 760 750 740 730 720 710 700 1,6
1,9
2,5
2,9
H [ppm]
-7-
3,5
3,6
Závislost tažnosti A na obsahu vodíku H 16 14
tažnost A [%]
12 10 8 6 4 2 0 1,6
1,9
2,5
2,9
3,5
3,6
3,5
3,6
H [ppm]
Závislost kontrakce Z na obsahu vodíku H 50 45
kontrakce Z [%]
40 35 30 25 20 15 10 5 0 1,6
1,9
2,5
2,9
H [ppm]
-8-
4.Závěr Mikročistota Nebyl zaznamenán žádný vliv vodíku druh, množství a rozmístění vměstků. Vzorky mají dobrou čistotu a vzorek C2 má velmi dobrou čistotu. Metalografie Výrazný vliv vodíku na sekundární strukturu nebyl pozorován. U vzorků C5 a C6 je patrná vyšší heterogenita sekundární struktury. Fraktografie Faktografická analýza je v dobré shodě s ultrazvukovým měřením i se zjištěnými mechanickými vlastnostmi. Lomové plochy hodnocených vzorků jsou smíšené. U vzorků C1,C3 a C4 převažuje podíl houževnatého lomu. U vzorků C5 a C6 převažuje vliv transkristalického lomu. Dosažené výsledky ukazují, že hranice nevyhovujících vlastností by mohla být posunuta k hranici 3 ppm.
Použitá literatura [1] PTÁČEK, L. a kol. Nauka o materiálu I .: Cerm Brno , 2003 , ISBN 80-7204- 283-1 [2] PTÁČEK, L. a kol. Nauka o materiálu II .: Cerm Brno , 2002, ISBN 80-7204- 248-3 [3] ČESKÁ TECHNICKÁ NORMA. Mikrografické stanovení obsahu nekovových vměstků v ocelích využívajících normovaná zobrazení ČSN EN 10247 . : Český normalizační institut , Praha , 2007 [4] ČESKOSLOVENSKÁ NORMA . Zkouška tvrdosti podle Vickerse Část 1: HV 5 až HV 100 ČSN ISO 6507-1 . : Federální úřad pro normalizaci a měření , 1993
-9-
