UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo
Karakterizacija sočelnih zvarnih spojev na visokotrdnostnem nizkolegiranem jeklu S1100QL
varjenih po postopku MAG
Magistrsko delo magistrskega študijskega programa II. stopnje Strojništvo
Anže Smolej
Ljubljana, september 2021
UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo
Karakterizacija sočelnih zvarnih spojev na visokotrdnostnem nizkolegiranem jeklu S1100QL
varjenih po postopku MAG
Magistrsko delo magistrskega študijskega programa II. stopnje Strojništvo
Anže Smolej
Mentor: izr. prof. dr. Damjan Klobčar, univ. dipl. inž.
Somentor: doc. dr. Andrej Skumavc, univ. dipl. inž.
Ljubljana, september 2021
Zahvala
Zahvaljujem se mentorju izr. prof. dr. Damjanu Klobčarju in somentorju doc. dr. Andreju Skumavcu za strokovno pomoč, vodenje ter napotke pri izdelavi magistrskega dela. Za pomoč pri izvedbi meritev se zahvaljujem tudi doc. dr. Tomažu Vuhererju.
Prav tako se zahvaljujem podjetju SIJ Acroni, ki mi je omogočilo opravljanje magistrskega praktikuma. Hkrati bi se za pomoč zahvalil vsem zaposlenim v podjetjih SIJ Acroni in SIJ Elektrode Jesenice, ki so kakorkoli pripomogli k nastanku magistrskega dela.
Posebna zahvala velja družini in prijateljem, ki so me med študijem podpirali in spodbujali ter verjeli vame.
Izvleček
UDK 669.14:621.791.75(043.2) Tek. štev.: MAG II/989
Karakterizacija sočelnih zvarnih spojev na visokotrdnostnem nizkolegiranem jeklu S1100QL varjenih po postopku MAG
Anže Smolej
Ključne besede: visokotrdnostno nizkolegirano jeklo S1100QL varivost
preizkus varilnega postopka obločno varjenje MAG zvarni spoj
Človeštvu so kovine oz. kovinske zlitine poznane že od železne dobe dalje. Dandanes jekla predstavljajo nepogrešljivo gradivo modernega strojništva ter gradbeništva in so zato predmet številnih raziskav in izboljšav. Vzporedno z razvojem jekel se razvijajo tudi postopki za njihovo spajanje. Najzahtevnejše nosilne konstrukcije so izdelane iz jekel, ki ob čim manjši lastni masi zagotavljajo visoke trdnosti. Jeklo S1100QL, z garantirano napetostjo tečenja 1100 MPa, zaradi specifične kemijske sestave, vročega valjanja in posebne toplotne obdelave zahteva visoko stopnjo reda med postopkom spajanja v neločljive celote – moderne jeklene konstrukcije.
Magistrsko delo obravnava problematiko varivosti jekla S1100QL z uporabo obločnega varilnega postopka MAG. Vsi spoji so bili ovrednoteni z naslednjimi neporušnimi in porušnimi preiskavami: preiskava s penetranti, natezni in upogibni preizkus, preizkus udarne žilavosti, meritev trdote, makro- in mikroskopija ter preizkus ugotavljanja hladne razpokljivosti. Izsledki magistrskega dela so pokazali, da je potrebno za kvaliteten zvarni spoj med varjenjem zagotavljati nizek vnos toplote ob ustrezni temperaturi predgrevanja in medvarkovni temperaturi. Prav tako smo s preizkusi ugotovili, da jeklo S1100QL tudi pri nizkih temperaturah predgrevanja ni dovzetno za nastanek hladnih razpok.
Abstract
UDC 669.14:621.791.75(043.2) No.: MAG II/989
Characterisation of gas metal arc welded butt joints of high-strength low-alloy S1100QL steel
Anže Smolej
Key words: high-strength low-alloy S1100QL steel weldability
welding procedure qualification record gas metal arc welding
welded joint
Mankind has been familiar with different metals and metal alloys since the Iron Age.
Steels are indispensable material of modern mechanical and civil engineering. Parallel with the development of steels the joining technologies and procedures are also developed. The most demanding load-bearing constructions are made of steels which give us high strength at the lowest possible own weight. S1100QL steel, with a guaranteed yield strength of 1100 MPa, achieves its properties through proper chemical composition, hot rolling and specific heat treatment. Therefore, high rate of care is necessary when joining this steel into permanent joints – modern steel constructions.
This master’s thesis deals with the problem of weldability of S1100QL steel using gas metal arc welding process. All welded joints have been characterised with following non- destructive and destructive methods: penetrant testing, tensile test, bend test, impact test, hardness testing, macro- and microscopy. Additionally, cold cracking sensitivity test has been done. The master´s thesis has shown that low heat input with correlation of proper preheating and interpass temperatures are necessary for high quality welded joints.
Experimental results have also shown that S1100QL steel is not sensitive to cold crack appearance even at low preheating temperatures.
Kazalo
Kazalo slik ... xvii
Kazalo preglednic ... xix
Seznam uporabljenih simbolov ... xxi
Seznam uporabljenih okrajšav ... xxiii
1 Uvod ... 1
1.1 Ozadje problema ... 1
1.2 Cilji ... 1
2 Teoretične osnove in pregled literature ... 3
2.1 Visokotrdnostna nizkolegirana jekla ... 3
2.1.1 Mikrolegiranje in razvoj HSLA jekel ... 4
2.1.2 Lastnosti in proces izdelave HSLA poboljšanih jekel ... 7
2.1.3 Uporaba HSLA jekel ... 8
2.2 Standardizirane kvalitete konstrukcijskih jekel ... 9
2.2.1 Jeklo S1100QL ... 11
2.3 Varjenje visokotrdnostnih konstrukcijskih jekel ... 13
2.3.1 Mikrostruktura v talilnih zvarnih spojih ... 13
2.3.2 Čas ohlajanja zvarnega spoja ... 16
2.3.3 Razpokljivost v hladnem ... 17
2.3.4 Varivost finozrnatih poboljšanih HSLA jekel ... 18
2.3.4.1 Trdnostna neenakost zvarnih spojev ... 19
2.4 Postopek varjenja MAG ... 20
2.4.1 Oprema za varjenje MAG ... 20
2.4.2 Proces varjenja MAG ... 21
2.4.3 Dodajni materiali ... 21
2.4.4 Zaščitni plini ... 21
2.4.5 Prednosti in slabosti varjenja MAG ... 21
2.5 Preizkus postopka varjenja po EN ISO 15614-1 ... 22
2.5.1 Izdelava vzorca ... 22
2.5.2 Preiskava vzorca in izrez preizkušancev ... 22
2.5.3 Prečni natezni preizkus ... 23
2.5.4 Upogibni preizkus ... 23
2.5.5 Preizkus udarne žilavosti ... 25
2.5.6 Makroskopska preiskava zvarov ... 26
2.5.7 Preizkus trdote ... 26
2.6 Preizkus Tekken ... 27
3 Metodologija raziskave ... 29
3.1 Materiali za varjenje ... 29
3.1.1 Osnovni material ... 29
3.1.2 Dodajni material ... 30
3.2 Preračuni ... 31
3.2.1 Izračun ogljikovega ekvivalenta ... 31
3.2.2 Temperatura predgrevanja ... 31
3.2.2.1 Upoštevanje ogljikovega ekvivalenta CET ... 32
3.2.2.2 Upoštevanje debeline pločevine ... 32
3.2.2.3 Upoštevanje vsebnosti difuzijskega vodika ... 33
3.2.2.4 Upoštevanje vnosa toplote ... 33
3.2.2.5 Končna temperatura predgrevanja ... 34
3.2.3 Čas ohlajanja med 800 °C in 500 °C ... 35
3.3 Eksperimentalni del ... 36
3.3.1 Izbira varilnih parametrov ... 36
3.3.2 Priprava zvarnih stikov ... 39
3.3.3 Varjenje vzorcev ... 39
3.3.4 Penetrantski preizkus ... 43
3.3.5 Izrez preizkušancev ... 44
3.3.6 Mehanski preizkusi ... 44
3.3.6.1 Natezni preizkus ... 44
3.3.6.2 Upogibni preizkus ... 46
3.3.6.3 Udarna žilavost po Charpyju ... 47
3.3.6.4 Makroskopska in mikroskopska preiskava ... 48
3.3.6.5 Preizkus trdote ... 49
3.3.7 Preizkus ugotavljanja hladne razpokljivosti ... 50
4 Rezultati in diskusija ... 53
4.1 Penetrantski preizkus ... 53
4.2 Natezni preizkus ... 54
4.3 Upogibni preizkus ... 58
4.3.1 Upogibni preizkus čez teme in čez koren zvarnih spojev ... 58
4.3.2 Bočni upogibni preizkus zvarnih spojev ... 61
4.4 Preizkus udarne žilavosti ... 64
4.5 Metalografska analiza ... 68
4.5.1 Makroskopska preiskava ... 68
4.5.2 Mikroskopska preiskava ... 69
4.6 Preizkus trdote ... 74
4.7 Tekken preizkus ... 78
4.7.1 Makroskopska preiskava ... 78
4.7.2 Trdota na Tekken vzorcih ... 81
5 Zaključki ... 83
Literatura ... 85
Priloge ... 89
Priloga A – Certifikat varilne žice Böhler X 90-IG ... 90
Priloga B – Izmerjene mehanske lastnosti jekla SIMAXX 1100QL debeline 15 mm ... 91
Priloga C – Diagrami sila-pomik pri bočnih upogibih ... 92
Priloga D – Prelomne površine žilavostnih preizkušancev z zarezo v varu ... 93
Priloga E – Prelomne površine žilavostnih preizkušancev z zarezo v TVP ... 94
Kazalo slik
Slika 2.1: Vpliv velikosti feritnih zrn na mehanske lastnosti jekla (povzeto po [6]) ... 4
Slika 2.2: Zgodovinski pregled razvoja proizvodnih procesov HSLA jekel [14] ... 6
Slika 2.3: Shema procesa izdelave Q+T jekel [16] ... 7
Slika 2.4: Varjenje cevi pri gradnji velikih cevovodov [18] ... 8
Slika 2.5: Shematski prikaz različnih področij in mikrostruktur v zvarnem spoju [32] ... 13
Slika 2.6: Shematski prikaz strukture M-A sestavin (povzeto po [34]) ... 15
Slika 2.7: Shematski prikaz širjenja razpoke preko različnih mikrostruktur [36] ... 15
Slika 2.8: Toplotni varilni ciklus za zvara z različno začetno temperaturo zvarjencev [29] ... 16
Slika 2.9: Shematski prikaz postopka varjenja MAG [29] ... 20
Slika 2.10: Mesta odvzema preizkušancev na sočelnem zvarnem spoju [45] ... 23
Slika 2.11: Prečni upogibni preizkus čez a) teme zvara, b) koren zvara in c) bočno čez zvar [48] . 24 Slika 2.12: Premer valja in razdalja med podporama pri upogibnem preizkusu [47] ... 24
Slika 2.13: Žilavostni preizkušanec z zarezo a) po sredini vara in b) z zarezo v TVP [49] ... 25
Slika 2.14: Postavitev linij vtiskov na a) zvarnem spoju V in b) zvarnem spoju X [52] ... 26
Slika 2.15: Lokacije vtiskov na sočelnem zvarnem spoju [52] ... 27
Slika 2.16: Preizkus Y-Tekken (povzeto po [54]) ... 28
Slika 3.1: Temperatura predgrevanja TpCET v odvisnosti od ogljikovega ekvivalenta CET [55] ... 32
Slika 3.2: Temperatura predgrevanja Tpd v odvisnosti od kombinirane debeline [55] ... 33
Slika 3.3: Temperatura predgrevanja TpQ v odvisnosti od vnosa toplote Q [55] ... 34
Slika 3.4: Mejna debelina materiala kot funkcija vnosa toplote pri različnih temp. predgrevanja [55] ... 35
Slika 3.5: Priporočeni največji vnosi toplote pri temperaturi pregrevanja 175 °C [56] ... 37
Slika 3.6: Priporočeno območje varjenja, kot ga podaja program ProWeld 6.0 [57] ... 37
Slika 3.7: a) Sočelni zvarni stik V in b) sočelni zvarni stik X... 39
Slika 3.8: a) Predgrevanje vzorca in b) pripomočki za merjene temperature predgrevanja ... 40
Slika 3.9: Barvno kontrastni penetrantski sistem proizvajalca Helling ... 43
Slika 3.10: Nanos a) rdečega penetranta in b) belega razvijalca na površino Vzorca 2 ... 43
Slika 3.11: Izrez preizkušancev na Vzorcu 2 ... 44
Slika 3.12: Dimenzije nateznih preizkušancev ... 45
Slika 3.13: a) Preizkušanec TFBB pred upogibom in b) preizkušanec SBB po upogibu ... 46
Slika 3.14: Dimenzije in lokacija zareze na žilavostnem preizkušancu VWT 0/2 ... 47
Slika 3.15: Shematski diagram sile v odvisnosti od pomika pri preizkusu udarne žilavosti [61] .... 48
Slika 3.16: Območja mikroskopske preiskave zvarnih spojev ... 48
Slika 3.17: Lokacije vtiskov a) na vzorcih z zvarom V in b) na vzorcu z zvarom X ... 49
Slika 3.18: Kartiranje trdote HV5 na vzorcu z zvarnim spojem V ... 50
Slika 3.19: Vzorec T1 za Tekken preizkus z oznakami za izrez preizkušancev ... 51
Slika 4.1: Rezultati penetrantske preiskave na a) Vzorcu 1, b) Vzorcu 2 in c) Vzorcu 3 ... 53
Slika 4.2: Krivulje tečenja za posamezne natezne preizkušance ... 55
Slika 4.3: Potek sile v odvisnosti od pomika pri TFBB in TRBB upogibih ... 59 Slika 4.4: Potek sile v odvisnosti od pomika pri bočnih upogibih ... 62 Slika 4.5: a) Zvarni spoj V na Vzorcu 1 (brez predgrevanja), b) zvarni spoj V na Vzorcu 2
(Tp = 150 °C) in c) zvarni spoj X na Vzorcu 3 (Tp = 180 °C); slikano pri 5-kratni povečavi ... 68 Slika 4.6: Zlep v korenu zvarnega spoja na Vzorcu 3; slikano pri 20-kratni povečavi. ... 69 Slika 4.7: Mikrostruktura vara na: a) in b) Vzorcu 1, c) in d) Vzorcu 2 ter e) in f) na Vzorcu 3 ... 70 Slika 4.8: Mikrostruktura TVP na: a) in b) Vzorcu 1, c) in d) Vzorcu 2 ter e) in f) na Vzorcu 3 .... 71 Slika 4.9: M-A sestavine na Vzorcu 1 pri a) 100-kratni in b) 500-kratni povečavi ... 72 Slika 4.10: Martenzitna mikrostruktura osnovnega materiala na Vzorcu 1 pri a) 100-kratni in b)
200-kratni povečavi ... 73 Slika 4.11: Površine prerezov vzorca Tekken 1 pri makroskopski povečavi ... 79 Slika 4.12: Površine prerezov vzorca Tekken 2 pri makroskopski povečavi ... 80
Kazalo preglednic
Preglednica 2.1: Predpisane mehanske lastnosti za poboljšana konstrukcijska jekla [21] ... 10 Preglednica 2.2: Predpisana minimalna udarna žilavost po Charpyju za različne kvalitete jekel [21]
... 11 Preglednica 2.3: Maksimalne vsebnosti legirnih elementov v konstrukcijskih jeklih kvalitete L [21]
... 12 Preglednica 2.4: Maksimalne vsebnosti legirnih elementov v jeklu STRENX 1100 [27] ... 12 Preglednica 2.5: Primerjava mehanskih lastnosti jekla S1100QL različnih proizvajalcev [25–28] 12 Preglednica 3.1: Maksimalne vsebnosti elementov v jeklu SIMAXX 1100QL... 29 Preglednica 3.2: Minimalne mehanske lastnosti jekla SIMAXX 1100QL ... 30 Preglednica 3.3: Kemijska sestava varilne žice Böhler X 90-IG v mas. % ... 30 Preglednica 3.4: Mehanske lastnosti čistega vara iz varilne žice Böhler X 90-IG ... 30 Preglednica 3.5: Rezultat izračuna ogljikovega ekvivalenta za osnovni in dodajni material ... 31 Preglednica 3.6: Izračunane temperature predgrevanja za jeklo SIMAXX 1100QL debeline 15 mm
... 35 Preglednica 3.7: Izračun časa ohlajanja t8/5 pri različnih varilnih parametrih ... 38 Preglednica 3.8: Parametri pri varjenju Vzorca 1 ... 41 Preglednica 3.9: Parametri pri varjenju Vzorca 2 ... 42 Preglednica 3.10: Parametri pri varjenju Vzorca 3 ... 42 Preglednica 4.1: Rezultati nateznega preizkusa ... 54 Preglednica 4.2: Prelomne površine nateznih preizkušancev... 56 Preglednica 4.3: Rezultati izračunov koeficienta trdnostne neenakosti ... 57 Preglednica 4.4: Rezultati upogibnih preizkusov čez teme in čez koren zvarnih spojev ... 58 Preglednica 4.5: Fotografirane natezne strani TFBB in TRBB upogibnih preizkušancev ... 60 Preglednica 4.6: Rezultati bočnih upogibnih preizkusov na zvarnih spojih ... 61 Preglednica 4.7: Fotografije SBB preizkušancev po upogibu ... 63 Preglednica 4.8: Rezultati instrumentiranega preizkusa udarne žilavosti po Charpyju ... 64 Preglednica 4.9: Primerjava rezultatov udarne žilavosti v varu pri temperaturi –40 °C ... 66 Preglednica 4.10: Primerjava rezultatov udarne žilavosti v toplotno vplivanem področju pri
temperaturi –40 °C ... 67 Preglednica 4.11: Rezultati meritev trdote HV10 na zvarjenih vzorcih ... 75 Preglednica 4.12: Rezultati kartiranja trdote HV5 na zvarjenih vzorcih ... 77 Preglednica 4.13: Rezultati kartiranje trdote HV5 na Tekken vzorcih ... 81
Seznam uporabljenih simbolov
Oznaka Enota Pomen
A5 % razteznost (raztezek po pretrgu)
a0 mm debelina vratu nateznega preizkušanca
Aroc % razteznost (ročno določena)
b mm širina nateznega preizkušanca
b0 mm širina vratu nateznega preizkušanca
Ceq IIW % ogljikov ekvivalent po IIW
CET % ogljikov ekvivalent po EN 1011-2
Cs % odstotek pojava razpok
d mm kombinirana debelina varjencev
d mm povprečna dolžina diagonal vtiska pri meritvi trdote po Vickersu
d mm premer valja za upogibni preizkus
Ei J energija za iniciacijo loma
Ep J energija za propagacijo loma
Et J celotna absorbirana energija pri preizkusu udarne žilavosti
F N pritisna sila pri preizkusu trdote
F2 / faktor oblike zvarnega spoja
Fm N maksimalna sila pri preizkusu udarne žilavosti po Charpyju
Fmax N maksimalna sila pri upogibnem preizkusu
H mm najmanjša višina preizkušanega varka
HD ml/100 g vsebnost difuzijskega vodika
Hs mm višina hladne razpoke
HV / trdota po Vickersu
I A jakost varilnega toka
k / izkoristek dovedene energije
KV2 J udarna žilavost po Charpyju pri preizkušancu z V zarezo
l mm razdalja med podporama pri upogibnem preizkusu
L0 mm začetna merilna dolžina
Lu mm končna merilna dolžina
Lv mm dolžina varka
M / koeficient trdnostne neenakosti
PCM % parameter hladne razpokljivosti
Q kJ/mm vnos toplote pri varjenju
ReH MPa napetost tečenja
Rm MPa natezna trdnost
s mm pomik
S0 mm2 začetni prerez nateznega preizkušanca
Su mm2 najmanjši prerez po pretrgu nateznega preizkušanca
t mm debelina osnovnega materiala
Ti °C medvarkovna temperatura
Tp °C temperatura predgrevanja
TpCET °C temp. predgrevanja glede na CET
Tpd °C temp. predgrevanja glede na kombinirano debelino
TpHD °C temp. predgrevanja glede na vsebnost vodika
TpQ °C temp. predgrevanja glede na vnos toplote
ts mm debelina preizkušancev
tv s čas varjenja
U V varilna napetost
vv mm/s hitrost varjenja
Z % zoženost (kontrakcija)
α ° upogibni kot
Seznam uporabljenih okrajšav
Okrajšava Pomen
AF acikularni ferit
Ac1 točka premene perlita v avstenit Ac3 točka premene ferita v avstenit BW sočelni zvarni spoj (angl. Butt Weld)
CCT kontinuirni premenski diagram
(angl. Continuous Cooling Transformation)
FC feritno-karbidni skupki
GZ TVP grobozrnato toplotno vplivano področje
HSLA visokotrdnostno nizkolegirano (angl. High-Strength Low-Alloy) IIW Mednarodni inštitut za varilstvo
(angl. The International Institute of Welding)
LTT nizkotemperaturno popuščanje (angl. Low Temperature Tempering) M-A martenzitno-avstenitne sestavine (angl. M-A Constituents)
MAG varjenje s taljivo elektrodo v aktivnem zaščitnem plinu (angl. Metal Active Gas)
MK TVP medkritično segreto toplotno vplivano področje NK TVP nadkritično segreto toplotno vplivano področje
PA vodoravna lega varjenja
PK TVP podkritično segreto toplotno vplivano področje Q+T poboljšano (angl. Quenched and Tempered) SBB prečni bočni upogibni preizkus zvara
(angl. transverse side bend test for a butt weld) TFBB prečni upogibni preizkus čez tema zvara
(angl. transverse face bend test for a butt weld)
TMCP termomehansko valjanje (angl. Thermo-Mechanical Controlled Process) TRBB prečni upogibni preizkus čez koren zvara
(angl. transverse root bend test for a butt weld) TVP toplotno vplivano področje (angl. Heat Affected Zone) UHSLA ultra visokotrdnostno nizkolegirano
(angl. Ultra High-Strength Low-Alloy)
VHSS izredno visokotrdnostno jeklo (angl. Very High-Strength Steel) VHT oznaka preizkušanca z V-zarezo v toplotno vplivanem področju VWT oznaka preizkušanca z V-zarezo v varu
WPQR certifikat o ustreznosti postopka varjenja (angl. Welding Procedure Qualification Record)
WPS popis varilnega postopka (angl. Welding Procedure Specification)
1 Uvod
1.1 Ozadje problema
Jeklo kljub številnim novim materialom ostaja najvažnejše gradivo v strojništvu, saj se uporablja za izdelavo raznovrstnih konstrukcijskih elementov in strojnih komponent v različnih industrijah. Glavni dve področji uporabe konstrukcijskih jekel sta gradbeništvo in strojegradnja, kjer se v zadnjih desetletjih prav tako pojavljajo zahteve po višji kvaliteti, po povečanju produktivnosti ter znižanju mase izdelkov. Kot posledica težnje po zmanjševanju mase so bila razvita konstrukcijska jekla z visoko napetostjo tečenja ob sočasno dobri žilavosti in preoblikovalnosti. V to skupino spada tudi visokotrdnostno nizkolegirano jeklo S1100QL, ki se vgrajuje v zelo obremenjene strojne dele in najzahtevnejše konstrukcije.
Pri proizvodnji kompleksnih jeklenih konstrukcij in v strojegradnji med ključne procese spajanja konstrukcijskih jekel sodi varjenje. Konstrukcijska jekla so praviloma zelo dobro variva, vendar kvaliteta S1100QL v primerjavi s temi jekli vsebuje relativno visok delež legirnih elementov. Poleg tega je finozrnato jeklo S1100QL v procesu izdelave podvrženo specifični toplotni obdelavi, najpogosteje uporabljen postopek obločnega varjenja pa v material vnaša večje količine toplote. To se najprej odraža v spremembi mikrostrukture varjenca in pojavu zaostalih napetosti, nenazadnje pa pomembno vpliva tudi na mehanske lastnosti zvarjenega materiala. Zato je za kvalitetno spajanje navedenega jekla poglavitna ustrezna zasnova varilne tehnologije.
1.2 Cilji
Namen magistrskega dela je na visokotrdnostnem nizkolegiranem jeklu S1100QL opraviti preizkus postopka varjenja po evropskem standardu EN ISO 15614-1. Preizkus bo izveden na treh sočelnih zvarnih spojih, varjenih pri različnih temperaturah predgrevanja. Vse spoje bomo izdelali po postopku MAG varjenja in jih nato ovrednotili s standardiziranimi neporušnimi in porušnimi metodami.
Cilj eksperimentalnega dela je prikazati vpliv temperature predgrevanja na kvaliteto in lastnosti zvarnih spojev na visokotrdnostnem nizkolegiranem konstrukcijskem jeklu.
Magistrska naloga je strukturirana tako, da so v drugem poglavju najprej obravnavani razvoj in proces izdelave ter lastnosti visokotrdnostnih nizkolegiranih jekel. Ta del obsega tudi pregled teoretičnih osnov s področja talilnega varjenja in opis postopkaMAG varjenja, prav tako pa je podan pregled uporabljenih standardov. V tretjem poglavju so predstavljene lastnosti osnovnega in dodajnega materiala za varjenje, prikazani so preračuni in določitev varilnih parametrov ter opis eksperimentalnega dela. Poleg poteka varjenja je podrobneje opisana tudi priprava preizkušancev in izvedba preizkusov na izdelanih zvarnih spojih.
Četrto poglavje je namenjeno prikazu rezultatov. Rezultati posameznih meritev so sistematično razdeljeni v ločena podpoglavja, hkrati pa je navedena njihova razlaga oziroma diskusija. Pomembnejše ugotovitve in zaključki magistrskega dela so zbrani v zadnjem, petem poglavju.
2 Teoretične osnove in pregled literature
2.1 Visokotrdnostna nizkolegirana jekla
Pojem visokotrdnostna nizkolegirana jekla (HSLA – angl. high-strength low-alloy steels) zajema široko paleto jekel, ki ponujajo predvsem boljše mehanske lastnosti kot običajna ogljikova jekla. Pojav in razvoj tako imenovanih HSLA jekel sovpadata z gospodarskim in industrijskim napredkom v prejšnjem stoletju ter s tem povezanimi zahtevami po visoko zmogljivih, a hkrati cenovno dostopnih materialih. S širjenjem uporabe teh jekel je bila posebna pozornost namenjena parametrom, ki poleg visoke trdnosti zagotavljajo primerno duktilnost in žilavost, sposobnost preoblikovanja ter dobro varivost. Zato HSLA jekla vsebujejo malo ogljika in nizek delež legirnih elementov, njihove izjemne lastnosti pa so v glavnem odraz finozrnate mikrostrukture, ki je posledica ustrezne izbire mikrolegirnega sistema v kombinaciji s skrbno kontroliranim procesom izdelave jekla [1].
V knjigi ASM Handbook [2] iz leta 1990 so visokotrdnostna nizkolegirana jekla definirana kot mikrolegirana jekla, katerih napetost tečenja presega 275 MPa oz. 40 ksi. HSLA jekla v splošnem vsebujejo 0,05–0,25 % ogljika in do 2 % mangana, v različnih kombinacijah so dodane tudi manjše vsebnosti kroma, niklja, molibdena, bakra, vanadija, niobija, titana in cirkonija. Kemijska sestava teh jekel variira zlasti z namenom zagotavljanja specifičnih mehanskih lastnosti.
Metalurški razvoj, optimizacija procesov valjanja ter nenehno izpopolnjevanje postopkov toplotne obdelave so v zadnjih treh desetletjih postopoma izboljševali trdnostne lastnosti konstrukcijskih jekel. Zaradi razmaha uporabe teh jekel in razvoja novih, z vedno višjimi dogovornimi napetostmi tečenja, se je obseg jekel, ki jih uvrščamo v skupino HSLA, z leti spreminjal. Tipičen primer je jeklo kvalitete S355, ki je nekdaj veljalo za visokotrdno jeklo, danes pa je uveljavljeno kot eno najpogostejših osnovnih konstrukcijskih jekel [3].
Nabor jekel, ki jih označujemo s pojmom HSLA, torej ni povsem natančno definiran ali standardiziran. Schröter v [4] iz leta 2006 tako med HSLA uvršča jekla z napetostjo tečenja od 355 MPa do 690 MPa, medtem ko tista z mejo plastičnosti, višjo od 700 MPa označuje kot VHSS (angl. very high-strength steels). V novejših katalogih nekaterih vodilnih proizvajalcev jekel [5] zasledimo celo izraz ultra visokotrdnostna nizkolegirana jekla (angl. ultra high-strength low-alloy), pod katerim najdemo konstrukcijska jekla z izjemno visoko trdnostjo, kot sta na primer S960 in S1100.
2.1.1 Mikrolegiranje in razvoj HSLA jekel
Mikrolegiranje jekel temelji na dodatku elementov, kot so niobij, titan, vanadij, aluminij, bor in cirkonij, ki se lahko uporabljajo posamezno ali v kombinaciji. Vsebnost posamičnih mikrolegirnih elementov običajno ne presega 0,1 %, vseeno pa ti prek različnih mehanizmov utrjevanja pomembno vplivajo na končne mehanske lastnosti jekla [6, 7].
Začetki mikrolegiranja segajo v drugo desetletje 20. stoletja, ko so z dodatkom majhnih količin bakra povečali korozijsko odpornost konstrukcijskih jekel. Kljub temu da baker ni pomembneje vplival na trdnost, so sklepali, da lahko nizke vsebnosti določenih elementov podobno izboljšajo tudi mehanske lastnosti jekel. Leta 1929 so občutno povečano trdnost dosegli z dodatkom vanadija, ki sicer velja za prvi široko uporabljen mikrolegirni element.
Ta v primerjavi s konvencionalnimi legirnimi elementi (Mn, Ni, Cr, Mo), ki prispevajo le k raztopinskemu utrjanju kovin, trdnost izboljšuje prek izločevalnega utrjanja ferita [8].
Vanadij je predstavljal glavni mikrolegirni element visokotrdnostnih konstrukcijskih jekel vse do 50-ih let prejšnjega stoletja, ko se je zaradi ekonomičnosti razširila uporaba niobija [8]. Nekateri viri [9] prvo uporabo niobija v jeklih datirajo že v letih 1938–1939, vendar pa so prvo komercialno šaržo nizkoogljičnega jekla C-Mn z dodatkom Nb izdelali leta 1958 v Združenih državah Amerike [8, 9].
Nadaljnji razvoj mikrolegiranja se je osredotočal predvsem na razumevanje in krepitev mehanizmov utrjanja ter izpopolnjevanje procesov vročega valjanja. Kot najpomembnejša izmed mehanizmov sta bila prepoznana kontrola velikosti zrn in izločevalno utrjanje, ki v kombinaciji s kontrolirano vročo predelavo zmanjšujeta feritna kristalna zrna [6].
Vpliv velikosti feritnih zrn prikazuje slika 2.1, in sicer finozrnata mikrostruktura zvišuje napetost tečenja, a hkrati zmanjšuje prehodno temperaturo žilavosti ter tako izboljšuje žilavost in duktilnost jekla. Ko material pri napetosti tečenja preide iz področja elastičnosti v področje plastičnosti, se mora deformacija prenašati iz enega v drugo kristalno zrno.
Manjša kot so pri tem kristalna zrna, večje je število kristalnih mej, ki predstavljajo oviro za drsenje dislokacij, in zato so za deformacijo potrebne višje napetosti [10].
Slika 2.1: Vpliv velikosti feritnih zrn na mehanske lastnosti jekla (povzeto po [6])
Teoretične osnove in pregled literature
Pri mikrolegiranju modernih HSLA jekel se poleg vanadija in niobija uporablja tudi titan.
Ti elementi se vežejo z ogljikom in/ali dušikom ter tvorijo stabilne karbide, nitride ali karbonitride, ki omejujejo rast zrn pri povišanih temperaturah, zavirajo rekristalizacijo avstenita ali povečujejo trdnost z izločanjem v feritu [9]. Lastnosti posameznih legirnih elementov in vplivi njihovih izločkov so na kratko predstavljeni v nadaljevanju.
Vanadij ima večjo afiniteto do dušika kot do ogljika, vendar tvori tako karbide kot nitride, poleg tega pa tudi karbonitride – V(C, N). Izmed vseh mikrolegirnih precipitatov imajo največjo topnost karbidi, ki se praviloma izločajo samo v feritu. Prav tako k izločevalnemu utrjanju prispevajo drobni izločki V(C, N), ki se izločajo pri transformaciji avstenita v ferit in v feritu. Nasprotno se VN raztaplja pri višjih temperaturah, a izloča v avstenitu med vročim valjanjem, pri čemer ovira rast avstenitnih zrn [2].
Običajna vsebnost niobija v visokotrdnostnih nizkolegiranih jeklih se giblje med 0,02 % in 0,04 %, kar predstavlja približno tretjino količine vanadija [8]. Vseeno pa Nb in njegovi precipitati prek številnih mehanizmov signifikantno vplivajo na zvišanje napetosti tečenja.
Niobij se preferenčno veže z ogljikom in tvori NbC, ki se popolnoma raztopi v avstenitu že med ogrevanjem pred vročim valjanjem. Med valjanjem se nato tvorijo deformacijsko inducirani niobijevi karbidi, ki s pripenjanjem na dislokacije in meje avstenitnih zrn zavirajo rekristalizacijo avstenita ter omejujejo rast kristalnih zrn. Najdrobnejši NbC se izločajo pri premeni iz avstenita v ferit in imajo funkcijo izločevalnega utrjevanja [11].
Poleg tega niobij tvori tudi karbonitride, ki se pri temperaturah avstenitizacije le delno raztopijo v avstenitu. Izločki Nb(C, N) se tako pripenjajo na meje avstenitnih zrn in preprečujejo njihovo rast že pred samim valjanjem. Nadaljnje se Nb(C, N) izloča tudi med valjanjem in podobno kot NbC zavira rekristalizacijo avstenita [9].
Med naštetimi mikrolegirnimi elementi posebej izstopa titan, saj poleg karbidov in nitridov tvori tudi okside in sulfide. Njegova vsebnost ponavadi ne presega 0,02 %, zaradi močne afinitete do kisika in žvepla pa mora biti talina pred dodatkom titana popolnoma deoksidirana in razžveplana [2]. Med spojinami, ki jih tvori titan, je za nizkolegirana jekla najpomembnejši TiN, ki med ogrevanjem na temperaturo vroče predelave prek mehanizma pripenjanja izločkov preprečuje rast avstenitnih kristalnih zrn. TiN velja za izredno stabilen nitrid, ki se izloča tako v talini, avstenitu kot tudi v feritu. Med temi so najbolj nezaželeni grobi primarni titanovi nitridi, ki se izločajo v talini in zaradi svoje velikosti lahko delujejo kot mesta za iniciacijo krhkega loma. Ker se izločajo že v talini, označujemo primarne TiN kot nekovinske vključke. Nasprotno v avstenitu nastanejo drobni TiN, ki se pripenjajo na meje avstenitnih zrn ter omejujejo njihovo mobilnost med vročim valjanjem [12].
Poleg vanadija, niobija in titana je kot pomemben mikrolegirni element treba omeniti tudi bor, ki ima nekoliko drugačno funkcijo kot do sedaj opisani mikrolegirni elementi. Glavna vloga bora v sodobnih HSLA jeklih je izboljšanje prekaljivosti in spodbujanje nukleacije acikularnega ferita [13]. Bor, ki se med avstenitizacijo raztopi v avstenitu, med kaljenjem segregira na meje avstenitnih zrn in znižuje njihovo mejno energijo ter tako zavira transformacijo avstenita v ferit. Vendar bor tvori tudi izredno močne vezi z dušikom in se izloča v obliki borovega nitrida (BN). BN negativno vpliva na mehanske lastnosti jekla, zato je pomembno, da je vsebnost dušika v talini čim manjša. Poleg tega bor zaščitimo s stehiometričnim dodatkom Ti (v razmerju Ti/N = 3,42) [11].
Čeprav je razvoj HSLA jekel baziral na mikrolegirnih elementih ter uporabi različnih mikrolegirnih sistemov, pa je bil pri izpopolnjevanju visokotrdnostnih jekel pomemben tudi napredek na procesih vročega valjanja in toplotne obdelave v drugi polovici 19.
stoletja. Toplotna obdelava je postopek, s katerim prek različnih temperatur ter hitrosti segrevanja in/ali ohlajanja natančneje opredelimo mikrostrukturo jekla [14].
S slike 2.2 je razvidno, da so se kot prve pojavile normalizirane kvalitete konstrukcijskih jekel. Normaliziranje je toplotna obdelava, pri kateri želimo doseči homogeno mikrostrukturo, sestavljeno iz drobnozrnatega ferita ter drobnolamelnega perlita. Jekla z dodatno oznako N po valjanju segrejemo na temperaturo avstenitizacije, zadržujemo na tej temperaturi kratek čas, da dobimo homogen avstenit, in nato ohladimo na zraku [10].
Slika 2.2: Zgodovinski pregled razvoja proizvodnih procesov HSLA jekel [14]
Jekla po normalizacijskem žarjenju dosegajo napetost tečenja največ 460 MPa, zato so v 60-ih letih mehanske karakteristike HSLA jekel poizkušali izboljšati s kaljenjem in naknadnim popuščanjem. Pri tem tehnološkem postopku se oblikuje popuščena martenzitno-bainitna finozrnata mikrostruktura, ki sodobnim konstrukcijskim jeklom kvalitete Q+T zagotavlja napetosti tečenja vse do 1300 MPa [14].
Kot zadnje se je zaradi kompleksnosti procesa razvilo termomehansko valjanje (TMCP – angl.Thermo-MechanicalControlledProcess),kjervroča predelavapotekavveč intervalih in v različnih temperaturnih področjih. V primerjavi s klasičnim valjanjem se končna deformacija izvede pri nižjih temperaturah, tudi pod temperaturo rekristalizacije avstenita oz. celo v območju, kjer se že formira ferit. Vrh tega so se razvile tudi številne izpeljanke termomehanskega valjanja – v nekaterih primerih namesto počasnega ohlajanja na zraku jeklo po valjanju pospešeno ohladijo z vodnimi prhami; obstajajo pa tudi postrojenja, ki neposredno po valjanju omogočajo kaljenje in nato popuščanje na ustreznih temperaturah.
Posledično odpade korak ogrevanja na temperaturo avstenitizacije in kaljenje, kar poveča produktivnost in zmanjša stroške izdelave jekla. Rezultat termomehanskega valjanja ali njegovih variacij je mikrostruktura z izredno finimi kristalnimi zrni, ki zagotavlja zelo dobro žilavost. Hkrati imajo visokotrdnostna TMCP jekla zaradi nižjih vsebnosti ogljika in legirnih elementov praviloma boljšo varivost od normaliziranih ter Q+T kvalitet [14].
Teoretične osnove in pregled literature
2.1.2 Lastnosti in proces izdelave HSLA poboljšanih jekel
Nizkolegirana visokotrdnostna jekla kvalitete Q+T (angl. quenched and tempered) veljajo za konstrukcijska jekla z najvišjo trdnostjo. Ne odlikuje jih zgolj visoka napetost tečenja, temveč tudi dobra žilavost, zato jih s pridom uporabljamo v najzahtevnejših inženirskih aplikacijah. Visoka trdnost poboljšanih HSLA jekel je v glavnem posledica finozrnate mikrostrukture iz popuščenega letvastega martenzita z visoko gostoto dislokacij [15].
Poleg mikrolegirnih elementov (V, Nb ter Ti), ki zmanjšujejo grobozrnatost strukture, so Q+T jeklom običajno dodani še krom, molibden in nikelj. Ti legirni elementi krivuljo v kontinuirnem premenskem diagramu (CCT) pomaknejo v desno, kar ugodno vpliva na prekaljivost. Boljša prekaljivost pa pomeni, da se jeklo enakomerno prekali po celotnem prečnem prerezu. Q+T jekla so zaradi visoke trdnosti bolj občutljiva na nečistoče ter morebitne vključke, zato je pri njihovi izdelavi ključna tudi kontrola in zagotavljanje nizkih vsebnosti fosforja, žvepla, dušika, kisika in vodika [15].
Proces izdelave Q+T jekel se prične z ogrevanjem slabov nad temperaturo Ac3 in klasičnim vročim valjanjem. Vroče valjane plošče se nato na zraku počasi ohlajajo do sobne temperature. V drugi fazi valjane izdelke najprej segrejemo do kalilne temperature, tj.
običajno v območju 30–50 °C nad Ac3, nato pa jih držimo na tej temperaturi toliko časa, da omogočimo transformacijo ferita v avstenit po celotnem preseku. Hitrost segrevanja in čas zadrževanja sta odvisna od velikosti in oblike predmeta, vsebnosti legirnih elementov ter tudi od vrste in zmogljivosti kalilne peči. Avstenitizaciji sledi kaljenje v vodi ali v ustreznem kalilnem sredstvu z ozirom na zahtevano hitrost ohlajanja. Ta faza je najpomembnejša, saj ohlajevalna hitrost neposredno vpliva na nastanek mikrostrukture. Za nastanek martenzitne mikrostrukture je potrebna kritična hitrost ohlajanja, medtem ko pri nižjih ohlajevalnih hitrostih dobimo bainitno, perlitno ali kombinirano mikrostrukturo [16].
Po kaljenju ima jeklo zelo veliko trdoto in trdnost, vendar majhno žilavost in duktilnost.
Zato ga moramo popuščati pri ustrezni temperaturi, vendar v vsakem primeru pod temperaturo Ac1, kot je ponazorjeno na sliki 2.3. Cilj popuščanja je zmanjšanje notranjih napetosti, stabiliziranje mikrostrukture, zmanjšanje trdote in povečanje žilavosti [10].
Slika 2.3: Shema procesa izdelave Q+T jekel [16]
Končne lastnosti Q+T jekel so močno odvisne od temperature popuščanja, ki pravzaprav določa, v katere mikrostrukturne sestavine bo prešel martenzit. Čim višja bo temperatura popuščanja, tem večje bodo žilavost, razteznost in kontrakcija. Istočasno se z visokotemperaturnim popuščanjem (550–700 °C) močno zmanjšujeta trdota in trdnost. Pri najtrdnejših HSLA jeklih (kvalitete S1100Q in S1300Q) se zato popuščanje izvaja pri temperaturah med 150 °C in 250 °C [10]. Rezultati t. i. nizkotemperaturnega popuščanja (LTT – angl. low temperature tempering) so: sprostitev notranjih napetosti, mikrostruktura iz popuščenega martenzita in bainita, prirastek napetosti tečenja, nekoliko povečana žilavost, a še vedno zelo visoka natezna trdnost [16].
2.1.3 Uporaba HSLA jekel
Visokotrdnostna nizkolegirana jekla s svojimi mehanskimi lastnostmi ter odličnim razmerjem med nosilnostjo in maso predstavljajo pomemben konstrukcijski material v najrazličnejših aplikacijah. Tipični primeri uporabe HSLA jekel so: cevovodi, mostovi, ploščadi in podobne konstrukcije, daljnovodni stebri, rezervoarji, cisterne ter tudi gradbena in rudarska oprema, kmetijski stroji, težka transportna vozila, razna dvigala in žerjavi [17].
Prav gradnja naftnih in plinskih cevovodov v 70-ih letih prejšnjega stoletja velja za eno prvih aplikacij, ki je vključevala uporabo HSLA jekel. Cevovodi premoščajo večje razdalje in pogosto obratujejo pri povišanem tlaku, zato mora uporabljeno jeklo izkazovati visoko napetost tečenja pri čim manjši debelini stene. Izgradnja cevovodov na območju arktičnega kroga poleg tega zahteva dobro žilavost materiala tudi pri izredno nizkih temperaturah.
Hkrati z navedenim mora biti jeklo dovolj duktilno za zvijanje v cevi večjih premerov, navsezadnje pa je za spajanje na terenu (slika 2.4) ključna tudi dobra varivost [2, 8].
Slika 2.4: Varjenje cevi pri gradnji velikih cevovodov [18]
Hever in Schröter v [3, 14] navajata številne primere na področju gradnje mostov, kjer so se uveljavile konstrukcije, v katerih najdemo kombinacijo običajnih in HSLA konstrukcijskih jekel. Uporaba visokotrdnostnih jekel zmanjša tako presek kot lastno maso mostnih konstrukcij, pri katerih sta sicer zaradi dinamičnih obremenitev bolj kot visoka
Teoretične osnove in pregled literature
trdnost pomembni žilavost in odpornost na utrujenostni lom. Zato so v tej panogi večinoma zastopane termomehansko valjane kvalitete (tipično S460M), medtem ko je uporaba kvalitet, kot sta S550Q in S690Q manj pogosta.
Čedalje pomembnejša vloga HSLA jekel se kaže tudi v avtomobilski industriji in pri proizvodnji tovornih sredstev, kjer se proizvajalci soočajo z izzivom zmanjševanja mase vozil. Nižja masa transportnih sredstev ne pomeni zgolj prihrankov pri energiji za njihov pogon, temveč omogoča tudi transport večjih količin tovora, kar občutno prispeva k povečanju učinkovitosti ter znižanju stroškov in hkrati zagotavlja večjo stopnjo varstva okolja [15]. Iz visokotrdnostnih jekel so tako izdelane določene komponente avtomobilov ter manjših vozil, obenem pa tudi celotna podvozja, kesoni, cisterne ali druge nadgradnje večjih tovornih vozil. Lastnosti HSLA jekel, posebej visoko razmerje med trdnostjo in maso, s pridom izkoriščajo tudi proizvajalci najrazličnejših dvigal in mobilnih dvižnih sistemov, kot so avtodvigala, teleskopska paletna dvigala, dvižne ploščadi, gasilske avtolestve ter teleskopske roke betonskih črpalk. V teh aplikacijah se uporabljajo zlasti vroče valjane plošče iz konstrukcijskega jekla kvalitete S960Q ali S1100Q, ki zagotavlja veliko nosilnost pri manjših debelinah. Manjša debelina plošč namreč ne predstavlja samo znižanja lastne teže ter povečanja zmogljivosti in dosega dvigala, ampak tudi nižje stroške pri transportu in predelavi osnovnega materiala, znižanje stroškov varjenja zaradi manjših volumnov zvara ter navsezadnje lažjo manipulacijo zvarjencev [19].
2.2 Standardizirane kvalitete konstrukcijskih jekel
Zahteve in osnovne informacije za vroče valjane izdelke iz konstrukcijskih jekel so podane v standardu EN 10025-1. Prvi del standarda obsega splošne tehnične dobavne pogoje, kot so na primer mehanske in tehnološke lastnosti ter standardne dimenzije in pripadajoče tolerance izdelkov. Nadaljnje standard narekuje metode in pogostost preizkušanja, eksaktno pa določa tudi lokacijo in orientacijo vzorcev ter pripravo preizkušancev.
Konstrukcijska jekla glede na način izdelave razvršča v pet razredov, ki so podrobneje opredeljeni v standardih od EN 10025-2 do EN 10025-6. Poleg običajnih nelegiranih konstrukcijskih jekel in normaliziranih ter termomehansko obdelanih drobnozrnatih jekel so v petem delu posebej navedena tudi konstrukcijska jekla z izboljšano odpornostjo proti atmosferski koroziji. Konstrukcijska jekla z veliko plastično trdnostjo v kaljenem in popuščenem stanju so zajeta v zadnjem, šestem delu standarda, ki bo obširneje predstavljen v nadaljevanju [20].
Standard EN 10025-6 [21] ureja tehnične dobavne pogoje za ploščate izdelke iz konstrukcijskih jekel z veliko plastično trdnostjo v kaljenem in popuščenem stanju. V navedenem dokumentu so poboljšana visokotrdnostna jekla najprej razdeljena v sedem trdnostnih razredov glede na nazivno napetost tečenja od 460 MPa do vključno 960 MPa.
Jeklo posameznega trdnostnega razreda je lahko dobavljeno v eni izmed slednjih kvalitet:
‐ kvaliteta Q
(specificirana minimalna udarna žilavost pri temperaturah, višjih od –20 °C)
‐ kvaliteta QL
(specificirana minimalna udarna žilavost pri temperaturah, višjih od –40 °C)
‐ kvaliteta QL1
(specificirana minimalna udarna žilavost pri temperaturah, višjih od –60 °C)
Obenemstandard podaja osnovne karakteristike proizvodnega procesa in narekuje stopnjo dezoksidacije jekla ter priporočena razmerja določenih legirnih elementov. Natančno omejuje tudi kemijsko sestavo in ogljikove ekvivalente za posamezne trdnostne in debelinske razrede ploščatega jekla. Za jekla najnižjega trdnostnega razreda S460Q in debeline do 50 mm znaša maksimalen ogljikov ekvivalent 0,47 %, medtem ko pri enakih debelinah plošč trdnostnega razreda S960Q ta vrednost ne sme presegati 0,82 %. Predpisan ogljikov ekvivalent sicer narašča s povečevanjem debeline valjanih izdelkov [21].
Poleg kemijske sestave pomemben del dokumenta predstavljajo tudi zahteve za mehanske lastnosti izdelanega jekla. V preglednici 2.1 so predstavljene vse kvalitete jekel, ki jih zajema standard EN 10025-6, vključno z njihovimi številčnimi oznakami. Navedene lastnosti so predpisane za pločevine debelin od 3 mm do 50 mm, pri sobni temperaturi.
Razen minimalne napetosti tečenja, ki jo razberemo že iz oznake konstrukcijskih jekel, mora proizvajalec zagotoviti še ustrezno natezno trdnost in razteznost jekla. Zahtevan najmanjši raztezek po pretrgu se znižuje z naraščanjem trdnosti jekla [21].
Preglednica 2.1: Predpisane mehanske lastnosti za poboljšana konstrukcijska jekla [21]
Kvaliteta jekla Min. napetost tečenja ReH
[MPa]
Min. natezna trdnost Rm
[MPa]
Min. raztezek po pretrgu A
[%]
Oznaka jekla Št. jekla
S460Q 1.8908
460 550 – 720 17
S460QL 1.8906
S460QL1 1.8916
S500Q 1.8924
500 590 – 770 17
S500QL 1.8909
S500QL1 1.8984
S550Q 1.8904
550 640 – 820 16
S550QL 1.8926
S550QL1 1.8986
S620Q 1.8914
620 700 – 890 15
S620QL 1.8927
S620QL1 1.8987
S690Q 1.8931
690 770 – 940 14
S690QL 1.8928
S690QL1 1.8988
S890Q 1.8940
890 940 – 1100 11
S890QL 1.8983
S890QL1 1.8925
S960Q 1.8941
960 980 – 1150 10
S960QL 1.8933
S960QL1 1.8934
Vrednosti, podane v preglednici 2.1, veljajo za vroče valjane plošče debelinskega razreda 3–50 mm.
Teoretične osnove in pregled literature
Pomembna lastnost konstrukcijskih materialov je tudi žilavost, zato standard v primeru poboljšanih visokotrdnostnih jekel uvaja tri kvalitete, ki zagotavljajo določeno žilavost pri različnih temperaturah. Predpisane udarne žilavosti po Charpyju za posamezno kvaliteto so podane v preglednici 2.2. Jekla brez dodatne oznake poleg črke Q zagotavljajo žilavost vsaj 30 J v vzdolžni in 27 J v prečni smeri pri temperaturi –20 °C. Trdnostni razredi jekel z oznako QL zagotavljajo enako udarno žilavost pri temperaturah do –40 °C; dodatni simbol QL1 pa pomeni garantirano žilavost pri temperaturi –60 °C [21].
Preglednica 2.2: Predpisana minimalna udarna žilavost po Charpyju za različne kvalitete jekel [21]
Kvaliteta jekla
Minimalna udarna žilavost KV2 v vzdolžni/prečni smeri pri temperaturah:
0 °C –20 °C –40 °C –60 °C
Q 40 J / 30 J 30 J / 27 J - -
QL 50 J / 35 J 40 J / 30 J 30 J / 27 J -
QL1 60 J / 50 J 50 J / 35 J 40 J / 30 J 30 J / 27 J
2.2.1 Jeklo S1100QL
Jeklo S1100QL je nizkolegirano oziroma mikrolegirano konstrukcijsko jeklo najvišjega trdnostnega razreda. Poleg osnovnega legirnega sistema – Mo in Cr za izboljšanje kaljivosti, Mn in Si, ki utrjujeta trdno raztopino ter Ni za povečanje žilavosti in delno prekaljivosti – so jeklu dodani še mikrolegirni elementi vanadij, niobij in titan, ki zavirajo rast kristalnih zrn. Izjemne mehanske lastnosti jekla S1100QL so rezultat finozrnate mikrostrukture in toplotne obdelave po procesu vročega valjanja. Zaradi kaljenja v vodi in nizkotemperaturnega popuščanja se oblikuje mikrostruktura iz popuščenega martenzita in bainita, ki kljub visoki napetosti tečenja zagotavlja dobro žilavost ter ustrezne upogibne lastnosti, obenem pa tudi zadovoljivo varivost [22].
Oznaka S1100QL je definirana s standardom EN 10027-1 [23], in sicer črka S označuje konstrukcijsko jeklo, medtem ko vrednost 1100 pomeni minimalno napetost tečenja (v MPa). Iz dodatnega simbola Q razberemo predpisano toplotno obdelavo, iz črke L pa zahtevano udarno žilavost jekla. Standard EN 10027-2 [24], ki ureja številčne oznake jekel, za kvaliteto S1100QL predpisuje označbo 1.8942.
S1100QL velja za nestandardizirano jeklo, saj standard EN 10025-6 iz leta 2019 obsega zgolj poboljšane kvalitete konstrukcijskih jekel z mejo tečenja do 960 MPa, torej do oznake S960Q. Kljub temu lahko na podlagi omenjenega standarda določimo posamezne karakteristike kvalitete S1100QL. Kot prvo so za poboljšana konstrukcijska jekla kvalitete
L predpisane maksimalne koncentracije elementov, kot jih prikazuje preglednica 2.3. Prav tako lahko upoštevamo v standardu navedeni največji ogljikov ekvivalent 0,82, ki je sicer določen za jeklo S960QL, debeline do 50 mm.
Preglednica 2.3: Maksimalne vsebnosti legirnih elementov v konstrukcijskih jeklih kvalitete L [21]
C Si Mn P S B Cr Cu Mo Nb Ni Ti V
0,20 0,80 1,70 0,02 0,01 0,005 1,50 0,50 0,70 0,06 4,0 0,05 0,12 Vrednosti v preglednici 2.3 so podane v masnih odstotkih.
Podobno lahko na osnovi kvalitete S960QL predpostavimo tudi mehanske lastnosti jekla S1100QL. Najmanjša natezna trdnost mora biti vsaj za razred višja, kot je le-ta standardizirana za S960QL, raztezek po pretrgu A5 pa vsaj 10 %. Minimalna udarna žilavost jekla S1100QL mora dosegati vrednosti, ki jih za kvalitete z dodatno oznako L prikazuje preglednica 2.2, torej 30 J v vzdolžni smeri ter 27 J v prečni smeri pri temperaturi –40 °C [21].
Vodilni proizvajalci specialnih jekel na trgu že dalj časa pod različnimi komercialnimi imeni ponujajo jeklo S1100QL. V katalogu največje jeklarske korporacije ArcelorMittal zasledimo jeklo Amstrong Ultra 1100, nemški ThyssenKrupp izdeluje XABO 1100, SSAB proizvaja STRENX 1100, Dillinger pa DILLIMAX 1100. Poboljšano jeklo Amstrong Ultra 1100 je dobavljivo v debelinah od 8 mm do 15 mm [25], medtem ko XABO 1100 ponujajo v debelinah od 4 mm do 20 mm oziroma do 40 mm po dogovoru [26]. Prav tako je v ploščah debeline 4–40 mm dobavljivo jeklo STRENX 1100, katerega mejne vsebnosti legirnih elementov so podane v preglednici 2.4 [27]. Primerjava mehanskih lastnosti vseh naštetih visokotrdnostnih konstrukcijskih jekel različnih proizvajalcev je prikazana v preglednici 2.5.
Preglednica 2.4: Maksimalne vsebnosti legirnih elementov v jeklu STRENX 1100 [27]
C Si Mn P S Cr Cu Ni Mo B
0,21 0,50 1,40 0,020 0,005 0,80 0,30 3,0 0,70 0,005
Vrednosti v preglednici 2.4 so podane v masnih odstotkih.
Preglednica 2.5: Primerjava mehanskih lastnosti jekla S1100QL različnih proizvajalcev [25–28]
Jeklo ReH [MPa] Rm [MPa] A [%]
Amstrong Ultra 1100 1100 1250 – 1450 10
XABO 1100 1100 1250 – 1500 8
STRENX 1100 1100 1250 – 1550 10
DILLIMAX 1100 1100 1200 – 1500 10
Teoretične osnove in pregled literature
2.3 Varjenje visokotrdnostnih konstrukcijskih jekel
Na področju industrijske proizvodnje jeklenih konstrukcij in v strojegradnji med ključne tehnološke procese sodi varjenje. Varjenje je spajanje dveh ali več delov osnovnega materiala v trdnem ali raztaljenem stanju v trajno zvezo z uporabo energije. Spoj je lahko izdelan s toploto, s stiskanjem ali z obema, brez dodajanja ali z dodajanjem materiala.
Najbolj razširjen postopek spajanja konstrukcijskih jekel v neločljivo zvezo je obločno varjenje. Pri tem postopku uporabljamo električni varilni oblok kot vir toplote za izdelavo zvarnega spoja [29].
Z varjenjem želimo doseči čvrsto povezavo varjencev in izdelati zvarni spoj, ki bo sposoben prenašati vse kasnejše obremenitve celotne konstrukcije. Pri varjenju jekel si prizadevamo, da bi osnovni material čim manj toplotno prizadeli, tako da njegove mehanske lastnosti ostanejo nespremenjene. Vendar se zlasti pri talilnih postopkih varjenja spremembam ne moremo izogniti. Z dovodom toplote prihaja do različnih fizikalnih pojavov, ki v materialu povzročajo napetosti ter deformacije. Material se stali in ponovno kristalizira v specifičnih pogojih, pri tem pride do faznih transformacij in mikrostrukturnih sprememb, ki zahtevajo poznavanje vsaj osnovnih metalurških zakonitosti [30].
2.3.1 Mikrostruktura v talilnih zvarnih spojih
Pri varjenju s taljenjem je dovajanje toplote izrazito lokalno. Zaradi učinkovanja toplotne energije se del osnovnega materiala raztali,del sesamo ogreje, ostali del pa ostane toplotno neprizadet. Torej imamo med varjenjem v zvarnem spoju na splošno tri področja: talino vara, toplotno vplivano področje (TVP) in toplotno neprizadeto področje v osnovnem materialu. Z večanjem oddaljenosti od središča zvara se dosežena maksimalna temperatura v posamičnih točkah ob varu zmanjšuje, zato se pri ohlajanju v posameznih delih TVP oblikujejo različne mikrostrukture, kot je shematsko prikazano na sliki 2.5 [29, 31].
Slika 2.5: Shematski prikaz različnih področij in mikrostruktur v zvarnem spoju [32]
Glede na mikrostrukturo razdelimo toplotno vplivano področje zvarov na štiri podobmočja:
grobozrnato področje (GZ TVP), nadkritično segreto področje (NK TVP), medkritično segreto področje (MK TVP) in podkritično segreto področje (PK TVP). TVP tako predstavlja mikrostrukturno heterogeno področje, ki zaradi različnih velikosti kristalnih zrn in raznolikih premenskih mikrostruktur izkazuje neenakomerno trdnost in žilavost [32].
Pri enovarkovnih zvarih splošnih konstrukcijskih jekel je navadno najslabša žilavost v grobozrnatem delu toplotno vplivanega področja. Ta del se nahaja tik ob liniji taljenja in zato na tem območju med varjenjem pride do pregretja in rasti avstenitnih zrn.
Grobozrnatost poveča sposobnost kaljenja jekla in posledično v grobozrnatem področju pri enakih hitrostih ohlajanja, kot v drugih delih TVP, prej naletimo na kalilne mikrostrukture.
Zaradi izoblikovanja martenzitne mikrostrukture je jeklo v na tem mestu trdo ter krhko in zato ta del TVP obravnavamo kot potencialno šibko točko zvara [31, 32].
Nadkritično področje (NK TVP) je segreto nad Ac3 do temperatur, kjer zrna zaradi toplotnega vpliva še ne rastejo. Pravzaprav gre za območje normalizacije, kjer se pri ohlajanju izoblikuje dokaj homogena in stabilna drobnozrnata mikrostruktura. Zaradi finozrnate mikrostrukture je žilavost tega dela TVP običajno dokaj visoka. Normaliziran del TVP je finozrnat tudi zato, ker proizvajalci kakovostnih konstrukcijskih jekel poskrbijo, da so v jeklu pred premeno prisotni primerno drobni in fino dispergirani izločki, ki predstavljajo kali za izoblikovanje drobnega sekundarnega zrna [31].
Na področjih, ki so med varjenjem segreta do temperatur med Ac1 in Ac3, se pri ohlajanju iz nehomogenega avstenita izoblikuje neenakomerna struktura. Zato so lastnosti medkritično segretega področja (MK TVP) po ohladitvi slabše od lastnosti finozrnatega področja. Zlasti v primeru drobnozrnatih jekel tudi ta del TVP velja za potencialno neugodno področje, kjer nastajajo predvsem po kristalnih mejah mikrostrukturne sestavine, ki so produkt delne transformacije jekla. Izoblikujejo se kot neugodne martenzitno- avstenitne sestavine (poznane tudi kot M-A sestavine) ter ugodnejše martenzitno-bainitne in bainitne mikrostrukturne sestavine [32].
Nastanek in vlogo mikrostrukturnih sestavin M-A v zvarnih spojih HSLA jekel so raziskovali Praunseis in sodelavci [33]. Ugotovili so, da martenzitno-avstenitne sestavine v varu in TVP močno zmanjšujejo lomno žilavost zvarnega spoja. Izoblikovanje M-A sestavin je odvisno od časa ohlajanja in od kaljivosti jekla. Te sestavine nastajajo med ohlajevanjem zvarnega spoja iz avstenita v končni fazi transformacije in so sestavljene iz martenzita (letvastega in/ali ploščatega) ter zaostalega avstenita. Podobno kot trdota martenzita, tudi trdota M-A narašča z večanjem vsebnosti ogljika in dosega visoke vrednosti 700–900 HV. Zaradi svoje krhkosti se M-A sestavine pod vplivom natezne napetosti kmalu prelomijo in zato veljajo za sprožilce krhkega loma.
Tudi Grdun in Godec sta raziskovala neugodne mikrostrukture v zvarih konstrukcijskih jekel [32] in pri tem ugotovila, da te nastajajo v varu in toplotno vplivanem področju v zelo širokem območju ohlajevalnih časov. V zvarnih spojih na splošnih konstrukcijskih jeklih sta zasledila malo M-A sestavin, medtem ko se te intenzivneje pojavljajo pri varjenju drobnozrnatih jekel. Na nastanek in pogostost M-A sestavin torej bolj kot lokalne spremembe pri transformaciji vpliva kemijska sestava osnovnih ter dodajnih materialov.
Najugodnejša mesta za nastanek M-A sestavin so kristalnih meje, kjer se pri segrevanju poveča koncentracija karbidov, ki se nato pri delni transformaciji raztopijo v avstenitu.
Teoretične osnove in pregled literature
Področja z večjo koncentracijo karbidov se izoblikujejo tudi znotraj kristalnih zrn, vendar tu redkeje prihaja do pojava M-A. Področja nastanka M-A so prikazana na sliki 2.6, kjer je shematsko ponazorjena tudi različna sestava teh mikrostrukturnih sestavin. Na kristalnih mejah nastajajo večji otočki z razpršeno strukturo martenzita in zaostalega avstenita, medtem ko se na lamelah bainitnega ferita izločajo manjše podolgovate M-A sestavine.
Slika 2.6: Shematski prikaz strukture M-A sestavin (povzeto po [34])
Nadaljnje je bilo ugotovljeno, da se pri večvarkovnem varjenju M-A sestavine zelo hitro popuščajo. V zvarnem spoju z več varki namreč z vsakim naslednjim varkom toplotno vplivamo na predhodne varke in posledično na njihove metalurške lastnosti. Na ta način dobimo popuščene martenzitno-avstenitne sestavine, ki ugodno vplivajo na žilavost. Hkrati M-A sestavine, nastale v TVP zadnjega varka, ostanejo nepopuščene in krhke, podoben problem pa se kaže tudi pri enovarkovnem varjenju tanjših pločevin [32].
Obenem velja na tem mestu omeniti tudi acikularni ferit, ki se sicer pojavlja v strjenem zvaru in predstavlja le eno od oblik ferita, ki nastanejo pri različnih hitrostih ohlajanja. Pri nižjih hitrostih ohlajanja se ferit najprej pojavlja po tromejah avstenitnih zrn in nato raste vzdolž kristalnih mej kot primarni ferit. Pri višjih hitrostih ohlajanja pa se sočasno z izločanjem po kristalnih mejah ferit začne pojavljati tudi v matrici zrna v obliki usmerjenih letvastih ploščic. Morebitni vključki v zrnu prav tako predstavljajo potencialne kali za nukleacijo acikularnega ferita (AF), ki zaradi svoje specifične prepletene teksture izboljša žilavost jekla. Kot prikazuje slika 2.7, v primerjavi z bainitno mikrostrukturo drobno razvejana struktura AF otežuje širjenje razpoke preko kristalnega zrna [35].
Slika 2.7: Shematski prikaz širjenja razpoke preko različnih mikrostruktur [36]
2.3.2 Čas ohlajanja zvarnega spoja
Kot je bilo poudarjeno že v prejšnjem poglavju, je od hitrosti ohlajanja odvisna vrsta izoblikovanih mikrostrukturnih območij, ki bodo nastala v strjenem zvarnem spoju. V primeru, ko je hitrost ohlajanja nižja od kritične, se v določenem temperaturnem intervalu izločajo ferit, perlit in vmesne mikrostrukture. Če je hitrost ohlajanja nadkritična, se tvorijo mikrostrukture martenzita, bainita ali njune kombinacije v odvisnosti od vsebnosti ogljika v jeklu [35].
Pri varjenju je najpomembnejši čas ohlajanja od 800 °C do 500 °C, ki ga označujemo kot t8/5. V tem temperaturnem območju se namreč pri ohlajanju zvarnega spoja izvršijo vse pomembnejše mikrostrukturne transformacije, odvisne od hitrosti ohlajanja in kemijske sestave jekla. Čas ohlajanja najlažje odčitamo iz krivulje toplotnega varilnega ciklusa, kot je to ponazorjeno na sliki 2.8 [29].
Slika 2.8: Toplotni varilni ciklus za zvara z različno začetno temperaturo zvarjencev [29]
Na hitrost ohlajanja zvara vplivajo vnos toplote, debelina materiala in temperatura materiala ob začetku varjenja. Pri velikih vnosih toplote segrejemo več materiala in posledično je čas ohlajanja t8/5 daljši. Če je v okolici zvara več materiala, kamor lahko odteka toplota, je ohlajanje hitrejše, čas ohlajanja pa temu primerno krajši. Slika 2.8 prikazuje tudi pomemben vpliv začetne temperature varjenca – v primeru predgrevanja je segrevanje hitrejše, pri ohlajanju pa je odvod toplote v okolico predgretega zvara manjši, zato se čas ohlajanja podaljša. Z različnimi temperaturami predgrevanja tako najenostavneje vplivamo na čas ohlajanja pri varjenju [31, 35]. Vendar pa Granjon v svojem delu [37] opozarja, da se zaradi predgrevanja povečuje toplotno vplivano področje.
Zato moramo posebej pri predgrevanju manjših varjencev izbrati kar najmanjšo temperaturo predgrevanja, saj v nasprotnem sledi povečano pregretje osnovnega materiala.
Pri lokalnem predgrevanju v omejenem področju okoli načrtovanega spoja je zaradi povečanega odvoda toplote v okolico treba poleg temperature predpisati tudi zadostno območje predgrevanja in nato med varjenjem vzdrževati predvideno temperaturo.
T [°C]
800
t8/5
Tp
t[s]
t8/5
500
