VPLIV NEZADOSTNE IN PREVELIKE TOPLOTNE OBDELAVE TVP …

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO

Luka FEKONJA

VPLIV NEZADOSTNE IN PREVELIKE

TOPLOTNE OBDELAVE TVP NA UDARNO

ŽILAVOST NA JEKLA ZA POVIŠANE

TEMPERATURE

Diplomsko delo

univerzitetnega študijskega programa 1. stopnje

Strojništvo

Maribor, september 2014

II

III

VPLIV NEZADOSTNE IN PREVELIKE

TOPLOTNE OBDELAVE TVP NA UDARNO

ŽILAVOST NA JEKLA ZA POVIŠANE

TEMPERATURE

Diplomsko delo

Študent(ka): Luka FEKONJA

Študijski program: Univerzitetni študijski program 1. stopnje Strojništvo

Smer: Konstrukterstvo

Mentor: doc. dr. Tomaž Vuherer

Somentor: red. prof. dr. Franc Zupanič

Maribor, september 2014

IV

V

I Z J A V A

Podpisani Luka FEKONJA izjavljam, da:

je bilo predloženo diplomsko delo opravljeno samostojno pod mentorstvom doc. dr.

Tomaža Vuhererja in somentorstvom izr. prof. dr. Franca Zupaniča ;

predloženo diplomsko delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev

kakršnekoli izobrazbe na drugi fakulteti ali univerzi;

soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjižnici tehniških fakultet

Univerze v Mariboru.

Maribor, 28. 8. 2014 Podpis: ___________________________

VI

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju doc. dr. Tomažu Vuhererju

in somentorju red. prof. dr. Francu Zupaniču za

pomoč in vodenje pri opravljanju diplomskega dela.

Posebna zahvala velja staršem, ki so mi omogočili

študij.

VII

VPLIV NEZADOSTNE IN PREVELIKE TOPLOTNE OBDELAVE TVP

NA UDARNO ŽILAVOST NA JEKLA ZA POVIŠANE TEMPERATURE

Ključne besede: jeklo za povišane temperature, var, TVP, simulacija varjenja,

dilatacija, toplotna obdelava, udarna žilavost, Charpy preizkus

UDK: 620.178.2:669.14.018.62(043.2).

POVZETEK

Namen diplomske naloge je bil določiti ustrezno temperaturo in čas toplotne obdelave TVP

na jekla za povišane temperature po varjenju, da dosežemo dobro žilavost ob ustrezni trdoti.

Osredotočil sem se predvsem na eksperimentalni del, pri katerem je bil cilj izvesti simulacijo

varjenja na preizkušancih, jih nato toplotno obdelati pri različnih temperaturah in časih ter

izmeriti žilavost na instrumentiranem Charpy kladivu. Udarno žilavost merimo s Charpy

preizkusom , ki določa potrebno delo za prelom preizkušanca. Rezultati so pokazali, da

toplotna obdelava pri 740 °C in 800 °C povzroča nezadostno in preveliko žilavosti in ni

najbolj primerna. Iz tega lahko sklepamo, da imajo zelo majhne spremembe toplotne obdelave

velik vpliv na mehanske lastnosti materiala.

VIII

INFLUENCE OF UNSUFFICIENT AND OVERSUFFICIENT POST

WELD HEAT TREATMENT ON HAZ IMPACT TOUGHNESS OF STEEL

FOR ELEVATED TEMPERATURES

Key words: creep resistant steel, welded joint, HAZ, weld simulation, delitation, heat

treatment, impact toughness, Charpy metode

UDK: 620.178.2:669.14.018.62(043.2)

ABSTRACT

The aim of this diploma work is to determinate proper temperature and time post weld heat

treatment of HAZ on creep resistant steels after welding. With this procedure we get sufficient

impact tougness and hardness. I focused on my experimental work, the weld simulation of

samples and post weld heat treatment by different temperatures and time intervales with

measure of impact toughness by instrumented charpy pendulum. The impact toughness is

measured by Charpy metode, which determinates minimal imput of forze for braking the

sample. The results showed, the temperature at 740 °C and 800 °C means unsufficient and

oversufficient impact toughness and it is not appropriate. That leads us to conclusion that

very small changes in heat treatmend have great influence on mechanical propertis of

material.

IX

VSEBINA

1 UVOD ........................................................................................................................... - 1 -

1.1 OPIS PROBLEMA ........................................................................................................ - 1 -

1.2 METODE RAZISKOVANJA ........................................................................................... - 2 -

1.3 NAMEN IN CILJI DIPLOMSKEGA DELA ........................................................................ - 3 -

2 PREDSTAVITEV JEKLA ......................................................................................... - 4 -

3 PROBLEMI VARIVOSTI .......................................................................................... - 6 -

3.1 NEVARNOST VODIKOVE HLADNE POKLJIVOSTI ........................................ - 6 -

3.2 PROBLEMI PREVELIKE TRDOTE ...................................................................... - 7 -

4 OPIS EKSPERIMENTALNIH METOD .................................................................. - 8 -

4.1 SIMULACIJA VARJENJA ................................................................................... - 12 -

4.2 TERMIČNI VPLIV VARJENJA IN IZRAZITE DILATACIJSKE KRIVULJE... - 14 -

4.3 TEMPERATURE FAZNIH PREMEN V RAZLIČNIH PODROČJIH TVP ......... - 16 -

4.4 TOPLOTNA OBDELAVA .................................................................................... - 19 -

4.5 CHARPY PREIZKUS ........................................................................................... - 25 -

4.5.1 Instrumentiran Charpy preizkus .................................................................... - 27 -

4.6 REZULTATI INSTRUMENTIRANEGA CHARPY PREIZKUSA ..................... - 29 -

4.6.1 Merjenje zožitve ter širjenja preizkušanca po Charpy preizkusu .................. - 53 -

5 UGOTOVITVE .......................................................................................................... - 57 -

5.1 REZULTATI ZA TOPLOTNO OBDELAVO PRI 740 °C ................................................... - 57 -

5.2 REZULTATI ZA TOPLOTNO OBDELAVO PRI 800 °C ................................................... - 60 -

6 ZAKLJUČEK ............................................................................................................ - 65 -

7 SEZNAM UPORABLJENIH VIROV ..................................................................... - 66 -

X

UPORABLJENI SIMBOLI

- napetost tečenja [MPa]

- natezna trdnost [MPa]

- raztezek

KV - lomna žilavost

J - joule

- čas ohlajanja med 800 °C in 500 °C

- konec premene v avstenit

- začetek premene v avstenit

- začetek premene v martenzit

- konec premene v martenzit

- maksimalna temperatura

HV - trdota po Vickersu

F - sila

t - čas

- masa kladiva

g - gravitacijski pospešek

h - višina udarnega kladiva

L - dolžina kladiva od vrtišča do težišča

t - čas

α1, α2 - začetni in končni kot

Fgy - sila, pri kateri se preizkušanec začne neelastično deformirati

Fm - maksimalna sila

Fiu - sila, pri kateri se začne lom

Fa - sila, pri kateri se lom ujame

Ei - energija za nastanek razpoke

Ep - energija za širjenje razpoke

σe upog - meja elastičnosti pri upogibni napetosti

σm upog - upogibna trdnost

XI

UPORABLJENE KRATICE

FS - Fakulteta za strojništvo

TVP - temperaturno vplivano področje

- grobozrnati del TVP

- finozrnati del TVP

- medkritični del TVP

- podkritični del TVP

- osnovni material

- toplotna obdelava

- jeklo za povišane temperature

- kontinuirni premenski diagram

- evropski standard

- Welding Procedure Quality Report

Univerza v Mariboru - Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 1 -

1 UVOD

1.1 Opis problema

Ljudje so že nekoč imeli težnjo po spajanju materialov, saj jim je to omogočilo izdelavo

uporabnih orodij in orožij, ki so jih takrat potrebovali za vsakodnevno preživetje. Danes je

podobno. Le sestavni deli konstrukcij nam veliko ne bi koristili, večine pa zaradi omejitve

velikosti ne bi mogli izdelati iz enega kosa. Najbolj razširjen postopek spajanja je varjenje, ki

pomeni spajanje dveh ali več materialov v nerazdružljivo celoto, ki jo lahko dosežemo s

toploto, pritiskom ali kombinacijo naštetega. Hkrati so varjeni spoji togi, elastični, sile pa se

prenašajo enakomerno iz enega na drugi element. Spajanje materialov z varjenjem je prav

tako priporočen postopek iz ekonomskih vidikov.

Najbolj razširjeni postopki varjenja so: ročno elektroobločno varjenje (REO), varjenje v

zaščiti aktivnega plina (MAG), varjenje v zaščiti nevtralnega plina (MIG), varjenje z netaljivo

elektrodo (TIG) ter obločno varjenje pod praškom (EPP).

Kvaliteta in dopustne napetosti zvarnih spojev so večinoma odvisne od številnih

dejavnikov, kot so lastnosti uporabljenega jekla pri varjenju, varivost jekla, način in postopek

varjenja, izbira dodajnega materiala ter opreme, ki jo imamo na voljo in jo izbiramo glede na

vrsto zapletenosti konstrukcije. Če varjenje poteka na zahtevnih konstrukcijah, pri katerih bi

njihova odpoved ogrozila življenje, se je pri varjenju potrebno strogo držati zakonodaje in

standardov s področja varjenja, za izvedbo varjenja pa potrebuje atestirane varilce.

Predvsem so v uporabi ogljikova konstrukcijska jekla, ki so nelegirana, so poceni in

imajo vseeno dobre mehanske lastnosti, pri bolj zahtevnih okoliščinah pa uporabljamo draga,

močno legirana jekla, ki so pri jeklih za povišane temperature odporna še proti lezenju in

koroziji.

Pri varjenju se izoblikujeta dve področji, to sta VAR in TVP, ki se nahaja tik ob varu.

Kemična sestava vara je odvisna od namešanja staljenega osnovnega in dodajnega materiala,

TVP pa je po kemični sestavi v bistvu osnovni material s spremenjenimi lastnostmi zaradi

vpliva toplotnega cikla. Občutljivost vara na napake določa predvsem izbira odgovarjajočega

dodajnega materiala, ki ima vpliv na trdnost, žilavost, trdoto in korozijsko odpornost varov.

Napake vara je še posebej nujno odpraviti pri jeklih za povišane temperature oziroma

pri feritnih jeklih. Tam uporabimo isto vrsto dodajnega materiala, z namenom, da dosežemo


- 2 -

enako trdnost, kot jo ima osnovni material. Pred varjenjem je nujno predgrevanje, da se

znebimo vodikove hladne pokljivosti, po varjenju pa je ključna toplotna obdelava. Toplotne

obdelave so zelo dolgotrajne in predstavljajo velik strošek, kajti večinoma je pri večjih

konstrukcijah potrebno na mestu varjenja zgraditi peč in jo nato prestavljati.

Za doseganje najboljših mehanskih lastnosti po varjenju jekel za povišane temperature

je potrebno poznati točno temperaturo in čas toplotne obdelave; že majhne spremembe

vplivajo na neugodno razmerje žilavosti in trdote. Obravnavali smo toplotno obdelavo pri 740

°C in 800 °C pri različnih časih držanja na eni oziroma drugi temperaturi. Pridobljeni rezultati

in izrisani diagrami energije za lom preizkušanca v odvisnosti od maksimalne temperature v

TVP ter časa temperaturne toplotne obdelave bodo tako v pomoč inženirju, da se bo lažje ter

pravilno odločil, pri kateri temperaturi in kako dolgo izvajati toplotno obdelavo po varjenju,

da bo dosegel željene mehanske lastnosti zvara.

1.2 Metode raziskovanja

Preizkušance je bilo sprva potrebno obdelati na simulatorju varjenja. Temperature termičnih

ciklov smo razbrali iz WPQR in so znašale od 1350 °C do 860 °C. Simuliranih je bilo 44

preizkušancev, od tega jih je bilo že 20 obdelanih v prejšnjih letih. Tako smo dobili vzorce z

mikrostrukturo TVP-ja, ki se razdeli na 4 dele. To so grobozrnati TVP, finozrnati TVP,

medkritični TVP in podkritični TVP.

Delo se je preselilo do električne peči, kjer smo vzorce toplotno obdelali. Glavna naloga

diplomske naloge je bila, da opravimo toplotno obdelavo pri temperaturi 740 °C in 800 °C,

zato smo 20 vzorcev uporabili za toplotno obdelavo pri prvi, ostalih 20 pa za toplotno

obdelavo pri drugi temperaturi. Preostalih 4 vzorcev nismo toplotno obdelali in so nam služili

kot referenca za kasnejše primerjanje varjenega materiala brez toplotne obdelavo s tistim, ki

je bil po varjenju toplotno obdelan. Držanje pri obeh temperaturah je potekalo pri različnih

časih: 0,5, 1, 2, 4 ter 8 urah.

Zadnja faza dela je bila priprava vzorcev za nadaljnji Charpy preizkus udarne žilavosti.

Uporabili smo standardni tip preizkušanca dimenzije 10 x 10 x 55 mm z ISO V zarezo

globine 2 mm.


- 3 -

1.3 Namen in cilji diplomskega dela

Cilj diplomskega dela je bil pokazati občutljivost jekla P91 za povišane temperature pri

varjenju in vpliv različne temperature toplotne obdelave na ustreznost mikrostrukture, zlasti

na spreminjanje udarne žilavosti.

Predvsem nas zanima, ali bosta temperaturi 740 °C in 800 °C ugodni za zadostno

zmanjšanje trdote in povečanje udarne žilavosti v TVP za jekla za povišane temperature, pri

katerih uporaba večinoma sloni na uporabi v termoenergetskih objektih, kjer je potrebna

velika varnost in doba trajanja.

Diplomska naloga ima uresničene naslednje cilje:

- predstavitev jekel za povišane temperature,

- predstavitev toplotne obdelave vzorcev s simulirano mikrostrukturo,

- prikaz priprave materiala TVP na simulatorju termičnega cikla,

- predstavitev Charpy preizkusa za udarno žilavost,

- prikaz priprave preizkušancev,

- prikaz grafa odvisnosti Charpy žilavosti od temperature ter časa žarjenja,

- ugotovitve.

Sestava diplomskega dela ima največji poudarek na eksperimentalnem delu, kratki opisi

eksperimentalnih metod pa služijo lažjemu razumevanju le-tega.


- 4 -

2 PREDSTAVITEV JEKLA

Kot pove že samo ime, so jekla za povišane temperature uporabljena v predelih, kjer so

temperature zelo visoke, obremenitve pa velike. To je predvsem v termoelektrarnah,

kotlogradnji, tlačnih posodah, itd. Namenjena so daljši dobi obratovanja, tudi 30 let nad

temperaturo 500 °C, kajti njihov izpad bi za sabo potegnil ogromno nepredvidenih stroškov.

Kljub temu, da se v kovinskih materialih, ki so izpostavljeni visokim temperaturam,

pojavljajo spremembe in procesi, kot so povečana gibljivost atomov in defektov v mreži,

sprememba koncentracije defektov, rast elementov mikrostrukture, fazne premene ter

visokotemperaturne oksidacije, se od teh jekel pričakujejo dobre mehanske lastnosti. Te

določa sama kristalna zgradba in mikrostrukura (velikost in oblika kristalnih zrn), ki je v

veliki meri odvisna od izdelave jekla. Najbolj pa vpliva porazdelitev karbidov po kristalnih

mejah [1].

Dobre mehanske lastnosti si predstavljamo kot zadostno žilavost ob veliki trdoti in

sposobnost varivosti jekla. Zraven tega še morajo biti korozijsko obstojna, saj so nenehno

izpostavljena vodni pari, vodi ter dimnim plinom in odporna proti lezenju. Lezenje nastane

zaradi konstantne, dalj časa trajajoče obremenitve, pri kateri se začnejo širiti deformacije.

Najpogosteje je to pri temperaturi T > 0,4 oziroma . Boljšo korozijsko odpornost

zagotovimo z večjim deležem kroma, odpornost proti lezenju pa izboljšamo z legiranjem jekla

z elementi Nb, V in Mo [1].

Zaradi vedno večje težnje po še boljših izkoristkih termoelektrarn in s tem obstojnosti

pri še višjih temperaturah so se razvila feritna jekla. Pri preizkusih sem obravnaval jeklo P91

9Cr1MoNbV, ki je obstojno do 600 °C in je zadnji dve desetletji množično uporabljeno pri

gradnji zahtevnih energetskih konstrukcij. Ime jekla pove, da je mikrostruktura sestavljena iz

9% vsebnosti kroma in 1% vsebnosti molibdena. Za povečevanje trdote služi še manjši

odstotek niklja in magnezija. Visoko odpornost materiala proti nastanku razpok nazadnje

dobimo s toplotno obdelavo. Jeklo segrejemo na temperaturo normalizacije 1050 °C in jo

ohlajamo na zraku do 200 °C. Na koncu sledi še proces tempranja pri okoli 760 °C. To močno

vpliva na oblikovanje mikrostrukture, ki se odraža na visoki odpornosti materiala proti

nastanku razpok [2].


- 5 -

Tabela 2.1: Kemična sestava jekla P91 (masni %)

C Si Mn P S

0,08−0,12 0,2−0,5 0,3−0,6 0,02 0,01

Nb/Cb Al N Cr V

0,06−0,1 0,04 0,03−0,07 8−9,5 0,18−0,25

Mehanske lastnosti osnovnega materiala:

Tabela 2.2: Mehanske lastnosti jekla P91

Napetost tečenja Rp0,2 450 Mpa

Natezna trdnost Rm 620 Mpa

Raztezek A5 19 %

Udarna žilavost 240 J/cm2

Energija za lom 192 J


- 6 -

3 PROBLEMI VARIVOSTI

Jekla varimo s podobnim ali avstenitnim dodajnim materialom. Potrebno je predgrevanje pri

200 °C, kajti v nasprotnem primeru se pojavijo problemi s hladno pokljivostjo, ki je posledica

akumulacije vodika v avstenitno področje TVP in vara. Prevelik vnos toplote zmanjša žilavost

in pospešuje nastanek grobega zrna v TVP. Potrebna žilavost je vsaj 45 J. Zaradi prevelike

trdote, notranjih napetosti in prenizke žilavosti v TVP (predvsem grobozrnati del) in varu je

potrebna naknadna toplotna obdelava jekla P91, ki mora biti izvajana po predpisih. Sprva je

potrebno določiti ustrezno hitrost segrevanja. Ta ne sme biti prehitra, zlasti v primeru

varjencev različnih premerov in debelin, pri katerih je še priporočljivo zadrževanje materiala

ob konstantni temperaturi za odpravo temperaturne razlike v raztezanju. Sledi postopek

popuščanja, pri katerem material držimo na konstantni, v naprej določeni temperaturi za

določen čas. Na koncu sledi še postopek ohlajanja, ki se mora izvajati počasi in v peči, da se

čim bolje izenačijo napetosti.

Toplotna obdelava spodbudi prav tako nastanek novih karbidov na mejah kristalnih zrn,

v največji meri na področju TVP-ja, to pa pripomore k izboljšanju materiala na fenomen

lezenja [1].

3.1 NEVARNOST VODIKOVE HLADNE POKLJIVOSTI

Vodikova hladna pokljivost je ena izmed najnevarnejših pojavov, ki se pojavi pri izvajanju

varjenja pri jeklu P91. Ta nastopi takoj po varjenju ali nekoliko pozneje. Razpoka nastopa v

varu ali TVP, njen glavni vzrok pa je akumulacija vodika v avstenitno področje TVP in vara.

Med ohlajanjem zvara pride do premene avstenita, raztopljen vodik pa ostane v prenasičeni

trdni raztopini, ki se počasi začne akumulirati na napakah in se spoji v molekule vodika. Tam

se začne koncentracija vodika vedno bolj povečevati, s tem se poveča tudi tlak. Tudi vpliv

zaostalih napetosti pomaga pri nastanku razpok, kajti le-te ponavadi niso dovolj odporne proti

zlomu.

Hladno pokljivost lahko preprečimo na način, da omejimo vdor vlage v zvar. To

dosežemo s predgrevanjem osnovnega materiala, z izvajanjem kontrole vlažnosti zaščitnega

plina, praška in s sušenjem dodajnega materiala, kot so elektrode. Ne le, da se s

predgrevanjem rešimo vlage na površini, s tem postopkom zmanjšamo tudi hitrost ohlajanja


- 7 -

in prenos toplote. Hkrati postane mikrostruktura bolj žilava, duktilna, zmanjša se trdota v

TVP, znižujejo se napetosti in izravna se neenakomerno porazdeljena mikrostruktura.

Temperaturo predgrevanja moramo kontrolirati vse do konca varjenja, da ta ne pade pod

minimalno predpisano, velikost temperature pa je odvisna od oblike zvarnega spoja, debeline

materiala, kemijske sestave in vnosa toplote [3].

Slika 3.1: Vodikova hladna pokljivost na območju vara

3.2 PROBLEMI PREVELIKE TRDOTE

Pri nekontroliranju vnosa toplote lahko pride do previsoke temperature, ki posledično

povzroča rast zrn. Tako izoblikovana mikrostruktura je prav tako odvisna od temperature

materiala pred varjenjem in njegove debeline. S tem dobimo premajhno žilavost v nasprotnem

primeru pa preveliko trdoto. Za izboljšanje žilavosti in zmanjšanje trdote v TVP je nujno

potrebna toplotna obdelava.


- 8 -

4 OPIS EKSPERIMENTALNIH METOD

Na sliki 4.1 sta razvidni dve področji, ki se izoblikujeta pri varjenju; VAR in TVP. TVP se

nahaja tik ob varu in je v bistvu osnovni material s spremenjeno kemično sestavo zaradi

vpliva toplotnega cikla in termične zgodovine. Najbolj karakteristična območja TVP so:

grobozrnati del (GZ), finozrnati del (FZ), medkritični oziroma medlamelarni del (MK) in

podkritični del (PK), ki se med sabo razlikujejo po trdoti in žilavosti. Slika 4.1 prikazuje

območja TVP za konstrukcijsko jeklo, zato so meje TVP nekoliko nižje kot pri nerjavnem

jeklu.

Slika 4.1: Območja TVP

Grobozrnati del TVP nastane tik ob varu, kjer je temperatura najvišja in sega blizu

temperature tališča, vendar vseeno ne pride več do taljenja materiala. Rast zrn je odvisna od

vnosa toplote. Večji, kot je vnos toplote, večja in manj številčna so zrna. To je del z največjo

trdoto in najmanjšo žilavostjo.

Finozrnati del TVP nastane ob območju grobozrnatega TVP. To območje je segreto

precej nad temperaturo AC3. Če pri segrevanju ne zadržujemo predolgo na previsoki

temperaturi, pride do premene v finozrnati avstenit.


- 9 -

Medkritični del TVP nastane ob območju finozrnatega TVP. Območje je segreto nekaj

nad temperaturo AC3. To je del TVP z ne najbolj ravnotežno mikrostrukturo in ker so

določene sestavine mikrostrukture trde, je trši od FZ TVP.

Podkritični del TVP nastane ob območju medkritičnega TVP. Ker je maksimalna

temperatura nižja od AC1, ne pride do premene, ampak le do rekristalizacije, če je jeklo hladno

utrjeno.

Tabele prikazujejo vsa štiri območja TVP z maksimalnimi doseženemi temperaturami

Tp. Z oznako t8/5 označujemo čas ohlajanja med 800 °C in 500 °C in je bil za vse

preizkušance približno konstanten. Preizkušance smo označili v skladu z nadaljnjo toplotno

obdelavo.

Tabela 4.1: Serija preizkušancev brez toplotne obdelave

Oznaka

preizkušanca Vrsta TVP Tp t8/5

Toplotna

obdelava (°C/h)

OE GZ TVP 1350

9 Brez toplotne

obdelave

OD FZ TVP 1100

OT MK TVP 950

OS PK TVP 860


- 10 -

Tabela 4.2: Serija preizkušancev s toplotno obdelavo na 740 °C

Oznaka


Toplotna

obdelava (°C/h)

740-0-1 GZ TVP 1350

9 740/0,5 740-0-2 FZ TVP 1100

740-0-3 MK TVP 950

740-0-4 PK TVP 860

740-1-1 GZ TVP 1350

9 740/1 740-1-2 FZ TVP 1100

740-1-3 MK TVP 950

740-1-4 PK TVP 860

740-2-1 GZ TVP 1350

9 740/2 740-2-2 FZ TVP 1100

740-2-3 MK TVP 950

740-2-4 PK TVP 860

740-4-1 GZ TVP 1350

9 740/4 740-4-2 FZ TVP 1100

740-4-3 MK TVP 950

740-4-4 PK TVP 860

740-8-1 GZ TVP 1350

9 740/8 740-8-2 FZ TVP 1100

740-8-3 MK TVP 950

740-8-4 PK TVP 875


- 11 -

Tabela 4.3: Serija preizkušancev s toplotno obdelavo na 800 °C

Oznaka


Toplotna

obdelava (°C/h)

800-0-1 GZ TVP 1350

9 800/0,5 800-0-2 FZ TVP 1100

800-0-3 MK TVP 950

800-0-4 PK TVP 860

800-1-1 GZ TVP 1350

9 800/1 800-1-2 FZ TVP 1100

800-1-3 MK TVP 950

800-1-4 PK TVP 860

800-2-1 GZ TVP 1350

9 800/2 800-2-2 FZ TVP 1100

800-2-3 MK TVP 950

800-2-4 PK TVP 860

800-4-1 GZ TVP 1350

9 800/4 800-4-2 FZ TVP 1100

800-4-3 MK TVP 950

800-4-4 PK TVP 860

800-8-1 GZ TVP 1350

9 800/8 800-8-2 FZ TVP 1100

800-8-3 MK TVP 950

800-8-4 PK TVP 875


- 12 -

4.1 SIMULACIJA VARJENJA

S preizkušanci se želimo čim bolj približati mikrostrukturi, ki se pojavi v praktičnem

primeru po varjenju. Ta se spremeni na mestih, kjer temperatura preseže nivo in tako se

pojavita dve območji, to sta VAR in TVP, v katerem se izoblikuje več področij

mikrostrukture. Najbolj karakteristična so: grobozrnati del TVP, finozrnati del TVP,

medkritični del TVP in podkritični del TVP. Iz tega razloga smo uporabili 40 različnih

preizkušancev za vsako od nadaljnjih toplotnih obdelav pri 740 °C in 800 °C in pokrili vsa 4

področja TVP-ja.

Pred začetkom simulacije smo na vsak preizkušanec za ugotavljanje vzorca temperature

na mestu simulacije privarili termoelementa. Kasneje smo prosta konca vpeli v simulator

znamke Smitweld 1405.

Slika 4.2: Varjenje termoelementa (a) in simuliranje vzorca na simulatorju varjenja (b)

Preizkušanec smo nato vpeli med čeljusti simulatorja, ki so iz bakra zaradi boljše toplotne

prevodnosti, ker je segrevanje elektrouporovno. Nato smo dilatometer, ki služi za ugotavljanje

volumske spremembe, zaradi spremembe temperature in mikrostrukture pri simuliranju

nastavili na čim manjšo režo. Delo se je premaknilo za zaslon računalnika, s pomočjo

katerega vnašamo vhodne in izvažamo izhodne podatke v binarni obliki.

V računalnik je bilo potrebno vnesti najvišje temperature v posameznih TVP, ki so

znašale 1350 °C, 1100 °C, 950 °C in 860 °C oz 875 °C in čas ohlajanja t8/5 .

Sledilo je linearno predgretje do 200 °C. Ko je bila ta temperatura dosežena, sta se na

monitorju začela sproti izrisevati diagram segrevanja in diagram ohlajanja v odvisnosti od

a) b)


- 13 -

časa in spremembe dilatacije v odvisnosti od temperature. Hlajenje preskušanca omogočajo

vodno hlajene čeljusti, ki služijo doseganju željene hitrosti ohlajanja.

Slika 4.3: Sprotni izris diagramov pri simulaciji varjenja

Čas in temperaturo, kjer se je zgodila premena, smo določili tako, da smo odčitali

maksimalno temperaturo in čas ohlajanja med 800 °C in 500 °C t8/5. Vse vzorce smo nato

označili glede na vrsto TVP in tako vse pripravili za toplotno obdelavo preizkušancev.

Slika 4.4: Obdelani preizkušanci s simulatorjem varjenja


- 14 -

4.2 TERMIČNI VPLIV VARJENJA IN IZRAZITE DILATACIJSKE

KRIVULJE

Na podlagi izvoženih binarnih podatkov programskega paketa Smitweld smo izrisali

diagrame segrevanja in ohlajanja v odvisnosti od časa in diagrame spremembe dilatacije v

odvisnosti od temperature. Naslednje slike prikazujejo le najbolj izrazite diagrame

dilatacijskih krivulj skupaj z diagrami varilnega cikla za območja grobozrnatega, finozrnatega

in medkritičnega TVP.

Prikazana točka Tp diagrama varilnega cikla prikazuje maksimalno temperaturo v

določenem TVP. Prav tako je označen čas ohlajanja med 800 °C in 500 °C, ki ga označimo z

8/5. Točke AC3, AC1, MS ter MF zraven dilatacijske krivulje pa nam povejo, pri kateri

temperaturi se je zgodila določena premena.

Slika 4.5 prikazuje povečani diagram varilnega cikla in vrisano temperaturo 8/5. Ta je

pri simulaciji v vseh treh TVP konstantna in znaša približno 9 sekund.

Slika 4.5: Čas ohlajanja med 800 °C in 500 °C

Slika 4.6: Zaporedje temperatur po velikosti


- 15 -

Slika 4.7: Primer vpliva varilnega cikla in dilatacijska krivulja pri simulaciji na GZ TV

Slika 4.8: Primer vpliva varilnega cikla in dilatacijska krivulja pri simulaciji na FZ TVP


- 16 -

Slika 4.9: Primer vpliva varilnega cikla in dilatacijska krivulja pri simulaciji na MK TVP

4.3 TEMPERATURE FAZNIH PREMEN V RAZLIČNIH PODROČJIH

TVP

Zaradi boljše preglednosti smo preizkušance označili po naslednjem postopku. Za podkritično

področje TVP diagramov nismo izrisali, kajti pri tej temperaturi ni prišlo do nobene fazne

premene. Diagram podkritičnega območja bi imel obliko linearne premice.

Slika 4.10: Pomen oznak preizkušancev


- 17 -

Tabele prikazujejo temperature faznih premen AC3, AC1, MS, MF pri vseh ostalih preizkušancih

po simulaciji jekla P91, dobljene na podlagi dilatacijskih krivulj. Predstavljene vrednosti se

nanašajo na preizkušance za nadaljnjo toplotno obdelavo pri temperaturi 800 °C.

Tabela 4.4: Temperature AC3, AC1, MS, MF pri simulaciji materiala GZ TVP

VZOREC AC3 AC1 MS MF

800-0-1 918,5 868,5 391,6 314,8

800-1-1 922,4 872,0 390,7 341,1

800-2-1 909,2 873,0 387,1 323,9

800-4-1 914,5 885,2 388,3 324,8

800-8-1 915,6 884,1 374,6 310,2

POVPREČJE 916,0 876,1 389,0 326,2

Tabela 4.5: Temperature AC3, AC1, MS, MF pri simulaciji materiala FZ TVP


800-0-2 904,6 874,0 398,0 346,1

800-1-2 903,8 875,4 396,0 328,6

800-2-2 897,5 856,5 399,0 339,0

800-4-2 870,2 875,0 381,0 310,3

POVPREČJE 894,0 870,0 393,6 331


- 18 -

Tabela 4.6: Temperature AC3, AC1, MS, MF pri simulaciji materiala MK TVP


800-0-3 888,9 858,7 436,8 386,2

800-1-3 877,2 875,0 419,5 383,1

800-2-3 912,5 885,2 398,5 354

800-4-3 882,2 871,5 433,7 395,4

800-8-3 883,5 874,0 431,6 392,4

POVPREČJE 888,8 872,9 424,0 382,0

Diagram predstavlja povprečne temperature pri posameznih simulacijah za grobozrnati,

finozrnati ter medkritični TVP v odvisnosti od maksimalne temperature.

Slika 4.11: Temperature Ac3, Ac1, MS in MF v odvisnosti od maksimalne temperature

simulacije pri ohlajanju z 800 °C

Izrisan diagram smo primerjali s CCT-diagramom iz literature za enako jeklo. Takoj vidimo,

da se temperature AC3, AC1, MS, MF pri našem diagramu popolnoma ne ujemajo. Temperatura

AC1 je nekje v skladu z diagramom CCT, AC3 pa je višja, prav tako je MS temperatura v skladu

z diagramom CCT, MF pa je nekoliko nižja. Glavni vzrok za to so različne hitrosti segrevanja

in ohlajanja, namreč pri varjenju jeklo hitro segrejemo in hitro ohladimo, kar je v nasprotju z

diagramom iz literature, pri katerem počakamo na temperaturi avstenitizacije in komaj nato

ohladimo. Razlike pa nastanejo tudi zaradi različne mikrostrukture obeh jekel, ki jo lahko

razberemo iz preglednice pod sliko diagrama CCT.


- 19 -

Slika 4.12: CCT diagram za jeklo P91[5]

4.4 TOPLOTNA OBDELAVA

Ker smo po varjenju dobili material s preveliko trdoto, z notranjimi napetostmi ter premajhno

žilavostjo, je bila potrebna toplotna obdelava jekla, s katero popustimo martenzit (s tem

odpravimo notranje napetosti), dosežemo boljšo razporeditev karbidov v mikrostrukturi (večja

odpornost vara in TVP na lezenje) ter pridobimo večjo žilavost materiala ob še vedno

ustrezno veliki trdnosti.

Namen diplomske naloge je bil, da opravimo toplotno obdelavo za jeklo P91 pri

temperaturi 740 °C in 800 °C. Pri obeh temperaturah je sledilo različno dolgo držanje, in sicer

pri: 0,5, 1, 2, 4 ter 8 urah.

Žarili smo v električni peči znamke Bosio EUP-K20/1200, ki smo jo predgreli na 100

°C, preden smo vanjo položili preizkušance. Hitrost segrevanja in ohlajanja je znašala 150 °C/

uro. Pri segrevanju smo zaradi odprave temperaturnih razlik v raztezanju držali 10 minut na

konstantni temperaturi in postopek ponavljali vse do temperature 740 °C oziroma 800 °C.

Med vsakim intervalom se je temperatura dvignila za 25 °C. S tem smo dosegli linearno

naraščanje temperatur. Enako smo storili tudi za postopek ohlajanja, vse do dosežene

temperature 200 °C, nakar smo vzorce vzeli iz peči in jih pustili, da so se dokončno ohladili

na zraku.


- 20 -

Slika 4.13: Laboratorijska peč Bosio EUP-K20/1200

Slika 4.14 prikazuje vizualno razliko med preizkušanci pred toplotno obdelavo in tistimi po

njej. Razvidno je, da preizkušanci po toplotni obdelavi potemnijo in izgubijo sijaj. Za

merjenje trdote je tako neizbežen postopek delanja makro obrusov, s katerim preizkušanca

spoliramo do visokega sijaja.

Slika 4.14: Preizkušanci pred toplotno obdelavo (levo) in po toplotni obdelavi (desno)


- 21 -

Na podlagi žarjenja smo si izrisali žarilne diagrame, ki prikazujejo, katero temperaturo smo

dosegli v določenem času. Jasno je razvidno, da je peč pred toplotno obdelavo predgreta na

100 °C, da je držanje pri 740 °C oziroma 800 °C in da je konec padajoče linearne premice pri

200 °C, kadar vzamemo iz peči preizkušance. Ker je sledilo hlajenje preizkušancev do sobne

temperature, je krivulja le približno narisana in ima obliko kvadratne parabole. Simbola na

x-osi prikazujeta konec časa držanja ter konec ohlajanja preizkušancev v peči (konec linearne

premice).

Slika 4.15: Žarilni diagram 740 °C / 0,5 h

Slika 4.16: Žarilni diagram 740 °C / 1 h


- 22 -





- 23 -

Slika 4.20: Žarilni diagram 800 °C / 0,5 h




- 24 -




- 25 -

4.5 CHARPY PREIZKUS

Udarno žilavost oziroma odpornost proti udarcem lahko merimo z več preizkusi, vendar je

najbolj priljubljen Charpy preizkus. Prednost pred ostalimi je predvsem enostavnost in

zakonodaja ter standardi s področja varjenja.

V realnih primerih pride do krhkega loma predvsem zaradi udarne obremenitve, ki pa je

najbolj izrazita na mestih koncentracij napetosti. Ker se največje napetosti pojavljajo ob

zarezah, so tudi Charpy preizkušanci po ISO standardu obdelani z zarezo v obliki črke V ali

U.

Za izvedbo preskusa je potrebno nihajno kladivo priprave odmakniti za kot α1=160°.

Preizkušanec se nahaja na podpori, odmaknjeni za 40 mm in je z zarezo obrnjen nasproti

kladivu. Kladivo pretvori v spodnji legi svojo potencialno energijo v kinetično. Ko kladivo

pride do preizkušanca (α0 = 0°), se ta najprej elastično in nato še plastično deformira. Ko pride

do dovolj velike upogibne napetosti, nastane na natezni strani ob zarezi razpoka, ki napreduje

do popolne porušitve. S pomočjo višine, do katere se kladivo odkloni (α2) na nasprotno stran,

lahko na skali razberemo energijo, ki se je absorbirala za lom preizkušanca.

Slika 4.25: Charpy kladivo


- 26 -

Udarno delo določimo s pomočjo naslednje enačbe:

( ) ( )

m – masa kladiva

g – gravitacijski pospešek

h – višina udarnega kladiva

L – dolžina kladiva od vrtišča do težišča

α1, α2 – začetni in končni kot

Za določevanje udarne žilavosti smo uporabili preizkušanec z ISO zarezo V.

Slika 4.26: Dimenzije Charpy preizkušanca

S Charpy preizkusom je možno tudi analizirati prelomne površine na mestu preloma.

Če se prelomna površina »vleče« (lomi duktilno), je to žilav lom, pri katerem so na

površinskem sloju opazne ustnice, označene na sliki 4.27. Te so posledica tega, da je na

površini dvoosno napetostno in troosno deformacijsko stanje. Ker je na sredini preizkušanca

troosno napetostno stanje največje, se obnaša krhko. Če se prelomna površina »cepi«, je to

krhki lom. Nastopa lahko tudi mešanica žilavega in krhkega loma. Delež žilavega in krhkega

preloma podajamo v odstotkih [%].

Slika 4.27: Žilav lom (levo) in krhki lom (desno)


- 27 -

Izmerimo lahko tudi duktilnost , ki jo podajamo kot zoženje preizkušanca v odstotkih [%] in

deformacijo Charpy preizkušanca a + b. Določimo jo tako, da izmerimo, za koliko so se

deformirale ustnice na eni in drugi strani preizkušanca [4].

Slika 4.28: Način merjenja zoženja oziroma oziroma širjenje Charpy preizkušanca

4.5.1 Instrumentiran Charpy preizkus

Instrumentiran Charpy preizkus se od običajnega Charpy preizkusa razlikuje po tem, da ima

konico udarnega kladiva opremljeno s senzorjem sile.

Pri instrumentiranem Charpy preizkusu dobimo še dodatne informacije in diagram sile F v

odvisnosti od poti s pri lomu preizkušancev, ki nam pomaga določiti energijo, ki je potrebna

za nastanek (iniciacijo) razpoke ter energijo za širjenje razpoke.

Slika 4.29: Diagram F od s in diagram, s katerim določamo energijo za iniciacijo in energijo

za širjenje razpoke


- 28 -

Točke Fgy, Fm, Fiu ter Fa na desnem diagramu pomenijo:

- silo, pri kateri se preizkušanec začne neelastično deformirati (Fgy)

- maksimalna silo (Fm)

- silo, pri kateri se začne lom (Fiu)

- silo, pri kateri se lom ujame (Fa).

Slika prikazuje različne diagrame z različnimi vrstami lomov. Ta diagram primerjamo z

dobljenim diagramom sile F v odvisnosti od poti s pri Charpy preizkusu in dobimo tip enačbe

za delež žilavega loma našega preizkušanca.

Slika 4.30: Razvrstitev različnih lomov


- 29 -

Delež žilavega loma določimo na osnovi vrste diagrama in uporabe standarda SEP1315 za

diagrame C, D, E, F, nato izračunamo delež žilavega loma po naslednji enačbi.

4.6 REZULTATI INSTRUMENTIRANEGA CHARPY PREIZKUSA

S pomočjo pridobljenih podatkov pri instrumentiranem Charpy preizkusu smo lahko izrisali

diagrame sile F v odvisnosti od poti s in diagrame energije, ki se je absorbirala za lom

preizkušanca E v odvisnosti od poti s.

Iz diagramov sile F v odvisnosti od poti s je lepo razvidno, pri katerih preizkušancih

pride do žilavega oziroma krhkega loma. Naši diagrami so imeli obliko loma, primerljivo z

oznako E oziroma F. Diagrami, ki so se ujemali z oznako E so imeli karakteristiko krhkega

loma, tisti, ki pa so ujemali z oznako F, pa karakteristiko žilavega loma.

Karakteristične točke Fgy, Fm, Fiu ter Fa smo določili s pomočjo programa »VUHI

CHARPY«.

Iz diagramov energije, potrebne za lom preizkušanca E v odvisnosti od poti s, lahko

razberemo, da je njihova velikost odvisna od velikosti žilavega loma. Bolj kot je preizkušanec

žilav, več energije je potrebne za prelom le-tega [3].


- 30 -

Na slikah od 4.31 do 4.70 so prikazani zbrani rezultati instrumentiranega Charpy preizkusa.

Levo zgoraj je prikazani diagram sile v odvisnosti od poti. Površina pod diagramom

predstavlja porabljeno delo za zlom Charpy preizkušanca. Na diagramih spodaj levo je nato

narisana porabljena energija v odvisnosti od poti, desno zgoraj pa je prikazana slika prelomne

površine Charpy preizkušanca. Desno spodaj so prikazani rezultati Charpy preizkusa s celotno

energijo za lom, ki je razdeljena na energijo za nastanek razpoke (iniciacijo razpoke), in

energijo za širjenje razpoke. Podana je tudi žilavost in upogibna trdnost Charpy preizkušanca.

Glede na obliko diagrama sila pot je bil določen odstotek žilavega loma.

Slika 4.31 predstavlja osnovni material, na slikah 4.32 do 4.34 pa so vidne spremembe

lastnosti materiala zaradi varjenja. V nadaljevanju so od 4.35 do 4.51 predstavljeni rezultati

vpliva toplotne obdelave pri 740 °C ter na koncu še od 4.52 do 4.70 rezultati vpliva toplotne

obdelave pri 800 °C.

Slika: 4.31: Rezultati Charpy preizkusa – osnovni material


- 31 -

Slika 4.32: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec OE

Slika 4.33: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec OD


- 32 -

Slika 4.34: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec OS


- 33 -

Slika 4.35: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec EE

Slika 4.36: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec ED


- 34 -

Slika 4.37: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec ET

Slika 4.38: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec ES


- 35 -

Slika 4.39: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec DE

Slika 4.40: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec DT


- 36 -

Slika 4.41: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec DS


- 37 -

Slika 4.42: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec HE

Slika 4.43: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec HD


- 38 -

Slika 4.44: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec HT

Slika 4.45: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec HS


- 39 -

Slika 4.46: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec AE

Slika 4.47: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec AD


- 40 -

Slika 4.48: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec AS


- 41 -

Slika 4.49: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec BE

Slika 4.50: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec BD


- 42 -

Slika 4.51: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec BS


- 43 -

Slika 4.52: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec GE

Slika 4.53: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec GD


- 44 -

Slika 4.54: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec GT

Slika 4.55: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec GS


- 45 -

Slika 4.56: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec KE

Slika 4.57: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec KD


- 46 -

Slika 4.58: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec KT


- 47 -

Slika 4.59: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec LE

Slika 4.60: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec LD


- 48 -

Slika 4.61: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec LT

Slika 4.62: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec LS


- 49 -

Slika 4.63: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec ME

Slika 4.64: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec MD


- 50 -

Slika 4.65: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec MT

Slika 4.66: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec MS


- 51 -

Slika 4.67: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec NE

Slika 4.68: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec ND


- 52 -

Slika 4.69: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec NT

Slika 4.70: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec NS


- 53 -

4.6.1 Merjenje zožitve ter širjenja preizkušanca po Charpy preizkusu

Po končanem instrumentiranem Charpy preizkusu nas je zanimala deformacija preizkušanca,

torej zožitev na sredini in širjenje na področju ustnic le-tega. Obe deformaciji smo izmerili na

način, kot prikazuje slika.

Merjenje je potekalo tako, da smo preizkušanec vpeli med čeljusti mikroskopa in s

pomočjo digitalnega zaslona izmerili posamezno razdaljo.

Slika 4.71: Merjenje zožitve in širjenja po Charpy preizkusu

Za prikaz vrste loma preizkušanca smo fotografirali vsak preizkušance na prelomni površini.

Slika 4.72: Slikanje prelomne površine po Charpy preizkusu


- 54 -

Rezultate energije za lom, zožitve ter širjenja vseh preizkušancev po Charpy preizkusu smo

zbrali v tabeli in izrisali diagrame. Širjenje dela a in b je v diagramu podano kot povprečje teh

vrednosti.

Tabela 4.7: Energija za lom, širjenje in zožitev preizkušancev brez toplotne obdelave

VZOREC Vrsta TVP Energija za

lom [J]

Širjenje

[mm]

Zožitev

[mm]

OE GZ TVP 73,00 0,460 9,543

OD FZ TVP 120,5 0,550 9,065

OT MK TVP 172,0 0,675 9,580

OS PK TVP 264,4 1,695 8,535


- 55 -

Tabela 4.8: Energija za lom, širjenje in zožitev toplotno obdelanih preizkušancev pri 740 °C


lom [J]

Širjenje

[mm]

Zožitev

[mm]

740-0-1 GZ TVP 84,00 0,850 6,610

740-0-2 FZ TVP 227,0 2,190 8,448

740-0-3 MK TVP 300,0 1,905 7,560

740-0-4 PK TVP 271,0 2,335 7,705

740-1-1 GZ TVP 106,0 1,270 9,145

740-1-2 FZ TVP 261,0 1,600 8,625

740-1-3 MK TVP 296,0 2,120 7,463

740-1-4 PK TVP 261,0 2,280 7,800

740-2-1 GZ TVP 133,0 1,020 8,923

740-2-2 FZ TVP 151,0 1,810 8,210

740-2-3 MK TVP 285,0 2,005 7,770

740-2-4 PK TVP 244,0 2,385 7,705

740-4-1 GZ TVP 80,00 0,895 8,960

740-4-2 FZ TVP 250,0 1,170 8,193

740-4-3 MK TVP 283,0 2,160 7,740

740-4-4 PK TVP 280,0 1,205 7,453

740-8-1 GZ TVP 212,0 2,075 8,318

740-8-2 FZ TVP 264,0 2,230 7,712

740-8-3 MK TVP 299,0 2,145 7,663

740-8-4 PK TVP 252,0 2,190 7,863


- 56 -

Tabela 4.9: Energija za lom, širjenje in zožitev toplotno obdelanih preizkušancev pri 800 °C


lom [J]

Širjenje

[mm]

Zožitev

[mm]

800-0-1 GZ TVP 190,0 2,005 8,575

800-0-2 FZ TVP 321,0 1,450 7,373

800-0-3 MK TVP 319,0 1,905 7,720

800-0-4 PK TVP 280,0 1,515 7,766

800-1-1 GZ TVP 212,0 2,080 8,365

800-1-2 FZ TVP 318,0 1,980 7,058

800-1-3 MK TVP 240,0 2,170 7,560

800-1-4 PK TVP 290,2 2,245 8,113

800-2-1 GZ TVP 217,4 2,225 8,045

800-2-2 FZ TVP 287,0 1,450 7,625

800-2-3 MK TVP 341,0 2,090 7,155

800-2-4 PK TVP 288,5 1,880 7,365

800-4-1 GZ TVP 242,0 1,100 7,905

800-4-2 FZ TVP 256,0 1,565 8,168

800-4-3 MK TVP 293,0 1,295 7,373

800-4-4 PK TVP 296,0 2,400 7,815

800-8-1 GZ TVP 260,0 1,610 8,168

800-8-2 FZ TVP 335,0 1,956 7,215

800-8-3 MK TVP 343,0 1,595 7,653

800-8-4 PK TVP 273,0 2,175 7,723


- 57 -

5 UGOTOVITVE

5.1 Rezultati za toplotno obdelavo pri 740 °C

Na podlagi podatkov udarne žilavosti in maksimalnih temperatur v posameznih TVP smo

lahko izrisali diagram energije za lom v odvisnosti od območja TVP. Diagram smo izrisali za

temperaturi toplotne obdelave 740 °C in 800 °C za različne čase: 0,5, 1, 2, 4, ter 8 ur.

Slika prikazuje potrebno energijo za lom preizkušanca, če le-tega toplotno obdelamo pri

740 °C. Modra linija predstavlja energijo za lom toplotno neobdelanega TVP, pri katerem je

energija za lom zelo nizka.

S slike je razvidno, koliko energije je potrebne za lom preizkušanca, če le-tega toplotno

obdelamo pri 740 °C. Najmanjša energija za lom se seveda pojavi v grobozrnatem TVP, ki je

tudi najbolj kritičen. Opazimo lahko, da se v bistvu vse energije za lom v grobozrnatem TVP

zelo malo popravijo, razen izjeme pri 8-urnem držanju, ki pa je zaradi ekonomskega razloga

najmanj zaželjena. Pri raziskavi trdot v drugem diplomskem delu [Senovršnik, Klemen. Vpliv

neprimerne toplotne obdelave po varjenju na trdoto TVP jekla odpornega na lezenje:

diplomsko delo. Maribor: Fakulteta za strojništvo, 2014.] obstaja velik problem tudi prevelike

trdote, zlasti v grobozrnatem TVP in finozrnatem TVP - kljub toplotni obdelavi na 740 °C se

te ne znižajo dovolj.

Slika 5.1: Diagram energije za lom [J] v odvisnosti od maksimalne temperature v TVP pri

toplotni obdelavi 740 °C


- 58 -

Slika 5.2 in slika 5.3 bolj nazorno prikazujeta vrednosti energije za lom (Ecel) ter hkrati

prispevek energije za nastanek razpoke (Ei) in energije za širjenje razpoke (Ep). Prikazana sta

le diagrama za GZ TVP in FZ TVP, kajti v MK in PK TVP imamo že zadostno energijo za

lom pri toplotno neobdelanem materialu. Na sliki 5.2 vidimo drastični upad energije za lom

po varjenju v primerjavi z osnovnim materialom in nato premajhni dvig energije za lom po

polurni ter celo 4 urni toplotni obdelavi.

Slika 5.2: Rezultati GZ TVP z in brez toplotne obdelave na 740 °C v primerjavi z osnovnim

materialom

V FZ TVP se energija za lom zelo dobro popravi. Iz slike 5.3 je razvidno, da že po polurni

toplotni obdelavi pri 740 °C dobimo vrednosti energije za lom, ki presegajo vrednosti

osnovnega materiala.

Slika 5.3: Rezultati FZ TVP z in brez toplotne obdelave na 740 °C v primerjavi z osnovnim

materialom


- 59 -

Diagram energije za lom [J] v odvisnosti od časa toplotne obdelave pri 740 °C nam prikaže,

da postane energija za lom najvišja v medkritičnem TVP pri polurni toplotni obdelavi,

najnižja energija za lom pa ostane v grobozrnatem TVP pri 4-urni toplotni obdelavi.

Slika 5.4: Diagram energije za lom [J] v odvisnosti od časa žarjenja pri toplotni obdelavi

TVP 740 °C

Iz naslednjih ugotovitev lahko sklepamo, da toplotna obdelava na 740 °C ni ustrezna, kljub

temu, da se energija za lom pri Charpy preizkusu do neke mere popravi. Temperatura toplotne

obdelave je prenizka.


- 60 -

5.2 Rezultati za toplotno obdelavo pri 800 °C

S slike je razvidno, koliko je potrebne energije za lom preizkušanca, če le-tega toplotno

obdelamo pri 800 °C. Energija za lom pri Charpy preizkusu toplotno neobdelanega TVP

predstavlja enake lastnosti kot v prejšnjem diagramu. Pri polurni toplotni obdelavi se energija

za lom preizkušanca v grobozrnatem TVP presenetljivo dvigne na vrednost 190 J. Če

pogledamo še ostale krivulje, opazimo, da se energija za lom najbolje popravi pri 8-urni

toplotni obdelavi. Vsekakor pa je glede ekonomskega razloga 8-urna toplotna obdelava

nesmiselna. Dobili smo torej zelo visoko energijo za lom že pri polurni toplotni obdelavi na

800 °C, vendar hkrati, na podlagi drugega diplomskega dela [Senovršnik, Klemen. Vpliv

neprimerne toplotne obdelave po varjenju na trdoto TVP jekla odpornega na lezenje:

diplomsko delo. Maribor: Fakulteta za strojništvo, 2014.], opazimo, da zaradi previsoke

temperature toplotne obdelave, trdota pade pod 250 HV in celo pod vrednost za osnovni

material, kar pa pomeni premajhno trdoto.

Slika 5.5: Diagram energije za lom [J] v odvisnosti od maksimalne temperature v TVP pri

toplotni obdelavi 800 °C


- 61 -

Pri toplotni obdelavi na 800 °C vidimo v GZ TVP podobno zgodbo kot pri toplotni obdelavi

na 740 °C v FZ TVP. Energija za lom se utegne popraviti že pri polurni toplotni obdelavi.

Slika 5.6: Rezultati GZ TVP z in brez toplotne obdelave na 800 °C v primerjavi z osnovnim

materialom

V FZ TVP dobimo še bolj izrazitejše povečanje energije za lom po polurni toplotni obdelavi,

saj se ta poveča za skoraj 100 % v primerjavi z osnovnim materialom.

Slika 5.7: Rezultati FZ TVP z in brez toplotne obdelave na 800 °C v primerjavi z osnovnim

materialom


- 62 -

Diagram energije za lom [J] v odvisnosti od časa toplotne obdelave pri 800 °C nam prikaže,

da postane energija za lom najvišja v medkritičnem TVP pri dveurni toplotni obdelavi,

najnižja energija za lom pa ostane v grobozrnatem TVP brez toplotne obdelave.

Slika 5.8: Diagram energije za lom [J] v odvisnosti od časa žarjenja pri toplotni obdelavi

TVP 800 °C

Iz naslednjih ugotovitev lahko sklepamo, da toplotna obdelava pri 800 °C prav tako ni

ustrezna, kljub temu, da se energija za lom pri Charpy preizkusu zelo popravi. Temperatura

toplotne obdelave je previsoka.


- 63 -

S pomočjo mikroskopa in digitalnega prikazovalnika koordinat je bilo možno izmeriti, za

koliko se je preizkušanec po Charpy preizkusu na sredini prelomne površine zožil in za koliko

so se na mestu žilavega loma raztegnile ustnice.

Izrisali smo si dva diagrama, in sicer diagram logaritma energije za lom [J] v odvisnosti

od zoženja [mm] in diagram logaritma energije za lom [J] v odvisnosti od širjenja

preizkušanca [mm]. Skozi dobljene točke v diagramu smo potegnili krivuljo, ki zajema

povprečje meritev. Dobili smo zanimivi krivulji s pripadajočima funkcijama.

Diagram logaritma energije za lom [J] v odvisnosti od zožanja [mm] nam pove, da se z

večanjem energije za lom ožanje preizkušanca zmanjšuje.

Slika 5.9: Diagram logaritma energije za lom [J] v odvisnosti od zožanja [mm]


- 64 -

Diagram logaritma energije za lom [J] v odvisnosti od širjenja preizkušanca [mm] nam pove,

da se z večanjem energije za lom širjenje preizkušenca povečuje.

Slika 5.10: Diagram logaritma energije za lom [J] v odvisnosti od širjenja [mm]


- 65 -

6 ZAKLJUČEK

Jeklo P91 je namenjeno obratovanju pri visokih temperaturah in neugodnih razmerah. Ker je

odporno na lezenje in korozijo, mu moramo posvetiti precej pozornosti in ga pred varjenjem

predgrevati na 200 °C, da ne pride do katastrofalnih napak, ki lahko nastanejo zaradi

prevelike trdote ali vsebnosti vodika v zvaru. Ker dobimo po varjenju v TVP prevelike trdote

in premajhne žilavosti, je potrebno to jeklo po varjenju toplorno obdelati. Da bi ugotovili, ali

jeklu ustreza toplotna obdelava TVP pri 740 °C oziroma 800 °C, moramo najprej dobiti

ustrezno mikrostrukturo vseh štirih področij TVP. To dobimo s simulacijo varjenja pri

različnih temperaturah segrevanja. Sledila je toplotna obdelava preizkušancev v peči pri 740

°C in 800 °C pri različnih časih držanja, ki so znašali 0,5, 1, 2, 4 ter 8 ur. Pred toplotno

obdelavo smo peč segreli do 100 °C.

Vse preizkušance je bilo potrebno obdelati za instrumentiran Charpy preizkus udarne

žilavosti. Preizkušanci morajo biti standardnih dimenzij s tipom V ali U zareze po ISO

postopku. Uporabili smo zarezo oblike V. Za instrumentiran Charpy preizkus je značilno, da

zraven energije, ki se je absorbirala za lom preizkušanca razberemo tudi parametre Fgy, Fm,

Fiu, Fa, ki nam pomagajo, da lahko določimo energijo, potrebno za nastanek in širjenje

razpoke. Iz tipa prelomne površine lahko razberemo ali gre za žilav oziroma krhki lom, kar je

tudi razvidno iz diagramov sile F v odvisnosti od poti s in diagrama energije za lom E v

odvisnosti od poti s. Stopnja deformacije preizkušanca po Charpyu pa je določena z meritvijo

zoženja sredine in širjenja obeh ustnic.

Na podlagi dobljenih podatkov instrumentiranega Charpy preizkusa smo si izrisali

diagrame energije za lom E v odvisnosti od maksimalne temperature v TVP za toplotni

obdelavi pri 740 °C in 800 °C. Rezultati so pokazali, da v enakih področjih TVP, pri enakih

časih toplotne obdelave pride do drastičnih sprememb žilavosti. Tako dobimo območja TVP s

preveliko in območja s premajhno žilavostjo. Procentualno gledano, se je v grobozrnatem

področju s polurno toplotno obdelavo pri 740 °C energija za lom povečala le za okrog 13 %,

vendar jo s toplotno obdelavo pri 800 °C utegnemo povečati približno za 160 %. Razlika

znaša 117 J.

Iz tega lahko sklepamo, da lahko že majhna sprememba temperature toplotne obdelave

vpliva na neugodne mehanske lastnosti jekla P91. Ustrezna toplotna obdelava bi se morala

izvesti pri temperaturi okrog 760 °C in držanju 2-4 ur, odvisno od debeline materiala.


- 66 -

7 SEZNAM UPORABLJENIH VIROV

[1] Anžel, Ivan. Konstrukcijski materiali: univerzitetni učbenik. Maribor: Fakulteta za

strojništvo (v objavljanju).

[2] Zevnik, Aleš. Preiskava TVO jekla P91 za delo na povišanih temperaturah po toplotni

obdelavi: diplomska naloga. Maribor: Fakulteta za strojništvo, 2011.

[3] Gliha Vladimir, Pučko Bogdan, Vuherer Tomaž. Vaje iz varilne tehnologije: navodila

za vaje, 1. Izd. S popravki. Maribor: Fakulteta za strojništvo, 2007.

[4] The Welding Institute: Relationship between Charpy impact energy and Charpy lateral

expansion for ferritic steels[svetovni splet]. Dostopno na WWW: http://www.twi-

global.com/technical-knowledge/faqs/structural-integrity-faqs/faq-what-is-the-

relationship-between-charpy-impact-energy-and-charpy-lateral-expansion-for-ferritic-

steels/.

[5] T. Vuherer, V. Gliha, L. Milović, M. Dunđer, I. Samardžić: Instruction of welding and

review of steels for power plant equipment and possibility of using haz simulation in

order improve weld joint quality. The 6th International scientific-professional

conference SBW 2011. Modern technologies and processes in production of pressure

equipment, welded metal constructions and products: Slavonski Brod, 26 – 28 oktober,

2011.


- 67 -

PRILOGE:

KAZALO SLIK:

Slika 3.1: Vodikova hladna pokljivost na območju vara ......................................................................................................... - 7 -

Slika 4.1: Območja TVP .......................................................................................................................................................... - 8 -

Slika 4.2: Varjenje termoelementa (a) in simuliranje vzorca na simulatorju varjenja (b) ..................................................... - 12 -

Slika 4.3: Sprotni izris diagramov pri simulaciji varjenja ...................................................................................................... - 13 -

Slika 4.4: Obdelani preizkušanci s simulatorjem varjenja ..................................................................................................... - 13 -

Slika 4.5: Čas ohlajanja med 800 °C in 500 °C ...................................................................................................................... - 14 -

Slika 4.6: Zaporedje temperatur po velikosti ........................................................................................................................ - 14 -

Slika 4.7: Primer vpliva varilnega cikla in dilatacijska krivulja pri simulaciji na GZ TV ......................................................... - 15 -

Slika 4.8: Primer vpliva varilnega cikla in dilatacijska krivulja pri simulaciji na FZ TVP ........................................................ - 15 -

Slika 4.9: Primer vpliva varilnega cikla in dilatacijska krivulja pri simulaciji na MK TVP ...................................................... - 16 -

Slika 4.10: Pomen oznak preizkušancev ............................................................................................................................... - 16 -

Slika 4.11: Temperature Ac3, Ac1, MS in MF v odvisnosti od maksimalne temperature simulacije pri ohlajanju z 800 °C ...... - 18 -

Slika 4.12: CCT diagram za jeklo P91[5] ............................................................................................................................... - 19 -

Slika 4.13: Laboratorijska peč Bosio EUP-K20/1200 ............................................................................................................. - 20 -

Slika 4.14: Preizkušanci pred toplotno obdelavo (levo) in po toplotni obdelavi (desno)....................................................... - 20 -

Slika 4.15: Žarilni diagram 740 °C / 0,5 h ............................................................................................................................. - 21 -

Slika 4.16: Žarilni diagram 740 °C / 1 h ................................................................................................................................ - 21 -




Slika 4.20: Žarilni diagram 800 °C / 0,5 h ............................................................................................................................. - 23 -





Slika 4.25: Charpy kladivo .................................................................................................................................................... - 25 -

Slika 4.26: Dimenzije Charpy preizkušanca .......................................................................................................................... - 26 -

Slika 4.27: Žilav lom (levo) in krhki lom (desno) ................................................................................................................... - 26 -

Slika 4.28: Način merjenja zoženja oziroma oziroma širjenje Charpy preizkušanca ............................................................. - 27 -

Slika 4.29: Diagram F od s in diagram, s katerim določamo energijo za iniciacijo in energijo za širjenje razpoke ............... - 27 -

Slika 4.30: Razvrstitev različnih lomov ................................................................................................................................. - 28 -

Slika: 4.31: Rezultati Charpy preizkusa – osnovni material .................................................................................................. - 30 -

Slika 4.32: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec OE .................................................................................................... - 31 -

Slika 4.33: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec OD ................................................................................................... - 31 -

Slika 4.34: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec OS .................................................................................................... - 32 -

Slika 4.35: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec EE .................................................................................................... - 33 -

Slika 4.36: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec ED .................................................................................................... - 33 -


- 68 -

Slika 4.37: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec ET .................................................................................................... - 34 -

Slika 4.38: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec ES ..................................................................................................... - 34 -

Slika 4.39: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec DE .................................................................................................... - 35 -

Slika 4.40: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec DT .................................................................................................... - 35 -

Slika 4.41: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec DS .................................................................................................... - 36 -

Slika 4.42: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec HE .................................................................................................... - 37 -

Slika 4.43: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec HD ................................................................................................... - 37 -

Slika 4.44: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec HT .................................................................................................... - 38 -

Slika 4.45: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec HS .................................................................................................... - 38 -

Slika 4.46: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec AE .................................................................................................... - 39 -

Slika 4.47: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec AD .................................................................................................... - 39 -

Slika 4.48: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec AS .................................................................................................... - 40 -

Slika 4.49: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec BE .................................................................................................... - 41 -

Slika 4.50: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec BD .................................................................................................... - 41 -

Slika 4.51: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec BS .................................................................................................... - 42 -

Slika 4.52: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec GE .................................................................................................... - 43 -

Slika 4.53: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec GD ................................................................................................... - 43 -

Slika 4.54: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec GT .................................................................................................... - 44 -

Slika 4.55: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec GS .................................................................................................... - 44 -

Slika 4.56: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec KE .................................................................................................... - 45 -

Slika 4.57: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec KD .................................................................................................... - 45 -

Slika 4.58: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec KT .................................................................................................... - 46 -

Slika 4.59: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec LE ..................................................................................................... - 47 -

Slika 4.60: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec LD .................................................................................................... - 47 -

Slika 4.61: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec LT ..................................................................................................... - 48 -

Slika 4.62: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec LS ..................................................................................................... - 48 -

Slika 4.63: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec ME ................................................................................................... - 49 -

Slika 4.64: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec MD................................................................................................... - 49 -

Slika 4.65: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec MT ................................................................................................... - 50 -

Slika 4.66: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec MS ................................................................................................... - 50 -

Slika 4.67: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec NE .................................................................................................... - 51 -

Slika 4.68: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec ND ................................................................................................... - 51 -

Slika 4.69: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec NT .................................................................................................... - 52 -

Slika 4.70: Rezultati Charpy preizkusa – preizkušanec NS .................................................................................................... - 52 -

Slika 4.71: Merjenje zožitve in širjenja po Charpy preizkusu ................................................................................................ - 53 -

Slika 4.72: Slikanje prelomne površine po Charpy preizkusu ................................................................................................ - 53 -

Slika 5.1: Diagram energije za lom [J] v odvisnosti od maksimalne temperature v TVP pri toplotni obdelavi 740 °C ......... - 57 -

Slika 5.2: Rezultati GZ TVP z in brez toplotne obdelave na 740 °C v primerjavi z osnovnim materialom ........................... - 58 -

Slika 5.3: Rezultati FZ TVP z in brez toplotne obdelave na 740 °C v primerjavi z osnovnim materialom ............................. - 58 -

Slika 5.4: Diagram energije za lom [J] v odvisnosti od časa žarjenja pri toplotni obdelavi TVP 740 °C ................................ - 59 -

Slika 5.5: Diagram energije za lom [J] v odvisnosti od maksimalne temperature v TVP pri toplotni obdelavi 800 °C ......... - 60 -

Slika 5.6: Rezultati GZ TVP z in brez toplotne obdelave na 800 °C v primerjavi z osnovnim materialom ........................... - 61 -


- 69 -

Slika 5.7: Rezultati FZ TVP z in brez toplotne obdelave na 800 °C v primerjavi z osnovnim materialom ............................ - 61 -

Slika 5.8: Diagram energije za lom [J] v odvisnosti od časa žarjenja pri toplotni obdelavi TVP 800 °C ................................ - 62 -

Slika 5.9: Diagram logaritma energije za lom [J] v odvisnosti od zožanja [mm] .................................................................. - 63 -

Slika 5.10: Diagram logaritma energije za lom [J] v odvisnosti od širjenja [mm] ................................................................. - 64 -

KAZALO TABEL:

Tabela 2.1: Kemična sestava jekla P91 (masni %) .................................................................................................................. - 5 -

Tabela 2.2: Mehanske lastnosti jekla P91 .............................................................................................................................. - 5 -

Tabela 4.1: Serija preizkušancev brez toplotne obdelave ....................................................................................................... - 9 -

Tabela 4.2: Serija preizkušancev s toplotno obdelavo na 740 °C .......................................................................................... - 10 -

Tabela 4.3: Serija preizkušancev s toplotno obdelavo na 800 °C .......................................................................................... - 11 -

Tabela 4.4: Temperature AC3, AC1, MS, MF pri simulaciji materiala GZ TVP ........................................................................... - 17 -

Tabela 4.5: Temperature AC3, AC1, MS, MF pri simulaciji materiala FZ TVP ........................................................................... - 17 -

Tabela 4.6: Temperature AC3, AC1, MS, MF pri simulaciji materiala MK TVP ......................................................................... - 18 -

Tabela 4.7: Energija za lom, širjenje in zožitev preizkušancev brez toplotne obdelave ........................................................ - 54 -

Tabela 4.8: Energija za lom, širjenje in zožitev toplotno obdelanih preizkušancev pri 740 °C .............................................. - 55 -

Tabela 4.9: Energija za lom, širjenje in zožitev toplotno obdelanih preizkušancev pri 800 °C .............................................. - 56 -

Documents

VPLIV NEZADOSTNE IN PREVELIKE TOPLOTNE OBDELAVE TVP …