Nagyszilárdságú acélok és alumíniumötvözetek hegesztett kötéseinek viselkedése ismétlődő igénybevétel esetén

Átírás

1 Nagyszilárdságú acélok és alumíniumötvözetek hegesztett kötéseinek viselkedése ismétlődő igénybevétel esetén Lukács János Nagy Gyula Gáspár Marcell Meilinger Ákos Dobosy Ádám Pósalaky Dóra Miskolci Egyetem, Anyagszerkezettani és Anyagtechnológiai Intézet, H-3515 Miskolc-Egyetemváros 7. Anyagvizsgálat a Gyakorlatban (AGY) Szakmai Szeminárium Kecskemét, június

2 Járműipari anyagfejlesztések: célzott alapkutatások az alakíthatóság, hőkezelés és hegeszthetőség témaköreiben Szakmai vezető: Prof. Dr. Tisza Miklós TÁMOP A-11/1/KONV

3 Tartalom Bevezetés: a vizsgálati mátrix Nagyciklusú fárasztóvizsgálatok (HCF) Vizsgálati körülmények Vizsgálati eredmények Következtetések Fáradásos repedésterjedési sebesség vizsgálatok (FCG) Vizsgálati körülmények Vizsgálati eredmények Következtetések Befejezés: a folytatás

5 A vizsgálati mátrix általánosan Nagyszilárdságú acélok Fizikai szimuláció Fárasztóvizsgálat Alumíniumötvözetek NST HTT HAZ LCF HCF FCG Alapanyag-1: BM1 Hegesztett kötés-1: BM1/WJ1 Hegesztett kötés-2: BM1/WJ2 Alapanyag-1: BM2 Hegesztett kötés-1: BM2/WJ1 Hegesztett kötés-2: BM2/WJ2 NST: zérus szilárdsághoz tartozó hőmérséklet HTT: melegszakítás (hevítéses, hevítéses-visszahűtéses) HAZ: hőhatásövezeti szimuláció LCF: kisciklusú fárasztás HCF: nagyciklusú fárasztás FCG: fáradásos repedésterjedés

6 A vizsgálati mátrix nagyszilárdságú acélok Nagyszilárdságú acélok Fizikai szimuláció Fárasztóvizsgálat NST HTT HAZ LCF HCF FCG BM1: S690QL BM1/WJ1: S690QL/GMAW-m BM1/WJ2: S690QL/GMAW-om BM2: S960QL BM2/WJ1: S960QL/GMAW-m BM2/WJ2: S960QL/GMAW-um

7 A vizsgálati mátrix alumíniumötvözetek Alumíniumötvözetek Fizikai szimuláció Fárasztóvizsgálat NST HTT HAZ LCF HCF FCG BM1: AlMg3 és 5754-H22 BM1/WJ1: 5754-H22/FSW BM1/WJ2: 5754-H22/GTAW BM2: 6082-T6 BM2/WJ1: 6082-T6/FSW BM2/WJ2: 6082-T6/GTAW

8 A vizsgált alapanyagok (aa) és hegesztő hozaganyagok (ha) vegyi összetétele, tömeg% Anyagminőség C Si Mn P S Al Nb V S690QL aa INEFIL NiMoCr ha S960QL aa UNION X96 ha Anyagminőség Cu Cr Ni Mo Ti N B S690QL aa INEFIL NiMoCr ha S960QL aa UNION X96 ha Anyagminőség Mg Si Zn Cu Mn Fe Cr Ti AlMg3 aa H22 aa T6 aa

9 A vizsgált alapanyagok (aa) és hegesztő hozaganyagok (ha) mechanikai tulajdonságai Anyagminőség R y 1) R m R y /R m A 5 R m * A 5 Z N/mm 2 N/mm 2 % N/mm 2 * % % S690QL aa INEFIL NiMoCr ha S960QL aa UNION X96 ha >930 > >14 >13720 Anyagminőség t R y 1) R m A 50 aa hk aa/hk aa hk aa/hk aa hk aa/hk 1) R y jelentése R eh vagy R p0.2. mm N/mm 2 N/mm 2 % AlMg3 aa H22 aa T6 aa

10 Próbatestek nagyszilárdságú acélok Nagyszilárdságú acélok Fizikai szimuláció Fárasztóvizsgálat NST HTT HAZ LCF HCF FCG BM1: S690QL 10 BM1/WJ1: S690QL/GMAW-m BM1/WJ2: S690QL/GMAW-om BM2: S960QL BM2/WJ1: S960QL/GMAW-m 14 8 BM2/WJ2: S960QL/GMAW-um

11 Próbatestek alumíniumötvözetek Alumíniumötvözetek Fizikai szimuláció Fárasztóvizsgálat NST HTT HAZ LCF HCF FCG BM1: AlMg3 és 5754-H22 0 és és 2+2 BM1/WJ1: 5754-H22/FSW BM1/WJ2: 5754-H22/GTAW BM2: 6082-T BM2/WJ1: 6082-T6/FSW 8 BM2/WJ2: 6082-T6/GTAW

13 HCF (High Cycle Fatigue): vizsgálati körülmények MTS 810 lapos próbatest állandó terhelésamplitúdó R = 0,1 f = 30 Hz szinusz függvény szobahőmérséklet laboratóriumi környezet GMAW FSW

14 MSZ ENV EUROCODE 3: Acélszerkezetek tervezése. 1-1 rész: Általános és az épületekre vonatkozó szabályok. ( ábra és ábra)

15 HCF (High Cycle Fatigue) vizsgálatok eredményei S690QL / S690 / Weldox Feszültségtartomány, Ds, MPa S690QL BM; R=0,1; f=30hz [saját mérés] S690 BM; R=0,1; f=5,3hz [irodalom] 100 Weldox 700 BM [irodalom] S690QL BM; R=0 [irodalom] 0 1,0E+02 1,0E+03 1,0E+04 1,0E+05 1,0E+06 1,0E+07 1,0E+08 Tönkremeneteli ciklusszám, N, ciklus

16 HCF (High Cycle Fatigue) vizsgálatok eredményei S690QL GMAW-m / Weldox 700 WJ / S355-S690QL GMAW Feszültségtartomány, Ds, MPa S690QL GMAW-m; R=0,1; f=30hz {m} [saját mérés] S690QL GMAW-m; R=0,1; f=30hz {p} [saját mérés] Weldox 700 WJ [irodalom] S355,S690QL,S960QL GMAW; R=0 [irodalom] S690QL GMAW-m; R=0,1; f=30hz {m} {h} [saját mérés] ,0E+02 1,0E+03 1,0E+04 1,0E+05 1,0E+06 1,0E+07 1,0E+08 Tönkremeneteli ciklusszám, N, ciklus

17 HCF (High Cycle Fatigue) vizsgálatok eredményei S690QL / S690 / Weldox 700 S690QL GMAW-m / Weldox 700 WJ / S355-S690QL GMAW Feszültségtartomány, Ds, MPa S690QL BM; R=0,1; f=30hz [saját mérés] S690 BM; R=0,1; f=5,3hz [irodalom] Weldox 700 BM [irodalom] S690QL BM; R=0 [irodalom] S690QL GMAW-m; R=0,1; f=30hz {m} [saját mérés] S690QL GMAW-m; R=0,1; f=30hz {p} [saját mérés] Weldox 700 WJ [irodalom] S355,S690QL,S960QL GMAW; R=0 [irodalom] S690QL GMAW-m; R=0,1; f=30hz {m} {h} [saját mérés] 1,0E+02 1,0E+03 1,0E+04 1,0E+05 1,0E+06 1,0E+07 1,0E+08 Tönkremeneteli ciklusszám, N, ciklus

18 HCF (High Cycle Fatigue) vizsgálatok eredményei S960QL és S690QL GMAW-m / S355-S690QL GMAW 800 Feszültségtartomány, Ds, MPa S960QL BM; R=0,1; f=30hz [saját mérés] S960QL BM; R=0 [irodalom] S960QL GMAW-m; R=0,1; f=30hz [saját mérés] S355,S690QL,S960QL GMAW; R=0 [irodalom] ,0E+04 1,0E+05 1,0E+06 1,0E+07 1,0E+08 Tönkremeneteli ciklusszám, N, ciklus

19 HCF (High Cycle Fatigue) vizsgálatok eredményei S690QL és S690QL GMAW-m; S960QL és S960QL GMAW-m Feszültségtartomány, Ds, MPa S690QL BM; R=0,1; f=30hz [saját mérés] S960QL BM; R=0,1; f=30hz [saját mérés] S690QL GMAW-m; R=0,1; f=30hz {m} [saját mérés] S690QL GMAW-m; R=0,1; f=30hz {p} [saját mérés] S960QL GMAW-m; R=0,1; f=30hz [saját mérés] 0 1,0E+02 1,0E+03 1,0E+04 1,0E+05 1,0E+06 1,0E+07 1,0E+08 Tönkremeneteli ciklusszám, N, ciklus

20 EN :2007/A1: Eurocode 9: Design of aluminium structures - Part 1-3: Structures susceptible to fatigue. (Figure 6.1 és Figure J.4)

21 HCF (High Cycle Fatigue) vizsgálatok eredményei 5754-H22 és 5754-H22 FSW 250 Feszültségtartomány, Ds, MPa H22 BM-hosszirány [saját mérés] 5754 BM-hosszirány [irodalom] 5754 BM-keresztirány [irodalom] 5754-H22 FSW-keresztirány [saját mérés] R = 0,1 0 1,0E+03 1,0E+04 1,0E+05 1,0E+06 1,0E+07 Tönkremeneteli ciklusszám, N, ciklus

22 HCF (High Cycle Fatigue) vizsgálatok eredményei 6082-T6 FSW T6 FSW-keresztirány [saját mérés] 6082-T6 FSW-részleges átolvadás [irodalom] 200 Feszültségtartomány, Ds, MPa R = 0,1 0 1,0E+03 1,0E+04 1,0E+05 1,0E+06 1,0E+07 Tönkremeneteli ciklusszám, N, ciklus

23 HCF (High Cycle Fatigue) vizsgálatok eredményei 5754-H22 és 5754-H22 FSW; 6082-T6 FSW 250 Feszültségtartomány, Ds, MPa H22 BM-hosszirány [saját mérés] 5754 BM-hosszirány [irodalom] 5754 BM-keresztirány [irodalom] 5754-H22 FSW-keresztirány [saját mérés] 6082-T6 FSW-keresztirány [saját mérés] 6082-T6 FSW-részleges átolvadás [irodalom] R = 0,1 0 1,0E+03 1,0E+04 1,0E+05 1,0E+06 1,0E+07 Tönkremeneteli ciklusszám, N, ciklus

24 A HCF (High Cycle Fatigue) vizsgálatokból megfogalmazható következtetések A megtervezett technológiákkal megfelelő minőségű hegesztett kötések készíthetők. A vizsgált alapanyagok nagyciklusú fáradással szembeni ellenállása magasabb, mint a hegesztett kötéseké. A különbségek mértéke egyes esetekben felveti a hegesztéstechnológia további finomításának lehetőségét, illetve igényét A vizsgált alapanyagok és hegesztett kötések nagyciklusú fáradással szembeni ellenállása összhangban van az összehasonlító anyagok irodalomban közölt viselkedésével, egyes esetekben pedig jobb annál. A JSME szabványban található 14 próbatestes módszer alkalmazható nagyciklusú fáradással szembeni ellenállást kifejező határgörbék meghatározására.

26 A fáradásos repedésterjedés kinetikai diagramja R = állandó T = állandó A feszültségintenzitási tényező tartományának küszöbértéke (ΔK th ) A Paris-Erdogan összefüggés állandói (C and n) A feszültségintenzitási tényező tartományának kritikus értéke(δk fc )

27 A fáradásos repedésterjedésre érvényes tervezési görbék szerkezete (BS 7910)

28 A tervezési határgörbék származtatásának módszere és a határgörbe elvi alakja

29 FCG (Fatigue Crack Growth): vizsgálati körülmények MTS 312 CT és TPB próbatestek orientációk: T-L és L-T 21W és 23W WM, RY, AZ és RAY repedéskövetés: optikai módszer compliance módszer állandó terhelésamplitúdó R = 0,1 f = 20 Hz / 5 Hz szinusz függvény szobahőmérséklet laboratóriumi környezet

30 FCG (Fatigue Crack Growth): próbatestek kimunkálása GMAW és FSW hegesztett kötésekből GMAW kötések FSW kötések

31 FCG (Fatigue Crack Growth) vizsgálatok eredményei: S960QL alapanyag, mindhárom orientáció 1,0E-01 Fáradásos repedésterjedési sebesség, da/dn, mm/ciklus 1,0E-02 1,0E-03 1,0E-04 1,0E-05 1,0E-06 R = 0,1 A1_11 - T-S A1_12 - T-S A1_13 - T-S A1_14 - T-S A1_15 - T-S A2_21 - L-S A2_22 - L-S A2_23 - L-S A2_24 - L-S A2_25 - L-S B_1 - T-L B_2 - T-L B_3 - T-L B_4 - T-L B_5 - T-L 1,0E A feszültségintenzitási tényező tartománya, DK, MPam 1/2

32 Az S960QL alapanyag hegesztett kötéseiből készített 21 orientációjú próbatestek repedésméret-igénybevételi szám (a-n) görbéi 25 Repedésméret, a, mm GMAWm-FCG-21W1 9-GMAWm-FCG-21W2 9-GMAWm-FCG-21W3 9-GMAWm-FCG-21W4 9-GMAWm-FCG-21W5 9-GMAWm-FCG-21W6 9-GMAWm-FCG-21W7 9-GMAWm-FCG-21W Igénybevételi szám, N, ciklus

33 Az S960QL alapanyag hegesztett kötéseiből készített 21 orientációjú próbatestek kinetikai diagramjai (da/dn-δk) 1,0E+00 R = 0,1 Fáradásos repedésterjedési sebesség, da/dn, mm/ciklus 1,0E-01 1,0E-02 1,0E-03 1,0E-04 1,0E-05 1,0E-06 9-GMAWm-FCG-21W1 9-GMAWm-FCG-21W2 9-GMAWm-FCG-21W3 9-GMAWm-FCG-21W4 9-GMAWm_FCG-21W5 9-GMAWm-FCG-21W6 9-GMAWm-FCG-21W7 9-GMAWm-FCG-21W8 1,0E Feszültségintenzitási tényező tartománya, DK, MPam 1/2

34 Az S960QL alapanyagból és GMAW-matching hegesztett kötésekből készült különböző orientációjú próbatesteken elvégzett FCG vizsgálatok eredményeiből képzett minták Mérőszám Orientáció A minta elemszáma S960QL alapanyag Átlag Szórás Szórási együttható n T-S L-S T-S and L-S T-L DK fc T-S L-S T-S and L-S T-L S960QL GMAW-matching n 21W DK fc 21W ,

35 A saját vizsgálatok és az irodalmi adatok összehasonlítása Anyagminőség R y R m DK th n DK fc N/mm 2 N/mm 2 MPam 1/2 mm/cycle, MPam 1/2 MPam 1/2 37C St38b DP_ E420C H TRIP_ X80TM H QStE690TM N-A-XTRA S960QL XABO saját vizsgálatok irodalmi adatok

36 A különböző alapanyagok (aa) és hegesztett kötéseik (hk) tervezési görbéinek paraméterei Anyagminőség DK th n C DK fc MPam 1/2 mm/cycle, MPam 1/2 MPam 1/2 37C aa E C hk 1) E E420C aa E E420C hk 1) E X80TM aa E X80TM hk E-07 QStE690TM aa E-07 S690QL aa S690QL hk kidolgozás alatt kidolgozás alatt S960QL aa E S960QL hk E XABO 1100 aa E ) A maradó feszültségek jellegének ismeretében az alapanyagra kapott értékből származtatható.

37 Fáradásos repedésterjedési sebesség, da/dn, mm/ciklus 1,0E-02 1,0E-03 1,0E-04 1,0E-05 1,0E-06 1,0E-07 37C alapanyag 37C hegesztett kötés E420C alapanyag E420C hegesztett kötés X80TM alapanyag X80TM hegesztett kötés QStE690TM alapanyag S960QL alapanyag S960QL hegesztett kötés XABO 1100 alapanyag A feszültségintenzitási tényező tartománya, DK, MPam 1/2 A fáradásos repedésterjedésre meghatározott tervezési görbék (EGYSZERŰ KAPCSOLAT)

38 Az FCG (Fatigue Crack Growth) vizsgálatokból megfogalmazható következtetések I. A megtervezett technológiákkal megfelelő minőségű hegesztett kötések készíthetők. A vizsgált alapanyag fáradásos repedésterjedéssel szembeni ellenállása szignifikánsan függ az orientációtól. A vizsgált alapanyag fáradásos repedésterjedéssel szembeni ellenállása összhangban van az összehasonlító anyagok irodalomban közölt viselkedésével. Az eredmények segítségével a fáradásos repedésterjedésre érvényes tervezési határgörbék meghatározhatók.

39 Különböző alumíniumötvözetek jellegzetes fáradásos repedésterjedési görbéi EN :2007/A1: Eurocode 9: Design of aluminium structures - Part 1-3: Structures susceptible to fatigue. (Figure B.6 a))

40 FCG (Fatigue Crack Growth) vizsgálatok eredményei AlMg3 és 5754-H22 1,0E-01 AlMg3-BM-FCG-T-L (5 próbatest) AlMg3-BM-FCG-L-T (5 próbatest) Fáradásos repedésterjedési sebesség, da/dn, mm/ciklus 1,0E-02 1,0E-03 1,0E H22-BM-FCG-T-L (2 próbatest) 5754-H22-BM-FCG-L-T (2 próbatest) 1,0E-05 R = 0, Feszültségintenzitási tényező tartománya, DK, MPam 1/2

41 FCG (Fatigue Crack Growth) vizsgálatok eredményei 5754-H22 FSW 1,0E-01 Fáradásos repedésterjedési sebesség, da/dn, mm/ciklus 1,0E-02 1,0E-03 1,0E-04 5-FSW-FCG-WM1 5-FSW-FCG-WM2 5-FSW-FCG-WM3 5-FSW-FCG-R1 5-FSW-FCG-R2 5-FSW-FCG-R3 5-FSW-FCG-A1 5-FSW-FCG-A2 5-FSW-FCG-A3 5-FSW-FCG-TR-RA1 5-FSW-FCG-TR-RA2 5-FSW-FCG-TR-RA3 1,0E-05 R = 0, Feszültségintenzitási tényező tartománya, DK, MPam 1/2

42 FCG (Fatigue Crack Growth) vizsgálatok eredményei 6082-T6 FSW 1,0E-01 Fáradásos repedésterjedési sebesség, da/dn, mm/ciklus 1,0E-02 1,0E-03 1,0E-04 1,0E-05 R = 0,1 6-FSW-FCG-WM1 6-FSW-FCG-WM2 6-FSW-FCG-R1 6-FSW-FCG-R2 6-FSW-FCG-A1 6-FSW-FCG-A2 6-FSW-FCG-TR-RA1 6-FSW-FCG-TR-RA2 1,0E Feszültségintenzitási tényező tartománya, DK, MPam 1/2

43 FCG (Fatigue Crack Growth) vizsgálatok eredményei és azok összehasonlítása irodalmi adatokkal A repedésterjedés iránya 5754-H T T4+PWHT 6082-T6 saját mérés irodalom irodalom saját mérés n darab n darab n darab n darab L-T 2, ,13 1 4, ,727 3 T-L 3, ,89 1 3,199 3 TR-RA 3, ,05 1 2,656 2 WM 3, ,22 1 3, ,586 2 R 3, ,59 1 4,248 2 A 3, ,591 2 HAZ 3,672 1

44 Próbatestek kimunkálása FSW hegesztett kötésekből, FCG vizsgálatokhoz (TR-RA) 5754-H T6

45 FCG (Fatigue Crack Growth) vizsgálatok eredményei 5754-H22/FSW, 6082-T6/FSW TR-RA 1,0E-01 5-FSW-FCG-TR-RA1 Fáradásos repedésterjedési sebesség, da/dn, mm/ciklus 1,0E-02 1,0E-03 1,0E-04 1,0E-05 R = 0,1 5-FSW-FCG-TR-RA2 5-FSW-FCG-TR-RA3 6-FSW-FCG-TR-RA1 6-FSW-FCG-TR-RA2 1,0E Feszültségintenzitási tényező tartománya, DK, MPam 1/2

46 Az FCG (Fatigue Crack Growth) vizsgálatokból megfogalmazható következtetések II. A megtervezett technológiákkal megfelelő minőségű hegesztett kötések készíthetők. A lényegében azonos alapanyagokon (AlMg3, 5754-H22) elvégzett fáradásos repedésterjedési sebesség vizsgálatok eredményei orientációnként (T-L és L-T) azonosnak tekinthetők; mérethatás (s=12 mm és s=6 mm) szignifikánsan nem mutatható ki. Az FSW kötésekben a repedések terjedése szignifikánsan eltérőnek tekinthető, attól függően, hogy azok a kötés közepén, a szélein vagy a kötés hossztengelyére merőlegesen haladnak. A vizsgált alapanyagok és hegesztett kötések fáradásos repedésterjedéssel szembeni ellenállása összhangban van az összehasonlító anyagok irodalomban közölt viselkedésével. A fáradásos repedésterjedésre érvényes tervezési határgörbék meghatározásához további kísérleti és elemzési munka szükséges.

48 A vizsgálati mátrix általánosan Nagyszilárdságú acélok Fizikai szimuláció Fárasztóvizsgálat Alumíniumötvözetek NST HTT HAZ LCF HCF FCG Alapanyag-1: BM1 Hegesztett kötés-1: BM1/WJ1 Hegesztett kötés-2: BM1/WJ2 Alapanyag-1: BM2 Hegesztett kötés-1: BM2/WJ1 Hegesztett kötés-2: BM2/WJ2 NST: zérus szilárdsághoz tartozó hőmérséklet HTT: melegszakítás (hevítéses, hevítéses-visszahűtéses) HAZ: hőhatásövezeti szimuláció CCT: folyamatos hűtésű átalakulási diagramok hegesztési viszonyokra LCF: kisciklusú fárasztás HCF: nagyciklusú fárasztás FCG: fáradásos repedésterjedés

49 A vizsgálati mátrix nagyszilárdságú acélok Nagyszilárdságú acélok Fizikai szimuláció Fárasztóvizsgálat NST HTT HAZ LCF HCF FCG BM1: S690QL BM1/WJ1: S690QL/GMAW-m BM1/WJ2: S690QL/GMAW-om BM2: S960QL BM2/WJ1: S960QL/GMAW-m BM2/WJ2: S960QL/GMAW-um

50 A vizsgálati mátrix alumíniumötvözetek Alumíniumötvözetek Fizikai szimuláció Fárasztóvizsgálat NST HTT HAZ LCF HCF FCG BM1: AlMg3 és 5754-H22 BM1/WJ1: 5754-H22/FSW BM1/WJ2: 5754-H22/GTAW BM1/WJ3: 5754-H22/GMAW BM2: 6082-T6 BM2/WJ1: 6082-T6/FSW BM2/WJ2: 6082-T6/GTAW BM2/WJ3: 6082-T6/GMAW

51 Köszönetnyilvánítás A közleményben ismertetett kutató munka a TÁMOP B-10/2/KONV projekt eredményeire alapozva, a TÁMOP-4.2.2/A-11/1-KONV jelű projekt részeként, az Új Magyarország Fejlesztési Terv keretében az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg.

52 Köszönjük a megtisztelő figyelmet! Lukács János janos.lukacs@uni-miskolc.hu Nagy Gyula Gáspár Marcell Meilinger Ákos Dobosy Ádám Pósalaky Dóra Miskolci Egyetem, Anyagszerkezettani és Anyagtechnológiai Intézet, H-3515 Miskolc-Egyetemváros 7. Anyagvizsgálat a Gyakorlatban (AGY) Szakmai Szeminárium Kecskemét, június