MISKOLCI EGYETEM ANYAGSZERKEZETTANI ÉS ANYAGTECHNOLÓGIAI INTÉZET Különböző folyáshatárú acélok és hegesztett kötéseinek kisciklusú fárasztóvizsgálata XXII. OGÉT, Nagyszeben cikkvázlat Kidolgozta: Dobosy Ádám PhD hallgató Készült: a TÁMOP-4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0029 a Járműipari anyagfejlesztések projekt keretében A projekt szakmai vezetője: Dr. Tisza Miklós egyetemi tanár, tanszékvezető Miskolc 2014
Különböző folyáshatárú acélok és hegesztett kötéseinek kisciklusú fárasztása Different yield strength steels and their welded joints under low cycle fatigue DOBOSY Ádám PhD hallgató 1, Dr. NAGY Gyula ny. egyetemi docens 2, Anyagszerkezettani és Anyagtechnológiai Intézet, Miskolci Egyetem, 3515 Miskolc-Egyetemváros, +3646/565-111, www.uni-miskolc.hu, 1 metda@uni-miskolc.hu, 2 metnagyg@uni-miskolc.hu Abstract In the case of the welded structures the low cycle fatigue phenomenon may appear often consequence to the loading, in these cases the local stress collector places has a significant role. For that reason in this study we examined the low cycle fatigue resistance of steels for welded structures with different yield strength but with typically middle strength and their welded joints as well, and we present the received results. The aim of our examinations is to collect comparative results on steels with smaller strength, to the future examinations results on high strength steels welded joints. Összefoglaló A kisciklusú fáradás jelensége a hegesztett acélszerkezetek esetében gyakran előfordulhat a terhelésből adódóan, ilyen esetekben a helyi feszültséggyűjtő helyek kiemelt jelentőséggel bírnak. Jelen közleményben ezért hegesztett szerkezetek gyártásához felhasználható különböző, jellemzően közepes folyáshatárú acélok és ezekből készült hegesztett kötések kisciklusú fáradással szembeni ellenállását vizsgáljuk, valamint a kapott eredményeket ismertetjük. Vizsgálataink célja összehasonlító eredmények gyűjtése kisebb szilárdságú acélokon, a későbbi nagyszilárdságú acélok és hegesztett kötéseinek eredményeihez. Kulcsszavak kisciklusú fáradás, LCF, közepes szilárdságú acél, hegesztés, Manson-Coffin, ciklikus folyásgörbe 1. BEVEZETÉS A berendezések, szerkezetek jelentős részét ma is folyáshatárra méretezik. Ugyanakkor a kisciklusú fáradás jelensége a hegesztett acélszerkezetek esetében is előfordul, amiben a helyi feszültséggyűjtő helyek kiemelt jelentőséggel bírnak, hiszen itt a feszültségek meghaladhatják a folyáshatár értékét. E helyek között a szerkezet kialakításán túl a hegesztett kötés alakja és a varrat eltérései is szerepelnek, hiszen hibátlan varratok nem készíthetőek. Tekintettel arra, hogy a hegesztett kötések tulajdonságai eltérnek az alapanyagétól, indokolt azok kisciklusú fárasztó vizsgálata is. Annál is inkább, mivel a kötés minősége és ezzel együtt kisciklusú fáradási ellenállása is számos hegesztési paramétertől függ. Ilyen a kötéskialakítás, az alkalmazott hegesztő eljárás, az áramerősség, feszültség, illetve a hegesztési sebesség; általánosabb mérőszámmal a vonalenergia (E v ) nagysága. Éppen ezért a szerkezet terhelhetőségének megítélése szempontjából az alapanyag és a hegesztett kötés domináns anyagi mérőszámainak (folyáshatár, kifáradási határ, kisciklusú fáradással szembeni ellenállás, stb.) ismerete nélkülözhetetlen. Mivel napjaink acélfejlesztési irányzatai a minél nagyobb szilárdság felé mozdultak el, ezért a szerzők célja a későbbiekben ilyen nagyszilárdságú acélok fáradással szembeni ellenállásának vizsgálata, mind a kisciklusú mind a nagyciklusú fáradás tartományában. Jelen közleményben hegesztett szerkezetek gyártásához felhasználható különböző folyáshatárú acélok és hegesztett kötéseik kisciklusú fáradással szembeni ellenállását vizsgáljuk, valamint a kapott eredményeket ismertetjük.
2. A VIZSGÁLT ANYAGOK A vizsgálatainkba különböző szilárdságú, jellemzően a kis- és közepes szilárdságú, hegesztett szerkezetek gyártásához használatos acélokat vontunk be: St 37-3 (DIN 17100 [1]), DX52 (MSZ 3770-85), StE 460 (DIN 17102 [1]) valamint S460NL (MSZ EN 10025-6) acélokat. Az ugyanakkor a DX52 és S460NL acélok adatai saját vizsgálati eredmények. Az elemzésbe bevont acél alapanyagok folyáshatára jellemzően 230 és 520 MPa között található. A DX 52 alapanyag esetében R eh = 396 MPa, Rm = 543 MPa, A = 25%, míg S460NL esetében: R eh = 523 MPa, Rm = 655 MPa, A = 22% volt. A hegesztett kötéseket az S460NL jelű lemezeken végeztük el, ebben az esetben azonban csak az elkészült kötéseken hajtottunk végre fárasztóvizsgálatokat. 3. A HEGESZTÉSI KÍSÉRLETEK BEMUTATÁSA Az alapanyagul választott S460NL acélok normalizáltak, vagyis szövetszerkezetük finomszemcsés. Éppen ezért a hegesztés során kapott nagy hőbevitel miatt szemcsedurvulásra érzékenyek. Ennek csökkentésére mikroötvözőket alkalmaznak, ezek azonban hatással vannak a hegeszthetőségre is. Továbbá a túlzott szemcsedurvulás elkerülése érdekében a hegesztés során bevitt vonalenergia nagyságát korlátozzák. Ugyanakkor a túlzottan kis hőbevitel hatására nagy keménységű, kis alakváltozó képességű szövetelemek keletkezhetnek. Ebből a szempontból fontos a kritikus hűlési idő (t 8,5/5 ), ami ezeknél az acéloknál 10 s és 25 s közé esik [2, 3]. Ezt szem előtt tartva dolgoztuk ki az alkalmazott hegesztéstechnológiát. A kötések elkészítéséhez bevontelektródás kézi ívhegesztést választottunk (ISO: 111). A vizsgált lemezvastagság 16 mm volt, ehhez szimmetrikus X varratkialakítást választottunk a maradó feszültségek csökkentése miatt. A lemezek elején és végén bekezdő és kifutólemezeket alkalmaztunk, az elkészült kötés 150 mm széles és 300 mm hosszú lett. A hegesztést PA pozícióban végeztük el, Böhler FOX EV 60 jelű bázikus elektródával, amelyet előzetesen 250 o C-on 2 órán keresztül, szárítottunk. A hegesztés során alkalmazott paramétereket a 1. táblázatban foglaltuk össze. Hegesztési paraméterek Réteg Áramnem, polaritás Elektróda méret [mm] Áram [A] Feszültség [V] 1. DCEP Ø 2,5x350 90 19 V 800 2. DCEP Ø 3,2x350 110 21 V 900 3. DCEP Ø 3,2x350 110 21 V 900 4. DCEP Ø 4,0x450 130 23 V 1000 4. KISCIKLUSÚ FÁRASZTÓVIZSGÁLATOK ÉS ÉRTÉKELÉSÜK 1. táblázat Linear heat input [J/mm] A vizsgálatokhoz rövid és hosszú hengeres szakasszal rendelkező próbatesteket használtunk. Az alapanyagoknál rövid vizsgálati szakaszú próbatesteket alkalmaztunk, míg hosszú hengeres vizsgálati szakasszal rendelkező próbatesteket használtunk a hegesztett kötések vizsgálatánál. Ez utóbbi esetben fontos megjegyezni, hogy a kötésből úgy munkáltuk ki a próbatesteket, hogy a varratok a vizsgálati szakasz középvonalára essenek. A kisciklusú fárasztóvizsgálatok teljes alakváltozás amplitúdóra vezérelve, R = -1 aszimmetria tényezővel, szinuszos terhelésfüggvénnyel levegőn, szobahőmérsékleteken folytak [4]. A vizsgálatok során folyamatosan regisztráltuk a reprezentatív hiszterézis görbéket, amelyek felhasználásával a kívánt jellemzők, összefüggések meghatározhatók. Ezen adatok ismeretében számítottuk a tönkremeneteli ciklusszám (N t ) és a teljes (ε a ), a rugalmas (ε ar ), valamint a képlékeny (ε ap ) nyúlás amplitúdó kapcsolatát, ami az alábbi összefüggéssel adható meg:
σ ε =ε +ε = +ε E ' f b ' c a ae ap Nt f Nt (1) A kifejezésben szereplő σ f, ε f, b és c a vizsgálati eredményekből számítható jellemzők. A DX 52 acélminőségre és az S460NL acél hegesztett kötésére kapott eredményekből megrajzoltuk a tönkremeneteli ciklusszám-nyúlás amplitúdók kapcsolatát. A mért értékek pontsorára közelítő görbéket illesztettünk, amelyek egyenletét és a közelítés szorosságát kifejező korrelációs index négyzetét is feltüntettük az ábrákon. A mérési eredményeinket irodalmi adatokkal is kiegészítettük és közös diagramban ábrázoltuk a tönkremeneteli ciklusszám-képlékeny nyúlás amplitúdók adatait (1. ábra), valamint meghatároztuk a Manson-Coffin összefüggés paramétereit is (2. táblázat). 1. ábra A képlékeny alakváltozás amplitúdók összehasonlítása A Manson-Coffin összefüggés paraméterei 2. táblázat Anyagminőség Korrelációs index Együttható (ɛ jele f ') Kitevő (c) (R) St 37-3 0,02-0,287 - DX 52 1,171-0,7664 0,9873 StE 460 1,043-0,657 - S460NL, kötés 0,945-0,865 0,9372 A mérési eredmények felhasználásával megrajzoltuk a képlékeny nyúlás amplitúdók-feszültség amplitúdók közötti kapcsolatot is. Az adatsorokat a következő összefüggéssel közelítettük: σ = K ε (2) a50 ahol: a σ a50 a tönkremeneteli ciklusszám 50 %-ához tartozó feszültség amplitúdó, K és n a mérési eredményekből számítható értékek [5]. A vizsgálatba bevont acél és hegesztett kötés ciklikus folyásgörbéi a 2. ábrán láthatóak. n ap
2. ábra Ciklikus folyási görbék Az előzőekben bemutatott eredményeken túl a tönkremenetelig befektetett összes képlékeny alakváltozási munkát és az egy ciklusban bevitt átlagos képlékeny alakváltozási munkát is meg szokták határozni kisciklusú fárasztóvizsgálatok esetén, így ezen mennyiségeket mi is meghatároztuk. 5. MÉRÉSI EREDMÉNYEK ÉRTÉKELÉSE Az vizsgálati eredmények alapján a következő főbb megállapítások tehetők: 1. Az elemzésbe bevont alapanyagok nagyobb folyáshatárú acéljainak nagyobbak a tönkremenetelig elviselt ciklusszámai azonos képlékeny alakváltozási amplitúdók esetén. 2. Az S460NL acél hegesztett kötésének tönkremeneteli ciklusszámai rendre (majdnem egy nagyságrenddel) kisebbek, mint a közel azonos minőségű alapanyagon meghatározott értékek. 3. A tönkremenetelig befektetett összes képlékeny alakváltozási, illetve az egy ciklusban bevitt átlagos képlékeny alakváltozási munka és a tönkremeneteli ciklusszám közötti kapcsolat hatvány függvénnyel jól közelíthető. 4. A tönkremenetelig bevitt összes képlékeny alakváltozási munka a tönkremeneteli ciklusszám növekedésével nő, az egy ciklusba felhalmozott képlékeny alakváltozási munka csökkenő tendenciát mutat. A közleményben ismertetett kutató munka a TÁMOP-4.2.1.B-10/2/KONV-2010-0001 projekt eredményeire alapozva a TÁMOP-4.2.2/A-11/1-KONV-2012-0029 jelű projekt részeként az Új Magyarország Fejlesztési Terv keretében az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg. Irodalomjegyzék [1] LUKÁCS, J., NAGY Gy., HARMATI, I., KORITÁRNÉ F. R., KUZSELLA LÁSZLÓNÉ K. Zs.: Szemelvények a mérnöki szerkezetek integritása témaköréből, Miskolc, 2012. [2] DOBOSY, Á.: Hegesztett kötések kisciklusú fárasztóvizsgálata, BSc szakdolgozat, témavezető: Dr. Nagy Gyula, 2011. [3] DOBOSY, Á.: Nagyszilárdságú acélok ívhegesztése, MSc diplomamunka, témavezető: Dr. Balogh András, 2013. [4] SLOT, T., STENTZ, R. H., BERLING, J. T.: Controlled-strain Testing Procedures, Manual on Low Cycle Fatigue Testing, ASTM STP 465, 1969, pp. 100-128. [5] LANDGRAF, R. W., MORROW, J. D., ENDO, T.: Determination of the Cyclic Stress-Strain Curve, Journal of MAterials, JMLSA, 1963/3. pp. 176-188.