1 SAVONIA-AMK TEKNIIKKA/ KUOPIO HitSavonia- projekti Seppo Vartiainen Esitelmä paineastiat / hitsausseminaarissa 1.11.05 TERÄKSEN KÄYTTÄYTYMINEN ÄÄRIOLOSUHTEISSA. Kylmät olosuhteet. Teräksen transitiokäyttäytyminen. Seostamattomille ja niukkaseosteisille teräksille on tyypillistä ferriittinen kiderakenne, jonka murtumiskäyttäytyminen muuttuu sitkeästä hauraaksi ns. transitiolämpötilassa. Normaalisti ko. lämpötila on teräksen koostumuksesta ja valmistusmenetelmistä riippuen huoneen lämpötilan ja -100 C asteen välillä. Niinpä meillä ilmasto- ja kuormitusolosuhteet vaikuttavat terästen valintaan. Materiaalit tulee valita siten, että ne eivät joudu toimimaan ns. ääriolosuhteissa kuten esim. transitiolämpötilansa alapuolella iskumaisissa kuormituksissa. On erittäin tärkeää, että teräksillä säilyy hyvä muodonmuutoskyky kaikissa käyttöolosuhteissa, joihin ko. teräs käytössä joutuu. Sitkeässä murtumisessa tapahtuu aina runsaasti plastista muodonmuutosta, jolloin murtumisvaara voidaan jopa silmämääräisesti todeta ennen murtuman tapahtumista. Plastinen muodonmuutos jakaa jännityshuiput suuremmalle alueelle, jolloin murtuma voi jäädä paikalliseksi tai ei tapahdu ollenkaan. Haurasmurtumassa plastinen muodonmuutosenergia on hyvin pieni ja murtuma etenee nopeasti koko rakenteen läpi. ( Lähes äänen nopeudella ) Seuraukset ovat yleensä tuhoisat. Haurasmurtumat. Raerajamurtuma ja lohkomurtuma. Raerajamurtumassa murtuma etenee joko ferriitin tai perinnäisen austeniitin raerajoja pitkin (tai faasirajoja pitkin ). Lohkomurtuma etenee rakeiden läpi synnyttäen ns. jokikuvion murtopintaan.
2 Tyypillinen lohkomurtuma. Tyypillinen raerajamurtuma. Raerajamurtuman syynä ovat yleensä raerajoille erkautuneet hauraat faasit.
Haurasmurtumassa on yleensä kaksi vaihetta: ydintyminen ja eteneminen. Ydintyminen tarkoittaa särön syntymistä ehjään aineeseen. Se on ns. kynnysjännitysintensiteetti, jonka ylittäminen johtaa ko. olosuhteissa murtuman etenemiseen pienellä energia-adsorbtiolla erittäin nopeasti niin kauan kuin energiaa riittää. Paineastioissa tämä on erityisen vaarallista paisuntakykyisillä kaasuilla. Esim. kaasuputkessa se voi johtaa kilometrien mittaiseen halkeamaan. Materiaalit tulee valita siten, että käyttöolosuhteissa haurasmurtuman ydintyminen ei ole mahdollista. Se voi kuitenkin tulla mahdolliseksi jonkin tapaturmaisen ylikuormituksen johdosta. Tällöin on tärkeää, että rakenne on varmistettu särön etenemiseen nähden. Haurasmurtuman ydintymistä edesauttavat seuraavat tekijät: - korkea vetojännitys - alhainen lämpötila - suuri ainepaksuus - kolmiakselinen jännitystila - hauras materiaali - jäännösjännitykset - iskumainen kuormitus - jännityskeskittymät - särömäiset alkuviat Terästen iskusitkeyttä tutkitaan yleisimmin Charpy V kokeella. 3
4 Periaatekuva kahden materiaalin Charpy V kokeessa saadusta käyrästä. Jos materiaalin vahvuus on 10 mm:ä pienempi, voidaan iskukoe tehdä pienemmillä koesauvoilla siten,että jos koesauvan mitat ovat 7,5 x 10 mm,iskuenergiavaatimus on 5/6 standardisauvan arvosta. Jos sauvan mitat ovat 5 x 10 mm, iskuenergiavaatimus on 2/3 standardisauvan arvosta. Haurasmurtuman ehkäisykeinoja: - teräksen tiivistäminen myös typpeä sitovilla seosaineilla ( Al,Ti ) - raekoon pienentäminen(mikroseostus,normalisointi, normalisointivalssaus tai termomekaaninen käsittely ) - seostus ( nikkeliseostus 0,5 % + mikroseostus, niin Ttr= -80 C ast) - epäpuhtausaineiden minimointi ( hiili, rikki ja fosfori ) Hyvä iskusitkeys vaatii fosforipitoisuuden olevan alle 0,025% ja rikin alle 0,02 %. - vältetään kylmämuokkausta. 10%:n kylmämuokkaus nostaa transitiolämpötilaa n. 20 30 C astetta ja sitä seuraava vanheneminen esim. 1h 250 C asteessa n. 20 astetta. Tiivistämättömällä teräksellä nousu voi olla jopa kaksinkertainen eli 40 astetta. - jännitystenpoistohehkutus vähentää haurasmurtuman ydintymisvaaraa. Jäähdytys tulee tehdä hitaasti 100 200 ast./h ainevahvuudesta riippuen. - vetyhaurausvaaran ehkäiseminen
5 Kylmämuokkauksen vaikutus transitiolämpötilaan teräksessä. Hitseissä esiintyviä murtumatyyppejä, jotka voivat ydintää haurasmurtuman. SSC = Sulphite Stress Corrosion Cracking Rikin aiheuttama jännityskorroosiomuoto, jossa särö esiintyy hitsin muutosvyöhykkeessä ja etenee yleensä kohtisuorassa pintaa vastaan. Esiintyy yleensä vain yli 550 MPa:n myötörajan teräksillä. Vetyrakkula aiheutuu molekylaarisen vedyn paineen kasvusta. HIC = Hydrogen Inducet Cracking voivat syntyä teräkseen ilman ulkoista tai sisäistä jännitystä. Näihin luetaan myös pinnan rakkulointi ja valssaustasossa esiintyvät halkeamat. Halkeamat voivat
6 linkittyä porrasmaisiksi murtumiksi. Murtumat voivat syntyä vasta kuukausien kuluttua vedyn tunkeutumisen jälkeen. SOHIC = SSC- ja HIC murtuman yhdistelmä, jossa pienet murtumat syntyvät lähes kohtisuoraan pääjännitystä vastaan. Esiintyy yleensä hitsin pehmenemisvyöhykkeessä ja siksi sitä kutsutaan myös pehmeän vyöhykkeen murtumaksi. SZC eli Soft Zone Cracking. Vedyn ja rikin aiheuttamat murtumat syntyvät usein rikkivetyympäristössä. ( raakaöljy- ja maakaasutuotannon säiliöt ja putket ) Ehkäisykeinoja: -alhainen rikkipitoisuus - epämetallisten sulkeumien muotokontrolli - keskilinjasuotautuman minimointi oikealla koostumuksella ja valutekniikalla - hiili-, mangaani- ja fosforipitoisuuden minimointi -estetään valssauksessa nauhamaisen perliitin syntyminen. -puikkojen kuivaus - estetään hitsauskohteen kastuminen ja kosteuden tiivistyminen hitsattaviin pintoihin ennen hitsausta. Teräksen lämpenemisaika -20 C asteesta +20 asteen lämpötilaan huoneilmassa. ( konepaja )
7 Kastepiste ilman suhteellisen kosteuden funktiona. Lämpenemis- ja kastepistekäyristä voidaan todeta, että hitsattavat teräkset on tuotava pakkasilmasta hyvissä ajoin ennen hitsausta lämpenemään ettei hitsattavilla pinnoilla ole kondenssivettä tai jopa huurua. Jos teräksiä säilytetään päällekkäin, (esim. kuormassa) kannattaa kuorma tuoda sisälle jo edellisenä päivänä. KUUMAT OLOSUHTEET. Lämpötilan noustessa terästen lujuus ja jäykkyys laskevat. Tämä otetaan huomioon teräsosia mitoitettaessa eri käyttökohteisiin. Normaaleista rakenneteräksistä ei ole standardeissa taulukoita lujuuden heikkenemisestä, mutta paineastiateräksille on valmiit taulukot Rel sekä eri virumislujuuksia eri rasitusajoille. Osalla rakenneteräksiä lujuus ja kimmokerroin laskee jo 50 C asteessa huoneen lämpötilaan verrattuna. 100 C astetta on jo sellainen lämpötila, että sen aiheuttama lujuuden ja jäykkyyden heikkeneminen on otettava huomioon jo kaikilla rakenneteräksillä.
Viruminen on kuumien olosuhteiden murtumismekanismi. Se alkaa yleensä pieninä liukumisina raerajoilla. Tästä syntyy pieniä mikrosäröjä, jotka kasvavat makrosäröiksi ja siitä edelleen rikkoutumiseen asti. 8
Virumislujuuden lisäämiskeinoja: -tehdään tasainen raerakenne -suurirakeinen teräs kestää paremmin virumista -seostus, (Mo, Cr, Ni) 9
10 Virumiskoetuloksia RAEX 385P ja COR_TEN A teräksille Muita vaikeita olosuhteita painestioilla ja lämpökattiloilla (joita ei tässä yhteydessä ole mahdollisuutta käsitellä) ovat mm.: -hilseily -jännityskorroosio -vanadiinikorroosio -eri sulametallikorroosiot -terminen väsyminen
11