obrana doktorskog rada.ppt

UTJECAJ SADRŽAJA VODIKA NA ZAVARLJIVOST ČELIKA API 5L X80

Obrana doktorskog rada

Mentor: Pristupnica:Prof.dr.sc. Slobodan Kralj Tanja Tomić Kovačević, dipl.ing.

Zagreb, 2012.1

Pregled doktorskog rada

1. Uvod2. Pregled i analiza dosadašnjih istraživanja3. Eksperimentalni rad4. Rezultati, analiza i rasprava5. Zaključak6. Literatura

2

Predgovor

• Predmet mnogih istraživanja je degradacija materijala uzrokovana vodikom u proizvodnji i eksploataciji

• Ulazak vodika u metal ovisi o vrsti metala, o koncentraciji vodika i kemijskom obliku u kojem se nalazi, o topljivosti vodika, naprezanju

• Veću izloženost degradacijskim mehanizmima uzrokovanim vodikom pokazuju C-Mn čelici u čiju skupinu pripada čelik API 5L X80 proizveden TMCP (Thermo Mechanical Controlles Process) tehnologijom

3

4

Proizvodnja TMCP čelikaAPI 5L X80

Motivacija istraživanja• Utvrditi uvjete zavarivanja pri kojima neće doći

do pojave hladnih pukotina• Utvrditi kritičnu koncentraciju vodika pri kojoj

nastaju pukotine na čeliku API 5L X80• Definirati matematičke modele za uvjete

zavarivanja unosa topline i temperature predgrijavanja u ispitivanom području

• Analizirati mikrostrukturu metala zavara i zone utjecaja topline s ciljem određivanja njezine osjetljivosti prema vodikom induciranim pukotinama u eksploataciji

6

Hipoteze rada

• Moguće je odrediti količinu unesenog vodika koja ovisi o unosima topline pri zavarivanju i temperaturama predgrijavanja prema zakonitostima modela difuzije vodika

• Moguće je utvrditi uvjete za nastanak hladnih pukotina, te povezati nastanak hladnih pukotina sa sadržajem unesenog vodika pri zavarivanju

• Moguće je utvrditi uvjete zavarivanja s najmanjim unosom vodika i najmanje opasnosti od pojave hladnih pukotina

7

Sustav i organizacija istraživanja

8

Pregled dosadašnjih spoznaja

• Vodik u materijal ulazi u atomarnom stanju• U materijalu se može nalaziti u atomarnom H (ili

ioniziranom stanju H+) ili molekularnom stanju H2

(plinski uključci)• Vodik može uzrokovati lom visokočvrstih materijala i

pojavu mjehurića (engl. blister) i unutrašnje pucanje materijala na mjestima uz uključke

• Poznate su različite teorije o mehanizmima djelovanja vodika ali ne postoji univerzalan model koji bi mehanizam objasnio

9

Sažetak rada

• Osnovni materijal: čelik API 5L X80• FCAW postupak, zaštitni plin M21 prema HRN EN 439• 3 različita dodatna materijala u obliku praškom

punjenih žica• Glicerinska metoda JIS Z 3118:1992• Implant test ISO 17642-3:2005• Centralno kompozitni plan pokusa (14 stanja pokusa

sa 6 ponavljanja u centru)• Nezavisne utjecajne varijable: E (kJ/cm) i Tp (⁰C)

10

• Oblikovanje eksperimenta: – Polazna točka je definiranje plana pokusa s ciljem

mogućnosti kontrole utjecajnih faktora u istraživanom procesu

– Metodologija odzivne površine (RSM – Response Surface Methodology): 2 nezavisne varijable, 2 odziva

Y1 (Y2)=f(X1, X2) +

Eksperimentalni rad

11

• Jednadžba plana pokusa glasi:

HD, RIK = f(E, Tp) +

Eksperimentalni rad

Gdje su: HD – količina difundiranog vodika, ppm ili ml H2 / 100 g zavaraRIK – kritično implant naprezanje, N/mm2

E – unos topline, kJ/cmTp – temperatura predgrijavanja, °C - Šum ili pogreška

12

• Odabran je centralno kompozitni plan pokusa

Plan pokusa

Prikaz parametara zavarivanja prema stanjima pokusa i CCD plan pokusa za 2 faktora

13

• Stanja pokusa i odgovarajući parametri zavarivanja

Stanja pokusa

14

• Pregled parametara zavarivanja prema stanjima pokusa

Parametri zavarivanja

15

• Specifikacija dodatnog materijala

Specifikacija osnovnog i dodatnog materijala

• Specifikacija osnovnog materijala – kemijski sastav

16

• Specifikacija osnovnog materijala – mehanička svojstva

Specifikacija osnovnog i dodatnog materijala

17

Pregled opreme za eksperimentalni rad

• Oprema za zavarivanje – uređaj i sustav za automatsko zavarivanje

18

19


• Oprema za predgrijavanje

Laserski digitalni termometar


• Oprema za mjerenje količine difundiranog vodika prema JIS Z 3118:1992

20

21

Ispitivanje zavarljivosti implant testom

• Oprema za implant test prema normi ISO 17642-3:2005

• Preuzeto iz norme ISO 17642-3:2005

22

Osnovna ploče i implant epruveta

• Izgled pripremljenog implant uzorka od API 5L X80 materijala

23

Implant uzorak

Strojno obrađen cilindrični umetak točno definiranog promjera, oznake metričkog normalnog navoja M8

• Slike prikazuju zavare s 3 različite žice

24

Prikaz zavara na implant pločama

Rutilna A Rutilna B Bazična A

25

Rezultati mjerenja HD

Prikaz rezultata mjerenja količine difunidranog vodika HD

26

Rezultati mjerenja HD za sve uzorkepri Tp = 100 °C

Stanja pokusa za sve uzorke

RIK, N/mm2

RP BP MP

1 511,53 549,88 560,55

2 522,20 581,89 560,55

3 549,88 592,56 571,22

4 549,88 592,56 522,20

5 549,88 592,56 571,22

6 549,88 592,56 522,20

7 549,88 592,56 500,87

8 549,88 592,56 500,87

9 549,88 609,57 511,53

10 571,22 581,89 438,29

11 549,88 609,57 581,89

12 581,89 609,57 500,87

13 522,20 598,90 609,57

14 581,89 598,90 522,20 27

Rezultati ispitivanja RIK za sve uzorke

• Mjerenje tvrdoće provedeno je na makroizbruscima iz implant epruveta

• API standard navodi kako vrijednosti tvrdoće za ovu vrstu materijala ne smije prelaziti vrijednosti od 345 HV10

• Prema normi HRN EN 10208-2:1996 utvrđena je oznaka čelika, prema stanju isporuke materijala – L555MB

• Prema normi CEN ISO/TR 20179-2009 (norma za rastvrstavanje čelika) čelik X80 pripada skupini 2.2

• Prema normi HRN EN ISO 15614-1 tvrdoća čelika ne smije prelaziti vrijednost u 380 HV10

28

Mjerenje tvrdoće HV10

• Na slici je prikazan raster mjerenja tvrdoće

29

Mjerenje tvrdoće HV10

• HV10 za rutilnu žicu A

30

Rezultati mjerenja tvrdoće HV10

• HV10 za bazičnu žicu A

31


• HV10 za rutilnu žicu B

32


• Matematički model HD za rutilnu žicu A glasi:

33

Statistička analiza i izrada matematičkog modela za HD

Gdje su:

HD – Količina difundiranog vodika, ml H2 / 100 g zavaraTp – Temperatura predgrijavanja, °CE – unos topline, kJ/cm

• Matematički model RIK za rutilnu žicu A glasi:

34

Statistička analiza i izrada matematičkog modela za RIK

Gdje su:


• Matematički model HD za bazičnu žicu A glasi:

35


Gdje su:


36


• Matematički model RIK za bazičnu žicu nije utvrđen jer su odstupanja između rezultata mjerenja vrlo mala

• Zakonitost bi se mogla utvrditi eventualno sofisticiranijom metodologijom i konceptom

• Ovi rezultati, prema iznosima RIK, upućuju na dobru otpornost materijala prema pojavi hladnih pukotina jer je RIK > Rp0,2

• Matematički model HD za rutilnu žicu B glasi:

37


Gdje su:


• Matematički model RIK za rutilnu žicu B glasi:

38


Gdje su:


• Analiza uključka

39

Metalografska analiza

Zamka za vodik!

Uključak kemijskog sastava O, Mg i SiPovršina uključka 1120 µm2

B6 uzorakTp = 100 ⁰CE = 12 kJ/cm

• Analiza uključka

40

Metalografska analiza

-Uključak s kemijskim elementima Ca, Si i O-Zamka za vodik

Uzorak M4E = 12 kJ/cm i Tp = 100 ⁰C

41

Hladne pukotine

M1E = 12 kJ/cm i bez predgrijavanja

M1Tp = 20 °CE = 12 kJ/cmHD = 2,283 ml H2 / 100 g

42

Hladne pukotine

Uzorak M9E =16 kJ/cm i Tp = 45 ⁰CHD = 2,746 ml H2 / 100 g

• API 5L X80 – feritno perlitna struktura

43

Analiza mikrostruktue

44

Mikrostruktura metala zavara i zone utjecaja topline za rutilnu žicu A

45

Mikrostruktura metala zavara i zone utjecaja topline za bazičnu žicu A

46

Mikrostruktura metala zavara i zone utjecaja topline za rutilnu žicu B

• Na svim uzrocima uočen je žilavi lom• Lom je nastupio u osnovnom materijalu

47

Analiza površine loma implantepruveta

RP BP MP

Primjer za: E = 12 kJ/cm ; bez predgrijavanja

• Mjerenjem količine difundiranog vodika glicerinskom metodom utvrđeno je kako difuzija vodika ima svoju zakonitost

• Na temelju rezultata moguće je bilo odrediti matematičke modele

• Optimalno područje rada na svim uzorcima je s unosom topline od 12 kJ/cm i pri temperaturi predgrijavanja 100 °C

48

Zaključak

• Snažniji utjecaj na model ponašanja difuzije vodika ima unos topline

• Matematički modeli za sve skupine uzoraka međusobno se razlikuju zbog različitog kemijskog sastava dodatnog materijala

• Uključci (na bazi Mn, Si, O i S) veličine oko 3 µm i nehomogenosti u materijalu mogu predstavljati zamke za vodik u eksploataciji

49

Zaključak

• Za čelik s ekvivalentom ugljika (pcm) 0,19 utvrđena kritična koncentracija difundiranog vodika kod koje može doći do pojave pukotina iznosi 2,3 ml H2 / 100 g zavara, pa je potrebno provesti predgrijavanja na minimalno 50 °C

50

Zaključak

• Težnja ka stvaranju univerzalnog matematičkog modela za predviđanje unosa količine difundiranog vodika

• Analiza kemijskih spojeva u materijalu koji bi djelovali kao zamke za vodik, te utvrditi njihovu energiju vezivanja vodika

• Provesti ispitivanje zavarljivosti implant metodom uz sofisticiraniju mjernu skalu

51

Prijedlozi za nastavak istraživanja

52

Hvala na pažnji!

obrana doktorskog rada.ppt

Documents