Oceli do nízkých a kryogenních teplot - ateam.zcu.cz

Oceli do nízkých a kryogenníchteplotPodkladem pro přednášku bylazpráva pro Výzkumné centrumkolejových vozidel.

Železniční neštěstí u Eschede3.června 1998Statistika•pasažérů: 287 (v ICE-1 max. 651)•mrtvých: 101•vážně zraněných: 88•nezraněných: 106

• Největší rozvoj nízkoteplotních ocelí nastalna počátku 20.stol, z důvodu nutnostinalezení vhodných materiálů pro skladovánía dopravu zkapalněných plynůNádoba pro zkapalněnéplyny uskladněné při teplotě-163°C (např. etylen)

• Podle minimální pracovní teploty můžeme konstrukčnímateriály pracující v oblasti kryogenních teplot rozdělitdo třech základních skupin:1) oceli pracující do teplot -50°C2) oceli pracující do teplot -100°C3) oceli pracující do teplot blížících se teplotě absolutní nulyPříklady možnosti výběru materiálu:Ad1) konstrukční jemnozrnné mikrolegované oceliAd2) nízkolegované oceli s obsahem niklu od 2,5 do 6%Ad3) 9% Ni ocele martenziticky vytvrditelné, manganové oceli,austenitické CrNi, či MnCr ocele a slitiny

• Obecně se jedná o oceli, které si zachovávají uspokojivouhouževnatost i za teplot pod –10°C.• Oceli používané za nízkých nebo kryogenních teplot si musíoproti běžným druhům konstrukčních materiálů zachovávatpředevším dostatečnou houževnatost a také vysokou a pokudmožno v závislosti na teplotě nesnižující pevnost.• Obecně lze tedy říci, že oceli, které jsou používány při velminízkých teplotách (event. při kryogenních teplotách), musíkromě svých základních charakteristik splňovat v prvé řaděpožadavek vysoké úrovně lomové houževnatosti za podmíneknízkých pracovních teplot.

• Výroba konstrukcí z nízkoteplotních ocelíobvykle zahrnuje procesy svařování.Z tohoto důvodu je nezbytnou podmínkouaplikovatelnosti těchto ocelí nutnýpožadavek na zaručenou svařitelnost

Liberty ship – jedna z prvníchsvařovaných lodních konstrukcí,vyrobeno 2700 lodí, každá 7. postiženakřehkým lomemPorušení lodí bylo zapříčiněno souhrou:• konstrukce – většina lomů byla iniciována v rozích hranatýchpalubních otvorů, v nichž bylo koncentrováno napětí•použitého materiálu – použitá ocel měla velmi nízkou dynamickoulomovou houževnatost – až tak, že některé lodi se rozlomily dřívnež byly nasazeny do boje v chladných vodách•výroby – svary zhotovené nezkušenými pracovníky obsahovalyporuchy podobné trhlinámLomová houževnatost použitých oceli byla zcela dostatečná pro nýtované konstrukce, kdekaždá trhlina může být zachycena na nýtu; ve svařovaných konstrukcích však trhlinanenarazí na žádnou barieru a může tak projít celým trupem.

Jaké oceli jsou považovány za oceli vhodné pro práci zanízkých teplot?• snaha o nalezení kriteriální hodnoty rázové energie• zjištěna hodnota KV = 20 ft. lb., což odpovídá energii 27,11636 J=> Současné normy používají hodnotu 27 J (dříve se v našich normáchpoužívala hodnota KCV 35 J/cm 2 , což odpovídalo 28 J/0,8cm 2 )Nevýhoda hodnoty 27 J – platí pouze pro C-Mn oceli s mezí kluzu230-270 MPa, tloušťku stěny 10-38 mm a pro podmínky spojené sprovozem lodiVýhoda hodnoty 27 J – hodnota leží v ohybu tranzitní křivky, nadtouto hodnotou hodnota rázové práce s teplotou prudce vzrůstá

• dnes je v mnoha případech překročen požadavek minimální hodnotyvrubové houževnatosti, která je určena v normách.Přehled vývoje požadavků na houževnatost 9% niklových ocelíDnešní požadavky na minimální hodnoty houževnatosti převyšujítřikrát hodnoty požadované před 30 lety =>nutnost aplikacespeciálních tepelných zpracování.

Další pro nízkoteplotní materiály důležitou mechanickou veličinou,je tzv. přechodová teplota• udává teplotu, při které dochází k přechodu houževnatého porušení materiálu nakřehký charakter porušení• snižuje-li se teplota při zkoušce, klesá nárazová práce potřebná k přeraženízkušební tyče• za vyšších teplot zjišťovaný houževnatý (tvárný) lom se při poklesu teploty měnív lom křehký, který je obecně charakteristický pro nižší teploty

Určuje se z křivky teplotnízávislosti vrubovéhouževnatosti, získané nasouboru více zkušebních tyčí,přeražených při různýchteplotách.Podstata přechodové teploty:• v závislosti na teplotě a rychlosti deformace se lomová pevnostvýznamněji nemění, kdežto mez kluzu je velice závislá na jejichzměně• křivky lomové pevnosti a meze kluzu se protnou v bodě, kterýodpovídá přechodové t p.

Zjištění přechodové energie: jelikož existuje mnoho jejich definicí,existuje i mnoho způsobů jejího určení.1.Nejnižší teplota, při níž je lom zkušební tyče v celém průřezuhouževnatý2.Teplota, při níž houževnatý lom tvoří 50% celkové lomové plochyzkušební tyče.3.Teplota odpovídající střední hodnotě vrubové houževnatostiKC stř.= (KC max+ KC min)/24.Teplota odpovídající inflexnímu bodu křivky teplotní závislostivrubové houževnatostiPOZOR!!!!: Průběhy teplotní závislosti vrubové houževnatosti semění nejen podle druhu zkoušeného materiálu, ale i podlestrukturního stavu, který je dán jednak technologií výroby a jednakprovozními podmínkami !!!!

V důsledku vlivu technologii výroby a zpracování dochází kposuvu křivky teplotní závislosti vrubové houževnatosti k vyššímteplotám – nebezpečný jev!!!

Přechodová teplota není konstantou, neboť může být ovlivněnamnoha faktory.Přechodová teplota, při které může dojít kekřehkému porušení se obecně snižuje:• Snížením obsahu uhlíku, je požadován maximálníobsah uhlíku 0,15%.• Snížením obsahu kyslíku, síry, mědi, fosforu a dusíku => tyto prvky ovlivňujívýrazně morfologii sulfidů a oxidosulfidů.• Zvýšením obsahu manganu (až do obsahu 1,60%), křemíku (pouze do 0,3%),niklu (ovlivňuje snížení největší měrou), hliníku, molybdenu, titanu, boru.• Snížením rychlosti deformace - čím větší je rychlost deformace, tím více se t pposouvá k vyšším teplotám• Zmenšení hloubky vrubu• Zvětšením rádiusu vrubu – minimálně na 6 mm

• Snížením velikosti zrna; toto je žádoucí, neboť při použití dezoxidované ocelis obsahem hliníku se při žíhání vytvoří jemná perlitická struktura a tím se přinásledném případném popouštění zabrání vzniku bainitu.• Zvýšením obsahu manganu – poměr Mn/C by měl být větší než 21, nejlépe 8.• Tvar a velikost vrubu(Čím je vrub větší a ostřejší, tím více set pposouvá k vyšším teplotám)• Vliv orientace podélné osy zkušebnítyče ke směru tváření - tvářenímvzniká vláknitost, textura v materiálu

• Stárnutí oceli - Projevuje se podstatným zvýšením t p, a to zejména u nízkouhlíkovéoceli (kolem 0,1 %C). Přispívá k němu fosfor, dusík a kyslík v oceli.• Technologie tváření a tepelného zpracování - Podle provedeného druhu tepelnéhozpracování nebo tváření se může t pbuď zvyšovat nebo snižovatPřechodovou teplotu zvyšují:• Kalení• Tváření za studena (deformace tlakem, malá deformace tahem)• Postupy, které mají za následek zhrubnutí struktury• Postupy, které mají za následek heterogenitu strukturyPřechodovou teplotu snižují:• Žíhání• Zušlechťování• Tváření za studena, po kterém následuje rekrystalizace.• Postupy, které mají za následek zjemnění struktury. Čím je menší velikostferitického zrna, tím je nižší tp• Postupy, které mají za následek vznik homogenní struktury.

• struktura oceli - výhodná je struktura vysoce popuštěného martenzitu. Pro zvýšeníprokalitelnosti se tyto oceli legují chromem a molybdenem.• povrchové technologické úpravy materiálů - v důsledku povrchového zpevněnímůže dojít ke zkřehnutí materiáluMetody měření tranzitních teplot:Charpyho zkouška rázem v ohybuPelliniho zkouška padajícím závažím - DWTT•Cílem této zkoušky je stanovenílimitní teploty t NDT, nad nížnedojde k nestabilnímu šířenílomu z malého, uměle vyvolanéhodefektu do základního materiálu ato při dynamickém namáhání a přinapětí kolem meze kluzu.

Robertsonův testPloché zkušební těleso o tloušťce stejnéjako tloušťka konstrukce je zatěžovanétahovým napětím σ. Na jedné stranězkušebního tělesa je vrub, tato strana jeochlazována kapalným dusíkem a protějšístrana je ohřívána plynovými hořáky. Takvzniká napříč tělesa teplotní gradient, kterýje naznačený v dolní části obrázku. Trhlinase vyvolá úderem na klín vložený do vrubua šíří se kolmo na směr tahového napětíV objemu, kde je nízká teplota, se šíří štěpná trhlina velicerychle, v závislosti na růstu teploty postupně rychlost trhlinyklesá až se trhlina úplně zastaví. Teplota místa zastavení trhlinyse označuje jako TZT – teplota zastavení trhliny, která přidaném nominálním napětí S ncharakterizuje schopnost materiáluzastavit šířící se trhlinu

=> To že se na rozdíl od charpyho zkoušky používá skutečnýchkonstrukčních prvků, má za úkol zjistit vliv konstrukčních prvkůna celkovou houževnatost konstrukcí a to především zaprovozních podmínek => tzv. typové zkouškyTěmito typovými testy se provádí především odhad iniciacemikrotrhlin a jejich zastaveníProto se provádí ještě např. vrubová zkouška tahem a vrubovázkouška rázem k přesnému určení kritické teploty iniciacetrhliny atd.

Vliv typu krystalové mřížky na nízkoteplotníchování materiálůPROČ?• Při záporných teplotách je chování kovů značně závislé na jejich krystalovéstruktuřeKovy krystalizující v BCC mřížce (kubické prostorově středěné mřížce):• mez kluzu a mez pevnosti jsou silně závislé na teplotě• vykazují již v úzkém intervalu záporných teplot ztrátu houževnatostiKovy krystalizující v FCC mřížce (kubické plošně středěné mřížce):• Mez pevnosti je mnohem více závislá na teplotě než jejich mez kluzu• Nevyskytuje se tak prudký pokles houževnatosti jako u kovů s BCC• Navíc některých kovů s kubickou plošně středěnou mřížkou docházíčasto při snižování teploty spíše k nárůstu jejich houževnatosti !!!

!!!=> Je tedy snaha používat pro nízkoteplotní aplikace legovanýchocelí s austenitickou strukturou, slitin mědi, niklu nebo hliníkovýchslitin!!!

Korozivzdorné materiály do nízkýchteplot• Z předchozích podmínek vyplývá, že nejvhodnějším materiálemjsou austenitické korozivzdorné oceli, nebo slitiny Ni(např.Inconel 706, 718)• Základním představitelem austenitických ocelí je ocel typuCr18Ni10 (AISI 304).• Austenitické ocele je možné dále dělit na nestabilní a stabilní podletoho, jestli vlivem poklesu teploty a působením deformace u nichdochází k martenzitické přeměně nebo si austenitickou strukturuzachovávajíNestabilní: např. 18Cr(8-10)NiStabilní: např. 25Cr20Ni

Přehled vybraných typů ocelí pro práci za nízkých teplot18Cr10Ni:- nestabilní !!!M s= 8°CM f= -126°CAustenitickáXMartenzitická???

Doporučení• Všude tam, kde se vyskytuje teplota nižší než –100°C, anebo kdesoučást s vrubem musí odolávat rázovému zatížení pod teplotou 0°C,je nejvhodnější používat 18/8 austenitické oceli (18%Cr, 8%Ni), nebojiné neželezné materiály s kubickou plošně středěnou mřížkouJediným typem ocelí, jenž je doporučována pro použití do kryogenníchteplot je niklová ocel s 9% obsahem niklu. Tento typ oceli lzebezpečně použít pro teploty až do –196°C. Tato ocel je také poměrnělevná a snadno se obrábí.Důvod: Její vysoká houževnatost je způsobena jemnozrnnou strukturouniklového feritu zbaveného karbidického síťový, které vyvolávánáchylnost ke zkřehnutí. Tato struktura se během žíhání na teplotu570°C roztaví a následně se z ní vytváří stabilní austenitické ostrůvky

Z austenitických ocelí vhodných pro práci při nízkých teplotách jsou tov prvé řadě méně nákladné oceli legované na bázi Mn-Cr-N neboMn-Cr-Ni-N.Oceli 304 a 304L (18/8) jsou zvláště vhodné pro výrobu zařízení prodopravu kapalných plynů a jiných kapalin, neboť u těchto typůzařízení je vyžadována odolnost vůči korozi a zároveň ocel nesmíkontaminovat dopravované kapalinyAISI 304

Nevýhody korozivzdorných ocelí:• nízká účinnost svarového spoje z důvodu vyžíhání materiálu běhemprocesu svařování• transformace na martenzit, která může nastat během expozicemateriálu v podmínkách kryogenních teplot ( lze plně vyřešit použitímfázově stabilní ocelí typu AISI 310 (X12Cr23Ni21)• u niklových ocelí je nutné udržet obsah fosforu a síry na extrémněnízké hodnotě - obsahem fosforu okolo 0,010% a síry pod 0,003% jedosaženo nejlepší kombinace mezi pevností a houževnatostí, zatímcoobsah fosforu pod 0,005% nemusí znamenat další nárůst houževnatosti

Uhlíkové oceli pro použití do nízkých teplot• vzhledem k pevnostním vlastnostem a relativně nízké ceně používá v celéřadě případů vybraných uhlíkových nebo nízkolegovaných konstrukčníchocelí• uvedené podmínky splňují například jemnozrnné oceli dokonale uklidněnéhliníkem, popř. jemnozrnné nízkolegované oceli (např. mikrolegované Nb)• uhlíkové oceli pro použití do nízkých teplot se vyznačují nízkými obsahyuhlíku a zároveň mají jemnozrnnou strukturuVýhody:+ nízká cena+ lepší svařitelnost než korozivzdorné oceli+ vysokou pevnost+ nižší koeficient tepelné vodivosti oproti jiným druhům ocelí

Přehled uhlíkových ocelí vhodných pro použití do nízkých teplot

Otázky ke zkoušce1. Co bylo důvodem, který zapříčinil rozvoj ocelí do nízkých akryogenních teplot?2. Jaká materiálová vlastnost je důležitá pro materiály do nízkých akryogenních teplot?3. Jaký je nejznámější případ, kdy došlo ke křehkému porušeníkonstrukce? Jaké příčiny vedly k tomuto křehkému porušeníkonstrukce?4. Jaké oceli jsou považovány za oceli vhodné pro práci do nízkých teplot.5. Jaké jsou výhody a nevýhody kriterální hodnoty rázové energie 27 J? Vdůsledku čeho byla zvolena tato hodnota?6. Přechodová teplota – definice, způsoby určení, podstata7. Faktory způsobující posuv přechodové teploty.8. Metody měření tranzitních teplot

9. Typové zkoušky – podstata, účel jejich použití10. Vliv typu krystalové mřížky na nízkoteplotní chování materiálů.Důsledky.11. Korozivzdorné materiály do nízkých teplot – zástupci, typy struktur12. Stabilní a nestabilní austenitické oceli.13. Uhlíkové oceli pro použití do nízkých teplot.