Cap 4 Sudura Tf

11
4. Fragilitatea =i fragilizarea imbinarilor sudate Ruperea fragila (f[r[ deforma\ii plastice la nivel macroscopic =i cu vitez[ de propagare foarte mare, practic instantanee) are ca factori de baza : pierderea local[ a plasticit[\ii materialului =i existen\a ]n aceast[ zona a unei st[ri de tensiune de ]ntindere, peste care se suprapun factori agravan\i (fragilizan\i) care pot fi pot determina fragilitate (pierderea reversibila a plasticit[\ii) sau fragilizare (pierderea ireversibil[ a plasticit[\ii). Factorii fragilizan\i care determin[ fragilitate sunt: temperatura, viteza de solicitare =i triaxialitatea tensiunilor. Factorii fragilizan\i care determin[ fragilizare sunt: deformarea plastic[ la rece, tratamente termice, imb[tr`nirea natural[ sau artificial[, saturarea cu gaze, coroziunea, uzura. OBS. }n cazul ]mbin[rilor sudate un rol important ]l au “concentratorii” metalurgici – varia\ii bru=te de structur[, de caracteristici mecanice, de dimensiuni ale gr[un\ilor =i “concentratorii” mecanice – tensiuni reziduale, care se reg[sesc ]n zona influen\at[ termic (ZIT). Studiile =i analizele a numeroase avarii datorate ruperilor fragile au aratat c[ acestea s-au produs prin cumularea de factori =i simultaneitate de ac\iune. Existen\a ZIT-ului la ]mbin[rile sudate conduce la existen\a unui num[r important de factori fragilizan\i care suprapu=i pe cei de baza pot conduce la ruperi fragile cu efecte, de multe ori, catastrofale. 4.1 Factori fragilizan\i dependen\i de metal 4.1.1 Temperatura In cazul materialelor de baz[ cu structur[ CVC (o\eluri slab aliate, feritice, martensitice), temperatura este un factor fragilizant care determina fragilitate ]n cazul exploat[rii la temperaturi mai mici dec`t t tr. Determinarea temperaturii de tranzi\ie se face, uzual, prin conducerea incerc[rii de incovoiere prin =oc dealungul unui domeniu de temperaturi. Criteriile pentru determinarea acestei caracteristici sunt prezentate ]n figura 4.1

Transcript of Cap 4 Sudura Tf

Page 1: Cap 4 Sudura Tf

4. Fragilitatea =i fragilizarea imbinarilor sudate

Ruperea fragila (f[r[ deforma\ii plastice la nivel macroscopic =i cu vitez[ de propagare foarte mare, practic instantanee) are ca factori de baza : pierderea local[ a plasticit[\ii materialului =i existen\a ]n aceast[ zona a unei st[ri de tensiune de ]ntindere, peste care se suprapun factori agravan\i (fragilizan\i) care pot fi pot determina fragilitate (pierderea reversibila a plasticit[\ii) sau fragilizare (pierderea ireversibil[ a plasticit[\ii). Factorii fragilizan\i care determin[ fragilitate sunt: temperatura, viteza de solicitare =i triaxialitatea tensiunilor. Factorii fragilizan\i care determin[ fragilizare sunt: deformarea plastic[ la rece, tratamente termice, imb[tr`nirea natural[ sau artificial[, saturarea cu gaze, coroziunea, uzura. OBS. }n cazul ]mbin[rilor sudate un rol important ]l au “concentratorii” metalurgici – varia\ii bru=te de structur[, de caracteristici mecanice, de dimensiuni ale gr[un\ilor =i “concentratorii” mecanice – tensiuni reziduale, care se reg[sesc ]n zona influen\at[ termic (ZIT). Studiile =i analizele a numeroase avarii datorate ruperilor fragile au aratat c[ acestea s-au produs prin cumularea de factori =i simultaneitate de ac\iune. Existen\a ZIT-ului la ]mbin[rile sudate conduce la existen\a unui num[r important de factori fragilizan\i care suprapu=i pe cei de baza pot conduce la ruperi fragile cu efecte, de multe ori, catastrofale. 4.1 Factori fragilizan\i dependen\i de metal

4.1.1 Temperatura In cazul materialelor de baz[ cu structur[ CVC (o\eluri slab aliate,

feritice, martensitice), temperatura este un factor fragilizant care determina fragilitate ]n cazul exploat[rii la temperaturi mai mici dec`t ttr. Determinarea temperaturii de tranzi\ie se face, uzual, prin conducerea incerc[rii de incovoiere prin =oc dealungul unui domeniu de temperaturi. Criteriile pentru determinarea acestei caracteristici sunt prezentate ]n figura 4.1

Page 2: Cap 4 Sudura Tf

Fig. 4.1

Cel mai uzual criteriu utilizat ]n practic[ este: texp ≥ ttr(3,5). Acesta

trebuie verificat pentru toate zonele ]mbinarii sudate, astfel: - pentru materialul de baza produc[torul garanteaz[ KV (KCV, KCU)

prin clasa de calitate care se asigur[ prin aliere, tehnologie de ob\inere a semifabricatelor etc. Se recomand[ ttr

MB(3,5) ˆ texp – 10OC. - pentru ZIT, ttr

ZIT(3,5) este dependent[ de procedeul =i tehnologia de sudare; se determin[ prin ]ncerc[ri determinate pe epruvete prelevate dup[ reguli standardizate (proba IIS cu plac[ =i tehnologie etalon);

- pentru CUS, ttrCUS(3,5) este dependent[ de MB, MA, procedeu si

tehnologie de sudare; epruvetele se preleveaz[ astfel ]nc`t crest[tura s[ fie pe axa cus[turii – zona cu segrega\ie maxim[.

Pentru imbin[rile sudate se consider[ =ase clase de calitate a=a cum se indic[ ]n tabelul 4.1. Corespunz[tor acestor clase de calitate performan\ele procedeelor de sudare sunt prezentate ]n tabelul 4.2.

Page 3: Cap 4 Sudura Tf

Tabelul 4.1

Tabelul 4.2

Page 4: Cap 4 Sudura Tf

Indiferent de procedeul de sudare, cre=terea num[rului de straturi al CUS are efecte din punct de vedere al clasei de calitate prin efectul de recoacere al straturilor realizate realizat prin depunerea straturilor urm[toare.

4.1.2 Constituen\ii fragili din ZIT Formarea unor constituen\i fragili ]n ZIT produce fragilizare.

Intensitatea acesteia se estimeaz[ cu ajutorul durit[\ii maxime sub cordon (metoda IIS cu placa =i tehnologie etalon).

Mult mai rar , estimarea fragiliz[rii se face direct prin determinarea procentului acestora ]n structura ZIT. Se consider[ c[ fragilizarea este periculoas[ dac[ cantitatea de martensit[ dep[=e=te 10%. Aceast[ metod[ este dificil de aplicat =i se limiteaz[ numai la o\eluirle nealiate =i slab aliate. M[sur[torile sunt dependente de experien\a, calificarea =i abilitatea operatorului.

4.1.3 Imb[tr`nirea Fenomenul de ]mb[tr`nire const[ ]n pierderea treptat[ =i ireversibil[ a

plasticit[\ii (fragilizare) f[r[ (]mb[tr`nire natural[) sau cu (]mb[tr`nire artificial[) interven\ia unor factori externi.

Cauzele ]mb[tr`nirii naturale sunt multiple =i efectele lor se cumuleaz[. Pe primul loc se afl[ precipitarea unor faze secundare din solu\ii solide suprasaturate: gazele care s-au dizolvat ]n MB lichid, carburile, nitrurile =i carbonitrurile de fier =i de alte lemente metalice (Al, V, Nb, Ti etc), compu=i intermetalice =i altele. Precipitatele se disperseaz[ fin in solu\ia solid[ a masei metalice de baz[, bloc`nd treptat disloca\iile, deci sc[derea plasticit[\ii.

Imb[tr`nirea artificial[ este similar[, numai c[ aceste procese sunt accelerate de temperatur[ =i de deformarea plastic[ la rece anterioar[ inc[lzirii. O astefel de succesiune de opera\ii tehnologice se poate u=or ]nt`lni la fabricarea aparaturii statice pentru industria chimic[ =i petrochimic[ (deformare plastic[ la rece a unor semifabricate laminate =i ]mbinarea acestora prin sudur[). Pentru o\elurile carbon =i slab aliate sudabile parametrii deformare, temperatur[ care pot produce ]mb[tr`nirea artificial[ sunt: grad de deformare ε ˆ 10%, temperatura de ]nc[lzire ulterioara t ˆ 300OC.

Experimental (v. =i STAS 6774) , inclina\ia spre fragilizare prin ]mb[tr`nire artificial[ a o\elurilor se face prin incercarea de incovoiere prin =oc efectuat[ pe epruvete cu crestatura ]n U sensibilizate la parametrii grad

Page 5: Cap 4 Sudura Tf

de deformare, temperatur[ de mai sus =i pe epruvete din materialul de baza ]n stare ini\ial[. Dac[ raportul vsalorilor rezultatelor ]ncercarii pentru cele dou[ situa\ii este mai mic de 0,5 atunci exist[ pericolul fragiliz[rii prin ]mb[tr`nire.

4.1.4 Detensionarea Func\ie de MB =i de grosimea componentelor, exist[ situa\ii ]n care

tratamentul termic de detensionare poate determina fragilizarea structurii sudate. Explica\ia acestui fenomen este dat[ de prezen\a asustenitei reziduale ]n ZIT. }n cazul o\elurilor slab aliate cu Mn, probabilitatea prezen\ei austenitei reziduale ]n ZIT cre=te ]ncep`nd de la gorsimi de 30 mm. La detensionare, austenita rezidual[ se descompune. Procesul ]ncepe cu precipitarea cementitei =i se continu[ cu transformarea perlitic[. Aceasta structura va avea caracteristici de plasticitate sc[zute =i ]n plus cementita poate fi u=or atacata de oxigenul din atmosfera cuptorului accentu`nd procesul de fragilizare.

Fragilizarea prin detensionare, cunoscut[ sub denumirea <reheat cracking> a fost cauza unor grave accidente ale unor aparate cu perete gros care dup[ tratament, la proba de presiune au cedat.

Estimarea inclina\iei spre fragilizare prin detensionare se face pe baza calculului carbonului echivalent, cu formule dependente de tipul materialului de baz[, a durit[\ii maxime din ZIT (care ]n general trebuie s[ fie mai mic[ de 270HV10) =i prin valorile g`tuirii la rupere pentru epruvete senzibilizate pe simulatoare de cicluri termice =i ]ncercate la temperatura de 600...650OC.

Evitarea acestui fenomen se face prin luarea tuturor m[surilor tehnologice pentru a se ob\ine structuri sudate far[ tensiuni interne (dar cu deforma\ii) astfel ]nc`t s[ nu mai fie necesar tratamentul termic. De altfel s-a constatat c[ la proba de presiune, prin deforma\ii palstice locale se descarc[ tensiunile remanente astfel c[ devine inutil tratamentul termic de detensionare.

4.2 Factori fragilizan\i dependen\i de MB, procedeu =i tehnologie 4.2.1 Fragilizarea datorit[ hidrogenului Fragilizarea datorit[ hidrogenului (HC – hydrogen cracking)

determin[ fisurarea la rece (int`rziat[) =i fisurarea sub cordon.

Page 6: Cap 4 Sudura Tf

A. Fisurarea la rece (întârziată) , se manifestă ca o rupere fragilă , prezentând următoarele particularităţi :

• se produce la temperaturi relativ scăzute , dar nu foarte joase; • apare după un timp , τr , de la executarea sudurii; • de obicei în momentul ruperii solicitarea, σr este mică.

Factorii principali care favorizează fragilizarea întârziată sunt prezentaţi în figură:

Fig. 4.2

B. Fisurarea sub cordon apare la ]mbin[rile de col\ atunci c`nd temperatura CUS scade sub 70 … 80OC mai frecvent ]n cazul o\elurilor calmate. Cauzele fenomenului sunt: acumularea de hidrogen, tensiuni ]n zona sudurii, fragilizarea ZIT-ului. Sursele de hidrogen in imbinarea sudat[ sunt: umezeala componentelor =i a materialelor de adaos, petele de gr[sime =i rugin[. Cantitatea de hidrogen con\inut[ de aceste surse este hidrogenul poten\ial, notat PH, ml H2/100 g MD. Cantitatea de hidrogen din sudur[ (ZIT+CUS) se nume=te nivelul hidrogenului, notat NH. Leg[tura dintre NH =i PH pentru principalele procedee de sudare este dat[ ]n figura 4.3 Hidrogenul se g[se=te ]n coloana arcului sub form[ atomic[ =i astfel se dizolv[ ]n baia de metal topit. La solidificarea cus[turii o parte este prins ]n re\eua cristalin[ a austenitei. La r[cire, transformarea austenit[ ]n ferit[, are ca efect o sc[dere pornun\at[ a solubilit[\ii atomilor de hidrogen, care vor tinde s[ difuzeze spre zona austenitic[. Aceasta se va g[sii ]n ZIT, care se r[ce=te mai ]ncet dec`t CUS deoarece prime=te c[ldur[ de la baia de metal topit. Astfel, ]n zona adiacent[ liniei AB (v. fig. 4.4), din ZIT hidrogenul acumulat nu mai poate fi cedat la transformarea austenit[ ]n ferit[. }n plus, ]n ZIT mai intr[ hidrogen direct din baie ]n zona adiacent[ liniei CD.

Page 7: Cap 4 Sudura Tf

Fig. 4.3

Fig 4.4

Page 8: Cap 4 Sudura Tf

Hidrogenul atomic dizolvat ]n re\eaua cristalin[ a Feα are posibilit[\i mari de difuziune, el acumul`ndu-se ]n zonele cu defecte. Aici se recombin[ ]n hidrogen molecular, H2 =i determin[ cre=teri locale ale presiuni. Consecin\a este reducerea dimensiunilor critice ale defectelor deci fragilizare. Fenomenul este accentuat ]n zonele cu tensiuni remanente de ]ntindere =i de prezen\a constituen\ilor duri =i fragili. }n concluzie sc[derea con\inutului de H (nivelul de hidrogen, NH) din ]mbinarea sudat[ urc[ curbele σr ˆ f(τr), m[rindu-se σr,min , deci scade pericolul fisur[rii la rece =i invers. Influen\a temperaturii este complex[. O dată cu creşterea temperaturii se dezvoltă 2 categorii de procese cu influenţe opuse (v. fig.4.5):

- scade rezistenţa la tensiuni tangenţiale a zonelor intergranulare (R. S. Ig); - creşte mobilitatea dislocaţiilor (MD) , se amplifică procesul de anihilare a dislocaţiilor de semne contrare (AD) rezultând ordonarea suprafeţelor de separaţie a grăunţilor (O. S. Ig).

Fig. 4.5

Consider`nd mecanismul fragiliz[rii ]nt`rziate pe baza schemei lui C. Zauer, propus pentru explicarea fluajului (deform[ri tangen\iale ]n zona intergranular[ a gr[un\ilor, cu acumularea de defecte pe suprafe\ele gr[un\ilor normale pe direc\ia tensiunii, cu formarea de microfisuri care ]n cazul atingerii dimensiunii critice se pot propaga instabil conduc`nd la rupere) rezult[ c[:

Page 9: Cap 4 Sudura Tf

- la temperaturi sc[zute (-70 ... -100OC) fisurarea nu se produce din cauza rezisten\ei mari la tensiuni tangen\iale a suprafe\elor de separa\ie a gr[un\ilor =i <]nghe\[rii> disloca\iilor;

- la temperaturi ridicate are loc relaxarea tensiunilor =i prin aceasta pericolul fisur[rii datorit[ hidrogenului este eliminat. }n concluzie, (v. fig. 4.6) pentru τr = const. ( timpul până la rupere )

cumulând aceste efecte , σr efortul care conduce la fraglizarea întârziată variază după curba 1) constatându-se existenţa lui σr min. De asemeni pentru σr=σr min timpul până la rupere variază după curba 2).

Alţi factori care favorizează fragilizarea întârziată sunt: - creşterea dimensiunii grăunţilor în ZIT ; - segregarea la marginea acestora a impurităţilor şi a elementelor de

aliere , cu formarea structurilor de dezechilibru ⇒ scăderea rezistenţei structurilor intergranulare ;

- creşterea nivelului tensiunilor interne ; - oţeluri cu călibilitate ridicată cu %C ridicat, spre deosebire de

oţelurile cu C<0,12 % martensito-feritice la care martensita cu grad redus de tertragonalitate şi deci cu modificări mai mici de volum (scade nivelul tensiunilor structurale) prezintă rezistenţă mai bună la fragilizare întârziată.

4.2.2 Destr[marea lamelară Apare la sudarea laminatelor de grosime mare s > 50mm. Ea constă în formarea unor fisuri ce se propagă în trepte sub cordonul de sudură şi apar imediat după sudare.

Fig. 4.6

Page 10: Cap 4 Sudura Tf

Apare cu precădere la sudarea manual[, când nu se aplică preîncălzirea. Explicaţia : anizotropia proprietăţilor mecanice generate de orientarea în şiruri. Ca urmare a solicitărilor de întindere perpendiculare pe direcţia fluajului. T.T. prealabile ( normalizare , recoacere de omogenizare ) nu elimină acest defect. Evitare: prin soluţii constructive corespunzătoare: a) folosirea de îmbinării cap la cap astfel ]nc`t s[ nu nu apar[ tensiuni normale pe fibraj.

Fig. 4.7

b) depunerea unor straturi tampon cu plasticitate ridicată care preiau deformaţiile sau ordinea de depunere corect[

Page 11: Cap 4 Sudura Tf

Fig. 4.8 c) oţeluri cu puritate ridicată.