Projekti / Programi
Varivost kovin in lomne lastnosti zvarnih spojev
01. januar 1999
- 31. december 2003
Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
2.10.00 |
Tehnika |
Proizvodne tehnologije in sistemi |
|
2.04.00 |
Tehnika |
Materiali |
|
2.11.00 |
Tehnika |
Konstruiranje |
|
Koda |
Veda |
Področje |
T130 |
Tehnološke vede |
Produkcijska tehnologija |
T150 |
Tehnološke vede |
Tehnologija materialov |
T165 |
Tehnološke vede |
Laserska tehnologija |
T220 |
Tehnološke vede |
Gradbeništvo, hidravlika, priobalna tehnologija, mehanika zemljin |
T450 |
Tehnološke vede |
Kovinska tehnologija, metalurgija, kovinski izdelki |
Visoko trdnostna jekla, zlitine Al in Ti, visoka leg. jekla, varivost, lomna in udarna žilavost, OP in VEM mikroskopija, notranje napetosti simulacije varivosti,
Raziskovalci (21)
Organizacije (1)
Povzetek
Program je namenjen raziskavam spajanja tehnično uporabnih kovin z varjenjem ter razvoju novih materialov in tehnologij.
a) Varivost materiala je temelj uspešnega spajana tehnično uporabnih kovin z varjenjem, ki morajo ostati trdno spojene ves čas uporabe izdelka. Če je trdnost zvarnega spoja manjša od trdnosti vgrajenega materiala, ostane del materiala neizkoriščen. Zato se pri raziskovalnem delu ni dovolj posvetiti le varivosti ter vzrokom in pojavom, ki vplivajo na slabšo ali boljšo varivost. Da bi lahko trdnost zvarnih spojev zvečali je nujno poznati njihovo obnašanje v raznoterih stanjih in napetostnih situacijah. Pri tem je treba uporabiti zakonitosti mehanike lome in upoštevati specifičnosti, ki so povezane z obstojem razpok v obremenjenih zvarnih spojih. Razpoke namreč ne vplivajo samo na nivo napetosti, ampak vplivajo na napetostno stanje, posredno pa na lastnosti materiala, v katerem so napetosti v interakciji z razpokami.
Razlike med lastnostmi kovinskih materialov pred in po predelavi z varjenjem so posledica različne mikrostrukture. Lastnosti polikristalnih kovinskih materialov so odvisne od mikrostrukture, ta pa je funkcija kemične sestave, izhodnega stanja in termo-mehanske zgodovine, ki pa zadeva tudi predelavo. Mikrostruktura osnovnega materiala z določeno sestavo je produkt v naprej predvidene in natančno izvedene termične ali termomehanske obdelave pri proizvajalcu. Pri mikrostrukturi zvarnega spoja pa je pomembna končna kemična sestava posameznih področij (var/varki in različni deli TVP) ter pri talilnem varjenju nujni in izredno težko nadzorovani termični oziroma termomehanski vpliv samega varjenja. Pri izdelavi zvarnih spojev je dejanski termični vpliv odvisen od same tehnologije predelave.
Zvarni spoji povzročajo koncentracijo napetosti. Te so posledica tako zunanjih obremenitev (mehanske,termične) kot notranjih. Zaradi prisotnosti nehomogenosti v zvarnih spojih industrijske kakovosti, zaostalih napetosti, ki so tudi posledica varjenja s taljenjem, ter preobremenitev varjenih konstrukcij pred in med uporabo, se lom po pravilu začne v samih spojih. Zvarni spoji so torej najšibkejši členek varjenih konstrukcij. Lom zvarnih spojev se ponavadi manifestira s porušitvijo konstrukcij (ali strojev), ki tako ne postanejo le neuporabne, ampak pri tem, še posebno če gre za veliko kapitalno opremo, ogrožajo življenja in uničujejo okolje.
Lastnosti obremenjenih zvarnih spojev, ki se lomijo pod vplivom razpoke, so temelj kvantitativne ocene trdnosti zvarnih spojev z razpokam-podobnimi napakami. Potek presojanja lomnih lastnosti zvarnih spojev z izrazitimi trdnostnimi neenakostmi je bistveno drugačen kot pri konstrukcijskih elementih s pretežno uniformnimi lastnostmi. Obetajoči so predvsem veliki natezni (WP) preizkušanci, v katerih so razmere v zvarnem spoju z razpoko zaradi razsežnosti dokaj blizu tistim v realnih razmerah. Takšno eksperimentalno delo, ki je zaradi velikosti preizkušancev zahtevno in povezano z velikimi stroški pri pripravi preizkušancev, nabavi raziskovalne opreme in dolgotrajnem testiranju, da bistveno realnejše rezultate, kot bolj praktični majhni preizkušanci, pri katerih so rezultati prepesimistični. Načrtovanje tehnologije izdelave zvarnih spojev in njihovo dimenzioniranje, zasnovano na prepesimističnih rezultatih raziskav, pa vodi k slabem izkoristku materiala, in tako k neekonomičnosti.
b) Raziskovalni program pri razvoju novih materialov in tehnologij je usmerjen (1) k izdelavi zlitin s posebnimi mikrostrukturami in lastnostmi s tehnologijo kontinuiranega litja ter (2) k izdelavi diskontinuirano ojačanih kompozitov s kovinsko osnovno (predvsem kompozitov na osnovi bakra in aluminija). Pri tem je poudarek namenjen študiju fizikalno-kemijskih procesov, ki potekajo v tekočem, delno tekočem in trdnem stanju, saj temeljito razumevanje teh procesov omogoča hitrejše doseganje želenih mikrostruktur ter lastnosti materialov, prav tako pa pospeši razvoj primernih tehnologij izdelave.
...
Pomen za razvoj znanosti
Za opisano vsebino programa raziskav smo zainteresirali nemški inštitut GKSS v Geestacht-u v bližini Hamburga, ki ima na razpolago velike laboratorijske kapacitete in je z nami pri realizaciji programa pripravljen sodelovati.Rezultati in izkušnje bodo vkorist obeh. V znanstvenem smislu so raziskave pomembne zato, ker bodo omogočile presoditi stopnjo medsebojne povezave rezultatov testiranja žilavosti na velikih in malih preizkušancih. Majhni preizkušanci, ki dajejo prekonzervativne
rezultate, niso uporabni za presojo dejanske varnosti varjenih konstrukcij, so pa mnogo cenejši in do rezultatov privedejo po bistveno enostavnejši poti. Omogočajo razvrstiti materiale po stopnji podvrženosti krhkosti pri določeni temperaturi glede na način izdelave oziroma predelave. Menimo, da bi postavitev korelacijske zveze med udarno in lomno-mehansko CTOD žilavostjo,izmerjeno na velikih WP preizkušancih, veliko prispevala razumevanju in pravilnem ocenjevanju zmogljivosti zvarnega spoja v realnih pogojih uporabe varjene konstrukcije ali stroja. Upoštevane bi bile tudi zaostale napetosti, prisotnost napak, odstopanje od predpisanih dimenzij in oblike zvarnih spojev, mediji itd.. Na ta način bi se lažje in z manjšimi stroški pristopilo k ocenjevanju varnosti varjenih konstrukcij in strojev na osnovi konceptov "Fitness for Purpose", ki zahteva interdisciplinarni pristop konstrukterjev, tehnologov, mehanikov, defektologov ter raznoraznih laboratorijev.
Razvoj tehnologij kontinuirnega litja posebnih zlitin in izdelave kompozitov s kovinsko osnovo bo prispevek k razumevanju osnovnih fizikalnih in kemijskih procesov, ki se dogajajo v proučevanih materialih.
Pomen za razvoj Slovenije
Obetamo si razširitev spoznanj o mehanizmih nastanka krhkega loma v grobozrnatem delu TVP na zvarnih spojih z izrazito trdnostno heterogenostjo in o pojavu lokalnih krhkih področij, ko je žilavost TVP, ki je izmerjena na klasični način (Charpy), zadovoljiva. Glavni vzrok pojava krhkega loma je mehanizem preusmeritve procesa loma v področje z mikrostrukturo, katere posledica je lokalno nižja meja tečenja materiala. Za to je odločilna trdnostna neenakost M med materialom vara in varjenim materialom. Spremeniti moramo dosedanje metode meritev žilavosti materiala TVP in razviti novo metodologijo, pri katerih rezultati eksperimentov za za določitev lomne žilavosti ne bodo odvisni od trdnostne nehomogenosti zvarnega spoja. Tako bo mogoče realno oceniti zmožnosti celotnega zvarjenega sklopa, da se obremenitvam zoperstavi tudi v primeru vpliva zelo ostre napake-razpoke.Določen napredek obeta uporaba Charpy preizkušancev z utrujenostno razpoko (instrumentirani Charpy preizkus), ki smo ga inštalirali v tem letu. Napredek pričakujemo le pri nekoloko nižjih trdnostnih razlikah, do M=1,2. Vrazmerah, ko je M>1,2 pričakujemo ustreznejše rezultate pri CTOD/CT preizkušancih, izrezanih iz zvarnega spoja tako, da je konica razpoke v TVP v smeri pravokotno na os zvara v različnih oddaljenostih od črte taljenja. Raziskave so fokusirane v eksperimentalno določevanje žilavostnih lastnosti mikrostrukturnih področij zvarnega spoja, ki so merodajna za pojav krkih nestabilnosti v spojih z M=1. V stanju bomo izdelati orodje za ocenjevanje kvalitete in varnosti tako novo zgrajenih varjenih konstrukcij in strojev, kakor tistih, ki že obratujejeo, pa se dejansko o varnosti pri njih sploh nič ne ve. Rezultati raziskav, ki jih bomo opravili na velikih in majhnih preizkušancih, na zvarnih spojih z namenoma ustvarjenimi velikimi razlikami v mehanskih lastnostih, bodo pomembni za slovensko srokovno raven, za občutek in spretnost pri raziskovanju in za uporabo v praksi.
Raziskave novih materialov in tehnologij njihove izdelave predstavljajo osnovo za prenos v industrijsko proizvodnji. Velik delež znanja in in dodane vrednosti pri sodobnih materialih bi lahko povečal konkurenčno sposobnost slovenskega gospodarstva.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Zaključno poročilo