ΥΛΙΚΑ 1 L9 2.7 MHXANIΣΜΟΙ ΡΗΓΜΑΤΩΣΕΩΝ

Παρουσίαση με θέμα: "ΥΛΙΚΑ 1 L9 2.7 MHXANIΣΜΟΙ ΡΗΓΜΑΤΩΣΕΩΝ"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 ΥΛΙΚΑ 1 L9 2.7 MHXANIΣΜΟΙ ΡΗΓΜΑΤΩΣΕΩΝ
Δρ. Στέργιος Μαρόπουλος Καθηγητής

2 ΡΗΓΜΑΤΩΣΕΙΣ ΣΤΙΣ ΣΥΓΚΟΛΛΗΣΕΙΣ
Διαφορετικοί τύποι θραύσεων Προέλευση Τρόποι αποφυγής Πρότυπα κριτήριων αποδοχής ατελειών συγκολλήσεων: ΕΝ (για χάλυβα) ΕΝ

3 Aτέλειες συγκόλλησης a - Διαμήκης Ρηγμάτωση b - Εγκάρσια Ρηγμάτωση
c, d- Πόροι e - συστάδα πόρων f-γραμμικοί πόροι g - συρρίκνωση h-εγκλείσματα σκουριάς i- ατελής διείσδυση j, k-ατελής τήξη Ι-undercut m, n-υπερβολική ενίσχυση ο-ατελής πλήρωση ρ - overlap q-ευθυγράμμιση

4 Φαινόμενα Ρηγματώσεων - Ορισμοί
Ρωγμή (Crack) : δυσδιάστατος διαχωρισμός υλικού που δεν έχει ακόμα διαδοθεί κατά μήκος όλης της διατομής του μέρους. Θραύση (Fracture): ολικός διαχωρισμός του υλικού σε μακροσκοπικό εύρος. Το αποτέλεσμα είναι μια ελεύθερη επιφάνεια. Διαφορετικοί Τύποι Ρηγμάτωσης: Μικρορηγμάτωση (Micro Crack) Ρηγμάτωση που αναγνωρίζεται σε μία μεγαλύτερη από x6 μεγέθυνση. Μακρορηγμάτωση (Macrocrack) Ρηγμάτωση που αναγνωρίζεται με κανονική όραση (οπτική απόσταση αναφοράς 250 mm) ή σε μία μεγέθυνση μέχρι x6. Περικρυσταλλική ρηγμάτωση (Intergranular Crack) Διαδίδεται μέσω των ορίων των κόκκων του μετάλλου. Διακρυσταλλική Ρηγμάτωση (Transgranular Crack) Σχηματίζεται από μία φάση χαμηλού σημείου τήξης ενώ αυτή είναι ρευστή.

5 Ρηγμάτωση στερεοποίησης (Solidification/ Ηot Crack)
Δημιουργείται κατά τη διάρκεια στερεοποίησης του λουτρού συγκόλλησης. Ρηγματώση υγροποίησης (Liquation Crack) Δημιουργείται από το λιώσιμο μίας φάσης χαμηλού σημείου τήξης, η οποία π.χ. βρίσκεται στα όρια των κόκκων. Ψυχρή Ρηγμάτωση (Cold Crack) Σχηματίζεται σε στερεή κατάσταση του υλικού με υπέρβαση της ικανότητας παραμόρφωσης. Ψαθυρή Ρηγμάτωση (Brittle Crack) Σχηματίζεται ενώ το υλικό βρίσκεται σε μία κατάσταση χαμηλής δυσθραυστότητας (toughness). Η κατάσταση αυτή του υλικού μπορεί να οφείλεται στην θερμοκρασία, στο σύστημα επιβαλλόμενων τάσεων, στα γεωμετρικά χαρακτηριστικά, ή στην φύση του υλικού Ρηγμάτωση συρρίκνωσης (Shrinkage Crack) Σχηματίζεται εξαιτίας παρεμποδισμένης συρρίκνωσης. Μικροδομές χαμηλής παραμορφωσιμότητας ή χαμηλής αντοχής βοηθούν τον σχηματισμό της. Ρηγμάτωση υδρογόνου (Hydrogen Induced Cracking) Σχηματίζεται από αύξηση των παραμενουσών τάσεων εξαιτίας του υδρογόνου που κατακρημνίζεται από το κρυσταλλικό πλέγμα και λόγω των αλλαγών της δομής δεν μπορεί να διαχυθεί έξω από το υλικό.

6 Ρηγμάτωση σκλήρυνσης (Hardening Crack)
Σχηματίζεται από αλλαγές στην δομή. Αλλαγές στον όγκο προκαλούμενες από αυτές οδηγούν σε τάσεις. Ρηγμάτωση γεωμετρικών εγκοπών (Toe Crack) Σχηματίζεται σε τοποθεσίες υψηλής συγκέντρωσης τάσεων (γεωμετρικές εγκοπές) με την παρουσία μεταλλουργικών εγκοπών την ίδια στιγμή. Ρηγμάτωση Γήρανσης (Ageing Crack) Σχηματίζεται εξαιτίας των διαδικασιών γήρανσης. Ρηγμάτωση κατακρήμνισης (Precipitation Crack) Σχηματίζεται εξαιτίας της κατακρήμνισης εύθραυστων φάσεων κατά τη διάρκεια συγκόλλησης ή κατά τη διάρκεια επακόλουθης θέρμανσης. Διαστρωματική Ρηγμάτωση (Lamellar Tearing) Σχηματίζεται εξαιτίας της σχάσης των ζωνών διαφορισμού που περιέχουν μεγάλα επιμήκη μη μεταλλικά εγκλείσματα και οι οποίες είναι παράλληλες μεταξύ τους, όταν ένα προς συγκόλληση εξάρτημα φορτιστεί στην κατεύθυνση του πάχους.

7 ΘΕΡΜΗ ΡΗΓΜΑΤΩΣΗ (HOT CRACKING)
Αίτιες Θερμής Ρηγμάτωσης Το αίτιο για θερμή ρηγμάτωση είναι ένα είδος ευθραυστοποίησης του υλικού που προκαλείται σε υψηλότερες θερμοκρασίες από φάσεις στα σύνορα των κόκκων που είναι ακόμα ρευστές. Εξαιτίας του σημείου προέλευσης καθώς και εξαιτίας του αιτίου τους, οι θερμές ρηγματώσεις : στο μέταλλο της συγκόλλησης ονομάζονται ρηγματώσεις στερεοποίησης (solidification cracks) και αυτές στην ΘΕΖ (θερμικά επηρεαζόμενη ζώνη) ή στο μέταλλο συγκόλλησης που αναθερμαίνεται σε συγκολλήσεις πολλαπλών πάσων, ονομάζονται ρηγματώσεις αναθέρμανσης (reheat cracks) ή ρευστοποίησης (liquation).

8 Μοντέλο σχηματισμού των ρηγματώσεων στερεοποίησης στο μέταλλο συγκόλλησης. Οι μαύρες ραφές αντιπροσωπεύουν υπολειπόμενες φάσεις χαμηλής τήξης.

9 Θερμή Ρηγμάτωση στο μέταλλο συγκόλλησης (Solidification Cracking)
Όπως με την στερεοποίηση ενός χυτού, κατά τη διάρκεια μιας σημαντικά πιο γρήγορης ψύξης του μετάλλου συγκόλλησης υπάρχει διαφορισμός των κραματικών στοιχείων κατά τη διάρκεια της στερεοποίησης που οδηγούν στο σχηματισμό υπολειπόμενων φάσεων χαμηλής θερμοκρασίας τήξης. Στην περιοχή στερεοποίησης μεταξύ των γραμμών liquidus και solidus το υπολειπόμενο τήγμα μπορεί να παγιδευτεί και να απομονωθεί. Οι εφελκυστικές τάσεις που προκαλούνται από τη συρρίκνωση δεν μπορούν να μεταφερθούν από τη ρευστή φάση οδηγώντας έτσι σε μικρορωγμές μεταξύ των κρυστάλλων. Οι θερμές ρηγματώσεις στο μέταλλο της συγκόλλησης έχουν τα παρακάτω χαρακτηριστικά: είναι περικρυσταλλικές και περιδενδριτικές μπορεί να έχουν μικροσκοπικές ή μακροσκοπικές διαστάσεις αναπτύσσονται αμέσως κατά την στερεοποίηση του μετάλλου της συγκόλλησης και συνήθως φτάνουν στην επιφάνεια.

10 Θερμή Ρηγμάτωση στην ΘΕΖ (Reheat and Liquation Cracking)
Η παροχή θερμότητας κατά τη διάρκεια της διεργασίας συγκόλλησης θερμαίνει την περιοχή της ΘΕΖ σε θερμοκρασίες που είναι κοντά στη θερμοκρασία τήξης του μετάλλου βάσεως. Εδώ, οι φάσεις στα σύνορα των κόκκων που έχουν σημείο τήξης χαμηλότερο από αυτό του μετάλλου βάσεως μπορεί να λιώσουν και να κατανεμηθούν σαν ένα λεπτό στρώμα στα όρια του κόκκου. Με παρόμοιο μηχανισμό, κατά τη διάρκεια συγκόλλησης πολλαπλών πάσων, οι χαμηλότερες ραφές είναι θερμικά επηρεαζόμενες κατά τη συγκόλληση του πάνω στρώματος όπως γίνεται στην περίπτωση της ΘΕΖ. Εξαιτίας αυτού, μπορούν να ξεκινήσουν ρηγματώσεις αναθέρμανσης στο μέταλλο συγκόλλησης

11 Οι θερμές ρηγματώσεις στην ΘΕΖ ή στο μέταλλο της συγκόλλησης έχουν τα παρακάτω χαρακτηριστικά:
είναι περικρυσταλλικές έχουν μικροσκοπικές διαστάσεις αναπτύσσονται αμέσως κατά την διεργασία της συγκόλλησης Λόγω των μικροσκοπικών τους διαστάσεων και του γεγονότος ότι δεν φτάνουν στην εξωτερική επιφάνεια, αυτού του είδους οι θερμές ρηγματώσεις δεν μπορούν να ανιχνευθούν με επιφανειακές μη καταστροφικές μεθόδους.

12 Στην κατηγορία των θερμών ρηγματώσεων κατατάσσονται και οι ρωγμές που οφείλονται όχι στην ύπαρξη κάποιων ενώσεων με χαμηλό σημείο τήξης αλλά στην μείωση της ολκιμότητας του υλικού λόγω της κατακρήμνισης ψαθυρών καρβιδίων στα όρια των κόκκων. Οι ρηγματώσεις αυτού του τύπου ονομάζονται Ductility Dip Cracks και έχουν παρόμοια χαρακτηριστικά με τις τυπικές θερμές ρηγματώσεις της ΘΕΖ. Οι Ductility Dip Cracks παρατηρούνται σε μία μεγαλύτερη απόσταση από την γραμμή τήξης της συγκόλλησης και είναι ρηγματώσεις που γίνονται στη στερεά φάση σε υψηλές θερμοκρασίες λόγω της μείωσης της ικανότητας του υλικού να παραμορφωθεί.

13 Θερμή ρηγμάτωση στο κέντρο του μετάλλου συγκόλλησης

14

15 Θερμή ρηγμάτωση στην ΘΕΖ
Θερμή ρηγμάτωση στην ΘΕΖ. Συνδυασμός solidification cracking και liquation cracking (αριστερά), Liquation cracking στην ΘΕΖ ενός ωστενιτικού χάλυβα (δεξιά).

16 Παράγοντες που Επηρεάζουν τη θερμή Ρηγμάτωση
Οι παράγοντες μπορούν να ταξινομηθούν σε Γενικούς Μεταλλουργικούς παράγοντες Μεταλλουργικούς παράγοντες κατά τη διάρκεια συγκόλλησης ισχυρά κραματωμένων χαλύβων και ωστενιτικών χαλύβων Τεχνολογικούς παράγοντες

17 Γενικοί Μεταλλουργικοί Παράγοντες
Από μεταλλουργική άποψη η επέκταση του μεσοδιαστήματος της στερεοποίησης κατά τη διάρκεια ψύξης του διαγράμματος φάσεων του κράματος και η ποσοτική αναλογία μεταξύ στερεών και ρευστών φάσεων στο εύρος της θερμοκρασίας στερεοποίησης είναι μεγάλης σημασίας για την ευαισθησία σε θερμή ρηγμάτωση. Συνεπώς, στοχεύεται ο περιορισμός του θερμοκρασιακού εύρους μέσα στο οποίο υπάρχουν ρευστές φάσεις στα όρια των κόκκων του υλικού. Το θείο παίζει ένα σημαντικό ρόλο ανάμεσα στα κραματικά στοιχεία και στα ιχνοστοιχεία που σχηματίζουν φάσεις με χαμηλό σημείο τήξης.

18 Μεταλλουργικοί παράγοντες κατά τη διάρκεια συγκόλλησης ισχυρά κραματωμένων χαλύβων
Σε αντίθεση με τους ελαφρά κραματωμένους χάλυβες οι ισχυρά κραματωμένοι χάλυβες διακρίνονται σύμφωνα με τη χημική τους σύσταση από τη δυνατότητα μιας πρωτογενώς δ-φερριτικής ή ωστενιτικής στερεοποίησης. Εξαιτίας του γεγονότος ότι το θείο έχει υψηλότερη διαλυτότητα στον φερρίτη σε σύγκριση με τον ωστενίτη και ταυτόχρονα ο φερρίτης έχει έναν σημαντικά χαμηλότερο συντελεστή διαστολής, μία πρωτογενώς φερριτική στερεοποίηση (δέλτα φερρίτης) παρουσιάζεται σημαντικά λιγότερο επιρρεπής σε θερμή ρηγμάτωση από μία ωστενιτική στερεοποίηση.

19 Η πρωτογενής φερριτική στερεοποίηση ενός Cr-Ni χάλυβα παρουσιάζεται από μια τομή στο σύστημα σιδήρου-χρωμίου-νικελίου σε 72 % Fe με μία σύσταση μετάλλου συγκόλλησης (κράμα 1) με 20 % χρώμιο και 8 % νικέλιο. Ο μετασχηματισμός σε ωστενίτη εκτελείται σε ψύξη χαμηλότερη από 1,320°C μόνο. Ωστόσο, ένα μέταλλο συγκόλλησης με π.χ. μία περιεκτικότητα χρωμίου 12 % και μία περιεκτικότητα νικελίου 16 % (κράμα 2) οδηγεί σε μία πρωτογενή ωστενιτική στερεοποίηση που σε αντίθεση με το κράμα 1 είναι αισθητά πιο ευαίσθητη σε θερμή ρηγμάτωση. Στον πίνακα 1 βλέπουμε την διαφορά της διαλυτότητας μεταξύ φερρίτη και ωστενίτη διαφόρων στοιχείων που παίζουν ρόλο στη θερμή ρηγμάτωση, καθώς και τα σημεία τήξης των ενώσεων που σχηματίζουν.

20 Τομή του συστήματος σιδήρου-χρωμίου-νικελίου σε 72 % Fe

21 Πίνακας 1. Συμπεριφορά και ιδιότητες στοιχείων που σχετίζονται με την θερμή ρηγμάτωση στον ωστενίτη και στον φερρίτη.

22 Όπως φαίνεται από τον παραπάνω πίνακα, ο τύπος των φάσεων με χαμηλό σημείο τήξης καθορίζει την συμπεριφορά του μετάλλου συγκόλλησης στην θερμή ρηγμάτωση (ενώσεις S, P και Si) Όσο μεγαλύτερο είναι το εύρος των θερμοκρασιών τήξης τόσο μεγαλύτερες θα είναι οι τάσεις συρρίκνωσης που δημιουργούνται κατά την ψύξη του μετάλλου της συγκόλλησης και τόσο μεγαλύτερη η τάση του μετάλλου της συγκόλλησης για θερμή ρηγμάτωση. Λόγω της μεγαλύτερης διαλυτότητας στον φερρίτη αυτών των στοιχείων, ένας μετασταθής ωστενίτης που περιέχει περίπου 2-3% δ-φερρίτη στην μήτρα του έχει πολύ μικρότερη τάση στον σχηματισμό θερμών ρηγματώσεων.

23 Αυτή η πρακτική ακολουθείται από όλα τα σύγχρονα υλικά πλήρωσης που χρησιμοποιούνται στις συγκολλήσεις των ανοξείδωτων ωστενιτικών χαλύβων, τα οποία έχουν τέτοια μεταλλουργική σύσταση ώστε κατά την ψύξη τους σε συνθήκες συγκόλλησης να δίνουν μία περιεκτικότητα σε δ-φερρίτη γύρω στο 5%. Εναλλακτικά χρησιμοποιείται μέταλλο πλήρωσης με περίπου 5% Μη. Το μαγγάνιο σχηματίζει ΜnS με το θείο εμποδίζοντας έτσι τον σχηματισμό φάσεων (FeS, NiS) με χαμηλά σημεία τήξης

24 Τεχνολογικοί παράγοντες
Για την αποφυγή θερμών ρωγμών θα πρέπει να εφαρμόζεται μία σχετικά χαμηλή θερμική παροχή κατά τη διάρκεια της συγκόλλησης. Σε μεμονωμένες περιπτώσεις όμως είναι πιθανό (σχήμα 6) ότι η επιρροή μιας χαμηλής ταχύτητας συγκόλλησης - και έτσι αυξημένη θερμική παροχή - έχει ένα θετικό αποτέλεσμα στη στερεοποίηση του μετάλλου συγκόλλησης και ως αποτέλεσμα η αποφυγή της αυξημένης συγκέντρωσης διαφορισμού στο κέντρο της συγκόλλησης δίνει καλύτερα αποτελέσματα σε σχέση με την πιθανότητα σχηματισμού θερμών ρωγμών αν η θερμική παροχή ήταν μειωμένη. Τελικά πρέπει να επιβεβαιωθεί για κάθε περίπτωση εφαρμογής, ποια μέθοδος θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί για τις βέλτιστες συνθήκες

25 Μέσω μίας μειωμένης θερμικής παροχής
(π.χ. με μείωση της έντασης ρεύματος συγκόλλησης) μία λιγότερο διαταγμένη δενδριτική δομή με μικρότερες κρυσταλλικές διαμέτρους μπορεί να παραχθεί στο μέταλλο συγκόλλησης αντί ενός σχετικά χονδρόκοκκου, και με έντονη κατευθυντικότητα δενδριτικού σχηματισμού, μειώνοντας έτσι την πιθανότητα σχηματισμού θερμών ρηγματώσεων.

26 Αντίθετα, η συγκέντρωση διαφορισμού από τη σύγκρουση των μετώπων στερεοποίησης στο μέταλλο της συγκόλλησης μπορεί να αποφευχθεί με μία μειωμένη ταχύτητα συγκόλλησης. Αυτή η μείωση έχει το αποτέλεσμα, σχήμα 6, ένα πιο ελλειπτικό σχήμα των μετώπων στερεοποίησης και συνεπώς ένα πιο επιθυμητό προσανατολισμό των κρυστάλλων στην κατεύθυνση της συγκόλλησης. Για την αποφυγή του διαφορισμού των φάσεων χαμηλής τήξης στο μέσο της ραφής , είναι επιθυμητή μία επίπεδη και διευρυμένου σχήματος συγκόλληση σε αντίθεση με συγκολλήσεις που έχουν βαθιά διείσδυση και μικρό πλάτος (σχήμα 7). Η χρήση λεπτών ηλεκτροδίων με χαμηλότερες εντάσεις ρεύματος, κορδονιών συγκόλλησης χωρίς "πλέξιμο" (string bead instead of weaving) και η αποφυγή μεγάλων σε μέγεθος λουτρών συγκόλλησης μειώνουν τον κίνδυνο θερμής ρηγμάτωσης, συχνά αυτά τα μέτρα είναι η τελευταία δυνατότητα που υπάρχει για την αποφυγή της θερμής ρηγμάτωσης.

27 Από την δημιουργία ενός ελλειπτικού σχήματος των μετώπων στερεοποίησης
Σχήμα 6. Επιρροή της ταχύτητας συγκόλλησης στην στερεοποίηση της ραφής. Από την δημιουργία ενός ελλειπτικού σχήματος των μετώπων στερεοποίησης (χαμηλότερο μέρος του σχήματος) επιτυγχάνεται ένας πιο επιθυμητός προσανατολισμός των κρυστάλλων στην κατεύθυνση της συγκόλλησης και μειώνεται η συγκέντρωση διαφορισμού στο κέντρο της ραφής.

28 Σχήμα 7. Επιρροή της γεωμετρίας της ραφής στην στερεοποίηση
Σχήμα 7. Επιρροή της γεωμετρίας της ραφής στην στερεοποίηση a) Εγκλείσματα ή παραμένουσες φάσεις στο κέντρο της ραφής οδηγούν σε θερμή ρηγμάτωση). c) Oι φάσεις χαμηλής τήξης αποσπώνται στην επιφάνεια αλλά ο προσανατολισμός των κρυστάλλων κάθετα στην κύρια κατεύθυνση των τάσεων είναι μη επιθυμητός.

29 Καθορισμός της Ευαισθησίας σε θερμή Ρηγμάτωση
Για δοκιμή της επιρροής διαφορετικών παραμέτρων συγκόλλησης καθώς και για αξιολόγηση των υλικών πλήρωσης και των μετάλλων βάσης υπάρχουν διάφορες μέθοδοι εργαστηριακών δοκιμών που διακρίνονται μεταξύ τους στον τύπο των εφαρμοσμένων τάσεων και με τη δοκιμή σε σχέση με την ευαισθησία στη ρηγμάτωση στερεοποίησης και αναθέρμανσης, αντιστοίχως(DVS-Merkblatt1004 "Heißrissprüfmethoden" ή EN ISO and 2). Με σκοπό να αυτοματοποιηθεί η διαδικασία δοκιμής, έχουν αναπτυχθεί μηχανήματα για δοκιμή θερμής ρηγμάτωσης που μέσω παραμόρφωσης της σύνδεσης συγκόλλησης κατά τη διεργασία συγκόλλησης δημιουργούν διάδοση της ρηγμάτωσης κατά μήκος της ραφής. Λαμβάνοντας υπόψη τις παραμέτρους της δοκιμής και το βαθμό της παραμόρφωσης, μπορούμε από το μήκος της ραφής, να κατατάξουμε το υλικό πλήρωσης ως προς την ευαισθησία του στην θερμή ρηγμάτωση

30 Επαλήθευση της θερμής Ρηγμάτωσης χρησιμοποιώντας Μη-Καταστροφικές Μεθόδους Δοκιμής (ΝDΤ)
Οι ελάχιστες διαστάσεις, ιδιαίτερα στις περιπτώσεις ρηγματώσεων αναθέρμανσης, κάνουν την ανίχνευση των θερμών ρηγματώσεων πιο δύσκολη, η πιθανότητα της εύρεσης τους είναι σε μεγάλο βαθμό εξαρτώμενη από την απόδοση των διαδικασιών που χρησιμοποιούνται σήμερα. Τα ισχυρά κραματωμένα ωστενιτικά υλικά παρουσιάζουν μία ιδιαίτερα υψηλή ευαισθησία στη θερμή ρηγμάτωση αλλά η χονδρόκκοκη δομή τους επιβαρύνει τη δυνατότητα εντοπισμού των ρωγμών μέσω ελέγχου με υπερήχους. Εδώ, οι μη καταστροφικοί έλεγχοι για εντοπισμό επιφανειακών ρωγμών όπως π.χ. διεισδυτικά υγρά χρησιμοποιούνται με σκοπό τη λήψη μία γρήγορης επαλήθευσης της θερμής ρηγμάτωσης.

31 Την σκληρότητα του υλικού (περιεκτικότητα της δομής σε μαρτενσίτη)
ΨΥΧΡΕΣ ΡΗΓΜΑΤΩΣΕΙΣ Οι ψυχρές ρωγμές είναι διαχωρισμοί υλικού που σχηματίζονται κατά τη διάρκεια ψύξης σε θερμοκρασίες κάτω από τη θερμοκρασία σχηματισμού μαρτενσίτη στην θερμικά επηρεασμένη ζώνη,~200oC. Οι ψυχρές ρηγματώσεις μπορεί να οφείλονται σε διάφορους μηχανισμούς αλλά με τον όρο "ψυχρές ρωγμές", συνήθως εννοείται ο σχηματισμός ρωγμών που υποβοηθούνται από την ύπαρξη υδρογόνου (Hydrogen Induced Cracking). Η δημιουργία ψυχρών ρηγματώσεων στις συγκολλήσεις επηρεάζεται από τρεις βασικές παραμέτρους: Την σκληρότητα του υλικού (περιεκτικότητα της δομής σε μαρτενσίτη) Τα επίπεδα διαλυτοποιημένου υδρογόνου Το επίπεδο των τάσεων φόρτισης

32 Σχήμα 13. Παράγοντες που επηρεάζουν την εμφάνιση ψυχρών ρηγματώσεων.

33 Ανάλογα με την σχέση των τριών αυτών παραμέτρων διάφοροι μηχανισμοί ψυχρών ρηγματώσεων μπορούν να αναπτυχθούν. Στο σχήμα 13 δίνεται μία γραφική αναπαράσταση αυτών των τριών παραμέτρων όπου φαίνεται ότι τελικά μία ψυχρή ρηγμάτωση έχει άμεση σχέση με την δυνατότητα συγκόλλησης μίας κατασκευής και επηρεάζεται από τις ιδιότητες του υλικού, την δομική κατάσταση, και τις κατασκευαστικές πρακτικές που ακολουθούνται.

34 1. Ρωγμές Σκλήρυνσης Εκτός από τον άνθρακα, και άλλα κραματικά στοιχεία επηρεάζουν τον σχηματισμό του μαρτενσίτη και ως εκ τούτου την συγκολλησιμότητα ενός χάλυβα. Για να γίνει η εκτίμηση της επιρροής τους έχει αναπτυχθεί το ισοδύναμο άνθρακα το οποίο δίνεται από την παρακάτω φόρμουλα. Αυτή η φόρμουλα αρχικά αναπτύχθηκε σαν ένας συγκριτικός δείκτης για την ικανότητα σκλήρυνσης διάφορων χαλύβων από το Διεθνές Ινστιτούτο Συγκολλήσεων (IIW).

35 Προκειμένου να ποσοτικοποιηθεί η τάση ενός χάλυβα για ψυχρή ρηγμάτωση και να εξουδετερωθεί αυτή με την χρήση της κατάλληλης θερμοκρασίας προθέρμανσης εκτός από το ισοδύναμο άνθρακα του υλικού, σύμφωνα με το ΕΝ πρέπει να ληφθούν υπόψη και οι παρακάτω παράγοντες: πάχος του προς συγκόλληση ελάσματος θερμική παροχή ποσότητα διαλυτοποιημένου υδρογόνου Υπολογίζοντας αυτά τα μεγέθη, το ΕΝ περιέχει έναν αριθμό διαγραμμάτων τα οποία δίνουν την κατάλληλη θερμοκρασία προθέρμανσης για την κάθε εφαρμογή.

36 Κατά τον μετασχηματισμό του μαρτενσίτη, ισχυρές εσωτερικές τάσεις αναπτύσσονται σε έναν χάλυβα, λόγω της παραμόρφωσης του στοιχειώδους κρυσταλλικού πλέγματος και της αύξησης του όγκου που συνοδεύει αυτό τον μετασχηματισμό. 1. Ποσοστά μαρτενσίτη μέχρι 30% στην δομή ενός χάλυβα μπορεί να γίνουν αποδεκτά χωρίς να επηρεάζουν την συγκολλησιμότητα και χωρίς να είναι απαραίτητη η πραγματοποίηση αποτατικής ανόπτησης (stress relieving) μετά την συγκόλληση. 2. Για ποσοστά μαρτενσίτη μέχρι 50% η πραγματοποίηση αποτατικής ανόπτησης στους °C μετά την συγκόλληση θεωρείται απαραίτητη για την αποφυγή ψυχρής ρηγμάτωσης. 3. Δομές με μαρτενσίτη σε ποσοστό μεγαλύτερο του 50% πρέπει να αποφεύγονται προκειμένου να αποφεύγεται η εμφάνιση ψυχρών ρωγμών και να επιβεβαιώνεται η συγκολλησιμότητα ενός χάλυβα.

37 2. Ρηγμάτωση Υδρογόνου Στην περιοχή μίας συγκόλλησης υπάρχουν πολλές πιθανές πηγές υδρογόνου, ενώ παράλληλα και μεγάλος αριθμός παραμέτρων μπορεί να παίξει σημαντικό ρόλο στην εμφάνιση ρωγμών υδρογόνου. Η ύπαρξη υδρογόνου σε συνδυασμό με την σκληρότητα του χάλυβα και την ύπαρξη τάσεων μπορεί να οδηγήσουν στην εκδήλωση ρωγμών υδρογόνου και την καταστροφή μιας συγκολλητής κατασκευής.

38 Οι πηγές υδρογόνου σε μία συγκόλληση περιλαμβάνουν:
Υγρασία από την ατμόσφαιρα, το προστατευτικό αέριο, τη επιφάνεια του μετάλλου πλήρωσης και επιφανειακά οξείδια. Κρυσταλλικό νερό που περιέχεται δεσμευμένο στις ορυκτές ενώσεις της επικάλυψης των ηλεκτροδίων Οργανικές ενώσεις όπως π.χ. βαφές ή λάδια που βρίσκονται στην περιοχή της συγκόλλησης ή οι επικαλύψεις ηλεκτροδίων που περιέχουν κυτταρίνη.

39 Το μοριακό υδρογόνο που υπάρχει στην περιοχή της συγκόλλησης διασπάται υπό την επίδραση του τόξου της συγκόλλησης όπως φαίνεται στο σχήμα 14. Η απορρόφηση υδρογόνου από το μέταλλο της συγκόλλησης εξαρτάται κυρίως από την μερική πίεση του υδρογόνου και την θερμοκρασία. Σε θερμοκρασία 1800°C η διαλυτότητα του υδρογόνου στους χάλυβες είναι 35ml/100g μετάλλου συγκόλλησης και αυτή μειώνεται δραματικά με τη πτώση της θερμοκρασίας ενώ παράλληλα εξαρτάται και από τον τύπο του κρυσταλλικού πλέγματος σε κάθε θερμοκρασία όπως φαίνεται στο σχήμα 15.

40 Σχήμα 14. Αναπαράσταση της διάσπασης και ιοντοποίησης του υδρογόνου στην περιοχή της συγκόλλησης.
Σχήμα 15. Αναπαράσταση της διαλυτότητας του υδρογόνου στον σίδηρο

41 Μετά την γρήγορη ψύξη που ακολουθεί μία συγκόλληση, η συγκέντρωση του υδρογόνου στο μέταλλο της συγκόλλησης είναι υψηλότερη από αυτήν που υποδεικνύει το διάγραμμα του σχήματος 15. Λόγω της πολύ μικρής ατομικής του ακτίνας το υδρογόνο μπορεί να διαχυθεί σε σχετικά μεγάλες αποστάσεις ακόμα και σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την απελευθέρωση και συγκέντρωση ατομικού υδρογόνου σε περιοχές του κρυσταλλικού πλέγματος όπως διαταραχές και όρια κόκκων. Σε αυτές τις περιοχές, το συγκεντρωμένο ατομικό υδρογόνο επανενώνεται σε μοριακό, δημιουργώντας τοπικά μία μεγάλη αύξηση της πίεσης οδηγώντας σε τοπικές ρηγματώσεις.

42 Μόνο το διαλυτοποιημένο ατομικό υδρογόνο συμμετέχει στον μηχανισμό της ρηγμάτωσης, ενώ το υδρογόνο που συμμετέχει στον σχηματισμό φάσεων ή κατακρημνίσεων δεν είναι επικίνδυνο για το υλικό. Η αντοχή σε εφελκυσμό ενός υλικού είναι ένας σημαντικός παράγοντας για την εκδήλωση της ρηγμάτωσης υδρογόνου. Όσο υψηλότερο είναι το όριο διαρροής τόσο πιο ευαίσθητο γίνεται το υλικό στις ποσότητες διαλυτοποιημένου υδρογόνου, καθώς η ικανότητα πλαστικής παραμόρφωσης μειώνεται με την αύξηση του ορίου διαρροής.

43 Σχήμα 16. Μορφολογία των ρηγματώσεων υδρογόνου.

44 Οι ρηγματώσεις που οφείλονται στην παρουσία υδρογόνου και οι οποίες πολύ συχνά δημιουργούνται σε σημεία συγκέντρωσης τάσεων ή εγκάρσια στο μέταλλο της συγκόλλησης, εμφανίζονται μερικές μέρες μετά το τέλος της συγκόλλησης. Η εμφάνιση αυτών των ρωγμών εξαρτάται από ένα αριθμό παραμέτρων όπως την συγκέντρωση του υδρογόνου, την θερμική κατεργασία μετά την συγκόλληση, την ταχύτητα της διάχυσης, την σκληρότητα της δομής και το επίπεδο των παραμενουσών τάσεων της συγκόλλησης. Κάθε ένας από αυτούς του παράγοντες παίζει τον ρόλο του προκειμένου να δημιουργηθούν οι ρωγμές υδρογόνου και χωρίς την συμβολή όλων αυτών το φαινόμενο μπορεί να μην εκδηλωθεί. Κάτω από ένα συγκεκριμένο όριο παραμενουσών τάσεων π.χ. η ρηγμάτωση υδρογόνου μπορεί να αποφευχθεί.

45 Οι ψυχρές ρηγματώσεις υδρογόνου έχουν τα παρακάτω χαρακτηριστικά
παρουσιάζονται στο μέταλλο της συγκόλλησης, ή στην ΘΕΖ είναι διακρυσταλλικές ή περικρυσταλλικές έχουν μικροσκοπικές ή μακροσκοπικές διαστάσεις αναπτύσσονται μερικές μέρες μετά την διεργασία της συγκόλλησης

46 Αποφυγή των ρωγμών υδρογόνου
Η εμφάνιση των ρωγμών υδρογόνου απαιτεί την ταυτόχρονη ύπαρξη διαλυτοποιημένου ατομικού υδρογόνου σε επαρκή συγκέντρωση ύπαρξη σκληρών φάσεων στην μικροδομή του υλικού ύπαρξη τάσεων στην περιοχή της συγκόλλησης. Κάθε ένας από αυτούς τους παράγοντες είναι απαραίτητος για την εκδήλωση του φαινομένου, αλλά όλοι μαζί δρουν αθροιστικά, δηλαδή παρουσία υψηλών παραμενουσών τάσεων το φαινόμενο μπορεί να παρουσιαστεί σε μία λιγότερο σκληρή δομή από αυτή που θα απαιτούνταν υπό την επήρεια χαμηλότερων τάσεων ή μικρότερης συγκέντρωσης υδρογόνου.

47 Όλα τα μέτρα που μειώνουν έναν η περισσότερους από αυτούς τους παράγοντες συντελούν στην εξάλειψη του φαινομένου. Πιο ειδικά:

48 1. Μείωση της περιεκτικότητας της συγκόλλησης σε υδρογόνο.
Η περιεκτικότητα της συγκόλλησης σε υδρογόνο μειώνεται με σωστό καθαρισμό της περιοχής και απομάκρυνση της υγρασίας. Παράλληλα είναι απαραίτητο να γίνεται χρήση βασικών ηλεκτροδίων χαμηλού υδρογόνου τα οποία πρέπει να "ψήνονται" σύμφωνα με τις οδηγίες του κατασκευαστή πριν την συγκόλληση (συνήθως στους 250 – 350oC για 2 με 4 ώρες). Oι κατασκευαστές ηλεκτροδίων προσφέρουν βασικά ηλεκτρόδια συσκευασμένα σε κενό, τα οποία εάν χρησιμοποιηθούν εντός 8 ωρών από το άνοιγμα τους εγγυώνται περιεκτικότητες του μετάλλου της συγκόλλησης σε υδρογόνο γύρω στα 5 ml/100grμετάλλου (Η5 σύμφωνα με το EN ISO 2560). Για χάλυβες με μεγάλη ευαισθησία στην ρηγμάτωση υδρογόνου, μπορεί μετά την συγκόλληση να κρατηθούν σε θερμοκρασία 200°C για ώρες προκειμένου να ολοκληρωθεί η διάχυση του υδρογόνου μακριά από την περιοχή της συγκόλλησης (low temperature annealing).

49 2. Μείωση της σκληρότητας της μικροδομής.
Για ένα συγκεκριμένου τύπου χάλυβα, η σκληρότητα στη περιοχή της συγκόλλησης μπορεί να μειωθεί με την χρήση σωστών παραμέτρων συγκόλλησης (θερμική παροχή), προθέρμανση, και σε περιπτώσεις χαλύβων με μεγάλη ευαισθησία στην ρηγμάτωση υδρογόνου (μαρτενσιτικοί χάλυβες ερπυσμού) με μία θερμική κατεργασία μετά την συγκόλληση η οποία είναι σχεδιασμένη ώστε να μειώσει την σκληρότητα του σχηματιζόμενου μαρτενσίτη (tempering). 3. Μείωση των τάσεων στην περιοχή της συγκόλλησης. Αν και οι παραμένουσες τάσεις είναι αναπόφευκτες στις συγκολλήσεις, παράγοντες όπως ο βαθμός ακαμψίας μίας συγκολλητής κατασκευής, η γεωμετρία και η συναρμογή της συγκόλλησης μπορούν να αυξήσουν τις παραμένουσες τάσεις σε σημαντικό βαθμό. Η εξομάλυνση των γεωμετρικών ανωμαλιών που δρουν σαν σημεία συγκέντρωσης τάσεων είναι επίσης ένα μέτρο που βοηθάει στην μείωση της εμφάνισης των ρωγμών υδρογόνου. Οι αποτατικές ανοπτήσεις (stress relieving) μειώνουν σημαντικά τις παραμένουσες τάσεις και πραγματοποιούνται στους χάλυβες με μεγάλη ευαισθησία στην ρηγμάτωση υδρογόνου με ταυτόχρονη μείωση της σκληρότητας του

50 Διαστρωματική Ρηγμάτωση (Lamellar Tearing)
Η διαστρωματική ρηγμάτωση είναι ρωγμές κάτω από τη ραφή συγκόλλησης που στις περισσότερες περιπτώσεις είναι διαχωρισμοί υλικού που έχουν την μορφή αναβαθμίδων. Αίτιο για αυτές τις ρωγμές αποτελεί --ο τύπος και η διάταξη μη μεταλλικών εγκλεισμάτων (π.χ. θειούχου μαγγανίου) -- σε συνδυασμό με την ακαμψία της συγκολλητής κατασκευής κάθετα στο επίπεδο του ελάσματος.

51 Τυπική μορφή διαστρωματικής ρηγμάτωσης (Lamellar Tearing)

52 Αίτια της Διαστρωματικής Ρηγμάτωσης
Η ικανότητα παραμόρφωσης χαλύβδινων ελασμάτων μειώνεται σε μεγάλο βαθμό όταν φορτίζονται στην κατεύθυνση του πάχους σε σύγκριση με την ικανότητα παραμόρφωσης όταν φορτίζονται σε εγκάρσια και διαμήκη κατεύθυνση. Ο κύριος λόγος για αυτή την εξάρτηση στην κατεύθυνση των ιδιοτήτων παραμόρφωσης είναι η διάταξη σε στρώσεις μη μεταλλικών εγκλεισμάτων (θειούχες και πυριτικές ενώσεις, οξείδια) παράλληλα στην επιφάνεια του ελάσματος. Τα εγκλείσματα που είναι υπεύθυνα για την διαστρωματική ρηγμάτωση παραμορφώνονται πλαστικά κατά την διάρκεια της έλασης των υλικών και ως εκ τούτου προσανατολίζονται κατά μήκος των γραμμών έλασης του υλικού επηρεάζοντας έτσι σημαντικά τις μηχανικές ιδιότητες στην κατεύθυνση του πάχους.

53 Στο έλασμα, αυτά τα εγκλείσματα βρίσκονται σε διαφορετικά σχήματα (π.χ. επίπεδα, γραμμικά, σφαιρικά). Συνεπώς το μέγεθος του κάθε εγκλείσματος είναι διαφορετικό ανάλογα με την κατεύθυνση της προβολής του σχήματος του. Κατά την άσκηση φορτίων τα εγκλείσματα δεν συμμετέχουν στις αλλαγές παραμόρφωσης στον ίδιο βαθμό όπως η μεταλλική μήτρα και ανάλογα με το μέγεθος της περιοχής του κάθε εγκλείσματος που βρίσκεται κάθετα στην κατεύθυνση του φορτίου, θα μειώσει την ικανότητα παραμόρφωσης

54 Καθορισμός της Ευαισθησίας σε Διαστρωματική Ρηγμάτωση
Προκειμένου να αποφευχθούν προβλήματα που οφείλονται σε αυτού του είδους την ρηγμάτωση, έχουν καθοριστεί για κρίσιμες εφαρμογές υλικά με εγγυημένη ολκιμότητα στην κατεύθυνση του πάχους τους. Η ολκιμότητα στην κατεύθυνση του πάχους ορίζεται από την μείωση της διατομής που επιτυγχάνεται σε δοκιμή εφελκυσμού σε αυτή την κατεύθυνση σύμφωνα με το ΕΝ

55 Οι χάλυβες με εγγυημένες ιδιότητες στην κατεύθυνση του πάχους συμβολίζονται με το γράμμα Ζ και έχουν τρία επίπεδα ποιότητας Ζ15, Ζ25 και Ζ35, με τις ιδιότητες που φαίνονται στον πίνακα 2. Οι χάλυβες που επιτυγχάνουν μείωση της διατομής πάνω από 20% στην ειδική δοκιμή εφελκυσμού στη κατεύθυνση του πάχους θεωρούνται ως ανθεκτικοί στην διαστρωματική ρηγμάτωση σύμφωνα με το ΕΝ Αυτοί είναι συνήθως καθησυχασμένοι χάλυβες (aluminium treated) και έχουν πολύ μικρά ποσοστά θείου (S<0.005%). Αντί για αλουμίνιο, σπάνιες γαίες ή ασβεστούχες ενώσεις μπορούν επίσης να προστεθούν προκειμένου να μειωθεί ο αριθμός των εγκλεισμάτων αλλά και να ελεγχθεί και το σχήμα τους προς όφελος των μηχανικών ιδιοτήτων στην κατεύθυνση του πάχους.

56 Αποφυγή της διαστρωματικής ρηγμάτωσης
Μέτρα που αφορούν το Υλικό Χρήση χάλυβα φτωχού σε θείο (χαμηλός αριθμός και συγκέντρωση εγκλεισμάτων) Σχηματισμός προϊόντων αποξείδωσης όπως σφαιρικά εγκλείσματα (μικρή περιοχή εγκλεισμάτων παράλληλα στην επιφάνεια Αύξηση του βαθμού καθαρότητας

57 Πίνακας 2. Κατηγορίες ποιότητας για χάλυβες με εγγυημένες ιδιότητες στην κατεύθυνση του πάχους. *) Εγγυημένες τιμές μείωσης της διατομής ZD από δείγματα δοκιμής εφελκυσμού στην κατεύθυνση του πάχους. **) Οι τιμές είναι έγκυρες για τη μέση τιμή που αποκτήθηκε από τρεις μεμονωμένες δοκιμές.

58 Δομικά μέτρα Διάταξη των συνδέσεων συγκόλλησης με τέτοιο τρόπο ώστε τα φορτία να είναι κάθετα στην επιφάνεια ραφής και η παραμόρφωση στην κατεύθυνση του πάχους να είναι χαμηλή, αν είναι δυνατό. Αντικατάσταση των γωνιακών συγκολλήσεων με μετωπικές συγκολλήσεις (σχήμα 9) Σχεδιασμός των συγκολλήσεων ώστε να μεταφέρονται οι παραμένουσες τάσεις σε άλλη κατεύθυνση του υλικού (σχήμα 10). Τεχνολογικά μέτρα Παραγωγή μικρού όγκου συγκόλλησης Buttering (σχήμα 11) Αλληλουχία κορδονιών που αντιστοιχεί σε buttering - in situ buttering (σχήμα 11) Συμμετρικές συγκολλήσεις (σχήμα 12).

59 Σχήμα 9. Τρόποι αποφυγής της διαστρωματικής ρηγμάτωσης - Αντικατάσταση των γωνιακών συγκολλήσεων με μετωπικές.

60 Σχήμα 10. Τρόποι αποφυγής της διαστρωματικής ρηγμάτωσης - Σχεδιασμός των συγκολλήσεων ώστε να μεταφέρονται οι παραμένουσες τάσεις σε άλλη διεύθυνση του υλικού

61 Σχήμα 11. Τρόποι αποφυγής της διαστρωματικής ρηγμάτωσης Buttering και in-situ buttering.

62 Σχήμα 12. Τρόποι αποφυγής της διαστρωματικής ρηγμάτωσης – χρήση μικρότερων σε μέγεθος, συμμετρικών συγκολλήσεων με χρήση συμμετρικής αλληλουχίας των κορδονιών της συγκόλλησης.