Prof. dr Aleksandar Sedmak i dr Marko Rakin, vanr. prof.

Univerzitet u Beogradu

 

Mikromehanička analiza žilavog loma zavarenih spojeva čelika

Analiza ponašanja metalnih materijala i zavarenih spojeva pod dejstvom spoljnog opterećenja ima važnu ulogu u obezbeđivanju integriteta i sigurnog rada konstrukcija. Imajući u vidu veoma često prisustvo grešaka u zavarenim spojevima (mikroprsline, šupljine, itd.), važno je definisati pod kojim uslovima  dolazi do njihovog loma i koji faktori utiču na dinamiku gubitka nosivosti. U ovom izlaganju će biti razmatran žilav lom metala, koji podrazumeva izraženu plastičnu deformaciju i odvija se mehanizmom nastanka, rasta i spajanja šupljina. Primenom elasto-plastične mehanike loma (EPML), ili “globalnog pristupa”, nije moguće na pravi način uzeti u obzir ovaj složeni mehanizam oštećenja. Mikromehanički modeli lokalnog pristupa su izabrani za opisivanje žilavog loma jer se parametri koji se koriste za kvantifikovanje oštećenja računaju upravo na kritičnim mestima strukture, tj. lokalno. Modeli nespregnutog pristupa (npr. model Rice-Tracey) ne uzimaju u obzir uticaj parametra oštećenja na plastično tečenje, tako de se vrednost ovog parametra određuje u postprocesorskom postupku. Dva često korišćena modela spregnutog pristupa su Gurson-Tvergaard-Needleman GTN i kompletni Gursonov model CGM; oba su razvijena na osnovu Gursonovog kriterijuma tečenja, koji podrazumeva zavisnost konstitutivnog izraza od troosnosti naponskog stanja i parametra oštećenja - poroznosti materijala.

Lokalni pristup lomu podrazumeva mikrostrukturnu analizu, određivanje mehaničkih osobina materijala, ispitivanja mehanike loma, modeliranje razvoja oštećenja primenom mikromehaničkih modela i numeričke proračune (najčešće primenom metode konačnih elemenata MKE). Analizom mikrostrukture definiše se fizički smisao nekih od mikromehaničkih parametara (npr. zapreminski udeo uključaka se povezuje sa početnim nivoom oštećenja materijala). Takođe, analizom prelomnih površina korišćenjem optičkog ili skenirajućeg elektronskog mikroskopa mogu se dobiti vrednosti parametara mehanike loma (kao što je otvaranje vrha prsline CTOD ili J integral na početku rasta prsline) na osnovu kojih se formiraju krive otpornosti prema rastu prsline, najčešće J-Da ili CTOD-Da.

Osim na epruvetama sa početnom prslinom koje se uobičajeno koriste u ispitivanjima mehanike loma, nastanak loma je analiziran na geometrijama bez početne prsline, kao što su epruvete za određivanje zateznih osobina materijala i epruvete sa koncentratorima napona (žlebovima i zarezima). Primenom lokalnog pristupa određeno je mesto nastanka prsline, upravo zbog lokalnog karaktera parametara oštećenja. Sa druge strane, kritične vrednosti parametara oštećenja izračunate na epruvetama bez prsline su primenjene u proceni otpornosti prema lomu geometrija sa početnom prslinom (kompaktna epruveta za zatezanje CT). Navedene kritične vrednosti su određene primenom kombinovanog eksperimentalno-numeričkog postupka, koji povezuje eksperimentalno dobijene rezultate i numerički određenu promenu parametra oštećenja. Problem zavisnosti od veličine konačnog elementa, karakterističan za modele lokalnog pristupa, tretiran je odgovarajućim formiranjem mreže u regionima od interesa.

Analiziran je nastanak i stabilan rast prsline mehanizmom žilavog loma u niskolegiranom čeliku povišene čvrstoće i zavarenim spojevima. Razmatrani su spojevi koji sadrže jedan ili dva metala šava (MŠ), od kojih jedan ima manju (undermatch - UM), a drugi veću (overmatch - UM) čvrstoću od osnovnog materijala. Druga vrsta spojeva se koristi za zavarivanje niskolegiranih čelika povišene čvrstoće i reparaturno zavarivanje. NIOMOL 490 je korišćen kao osnovni materijal (BM); primenjen je postupak elektrolučnog zavarivanja u zaštitnoj atmosferi, sa dva različita dodatna materijala za dobijanje OM, odnosno UM spojeva. Ispitivane su epruvete za savijanje u tri tačke (SENB) sa početnom prslinom u metalu šava ili zoni uticaja toplote (ZUT). Početna prslina kod spojeva sa dva metala šava imala je tri različita položaja: samo u overmatch delu, samo u undermatch delu, ili kroz oba metala šava - po celoj debljini spoja. Analiziran je uticaj geometrije spoja, kao i heterogenosti materijala izazvane različitim zateznim osobinama osnovnog materijala i dva metala šava, na ponašanje spojeva pri lomu. Istražena je razlika u ponašanju heterogenog zavarenog spoja u zavisnosti od geometrije i položaja prsline u odnosu na graničnu površinu između overmatch i undermatch dela u metalu šava. Pri analizi oštećenja spojeva sa dva metala šava, korišćeni su isti mikromehanički parametri kao za spojeve sa jednim metalom šava, tj. postignuta je prenosivost parametara - početne poroznosti i veličine konačnog elementa u ligamentu ispred vrha prsline.

Određena je otpornost prema lomu ZUT, pri čemu je primenjen eksperimentalno-numerički postupak za određivanje osobina zona spoja (osnovni metal, metal šava, finozrna i grubozrna ZUT). Ovaj postupak je podrazumevao stereometrijsko merenje deformacija na površini glatke epruvete pravougaonog poprečnog preseka korišćenjem dve kamere i softverskog paketa za analizu polja deformacija Aramis. Upoređeni su rezultati dobijeni ispitivanjem iste geometrije (SENB epruvete) sa početnom prslinom u MŠ i u ZUT, i dobijena je nešto veća otpornost prema lomu  ZUT u odnosu na MŠ. Ovakvo ponašanje spoja smatra se povoljnim, imajući u vidu čestu pojavu grešaka i sklonost ka nestabilnom lomu zone uticaja toplote.

Cilj opisanih istraživanja je sveobuhvatniji opis ponašanja pri lomu zavarenih spojeva čelika u poređenju sa standardnim metodama mehanike loma (npr. eliminisanje zavisnosti rezultata od geometrije strukture i prsline, heterogenosti materijala, itd.). Takođe, metodama lokalnog pristupa lomu može se poboljšati procena integriteta konstrukcija, uključujući primenu na višim nivoima SINTAP/FITNET procedure kroz formiranje dijagrama analize otkaza FAD i sile razvoja prsline CDF.