AČSZ – Mechanismus nukleace trhlin LMAC při žárovém zinkování

• Foto

Ocelové dílce jsou při žárovém zinkování ponorem do tekutého kovu vystaveny působení zvýšené teploty a účinkům proměnného teplotního napětí, zpravidla odlišného od napětí vyvolaného vnějšími účinky při plnění projektované funkce (obr. 1). Zinkované součásti jsou vždy postiženy řadou konstrukčních i technologických vrubů a imperfekcí nebo diskontinuit ve struktuře oceli. V okamžiku, kdy je dosaženo mezního stavu, dojde k náhlému uvolnění nahromaděné energie za vzniku trhliny LMAC. Praktické zkušenosti při žárovém zinkování potvrzují, že významné (několikanásobné) překročení mezních hodnot poměrné deformace, obecně považovaných za limitní, není postačující podmínkou pro vznik trhlin LMAC. Rovněž je nutno připustit, že četné trhliny zjištěné na žárově pozinkovaných dílcích nelze charakterizovat jako křehký lom, ale v řadě případů se jedná o trhliny ve svarech, jejichž zárodky byly v materiálu přítomné před pozinkováním. Termické pnutí pak iniciovalo jejich růst a rozevření.

KLASIFIKACE TRHLIN
Trhliny LMAC
Mezní stav materiálu je charakterizován tím, že působením vnějších činitelů (síla, stav napjatosti, způsob zatěžování, teplota, prostředí apod.) nebo vnitřních činitelů (struktura, substruktura, přítomnost defektů, nehomogenit apod.) anebo jejich kombinací po dosažení mezního stavu ztratí materiál nebo těleso z něho vyrobené buď skokem, nebo postupnou změnou své funkční a užitné vlastnosti. Dosažení mezního stavu závisí na dynamice hromadění poškození, která je funkcí substrukturního stavu materiálu, charakteristik výroby a užívání tělesa, vnějších účinků a času působení faktorů, které mohou mezní stav materiálu vyvolat [3, 4].

Pro křehké lomy je charakteristická nízká spotřeba energie. Při nestabilním porušování roste trhlina náhle, nekontrolovaně, a to účinkem nahromaděné elastické energie. K iniciaci trhliny obvykle dochází z vad metalurgického nebo technologického původu nebo z konstrukčních či technologických vrubů. Náhlý křehký lom vzniká při napětích nižších, než je makroskopická mez kluzu, a to za podmínek nestabilního růstu lomové trhliny, který probíhá přibližně rychlostí šíření zvuku v daném materiálu.

Trhliny s příčinou ve svaru
Každý svar, bez ohledu na kvalitu jeho provedení, je významným koncentrátorem napětí. Na hranicích zrn svarového kovu dochází k precipitaci fosfidů, sirníků, křemičitanů i karbidů, které snižují kohezi, materiál svarového kovu má odlišné složení i strukturu od základního spojovaného kovu. Pro svar je typická skoková změna materiálových charakteristik. Ve svarovém kovu i v tepelně ovlivněné oblasti dochází ke zhrubnutí zrna, působí zde vždy významná prostorová napjatost vedoucí ke vzniku četných dislokací a mikrotrhlin [4].

Teplotní napjatost vyvolaná termikou žárového zinkování (nerovnoměrný ohřev konstrukčních prvků dílce a teplotní gradient při prohřívání materiálu) i zhoršené materiálové charakteristiky vlivem působení zvýšené teploty v oblasti svaru (situovaného na zinkované součásti v okamžiku ponořování do roztaveného kovu na kritickém místě) vedou k propojení vnitřních mikrotrhlin, které v materiálu byly přítomné již před pozinkováním [3]. Dosažení kritického tahového napětí způsobí iniciaci těchto mikrotrhlin a vede k jejich
růstu a rozevírání (obr. 2). Je známo, že příčina trhlin v K-oblastech nosníků (obr. 3) nesouvisí s žárovým zinkováním, ale tyto trhliny vznikají v důsledku koncentrace napětí ve styčníkovém uzlu při svařování [5].

Trhliny s příčinou v materiálu
Při analýze podmínek vzniku trhlin LMAC je nutno přihlédnout ke škodlivému vlivu vodíku (vnikajícího do oceli při moření), k precipitačnímu vytvrzení nebo k deformačnímu zpevnění (v místech významného přetvoření) a rovněž k riziku popouštěcí křehkosti (ve svarech a v tepelně ovlivněné oblasti svaru).

TERMIKA PROCESU ŽÁROVÉHO ZINKOVÁNÍ
Bimetalický efekt
Proměnné teplotní napětí vyvolané bimetalickým efektem při postupném ponořování dílce do tekutého kovu dosahuje meze kluzu materiálu. Součásti provedené z oceli obvyklé jakosti (s nízkou hodnotou meze kluzu) jsou při žárovém zinkování ponorem namáhány méně (dříve relaxují) než součásti provedené z jakostní jemnozrnné oceli s vysokou hodnotou meze kluzu (schopné přenášet vyšší napětí). Míra namáhání žárově zinkovaného dílce je úměrná hodnotě meze kluzu použité oceli [4, 6]. Na obrázku č. 4 je naznačena triviální situace, kdy spodní pásnice nosníku délky L_p se již prohřála na teplotu lázně, zatímco horní chladná pásnice má teplotu prostředí. Časový průběh změny délky spodní pásnice nosníku je pro konkrétní nosník možné vynést do grafu (obr. 5), který má zásadní význam pro posuzování stavu napjatosti zinkovaného dílce, neboť dosaženému přetvoření konstrukce je úměrná míra stavu její napjatosti.

Postupné prohřívání
Ocelové těleso ponořené do zinkové taveniny o teplotě cca 450 °C je postupně prohříváno od povrchu k jádru (obr. 6). Rychlost, jakou se prohřívá, je úměrná rychlosti vedení tepla ocelí a rychlosti přestupu tepla z likvidu do stěny tělesa. Oba tyto parametry jsou proměnné v závislosti na okamžité teplotě a matematický model popisující všechny proměnné stavy při žárovém zinkování (konstrukční varianty, různé režimy ponořování, apod.) by byl velmi složitý.

Skutečnost, že se ocel prohřívá určitou rychlostí, sehrává významnou roli pro správné nastavení podmínek ponořování zinkované součásti do tekutého kovu. Rychlosti prohřívání ocelového tělesa ponořeného do tekutého kovu odpovídá rychlost rozpínání příslušného konstrukčního prvku [4]. S ohledem na očekávanou rychlost prohřívání a rozpínání jednotlivých konstrukčních prvků tvořících konstrukci zinkované součásti, je možné pro režim jejího ponořování do tekutého kovu nastavit takové podmínky, kterými lze náchylnost k LMAC snížit.

Na základě znalosti velikosti poměrné deformace spodní pásnice nosníku je možné definovat pojem „změna vztažné teploty“ prutu jako takovou její hodnotu, která v homogenním teplotním poli v prutu vyvolá stejné poměrné prodloužení, jaké je dosaženo v teplotním poli s gradientem odpovídajícím postupnému prohřívání prutu od jeho povrchu k jádru.

Pro různé dílce lze v závislosti na tloušťce jejich stěny odvodit příslušné diagramy rychlosti prohřívání (obr. 7).

ZÁKLADNÍ PODMÍNKA PRO NUKLEACI TRHLINY LMAC
Výsledky provedených experimentů i zkušenosti z praxe ukazují, že k nukleaci trhlin dochází při kombinaci více faktorů zvyšujících náchylnost k LMAC. Nejvýznamnější faktory, které při spolupůsobení mohou vyvolat vznik trhlin LMAC, jsou na obrázku 8.

Zároveň však praxe často ukazuje, že splnění základní podmínky podle obrázku 8 není pro nukleaci trhliny LMAC podmínkou postačující. Dosažení značných plastických přetvoření při zinkování rizikových dílců v lázni legované cínem zpravidla nevede ke křehkému lomu. U vsázky na obrázku 9 jsou trhlinami postiženy všechny dílce (obr. 10). Podmínky, za kterých došlo k nukleaci trhlin LMAC, v daném případě nasvědčují, že byl pravděpodobně uplatněn třífázový model. V první fázi je spodní podélník v poměrně krátkém čase celý ponořen do tekutého kovu a stačí se prohřát (prodloužit) ještě dříve, než horní podélník dosáhne hladiny. Tím je v horním podélníku vyvoláno významné tahové a ohybové napětí. V okamžiku, kdy se spodní část horního podélníku dostala do kontaktu s tekutým kovem, došlo k výraznému zpomalení rychlosti ponořování, neboť zadržený vzduch v dutinách při nedostatečně dimenzovaných drenážích vyvolal v součástech plovákový efekt. Spodní část profilu horního podélníku se začala prohřívat, avšak jejímu rozpínání zabránila dosud chladná horní část profilu. Materiál se zde začal pěchovat. S určitým zpožděním došlo k ponoření celého dílce a horní podélník se prodloužil, přičemž napětí ve spodní části profilu horního podélníku se z tlakového změnilo opět na tahové.

TŘÍFÁZOVÝ MODEL NUKLEACE TRHLINY LMAC PŘI ŽÁROVÉM ZINKOVÁNÍ
Z provedené analýzy i z výsledků uskutečněných experimentů na vzorcích „V“podle schématu na obr. 11 vyplývá, že samotné dosažení meze kluzu oceli ani plastická deformace probíhající u kritického prvku v době prodlení v zinkové lázni nevyvolá křehký lom LMAC (obr. 12).

Je tedy zřejmé, že způsob namáhání materiálu v okamžiku nukleace trhliny a krátce před tímto okamžikem musí být drastičtější.

Při bližším zkoumání charakteru konstrukce postižené trhlinou LMAC a místa na konstrukci, kde se vada objevuje, lze dospět k poznatku, že postiženými místy na konstrukci jsou nejčastěji koncentrátory napětí a k nukleaci trhliny LMAC dochází při dosažení mezního stavu podle třífázového modelu [4].

Hypotéza podle obrázků 13 až 15 byla ověřena experimentálně pomocí trhací stolice pracující na principu tepelné roztažnosti materiálu (obr. 16). Charakter lomu vzorku po simulaci třífázového modelu je na obrázku 17.

POZNATKY Z USKUTEČNĚNÉHO VÝZKUMU
K ověření hypotézy pronikání atomů cínu podél hranic zrn oceli namáhané významným tahovým napětím byl uskutečněn experiment pomocí vzorku „V“ předepnutého krátce před uskutečněním ponoru do tekutého kovu napětím překračujícím mez kluzu použitého materiálu (obr. 18). SEM analýza, provedená na elektronovém mikroskopu JEOL JSM-7600F s rozlišovací schopností až 0,8 nm a zvětšením 1 000 000 × vybaveném energo – disperzním spektrometrem s detektorem X-Man 20 mm², potvrzuje, že u vzorku namáhaného tahovým napětím na úrovni meze kluzu a vystaveného působení zinkové lázně s obsahem cínu 2 % po dobu 7 min (obr. 19) je v povrchové vrstvě do hloubky 1 μm koncentrace Sn v oceli na mezi měřitelnosti použité aparatury a v hloubce větší než 1 μm je obsah cínu neměřitelný [4].

Z výsledků provedeného výzkumu vyplývá, že vyšší četnost případů postižení žárově pozinkovaných konstrukcí provedených z vysokopevnostních ocelí trhlinami LMAC souvisí s vyšší úrovní stavu napjatosti, zvýšená náchylnost takových ocelí k LMAC se nepotvrdila. Trhlinami LMAC jsou zpravidla postihovány dílce provedené z jakostních jemnozrnných ocelí (podle značek S 450 a vyšších jakostních  tříd). Z této skutečnosti lze usuzovat, že by při ponořování dílce do tekutého kovu neměla být překročena kritická úroveň stavu na pjatosti odpovídající použití oceli S 355. Vzhledem k tomu, že napětí je přímo úměrné poměrné deformaci, je možné abstrahovat, že by rozdíl vztažných teplot mezi spodním a horním podélníkem rizikového dílce neměl překročit hodnotu cca 275 K.

Na základě znalosti časového průběhu změny vztažné teploty prutu příslušné tloušťky je možné určit kritický interval průchodu profilu nosníku hladinou zinkové lázně, který by neměl být překročen. Na obrázku 20 je znázorněna možnost grafické kontroly stavu vztažné napjatosti konstrukce z materiálu tloušťky s (16 mm), v daném případě s teplotou předehřevu ΔT = 100 K, při nastavené úrovní vztažného napětí v konstrukci σ_v (350 MPa), které je definováno jako stav napjatosti v konstrukci, který v ní vyvolá bimetalický efekt při částečném ponoření do tekutého kovu. Kritickým intervalem pro průchod profilu nosníku hladinou zinkové lázně je v daném případě t ≈ 155 s.

LITERATURA:
[1] FELDMANN, Markus et al. Hot-dip-zinc-coating of prefabricated structural steel components. Joint Research Centre of the Europe an Commission, Publication Office of the Europea Union. Luxembourg: 2010. ISBN 978-92-79-15237-5.
[2] DASt-Richtlinie 022. Feuerverzinken von tragenden Stahlbauteilen. Düsseldorf: Deutscher Ausschuss für Stahlbau, 2009.
[3] VLK, Miloš, Florian, Zdeněk. Mezní stavy a spolehlivost. Brno: VUT v Brně, Ústav mechaniky těles, mechatroniky a biomechaniky, 2007. ISBN 978-80-21403864.
[4] KUKLÍK, Vlastimil. Studium vzniku trhlin LMAC při žárovém zinkování. Praha: 2013. Disertační práce. ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav strojírenské technologie.
[5] BARSOM, John M., Pellegrino, James V. Failure Analysis of a Column k-Area Fracture. Chicago: Modern Steel Construction, September 2000. ISSN 0026-8445.
[6] KUKLÍK, Vlastimil. Post on the issue of safety of steel structures of hot dip galvanized structural components, Amsterdam: Procedia Engineering 40, 2012. s. 241 – 246. ISSN 1877-7058.

Mechanism of LMAC Cracks Nucleation and Hot-dip-zinc Coating
A current state of knowledge of the phenomenon LMAC (liquid metal assisted cracking) in Europe is based on researches performed by prof. M. Feldmannem et al. under the patronage of JRC of the European Commission. Recent outcomes of 2009 were published in the final report of the task “Hot-dip-Zinc-coating of Prefabricated Structural Steel Components” [1], and were included into DASt-Richtlinie 022 [2]. However, some of its findings seem to be questionable. The research in this sensitive sphere has not progressed. Empirical experience shows that a brittle crack during performance of hot-dip-zinc coating occurs relatively rarely, although, a coaction of listed unfavourable factors, conditioning an origin of the brittle crack, has been proved. So far unproved hypothesis about diffusion of metal atoms, with a low fusing point (especially of zinc) contained in a zinc meltage into a substrate along its borders of grains, has been determined as a cause of the origin of the crack. The critical moment for the origin of cracks should be then achieving of a limit value of a local relatively plastic deformation.

Autor

• Ing. Kuklík Vlastimil Ph.D.