Odhady lomové houževnatosti ocelí penetračními testy

• Foto

V září roku 2004 inicioval Evropský výbor pro normalizaci (CEN) vznik dokumentu CWA 15627 (CEN Workshop Agreement) „Small Punch Test Method for Metallic Materials“ [1]. CWA je technická dohoda v rámci CEN a vlastněná CEN jako publikace, která odráží konsenzus konkrétních expertů a organizací odpovědných za její obsah. CWA proto reprezentuje nižší úroveň konsenzu, než jakou představuje evropská norma. CWA 15627 je rozdělen do dvou samostatných částí:

Part A: A Code of Practice for Small Punch Creep Testing.
Part B: A Code of Practice for Small Punch Testing for Tensile and

Fracture Behaviour. Část B obsahuje rovněž ANNEX B1: „Derivation of tensile and fracture material properties“ a ANNEX B2: „Guidance on relevant technological issues: specimens sampling from components“. Požadavek minimalizace zkušebního materiálu odebíraného z posuzovaného zařízení je možno zajistit „nedestruktivním“ odběrem vzorku materiálu buď odbroušením, nebo elektrojiskrovým řezáním [1]. Mechanické vlastnosti jsou následně stanovovány pomocí penetračních testů na zkušebních tělesech tvaru disku o průměru 8 mm a tloušťce 0,5 mm.

Pro odhad lomové houževnatosti (J_IC a K_IC) je možno použít tři přístupy. Dva z nich jsou založeny na empiricky stanovených korelacích [2–6], třetí, navržený EPRI [7, 8], je založen na analýze výsledků penetračního testu a stanovení hustoty deformační energie, odpovídající iniciaci trhliny při penetračním testu. Použití tohoto přístupu vyžaduje v průběhu penetračního testu snímat nejen závislost zatížení – posunutí razníku, ale i monitorovat povrch zkušebního tělesa a identifikovat okamžik iniciace trhliny. V předloženém příspěvku je uveden princip penetračního testu a přístupy, které je možno použít pro odhad lomové houževnatosti na základě jejich výsledků.

PRINCIP PENETRAČNÍHO TESTU
Princip penetračního testu spočívá v průniku razníku s hemisférickou plochou přes plochý vzorek tvaru disku, který je sevřen mezi spodní opěrnou a horní přítlačnou matricí (obr. 1). V průběhu testu je snímána závislost zatížení – posunutí razníku (obr. 2). Z výše uvedené závislosti a porušeného zkušebního tělesa jsou stanovovány následující charakteristiky používané pro odhad pevnostních charakteristik a lomového chování materiálů:

P_e [N] – síla charakterizující přechod z linearity do stádia spojovaného s rozvojem plastické deformace přes tloušťku vzorku (plastic bending stage)
P_m [N] – maximální síla zaznamenaná v průběhu penetračního testu
d_m [mm] – posunutí odpovídající P_m
d^_* [mm] – posunutí odpovídající porušení vzorku
E [J] – lomová energie vypočtená z plochy pod závislostí síla posunutí razníku až do okamžiku porušení tělesa
ef [1] – ef = ln(t₀/t*) – efektivní lomová deformace, kde t0 je počáteční tloušťka vzorku a t* je minimální tloušťka v místě porušení vzorku.

DVOUSTUPŇOVÁ METODA STANOVENÍ KIC
Odhad lomové houževnatosti je v tomto případě proveden na základě:

• stanovení empirické závislosti mezi tranzitní teplotou TSP stanovenou z výsledků penetračních testů v rozmezí teplot –185 °C až +20 °C a FATT stanovenou z výsledků zkoušek rázem v ohybu na tělesech Charpy s V-vrubem,
• znalosti empirické závislosti mezi FATT a K_IC.

PŘÍMÝ ODHAD LOMOVÉ HOUŽEVNATOSTI Z VÝSLEDKŮ PENETRAČNÍCH TESTŮ
Pro případy, kdy lomové chování konstrukčních ocelí je popsáno parametry elastoplastické lomové mechaniky byla v práci [3] odvozena závislost mezi J_IC a ekvivalentní lomovou deformací ef. Hodnota J_IC je korelována s lomovou deformací vzorku ef pomocí vztahu:

kde K a J₀ jsou konstanty. Efektivní lomová deformace  je vyjádřena vztahem:

Její hodnota může být stanovena z úrovně posunutí d* odpovídajícího porušení vzorku na základě empiricky stanovené závislosti:

Závislost ln  stanovená na základě výsledků penetračních testů v rozmezí teplot –193 °C až +20 °C u rotorové CrMoV oceli [9] je znázorněna na obr. 3. Pro zajištění dostatečné přesnosti jsou hodnoty t* měřeny na metalografickém výbrusu (viz obr. 4) připraveném postupem popsaným v [1].

EPRI-FAA INOVOVANÝ PŘÍSTUP PRO ODHAD LOMOVÉ HOUŽEVNATOSTI JIC
Tento přístup navržený pro EPRI společností FAA (Failure Analysis Associates, Inc.) hodnotí lomové chování na základě hustoty deformační energie potřebné pro iniciaci trhliny při penetračním testu. Postup použitý pro stanovení lomové houževnatosti materiálu z výsledku jednoho penetračního testu je následující:

• záznam závislosti zatížení – posunutí razníku při současném monitorování povrchu zkušebního tělesa pro identifikaci okamžiku iniciace trhliny,
• stanovení závislosti o-e pro tahovou zkoušku ze závislosti zatížení – posunutí razníku získané v průběhu penetračního testu,
• stanovení hustoty deformační energie odpovídající iniciaci trhliny při penetračním testu,
• stanovení lomové houževnatosti J_IC z odhadu síly, při které je dosaženo kritické hustoty deformační energie na čele trhliny u standardizovaného zkušebního tělesa pro stanovení lomové houževnatosti.

ZÁVĚR
U uhlíkových, nízkolegovaných a výše legovaných ocelí s BCC mřížkou je možno odhadnout aktuální lomovou houževnatost materiálu na základě penetračních testů třemi různými přístupy. Pro přímý odhad z výsledku jednoho penetračního testu je však třeba stanovit v  průběhu penetračního testu vedle závislosti zatížení – posunutí razníku i okamžik iniciace trhliny.

LITERATURA:
[1] CEN Workshop Agreement CWA 15627 „Small Punch Test Method for Metallic Materials, December 2007
[2] Misawa, T., Nagata, S., Aoki, N., Ishizaka, J., Hamaguchi, Y., : Fracture Toughness Evaluation of FusionReactor Structural Steels at Low Temperatures by Small Punch Tests. Journal of Nuclear Materials 169(1989), p. 225–232
[3] Bayoumi, M. R., Bassim, M. N., : Study of the Relationship Between Fracture Toughness (JIC) and Bulge Ductility. Int. Journ. Of Fracture, 23 (1983) p. 71–79
[4] Mao, X., Saito, M., Takahashi, H., : Small Punch Test to Predict Ductile Fracture Toughness JIC and Brittle Fracture Toughness KIC. Scripta METALLURGICA, Vol. 25, 1991, p. 2481–2485
[5] Mao, X., Takahashi, H., Kodaira, T., : Estimation of Mechanical Properties of Irradiated Nuclear Pressure Vessel Steel by Use of Subsized CT Specimen and Small Punch Specimen. Scripta METALLURGICA, Vol. 25, 1991, p. 2487–2490
[6] Ha, J. S., Fleury, E., : Small Punch Tests to Estimate the Mechanical Properties of Steels for Steam Power Plant: II. Fracture Toughness. International Journal of Pressure Vessels and Piping 75 (1998) p. 707–713
[7] Foulds, J. R., Woytowitz, P. J., Parnell, T. K., Jewett, C. W., : Fracture Toughness by Small Punch Testing. Journal of Testing and Evaluation, JTEVA, Vol. 23, No.1, January 1995, p. 3–10
[8] Small Punch Testing for Fracture Toughness Measurement, R-105130, Research Project 2426-38, Prepared for EPRI, June 1995
[9] Matocha, K., Purmenský, J., Miščicki, M., Marszalek, P.,: Determination of actual tensile and fracture properties of steam turbine rotor by small punch tests. Advances in Materials Science, Volume 7, Number 2(12) June 2007, ISSN 1730-2439, p. 32

Estimate of fracture toughness of steels by means of penetration tests
Competent assessment of remaining life span of steel structures requires knowledge of current level of mechanical characteristics of used materials. In September 2004 the European Committee for standardisation (CEN) initiated the creation of the document CWA 15627 „Small Punch Test Method for Metallic Materials“. The requirement of minimisation of tested material taken from the assessed equipment may be met by means of „non-destructive“ sampling of material either by grinding or spark cutting. Mechanical characteristics are determined using penetration tests on the testing body in the shape of a disc. In order to estimate fracture toughness (JIC and KIC), three procedures may be used. Two of them are based on empirically determined correlations, the third one, designed by EPRI, is based on the analysis of penetration test results and determination of deformation energy density corresponding to the rupture initiation during penetration test.

Autoři

• Ing. Čížek Petr
• Ing. Filip Miroslav
• Doc. Ing. Matocha Karel CSc.