Použití ocelí normalizačně tepelně zpracovaných S355NL a termomechanicky zpracovaných S355ML

• Foto

Normalizačně tepelně zpracovávané oceli stejně jako termomechanicky zpracovávané oceli se dodávají v jakostech S275, S355, S420 a S460. Tyto oceli jsou dodávány:

• s předepsanými minimálními hodnotami nárazové práce při teplotách do –20 °C, označované jako N či M
• s předepsanými min. hodnotami nárazové práce při teplotách do –50 °C,označ. jako NL či ML

Předložená práce diskutuje vhodnost použití jednoho či druhého typu oceli pro stejnou pevnostní úroveň uvedeného mostu [3].

POROVNÁNÍ OCELÍ S355NL A S355ML
Základní předpoklad v rámci porovnání ocelí vychází ze skutečnosti, že obě oceli jsou mikrolegované, jemnozrnné (třída zrna 9 – 11, velikost 8 – 15 μm). Atest oceli podle ČSN EN 10204 určuje min. 14 (příp. 16) sledovaných prvků, sleduje se obsah mikrolegujících prvků V, Nb, Ti, (případně i Ta a Zr) a zvlášť z hlediska vyloučení stárnutí ocelí Al kovový (0,02 až 0,04 %). Předpoklad metalurgického pochodu je, že oceli byly vyrobeny pánvovou metalurgií – rafinace strusková a následně vakuová (kupř. ASEA SVETS). Obě oceli jsou vyráběny řízeným válcováním.

Ocel 355NL (1.0546) dle ČSN EN 10025-3 patří mezi nelegované jakostní oceli a dle ISO/TR 15608 patří do skupiny 1, podskupina 1.3 s požadavkem na patřičné oprávnění svářečů dle ČSN EN 287. Tato ocel vykazuje stabilní jemnozrnnou feriticko-perlitickou strukturu s dobrou a časově stabilní odolností proto únavě. S355NL je doválcována za teploty Ar₃ +50 °C – počet úběrů 3 až 5 (Mannesmann, Salzgitter) a ochlazena na vzduchu. Uvedená struktura je jemnozrnná  s deformovaným feritem s pásy perlitu ve směru válcování. Úroveň pevnostních charakteristik je důsledkem substitučního a intersticiálního zpevnění, velikostí zrna a hustoty dislokací, dosažené řízenou rekrystalizací.

Ocel S 355ML (1.8834) je perspektivní ocel a dle ČSN EN 10025-4 patří mezi legované ušlechtilé oceli a dle ISO/TR 15608 patří do skupiny 2, podskupina 2.1. Je řízeně válcována (7 úběrů) do teploty Ar₃ –40 °C, řízeně (rychle) mezi-ochlazena na teplotu okolo 500 °C a poté řízeně (rychle) dochlazena na teplotu okolí. Dodací stav M může zahrnovat postupy s nebo bez popouštění zahrnujícího samopopouštění. Uvedený postup garantuje vlastnosti, které nelze dosáhnout samotným tepelným zpracováním a také je nelze opakovat. Struktura oceli je jemnozrnná se silně deformovaným feritem s pásy bainitu (dolního či horního) nebo nízkouhlíkového martenzitu – podle obsahu uhlíku a slitinových prvků. Struktura také obsahuje velký počet dislokací, způsobujících dislokační zpevnění. Strukturální a dislokační zpevnění dovolí ocel S355ML vyrábět při stejných mechanických hodnotách v porovnání s ocelí S355N s nižším obsahem uhlíku (0,14 oproti 0,18), případně je nutno uhlík u oceli S355N nahradit manganem.

SVAŘITELNOST OCELÍ S355NL A S355ML
Svařitelnost obou ocelí z hlediska předehřevu je s ohledem na eliminaci vodíkového praskání dle ČSN EN 1011-2 určována dle C3‑Metoda B. Vliv chemického složení je vystižen ekvivalentem uhlíku CET, počítaným podle vzorce CET = C + (Mn +Mo)/l0 + (Cr + Cu)/20 + Ni/40 (V příslušných normách ocelí jsou uvedeny hodnoty ekvivalentu uhlíku CEV, počítané podle vzorce CEV = C + Mn/ 6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni+ Cu)/40). Podle ekvivalentu uhlíku CET, doplněného o důsledek kombinované tloušťky, difúzního vodíku a tepelného příkonu se určuje teplota předhřevu, interpassu a ochlazovací doba t8/5. Ochlazovací doba t8/5 určuje výslednou strukturu v TOO po svařování. Ochlazovací dobu řídíme teplotou předhřevu stejně u obou ocelí.

Uvedeným postupem stanovená teplota předhřevu, je-li u obou ocelí určována především ekvivalentem CET, vychází pro srovnatelné svařované tloušťky mírně nižší pro oceli M. Při limitování tepelného příkonu u ocelí M na 1 kJ/mm je pro větší tloušťky rozdíl mezi teplotami předehřevu ocelí M a N prakticky zanedbatelný.

STRUKTURÁLNÍ STABILITA A TEPELNÉ ZPRACOVÁNÍ
Stabilita ocelí vůči tepelnému ovlivnění je u strukturálně stabilních ocelí N vyšší než u strukturálně metastabilnějších ocelí M. Disperzita karbidických části v bainitické struktuře během dlouhodobé tepelně aktivované expozice klesá, dochází k sferoidizaci karbidů a tím k poklesu pevnostních charakteristik. Proto u ocelí M se nedoporučuje následný ohřev nad teploty 580 °C, proto oceli S355ML jsou z hlediska tepelného ovlivnění náchylnější na „odpevnění“ v TOO v důsledku účinku vysoké teploty v blízkosti fúzní zóny a proto jsou tepelné příkony u M ocelí limitovány hodnotou 1 kJ/mm.

Z uvedeného důvodu jsou ropovody a plynovody z oceli S480.7 TM svařovány ze shora dolů bazickými (zvlášť upravenými) elektrodami. S uvedeným souvisí také rovnání nepřesností svařenců plamenem nebo jinou teplotní metodou. Oceli TM nelze ohřát na vyšší teploty (těsně pod AC1) z důvodu podstatného opevnění oceli.

Také tepelné zpracování po svařování je u ocelí M limitováno. Podle zkušeností SDP-KOVO s. r. o. nelze tepelně zpracovat (žíhat ke snížení napjatosti – pnutí) termomechanicky zpracované oceli podle výše hodnoty meze kluzu za teplot vyšších než 520 °C. S růstem meze kluzu TM oceli se nejvyšší povolené teploty žíhání snižují až k 280 °C (popouštění zákalné struktury). Při žíhání za vyšších teplot dochází k citelnému výše popsanému odpevnění ocelí.

Normalizačně válcovaná ocel S355NL není náchylná na opevnění oceli v TOO a lze ji žíhat s cílem snížení stavu napjatosti za teploty až 660 °C.

EXPERIMENTÁLNÍ OVĚŘENÍ
Porovnání tahových zkoušek dle ČSN EN ISO 6892-1, provedených v SDP-KOVO s. r. o. tepelně zpracované oceli S355M (žíhání ke snížení pnutí – 620 °C, výdrž 60 min) se stavem tepelně nezpracovaným ukazuje tabulka 1 [4].

Poměr hodnoty meze kluzu je u oceli S355M bez tepelného zpracování 0,71, u oceli po tepelném zpracování 0,66. Hodnota meze kluzu se po tepelném zpracování snížila pod jmenovitou hodnotu oceli S355M o 5 MPa.

Hodnoty zkoušky rázem v ohybu dle ČSN ISO 148-1 za teplot 20 °C a –20 °C prokázaly zvýšení hodnot o 10 % vůči tepelně nezpracovanému stavu oceli S355M. Hodnoty za teploty –20 °C jsou v obou případech vysoké a pohybují se nad 100 J.

ZÁVĚR
Porovnání normalizačně válcované oceli S355NL s termomechan. válcovanou ocelí S355ML, tj porovnání ocelí stejné pevnostní kategorie, nevede k preferenci oceli typu M. Přednosti novějších a perspektivnějších ocelí TM se projeví až při vyšších hodnotách meze kluzu, které nelze u feriticko-perlitické struktury normal. válcovaných ocelí dosáhnout.

Dosavadní výhody ocelí N při použití na mostní konstrukce (vyšší teplotní a časová stabilita, ověřená únavová odolnost, schválené svařovací postupy, způsobilost a zkušenosti svářečů)
podporuji konservativní názor o použití osvědčené normalizačně válcované oceli S355NL.

Pro použití novější oceli S355ML je nutno prodiskutovat a případně doložit vedle finančních argumentů i zodpovězení výše uvedených připomínek, konkretizovat předehřevové teploty pro vyšší tloušťky plechů, prokázat možnost překročení limitních tepelných příkonů vzhledem k pevnostním a únavovým charakteristikám.

MCE Slaný s. r. o. doložilo velmi příznivé výsledky WPAR-VUZ–252/442 a /456 ocelí S355ML pro t = 12/14/16 mm (koutové svary) a pro t = 25 mm (tupý dvoustranný svar) 135-MAG + CARBOFIL 1 + CORGON 18. Stejně tak WPAR-VUZ –252/434, /495 a /467 ocelí S420ML pro t = 25 mm, 35 mm a 50 mm (vždy tupý dvoustranný svar) 135-MAG či 121-ZPT.

Tento příspěvek byl vypracován za podpory při řešení výzkumného záměru MSM6840770021 „Diagnostika materiálů“.

LITERATURA:
[1] Kálna, K., Vitásek M.: Porovnání vlastností a skúseností s použitím termomechanicky a normalizačně valcovaných ocelí pre vystavbe Mosta APOLLO cez Dunaj v Bratislave, 2010
[2] Horbal´, P. : Svařování termomechanicky zpracovaných ocelí, Metrostav D7, 2010
[3] Petrák, J., Šašek, L., Mott MacDonald Praha, spol. s r. o.: Nový most přes Vltavu v Praze Troji, www. stavebniservis. com, 2009
[4] Janovec, J., Pilous,V.: Porovnání vlastností ocelí normalizačně tepelně zpracovaných S355NL a termomechanicky zpracovaných S355ML, Technická zpráva 34-10, 2010

Using the Normalized Heat-Treated Steels S355NL and Thermo-Mechanically Treated S355ML
When designing a welded bridge structure for the urban road in Prague Troja, the possibility to use the newer steel S355ML (1.8834) instead of conventional steel S355NL (1.0546) was assessed. Traffic load of the bridge is high and, as with the Apollo Bridge in Bratislava [1], it is estimated at approximately 40 000 vehicles daily. The proposal to use the thermo-mechanically treated steel was based on the assumption of absence of pre-heating temperatures for higher thickness and closed profiles [2].

Autoři

• Doc. Ing. Janovec Jiří CSc.
• Prof. Ing. Pilous Václav DrSc.

Použití ocelí normalizačně tepelně zpracovaných S355NL a termomechanicky zpracovaných S355ML