Praskanie zváraných konštrukcií pri zinkovaní

Three cases of cracked hot dip galvanised welded structures are presented. Main features of these failures e. g. crack initiation, fracture propagation and also fracture mechanisms were identified in order to specify conditions when probably no cracking is observed. Welded structures have failed during hot dip galvanising process due to the influence of hydrogen embrittlement, residual stresses and liquid metal embrittlement.

PRÍPADY POPRASKANÝCH ZVÁRANÝCH KONŠTRUKCIÍ
V priebehu ostatných troch rokov sme vo VÚZ analyzovali tri prípady poprasknia pozinkovaných zváraných konštrukcií. Vo všetkých prípadoch sa jednalo o konštrukcie veľkorozmerné, vyrobené z ocelí pevnostnej triedy S355 rôznych hrúbok zvárané technológiou v ochrannej atmosfére Ar + CO₂ alebo CO₂. Prvý prípadom bolo popraskanie konštrukcie vyrobenej z uholníkov rozmerov 6 × 80 × 80 mm, na ktoré boli privarené uholníky rozmerov 5 × 50 × 50 mm. K výskytu trhlín dochádzalo v oblasti kútových zvarových spojov, pričom tieto vznikali v ich tesnej blízkosti a šírili sa kolmo na dĺžku uholníka (obr. 1). Pri vizuálnej kontrole po zvarení nebola zistená prítomnosť defektov typu trhlín. Druhým prípadom popraskanej zváranej konštrukcie bolo porušenie obvodového zvarového spoja rúry (stĺpu) s doskou. Po obvode spoja sme zistili prítomnosť série trhlín orientovaných kolmo na obvodový zvar (obr. 2). Niektoré trhliny boli identifikované vizuálne a niektoré až po odstránení zinkovej vrstvy kapilárnou skúškou. Tretí prípadom bol výskyt trhlín v oblasti viacvrstvových zvarových spojov veľkorozmernej konštrukcie. Konštrukcia sa porušila v miestach koncentrácie napätí (obr. 5). Chemické zloženie ocelí použitých na výrobu zváraných konštrukcií udáva tabuľka 1.

METODIKA ANALÝZY
Všetky tri prípady popraskania zváraných konštrukcií sme analyzovali metalograficky použitím svetelného mikroskopu METAVAL a meraním tvrdosti jednotlivých oblastí zvarových spojov (základný materiál a TOO). U materiálov použitých na výrobu sme stanovili chemické zloženie. Na analýzu sme pripravili priečne rezy orientované kolmo na povrch trhlín. Vzorky sme na pozorovanie pripravili brúsením, mechanickým leštením na diamantových pastách a leptaním v 3 % nitale. Charakter trhlín sme analyzovali pri zväčšeniach 50 až 500 x. Tvrdosť sme merali metódou podľa Vickersa v zmysle STN EN 6507-1 pri zaťažení 49,05 N (HV 5).

VÝSLEDKY ANALÝZY
Metalografický rozbor
Priečny rez zvarového spoja porušeného uholníka dokumentuje obr. 6. K iniciácii trhlín došlo v mieste výskytu vrubu vytvoreného prechodom medzi zvarom a základným materiálom. Rozsah trhliny dokumentuje obr. 2. Trhlina sa šíri kolmo na dĺžku väčšieho uholníka a šíri sa od prechodu zvaru cez TOO do základného materiálu. V mieste pri povrchu, v TOO, bola trhlina vyplnená vrstvou zinku. V oblasti základného materiálu sa trhlina evidentne šírila po hraniciach zŕn a bola vyplnená vrstvou zinku (obr. 9). Charakter šírenia trhliny v TOO v inom reze dokumentuje obr. 8. Z neho vidieť, že trhliny sa i v tejto oblasti šíria po hraniciach zŕn. Rozsah porušenia dokumentuje obr. 4. Porušenie rúry zvarenej so základovou doskou je charakteristické výskytom trhlín orientovaných kolmo na obvodový zvar (obr. 3). Trhliny sa šírili ako do základovej dosky tak aj do rúry. Povrch trhlín bol pokrytý vrstvou zinku (obr 4). Lokálne sme pozorovali i trhliny, ktoré boli orientované po obvode zvaru (obr. 11 a 12). V tesnej blízkosti jeden z makrotrhlín sme zistili prítomnosť mikrotrhlín šíriacich sa v TOO po hraniciach zŕn (obr. 12). Trhliny sa v základnom materiále šírili opäť po hraniciach základného materiálu. Vo veľkorozmernom zvarku sa zistila prítomnosť trhlín po zinkovaní v miestach koncentrácie napätí v blízkosti viacvrstových zvarových spojov (obr. 5). V priečnom reze zvarového spoja sme identifikovali trhliny šíriace sa z dvoch strán t. j. ako z povrchu tak i z oblasti koreňa spoja (obr. 13). Miesto iniciácie trhliny sa nepodarilo identifikovať. Pre oblasť šírenia trhliny bol charakteristický rozvetvený tvar, pričom krátke trhliny šíriace sa z trhliny magistrálnej boli interkryštálové a vyplnené zinkom (obr. 14).

MERANIE TVRDOSTI
Výsledky merania tvrdosti sú uvedené v tabuľke 2 (spoj rúra - základová doska) a tabuľke 3 (uholníky). Z meraní vyplýva, že tvrdosť TOO základovej dosky stožiara je približne 360 HV5 a u uholníkov 274 HV5.

DISKUSIA
Porovnaním výsledkov analýz jednotlivých prípadov sme zistili niekoľko rovnakých znakov popraskania zvarových spojov. V prvom rade je to skutočnosť, že zvarové konštrukcie boli vyrobené z ocele typu S355 hrúbky od 6 do 20 mm. K iniciácii porušenia konštrukcie došlo vždy v tesnej blízkosti zvarových spojov. Trhliny boli orientované v smere kolmom na zvyškové napätia (uholník, stožiar) a vo všetkých prípadoch boli pokryté v celej svojej dĺžke vrstvou zinku. V miestach šírenia v základnom materiále sa jednalo vždy o interkryštálové trhliny. Z analyzovaných prípadov sa podarilo miesto iniciácie podarilo identifikovať prakticky len u prípadu popraskaných uholníkov a čiastočne u popraskaného stožiara.
V literatúre sa uvádzajú tri možné mechanizmy, ktoré sa uplatňujú pri porušovaní materiálov pri zinkovaní. Sú to vodíkové krehnutie (hydrogen embrittlement), deformačné stárnutie (strain aging) a krehnutie zatečením tekutého kovu (liquid metal embrittlement). Problém výskytu praskania zváraných konštrukcií zinkovaných po zvarení nie je v literatúre veľmi frekventovaný. Niektoré zdroje len informatívne uvádzajú, že pri takýchto konštrukciách je potrebné počítať so všetkými vyššie uvedenými mechanizmami porušovania. Na ich zabránenie sa vo všeobecnosti odporúča aplikácia tepelného spracovania t. j. žíhania na odstránenie napätí.
Jednotlivé uplatňované mechanizmy porušovania súvisia s použitým druhom ocele a technológiou výroby konštrukcie. Z pohľadu analyzovaných zváraných konštrukcií možno predpokladať, že ich porušenie pri zinkovaní môže byť spôsobené vplyvom zvyškových napätí vyvolaných zváraním, účinkom difúzneho vodíka produkovaného v procese chemického čistenia (morenia) vo vodnom roztoku HCl a prítomnosťou tvrdej martenziticko-bainitickej mikroštruktúry. Roztok HCl bol vo všetkých prípadoch použitý na odstránenie nečistôt z povrchu analyzovaných oceľových konštrukcií. Je všeobecne známe, že tento roztok v reakcii s povrchom ocele sa intenzívne produkuje atomárny vodík, ktorý schopný difundovať do ocele. Difúzny vodík významným spôsobom ovplyvňuje vlastnosti ocele. Predpokladáme, že v uvedených prípadoch sa jednalo o iniciáciu trhlín mechanizmom vodíkového indukovaného praskania navodíkovaním pri morení. K ich vzniku došlo v hrubozrnnej oblasti TOO t. j. v miestach v najtvrdšou mikroštruktúrou zvarového spoja. Nasvedčuje tomu prítomnosť interkryštálových trhlín identifikovaných v oblasti spojov uholníkov (obr. 8) alebo stožiara (obr. 12).
Vplyv vodíka na porušovanie zvarových spojov je známy najmä u spojov ocelí s vysokou pevnosťou a možno ho očakávať v hrubozrnnom pásme TOO, kde sa nachádza tvrdá a teda pevná mikroštruktúra. V tomto prípade sa jedná o účinok difúzneho vodíka známy ako tzv. praskanie za studena. Tento druh praskania sa vyskytuje u zvarových spojov ocelí a je spôsobovaný faktormi ako napätie, mikroštruktúra a difúzny vodík. Trhliny vznikajú pri teplotách pod 300 °C a s časovým oneskorením pri úrovni tvrdosti nad 350 HV a hrúbkach zváraných plechov nad 16 prípadne i 25 mm. V analyzovaných prípadoch vzhľadom na hrúbku zváraných plechov nepredpokladáme, že po zhotovení zváranej konštrukcie došlo ku vzniku trhlín tohto typu. Skrehnutie materiálov (ocelí) zatečením tekutého kovu je mechanizmus, pri ktorom tekutý kov s výrazne nižšou teplotou tavenia ako kov, na ktorý je nanášaný, má schopnosť prenikať do tohto materiálu kapilárnymi silami po hraniciach zŕn. Tým sa znižuje kohézna pevnosť hraníc zŕn a pod účinkom napätí môže dochádzať ku popraskaniu predmetného materiálu. Tento mechanizmus sa v anglickej literatúre nazýva liquid metal embrittlement a vyskytuje sa napr.: pri naváraní Cu na oceľ.
Prezentované prípady popraskania zváraných konštrukcií ukazujú, že pri porušovaní zváraných konštrukcií sa uplatňovali hlavne dva mechanizmy, a to vodíkové skrehnutie a skrehnutie zatečením tekutého kovu. Vodíkové skrehnutie v uvedených prípadoch možno očakávať v hrubozrnnom pásme TOO zvarových spojov. V tejto oblasti sme u oboch prípadoch zistili prítomnosť mikroštruktúry martenzitu a horného bainitu tvrdosti 360HV5 (stožiar) resp. 274HV5 (uholníky). Predpokladáme, že počas morenia penetruje difúzny vodík do oblasti zvarových spojov. V hrubozrnnom pásme TOO, kde sa nachádza tvrdá mikroštruktúra, dochádza ku skrehnutiu základnej kovovej hmoty a účinkom zvyškových napätí prítomných vo zváranej konštrukcii dochádza ku vzniku trhlín ešte pred samotným zinkovaním. Z toho predpokladáme, že morenie je technologická operácia, pri ktorej zváraná konštrukcia popraská. Rozsah popraskania môže byť potom závislý od typu mikroštruktúry v TOO a úrovne zvyškových napätí a samozrejme od množstva difúzneho vodíka vygenerovaného pri morení.

Celý nezkrácený článek včetně tabulek a obrázků si můžete přečíst v prosincovém čísle 6/2004.

Autor

• Mráz L'uboš