, Ostrava, Czech Republic

Transcription

1 HODNOTENIE MECHANICKÝCH VLASTNOSTÍ POMOCOU SKÚŠKY SMALL PUNCH TEST APPLICATION OF THE SMALL PUNCH TEST METHODS FOR THE MECHANICAL PROPERTIES EVALUATION Ľudovít Kupča Jana Václavková VÚJE Trnava a.s., Okružná 5, Trnava, SR, Abstrakt The material properties determination by non-standard method small punch test (SP test) is presented in this paper. The low volume of test samples is great advantage of the SP test method. The application of SP method requires high precision by the metallographic preparation of test samples, and special procedures of the results evaluation. Application of this method gives the possibility to obtain the following data of basic mechanical properties: 1. The yield stress and ultimate tensile strength at room temperature, as in the standard tensile test. 2. Ductile-brittle transition temperature (DBTT) compared with the results measured by standard Charpy test. 3. The fracture toughness value (J IC ). For the fracture toughness evaluation the metallographic cross-sections across perforated sample through the crack area are used. Information of the SP samples preparation and evaluation of mechanical properties are presented in this paper too. 1. ÚVOD Najdôležitejšou konštrukčnou časťou jadrových reaktorov tlakovodného typu je tlaková nádoba reaktora (TNR), v ktorej je umiestnená aktívna zóna s jadrovým palivom. TNR je súčasťou primárneho okruhu jadrovej elektrárne, tvorí teda súčasť bariéry proti prenikaniu štiepnych produktov do životného prostredia. Na vlastnosti materiálov TNR má najväčší vplyv radiačné pole neutrónov v blízkosti aktívnej zóny, ktoré spôsobuje skrehnutie materiálov. Ožiarenie neutrónmi spôsobuje posun prechodovej teploty vrubovej húževnatosti smerom k vyšším hodnotám. Priebežné hodnotenie zmien mechanických vlastností základných komponentov jadrovej elektrárne je významným prvkom pre zaistenie bezpečnej a spoľahlivej prevádzky. Štandardné mechanické skúšky potrebujú veľmi veľa cenného experimentálneho materiálu na výrobu skúšobných telies. Pri ožarovaných telesách je tu aj značný problém s vysokými aktivitami štandardných skúšobných telies. V súčasnosti sa prejavuje snaha o zjednodušenie skúšania, pri súčasnom zabezpečení požadovanej presnosti a vierohodnosti výsledkov. Jedným z možných riešení je miniaturizácia vzoriek. Súčasne ale so zmenšovaním štandardných skúšobných telies sú vyvíjané aj nové typy skúšok plne nahradzujúcich bežne používané skúšky. Jedným z takýchto možných riešení je použitie tzv. penetračnej skúšky (small punch test SP)

2 2. ZÁKLADNÉ INFORMÁCIE O SP SKÚŠKE V súčasnosti sa vo svete začalo rozširovať použitie SP skúšky na hodnotenie základných mechanických vlastností rôznych zliatin [1,2]. Jej výhody upútavajú pozornosť stále väčšieho množstva výskumných tímov. Najväčšie z týchto výhod sú: nízka spotreba originálnych skúšobných materiálov, relatívne jednoduché vyhodnocovanie výsledkov skúšky, použitie univerzálnych a jednoduchých skúšobných zariadení, uniformita vzoriek pre všetky určované vlastnosti materiálov, nízka aktivita ožiarených vzoriek. Parametre tejto skúšky sa zatiaľ medzi jednotlivými autormi líšia. Najviac odlišností je v nasledovných oblastiach: veľkosť a tvar vzorky, druh razného nástroja, konfigurácia skúšobného prípravku, počet vzoriek pre získanie spoľahlivého výsledku. Princípom SP skúšky je ale vždy prienik špeciálneho razníka cez plochú vzorku, ktorá je uchytená medzi pridržovačom a matricou (obr.č.1). Použitím pomerne jednoduchého zariadenia so záznamom zaťažovacej sily a deformácie je možné získať údaje o základných mechanických vlastnostiach. Skúšky pri nízkych teplotách sa realizujú pomocou tekutého dusíka alebo dusíkových pár v špeciálne pre tento účel zhotovených zariadeniach [3]. Použitím jednoduchého záznamového zariadenia pre záznam vzájomných priebehov parametrov zaťaženie deformácia môžeme z výsledkov SP skúšky zisťovať: medzu klzu a medzu pevnosti materiálu zodpovedajúcu výsledkom zo štandardnej ťahovej skúšky, prechodovú teplotu krehkého a húževnatého lomu porovnateľnú s výsledkami získanými pomocou Charpyho skúšky vrubovej húževnatosti, lomovú húževnatosť zodpovedajúcu hodnote J IC pre daný materiál. Obr. č. 1: Schéma skúšobného usporiadania Obr. č. 2: Schéma skúšobnej vzorky 3. PRÍPRAVA VZORIEK Vzorka určená pre SP skúšku má priemer 8 mm a hrúbku 0,5 mm ako je vidieť na obr. č. 2. Presnosť a vierohodnosť silne závisia na kvalite prípravy skúšobných vzoriek. Preto musia byť počas prípravy dodržiavané nasledovné podmienky: vysoká kvalita povrchu vzoriek (zodpovedajúca brúseniu na brúsnom papieri zrnitosti 1200), konštantná hrúbka vzoriek s toleranciou 0,5±0,005 mm, roviny skúšobnej vzorky musia byť rovnobežné, - 2 -

3 + priemer skúšobnej vzorky musí byť vyrobený v tolerancii 8, mm, počas prípravy musia byť vzorky chladené aby nedošlo k tepelnému ovplyvneniu materiálu, pred samotnou skúškou musí byť zabránené korózii povrchu vzoriek (umiestnením v exikátore). Po narezaní polotovarov vzoriek s technologickými prídavkami je možné konečné rozmery dosiahnuť viacerými spôsobmi: ručné brúsenie na metalografických brúsnych papieroch až po konečnú hrúbku a drsnosť povrchu, brúsenie pomocou horizontálnej brúsky s magnetickým upínaním s dokončením opäť na metalografických brúskach. Oba spomínané spôsoby sú ale veľmi pracné a časovo náročné. Obr. č. 3 zobrazuje ručné brúsenie jednej SP vzorky za pomoci jednoduchého prípravku pre uchytenie vzorky. V súčasnosti skúšame novú efektívnu prípravu skúšobných vzoriek použitím metalografickej brúsky Struers. Pre efektívnejšiu prípravu boli zostrojené špeciálne prípravky na uchytenie vzoriek, ktoré nám umožnia súčasnú prípravu 12 SP vzoriek viď (obr. č. 4). Obr. č. 3: Manuálna príprava jednej skúšobnej vzorky Obr. č. 4: Špeciálne držiaky SPT vzoriek umiestnené na metalografickej brúske - 3 -

4 4. HODNOTENIE MECHANICKÝCH VLASTNOSTÍ 4.1 Ťahové vlastnosti Typická záznamová krivka húževnatého materiálu pri izbovej teplote je na obr. č. 7, kde P y je sila na začiatku plastickej deformácie a P max je maximálna sila. Obr. č. 7: Typický priebeh SPT krivky pre húževnatý materiál Medza klzu pri izbovej teplote veľmi dobre koreluje s parametrom zaťažujúcej sily P y a medza pevnosti daného materiálu s parametrom P max. Pre ich vzájomný vzťah platí nasledujúca rovnica: σ y,max = k.p y,max + q 1) kde k a q sú konštanty, ktoré je možné získať z porovnávacích meraní medzi štandardnou ťahovou a SP skúškou, pre daný testovaný materiál [1,2]. 4.2 Určovanie prechodovej teploty Prechodovú teplotu krehkého a húževnatého lomu zodpovedajúcu prechodovej teplote z Charpyho skúšok môžeme získať z výsledkov teplotnej závislosti SP energie. SP energia je potrebná pre porušenie skúšobnej vzorky a stanovuje sa z plochy pod krivkou zaťaženie deformácia do lomového zaťaženia alebo maximálneho priehybu. Pre stanovenie sa používa numerická integračná metóda. Prechodová teplota získaná z SP skúšky (SPDBTT) je definovaná pomocou teploty pre úroveň energie: SP max + SP SPDBTT = min 2) 2 kde SP max a SP min sú horné a dolné plató energie. Pri výsledkoch SP skúšky horné plató energie nie je konštantné, preto sa ako SP max určuje maximálna hodnota SP energie. Ako SP min sa uvažuje energia získaná extrapoláciou krivky pre teplotu 50 K. [1] Vzájomný vzťah medzi SPDBTT a prechodovou teplotou získanou Charpyho skúškou (CH-DBTT) je nasledovný: SPDBTT = α. CH-DBTT 3) kde α je korelačný koeficient, ktorého hodnota je pre kovové materiály v rozsahu 0,35 až 0,45 [1]

5 4.3 Určovanie lomovej húževnatosti Lomová húževnatosť J IC môže byť odhadnutá použitím ekvivalentnej lomovej pevnosti ε qf, ktorú môžeme získať z merania a výsledkov penetračnej skúšky. Pre výpočet ekvivalentnej lomovej pevnosti platí nasledovný vzťah: t ε = ln 0 qf 4) t * 2 δ * ε qf = β 5) t0 kde β je konštanta, t* je minimálna hrúbka v blízkosti lomu SP vzorky, t 0 je pôvodná hrúbka vzorky, δ* je deformácia pri lomovom zaťažení. Hodnotu J IC pre daný skúšaný materiál potom môžeme získať zo vzájomného vzťahu medzi ε qf a J IC, stanoveného experimentálne pre konkrétny materiál. 5. EXPERIMETNÁLNY MATERIÁL Materiál použitý pre overenie metodiky použitý v tejto práci bol zvarový kov TNR z Nového programu overovacích vzoriek pre JE staršieho typu v Jaslovských Bohuniciach. Je to referenčný materiál z Ižorského kombinátu v Rusku, originálneho výrobcu TNR použitých v jadrovej elektrárni V-1. Tento materiál je tiež použitý v rámci medzinárodného programu koordinovaného MAAE pre hodnotenie radiačného krehnutia starších TNR typu VVER- 440/230 [4]. 6. VÝSLEDKY V rámci tohto experimentu boli vykonané SP skúšky pre odhad všetkých vyššie spomínaných vlastností zvarového kovu, ale súčasne boli vykonané aj skúšky na telesách štandardných rozmerov. Korelácia SP parametrov zvarového kovu P y a P max s hodnotami R e a R max so štandardnej ťahovej skúšky je uvedená v literatúre [5]. Tabuľka 1 uvádza namerané hodnoty medze klzu a medze pevnosti pre zvarový kov získané ako SP skúškou tak aj štandardnou ťahovou skúškou. Menší rozptyl nameraných hodnôt je spôsobený nehomogenitou skúšaného materiálu. Tabuľka 1 Porovnanie výsledkov štandardnej ťahovej skúšky a SP skúšky pre zvarový kov TNR označenie vzorky P max [N] P y [N] R m R e ,5 460, ,4 462, ,2 467, ,4 498, ,9 442, ,2 519, ,5 524, ,4 461,1 R m * R e * * priemerné hodnoty z meraní štandardnou metódou pri izbovej teplote - 5 -

6 Prechodová teplota krehkého a húževnatého materiálu pre zvarový kov bola zisťovaná pomocou štandardnej Charpyho skúšky a pomocou SP skúšky. Prechodová teplota získaná pri štandardnej skúške je 15,4 C zodpovedajúca vrubovej húževnatosti 50 J/cm 2 a 12,9 C pre kritérium 50% podielu húževnatého lomu [6]. Obr. č. 8 zobrazuje vzájomnú závislosť SP energie a skúšobnej teploty pre zvarový kov. Hodnota SPDBTT získaná z tejto závislosti má hodnotu 103 K. Použitím rovnice 3) a po prepočítaní na C je hodnota prechodovej teploty získanej pomocou SP skúšky 15,5 C. Lomová energia [Nmm] Teplota [K] Lomová húževnatosť J IC [MPa.m 1/2 ] ,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 SP ekvivalent lomovej pevnosti Obr. č. 8: Teplotná závislosť SP energie pre zvarový kov TNR Obr. č. 9: Korelácia medzi hodnotou J IC a SP ekvivalentom lomovej pevnosti Hodnoty lomovej húževnatosti pri rôznych skúšobných teplotách boli merané pomocou COD telies [6] a vypočítané pomocou SP vzoriek podľa rovnice 4). Na obr. č. 9 je vzájomná závislosť SP ekvivalentu lomovej húževnatosti a lomovej húževnatosti J IC. V tabuľke 2 sú zhrnuté výsledky lomovej húževnatosti namerané oboma metódami pri rôznych metódach. Tabuľka 2 Výsledné hodnoty lomovej húževnatosti pre zvarový kov TNR označenie T [ C] t vzorky 0 t ε qf J IC vyp J IC * ,502 0,12 1,43 190,7 179, ,501 0,13 1,35 161, ,499 0,13 1,35 160,1 173, ,503 0,15 1,21 119,0 129, ,504 0,15 1,21 119,2 114, ,498 0,16 1,14 99,2 78, ,5 0,19 1,00 63,1 64, ,502 0,22 0,82 40,2 42,4 * priemerné hodnoty z meraní štandardnou metódou na COD telesách 7. ZÁVERY Na základe overovania metodiky SP skúšky môžeme uviesť nasledovné závery: Najväčšou výhodou penetračnej skúšky sú malé rozmery skúšobnej vzorky, a to hlavne v prípade nedostatku skúšobného materiálu. Geometria vzoriek umožní presnejšie hodnotenie degradácie vlastností v úzkej oblasti teplom ovplyvnenej zóny v blízkosti zvaru

7 Nová metodika prípravy zjednoduší výrobu vzoriek, a to najmä v prípade nehomogénnych materiálov, kedy je z dôvodu vyššej spoľahlivosti výsledkov nutný väčší počet skúšobných vzoriek. Metodika umožňuje stanovenie vlastností, ktoré zodpovedajú bežnej skúške v ťahu, t.j. medze sklzu, medze pevnosti ale aj vlastností, ktoré určujú odolnosť materiálu proti krehkému porušeniu ako sú prechodová teplota vrubovej húževnatosti a lomová húževnatosť. Našim hlavným cieľom do budúcnosti je štandardizácia tejto metodiky pre priemyselné aplikácie. LITERATÚRA [1] Corwin,W.R., Haggag,F.M., Server,W.L., Eds.: Small Specimen Test Techniques Applied to Nuclear Reactor Vessel Thermal Annealing and Plant Life Extension, ASTM STP 1204, Philadelphia, 1993 [2] Corwin,W.R., Rosinski,S.T., E. van Walle, Eds.: Small Specimen Test Techniques, ASTM STP 1329, West Conshohocken, 1997 [3] Sojka,J., Balon,O., Panna,J.: Zařízení pro hodnocení mechanických vlastností malých vzorků pomocí penetračních testů za normální teploty a za snížených teplot, Vítkovice a.s., 1998 [4] Provazník,J. a kol.: Príprava experimentálneho materiálu pre realizáciu projektu NPOV, technická správa VÚJE Trnava a.s. ev.č. 0360/49/99, 1999 [5] Václavková,J., Kupča,Ľ., Březina,M.: Small punch test method application for the estimation of the material properties degradation, CO-MAT-TECH 2000, STU MtF Trnava, 2000 [6] Provazník,J., Kupča,Ľ: Mechanické vlastnosti zvaru č v neožiarenom stave, technická správa VÚJE Trnava a.s. ev.č. 0360/50/99,