VYSOKÉ UENÍ TECHNICKÉ V BRN


1 VYSOKÉ UEÍ TEHIKÉ V BR BRO UIVERSITY OF TEHOLOGY FAKULTA STROJÍHO IŽEÝRSTVÍ ÚSTAV MATERIÁLOV...
Author:  Marcel Kovář

0 downloads 1 Views 8MB Size

Recommend Documents


MENDELOVA UNIVERZITA V BRN
1 MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ Agronomická fakulta Ústav zemědělské, potravinářské a environmentální t...

MENDELOVA UNIVERZITA V BRN
1 MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ Zahradnická fakulta v Lednici Cesty v krajině Bakalářská práce Vedoucí bakalář...

Masarykova univerzita v Brn
1 Masarykova univerzita v Brn Ekonomicko-správní fakulta Studijní obor: Finan ní podnikání ANALÝZA KO...

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRN
1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRN BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA PODNIKATELSKÁ ÚSTůV MůNůGEMENTU FACULTY OF BUS...

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRN
1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRN BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FůKULTů PODNIKůTELSKÁ ÚSTůV INFORMATIKY FACULTY OF BUS...

VYSOKÉ UENÍ TECHNICKÉ V BRN
1 VYSOKÉ UENÍ TECHNICKÉ V BRN BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKANÍCH TECHNOLOGIÍ &Uac...

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRN
1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRN BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STAVEBNÍ ÚSTAV VODNÍCH STAVEB FACULTY O...

VYSOKÉ UENÍ TECHNICKÉ V BRN
1 VYSOKÉ UENÍ TECHNICKÉ V BRN BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STAVEBNÍ ÚSTAV BETONOVÝCH A ZDNÝC...

VYSOKÉ UENÍ TECHNICKÉ V BRN
1 VYSOKÉ UENÍ TECHNICKÉ V BRN BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STAVEBNÍ ÚSTAV POZEMNÍHO STAVITELSTV&Iac...

VYSOKÉ UENÍ TECHNICKÉ V BRN
1 VYSOKÉ UENÍ TECHNICKÉ V BRN BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKANÍCH TECHNOLOGIÍ &Uac...


VYSOKÉ U ENÍ TECHNICKÉ V BRN BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV MATERIÁLOVÝCH V D A INŽEN7RSTVÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING

DIFUZE UHLÍKU VE SVAROVÝCH SPOJÍCH NÍZKOLEGOVANÝCH VYSOKOLEGOVANÝCH OCELÍCH.

DIFFUSION OF CARBON IN WELDING JOINTS OF LOW ALLOYS AND HIGH ALLOY STEELS.

DIPLOMOVÁ PRÁCE Master’s thesis

AUTOR PRÁCE

Bc. MAREK ZDVO Á EK

VEDOUCÍ PRÁCE

prof. Ing. KAREL STRÁNSKÝ, DrSc.

AUTHOR

SUPERVISOR

BRNO 2007

Abstrakt:

Práce obsahuje výsledky m ení a analýz difúze uhlíku ve svarovém spoji tvo eného vysoko legovanou austenitickou ocelí SN 417 242 a nelegovanou ocelí SN 412 050. Vzorky byly podrobeny izotermickému žíhání v rozsahu 500 až 1100 °C. Pozornost je zam ena p edevším na metalografické stanovení velikosti nauhli ené a oduhli ené zóny. Další ást práce obsahuje m ení rtg. energiov spektrální mikroanalýzou, kde byl zachycen pr b h rozložení uhlíku a vybraných substitu ních prvk po délce svarového spoje. Na záv r experimentální ásti byla prom en pr b h mikrotvrdosti HV 0,05 po délce svarového spoje, ze získaných dat byla zvolena nejoptimáln jší teplota izotermického žíhání, tak aby vznikl co nejmenší strukturní vrub.

Abstract: Content of a document result measurements and analysis carbon´s diffusion at welding joint created from hight alloyed austenitic steel CSN 417242 and not alloyed steel CSN 412 050. Samples have been put throught isothermal anneal in a temperature range 500 °C up to 1100°C. Aim one´s effort to metalographyic quantification carburized and uncarburized zone. The next part of the document content measuring x-ray energy through microanalysis, where has been record course of a carbon disintegration and selected replacements elements at whole length of the welding joint . At the end of experimental part has been gauged course microhardness HV 0,05 at whole lenght of welding joint, from an acquired data has been chose the most optimal temperature of isothermal anneal, to produce the smallest structural notch.

Klí ová slova: Uhlík, difúze, svarový spoj, izotermické žíhání, metalografie, mikrotvrdost

Key words: Carbon, Diffusion, welding joints, matallography, microhardness,

BIBLIOGRAFICKÁ CITACE ZDVO Á EK, M. DIFUZE UHLÍKU VE SVAROVÝCH SPOJÍCH NÍZKOLEGOVANÝCH A VYSOKOLEGOVANÝCH OCELÍCH.. BRNO: VYSOKÉ U ENÍ TECHNICKÉ V BRN , FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ, 2009. 55 S. VEDOUCÍ DIPLOMOVÉ PRÁCE PROF. ING. KAREL STRÁNSKÝ, DRSC.

Prohlášení autora o p vodnosti práce Prohlašuji, že tato diplomová práce je mým dílem, které jsem vypracoval samostatn , pod vedením vedoucího diplomové práce. Veškerou literaturu a další zdroje, ze kterých jsem erpal jsou uvedeny v seznamu literatury.

Brn : Kv ten 2009

…………………… Marek Zdvo á ek

POD KOVÁNÍ Na tomto míst bych velmi rád pod koval vedoucímu mé diplomové práce, prof. Ing. Karlu Stránskému DrSC., za jeho konzultace, trp livost, rady a vst ícný p ístup, který mi poskytl p i zpracování diplomové práce.

Obsah 1.Úvod 2. Teoretická ást 2.1. Kvazistacionární model difúze uhlíku ve svarových spojích ocelí 2.2. Použití kvazistacionárního modelu 2.3. Efektivní koeficient difúze 2.4. Metody stanovení p erozd leného množství intersticiálního uhlíku ve spoji 2.4.1. Metody výpo tu 2.4.2. Experimentální metody 3. Cíle práce 4. Experimentální ást 4.1. Použité metody 4.2. Experimentální materiál a jeho p íprava 4.3. Oduhli ená zóna 4.4. Nauhli ená zóna 4.4.1. M ení hloubky nauhli ené zóny 4.4.2. Rozložení uhlíku v nauhli ené zón austenitické oceli 4.4.3. Mikromorfologie svarového rozhraní nauhli ené zóny svarového spoje 4.5. M ení mikrotvrdosti 5. Diskuse k výsledk m 6. Záv r 7. Seznam použité literatury 8. Seznam použitých symbol 9. Seznam p íloh

3 4 4 8 10 12 13 21 22 23 23 23 24 30 30 34 39 45 46 49 51 53 55

1. Úvod Zvýšení efektivity získávání elektrické energie je trendem dnešní doby, to sebou nese zhoršování provozních podmínek (p edevším nár st provozní teploty), ve kterých energetické za ízení pracují, to samoz ejm vede ke zvyšování požadavk na užitné vlastnosti konstruk ních materiál (odolnost v i korozi, žárupevnost, strukturní stabilita…). V energetickém pr myslu se velmi asto využívá svarových spoj ( ostatn jako v celém pr myslu). B žn se používá svarových spoj , kde na jedné stran svarového spoje figuruje nelegovaná nebo nízkolegovaná ocel a na stran druhé vysokolegovaná ocel. Strukturn to m že znamenat nap . ferit/austenit. My budeme uvažovat ternární soustavu Fe-C-j, kde j je substitu ní prvek. Na rozhraní takového svarového spoje nastává zm na koncentrace prvk skokem (nás bude zajímat p edevším koncentra ní skok uhlíku a substitu ního prvku nap . Cr). P edevším strukturní stabilita je d ležitou sou ástí odhadu životnosti t chto svarových spoj [1]. Strukturní stabilita je významn závislá na difúzních procesech, které probíhají mezi návarem a ocelí, pop . mezi ocelemi tvo ící svarový spoj, b hem tepelného zpracování a explotace. Difúzním procesem, který nejvýznamn ji ovliv uje strukturní stabilitu návar a svarových spoj , je p erozd lení (redistribuce) intersticiálních prvk v ocelích, p edevším pak redistribuce uhlíku (v menší mí e se m že uplatnit i dusík a výjime n vodík). Strukturní stabilita je initelem, který v hlavní mí e rozhoduje o degradaci mechanických, korozních a jiných vlastností návar a svarových spoj , pokud jsou vystavovány jakékoliv expozici za zvýšených teplot a pokud jsou podrobovány tepelnému zpracování po nava ení i sva ení [2]. Termínem o kterém se v této práci asto zmi uji je kvazistacionární difuze. Tímto termínem zavedeným již v roce 1966 se rozumí, že substitu ní prvky difundují v tuhých roztocích železa bez ohledu na prvky intersticiální, zatímco intersticiální prvky se musí k rozložení prvk substitu ních, nap íklad jejich koncentraci na rozhraní spoje, dokonale p izp sobit [3].

3

2. Teoretická ást 2.1. Kvazistacionární model difúze uhlíku ve svarových spojích ocelí Pro intersticiální prvky platí, že difundují za stejné teploty v tuhém roztoku železa a oceli mnohem rychleji než substitu ní prvky. To vede k tomu, že koncentrace intersticiálního prvku se p izp sobuje mnohem rychleji, ke zm nám koncentrace substitu ního prvku než je tomu na opak. Tento jev se práv nejvýznamn ji projeví na rozhraní svarového spoje o rozdílném chemickém složení. V závislosti na termodynamické interakci intersticiálního a substitu ního prvku m že totiž v míst styku dvou tuhých roztok r zného chemického složení difundovat intersticiální prvek v jednom, i druhém sm ru, p estože se koncentrace substitu n uložených prvk na rozhraní spoje tém nem ní. P i ešení difuze v uvedené soustav Fe-C-j se p edpokládá, že difuze uhlíku probíhá vlivem gradientu aktivity ∂aI / ∂x , kdežto difúze substitu ního prvku j vlivem gradientu koncentrace ∂N S / ∂x . asto se stává, že intersticiální prvky difundují z místa o nižší koncentraci do místa o koncentraci vyšší. Pochody, p i kterých difundují intersticiální prvky proti vlastnímu koncentra nímu spádu, se ozna ují jako obrácená difúze, i difúze do kopce (up-hill diffusion). Jako p íklad obrácené difuze je uveden obr. 2.1.1, který byl p evzat z práce [3].

Obr. 2.1.1 Obrácená difúze uhlíku (up-hill diffusion – difúze do kopce) na rozhraní ocelí Z obr. 2.1.1 je patrné že uhlík na levé stran svarového spoje (uhlíková ocel 12050 o chemickém složení v hm% 0,47 C; 0,87 Mn; 0,26 Si, 0,040 P, 0,040 S; 0,22 Cr a 0,11 Ni) o koncentraci N C(1) p echází pomocí difuze na pravou stranu svarového spoje ( korozivzdorná austenitická ocel 17241 o chemickém složení v hm. % 0,09 C; 0,40 Mn; 0,54 Si, 0,031 P, 0,024 S, 18,89 Cr a 8,09 Ni) o nižší koncentraci N C( 2) . Uhlík, který oddifunduje z levé strany ocel 12050 oduhli uje (to vede k odpevn ní oceli) a naopak zvyšování jeho koncentrace vede k silnému nauhli ení (zpevn ní) v oceli 17241. Kvazistacionární model difuze p edpokládá, že ídícím prvkem p erozd lování intersticiálních prvk ve struktu e je jeho termodynamická aktivita. P edpokládejme mezi ocelemi (1) a (2) diskrétní svarové rozhraní a okrajové a po áte ní podmínky schématicky znázorn né na obr. 2.1.2. Z obr. 2.1.2 je patrno že aC(1) > aC( 2) , což znamená že uhlík se bude p erozd lovat ze strany (1)

4

na stranu (2). Bylo prokázáno, že na rozhraní obou sva ených ocelí se uplat uje pravidlo o zachování termodynamické aktivity [2].

Obr.2.1.2 Zobrazení okrajových a po áte ních podmínek stykového spoje p evzato z [3]

Podle tohoto pravidla lze stanovit kvazirovnovážnou termodynamickou aktivitu na rozhraní svarového spoje. Podle obr. 2.1.2 lze napsat rovnici:

aC( o ) =

aC(1) + aC( 2) = aC( q ) , 2

(2.1.1.)

kde aC(1) , aC( 2 ) jsou aktivity uhlíku v ocelích. Aktivitu uhlíku lze stanovit z následujícího vztahu:

aC ( x, t ) = γ C ( x, t ) ⋅ N C ( x, t ) , který platí pro

(2.1.2.)

x ∈ (−∞, ∞) a t ≥ 0 ; γ C ( x, t ) je aktivitní koeficient uhlíku a N C ( x, t ) atomový zlomek uhlíku.

K vyjád ení aktivitního koeficientu uhlíku použijeme vztah zavedený Wagnerem:

γ C ( x, t ) = exp{ε Cj ⋅ N j ( x, t ) },

(2.1.3.)

v n mž je termodynamická interakce substitu ního prvku s uhlíkem (tj. vliv prvku j na uhlík) vyjád ena pomocí interak ního koeficientu ε Cj [2]. Z rovnice (2.1.3.) je patrné, že aktivitní koeficient uhlíku γ C ( x, t ) nezávisí na koncentraci uhlíku, ale je pouze funkcí koncentrace substitu ního prvku j. Podle rovnice (2.1.1.) se mezi ob ma svarovými kovy ustaví na rozhraní termodynamická aktivita rovna polovin sou tu aktivit uhlíku v jednom a druhém svarovém kovu. Ve skute nosti se však na rozhraní spoje ustaví kvazirovnovážná termodynamická aktivita uhlíku tak, že v limit respektuje rovnost chemických potenciál uhlíku z levé a pravé strany svarového spoje [3].

5

µ C( − x→0 ) = µ C( + x→0 ) .

(2.1.4.) Ze vztahu mezi chemickým potencionálem uhlíku a jeho termodynamickou aktivitou pro standardní stav plyne v obou ocelích spoje

µ C( − x→0 ) = R.T ln aC( − x→0) = R.T ln aC( + x→0 ) = µ C( + x→0 ) ,

(2.1.5.)

kde R = 8,314 J.mol-1 je univerzální plynová konstanta a T [K] je teplota, p i konstantní teplot m žeme nahradit chemický potenciál uhlíku jejich aktivitou v logaritmickém tvaru a po delogaritmování napsat kvazirovnováhu uhlíku na rozhraní ve tvaru:

aC( − x→0 ) = aC( + x→0 ) a nebo

aC(1q ) = aC( 2 q ) , (2.1.6.) Pon vadž aktivitní koeficient uhlíku γ C ( x, t ) nezávisí na jeho koncentraci, je možné vyjád it rozložení aktivity uhlíku difuzní rovnicí: ∂aC ∂ 2a = DCa ⋅ γ C( 2) ⋅ 2C , ∂t ∂x

(2.1.7.)

kde DCa je termodynamický koeficient difuze uhlíku vztažený na z ed ný tuhý roztok a podle [4] je roven:

DCa =

DC . (2.7.1) γ C 1 + ε CC N C

(

)

Vztahujeme-li aktivitu na z ed ný roztok, potom pro N C → 0 se γ C → 1 a koeficient DCa se íseln shoduje s koeficientem difuze stanoveným podle Fickova zákona, takže platí DCa = DC . Rozložení substitu ního prvku není uhlíkem ovliv ováno a v kvazistacionárním modelu difuze uhlíku se vyjad uje vztahem:

∂N j ∂t

= Dj ⋅

∂2 N j ∂x 2

,

(2.1.8.)

Dj je termodynamický koeficient difuze substitu ního prvku. ešením difuzní rovnice (2.1.8.) postupem podle [5] získáme, pro uvedené okrajové a po áte ní podmínky, rozložení substitu ního prvku ve tvaru:

N j ( x, t ) − N (j 2) N

(1) j

−N

( 2) j

=

1 x , erfc 2 2 D jt

(2.1.9.)

v níž N j ( x, t ) je koncentrace substitu ního prvku j ve vzdálenosti x a v ase t, N (j1) , N (j 2 ) jsou výchozí koncentrace v ocelích (1) a (2) svarového spoje (v ase t = 0 pro x ∈(−∞,0) je N (j1) , pro x ∈(0,∞) je N (j 2) a v ase t > 0 je N (j1) v x → −∞ a N (j 2) v x → + ∞), p i emž koncentrace N jsou v atomových zlomcích; Dj je koeficient difúze substitu ního prvku ve spoji, p i emž 6

funkce erfc (z) = 1 – erf (z) zahrnuje Gauss v integrál chyb erf (z) o argumentu z, a rozhraní mezi ob ma ocelemi má polohu x = 0. Rovnice (2.1.9.) je spojitá pro x na celém intervalu x ∈(−∞,∞) a t > 0, p i emž zahrnuje p edpoklad, že hnací silou difúze substitu ního prvku je gradient jeho koncentrace. Známe-li rozložení substitu ního prvku N j ( x, t ) , potom je také možné ur it rozložení (pr b h) aktivitního koeficientu uhlíku γ C ( x, t ) z rovnice (2.1.3.) po substituci za N j ( x, t ) do vztahu (2.1.9.). Po úprav získáme rovnici:

γ C ( x, t ) = exp ε Cj N (j 2 ) +

[

]

x 1 (1) N j − N (j 2 ) ⋅ 1 − erf 2 2 D jt

.

(2.1.10.)

Pokud do obecné rovnice (2.1.3.) dosadíme hodnoty našich svarových kov tak pro ocel (1) dostaneme rovnici:

γ C(1) = exp{ ε Cj .N (j1) },

(2.1.11.)

γ C( 2) = exp{ ε Cj .N (j 2 )

(2.1.12.)

obdobn pro ocel (2):

}.

Rovnici (2.1.10.) je možné dále upravit dosazením rovnic (2.1.10.) a (2.1.11.) do tvaru:

γ C ( x, t ) = γ C( 2)

γ γ

(1) C ( 2) C

1 x ⋅ 1−erf 2 2 D jt

.

(2.1.13.)

Z rovnice (2.1.7.) m žeme získat obdobným zp sobem jako jsme získali rovnici (2.1.9.):

aC ( x, t ) − aC( 2 ) 1 x = ⋅ 1 − erf (1) ( 2) aC − aC 2 2 ⋅ γ C ( x, t ) DCa t

, (2.1.14.)

Rovnice (2.1.14.) p edstavuje rozložení termodynamické aktivity uhlíku ve svarovém spoji. Ze známého pr b hu aktivitního koeficientu uhlíku poté vypo teme prost ednictvím vztah (2.1.2.) a (2.1.14.) hledané rozložení koncentrace uhlíku. Kombinací rovnic (2.1.13.), (2.1.2.) a (2.1.14.), po úprav , získáme rozložení koncentrace uhlíku ve svarovém spoji ve tvaru funkce: (2.1.15.)

γ C( 2) N C( 2 ) + (γ C(1) N C(1) − γ C( 2 ) N C( 2 ) ). erfc 1 2

x 2γ C( 2)

N C ( x, t ) =

γ C( 2 )

7

γ C(1) γ C( 2 )

1 x erfc 2 2 D jt

γ C(1) γ C( 2)

1 x erfc 2 2 D jt

. DCa t .

Rovnice (2.1.15.) a (2.1.13.) jsou pro t ≥ 0 spojité v intervalu x∈(−∞,∞) a mají pro t > 0 spojité derivace. Ve spojení se vztahy (2.1.9.) a (2.1.15.) umož ují získat základní p edstavu o rozložení koncentrace p ísadového substitu ního prvku, aktivity uhlíku a koncentraci uhlíku v návarech a svarových spojích na základ termodynamických a difuzních dat a na základ známého chemického složení oceli v závislosti na ase [2].

2.2. Použití kvazistacionárního modelu Pokud v rovnicích (2.1.13.) a (2.1.9.) zavedeme substituci DCa , (2.2.1) K Cj = Dj pak je možné nahradit D j v t chto rovnicích, tak že rozložení substitu ního prvku je možné vyjád it vztahem

N j ( x, t ) − N (j 2 ) N (j1) − N (j 2 )

12 kCj x 1 = erf 2 2 DCa t

(2.2.2)

a rozložení aktivitního koeficientu rovnicí

γ C ( x, t ) = γ C( 2 ) 12 m žeme ur it bu Hodnotu kCj

γ γ

(1) C ( 2) C

12 kCj x 1 ⋅ 1−erf 2 2 DCa t

.

(2.2.3)

p ímo z difúzních koeficient uhlíku nebo použít jejich

p ibližnou hodnotu, která je pro fázi a teplotu 700 °C p ibližn 103 a pro fázi a teplotu 12 1000 °C kolem 3.103. Vysoké hodnoty kCj zp sobují, že p i úzkém pásu ed ní návaru a svarových spoj , u nichž je ostrý koncentra ní skok substitu ního prvku, existuje také velká skoková zm na uhlíku [2]. 12 Pokud bude platit nerovnost kCj > 100 , potom na rozhraní svarového spoje bude velmi ostré rozhraní substitu ního prvku. Maximální a minimální koncentrace uhlíku je možné v takovém p ípad , pokládat za kvazirovnovážné a stanovit levou i pravou stranu koncentra ní k ivky. Pro − x → 0 dostaneme za daných podmínek z rovnice (2.2.3) −x

lim 0γ C ( x, t ) = γ C(1)

(2.2.4)

a pro levou stranu získáme z rovnice (2.1.15.) p i substituci N C ( x, t ) =

DC(1) = γ C(1) DCa dostaneme

γ C( 2 ) ( 2) 1 (1) γ C( 2) ( 2 ) x N C + N C − (1) N C ⋅ 1 − erf (1) γC 2 γC 2 DC(1)t

8

. (2.2.5)

Obr. 2.2.1 Rozložení koncentrace uhlíku a substitu ního prvku j na rozhraní dvou tuhých roztok vypo ítané podle rovnice (2.1.7.). P evzato z práce [2]. Analogicky vyjdeme z rovnice (2.2.3) pro x → 0 rovnici: x

lim0γ C ( x, t ) = γ C( 2)

(2.2.6.)

a pravou v tev koncentra ní k ivky uhlíku získáme z téže rovnice (2.1.15.) rovnici N C ( x, t ) = N C( 2 ) +

1 γ C(1) (1) x N C − N C( 2 ) ⋅ 1 − erf ( 2) 2 γC 2 DC( 2)t

.

(2.2.7.)

Kvazirovnovážné koncentrace uhlíku na takovém rozhraní návar a spoj pak získáme p i − x → 0 z rovnice (2.2.5) pro levou v tev ve tvaru: ( 2) 1 (1) (1q ) ( 2) γ C (2.2.8.) = N C − N C (1) − x lim 0 N C ( x, t ) = N C 2 γC a p i x → 0 z rovnice (2.2.7.) pro pravou v tev ve tvaru: 1 (1) γ C(1) ( 2q ) lim N ( x , t ) = N = N C ( 2 ) − N C( 2 ) C x 0 C 2 γC

[2].

(2.2.9.)

Z rovnic (2.2.8.) a (2.2.9.) je možné stanovit, pokud známe složení výchozího materiálu a termodynamická data, koncentra ní skok uhlíku na rozhraní spoje. Pro vícesložkový systém je totiž možné na základ aditivnosti ú inku jednotlivých p ísadových substitu ních prvk a p ím sí v oceli (1) a (2) psát rovnice γ C(1) = exp{ ε Cj .N (j1) }, (2.2.10)

9

a

γ C( 2) = exp{

ε Cj .N (j 2) },

(2.2.11)

které jsou analogické jako (2.1.11) a (2.1.12) a v nichž se suma ní znaménko vztahuje na všechny substitu ní prvky p ítomné v oceli. Pomocí vztah pro levou a pravou v tev koncentra ní k ivky uhlíku (obr. 2.2.1 ) je možné ur it p erozd lené množství uhlíku mezi ob ma ocelemi spoje. Pro levou v tev dostaneme p erozd lené množství

[

M C(1) = 2 N C(1) − N C(1q )

]

DC(1)t

a pravou v tev získáme M

(1) C

[

=2N

( 2q) C

−N

( 2) C

(2.2.12.)

π

]

DC( 2)t

π

,

(2.2.13)

P i emž platí zákon zachování hmoty p erozd leného uhlíku, takže platí M C(1) = M C( 2) = M C(1, 2 ) . Substitucí z (2.2.8.) do (2.2.12.) a obdobn z (2.2.9.) do (2.2.13.) získáme po úprav p erozd lené množství uhlíku ve tvaru:

M C(1, 2 ) = =

N C(1)γ C(1) − N C( 2 )γ C( 2 )

DC(1)t

γ C(1)

N C(1)γ C(1) − N C( 2 )γ C( 2)

γ C( 2)

DC( 2)t

π

π

=

(2.2.14)

2.3. Efektivní koeficient difúze Kvazistacionární model difúze má zna né omezení v oblasti konkrétního použití, protože jeho aplikace vyžaduje rozložení intersticiálního uhlíku i substitu ních prvk v m ítku [7]. To pak m že být u svarových spoj v energetických za ízení nejen velmi pracné, ale asto i technicky nemožné a nehospodárné [2]. Pilous zavedl veli inu efektivní koeficient difúze uhlíku DCef a objasnil jeho souvislost se skute nou hloubkou oduhli ení jedné z ocelí svarového páru. DCef umož uje charakterizovat strukturní stálost svarového spoje nebo návaru technicky vhodn jším zp sobem než je tomu u kvazistacionárního modelu difúze uhlíku. P i odvození efektivního koeficientu difúze je vhodné vyjít z druhého Fickova zákona

∂cC ∂ ∂c = DC ⋅ C , (2.3.1.) ∂t ∂x ∂x kde cC je koncentrace uhlíku v hmotnostních procentech nebo hmot. zlomcích, a DC je koeficient chemické difuze uhlíku, závislý na koncentraci prvk v dané oceli. Podle Boltzmannovy-Matanovy analýzy je možné zavedením nové prom nné

λC =

x , t 10

(2.3.2.)

p evést parciální diferenciální rovnici (2.3.1.) na oby ejnou diferenciální rovnici typu [2] − λC dcC d dc (2.3.3.) DC ⋅ C . ⋅ = dλC 2 dλC dλC

Pokud v oceli s vyšší aktivitou uhlíku je koncentrace uhlíku v ase t = 0 rovna cC(1)α a v t sné blízkosti rozhraní v ase t > 0 cC(1q )α , získáme koeficient difúze uhlíku z rovnice (2.3.3.) ve tvaru 1 dλ DC = − ⋅ C 2 dcC

cC(1) α

λC ⋅ dcC .

(2.3.4.)

cC(1 q ) α

Dosazením pomocné prom nné λC z rovnice (2.3.2.) do (2.3.4.) a vyjád ením skute ného gradientu koncentrace uhlíku efektivním gradientem koncentrace téhož prvku dcC cC(1)α − cC(1q )α = , (2.3.5.) dx x získáme postupn vztah pro efektivní koeficient difúze uhlíku ve tvaru: c (1 ) α

DCef

C 1 x = − ⋅ (1)α ⋅ x ⋅ dcC , 2t cC − cC(1q )α c(1q )α

(2.3.6.)

C

cC(1) α

kde integrál

x ⋅ dcC zna í odvedené množství uhlíku z tuhého roztoku oceli s vyšší aktivitou

cC(1 q ) α

uhlíku za as t a x je ší ka oduhli eného pásma. Ur ením tohoto integrálu a x je možné pro daný as a teplotu stanovit hodnotu efektivního koeficientu difúze DCef .

DCef je také možné rozší it na svarové spoje a návary, u nichž není známa koncentrace uhlíku v tuhém roztoku Fe, nýbrž pouze celková koncentrace uhlíku zahrnutá v tuhém roztoku a koncentrace uhlíku zahrnutá v karbidech oduhli ované oceli. Pokud je struktura ocelí tvo ena pouze jednou fází (homogenní tuhé roztoky) – austenitem je možné použít efektivní koeficient difúze DCef k prov ení teplotní stálosti svarového spoje b hem aplikovaného tepelného zpracování ( homogenizace, normalizace) Dá se ukázat, že v takovém p ípad je možné vyjád it efektivní koeficient difúze uhlíku svarového spoje, pop . návaru jednoduchým vztahem [2] :

ξ = 2 DCef t ,

(2.3.7)

kde ší ka oduhli eného pásma a t je as. Graficky jsou tyto pom ry znázorn ny na obr. 2.3.1

11

Obr. 2.3.1 P íklady oduhli ených a nauhli ených pásem. P evzato z [2]. Je-li hodnota efektivního koeficientu difúze dostate n nízká, je strukturní stálost svarového spoje p i pracovní teplot vyhovující. Podle dlouhodobých zkušeností pracovník Úst edního ústavu k. p. Škoda a Ústavu technologie v Plzni je svarový spoj pop . návar dostate n teplotn stálý, pokud efektivní koeficient difúze uhlíku je [2]: DCef ≤ 10 −10 cm 2 ⋅ s −1 .

(2.3.8)

2.4. Metody stanovení p erozd leného množství intersticiálního uhlíku ve spoji Pro ur ení p erozd lení uhlíku ve spoji existují dva možné zp soby: - výpo tem na základ termodynamických a difúzních dat, pop . i na základ dat o fázovém složení a struktu e; - experimentáln na základ metalografické analýzy, m ením mikrotvrdosti p echodového pásma spoje, pop . i na základ mikroanalýzy uhlíku v p echodové oblasti pomocí mikrosondy. Tyto dv metody nám umožní získat kvantitativní p edstavu o p erozd lení uhlíku, samoz ejm se ob metody mohou vzájemn dopl ovat a asto se tomu i tak d je.

12

2.4.1. Metody výpo tu Svarový spoj typu Austenit/Austenit Ty je možné charakterizovat z hlediska p erozd lení uhlíku pomocí kvazistacionárního modelu, který byl popsán v kapitole 2. K vyjád ení p erozd leného množství uhlíku využijeme rovnici (2.1.14). Jestli že ve vztahu (2.1.14) vyjád íme koncentraci uhlíku pomocí hmotnostních procent na míso atomových zlomk získáme vztah pro výpo et p erozd leného množství uhlíku M

(1, 2 ) C

[

= c γ

(1) (1) C C

−c γ

( 2) ( 2) C C

]

DCa t

π

,

(2.4.0)

Ke stanovení teplotn a koncentra n závislých koeficient termodynamické aktivity uhlíku slouží rovnice (2.1.10) a (2.1.11). K ur ení teplotní závislosti termodynamického koeficientu dif ze uhlíku lze použít hodnoty z tab. 2.4.1. U stanovení interak ních koeficient ε Cj v austenitu, využijeme jejich periodickou závislost na charakteristických íslech ν Cj prvk v austenitu. Pro prvky tvo ící s železem a uhlíkem tuhé roztoky s plošn centrovanou kubickou m ížkou má tato rovnice tvar vyjád ený rovnicí [2]:

ε Cj = − 11,0 +

37500 νj νj ⋅ ln C ⋅ exp − 0,684 ln C , (2.4.1) T 6 6

v níž je ν Cj íslo charakterizující elektronouvou strukturu tuhého roztoku Fe-C-j. Podle tab. 2.4.2 m žeme prvk m se azeným v Mend lejov periodické soustav p i adit charakteristické íslo. Rovnice (2.4.1) umož uje stanovit interak ní koeficienty ε Cj v austenitu je založena na asto p ijímaném p edpokladu, podle n hož jsou interak ní koeficienty v Fe-C-j funkcí hustoty valen ních elektron [8]. Podle této p edstavy substitu ní prvky j bu zvyšují nebo snižují aktivitu uhlíku. Prvky j, které zvyšují hustotu elektron ve valen ním pásu také zvyšují hodnotu odpudivých sil mezi uhlíkem a prvky v roztoku, zvyšují aktivitu uhlíku a tak mají kladnou hodnotu ε Cj . U prvk , které snižují odpudivé síly mezi uhlíkem a prvky v roztoku (snižují hustotu valen ních elektron ), je tomu obrácen . Charakteristické íslo ν Cj tedy udává po et elektron

p echázejících do valen ního pásu. Pro železo je ν CFe = 6 a podle

rovnice (2.4.1) platí v celém rozsahu teplot také ε CFe = 0 [2]. Pro rychlé praktické výpo ty i k vyrovnání pokusn stanovených dat je výhodné použít p i stanovení aktivitního koeficientu uhlíku následující vztah: γ C(i ) = exp ε CCr N Cr(i )( Ekv ) (i =1,2), (2.4.2)

{

}

v níž ε CCr je interak ní koeficient vyjad ující vliv chrómu na aktivitu uhlíku v astenitu a (i ) N Cr ( Ekv ) je termodynamický ekvivalent chrómu v austenitu v atomovém zlomku.

Termodynamický ekvivalent chrómu se ur í podle rovnice [10]: 13

(i ) N Cr ( Ekv ) =

( j) (i ) K Cr (C ) N j ,

(2.4.3)

( j) j Cr v níž K Cr ( C ) = ε C ε C je pom r interak ního koeficientu prvku j a chrómu

a

N (j i ) je koncentrace prvku j v oceli (i) svarového spoje.

( j) Konstantu ekvivalence K Cr ( C ) lze podle [10] vyjád it vztahem:

( j) K Cr ( C ) = −1,869 ln

ν Cj 6

exp − 0,6835 ln

ν Cj 6

,

(2.4.4)

kde ν Cj jsou charakteristické ísla podle tab. 2.4.2. Konstanty ekvivalence jsou uspo ádány v tab. 2.4.3. Interak ní koeficient ε CCr je vyjád en rovnicí:

ε CCr = (5,91 ± 2,77 ) − (2060 ± 3270 ) T ,

(2.4.5)

experimentáln stanovenou z výsledk m ení v intervalu teplot 973 až 1373 K [2]. Rovnice (2.4.1) až (2.4.5) a údaje v tab. 2.4.1,2.4.2 a 2.4.3 umož ují stanovit pro ob oceli svarového spoje a uvažovanou teplotu p erozd lené množství uhlíku M C(1, 2 ) vyjád ené rovnicí (2.4.0) v závislosti na dob izotermické prodlevy t [4]. c (ji ) M j (i ) (i = 1,2), (2.4.6) Nj = c (ji ) M j Pomocí vztahu (2.4.6) lze p epo ítat hmotnostní procenta na atomové procenta. Ve vztahu (2.4.6) jsou M j atomové hmotnosti substitu ních prvk a suma ní znaménko se vztahuje ke

(

)

všem substitu ním prvk m. Nás nebude pouze zajímat množství p erozd leného uhlíku v ocelích svarového spoje, ale i jiné d sledky kvazirovnovážné difúze uhlíku. Dalším d sledkem je vznik nauhli eného a oduhli eného pásma vznikající na rozhraní svarového spoje. Vhodné parametry, které charakterizují tyto pásma, jsou kvazirovnovážné koncentrace uhlíku a ší ka nauhli eného a oduhli eného pásma.

14

Tab.2.4.1 Difúzní koeficienty prvk v železe (údaje p evzaty z práce [2]). Prvek

M ížka Fe rozsah teplot [ºC]

H

intersticiální

B C

N Al Co

Cr Cu Mn

Mo Nb

20 - AC3 350-1050 950-1300 20-850 isté Fe 500-1100 500-600 900-1350 897-1097 800-905 1396-1521 1060-1400 , 775-1698 900-1345 795-902 1105-1368 790-900 1446-1494 930-1300 , 775-1509 1050-1360

Substitu ní

Ni

1160-1343 800-900 1473-1494

P

930-1356 804-900 1340-1460

S

1250-1400 800-900 1400-1460

Si Ti V W (Fe)

950-1352 , 900-1334 , 850-1300 985-1225 , 800-1454 1102-1356 , 800-1483 985-1305 , 770-1536 911-1392

Poznámka: *) Pom r kiC = Di Dc

Difuzní charakteristiky Do H [cm2s-1] [kJ.mol-1] 2.10-3 12,14 6,73.10

-3

Pom r rychlostí *) kiC kCj.10-5 732

45,07

221

2.10

-3

87,89

1,15

2.10

-2

84,12

1

0,2 0,396

138,1 140

1 1,65

1,5.10-2

79,83

1,26

0,2

150,7

0,304

5,15

245,8

19

6,91

258

63

0,286

284,1

6,9

2,33 0,169

238,8 263,9

17 1,7

4,2

244,1

32

0,434

280,1

3,1

0,756

224,5

9,1

0,178

264

1,6

0,663 0,036

224,2 239,8

10 0,83

5,6

286

0,42

2,41

242,2

25

0,108

273

6,4

1,65

221,5

2,9

8,7

273

0,079

1,56

202,8

0,3

7,52

236,4

0,0029

0,735

218,8

5,2

68

261,1

9,3

0,15

251

0,57

3,05

239,3

14

0,28

264

1

2,00

246,2

5

0,51

272

1,2

2

240,9

0,89

291,3

(i = H, B, C, N) ve

fázi

p i teplot 700 ºC, ve fázi

p i teplot 1000 ºC.

kCj = DC D j (j = substit. p.) ve fázi p i teplot 700 ºC, ve fázi p i teplot 1000 ºC. 15

Tab. 2.4.2 P i azení charakteristických íselν Cj jednotlivým prvk m v Mend lejevov periodickém systému (údaje p evzaty z práce [2]). Perioda Charakt eristické íslo Cj 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

1

He H

2

3

(O) F Ne (Li) (Be) B C N (O)

Cl Ar Na Mg Al Si P S

( ) postavení prvk v závorce je nejisté

4 Sc Ti V Cr Mn Br Fe Kr K Co Ca Ni Cu Zn Ga Ge As Se

5 Y Zr Nb Mo Tc J Ru Xe Rb Rh Sr (Pb) Cd Ag Cd In Sn Sb Te

6 La Hf Ta W Re At Os Ru Cs Ir Ba Pt Au Hg Tl Pb Bi Po

7 Ac Ku

Fr Ra

( j) j Tab. 2.4.3 Závislost konstant ekvivalence K Cr ( C ) na charakteristických íslech ν C prvk

v periodickém systému (údaje p evzaty z práce [2]). Charakteristické íslo Cj Konstanta ekvivalence k(j)Cr(C) Charakteristické íslo Cj Konstanta ekvivalence k(j)Cr(C)

1

2

3

4

5

6

7

11,4

4,35

2,08

1

0,386

0

-0,259

8

9

10

11

12

13

14

-0,442

-0,574

-0,673

-0,749

-0,807

-0,852

-0,887

Pokud vyjdeme z p íkladu, který je zobrazen na Obr. 2.1.1, tedy že uhlík difunduje z oceli (1) do oceli (2) m žeme psát rovnici:

ξ = 4γ C(1)

DCa t

π

,

(2.4.7)

vztah (2.4.7) nám popisuje závislost mezi ší kou oduhli eného pásma ξ a termodynamickými a difúzními charakteristikami. Analogicky lze odvodit vztah pro ší ku nauhli eného pásma ξ N

ξ N = 4γ C( 2)

DCa t

π

16

.

(2.4.8)

D lením rovnic (2.4.7) a (2.4.8) získáme rovnici v níž platí relace

ξ γ (1) = C( 2) . ξN γ C

(2.4.9)

Ke stanovení kvazirovnovážné koncentrace uhlíku v nauhli ené zón oceli slouží rovnice (2.2.9.), z níž za p edpokladu p ímé úm rnosti mezi hmotnostním procentem a atomovým zlomkem uhlíku plyne

c C( 2 q ) =

1 (1 ) γ C(1 ) c C ( 2 ) + c C( 2 ) , 2 γC

(2.4.10)

P i emž ke stanovení kvazirovnovážné koncentrace uhlíku v nauhli ené zón z rovnice (2.2.8.), tj. relaci cC( 2 q ) γ C(1) = . (2.4.11) cC(1q ) γ C( 2) Porovnáním vztah (2.4.9) a (2.4.11) získáme velmi užite ný vztah ξ c ( 2 q ) γ (1) = C(1q ) = C( 2 ) , (2.4.12) ξ N cC γC

vyjdeme

který vzájemn svazuje strukturní ( ξ ), koncentra ní ( cC(iq ) ) a termodynamické ( γ C( i ) ) veli iny. Význam vztahu (4.12) spo ívá v tom, že pokud ur íme pom r ší ek nauhli ených a oduhli ených zón (nap .mikrotvrdostí nebo metalograficky) potom známe i pom ry zbylých dvou veli in. Tyto veli iny charakterizují strukturní, koncentra ní a termodynamickou heterogenitu ( i homogenitu) svarového spoje [2]. Kombinací rovnic (2.4.7) a (2.2.6.) získáme rovnici pro stanovení efektivního koeficientu difúze uhlíku 2 4 DCef = DCa γ C(1) . (2.4.13)

[ ]

π

Uvedené vztahy je možné použít pro odhad strukturní stálosti svarového spoje za p edpokladu, že se jedná o spojení typu Austenit/Austenit a pásmo tavného spoje je p im en úzké ( ádov 10-3 cm) [2]. Další využití t chto vztah je u svarových spoj uhlíkových a nízko až st edn legovaných ocelí, ale až nad teplotou Ac3 oduhli ované oceli, ale musíme vycházet p i stanovení bodu teploty Ac3 z kvazirovnovážné koncentrace uhlíku na rozhraní nikoliv z po áte ní. Stejný postup je t eba zachovat u svarových spoj uhlíkových s nízko až st edn legovaných ocelí s ocelemi vysokolegovanými austenitického typu. Orientaci spoje je vždy možno zvolit tak, aby byla spln na nerovnost [2] cC(1)γ C(1) cC( 2 )γ C( 2 ) . (2.4.14) Svarové spoje a návary typu Ferit/Austenit Tyto spoje není možné popsat tak jednozna n a p esn z hlediska p erozd lení uhlíku jako svarové spoje p edcházejícího typu [11]. U svarových spoj typu Ferit/Austenit nemusí být v obecném p ípad spln na podmínka kvazirovnováhy aktivity uhlíku aC( q ) vyjád ená rovnicí (2.1.1.) [2].

Hodnotu aktivity aC(q ) stanovíme podle rovnice (2.4.15) (q) C

a

=

N C(1) DC(1) + N C( 2 ) DC( 2 ) DC(1)

γ C(1)

+

DC( 2)

γ C( 2)

17

,

(2.4.15)

tento vztah je možné dále zjednodušit použitím substituce

K C(1, 2 ) =

γ C(1) γ C( 2 )

DC( 2 ) , (2.4.15.a) DC(1)

takže dostaneme vzorec

aC( q ) =

aC(1) + K C(1, 2 ) aC( 2 ) , 1 + K C(1, 2 )

(2.4.16)

konstantu K C(1, 2 ) m žeme ur it p edem z termodynamických a difúzních dat svarového spoje. Konstanta K C(1, 2) se p i teplotách pod 700 ºC p ibližn rovná jedné, takže v prvém p iblížení lze tyto spoje ešit pro podmínku (2.1.1.) [5]. P erozd lené množství uhlíku je za p edpokladu, že platí (2.1.1.), ízeno rovnicí − (1, 2 )

MC ( ES ) C

kde sou in c

( 2)

− (1)

= cC( ES ) γ C − cC( 2 ) γ C

DCa t

π

, (2.4.17)

− (1)

γ C je aktivita uhlíku ve feritické oceli ve výchozím stavu. Tato aktivita

uhlíku je vztažena prost ednictvím veli iny

cC k rovnováze uhlíkem nasyceného

nelegovaného austenitu ( cC( ES ) ) s uhlíkem nasyceným nelegovaným feritem ( cC( PQ ) )[2]. Tato rovnováha vyjád ená pom rem obou p edchozích veli in c ( ES ) K C(1, 2) = C( PQ ) (2.4.18) cC tato relace platí pouze p i eutektoidní teplot . Pr b h cC( ES ) je možné v zásad z binárního metastabilního rovnovážného diagramu Fe-Fe3C.

p evzít

− (1)

γ C je aktivitní koeficient uhlíku vyjad ující jeho zm nu ve feritické oceli vzhledem k takto − (1)

zvolenému standardnímu stavu [2]. Pro ur ení hodnoty koeficientu γ C m žeme použít následující rovnici − (1 )

γ C = exp {ϖ CCr N Cr(1 )( Ekv ) }.

(2.4.19)

Rovnice (2.4.19) je závislá na teplot , protože platí vztah 36170 ϖ CCr = 10,64 − (2.4.20) T Po ítat p erozd lené množství uhlíku má pouze smysl, tehdy když tok uhlíku sm uje z feritické oceli (1) do austenitické (2), tedy pokud platí − (1)

( 2)

c γC c γC . (2.4.21) U spoj typu ferit/austenit se oduhli ení d je dv ma zp soby: difúze uhlíku feritem a rozpoušt ní karbid v oduhli ené zón . To má za následek, že ur ení ší ky oduhli eného pásma je složit jší než u p edchozího typu spoje, ší ka nauhli ené zóny se ur í z rovnice (2.4.8). Odhad ší ky oduhli eného pásma lze provést pomocí vztahu c ( ES ) γ C(1) γ C( 2) − cC( 2) ξ ≈ ξN C . (2.4.22) 2 cC(1) − cC(1q ) Rozpustí-li se na rozhraní feritu b hem oduhli ování všechny karbidy, lze položit hodnotu cC(1q ) rovnu nule, je-li také cC( 2) → 0 , potom z rovnic (2.4.8) a (2.4.22) plyne, že p ibližn platí ( ES ) C

( 2) C

[ [

18

]

]

ξ ≈2

− (1) ( ES ) C C (1) C

γ

c

DCa t

π

c

[2].

(2.4.23)

Efektivní koeficient difúze získáme z rovnice − (1 )

c C( ES ) γ c C( 1 )

D Cef ≈

C

2 D Ca

π

.

(2.4.24)

Kvazirovnovážná koncentrace uhlíku v nauhli ené austenitické oceli se ur í ze vztahu − (1)

cC( 2 q ) =

1 ( ES ) γ C cC + cC( 2) . ( 2) 2

(2.4.25)

γC

Kvazirovnovážnou koncentraci uhlíku v nelegovaném feritu dána vztahem 1 c ( PQ ) γ ( 2 ) (2.4.26) cC(1q ) = cC( PQ ) + cC( 2) C( ES ) ⋅ C(1) , 2 cC γC v n mž je cC( PQ ) je k ivka rozpustnosti uhlíku ve feritu, dána vztahem

cC( PQ ) = 2,31exp{− 4140 T } . (2.4.27) Výpo tové vztahy, které byly uvedeny v rámci kapitoly svarové spoje typu Ferit/Austenit, lze použít pouze v intervalu teplot 500-700 ºC. Svarové spoje a návary typu Ferit/Ferit V dnešní dob už u t chto spoj existuje dobrá shoda mezi údaji zjišt nými experimentáln a daty zjišt nými po etn [12]. Nic mén termodynamicky popsat takový svarový spoj je pom rn složitý úkol. Složitost spo ívá, v tom že se ve struktu e oceli tvo í komplexní karbidy, p i emž koexistuje n kolik karbidických fází. Tyto karbidy jsou p i expolotaci nestabilní, vlivem teploty a zatížení dochází k jejich rozpoušt ní a k precipitaci nových typ karbid , takže se m ní nejen jejich složení, ale i tvar, velikost a po et [2]. K uvedeným zm nám, p istupují ješt zm ny v p echodovém pásmu spoje, na nichž se významn podílejí rozdíly v chemickém složení oceli spoje. K popisu p erozd leného množství uhlíku je možné vyjít z rovnice (2.4.17), v níž se aktivita uhlíku (tj. sou in koncentrace uhlíku a jeho aktivitního koeficientu) a termodynamický koeficient difúze uhlíku transformují na jiný standardní stav. Pomocí mezní rozpustnosti uhlíku v nelegovaném feritu cC( PQ ) lze rovnici (2.4.17) upravit do tvaru − (1, 2 )

MC

− (1)

( 2)

= cC( PQ ) γ C − cC( 2 ) γ C

cC( PQ ) cC( ES ) cC( ES ) cC( PQ )

DCa t

π

,

(2.4.28)

v n mž veli ina − ( 2)

cC( PQ ) ( 2 ) γC . (2.4.29) cC( ES ) Zna í aktivitní koeficient uhlíku vztažený na ferit nasycený uhlíkem [2]. Další veli ina plynoucí z rovnice (2.4.28) je termodynamický koeficient difúze uhlíku vztažený na nasycený ferit:

γC =

− a

2

c ( ES ) D C = C( PQ ) DCa . (2.4.30) cC Pomocí rovnic (2.4.29) a (2.4.30) lze p epsat rovnici (2.4.28) do tvaru 19

− (1, 2 )

MC

− (1)

− ( 2)

= cC( PQ ) γ C − cC( 2 ) γ C

− a

DC t

π

,

(2.4.31)

který je ekvivalentní vztahu (2.4.17), avšak popisuje toto p erozd lení pro jiný standardní stav. Použití rovnice (2.4.31) je podmín no, tím že initelem ídícím redistribuci uhlíku do feritické oceli je aktivita uhlíku v této oceli, a však vztažená k nasycenému stavu feritu, a že je také spln na podmínka daná rovnicí (2.1.1). V termínech termodynamických aktivit uhlíku vztažených na nasycený ferit má tedy rovnice pro nerozd lené množství uhlíku ve svarovém spoji typu ferit/ferit kone ný tvar − (1, 2 )

MC − (1)

v n mž a C = c

( PQ ) C

− (1)

− a

− ( 2)

DC t

= aC − aC

π

,

(2.4.32)

− (i )

γ C pro i = 1,2 [2]. cC(1) α

x ⋅ dcC (tento výraz je sou ástí

Hloubku oduhli ené zóny získáme porovnáním rovnic

cC(1 q ) α

rovnice(2.2.6.) a (2.4.32) − (1)

− ( 2)

− a

aC − aC DC t ξ ≈ 2 (1) (1q ) . (2.4.33) aC − aC π Kombinací rovnic (2.2.6.) a (2.4.33) získáme efektivní koeficient difúze ve tvaru − (1)

DCef

− ( 2)

2

aC − aC ≈ (1) aC − aC(1q )

− a

DC t

π

.

(2.4.34)

P i úplném rozpušt ní karbid ve feritu na rozhraní nauhli ované a oduhli ované oceli je možné v rovnici (4.34) položit cC(1q ) = cC( PQ ) . Rovnice (2.4.32) až (2.4.34) mají smysl pro − (1)

γC

− ( 2)

γ C , orientaci spoje je možno volit vždy, tak aby byla tato podmínka spln na.

Dále je t eba znát pr b h termodynamického koeficientu difúze vztaženého na nasycený ferit. Na základ vlastních m ení lze jeho teplotní závislost vyjád it Arrheniovým vztahem [4] − a

D C = 0,016 exp{− 71,8 RT }. (2.4.35) Uvedený zp sob výpo tu je možné aplikovat u svarových spoj a návar feritických ocelí, v (1) ( 2) nichž je N Cr 0,025, N Cr 0,12 a obsah uhlíku se pohybuje v rozmezí 0,08 až 0.19 ( Ekv ) ( Ekv ) hmot. %. U nelegovaných ocelí byl ov en obsah uhlíku 0,40 až 0,47hmot.%. Obor teplot je v rozmezí 550 až 650 ºC. Doba izotermické výdrže na teplot se pohybovala do 104 h.

20

2.4.2. Experimentální metody Metalografické stanovení ší ky oduhli eného pásma Hlavní výhodou této metody je její rychlost, ale nedostatkem je menší p esnost. Nep esnost je zp sobená nejasným vizuálním rozhraním mezi oduhli enou oblastí a neovlivn nou strukturou, takže mikroskopické stanovení této hranice je zatíženo systematicky se projevujícími subjektivními chybami. Hloubku oduhli eného pásma je možno m it bu p ímo na metalografickém výbrusu nebo na fotografiích. Metodika m ení mikrotvrdosti Tato metoda poskytuje spolehlivé, reprodukovatelné kvantitativní výsledky, navíc je velmi snadná a dostupná. Možnost použití m ení mikrotvrdosti pro stanovení ší ek oduhli ených a nauhli ených zón je zp sobena skute ností, že redistribuce uhlíku v t chto zónách je spojena s nár stem (poklesem) tvrdosti. Nauhli ení je spojeno se zpevn ním a oduhli ení s odpevn ním. Pon vadž procesy odpevn ní a zpevn ní následují za p erozd lením uhlíku v tuhém roztoku i v karbidech, jsou tvary distribu ních k ivek znázor ujících rozd lení uhlíku a mikrotvrdosti velmi blízké, a lze je proto velmi snadno aproximovat pomocí týchž základních vztah [2]. Pokud tedy známe pro stejný spoj jak pr b h mikrotvrdosti, tak i rozložení uhlíku, je zásad možné stanovit pro sva ené materiály p ír stky k odpevn ní a zpevn ní vlivem p erozd lení uhlíku p i dané teplot žíhání, i exploataci spoje.

21

3. Cíle práce Cílem práce je − Metalografické stanovení zón oduhli ených a nauhli ených heterogenních dvou sérií svarových spoj ocelí. − Kvantitativní stanovení rozložení koncentrace uhlíku a vybraných substitu ních prvk v p echodovém pásmu a v nauhli ené ásti svarových spoj ocelí. − Metalografické stanovení mikromorfologie nauhli ené zóny. − Prom ení mikrotvrdosti oduhli ených a nauhli ených zón dvou sérií heterogenních svarových spoj ocelí. − Analýzy a m ení bylo realizováno na izotermicky žíhaných svarových spojích v intervalu teplot 500 až 1100 °C a as žíhání 1050 až 1,5 h.

22

4.Experimentální ást 4.1. Použité metody Pro m ení a analýzy byly použity metody: -

Metalografie na sv telném mikroskopu Olympus TMG3 se CCD kamerou Olympus DP11 (stanovení velikosti nauhli ené a oduhli ené zóny). Metoda elektronové mikroskopie na rastrovacím elektronovém mikroskopu Philips XL30 (mikromorfologie nauhli ené zóny). Rtg. energiov disperzní mikroanalýza na energiov disperzním spektrometru EDAX (ur ení rozložení prvk po délce svarového spoje) Rentgenov disperzní mikroanalýza na p ístroji Philips–X´Pert (identifikace fází v nauhli ené zón ) Program ThermoCalc (identifikace fází v nauhli ené zón ) Program SVARY (který je stru n charakterizován v publikaci [2]) (použit pro výpo et oduhli ených zón a efektivních koeficient difúze) M ení mikrotvrdosti na automatickém mikrotvrdom ru LECO LM247AT vybaveným softwarem pro automatické vyhodnocování AMH–2000 (m ení pr b hu mikrotvrdosti po ší ce svarového spoje)

4.2. Experimentální materiál a jeho p íprava Pro experimentální svarový spoj byly použity ocele vysokolegovaná s ozna ením A ( SN 417242) a dv nelegované oceli H2 ( SN 412 050) a H3( SN 412 050), chemické složení uvedených ocelí je v Tab. 4.2.1 a bylo zjišt no emisní kvantometrickou analýzou. Ocele H2 a H3 mají podobné chemické složení, jenom mají odstup ovaný obsah hliníku viz Tab. 4.2.1. Tab.4.2.1. Chemické složení svarových spoj [hm.%] Ocel C Mn Si P S 17242 – A 0,17 1,13 0,44 0,015 0,006 12050 – H3 0,44 0,69 0,33 0,011 0,027 12050 – H2 0,44 0,69 0,33 0,011 0,027

Cr 18,93 0,05 0,05

Ni 8,75 0,04 0,04

Mo 0,02 0,04 0,04

Al 0,011 1,15 0,49

Vysokolegovaná ocel A má strukturu austenitickou a nelegované oceli H2 a H3 v tepeln nezpracovaném stavu mají strukturu feriticko-perlitickou. Ob oceli pocházely z b žných komer ních dodávek. Nelegovaná ocel 12 050 byla p etavena ve vakuové laboratorní peci, obohacena hliníkem a po odlití p ekována. Austenitická ocel byla použita v komer n dodaném stavu [13]. Svarové spoje ocelí uvedených v Tab.4.2.1, p ipravené elektrickým šokem ve tvaru sendvi o pr m ru 12 mm a o výšce 2 x 4 mm, byly izotermicky žíhány p i teplot [°C] / ase [h] viz. Tab.4.2.2.

23

Tab.4.2.2. Parametry izotermického žíhání svarových spoj Po adové íslo Ozna ení spoje Teplota žíhání (°C) 1 A1/H2 1 100 2 A2/H2 1 050 3 A3/H2 1 000 4 A4/H2 950 5 A5/H2 900 6 A6/H2 850 7 A7/H2 800 8 A9/H3 700 9 A10/H3 650 10 A11/H3 600 11 A12/H3 550 12 A13/H3 500

Doba žíhání (hodin) 1,5 2 5 8 18 18 26 56 114 240 480 1050

Po izotermickém žíhání s Ti t ískami v evakuovaných k emenných ampulích (Ti tu p sobí jako gether na kyslík) byly jednotlivé vzorky roz íznuty na diamantové pile podél válcové osy na polovinu[13]. Takto p ipravené svary jsem p evzal pro vlastní m ení. Vzorky byly zality do speciální elektricky vodivé hmoty (se zvýšeným obsahem uhlíku a kovovými pilinami) z d vodu pot eby pozorovat vzorky v elektronovém mikroskopu. Pak byly vzorky p ipraveny tradi ním metalografickým zp sobem (broušení, lešt ní, leptání). Nejd íve byly vzorky naleptány 2% nitalem (ethyl- nebo methylalkohol, kyselina dusi ná [14]), to m lo za následek zvýrazn ní struktury nelegované oceli. Austenitická ocel byla zvýrazn na jen nepatrn . Poté byl svarový spoj pozorován a fotografován na sv telném mikroskopu. Po zdokumentování struktury nelegované oceli se vzorky leptaly leptadlem Vilella Bain (glycerin, kyselina dusi ná, kyselina solná [14]), což m lo za následek zvýrazn ní struktury austenitické oceli a silné p eleptání nelegované oceli. Zvýrazn ná austenitická struktura byla zdokumentována.

4.3. Oduhli ená zóna Vyhodnocení velikosti nauhli ené a oduhli ené zóny u svarových spoj A/H2 a A/H3 bylo provedeno metalograficky. Snímky t chto oblastí byly získány jak již bylo uvedeno d íve na sv telném mikroskopu Olympus TMG3 se CCD kamerou Olympus DP11. Snímky jednotlivých svarových spoj byly vytisknuty na papír formátu A4. U svarových spojení izotermicky žíhaných mezi teplotami 500 až 700 °C (v intervalu t chto teplot má nelegovaná ocel H3 strukturu feriticko perlitickou) je patrná ostrá p echodová hranice mezi istým feritem, který se nachází od svarového spoje a sm uje sm rem do nelegované oceli a perlitickou strukturou, která sahá až na konec nelegované oceli. Práv vzdálenost od svarového spoje k rozhraní ferit perlit jsme brali jako velikost oduhli ené zóny. Protože feriticko perlitické rozhraní je nepravidelné (zasahuje do r zných hloubek) musela být velikost zóny ochuzené o uhlík stanovena statistickou metodou. Na každém vzorku, který byl izotermicky žíhán v rozsahu teplot 500 až 700 °C, byla zm ena v deseti r zných místech 24

velikost pásma istého feritu (m ení je nazna eno na obr.4.3.1 b). Získané hodnoty (ze snímku vytišt ném na papíru formátu A4), které byly v mm, byly p evedeny pomocí p iloženého m ítka na m. Ze získaných hodnot byl poté spo ítán aritmetický pr m r a k n mu stanovena p íslušná aritmetická odchylka. V této práci bude vždy nelegovaná ocel (oduhli ené pásmo) situována nad svarové rozhraní do horní ásti snímku, pro názornost je na obr.4.3.1b.) nazna eno ervenou šipkou sm r uphill difúze uhlíku, která b ží vždy ( u vzork použitých v této práci) z ásti svarového spoje tvo eného nelegovanou ocelí do austenitické oceli.

a.) b.) Obr.4.3.1 Svarové rozhraní vzorku A13/H3 a.) p vodní snímek b.) nazna ení použité statistické metody. Zv tšeno 200 x. Leptáno Nitalem Na obr.4.3.2 jsou zachyceny snímky oduhli ených zón svarových spoj A12, A11, A10, A9/H3.

a.)

b.)

25

c.) d.) Obr.4.3.2 Snímky oduhli ených zón svarových spoj a.) A12/H3. Zv tšeno 200x. b.) A11/H3 c.)A10/H3 d.) A9/H3. Zv tšeno 100x. Leptáno Nitalem. Z výsledk m ení oduhli ených zón mezi teplotami žíhání 500 až 700 °C (viz. p íloha 1) je patrné, že velikost oduhli ené oblasti s rostoucí teplotou žíhání roste (vypo tené pr m rné velikosti oduhli ených zón mezi teplotami 500 až 700 °C jsou shrnuty v tab. 4.3.1). Dále je patrný r st zrn istého feritu, která rostou kolumnárn od svarového rozhraní do nelegované oceli. S rostoucí teplotou se více protahují ve sm ru odvodu tepla. Tab.4.3.1 Vypo tené pr m rné oduhli ené zóny svarových spoj A13/H3 až A9/H3 v etn parametr žíhání a vypo tených efektivních koeficient difúze Dcef. Svarový spoj A13/H3 A12/H3 A11/H3 A10/H3 A9/H3

[ºC] 500 550 600 650 700

Teplota žíhání [K] [10000/K] 773,15 12,93 823,15 12,15 873,15 11,45 923,15 10,83 973,15 10,28

Doba žíhání [s]

Oduhli ená oblast [cm]

Dcef [cm2/s]

3780000 1728000 864000 410400 201600

0,0105 0,0183 0,0192 0,0216 0,0247

7,291E-12 4,845E-11 1,134E-10 2,842E-10 7,56E-10

Pomocí hloubek oduhli ení a dob izotermického žíhání byly vypo teny podle vztahu (2.3.7) efektivní koeficienty difúze DCef , výsledky výpo tu jsou uvedeny v tab.4.3.1. Na obr.4.3.3 je graficky znázorn na závislost logaritmu efektivního koeficientu difúze na reciproké hodnot teploty. Naše hodnoty efektivního koeficientu difúze DCef byly porovnány s výsledky, které byly vypo teny programem SVARY. Efektivní koeficienty difúze vypo tené programem SVARY jsou na obr.4.3.3 (pro svarový spoj typu A/H3 500-700 °C).

26

ln DCef ln DCef vypo tená programem SVARY

-15

-19

2

ln DCef [cm /s]

-17

-21 -23 -25 -27 10,00

10,50

11,00

11,50

12,00

12,50

13,00

-1

10000/T [K ]

Obr.4.3.3 Závislost ln DCef na reciproké hodnot teploty. Korelace mezi m ením je charakterizována regresním vztahem ln DCef = −1,6747/T − 3,7481, koeficient korelace iní r = 0,9927 Mezi teplotami 800-1100 °C (svarové spoje s ozna ením A/H2) je oduhli ená zóna složena ze dvou pásem a to pásma kde se nachází istý ferit (budeme hovo it o pásmu oduhli ení istého feritu F ) po této oblasti nalezneme pásmo, kde se objevují první zrna perlitu (ferit+perlit) a mezi t mito zrny je ferit, který tvo í jakési sloupky (zóna oduhli ení ferit+perlit F+P ). Zóna ferit+perlit kon í v místech, kde se již nachází pravidelná zrna perlitu (už zde není sloupkový ferit, ale typická feriticko-perlitická struktura).Morfologii popsanou výše m žeme vid t na obr.4.3.4 b), tady mezi svarovým spojem a zelenou árou je oblast istého feritu, mezi zelenou a ervenou árou je oblast ferit+perlit. V znik této morfologie si lze vysv tlit takto - v intervalu teplot 700 až zhruba 950 °C je struktura nelegované oceli tvo ena feritem a austenitem (s rostoucí teplotou také roste podíl austenit ve struktu e). Nad teplotou 950 °C mají již ob ocele tvo ící svarový spoj strukturu tvo enou austenitem. P ítomnost austenitu (rozpustnost uhlíku v austenitu je v tší než ve feritu) zp sobí, že zde nalezneme oblasti istého feritu a oblast ferit +perlit. Oduhli ené pásmo se nachází mezi t mito dv ma oblastmi. U vzork žíhaných mezi 800-1100 °C bylo zm eno statistickou metodou použitou u vzork série A/H3 jak pásmo istého feritu (od svarového rozhraní po za átek pásma ferit+perlit), tak také pásmo ferit+perlit ( od svarového rozhraní po za átek pásma pravidelných zrn perlitu).

a.) b.) Obr.4.3.4 Svarový spoj A6/H2 a.) p vodní snímek b.) s vyzna enými zónami istého feritu a feritu + perlitu. Zv tšeno 50x. Leptáno Nitalem 27

Na obr.4.3.5 jsou zachyceny snímky oduhli ených zón svarových spoj A7, A5, A4, A3, A2, A1/H2.

a.)

b.)

c.)

d.)

e.) f.) Obr.4.3.5 Snímky oduhli ených zón svarových spoj a.) A7/H2 b.) A5/H2 c.)A4/H2 d.) A3/H2 e.) A2/H2 f.) A1/H2. Zv tšeno 50x. Leptáno Nitalem. Z výsledk m ení oduhli ených zón mezi teplotami žíhání 800 až 1100 °C (viz. p íloha 1) je patrné, že velikost zóny istého perlitu se s rostoucí teplotou žíhání zmenšuje, mezi teplotami 800 až 900 °C velmi rychle a poté už jen velmi pozvolna (jak dokládají snímky na obr.4.3.4 a obr.4.3.5) a naopak je tomu u zóny ferit+perlit, kde s rostoucí teplotou žíhání také roste velikost této zóny. Vypo tené pr m rné velikosti oduhli ených zón mezi teplotami 800 až 1100 °C jsou uvedeny v tab.4.3.2. 28

Tab.4.3.2 Vypo tené pr m rné oduhli ené zóny F a F+P svarových spoj A13/H3 až A9/H3 v etn parametr žíhání a vypo tených efektivních koeficient difúze Dcef. Svarový spoj A7/H2 A6/H2 A5/H2 A4/H2 A3/H2 A2/H2 A1/H2

[ºC] 800 850 900 950 1000 1050 1100

Doba žíhání Teplota žíhání [s] [K] [10000/K] 1073,15 9,32 93600 1123,15 8,90 64800 1173,15 8,52 64800 1223,15 8,18 28800 1273,15 7,85 18000 1323,15 7,56 7200 1373,15 7,28 5400

Oduhli ená zóna F F+P [cm] [cm] 0,0364 0,0894 0,0199 0,0919 0,0121 0,0912 0,0092 0,0963 0,0087 0,0925 0,0077 0,1051 0,0072 0,1066

Dcef (F) [cm2/s]

Dcef (F+P) [cm2/s]

3,538E-09 1,527E-09 5,648E-10 7,347E-10 1,051E-09 2,058E-09 2,400E-09

2,134E-08 3,258E-08 3,208E-08 8,050E-08 1,188E-07 3,835E-07 5,260E-07

Podobn jako tomu bylo u vzork A/H3 taky u vzork A/H2 vypo teme efektivní koeficienty difúze z rovnice (2.3.7). Zavedeme výrazy DCef(F) , což je efektivní koeficient difúze vypo tený pomocí hloubek pásem istého feritu F (ve vztahu (2.3.7) nahradíme výrazem F) a Dcef (F+P), který jsme vypo etli pomocí hloubek pásem ferit + perlit F+P. Vypo tené hodnoty efektivních koeficient difúze uhlíku Dcef(F) a Dcef (F+P) jsou uvedeny v tab.4.3.2. ln DCef(F+P) ln DCef vypo tená programem SVARY

-12

ln DCef

(F+P)

2

[cm /s]

-13 -14 -15 -16 -17 -18 -19 7,00

7,50

8,00

8,50

9,00

9,50

-1

10000/T [K ] (F+P)

Obr.4.3.6. Závislost ln DCef na 10000/T pro svarový spoj A/H2 (800-1100 ºC). Korelace mezi m ením je charakterizována regresním vztahem ln DCef(F+P) = −1,2418/T − 3,925, koeficient korelace iní r = 0,9465. Na obr.4.3.6 je graficky znázorn na závislost logaritmu efektivního koeficientu difúze ln DCef(F+P) na reciproké hodnot teploty. Naše hodnoty efektivního koeficientu difúze DCef(F+P) byly porovnány s výsledky, které byly vypo teny programem SVARY. Efektivní koeficienty difúze vypo tené programem SVARY jsou na obr.4.3.6 (pro svarový spoj typu A/H2 800-1100 °C).

29

4.4. Nauhli ená zóna 4.4.1. M ení hloubky nauhli ené zóny Vzorky A/H3 a A/H2 byly pozorovány a fotografovány v naleptaném stavu (Vilella Banin) na sv telném mikroskopu Olympus TMG3 se CCD kamerou Olympus DP11. Na obr. 4.4.1.1 jsou zachyceny nauhli ené zóny vzork A/H3 (500 – 700°C).

a.)

b.)

c.)

d.)

e.) Obr. 4.4.1.1 Snímky nauhli ených zón vzorku a.) A13/H3 b.)A12/H3. Zv tšeno 500x c.) A11/H3 d.) A10/H3 e.)A9/H3. Zv tšeno 200x. Leptáno Vilella Bain.

30

a.)

b.)

c.)

d.)

e.)

f.)

g.) Obr. 4.4.1.2 Snímky nauhli ených zón vzorku a.) A7/H2 b.) A6/H2 c.) A5/H2 d.)A4/H2 e.) A3/H2 f.) A2/H2 g.) A1/H2. Zv tšeno 200x. Leptáno Vilella Bain.

31

Abychom ur ili velikost nauhli ené zóny, bylo zapot ebí sledovat karbidy vylou ené po hranicích austenitických zrn (uhlík se nep erozd lil v takovém množství, aby karbidy precipitovaly p ímo uvnit zrn austenitu, jak je tomu u vyšších teplot). Na snímcích bylo op t náhodn vybráno deset míst a v každém míst byla zm ena vzdálenost od svarového rozhraní až po nejvzdálen jší hranici zrna obsazenou precipitovanými karbidy (m eno kolmo na svarové rozhraní). Takto m ení prob hlo u vzork izotermicky žíhaných 500 °C (A13/H3) a 550 °C (A12/H3). U vzork žíhaných v rozmezí teplot 600 až 700 °C (A11/H3) až (A9/H3) se karbidy také vylu ují výhradn na hranicích austenitických zrn (vyskytují se také uvnit zrn jak bude dokázáno v kap. 4.4.2), ale množství p erozd leného uhlíku je takové, že již narušilo korozní odolnost austenitické oceli (viz. obr. 4.4.1.1). Mezi teplotami 600 − 700 °C byla vzata jako velikost nauhli ené zóny velikost zkorodované oblasti. Výsledky m ení jsou uvedeny v p íloze 1. V tab. 4.4.1.1 jsou uvedeny pr m rné hodnoty nauhli ených zón u vzork žíhaných mezi teplotami 500 až 700 °C. Snímky nauhli ených zón série vzork žíhaných 800 až 1100 °C (jde o sérii vzork A/H2 – tab. 4.2.2) jsou na obr. 4.4.1.2. Na snímcích na obr. 4.4.1.2 je možné pozorovat karbidy, které precipitovaly v austenitu za zkorodovanou oblastí. P i m ení hloubky nauhli ené zóny u vzork série A/H2 byla m ena vzdálenost v deseti místech od svarového rozhraní po místo, kde ješt pozorovateln precipitovaly karbidy. Výsledky m ení jsou uvedeny v p íloze 1. V tab. 4.4.1.1 jsou uvedeny pr m rné hodnoty nauhli ených zón u vzork žíhaných mezi teplotami 800 až 1100 °C. Tab. 4.4.1.1 Pr m rné hodnoty nauhli eného pásma u vzork A/H3 a A/H2 v etn parametr žíhání Svarový spoj

A13/H3 A12/H3 A11/H3 A10/H3 A9/H3 A7/H2 A6/H2 A5/H2 A4/H2 A3/H2 A2/H2 A1/H2

Doba žíhání

Teplota žíhání [ºC] 500 550 600 650 700 800 850 900 950 1000 1050 1100

[K] 773,15 823,15 873,15 923,15 973,15 1073,15 1123,15 1173,15 1223,15 1273,15 1323,15 1373,15

[h] 1050 480 240 114 56 26 18 18 8 5 2 1,5

[s] 3780000 1728000 864000 410400 201600 93600 64800 64800 28800 18000 7200 5400

Pr m rná velikost nauhli ené zóny N [ m] 20,202 31,158 113,702 134,204 124,822 223,24 294,124 274,664 247,976 210,724 131,491 50,874

Z výsledk m ení uvedených v tab. 4.4.1.1 je patrný po áte ní r st nauhli ené zóny a to až do teploty 850 °C a poté velikost nauhli ené zóny klesá (nelze ekat arheniovskou závislost). Tento trend lze dob e pozorovat i na obr. 4.4.1.1 a obr. 4.4.1.2. Dalším krokem bylo stanovení velikosti austenitického zrna v závislosti na žíhací teplot . Velikost zrna byla hodnocena podle stupnice ASTM, která je identická se stupnicí podle SN 420463. Na obr. 4.4.1.3 jsou snímky austenitické struktury pro vybrané teploty (500, 700, 900, 1100 °C). 32

a.)

b.)

c.) d.) Obr. 4.4.1.3 Austenitická struktura vzorku a.) A13/H3 b.) A9/H3 c.) A5/H2 d.) A1/H3. Zv tšeno 200x. Leptáno Vilella Bain. V tab. 4.4.1.2 jsou uvedeny velikosti austenitických zrn v intervalu žíhacích teplot 500-1100 °C. Tab. 4.4.1.2 pr b h r stu austenitického zrna v intervalu teplot 500-1100 °C (hodnoceno stupnicí ASTM). Svarový spoj A13/H3 A12/H3 A11/H3 A10/H3 A9/H3 A7/H2 A6/H2 A5/H2 A4/H2 A3/H2 A2/H2 A1/H2

Teplota žíhání [ºC] [K] 500 773,15 550 823,15 600 873,15 650 923,15 700 973,15 800 1073,15 850 1123,15 900 1173,15 950 1223,15 1000 1273,15 1050 1323,15 1100 1373,15

33

Velikost zrna podle ASTM G6 G6 G6 G5 G5 G5 G4 G4 G3 G3 G3 G2

2.4.2. Rozložení uhlíku v nauhli ené zón austenitické oceli M ení prob hlo na energiov disperzním analyzátoru EDAX metodou rtg. energiov disperzní spektrální analýzy (EDA) intenzity rtg. zá ení uhlíku, chrómu, manganu, železa a niklu (spektrální áry C-K, Cr-Kα1, Mn-Kα1, Fe-Kα1, Ni-Kα1 a dalších substitu ních prvk ), p i urychlovacím nap tí elektronového paprsku 20 kV a dobou jednoho m ení (expozice) 50 sekund. Zm ené hodnoty prvk substitu ních prvk byly korigovány metodou ZAF (na atomové íslo Z, absorpci A a fluorescen ní zesíleni F). Intenzita spektrální áry uhlíku C-K byla snímána bez korekce a zm ené intenzity rtg. spektrální áry byly korigovány podle výsledk m ení koncentrace uhlíku v nauhli ené zón týchž svarových spoj metodou rtg. vlnov disperzní analýzy a zve ejn ných v práci Redistribuce hliníku a uhlíku ve svarech ocelín v intervalu teplot 500-1100 °C (1,15 hm.% Al) ve sborníku z mezinárodní konference Metal 2003. M ení bylo realizováno pro svarové spoje izotermicky žíhané v rozmezí 500 až 700 °C, tj. žíhané pod teplotou bodu A1 nelegované oceli [16]. Ve sm ru od svarového rozhraní (nelegovaná ocel/austenitická ocel) do nauhli ené zóny byla plošn snímána intenzita rentgenového zá ení uhlíku, chrómu, manganu, železa, niklu, hliníku a k emíku ve sm ru kolmém na svarové rozhraní. Plošná mikroanalýza zachytila oblast o velikosti 10 x 10 m (jedno m ení), poté co byla zm ena intenzita rentgenového zá ení v této oblasti za alo m ení nové v nové oblasti, tato nová oblast za ínala tam, kde p edchozí už nam ená oblast kon ila, které zachytilo dalších 100 m2 svarového spoje. Tímto zp sobem jsme prom ili souvislý pás. M ení na vzorku bylo ukon eno, když sejmutá intenzita rentgenového zá ení uhlíku se již p íliš nem nila (v rámci po sob následujících zm ených oblastí). Snímky, na kterých jsou zachyceny jednotlivé oblasti, ve kterých byla m ena intenzita rentgenového zá ení, jsou uvedeny v kapitole 4.4.3. Zpráva z m ení metodou energiov disperzní mikroanalýzy je uvedena v p íloze 3.

e n ý p o e t im p u ls rtg . z á e n í u h lík u C K [im p u ls /s ]

8 7 6 5 4 3 2 1 0 0

3

6

9

12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45

Zm

Zm

e n ý p o e t im p u ls rtg . z á e n í u h lík u C K [im p u ls /s ]

Na obr. 4.4.2.1 je zobrazena závislost nam ených intenzi rentgenového zá ení uhlíku [impulz/s] v závislosti na vzdálenosti od svarového spoje (kladné hodnoty vzdálenosti platí pro nauhli enou zónu) pro vzorky A13, A12, A11 a A9/H3.

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

-10 -5 0

Vzdálenost od rozhraní svarového spoje [um]

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 Vzdálenost od rozhraní svarového spoje [um]

a.)

b.)

34

0

25

50

75

100

125

150

Zm ený po et impuls rtg. zá ení uhlíku C K [impuls/s]

e n ý p o e t im p u ls rtg . z á e n í u h lík u C K [im p u ls/s] Zm

11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

-30

14 12 10 8 6 4 2 0 -10

10

30

50

70

90

110

130

150

Vzdálenost od rozhraní svarového spoje [um]

Vzdálenost od rozhraní svarového spoje [um]

c.) d.) Obr. 4.4.2.1 Závislost po tu impuls rtg. zá ení uhlíku na vzdálenosti od rozhraní svarového spoje a.) A13/H3 b.) A12/H3 c.) A11/H3 d.) A9/H3 Korelace mezi m eními (obr. 4.4.2.1) je charakterizována regresním vztahem (následující statistické výpo ty byly hodnoceny s užitím statistických tabulek uvedených v práci [17]): a.) Spoj A13/H3: (hm.% C) = −0,072.[(imp. C K/s] + 7,162, koeficient korelace iní r = 0,7087, který pro po et m ení n = 5 má po et stup volnosti ν = n – 2 = 3, p i emž kritická hodnota koeficientu korelace pro hladinu (úrove , stupe ) významnosti α = 0,1 obnáší r krit = 0,8054. b.) Spoj A12/H3: (hm.% C) = −0,0668.[(imp. C K/s] + 8,63, koeficient korelace iní r = 0,9383, který pro po et m ení n = 8 má po et stup volnosti ν = n – 2 = 6, p i emž kritická hodnota koeficientu korelace pro hladinu (úrove , stupe ) významnosti α = 0,001 obnáší r krit = 0,9249. c.) Spoj A11/H3: (hm.% C) = −0,0329.[(imp. C K/s] + 9,49, koeficient korelace iní r = 0,9383, který pro po et m ení n = 14 má po et stup volnosti ν = n – 2 = 12, p i emž kritická hodnota koeficientu korelace pro hladinu (úrove , stupe ) významnosti α = 0,001 obnáší r krit = 0,78. d.) Spoj A9/H3: (hm.% C) = −0,054.[(imp. C K/s] + 12,763, koeficient korelace iní r = 0,8763, který pro po et m ení n = 15 má po et stup volnosti ν = n – 2 = 13, p i emž kritická hodnota koeficientu korelace pro hladinu (úrove , stupe ) významnosti α = 0,001 obnáší r krit = 0,7633. Jako maximální koncentraci uhlíku v nauhli ené zón [imp. C K/s] (na svarovém rozhraní) u jednotlivých typ svarových spoj vezmeme hodnotu, kterou ur uje regresní vztah (to co vytíná regresní p ímka na ose zm ený po et impuls rtg. zá ení uhlíku - C K/s na obr. 4.4.2.1). K t mto maximálním koncentracím uhlíku v imp./s p i adíme maximální koncentrace uhlíku v hm.% C, které už byly nam eny d íve na stejných vzorcích v práci [16]. Oduhli ené zón za rozhraním je možno p i adit koncentraci uhlíku cca 0,00 hm.% (tj. t sn za rozhraním v nelegované oceli H3), tzn. po et impulz nam ený na rozhraní svarového spoje ve zcela oduhli ené zón je roven koncentraci uhlíku cca 0,00 hm.%. Hodnoty maximálních koncentrací uhlíku [imp. C K/s] a k nim p i azené hodnoty maximálních koncentrací uhlíku [hm.% C] nalezneme v tab. 4.4.2.1. Pokud data z tab. 4.4.2.1 vyneseme do grafu jako závislost obsah uhlíku v nauhli ené zón v [hm.% C] na obsahu uhlíku v nauhli ené zón v [imp. C K/s], získáme soubor 5-ti bod , které m žeme v prvním p iblížení proložit p ímkou (obr. 4.4.2.2). Graf, který je zobrazen na obr. 4.4.2.2 má povahu cejchovací p ímky a umožní nám rychlé a snadné p evody mezi námi nam enými koncentracemi uhlíku v nauhli ené zón , které jsou v [imp. C K/s] a zm enými koncentracemi uhlíku metodou vlnové disperze, které jsou v [hm.% C] (viz. kapitola 4.4.3). 35

Krom m ení rozložení koncentrace uhlíku v nauhli ené a oduhli ené zón byla stanovena mez detekovatelnosti uhlíku v daných ocelích spoje žíhaného 700 °C. Bylo použito metodiky detailn popsané v práci [18]. Mez detekovatelnosti prvku x se dá stanovit podle rovnice (3.2.4.1). ) C x( ymin =

2 ⋅ 2 N XB ⋅ C XS , N XPS − N XBS

(3.2.4.1)

kde N XB jsou etnosti impulz pro spektrální áru (nebo pozadí) prvku x na standardu istého prvku y [imp.], N XBS je etnost impulz pro pozadí prvku x na standardu istého prvku x [imp.],

N XPS je etnost impulz pro spektrální áru prvku x na standardu a C XS je hmotnostní koncentrace prvku x ve standardu [hm. %].

istého prvku x [imp.]

Obsah C v nauhli ené zón (hm.% C)

P i výpo tu meze detekovatelnosti uhlíku na energiov disperzním spektrometru bylo do vztahu (3.2.4.1) dosazeno takto: - za N XB a N XBS byla vzata hodnota nam ená energiov disperzním spektrometrem v oduhli ené zón (ke které bylo p i tvorb kalibra ní k ivky p i azena hodnota 0 hm.% C), tzn. 3,266 [(imp. C K)/s)] = 161,3 [imp. C K] (viz. tab. 4.4.2.1) - za N XPS bylo použita hodnota 12,763 [(imp. C K)/s)] = 638,15 [imp. C K], což odpovídá nejv tšímu po tu nam ených impulz uhlíku. - za C XS byla dosazena hodnota nejv tší koncentrace uhlíku v nauhli ené zón v hm.%, zjišt ná v práci [16], emuž odpovídá hodnota 4,7 hm.% C. Po dosazení do vzorce (3.2.4.1) hodnot uvedených výše, bylo spo teno, že mez ) detekovatelnosti uhlíku CC( ymin = 0,374 hm. %.

5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 12 13 14

Obsah C v nauhli ené zón (imp. C-K / s)

Obr. 2.4.2.1. Cejchovací k ivka. Korelace mezi m eními je charakterizována regresním vztahem (hm.% C) = 0,3951.[imp. C K/s] − 0,2586; koeficient korelace iní r = 0,961.

36

Uvedený vztah: (hm.% C) = 0,3951.[(imp. C K/s] − 0,2586, který je možno využít ke stanovení maximální koncentrace uhlíku v austenitické oceli na rozhraní typu (austenit)/(ferit), má vysokou hodnotu korela ního koeficientu r = 0,961, který pro po et m ení n = 5 má po et stup volnosti ν = n – 2 = 3, p i emž kritická hodnota koeficientu korelace pro hladinu (úrove , stupe ) významnosti α = 0,01 obnáší r krit = 0,95872 (což odpovídá pravd podobnosti omylu platnosti vztahu menší než 1 %). Zd razn me v této souvislosti, že maximální koncentrace uhlíku v austenitické oceli daného typu spoje t sn u rozhraní p edstavuje kvazirovnovážnou koncentraci uhlíku, jejíž hodnota (poloha) se s dobou difúzního žíhání nem ní, tj. z stává konstantní. Tato skute nost vede krom jiného k tomu, že v daném intervalu teplot 500 až 700 °C, kdy b ží na rozhraní spoje typu (nelegovaná ocel / austenitická ocel) o struktury typu (ferit oduhli ené zóny / austenit nauhli ené zóny), je možno vyjád it kvazirovnovážnou koncentraci uhlíku formou Arrheniovy závislosti. Data získaná m ením a z literatury [16] jsou uspo ádána se z etelem ke stanovení Arrheniovy závislosti maximální koncentrace uhlíku v nauhli ené zón (tj. kvazistacionární koncentrace uhlíku v austenitu) v tab. 4.4.2.1. Tab. 4.4.2.1 maximální koncentrace uhlíku v nauhli ené zón

Teplota °C/ as h 700 / 56

600 / 240 550 / 480 500 / 1050

Teplota 10000/T [1/K]

[hm.% C] dle [18]

[(imp. C K)/s)] (vlastní m ení)

[hm.% C] (vlastní m ení) *.)

10,29

4,97

12,763

4,78

11,452

4,14

9,468

3,48

12,148

2,67

8,6288

2,88

12,933 výchozí stav

1,95 ≈ 00,0

7,162

2,57

3,266

0,01

*.) maximální koncentrace uhlíku vypo tené ze vztahu (hm.% C) = 0,3951.[(imp. C K/s] − 0,2586, kde za [(imp. C K/s] byly dosazeny hodnoty ze sloupce [(imp. C K)/s)] (vlastní m ení).

Maximální koncentrace C v nauhli ené zón [hm.%]

6 5 4 3 2 1 0 9,0

9,5

10,0 10,5 11,0 11,5 12,0 12,5 13,0 13,5

Teplota (10000/T) [1/K]

Obr. 4.4.2.2 Arrheniova závislost kvazirovnovážné koncentrace uhlíku v austenitu na rozhraní spoje typu A/H3 v rozmezí teplot izotermického žíhání 700 až 500 °C, regresní závislost je vyjád ena funkcí (hm.% C) = − 1,1969/T + 17,443 s koeficientem korelace r = 0,9783. Z dat v tabulce 4.4.2.1 je možno stanovit Arrheniovu závislost maximální koncentrace uhlíku v nauhli ené zón austenitické oceli (tj. kvazirovnovážné koncentrace uhlíku v austenitu t sn

37

za rozhraním) na základ m ení metodou VDA podle práce [16]. Výsledná závislost je znázorn ná na obr. 4.4.2.2. Z dat v tabulce 4.4.2.1 je dále možno stanovit Arrheniovu závislost maximální koncentrace uhlíku v nauhli ené zón austenitické oceli (tj. kvazirovnovážné koncentrace uhlíku v austenitu t sn za rozhraním) na základ m ení námi modifikovanou metodou EDA (viz cejchovací k ivku pomocí VDA [16]) . Výsledná závislost je znázorn ná na obr.4.4.2.3.

Maximální koncentrace C v nauhli ené zón [hm.%]

6 5 4 3 2 1 0 9,0

9,5

10,0 10,5 11,0 11,5 12,0 12,5 13,0 13,5

Teplota (10000/T) [1/T]

Obr. 4.4.2.3 Arrheniova závislost kvazirovnovážné koncentrace uhlíku v austenitu na rozhraní spoje typu A/H3 v rozmezí teplot izotermického žíhání 700 až 500 °C, regresní závislost je vyjád ena funkcí (hm.% C) = − 0,8547/T + 13,432 s koeficientem korelace r = 0,980. Dále bylo zapot ebí ov it, jaké bude rozložení substitu ních prvk (chrómu, niklu a manganu) v nauhli ované zón . Výsledky m ení metodou energiov disperzní mikroanalýzy jsou uvedeny v p íloze 1. Na obr. 4.4.2.4 je uvedena závislost hm.% substitu ních prvk na vzdálenosti od svarového spoje ( u vzorku A9/H3) Rozložení Cr Rozložení Ni Rozložení Mn

24 Koncentrace substitu ního prvku [hm. %]

22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 -30

-10

10

30

50

70

90

110

130

150

Vzdálenost od svarového rozhraní [um]

Obr. 4.4.2.4 Rozložení substitu ních prvk u vzorku A9/H3, uvedeno bez regresních závislostí.

38

Jak je patrno z obr. 4.4.2.4 rozložení substitu ních prvk po ší ce nauhli eného pásma se p íliš nem ní. Rozložení substitu ních prvk je také tém konstantní i u ostatních vzork , na kterých byla provedena rtg. energiov disperzní spektrální analýza (viz. p íloha 3), takže bylo ov eno, že rozložení substitu ních prvk se p i redistribuce uhlíku v heterogenních svarových spojích pozorovateln nem ní. P edchozí dv Arrheniovské závislosti (první pro VDA m ení uhlíku, druhá pro EDA m ení téhož prvku) umož ují zárove posoudit aktiva ní energii, která p ísluší formování nauhli ované zóny v austenitivké oceli spoje. Z regresní rovnice u obr. 4.4.2.2 plyne, že odpovídající aktiva ní energie – ozna me ji ∆H VDA má pro m ení uhlíku metodou VDA hodnotu ∆H VDA = − 1,1969.10 000.R = 99 510 [J.mol−1] (kde R je univerzální plynová konstanta). Analogicky z regresní rovnice u obr. 4.4.2.3 plyne, že odpovídající aktiva ní energie – ozna me ji ∆H EDA má pro m ení uhlíku metodou EDA hodnotu ∆H EDA = − 0,8547.10 000.R = 71 060 [J.mol−1]. Aktiva ní energie intersticiálního koeficientu difúze uhlíku ve feritu obnáší podle literatuty [15] v rozmezí teplot 20 až 850 °C ∆H = 84 120 [J.mol−1]. Pr m rná hodnota aktiva ních energií obou p edchozích relací iní ∆H = 85 285 ± 14 225 [J.mol−1] což ve srovnání s citovanou literaturou ukazuje, že ídícím initelem teplotní závislosti tvorby nauhli ené zóny austenitické oceli je difúze uhlíku v nelegované oceli.

4.4.3.Mikromorfologie svarového rozhraní nauhli ené zóny svarového spoje K popisu mikromorfologie svarového spoje byl použit vzorek A9/H3 (teplota 700 °C, doba izotermického žíhání 56 h). Ve sm ru od svarového rozhraní (nelegovaná ocel/austenitická ocel) do nauhli ené zóny byla dokumentována mikromorfologie struktury nauhli ené zóny ve sm ru kolmém na svarové rozhraní. Z ploch jednotlivých po sob následujících snímkovaných zón byla zárove sejmuta istá intenzita rentgenového zá ení uhlíku C-Kα. P ehledový snímek rozhraní je na obr. 4.4.3.1 (nelegovaná ocel – H3 je v horní ásti, legovaná austenitická ocel – A9 je v dolní ásti snímku). ervený obdélník na obr. 4.4.3.1 nazna uje místo, kde byla provedena plošná mikroanalýza (a sou asn po ízeny snímky na obr. 4.4.3.2). Na obr. 4.4.3.2 jsou snímky, které zachycují oblast nauhli ení svarového spoje. Snímky ve sm ru kolmém k rozhraní spoje jsou azeny v po adí A2, A3 až A14. Ší ka každého snímku zachycuje 10 m nauhli ené zóny.

39

Obr.4.4.3.1 Svarový spoj A9/H3

40

Obr. 4.4.3.2 Snímky svarového spoje A9/H3 zachycující mikromorfologii nauhli ené oblasti od svarového spoje do hloubky 140 m austenitické ocele. Schéma umíst ní snímk na obr. 4.4.3.2 je znázorn no v tab. 4.4.3.1.

41

Tab. 4.4.3.1 Schématické umíst ní snímk na obr. 4.4.3.2 Snímek A2 A4 A6 A8 A10 A12 A14

Snímek A3 A5 A7 A9 A11 A13 A15

Chemické složení a parametry žíhání svarového spoje A9/H3 byly naprogramovány do programu ThermoCalc [19] . Výstupem byly fáze a jejich chemické složení, které se mohou u daného typu spoje vyskytovat, p i emž jsme se zam ili pouze na austenitickou ocel (nauhli enou zónu). Možné fáze a jejich procentuální zastoupení ve struktu e v závislosti na hmotnostním procentu uhlíku jsou uvedeny na obr. 4.4.3.3.

Obr.4.4.3.3 Podíl fází v nauhli ené ásti svarového spoje A9/H3. K ivka 1 podíl austenitu, 2 podíl M23C6, 3 podíl M7C3, 4 podíl M3C. Vygenerováno programem ThermoCalc [19]. Podle obr.4.4.3.3 by se m ly vyskytovat (v závislosti na hm. % C) v nauhli ené zón austenitické oceli fáze austenit a karbidy M23C6, M7C3, M3C. Na snímcích z obr. 4.4.3.2 jsou sv tlá místa karbidy a tmavá austenit (austenitem p i žíhání uhlík difunduje postupn do austenitické oceli, karbidy také, ale mnohem pomaleji). P edpokládané chemické složení t chto fází bylo vypo teno programem ThermoCalc (viz. p íloha 4) [19]. V karbidu M7C3 se vyskytují prvky uhlík, železo, chrom a nikl. Uhlík tvo í tento karbid konstantn asi z 9 %, množství chrómu, železa a niklu se m ní v závislosti na hm. % C (pokud se hm. % C zvyšuje pak podíl chrómu v karbidu klesá, železa a niklu roste ). V Karbidu M23C6 se vyskytují stejné 42

prvky jako v M7C3 se stejnou závislostí na hm. % C. Uhlík tu tvo í konstantn asi 5 % karbidu. V karbidu M3C jsou zastoupeny op t stejné prvky jako v p edchozím p ípad , ale mnohem siln ji zde dominuje zastoupení železa. Austenit je tvo en p edevším substitu ními prvky, železem a niklem. Chrom a uhlík jsou v austenitu rozpušt ny minimáln . Abychom si ješt ov ili zda se výše uvedené fáze skute n v nauhli ené zón vyskytují byla na vzorku A9/H3 provedena na rentgenovém p ístroji Philips-x´pert rentgenová difrakce. Rentgenové difrakce (viz. p íloha 5) nevylou ila výskyt karbid M23C6 , M7C3 a M3C, ale výsledky byly nep esv d ivé (spektrální áry pro uvedené typy karbid se tu vyskytovaly, ale byly nevýrazné). Rozložení uhlíku sm rem od svarového spoje do nauhli ené zóny bylo m eno rtg. energiov disperzním spektrometrem EDAX (viz. kapitola 4.4.2). Pomocí grafu na obr. 4.4.3.3 a cejchovací k ivky na obr 2.4.2.1 zjistíme možné typy karbid a jejich procentuální zastoupení po délce nauhli eného pásma. Na svarovém rozhraní (kvazirovnovážná koncentrace) byla zjišt na u vzorku A9/H3 koncentrace 4,78 hm.% C, podle grafu na obr.4.4.3.3. se p i této koncentraci uhlíku vyskytují ve struktu e austenit (strukturu tvo í asi ze 40 %), karbid M3C (asi 18 %) a karbid M7C3 (asi 42 %). Podíl karbidu M3C klesá a naopak podíl karbidu M7C3 roste s klesající koncentrací uhlíku a to až do obsahu uhlíku zhruba 4,2 hm.% C (což odpovídá zhruba 10,8 imp. C K/s) , kdy se karbid M3C už ve struktu e nevyskytuje a karbid M7C3 má ve struktu e maximální zastoupení, zhruba 10,8 imp. C K/s (nam eno bylo 10,5 imp. C K/s) bylo nam eno ve vzdálenosti 30 m od svarového rozhraní (snímek A4 na obr. 4.4.3.2). P i nižších koncentracích uhlíku za íná již klesat podíl karbidu M7C3 ve struktu e. Na snímku A9 (obr. 4.4.3.2, ve vzdálenosti 80 m od svarového spoje) je vid t ostrý p echod mezi dv ma typy morfologicky odlišných struktur. V oblasti, kterou zachycuje snímek A9 bylo nam ena intenzita uhlíku 7,97 imp. C K/s, podle cejchovací k ivky 2,6 hm.% C a z grafu na obr. 4.4.3.3 je možné ur it, že je struktura v tomto míst tvo ena austenitem (zhruba 71 %) a karbidem M7C3 ( asi 29 %). Jakmile dosáhne koncentrace uhlíku hodnoty kolem 1,2 hm.% C, což odpovídá asi 5,3 imp. C K/s za ne se ve struktu e vyskytovat karbid M23C6 . Koncentrace 5,3 imp. C K/s byla nam ena v hloubce 130 m (snímek A14 na obr. 4.4.3.3). Pokud se budeme dále vzdalovat od svarového rozhraní (s rostoucí vzdáleností od rozhraní klesá koncentrace uhlíku v nauhli ené zón ), pak podíl karbidu M23C6 poroste a procentuální zastoupení karbidu M7C3 bude prudce klesat (podíl karbidu M23C6 roste na úkor M7C3). Karbid M7C3 úpln ze struktury zmizí a karbid M23C6 bude mít své maximální zastoupení ve struktu e p i koncentraci uhlíku zhruba 1 hm.% (odpovídá asi 5 imp. C K/s). Koncentrace 1 hm.% C by se m la vyskytovat ve vzdálenostmi od rozhraní mezi 130–140 m. Pokud p jdeme ješt dále od svarového spoje, bude uhlík dále klesat (tzn. poroste podíl austenitu a bude klesat podíl M23C6 ) až na hodnotu 0,17 hm. % C (to odpovídá výchozímu složení austenitické ocele, kdy je struktura této oceli tvo ena zhruba z 99 % austenitem a 1 % karbidu M23C6.

43

4.5. M ení mikrotvrdosti Mikrotvrdost byla m ena u všech vzork (A/H3 i A/H2) vikrsovým indentorem na automatickém tvrdom ru LECO LM247 AT vybaveného softwarem pro automatické vyhodnocování AMH-2000. Zát žná síla byla 50 kp (HV 0,05) po dobu 10 s. Na každém vzorku bylo provedeno 60 vtisk umíst ných do dvou ad obr. 4.5.1. Vzdálenost ad iní 30 m a vzdálenost vtisk je 40 m. Celkem byla prom ena oblast o velikosti 2,5 mm (0,5 mm v austenitické oceli a 2 mm v nelegované oceli).

Obr. 4.5.1 Schématické umíst ní vtisk do dvou ad. Vzdálenost mezi vtisky V1 = 40 m, vzdálenost mezi adami V2 = 30 m. Po átek 0,0 je umíst n na svarovém rozhraní, v kladném sm ru (viz. šipka) je umíst na nelegovaná ocel. Kompletní výsledky z m ení mikrotvrdosti jsou v p íloze 6. V tab. 4.5.1 jsou nam ené maximální (v nauhli ené zón ) a minimální (v oduhli ené zón ) hodnoty HV 0,05 pro jednotlivé vzorky (ze souboru nam ených mikrotvrdosti pro jednotlivé vzorky se vzala maximální a minimální hodnota HV 0,05). Tab. 4.5.1 Nam ené maximální a minimální hodnoty HV 0,05 pro jednotlivé svarové spoje Svarový spoj A13/H3 A12/H3 A11/H3 A10/H3 A9/H3 A7/H2 A6/H2 A5/H2 A4/H2 A3/H2 A2/H2 A1/H2

Teplota žíhání [°C] 500 550 600 650 700 800 850 900 950 1000 1050 1100

Nam ená mikrotvrdost HV 0,05 maximální [HV] minimální [HV] 476 169 470 141 807 146 901 143 748 152 525 145 438 142 481 140 410 142 380 142 372 130 270 139

Na obr. 4.5.2 je zobrazena závislost teploty izotermického žíhání na maximální tvrdosti HV 0,05. 44

Tvrdost [HV 0,05]

850 750 650 550 450 350 250 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100 T [°C]

Obr. 4.5.2 Závislost maximální tvrdosti HV 0,05 na teplot žíhání Na obr. 4.5.3 je zobrazena závislost teploty izotermického žíhání na minimální tvrdosti HV 0,05.

Tvrdost [HV 0,05]

160 155 150 145 140 135 130 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100 T [°C]

Obr. 4.5.3 Závislost maximální tvrdosti HV 0,05 na teplot žíhání

45

5. Diskuse k výsledk m 1) Výsledky m ení oduhli ených a nauhli ených zón svarových spoj ocelí byly porovnány se standardn používaným programem SVARY v kapitole 4.3. Oduhli ená zóna byla m ena dvojím zp sobem. Jednak jako zóna istého feritu ( ξ F ), jednak jako zóna v níž koexistuje ferit spolu s jistým podílem perlitu ( ξ F + P ), p i emž pro každou z takto nam ených hloubek oduhli ení byl stanoven efektivní koeficient difúze uhlíku zavedený v práci [2]. 2) Pr b h efektivního koeficientu difúze uhlíku DCef vypo teného z oduhli ených zón istého feritu, které byly stanoveny z metalografických výbrus a pr b h efektivního koeficientu difúze uhlíku vypo teného programem SVARY u vzork izotermicky žíhaných mezi teplotami 500 až 700 °C (vzorky A13/H3 až A9/H3), je znázorn n na obr. 4.3.3. Z obr. 4.3.3 je patrné, že hodnoty t chto efektivních koeficient difúze se liší v ádovém rozmezí. 3) Pr b h efektivního koeficientu difúze uhlíku DCef vypo teného z oduhli ených zón ξ F + P , které byly stanoveny z metalografických výbrus a pr b h efektivního koeficientu difúze uhlíku vypo teného programem SVARY u vzork izotermicky žíhaných mezi teplotami 800 až 1100 °C (vzorky A7/H2 až A1/H2), je znázorn n na obr. 4.3.6. Je zde vid t op t patrný rozdíl mezi efektivními koeficienty difúze (rozdíl je p ibližn ádovvý). Rozdíly mezi efektivními koeficienty difúze stanovených z reálného m ení a vypo tenými programem SVARY, spo ívají v heterogenním rozložení uhlíku v p echodové zón spoje, což v sob zahrnuje efektivní koeficient difúze, zatímco program SVARY tento efekt nezahrnuje. Výhoda p ímého m ení hloubek oduhli ení na vzorku spo ívá v tom, že poskytuje bezprost ední informaci o reálném stavu struktury. 4) Metalograficky m ené velikosti zón nauhli ení ( ξ N ), zm ené zp sobem popsaným v kapitole 4.4.1, jsou uvedeny v tab. 4.4.1.1. V tabulce 5.1 jsou uvedeny velikosti nauhli ených zón vzork izotermicky žíhaných v rozsahu teplot 500 až 1100 °C spo tené programem SVARY. Po porovnání hodnot v tab. 4.4.1.1 a v tab. 5.1 je možné konstatovat, že hodnoty u teplot 500 a 550 °C jsou p ibližn shodné, ale u vyšších teplot jsou hodnoty rozdílné. Rozdílné hodnoty získané jednak metalografickou analýzou spoj , jednak programem SVARY, jsou zp sobeny p edevším obtížným stanovením polohy rozhraní již nauhli ené zóny a zóny, která je do p íslušné doby žíhání p erozd lujícím se uhlíkem ješt neovlivn na. Toto rozhraní zón nauhli ené a p vodní struktury se neprojevuje ve struktu e austenitické oceli diskrétním p echodem a nelze je metalografickou analýzou spolehliv stanovit. V podstat není možno ur it místa nauhli ení, kde je již rozpušt no více uhlíku v austenitu, než je tomu u struktury nezasažené up-hill difúzí.

46

Tab. 5.1 Hloubky nauhli ených zón spo tené programem SVARY a p evzaté z tab. 4.4.1.1 Svarový spoj

Pr m rná hloubka nauhli ené zóny [ m] (podle tab. 4.4.1.1)

[ºC]

[K]

[h]

[s]

Hloubka nauhli ení N [ m] (Program SVARY)

A13/H3

500

773,15

1050

3780000

20

20,202

A12/H3

550

823,15

480

1728000

34

31,158

A11/H3

600

873,15

240

864000

55

113,702

A10/H3

650

923,15

114

410400

78

134,204

A9/H3

700

973,15

56

201600

104

124,822

A7/H2

800

1073,15

26

93600

217

223,24

A6/H2

850

1123,15

18

64800

293

294,124

A5/H2

900

1173,15

18

64800

455

274,664

A4/H2

950

1223,15

8

28800

456

247,976

A3/H2

1000

1273,15

5

18000

524

210,724

A2/H2

1050

1323,15

2

7200

468

131,491

A1/H2

1100

1373,15

1,5

5400

559

50,874

Teplota žíhání

Doba žíhání

5) Ke kvantitativnímu m ení koncentrace uhlíku v nauhli ené zón byla vypracována modifikovaná metodika m ení koncentrace uhlíku energiov disperní rtg. spektrální mikroanalýzou. Jako základ pro tuto modifikovanou metodu byla vzata metoda m ení týchž metalografických výbrus svarových spoj vlnov disperzní rtg. spektrální mikroanalýzou, tj. metodou, jejíž výsledky jsou zve ejn ny v práci [16]. Výhoda použití této nov modifikované energiov disperzní metody spo ívá v tom, že je b žn dostupná, p ibližn o ád rychlejší, avšak tém o ád mén p esná. Zárove má pro uhlík asi o ád horší mez detekovatelnosti. 6) K posouzení rozdíl obou metodických p ístup byla stanovena mez detekovatelnosti uhlíku pro energiov disperzní metodu m ení podle vzorce 4.4.2.1 2 ⋅ 2 ⋅ N XB ) CC( ymin = ⋅ C XS (význam jednotlivých symbol je uveden v kap. 4.4.2.), p evzatého N XPS − N XBS z práce [18]. Do vzorce 4.4.2.1 byly dosazeny hodnoty z práce [16], z našeho m ení rtg. energiov disperzní metodou a pro hodnoty vyplývající z cejchovací (kalibra ní) k ivky na obr. 2.4.2.1. Vypo tená hodnota meze detekovatelnosti uhlíku iní CCmin = 0,374 hm.%, což ukazuje, že je asi o ád horší než mez detekovatelnosti uhlíku u vlnov disperzního mikroanalyzátoru, která je podle práce [18] cca 0,04 hm.%. Námi stanovená hodnota detekovatelnosti uhlíku p i energiov disperzní rtg. mikroanalýze je p ibližn o ád horší. 7) Tato metodika byla aplikována k m ení koncentrace uhlíku ve vzorcích svarových spoj izotermicky žíhaných v rozmezí teplot 700 až 500 °C. Jejím cílem bylo krom jiného posoudit výskyt fází p ítomných v nauhli ené zón vzorku žíhaného p i teplot 700 °C a také jejich podíl ve struktu e v závislosti na uhlíku. Tato metodika spojila m ení koncentrace uhlíku rtg. energiov disperzní a vlnov disperzní metodou prost ednictvím stanovené cejchovací k ivky. Krom toho umožnila použít výpo ty provedené programem ThermoCalc ke kvalifikovanému odhadu fází, které tvo í v uvedeném vzorku (A9/H3) nauhli enou zónu.

47

Na rozhraní svarového spoje byly jako možné existující fáze vypo teny austenit a karbidy typu M3C a M7C3. Z výpo tu plyne, že karbid M3C ve velmi blízké vzdálenosti od svarového rozhraní absentuje, zatím co karbid M7C3 zvyšuje své zastoupení ve struktu e, a teprve od vzdálenosti v tší než 30 m (karbid typu M7C3 m l své maximální zastoupení ve struktu e) za íná podíl karbidu M7C3 klesat. Ve vzdálenosti 130 m od svarového rozhraní se vyskytuje karbid M23C6, jehož podíl ve struktu e roste na úkor karbidu M7C3. Ve vzdálenosti 130–140 m se podle výpo tu již vyskytuje p vodní struktura, z p evážné ásti tvo ená austenitem a stopami karbidu M23C6. 8) Mikrotvrdost HV 0,05 byla m ena na všech vzorcích izotermicky žíhaných v intervalu teplot 500 až 1100 °C. Námi zm ený pr b h mikrotvrdosti uvedený v p íloze 6 byl konfrontován s výsledky m ení mikrotvrdosti provedeným na stejných vzorcích v práci [14]. Výsledky byly tém totožné, až na ojedin lé extrémní hodnoty. Z výsledk m ení mikrotvrdosti uvedeného souboru svarových spoj krom jiného plyne, že p i izotermickém žíhání daného typu heterogenních svarových spoj v rozmezí teplot 500 až 1100 °C se vytvá í následkem up-hill difúze uhlíku na rozhraní výrazný strukturní vrub. Oduhli ovaná nelegovaná ocel je v zón oduhli ované zm k ována (odpev ována) a t sn za rozhraním v nauhli ované zón až extrémn zpev ována. Tento strukturní vrub daný rozdílem mikrotvrdostí p ed rozhraním a za rozhraním svarového spoje je hlavní p í inou poklesu jeho vrubové houževnatosti a vysoké náchylnosti k iniciaci trhlin p i dynamickém zat žování. Nejv tší rozdíly mezi maximální a minimální tvrdostí byly podle našeho m ení zaznamenány p i teplotách žíhání 650 °C (viz. tab. 5.2). P i této teplot a hodnotách mikrotvrdosti, které jsou v tabulce 5.2 vyzna eny tu n je nep íznivý vliv strukturního vrubu na vlastnosti p íslušného svarového spoje nejv tší. Tento nep íznivý vliv se projeví v lokálním poklesu hodnot vrubové houževnatosti v oblasti svaru a u tahových zkoušek (zkoušek meze pevnosti v tahu ve sm ru kolmém na svarové rozhraní) v poklesu pevnostních charakteristik i hodnot charakterizujících tažnost a kontrakci. Heterogenní svarové spoje uvedeného typu se proto nedoporu uje tepeln zpracovat po sva ení (PWHT) žíháním v rozmezí teplot 600 až 700 °C. Je-li zapot ebí z jakýchkoli p í in realizovat jejich tepelné zpracování, potom je lépe aplikovat nap íklad normaliza ní žíhání v rozmezí teplot 850 až 900 °C. Tab. 5.2 Maximální a minimální hodnoty mikrotvrdosti HV 0,05 nam ených na vzorcích izorermicky žíhaných v intervalu teplot 500 až 1100 °C, v etn rozdílu a podílu maximálních a minimálních hodnot mikrotvrdosti. Svarový spoj A13/H3 A12/H3 A11/H3 A10/H3 A9/H3 A7/H2 A6/H2 A5/H2 A4/H2 A3/H2 A2/H2 A1/H2

Podíll Nam ená mikrotvrdost HV 0,05 Teplota Rozdíl HVmax HVmax/HVmin žíhání [°C] maximální [HV] minimální [HV] – HVmin [HV] [HV] 500 476 169 307 2,817 550 470 141 329 3,333 600 807 146 661 5,527 650 901 143 758 6,301 700 748 152 596 4,921 800 525 145 380 3,621 850 438 142 296 3,085 900 481 140 341 3,436 950 410 142 268 2,887 1000 380 142 238 2,676 1050 372 130 242 2,862 1100 270 139 131 1,942

48

6. Záv r V této práci byla sledována redistribuce uhlíku ve svarovém spoji korozivzdorné vysokolegované oceli s ozna ením A ( SN 417242) a dv mi variantami nelegované oceli H2 ( SN 412 050) a H3( SN 412 050), p i emž ocele H2 a H3 se lišily pouze obsahem hliníku (H3 m la 1,15 hm.% Al a H2 0,49 hm.% Al) v rozsahu teplot 500–700 °C (vzorky typu A/H3) a mezi 800–1100 °C (vzorky typu A/H2) odstup ované po 50 °C. Ke studiu bylo použito metalografické metody, rastrovací elektronové mikroskopie, rtg. energiov disperzní mikroanalýzy, rtg. difrak níanalýzy, metody m ení mikrotvrdosti a simula ních program SVARY a ThermoCalc. Na základ výsledk m ení lze konstatovat tyto hlavní skute nosti: 1.) Metalografickou analýzou bylo prokázáno výrazné nauhli ení austenitické oceli A ( SN 417242) a silné oduhli ení nelegovaných ocelí H2 ( SN 412 050) a H3( SN 412 050). Uhlík difunduje tzv. up-hill difuzí z ocelí H2 a H3 do ocele A. 2.) Mezi teplotami 500–700 °C (vzorky typu A/H3) je oduhli ené pásmo tvo eno istým feritem. Lze pozorovat kuluminární r st zrn feritu ve sm ru odvodu tepla ze svarového spoje. Tato zrna feritu se s rostoucí teplotou žíhání protahují ve sm ru odvodu tepla a s tím také roste hodnota oduhli eného pásma. 3.) Mezi teplotami 800–1100 °C (vzorky typu A/H2) se oduhli ené pásmo skládá ze dvou oblastí a to sice z oblasti istého feritu (s rostoucí teplotou jeho velikost klesá) a feritu + perlitu (s rostoucí teplotou jeho velikost roste). D vodem výskytu t chto oblastí je, že ve struktu e ocelí H2 a H3 se p i žíhání nad teplotami A1 vyskytuje austenit, transformující p i ochlazení na pokojovou teplotu na ferit a perlit. 4.) Velikost nauhli ená zóny zprvu roste jak roste teplota žíhání ale od teploty 900 °C (nejv tší pozorovaná velikost) za íná velikost nauhli ené zóny klesat (tento trend byl pozorován na metalografickém výbrusu). Tento trend op t souvisí s výskytem austenitu v ocelích H2 a H3. 5.) Energiov disperzní mikroanalýza byla použita ke stanovení rozložení uhlíku a n kterých substitu ních prvk v nauhli ené zón vzork A13, A12, A11 a A9/H3. Pomocí výsledk m ení byla sestavena závislost po tu nam ených impulz uhlíku za sekundu na vzdálenosti od svarového spoje (pro každý zm ený vzorek). Tímto zp sobem jsme získali soubor bod (vždy jeden soubor bod pro jeden vzorek), který jsme proložili p ímkami. Z rovnic t chto p ímek jsme zjistili maximální koncentraci uhlíku na rozhraní v impulzech za sekundu, tyto hodnoty jsme p i adili k hm.% C zjišt ných na stejných vzorcích pomocí metody VDA (m ení bylo p evzato z práce [18]). Následn bylo možno sestavit závislost hm.% C zm ených metodou VDA na imp./s nam ených metodou EDA. Výslednou závislost jsme nazvali kalibra ní (cejchovací) k ivkou. Kalibra ní k ivka velmi dob e poslouží jako p evodník mezi intenzitou zá ení C – K imp./s (EDA) a hm. % C (VDA). 6.) P i pozorování mikromorfologie nauhli ené zóny byl zdokumentován vzorek A9/H3 žíhaný p i teplot 700 °C na rastrovacím elektronovém mikroskopu. V programu ThermoCalc byly pro vzorek vypo teny fáze, které se u daného typu spoje, teploty a doby žíhání mohou vyskytovat a jejich procentuální zastoupení ve struktu e. Zjišt né možné fáze byly austenit, M23C6, M7C3 a M3C (výskyt t chto fázi jsme se dále pokusili potvrdit m ením pomocí metody rentgenové difrak ní analýzy, ale m ení bohužel nebylo pr kazné). Pomocí m ení na EDA, kalibra ní k ivky a závislosti % zastoupení fázi ve struktu e na hm.% C (získané z programu ThermoCalc) bylo možno v konkrétním míst nauhli ené zóny ur it fáze, které se v daném míst vyskytují a také podíly jejich zastoupení ve struktu e. 49

7.) P i m ení mikrotvrdosti byla prom ena oblast o délce 2,5 mm (2 mm do oduhli ené zóny a 0,5 mm do nauhli ené zóny) u všech vzork . Z výsledk byla u každého vzorku vzata maximální a minimální hodnota mikrotvrdosti a následn dány do závislosti s teplotou žíhání. Maximální tvrdost byla nam ena p i teplot 650 °C a to konkrétn 901 [HV 0,05], mezi teplotami 500–600 °C mikrotvrdost pozvolna roste a mezi teplotami 700–1100 °C klesá. Minimální nam ená mikrotvrdost roste až do teploty 700 °C, kde nabývá hodnoty 152 [HV 0,05] a poté klesá. Nejmenší hodnota mikrotvrdosti byla nam ena 130 [HV 0,05] p i teplot žíhání 1050 °C. Vzhledem k tomu, že byly u každého vzorku vzaty pouze dv hodnoty (maximální a minimální) nelze výsledky brát jako statisticky významné. Rozdíl hodnot mikrotvrdosti nauhli ené a oduhli ené zóny, zejména jeho maximální hodnota, umož ují ve vztahu k teplot žíhání spoje kvalifikovaný odhad teploty p i níž by nem lo být aplikováno tepelné zpracování daného typu heterogenního svarového spoje po sva ení (tzv. PWHT).

50

7.Seznam použité literatury [1] HODIS, ZLÁMAL, SOPOUŠEK. Simulace redistribuce uhlíku v heterogenním svarovém spoji P91/27NiCrMoV15-6. IN Metal 2007. Hradec nad Moravicí 22 – 24.5.2007. [2] PILOUS, V.; STRÁNSKÝ, K. Strukturní stálost návar a svarových spoj v energetickém strojírenství. 1. vyd. Praha: ACADEMIA, 1989. 208 s. ISBN 80-200-0007-0. [3] Stránský, K (Stránský L). Modelování termokynetických proces (CD-ROM). Brno. [Citováno dne 15.11.2008] [4] STRÁNSKÝ, Karel. Termodynamika kvazistacionární difúze uhlíku v ocelích a její aplikace. 1. vyd. Praha: ACADEMIA, 1977. 148 s. [5] CRANK, J. The Mathematics of Diffusion. Clarendon Press, Oxford 1957. [6] VODÁREK, Vlastimil. Fyzikální metalurgie modifikovaných (9-12) %Cr ocelí. Ostrava: VSB-TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA, 2003. 163 s. ISBN 80-248-0329-1. [7] Ku era, J; Michali ka, P; Million, B; Rek, A; Stránský, K. The influence of high temperatures on the direction of carbon diffusion flux in steel weldments. Proceeding of the VIII. Seminar diffusion and thermodynamics of materials 2002, 4.-6. September, 2002, Brno. Edit. by ERMÁK, J; V EŠ ÁL, J. Brno: Masaryk University, c 2002, p. 180-183. ISBN 80-210-2934-X. [8] SCHENCK H.,FROHBERG M.G.,STEINMENZ E. Archiv für das Eisenhüttenwessen. 1963, s. 37. [9] PTÁ EK, L. Nauka o materiálu I. 2. vyd. Brno: CERM, 2003. 516 s. ISBN:80-7204-283-1. [10] PILOUS V., STRÁNSKÝ K. Zváranie 32. 1983, s. 225. [11] PILOUS V., ŠINÁL J., STRÁNSKÝ K. Kovové materiály. 1986, s.167. [12] STRÁNSKÝ K. Kovové materiály, 8, 1970, .4, s.301. [13] MICHALI KA, J: Diffúze hliníku a uhlíku ve svarových spojích ocelí. Bakalá ská práce. Brno: VUT, FME, Ústav materiálových v d a inženýrství, 2005. s.66. [14] PETZOW G. Merallographisches Atzen. Berlin, 1976. 120 s. [15] PILOUS, V., STRÁNSKÝ, K.: Structural Stability of Deposits ans Welded Joints in Power Engineering. Cambridge International Science Publishing, Cambridge, London 1998, 176 s. ISBN 1898326 088 [16] STRÁNSKÝ K., MILLION B., FORET R., MICHALI KA P., REK A. Redistribuce hliníku a uhlíku ve svarech ocelí v intervalu 500-1100 °C (1,15 hm.% Al). IN METAL 2003. Hradec nad Moravicí 20 – 22.5.2003.

51

[17] MURDOCH J.,BARNES J.A. Statistical Tables for Science, Enginiering, Management and Business Studies. Macmillan. Granfield, 1970. 40 s. [18] REK, A. Rentgenová spektrální mikroanalýza a její využití v materiálovém a fyzikálním inženýrství. Ostrava, 2007. 65 s. Habilita ní práce na Vysoké Škole Bá ské − Technická Univerzita Ostrava na Fakult metalurgie a materiálového inženýrství. [19] JAN, V.: Orienta ní výpo et fázového diagramu na rozhraní spoje A9/H3. P íloha 4. [20] PTÁ EK, L. Nauka o materiálu II. Brno: CERM, 2002. 392 s.

52

8. Seznam použitých symbol Symbol aC(1)

Jednotka [hm. %, at.zl.]

Název______________________________________ aktivita uhlíku v oduhli ené ásti svarového spoje

aC( 2)

[hm. %, at.zl.]

aktivita uhlíku v nauhli ené ásti svarového spoje

(q) C

[hm. %, at.zl.]

kvazirovnovážná aktivita uhlíku

min C

[hm. %]

mez detekovatelnosti uhlíku

[hm. %]

hmotnostní koncentrace prvku x ve standardu

a

C C XS

2 -1

a C

D

[m .s ]

DC

[m2.s-1]

DC(1)

[m2.s-1]

DC( 2)

[m2.s-1]

DCef Dj

[m2.s-1]

koeficient difúze uhlíku v oduhli ené spoje koeficient difúze uhlíku v nauhli ené spoje efektivní koeficient difuze

[m2.s-1]

koeficient difúze substitu ního prvku j

M C(1)

[hm. %]

M C( 2 )

[hm. %]

M C(1, 2 )

[hm. %]

p erozd lené množství uhlíku pro levou koncentra ní k ivky p erozd lené množství uhlíku pro pravou koncentra ní k ivky p erozd lené množství uhlíku

NC

[hm. %]

koncentrace uhlíku

N C(1)

[hm. %]

koncentrace uhlíku v oduhli ené ásti svarového spoje

N C( 2 )

termodynamický koeficient difúze uhlíku vztažený na z ed ný tuhý roztok koeficient difúze uhlíku ásti svarového ásti svarového

v tev v tev

[hm. %]

koncentrace uhlíku v nauhli ené ásti svarového spoje

(1q ) C

[hm. %]

N C( 2 q )

[hm. %]

(i ) N Cr ( Ekv )

[hm. %]

kvazirovnovážná koncentrace uhlíku v oduhli ené ásti svarového spoje kvazirovnovážná koncentrace uhlíku v nauhli ené ásti svarového spoje termodynamický ekvivalent chrómu v austenitu

Nj

[hm. %]

koncentrace substitu ního prvku j

[hm. %]

koncentrace substitu ního prvku j v oduhli ené

ásti

[hm. %]

svarového spoje koncentrace substitu ního prvku j v nauhli ené

ásti

N

N

(1) j

N

( 2) j

N XB

[imp.]

N XBS

[imp.]

svarového spoje etnosti impulz pro spektrální áru (nebo pozadí) prvku x na standardu istého prvku y etnost impulz pro pozadí prvku x na standardu istého prvku x

53

Symbol

Jednotka

Název______________________________________

N XPS

[imp.]

R T t x γC

[J.mol-1] [K, °C] [s] [m] [-]

γ C(1)

[-]

γ C( 2)

[-]

γ C ( x, t )

[-]

ε Cj µC ν Cj

[1/hm.%]

aktivitní koeficient uhlíku v oduhli ené ásti svarového spoje aktivitní koeficient uhlíku v nauhli ené ásti svarového spoje aktivitní koeficient uhlíku ve vzdálenosti x od svarového spoje a ase t interak ní koeficient uhlíku

[J]

chemický potenciál uhlíku

[-]

íslo charakterizující elektronouvou strukturu tuhého roztoku Fe-C-j ší ka oduhli eného pásma

ξ ξF

[m]

ξ F +P

[m]

ξN

[m]

[m]

etnost impulz pro spektrální áru prvku x na standardu istého prvku x univerzální plynová konstanta teplota as vzdálenost od svarového rozhraní aktivitní koeficient uhlíku

ší ka ásti oduhli eného pásma tvo ená strukturou istého feritu ší ka ásti oduhli eného pásma tvo ená strukturou feritu a perlitu ší ka nauhli eného pásma

54

9. Seznam p íloh P P P P P P

íloha 1 – Oduhli ená zóna – 10 m ení v oduhli ené zón íloha 2 – Nauhli ená zóna– 10 m ení v oduhli ené zón íloha 3 – M ení rtg. energiov disperzním spektrometrem íloha 4 – Grafy vypo tené programem ThermoCalc íloha 5 – M ení rtg. spektrální mikroanalýzou íloha 6 – M ení mikrotvrdosti

55

Life Enjoy

" Life is not a problem to be solved but a reality to be experienced! "

Get in touch

Social

© Copyright 2013 - 2019 TIXPDF.COM - All rights reserved.