UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO
VLADIMIR GLIHA
Fizikalno-metalurške osnove varjenja
Maribor, 2007
Univerza v Mariboru Fakulteta za strojništvo Vladimir Gliha Fizikalno-metalurške osnove varjenja Učbenik Strokovni recenzenti: Prof. dr. Janez Grum Prof. dr. Inoslav Rak Založila: Fakulteta za strojništvo Smetanova ulica 17 2000 Maribor Tiskanje: Tiskarna tehniških fakultet, Maribor Naklada: 150 izvodov © Fakulteta za strojništvo Maribor in avtor Vse pravice pridržane. Naslov avtorja: Doc. dr. Vladimir Gliha Fakulteta za strojništvo Smetanova ulica 17 2000 Maribor
i
VSEBINA 1 UVOD
1
2 SPAJANJE IN VARJENJE
3
2.1
Razvoj spajanja z varjenjem
3
2.4
Osnovni pojmi pri varjenju
8
3 ZGRADBA SNOVI
11
3.1
Sile med naelektrenimi delci
11
3.2
Atomi
13
3.3
Elektroni
15
3.4
Vezi med atomi
19
3.4.1 Ionska vez
20
3.4.2 Kovalentna vez
20
3.4.3 Kovinska vez
21
3.4.4 Van der Waalsova vez
22
3.5
Kemične reakcije
23
3.6
Notranja energija snovi
24
3.7
Termična plazma
28
4 KOVINSKI MATERIALI IN NJIHOVE LASTNOSTI
33
4.1
Zgradba kristalov
33
4.2
Napake kristalov
35
4.3
Zmesni kristali in zlitine
37
4.4
Mikrostruktura kovin
40
4.5
Lastnosti konstrukcijskih kovinskih materialov
44
4.5.1 Mehanske lastnosti kovin
44
4.5.2 Toplotne lastnosti kovin
49
4.5.3 Električne lastnosti kovin
50
4.6
Napovedovanje mikrostrukture ogljikovih jekel
54
4.6.1 Kristalizacija in premene pri počasnem ohlajanju
54
4.6.2 Premene pri konstantni temperaturi
57
4.6.3 Premene pri zveznem ohlajanju
59
5 NASTANEK ZVARA
61
5.1
Področja zvarov
62
5.2
Razmere pri izdelavi zvarov
63
5.3
Toplotno vplivano področje zvara
66
5.3.1 Segrevanje
67
5.3.2 Čas maksimalne temperature
68
5.3.3 Ohlajanje
69
ii 5.4
Mikrostruktura TVP
71
5.4.1 Grobozrnati del TVP
71
5.4.2 Finozrnati del TVP
73
5.4.3 Popolnoma prekristalizirani del TVP
74
5.4.4 Delno prekristalizirani del TVP
74
5.5
Var
75
5.5.1 Kemična sestava zvarne kopeli
75
5.5.2 Strjevanje kovinske taline
77
5.5.3 Strjevanje taline v zvarni kopeli
81
5.5.4 Smer kristalizacije
83
5.5.5 Ohlajanje strjenega vara
86
6 LASTNOSTI ZVAROV 6.1
Nepopolnosti zvarov
89 89
6.1.1 Varilne napake
89
6.1.2 Varilne zaostale napetosti
91
6.2
Neposredni vplivi varjenja
92
6.2.1 Toplotni vpliv varjenja enega varka
93
6.2.2 Toplotni vplivi varjenja več varkov
98
6.2.3 Toplotni vpliv varjenja, ki ne preseže temperature Ac1
6.3
Posredni vplivi varjenja
102
105
6.3.1 Primarna rekristalizacija
107
6.3.2 Obstoj prenasičenih trdnih raztopin
107
7 VIRI TOPLOTE ZA VARJENJE IN REZANJE
117
7.1
Uporaba toplote
117
7.2
Notranji viri toplote
118
7.2.1 Neposredno pretvorba električne energije
119
7.2.2 Neposredno pretvorba mehanske energije
122
7.2.3 Neposredno pretvorba kemične energije
125
7.2.4 Neposredno pretvorba drugih oblik energije
126
7.3
Zunanji viri toplote
128
7.3.1 Uporaba električne energije
130
7.3.2 Uporaba kemične energije
140
1
1 UVOD Konstrukcije gradimo iz primerno oblikovanih, v naprej pripravljenih večjih in manjših delov. To so konstrukcijski elementi in komponente, ki jih izdelamo iz materiala s primernimi lastnostmi. Posamezne konstrukcijske elemente med seboj trdno spojimo. Potrebna kakovost in dimenzije spojev so odvisni od obremenitev, ki se pojavljajo med uporabo konstrukcije. Ves čas predvidene življenjske dobe konstrukcije morajo spoji zagotavljati njeno uporabnost, ne da bi bili ogroženi zanesljivost in varnost. Nekatere konstrukcije je mogoče razstaviti in, kadar je potrebno, znova sestaviti na istem ali drugem mestu. Gradnja razstavljivih konstrukcij je zamudna in draga. Velike masivne konstrukcije, ki jih ni treba prestavljati ali pa jih lahko premikamo kar v celoti, gradimo mnogo hitreje in ceneje, če je spajanje nerazstavljivo. Kovinske konstrukcijske materiale se da kakovostno spajati na različne načine. Nekateri od njih so tehnično in ekonomsko zelo učinkoviti. Na prvem mestu je spajanje z varjenjem. Učinkovitost in kakovost tega načina nerazstavljivega spajanja materiala je odvisna od − materiala, − priprave elementov za varjenje, − razpoložljive opreme za varjenje in manipulacijo, − pogojev pri izvedbi varjenja, − usposobljenosti in izkušenosti snovalcev konstrukcij, oblikovalcev konstrukcijskih sklopov in elementov, načrtovalcev gradnje sklopov in montaže konstrukcij ter vseh ostalih udeleženih pri gradnji in montaži, pri čemer je ključno spajanje. Za spajanje materiala je potrebna energija. Pri varjenju elementov iz kovinskih materialov se velik del uporabljene energije pretvori v toploto, pogosto pa je potrebno opraviti tudi določeno količino mehanskega dela. Zaradi toplote, ki se tvori v materialu ali se jo na material na ustrezen način prenaša, in zaradi opravljenega mehanskega dela na materialu se material, iz katerega nastane zvar, med varjenjem segreje. Kasneje pa se seveda ohladi. Da bi razumeli, kako se pri tem toplotnem vplivu material lahko spremeni in kako to vpliva na njegove lastnosti, je treba dobro poznati vedenje materiala, iz katerega naredimo zvar. Konstrukcije so predvidene in narejene za prav določeno vrsto uporabe. Tudi nosilni deli velikih delovnih strojev spadajo med konstrukcije. S trdnostnega stališča se zvare obravnava kot šibke točke varjenih izdelkov, tudi takrat ko so iz najbolj primernega materiala in ko so dimenzijsko in oblikovno optimalni. Izbira materiala za določeno vrsto kovinskih konstrukcij je odvisna od njihove namembnosti. Danes je snovalcem konstrukcij na voljo cela vrsta različnih kovinskih materialov s specifičnimi lastnostmi. V glavnem uporabljamo za gradnjo varjenih konstrukcij konstrukcijske kovinske materiale. Za zelo velike varjene konstrukcije, ki so pri uporabi obremenjene pretežno mehansko, so posebej primerna ogljikova konstrukcijska jekla. Ta vrsta jekel ima dobre tehnične in tehnološke lastnosti, dostopna pa so po zelo ugodnih cenah. To je posledica velike razpoložljivosti osnovne surovine, nizkih proizvodnih stroškov in velikoserijske produkcije ogljikovih konstrukcijskih jekel. Tudi stroški pri predelavi teh jekel z varjenjem niso visoki. Prav zaradi tega je spajanje
2 ogljikovih konstrukcijskih jekel z varjenjem bolj konkurenčno od drugih postopkov nerazstavljivega spajanja. Trdnost verige je odvisna od trdnosti najšibkejšega členka. To velja tudi pri varjenih konstrukcijah. Najšibkejši členki konstrukcij so najbolj obremenjeni zvari. Vzrok za to je sam tehnološki postopek varjenja in nezmožnost popolnega nadzora nad njim pri delu v industrijskih pogojih. Dejansko je nosilnost varjenih konstrukcij odvisna od trdnosti najbolj obremenjenih zvarov. Za zanesljivo in varno uporabo varjenih konstrukcij so pomembni zvari oziroma njihove lastnosti. Parametri, ki na to vplivajo, so: − dimenzije zvarov, − homogenost zvarov, − vrsta obremenitve konstrukcije, − oblika konstrukcijskih elementov in spojev, − lastnosti materiala vseh delov zvarov pri temperaturi, ko je obremenitev konstrukcij največja ali najbolj neugodna, − lastnosti materiala vseh delov zvarov pri najnižji ali najvišji temperature uporabe konstrukcij, − vplivi medijev, ki so jim izpostavljeni pri uporabi posamezni deli varjenih konstrukcij. Da bi bralec razumel, kaj se dogaja pri pripravi in spajanju kovin z varjenjem, mora imeti določeno interdisciplinarno predznanje iz elementarne fizike, kemije, metalurgije in elektrotehnike. − Na začetku izve, zakaj je bilo nerazstavljivo spajanje materiala potrebno nekoč in zakaj je potrebno še danes, ter spozna zgodovinski razvoj varjenja z osnovnimi varilskimi pojmi. − Nato spozna samo zgradbo ter mehanske, toplotne in električne lastnosti konstrukcijskih kovin, ki so pomembne za varjenje in za uporabo varjenih izdelkov. Podrobneje so obravnavane značilnosti mikrostrukture ogljikovih konstrukcijskih jekel. Znanje o njih omogoča razumeti pojave, ki so posledica spajanja jekel z varjenjem. − V nadaljevanju je pojasnjen nastanek dveh področij zvara. To sta var in toplotno vplivano področje zvara. Možnost kakovostnega varjenja je povezana z varivostjo materiala, ki je odvisna tudi od parametrov varjenja. Dobre lastnosti zvarov in končno funkcionalnost varjenih konstrukcij dosežemo z natančnim načrtovanjem in izvedbo vseh varilskih del. Lastnosti zvarov so za uporabnost varjenih konstrukcij namreč prav tako pomembne kot njihova oblika in dimenzije. − Na koncu so opisane osnove industrijsko najbolj uporabnih načinov hitrega in učinkovitega neposrednega in posrednega lokalnega segrevanja in taljenja materiala za varjenje in toplotno rezanje. Za poglabljanje znanja o varjenju in toplotnem rezanju bralcu priporočam prebirati tudi tekst v drobnem tisku na spodnjih delih strani, ki se nanaša na posamezne točke vsebine učbenika.
3
2 SPAJANJE IN VARJENJE Že v davni preteklosti je bilo pomembno vedeti, kako je mogoče materiale med seboj trdno spojiti, in tako je še danes. Na kratko je prikazana zgodovina modernega varjenja z osnovnimi pojmi, ki jih moramo poznati pri varjenju.
2.1 Razvoj spajanja z varjenjem S primernim orodjem vsako delo lažje in/ali hitreje opravimo. Tudi nekatere živali uporabljajo preprosta orodja, ki jih najdejo v naravi (vidre razbijejo školjke s kamnom, ptice izbrskajo ličinke iz lesnih razpok z iglico ali razbijejo uplenjena jajca s kamnom ipd). Za razliko od njih si ljudje že od nekdaj orodje izdelamo po predhodni zamisli, kar je značilno za uporabo uma 1 . Orodje uporabljamo torej zato, da si z njim olajšamo delo. V prazgodovini so bila za obstanek ljudi pomembna različna orodja. V dobi nabiralništva so z njim izkopavali gomolje in koreninice, v dobi lovstva lovili in ribarili, v dobi poljedelstva pa obdelovali in namakali polja ter želi, mlatili in mleli. Ker so nabrano, uplenjeno in pridelano hrano morali ubraniti pred živalmi in ljudmi iz drugih plemen, so potrebovali tudi za posebne namene razvito orodje, ki ga imenujemo orožje. Poleg tega je bilo orodje potrebno tudi za netenje ognja in pripravo hrane (peka, kuhanje) ter za ohranjanje hranilne vrednosti živil (sušenje, dimljenje). Za obstanek na klimatsko zahtevnejših področjih (puščave, visokogorje, Arktika) in tudi drugod v času posebnih klimatskih razmer (npr ledena doba) je bila pomembna tudi izdelava kakovostne obleke in primernih bivališč. Boljše kot je bilo orodje oziroma orožje, s katerim so ljudje razpolagali, večja je bila možnost preživetja. Življenjsko okolje zaradi klimatskih sprememb ni bilo stalno. Na določenih področjih se je rastlinstvo in živalstvo sčasoma spremenilo. Ljudje so se bili prisiljeni seliti tja, kjer so bili pogoji za življenje boljši in preživetje bolj zanesljivo. Pri selitvah so morali prečkati reke, morja in puščave. Za to so uporabljali primerna transportna sredstva. Že zelo zgodaj so uspeli poselili tudi daljne celine 2 in celo najbolj oddaljene otoke 3 . Orodje iz določenega obdobja odraža tehnično in tehnološko raven družbe. Ta stalno raste. Manjši zastoji so bili le redki in kratkotrajni. Tehnični in tehnološki razvoj je najhitrejši prav v današnjem času. Podoben trend se bo nadaljeval. Potreba po spajanju je stara prav toliko kot človek, oziroma odkar je o našem dvonožnem predniku mogoče govoriti kot o razumnem bitju 4 . Povezana je z razvojem bolj zahtevnih orodij kot sta pestnjak ali trnek, ki sta narejena iz enega samega kosa materiala 5 . Primer orodja, ki ga v prazgodovini brez kakovostnega spajanja ne bi mogli učinkovito uporabljati, pa so sulica in harpuna ter kladivo, sekira, nož, žaga in mnogo drugih. 1
Tudi primati (človeku podobne opice), ki so naši najbližji sorodniki, so sposobni izdelave preprostega orodja. obe Ameriki in Avstralija 3 tihomorski otoki: Polinezija, Melanezija, Mikronezija 4 zato so našega prednika poimenovali homo sapiens – misleči človek 5 pestnjak je bil posebej oblikovan kremen (vrsta kamnine), trnek pa so naredili iz primernega koščka kosti 2
4 − Trdno ost so pritrdili na konec dolge toge palice. Tako so naredili sulico oziroma harpuno. Lovec je lahko s pomočjo sulice uplenil veliko in nevarno žival z varne razdalje. Ribič je s harpuno lahko ujel ribo kar s kopnega ali iz čolna. − Trd predmet z večjo maso so pritrdili na vitko in lahko toporišče. Tako so naredili kladivo oziroma sekiro. Tej masi so pri zamahu lahko povečali hitrost in tako razpolagali z večjo kinetično energijo. Ob udarcu se je energija pretvorila v mehansko delo za zabijanje, lomljenje ali drobljenje, če je orodje bilo naostreno, pa za sekanje. − Trd in naostren ali nazobčan predmet so za zanesljiv in dober oprijem spojili s primerno oblikovanim držalom. Tako so naredili nož oziroma žago. Z nožem in žago je bilo mogoče oblikovati ali prerezati mehkejše materiale tudi takrat, ko jih ni bilo mogoče prerezati v eni potezi ali presekati v enem zamahu. V kameni dobi je bilo treba spajati le les, kost, kožo in kamen, kasneje pa je kamen nadomestila kovina, v bakreni dobi baker, v bronasti bron in v železni železo. Kovine je mogoče preoblikovati v hladnem in v vročem ter spajati z varjenjem, kar je velika prednost v primerjavi z drugimi materiali. Na prve sledove varjenja naletimo v bronasti dobi. Na železnih izdelkih iz starega Egipta in Sirije najdemo primere kovaškega varjenja. V srednjem veku se je kovaško varjenje močno razmahnilo. Izdelovali so namreč mnogo tehnično zahtevnega in v tistem času nadvse učinkovitega orožja. Varjenje, kakršnega poznamo danes, pa je povezano z odkritjem plina acetilena, elektrike in električnega obloka. Danes so razlogi za varjenje nekoliko drugačni kot so bili v daljni preteklosti. Za varjenje je na razpolago več različnih kovinskih materialov kot včasih, pa tudi razpoložljivih postopkov za njihovo kakovostno spajanje je veliko več kot nekoč. Kljub temu, da tehnološka raven družbe zaradi razvoja tehnike in znanosti hitro napreduje, pa so osnovne potrebe po spajanju še zmeraj podobne nekdanjim. 1. Na trgu ni mogoče dobiti serijsko izdelanih, oblikovno bolj zahtevnih polizdelkov iz kovin, ki bi jih bilo mogoče brez posebne dodelave uporabiti za izdelavo velikih ali bolj kompleksnih izdelkov. V velikih serijah je ekonomsko upravičeno izdelovati kovinske polizdelke enostavnih oblik kot so palice, trakovi, tanka in debela pločevina, žice, tračnice, drugi profili, cevi, in še to le v standardiziranih izmerah in kvalitetah materiala. Potrebna količina teh polizdelkov je običajno velika, zato je njihova proizvodnja rentabilna in konkurenčna. Polizdelke univerzalnih oblik, ki so narejeni v standardiziranih izmerah in kvalitetah, hitro najdejo kupca. Tako jih ni potrebno izdelovali na zalogo in proizvajalcu se vložena finančna sredstva hitreje povrnejo. 2. Izdelke višje stopnje predelave izdelujemo iz cenejših polizdelkov s krojenjem, preoblikovanjem in varjenjem. Tudi konstrukcije in stroji spadajo mednje. Specializirani proizvajalci varjenih konstrukcij in komponent velikih strojev so na ustrezni tehnološki ravni, razpolagajo pa s potrebnimi proizvodnimi zmogljivostmi. Pri krojenju, preoblikovanju in varjenju se lastnosti vgrajenega materiala ne smejo bistveno spremeniti. Varjeni izdelki naj bi namreč bili enako zmogljivi in trajni, kot so
5 izdelki, ki so narejeni iz enovitega materiala 6 . To je mogoče zato, ker gre pri dodajnem materialu, s katerim varimo, največkrat za kovino iste vrste kot pri osnovnem materialu in je elastični modul materiala in spojev enak. Zato se elastične deformacije in napetosti razporedijo po varjenem izdelku, kot da bi bil ulit ali skovan iz enega kosa. 3. Zmeraj ni mogoče dobiti tako velikih polizdelkov, kot bi jih potrebovali7 . To še posebno velja pri gradnji velikih konstrukcij kot so zgradbe, hale, mostovi, rezervoarji, vodne zapornice, tlačne posode ipd ter velikih delovnih strojev kot so žerjavi, stiskalnice, obdelovalni stroji itd. Uporabiti je treba razpoložljive velikoserijske polizdelke v obstoječih izmerah. Glede na dejanske potrebe je te polizdelke navadno treba podaljšati, razširiti ali odebeliti. Pri tem je zelo učinkovito prav varjenje. Z varjenjem je mogoče lastnosti posameznih delov konstrukcij, ki so bolj obremenjeni, izboljšati 8 ali pa popraviti obrabljene ali poškodovane dele oziroma odpraviti napake, ki nastanejo pri izdelavi varjenih konstrukcij 9 . 4. Večja masa in velike dimenzije izdelkov ali komponent so pogosto nepremostljiva težava za izdelavo ali sestavo varjenih konstrukcij. Problem je manipulacija z napravami kot so npr žerjavi ali viličarji ter prevoz s transportnimi sredstvi kot so kamioni, vagoni, ladje ipd. Težave nastopajo tudi zaradi omejenih velikosti proizvodnih prostorov. Ovira so lahko obstoječe zožitve prostorov kot so vrata, inštalacije, višina stropov itd, pri transportu pa širina transportnih poti, logistične ovire, kot so mostovi, nadvozi, predori, ostri ovinki, soteske ipd. Zato v delavnicah izdelamo le tako velike varjene sklope, da z njimi še lahko manipuliramo in jih transportiramo. Na mestu, kjer je predvideno, da bo konstrukcija stala oziroma stroj delal, te sklope nato sestavimo. Ker je mogoče izdelovati dokaj kakovostne zvare tudi na terenu, se tudi pri montažnih delih za spajanje največkrat koristi varjenje. Treba je imeti na umu, da je rentabilnost izdelave varjenih izdelkov največja v pokritih proizvodnih prostorih oziroma v delavnicah, ki so zgrajene blizu energetskim virom, transportnim potem in človeškim naseljem. Spremenljivi vremenski pogoji (padavine, veter, mraz) za proizvodnjo v takšnih razmerah niso večja ovira, na razpolago pa imamo elektriko, vodo, pline, komprimiran zrak, prezračevanje, itd. Na odprtem oziroma na terenu z varjenjem težje naredimo enako kakovostne spoje kot v delavnicah. Zato je rentabilnost dela na terenu neprimerno nižja od delavniške, pogostost pojavljanja napak pri varjenju pa mnogo večja. Praviloma je z varjenjem mogoče narediti spoje, katerih trdnost je enaka trdnosti vgrajenega materiala 10 , pod pogojem seveda, da so zvari brez napak. Za dejansko kakovost varjenih spojev so poleg napak, ki nastanejo pri varjenju, pomembne tudi lastnosti
6
enoviti izdelki so ulitki, odkovki in izdelki narejeni z odrezavanjem materiala če ni bilo na razpolago tako velikih dreves, da bi iz njih stesali bruna, ki bi omogočila premostitev širše reke ali izdelavo strehe s večjim razponom, so si pomagali s spajanjem več manjših 8 Navadno gre za navarjanje z materiali, ki imajo drugačne lastnosti kot osnova. Tako nekaterim delom konstrukcij lahko povečamo odpornost proti − kemičnim vplivom npr korozijska obstojnost, − toplotnim obremenitvam npr ognjeodpornost, − mehanskim obremenitvam npr zaradi možne obrabe površine pri trenju ali zaradi nastanka poškodb na površini pri velikih točkovnih ali linijskih silah 9 takšno varjenje imenujemo reparaturno varjenje 10 trdnost zvarov je odvisna od osnovnega in dodajnega materiala in njihovih metalurških karakteristik kot je npr sposobnost kalitve, izločilnega utrjanja, prekristalizacije, rekristalizacije ipd, pri čemer so pomembni tako izbran postopek varjenja kot uporabljeni varilni parametri 7
6 materiala vseh področij zvara pa tudi vrsta zvarov oziroma njihova dejanska oblika. Zelo pomembne so tudi zaostale napetosti, ki po končanem spajanju z varjenjem obstajajo na nekaterih delih zvarov kot natezne, na nekaterih pa kot tlačne prednapetosti materiala 11 . Nezadostna kakovost zvarov ogroža trajnost in zanesljivost uporabe konstrukcije, dodatne napetosti pa prav tako. Kvarni vpliv obstoječih napak v zvarih je odvisen od njihove velikosti in od vrste obremenitve konstrukcije med njeno izdelavo in uporabo. Ker je zaradi varjenja odpornost materiala proti lomu ponekod močno zmanjšana, sta kvarni vpliv napak in pojav zaostalih napetosti zelo pomembna za dejansko nosilnost vsake varjene konstrukcije 12 . Zaradi omenjenega moramo vse zvare obravnavati kot potencialno šibke členke varjenih konstrukcij. Primerno varivost materiala zagotovimo z ustrezno tehnologijo varjenja13 . Z neporušitvenimi metodami preiskave materiala nadziramo dejansko kakovost zvarov na varjenih konstrukcijah. Ker so v varjenem stanju zaostale napetosti lahko zelo velike, moramo pri nekaterih varjenih konstrukcijah njihovo raven pred začetkom uporabe na primeren način znižati 14 . Če z ustrezno tehnologijo varjenja in delovno disciplino pri varjenju dosežemo, da nastajajo le majhne napake in to v omejenem obsegu, je tudi vpliv napak lahko zelo majhen. Za ocenitev kvarnega vpliva napak na trdnost zvarov je potreben ustrezen teoretični pristop 15 . Kadar pa je mogoče vpliv napak popolnoma zanemariti, so trdnost, trajnost in zanesljivost zvarov, ki so dimenzionirani in oblikovani v skladu z zahtevami v predpisih, enake kot to velja za vgrajeni, z varjenjem nevplivani osnovni material 16 . Prve začetke modernega varjenja beležimo pred nekaj več kot 100 leti. Njegova uveljavitev je bila zelo hitra. Poglejmo, kako se je v preteklosti razvijalo varjenje, ki ga danes uporabljamo v industriji in obrti. a) Varjenje z ogleno elektrodo so pričeli uporabljali koncem 19. stoletja 17 . Kmalu za tem so opravili prve poskuse varjenja s kovinsko elektrodo 18 . Skoraj hkrati so v Združenih državah Amerike patentirali idejo o varjenju v neoksidirajočem plinu. To se danes šteje za začetek TIG varjenja. Le malo kasneje beležimo prve poskuse varjenja z oplaščenimi elektrodami, najprej z glinenim oplaščenjem 19 , kasneje pa že z oplaščenjem iz mešanice karbonatov in silikatov 20 . Do leta 1930 se je uporaba oplaščenih elektrod že zelo razširila, posebno zaradi vse večje potrebe po izdelavi kakovostnih zvarov. 11
zaostale napetosti so napetosti, ki jih ne povzročijo zunanje obremenitve, ampak so neposredna posledica varjenja (na določenem področju so te napetosti medsebojno uravnotežene) 12 pomembna je predvsem krhkost zvarov, ki je eden temeljnih problemov varivosti kovin 13 osnova za načrtovanje tehnologije varjenja so podatki o materialih, poznavanje fenomenov pri varjenju in pozitivni rezultati opravljenih varivostnih testov 14 za zniževanje ravni zaostalih napetosti v varjenih konstrukcijah so na razpolago napetostno žarjenje, kontrolirano preobremenjevanje konstrukcij, vibriranje konstrukcij idr 15 temu služi teoretična in eksperimentalna mehanika loma 16 Za zahtevne varjene konstrukcije uporabljamo občasne preventivne preglede (npr letni remont jedrske elektrarne). To velja še posebno za konstrukcije, katerih porušitev ima trajne posledice za okolje oziroma ogrozi zdravje ali življenje ljudi. Po opravljenem pregledu vzroke za morebitno zmanjšanje zanesljivosti varjene konstrukcije odpravijo. 17 leta 1885 je bil ta postopek patentiran v VB, dve leti kasneje pa v ZDA 18 leta 1890 je bil ta postopek patentiran v ZDA 19 leta 1900 je bil ta postopek uveden v VB 20 v letih 1907 − 1914 je to uvedeno na Švedskem
7 Iz istega obdobja datirajo tudi različni tipi uporovnega varjenja21 . Aluminotermično varjenje pa je znano od leta 1903 22 . Plamensko varjenje se je močno razmahnilo šele takrat, ko so uspeli industrijsko pridobiti kisik iz zraka. Do leta 1900 so uporabljali kot gorilna plina vodik in svetilni plin. Uvedba primernega gorilnika je že leta 1887 omogočila plamensko varjenje in rezanje. Po letu 1900 so razvili gorilnik, ki je bil primeren za uporabo acetilena, s čimer je plamensko varjenje in rezanje veliko pridobilo na uporabnosti. b) V letih pred Prvo svetovno vojno sta bila plamensko varjenje in varjenje z oplaščeno elektrodo zelo razširjena varilna procesa v industriji in obrti. Logično je, da se je med vojno poraba in predelava kovin močno povečala, saj so vojne v človeški zgodovini bile in so še pospeševalec razvoja tehnike in tehnologije. Zaradi povečane porabe kovin za potrebe vojske, predvsem jekel, se je tudi varjenje zelo razmahnilo. V Veliki Britaniji so takrat izdelali v varjeni izvedbi prvo ladjo. Kmalu za tem beležimo prvi primer avtomatskega varjenja, sicer še brez posebne zaščite 23 , nekaj let kasneje pa že v zaščiti žlahtnega plina. Ne dolgo za tem so patentirali postopek varjenja pod praškom 24 . c) Na začetku Druge svetovne vojne so v Združenih državah Amerike že varili po TIG postopku v zaščitni atmosferi helija, nato pa argona. Kmalu po vojni so netaljivo volframovo elektrodo zamenjali z jekleno žico, ki je pritekala s konstantno hitrostjo na varilno mesto. To se šteje za rojstvo MIG postopka. Njegova učinkovitost se je močno povečala z uvedbo tanke žice in z razvojem električnih izvorov s konstantno napetostno karakteristiko 25 . V začetku so MIG varjenje koristili le za spajanje neželeznih materialov. Leta 1960 so zaščitnemu žlahtnemu plinu dodali kisik, kar je omogočilo pršeči prehod materiala v obloku. Pozneje so uvedli varjenje s pulzirajočim električnim tokom. Vsaka nadaljnja izboljšava je pripomogla še k večji razširjenosti tega postopka varjenja. Zaradi učinkovitosti so MIG postopek varjenja poskusili uporabiti tudi za varjenje ogljikovih jekel, vendar je bila cena žlahtnih plinov za takšno varjenje previsoka. V Sovjetski zvezi so se pri uvedbi varjenja navadnih ogljikovih jekel v zaščiti plina CO2 zgledovali po MIG postopku in ga uspešno modificirali 26 . To štejemo za začetek zmagovitega pohoda MAG postopka varjenja v kovinsko predelovalno industrijo. Zaradi uporabe znatno cenejšega zaščitnega plina je MAG postopek varjenja bistveno bolj ekonomičen od MIG postopka. Kasneje so uvedli varilne žice, ki so bile polnjene z različnimi praški 27 . Tako so zunanjo plinsko zaščito lahko dopolnili še z zaščitnim plinom, ki nastane s kemičnimi reakcijami prav na mestu varjenja. Prašek sam pa v določeni meri metalurško deluje na material v zvarni talini. Varilne žice s kovinskim polnjenjem omogočajo legirati var kar v zvarni talini.
21 22 23
prvi patent na to temo je zabeležen v letu 1885 Nemčija
leta 1920 leta 1930 je bil ta postopek patentiran v ZDA 25 leta 1950 je bilo to patentirano v ZDA 26 ta postopek varjenja je bil v SZ uveden leta 1953 27 leta 1957 je bil ta postopek patentiran v ZDA 24
8 d) V drugi polovici 20. stoletja so se pojavili mnogi novi postopki kot npr varjenje pod žlindro 28 , plazemsko varjenje 29 , varjenje z elektronskim snopom 30 , varjenje s trenjem 31 , lasersko varjenje, itd, še ne tako dolgo tega pa torno varjenje z gnetenjem materiala 32 . Nekateri od teh postopkov so posebno uporabni za toplotno rezanje materiala. Prav vsak od novo razvitih postopkov varjenja je ponudil uporabnikom v določenih primerih in za določene materiale pomembne prednosti. Vendar pa so imeli vsi novi postopki varjenja tudi svoje omejitve. Poleg razvoja novih postopkov varjenja smo danes priča pomembnim izboljšavam že uveljavljenih postopkov. To se odraža v zmogljivejšem, zanesljivejšem in hitrejšem varjenju in na bolj kakovostnih zvarih. Pomembnost in uporaba varjenja v industriji bo tudi v 21. stoletju zanesljivo še nadalje naraščala. Proizvodnja jekla in drugih konstrukcijskih kovinskih materialov (aluminijeve, titanove, magnezijeve zlitine) namreč še kar raste. Industrijsko proizvodnjo avtomatizirajo in celo robotizirajo. Pojavljajo se povsem novi postopki nerazstavljivega spajanja. V zadnjih letih 20. stoletja je proizvodnja varilne opreme rasla s 5 odstotno letno stopnjo. Kljub hitremu razvoju zmeraj novih nekovinskih materialov (polimeri, keramika, kompozitni materiali) in povečevanju njihovega deleža v tehniki, je pričakovati še nadaljnje naraščanje pomena varjenja. Na zemlji živi namreč zmeraj več ljudi, potrebe potrošniške družbe po dobrinah pa naraščajo bistveno hitreje kot prebivalstvo 33 .
2.2 Osnovni pojmi pri varjenju Varjenje je nerazstavljivo spajanje konstrukcijskih ali strojnih delov v eno celoto. To lahko dosežemo s segrevanjem materiala do taljenja, s čimer dosežemo zlitje materiala posameznih delov, ali s segrevanjem delov materiala, ko pri uporabi določene mehanske sile dosežemo zlitje materiala pri temperaturi, ki je nižja od temperature taljenja. Navarjanje je trajno nanašanje materiala na določeni del površine konstrukcijskega ali strojnega elementa zaradi povečanja njegovega volumna, pri čemer nadomestimo obrabljeni ali odlomljeni del tega elementa, ali pa ustvarimo zaščitno plast, ki je bolj odporna proti obrabi ali koroziji kot material osnove Osnovni material je material, iz katerega so z varjenjem ali navarjanjem narejeni konstrukcijski in strojni deli. Dodajni material je material, ki ga pri varjenju/navarjanju stalimo skupaj z delom osnovnega materiala za zapolnitev prostora na mestu spoja ali navara. K dodajnemu materialu štejemo vse, kar se dodaja pri izvedbi varjenja/navarjanja kot elektrode, ki so lahko gole, oplaščene ali strženske palice, in polne ali strženske žice, navite na kolute ali v obliki tankih paličic. Elektrode in žice, ki se jih dobi na trgu, so standardnih dimenzij. Pomožna sredstva so zaščitni plini in posebni praški kot tudi različna talila. Te snovi sicer niso neposredno vključene v ustvarjanje varov in navarov, so pa potrebne za njihov nastanek in njihovo kakovost. 28 29
uvedeno leta 1958 v SZ
znano od leta 1957 (sprva so ta postopek uporabljali le za rezanje in metalizacijo) prvič uporabljeno v Franciji 31 prvi so s tem poskusili v SZ 32 sprva so ta postopek koristili le za varjenje aluminijevih zlitin, kasneje pa tudi za jekla 33 npr število osebnih vozil, računalnikov, gospodinjskih aparatov, komunikacijskih naprav ipd 30
9 Varilnik je naprava oziroma stroj, ki omogoča varjenje. Njegova zgradba je odvisna od tehnike varjenja ter od namembnosti in funkcionalnosti varilnika. Varilec je kvalificirani delavec, ki konstrukcijske elemente in komponente spaja z varjenjem. Varek je strjeni del materiala, ki nastane s kristalizacijo zvarne kopeli. Posebnosti sta korenski varek, ki ga naredimo v prvi v fazi gradnje večvarkovnega zvara, in spenjalni varek, ki je namenjen spenjanju elementov preden sploh pričnemo z izdelava spoja. Zvar ali zvarni spoj je celota ustvarjena z varjenjem. Tvorita ga var in toplotno vplivano področje zvara. Zvar lahko izdelamo v eni sami potezi (enovarkovni zvar) ali v več zaporednih potezah (večvarkovni zvar). Osnovna oblika zvara je odvisna od medsebojnega položaja elementov pri spajanju. Njegova celostna oblika je odvisna tudi od uporabljenega postopka varjenja, parametrov varjenja, lege varjenja in spretnosti varilca. Var pri talilnem varjenju je sprva staljeni, potem pa strjeni in ohlajeni del zvara, ki smo ga naredili s taljenjem materiala v eni sami potezi ali pa v več potezah. Pri varjenju, ki ni talilno, je var prekristaliziran in ohlajen del materiala varjenih elementov, ki smo jih sprva lokalno segreli skoraj do taljenja, nato pa z mehansko silo zgnetli. Toplotno vplivano področje zvara ali TVP je del varjenega materiala, ki je bil med varjenjem toliko segret, da se to pozna na mikrostrukturi in na lastnostih. TVP je lahko posledica varjenja v eni sami potezi ali pa v več potezah. Zvarjenec je konstrukcijska komponenta, ki smo jo naredili z varjenjem. Zvarni žleb je posebej pripravljena oblika elementov za varjenje na mestu, ki je predvideno za izdelavo spoja. Njegova oblika omogoča pristop varilni napravi oziroma gorilniku do materiala varjenih elementov, ki ga je treba segreti in nataliti. Potrebna oblika žleba je odvisna od debeline materiala ter pristopnosti z varilnikom. Za to so ključni oblika in medsebojni položaj varjenih delov, uporabljeni varilni postopek ter same dimenzije elektrod in varilnih naprav. Ločimo med žlebovi in zvari oblike I, V, Y, X , K, U itd. Spenjanje konstrukcijskih elementov in komponent nam omogoči izvedbo spajanja le-teh z varjenjem. Konstrukcijske elemente spnemo samo na posameznih mestih in to običajno v manjših dolžinah. Enovarkovni zvar izdelamo v eni potezi z enim samim varkom. Večvarkovni zvar izdelamo v več potezah z več varki. Uvar ali penetracijo predstavlja pretaljeni del osnovnega materiala. Teme zvara je površina zvara na strani, s katere je zvar izdelan. Na zvaru, ki je narejen z dveh strani, sta dve temeni, na zvaru, ki je narejen samo z ene strani, pa le eden. Koren zvara pri enovarkovnem zvaru je površina na nasprotni strani od tiste, s katere je zvar narejen. Pri večvarkovnih zvarih, narejenih z obeh strani, je to tisti del zvara, kjer sta varjena elementa eden drugemu najbliže. Prevarjeni zvar je zvar brez prekinitve vara po debelini, medtem ko je neprevarjeni zvar po debelini prekinjen. Lega varjenja je definirana s smerjo varjenja in položajem elementov, ki jih spajamo, glede na smer delovanja gravitacijske sile. Tako ločimo varjenje v vodoravni legi, varjenje na steni (vodoravno ali navpično), varjenje v nadglavni legi.
10 Vrsta zvara je definirana z medsebojnim položajem elementov. Tako ločimo npr soležne zvare, T zvare, poševne zvare, prekrovne zvare, vogelne zvare, križne zvare itd. Pri šivnem varjenju varilnik oziroma mesto dovajanja energije za varjenje potuje vzdolž robov konstrukcijskih elementov, ki jih običajno varimo s konstantno hitrostjo, pri stacionarnem varjenju pa se varilnik med varjenjem ne premakne ali pa se premika le krožno ali izmenično sem ter tja, ves čas na istem mestu (točkovno uporovno varjenje, obžigalno varjenje, varjenje s trenjem ipd). Varivost je sposobnost materiala, da se ga da spajati z varjenjem. Nekatere materiale lahko varimo brez omejitev, nekatere samo pod določenimi pogoji, nekaterih pa sploh ne moremo variti. Varivost preizkušamo s testi, ki so simulacija najzahtevnejših možnih razmer med varjenjem in po njem. Varilne napake so nepravilnosti v materialu zvara, ki so nastale zaradi varjenja, pa tudi nepopolnosti zvara in njegovo odstopanja od predvidene oblike ali oblike celotnega varjenega spoja. Tako poznamo razpoke, plinske in trdne vključke, zlepe, slabo prevaritev, zajede ter slemenavost, stopničavost, ipd. Zaostale napetosti (tudi varilne napetosti) se pojavijo med izdelavo spoja z varjenjem in zmanjšujejo sposobnost varjenja in zanesljivost uporabe spojev, ki so mehansko obremenjeni, ter povzročajo oblikovno popačenje zvarjencev pri varjenju ali pri mehanski obdelavi. Zaradi nastanka zaostalih napetosti se lahko med in po varjenju v zvaru pojavijo napake, ki zmanjšajo trdnost zvarov in posredno nosilnost varjenih konstrukcij. Že obstoječe napake, predvsem fine razpoke, pa se lahko zaradi pojava zaostalih napetosti povečajo in povzročijo zlom konstrukcijske komponente ali celo porušitev konstrukcije, še preden konstrukcijo sploh pričnemo uporabljati. Testiranje zvarov zajema mehansko testiranje materiala zvarov in zvarov kot celote ter njihovih delov. Neporušitvene metode preiskave materiala omogočajo nadzor nad dejansko kakovostjo izdelanih zvarov na konstrukciji. Varjene izdelke s premalo kakovostnimi zvari zavržemo ali pa saniramo z reparaturnim varjenjem. Reparaturno varjenje je namenjeno odpravljanju napak ali poškodb na konstrucijskih ali strojnih delih z varjenjem.
11
3 ZGRADBA SNOVI V okolju, v katerem živimo 34 , so snovi v trdnem, tekočem ali plinastem agregatnem stanju. Te snovi so zgrajene iz atomov 35 različnih kemijskih elementov. V celotnem vesolju je večina snovi v obliki termične plazme in fotonov 36 .
3.1
Sile med naelektrenimi delci
Naelektrena telesa so obdana z elektrostatičnim poljem, ki je posledica obstoja električnega potenciala 37 . Če je telo točkasto, je oblika potenciala takšna: V =
1 q ⋅ 4 πεε 0 r
3 .1
V je električni potencial, q pa velikost električnega naboja 38 . Radij r je oddaljenost od točkastega telesa, med tem ko sta ε0 influenčna konstanta 39 , ε pa dielektričnost snovi v kateri se nahaja naelektreno telo 40 . Negativni gradient električnega potenciala je električna poljska jakost E 41 : v dV E=− dr Če se v električnem polju nahaja naelektren delec, nanj deluje sila: v v F = q⋅E
3 .2
3.3
F je sila, q pa velikost naboja. Zaradi delovanja sile na naelektren masni delec, se ta giblje pospešeno: v v q v F = q⋅E = m⋅a ; a= E m
3 .4
m je masa delca, a pa pospešek. Velikost pospeška je odvisna od kvocienta q/m naelektrenega masnega delca. Med naelektrenimi delci ima najmanjšo maso elektron42 . Električni naboj elektrona je negativen in po velikosti enak osnovnemu električnemu naboju e0 43 . Ostali naelektreni 34 35
zemeljska skorja, tekoče in stoječe vode, atmosfera beseda atom pomeni nedeljiv (starogrško)
36
termična plazma je iz naelektrenih delcev, fotoni so elektromagnetno valovanje, atomi pa so električno nevtralni delci 37 električni potencial je enak potencialni energiji nabitega delca na enoto električnega naboja 38 merimo ju v [V] in [As]. 39 influenčna konstanta ε0 = 8,85 10 − 12 AsV − 1m− 1 40 dielektričnost vakuuma ε = 1, dielektričnost plinov ≅ 1, dielektričnost tekočin in trdne snovi pa > 1 (pri 20°C velja za dielektričnost vode ε = 80, za dielektričnost stekla pa ε = 4−10) 41
električna poljska jakost je vektor (enota je [Vm− 1]), električni potencial pa skalar
42
masa elektrona me = 9,1 10− 31 kg
43
naboj elektrona e0 = − 1,6 10−
19
As (velikost osnovnega naboja)
12 delci se od elektrona razlikujejo po masi, lahko pa tudi po predznaku in velikosti električnega naboja. Velikost naboja naelektrenih delcev je lahko le večkratnik naboja e0. Pri pospeševanju delca z nabojem e0 od točk r1 do r2, ki sta na različnih potencialih V1 in V2, opravimo določeno delo 44 : r2
r2
r1
r1
A = ∫ Fd r = − ∫ e 0
dV dr = − e 0 ⋅ (V2 − V1 ) = + e 0 ⋅ U dr
3.5
A je delo, U pa napetost med dvema točkama v prostoru 45 . Zaradi pospešitve naelektrenega masnega delca se poveča njegova kinetična energija: Wkin =
mv 2 = A = e0 ⋅U 2
3.6
Wkin je kinetična energija delca, m njegova masa, v pa hitrost. Iz enačb 3.5 in 3.6 vidimo, da lahko opravljeno delo in kinetično energijo nabitega masnega delca izrazimo kar v enoti elektronski volt [eV] 46 Isto velja tudi za električno nevtralne delce. Za zelo majhne masne delce, kot so osnovni delci, atomi in molekule ter za fotone, ki so brezmasni delci, je enota [eV] bistveno bolj primerna kot enota [J] 47 . Enačbe 3.1 in 3.3 povedo, da med naelektrenimi telesi delujejo elektrostatične sile: F=
1 q⋅e ⋅ 2 4 πεε 0 r
3 .7
q in e sta naboja obeh naelektrenih teles, r pa je razdalja med njima. Če sta naboja teles po predznaku različna, je sila med njima privlačna, v nasprotnem pa je sila odbojna. Za približanje točkastega naboja z nabojem e iz neskončnosti na oddaljenost r do točkastega naboja q je potrebno opraviti delo A, saj ves čas med njima deluje sila: r
A = ∫ Fdr = ∞
1 q⋅e ⋅ 4πεε 0 r
3.8
Delo je enako razliki potenciala pri razdalji r v potencialnem polju naboja (enačba 3.1) in v neskončnosti 48 , pomnoženo z velikostjo drugega naboja 49 . V primeru nabojev istega predznaka je delo za približevanje pozitivno sicer pa negativno. To se odrazi na potencialni energiji obeh naelektrenih delcev. S silo, ki posledica električne poljske jakosti E (enačba 3.3), spravimo v prevodnikih vse šibko vezane nosilce električnega naboja do v povprečju enako hitrega usmerjenega gibanja. Posledica gibanja električnega naboja je električni tok 50 . 44
naboj velikosti e0 imajo poleg elektronov tudi protoni in enkrat ionizirani atomi razlika potenciala med dvema točkama v prostoru je enaka električni napetosti U (meri se v [V]) 46 Energijo 1 eV dobi elektron oziroma vsak delec z enako velikim električnim nabojem, ne glede na predznak, pri pospešavanju med dvema točkama s potencialno razliko 1 V. 47 razmerje med obema enotama za merjenje energije je ogromno (1 eV = 1,6 10− 19 J) 48 v neskončnosti velja V = 0 49 delec, ki je na višjem potencialu ima večjo energijo, podobno kot ima večjo potencialno energijo masni delec v gravitacijskem polju na večji višini 50 sila, ki je potrebna za gibanje nosilcev naboja, je sorazmerna z električno upornostjo prevodnika 45
13 Če je za prevajanje električnega toka v prevodniku na razpolago več različnih vrst nosilcev električnega naboja 51 , je električni tok zaradi njihovega gibanja takšen: v v j = ∑ ni q ei vi 3.9 i
j je gostota električnega toka, ni, qei in vi pa so volumska gostota (koncentracija) nosilcev ene vrste naboja 52 ter velikost njihovega električnega naboja 53 in srednja hitrost gibanja. Če vpeljemo pojem gibljivosti nosilcev naboja 54 , ki ga označimo z u, velja:
ui =
vi E
Gostoto toka lahko sedaj izrazimo z električno poljsko jakostjo E. r r r j = ∑ ni qei u i E = σ ⋅ E
3.10
3.11
i
σ je specifična prevodnost snovi 55 .
3.2
Atomi
Atome tvorijo protoni, nevtroni in elektroni. V vsakem atomu je električno pozitivno nabito atomsko jedro z električnim nabojem + q in električno negativno nabita elektronska ovojnica s skupnim nabojem − q. Velikost atomov je določena s konfiguracijo njihove elektronske ovojnice 56 . Atomsko jedro je zgrajeno iz dveh vrst delcev: protonov in nevtronov 57 . Njihova masa je skoraj enaka 58 . Razlikujejo se po električnem naboju. Protoni (p+) so pozitivno naelektreni delci. Velikost naboja protona je po absolutni vrednosti e0. Nevtroni (n0) so električno nevtralni delci. Število protonov in nevtronov v jedru praviloma ni enako, čeprav obstaja tudi nekaj izjem. Zaradi električnega naboja protonov + e0 in zelo majhnih razdalj med nukleoni znotraj jeder 59 delujejo med njimi izredno velike odbojne sile (enačba 3.7). Jedra ostanejo skupaj, 51
v kovinah so za prevajanje električnega toka na razpolago samo elektroni V kovinah je gostota prostih elektronov velikostnega reda gostote gradnikov kristala, saj vsak atom prispeva najmanj po en valenčni elektron, nekateri po dva, nekateri pa tudi več (gostota gradnikov kovinskih kristalov 29 3 je okoli 10 m− ). + V elektrolitih je gostota pozitivnega (ioni ) in negativnega električnega naboja (ioni−) odvisna od koncentracije kemične spojine v vodi. Tako je gostota prostih nosilcev naboja veliko manjša od 1029 m− 3. V termični plazmi (glej poglavje 3.7) je gostota pozitivnega in negativnega električnega naboja enaka (pri 25 3 popolni ioniziranosti je gostota nosilcev pri tlaku 1 bar velikostnega reda 10 m− ). V električnemu obloku (glej poglavje 7.3) je gostota delcev s pozitivnim nabojem in negativnim nabojem odvisna od stopnje ioniziranosti plina. Porazdelitev električnega naboja v prostoru, kjer je vzpostavljen oblok, ni enakomerna. Gibanja naelektrenih delcev v obloku ni mogoče opisati z enačbo 3.9 (za oblok ne velja Ohmov zakon). 53 električni naboj qe je vselej mnogokratnik osnovnega naboja e0 54 gibljivost je srednja hitrost urejenega gibanja nosilcev naboja v električnem polju z jakostjo 1 Vm − 1 55 specifična prevodnost snovi, ki jo merimo v [A/Vm], je inverzna specifični električni upornosti snovi, ki jo merimo v [Vm/A] (enačba 4.10) 56 velikostni razred velikosti atoma je nekaj 10− 10 m 52
57
protoni in nevtroni spadajo med nukleone, oziroma jedrske delce 27 masa protona in nevtrona mp ≅ mn ≅ 1,7 10− kg 14 59 jedra so približno 10 000 krat manjša od atomov, torej velikostnega reda 10− m 58
14 ker odbojne sile ne presegajo izredno močnih privlačnih sil kratkega dosega med nukleoni, takoimenovanih jedrskih sil 60 . Elektronska ovojnica atomov je izključno iz elektronov. Masa elektronov je v primerjavi z maso nukleonov zanemarljivo majhna 61 . Elektroni (e−) so negativno naelektreni delci z nabojem e0. Zaradi pozitivno naelektrenih protonov v jedru atomsko jedro negativno naelektrene elektrone privlači. Elektroni so v atomih razporejeni na posameznih oblah, ki so od jeder vse bolj oddaljene. Najbolj oddaljeni elektroni so merodajni za velikost atoma. V vsakem atomu je število elektronov enako številu protonov. Tako so atomi navzven električno nevtralne tvorbe, čeprav jih tvorijo predvsem naelektreni delci. Na sliki 3.1 sta zelo poenostavljeno prikazani zgradbi atoma argona in njegovega jedra.
18Ar
obla št. 3 2
40
+q
1
+ q = |− q|
Ra
p
+
n
0
− q = Z × e0 + q = Z |e0|
− q = (2+8+8)e0
a
b
c
a atom kemijskega elementa argon, ki ga tvorita jedro in elektronska ovojnica z 18 elektroni, razporejenimi na treh oblah; b simbolni zapis atoma; c jedro atoma z 18 protoni in 22 nevtroni
Slika 3.1: Atom in jedro argona
Kot vidimo na sliki 3.1b, kemijske elemente opišemo z njihovimi simboli ter atomsko maso (zgornji desni indeks) in zaporednim številom (spodnji levi indeks). Atomska masa je podatek o povprečnem številu jedrskih delcev, zaporedno število Z pa o številu protonov v jedru (hkrati je to tudi število elektronov v elektronski ovojnici). Število nevtronov v jedru je razlika med atomsko maso in zaporednim številom (A − Z). Zapišimo nekaj kemijskih elementov s potrebnimi podatki o njihovih atomih: 1
H1 ;
2
He 4
;
6
C12
;
18
Ar 40
;
24
Cr 52
;
26
Fe 55 ,5
;
92
U 238
To so atomi z naslednjimi simboli ter z določenim številom nukleonov: − vodik (H): 1 proton, 0 nevtronov − helij (He): 2 protona in 2 nevtrona − ogljik (C): 6 protonov in 6 nevtronov − argon (Ar): 18 protonov in 22 nevtronov − krom (Cr): 24 protonov in 28 nevtronov − železo (Fe): 26 protonov in med 29 in 30 nevtronov − uran (U): 92 protonov in 146 nevtronov 60
nevtroni imajo v jedrih vlogo nekakšne lepilne mase, ki pozitivno nabite protone zadrži v jedru, saj bi se jedro sicer razletelo 61 velja mp ≅ mn ≅ 2 000 me (masa protona in nevtrona je torej približno 2000 krat večja od mase elektrona)
15 V naravi obstajajo atomi, ki imajo v jedru enako število protonov, pa različno atomsko maso. Pomeni, da je v jedrih različno le število nevtronov. To so naravni izotopi kemijskih elementov, ki jim ustreza isto zaporedno število. Zaradi obstoja naravnih izotopov so podatki o atomski masi kemijskih elementov praviloma necela števila. Ta je odvisna od dejanskega deleža vsakega posameznega izotopa v naravi 62 . Le malo kemijskih elementov se pojavlja v eni sami obliki. Poglejmo nekaj primerov: − Vodik nastopa v naravi v treh oblikah, in sicer kot 1H1, 1H2 (devterij, ki ga označujemo tudi z D) in 1H3 (tricij, ki ga označujemo s T). Prvi ima v jedru le proton, drugi proton in nevtron, tretji pa proton in 2 nevtrona. Po atomskih masah se ti atomi razlikujejo v razmerju 1:2:3. Devterija je v naravi le 0,0145%, tricija nemerljivo malo, vse ostalo pa je vodik brez nevtronov 63 . − Uran nastopa v naravi v treh oblikah in sicer kot 92U234, kot 92U235 in 92U238. Prvi ima v jedru poleg 92 protonov še 142 nevtronov, drugi 143 nevtronov, tretji pa 146 nevtronov. V atomski masi se ti atomi razlikujejo v razmerju 234:235:238 64 . Atomov urana z maso 235 je v naravi 0,7%, z maso 234 zanemarljivo malo, vse ostalo pa je uran z maso 238. Samo uran z maso 235 je primeren za kontrolirano cepitev v jedrskih reaktorjih. − Železo v naravi nastopa celo v štirih oblikah in sicer kot 26Fe54 (5,8%), 26Fe56 (91,7%), 57 58 26Fe (2,2%) in 26Fe (0,3%). Vsi kemijski elementi so v tabeli 3.1 razvrščeni v periodičnem sistemu elementov 65 . Nekatere elemente in izotope je mogoče tudi umetno narediti (obsevanje, razpad jeder). Takšni atomi niso stabilni in sčasoma razpadejo. Pri razpadu nastane nek drug atom. Presežek energije atom odda v obliki fotona 66 . Tudi nekateri naravni izotopi razpadajo 67 .
3.3
Elektroni
Elektroni se lahko nahajajo v snoveh popolnoma prosti, šibko vezani ali pa močno vezani. V atomih so elektroni dokaj močno vezani na atomska jedra. Elektroni v atomih krožijo okoli jeder, razporejeni na oblah, ki jih označimo z zaporednimi števili: n = 1 (prva obla), n = 2 (druga obla), n = 3 (tretja obla) itd. Povprečna oddaljenost elektrona od jedra je na vsaki naslednji obli večja od tiste na prejšnji. Možno število elektronov N na posameznih oblah je omejeno: 62
Maso atomov se dejansko meri v atomskih masnih enotah [ame] (1 ame = 1,6603 10− 27 kg, kar je 1/12 12 mase atoma C ; masa protona je 1,0073 ame, masa nevtrona pa 1,0087 ame). Prav merjenje mase v [ame] je poleg naravnih izotopov še en razlog za obstoj necelih števil atomskih mas kemičnih elementov. Masa jeder je manjša od seštevka mase jedrskih delcev. Primanjkljaj mase je definiran kot masni defekt. Zaradi različno velikega masnega defekta atomov se da s cepitvijo jeder težkih atomov (fizija) in z zlivanjem jeder lahkih atomov (fuzija) dobiti energijo, ki jo koristimo za delovanje bomb in za pridobivanje električne energije. 63 vodik ima maso 1,00783 ame 64 na osnovi različne molekularne mase uranovega fluorida UF6 se da naravni uran bogatiti s komponento U235 (npr s centrifugalno separacijo ali difuzijsko) 65 Osnove periodičnega sistema elementov je postavil ruski znanstvenik Mendeljejev (leta 1869), na osnovi takrat 60 poznanih kemijskih elementov. Razvrstil jih je v skupine na osnovi periodičnega spreminjanja njihovih kemičnih in fizikalnih lastnosti z naraščajočo atomsko maso. 66 to imenujemo umetna radioaktivnost 67 to imenujemo naravna radioaktivnost
22,898
24,312
Be
4
Li
85,47
K
87,62
38
137,34
Sr
20
Ca
40,08
Ra
Fr
88
226,03
223,02
56
Aktinidi:
Lantanidi:
87
55
Cs Ba
132,905
37
Rb
19
39,102
12
Na Mg
11
3
9,0122
44,956
Al
Y
88,905
89
57
Ac
227,03
La
138,91
89-103
Aktinidi
57-71
Lantanidi
39
21
Sc
13
26,982
140,12
Th
232,04
Ce
72
90
178,49
Hf
40
58
91,22
Ti
Zr
22
47,9
92,906
V
54.381
91
231,04
Pr
140,91
Pa
73
59
180,95
Ta
41
24 95,94
92
144,24
W
183,85
U
238,03
Nd
74
42
60
55,47
25 98,906
186,2
144,91
93
61
Np
237,05
Pm
75
27
Co
58,332
VIII.
28 106,4
Ni
58,71
65,37
44 190,2
150,35
94
62
Pu
239,05
Sm
76
152
243
Eu
Ir
192,2
95
Am
63
77
45
157,25
Pt
195,09
247,07
96
Cm
64
Gd
78
46
69,72
B
14
6
72,59
Si
28,086
C
12,011
15
7
74,922
P
30,974
N
14,007
29 107,87
30 112,4
196,7
48 200,59
97
65 249,08
Tb
158,92
Bk
79
98
66
162,5
Cf
249,08
Dy
80
Au Hg
47
99
67
164,93
Tl
204,37
In
114,82
Es
252,08
Ho
81
49
31 118,69
33 121,75
207,19
253,09
Er
167,26
100
Fm
68
82
Pb
50
168,93
Bi
208,98
256,1
101
Md
69
Tm
83
51
Sn Sb
32
Cu Zn Ga Ge As
63,54
5
10,811
78,96
S
32,064
O
127,6
209,98
173,04
No
254,1
Yb
102
70
84
Po
52
Te
34
Se
16
8
15,999
209,99
J
126,9
257,1
Lu
174,97
103
Lw
85
At
53
35
71
79,909
Cl
35.453
F
18,998
H
Br
17
9
1
1,008
86
54
36
18
10
2
Rn
222,02
Xe
131,3
Kr
83,8
Ar
39,948
Ne
20,183
He
4,0026
I.b II.b III.b IV.b V.b VI.b VII.b VIII.b
Ru Rh Pd Ag Cd
101,07 102,905
Re Os
43
26
Cr Mn Fe
51,996
Nb Mo Tc
23
50,42
II.a III.a IV.a V.a VI.a VII.a
6,939
I.a
16
Tabela 3.1: Periodični sistem elementov
17 N = 2n 2
3.12
Na prvi obli lahko krožita le 2 elektrona, na drugi 8, na tretji 18 itd. Že tretjo elektronsko oblo tvori več podobel, za katere veljajo podobna pravila polnjenja z elektroni kot za osnovne oble. Zato je razporeditev elektronov na višjih oblah bolj zapletena. Zaradi različnega električnega naboja se jedro in elektroni privlačijo. Zaradi negativne vezavne energije elektronov so atomi stabilne torbe 68 . Elektrostatično polje jedra z nabojem + q, ki je vzrok za privlačno silo na elektrone v elektronski ovojnici, z razdaljo pojema, vendar hitreje kot v enačbi 3.1. Manjši vezavni energiji elektronov na vsaki naslednji obli pa ni vzrok le večja razdalja od jedra, ampak tudi vpliv negativnega električnega naboja elektronov, ki so na nižjih oblah. Povprečna oddaljenost elektrona od jedra (radij stacionarnega tira), je odvisna od tega, na kateri elektronski obli se elektron nahaja:
rn =
ε0h 2n2 π mee0
2
3.13
rn je stacionarni radij tira, h pa Planckova konstanta 69 Vrtilna količina, ki jo ima elektron pri kroženju okoli jedra, je po Bohrovem pogoju cel mnogokratnik osnovne vrtilne količine velikosti h/2π. Raven vezavne energije elektrona W je odvisna od radija stacionarnega tira elektrona: W =−
meeo
4
2
8ε 0 h 2 n 2
3.14
Elektroni na višjih oblah imajo vezavno energijo manj negativno kot elektroni na nižjih. Prav zaradi tega se v atomih elektronske oble zapolnijo z elektroni od najnižje navzgor. Z vsakim dodatnim elektronom, ki ga na določeni obli dovoljuje enačba 3.12, je energija elektronov bolj negativna. Zato je na določeni obli energija vezanega elektrona tem višja, čim več je na njej elektronov. Z elektroni se najprej napolni prva obla: − V vodikovem atomu je le en elektron, zato prve elektronske oble nima zapolnjene 70 . − Helij, ki ima v elektronski ovojnici dva elektrona, ima prvo oblo polno. − Litij, ki ima tri elektrone, ima zapolnjeno prvo oblo (dva elektrona) in nezapolnjeno drugo 71 . Zunanji elektron pri litiju, ki je na drugi obli, je manj močno vezan na jedro, kot elektron pri vodiku, ki je na prvi obli (enačba 3.14 za n = 1 in n = 2). − Podobno velja za natrij, kjer ima en elektron na tretji obli (n = 3) nižjo energijo kot en elektron na drugi pri litiju (n = 2). Atomi so pri normalnih pogojih stabilne tvorbe. Če je v okolju, kjer se nahajajo atomi, na razpolago dovolj energije v obliki kinetične energije delcev ali pa energije fotonov, je
68
delo za približanje elektrona jedru je zaradi različnih električnih nabojev negativno 34 Planckova konstanta h = 6,6 10− kg m2 s−1 70 na prvi obli sta možna dva elektrona 71 na drugi obli je možnih osem elektronov 69
18 mogoče elektrone spraviti na višjo oblo 72 ali pa jih od atomov celo odtrgati in oddaljiti 73 . Najlažje je prestaviti ali odtrgati tiste elektrone v elektronski ovojnici, ki so najšibkeje vezani. Ti se nahajajo na najbolj oddaljenih elektronskih oblah. Vzburjenje atoma je dvig elektrona na višjo oblo 74 . Vzburjeni atomi imajo zvečano energijo in težijo k njenemu zmanjšanju z izsevanjem fotonov, katerih energija je enaka razliki energije elektrona na obeh oblah 75 . Ionizacija je odstranitev zunanjega elektrona od atoma 76 . Zaradi primanjkljaja elektronov v elektronski ovojnici postane poprej nevtralni delec (atom) pozitivno naelektren delec (ion+) oziroma kation (npr He+, N+, Fe+ itd). Pozitivni naboj iona je posledica večjega števila protonov v jedru od števila elektronov v elektronski ovojnici. Naboj enkrat pozitivnih ionov ima velikost osnovnega naboja e0, le da je po predznaku nasproten naboju elektrona. Zaradi tega med ioni in elektroni delujejo privlačne sile. Od atoma odtrgan in oddaljen elektron je prost, tako da je posledica enkratne ionizacije par naelektrenih delcev (ion+ in e−). Pri večkratni ionizaciji nastane en pozitivno bolj naelektren delec (npr ion++ z nabojem +2e0 ali ion+++ z nabojem +3e0, itd) in temu ustrezno več prostih elektronov. Pod določenimi pogoji se prosti elektron lahko ujame v elektronsko ovojnico nevtralnega atoma. Na ta način nastane ion z negativnim električnim nabojem (ion−) oziroma anion, katerega naboj je enak ali celo večkratnik osnovnega električnega naboja (−e0, −2e0, −3e0, ...). Vezavna energija elektronov na najbolj oddaljeni obli je nižja od vezavne energije ostalih elektronov, ki so na nižjih oblah. Ker je vezavna energija elektrona tem višja, čim več je na obli elektronov, je atome kemijskih elementov z enim elektronom na zunanji obli lažje ionizirati, kot atome kemijskih elementov z dvema elektronom na zunanji obli, ki so po atomski masi naslednji v periodičnem sistemu elementov. Še težje pa je ionizirati atome kemijskih elementov s tremi elektroni na zunanji obli itd. Tako je najlažje ionizirati elemente z enim samim elektronom na zunanji obli, najtežje pa elemente s povsem zaponjeno zunanjo oblo ali podoblo 77 . Masa ionov je enaka masi atomov, iz katerih so nastali. Maso manjkajočih elektronov lahko namreč zanemarimo. Velikosti ionov in izhodnih atomov pa se lahko bistveno razlikujejo 78 . Na sliki 3.2 je prikazana potrebna količina energije za ionizacijo nekaterih kemijskih elementov z začetka periodičnega sistema. − Najvišjo ionizacijsko energijo od vseh elementov ima helij, žlahtni plin z zapolnjeno prvo oblo. Njemu sledi neon, žlahtni plin z zapolnjeno drugo oblo, temu pa argon, žlahtni plin z zapolnjeno prvo podoblo tretje oble, itd. 72
na atomu je treba opraviti delo, ki je najmanj tolikšno, kot je razlika vezavne energije elektrona na nižji in višji obli 73 na atomu je treba opraviti delo, ki je najmanj tolikšno, kot je vezavna energija elektrona 74 vzburjenje ali ekscitacija atoma (pri tem niti ni nujno da gre za elektron z zadnje oble) 75 pojav vzburjanja atomov je pomemben za nastanek laserskega žarka, katerega valovna dolžina je odvisna prav od ekscitacijske energije 76 pojav ionizacije je pomemben za možnost obločnega varjenja 77 kemijske elemente z enim elektronom na zunanji obli imenujemo alkalni elementi, tiste z dvema elektronoma na zunanji obli zemljoalkalni, kemične elemente z zapolnjeno oblo pa inertni ali žlahtni plini (vsi ti kemijski elementi so pomembni za varjenje) 78 če so odstranjeni prav vsi elektroni z zunanje oble se radij atoma zmanjša, saj prav ti elektroni določajo premer atomov
19 − Litij ima bistveno nižjo ionizacijsko energijo od svojega predhodnika v periodičnem sistemu elementov helija (na 2. obli se nahaja en sam elektron). Natrij ima še nižjo ionizacijsko energijo od litija (en elektron se nahaja na 3. obli), še nižjo ionizacijsko energijo od te pa ima kalij. Berilij ima nekoliko višjo ionizacijsko energijo od litija (na 2. obli se nahajata že dva elektrona), magnezij pa tudi nekoliko višjo od natrija (dva elektrona se nahajata na 3. obli), itd. 24,6
Ei [eV]
21,6 17,4 13,6 9,3 8,3
13
11,3 7,6
5,4
H
15,8
14,5 13,6
He
Li
Be
Be
C
N
O
F
5,1
6
Ne Na Mg
Al
8,2
10,5 10,4 4,3
Si
P
S
Cl
Ar
K
6,1
Ca
Kemični element
Slika 3.2: Ionizacijska energija kemijskih elementov od vodika do kalcija
Pri združitvi pozitivnega iona in elektrona nastane električno nevtralni atom. Pri tem se sprosti enaka količina energije, kot je bila potrebna za ionizacijo atoma 79 .
3.4
Vezi med atomi
Z redkimi izjemami se atomi enakih ali različnih kemijskih elementov združujejo in na osnovi znižanja skupne energije gradijo molekule in druge kompleksne tvorbe 80 . Tvorijo jih po najmanj dva atoma, pogosto tudi več atomov. Masa molekule M je seštevek atomskih mas atomov, iz katerih je molekula. Zmožnost medsebojnega kemičnega vezanja elementov je odvisna od tega, koliko elektronov imajo atomi na zunanji elektronski obli 81 . V periodičnem sistemu elementov v tabeli 3.1 so vsi elementi razporejeni v 8 skupin. V posamezne skupine so uvrščeni kemijski elementi, ki so sorodni po lastnostih. Zato tvorijo podobne spojine. Atomi iste skupine imajo na zadnji obli enako število elektronov ali pa jim za zapolnitev zadnje oble ali podoble manjka enako število elektronov: − Elementi I skupine litij − Li, natrij − Na … so enovalentni. To so alkalni kemični elementi. Na zunanji obli/podobli imajo en sam elektron, litij na drugi obli (na prvi obli ima dva elektrona), natrij pa na tretji obli (na prvi obli ima dva na drugi pa osem elektronov). − Elementi II skupine berilij − Be, magnezij − Mg … so dvovalentni z dvema elektronoma na zunanji obli/podobli To so zemljoalkalni kemični elementi. − Elementi VI skupine kisik − O, žveplo − S, … so dvovalentni. Na zunanji obli/podobli jim do zapolnitve oble manjkata dva elektrona.
79
to imenujemo rekombinacija (ionizacija je torej reverzibilni pojav) pri tem so izjema žlahtni plini, ki v normalnih razmerah ne tvorijo kemičnih spojin 81 takšnim elektronom pravimo valenčni elektroni 80
20 − Elementi VII skupine vodik − H, fluor − F, klor − Cl ... so enovalentni. Na zunanji obli/podobli imajo primanjkljaj enega elektrona. − Elementi VIII skupine helij − He, neon − Ne, argon − Ar, ... praviloma ne morejo tvoriti molekul, ker nimajo nezapolnjenih mest na zunanji obli/podobli. To so žlahtni plini, ki jih zaradi kemične neaktivnosti imenujemo tudi inertni (neaktivni) plini. Na osnovi tega, na kak način se s tvorbo kompleksnejših atomskih tvorb in molekul zmanša energija vključenih atomov, razlikujemo med ionsko, kovalentno, kovinsko in Van der Waalsova vezjo. 3.4.1
Ionska vez
Nastanek ionske vezi je na sliki 3.3 prikazan na primeru vezave med atomoma litija (Li) in fluora (F) v molekulo LiF. Prikazani sta zunanji obli obeh atomov. Fluor pritegne na svojo zunanjo oblo, ki ji do zapolnjenosti manjka en elektron, zunanji litijev elektron (valenčni elektron). Ta je sorazmerno slabo vezan na atomsko jedro litija, saj je na drugi obli sam. Tako nastaneta pozitivno naelektren litijev ion Li+, in negativno naelektren fluorov ion F−. Med ioni z nasprotnimi električnimi naboji deluje privlačna sila (enačba 3.7). Rezultat sile F je kemična vez, ki ustvari molekulo LiF (litijev fluorid). e−
e−
e−
e−
e−
e−
Li-atom
+e
F
−e
e− e
−
F-atom
LiF-molekula
Slika 3.3: Nastanek ionske vezi
Podobne spojine kot LiF so LiCl (litijev klorid), LiBr (bromid), LiJ (jodid) ter tudi npr NaCl (natrijev klorid − kuhinjska sol), KCl itd. Elementi iz iste skupine periodičnega sistema tvorijo podobne kemične spojine. Ionska vez je vzrok za nastanek ionskih kristalov, saj delujejo privlačne sile med vsemi ioni z različnim električnim nabojem 82 . Ionske vezi niso posebno trdne, saj se elektronske ovojnice atomov ne prekrivajo. Ioni se ločijo že pri topljenju kristalov v vodi. Na tak način nastanejo elektroliti 83 . 3.4.2
Kovalentna vez
Nastanek kovalentne vezi je na sliki 3.4 prikazan na primeru vezave dveh atomov kisika (O) v molekulo kisika O2. Atom kisika ima na zunanji obli 6 elektronov. Da bi bila obla zapolnjena, manjkata dva elektrona. V molekuli O2 si dva atoma zmanjšata energijo z delitvijo dveh elektronov. Tako imata oba atoma zapolnjeno zunanjo oblo. Elektrona sta zaradi nastale privlačne sile F vzrok za kemično vez. Podobno nastanejo tudi molekule H2, N2, F2, CO2, CH4 itd. 82
v kristalu kuhinjske soli – NaCl ima vsak natrijev ion za sosede 6 klorovih ionov, vsak klorov ion pa 6 natrijevih ionov 83 elektroliti vsebujejo proste pozitivne in negativne ione, zato so električno prevodne snovi
21 e−
e− F
e−
O-atom
e−
O-atom
O2-molekula
Slika 3.4: Nastanek kovalentne vezi
Kovalentne vezi so zelo trdne kemične vezi, saj se atomom elektronske ovojnice deloma prekrivajo. 3.4.3
Kovinska vez
Na sliki 3.5 je prikazan nastanek kovinske vezi med več atomi nekega kemijskega elementa, ki spada med kovine.
Slika 3.5: Nastanek kovinske vezi
V tej veliki in številčni atomski tvorbi si množica vseh atomov deli vse valenčne elektrone. To je zaradi določenega števila elektronov na zunanji obli mogoče le pri kovinah. Valenčni elektroni so znotraj nastalega kristala šibko vezani 84 . Zaradi velikega števila pozitivno naelektrenih ionov nastane v kovini potencialna jama, v kateri se nahajajo vsi valenčni elektroni 85 . Delo, ki ga je treba opraviti, da elektron lahko odstranimo iz kovine, je izstopno delo. Če imajo elektroni kinetično energijo večjo od izstopnega dela ali pa jim na površini kovine energijo predajo fotoni, ki imajo tako veliko energijo, oziroma če na elektrone v kovini deluje zelo močno električno polje, je mogoče elektrone od kovine ločiti 86 . Negativni električni potencial vseh elektronov v kovini pa drži skupaj pozitivno naelektrene ione. Da bi bila njihova skupna energija čim nižja, se ioni v prostoru enakomerno razporedijo. Takšna atomska tvorba je periodično ponovljiva, kar je značilno za vse kristale. 84
zato so kovine dobri električni prevodniki ta potencial je velik nekaj eV (zato lahko elektrone v kovinah upravičeno obravnavamo kot "elektronski plin") 86 Izstopno delo je neke vrste upornost za električni tok iz kovine. Povprečna kinetična energija elektronov v kovini je odvisna od temperature kovine. Oboje je velikega pomena pri TIG varjenju, kjer potrebujemo veliko gostoto električnega toka (to omogoča visoka temperatura elektrode), ne da bi se pri tem elektroda talila. 85
22 Kovinska vez je v nekem smislu podobna tako kovalentni kot tudi ionski vezi. Kot pri kovalentni vezi si atomi valenčne elektrone delijo, obenem pa se negativno naelektreni elektroni in nastali pozitivni naelektreni ioni privlačijo. Kovinske vezi so navadno zelo trdne, saj se del elektronskih ovojnic atomov popolnoma prekriva 87 . 3.4.4
Van der Waalsova vez
Nastanek Van der Waalsove vezi je posledica električno dipolnih lastnosti nekaterih molekul. Poznamo celo vrsto dipolnih molekul 88 . V dipolnih molekulah središči pozitivnega in negativnega električnega naboja ne sovpadata: − Tipični primer dipolne molekule je voda, ki nastane s kovalentno vezavo atomov kisika in dveh atomov vodika. Posledica ekscentričnosti položaja atoma kisika, ki je zaradi skupne rabe elektronov dveh atomov vodika negativno naelektren, in obeh atomov vodika, ki sta iz istega razloga pozitivno naelektrena, je polarizacija električnega naboja in nastanek električnega dipola (slika 3.6a). − Zaradi simetrične razporeditve obeh atomov kisika na atom ogljika pa molekula ogljikovega dioksida ni dipolna (slika 3.6b) 89 . C-atom
H-atoma O-atom O-atom
O-atom
a
b
b
a molekula vode; b molekula ogljikovega dioksida
Slika 3.6 Zgradba molekule vode in molekule ogljikovega dioksida
Van der Waalsove vezi so najmanj trdne kemične vezi od vseh obravnavanih vezi. Z dovolj veliko kinetično energijo delcev ali z energijo elektromagnetnega valovanja (fotonov) je mogoče prav vsako molekulo razbiti na osnovne sestavine − atome (npr H2 → 2H) ali na atome in skupine atomov (npr CO2 → CO + O). To je proces disociacije, ki je nasprotje kemičnemu spajanju ali asociaciji. Za disociacijo je potrebno dovesti energijo, ki je enaka energiji, ki se je pri nastanku molekule sprostila 90 .
87
trdnost kovinske vezi je osnova za veliko tehnično uporabnost kovin dipolnost molekul je posebno pomembna za tvorbo polimerov, danes tudi v tehniki že zelo uporabnih materialov 89 Prav zaradi dipolnosti je voda pri sobni temperaturi kapljevina, ogljikov dioksid pa plin. Tudi nekatere druge nenavadne lastnosti vode so posledica dipolnosti molekule vode. 90 velikostni razred energije za disociacijo molekul je nekaj eV − za disociacijo dušikove molekule N2 je potrebno skoraj 10 eV, zato je ni lahko disociirati − za disociacijo molekule srebrovega bromida AgBr je potrebno le 1,4 eV (na tako majhni energiji za disociacijo temelji princip klasične fotografije, ki so jo izumili že sredi 19. stoletja, pri čemer je imel pomembno vlogo tudi Slovenec Janez Puhar) 88
23
3.5
Kemične reakcije
Molekule nastajajo s kemičnimi reakcijami. Sposobnost, da se določeni kemijski element spaja z drugim, imenujemo afiniteta do tega elementa 91 . Količina snovi, ki lahko medsebojno reagira, oziroma število molekul in atomov, ki sodeluje v reakciji, mora biti v pravem razmerju. Poleg atomske mase A in molekulske mase M sta pomembna pojma še masa kilomola snovi in število kilomolov snovi v reakciji. Kemična reakcija zgorevanja vodika: 2H 2 + O 2 → 2H 2 O + Q
3.15
Potrebno je dva krat večje število molekul vodika kot kisika, kar se enostavno izrazi z enoto [kmol] 92 . Pri tej reakciji se sprosti tudi nekaj energije v obliki toplote Q, saj gre za eksotermično kemično reakcijo 93 . Količina sproščene energije je značilna prav za to kemično reakcijo. Zmeraj velja: − En kilomol snovi ima določeno število molekul in sicer N0 94 in tolikšno maso kot je molekulska masa snovi M izraženo v enoti [kg] 95 . − En kilomol plina ima pri normalnih pogojih zmeraj enak volumen in sicer V0 96 . Na osnovi teh podatkov zlahka določimo gostoto plina in maso ene molekule 97 . Na osnovi števila atomov v molekuli je iz mase molekule določljiva tudi masa atomov v dvo ali večatomnih plinih, ki jih tvori ena sama vrsta atomov (H2, O2, N2, O3, ...) 98 . Poglejmo nekaj značilnih kemičnih reakcij: − Zgorevanje propana (C3H8) in acetilena (C2H2) 99 : C 3 H 8 + 5O 2 → 3CO 2 + 4H 2 O + Q1 ; 2C 2 H 2 + 5O 2 → 4CO 2 + 2H 2 O + Q 2
3.16
V prvi reakciji je več molekul kisika kot propana (razmerje 5:1). V drugi reakciji je več molekul kisika kot acetilena (razmerje 2,5:1). Količina sproščene energija v obeh reakcijah je seveda različna. Pri zgorevanju 1 kilomola propana s 5 kilomoli kisika nastanejo 3 kilomoli ogljikovega dioksida in 4 kilomoli vode. Pri zgorevanju 2 kilomolov acetilena s 5 kilomoli kisika nastanejo 4 kilomoli ogljikovega dioksida in 2 kilomola vode.
91
afiniteta je sposobnost dveh kemičnih elementov, da se združita oziroma tvorita spojino reakcija pri zgorevanju vodika teče med 2 kilomoloma vodika in 1 kilomolom kisika (številke 1 ne pišemo), nastaneta pa 2 kilomola vodne pare (lahko zgori tudi 1 kilomol vodika in ½ kilomola kisika, nastane pa 1 kilomol vodne pare ipd). 93 nasprotje od eksotermičnih kemičnih reakcij so endotermične reakcije, pri katerih se energija porablja 94 Avogadrovo število N0 = 6×1026 molekul/kilomol snovi 95 1 kmol vodika ima maso 2 kg, 1 kmol kisika 32 kg, 1 kmol vode pa 18 kg 96 V0 je volumen enega kilomola vsake plinaste snovi pri tlaku 1 bar in temperaturi 0°C: V0 = 22,4 m3/kmol 97 Gostota plinov je razmerje med maso in volumnom 1 kilomola snovi. Masa ene molekule je razmerje med maso 1 kilomola snovi in številom molekul v enem kilomolu 98 Gostota plinastega vodika pri normalnih pogojih ρ = 2 kg/22,4 m3=0,09 kg m−3. Masa vodikove molekule mH2 = 2 kg/6×1026 = 3,3 × 10− 27 kg . Masa vodikovega atoma je polovica mase vodikove molekule 1 1 27 27 mH = /2 mH2 = /2 × 3,3 × 10− kg = 1,7 × 10− kg 99 oba plina se lahko uporabi za varjenje, tako kot vodik 92
24 − Reakcija solne kisline (HCl) in natrijevega hidroksida (NaOH) pri takoimenovani nevtralizaciji: HCl + NaOH → NaCl + H 2 O
3.17
Reagentov in produktov reakcije je enako. Tvori se v vodi raztopljena kuhinjska sol. − Redukcija 100 železovega oksida (Fe2O3) z ogljikovim monoksidom (CO) v zvarni kopeli: Fe 2 O 3 + 3CO → 2Fe + 3CO 2
3.18
Na eno molekulo oksida so potrebne tri molekule ogljikovega monoksida. Rezultat reakcije sta dva atoma železa in tri molekule ogljikovega dioksida (CO2). − Izločanje dušika (N) iz prenasičene raztopine α-ferita: N + 4Fe → Fe 4 N
3.19
Iz enega atoma dušika in štirih železa nastane ena molekula železovega nitrida (Fe4N). Za snovi v plinastem agregatnem stanju, ki niso močno komprimirane, uporabljamo plinsko enačbo 101 :
pV = nRT
;
n=
m M
3.20
kjer je p tlak, V volumen, T temperatura, n pa število kilomolov. R je plinska konstanta 102 . Z preureditvijo te enačbe se da določiti volumen enega kilomola snovi V0 in gostoto plina ρ z znano molekulsko zgradbo pri poljubni temperaturi T in tlaku p: V0 =
3.6
RT0 p0
;
ρ=
m pM = V RT
3.21
Notranja energija snovi
Notranja energija snovi je odvisna od njenega stanja 103 . Stanje snovi se spremeni vsakokrat, ko ji dovedemo toploto ali pa na njej opravimo delo, naj si bo mehansko ali električno 104 . Snovi se med seboj razlikujejo po temperaturi in njihovem agregatnem stanju. Masni delci, iz katerih so zgrajene snovi, so atomi, molekule in ioni. Pri temperaturi nad absolutno ničlo so ti delci v stalnem gibanju 105 . Pline tvorijo prosto gibljivi delci, ki se neprestano translatorno gibljejo v vse tri smeri. Njihova povprečna hitrost je v vseh smereh enaka. Smer njihovega translatornega gibanja 100
redukcija je vezava kisika iz neke molekule na drug kemijski element ali spojino (tako se iz rud, ki so oksidi kovin, pridobiva kovine) 101 plinska enačba velja za idealni plin (pline, ki niso močno komprimirani, se lahko obravnava kot približek idealnega plina) 102 plinska konstanta R = 8,3 kJ kmol− 1 K− 1 103
Celotna energija vsakega telesa je enaka vsoti kinetične, potencialne in notranje energije. Zato je energija snovi, ki jo tvorijo delci, enaka vsoti vseh teh oblik energije vseh delcev, ki tvorijo snov. 104 npr napenjanje vzmeti, prevajanje električnega toka 105 To gibanje imenujemo termično gibanje. Termično gibanje se ustavi pri temperaturi nič oziroma 0K. (temperatura 0K ≅ – 273°C)
25 se spremeni ob vsakem trku z drugim delcem ali ob trku s steno. Ker so ti trki elastični, se celotna energija gibanja ohranja. Delci si s trki energijo le izmenjujejo 106 . Tlak plina je posledica elastičnih trkov delcev plina ob steno posode: 1 p = nmv 2 3
3.22
p je tlak, n volumska gostota delcev, m masa delcev, v 2 pa povprečni kvadrat hitrosti translatornega gibanja delcev. Enačbo 3.22 dobimo iz plinske enačbe 3.20, če predpostavimo, da je temperatura plina konstantna 107 . Ob trkih se smer translatornega gibanja delcev plina spremeni. Povprečna prosta pot med trki je razdalja med dvema zaporednima trkoma. Pri homogenemu plinu 108 je povprečna prosta pot takšna: 1 l = 3.23 2 nπd 2 l je povprečna prosta pot, n volumska gostota delcev plina, d pa premer delcev 109 . Če je znana masa in povprečni kvadrat hitrosti gibanja delcev, se notranjo energijo plina, ki vsebuje N delcev, izrazi kot vsoto kinetične energije posameznih delcev: Wn = N × W kin
mv 2 = N× 2
3.24
Wn je celotna notranja energija snovi, N je število delcev, Wkin je povprečna kinetična energija, m pa masa delcev.
Če v 2 izrazimo iz enačbe 3.22 ter uporabimo še plinsko enačbo (enačba 3.20), vidimo, da je notranja energija plina dejansko odvisna od njegove temperature: Wn =
3 nRT 2
3.25
n število kilomolov, T pa absolutna temperatura plina.
Izrazimo povprečno kinetično energijo delca v plinu: W kin =
m v 2 W n 3 RT 3 = = = kT 2 N0 2 N0 2
3.26
k je Boltzmannova konstanta 110 . Povprečna kinetična energija delcev plina je odvisna samo od temperature in ne od tlaka, volumna ali vrste molekul in atomov oziroma delcev 111 . Ker gre za tri prostostne stopnje translatornega gibanja, odpade na vsako prostostno stopnjo tretjina te vrednosti.
106
to gibanje, ki je poznano kot Brownovo gibanje, je pod mikroskopom mogoče opazovati kot kaotično gibanje majhnih trdnih delcev v tekočini ali plinu 107 to je Boylov zakon pV = konst (n na desni strani enačbe 3.20 je število delcev plina v volumnu V) 108 homogeni plin tvori ena vrsta delcev, heterogenega pa več vrst delcev oziroma plinov 109 pri normalnem tlaku je povprečna prosta pot v zraku velikostnega reda 0,1 μm, pri tlaku 10−7 bar pa že 1 m 110 111
Boltzmannova konstanta k = 1,38 10− 23 JK− 1 tolikšno kinetično energijo imajo tudi elektroni v kovini, zato jih obravnavamo kot elektronski plin
26 Definirajmo toplotno kapaciteto poljubnega enoatomnega plina. Kadar se plinu dovaja toploto pri konstantnem volumnu, plin ne opravlja dela na okolici 112 . Vsa dovedena toplota se porabi za povečanje notranje energije plina. Ker je notranja energija vsota kinetične energije vseh delcev plina, je sprememba notranje energije odvisna od spremembe temperature plina dWn =
3 nRdT = nc v dT 2
3.27
dWn je sprememba notranje energije plina pri spremembi temperature za dT. cv = 3/2 R oziroma specifična toplota plina pri stalnem volumnu 113 . Za enoatomne pline zmeraj velja cv ≅ 3/2 R, pri dvoatomnih in večatomnih plinih pa so se odstopanja od te vrednosti pokazala zelo velika. K njihovi notranji energiji torej ne prispeva samo translatorno gibanje gradnikov, ampak tudi rotacijsko in vibracijsko gibanje 114 . Izkaže se, da je pri dvoatomnih molekulah, ko je delež vibracijske energije pri nizkih temperaturah še zanemarljiv, cv ≅ 5/2 R. Pri kristalnih trdnih snoveh, kjer rotacija ni možna, je cv ≅ 6/2 R oziroma 3R. Vsi delci homogenega plina115 nimajo iste kinetične energije (z enačbo 3.26 smo izrazili vrednost povprečne energije delcev). Zato se pri določeni temperaturi eni delci v plinu gibljejo z večjo, eni pa z manjšo hitrostjo. Vseh delcev je N. Relativno število delcev v določenem hitrostnem razredu je 3
2
⎛ m ⎞ 2 − 2mvkT 2 dN ⎟⎟ ⋅ e = 4π ⋅ ⎜⎜ v dv N ⎝ 2π kT ⎠
3.28
dN/N je relativno število delcev v hitrostnem pasu dv, m je masa delcev, T pa temperatura 116 . argon
argon
T=6000°C
dN/N
T=20°C
T=3000°C
helij T=6000°C
0
1000
2000
v [ms-1]
a
3000
4000
0
2500
5000
7500
10000
12500
-1
v [ms ]
b
a spektri hitrosti atomov Ar pri 20, 3000 in 6000°C; b spektra hitrosti atomov Ar in He pri 6000°C; (na obeh slikah je merilo na ordinati prirejeno velikosti spektrov)
Slika 3.7: Hitrostna porazdelitev delcev v plinih
112
delo p ΔV = 0 zaradi dela, ki ga plin opravi na okolici med segrevanjem pri konstantnem tlaku, je specifična toplota iste snovi pri stalnem tlaku cp (enačba 4.4) nekaj večja 114 pri rotaciji in vibraciji je termično gibanje delcev možno okrog skupnega težišča 115 v homogenem plinu je samo ena vrsta delcev (enokomponentni plin) 116 Ta hitrostna porazdelitev je Maxwellova porazdelitev 113
27 Z zapisom v enačbi 3.28 popišemo spekter hitrosti delcev, ki tvorijo plin. Na sliki 3.7a so pri treh različnih temperaturah prikazani spektri hitrosti za plin argon. Izračunamo lahko tudi povprečno hitrost delcev plina (uporabimo enačbo 3.28): ∞
v= ∫
0
dN kT v ⋅ dv ≅ 1,6 ⋅ N m
3.29
Pri določeni temperaturi je povprečna hitrost delcev odvisna torej le od njihove mase 117 . Na sliki 3.7b sta prikazana spektra hitrosti atomov argona in več kot 10 krat lažjega helija pri temperaturi 6000°C 118 . Povprečna hitrost atomov He je pri isti temperaturi zaradi manjše mase več kot tri krat večja od hitrosti atomov Ar. Ko temperatura raste, se večanje notranje energije odraža na termičnem gibanju gradnikov snovi 119 . Na translatornem in vibracijskem gibanju gradnikov snovi temeljijo nekatere pomembne makroskopske lastnosti, kot npr toplotno raztezanje snovi, prevajanje toplote skozi snov, difuzija, viskoznost, sedimentacija, tvorba trdnih raztopin idr: − Toplotna prevodnost plina je pri določeni gostoti odvisna od povprečne hitrosti gibanja delcev in od povprečne proste poti: 1 λ = ρc v v l 3
3.30
λ je koeficient toplotne prevodnosti plina, ρ gostota, cv pa specifična toplota. v in l sta povprečna hitrost delcev in povprečna prosta pot. − Tudi viskoznost in difuzijski koeficient sta odvisna od hitrosti gibanja delcev in od povprečne proste poti 120 : 1 η = ρv l 3
;
1 D= vl 3
3.31
η je viskoznost, D pa difuzijski koeficient − Zmožnost termične emisije elektronov s površine močno segretih kovin je neposredno povezana s kinetično energijo elektronov v kovini. "Vroči" elektroni lahko izstopijo iz kovine le, če je njihova kinetična energija zaradi gibanja proti površini dovolj velika, da premagajo izstopno delo. 2
mevz ≥ Ai 2
3.32
vz je komponenta hitrosti gibanja elektronov pravokotno na površino kovine, Ai pa je velikost izstopnega dela 121 .
117
Pri sobni temperaturi imajo molekule N2 povprečno hitrost nekaj več kot 400 m/s, molekule H2 pa skoraj 4 krat več. Razmerje povprečnih hitrosti pri isti temperaturi je odvisno od razmerja molekularnih mas, ki je 2:28 (1:14). 118 oba plina uporabljamo pri obločnem varjenju 119 pri kristalnih snoveh se veča amplituda nihanja gradnikov okoli mirovne lege 120 večja kot je hitrost, dalje pride informacija o energiji delca, ki jo je imel pred zadnjim trkom 121 Za emisijo elektrona iz kovine je potrebno nekaj eV, zato izstopijo samo elektroni, ki imajo dokaj veliko kinetično energijo. Višja kot je temperatura kovine, večja je kinetična energija in hitrost elektronov (pri višji temperaturi je delež elektronov z energijo, ki je večja od izstopnega dela, ustrezno večji).
28 V heterogenih plinih 122 si delci istih in različnih plinov z elastičnimi trki izmenjujejo kinetično energijo. Temperatura vseh komponent plina je zato enaka 123 . Vsaka plinska komponenta ima določen parcialni tlak (enačba 3.22) 124 . Parcialni tlak je odvisen od skupnega števila delcev komponente plina proti številu delcev vseh komponent plina 125 . Skupen tlak heterogenega plina je tako: p = ∑ pi
3.33
i
p je celotni tlak, pi pa parcialni tlak plinske komponente. Ker mase delcev v heterogenih plinih niso enake, niso enaki niti njihovi spektri hitrosti (enačba 3.28), niti povprečne hitrosti (enačba 3.29). To ima vpliv na nekatere lastnosti plinastih snovi, ki so pomembne za varjenje, med njimi je tudi toplotna prevodnost. Heterogeni plini toploto namreč mnogo bolje prevajajo kot samo težja komponenta plina v mešanici. Zaradi tega ima mešanica plinov zmeraj večjo toplotno prevodnost od enokomponentnega plina z večjo gostoto 126 .
3.7
Termična plazma
Za razliko od kovin so plini pri običajnih temperaturah električno neprevodni, saj so njihove sestavine električno nevtralni delci (molekule ali atomi), ali pa so kombinacija obojih 127 . Notranja energija plinov je odvisna od temperature (enačba 3.25). Merilo zanjo na mikro ravni je povprečna kinetična energija delcev (enačba 3.26). Relativno število delcev dN/N v določenem energijskem razredu dWkin oziroma energijski spekter delcev je 3
dN 2 ⎛ 1 ⎞2 − = ⋅⎜ ⎟ ⋅e N π ⎝ kT ⎠
Wkin kT
Wkin dWkin
3.34
dN/N je relativno število delcev v energijskem pasu dWkin, T pa temperatura plina. Povprečno kinetično energijo delcev plina, ki jo po analogiji z enačbo 3.29 izračunamo na osnovi takšnega spektra, je ∞
3 dN Wkin ⋅ dWkin = kT 2 0 N
Wkin = ∫
3.35
Energija plina je definirana torej samo s temperaturo, kar že vemo iz enačbe 3.25 128 .
122
heterogeni plini so praviloma mešanica plinov z različnimi masami delcev, kot npr zrak (večino predstavljajo molekule dušika in kisika) 123 to je zato, ker so njihove mase istega velikostnega razreda 124 parcialni tlak neke komponente plina je merodajen za njegovo raztapljanje npr v kovinski talini 125 gre za število kilomolov komponente proti vsoti kilomolov vseh komponent (za vsako komponento velja plinska enačba, v kateri se upošteva parcialni tlak) 126 Pri določeni temperaturi je povprečna hitrost delcev obratno sorazmerna z maso delcev, hitrost pa s kvadratnim korenom iz mase. Tako je toplotna prevodnost mešanice plinov Ar z zelo malo He bistveno večja kot toplotna prevodnost čistega argona (to je pri varjenju izredno velikega pomena). 127 npr zaščitna atmosfera iz mešanice 98% Ar + 2% O2, ki se jo uporablja pri varjenju (večino tega plina tvorijo atomi argona, manjšino pa molekule kisika) 128 molekule zraka imajo pri sobni temperaturi povprečno kinetično energijo približno 1/40 eV = 0,025 eV (tudi vsi drugi delci, ki tvorijo pline, imajo pri sobni temperaturi tolikšno energijo npr molekule vodika, atomi helija in argona, molekule ogljikovega dioksida, metana in amoniaka itd)
29 Na sliki 3.8a so prikazani spektri kinetične energije atomov argona pri istih temperaturah, kot na sliki 3.7a spektri hitrosti 129 . T=20°C
dN/N
T=6000°C
T=3000°C T=20°C
T=3000°C
0,00
0,25
T=6000°C 0,50
Wkin [eV]
a
0,75
1,00
0
2
4
6
8
10
12
Wkin [eV]
b
a merilo na ordinati ustreza spektru pri 20°C; b isti spektri pri mnogo manjšem merilu
Slika 3.8: Spektri kinetične energije atomov argona pri treh temperaturah
Višja kot je temperatura plina, večji je delež atomov z večjo kinetično energijo. Ti spektri ne veljajo samo za argon, ampak za prav vsak plin pri teh treh temperaturah. Pri 20°C je delež delcev s kinetično energijo nad 0,2 eV že zanemarljiv, saj ga na sliki 3.8a ne vidimo. Pri obeh višjih temperaturah, ko je povprečna energija delcev ustrezno večja (enačba 3.26), je delež delcev z energijo, ki je večja od 0,2 eV, znatno večji. Tudi deleža delcev z energijo več kot 1 eV pri obeh višjih temperaturah še ne moremo kar zanemariti. Na sliki 3.8b so isti trije spektri kinetične energije plina kot na sliki 3.8a prikazani pri bistveno večjih energijah. Merilo na ordinati je 100 milijon krat manjše, zato so vidni le deleži delcev z zelo veliko energijo. Dejansko pri vsaki od treh temperatur vidimo le repke krivulj s slike 3.8a, oziroma deleže delcev z zelo veliko kinetično energijo. Pri temperaturi 20°C je v plinu kljub nizki temperaturi vseeno nekaj delcev z energijo nad 0,5 eV. Deleža delcev z energijo 1 eV pri tem merilu več ne moremo razbrati. Pri temperaturi 3000°C pa je delež delcev z energijo, ki presega 6 eV, še precej velik, pri temperaturi 6000°C pa celo tistih, ki imajo energijo večjo kot 11 eV. Če je kinetična energija dovolj velikega deleža delcev plina večja od njihove ionizacijske energije 130 , je plin delno že ioniziran. Če je delež ioniziranih delcev dovolj velik, ima tak plin tudi posebne fizikalne lastnosti. Takšno stanje plina poznamo pod pojmom termična plazma. To je plinska mešanica ionov in atomov, lahko pa tudi molekul, katerih deleži so v medsebojnem ravnotežju. To ravnotežje se vzdržuje z elastičnimi in neelastičnimi trki med delci 131 . Pri trkih nastajajo tudi fotoni 132 , zato prostorsko omejena plazma 133 del elektromagnetnega valovanja izseva 134 . Pri določeni temperaturi je v termični plazmi proces ionizacije v ravnotežju s procesom rekombinacije. 129
dejansko so ti spektri enaki za vse delce, ki tvorijo pline, tako enoatomne kot večatomne ionizacijska energija argona Ei = 15,8 eV 131 Pri elastičnih trkih med delci se ohrani kinetična energija in gibalna količina vpletenih delcev. Pri neelastičnih trkih se ohrani samo gibalna količina (delcev, ki so trčili, in tistih ki so posledica trka). Pri neelastičnih trkih v termični plazmi gre za "reakcijske" trke, katerih rezultat so disociacija in asociacija molekul, vzburjanje in vračanje v nevzburjeno stanje ter ionizacija in rekombinacija atomov ali molekul. 132 kvanti elektromagnetnega valovanja 133 primer prostorsko omejene plazme je električni oblok 134 sevanje je v ultravijoličnem, vidnem in infrardečem delu spektra (zato je oblok močan vir svetlobe) 130
30 Navzven je termična plazma električno nevtralna snov. Količini pozitivnega in negativnega naboja sta enaki. Vendar pa je za razliko od izhodnega, električno neprevodnega plina termična plazma električno prevodna. Je namreč iz naelektrenih delcev. Pod določenimi pogoji 135 obstoj plazme omogoča transport električnega naboja, rezultat česar je električni tok. Plazmo lahko definiramo kot četrto agregatno stanje snovi, ki ima notranjo energijo še za stopnjo višjo od plinastega agregatnega stanja. V povprečju velja za "agregatna" stanja snovi sledeče: 1. notranja energija trdnih snovi ustreza povprečni kinetični energiji delcev 0,01 eV 2. notranja energija kapljevin ustreza povprečni kinetični energiji delcev 0,1 eV 3. notranja energija plinov ustreza povprečni kinetični energiji delcev 1 eV 4. notranja energija plazme ustreza povprečni kinetični energiji delcev 10 eV Dovolj velika stopnja ioniziranosti plina je osnova obstoja stabilne plazme. Stopnja ioniziranosti α je definirana kot razmerje med gostoto ioniziranih delcev in gostoto vseh delcev (nevtralnih in ioniziranih) 136 : α=
ne ni = n 0 + ni n 0 + ni
3.36
ni in n0 sta volumski gostoti ionov in nevtralnih delcev, ne pa volumska gostota prostih elektronov Za stopnjo ioniziranosti plina je merodajna raven notranje energije snovi oziroma temperatura in tlak 137 . Stopnja ioniziranosti je odvisna tudi od potrebne ionizacijske energije za ionizacijo atomov/molekul. 3
5
− 2 α ⎛ 2π m e ⎞ 2 Kp = ×p=⎜ ⎟ (kT ) ⋅ e 2 2 1− α ⎝ h ⎠
Ei kT
3.37
Kp je konstanta ionizacijskega ravnotežja, p in T sta tlak in temperatura plina, Ei je ionizacijska energija delcev snovi, me je masa elektrona, h pa Planckova konstanta. Od vrste plina je v tej enačbi odvisna samo ionizacijska energija. Na sliki 3.9 je skicirana temperaturna odvisnost deležev različnih delcev v dušikovi in argonski plazmi. Višina temperature je merilo njene notranje energije. Vsota vseh deležev plazme na tej sliki je 100%, čeprav absolutno število delcev ves čas raste 138 . Na sliki 3.9a vidimo, kako se pri segrevanju plinastega dušika od sobne temperature do 40 000°C spreminja sestava obstoječega "plina":
135
za to je potrebna električna napetost Tako je definiran tudi parcialni tlak ene komponente plina v heterogenem plinu (enačba 3.33). Pri stopnji ioniziranosti plina gre torej za neke vrste parcialni tlak ionov in posledično tudi parcialni tlak elektronov, seveda pa le, če je temperatura obeh sestavin plazme enaka. 137 tlak vpliva na gostoto vseh delcev, naelektrenih in električno nevtralnih 138 Če iz ene molekule z disociacijo nastaneta dva atoma, je pri popolni disociiranosti 100% molekul tudi 100% atomov, čeprav jih je v resnici 2 krat več. Isto je pri popolni ionizaciji atomov, iz katerih nastane par delcev: + enkrat ioniziran ion in elektron e−. Obeh je v deležu le 50%, čeprav jih vsakih toliko kot je bilo pred tem atomov, itd. 136
31
Relativni delež delcev [%]
100
N2
N
Ar
80
e−
−
e 60
40
++
N
N+
Ar
Ar+
++
20
Ar+++
N+++ 0 0
10000
20000
30000
40000 0
10000
20000
a
30000
40000
T [K]
T [K]
b
a dušikova plazma, kjer pride najprej do disociacije in šele nato do ionizacije; b argonska plazma, kjer ni disociacije, ampak samo ionizacija
Slika 3.9: Relativni delež delcev termične plazme pri tlaku 1 bar v odvisnosti od temperature
− Do približno 4 000K so v dušiku prisotne le molekule dušika N2. Dušik je dvoatomni plin. Pri tej temperaturi se prične disociacija molekul. Rezultat disociacije molekul so atomi N 139 . − Pri 10 000K je delež molekul v plinu že zanemarljivo majhen. Takrat atomi skoraj popolnoma prevladujejo. Pri tej temperaturi je že mogoče zaslediti določen delež ionov N+ in elektronov e− (1 − 2%). Torej je plin deloma že ioniziran 140 . − Po 20 000K je notranja energija "plina" že tolikšna, da so v plinu prisotni tudi dva krat ionizirani delci N++. Delež prostih elektronov e− je zato večji. − Nad 35 000 K se pojavijo prvi tri krat ionizirani delci N+++. Zaradi tega narašča tudi delež elektronov e−. Na sliki 3.9b vidimo, kako se pri segrevanju plinastega argona od sobne temperature do 40 000°C spreminja sestava obstoječega "plina": − Do približno 10 000K so v argonu prisotni le atomi argona Ar. Argon je enoatomni plin. Pri tej temperaturi se prične ionizacija atomov. Rezultat ionizacije so ioni Ar+ in elektroni e−141 . − Pri približno 20 000K je notranja energija že tolikšna, da so v plinu prisotni dva krat ionizirani delci atomov Ar++. Delež prostih elektronov e− je zato večji. − Nad 30 000 K se pojavijo prvi tri krat ionizirani delci atomov Ar+++. Narašča tudi delež elektronov e−. Pomembni fizikalni lastnosti termične plazme za uporabo v tehniki sta njena električna prevodnost in visoka temperatura 142 . Sestavine ioniziranih plinov so namreč naelektreni
139
za reakcijo N2 → 2N je disociacijska energija Ed ≅ 10 eV
140
za reakcijo N → N+ + e− je ionizacijska energija Ei = 14,5 eV
141
za reakcijo Ar → Ar+ + e− je ionizacijska energija Ei = 15,8 eV
142
ker je plazma pri atmosferskem tlaku snov z zelo visoko temperaturo, ki je električno prevodna, jo pri varjenju in tudi drugod uporabljamo kot električni potrošnik, ki je močan in učinkovit vir toplote za taljenje (pred odkritjem trajnih električnih žarnic so v takratnih velemestih ulice razsvetljevali z obločnimi lučmi)
32 delci, ki pa so obstojni samo pri dovolj visoki temperaturi 143 . Električna prevodnost in visoka temperatura plazme sta torej soodvisni. V ioniziranih plinih sta znani dve vrsti prevajanja električnega toka: − pri samostojnem prevajanju je ionizacija posledica vpliva velikega električnega polja med elektrodama − pri nesamostojnem prevajanju je ionizacija posledica vpliva fotonov (fotoefekt), visoke temperature ali pospešenih delcev. Pomemben je tudi pojav električne iskre med dvema elektrodama. Do električnega preboja pride pri zelo veliki električni poljski jakosti. Napetost za pojav preboja je odvisna od vrste plina, od njegove temperature in tlaka ter predvsem od medsebojne razdalje in oblike elektrod 144 .
143
to so ioni in elektroni, ki se z rekombinacijo pretvarjajo v nevtralne delce, pri čemer se sprosti veliko energije (energija za rekombinacijo) 144 Majhna razdalja in zašiljene elektrode so za preboj iskre ravno tako pomembne kot visoka napetost. Prav zato so visoka drevesa, predvsem pa zašiljeni kovinski predmeti za možnost udara strele v naravi tako zelo nevarni. Zato so strelovodi zašiljeni. Včasih so na vrhu strelovodov namontirani radioaktivni izvori, ki ionizirajo zrak okoli njihovih zašiljenih delov, ki molijo v zrak. Zaradi ioniziranega zraka je prehod električnega naboja iz ozračja v zemljo preko strelovoda močno olajšan (nastopi pa velik problem, če se izvor izgubi, zato se uporabi takšnih strelovodov izogibamo)
33
4 KOVINSKI MATERIALI IN NJIHOVE LASTNOSTI Trdne snovi so lahko kristalne ali amorfne. V kristalnih snoveh so gradniki razporejeni urejeno, v amorfnih pa neurejeno. Tehnični kovinski materiali so večinoma polikristalne trdne snovi 145 . Njihova značilnost je mikostruktura, ki je predstavljena z množico različno usmerjenih kristalčkov, skupaj z motnjami in napakami. Lastnostih takšnih materialov so odvisne od njihove mikrostrukture. vzrok
posledica
mikrostruktura
lastnosti
Slika 4.1: Lastnosti polikristalnih materialov so definirane z mikrostrukturo
4.1 Zgradba kristalov Posebnost kristalne zgradbe je kristalna mreža z geometrijskimi značilnostmi, ki jih opišemo z obliko in dimenzijami osnovne kristalne celice. S kristalno mrežo je določen položaj vseh kristalnih gradnikov (atomov, ionov, molekul). S translacijo osnovne celice v določene smeri pokrijemo celotno kristalno mrežo. Velikost atomov oziroma ionov 146 , ki imajo krogelno simetričen elektronski oblak, je odvisna od najbolj oddaljenih elektronov. Ker s kroglami ni mogoče popolnoma zapolniti tridimenzionalnega prostora, obstojajo v kristalih prazni vmesni prostori 147 . Obstojajo različne osnovne kristalne celice. Njihova velikost je sorazmerna z velikostjo gradnikov kristala. Za ogljikova jekla so najpomembnejše oblike osnovnih celic tiste, ki so značilne za zgradbo kubično telesno centrirane, kubično ploskovno centrirane ter tetragonalno telesno centrirane kristalne mreže:
a
b
c
a razporeditev gradnikov v kubično telesno centrirani kristalni mreži (α-ferit, δ-ferit); b razporeditev gradnikov v kubično ploskovno centrirani kristalni mreži (avstenit); c razporeditev gradnikov v tetragonalno telesno centrirani kristalni mreži (martenzit)
Slika 4.2: Tri osnovne celice kristalnih mrež, ki so značilne za jekla 145
nasprotje od polikristalnih materialov so monokristalni materiali ker pri nastanku kovinskih kristalov atomi nekaj elektronov z zunanje oble izgubijo, gre v resnici za ione 147 v kristalih se nekateri atomi oziroma ioni dotikajo, vsi se pa ne morejo 146
34 1) Za α-ferit in δ-ferit je značilna kubično telesno centrirana kristalna mreža. Osnovna kristalna celica je prikazana na sliki 4.2a. Dolžina roba celice je 4/√3 polmera atoma železa 148 . Eni osnovni kristalni celici pripadata dva atoma 149 . 2) Za avstenit je značilna kubično ploskovno centrirana kristalna mreža. Osnovna kristalna celica je prikazana na sliki 4.2b. Dolžina roba celice je 4/√2 polmera atoma železa 150 . Eni osnovni kristalni celici pripadajo štirje atomi 151 . 3) Za martenzit je značilna tetragonalno telesno centrirana kristalna mreža. Njena osnovna kristalna celica je prikazana na sliki 4.2c. Dolžina osnovnega roba kvadratne osnovnice prizme je malo večja od premera atoma železa, višina pa še nekoliko večja. Vendar pa je višina manjša od dolžina osnovnega roba kubične ploskovno centrirane osnovne kristalne celice 152 . Obstajajo tudi druge oblike kristalizacije pomembnih tehničnih kovin kot npr triklinska, monoklinska, ortorobnična, heksagonalna, ...
a
b
a položaj največjega vmesnega prostora v kubično telesno centrirani kristalni mreži ; b položaj največjega vmesnega prostora v kubično ploskovno centrirani kristalni mreži
Slika 4.3: Največja vmesna prostora pri dveh vrstah kristalne zgradbe
Največji vmesni prostori v kristalih, ki so posledica krogelne oblike atomov, so zelo pomembni za lastnosti kovin. Gre za zmožnost vgrajevanja atomov kemijskih elementov z začetka periodičnega sistema elementov, pa tudi za njihov transport po kristalih 153 . Velikost in položaj največjih vmesnih prostorov so tako kot dimenzije osnovnih celic odvisne od vrste kristalne mreže. Njihov položaj v telesno in ploskovno centrirani kubični kristalni mreži je skiciran na sliki 4.3: 148
atomi se pri kubično telesno centrirani kristalni zgradbi dotikajo v smeri telesne diagonale osnovne kristalne celice, zato je to kristalna ravnina z največjo gostoto atomov 149 Osem atomov, ki se nahaja na ogliščih kocke, pripada osmim kristalnim celicam. Zato k eni sodi le osmina le-teh in en celoten središčni atom. 150 atomi se pri kubično ploskovno centrirani kristalni zgradbi dotikajo v smeri ploskovne diagonale osnovne kristalne celice, zato je to kristalna ravnina z največjo gostote atomov 151 Osem atomov, ki se nahaja na ogliščih kocke, pripada osmim kristalnim celicam, šest atomov na ploskvah pa dvema. K osnovni celici sodi osmina ogelnih in polovica ploskovnih atomov (v kubično ploskovno centrirani kristalni zgradbi so gradniki bolj gosto zloženi kot v kubično telesno centrirani, zato je gostota železa v avstenitni obliki večja od gostote železa v feritni). 152 tetragonalno telesno centrirana kristalna mreža nastane pri jeklih (martenzit) iz kubično ploskovno centrirane mreže (avstenit), pri čemer se sama nekoliko deformira (slika 4.2). V tetragonalno telesno centrirani mreži so kristalni gradniki manj gosto zloženi kot v telesno centrirani kubični mreži, zato je gostota železa v martenzitni obliki nekoliko manjša od tiste v feritni, in precej manjša od tiste v avstenitni obliki. To ima velik pomen za nastanek zaostalih napetosti pri varjenju. 153 raztapljanje in difuzija snovi
35 − Pri kubično telesno centrirani mreži je največji vmesni prostor omejen s štirimi atomi, ki tvorijo tetraeder na meji dveh osnovnih celic. Na sliki 4.3a je prikazan le eden od več takšnih tetraedrov, ki pripadajo tema dvema osnovnima celicama 154 . − Pri kubično ploskovno centrirani mreži je največji vmesni prostor omejen s šestimi atomi, ki tvorijo oktaeder znotraj osnovne kristalne celice. Na sliki 4.3b je prikazan samo tisti od oktaedrov, ki je v celoti v tej osnovni celici 155 .
4.2 Napake kristalov Le neskončno počasno strjevanje kemično absolutno čiste kovine ima za rezultat nastanek kristalov z idealno zgradbo. Zelo poenostavljen ravninski model idealnega kristala iz enakih atomov je prikazan na sliki 4.4a.
a
b
c
d
e
f
a kristalna mreža brez motenj; b kristalna mreža s praznino; c kristalna mreža z vrinjenim enakim atomom; d kristalna mreža s parom praznina-vrinjeni atom; e kristalna mreža z zamenjanim atomom (substitucija); f kristalna mreža z vrinjenim atomom (intersticija)
Slika 4.4: Napake kristalne mreže točkovnega tipa
Praviloma je v realnih kovinskih kristalih mnogo različnih vrst napak. Vzrok za to je dokaj hitro strjevanje 156 , prisotnost različnih primesi v talini, zmožnost tvorbe trdnih raztopin, difuzija, premene in plastična deformacija. Napake v kristalih povzročajo motnje kristalne mreže, kar ima neposredni vpliv na lastnosti kovin. Razdelitev tipičnih napak kristalne mreže točkovnega tipa (0-dimenzionalne napake) so shematsko prikazane na slikah 4.4b-f: b) Manjkajoči osnovni gradnik: kristalna mreža v okolici napake je popačena. c) Vrinjeni atom, ki je enak osnovnim gradnikom: kristalna mreža v okolici napake je popačena. d) Par praznina/vrinjeni atom: doseg popačitve kristalne mreže v širši okolici ni tolikšen kot bi bil samo zaradi manjkajočega ali zaradi samo vrinjenega atoma.
154
v takšni kristalni mreži obstojajo tudi oktaedrični vmesni prostori, ki pa so znatno manjši od tetraedričnih v takšni kristalni mreži obstojajo tudi tetraedrični vmesni prostori, ki pa so manjši od oktaedričnih 156 kovinska talina se strjuje s kristalizacijo (pri varjenju je kristalizacija taline še posebno hitra) 155
36 e) Na mestu osnovnega gradnika se nahaja atom nekega drugega kemijskega elementa: v njegovi okolici je zaradi drugačne velikosti atoma 157 kristalna mreža popačena, velikost in doseg popačitve pa sta sorazmerna z razmerjem med njegovo velikostjo in velikostjo osnovnih gradnikov. f) V obstoječi vmesni prostor je vrinjen atom nekega drugega kemijskega elementa: vrinjeni atom kristalno mrežo lokalno močno deformira 158 , obseg in doseg motnje pa sta odvisna od razmerja med njegovo velikostjo in velikostjo praznega prostora, ki je definiran s tipom kristalne mreže 159 . Dislokacija je napaka oziroma motnja kristalne mreže linijskega tipa (enodimenzionalna napaka). Primer dislokacije je shematsko prikazan na sliki 4.5.
Slika 4.5: Linijska napaka kristalne mreže (robna dislokacija) z označeno drsno ravnino
Dislokacije so napake kristalne mreže, ki se raztezajo skozi kristal premočrtno ali krivočrtno. Njihova največja dimenzija je pogosto enaka velikosti kristala. Dislokacije nastanejo v kristalu že pri kristalizaciji oziroma prekristalizaciji in pri plastični deformaciji materiala. Gre za motnjo periodične zgradbe kristala, ki kristalno mrežo najbolj popači na koncu vrinjene plasti atomov, kjer obstaja drsna ravnina. Poznamo linijske in vijačne dislokacije. Vpliv dislokacij na popačitev kristalov je v prečni smeri omejen, zato za premik dislokacije pod vplivom strižne napetosti ni potrebna velika sila (napetost). Za vsak posamični premik vrinjene plasti atomov se porabi le neznatna količina energije, pa vendar pride na ta način postopoma do premika celotne vrste atomov z enega roba kristala na drugega. Nastali zdrs skozi celotni kristal za eno medatomsko razdaljo se na makroskopski ravni pokaže kot plastična deformacija kristala. Brez nastajanja in drsenja dislokacij plastična deformacija polikristalnih materialov sploh ne bi bila mogoča. Posledica prevelike napetosti bi bila porušitev. Prav sposobnost plastične deformacije je temelj velike uporabnosti kovinskih konstrukcijskih materialov. Merilo za to sposobnost je duktilnost materiala (poglavje 4.5). Gostota dislokacij v kovinah je velikostnega razreda 108 cm− 2, v zvarih pa bistveno več 160 . 157
substitucijski atom je nekaj večji ali pa nekaj manjši od osnovnega gradnika kristala, vendar ne veliko tudi najmanjši atomi so večji od največjih vmesnih prostorov v kristalih železa (le atom vodika je tako majhen, da ne deformira ploskovno centrirane kubične kristalne mreže) 159 relativne razlike velikosti vmesnih prostorov in intersticijskih atomov so dokajšnje 160 ker je v 1 cm2 do 1015 atomov, pomeni 108 dislokacij motnjo na vsakih 10 milijonov atomov oziroma v ravni črti motnjo na vsakih 3 tisoč atomov (kljub na videz veliki gostoti dislokacij v kovinah, ostane večinski del kristalov nepopačen) 158
37 3. Obstojajo tudi ploskovne ali ravninske (dvodimenzionalne ali 2D) in volumske (tridimenzionalne ali 3D) napake kristalne mreže. Pomembne ploskovne napake so meje kristalnih zrn in meje faz 161 . Volumske napake so izločki, vključki, mikro razpoke in druge mikro napake, ki kljub svoji majhnosti znatno presegajo velikost osnovnih gradnikov kristalov. Volumske napake kristalnih materialov imajo velik pomen za lastnosti tehničnih kovin, tako v pozitivnem kot tudi v negativnem smislu.
4.3 Zmesni kristali in zlitine V tehniki čiste kovine zelo redko uporabljamo. Tehnično uporabnost imajo predvsem različne kovinske zlitine. Zlitinski kristali vsebujejo tudi substitucijske in intersticijske atome, ki so lahko kovinski ali nekovinski 162 . Urejenost osnovnih kristalnih gradnikov je zaradi raztopljenih atomov močno motena. Zato je v celoti kristalna mreža zlitin praviloma precej popačena. Zlitine so torej trdne raztopine, kristali, ki jih tvorijo različni gradniki pa zmesni kristali. Substitucijska topnost snovi z atomi, katerih velikost je primerljiva z velikostjo osnovnih gradnikov kovine, je lahko dokaj velika, saj substitucijski atom kristalno mrežo le malo deformira. Intersticijska topnost snovi z atomi, katerih velikost je znatno večja od obstoječih vmesnih prostorov, je znatno manjša od substitucijske topnosti, saj vsak intersticijski atom kristalno mrežo zelo močno deformira. Za zlitine so ravnotežni pogoji drugačni kot za kemično čiste kovine. Čiste kovine se talijo, kristalizirajo in, če so polimorfne, tudi prekristalizirajo oziroma se premenijo pri določenih temperaturah. Pri zlitinah pa se isto zgodi v določenih temperaturnih intervalih. Izjema je strjevanje kovin z evtektično sestavo in pa premena kovin z evtektoidno sestavo. Kadar pri določenih pogojih v vseh zrnih kristalna mreža zlitine ni enaka, govorimo o večfaznih polikristalnih kovinah. Tabela 4.1: Polmer atomov nekaterih pomembnejših kemičnih elementov v enotah 10 − 10 m (gornja vrsta) in njihova relativna velikost v primerjavi z železom v % (spodnja vrsta) Pb
Zr
Ti
Mo
Cu
Fe
Mn
Cr
Ni
Si
P
S
B
C
N
H
1,74
1,58
1,45
1,36
1,35
1,29
1,26
1,25
1,24
1,18
1,10
1,04
0,95
0,77
0,70
0,50
135
123
1,12
105
105
100
98
97
96
92
85
81
74
60
54
39
Topnost v trdnem temelji na možnosti zamenjave in vrivanja drugačnih atomov v kristalno mrežo, difuzija pa na možnosti zaporednih preskokov atomov na sosednja, v danem trenutku energetsko bolj ugodna mesta. Zmeraj je to tam, kjer je koncentracija atomov, ki so drugačni od tistih, ki tvorijo osnovo, manjša. Velikosti atomov in ionov različnih kemijskih elementov so različne 163 . V tabeli 4.1 je prikazana velikost nekaterih za tehniko pomembnejših atomov. Večina njih tvori z železom zelo pomembne zlitine − jekla. 161
Pod pojmom faza si predstavljamo homogeno področje snovi z enakimi mehanskimi ter fizikalno-kemijskimi lastnostmi. Različne faze so med seboj ločene s faznimi mejami. 162 Osnova, ki tvori kristal se imenuje topitelj, dodana snov pa topljenec. Oba skupaj sta trdna raztopina. 163 velikost atoma je odvisna tudi od tipa kemijske vezi (npr kovalentni polmer atoma, ionski polmer atoma itd), saj je od vrste vezi odvisno število elektronov, ki pripadajo enemu atomu
38 Iz velikosti atomov v tabeli 4.1 lahko zaključimo sledeče: 1. Atoma svinca (Pb) in cirkonija (Zr) sta prevelika za tvorbo substitucijskih trdnih raztopin z železom. 2. Atomi titana (Ti), molibdena (Mo), bakra (Cu), mangana (Mn), kroma (Cr), niklja (Ni) in silicija (Si) se po velikosti ne razlikujejo veliko od atoma železa. Zato z njim tvorijo substitucijske trdne raztopine. Njihov vpliv na lastnosti kovine je pomemben pri večjih koncentracijah. Substitucijska topnost je odvisna od razmerja velikosti obeh atomov, od sorodnosti njune kristalne mreže, od medsebojne afinitete za tvorbo spojin ter od temperature. Mnoge substitucijske trdne raztopine so zvezne. Takrat pri koncentraciji topljenca v topitelju ni omejitve. Lahko je skoraj 100 odstotna. 3. Atomi fosforja (P), žvepla (S), bora (B), ogljika (C) dušika (N) in vodika (H) so premajhni za tvorbo substitucijskih trdnih raztopin z železom. 4. Ogljik in dušik sta zaradi svoje velikosti in omejene afinitete do ostalih elementov v kovinah zelo primerna za tvorbo intersticijskih trdnih raztopin. Atomi teh dveh elementov se nahajajo v vmesnih prostorih kristalne mreže in pri tem ne ogrožajo celovitosti kristala. 5. Za vodik velja, da kristalne mreže kovinskega železa skoraj ali pa sploh ne deformira 164 . Zaradi tega je sposobnost difuzije vodika v kovinah zelo velika. Kolikšna je možnost tvorbe intersticijskih trdnih raztopin z železom se vidi iz tabele 4.2. Najprej je izračunana velikost krogel r, ki bi se lahko nahajale v oktaedričnemu oziroma v tetraedričnemu vmesnemu prostoru kubično ploskovno in telesno centriranega kristala iz slike 4.3, ne da bi bila mreža zaradi tega popačena. Vidimo, da so vmesni prostori v teh dveh vrstah kristalov železa glede na velikost atoma železa precej manjši od relativnih velikosti atomov ogljika in dušika v tabeli 4.1. Velikost atoma železa je rFe, Tabela 4.2: Velikost krogel, ki zapolnijo največji vmesni prostor v kristalih železa Vrsta kristalne mreže Kubično ploskovno centrirana mreža Kubično telesno centrirana mreža
Vmesni prostor
r, 10−10 m
r/rFe, %
oktaedrični
0,51
41
tetraedrični
0,28
23
tetraedrični
0,37
29
oktaedrični
0,19
15
Za razliko od substitucijskih trdnih raztopin intersticijske ne morejo biti zvezne in zato pri določeni koncentraciji postanejo nasičene. Odsotnost sorodnosti med kristalnima mrežama obeh atomov je posledica velike razlike njunih velikosti, pa tudi njuni agregatni stanji sta različni pri temperaturi raztapljanja. Da je intersticijska topnost ogljika in dušika v dveh različnih kristalnih oblikah železa (avstenit in ferit) zelo različna vidimo iz podatkov o topnosti teh dveh kemičnih elementov v železu (tabela 4.3). Njuna topnost je pri isti temperaturi v avstenitu, ki ima kubično ploskovno centrirano kristalno mrežo, nekaj krat večja od topnosti v feritu, ki ima kubično telesno centrirano kristalno mrežo. Vzrok za to so večji intersticijski vmesni prostori v kristalu s kubično ploskovno centrirano mrežo, kljub temu, da je gostota železa v avstenitni obliki, zaradi v celoti manj praznega prostora, večja. 164
obstoj določenih vrst kristalne mreže pri železu je odvisen od temperature
39 Tabela 4.3: Topnost ogljika in dušika v železu Topljenec in topilo ogljik, železo (avstenit) ogljik, železo (ferit) dušik, železo (avstenit) dušik, železo (ferit)
Temperatura, °C
Topnost, masni %
1150
2,04
723
0,8
723
0,02
20
>0,00005
650
2,8
590
2,35
590
0,10
20
0,0001
Notranja energija kristalnih snovi je funkcija temperature (poglavje 3.6). Razen pri absolutni ničli atomi v kristalih nihajo okoli mirovne lege z amplitudo, katere merilo je prav višina temperature 165 . Zaradi nihanja so vmesni prostori v kristalih občasno večji, občasno manjši, v povprečju pa se material z naraščajočo temperaturo razteza (poglavje 4.5.2). Zato intersticijska topnost v trdnem s temperaturo običajno hitro raste. Vendar pa je absolutna velikost intersticijske topnosti v kristalih omejena. Vzrok je v vse večjem popačenju kristalne mreže pri naraščanju gostote intersticijskih atomov. Vzrok za omejeno intersticijsko topnost v trdnem je iskati tudi pri spremembi namestitve kristalnih gradnikov, ko se pri polimorfnih kovinah kristalna zgradba kovine spremeni 166 . Zaradi termičnega nihanja gradnikov kristalov lahko atomi prehajajo iz energijsko manj ugodnih substitucijskih ali intersticijskih položajev znotraj kristala na energijsko bolj ugodne položaje. To je tam, kjer je koncentracija tujih atomov manjša, zaradi česar je kristalna struktura za možnost preskoka atoma bolj ugodna. Tak je mehanizem difuzije snovi v kristalnih snoveh. Sposobnost difuzije snovi z naraščajočo temperaturo raste. Pri ohlajanju največja možna koncentracija intersticijsko raztopljenih atomov v kristalih upada. Če ohlajanje ni prehitro, se koncentracija topljenca zmanjša z izločanjem presežka. Če je ohlajanje zelo hitro, se z izločanjem koncentracija ne more dovolj hitro zmanjševati. Takrat nastane prenasičena trdna raztopina. Ker se z nižanjem temperature pri ohlajanju zmanjšuje tudi sposobnost difuzije, iz kristalne mreže izločeni atomi po kristalu prav daleč ne morejo pripotovati. Zato znotraj kristalov ali pa na kristalnih mejah tvorijo s preostalimi kemičnimi elementi v kovini spojine ali različne kristalne tvorbe. Ti delci so izločki. Zaradi omejene difuzije atomov, iz katerih nastanejo, so izločki navadno zelo fini in enakomerno razporejeni. Vendar pa je velikost vsakega izločka v primerjavi z gradniki kristala zelo velika. Zato povzročajo izločki bistveno večje popačenje kristalne mreže, kot so jo povzročali poprej intersticijsko raztopljeni atomi, in imajo na ta način zelo velik vpliv na mehanske lastnosti kovinskih materialov 167 . Drsenje dislokacij v kristalih je temelj možnosti plastičnega deformiranja kovinskih materialov. Določene smeri in kristalne ravnine, kakor tudi določene vrste kristalnih mrež 165
dejansko je povprečna amplituda nihanja gradnikov kristala odvisna od kvadratnega korena iz T, saj je njihova energija sorazmerna s kvadratom amplitude 166 pojav premene 167 Podobno popačenje kristalne mreže kot izločki lahko povzročajo tudi zelo fini vključki. To so tujki, ki so bili v talini prisotni v trdnem agregatnem stanju že pred strjevanjem s kristalizacijo.
40 so bolj ugodne za drsenje dislokacij od drugih. Ovirano drsenje dislokacij poveča trdnost kovinskih materialov, neovirano pa olajša plastično deformiranje 168 . Ko drsenje dislokacij ni več mogoče, se kristal poruši. To je začetek loma kristala 169 . Vzroki za oviranje drsenja dislokacij v kristalih so: − v kristalih raztopljeni drugačni atomi − obstoj vključkov in izločkov znotraj kristalnih zrn − velike razdalje med atomi na drsnih ravninah
4.4 Mikrostruktura kovin Pomembne tehnične značilnosti kovin izhajajo iz njihove kristalne zgradbe: 1. Električna prevodnost: Elektroni, ki so nosilci električnega naboja, so znotraj kristala slabo vezani, zato se vedejo kot elektronski plin. Povprečna kinetična energija elektronov v kovini je odvisna od temperature. Z zunanjim električnim poljem je mogoče elektrone spraviti do translatornega gibanja v želeno smer. Rezultat enakomernega gibanja elektronov je pretok električnega naboja, kar je električni tok. Zaradi skoraj prostih elektronov so kovine dobri električni prevodniki. 2. Toplotna prevodnost: Znotraj kristala so kristalni gradniki med seboj povezani elastično, zato lahko nihajo le okoli ravnovesne lege 170 . Višja kot je temperatura, večja je notranja energija kristala. Večanje notranje energije se odraža na povečani povprečni hitrosti nihanja gradnikov. Tako je večja tudi amplituda nihanja. Zaradi majhnih razdalj med gradniki kristalov postanejo sile velike že pri majhnih odmikih iz ravnovesnih leg. Zvečana amplituda nihanje gradnikov na enem delu kristala se zato hitro razširi tudi na druge dele. Rezultat prenešene kinetične energije gradnikov kristala je prerazporeditev notranje energije, kar je prevajanje toplote. Zaradi kristalne zgradbe so kovine dobri prevodniki toplote. 3. Topnost v trdnem: Ena vrsta gradnikov kristala je lahko deloma zamenjana z drugimi, lahko pa so atomi vrinjeni. Tako nastanejo trdne raztopine, ki jih imenujemo zlitine 171 . Topnost v trdnem je močno odvisna od temperature. Pri višji temperaturi so občasno razdalje med kristalnimi gradniki večje. To je rezultat večjih amplitud nihanja. Pri večjih amplitudah nihanja je verjetnost za nastanek primernega prostora za zamenjavo ali vrivanje drugih atomov tudi večja. Pogoj za nastanek trdnih raztopin je, da oba kemijska elementa nimata velike afinitete za tvorbo spojin, saj bi sicer nastale molekule. 4. Difuzija: Zaradi različne koncentracije posameznih vrst atomov v kristalu se ti selijo po kristalu v smeri njihove manjše koncentracije. 168
kovine s kubično ploskovno centrirano kristalno mrežo je veliko lažje plastično preoblikovati kot kovine s kubično telesno centrirano kristalno mrežo (npr kovine, katerih osnova je Al, Cu, Ag, Au se laže deformira kot feritno-perlitna jekla) 169 zato se ogljikova jekla kuje in valja pri temperaturi nad 900°C, ko so kristali ploskovno centrirani − avstenit, ne pa na nižjih temperaturah, ko so kristali prostorsko centrirani − ferit 170 171
odbojna oziroma privlačna sila med gradniki je sorazmerna z odmikom od mirovne lege poznamo jih tudi kot legure
41 Tak prenos snovi po kristalu je močno odvisen od temperature. Pri večjih amplitudah nihanja kristalnih gradnikov okoli ravnovesne lege je nastanek primernega prostora za preskok atomov bolj pogost, zaradi česar je prenos snovi po kristalu hitrejši. 5. Anizotropnost lastnosti: Ker imajo kristali v različnih smereh različne vzorce razporeditve atomov, so tudi nekatere njihove lastnosti, kot npr elastičnost, trdnost, razteznost, zvočna prevodnost, itd odvisne od smeri. Pri tehničnih kovinah gre ponavadi za množico kristalnih zrn, katerih usmeritev je naključna. Zaradi tega so lastnosti polikristalnih materialov navadno izotropne 172 . 6. Transformabilnost kristalne zgradbe in polimorfnost: Pri nekaterih kovinah je pri različnih temperaturah možen obstoj različnih kristalnih oblik, kot je to npr pri kovinah na osnovi železa. Prekristalizacijo pri segrevanja ali ohlajanju imenujemo premena. Premene so pomembne za možnost cele vrste obdelave kovin kot npr vroče kovanje in valjanje, normalizacija, kaljenje in celo za nekakšen "spomin" 173 . Za skoraj vse tehnično uporabne kovine je značilna polikristalna zgradba. Polikristalne enofazne kovine vsebujejo različno razporejena kristalna zrna ene same mikrostrukturne sestavine. Polikristalne dvo- in večfazne kovine vsebujejo kristalna zrna različnih mikrostrukturnih sestavin 174 . Polimorfne so tiste kovine, ki lahko kristalizirajo na različne načine ter pri segrevanju ali ohlajanju prehajajo iz ene kristalne oblike v drugo. Ta sprememba je znana pod pojmom premena ali prekristalizacija kovine 175 . Zgradbo kovin na velikostni ravni, ki več sto krat presega velikost osnovnih kristalnih gradnikov, imenujemo mikrostruktura 176 . Z mikrostrukturo kovinskih materialov opišemo različnost kristalnih zrn iz enakih ali različnih faz, skupaj s kristalnimi in faznimi mejami ter z vsemi kristalnimi napakami. Mikrostruktura je za lastnosti tehničnih kovin zelo pomembna, saj so fizikalne lastnosti polkristalnih materialov odvisne prav od mikrostrukture. Sodobne tehnologije izdelave in predelave tehničnih kovin temeljijo na načrtnem izkoriščanju možnosti preoblikovanja mikrostrukture in ustvarjanja določenih motenj kristalne mreže. Na ta način pridemo do kovin z želenimi lastnostmi. Tehnične kovine so praviloma zlitine. Celota, ki je predstavljena z vsemi komponentami zlitine, je nek termodinamski sistem. Da bi bil ta sistem v ravnotežju, se morajo vse komponente dobro premešati. To dosežemo s segrevanjem do temperature, kjer se vse komponente stalijo. Ko se ta sistem ohlaja, različne komponente interagirajo in ustvarijo razne faze. Število, vrsta, koncentracija in količina posameznih faz, ki so pri določeni temperaturi v ravnotežju, določajo stanje sistema. Sistem je enolično odvisen od koncentracije komponent, temperature in tlaka. Sprememba vsake od teh veličin spremeni stanje tega sistema. Zlitino poimenujemo po kovinskem topitelju (aluminijeve zlitine, če je aluminija vsaj 50%, titanove, magnezijeve zlitine, itd). Izjema je železo. Kadar je v zlitini vsaj 50% železa, jo imenujemo jeklo. Ostali kemični elementi v zlitini, razen osnovnega, so legirni elementi.
172
za razliko od kristalnih materialov so lastnosti amorfnih materialov zmeraj izotropne poznamo zlitine, ki so značilne po oblikovnem spominu 174 mikrostrukturnim sestavine navadno imenujemo krajše kar faze (po analogiji s trdno, tekočo in plinasto fazo neke snovi) 175 ogljikova jekla so polimorfna (polimorfizem je ključen za veliko uporabnost ogljikovih jekel v tehniki) 176 to pomeni, da monokristali nimajo mikrostrukture, prav tako pa tudi amorfne snovi ne 173
42 Mikrostrukturo polikristalnih kovinskih materialov je mogoče narediti vidno. Za to uporabljamo metalografske obruse. Ob uporabi primernega orodja se da mikrostrukturo opazovati oziroma njene značilnosti tudi fotografirati. To omogočajo mikroskopi z zmožnostjo različno velikih povečav, saj so tudi največje enote mikrostrukture navadno premajhne, da bi jih bilo mogoče razlikovati z golim očesom. − Optični mikroskopi so primerni za manjše in srednje povečave. Povečavo podrobnosti na majhni površini omogoča ustrezno lečje 177 . Delovanje mikroskopa temelji na vidni svetlobi valovne dolžine nekaj 100 nm. Omejitev povečave nad 1000 je posledica valovne dolžine svetlobe in ločljivosti očesa. − Z elektronskimi mikroskopi so možne tudi mnogo večje povečave od 1000. Delovanje mikroskopa temelji na elektronskem curku. Elektroni z veliko energijo imajo mnogo manjšo valovno dolžino od vidne svetlobe (npr 0,1 nm) 178 , zato je mogoče razlikovati ustrezno manjše detajle mikrostrukture. Potrebno je magnetno lečje.
Na sliki 4.6 je prikazana mikrostruktura dveh ogljikovih jekel z različno kemijsko sestavo. Velikost zrn je različna, prisotne pa so različne faze. Posnetka sta napravljena z uporabo optičnega mikroskopa, saj povečava ni posebno velika 179 .
a
b
a vzorec jekla s finozrnato feritno-bainitno mikrostrukturo, b vzorec jekla z grobozrnato bainitno-martenzitno mikrostrukturo
Slika 4.6: Mikrostrukturi dveh ogljikovih jekel pri povečavi okoli 170 in 80
Posamezna kristalna zrna polikristalnih kovin imajo urejeno notranjo zgradbo: − V homogenih polikristalnih kovinah je kristalna mreža vseh zrn ista, usmeritev kristalne mreže v posameznih zrnih pa ne 180 . Na mejah je urejenost kristalnih gradnikov manjša kot znotraj zrn. V neposredni soseščini kristalnih gradnikov na robu zrn se nahajajo druga kristalna zrna, ki imajo kristalno mrežo drugače usmerjeno. To preprečuje peroidični prehod kristalnega vzorca iz enega kristalnega zrna v drugo. Manjša urejenost gradnikov kristalov na meji zviša njihovo energijsko raven. Ti deli kristalov so zato manj plemeniti. Agresivna kemična sredstva jih hitreje načnejo. Na brušeni, polirani in jedkani površini metalografskega obrusa je tako mogoče narediti meje med zrni vidne ter razvito mikrostrukturo pri primerno veliki povečavi analizirati.
177
to sta objektiv in okular
178
valovna dolžina elektromagnetnega valovanja, ki ustreza energiji elektronov Ee je λ = hc/Ee (h je Planckova konstanta, c pa hitrost svetlobe) 179 povečava je razvidna iz daljice in mere (na sliki 4.6a ima 8,5 mm mero 50 μm; povečava je 8,5/0,05 = 170) 180
orientacija kristalne mreže v posameznih zrnih je praviloma povsem naključna
43 − V heterogenih polikristalnih kovinah kristalna mreža posameznih vrst zrn ni ista, usmeritev kristalne mreže v posameznih kristalih pa je tudi tu naključna. Takšno kovino tvorijo najmanj dve različni fazi. Meje med zrni z isto kristalno mrežo so posledica različne usmerjenosti kristalne mreže. Meje med zrni z različnimi kristalnimi mrežami so fazne meje. Te so na metalografskih obrusih zelo dobro razpoznavne. Tudi pri heterogenih polikristalnih kovinah je urejenost kristalnih gradnikov na kristalnih mejah manjša kot v notranjosti kristalov.
Ker je število kristalnih gradnikov na kristalnih mejah odvisno od velikosti kristalnih zrn, so te za lastnosti kovin zelo pomembne. Pri drobnozrnatem materialu je vpliv mej večji kot pri grobozrnatem materialu z enako kemično sestavo. Trdnost drobnozrnatih polikristalnih kovinskih materialov je večja, žilavost pa boljša od grobozrnatih materialov z enakim deležem faz. Če so deleži posameznih faz v vzorcih z različno velikimi kristalnimi zrni pri isti temperaturi enaki, je to dokaz enake kemične sestave obeh materialov. V staljeni kovini je lahko prisotna tudi trdna snov z višjim tališčem, ki v talini ni raztopljena. Prav tako je lahko koncentracija nekega kemijskega elementa, ki se sicer raztaplja v talini, tako velika, da zaradi omejene topnosti ni raztopljen v celoti. V talini taka snov ostane v plinasti obliki ali pa tvori spojine, ki so trdne. Pri strjevanju taline ostanejo v kristaliziranem materialu v obliki trdnih ali plinastih vključkov 181 . Vključki, ki so majhni in enakomerno razporejeni, so pomembni elementi mikrostrukture. Tudi oni popačijo kristalno mrežo in to zelo močno, saj so navadno dokaj veliki. Zato imajo pomemben vpliv na lastnosti kovin 182 . Pri ohlajanju trdnih raztopin lahko koncentracija topljenca pri določeni temperaturi postane že prevelika. Če je ohlajanje dovolj počasno, se presežek topljenca na primernem mestu izloči iz trdne raztopine. To so ponavadi napake kristalne mreže znotraj zrna ali same kristalne meje. Atomi izločenega kemijskega elementa reagirajo z okoliškimi atomi in ustvarjajo razne vrste kemičnih spojin 183 , kar je odvisno od njihove medsebojne afinitete. Na ta način nastanejo trdni izločki, ki so lahko kristalni ali pa ne. Izločki so praviloma majhni, saj presežek topljenca v kristalu zaradi zniževanja temperature pri ohlajanju težko difundira na večje razdalje. Ker so izločki del mikrostrukture kovine, so za njene lastnosti zelo pomembni 184 . Če je hitrost ohlajanja velika, se lahko material močno podhladi. Zaradi velike podhladitve zmanjšanje koncentracije z izločanjem sploh ni več možno. Kristali ostanejo s topljencem prenasičeni. Njihovo stanje ni več stabilno in takšno ostane tudi po popolni ohladitvi. mikrostruktura kovine
kemična sestava
termična zgodovina izhodno stanje
Slika 4.7: Shematski prikaz odvisnosti mikrostrukture polikristalnih kovin 181 182 183
vključki so lahko posledica metalurških reakcij v talini trdni in plinasti vključke, ki so zelo veliki, so ena vrsta napak v zvarih
V jeklih pogosto nastopa železov karbid − Fe3C (cementit), železov nitrid – Fe4N, aluminijev oksid – Al2O3 itd. Za razliko od teh spojin so spojine med različnimi kovinskimi elementi v kovinah intermetalne spojine 184 tako poznamo izločilno utrjanje kovin, preprečevanje rasti zrn z drobnimi in fino porazdeljenimi izločki, itd
44 Ker so lastnosti polikristalnih kovin odvisne od mikrostrukture, je pomembno vedeti od česa je odvisna njihova mikrostruktura. To shematsko prikazuje slika 4.7. Za mikrostrukturo kovine je ključna njena kemična sestava oziroma vrsta obstoječih faz, ki so v ravnotežju pri temperaturi uporabe kovine, pa tudi način kako se je talina strjevala in kaj se je s strjeno kovino dogajalo po kristalizaciji. Upoštevati je treba tudi morebitno preoblikovanje kovine zaradi mehanskih sil 185 in za neposreden vpliv dovajanja ali odvajanja toplote 186 in v določenih primerih tudi za vpliv časa 187 . Na osnovi kemične sestave in izhodnega stanja kovine ter predvsem zadnjih pomembnih dogodkov v njeni termični zgodovini je mogoče mikrostrukturo kovine in njene lastnosti v naprej predvideti. Prav zato je mogoče lastnosti kovin načrtovati. Najbolj pomembna je najnovejša termična zgodovina kovine. Termična zgodovina, ki zajema vse predhodne termične dogodke, se namreč odraža v izhodnem stanju kovine. To je tisto stanje, ko najnovejšo termično zgodovino začnemo beležiti.
4.5 Lastnosti konstrukcijskih kovinskih materialov Pri izbiranju primernih materialov za konstrukcije se oziramo na njihove lastnosti. Tako osnovni kot dodajni material morata zagotaviti primerno stopnjo varivosti, po varjenju pa tudi obstojnost zvarov v mediju, ki mu bo konstrukcija izpostavljena. V normalnih atmosferskih pogojih so za uporabo mehansko obremenjenih konstrukcij najbolj pomembne mehanske lastnosti materiala, včasih pa tudi druge, kot toplotna ali električna prevodnost, korozijska ali obrabna odpornost, ognjeodpornost, specifična gostota ipd. Včasih pridejo v poštev tudi manj pomembne lastnosti materiala kot npr hrapavost, barva, sijaj in celo sposobnost čiščenja ali dezinfekcije. Tudi takrat, ko se pri izbiranju materiala za varjeno konstrukcijo oziramo zgolj na njegove mehanske lastnosti, so pomembne tudi ostale njegove lastnosti kot npr toplotne, električne, optične in druge. Te so lahko koristne za možnost varjenja, lahko pa varjenje ovirajo, kar se seveda odraža na lastnostih spojev. 4.5.1 Mehanke lastnosti kovin
Elastični modul E, mejo plastičnosti Rp in statično trdnost Rm ter raztezek pri pretrgu Α5 in kontrakcijo Ζ določimo na reprezentativnem vzorcu materiala predpisane velikosti in oblike, ki ga počasi obremenimo na trgalnem stroju 188 . Poskus je poznan kot natezni poskus ali preizkus natezne trdnosti materiala (slika 4.8). Ko preizkušanec z določeno silo obremenimo, se ta raztegne. Posledica raztezanja je deformacija materiala ε0. Zaradi nje obstaja v materialu napetost σ0 (slika 4.8a).
σ0 =
F S0
;
ε0 =
l- l0 l0
4.1
F je sila, l pa trenutna merna dolžina preizkušanca. S0 in l0 sta začetni presek in začetna merna dolžina preizkušanca (slika 4.8b). 185
to se dogaja pri toplem in hladnem preoblikovanju mišljena je toplotna obdelava 187 od trajanja povišane temperature je odvisna stopnja primarne rekristalizacije in staranja npr jekel, če so ta pred tem dovolj močno plastično deformirana 188 takšen vzorec materiala imenujemo natezni preizkušanec, obremenitev pa kvazistatična obremenitev 186
45 Sprva se material pri naraščanju sile razteza elastično. Faktor sorazmernosti med napetostjo in deformacijo je elastični modul materiala 189 . Ta del nateznega poskusa je reverzibilen 190 . Rm
σ0
l0 S0
Rp zlom
lk E
Sk
1 εp
εe
ε0 a
b
a diagram nateznega poskusa oziroma σ − ε diagram je osnova za določitev elastičnega modula, meje tečenja in statične trdnosti materiala; b merna dolžina in presek stebla nateznega preizkušanca pred in po poskusu omogočata izračun raztezka in kontrakcije materiala
Slika 4.8: Trgalni poskus
Ko prične pri povečevanju sile σ – ε diagram odstopati od linearnosti, deformacija narašča hitreje kot napetost. Material se ne deformira več samo elastično, ampak tudi plastično, kar je na sliki 4.8a pri neki napetosti prikazano z vrednostima raztezka εe in εp. Ta del nateznega poskusa je nereverzibilen. − Napetost tečenja materiala Rp oziroma Rp0,2 je definirana z napetostjo, pri kateri se plastično deformiranje materiala ravno prične oziroma, ko je steblo nateznega preizkušanca plastično deformirano za 0,2% 191 . − Steblo nateznega preizkušanca se po preseženi napetosti tečenja sprva v celotni dolžini razteza enakomerno. Nato se začne na enem mestu ožiti. Takrat je napetost enaka statični trdnosti materiala 192 . − Kasneje se steblo nateznega preizkušanca plastično deformira samo še v zoženem delu. Sila na σ – ε diagramu se do končnega zloma zmanjšuje, dejanska napetost v zoženem delu stebla pa kljub temu narašča 193 . 189
Linearno odvisnost med napetostjo in deformacijo v steblu nateznega preizkušanca opišemo s Hookovim zakonom σ = E ε. Elastični modul E je lastnost materiala. To je tista napetost, pri kateri bi bil raztezek materiala enak 1. E jekel je okoli 200 GPa, titanovih zlitin okoli 110 GPa, aluminijevih zlitin pa okoli 70 GPa. 190 da je nek pojav reverzibilen pomeni, da ga je mogoče obrniti in vse tisto, kar je bilo vloženo povrniti 191 Napetost tečenja je torej tista napetost, do katere se material obnaša elastično oziroma skoraj elastično. Rp oziroma Rp0,2 ogljikovih konstrukcijskih jekel je od 200 pa preko 1000 MPa. 192 Statična trdnost je napetost pri največji obremenitvi nateznega preizkušanca. Rm ogljikovih konstrukcijskih jekel je od 300 pa preko 1000 MPa 193 Napetost narašča zato, ker je manjšanje prereza hitrejše od upadanja sile. Prava napetost torej narašča, kljub temu, da se inženirska napetost zmanjšuje. Prava napetost je razmerje med silo in presekom stebla (σ = F/S), inženirska napetost pa med silo in začetnim presekom (σ0 = F/S0). Obe napetosti sta za majhne deformacije (npr za elastične deformacije) skoraj enaki, pri velikih deformacijah pa je prava napetost bistveno večja od inženirske napetosti.
46 − Po zlomu ostanejo pretrgani deli stebla nateznega preizkušanca plastično deformirani. Raztezek, ki ga izmerimo na merni dolžini (A5 194 ) in kontrakcija prelomne ploskve (Z), sta merilo za duktilnost materiala.
A5 =
lk − l0 × 100% l0
;
Z=
S0 − S k × 100% S0
4.2
Duktilnost materiala je za varno uporabo konstrukcij zelo pomembna. Zaradi primerno velike duktilnosti so največje lokalne napetosti, ki bi presegle napetost tečenja in lahko povzročile zlom, manjše. To je posledica lokalne plastične deformacije materiala na mestih, kjer napetost preseže napetost tečenja materiala. Tako se obremenitev prerazporedi na sosednje manj obremenjene dele konstrukcije, kjer so bile pred tem napetosti manjše. Trdota je merilo odpornosti materiala proti nastanku vtiska, raze ipd s kakšnim trdim in ostrim predmetom. Mera za to je obseg lokalne plastične deformacije površinskega sloja materiala. Trdota je v pozitivni korelaciji 195 s trdnostjo materiala, saj je pri večji trdoti tudi trdnost materiala večja. Trdoto je mogoče s primerno napravo zelo hitro in poceni določiti. Postopki merjenja trdote temeljijo večinoma na vtiskovanju trdnih predmetov kot so kroglica (trdota HB), štiristranska prizma (trdota HV) ali stožec (trdota HRc) na površini materiala. Trdoto izračunamo na osnovi obremenitve in velikosti oziroma globine vtiska, ki jo izmerimo po ali med vtiskovanjem 196 . Žilavost je merilo odpornosti materiala proti lomu. Mera za to je udarna energija pri upogibnem prelomu reprezentativnega vzorca materiala predpisane velikosti in oblike. Žilavost materiala CVN določimo za konstrukcijska jekla in njihove zvare s Charpy preizkušanci, z 2 mm globoko V-zarezo (slika 4.9a). Ti preizkušanci so pri zlomu podprti na razdalji 40 mm 197 . Na sliki 4.9b vidimo, da je za zlom pri višjih temperaturah potrebno več energije kot pri nižjih. Če ima material pri poskusu majhno udarno energijo, je to dokaz krhkega zloma. Pri tem se preizkušanec plastično skoraj nič ne deformira. Prav odsotnost plastične deformacije pri krhkem lomu je vzrok, da za krhko porušitev konstrukcije ni potrebno veliko energije. Običajno za porušitev zadošča že v obremenjenih komponentah akumulirana elastična deformacijska energija. Če ima material pri poskusu veliko udarno energijo, je to posledica žilavega zloma. Pri tem se preizkušanec znatno deformira tudi plastično. Za žilavo porušitev konstrukcije je potrebno veliko energije, kar pomeni da mora med lomom zunanja obremenitev naraščati 198 . 194
Indeks 5 pri raztezku pomeni, da je bila merna dolžina 5-kratni premer stebla. Ker je velikost izmerjenega raztezka odvisna od merne dolžine, je kontrakcija boljši pokazatelj duktilnosti materiala kot raztezek. Vrednost kontrakcije namreč ni odvisna od merne dolžine. Je pa raztezek mnogo enostavneje meriti kot kontrakcijo. 195 korelacija je soodnos med dvema veličinama 196 trdota ogljikovih konstrukcijskih jekel je od 100 HV do preko 300 HV 197 Obstajajo tudi preizkusi žilavosti z U-zarezo, ki ne povzroča tolikšne koncentracije napetosti kot V-zareza (uporablja se pri testiranju orodnih jekel). Žilavost ogljikovih konstrukcijskih jekel znaša nekaj J do 300 J. Izmerimo jo s pomočjo nihajnega kladiva energije 300 J (standardna velikost kladiva v laboratorijih, kjer testirajo jekla in zvare na jeklih). 198 Žilavo porušitev konstrukcije je mogoče v določenih primerih preprečiti z zmanjšanjem obremenitve, ko opazimo, da se je lom pričel. S postopnim prerazporejanjem obremenitve iz najbolj obremenjenega dela konstrukcije, kjer se lom prične, na preostale manj obremenjene dele, pa se v določenih primerih lahko porušitev konstrukcije kar sama ustavi.
47 feritno-perlitno jeklo
žilavi lom
10
CVN
55 10
avstenitno jeklo krki lom
Tpr
T
a
b
a standardni Charpy preizkušanec z 2 mm globoko V-zarezo; b tipični potek udarne energije dveh vrst jekel od temperature testiranja
Slika 4.9: Preizkušanec za merjenje udarne energije in temperaturna odvisnost žilavosti
Ker se pri krhkemu zlomu materiala porabi manj energije kot pri žilavemu, pomeni večja žilavost materiala večjo varnost pri uporabi varjenih konstrukcij. Na sliki 4.9b vidimo, da ima žilavost pri nekaterih kovinah značilno obliko S-krivulje. Tako je za feritno-perlitna ogljikova in podobna jekla prehodna temperatura iz žilavega v krhki lom (Tpr) spodnja meja varne uporabe konstrukcije. Ti materiali zagotavljajo večjo varnost uporabe konstrukcije pri temperaturah nad prehodno temperaturo kot pod njo. Da za dokazovanje žilavosti materiala ne bi bilo treba eksperimentalno določiti celotne Skrivulje, temperaturo, ki zagotavlja varno uporabo, določimo kar z vrednostjo udarne energije. Za navadna ogljikova konstrukcijska jekla je to udarna energija na ravni 27 J 199 . Temperatura T27, je temperatura, pri kateri je žilavost materiala 27 J 200 . Pri višjih temperaturah je žilavost materiala večja. Na sliki 4.9b vidimo, da pri nekaterih drugih kovinskih materialih odpornost proti lomu ni enolično določena z izrazitim prehodom iz žilavega v krhki lom (npr avstenitna jekla, aluminijeve in bakrove zlitine). Tudi pri teh materialih spodnjo mejo varne uporabe določimo z vrednostjo udarne energije. Ker se pri teh materialih žilavost s temperaturo le počasi zmanjšuje, so primerni tudi za uporabo pri dokaj nizkih temperaturah201 . Tako ali drugače definirana prehodna temperatura omogoča medsebojno primerjavo ustreznosti konstrukcijskih kovin za konstrukcije, ki obratujejo stalno ali občasno pri nizkih temperaturah. Konstrukcije niso vselej statično obremenjene. Obremenitve so lahko odvisne od časa, ali pa se ponavljajo 202 . Tudi napetosti, ki so posledica teh obremenitev, se spreminjajo s časom. Najbolj znan je vpliv sinusnih cikličnih napetosti na trdnost kovinskih materialov. Če je amplituda sinusne napetosti σa, je trdnost materiala manjša od njegove statične trdnosti in odvisna od števila nihajev napetosti.
199
ta zahteva je rezultat dolgoletnih izkušenj pri uporabi varjenih jeklenih konstrukcij Pri visokotrdnih ogljikovih konstrukcijskih jeklih se pogosto zahteva večjo udarno energijo kot 27 J (npr 60 J ali 80 J). Takrat govorimo o temperaturah T60, T80 itd. 201 avstenitna konstrukcijska jekla in nekatere konstrukcijske aluminijeve zlitine se uporablja tudi v kriotehnične namene, tj pri temperaturah ukapljenih atmosferskih plinov, ki so nižje od − 180°C 200
202
primer prvih je udarna obremenitev, drugih pa ciklične obremenitve
48 −
Na sliki 4.10a vidimo, da se trdnost materiala, ki jo pri manjšem številu nihajev imenujemo časovna trdnost σN, zmanjšuje s številom nihajev. Za nekatere kovine velja, da njihova trdnost po določenem številu nihajev več ne upada. Amplituda sinusne napetosti je takrat enaka trajni dinamični trdnosti materiala σd.
−
Trajna dinamična trdnost materiala je odvisna tudi od srednje napetosti σsr. To je prikazano na sliki 4.10b. Ločeno je prikazan potek zgornje in spodnje sinusne napetosti σzgornja odnosno σspodnja 203 .
−
Podobne oblike kot Smithov diagram na sliki 4.10b je tudi Smithov diagram časovne trdnosti materiala 204 in to za gladke in zarezane preizkušance. log σa
σ Rm
σzgornja σN
železo, nikelj
N
σspodnja
σd
Rm
6
7
σsr
ostale kovine
σd - gladko
N=10 -10
σd - z zarezo
log N
a
σsr
b
a σa – N diagram kovinskih materialov pri določeni srednji vrednosti napetosti (Wohlerjev diagram); b Smithov diagram trajne trdnosti za gladke in zarezane konstrukcijske elemente
Slika 4.10: Wohlerjev in Smithov diagram
Kadar so napetosti ponekod zgoščene (zareze, ostri prehodi, zvari itd), sta časovna in trajna trdnost elementov odvisni tudi od zarezne občutljivosti materiala. Kovine z večjo trdnostjo so zarezno bolj občutljive od tistih z manjšo 205 . Določen vpliv na časovno in trajno dinamično trdnost ima tudi pogostost (frekvenca) nihanja napetosti, vendar je to pri večini varjenih konstrukcij komaj kdaj pomembno. Pri višjih temperaturah je za kovinske materiale pomemben pojav lezenja materiala. Če namreč pri nateznem poskusu na sobni temperaturi (slika 4.8a) naraščanje sile pred doseženo mejo tečenja prekinemo, napetost ostane konstantna, deformacija materiala pa tudi. Kadar pa deformacija materiala pri določeni napetosti s časom kljub konstantni napetosti še raste, govorimo o lezenju materiala. Zaradi pojava lezenja moramo pri načrtovanju konstrukcij, ki so trajno izpostavljene povišanim temperaturam, to upoštevati pri izbiri materiala 206 in jih dimenzionirati glede na mejo lezenja ne pa na mejo tečenja 207 . 203
204
Če je σsr = 0 gre za izmenično obremenitev: σzgornja = + σa, σspodnja = − σa. Če je σsr = + σa gre za utripno obremenitev: σzgornja = + 2σa, σspodnja = 0.
Smithov diagram časovne trdnosti materiala je širši od Smithovega diagrama trajne dinamične trdnosti to je pomembno pri zvarih, kjer je material pogosto na mestu največje zgostitve napetosti zaradi zakalitve dokaj trd in zato zarezno bolj občutljiv 206 uporabiti je treba materiale, ki so obstojni proti lezenju 205
49 4.5.2 Toplotne lastnosti kovin
Snovi se pri segrevanju raztezajo, pri ohlajanju pa krčijo. Izjema je voda med 0 in + 4°C 208 . Merilo relativnega povečanja ali zmanjšanja volumna zaradi spremembe temperature snovi je temperaturni koeficient prostorninskega raztezka β: ΔV = β ΔT V
4 .3
V in ∆V sta velikost in sprememba volumna zaradi spremembe temperature za ∆T 209 . T
Da se telo z maso m pri stalnem tlaku segreje za ΔT, je potrebno dovesti toploto: Q = mc p ΔT
4 .4
Q je toplota, cp pa specifična toplota materiala 210 . Pri določeni temperaturi lahko snov spremeni agregatno stanje: −
Tališče Tt je temperatura, pri kateri trden material ob dovajanju toplote prehaja v staljeno stanje. Pri isti temperaturi se pri odvajanju toplote talina strjuje. Material je lahko pri temperaturi Tt v obeh agregatnih stanjih 211 .
−
Vrelišče Ti je temperatura, pri kateri tekoči material prehaja v plinasto stanje ali pa se plin utekočinja. Tudi pri temperaturi Ti obstoja snov v obeh agregatnih stanjih 212 .
−
Pri trojni točki so v ravnotežju vsa tri agregatna stanja snovi.
Pri taljenju in vrenju snovi z maso m, je potrebno dovesti toploto: Qt = q t m
;
Qi = q i m
4.5
Qt in Qi je toplota za taljenje in izparevanje, qt in qi pa sta specifična talilna toplota in specifična izparilna toplota snovi 213 .
Toplota zmeraj prehaja z mesta z višjo na mesto z nižjo temperaturo:
207
meja lezenja materiala je tista napetost, ki povzroči v določenem času zanemarljivo majhno deformacijo materiala zaradi lezenja (podoben pristop uporabljamo pri določitvi meje tečenja materiala Rp0,2, kjer je obseg plastične deformacije 0,2%) 208 to izjemo poznamo kot anomalijo vode 209
Pri spremembi volumna se spremenijo tudi dimenzije trdnega telesa: ∆l/l = α ∆T α temperaturni koeficient dolžinskega raztezka trdne snovi. Za izotropne trdne snovi velja β = 3 α. Z enačbo 4.3 opišemo tudi raztezanje in krčenje tekočin, za pline pa velja plinska enačba. Deformacija trdnega telesa je rezultat spremembe dimenzij zaradi spremembe temperature. Če je raztezanje ali krčenje pri segrevanju ali ohlajanju preprečeno, se pojavijo mehanske napetosti: σ=Eε
(ε = ∆l/l, deformacija, ki bi nastala pri neoviranem raztezanju ali krčenju).
Za večino kovin je velikostni razred temperaturnega koeficienta dolžinskega raztezka α ≅ 10− 5 K− 1. To pomeni, da se 1m dolga jeklena tračnica, ki se segreje od − 40°C (velikostni razred najnižjih temperatur zraka pozimi), do + 60°C poleti (velikostni razred najvišjih temperatur poleti, tračnica se dodatno segreje tudi na račun sončnih žarkov, ne samo od zraka), podaljša za več kot 1 mm. Če je to preprečeno (vpeta tračnica, privarjena tračnica itd), se pojavi v tračnici napetost, ki presega 200 MPa. 1 1 210 za jekla pri +20°C cp ≅ 460 J kg− K− (to je 1/9 od 4200 J kg−1 K−1, kolikor je specifična toplota vode, ene najbolj primernih snovi za akumuliranje toplote, ki pa ima skoraj 8 krat manjšo gostoto) 211 pri ogljikovih konstrukcijskih jeklih je Tt ≅ 1500°C, pri titanovih in aluminijevih zlitinah je Tt do 1660° oziroma do 670°C, pri volframu pa je Tt kar 3400°C 212 pri ogljikovih konstrukcijskih jeklih je Ti ≅ je 3050°C, pri aluminijevih zlitinah pa 2300°C 213
za ogljikova jekla pri tlaku 1 bar sta q t ≅ 300 kJ kg− 1 in qi ≅ 6300 kJ kg− 1
50 − Telesa, ki so v dobrem kontaktu s snovjo, ki ima drugačno temperaturo, se segrejejo ali ohlajajo s prevajanjem toplote. j=λ
ΔT Δl
4.6
j je gostota toplotnega toka, ∆T/∆l temperaturni gradient, λ pa koeficient toplotne prevodnosti snovi 214 − Prenos toplote s teles, ki so v stiku s plinom ali tekočino omogoča tudi konvekcija 215 . − Segreta telesa so izvor sevanja elektromagnetnega valovanja. Če so bolj topla od okolice, toploto s sevanjem oddajajo, sicer jo sprejemajo 216 . j = σT 4
4.7
j je gostota toplotnega toka, σ Stefanova konstanta, T pa absolutna temperatura 217 . 4.5.3 Električne lastnosti kovin
Materiali so električno prevodni ali neprevodni: −
V prevodnikih so nosilci električnega naboja slabo vezani na osnovne gradnike snovi 218 . Ti se zato pod vplivom električne sile gibljejo. Rezultat gibanja električnega naboja po snovi je električni tok 219 .
−
V neprevodnih materialih so nosilci električnega naboja močno vezani na osnovne gradnike snovi. Zato se pod vplivom električnega polja ne gibljejo 220 .
−
Tudi električno prevodni materiali se električnemu toku upirajo. Tako predstavljajo gibanju nosilcev električnega naboja določeno upornost 221 .
Na sliki 4.11 je prikazan izvor toka oziroma električni generator G z napetostjo Ug, ki je povezan z električno prevodnim elementom z uporom R. Takšnemu elementu rečemo
214
pri ogljikovih jeklih je λ ≅ 45 W m− 1 K− 1 (to je zelo malo v primerjavi z aluminijem - 210 W m− 1 K− 1 in bakrom - 390 W m− 1 K− 1) Tak prenos toplote je možen tako v trdnih, kot v tekočih in plinastih snoveh (difuzija toplote). 215 prenos toplote poteka z gibanjem delcev tekočin ali plinov (poznamo naravno in prisilno konvekcijo). Tak prenos toplote je sorazmeren z razliko temperature med dvema ploskvama v prostoru. Gibanje snovi pri naravni konvekciji povzroča gravitacija, saj je specifična teža snovi odvisna od temperature. 216 Za prenos toplote s sevanjem ni potrebna snov, poteka tudi v vakuumu. V primeru prenosa toplote s sevanjem v trdnih, tekočih ali plinastih snoveh pa morajo le-ta biti za elektromagnetno valovanje prevodna (prozorna). Količina s sevanjem prenešene toplote iz telesa z višjo temperaturo na telo z nižjo temperaturo je sorazmerna z razliko četrtih potenc obeh temperatur. 217 Stefanova konstanta σ = 5,7 10− 8 Wm−2 K− 4. Če površina telesa ne absorbira celotnega vpadlega valovanja, je treba upoštevati tudi emitivnost površine telesa, ki je za črno telo 1, za ostala pa manj od 1. 218 Električni prevodniki so značilni po nevezanem ali slabo vezanem električnem naboju: − v kovinah so nosilci električnega naboja elektroni − v polprevodnikih so nosilci električnega naboja elektroni z negativnim nabojem in vrzeli s pozitivnim − v elektrolitih so nosilci električnega naboja negativni in pozitivni ioni − v ioniziranih plinih so nosilci električnega naboja elektroni ter pozitivni in morebitni negativni ioni Enota za merjenje električnega naboja je [As]. 219 smer električnega toka je po dogovoru nasprotna smeri gibanja nosilcev negativnega naboja (če v eni sekundi priteče 1 As električnega naboja, teče tok 1A) 220 sinonim za neprevodno snov je izolator 221 superprevodne snovi se električnemu toku skoraj ne upirajo (t nekatere snovi pri zelo nizkih temperaturah)
51 električni upornik. Tudi sam izvor toka ima svojo upornost Rn 222 . Ko je tokovni krog sklenjen, teče po njem električni tok I. Njegova jakost je odvisna od celotne upornosti tokovne zanke. Ug
I=
4.8
R + Rn
Upornost zanke je vsota upornosti kroga in notranje upornosti generatorja 223 . Zaradi električnega toka I skozi upornik z upornostjo R se na njemu pojavi padec napetosti U. Če je proti zunanjemu uporu R zanemarljiva tudi notranja upornost izvora toka Rn, je padec napetosti na uporniku U enak gonilni napetosti Ug. Ug G
Rn
I R
U
Slika 4.11: Električni tok iz izvora z napetostjo Ug teče skozi upornik z uporom R
V splošnem velja Ohmov zakon: I=
U R
4.9
R=ρ
l S
4.10
Upornost električnih vodnikov je:
ρ je specifična električna upornost materiala 224 , l in S pa dolžina in presek vodnika.
Prevodniki imajo končno specifično upornost, izolatorji pa skoraj neskončno. Specifična upornost materialov, ki se vedejo v skladu z enačbo 4.9 (ohmski uporniki), je odvisna tudi od temperature. Za manjša temperaturna območja velja:
ρT = ρ ⋅ (1 + α ⋅ ΔT)
4.11
ρT in ρ sta specifični upornost materiala pri temperaturi T in pri začetni temperaturi, α
temperaturni koeficient upornosti 225 , ΔT pa razlika temperature.
222 223
to je notranja upornost izvora električnega toka upornost samih električnih žic je majhna (v enačbi 4.8 smo predpostavili, da je enaka nič)
224
specifična upornost ogljikovih jekel ρ = 0,1 Ω mm2 m− 1, aluminija ρ = 0,028 Ω mm2 m− 1, bakra pa ρ = 0,0175 Ω mm2 m− 1 (konstantan, ki je zlitina 59% bakra, 40% niklja in 1% mangana, ima specifično 2 upornost ρ = 0,5 Ω mm m−1, kar je pet krat več od ogljikovih jekel).
225
za jekla pri + 20°C α ≅ 0,006 K− 1 To pomeni, da se upornost električnega potrošnika podvoji na vsakih 150 stopinj. Merilne lističe, ki služijo za merjenje deformacije materiala preko spremembe upornosti (nanj so nalepljeni), izdelujejo iz konstantana. Ta ima temperaturni koeficient upornosti zanemarljivo majhen. Izmerjena deformacija tako ni odvisna od morebitne spremembe temperature materiala, ampak samo od deformacije.
52 Pri enosmernem električnem toku se nosilci električnega naboja gibljejo stalno v isto smer, pri izmeničnem toku pa se smer gibanja ciklično spreminja. Pogostost spreminjanja smeri električnega toka je določena s frekvenco f. I (t ) = I 0 ⋅ sin (2πf ⋅ t )
4.12
I(t) je tok, I0 pa amplituda toka. t je čas.
Gostota izmeničnega toka na površini vodnikov je večja kot v notranjosti 226 .
r=
ρ πμμ 0 f
4.13
r je vdorna globina električnega toka 227 , ρ in μ sta upornost in permeabilnost materiala, μ0 je pa induktivna konstanta 228 .
Slika 4.11 prikazuje tok, ki teče skozi upornik pod vplivom napetosti električnega generatorja. Upornik je v tokovnem krogu potrošnik električne energije, saj generator na uporu opravlja delo. Hitrost opravljanja dela na potrošniku oziroma trošena moč se izrazi z električnimi veličinami I, U in R. Električno delo se na potrošniku pretvori v toploto. P=
ΔA U2 = I ⋅U = = I 2R Δt R
4.14
P je sproščena moč, ∆A količina opravljenega dela v času, ∆t pa čas opravljanja dela. U
G I
G
I R1
R2
R3
Rn
U1
U2
U3
Un
U = Σ Ui
I1
R1
I2
R2
I3
R3
In
Rn U I = Σ Ii
a
b
a zaporedna vezava električnih upornikov (seštevek padcev napetosti na vseh uporih je enak napetosti generatorja); b vzporedna vezava električnih upornikov (seštevek tokov skozi vse upore je enak celotnemu toku)
Slika 4.12: Tokovna kroga z več uporniki 226
ta pojav, ki ga pri enosmernem toku ne poznamo, je površinski ali skin efekt Do vdorne globine r je gostota toka zmanjšana na velikost 1/e (skoraj na tretjino). Pri toku s frekvenco 50 Hz je pri bakru (baker je diamagnetna kovina) r = 9 mm, pri železu s permeabilnostjo 1000 ( železo je feromagnetna kovina) pa le 0,75 mm. Pri električnem toku s frekvenco 1 kHz je r pri bakru 2 mm, pri železu pa le še 0,17 mm. Površinski efekt uporabljamo za površinsko kaljenje in varjenje elementov, ki so iz feromagnetnih jekel. Z visokofrekvenčno električno indukcijo element površinsko hitro segrejemo do kalilne temperature in nato zakalimo. Rezultat tega je trda zakaljena površinska plast in duktilen preostali del, ki se ni segrel in zakalil. Podobno se površino konstrukcijskih elementov segreva pri indukcijskem varjenju. 228 induktivna konstanta μ0 = 1,257 10−6 Vs A−1 m−1 227
53 V tokovni krog je lahko povezano večje število upornikov z različno velikimi upornostmi Ri. Ti so lahko vezani zaporedno ali vzporedno (slika 4.12). Jakost toka iz generatorja je odvisna od nadomestne upornosti R*, ki jo izračunamo tako: a) zaporedna vezava
R* = ∑ Ri
4.15
1 1 =∑ R* i Ri
4.16
i
b) vzporedna vezava
Če vključimo nov upornik v tokovni krog z zaporedno vezavo upornikov se tok zmanjša, če pa vključimo nov upornik v tokovni krog z vzporedno vezavo upornikov, se tok zveča. Pomembna je električna moč, ki se sprošča v tokovni zanki z več uporniki, ko skoznjo teče električni tok. Pri zaporedni vezavi upornikov je tok skozi vse upornike enak, pri vzporedni vezavi pa se razcepi na tokove skozi posamezne upornike. Upoštevamo prikazano na sliki 4.12 in uporabimo enačbe 4.9, 4.14, 4.15 in 4.16. Izrazimo električno moč Pi, ki se troši na uporniku Ri v primeru vzporedne in zaporedne vezave: Pi =
a) zaporedna vezava
( R * )2
Pi =
b) vzporedna vezava
U2
× Ri
4.17
U2 Ri
4.18
Pri zaporedni vezavi potrošnikov z različnimi upornostmi se največja moč sprošča na potrošniku, ki ima največjo upornost, pri vzporedni vezavi pa se največja moč sprošča na potrošniku, ki ima najmanjšo upornost 229 . Enostaven primer tokovnega kroga s hkratno zaporedno in vzporedno vezavo upornikov je prikazan na sliki 4.13. U G
I1
I2
I1 I1 R1
R2 I3 R3
I1= I2 + I3
I2R2 = I3R3
Slika 4.13: Tokovni krog z vzporedno in zaporedno vezanimi uporniki
Zaradi električnih tokov I1, I2 in I3, ki tečejo skozi upornike R1, R2 in R3, in ustreznih napetostnih padcev, se na njih troši električna moč P1, P2 in P3. Nadomestni upor za oba vzporedno vezana upora označimo z R*', celotni nadomestni upor tokovnega kroga pa z R*. Izračunamo vse tri tokove:
229
oboje je pomembno za uporabo električne energije pri varjenju (npr pri uporovnem varjenju je treba poskrbeti, da se največja moč troši prav na mestu, kjer hočemo lokalno močno segreti material in ustvariti spoj ter je zato treba poskrbeti, da električni tok nikjer ne teče po vzporedni poti)
54 1 1 1 = + R*' R 2 R 3
I1 =
U R*
;
I2 =
R* = R 1 + R* ′
;
U − IR 1 R2
;
I3 =
4.19
U − IR 1 R3
4.20
Na vsakem uporniku izračunamo trošeno moč (enačba 4.14): 2
2
2
⎛U ⎞ P1 = ⎜ ⎟ × R1 ⎝ R* ⎠
;
⎛ U − IR1 ⎞ ⎟⎟ × R 2 P2 = ⎜⎜ R 2 ⎝ ⎠
;
⎛ U − IR1 ⎞ ⎟⎟ × R 3 P3 = ⎜⎜ R 3 ⎝ ⎠
4.21
Če je R1 > R*', se največ moči sprošča na uporniku R1, če ne pa na upornikih R2 in R3 skupaj. Če sta ta dva upornika enaka, se na obeh sprošča enaka moč. Če upornika nista enaka, se večja moč sprošča na tistemu, ki ima manjšo upornost.
4.6 Napovedovanje mikrostrukture ogljikovih jekel Ogljikova jekla so predvsem zlitine železa in ogljika, čeprav so v njih hote ali nehote prisotni tudi drugi kemijski elementi. Za mehanske lastnosti ti kemijski elementi niso tako pomembni kot ogljik 230 . Navadno uporabljamo za gradnjo velikih jeklenih konstrukcij, ki so mehansko obremenjene, ogljikova konstrukcijska jekla. Tako kot pri vseh drugih polikristalnih kovinah je mikrostruktura ogljikovih jekel odvisna od kemične sestave in od celotne termične zgodovine, ki se začne z začetkom kristalizacije staljenega jekla. Torej lastnosti ogljikovih jekel niso odvisne samo od njihove kemične sestave ali celo samo od vsebnosti ogljika kot najbolj pomembnega legirnega elementa, ampak v veliki meri od načina kristalizacije in hitrosti ohlajanja ter od morebitne termične obdelave 231 . 4.6.1 Kristalizacija in premene pri počasnem ohlajanju
Na sliki 4.14a je skiciran celotni fazni diagram železo − ogljik 232 . Ta diagram je grafična predstavitev mikrostrukture zlitine železa z ogljikom pri različnih temperaturah v primeru, ko gre za počasno ohlajanje. Na sliki 4.14b je skiciran le del diagrama s slike 4.14a od vsebnosti ogljika 0% do 0,4%. Sem spadajo ogljikova konstrukcijska jekla. Na njemu je vrisan potek ravnotežnega strjevanja in ohlajanja ogljikovega konstrukcijskega jekla z 0,2% ogljika. Čisto železo Čisto železo je na sliki 4.14b predstavljeno pri vsebnosti ogljika 0%.Vidimo, da je železo polimorfno, tako kot ogljikova jekla, le da se tali in strjuje ter ima premene pri točno določenih temperaturah. − Staljeno železo se strjuje pri temperaturi 1536°C kot δ-železo 233 . Dokler strjevanje s kristalizacijo ni končano, je temperatura konstantna. Pri spremembi agregatnega stanja, 230
to so predvsem mangan, silicij, fosfor in žveplo, pa tudi drugi kot krom, nikelj itd tako je jeklo lahko npr v normaliziranemu stanju, v kaljenemu stanju, v poboljšanem stanju, v mehkožarjenem ali na grobo zrno žarjenem stanju (torej lahko imajo jekla kljub isti kemični sestavi različne lastnosti) 232 to je diagram ravnotežnega strjevanja in ohlajanja, njegove sestavine pa imenujemo faze kot npr ferit (α-faza), perlit, cementit (Fe3C), avstenit (γ-faza) itd 231
55 se sprosti določena količina toplote 234 . Kristali δ-železa imajo telesno centrirano kubično kristalno mrežo. − δ-železo se pri konstantni temperaturi 1392°C transformira v γ-železo. To je temperatura A4 235 . Pri tej premeni 236 se sprosti določena količina toplote, vendar manj kot pri kristalizaciji 237 . Kristali γ-železa imajo ploskovno centrirano kubično kristalno mrežo. − γ-železo se pri konstantni temperaturi 911°C transformira v α-železo. To je temperatura A3 238 . Tudi pri tej premeni se sprosti nekaj toplote 239 . Kristali α-železa imajo telesno centrirano kubično kristalno mrežo. − Nemagnetno α-železo se transformira v magnetno α-železo pri konstantni temperaturi 769°C. To je temperatura A2 240 . Tu dejansko ne gre za spremembo kristalne zgradbe železa, sprosti se pa zanemarljivo malo toplote. − Magnetno α-železo je nato pri ohlajanju obstojno vse do sobne temperature in tudi nižje. 1600
talina+δ-ferit
0+1
1500
δ-ferit (1) 1400
δ-ferit+avstenit
1+2
Temperatura, °C
1300
avstenit (2)
1100
ledeburit (5)
avstenit
1000
2+5+6
900
Ac3
5+6
2+6
800
Ac1
a b
α-ferit+avstenit
2+3
700
perlit (4)
α-ferit (3)
α-ferit
600
3+4
500
talina+avstenit
0+cementit (6)
0+2
1200
talina
δ-ferit
talina (0)
5+6
4+5+6
4+6
α-ferit+perlit
α-ferit+cementit
400 0
1
2
3
4
Vsebnost ogljika, %
5
6
70
0,1
0,2
0,3
0,4
Vsebnost ogljika, %
a
b
a fazni diagram s fazami, ki so pri določeni temperaturi v ravnotežju s talino ali z drugimi fazami (to so področje taline − 0, δ-ferita − 1, avstenita − 2, α-ferita − 3, perlita − 4, ledeburita − 5 ter področja mešanih faz, kjer je lahko prisoten tudi cementit − 6) b del faznega diagrama, v katerem je vrisan potek počasnega ohlajanja jekla z 0,2% ogljika
Slika 4.14: Fazni diagram Fe − Fe3C 233
pri segrevanju čistega železa je temperatura taljenja (Tt) tudi tolikšna Pri strjevanju taline se sprosti 290 kJ/kg ( to ni malo, saj se pri zmrzovanju vode sprosti 334 kJ/kg). Ker je gostota jekla skoraj 8 krat večja od gostote vode, je to v volumskem smislu zelo veliko (to je pomembno za porabo vode v železarstvu). 235 pri ohlajanju temperaturo A4 označimo z Ar4, pri segrevanju pa z Ac4 236 transformacija oziroma sprememba kristalne zgradbe je premena (tudi to je nekakšna sprememba "agregatnega" stanja, ampak med dvema trdnima – kristalnima stanjema) 237 sprost se 10,5 kJ/kg, kar je znatno manj kot pri strjevanju 238 pri ohlajanju temperaturo A3 označimo z Ar3, pri segrevanju pa z Ac3 239 sprosti se 28,5 kJ/kg 240 pri ohlajanju temperaturo A2 označimo z Ar2, pri segrevanju pa z Ac2 234
56 Zlitine železa z ogljikom Vidimo, da se zlitine železa in ogljika 241 strjujejo s kristalizacijo v določenem temperaturnem intervalu, razen če so izpolnjeni pogoji za nastanek ledeburita (slika 4.14a). Tudi premeni δ-ferit → avstenit in avstenit → α-ferit potekata, razen v dveh izjemah, v določenem temperaturnem intervalu. Za tehniko je pomembna premena avstenita z 0,8% ogljika 242 , ko pri konstantni temperaturi nastane perlit. Pri taljenju/strjevanju in pri premenah zlitin železa z malo ogljika se porabi/sprosti približno toliko energije kot pri čistem železu. Zaradi kristalizacije in premen, ki pri ogljikovih jeklih potekajo povečini v temperaturnih intervalih, so pri različnih temperaturah v ravnotežju različne faze. Izločanje faze, ki ima manj ali več ogljika od prejšnje (talina ali trdna raztopina), vpliva na koncentracijo ogljika v preostalem delu snovi. − Pri visoki temperaturi je kovina staljena. − Če je v talini ogljika manj od 0,5%, se pri ohlajanju iz taline najprej izloča δ-ferit z manjšo vsebnostjo ogljika. Med izločanjem δ-ferita se koncentracija ogljika v talini povečuje. Kristali δ-ferita imajo telesno centrirano kubično kristalno mrežo. − Če je v talini ogljika manj kot 0,1%, obstaja v določenem temperaturnem intervalu sam δ-ferit, iz katerega pa se v naslednjem temperaturnem intervalu izloča avstenit. Koncentracija ogljika v δ-feritu se zaradi izločanja avstenita zmanjšuje. Maksimalna topnost ogljika v δ-feritu je 0,1% in to pri temperaturi 1493°C. − Če je v talini ogljika 0,1 − 0,5%, se pri temperaturi 1493°C obstoječi delež taline transformira v avstenit. Iz δ-ferita se v določenem temperaturnem intervalu izloča avstenit. Avstenit je nato obstojen v temperaturnem intervalu več sto stopinj. Kristali avstenita imajo ploskovno centrirano kubično kristalno mrežo. − Če je v talini ogljika 0,5 − 4,3%, se pri ohlajanju iz taline izloča avstenit. Koncentracija ogljika v talini se takrat povečuje. − Če je v talini ogljika 0,5 − 2,1%, obstaja od določene temperature dalje avstenit, ki je obstojen v temperaturnem intervalu več sto stopinj. − Če je v talini ogljika 2,1 − 4,3%, se pri temperaturi 1147°C obstoječi delež taline z evtektično sestavo (95,7% Fe, 4,3% C) transformira v ledeburit. Ker se iz avstenita pri ohlajanju izloča sekundarni cementit, se koncentracija ogljika v avstenitu zmanjšuje. − Če je v talini ogljika 4,3 − 6,7%, se pri ohlajanju iz taline najprej izloča primarni cementit. Koncentracija ogljika v talina se zmanjšuje. Na temperaturi 1147°C se osiromašena talina transformira v ledeburit. Pri nadaljnjem ohlajanju se faze več ne spreminjajo. − Če je v avstenitu ogljika manj od 0,8%, se pri ohlajanju izloča α-ferit. Kristali α-ferita imajo telesno centrirano kubično mrežo. Vsebnost ogljika v izločeni fazi je majhna, v preostalem avstenitu pa ta raste. Vsebnosti ogljika v obeh fazah, ki sta v ravnotežju pri jeklu z 0,2% C, sta na faznem diagramu na sliki 4.14b označeni z dvema puščicama. Prva sega do črte, ki razmejuje področje čistega α-ferita od področja faz avstenita in ferita (njena dolžina je a). Druga sega do črte, ki razmejuje področje čistega avstenita 241 242
to so jekla, v katerih je ogljik edini omembe vreden legirni element (ogljikova jekla) ta in vse sledeče vsebnosti ogljika v železu so zaokrožene na eno decimalno mesto (izjema je le α-ferit)
57 od področja faz avstenita in ferita (njena dolžina je b). Količinski del izločene α-faze pri označeni temperaturi v % (mα) se določi z vzvodnim pravilom: b mα = × 100 4.22 a+b − Če je v avstenitu ogljika manj kot 0,02%, obstaja v določenem temperaturnem intervalu samo α-ferit, iz katerega se pri ohlajanju izloča tercialni cementit. To na sliki 4.14a ni prikazano, ker ni dovolj prostora, pač pa na sliki 4.14b. Maksimalna topnost ogljika v α-feritu je 0,02% in to pri temperaturi 723°C. − Če je v avstenitu ogljika 0,02 − 0,8%, se pri temperaturi 723°C obstoječi delež avstenita, ki ima evtektoidno sestavo (99,2% Fe, 0,8% C), transformira v perlit. Iz α-ferita se pri ohlajanju pod to temperaturo izloča tercialni cementit. Tako se zniža koncentracija ogljika v feritu. To je prikazano na sliki 4.14b s črto α-ferit+cementit. − Če je v avstenitu ogljika 0,8 − 2,1%, se pri ohlajanju izloča sekundarni cementit. Koncentracija ogljika v avstenitu se tako znižuje. Pri temperaturi 723°C se preostali avstenit pretvori v perlit, ki ima evtektoidno sestavo. To je temperatura A1 243 .
Kristalna mreža δ-železa, γ-železa in α-železa je ista kot δ-ferita, avstenita in α-ferita, le da je v kristalih zadnjih intersticijsko raztopljen tudi ogljik. δ-ferit, avstenit in α-ferit so torej trdne raztopine železa z ogljikom (zlitine), njihovi kristali pa so zmesni kristali. Za razliko od tega so δ-železo, γ-železo in α-železo kristalne oblike čistega železa. Spremembe agregatnega stanja in spremembe kristalne zgradbe so praviloma povezane s spremembo gostote kovine. Pri segrevanju podevtektoidnega ogljikovega jekla (C < 0,8%) se pri skoraj hipni premeni perlit → γ, ki se nadaljuje z zvezno premeno α → γ, gostota jekla se med temperaturama Ac1 in Ac3 poveča, pri premeni γ → δ pa se gostota jekla zmanjša (ta premena tehnično ni pomembna), po spremembi agregatnega stanja oziroma pri taljenju pa je gostota najmanjša. Fe − Fe3C fazni diagram je primeren za napovedovanje mikostrukture ene vrste zelo pomembnih konstrukcijskih jekel. To so jekla, pri katerih je najbolj vpliven legirni element ogljik (ogljikova konstrukcijska jekla) in, ko je glavna značilnost najnovejše termične zgodovine zelo počasno ohlajanje. Počasno ohlajaje je značilno za normalizacijo. Normalizirana ogljikova konstrukcijska jekla so feritno-perlitna in jih zelo pogosto uporabljamo pri gradnji različnih varjenih konstrukcij. 4.6.2 Premene pri konstantni temperaturi
Avstenit s podevtektoidno sestavo je pod temperaturo A3 nestabilen. Če je podhlajen, se zato sčasoma pretransformira v druge faze. Kaj je rezultat transformacije je odvisno od stopnje podhladitve. To prikazuje diagram izotermičnih premen oziroma TTT diagram 244 . Za tehniko in tehnologijo so takšni diagrami zelo pomembni. Na sliki 4.15 je skiciran izotermični diagram podevtektoidnega ogljikovega jekla z vrisanimi tremi temperaturami izotermične premene (T3, T2 in T1). Dokaz, da gre za podetektoidno jeklo, kamor spadajo tudi vsa ogljikova konstrukcijska jekla, je, da se iz avstenita najprej izloči ferit (F), šele nato pa nastane perlit (P) 245 . 243
pri ohlajanju temperaturo A1 označimo z Ar1, pri segrevanju pa z Ac1 TTT je kratica, ki angleško pomeni: Temperature, Time, Transformation ( temperatura, čas, transformacija) 245 pri nadevtektoidnemu jeklu, bi se najprej izločil sekundarni cementit, nato pa bi nastal perlit 244
58 Ac3
T
Ac1
T3
T2
P
F
A
Ms
B M
T1
Mf HV1
HV2
HV3
log t
Slika 4.15: TTT diagram podevtektoidnega ogljikovega jekla
− Pri hitri ohladitvi avstenita (A) s temperature nad Ac3 na temperaturo T1 < Ms 246 , se prične izredno hitra tvorba martenzita (M). Rezultat premene je jeklo z martenzitno mikrostrukturo. Velikost martenzitnih iglic je enaka velikosti predhodnih avstenitnih zrn. Mehanske lastnosti je najlažje opisati s pomočjo trdote. Trdota tega zakaljenega jekla je odvisna pretežno od vsebnosti ogljika (HV1). − Pri temperaturi podhladitve T2 nakaj malega nad Ms temperaturo, se po določenemu času (presečišče spodnje vodoravne črte s puščico s prvo krivuljo) prične razpad avstenita (A) v bainit (B). Po pretečenem času, ki ustreza presečišču z drugo krivuljo, je ta premena končana. Tvorba bainita je bistveno počasnejša od tvorbe martenzita. Rezultat izotermične premene avstenita pohlajenega na temperaturo T2 je jeklo z bainitno mikrostrukturo. Velikost bainitnih enot (podzrn) je manjša od predhodnih avstenitnih zrn.
Trdota v bainit premenjenega jekla (HV2) je manjša od trdote martenzitnega jekla z isto vsebnostjo ogljika (HV1). Pri nekoliko višji temperaturi bi bil premenski čas v bainit še krajši 247 , njegova trdota pa manjša. To bi se dalo razbrati tudi iz mikrostrukture 248 . − Pri temperaturi podhladitve T3 nekaj pod temperaturo Ac1, se po daljšem času kot v prejšnjem primeru (presečišče zgornje vodoravne črte s puščico s prvo krivuljo) prične premena avstenita (A) v ferit (F). V izločenem feritu je lahko največ 0,02% ogljika, zato se preostali avstenit bogati na ogljiku. Čez določen čas je premena v ferit zaključena (presečišče z drugo krivuljo). Iz obogatenega avstenita z okoli 0,8% ogljika se prične tvoriti perlit (P). Po pretečenem času, ki ustreza presečišču s tretjo krivuljo, je premena v perlit končana. Končni rezultat razpada avstenita na tej temperaturi je izoblikovanje feritno-perlitne mikrostrukture.
Razpad avstenita v ferit in perlit poteka bolj počasi kot transformacija v bainit pri nekaj nižji temperaturi. Velikost nastalih feritnih in perlitnih zrn je manjša od predhodnih avstenitnih zrn. Tudi trdota jekla s feritno-perlitno mikrostrukturo (HV3) je pri isti kemični sestavi manjša od trdote jekla z bainitno mikrostrukturo (HV2), še posebno pa od trdote jekla z martenzitno mikrostrukturo (HV1). 246
z Ms označujemo temperaturo začetka tvorbe martenzita (indeks s pomeni start) vedeti moramo, da je na abscisni osi je merilo logaritemsko 248 namesto spodnjega bi nastal zgornji bainit 247
59 TTT diagrami so primerni za načrtovanje mikostrukture določene vrste jekel. Tu gre v glavnem za vrsto jekel (predvsem orodnih), katerih glavna značilnost najnovejše termične zgodovine pri njihovi proizvodnji je izotermična premena. Oblike TTT diagramov so za različna jekla, ki imajo različno kemično sestavo, seveda različne. Odvisne so od kemične sestave jekla in včasih tudi od izhodnega stanja. Ker je ohlajanje pri varjenju zvezno, pridejo TTT diagrami pri varjenju redko v poštev 249 . 4.6.3 Premene pri zveznem ohlajanju
Tudi pri enakomerno hitrem ohlajanju postane avstenit pod premensko temperaturo A3 nestabilen. V naravi je takšna vrsta ohlajanja nekaj najbolj običajnega. Če poteka ohlajanje z različnimi hitrostmi, pride do začetka razpadanja avstenita v druge faze pri različnih temperaturah. Katere faze se pri tem izoblikujejo je dejansko odvisno od hitrosti ohlajanja. Premene pri zveznem ohlajanju prikazujejo CCT diagrami 250 . Za tehniko in tehnologijo so zelo pomembni 251 . Tudi pri varjenju jih pogosto uporabljamo 252 . Na sliki 4.16 je skiciran CCT diagram za podevtektoidno ogljikovo jeklo z vrisanimi petimi hitrostmi ohlajanja (1, 2, 3, 4 in 5). Vsaka od vrisanih krivulj ponazarja določeno termično zgodovino. Čeprav so kemična sestava jekla, izhodno stanje jekla in temperatura, pri kateri se začne ohlajanje isti, se zaradi različne hitrosti ohlajanja izoblikuje različna mikrostruktura. Seveda so zaradi tega lastnosti jekel različne. T
2
3
4
5
Ac3
1
Ac1
F
P
A
B Ms Mf
M HV1
HV2
HV3
HV4
HV5
log t
Slika 4.16: CCT-diagram podevtektoidnega ogljikovega jekla
Za konstrukcijo CCT-diagrama se pri različnih hitrostih ohlajanja eksperimentalno določi temperaturo začetka tvorbe novih faz, včasih pa tudi konca pretvorbe. Nato se metalografsko določi vrsto izoblikovanih faz, lahko pa tudi njihov delež. Mehanske lastnosti kovine se ponavadi opiše kar s trdoto. Oblika CCT diagramov je odvisna od kemične sestave jekla in včasih tudi od izhodnega stanja. Pri kako hitrem ohlajanju še nastane martenzitna mikrostruktura je odvisno od 249
TTT diagrami so v posebnih primerih odločilni za izbiro tehnologije varjenja težko varivih orodnih jekel, ki jih močno predgrejemo in med varjenjem to temperaturo vzdržujemo 250 CCT je kratica, ki angleško pomeni: Continuous Cooling, Transformation (zvezno ohlajanje, transformacija) 251 te diagrame koristimo jih pri kaljenju oziroma poboljšanju jekel 252 varilni CCT diagrami ustrezajo ohlajanju z zelo visokih temperatur (običajni CCT diagrami so skonstruirani za ohlajanje s temperature nekaj 10K nad temperaturo Ac3 jekla)
60 prekaljivosti jekla 253 . Pravzaprav gre za položaj "bainitnega nosu" v CCT diagramu. Če do transformacije avstenita v bainit pride že po kratkem času, je jeklo slabo prekaljivo. Če izvzamemo ogljik, prekaljivost jekla povečajo vsi legirni elementi 254 . Vsa ogljikova jekla, konstrukcijska in ostala, so torej slabo prekaljiva, zato dobimo pri ogljikovih jeklih martenzit le pri zelo hitrem ohlajanju. − Krivulja 1 ustreza zelo hitremu ohlajanju. Avstenit (A) se na temperaturi Ms prične transformirati v martenzit (M), na temperaturi Mf pa je transformacija končana 255 . Trdota martenzitnega jekla (HV1) je pri nizko ogljičnih konstrukcijskih jeklih odvisna samo od vsebnosti ogljika. Nižja kot je Ms temperatura, trši je martenzit. Trdota martenzita je pravzaprav merilo za kaljivost jekla 256 . Pri večjih začetnih avstenitnih zrnih je trdota nastalega martenzita lahko nekoliko večja kot pri manjših. − Krivulja 2 ustreza nekoliko počasnejšemu ohlajanju. Trdota tega martenzitnobainitnega jekla (HV2) je že manjša od trdote martenzitnega (HV1), saj je bainit mehkejša faza od martenzita. − Krivulja 3 ustreza še bolj počasnejšemu ohlajanju. Tokrat je v mikrostrukturi prisoten tudi ferit. Trdota tega martenzitno-bainitnega-feritnega jekla (HV3) je manjša od trdote martenzitno-bainitnega (HV2), saj je ferit mehkejši od bainita, martenzitni delež pa je tudi manjši. − Ko je v mikrostrukturi prisoten tudi trd perlit (krivulji 4 in 5), je mehkega ferita še več, trdota pa še manjša. Trdota feritno-perlitnih jekel pa se z zmanjševanjem hitrosti ohlajanja še kar zmanjšuje, zato je tudi trdota HV4 nekaj večja od HV5.
CCT diagrami so primerni za načrtovanje ali predvidevanje mikostrukture nekaterih vrst jekel. To so vsa poboljšana jekla, med njimi tudi poboljšana konstrukcijska jekla 257 . Zvezno ohlajanje je značilno za toplotni vpliv varjenja. Zato sta temperatura, do katere je jeklo segreto, in hitrost ohlajanja poglavitni značilnosti najnovejše termične zgodovine tistih delov zvarov, ki se jim zaradi toplotnega vpliva varjenja spremeni mikrostruktura. CCT-diagrami, ki veljajo za pogoje pri kaljenju in poboljšanju, niso enaki varilnim CCT diagramom. Ker je mikrostruktura polikristalnih kovin odvisna od kemične sestave, izhodnega stanja in najnovejše termične zgodovine, oba CCT diagrama niti ne moreta biti enaka, saj gre za različno termično zgodovino 258 . Kljub temu pa so CCT diagrami, ki veljajo za pogoje pri kaljenju, lahko koristna informacija tudi za varjenje.
253
prekaljivost jekla merimo s premerom jeklene palice, ki ima po kaljenju v sredini 50% martenzita izjema je kobalt 255 z Mf označujemo temperaturo zaključka pretvorbe avstenita v martenzit (indeks f pomeni finish) 256 kaljivost jekla merimo s trdoto jekla po kaljenju, če je to izvršeno zmeraj pri enakih pogojih 257 Poboljšanje pomeni, da je jeklo narejeno s kaljenjem (temu delu toplotne obdelave ustreza CCT diagram) in s popuščanjem na določeni temperaturi, zaradi katere je martenzit do določene stopnje popuščen. Zaradi popuščanja se zmanjša trdota takšnega jekla oziroma njegova trdnost, posledično pa se povečata duktilnost in žilavost. 258 Pri kaljenju in poboljšanju ponavadi material dokaj počasi segrejemo v peči. Nato ga za homogenizacijo avstenita dovolj dolgo držimo na predpisani temperaturi nekoliko nad temperaturo Ac3 (kalilna temperatura). Šele nato ga hitro ohladimo (kalimo). Pri varjenju se material v različnih točkah zvara hitro segreje do različno visokih temperatur. Ponekod je to dokaj blizu tališča jekla, drugod pa manj. Ko je dosežena najvišja temperatura, se nastali avstenit, ne da bi bil popolnoma homogen, nekontrolirano hitro ohladi in se pri tem bolj ali manj zakali ali pa tudi ne (to je odvisno od kemične sestave jekla in od hitrosti ohlajanja) 254
61
5 NASTANEK ZVARA Za varjenje potrebujemo energijo, ponavadi v obliki toplote ali mehanskega dela. Pogosto koristimo oboje hkrati 259 . Za možnost gradnje velikih konstrukcij z velikimi preseki zvarov, ki so mehansko zelo močno obremenjeni, je posebno pomembno talilno varjenje. Pri talilnem varjenju je pogosto potreben zvarni žleb. Brez njega namreč konstrukcijskih elementov večjih debelin z običajnimi varilnimi stroji ne bi mogli spojiti. Pri tem je potreben tudi dodajni material. Pri varjenju ga stalimo in z njim zapolnimo zvarni žleb. Pri varjenju je dovajanje toplote ali mehanskega dela izrazito lokalno. Rezultat lokalnega dovajanja toplote je določen toplotni vpliv na material varjenih elementov 260 . Vpliv varjenja je najbolj opazen na tistih mestih, kjer se material med varjenjem najbolj segreje. − Na sliki 5.1a je prikazano, koliko se material segreje v primeru šivnega varjenja na različnih oddaljenostih od črte, po kateri potuje vir toplote 261 . Spodaj je prikazan zvar, ki nastane pri tem. Material, ki je bolj oddaljen od vara, se zaradi zakasnitve pri prevajanju toplote segreje do maksimalne temperature Tp kasneje kot material, ki je manj oddaljen. Za posledice toplotnega vpliva na material ta zakasnitev ni pomembna. − Na sliki 5.1b je na delu Fe-Fe3C diagrama prikazano, katere vrednosti dosežene temperature omejujejo posamezna področja zvara pri varjenju ogljikovih konstrukcijskih jekel. Tp Tt
1600
Ac4
1400
talina
1200 A 1000
Ac3
800
Ac1 II
I
I TVP T
var T>Tt
a
II
600
TVP T
F+P
x
400 0
Ogljik
1
2
b
a dosežena maksimalna temperatura prečno na zvar; b kje nastane var in kje TVP
Slika 5.1: Nastanek zvara pri šivnem varjenju jekla z 0,2% ogljika 259
Če vnesemo toploto, da se del materiala stali, gre za talilno varjenje. Pogosto služi toplota le za segrevanje in zmehčanje materiala, spoj pa nastane šele pri uporabi dovolj velike mehanske sile, ki material zgnete.
260
O temu vplivu bomo podrobneje govorili v poglavju 5.2 če se temperatura materiala za določen čas zviša nad temperaturo tališča, se material stali
261
62
5.1 Področja zvarov Pri zvarih, ki med seboj spajajo dva ali več konstrukcijskih elementov, narejeni pa so s taljenjem materiala ali z zmehčanjem materiala in njegovim zgnetenjem, razlikujemo dve področji (slika 5.2). Nastanek obeh je rezultat toplotnega vpliva varjenja 262 . 1. Določen del varjenih elementov stalimo ali pa jih zgnetemo. Talina se strdi s kristalizacijo (slika 5.2a), segret in z zunanjo silo zgneten material pa rekristalizira (slika 5.2b). Ko se ta material hladi, se lahko njegova mikrostruktura še spremeni. Na koncu je to področje, ki ga poznamo kot var. 2. Določen del varjenih elementov za kratek čas samo segrejemo. Temperatura je prenizka, da bi se material stalil ali pa da bi se zaradi zunanje sile plastično deformiral, četudi je segret in precej zmehčan. Ko se ta material hladi, se lahko njegova mikrostruktura še spremeni. Na koncu je to področje, ki ga poznamo kot TVP (sliki 5.2a in 5.2b) 263 . črta taljenja
var
osnovni material
var
osnovni material
osnovni material
toplotni vpliv v varu
TVP
črta zlitja
TVP
a
var
osnovni material
TVP
b
a dvovarkovni soležni V-zvar, ki je narejen v dveh potezah a; b točkovni zvar, ki je narejen brez dodajnega materiala
Slika 5.2: Var in TVP
TVP in var razmejuje črta taljenja oziroma črta zlitja materiala. Področji nastalega TVP in nespremenjenega osnovnega materiala razmejuje doseg temperature, kjer se mikrostruktura ne spremeni. Višina potrebne temperature za spremembo mikrostrukture materiala je odvisna od vrste materiala 264 . Mikrostruktura TVP in mikrostruktura vara se tako močno razlikujeta od mikrostrukture osnovnega materiala, da se to celo s prostim očesom zlahka opazi (slika 5.3a). Na metalografskih obrusih je razlika med posameznimi področji še bolj očitna. Vidi se celo, da gre za različno obliko zrn in obstoj popolnoma drugih faz (slika 5.3b). Tako kot pri vseh polikristalnih kovinah velja tudi pri zvarih, da je njihova mikrostruktura funkcija kemične sestave, izhodnega stanja in termične zgodovine: − TVP nastane iz osnovnega materiala. Po ohladitvi je njegova mikrostruktura odvisna od kemične sestave osnovnega materiala, od stanja osnovnega materiala pred varjenjem ter od celotnega toplotnega vpliva izdelave zvara. −
262
Var lahko nastane samo iz osnovnega materiala, pogosto pa je večinoma iz dodajnega materiala. Po ohladitvi je njegova mikrostruktura odvisna od kemične sestave ter od pogojev pri rekristalizaciji ali strjevanju, kakor tudi od načina, kako se je shladil.
prvi zvar na sliki je narejen pri šivnem, drugi pa pri stacionarnem varjenju kratice TVP pomenijo toplotno vplivano področje zvara 264 Pri ogljikovih konstrukcijskih jeklih je to navadno temperatura Ac1 (723°C), čeprav je v določenih primerih lahko ta temperatura tudi nižja (npr temperatura popuščanja, rekristalizacijska temperatura ali temperatura umetnega staranje jekel; poglavje 6.3). 263
63
a
b
a makro posnetek X-zvara debeline 19 mm; b dva mikro posnetka: zgoraj meja med varom in TVP, spodaj nespremenjeni osnovni material, ki je feritno-perlitno jeklo
Slika 5.3: Področji zvara, ki se izoblikujeta pri talilnem varjenju
Za mikrostrukturo vara in TVP večvarkovnih zvarov so pomembni tudi kasnejši toplotni vplivi, ki so povezani z izdelavo zvara 265 . Var, TVP in osnovni material imajo različno mikrostrukturo, zato so njihove lastnosti različne. Za uporabnike varjenih konstrukcij je zelo pomembno, da je zvar primerne kakovosti. Ker osnovni material za varjene konstrukcije zmeraj izberemo na osnovi njegovih lastnosti, je treba v primerih, ko gre za varjenje z uporabo dodajnega materiala, s pravilno izbiro le-tega in z izvedbo primerne tehnologije varjenja zagotoviti, da so lastnosti vara in TVP enakovredne uporabljenemu osnovnemu materialu 266 . To je važno za zanesljivo in varno uporabo varjenih konstrukcij 267 .
5.2 Razmere pri izdelavi zvarov Najnovejša termična zgodovina materiala vseh področij zvara, ki so v varjenem stanju, je povezana le z varjenjem 268 . Varjenje je navadno zadnja delovna faza izdelave varjenih konstrukcij. Zato so lastnosti zvarov v varjenem stanju odvisne od varilnih parametrov. Mikrostruktura zvarov se izoblikuje med varilnim ciklom 269 . Oblika spojev in zvarjenih elementov sta v naprej predvideni 270 . 265
izdelava vsakega sledečega varka vpliva na najbližje dele že obstoječega dela zvara obstajajo tudi izjeme, ko je potrebno, da so mehanske lastnosti zvara nižje ali višje od mehanskih lastnosti osnovnega materiala 267 največkrat so za uporabnost varjenih konstrukcij pomembne mehanske lastnosti 268 Pri zvaru v "varjenem stanju" je mikrostruktura v vsaki točki odvisna izključno od varjenja. Isto velja tudi za zaostale napetosti, ki so posledica izdelave spojev z varjenjem. 269 značilni časovni potek temperature med varjenjem poznamo kot varilni cikel (pri večvarkovnem varjenju gre za več zaporednih varilnih ciklov) 270 razen varilnih parametrov so za izoblikovanje mikrostrukture zvarov pomembne tudi oblika in dimenzije zvarov ter varjenih elementov, prav tako pa tudi temperatura varjenega materiala 266
64 Včasih izdelke, ki so narejeni z varjenem, obdelamo tudi toplotno. V takšnih primerih je najnovejša termična zgodovina vseh delov zvara povezana z zadnjim toplotnim vplivom in ne več z že davno pred tem zaključenimi vplivi izdelave zvara z varjenjem 271 . Na sliki 5.4 sta za primer šivnega talilnega varjenja nekega ogljikovega konstrukcijskega jekla skicirana poteka najnovejše termične zgodovine materiala iz dela TVP tik ob varu 272 in materiala, ki spada k varu. T
T Tp
1500°C
1500°C
800°C
800°C
500°C
500°C Δt8/5
Δt8/5
t
a
t
b
a temperaturne razmere med varjenjem v osnovnem materialu tik ob črti taljenja (TVP); b temperaturne razmere med varjenjem v varu
Slika 5.4: Oblika varilnih ciklov pri nastanku TVP in vara
Podrobneje poglejmo potek temperaturnega cikla, ki je posledica toplotnega vpliva varjenja na mestu, kjer nastane TVP, in na mestu, kjer nastane var: 1. Termična zgodovina materiala v določeni točki TVP se začne s segrevanjem izhodnega osnovnega materiala. − Na sliki 5.4 je med segrevanjem pri 800°C prikazan določen temperaturni zastoj. To je posledica porabe toplote za premeno jekla pri segrevanju273 . − Po doseženi najvišji temperaturi varilnega cikla Tp se material prične ohlajati 274 . Med ohlajanjem je pri 600°C prikazan določen temperaturni zastoj. To je posledica sproščanja toplote pri premeni jekla 275 . 2. Termična zgodovina materiala v varu se začne z začetkom ohlajanja zvarne kopeli. − Kljub veliki razliki med temperaturo zvarne kopeli in okolice je na sliki 5.4b do približno 1500°C ohlajanje delno strjene taline dokaj počasno. To je posledica 271
vpliv opravljenega varjenja se na zvarih, ki so normalizirani, poboljšani, žarjeni, kovani ali so v kakšnem drugačnem stanju, odraža v izhodnem stanju vara in TVP pred izvedbo takšne mehanske ali toplotne obdelave 272 to se vidi iz maksimalne temperature varilnega cikla, ki skoraj doseže temperaturo tališča jekla 273 Temperatura zastoja je višja od temperature Ac1. Odvisna je od kemične sestave osnovnega materiala (pri ogljikovih konstrukcijskih jeklih predvsem od vsebnosti ogljika) in od hitrosti segrevanja. 274 kako hitro je ohlajanje bo podrobneje pojasnjeno v nadaljevanju tega poglavja 275 Temperatura zastoja je tako kot pri segrevanju odvisna od materiala (pri ogljikovih konstrukcijskih jeklih predvsem od vsebnosti ogljika), pa tudi od hitrosti ohlajanja. Zaradi hitrega ohlajanja začetek premene kasni, zato je zastoj znatno nižji od temperature Ac1 (pri kateri temperaturi so formalno izpolnjeni pogoji za transformacijo avstenita pri nekem določenem jeklu, je mogoče razbrati iz CCT diagrama, kar se vidi na sliki 4.16).
65 velike količine toplote, ki se v določenem temperaturnem intervalu sprošča pri strjevanju taline (poglavje 4.6.1). − Označeni temperaturni zastoj med ohlajanjem že strjenega vara pri približno 700°C je posledica sproščanja toplote pri premeni jekla. Ker pri talilnem varjenju z uporabo dodajnega materiala kemični sestavi TVP in vara nista enaki, je temperaturni zastoj v varu ponavadi pri višji temperaturi kot v TVP 276 . Pri varjenju so posamezne točke različnih delov TVP in vara skoraj v kontaktu. Obe področji zvara nista kaj prida obsežni 277 . Zaradi dobre toplotne prevodnosti kovin se poraba ali sproščanje toplote pri strjevanju in premenah opazi tudi v najbližji okolici. Temperaturni zastoji pri premenah med segrevanjem in ohlajanjem so zato navadno neopazni, med drugim tudi zato, ker se toplota pri zlitinah, razen v nekaj izjemah, sprošča in porablja v določenih temperaturnih intervalih. Izvori in ponori toplote pri premeni so prostorsko porazdeljeni, kar še dodatno zabriše njihovo sled. Temperatura namreč v istem času ni enaka po celotnem zvaru (slika 5.1). Ohlajanje vara in celotnega TVP je v bistvu enako hitro. Temperatura se s prevajanjem toplote po zvaru hitro izenači. Tako so pri višjih temperaturah v zvarih sicer še določene razlike v hitrosti ohlajanja 278 , pri nižjih temperaturah, ki so pomembne za izoblikovanje končne mikrostrukture zvarov, pa večjih razlik v hitrosti ohlajanja med varom in TVP v resnici sploh ni 279 . Tako kot pri vseh kovinah je tudi pri ogljikovih jeklih za mikrostrukturo TVP in vara odločilna najnovejša termična zgodovina varjenja. Pri tem je poleg maksimalne temperature varilnega cikla pomembna hitrost ohlajanja v času, ko poteka premena. Zato pri teh jeklih uporabljamo za merilo hitrosti ohlajanja pri varjenju čas trajanja temperature med 800 in 500°C. Označimo ga kot čas Δt8/5 (slika 5.4) 280 . Hitrost ohlajanja in čas Δt8/5 sta diametralno nasprotna pojma 281 . Pri šivnem varjenju je čas Δt8/5 v glavnem odvisen od specifičnega vnosa toplote na enoto dolžine vara, pri stacionarnem varjenju pa od specifičnega vnosa toplote na enoto volumna vara. Pri hitrosti ohlajanja imajo veliko vlogo tudi toplotne lastnosti materiala in dimenzije varjenih elementov ter oblika varjenih komponent in zvarov pa tudi temperatura materiala pred, oziroma med varjenjem 282 . Za hitrost odtekanja toplote iz zvara so pomembni temperaturni gradienti okoli najbolj segretega dela materiala, iz katerega nastane zvar. Od česa je odvisna hitrosti ohlajanja, ki je odločilna za termično zgodovino zvarov, je skicirano na sliki 5.5: 276
razlog za zastoj pri nižji temperaturi je nižja vsebnost ogljika v dodajnem materialu v primerjavi z osnovnim prostorska omejenost vara in TVP je posledica omejenih moči izvorov toplote, ki jih uporabljamo pri varjenju 278 material vara je segret nad tališče jekla, nekateri deli TVP pa le malo čez temperaturo Ac1 279 To dejstvo omogoča enostavno določitev hitrosti ohlajanja zvarov. Termočlen, ki je obstojen na temperaturi taline, je treba vstaviti v zvarno kopel in po kristalizaciji taline beležiti časovni potek temperature, ki postane hitro enaka po vsem zvaru (tudi v TVP). 280 pri varjenju s klasičnimi postopki je čas Δt8/5 dolg od nekaj sekund do nekaj deset sekund, izjemoma tudi preko sto sekund (pri varjenju z elektronskim snopom, laserjem in mikroplazmo je ohlajanje bistveno hitrejše, zato je čas Δt8/5 lahko tudi krajši od ene sekunde). 281 če se hitrost ohlajanja zveča, se čas Δt8/5 skrajša, in obratno 282 Pri večvarkovnem šivnem varjenju je temperatura materiala na začetku varjenja vsakega varka odvisna tudi od vnešene toplote pri varjenju predhodnega varka. To temperaturo imenujemo medvarkovna temperatura (seveda je popolnoma drugače, če mine med varjenjem varkov veliko časa in se delno izdelan zvar popolnoma ohladi). 277
66
najnovejša termična zgodovina zvara
hitrost ohlajanja zvara oziroma čas Δt8/5
vnos toplote
temperatura materiala
debelina mat.
Slika 5.5: Shematski prikaz odvisnosti najnovejše termične zgodovine materiala zvarov
− Če je vnos toplote velik, mora za ohladitev zvara odteči mnogo toplote. Ker se je segrelo tudi več materiala, so vzpostavljeni temperaturni gradienti manjši. Toplota odteka zato počasneje. Čas ohlajanja Δt8/5 pa je daljši. − Če je temperatura materiala ob začetku varjenja višja, so vzpostavljeni temperaturni gradienti proti hladni okolici manjši. Toplota zato odteka počasneje, čas ohlajanja Δt8/5 pa je daljši. − Če je material debel, je v okolici zvara več materiala, v katerega lahko odteka toplota. Vzpostavijo se večji temperaturni gradienti, zato je ohlajanje hitrejše. Čas ohlajanja Δt8/5 je zaradi tega krajši.
5.3 Toplotno vplivano področje zvara Neposredni vzrok za nastanek TVP zvarov je dovajanje energije za spajanje. Pri talilnem varjenju je to toplota, s katero material lokalno segrejemo in stalimo. Pri netalilnem varjenju je del te energije toplota, del pa mehansko delo. Mehansko delo se porabi za plastično deformiranje segretega materiala pri gnetenju. V primeru večvarkovnega varjenja toplotni vpliv varjenja ni opazen samo na osnovnem materialu, ampak tudi na predhodnih varkih (slika 5.2a) 283 . Ker se osnovni material v TVP ne stali, ostane kemična sestava materiala v njem takšna, kot je bila prej 284 . Pri šivnem varjenju je neposredna posledica vnašanja energije za spajanje varilni cikel. Za potek temperature med varilnim ciklom so značilne tri časovne sekvence: 1. relativno hitro segrevanje 2. kratek čas zadržanja na maksimalni temperaturi varilnega cikla 3. ohlajanje Potek vsake sekvence je odvisen od zunanjih vplivov. To so varilni parametri, oblika zvara in lastnosti materiala ter pogoji v okolici zvara, ki vplivajo na odvajanje toplote 285 . 283
te dele zvara ne prištevamo k TVP (TVP zvara je posledica toplotnega vpliva varjenja na osnovni material) V vsaki točki TVP je kemična sestava materiala enaka sestavi varjenega materiala. Vendar pa je mikrostruktura TVP zmeraj drugačna od mikrostrukture osnovnega materiala (v delu TVP, ki je bolj oddaljen od vara, je termična zgodovina zaradi nižje maksimalne temperature varilnega cikla drugačna kot v delu TVP, ki je bližje vara) 285 razsežnost in temperatura varjenih elementov 284
67 5.3.1 Segrevanje V tej sekvenci varilnega cikla je pomembna hitrost segrevanja materiala in višina dosežene maksimalne temperature Tp (slika 5.4a). Pri šivnem varjenju je hitrost segrevanja odvisna od količine vnešene toplote na enoto dolžine zvara, od oblike zvara in termičnih lastnosti materiala ter od varilnih pogojev286 . Kaj se zgodi v fazi segrevanja z ogljikovim jeklom (npr jeklo z 0,2% ogljika) vidimo na sliki 5.1b 287 : − Dokler ni presežena temperatura Ac1, se mikrostruktura izhodnega osnovnega materiala bistveno ne spremeni. − Pri perlitnih jeklih so pri temperaturi Ac1 izpolnjeni pogoji za neposredno premeno perlita v avstenit z evtektoidno sestavo (0,8% ogljika) z reakcijo: α + Fe3C → γ
5.1
Ker so razdalje med cementitnimi lamelami v perlitu majhne, je hitrost difuzije ogljika pri temperaturi Ac1 dovolj velika, da se koncentracija ogljika v celotnem zrnu izenači skoraj v trenutku 288 . Če pa hitrost difuzije le ni zadostna za takojšnjo premeno v avstenit, se perlit zaradi hitrega segrevanja pregreje. Hitrost difuzije ogljika je pri temperaturah nad Ac1 večja, hitrost premene pa tudi. Na isti način se premenijo v avstenit z evtektoidno sestavo tudi vsa perlitna zrna v feritno-perlitnih jeklih. Podobno je tudi v jeklih z "α"-fazo, kjer so drobni cementitni delci porazdeljeni v feritu 289 . Pri temperaturi Ac1 se cementitni delci hkrati s feritom, ki se nahaja v njihovi neposredni bližini, premenijo v avstenit z evtektoidno sestavo 290 . − Pri feritno-perlitnih jeklih, feritno-bainitnih, čisto bainitnih, bainitno-martenzitnih ali popuščenih martenzitnih jeklih so med temperaturo Ac1 in Ac3 v feritu oziroma v "α"fazi dlje od cementitnih delcev izpolnjeni pogoji za reakcijo: α→γ
5.2
Zaradi manjšanja topnosti ogljika v feritu nad temperaturo Ac1 se iz njega izloča avstenit z bistveno več ogljika. Pri višjih temperaturah je ogljika v izločenem avstenitu vse manj 291 . Zaradi hitrega segrevanja in omejene hitrosti difuzije ogljika pri izločanju 286
a) Če vnos toplote povečamo, je hitrost segrevanja materiala manjša. b) Če je število elementov, ki jih spajamo na enem mestu večje ali pa je večja debelina elementov, je zaradi večje mase hitrost segrevanja manjša. c) Večja toplotna prevodnost materiala omogoča, da je odtekanje toplote hitrejše, zato je hitrost segrevanja manjša. d) Pri večji specifični toploti materiala je potrebno več toplote za zvišanje notranje energije materiala. Hitrost segrevanja je zato manjša. e) Nizka temperatura materiala ter prepih ali veter med varjenjem in temperatura zraka so vzrok za hitrejše odvajanje toplote. Hitrost segrevanja je zato manjša. 287 pri varjenju poteka segrevanje dokaj hitro (npr pri obločnem varjenju tudi 200 − 300 Ks −1, pri laserskem varjenju in pri varjenju z elektronskim snopom pa je segrevanje zaradi velike intenzitete energijskega snopa še veliko hitrejše) 288 perlit tvorijo feritne in cementitne lamele debeline nekaj 0,1 μm 289 290
z "α" označimo fazo, ki je glede na kristalno mrežo ena oblika ferita (npr bainit ali popuščeni martenzit)
na površini cementitnega delca, ki meji na ferit, so razmere podobne kot na mejnih ploskvah med lamelami cementita in ferita v perlitnih zrnih 291 potek temperature Ac3 v odvisnosti od koncentracije ogljika je razviden s slike 4.14 (izločanje avstenita iz ferita poteka z vzvodnim pravilom)
68 avstenita se ferit pregreje. Razdalje, do katerih mora ogljik difundirati za izločanje avstenita, so namreč velike. Če je segrevanje zelo hitro, se avstenitizacija zaključi šele veliko nad temperaturo Ac3 292 . − Zaradi potrebnega časa za difuzijo se pretvorba kristalne mreže med varilnim ciklom konča nad temperaturo Ac3. Nastali avstenit takrat ni homogen, saj v njem koncentracija legirnih elemenov še ni izenačena 293 . V okolici le malo pred tem popolnoma raztopljenih cementitnih delcev je koncentracija ogljika višja kot drugod. Isto je s sestavinami drugih izločkov. Temperaturno bolj obstojni izločki se še niso raztopili. Razlog za večjo nehomogenost avstenita je tudi velika hitrost segrevanja in ponekod nizka maksimalna temperatura varilnih ciklov. Pri nižjih maksimalnih temperaturah je avstenit praviloma bolj nehomogen kot pri višjih 294 . − Šele tik pod tališčem jekla pride do reakcije: γ→δ
5.3
Pri varjenju poteka ta reakcija tik ob črti taljenja, zato se tega na obrusih ponavadi sploh ne da opaziti. Raztapljanje temperaturno najbolj stabilnih izločkov je pri teh temperaturah seveda najhitrejše. − Pri temperaturah nad 1200°C pričnejo avstenitna zrna rasti zaradi vse večje hitrosti difuzije osnovnih kristalnih gradnikov. Z manjšanjem deleža gradnikov na kristalnih mejah polikristalni materiali svojo energijo znižajo 295 . Hitrost rasti kristalov omejuje prisotnost fino dispergiranih izločkov ali vključkov 296 . 5.3.2 Čas maksimalne temperature V tej sekvenci varilnega cikla je pomembna višina maksimalne temperature Tp in čas trajanja najvišjih temperatur. Na sliki 5.1a vidimo, da je dosežena maksimalna temperatura v varjenem materialu tem višja, čim bližje je varu. Višina dosežene maksimalne temperature varilnega cikla v določeni točki TVP je torej odvisna od tega, kolikšna je oddaljenost te točke od črte taljenja. Pri šivnem varjenju je čas zadrževanja na najvišjih temperaturah varilnega cikla odvisen od razmerja med velikostjo zvarne kopeli 297 in hitrostjo gibanja vira toplote, pri stacionarnem varjenju pa od obsega segretega materiala in celotne količine dovedene energije.
292
proces avstenitizacije se začne z začetkom pretvorbe kristalne mreže homogenizacija avstenita je izenačevanje koncentracije kemijski elementov v trdni raztopini (avstenit je trdna raztopina z ogljikom, v kateri so poleg železa po malem prisotni tudi drugi kemični elementi) 294 poglavitni vzrok za nehomogenost je omejena hitrost difuzije ogljika in ostalih legirnih elementov v jeklu ter premene, ki potekajo v določenih temperaturnih intervalih, ter raztapljanje nekaterih faz, ki se začne šele pri visokih temperaturah 295 Kristalna zrna težijo h krogelni obliki (krogla je telo z najmanjšim razmerjem med površino in volumnom). Manjše število velikih zrn vsebuje na mejah manj atomov kot večje število majhnih zrn z enakim skupnim volumnom. Energija množice drobnih zrn je tako višja. 296 Ti delci so nekakšna sidra za položaj kristalnih mej. Zaradi njihove prisotnosti zrna pri visokih temperaturah počasneje rastejo, če je le njihova gostota v kristalih dovolj velika (zato morajo biti fino dispergirani). Višja kot je temperatura, manj je neraztopljenih izločkov v matici. Zato je zelo pomembno, da so izločki takšne vrste, da pri maksimalni temperaturi varilnega cikla tik ob črti taljenja niso popolnoma raztopljeni. Zagotavljanje prisotnosti fino dispergiranih izločkov v jeklu je zelo pomembna naloga proizvajalcev kakovostnih konstrukcijskih jekel. 297 velikost zvarne kopeli je odvisna od vnešene toplote (to je vnešena energija na enoto dolžine zvara) 293
69 Če maksimalna temperatura varilnega cikla ni bistveno višja od temperature Ac3, homogenizacija avstenita takrat gotovo še ni dokončana. Avstenit lahko postane v tako kratkem času homogen le pri zelo visokih maksimalnih temperaturah. Če je hitrost segrevanja večja, je tudi zakasnitev homogenizacije avstenita večja. Homogenizacija avstenita najhitreje poteka prav pri maksimalni temperaturi varilnega cikla. Takrat se izločki, ki so bili pri malo nižji temperaturi še stabilni, najhitreje raztapljajo 298 . Zato so legirni elemeni, ki tvorijo te izločke, za homogenizacijo avstenita na voljo šele pri najvišjih temperaturah, pri malo nižjih maksimalnih temperaturah pa ne. Kristalna zrna v tej sekvenci varilnega cikla najhitreje rastejo. To je posebno izrazito na področju, ki se nahaja tik ob črti taljenja, kjer je maksimalna temperatura blizu temperature taljenja jekla. Dodatni razlog za rast zrn je odsotnost delcev, ki rast zrn lahko ovirajo. Pri temperaturah čisto blizu tališča jekla so izločki, ki imajo to funkcijo, ponavadi raztopljeni 299 . Zaradi nastalega grobega zrna so lastnosti materiala TVP navadno najslabše prav ob črti taljenja 300 . Če je najvišja temperatura varilnega cikla nižja od temperature Ac3, vendar višja od temperature Ac1, avstenitizacija osnovnega materiala gotovo ni zaključena. Med varilnim ciklom se premeni samo določen delež varjenega materiala 301 . To se pozna na lastnostih TVP. 5.3.3 Ohlajanje V tej sekvenci varilnega cikla je pomembna hitrost ohlajanja v temperaturnem intervalu, kjer teče premena 302 . Hitrost ohlajanja je odvisna od količine vnešene toplote na enoto dolžine zvara, od oblike zvara, od termičnih lastnosti varjenega materiala in od pogojev pri varjenju 303 . Kaj se dogaja pri varjenju ogljikovih jekel med ohlajanjem ni mogoče razbrati iz Fe-Fe3C diagrama. Ta diagram velja le za zelo počasno ohlajanje. Zaradi znatne hitrosti ohlajanja se avstenit podhladi in reakciji γ→α
ter
γ → α+Fe3C
5.4
se lahko začneta zelo pozno. Hitrost difuzije kristalnih gradnikov, ki je nujno potrebna za premeno, je pri nižjih temperaturah mnogo manjša kot prej, ko je bila temperatura še višja. Premena, do katere
298
hitreje se raztopijo tisti izločki, katerih topnost je večja, in med enakovrstnimi izločki tisti izločki, ki so manjši izjema so konstrukcijska jekla najvišje kakovosti, ki so zato seveda znatno dražja 300 predvsem žilavost in duktilnost 301 perlitna zrna, majhni cementitni izločki s feritom iz neposredne okolice izločkov itd 302 to velja v primerih, ko gre za transformabilne kovine 303 a) Če vnos toplote povečamo, je hitrost ohlajanja manjša. S prevajanjem mora namreč pri manjših temperaturnih gradientih odteči več toplote. b) Če je število elementov, ki jih spajamo večje ali pa je večja debelina elementov, je zaradi večjih presekov odtekanje toplote lažje, ohlajanje pa hitrejše. c) Večja toplotna prevodnost materiala omogoča hitrejše odvajanje toplote. d) Pri večji specifični toploti materiala se v zvaru akumulirano več toplote, ki mora kasneje odteči. Ohlajanje je zato počasnejše. e) Nizka temperatura materiala ter prepih ali veter med varjenjem in temperatura zraka so vzrok za hitrejše odvajanje toplote. Ohlajanje je zato bolj hitro (ri varjenju predgretega materiala je ohlajanje počasnejše, kot če je material hladen, prav tako je pri varjenju v vodoravni legi ali na steni ohlajanje s konvekcijo hitrejše kot pri varjenju v nadglavni legi). 299
70 pride z določeno zakasnitvijo, poteka zaradi omejene difuzivnosti drugače kot premena v ravnotežnih pogojih. Če gre za ogljikova jekla, govorimo o kaljenju. Zmožnost kaljenja ogljikovih konstrukcijskih jekel pri varjenju se da izračunati iz ogljikovega ekvivalenta (CE) jekla 304 . Večji kot je ekvivalent CE, bolj kaljivo je jeklo.
CE = C +
Cr + Mo + V Ni + Cu + 5 15
5.5
Vsebnost kemičnih elementov je treba izraziti v [%]. Ko se med varilnim ciklom prične sekvenca ohlajanja, se do temperature Ar3 305 z avstenitom ne dogaja nič posebnega. V tem času homogenizacija pravzaprav še poteka, vendar zmeraj bolj počasi, saj se hitrost difuzije s temperaturo hitro zmanjšuje. Pod temperaturo Ac3 je avstenit podhlajen: − Kadar gre za hitro ohlajanje, je dosežena podhlajenost lahko zelo velika. V primeru, da pred tem avstenit ni bil homogen, je koncentracija raztopljenih kemičnih elementov, med katerimi je posebno pomemben ogljik, ponekod bistveno večja kot drugod. Zaradi tega je temperatura Ac3 lokalno nižja od tiste, ki velja za jeklo. − Kadar gre za počasno ohlajanje, se med temperaturo Ar3 in Ar1 na kristalnih mejah ter na mejam med vključki in izločki iz avstenita začne izločati ferit (slika 5.6). Zaradi vse večje prisotnosti z ogljikom manj legiranega ferita se z ogljikom bogati preostali avstenit 306 (slika 4.14 in enačba 4.22). Pri zelo počasnem ohlajanju bi iz avstenita, ki ima evtektoidno sestavo, nastal perlit.
A F
Slika 5.6: Izločanje ferita (F) iz avstenita (A)
Pri varjenju je ohlajanje redko tako počasno, da bi se lahko v zvaru izoblikovala feritnoperlitna mikrostruktura. Zato uporaba Fe−Fe3C-diagrama ni primerna za napovedovanje mikrostrukture zvarov na ogljikovih konstrukcijskih jeklih. Koristiti je treba ustrezne CCTdiagrame, v katerih je upoštevana tudi hitrost ohlajanja in sposobnost kaljenja jekel. 304
Če je avstenit med ohlajanje zvara močno nehomogen, ponekod nastane izredno trd martenzit, možen pa je celo obstoj zaostalega avstenita. Takrat govorimo o martenzitno-avstenitnih fazah. Nehomogenost avstenita je posledica dejstva, da so se ponekod raztopili večji delci cementita ali drugih karbidov (cementit je železov karbid), ni pa bilo dovolj časa, da bi se koncentracije raztopljenih kemijskih elementov izenačile. Zaradi tega je ponekod lahko vsebnost ogljika in drugih elementov v obstoječem avstenitu nenormalno visoka. Omenjena situacija je najbolj verjetna v tistem delu TVP, kjer je v trenutku, ko se je končalo raztapljanje delcev, ravno dosežena maksimalna temperatura varilnega cikla. Takrat ni možnosti, da bi se lokalno povečana koncentracija elementov z difuzijo lahko izenačila, saj se že začne sekvenca ohlajanja (hitrost difuzije se zaradi nižanja temperature hitro manjša). 305 Ar3 ≅ Ac3 306 ferit je trdna raztopina z ogljikom, v kateri so poleg železa v manjših količinah prisotni tudi drugi kemični elementi (v tabeli 4.3 vidimo, da je topnost ogljika v feritu mnogo manjša od topnosti ogljika v avstenitu)
71
5.4 Mikrostruktura TVP Varilni CCT-diagram je shematski prikaz izoblikovanih faz v nekem delu TVP med enovarkovnim varjenjem določene kovinske zlitine. Z njim so opredeljene vse faze, ki so prisotne v ohlajenih zvarih, v točkah, kjer je dosežena enaka maksimalna temperatura varilnih ciklov. Posamezni deli TVP se razlikujejo po maksimalni temperaturi varilnih ciklov. Dosežena maksimalna temperatura pa na vseh oddaljenostih od črte taljenja ni enaka. Pri varjenju z majhnimi vnosi toplote doseg zelo visokih temperatur ni velik, večji je pri varjenju z velikimi vnosi toplote. Na sliki 5.7 so prikazani CCT-diagrami materiala treh delov TVP. Skonstruirani so pri izvedbi simulacije varjenja. Veljajo izključno za visoko trdno ogljikovo konstrukcijsko jeklo Nionicral 70 307 in sicer za grobozrnati del, finozrnati del in delno prekristalizirani del TVP. Značilnost teh delov TVP so tri maksimalne temperature varilnega cikla in to okoli 1350°C (slika 5.7a), 960°C (slika 5.7b) in 780°C (slika 5.7c). Lastnosti materiala TVP so v CCT diagramih predstavljene kar s trdoto merjeno v enotah HV10. 0
1000
0
600
0
400
0
200
0
Nionicral 70 Tp ≅ 780 °C
T [°C]
800
0
Nionicral 70 Tp ≅ 960 °C
Nionicral 70 Tp ≅ 1350 °C
0 10 0
10 1
10 2
10 3
t – t 800 [s]
a
0 10 4 10 0
0
10
1
10
2
t – t 800 [s]
b
10
3
0 10 4 10 0
10 1
10 2
10 3
10 4
t – t 800 [s]
c
a grobozrnati del TVP: material se med varjenjem segreje skoraj do tališča; b finozrnati del TVP: material se med varjenjem segreje nad temperaturo Ac3; c delno prekristalizirani del TVP: material se med varjenjem segreje med temperaturo Ac1 in Ac3
Slika 5.7: Varilni CCT diagrami za tri dele TVP na jeklu Nionicral 70
5.4.1 Grobozrnati del TVP Ko se tik ob črti taljenja med varilnim ciklom prične ohlajanje, so avstenitna zrna že povečana. Temperatura tega dela materiala je takrat skoraj enaka temperaturi tališča jekla. Rezultat reakcije γ→"α" je odvisen od prekaljivosti jekel. Ogljikova jekla niso prekaljiva. Kljub temu na sliki 5.7a vidimo, da pri varjenju jekla Nionicral 70 ob črti taljenja, kjer je Tp ≥ 1350°C, pri najhitrejšem ohlajanju, ko je čas ∆t8/5 ≅ 5 s, nastane martenzitna mikrostruktura. Trdota tega martenzita je 382 HV. 307
Nionicral 70 je varivo visoko trdno ogljikovo konstrukcijsko jeklo. Njegova trdnost (Rp0,2 ≥ 790 MPa) je dosežena s poboljšanjem jekla po valjanju. Ker so v jeklu prisotni določeni legirni elementi v mikro količinah, spada med mikrolegirana jekla.
72 Grobozrnatost začetne avstenitne mikrostrukture poveča sposobnost kaljenja jekla. Zato v grobozrnatem delu TVP pri enakih hitrostih ohlajanja kot v drugih delih TVP prej naletimo na kalilne mikrostrukture. Zaradi takšne mikrostrukture je jeklo na tem mestu trdo in krhko. Prav izoblikovanje martenzitne mikrostrukture v grobozrnatem delu TVP je vzrok, da upravičeno obravnavamo ta del TVP vedno kot potencialno šibko točko zvara. V grobozrnatem delu TVP zvarov, ki so narejeni na jeklih z nekoliko višjo vsebnostjo ogljika, pogosto nekaj avstenita med ohlajanjem ne razpade 308 . Ta takoimenovani zaostali avstenit se lahko kasneje pod vplivom različnih dejavnikov transformira v martenzit ali druge bolj ali manj krhke faze. Rezultat kaljenja ogljikovih konstrukcijskih jekel z nizko vsebnostjo ogljika z varilnih temperatur je nizkoogljični martenzit 309 . Tak martenzit ima v primerjavi z visokoogljičnim martenzitom dokaj dobro žilavost. Njegovo trdoto se da izraziti z vsebnostjo ogljika: HV = 802 × C[%] + 305
5.6
V sarži jekla Nionicral 70, katerega varilni CCT diagrami so prikazani na sliki 5.7, je 0,09 do 0,1% ogljika. Trdota nizkoogljičnega martenzita s takšno vsebnostjo ogljika je po enačbi 5.6 377-385 HV. Izmerjena trdota martenzitnega vzorca na sliki 5.7a ustreza izračunanim vrednostim. To je dokaz, da je pri ohlajanju s časom ∆t8/5 = 5 s, grobozrnati del TVP res popolnoma martenziten. Ko hitrost ohlajanja pri varjenju jekla Nionicral 70 ni zadostna za nastanek martenzita, se izoblikuje bainitno-martenzitna mikrostruktura. Delež bainita pri daljših časih ∆t8/5 raste, delež martenzita pa pada. Zato se trdota materiala grobozrnatega dela TVP pri večjih časih ∆t8/5 zmanjšuje. To vidimo na CCT diagramu na sliki 5.7a iz izmerjenih vrednosti trdote (362 in 315 HV). Žilavost materiala s takšno mikrostrukturo bi morala biti večja od žilavosti martenzitnega TVP, ki ima enako kemično sestavo 310 . Ko je ohlajanje še počasnejše, se izoblikuje v grobozrnatem delu TVP bainitna mikrostruktura, ko je pa še počasnejše, je del izoblikovane mikrostrukture na koncu celo feritno-bainiten. Posledica je vse manjša trdota TVP. To iz CCT diagrama na sliki 5.7a vidimo iz izmerjenih vrednosti trdote (271 in 247 HV). Če je ohlajanje tako počasno, da se pojavi ferit, se ta izloča na mejah avstenitnih zrn 311 . Zaradi relativno hitrega ohlajanja pri varjenju se z ogljikom iz izločenega ferita obogati samo ozek pas avstenita (glej sliko 5.6). Tako postaja preostali avstenit vse bolj nehomogen. Z ogljikom obogateni avstenit se lahko zaradi tega še bolj podhladi 312 . Rezultat premene je še trši in še bolj krhek martenzit. Žilavost jekla z mikrostrukturo, v kateri je tudi ferit, ne narašča sorazmerno z deležem ferita 313 . Preostanek bainitne ali bainitno-martenzitne mikrostrukture z višjim deležem ogljika, ki se iz preostalega zelo nehomogenega avstenita izoblikuje pri še nekoliko nižjih temperaturah, je namreč bolj trd in temu ustrezno manj žilav. Za trdoto in žilavost materiala so pomembne vse prisotne faze v tem delu TVP in tudi njihova porazdelitev. 308
temperatura Mf (indeks f pomeni zaključek – ang. finish) je v takšnem primeru nižja od normalne temperature mikrolegirana ogljikova konstrukcijska jekla imajo navadno še manj ogljika od navadnih ogljikovih konstrukcijskih jekel 310 iz izmerjenih vrednosti žilavosti tega dela TVP, ki bodo prikazane na sliki 6.4b, vidimo, da je res tako 311 zato ga imenujemo tudi ferit na kristalnih mejah (ang. grain boundary ferrit) 312 Ms temperatura je odvisna od vsebnosti ogljika v jeklu (višja kot je vsebnost ogljika, nižja je Ms temperatura) 313 ferit je mehak in žilav 309
73 Lastnosti materiala TVP s preveč grobazrnato mikrostrukturo niso optimalne. Zato obravnavamo jekla, ki so občutljiva na rast zrna pri varjenju, kot slabo variva. Najboljši proizvajalci konstrukcijskih jekel poskrbijo z ustreznimi tehnološkimi postopki izdelave jekla, da se iz trdne raztopine avstenita pravočasno izločijo določene drobne, fino dispergirane temperaturno stabilne faze 314 , ali pa, da so v jeklu prisotni določeni drobni, fino dispergirani vključki 315 : − ti delci imajo pri najvišjih temperaturah varilnega cikla za kristalne meje vlogo sider 316 . − ti in podobni delci so pri premeni zasnova drobnozrnate mikrostrukture 317 .
5.4.2 Finozrnati del TVP Dlje od črte taljenja je maksimalna temperatura varilnega cikla nižja kot ob njej. Nekaj 100K pod temperaturo tališča jekla zrna zaradi toplotnega vpliva varjenja še ne rastejo. Za rezultat reakcije γ→"α" je pomembna prekaljivost jekla. Ta je pri jeklu, ki je v stanju finozrnatega avstenita manjša kot pri grobozrnatem. Pri premeni se zrna lahko drobijo. Pri ohlajanju s tako nizke temperature se izoblikuje dokaj homogena in stabilna drobnozrnata mikrostruktura, saj so pogoji med premeno podobni tistim pri normalizaciji 318 . Zaradi finozrnate mikrostrukture je žilavost tega dela TVP navadno dokaj velika 319 . "Normalizirani" del TVP je finozrnat tudi zato, ker proizvajalci bolj kakovostnih konstrukcijskih jekel poskrbijo da so v jeklu pred premeno prisotni primerni drobni in fino dispergirani izločki. Z njimi zagotovijo izoblikovanje fine sekundarne mikrostrukture320 . Ti izločki so pri premeni kali za izoblikovanje bolj finega sekundarnega zrna. Možnost da bi v finozrnatem delu TVP naleteli na martenzit je torej manjša kot v grobozrnatem delu TVP. Če pa martenzit vseeno nastane, je enako trd kot grobozrnati martenzit. Na slikah 5.7a in 5.7b vidimo, da se pri ohlajanju s temperature 960°C nahaja bainitni "nos" pri krajšem času kot pri ohlajanju s temperature 1350°C 321 . Izmerjena trdota martenzita, ki je posledica ohlajanja s časom ∆t8/5 = 5s, je 383 HV (slika 5.7b). To je toliko kot se za to jeklo predvideva z enačbo 5.6. Enako trdoto smo izmerili tudi v grobozrnatem delu TVP pri istem času ∆t8/5. Ko hitrost ohlajanja pri varjenju jekla Nionicral 70 ni zadostna za nastanek samega martenzita v finozrnatem delu TVP, se izoblikuje mikrostruktura, ki je bainitnomartenzitna. Izmerjena trdota je 347 in 322 HV. Ko je ohlajanje pri varjenju tega jekla še počasnejše in se izoblikuje bainitna mikrostruktura, je bainit mehkejši od bainita v 314
to so izločki, ki se pri varjenju raztapljajo šele tik pod tališčem jekla V talino je treba dodati natančen odmerek določenega kemijskega elementa, ki tvori npr s kisikom v talini oksid, ki je trden, ko je jeklo še staljeno. Nastali delci morajo biti pred strjevanjem enakomerno porazdeljeni v talini. Preprečiti je treba nastanek drugih kemičnih spojin, ki bi bile brez ustreznega učinka. 316 takšna jekla je mogoče variti bolj ekonomično (hitreje), saj se sme pri varjenju uporabljati večje vnose toplote 317 to je pomembno za proizvodnjo normaliziranih mikrolegiranih visoko trdnih konstrukcijskih jekel, saj so ti delci kali za izoblikovanje drobnega sekundarnega zrna 318 jeklo pri normalizaciji za določen čas segrejemo nad temperaturo Ac3, da postane avstenit homogen, nato pa pustimo, da se počasi ohladi (hitrost ohlajanja pri varjenju ni tolikšna kot pri termičnem postopku normalizacije, do določene stopnje drobljenja zrn pa vseeno pride) 319 če izdelava jekla ni izvedena optimalno, so lahko lastnosti finozrnatega dela TVP celo boljše od osnovnega materiala 320 Ti delci se izločajo zato, ker je koncentracija elementov, ki jih tvorijo, takrat v avstenitu prevelika (topnost je funkcija temperature). 321 na CCT diagramih je abscisna os logaritemska, zato razlike niso tako majhne kot izgledajo 315
74 grobozrnatem delu TVP. Njegova trdota je 265 HV. Zaradi manjše trdote je žilavost materiala tega dela TVP večja od žilavosti grobozrnatega dela TVP z enako mikrostrukturo, ki se izoblikuje pri ohlajanju z višjih temperatur. Zaradi bolj finega avstenitnega zrna v trenutku, ko se začne ohlajanje, se ferit prične izločati prej 322 . Izločanje ferita je na sliki 5.7b zabeleženo pri času ∆t8/5 = 100 s, na sliki 5.7a pa pri času ∆t8/5 = 400 s. Pri času ∆t8/5 = 400 s je v finozrnatem delu TVP delež ferita že dokaj velik, preostali avstenit pa je zato močno obogaten z ogljikom.
5.4.3 Popolnoma prekristalizirani del TVP Nekoliko dlje od finozrnatega dela TVP je maksimalna temperatura varilnega cikla že tako nizka, da je reakcija γ→"α" pri tej temperaturi ravno končana. Jeklo je segreto le malo nad temperaturo Ac3. Zaradi zelo kratkega časa trajanja maksimalne temperature varilnega cikla avstenit ni mogel postati homogen 323 . Iz nehomogenega avstenita se seveda ne izoblikuje enakomerna mikrostruktura. Zato so lastnosti popolnoma prekristaliziranega dela TVP po premeni in ohladitvi slabše od lastnosti finozrnatega dela TVP, pa čeprav je tudi tu material popolnoma prekristaliziran. Zaradi nehomogenega avstenita se določen delež materiala premeni v bolj trde in manj žilave faze. Delež materiala z boljšimi lastnostmi zaradi vpliva deleža materiala s slabšimi lastnostmi ne pride dovolj do izraza, prej je obratno.
5.4.4 Delno prekristalizirani del TVP Če je maksimalna temperatura varilnega cikla nižja od temperature Ac3 in višja od temperature Ac1, je avstenitiziran samo določen delež varjenega materiala. To področje je na sliki 5.1 označeno z II 324 . Nastali avstenit je zelo nehomogen, saj za homogenizacijo avstenita ni prave možnosti. Po varjenju je neavstenitizirani delež materiala neprekristaliziran, vendar pa je zaradi kratkotrajnega ogretja na maksimalno temperaturo varilnega cikla do neke mere popuščen. Med ohlajanjem se premeni samo tisti delež materiala, ki je bil avstenitiziran. Za izoblikovano mikrostrukturo prekristaliziranega dela TVP je merodajen poseben CCTdiagram (slika 5.7c) 325 . Ta CCT diagram se močno razlikuje od CCT diagramov, ki veljajo za popolnoma avstenitizirano jeklo (sliki 5.7a in 5.7b). V tem delu TVP opazimo nastajanje bainita in izločanje ferita pri mnogo večjih hitrostih ohlajanja kot na CCTdiagramih, ki ustrezajo ohlajanju z višjih temperatur. Dejansko gre tu za jeklo, ki ima večjo vsebnost ogljika 326 . Zaradi več ogljika v avstenitiziranem deležu jekla so martenzitne in različne bainitne faze trše od enakih v drugih delih TVP 327 . Delež jekla, ki ni bil avstenitiziran, je zaradi "popuščanja" mehkejši. To se lahko pozitivno odrazi na žilavosti materiala. 322
glede na celoten volumen materiala je v finozrnatem avstenitu več kristalnih mej kot v grobozrnatem, zato je tudi več potencialnih mest za izločanje ferita 323 od premene v avstenit preteče premalo časa, pa tudi maksimalna temperatura varilnega cikla je prenizka, da bi difuzija raztopljenih kemičnih elementov lahko potekala dovolj hitro 324 vse ostale dele TVP najdemo na področju, ki je označeno z I 325 ta delež materiala nima enake kemične sestave kot jeklo pa tudi maksimalna temperatura varilnega cikla, s katere se prične ohlajanje, je zelo nizka 326 povprečna koncentracija ogljika v vseh delih mikrostrukture je zmeraj enaka vsebnosti ogljika v jeklu (primer feritnih in perlitnih zrn v feritno-perlitnih jeklih, ko je v prvih manj kot 0,02% C, v drugih pa 0,8% C) 327 izjema je ferit (vsebnost ogljika v feritu ne more preseči 0,02%)
75
5.5 Var Var nastane s strjevanjem zvarne taline oziroma z rekristalizacijo zgnetenega materiala. Po končanem segrevanju in taljenju oziroma segrevanju in mehanskem gnetenju materiala si segreta snov zvečano notranjo energijo zniža z odvajanjem toplote na okolico. Var se tako ohladi. Če gre za transformabilni material se tudi premeni. Ker je material vara lahko zlit oziroma zgneten iz več materialov, je njegova kemična sestava odvisna od kemične sestave vseh materialov, ki so vključeni v proces spajanja, in seveda od njihovih deležev v njem. Rezultat lokalnega vnašanja mehanskega dela in/ali toplote za spajanje materiala je varilni cikel, ki mu je podvržen material, iz katerega nastane var. Za primer talilnega varjenja je varilni cikel prikazan na sliki 5.4b. Ni pa pomembno po kakšni poti in kako hitro se je material segrel do točke taljenja oziroma do temperature gnetenja. Za potek temperature med varilnim ciklom sta tako značilni samo dve časovni sekvenci: 1. strjevanje/rekristalizacija 2. ohlajanje Potek obeh sekvenc je tako kot pri TVP odvisen od zunanjih vplivov. To so varilni parametri, oblika zvara in lastnosti materiala ter pogoji v bližnji okolici zvara, ki vplivajo na odvajanje toplote. Za obliko in usmerjenost kristalnih zrn pri strjevanju staljene kovine v zvarni kopeli so pomembni pogoji pri kristalizaciji, za izoblikovanje faz pri premenah pa potek varilnega cikla, ki ga kvantitativno opredelimo s hitrostjo ohlajanja.
5.5.1 Kemična sestava zvarne kopeli Pri talilnem varjenju je izhodno stanje materiala za izoblikovanje mikrostrukture vara staljena kovina v zvarni kopeli. Kemična sestava taline je posledica hkratnega taljenja dodajnega in osnovnega materiala ali samo osnovnega materiala 328 ter kemičnih reakcij, ki potekajo med segrevanjem in taljenjem materiala ter kemičnih reakcij v času, ko je material staljen. Tu so pomembni: − plini iz atmosfere (kisik, dušik) − plini, ki predstavljajo aktivno ali nevtralno zaščito obloka pri varjenju (argon, helij, ogljikov dioksid, kisik, vodik, ...) − druge snovi (npr zaščitni praški, oplaščenje in stržen ipd) − prisotne nečistoče (voda, olja, barve, ...). Uporabniki segajo po najcenejšem osnovnem materialu, ki ima zadovoljive lastnosti. Da je material poceni, morajo biti njegovi proizvodni stroški nizki. Specializirani proizvajalci (npr železarne) razpolagajo z opremo za masovno izdelavo konstrukcijskih materialov. Stremijo za tem, da potrebne mehanske lastnosti materiala zagotovijo s premišljenim in natančno vodenim tehnološkim postopkom izdelave materiala, ne pa z dragimi legirnimi elementi. Edino tako proizvedeni osnovni material je lahko dovolj poceni, da lahko konkurira na trgu enakim ali podobnim materialom drugih proizvajalcev.
328
to je odvisno od tega ali gre za postopek, pri katerem je za izgradnjo vara potreben dodajni material, ali pa za postopek, pri katerem dodajni material ni potreben (možno je tudi, da se spaja konstrukcijske elemente iz različnih materialov)
76 Masovne proizvodnje osnovnega materiala, ki ponavadi predstavlja večino mase varjenih konstrukcij, ni mogoče vpeljati brez izredno velikih investicijskih vlaganj v opremo 329 in v znanje ljudi 330 . Finančni vložek se lastnikom proizvodnih sredstev izplača z velikoserijsko produkcijo, ki jo je treba v celoti hitro realizirati tudi na trgu. Razmere pri varjenju so od primera do primera različne. Varjenja namreč ne izvajamo samo v urejenih delavnicah, ampak tudi na terenu, na prepihu, v dežju, mrazu, vročini, in to v različnih legah varjenja. Zaradi tega so pogoji, pri katerih se izoblikuje mikrostruktura varov, zelo različni. Poleg tega poteka pri varjenju segrevanje in taljenje materiala ter strjevanje in ohlajanje varov bistveno hitreje kot pri proizvodnji osnovnih materialov, zato je popoln nadzor nad različnimi metalurškimi procesi praktično nemogoč. V nekaterih legah varjenja kakovostnih zvarov sploh ni mogoče izdelati. Vendar pa je treba tudi pri raznolikih in včasih za varjenje celo neugodnih pogojih za varjenje izdelovati zvare s primernimi mehanskimi lastnostmi, ki zagotavljajo varno uporabo varjenih izdelkov 331 . Da je to mogoče, je v dodajnih materialih za varjenje vsebnost ogljika praviloma nižja kot v osnovnih materialih 332 . Ker je v izdelavo dodajnih materialov vloženo tudi bistveno več dela, so na enoto mase mnogo dražji od trdnostno sicer enakovrednih osnovnih materialov 333 . Na vare odpade le majhen del celotne mase varjenih konstrukcij 334 . Morebitna višja cena dodajnega materiala zato ni bistvena za končno vrednost konstrukcije. Tudi ko uporabimo dražji dodajni material, se zaradi bolj zanesljivega varjenja dodatni stroški poplačajo z zmanjšanjem drugih stroškov, kot so npr stroški varjenja, nadzora, nepotrebnih popravil, servisiranja ipd. Na sliki 5.8 sta skicirana dva spoja, ki sta narejena s talilnim varjenjem (soležni in kotni zvar). V obeh se je v zvarni kopeli, iz katere nastane var, dodajni material zmešal z osnovnim. Zmeraj gre za namešanje vsaj dveh različnih materialov, zato se kemična sestava varov razlikuje tako od kemične sestave osnovnih kot dodajnih materialov. Če je znana kemična sestava dodajnega (DM) in obeh osnovnih materialov (OM1 in OM2) na sliki 5.8, je mogoče kemično sestavo vara izračunati iz oblike prereza zvarnega žleba in prereza izdelanega zvara. Predpostavimo, da je v osnovnem materialu vsebnost ogljika COM1 in COM2, v dodajnem materialu pa CDM. Na sliki 5.8 so deleži staljenega osnovnih in dodajnih materialov označeni kot A1, A2 in A3. To se po premešanju vseh delov staljenega materiala pozna na vsebnosti ogljika v talini, iz katere nastane var (Cvar). C var ≅
1 ( A1C OM1 + A2 C OM 2 + A3 C DM ) A1 + A2 + A2
5.7
Predpostavili smo, da med varjenjem ni izginilo nič ogljika. Ta predpostavka ne drži popolnoma, saj pri temperaturah, ki so potrebne za taljenje jekla, poznamo tako pojem prigora kot odgora kemičnih elementov. 329
sem spadajo peči, naprave za vakumiranje, valjanje, poboljšanje itd tu gre za visoko in višje izobražen strokovni kader 331 najbolj pogosto morajo mehanske lastnosti vara ustrezati lastnostim vgrajenega materiala 332 Zaradi nižje vsebnosti ogljika je material vara manj kaljiv, zato so problemi z nezadostno žilavostjo materiala pri hitrem ohlajanju manjši. Primerno trdnost vara zagotovijo z drugimi legirnimi elementi. Nekateri od teh so zelo dragi, zato se vsak dodani promil (‰)npr niklja (Ni) v jeklu močno pozna na končni ceni jekla (‰ = 0,1%). 333 elektrode, varilne žice, varilni trakovi ipd v primerjavi s pločevino, profili itd 334 navadno nekoliko odstotkov (odvisno je tudi od vrste konstrukcije) 330
77 Za mikrostrukturo ter trdnost in žilavost vara je vsebnost ogljika zelo pomembna. Pogosto je pri varjenju prav ogljik vzrok za nastanek razpok v varu, zato lahko rečemo, da vsebnost ogljika pravzaprav zmanjšuje varivost jekel 335 . DM
OM1
A3
OM2
OM1
A2
A1
DM
A1
OM2
a
A3
A2
b
a priprava elementov za varjenje; b oblika vara in velikost uvara pri soležnem in kotnem zvaru
Slika 5.8: Nastanek vara pri talilnem varjenju z uporabo dodajnega materiala
Podobno kot pri ogljiku, je mogoče na osnovi znane kemične sestave osnovnega in dodajnega materiala izračunati tudi vsebnost drugih legirnih elementov v varu 336 .
5.5.2 Strjevanje kovinske taline Taljenje in strjevanje čistih kovin in zlitin z evtektično sestavo poteka pri določenem tlaku na konstantni temperaturi 337 . Na sliki 4.14 vidimo, da je pri tlaku 1 bar tališče kemično čistega železa 1536°C, zlitine železa s 4,3% ogljika pa 1147°C. Potek strjevanja zlitin, ki nimajo evtektične sestave, je odvisen od njihove kemične sestave. Temperatura začetka strjevanja zlitine železa z ogljikom se do vsebnosti 4,3% ogljika znižuje. Širina temperaturnega intervala strjevanja se do vsebnosti 2,1% povečuje, nato se pa zmanjšuje (slika 4.14a). Staljena kovina se strjuje le, če je podhlajena pod temperaturo tališča. Pri spremembi agregatnega stanja talina → trdna snov se toplota sprošča. Sproščena toplota iz dela strjene kovine vpliva na temperaturo preostale taline. Hitrost ohlajanja taline se zaradi sproščanja toplote pri strjevanju zmanjša, kar proces strjevanja upočasni ali pa celo zavre. Zato je na sliki 5.4b hitrost ohlajanja med potekom strjevanja manjša kot po končanem strjevanju 338 . 335
prav zato je vsebnost ogljika v nelegiranih konstrukcijskih jeklih omejena z 0,23% primerna stopnja namešanosti osnovnega in dodajnega materiala je posebno pomembna pri varjenju avstenitnih nerjavnih jekel, kjer je za odpornost zvara proti vroči pokljivosti potrebna dvofazna feritnoavstenitna mikrostruktura 337 Podobno je pri vodi. Pri tlaku 1 bar se led tali, voda pa zmrzuje pri 0°C. Če je tlak večji, se led tali pri nižji temperaturi (zato se zaradi teže drsalca med drsalko in ledom pojavi sloj vode, ki omogoča, da drsalka drsi po ledu). 338 Temperatura taline v zvarni kopeli je prilično visoka. Temperaturni gradienti so zato veliki. Takšne razmere zagotavljajo hitro odvajanje toplote (poglavje 4.5.2). Zato bi tudi ohlajanje moralo biti hitro. Ker se pri kristalizaciji taline sprosti veliko toplote, je hitrost ohlajanja pravzaprav manjša kot bi pričakovali. Po končanem strjevanju je temperatura strjenega vara že nekoliko nižja od temperature taline. Temperaturni gradienti so zato manjši. Tako se hitrost odvajanja toplote zmanjša. Pričakovali bi, da bo ohlajanje potekalo počasneje kot pri strjevanju taline v zvarni kopeli. Vendar ni tako. Ohlajanje poteka hitreje. 336
78 Za začetek strjevanja morajo v podhlajeni talini obstajati kali. Potrebne so za nadaljevanje procesa strjevanja s kristalizacijo taline. Kali so ali že obstoječi trdni delci v talini ali pa delci, ki pri dovolj nizki temperaturi taline sami od sebe nastanejo. Tako ločimo med umetnimi in naravnimi kalmi za kristalizacijo. Za proces kristalizacije je potrebno, da je talina podhlajena. Če v talini ni na razpolago umetnih kali, se zaradi termičnega gibanja delcev (poglavje 3.6) tu pa tam nahaja manjše število atomov na medsebojni oddaljenosti, ki je enaka medatomskim razdaljam v kristalu. Urejenost gradnikov pri tej temperaturi zagotavlja nižjo notranjo energijo od notranje energije taline. Ta navidezni drobec kristala v talini predstavlja naravno kal za nadaljnjo kristalizacijo. Naravne kali za kristalizacijo, ki spontano nastajajo z določeno hitrostjo, so seveda s preostalo talino v toplotnem kontaktu, zato se z enako hitrostjo tudi razkrajajo 339 . Če so izpolnjeni pogoji, da se na kaleh kristalizacija nadaljuje, kristali rastejo okoli obstoječih kali. Če se že pred tem kal razkroji, proces kristalizacije ne steče. Na sliki 5.9 je krivulja hitrosti nastajanja kali (dN/dt) prikazana v odvisnosti od stopnje podhladitve taline (ΔT). Dokler podhladitev ne doseže potrebne stopnje, kali ne nastajajo. Z večanjem podhladitve, hitrost nastajanja kali raste, nato pa doseže maksimum 340 . Obstoj kali v podhlajeni kovini je shematsko prikazan na sliki 5.10a. Usmerjenost vsake od teh štirih kali je naključna. dN/dt vk
dN/dt majhna zrna
velika zrna
vk
− ΔT
Slika 5.9: Hitrost nastajanja kali in hitrost kristalizacije pri strjevanju kovinske taline
Tudi za proces kristalizacije je potrebna določena podhladitev, ki ni tolikšna kot je potrebna podhladitev za nastajanje kali. Na sliki 5.9 je krivulja hitrosti kristalizacije vk prikazana v odvisnosti od stopnje podhladitve taline ΔT. Pri kristalizaciji se sprošča toplota. Z večanjem podhladitve, hitrost kristalizacije nekaj časa raste in doseže maksimum 341 . Rast kristalov v podhlajeni talini je shematsko prikazana na slikah 5.10b, 5.10c in 5.10d. Kot vidimo se potek hitrosti kristalizacije in potek hitrosti nastajanja kali na sliki 5.9 delno prekrivata. Tako poznamo tri področja strjevanja kovinske taline s kristalizacijo: 339
Povprečna kinetična energija delcev (atomov) je odvisna od temperature taline. Ker imajo zaradi spektralne porazdelitve kinetične energije (enačba 3.34) posamezni delci v talini večjo energijo kot drugi, lahko rečemo, da imajo hitrejši delci višjo temperaturo. 340 Vzrok za pojemanje hitrosti spontanega nastajanja kali je, da se z velikostjo podhladitve povprečna kinetična energija delcev v talini manjša. Zaradi tega je nižja tudi njihova povprečna hitrost. Delci se v talini počasneje gibljejo, zato je verjetnost za slučajni nastanek kali manjša. 341 Pri kristalizaciji je potrebno, da delec iz taline pride na mesto, kjer se vgradi v kristal. Za to je potrebna difuzija (enačba 3.31). Ker je povprečna kinetična energija delcev v talini pri večji podhladitvi manjša, je manjša tudi hitrost difuzije. Kristalizacija pri nižjih temperaturah zaradi tega poteka vse bolj počasi.
79 − Če je podhladitev taline majhna, kristalizacija poteka le na povšini že obstoječih kristalov 342 . Če v talini kristalov ni, kristalizacija ne poteka. − Pri malce večji podhladitvi, ko je gostota nastajajočih kali še majhna, je hitrost kristalizacije velika. Kristalizacija je hitra, vendar poteka le na majhnem številu kali. Končni rezultat strjevanja taline je majhno število velikih zrn, zato je strjeni material grobozrnat. − Če je podhladitev večja, je nastajanje kali hitrejše, hitrost kristalizacije pa se že zmanjšuje. Kristalizacija poteka počasneje, vendar na velikem številu kali. Končni rezultat strjevanja taline je veliko število majhnih zrn, zato je strjeni material finozrnat. Vendar pa večja ali manjša hitrost kristalizacije pri različnih podhladitvah nima vpliva na hitrost strjevanja vara kot celote 343 . V istem času je lahko rezultat manjše hitrosti kristalizacije na površinah večjega števila kristalov enak volumen strjenega materiala kot rezultat večje hitrosti kristalizacije na površinah manjšega števila kristalov. Odvisnost hitrosti kristalizacije od podhladitve ne vpliva na dejansko hitrost strjevanja taline. Odločilna je zmožnost odvajanja toplote, ki se sprošča pri kristalizaciji, od česar je posredno odvisna tudi podhladitev taline. Za smer rasti kristalov 344 je pomembna trenutna usmerjenost kristalov in smer odtekanja toplote: − Če je talina enakomerno podhlajena, poteka kristalizacije v vse smeri enako hitro. Usmerjenost nastalih kristalnih zrn je odvisna od začetne usmerjenosti kali in od kasnejših vplivov mešanja taline ali termičnega gibanja delcev snovi (poglavje 3.6) 345 . Enakomerna kristalizacija je shematsko prikazana na slikah 5.10b-d. − Če je talina neenakomerno podhlajena, poteka kristalizacija v smeri od večje proti manjši podhladitvi. To je smer, ki je nasprotna smeri odvajanja toplote.
a
b
c
d
a nastanek kali v podhlajeni talini; b začetek kristalizacije na obstoječih kaleh; c kristali rasteje, taline pa je vse manj; d kristalizacija se konča, ko zmanjka taline, in se kristalna zrna staknejo
Slika 5.10: Začetek in konec strjevanja taline s kristalizacijo
Če v talini ni izrazitega temperaturnega gradienta, rastejo pri kristalizaciji okoli kali poligonalna zrna, ki težijo k obliki krogle. Kristalizacija je končana, ko je porabljena vsa okoliška talina. Različno usmerjena zrna se takrat staknejo. Stične ploskve so meje 342
tak primer je epitaksialna rast kristalov na meji z nataljenimi zrni osnovnega materiala, ki je že spremenjen v groboznato TVP 343 tu gre za volumen strjene snovi na enoto časa 344 to je smer kristalizacije 345 zaradi gibalne količine najhitrejših delcev taline, ki se termično gibljejo, in njihovih trkov v te drobne kristale, se med procesom kristalizacije ti premikajo in rotirajo
80 kristalnih zrn. Raven energije atomov na kristalnih mejah je višja kot v notranjosti zrn, zato je pri kristalizaciji težnja k tvorbi poligonalnih zrn logična. Glede na celotno število atomov v zrnih, ki je sorazmerno z volumnom zrn, je na ta način število atomov, ki se nahajajo na površini kristalov, najmanjše. Mikrostruktura, ki se izoblikuje po ulivanju kovinske taline v kokilo oziroma velikost in oblika nastalih zrn, so odvisne od hitrosti ohlajanja, stopnje podhlajenosti taline, prisotnosti nečistoč in od smeri odvajanja toplote. Na sliki 5.11 si to oglejmo na kokili v prerezu:
Področje I Področje II Področje III
toplotni tok smer rasti kristalov
Slika 5.11: Področja strjene kovine v kokili
− Ohladitev ulite kovinske taline na stiku s hladno steno je hitra. Posledica je velika podhladitev taline tik ob steni. Gostota naravnih kali je tu zato velika. Kristali rastejo na kaleh z neusmerjeno kristalizacijo 346 . Tako ob steni kokile na področju I nastane mnogo drobnih poligonalnih zrn. Pri kristalizaciji te zunanje, najbolj podhlajene plasti taline, se sprošča kristalizacijska toplota, ki zviša temperaturo kovinske taline, ki je nekaj dlje od stene. Podhladitev tega dela taline je zato manjša. − Toplota lahko iz taline, ki je nekoliko dlje od hladne stene kokile, odteka le v smeri najbližje stene. To je smer, ki je nasprotna vzpostavljenemu temperaturnemu gradientu. Zaradi usmerjenega odvajanja toplote na področju II, ki sledi finozrnatemu delu materiala na področju I, je rast kristalov usmerjena proti sredini kokile. Rast posameznih zrn poteka v točno določeni kristalografski smeri 347 . Pri strjevanju zlitin je pogosto takoimenovano izcejanje na mikro in makro nivoju. Nečistoče so razne spojine, ki so v talini že prisotne ali pa v njej nastanejo z različnimi kemičnimi reakcijami. Pogosto so te reakcije posledica potrebnih metalurških procesov 348 . Usmerjeni kristali na področju II, ki rastejo proti sredini kokile, nečistoč in izcej ne vključujejo, ampak jih odrivajo. Koncentracija nečistoč in izcej v delu kokile s talino zato ves čas raste. Med kristalizacijo ima toplota, ki se sprošča, nasprotni učinek kot odvajanje toplote. Plast strjene kovine v kokili je vse bolj debela, odvajanje toplote pa zato težje. Oboje znižuje hitrost strjevanja taline, ki je še v kokili. 346
toplota odteka kar v okoliško podhlajeno talino pri kristalih s kubično kristalno mrežo je to smer <100> 348 tako kemično vežemo nezaželjeno snov, ki bi pokvarila lastnosti strjene kovine (npr pri dezoksidaciji taline) 347
81 − V sredini kokile je zaradi počasnejšega ohlajanja podhladitev taline zelo majhna. Prav tako je količina taline že močno omejena. Tudi število razpoložljivih naravnih kali za nastanek kristalov je zaradi majhne podhladitve manjše. Vključki, ki so sestavine nečistoč, so umetne kali za začetek kristalizacije. Ker je iz sredine kokile do vseh štirih sten približno enako daleč, odvajanje toplote v sredini kokile ni usmerjeno. Zato na področju III nastanejo velika poligonalna zrna, z vključenimi nečistočami in izcejami. Te se nahajajo večinoma na kristalnih mejah.
5.5.3 Strjevanje taline v zvarne kopeli Ko je vir toplote toliko oddaljen, da toplota več ne doteka, se začne segreti material ohlajati. Talina v zvarni kopeli se zato prične strjevati. Zvarna kopel je v primerjavi z nestaljenim delom osnovnega materiala majhna, zato se vzpostavijo zelo veliki temperaturni gradienti. Zaradi usmerjenega odvajanja toplote so nastali kristali strjenega vara redko poligonalni. Navadno gre pri strjevanju taline v zvarni kopeli za izrazito usmerjeno kristalizacijo. Usmerjeni kristali so vzrok za določeno stopnjo anizotropnosti lastnosti materiala varov. Tehnične kovine so zlitine. Pri zlitinah je ravnotežje posameznih faz odvisno od temperature (poglavje 4.6). To vpliva na način strjevanja taline v zvarni kopeli. Na sliki 5.12 so skicirane razmere med strjevanjem taline v zvarni kopeli, ko gre za ogljikovo jeklo z 0,6% ogljika 349 . Kristalizacija je usmerjena. Strjevalna fronta potuje s hitrostjo vk v smeri osi x (glej sliko 5.9). Z isto hitrostjo se v tej smeri giblje tudi koordinatno izhodišče na sliki 5.12a. Tako je pri x < 0 kovina že strjena, pri x > 0 pa obstaja talina. T
Temperatura 1600
talina
Tt
C0
C1
C2 Tt (C0)
Ttaline 1400
Tt (C1)
CA0 CA1 CA2
Tvara
Tt (C2)
C2> C1 C1> C0
avstenit
1200
C0 C
x čelo fronte
a
1000 0
1
2
Ogljik
2+5+6
b
a potek temperature, koncentracije ogljika in tališča taline v ravnotežnih pogojih kristalizacije pred strjevalno fronto in za njo; b bogatenje jeklene taline z ogljikom od C0, C1 do C2 med izločanjem avstenita s koncentracijo ogljika CA0, CA1 do CA2 in zniževanje temperature tališča taline od Tt(C0), Tt(C1) do Tt(C2)
Slika 5.12: Razmere med usmerjeno kristalizacijo taline na strjevalni fronti
Na sliki 5.12b vidimo, da je koncentracija ogljika v avstenitu, ki nastaja s kristalizacijo taline pri temperaturi Tt(C0) enaka CA0. To je manj od povprečne vsebnosti ogljika v zvarni 349
tolikšna vsebnost ogljika je izbrana zato, da je mogoče pojav strjevanja zvara enostavneje razložiti (pri kristalizaciji se iz taline izloča kar avstenit in ne δ-ferit, tako kot pri jeklih z 0,2% ogljika)
82 kopeli C0. Avstenit pri temperaturi malo pod 1500°C sploh ne more vsebovati 0,6% ogljika (morda le 0,4%). Zato se preostala talina bogati s presežkom ogljika iz izločenega avstenita, tako da se vsebnost ogljika v talini poveča na C1. Temperatura tališča kovine s koncentracijo ogljika C1 je Tt(C1). Ta temperatura je nižja od temperature tališča kovine s koncentracijo ogljika C0. Koncentracija ogljika v avstenitu, ki nastaja s kristalizacijo obogatene taline, je CA1. Tik pred strjevalno fronto je tako koncentracija ogljika v talini C2, njeno tališče pa Tt(C2). Takrat taline zmanjka. Na večji razdalji pred strjevalno fronto talina z ogljikom ni obogatena. Doseg difuzije v talini je namreč omejen, saj hitrost rasti kristalov pri kristalizaciji sploh ni majhna 350 . Na sliki 5.12a je prikazano, da potek koncentracije ogljika pred strjevalno fronto vpliva na temperaturo tališča taline Tt. Vzpostavljena temperaturna gradienta na sliki 5.12a pred (Ttaline) in za strjevalno fronto (Tvara) omogočata zveznost toplotnega toka preko strjevalne fronte 351 . V varu daleč za strjevalno fronto je vsebnost ogljika v avstenitu tolikšna kot v talini 352 . Presežek ogljika v talini pred strjevalno fronto je enak primanjkljaju ogljika za strjevalno fronto. Povsod pred strjevalno fronto, kjer je temperatura taline nižja od temperature tališča, je talina podhlajena. Na sliki 5.13b vidimo, da talina na sami strjevalni fronti, kjer je temperatura taline najnižja, ni podhlajena. Dlje od strjevalne fronte se podhladitev veča, doseže maksimum, nato pa se manjša. Na sredini podhlajenega področja je podhladitev taline največja. Področje podhlajene taline obstaja povsod, kjer krivulja Tt poteka nad črto Ttaline. Potek krivulje Tt je funkcija zmožnosti izenačevanja koncentracije ogljika in drugih legirnih elementov v talini neposredno pred strjevalno fronto ter hitrosti kristalizacije. Potek črte Ttaline je odvisen od prevodnosti materiala in količine odtekajoče toplote 353 . Ttaline
T
Tt
1. ravninsko strjevanje x T 2. stebričasto strjevanje
Ttaline
Tt
x T 3. dendritsko strjevanje
Ttaline
Tt
x
a
b
c
d
a tipični načini strjevanja zvarne kopeli; b potek temperature taline in temperature tališča kovine pred strjevalno fronto; c vzdolžni prerez kristalov; d prečni prerez kistalov
Slika 5.13: Trije načini strjevanja zvarne kopeli 350 351
velikostni razred 10− 3 m s− 1
temperaturni gradient v varu je manjši kot v talini, zato ker je toplotna prevodnost kovine večja (enačba 4.6) koncentracija ogljika se izenači z difuzijo, za kar je potreben določen čas 353 količina toplote, ki mora odteči v okolico, je v glavnem odvisna od velikosti zvarne kopeli 352
83 Oblika nastalih kristalov pri strjevanju taline v zvarni kopeli je odvisna od obsega podhlajenega področja pred strjevalni fronto in od stopnje podhladitve. Tipični primeri strjevanja so skicirani na sliki 5.13. Način strjevanja je lahko ravninski, stebričasti ali dendritski: 1. Če je temperaturni gradient zelo velik, je temperatura na strjevalni fronti praktično enaka temperaturi začetka kristalizacije 354 . Nastanejo poligonalna kristalna zrna. Ravninsko strjevanje je prikazano na sliki 5.13 zgoraj. 2. Če je največja podhladitev taline blizu strjevalne fronte, področje podhlajenosti ne sega daleč v zvarno kopel. Vzpostavljen je velik temperaturni gradient. Hitrost rasti kristalov je tako velika, da se podhlajena talina pred fronto takoj vključi v proces kristalizacije. Pred strjevalno fronto se v talini ne poraja veliko število kali. Zato nastanejo usmerjena zrna, ki rastejo po celotni ploskvi strjevalne fronte z enako hitrostjo. Stebričasto strjevanje je prikazano na sliki 5.13 v sredini. 3. Če je največja podhladitev taline bolj oddaljena od strjevalne fronte, področje podhlajenosti sega zelo daleč v zvarno kopel. Vzpostavljen je majhen temperaturni gradient. Na mestu z največjo podhladitvijo taline se poraja veliko število kali. Na njih rastejo majhni kristali, ki se gibljejo tako, kot se giblje tok taline pred strjevalno fronto. Ko se tem kristalom približajo rastoči dendriti, se ti vključijo v njihovo rast kot celota 355 . Nastanejo usmerjena zrna, ki rastejo najhitreje le na določenih mestih. Zaostala področja, z nestrjeno talino med njimi, kristalizirajo kasneje. Dendritsko strjevanje je prikazano na sliki 5.13 spodaj.
5.5.4 Smer kristalizacije Vir toplote pri talilnem varjenju se navadno giblje. Njegovo gibanje vpliva na obliko zvarne kopeli. Oblika zvarne kopeli je odvisna od hitrosti taljenja materiala in od hitrosti strjevanja taline ter od hitrosti varjenja. Pomembna je potrebna količina toplote za taljenje kovine, ki se pri kristalizaciji kasneje sprosti. Ko gre ves čas za isti material in isto obliko varjenca ter za vir toplote s stalno močjo, ki se giblje s konstantno hitrostjo premočrtno, se oblika in velikost zvarne kopeli s časom ne spreminjata 356 . Da nastane primerno velika zvarna kopel, poskrbimo s potrebno količino dovedene toplote. Tako je zagotovljeno zanesljivo in kvalitetno povezovanje materiala varjenih elementov s staljenim materialom. Na sliki 5.14 je prikazan tloris takšne kvazistacionarne oblike zvarne kopeli. Potujoč koordinatni sistem ima izhodišče v točki, v kateri vnašamo jedro toplotnega toka za taljenje materiala. Vir toplote in zvarna kopel se gibljeta premočrtno s hitrostjo varjenja v. Ker toplota povsod odteka v hladno okolico pravokotno na strjevalno fronto, kristalizacija taline poteka v nasprotni smeri. Smer strjevanja v vsaki točki na konturi zvarne kopeli opredelimo s kotom ϕ med smerjo varjenja in pravokotnico na strjevalno fronto: A) Točka A je na črti, po kateri se giblje vir toplote. Hitrost strjevanja taline je enaka hitrosti varjenja, sicer oblika kopeli ne bi bila ves čas enaka (vk = v). Zaradi velike 354
v resnici mora obstajati neka minimalna podhladitev taline, saj sicer proces kristalizacije ne bi mogel potekati (slika 5.9) 355 prav zaradi tega imajo dendriti svojo značilno drevesasto zgradbo 356 Gre za kvazistacionarne razmere (v koordinatnem sistemu, ki potuje z isto hitrostjo kot vir toplote sta oblika in velikost zvarne kopeli konstantni). Nastala oblika omogoča, da med strjevanjem taline vsa dovedena toplota, ki se je porabila za taljenje materiala, lahko iz zvarne kopeli tudi odteče.
84 hitrosti kristalizacije se sprošča veliko toplote, ki mora biti odvedena iz zvara. V točki A je temperaturni gradient zelo velik. B) V točki B smer kristalizacije določa kot ϕ. Hitrost strjevanja je manjša kot v točki A (vk = v cosϕ). Kot ϕ je odvisen od položaja točke B na konturi zvarne kopeli 357 . Temperaturni gradient v točki B je manjši kot v točki A 358 . C) V točki C se toplota za taljenje materiala ne porablja in ne sprošča, saj se material niti ne tali niti ne strjuje. Pravokotnica na konturo zvarne kopeli je pravokotna na smer varjenja (ϕ = 90°, cos ϕ = 0, vk = 0). Toplota na tem mestu iz zvarne kopeli ne odteka, zato je temperaturni gradient v točki C nič. D) V točki D, ki je na črti, po kateri se giblje vir toplote, se material tali s hitrostjo v. E) V točki E se material tali z nekoliko manjšo hitrostjo kot je hitrost gibanja vira toplote (vt < v). Hitrost taljenja je odvisna od kota ϕ. element I
strjeni var
talina v
vk = v, A o
o o
zvarni
D, vt = v
E, vt = v cosϕ < v
žleb
ϕ o
B vk = v cosϕ < v
o
C, vk = 0
element II
Slika 5.14: Hitrost in smer spreminjanja agregatnega stanja snovi ob konturi zvarne kopeli
Iz smeri strjevanja zvarne kopeli, ki so prikazane na sliki 5.14, je mogoče zaključiti, da smer dendritov med strjevanjem taline v zvarni kopeli ni stalna. Vzrok je nenehno spreminjanje kota ϕ na konceh dendritov, ki rastejo v zvarno kopel. Na boku zvarne kopeli je ta 90°, na začelju pa 0°. Vmes se prilagaja trenutnemu položaju zvarne kopeli: − Strjevanje taline v zvarni kopeli se začne s kristalizacijo na nataljenih kristalih osnovnega materiala. Ta takoimenovana epitaksialna rast kristalov potrebuje minimalno podhladitev taline. Nataljeni kristali na črti taljenja so usmerjeni naključno, zato imajo pri kristalizaciji prednost tisti, ki so za rast kristalov v zvarno kopel bolj ugodno usmerjeni 359 . Zrna osnovnega materiala so v predhodnih sekvencah varilnega cikla tik ob črti taljenja že zrasla. Zaradi tega so lahko dokaj velika. Ko je zaradi spreminjanja kota ϕ rast kristalov v prednostni kristalni smeri že močno ovirana, se kristalizacija nadaljuje na kaleh tik ob predhodnih kristalih. − Novi kristali nadaljujejo rast v zvarno kopel v prednostni kristalni smeri. Njihova oblika je odvisna od podhladitve pred strjevalno fronto (slika 5.13). Tudi ti kristali morajo biti več ali manj pravokotni na trenutni položaj strjevalne fronte, ki je odvisen
357
kristalizacija poteka pravokotno na črto, ki ponazarja obliko zvarne kopeli ker kristalizacija poteka počasneje, se sprošča v enoti časa manj toplote, zato mora manj toplote tudi odteči (to pomeni pri predpostavki o konstantni prevodnosti kovine, da je zaradi tega temperaturni gradient ustrezno manjši). 359 prednostna kristalna smer za rast kristalov je pri kubičnih kristalih stranica osnovne kristalne celice (<100>) 358
85 od konture zvarne kopeli. Ko je rast kristalov v prednostni kristalni smeri zaradi spreminjanja kota ϕ spet ovirana, se kristalizacija nadaljuje na novih kaleh. − Če so izpolnjeni pogoji za usmerjeno kristalizacijo (slika 5.13), stebričasti in dendritski kristali odrivajo obstoječe nečistoče oziroma izceje, ki se težko vgradijo v kristale. Te snovi izvirajo iz nečistega ali izcejenega osnovnega materiala ter iz dodajnega materiala ali varilnega okolja. Posledice usmerjenega strjevanja onečiščene zvarne kopeli so odvisne od oblike zvarne kopeli. Oblika zvarne kopeli pa je funkcija hitrosti varjenja in največje možne hitrosti kristalizacije. Na sliki 5.15a je prikazana oblika zvarne kopeli, ki nastane pri varjenju, ko je največja možna hitrost kristalizacije med strjevanjem večja ali vsaj enaka hitrosti varjenja. Rastoči kristali nečistoče in izceje ves čas odrivajo v zvarno kopel. Ta se čisti s kemičnimi reakcijami, v katerih nastaja žlindra. Žlindra zaradi manjše specifične teže izplava iz taline 360 . plast nečistoč strjeni var
zvarna kopel o
zvarna kopel
v
o
v
strjeni var
smer kristalizacije
smer kristalizacije
a
b
a hitrost varjenja je manjša od hitrosti kristalizacije (kristali odrivajo nečistoče v zvarno kopel, talina pa se očisti s kemičnimi reakcijami); b hitrost varjenja je večja od hitrosti kristalizacije (odrinjene nečistoče se kopičijo v osi vara)
Slika 5.15: Oblika zvarne kopeli pri dveh hitrostih varjenja
Na sliki 5.15b je prikazana oblika zvarne kopeli, ki nastane, ko je hitrost varjenja večja od možne hitrosti kristalizacije. Nečistoče, ki so pri kristalizaciji taline odrinjane, ne končajo v zvarni kopeli, ki bi se lahko očistila s kemičnimi reakcijami. Deloma se te nečistoče kopičijo v osi varka, deloma pa v vmesnem prostoru med rastočimi dendriti. Nastala plast nečistoč med dendriti in v osi zvara nima tako dobrih mehanskih lastnosti kot čisti kovinski material 361 . Ko se zvar po končani kristalizaciji ohlaja, se krči (enačba 4.3). Najbolj se skrči najbolj segreti del zvara. To je var. Okolica vara, ki med varjenjem ni bila toliko segreta 362 , se temu zoperstavi. Posledica oviranega krčenja je pojav nateznih napetosti 363 , ki so usmerjene prečno na os zvara. Te napetosti so lahko celo večje od trdnosti vara. V takšnih primerih var poči na mestih z vgrajenimi nečistočami. Do nastanka razpoke pride v času, ko je zvar vroč, saj se je tik pred tem material vara šele strdil. Zato te razpoke imenujemo vroče razpoke, sam pojav pa poznamo kot vročo pokljivost zvarov. Na sliki 5.16 je prikazan prerez enovarkovnega soležnega V-zvara prečno na smer varjenja z dobro vidno smerjo rasti kristalov pri strjevanju zvarne taline. 360
žlindro navadno s površine ohlajenega vara mehansko odstranimo (kladivo, žična krtača itd) zaradi vgrajene plasti nečistoč so lahko mehanske lastnosti takšnega vara slabe 362 pri varjenju gre za lokalno segrevanje materiala 363 varilne zaostale napetosti 361
86
Slika 5.16: Prečni prerez vara
Kristali na sliki 5.16 so rasli v nasprotni smeri od smeri odtekanja toplote proti varjenemu materialu. V ta material odteče iz zvarne kopeli večina toplote. Nečistoče, ki so po strditvi vzrok za pojav vroče pokljivosti, bi se nahajale v osi vara, po vsej debelini zvara.
5.5.5 Ohlajanje strjenega vara Pri strjevanju nelegiranih jekel z malo ogljika, konstrukcijska jekla in večina varov na teh jeklih, se feritna zrna. Pri strjevanju nelegiranih jekel z več primarna avstenitna zrna (glej poglavje 4.6.1). Če fronto dovolj velika, je strjevanje usmerjeno 364 .
kamor spadajo navadna ogljikova iz taline najprej izločajo primarna δogljika se iz taline najprej izločajo je podhladitev pred kristalizacijsko
S kristalizacijo taline nastala kristalna zrna se pri ogljikovih konstrukcijskih jeklih med ohlajanjem varov še vsaj enkrat premenijo. Iz primarne mikrostrukture se v določenem temperaturnem intervalu izoblikuje sekundarna in v določenih primerih tudi tercialna mikrostruktura 365 . Mehanske lastnosti varov so funkcija končne mikrostrukture jekla oziroma faz, ki so obstojne v ohlajenem jeklu. Za končno mikrostrukturo varov sta pomembni kemična sestava taline v zvarni kopeli in hitrost ohlajanja zvarov 366 . − Hitrost ohlajanja celotnih zvarov je odvisna od količine toplote, ki smo jo vnesli med varjenjem za taljenje materiala vsakega varka, ter od toplotne prevodnosti materialov 367 in oblike spojev. Toplota je bila za kratek čas vskladiščena v segretem in ponekod tudi staljenem materialu varkov, nato pa je odtekla v bolj hladno okolico. S tem sta material vara in njegova neposredna okolica, kjer nastane TVP, bili podvrženi značilnemu toplotnemu vplivu varjenja, ki mu pravimo varilni cikel. − Pri ohlajanju transformabilnih ogljikovih jekel je za potek termične zgodovine pomembna hitrost ohlajanja skozi temperaturni interval med 800 in 500°C 368 . V tem intervalu poteka zaključna premena, ko se izoblikuje mikrostruktura, ki v zvaru obstaja pri normalni temperaturi 369 .
364
zrna v strjenem varu so redko poligonalna, zato je material vara zmeraj do neke mere anizotropen sekundarna mikrostruktura je posledica premene kristalnih zrn, ki so nastala neposredno iz taline, tercialna mikrostruktura pa je posledica premene enkrat že prekristaliziranih kristalnih zrn 366 isto velja tudi povsod tam, kjer je bil osnovni material segret nad temperaturo Ac3, tudi za TVP 367 pri varjenju tankih elementov sta pomembni tudi specifična toplota ter gostota zvara in varjenega materiala 365
368
merilo za hitrost ohlajanja zvara je čas ∆t8/5
369
so tudi izjeme, kot npr jekla obstojna pri visokih temperaturah in ognjeodporna jekla (njihova mikrostruktura oziroma lastnosti so pomembne pri temperaturi, ko se konstrukcijo uporablja)
87 Na sliki 5.17 je skicirana mikrostruktura strjenega vara pri treh različnih temperaturah. Gre za jekleni var, ki ima manj kot 0,1 % ogljika (glej poglavje 4.6.1). − Primarna mikrostruktura vara, ki nastane s kristalizacijo taline, je δ-feritna (slika 5.17a). Zaradi načina kristalizacije je ta mikrostruktura usmerjena. − Pri temperaturi Ac4 se prične izoblikovanje sekundarne avstenitne mikrostrukture vara (slika 5.17b). Zrna niso usmerjena, saj je smer nastalih sekundarnih kristalov naključna. − Pri temperaturi Ac3 se prične izoblikovanje tercialne feritno-perlitne mikrostrukture vara (slika 5.17c) 370 . Tudi ta zrna niso usmerjena. Takšno mikrostrukturo ima jeklo pri normalni temperaturi.
a
b
c
a primarna dendritska mikrostruktura jekla; b sekundarna avstenitna mikrostruktura z mejami zrn primarne mikrostrukture; c tercialna mikrostruktura z mejami zrn primarne in sekundarne mikrostrukture
Slika 5.17: Prekristalizacija vara pri ohlajanju transformabilnega jekla z manj kot 0,1% ogljika
Če je v jekleni talini, iz katere nastane var, več kot 0,5 % ogljika (glej poglavje 4.6.1) nastane s kristalizacijo taline primarna avstenitna mikrostruktura, ki je zaradi načina kristalizacije usmerjena. Ko se pri temperaturi Ac3 prične izoblikovanje sekundarne feritno-perlitne ali kakšne druge mikrostrukture, ki je obstojna pri normalni temperaturi (slika 5.17b), ta ni usmerjena. Če je v jekleni talini, iz katere nastane var, med 0,1 in 0,5 % ogljika, je strjevanje taline nekoliko bolj zapleteno. Najprej se izloča δ-ferit, ki bogati talino z ogljikom. Iz izločenega δ-ferita se kasneje izloča avstenit, ki preostali δ-ferit siromaši na ogljiku. Velikost zrn končne mikrostrukture (sekundarne oziroma tercialne) je odvisna od gostote kali za premeno. Gostota teh kali je v veliki meri odvisne od velikosti predhodnih zrn in dispergiranosti različnih vključkov in izločkov. V avstenitu so nukleacijska mesta za α-fazo predvsem proste površine, vogali in meje zrn, vključki, dislokacije in skupki praznih mest. Nečistoče, ki so se pri strjevanju taline nabirale na mejah kristalnih zrn primarne mikrostrukture, se nahajajo na istih mestih tudi v sekundarni ali tercialni mikrostrukturi. Zato so lahko lastnosti takšne kovine še zmeraj do določene stopnje anizotropne. Dodajni materiali za varjenje ogljikovih konstrukcijskih jekel vsebujejo ponavadi manj ogljika kot osnovni materiali. Za doseganje potrebne trdnosti varov je zato potrebnih več
370
navadno v varih ne zasledimo feritno-perlitne mikrostrukture, ampak druge, takoimenovane vmesne mikrostrukture kot so martenzitno-bainitna, bainitna ali feritno-bainitna mikrostruktura
88 drugih legirnih elementov. Zaradi prisotnosti teh elementov je prekaljivost varov navadno večja od prekaljivosti osnovnih materialov. Zaradi namešanja dodajnega in osnovnega materiala pa je v varu tudi ogljika več kot v dodajnem materialu. Zaradi večje prekaljivosti in povečane vsebnosti ogljika je izoblikovanje nezaželjenega martenzita v varu bolj verjetno kot bi pričakovali glede na kemijsko sestavo dodajnega materiala371 . Zaradi večje prekaljivosti je pri ohlajanju varov izločanje ferita vzdolž kristalnih mej manj verjetno kot v manj prekaljivem TVP 372 . Zato pride v varih do izločanja ferita le v manjšem obsegu. Dokaj grobozrnata avstenitna mikrostruktura varov pa ima v celoti tudi manj kristalnih mej, ki bi omogočale izločanje ferita. Kadar pa se v varu izloča ferit, se preostali podhlajeni avstenit bogati z ogljikom. Iz obogatenega avstenita se pri nižjih temperaturah izoblikujejo krhke avstenitno-martenzitne faze tudi takrat, ko je povprečna vsebnost ogljika v jeklu dokaj nizka 373 . Avstenitnomartenzitne faze so za varno uporabo zvarov velik problem 374 , zato se jim pri varjenju skušamo na vsak način izogniti 375 . Vsaj delno izoblikovanje bainitne mikrostrukture v varu 376 , zagotavlja dobro varivost in bolj zanesljivo in varno uporabo varjenih konstrukcijskih komponent. Temu proizvajalci dodajnih materialov posvečajo veliko pozornost 377 .
371
vendar pa je martenzit v varu z manj ogljika manj trd ter bolj duktilen in žilav, kot tisti, ki morebiti nastane v TVP, kjer je ogljika več 372 poznamo ga tudi kot ferit na mejah avstenitnega zrna (ang - grain boundary ferrit) 373 Ms temperatura jekla je odvisna od vsebnosti ogljika 374 z ogljikom lokalno zelo močno obogatena področja avstenita omogočajo v posebnih primerih po ohladitvi obstoj zaostalega avstenita v varih 375 Razkroj avstenitno-martenzitnih faz v varu in TVP pospeši toplota, ki je potrebna za varjenje sledečih varkov. Področja z avstenitno-martenzitnimi fazami se morajo pri tem dovolj močno segreti. Možnost za izoblikovane avstenitno-martenzitnih faz pa je še večja pri ponovnem segrevanju grobozrnate mikrostrukture vara ali TVP med varjenjem sledečih varkov v temperaturni interval Ac1 − Ac3. Seveda je pomembna tudi hitrost ohlajanja. 376 Bainit ima neke značilnosti perlita in martenzita. Je dejansko zmes ferita in cementita, vendar ne v takšni obliki kot je to perlit. Tako poznamo zgornji in spodnji bainit. Zaradi dobre žilavosti je v varu posebno zaželena ena vrsta "bainita", takoimenovani acikularni ferit. 377 Potrebna je ustrezna kemična sestava dodajnega materiala in prisotnost fino dispergiranih delcev v talini (vključki) ali v avstenitnem varu (izločki), ki pospešijo tvorbo bainita. Ker pri varjenju pride do namešanja dodajnega materiala z osnovnim, so določeni dodajni materiali primerni le za varjenje nekaterih jekel.
89
6 LASTNOSTI ZVAROV Materiale za izdelavo varjenih konstrukcij izbiramo na osnovi njihovih lastnosti. Prav primerne lastnosti materiala zagotovijo konstrukcijam predvideno funkcionalnost in trajnost njihove uporabe 378 . Kjerkoli v zvarih je mikrostruktura drugačna od mikrostrukture vgrajenega materiala, so drugačne tudi lastnosti materiala. Nekatere lastnosti materiala zvarov, ki so ključne za zanesljivost in varnost uporabe varjenih izdelkov, so praviloma slabše od lastnosti osnovnih materialov. To je posledica toplotnega vpliva med izdelavo zvarov. Za zanesljivost izdelanih zvarnih spojev in za varnost uporabe varjenih izdelkov je ključno, da poslabšanje lastnosti materiala ni preveliko 379 . Zelo koristno je poznati vse možne slabosti materiala zvarov. Tako lahko oslabitev ključnih delov zvarov v naprej predvidimo in jih na ustrezen način tudi kontroliramo. Tehnologi in varilci skušajo v delavnici ali na terenu uresničiti, kar so si konstrukterji na papirju zamislili 380 . Vendar pa v praksi pogosto pride do večjih ali manjših odstopanj od predvidenega: 1. za zvare so značilne varilne napake 2. na zvarih v varjenem stanju 381 so prisotne varilne zaostale napetosti 382 . Prav varilne napake in zaostale napetosti so zaradi poslabšanih lastnosti materiala zvarov odločilne za dejansko nosilnost varjenih konstrukcij. Zlom enega samega zvara lahko namreč povzroči porušitev celotne varjene konstrukcije. Ker napake in zaostale napetosti zmanjšajo trdnost zvarnih spojev, posredno vplivajo na nosilnost konstrukcij 383 .
6.1 Nepopolnosti zvarov 6.1.1 Varilne napake Zaradi stroškov, ki so povezani z zagotavljanjem kakovosti zvarov, je v industrijskih razmerah nemogoče pričakovati, da bi bili zvari popolnoma brezhibni. Realni zvari lahko imajo zmanjšan nosilni presek, ponekod povečane napetosti, ali pa je na nekaterih področjih napetostno stanje bistveno bolj zahtevno. 378
To so osnovni materiali. Ponavadi so pomembne njihove mehanske lastnosti, včasih pa tudi kakšne druge (npr trajnost, odpornost proti koroziji ali visoki temperaturi, toplotna prevodnost itd). 379 zahtevane lastnosti zvarov so predpisane v standardih 380 konstrukter predpiše zvare le okvirno, za dejansko kakovost zvarov je odgovoren tehnolog 381 zvari, ki niso toplotno ali na poseben način mehansko obdelani (npr vibrirani), so v varjenem stanju 382 Varilne zaostale napetosti so na zvarih nekje večje, drugje manjše in so lahko natezne ali tlačne. So posledica različnih mehanskih, toplotnih in drugih vplivov na material, ki so prostorsko in časovno omejeni. Največkrat je vzrok zanje preprečena možnost raztezanja ali krčenja materiala zaradi spremembe temperature in premen. Varilne zaostale napetosti so lokalna statična prednapetost materiala zvarov. 383 V obremenjenih zvarih so ponekod napetosti zaradi napak skoncentrirane. Če so lokalno napetosti prevelike, se material poruši (poči). Škodljiv vpliv napake je zato potem še večji in lom se nadaljuje. Zaostale napetosti se prišteje k napetostim, ki so posledica zunanjih obremenitev. Če se lokalno prevelike napetosti s plastično deformacijo materiala ne morejo prerazporediti na okolico, se material poruši. Zato je potrebno, da ima tudi material oslabljenih delov zvarov primerne konstrukcijske lastnosti.
90 Varilne napake delimo na oblikovne ali konstrukcijske napake ter na volumske in ravninske napake. Njihov vpliv na trdnost zvarov je odvisen od vrste napake ter od njene velikosti in v določenih primerih tudi usmerjenosti. − Oblikovne napake zvarov 384 so pogosto vzrok za nefunkcionalnost varjenih komponent in konstrukcij. Povzročajo tudi koncentracijo napetosti, vendar običajno v omejenem obsegu. Kadar te napake nastopajo v kombinaciji z drugimi vrstami napak, so še posebno nevarne 385 . − Volumske napake zvarov 386 zmanjšajo nosilni presek zvarov in hkrati povzročajo koncentracijo napetosti, ki pa ni ekstremno velika. Stopnja koncentracije napetosti je odvisna od oblike in položaja napak. − Večje in nevarno usmerjene ravninske napake zvarov 387 zmanjšajo nosilni presek zvarov. Ker so te napake navadno ostre, povzročajo veliko koncentracijo napetosti. Zaradi njihovega vpliva se lahko lokalno spremeni napetostno stanje. Spremenjeno napetostno stanje vpliva na možni način, kako se zvari pri prevelikih obremenitvah porušijo 388 . Tveganje zaradi prisotnosti varilnih napak je tem manjše, čim boljše so lastnosti materiala tistih delov zvarov, kjer je vpliv napak največji 389 . Idealno bi bilo, da bi bile lastnosti zvarov enakovredne lastnostim osnovnih materialov. Vendar ponavadi ni tako. Prav zato obravnavamo vse nekoliko bolj obremenjene zvare kot potencialno šibke členke varjenih konstrukcij. Nosilnost varjenih konstrukcij je mogoče ovrednotiti, če poznamo: 1. kakovost vseh obremenjenih zvarov 390 2. lastnosti materiala tistih delov zvarov, kjer so lastnosti zaradi varjenja najslabše 3. lastnosti materiala tistih delov zvarov, kjer lastnosti niso najslabše, ampak so tam obremenitve največje ali pa so ti deli zvarov v določenih primerih obremenjeni na posebno nevaren način 391
384
to so linijska in kotna neosnost zvarov (stopničavost in slemenavost zvarov), zmanjšan nosilni prerez ali hitra sprememba prereza zvarov 385 kombiniran vpliv napak je v praksi zelo pogost 386 to so plinski ter kovinski in nekovinski vključki ipd 387 To so razpoke, zlepi, neprevarjeni koren, robne zajede ipd. Nevarno usmerjene so tiste ravninske napake, ki so v ravnini, ki je pravokotna na največje natezne napetosti (če ni tako, je njihov vpliv odvisen od projekcije napake na to ravnino). Predpostavimo lahko, da ravninske napake, ki so vzdolžne z napetostmi, trdnosti zvarov ne zmanšajo (take ravninske napake lahko pod določenimi pogoji trdnost in predvsem duktilnost zvarov celo zvečajo). 388 Od napetostnega stanja sta odvisni meja plastičnosti in trdnost materiala ter seveda duktilnost in žilavost. Pri najbolj neugodnem napetostnem stanju (npr ravninsko deformacijsko stanje, ko so vse tri komponente napetosti natezne) se lahko krhko zlomijo tudi takšni materiali, ki so v normalnih razmerah sorazmerno duktilni. Veliko nevarnost pri uporabi varjenih konstrukcij predstavlja obstoj krhkega materiala v zvarih. V elastično deformiranih delih konstrukcij je dovolj energije za krhki zlom zvarov (na razpolago je v obliki akumulirane elastične deformacijske energije, tako kot npr energija deformirane vzmeti). 389 tu gre za konstrukcijske lastnosti materiala 390 Za ocenjevanje vpliva volumskih in oblikovnih napak uporabljamo klasično mehaniko, za nevarno usmerjene ravninske napake pa mehaniko loma. Z mehaniko loma kvantitativno opredelimo interakcijo med razpokami in napetostmi. Primerjamo jo z lomno žilavostjo materiala (lomna žilavost je lastnost materiala, tako kot elastični modul, meja tečenja, trdnost, žilavost itd). 391 npr v primeru obstoja ostrih zarez, razpok ipd
91 6.1.2 Varilne zaostale napetosti Varilne zaostale napetosti niso posledica zunanjih mehanskih, toplotnih ali kakšnih drugih obremenitev. Nastanejo zaradi neenakomernosti mikrostrukture na zvarih in dejstva, da se ta mikrostruktura ne izoblikuje povsod v istem trenutku. Pogosto je to združeno z lokalno plastično deformacijo materiala 392 . Če se po lokalni plastični deformaciji materiala ne spremeni kristalna zgradba, so zaostale napetosti posledica izključno te deformacije. Če pa gre za spremembo kristalne zgradbe materiala oziroma za premeno, so zaostale napetosti odvisne tudi od mikrostrukture. Pri varjenju material lokalno hitro segrejemo. Meja tečenja kovine se z naraščajočo temperaturo znižuje. Zaradi oviranja temperaturnega raztezanja materiala se lahko ta plastično deformira. Pri ohlajanju se lokalno bolj segreti in pred tem plastično deformirani material zaradi okoliškega manj segretega materiala ne more toliko skrčiti kot bi bilo treba. Material se lahko spet plastično deformira. Zaradi lokalnosti plastične deformacije se pojavijo zaostale napetosti. Posledica nateznih zaostalih napetosti v enem delu zvara so tlačne zaostale napetosti v tistem delu, ki je raztezanje oviralo, in nasprotno. Raven varilnih zaostalih napetosti ponekod na zvarih doseže celo mejo tečenja materiala. V določenih primerih se deli zvarov premenijo pri dokaj nizki temperaturi 393 . Takrat je meja tečenja materiala z na novo izoblikovano mikrostrukturo že prilično visoka in material je težje plastično deformirati. Tudi to je eden od vzrokov za nastanek zaostalih napetosti 394 . Obstoj varilnih zaostalih napetosti ima negativni vpliv na trdnost zvarov pa tudi samo možnost varjenja močno ovira. − V interakciji z nekaterimi mediji ali kemijskimi elementi raztopljenimi v jeklu, povzročajo razpad materiala 395 ali pokljivost zvarov 396 . − V lokalno prednapetih delih zvarov so skupne napetosti ponekod višje in pogosto bolj kompleksne od tistih, ki so posledica samo zunanjih obremenitev 397 . Tako varilne zaostale napetosti vplivajo na napetostno stanje v zvarih in lahko občutljivost materiala na pojav krhkega loma zvečajo. Na ta način je statična trdnost zvarov manjša. − Lokalno natezno prednapeti deli materiala zvarov ne prenesejo tako visokih cikličnih napetosti, kot če niso prednapeti (poglavje 4.5.1). Zato so varilne zaostale napetosti pogosto vzrok za zmanjšanje ciklične trdnosti zvarov 398 . 392
Če je obremenitev, zaradi katere je presežena meja tečenja materiala, izrazito lokalna, sodeluje pri odporu proti njej tudi okoliški material, ki je obremenjen samo elastično. Zaradi tega se lahko spremeni napetostno stanje (to vpliva na možne načine porušitve materiala). 393 grobozrnati del TVP je na zvarih pogosto zakaljen, tak pa je lahko tudi var, če ima ustrezno kemično sestavo (temperatura premene je funkcija kemične sestave in hitrosti ohlajanja, glej poglavje 4.6.3) 394 Transformacija γ → α je povezana s zmanjšanjem gostote jekla. Vzrok je sprememba kristalne zgradbe. Če je ta premena le lokalna, je premenjen material komprimiran, v okoliškem nepremenjenem materialu pa se kot posledica tega pojavijo natezne zaostale napetosti. 395 npr napetostna korozija 396 hladna pokljivost, vroča pokljivost, pokljivost pri pogrevanju, lamelarno trganje (vsaka od teh pokljivosti znižuje trdnost zvarov, zato te pojave obravnavamo kot varivostne probleme) 397 skupne napetosti so seštevek napetosti zaradi zunanjih obremenitev in varilnih zaostalih napetosti 398 Varilne zaostale napetosti so ponekod tlačne, kar je ugodno za trdnost zvarov pri cikličnih obremenitvah. To koristimo pri površinskem utrjanju zvarov s postopki "shot peening" in "hammer peening" (na površini so zaradi lokalne plastične deformacije materiala tlačne zaostale napetosti, ki povečajo dinamično trdnost površinskega sloja, kar je posebno pomembno pri upogibnih cikličnih obremenitvah).
92 Raven varilnih zaostalih napetosti, ki vplivajo na trdnost zvarov, je mogoče kontrolirati 399 . Po varjenju je mogoče z raznimi toplotnimi 400 in mehanskimi postopki 401 zaostale napetosti precej znižati, popolnoma pa nikoli.
6.2 Neposredni vplivi varjenja Pri varjenju polimorfnih kovin je tam, kjer je bila temperatura dovolj visoka, da je material prekristaliziran, mikrostruktura po varjenju drugačna od mikrostrukture osnovnega materiala. Brez izjeme velja to za var in TVP. Med varjenjem se lahko v določenih primerih mikrostruktura bistveno spremeni tudi zunaj klasičnega TVP 402 . Prav zaradi sprememb mikrostrukture, ki niso posledica premene, poznamo TVP tudi pri varjenju kovin, ki niso polimorfne 403 . 1. Var, ki pri talilnem varjenju z uporabo dodajnega materiala nastane s strjevanjem taline v zvarni kopeli, ima drugačno kemično sestavo od osnovnega materiala (slika 5.8). Var, ki nastane s strjevanjem taline v zvarni kopeli pri varjenju brez dodajnega materiala, ima v principu isto kemično sestavo kot osnovni material. Zaradi hitrega odvajanja toplote iz zvarne kopeli poteka pri talilnem varjenju strjevanje taline pod posebnimi pogoji (sliki 5.12 in 5.13) 404 . Polimorfne kovine se med ohlajanjem tudi premenijo (slika 5.17). Zato je mikrostruktura materiala takšnih varov popolnoma drugačna od mikrostrukture osnovnih materialov. Var, ki nastane z gnetenjem delov osnovnega materiala, zaradi visoke stopnje plastične deformacije 405 med ohlajanjem ali rekristalizira in prekristalizira 406 ali samo rekristalizira 407 . Tako je tudi mikrostruktura materiala takšnih varov popolnoma drugačna od mikrostrukture osnovnih materialov. 2. Po poreklu je material TVP osnovni material. Njuna kemična sestava je ista. TVP na polimorfnih kovinah je popolnoma ali delno prekristaliziran osnovni material 408 . Zato se mikrostruktura posameznih delov TVP razlikuje od mikrostrukture osnovnih materialov. V njem so drugačna tako zrna kot prisotne faze (poglavje 5.3). Izoblikovana mikrostruktura je rezultat zelo hitrega segrevanja osnovnega materiala in nato nekoliko počasnejšega, vendar še zmeraj sorazmerno hitrega ohlajanja. Ta potek 399
pravilna izbira pozicije zvarov in njihove oblike, tehnike gradnje varov, vrstnega reda izdelave zvarov (zaporedje sestave konstrukcijskih komponent) ter ustrezne tehnologija varjenja 400 napetostno žarjenje pa tudi normalizacija 401
npr za zaostale napetosti na makro ravni preobremenjevanje zvarov oziroma preobremenjevanje celotnih varjenih konstrukcij, za varilne zaostale napetosti na mikro ravni pa mehansko vibriranje 402 pri ogljikovih jeklih je to področje, ki ni bilo segreto nad temperaturo Ac1 403 npr aluminijeve zlitine 404 Hitro ohlajanje zvarov je posledica
−
sorazmerno majhnega deleža staljenega materiala v primerjavi s preostalo maso varjenih elementov (volumen zvarne kopeli je majhen)
− −
majhne specifične talilne toplote kovin (v talini ni uskladiščeno prav veliko toplote)
dobre toplotne prevodnosti kovin glede na ostale snovi, ki so v stiku z najbolj segretimi deli zvarov in prispevajo k odvodu toplote pri varjenju (zrak, plini, ki služijo za zaščito pri varjenju itd) 405 stopnja plastične deformacije je pri spajanju z gnetenjem lokalno segretih delov materiala zelo velika 406 material vara prekristalizira takrat, ko gre za polimorfno kovino 407 material vara zgolj rekristalizira takrat, ko gre za kovino brez premene 408 kjerkoli je presežena temperatura Ac3 jekla je prekristalizacija popolna, med temperaturo Ac1 in Ac3 pa je prekristalizacija delna
93 temperature pri varjenju imenujemo varilni cikel. V največji meri je mikrostruktura TVP odvisna od maksimalne temperature varilnega cikla in od hitrosti ohlajanja. Če osnovni material ni polimorfen, material TVP ni prekristaliziran. V tem primeru gre v TVP za prisotnost istih faz kot v osnovnem materialu. Razlika med mikrostrukturo pa vseeno obstaja. Mikrostruktura TVP je praviloma bolj grobozrnata. Razen tega se lahko zaradi visoke temperature varilnega cikla kakšne obstoječe drobne faze raztopijo ali pa se kakšne faze, ki jih prej ni bilo, izločijo. 6.2.1 Toplotni vpliv varjenja enega varka Mikrostruktura vsake polikristalne kovine, ki je podvržena določenemu toplotnemu vplivu, je odvisna od kemične sestave in izhodnega stanja ter od poteka temperaturnega vpliva oziroma od najnovejše termične zgodovine kovine. Isto velja tudi var in TVP. Ogljikova konstrukcijska jekla izdelujejo po treh postopkih. To so normalizirana, poboljšana in termomehansko obdelana ogljikova konstrukcijska jekla. Valjajo in toplotno jih obdelajo na različne načine: − Normalizirana ogljikova konstrukcijska jekla po vročem valjanju za kratek čas segrejejo tik nad temperaturo Ac3 in jih nato počasi ohladijo. Ta vrsta konstrukcijskih jekel ima zato feritno-perlitno mikrostrukturo. Delež perlita je odvisen od vsebnosti ogljika, mehanske lastnosti pa tudi. − Poboljšana ogljikova konstrukcijska jekla po valjanju segrejejo nad temperaturo Ac3 za dovolj dolgo, da postane avstenit po vsej debelini homogen, nato pa jih kalijo in popustijo. Mikrostruktura teh vrst konstrukcijskih jekel je zato iz popuščenega martenzita z določenim deležem bainita. Delež bainita je odvisen od kemične sestave jekla in od debeline materiala 409 , mehanske lastnosti pa prav tako. − Termomehansko obdelana ogljikova konstrukcijska jekla imajo zelo nizko vsebnost ogljika. Kontrolirano jih valjajo, nazadnje pri tako nizki temperaturi in s tolikšno stopnjo plastične deformacije, da z rekristalizacijo in primerno hitrim ohlajanjem zagotovijo izoblikovanje zelo drobnozrnate mikrostrukture. Ta vrsta konstrukcijskih jekel ima zato feritno-perlitno mikrostrukturo z zelo majhnim deležem perlita, od katerega so odvisne mehanske lastnosti. Različni učinki toplotnega vpliva pri varjenju so dobro vidni na dveh metalografskih posnetkih, ki sta na sliki 6.1. To sta dva prečna prereza enovarkovnih zvarov pri varjenju istega jekla. Pri obeh je uporabljen isti dodajni material, vnosa toplote pa sta različna. Kemični sestavi obeh varov sta različni, saj stopnji namešanosti dodajnega in osnovnega materiala zaradi različnih vnosov toplote nista enaki. Na obeh metalografskih posnetkih sta označeni meji med varom in TVP 410 ter približni položaj meje med TVP in nespremenjenim osnovnim materialom 411 . Pri zvarih v varjenem stanju je najnovejša termična zgodovina celotnega zvara posledica varjenja, oziroma vnešene toplote pri varjenju, pri čemer sta pomembni tudi temperatura varjenega materiala in oblika spoja (slika 5.5) 412 . 409
vsa ogljikova jekla so slabo prekaljiva (debelina materiala vpliva na dosegljivo hitrost ohlajanja pri kaljenju, zato je v praksi odločilna za delež martenzita v poboljšanih konstrukcijskih jeklih) 410 to je črta taljenja 411 pri ogljikovih konstrukcijskih jeklih mejo med TVP in nespremenjenim osnovnim materialom predstavlja doseg maksimalne temperature varilnega cikla do temperature Ac1 412 tu gre za število varjenih elementov in njihovo debelino
94
var
var
TVP
OM
TVP
OM
a zvar narejen z določenim vnosom toplote; b zvar narejen z vnosom toplote, ki je večji kot pri zvaru na sliki a
Slika 6.1: Zrnatost enovarkovnega zvara pri varjenju z različnima vnosoma toplote
Ob črti taljenja je grobozrnati del TVP. Rast poligonalnih zrn v tem delu TVP je posledica povečane difuzije gradnikov kristalov pri najvišjih temperaturah varilnega cikla. Ko kristali rastejo, znižujejo svojo energijsko raven 413 . Če je kovina dalj časa močno segreta, so zrna večja. Varjena kovina je dolgo segreta, ko varimo z velikimi vnosi toplote 414 . Pri nekaterih kovinah je rast zrn ob črti taljenja posebno hitra 415 . Hitrost rasti zrn lahko izdatno ovirajo drobni, fino dispergiranimi izločki, ki se raztopijo šele pri zelo visokih temperaturah, ali vključki, ki se do tališča kovine sploh ne raztopijo. Ti drobni delci znotraj zrn se zoperstavljajo spremembi položaja kristalnih mej. Za njihovo prisotnost poskrbijo proizvajalci osnovnega materiala 416 . Kovina, pri kateri med varjenjem zrna manj zrastejo, je bolje variva kot tista, pri kateri zrna bolj zrastejo 417 . Porabniki konstrukcijskih kovin, ki so usposobljeni za gradnjo najzahtevnejših varjenih konstrukcij in strojev, dobro poznajo prednosti konstrukcijskih materialov, ki so pri varjenju odporni proti rasti zrn. Zato je povpraševanje po takšnih materialih na trgu veliko. Te materiale je mogoče variti bistveno bolj ekonomično, saj se sme uporabljati večje vnose toplote 418 . Seveda so zaradi zahtevnejše proizvodnje ti
413
to je področje sekundarne rekristalizacije količina dovedene toplote se odrazi tudi na količini staljenega materiala v zvarni kopeli oziroma na velikosti prečnega prereza strjenega vara 415 npr čisti aluminij pa tudi njegove zlitine 416 za izdelavo takšnih konstrukcijskih materialov je potrebna posebna tehnologija 417 varivost materiala je lastnost, da ga je mogoče spajati z varjenjem, ter da imajo z varjenjem narejeni spoji lastnosti, ki zagotavljajo zanesljivo in varno uporabo konstrukcij 418 Merilo za hitrost izdelave zvarov je količina staljenega materiala v enoti časa. Ta je odvisna od hitrosti vnašanja toplote v material. Hitrost vnašanja toplote je moč (z močnejšimi varilnimi izvori je mogoče v enoti časa vnesti več toplote). 414
95 konstrukcijski materiali dražji. Proizvajalci takšnih kovin potrebuje vrhunske metalurge, v izdelavo pa vložijo več dela 419 . Pri varjenju zvara na sliki 6.1a je bil vnos toplote manjši kot pri varjenju zvara na sliki 6.1b. Zato je TVP ožji, velikost zrn v grobozrnatem delu TVP pa manjša 420 . Razlika v količini vnešene toplote se odraža tudi na zrnatosti materiala vara. V varu, ki je narejen z večjim vnosom toplote, so zrna usmerjena, v tistem z manjšim vnosom toplote pa ne. Očitno sta bila v obeh zvarnih kopelih temperaturna gradienta pri kristalizaciji taline različna 421 . Slika 6.2 prikazuje potek maksimalne temperature varilnega cikla in dvoje reprezentativnih lastnosti materiala preko celotnega enovarkovnega zvara, ki je narejen na nekem ogljikovem konstrukcijskem jeklu. T Tt
a
Ac3 Ac1 x
b
var
TVP
nevplivani OM
prekristalizirani del TVP delno prekristalizirani del TVP grobozrnati del TVP finozrnati normalizirani del TVP DM1
c
DM2 DM3 DM3 DM2 DM1
HV CVN
x a potek maksimalne temperature varilnega cikla; b prerez zvara in varjenega materiala; c trdota (HV) in žilavost (CVN) zvara in varjenih elementov pri treh različnih sestavah vara
Slika 6.2: Lastnosti enovarkovnega zvara
Posledica izoblikovanja različnih mikrostruktur pri varjenju so različne lastnosti posameznih delov zvarov. Na sliki 6.2c je vzdolž označene črte na sliki 6.2b prikazan potek trdote in žilavosti materiala. Meja tečenja ter statična trdnost materiala sta v vsaki točki sorazmerni s trdoto. Žilavost materiala, ki je merilo stopnje varnosti uporabe varjenih izdelkov, v katerih so prisotne tudi napake, je navadno obratno sorazmerna s trdoto materiala. Mehanske lastnosti vara in TVP so odvisne od dejanske kemične sestave enega in drugega ter od hitrosti ohlajanja, pri posameznih delih TVP pa je pomembna tudi maksimalna temperatura varilnega cikla. 419
cena vsakega blaga je posledica razmerja med njegovo ponudbo in povpraševanjem na sliki je oboje približno v razmerju 3:2 421 pogoji za različne načine kristalizacije taline v zvarni kopeli so prikazani na sliki 5.13 420
96 Trdota in žilavost vara na sliki 6.2 ustrezata trem dodajnim materialom (DM1, DM2 in DM3), pri čemer prvi vsebuje več ogljika od drugega, ta pa od tretjega. Ker gre za enake vnose toplote pri varjenju, je stopnja namešanja vsakokrat enaka. Vsebnost ogljika v varu je tako odvisna samo od kemične sestave dodajnega materiala. Kemična sestava TVP je identična s kemično sestavo varjenega jekla 422 . Za potek trdote in žilavosti je pomembna maksimalna temperatura varilnega cikla in hitrost ohlajanja. Na sliki 6.2a vidimo, da je maksimalna temperatura odvisna od oddaljenosti od črte taljenja. Najvišja je tik ob črti taljenja, nato pa se znižuje: − Trdota TVP je največja v grobozrnatem delu TVP tik ob varu, z oddaljenostjo od črte taljenja pa se zmanjšuje. V finozrnatem delu TVP je manjša, v delu, ki je samo prekristaliziran pa se v določenih primerih poveča, v določenih pa zmanjša. V delno prekristaliziranemu delu TVP se trdota zmanjšuje, dokler se pri maksimalni temperaturi okoli temperature Ac1 ne izenači s trdoto osnovnega materiala. − Žilavost TVP je najmanjša v grobozrnatem delu TVP. V finozrnatem delu TVP je žilavost znatno večja. V prekristaliziranemu delu TVP je žilavost v določenih primerih manjša kot v "normaliziranemu", v določenih primerih pa večja. Zanesljivo je večja od žilavosti grobozrnatega dela TVP. V delno prekristaliziranemu delu TVP se žilavost povečuje skladno z deležem neavstenitiziranega materiala. TVP na jeklu Nionicral 70 Δt8/5 ≅ 10 s
OM
TVP na jeklu Nionicral 70 Δt8/5 ≅ 10 s T = − 40°C
CVN J
HB
OM
Tp, °C
Tp, °C
a
b
a trdota TVP po Brinellu - HB; b udarna žilavost TVP - CVN
Slika 6.3: Trdota in žilavost enovarkovnega TVP v odvisnosti od maksimalne temperature varilnega cikla
Podrobneje poglejmo izmerjene lastnosti enovarkovnega TVP pri varjenju visoko trdnega ogljikovega konstrukcijskega jekla Nionicral 70 423 . Na sliki 6.3 sta prikazani trdota in žilavost TVP zvara na tem jeklu pri ohlajanja s časom Δt8/5 ≅ 10 s. Obe lastnosti sta odvisni od maksimalne temperature varilnega cikla Tp oziroma od oddaljenosti od črte taljenja. Da gre pri varjenju z različnimi vnosi toplote za isto maksimalno temperaturo varilnega cikla na različnih oddaljenostih od črte taljenja, je shematsko prikazano na sliki 6.4a. Zaradi različnih vnosov toplote so tudi časi ∆t8/5 različni. 422 423
to velja za vse materiale, ne le za ogljikova konstrukcijska jekla vzorci materiala delov TVP na sliki 6.3 in sliki 6.4b so bili izdelani s simulacijo termičnih razmer pri enovarkovnem varjenju, medtem ko so bili vzorci na sliki 6.7b izdelani s simulacijo termičnih razmer pri dvovarkovnem varjenju
97 Na sliki 6.4a je položaj grobozrnatega dela TVP posebej poudarjen. Ta del TVP je zaradi večjih zrn bolj kaljiv kot finozrnati del TVP, zato je navadno to najtrši del zvara in tudi njegov najmanj žilavi del. Na sliki 6.4b vidimo, da je stopnja zakaljenosti grobozrnatega dela TVP odvisna od hitrosti ohlajanja oziroma od časa ∆t8/5. Varilni CCT diagram grobozrnatega dela TVP na jeklu Nionicral 70 je prikazan na sliki 5.7a. Na sliki 6.4b je trdota največja pri časih Δt8/5 ≤ 7 − 8 s in sicer okoli 380 HV 424 . Ker gre za nizkoogljični martenzit je njegova trdota odvisna samo od vsebnosti ogljika (enačba 5.6). Podatki o žilavosti na sliki 6.3b ustrezajo testni temperaturi − 40°C. Pri višjih temperaturah bi bila žilavost tega dela TVP večja. S primerjavo slik 5.7a in 6.4b ugotovimo, da je material grobozrnatega dela TVP na jeklu Nionicral 70 najbolj žilav, ko je v njem nekaj bainita 425 . To je takrat, ko je Δt8/5 ≅ 8 − 15 s. Trdota in udarna žilavost materiala tega dela TVP se pri naraščanju časa ∆t8/5 zmanjšujeta. Ko se začne pri času Δt8/5 ≅ 400 s iz avstenita izločati tudi ferit, se zmanjševanje trdote in žilavosti ustavi. 400
200 ≅ 1500°C
var
≅ 700°C
TVP
OM
grobo zrno var
CVN J ∆t8/5
TVP
Grobozrnati del TVP na jeklu Nionicral 70 T = − 40°C
CVNOM
HV10
100
300
OM
HVOM
HV
Tp
CVN
0 2
a
10
1
10
Δt8/5, s
2
10
200
3
b
a shematski prikaz širine celotnega TVP in njegovega grobozrnatega dela v odvisnosti od vnešene toplote pri varjenju oziroma od časa ∆t8/5; b trdota HV in udarna žilavost CVN grobozrnatega dela enovarkovnega TVP
Slika 6.4: Lastnosti grobozrnatega dela TVP enovarkovnih zvarov v odvisnosti od časa ∆t8/5
Na sliki 6.3a in 6.3b ter na sliki 6.4b lahko trdoto in žilavost enovarkovnega TVP primerjamo z izhodno trdoto in žilavostjo z varjenjem nespremenjenega osnovnega materiala Nionicral 70. Ta ima trdoto okoli 245 HV in udarno žilavost 170 J pri − 40°C. Ugotovimo sledeče: 1. Trdota in žilavost materiala grobozrnatega dela TVP, kjer je bila maksimalna temperatura varilnega cikla blizu temperature tališča jekla, sta odvisni od hitrosti ohlajanja. Ko ni več pogojev za nastanek martenzita, prične trdota padati. Pri času ∆t8/5 = 400 s trdota tega dela TVP še ne doseže trdote osnovnega materiala, se mu pa precej približa. Žilavost raste do Δt8/5 = 7 − 8 s, doseže maksimum v območju 8 − 15 s, nato pa upada. V najboljšem primeru doseže le četrtino žilavosti osnovnega materiala. 424
Trdota na sliki 6.3a je izmerjena po Brinellu (HB) s sorazmerno veliko kroglico in pri veliki obremenitvi. Ker so bile meritve trdote narejene na vzorcih s simulirano mikrostrukturo TVP, ki niso prav veliki, so odstopanja od vrednosti, ki so izmerjena po Vickersu (HV), razumljiva. Podatki dobljeni z vtiskovanje Vickersove piramide pri sili 98,1 N (HV10) na sliki 6.4b so vsekakor bolj reprezentativni. 425 bainit je mehkejša faza od martenzita
98 2. Material finozrnatega dela TVP z najbolj drobnozrnato in stabilno mikrostrukturo, je manj trd in nekoliko bolj žilav od materiala grobozrnatega dela TVP. Oboje pa še zdaleč ni blizu trdoti in žilavosti izhodnega osnovnega materiala. Na sliki 6.3 to vidimo za čas ∆t8/5 ≅ 10 s. V tem delu TVP maksimalna temperatura varilnega cikla dovolj dolgo znatno presega temperaturo Ac3 jekla, da avstenit postane homogen, medtem ko pa zrna ne rastejo. Temperaturne razmere so podobne razmeram pri normalizaciji jekel, čeprav pri varjenju nikoli ne gre za posebno počasno ohlajanje 426 . Vseeno je upravičeno pričakovati v finozrnatem delu TVP boljšo žilavost kot v grobozrnatemu delu, če že ne zaradi manjše trdote, pa zaradi bolj drobnega zrna. 3. Trdota prekristaliziranega dela TVP, kjer maksimalna temperatura varilnega cikla malo preseže temperaturo Ac3 jekla, je navadno nižja, kot trdota "normaliziranega" dela TVP, ni pa to nujno. Pričakovati je sicer manjšo žilavost, vendar s podatki na sliki 6.3 tega ni mogoče potrditi. 4. V delno prekristaliziranemu delu TVP je maksimalna temperatura varilnega cikla med temperaturo Ac1 in Ac3. Med varilnim ciklom je tako avstenitiziran le delež osnovnega materiala 427 . Pri ohlajanju se v odvisnosti od časa ∆t8/5 in vsebnosti ogljika v avstenitiziranemu delu materiala lahko ta bolj ali manj zakali. Zaradi večje vsebnosti ogljika avstenitiziranega dela materiala je trdota tega dela TVP večja od trdote prekristaliziranega dela TVP 428 . V neavstenitiziranemu delu materiala so temperaturne razmere nekaj časa ugodne za popuščanje obstoječega martenzita 429 . Prav učinek popuščanja je pri varjenju poboljšanih konstrukcijskih jekel pogosto vzrok za manjšo trdoto in večjo žilavost delno prekristaliziranega dela TVP 430 . 6.2.2 Toplotni vplivi varjenja več varkov Pri večvarkovnem varjenju je vpliv varjenja vsakega sledečega varka na material enak kot vpliv varjenja enega samega varka pri enovarkovnem varjenju. Vendar pa so pri večvarkovnem varjenju geometrijske razmere in material, na katerega deluje varilni cikel, nekoliko drugačni. Vpliva sledečih varkov ne opazimo samo na osnovnem materialu, ampak tudi na predhodnih varkih in na delih TVP predhodnih varkov (slika 5.2a) 431 .
426
Kaže, da se zelo velik delež materiala v finozrnatem delu TVP pri ohlajanju s časom ∆t8/5 ≅ 10 s zakali. Dokaz tega je potek druge ohlajevalne krivulje na CCT diagramu s slike 5.7b. Trdota vzorca z martenzitnobainitno mikrostrukturo je 347 HV. Tretja ohlajevalna krivulja na istem CCT diagramu je povezana z nastankom bainitne mikrostrukture. Trdota tega vzorca je le še 322 HV. 427 To je delež materiala, v katerih poteče reakcija α + Fe3C → γ (ta reakcija se začne pri temperaturi Ac1). Obseg prekristaliziranega deleža materiala je odvisen od maksimalne temperature varilnega cikla (pri temperaturi Tp = Ac1 je prekristalizirani delež materiala praktično nič, pri Tp = Ac3 pa skoraj 1) 428 avstenitizira se samo tisti del mikrostrukture, kjer je vsebnost ogljika večja od povprečja (kaljivost je odvisna od vsebnosti ogljika v jeklu) 429 Jeklo, na katerem so narejene simulacije varjenja s podatki na slikah 6.3 in 6.4b, je poboljšano konstrukcijsko jeklo. Ima mikrostrukturo bainita in popuščenega martenzita (temperatura popuščanja poboljšanih jekel je nižja od temperature Ac1) 430 pri varjenju normaliziranih feritno-perlitnih jekel je drugače 431 Na sliki 5.3a je prikazan makro obrus večvarkovnega soležnega zvara. Povsod, kjer je med varjenjem temperatura presegla temperaturo Ac1, se je predhodna mikrostruktura spremenila. Posebno pomembni področji toplotnega vpliva vseh sledečih varkov sta: − grobozrnati del TVP predhodnih varkov (zrna lahko še rastejo, pa tudi prekaljivost grobozrnatega materiala je večja, zaradi česar je v tem delu TVP možna prisotnost avstenitno-martenzitnih faz) − predhodni varki z dendritsko strukturo, ki so anizotropni (del materiala je zaradi najnovejšega varilnega cikla prekristaliziran, anizotropnost lastnosti pa v tem delu varkov po večini izgine)
99 Lastnosti materiala, ki je med varjenjem sledečih varkov ponovno segret nad določeno temperaturo 432 , so odvisne od njegove kemične sestave in izhodnega stanja ter seveda od najnovejše termične zgodovine. Najnovejšo termično zgodovino pa predstavlja prav varjenje zadnjega vplivnega varka 433 . Pri varjenju se zvari dokaj hitro ohladijo 434 . Zaradi tega sta pri ogljikovih konstrukcijskih jeklih tako var kot večji del TVP do neke mere zakaljeni jekli. Stopnja zakalitve je odvisna od vsebnosti ogljika ter od prekaljivosti materiala vara in osnovnega materiala 435 . Katere faze obstajajo v zvarih, ki so toplotno vplivani z varjenjem naslednjih varkov, ter trdota in žilavost materiala posameznih področij teh zvarov 436 je odvisno od: − maksimalne temperature varilnega cikla Tp2 − časa ohlajanja Δt8/5 437 Na sliki 6.5 je prikazan prerez trivarkovnega zvara, katerega termična zgodovina je odvisna od parametrov varjenja in od načina gradnje vara. Ac1
Tt
vpliv v TVP
2. varek TVP
1. varek
vpliv v varu
3. varek
Slika 6.5: Večvarkovni zvar s področji različnih toplotnih vplivov
Vsi trije varki so narejeni z različnimi vnosi toplote. To se odraža na njihovih presekih 438 . Oba temenska varka sta namešana tudi z materialom prejšnjega varka, ne samo z osnovnim materialom 439 . Pri varjenju večjega od temenskih varkov (drugi varek) je bil vnos toplote večji kot pri varjenju manjšega (tretji varek). To se pozna tako na trdoti kot na žilavosti materiala varkov: − Drugi varek je zaradi največjega vnosa toplote in zato najbolj počasnega ohlajanja najmehkejši, sledita pa mu prvi varek in nato tretji 440 . − Žilavost drugega varka je iz istih razlogov največja, temu pa sledi žilavost prvega varka, nato pa tretjega. 432 433 434
npr pri ogljikovih jeklih temperatura Ac1 dotedanja termična zgodovina varjenja je zajeta v izhodnem stanju materiala prejšnjih varkov in TVP
časi ohlajanja ∆t8/5 so od nekaj sekund do nekaj deset sekund (izjema so nekateri varilni postopki kot npr lasersko varjenje, varjenje z elektronskim snopom, varjenje pod žlindro itd) 435 Prekaljivost jekel je odvisna od legirnih elementov, predvsem Cr in Mo. Kemična sestava vara je odvisna od deležev staljenega dodajnega in osnovnega materiala, kemična sestava TVP pa je identična kemični sestavi osnovnega materiala. 436 meja tečenja in trdota sta sorazmerni s trdoto, za žilavost in duktilnost pa velja obratno 437 Hitrost ohlajanja med gradnjo večvarkovnega vara je funkcija parametrov varjenja, debeline materiala in trenutne oblike spoja 438 presek prvega varka je zmanjšan zaradi uvara sledečih dveh varkov 439 Zaradi vsakokrat drugačnih geometrijskih pogojev je vsak varek, kljub morebitnim enakim varilnim parametrom, malo drugače namešan. Zato imajo posamezni varki različno kemično sestavo, tudi če so varilni parametri enaki. Sestava TVP je zmeraj enaka sestavi osnovnega materiala. 440 dodajni material je izbran po načelu, da je meja tečenja (trdota) izdelanega vara najmanj enaka osnovnemu materialu
100 Na sliki 6.6 je prikazan zvar s slike 6.5. Vzdolž označenih treh črt (1, 2 in 3) sta prikazana možna poteka trdote in žilavosti materiala. Kjerkoli v zvaru gre za isto mikrostrukturo, morata biti tudi trdota in žilavost enaki: črta 2
črta 3
črta 1
OM TVP 2.varek TVP OM
2.varek
1.varek 3.varek
2.varek
TVP
3.varek
HV CVN
x črta 1
črta 2
črta 3
Slika 6.6: Mehanske lastnosti večvarkovnega zvara
1) Črta 1 seka nevplivani osnovni material ter enovarkovno TVP in var preko drugega varka, ki je v varjenem stanju 441 . Tu gre za izrazito enovarkovni vpliv varjenja, saj se na tej črti toplotnih vplivov drugih dveh varkov ne opazi. Trdota osnovnega materiala je manjša od trdote TVP in vara, žilavost pa večja. Oba dela zvara sta vsaj nekoliko zakaljena. Tik ob črti taljenja je trdota TVP največja, žilavost pa najmanjša 442 . Trdota vara ne presega največje trdote TVP, kar je dokaz, da je v varu manj ogljika kot v osnovnem materialu. Hitrost ohlajanjaje v varu in TVP je namreč enaka. V primeru, da bi bilo v varu ogljika prav toliko ali celo več kot v osnovnem materialu, bi bil prikazan potek trdote in žilavosti na sliki lahko posledica večje prekaljivosti osnovnega materiala. Zaradi večje legiranosti dodajnih materialov od osnovnih je tak primer v praksi malo verjeten 443 . 2) Črta 2 seka var preko vseh treh varkov in na prvem varku tudi tista dela materiala, ki sta bila pod vplivom varjenja obeh naslednjih varkov. Trdota tretjega varka v varjenem stanju je zaradi najmanjšega vnosa toplote večja od trdote dela prvega varka v varjenem stanju, ta pa je iz istega razloga večja od trdote dela drugega varka, ki je tudi v varjenem stanju. Pri žilavosti je ravno obratno. 441
to pomeni, da zaradi varjenja sledečega varka mikrostruktura tega varka ni bila spremenjena Osnovni material je izdelan pri optimalnih pogojih, kar za zvar ne velja. Maksimum trdote v TVP čisto ob varu imenujemo trdotna konica. Trdotne konice je mogoče znižati s termično obdelavo zvarov po varjenju (napetostno žarjenje), pri katerem se globalne lastnosti zvarov ne spremenijo. Takšno termično obdelavo navadno koristimo za znižanje varilnih zaostalih napetosti (zvari v odžarjenem stanju niso več v varjenem stanju). 443 vsebnost ogljika v dodajnih materialih je navadno manjša kot v osnovnih (ker je potrebna v varu enaka ali večja trdnost kot v osnovnem materialu, proizvajalci dodajnih materialov to dosežejo z legirnimi elementi, ki jih v osnovnem materialu ni) 442
101 Drugače je na delih prvega varka, kjer je toplotni vpliv varjenje sledečih varkov spremenil prvotno mikrostrukturo. Del spremenjenega prvega varka je v celoti prekristaliziran, del pa le delno 444 . Na strani drugega varka je trdota prvega varka zmanjšana, žilavost pa zvečana. Na strani tretjega varka je to obratno. Hitrost ohlajanja je pri varjenju drugega varka namreč manjša kot pri varjenju prvega varka, medtem ko je hitrost ohlajanja pri varjenju tretjega varka večja. Je pa hitrost ohlajanja pri varjenju tretjega varka večja kot pri varjenju drugega varka, zato lastnosti materiala v celoti in delno prekristaliziranega dela prvega varka niso enake. 3) Črta 3 seka drugi in tretji varek ter TVP ob prvem varku. TVP je na enem mestu posledica varjenja samo prvega varka, na dveh mestih pa prvega in sledečega varka, enkrat drugega, enkrat pa tretjega. Najmanj trd in najbolj žilav je material drugega varka. Trdota in žilavost drugega in tretjega varka sta isti kot na črti 2. V enkrat in dvakrat vplivanem delu TVP prvega varka, sta trdota in žilavost tolikšni kot v TVP drugega varka na črti 1 445 . Trdota enovarkovnega TVP je na večji oddaljenosti od črte taljenja manjša kot tik ob njej (slika 6.3). Tik ob črti taljenja je enaka z obema dvovarkovnima trdotnima konicama. Potek žilavosti je nasproten poteku trdote. Kjer je v toplotnem dosegu drugega in tretjega varka maksimalna temperatura varilnih ciklov presegla temperaturo Ac3, je izoblikovana mikrostruktura TVP posledica varilnih parametrov teh dveh varkov 446 . Kjer pa je maksimalna temperatura dosegla temperaturni interval med temperaturo Ac3 in Ac1, je izoblikovana mikrostruktura malo odvisna tudi od parametrov varjenja prvega varka. Podrobneje si oglejmo lastnosti dvovarkovnega TVP tik ob črti varjenja na jeklu Nionicral 70. Da gre pri dosegu maksimalne temperature varilnega cikla sledečih varkov za različne oddaljenosti od črte taljenja varkov je shematsko prikazano na sliki 6.7a. Na sliki 6.7b sta prikazani trdota in udarna žilavost dvovarkovnega dela TVP ob črti taljenja povsod tam, kjer se je zaradi varjenja sledečega varka spremenila mikrostruktura. Merilo oddaljenosti posameznih točk dvovarkovnega TVP od črte taljenja sledečega varka je maksimalna temperatura varilnega cikla Tp2. Trdoto in žilavost materiala dvovarkovnih TVP je mogoče primerjati z materialom izhodnih grobozrnatih enovarkovnih TVP: − Pri maksimalni temperaturi Tp2 ≅ 780°C je žilavost materiala prej enovarkovnega grobozrnatega dela TVP zvečana, trdota pa zmanjšana. Grobozrnati material se je segrel med temperaturo Ac1 in Ac3 in je zato delno prekristaliziran. Očitno je vpliv popuščenega deleža materiala z manj ogljika večji od vpliva prekristaliziranega deleža materiala z več ogljika. − Pri maksimalni temperaturi Tp2 ≅ 960°C sta trdota in žilavost materiala prej enovarkovnega grobozrnatega dela TVP enaki kot prej. Čeprav je ta temperatura višja od temperature Ac3, grobozrnati material očitno ni "normaliziran", ampak je samo 444
v celoti je prekristaliziran tisti del prvega varka, kjer je temperatura presegla temperaturo Ac3, delno pa tisti del, kjer je bila med temperaturo Ac1 in Ac3 (prvi varek v varjenem stanju lahko ima dendritsko strukturo) 445 Trdota grobozrnatega dela TVP ni odvisna od velikosti zrn. Bolj pomembna je vsebnost ogljika in stopnja zakalitve. Očitno je grobozrnati del TVP drugega in tretjega varka na sliki 6.6 enako trd kot grobozrnati del TVP prvega varka (pomeni, da gre v vseh treh primerih za martenzitno mikrostrukturo, saj hitrost ohlajanja pri varjenju teh varkov ni enaka). 446 najnovejšo termično zgodovino materiala dvovarkovnega TVP predstavlja vpliv varjenja obeh sledečih varkov
102 prekristaliziran. Slaba žilavost je posledica heterogenosti sestave materiala tega dela TVP. V času trajanja maksimalne temperature varilnega cikla se koncentracija ogljika in ostalih legirnih elementov še ni mogla izenačiti. − O "normalizaciji" materiala enovarkovnega grobozrnatega dela TVP lahko govorimo pri doseženi maksimalni temperaturi Tp2 ≅ 1100°C. Žilavost grobozrnatega materiala je izboljšana, trdota pa malo zmanjšana. To je torej na jeklu Nionicral 70 finozrnati del dvovarkovnega TVP ob črti taljenja. − Pri maksimalni temperaturi Tp2 ≥ 1350°C je žilavost materiala prej enovarkovnega grobozrnatega dela TVP še nekoliko manjša. Večje spremembe pri trdoti ni bilo mogoče opaziti. 400
200 meja TVP 2. varka 2. varek
CVN J
OM
≅700°C
HV10
HV
100
≅1500°C
1. varek
TVP ob črti taljenja na jeklu Nionicral 70 ∆t8/5 ≅ 10 s T = − 40°C
300
Tp2
meja TVP 1. varka grobo zrno enovarkovnega TVP
enovarkovni grobozrnati del TVP
0 300
500
700
CVN
200 900
1100
1300
Τp2, °C
a
b
a shematski prikaz dosega maksimalne temperature varilnega cikla sledečega varka na TVP predhodnega; b trdota HV in udarna žilavost CVN dvovarkovnega dela TVP tik ob črti taljenja
Slika 6.7: Področje dvovarkovnega dela TVP ob črti taljenja in njegove lastnosti
6.2.3 Toplotni vpliv varjenja, ki ne preseže temperature Ac1 Spremembo mikrostrukture zvarov in varjenih materialov opazimo tudi pri maksimalni temperaturi varilnih ciklov pod temperaturo Ac1. Takrat jeklo niti delno ni avstenitizirano. Če je jeklo v prav posebnem stanju pa je vseeno možna sprememba mikrostrukture. Stanje jekla je funkcija pogojev pri izoblikovanju njegove mikrostrukture. Zaradi dokaj hitrega ohlajanja, ki je povezano z načinom izdelovanja zvarov, so vari in TVP navadno v nekakšnem poboljšanem stanju 447 . V poboljšanem stanju so pred varjenjem tudi vsa poboljšana jekla 448 . Lastnosti materiala zvarov v varjenem stanju so odvisne od stopnje zakalitve in stopnje popuščenosti jekla. Pri varjenju poboljšanih jekel pa se dodatnemu popuščanju osnovnega materiala ni mogoče izogniti 449 . 447
Zaradi sorazmerno hitrega ohlajanja pri varjenju sta materiala vara in TVP do določene stopnje zakaljena. Zaradi značilne oblike varilnega cikla je med ohlajanjem zvarov upadanje temperature pri nižjih temperaturah bolj počasno (slika 5.4). Čas trajanja temperature, ki omogoča popuščanje martenzita v zakaljenih delih zvara, je kar dolg. Na koncu varilnega cikla je zato malo prej nastali martenzit že nekoliko popuščen. To poznamo kot samopopuščanje jekel. Zato rečemo, da so zvari v "poboljšanem stanju". 448 ena vrste konstrukcijskih jekel je narejena s poboljšanjem (včasih varimo tudi druga poboljšana jekla) 449 pojav prostorsko omejenega popuščanja pri varjenju poboljšanih konstrukcijskih in orodnih jekel je znan kot nastanek mehkega žepa (njegov obstoj je pomemben za trdnost zvarov in nosilnost varjenih konstrukcij)
103 Na sliki 6.8 je na primeru dvovarkovnega zvara prikazan doseg maksimalne temperature varilnega cikla nad 300°C na tistih delih zvara, ki so bili pred varjenjem drugega varka v "zakaljenem" oziroma v "poboljšanem" stanju. Trdota martenzita ali otočkov martenzita, ki so bili posledica kaljenja pri varjenju prvega varka, se na teh mestih zmanjša, žilavost materiala kot celote pa se zveča 450 . povzročitelj varilnega cikla
2. varek (a) T = 300°C
A-A’
T = Ac1
B-B’
OM (C jeklo) prekristalizirani del TVP (b) prekristalizirani del 1. varka (e)
popuščen del TVP (c) “poboljšani” del TVP (d)
“poboljšani” del 1. varka (g)
popuščeni del 1. varka (f)
HV prerez A-A’
a bcd
prerez B-B’
a
ef
g
Slika 6.8: Doseg varilnega cikla z maksimalno temperaturo 300°C in njegov vpliv na trdoto pri dvovarkovnem varjenju ogljikovih jekel
Iz poteka trdote v prerezu A-A' vidimo naslednje: 1. Trdota področja drugega varka, ki je označeno s črko a, je odvisna od kemične sestave varka in od hitrosti ohlajanja pri varjenju tega varka. 2. Trdota področja prekristaliziranega dela TVP prvega varka, ki je označeno s črko b, je odvisna od kemične sestave osnovnega materiala in od hitrosti ohlajanja pri varjenju drugega varka, nekoliko pa tudi od izhodnega stanja TVP, ki je posledica varjenja prvega varka. 3. Trdota področja popuščenega dela TVP prvega varka, ki je označeno s črko c, je odvisna predvsem od stopnje zakalitve TVP in od časa trajanja temperature nad 300°C pri varjenju drugega varka. 4. Trdota področja skoraj nespremenjenega dela TVP prvega varka, ki je označeno s črko d, je odvisna od kemične sestave osnovnega materiala in od hitrosti ohlajanja med varjenjem prvega varka. To področje zvara se pri varjenju drugega varka ni segrelo nad temperaturo 300°C. 450
učinek popuščanja je tem večji, čim višja je maksimalna temperatura varilnega cikla na določenemu predelu zvara in čim dlje tu najvišja temperatura traja (čas zadrževanja na najvišji temperaturi varilnega cikla je odvisen predvsem od količine vnešene toplote)
104 Iz poteka trdote v prerezu B-B' vidimo naslednje: 1. Trdota področja, ki je označeno z a, je ista kot v prerezu A-A'. 2. Trdota področja prekristaliziranega dela prvega varka, ki je označeno s črko e, je odvisna od kemične sestave prvega varka in hitrosti ohlajanja pri varjenju drugega varka. 3. Trdota področja popuščenega dela prvega varka, ki je označeno s črko f, je odvisna od predhodnega stanja vara in od časa trajanja temperature nad 300°C v času varjenja drugega varka. 4. Trdota področja z drugim varkom nevplivanega dela prvega varka, ki je označeno s črko g, je odvisna od kemične sestave in hitrosti ohlajanja pri varjenju prvega varka. To je področje s "poboljšanim" materialom TVP prvega varka. Na sliki 6.9 je na primeru enovarkovnega zvara prikazan doseg maksimalne temperature varilnega cikla nad 300°C na poboljšano jeklo, ki je bilo pri izdelavi popuščeno na temperaturi 300°C. Trdota enega dela osnovnega materiala ob zvaru se zaradi popuščanja pri varjenju zmanjša, žilavost pa poveča 451 . povzročitelj varilnega cikla
TVP (j)
T = Ac1 T = 300°C
var (k) C-C’
HV
prerez C-C’
poboljšani OM (h) h
i j
k
j i
h
dodatno popuščeni OM (i)
Slika 6.9: Doseg varilnega cikla z maksimalno temperaturo 300°C in njegov vpliv na trdoto pri enovarkovnem varjenju poboljšanega jekla
Iz poteka trdote v prerezu C-C' vidimo sledeče: 1. Trdota področja poboljšanega osnovnega materiala, ki je označeno s črko h, je odvisna od kemične sestave osnovnega materiala in od paramerov pri poboljšanju. To sta hitrost ohlajanja pri kaljenju in višina temperature pri popuščanju jekla. 2. Trdota področja dodatno popuščenega osnovnega materiala, ki je označeno s črko i, je odvisna od izhodiščne trdote jekla, dosežene temperature varilnega cikla in časa trajanja temperature nad 300°C. Čas segretja nad 300°C je v glavnem funkcija količine vnešene toplote pri varjenju.
451
Trdnost poboljšanih konstrukcijskih jekel (isto velja tudi za mejo tečenja) je odvisna od vsebnosti ogljika v jeklu, od hitrosti ohlajanja pri kaljenju (to je povezano z debelino materiala in kalilnim sredstvom) in od temperature popuščanja (višja kot je temperatura popuščanja, več se zmanjšata meja tečenja in trdnost zakaljenega jekla, za žilavost in duktilnost pa velja obratno). Zaradi popuščanja materiala ob zvarih, kjer maksimalna temperatura preseže temperaturo popuščanja osnovnega materiala, se lokalno trdnost zvarov zmanjša. Pojavi se namreč takoimenovani mehki žep. Posledično je zaradi tega manjša tudi nosilnost varjenih konstrukcij. Vpliv popuščanja materiala ob zvaru je tem večji, čim nižja je bila temperatura popuščanja pri izdelavi jekla in čim dlje je bil material ob zvaru med varjenjem segret nad temperaturo popuščanja osnovnega materiala).
105 3. Trdota področja prekristaliziranega dela osnovnega materiala oziroma TVP, ki je označeno s črko j, je odvisna od kemične sestave osnovnega materiala in od hitrosti ohlajanja pri varjenju 452 . 4. Trdota področja varka, ki je označeno s črko k, je odvisna od kemične sestave vara, kjer je dodajni material namešan tudi z osnovnim materialom, in od hitrosti ohlajanja pri varjenju.
6.3 Posredni vplivi varjenja Konstrukcijske in strojne elemente je pogosto treba pred vgradnjo z varjenjem še primerno preoblikovati, saj proizvajalci konstrukcijskih materialov masovno izdelujejo svoje proizvode le v določenih oblikah in izmerah. Kadar je mogoče in dopustno, konstrukcijske elemente iz teh proizvodov oblikujemo na najbolj hiter, enostaven in poceni način. V poštev pride lokalno izvedena plastična deformacija materiala. To je nereverzibilen pojav, zaradi katerega se konstrukcijski elementi po preoblikovanju ne morejo povrniti v prvotno obliko. Preoblikovane elemente zvarimo in iz tako pripravljenih komponent zgradimo konstrukcijo. Za takšno vrsto predelave materiala so primerni le tisti materiali, ki imajo dovolj dobre konstrukcijske lastnosti 453 . Pri plastični deformaciji v hladnem se nekatere lastnosti lahko namreč močno poslabšajo. Stopnja poslabšanje konstrukcijskih lastnosti je sorazmerna s stopnjo hladne deformacije materiala454 . S hladnim plastičnim preoblikovanjem materiala od zahtevnejših konstrukcij izdelujemo cevovode in tlačne posode. Pri oblikovanju cilindrične lupine valja gre za takoimenovano uvijanje debele pločevine (slika 6.10).
r
− εmax x + εmax
d
Slika 6.10: Stopnja deformacije materiala pri uvijanju debele pločevine
Potrebna debelina plašča teh konstrukcij je odvisna od premera cevovoda ali tlačne posode, od tlaka v njih ter od meje tečenja materiala in predpisanega varnostnega faktorja 455 . Te
452
V grobozrnatem, finozrnatem, prekristaliziranem in delno prekristaliziranem delu TVP je trdota večja od trdote osnovnega materiala. Največja je trdota tam, kjer se je material pri varjenju kalil z zelo visoke temperature. Razlog je zakalitev jekla v martenzit, ki pa za razliko od kaljenja pri proizvodnji jekla ni optimalno popuščen, ampak je le nekoliko samopopuščen. 453 tu gre predvsem za duktilnost in žilavost materiala 454 poslabšanje konstrukcijskih lastnosti materiala opazimo tam, kjer je material plastično deformiran, zunaj tega območja pa ne 455 d = k(pD/2Rp) ; d je debelina stene, p tlak, D premer valja, Rp meja tečenja materiala, k pa faktor varnosti
106 konstrukcije so lahko precej obremenjene, saj je napetostno polje dokaj enostavno, obremenitve pa navadno statične 456 . Zato je predpisani varnostni faktor lahko majhen. Dokler so deformacije pri uvijanju debeline pločevine elastične (slika 6.9) je na sredini pločevine nevtralna črta, kjer material ni deformiran. Deformacija materiala (ε) in napetost (σ) sta odvisni le od krivinskega radija lupine r in oddaljenosti od nevtralne črte x. ε=
x 2r
;
σ = Eε
6 .1
Pri obremenitvi, ko napetost preseže mejo tečenja materiala, je na zunanjih delih pločevine celotna deformacija materiala vsota elastične in plastične komponente deformacije (slika 4.8). Kjerkoli je napetost presegla mejo tečenja materiala, se je material plastično trajno deformiral. Tehnično uporabne kovine, ki jih plastično deformiramo, pa se navadno med deformiranjem tudi utrjajo 457 . Material z maksimalno stopnjo deformacije (εmax) se nahaja na obeh površinah uvitega elementa 458 . ε max =
d 4r
6 .2
Vidimo, da se material pločevine pri uvijanju samo lokalno hladno deformira. Po odstranitvi sile za oblikovanje elementa je lokalizirana hladna deformacija materiala vzrok za spremenjeno obliko elementa in za obstoj zaostalih napetosti. Večji kot je obseg hladne deformacije pri uvijanju, manjši je krivinski radij lupine, raven zaostalih napetosti, ki se pojavijo zaradi uvijanja, pa je višja 459 . V praksi imamo pri hladnem uvijanju redko opraviti s posebno velikimi plastičnimi deformacijami. Ponavadi gre za deformacije nekaj odstotkov in le redko 5% ali celo več 460 .
456 457
σc = pD/2d , σz = σc/2
;
σc je napetost v cirkularni smeri, σz pa vzdolžni smer
V mehaniki konstrukcijske materiale navadno obravnavamo kot idealno elastične − idealno plastične. Takšni materiali se ne utrjajo, realni materiali pa se. Eden od načinov enostavnega in poceni izdelovanja bolj trdnih konstrukcijskih materialov je hladno deformiranje (primer tega so hladno valjani, vlečeni ali izstiskani izdelki iz aluminijevih zlitin). − Aluminijeve zlitine so tako deformabilne, da tudi obsežnejša hladna deformacija lastnosti materiala ne poslabša toliko, da jih ne mogli več imeti za konstrukcijski material (tudi v deformiranem stanju imajo dobre konstrukcijske lastnost). − Kristalna zrna aluminijevih pa tudi bakrovih zlitin so značilna po ploskovno centrirani kubični kristalni mreži. Takšna kristalna mreža omogoča dislokacijam lažje drsenje. Rezultat tega je zelo dobra duktilnost in žilavost kovine − Razlog, da kovači jeklo segrejejo nad temperaturo Ac3 in ga vročega plastično preoblikujejo, je ploskovno centrirana kubična kristalna mreža avstenita (v hladnem tako obsežno preoblikovanje ne bi bilo mogoče, pa tudi potrebne sile za to bi bile prevelike). 458 To velja samo ob predpostavki, da se material enako vede pri tlaku in nategu. Takrat sta meji tečenja enaki (seveda se mora material, ki se deformacijsko utrja, v obeh primerih enako utrjati). 459 Zaostale napetosti zaradi uvijanja so na izbočeni ploskvi tlačne, na vbočeni pa natezne. Tako kot pri varilnih zaostalih napetostih, tudi za te napetosti ni potrebna zunanja obremenitev. Natezne napetosti so v ravnotežju s tlačnimi napetostmi. − Pri velikih tlačno obremenjenih posodah in cevovodih, ki se jih napetostno ne more odžariti, je na zunanji površini takšno napetostno stanje koristno, saj so tu napetosti pri obremenitvi manjše). − Zaostale napetosti so v pomoč pri spremembi smeri razširjanja razpok iz napak v zvarih. Vzdolžne razpoke zavijejo iz zvara in se zaustavijo v žilavem osnovnem materialu (posledice porušitve so manjše, sanacija varjene konstrukcije pa je lažja). 460 cilindrična lupina debeline 20 mm in premera 2 m, narejena s hladnim uvijanjem, je hladno deformirana za 1%, dva krat tako debela za 2% (če je pa premer le 1 m, je deformacija še zmeraj samo 4%)
107 Mikrostruktura kovin se zaradi hladne deformacije spremeni, saj ostanejo kristalna zrna trajno deformirana. Lastnosti deformiranih kovin so zaradi spremenjene mikrostrukture drugačne od lastnosti nedeformiranih. Energija deformiranih zrn je na račun opravljenega dela pri plastičnem deformiranju materiala zvečana 461 . Zaradi te energije so trdota in trdnost ter meja tečenja kovine povečani, duktilnost in žilavost pa zmanjšani, material kot tak pa v nekem posebnem stanju 462 . 6.3.1 Primarna rekristalizacija Če hladno deformirano kovino segrejemo na rekristalizacijsko temperaturo, se po določenem času zgradijo popolnoma nova zrna z isto kristalno mrežo, kot so jo imela deformirana zrna. Ta pojav je posledica zvišane ravni notranje energije deformiranih zrn. V njih je uskladiščena določena količina deformacijske energije. S segretjem kovine se v zrnih difuzija gradnikov kristalov zveča in deformirana zrna si lahko z rekristalizacijo energijo znižajo. Da je izgradnja novih zrn mogoča, morajo obstajati v deformiranem materialu za to določene kali. Hitrost rekristalizacije je odvisna od stopnje hladne deformacije, višine temperature in čistosti kovine. Lastnosti rekristalizirane kovine so drugačne, saj se pri rekristalizaciji spremeni mikrostruktura. Hladna deformacija in rekristalizacija ustvari teksturo, tako da rekristalizirana kovina ni več izotropna, kot je bila pred deformacijo. Višina temperature primarne rekristalizacije TR je odvisna od tališča kovine Tt pa tudi od stopnje hladne deformacije kovine. Pri kovinah z visokim tališčem je višja, pri kovinah z nizkim tališčem pa nižja 463 . TR = 0 ,42 × Tt
TR , Tt v [K]
6.3
Gostota kali za rekristalizacijo je odvisna od stopnje hladne deformacije materiala: − pri relativno majhni stopnji hladne deformacije kovine kali ne obstojajo − pri kritični stopnji hladne deformacije kovine (pri jeklih je to 5-8%) je gostota kali majhna − pri nadkritični stopnji hladne deformacije kovine (pri jeklih je to nad 8%) je gostota kali velika Kovinska zlitina s podkritično stopnjo hladne deformacije ima po rekristalizacijskem žarjenju skoraj nespremenjeno mikrostrukturo (slika 6.11, zgornja vrsta), kovinska zlitina s kritično stopnjo hladne deformacije ima grobozrnato mikrostrukturo (slika 6.11, srednja vrsta), kovinska zlitina, ki je bila deformirana z nadkritično stopnjo hladne deformacije, pa ima finozrnato mikrostrukturo (slika 6.11, spodnja vrsta) Drobnozrnata kovina ima večjo trdnost in žilavost od grobozrnate kovine, tudi če so v njej prisotne iste faze 464 . Zato je za nosilnost in varnost uporabe varjenih konstrukcij pomembno ali se pri varjenju hladno oblikovanih elementov material ob zvarih lahko rekristalizira. Predvsem je pomembno, kje se lahko zaradi primarne rekristalizacije 461
Kristalna mreža kovine in posamezne faze se pri deformaciji ne spremenijo. Tudi elastični modul in Poissonovo število kovine se ne spremenita (so pa izjeme, ko se pri hladni deformaciji faze spremenijo kot npr pri močno hladno deformiranem avstenitnem jeklu, ko se avstenit lahko premeni v martenzit). 462 tak material je v hladno deformiranem stanju 463 tako je temperatura rekristalizacije železa okoli 485°C, svinca pa vsga – 20°C 464
Napetost tečenja feritnih jekel raste sorazmerno z d−1/2 (Hall-Petcheva enačba, d je velikost zrna), kakšen je vpliv velikosti zrna na žilavost pa že vemo.
108 izoblikuje grobozrnata in kje finozrnata mikrostruktura. Pri oblikovanju konstrukcijskih elementov je stopnja hladne deformacije na posameznih področjih praviloma različna 465 . εp ≅ 1%
εp = 5 − 8%
εp >> 8%
a
b
c
a izhodna velikost zrn kovine; b oblika deformiranih zrn kovine po 1%, 5-8% in več kot 8% hladni deformaciji (stopnja deformacije je enaka stopnji zmanjšanja debeline); c velikost in oblika zrn po rekristlizacijskem žarjenju deformirane kovine
Slika 6.11: Vpliv stopnje hladne deformacije in rekristalizacijskega žarjenja na velikost zrn
Z rekristalizacijskim žarjenjem hladno deformirane kovine lahko v določenih primerih naredimo iz finozrnate kovine grobozrnato ali iz grobozrnate finozrnato kovino 466 . Material je treba primerno močno plastično deformirati in ga za določen čas segreti do temperature, kjer poteče rekristalizacija 467 . Kot vemo, obseg plastične deformacija pri hladnem uvijanju plaščev cevovodov in tlačnih posod le redko preseže 5%. Zato zelo redko obstaja možnost, da bi pri napetostnem žarjenju tlačnih posod ponekod nastal material z grobozrnato mikrostrukturo. Ne smemo pa pozabiti hladno oblikovanih podnic tlačnih posod, ki so ponekod deformirane tudi precej več kot 20% 468 . Če so varjene posode med uporabo močno obremenjene, ali pa je ogroženost okolja pri izlivu vsebine posode velika, je treba podnice za tlačne posode oblikovati v vročem ali pa jih po hladni deformaciji normalizirati 469 . V varilski praksi imamo kljub temu pogosto opravka z lokalno močno deformiranim materialom kot npr hladno oblikovanimi kotniki in na škarjah odrezani robovi. Tako oblikovane konstrukcijske elemente pogosto vgradimo z varjenjem brez kakršnekoli naknadne toplotne ali mehanske obdelave.
465
po celotnem preseku je lahko stopnja hladne deformacije enaka le pri valjanju in izstiskanju velja le za tiste faze, ki so pri temperaturi rekristalizacije stabilne (npr pri feritno-perlitnih jeklih samo feritna zna) 467 Večvarkovni zvari, ki jih izdelamo z velikimi vnosi toplote, so grobozrnati in imajo slabe lastnosti. Če jih nadkritično hladno deformiramo na kovaški način, lahko pri varjenju sledečih varkov rekristalizirajo (izoblikuje se drobnozrnata mikrostruktura). Da material deformiranega vara lahko popolnoma rekristalizira, mora biti dovolj časa segret. Vnos toplote za rekristalizacijo prejšnjih varkov mora biti pri varjenju zato velik ali pa je treba zvare močno predgrevati. 468 torisferične podnice (te podnice so sferične, v toroidnem delu pa preidejo v cilindrično obliko) je dopustno na hladen način oblikovati le pri nezahtevnih tlačnih posodah (to so posode, ki so malo obremenjene, in kjer morebitni izliv vsebine posode ne ogroža okolja) 469 normaliziramo lahko tudi celotne varjene izdelke, ki so narejeni iz hladno deformiranih elementov (npr bombe za gospodinjski plin zvarijo iz dveh delov, ki sta pred tem hladno oblikovani, pri čemer gre skoraj za globoki vlek) 466
109 Pri gradnji varjenih konstrukcij je pogosto treba med sestavo konstrukcijskih elementov prisilno prilagoditi nekatere elemente, tako da se jih da natančno sestaviti in zvariti. Uporablja se močne mehanske ali hidravlične priprave 470 . Lokalno je lahko stopnja hladne deformacije v takšnih primerih zelo velika, zato pri varjenju konstrukcijskih komponent možnosti pojava primarne rekristalizacije ne smemo kar zanemariti. 6.3.2
Obstoj prenasičenih trdnih raztopin
Med nastajanjem talilnih zvarov je zvarna kopel v stiku z okoliškimi mediji 471 . Topnost drugih snovi v kovinski talini je največja, ko je njena temperatura najvišja. Talina v zvarni kopeli vpija snovi, ki izvirajo iz osnovnega materiala 472 , zraka, zaščitnega plina, oplaščenja, stržena ali zaščitnega praška in tudi drugih snovi, ki so lahko prisotne pri samem varjenju 473 . Najpomembnejši elementi za lastnosti kovine, ko se talina strdi, so dušik, kisik in vodik. Prva dva kemijska elementa sta sestavini zraka in lahko prideta v stik z zvarno kopeljo pri nezadostni zaščiti med izdelavo zvara, tretji pa je posledica prisotnosti vlage 474 in vode 475 ali organskih nečistoč 476 pri varjenju. Vodik v zvarni kopeli je lahko celo posledica samega procesa varjenja 477 . 1. Kisik, ki pride v stik z zvarno kopeljo, tvori zaradi velike afinitete do drugih kemijskih elementov različne okside. Le neznatno malo kisika vstopi v trdno raztopino z železom. Oksidi imajo dokaj visoko tališče in so že v zvarni kopeli v trdnem agregatnem stanju. V varih so po strditvi prisotni kot večji in manjši vključki ter vplivajo predvsem na zmanjšanje žilavosti materiala varov. Ogljik v talini reducira obstoječe kovinske okside. Pri reakciji se sprošča plin ogljikov monoksid (CO), ki med varjenjem izhaja iz taline 478 . Pri tem povzroča nemirnost zvarne kopeli. Nastanejo lahko plinskih vključki (pore), kakovost površine takšnih zvarov pa je zaradi nemirne površine zvarne kopeli slaba. 2. Dušik, ki ga vpije talina v zvarni kopeli, se kemično ne veže v spojine s prisotnimi kovinskimi atomi. Pri strjevanju dušik tvori z železom intersticijsko trdno raztopino. Raztopljen dušik je lahko pod določenimi pogoji kasneje vzrok za naravno ali umetno staranje jekla v varu. 3. Vodik v obloku je ponavadi rezultat disociacije vodne pare. 2H2O + Q1 → 2H2 + O2
;
H2 + Q2 → 2H
Sproščeni kisik se porabi pri reakcijah z drugimi kemičnimi elementi v talini in pri tem tvori okside, vodik pa preide v talino. 470
včasih se to dela na kovaški način izjema so zvari, ki so narejeni v vakuumu (npr varjenje z elektronskim snopom) 472 te snovi so lahko vsebina plinskih por, izločkov itd 473 to so razna maziva, barve, korozijski produkti ipd 474 vlago vpije oplaščenje elektrode ali v varilni prašek, vlaga je lahko prisotna v zaščitnem plinu itd 475 tu gre za varjenje na omočeno osnovo in za podvodno varjenje 476 to so razna olja, škrob, saje ipd 477 npr pri varjenju z atomarnim vodikom in ročnem varjenju s celuloznimi elektrodami (celulozno je oplaščenje elektrod) 478 Jeklo pomirjeno s silicijem, je dezoksidirano. Produkt dezoksidacije železovega oksida FeO je silicijev dioksid SiO2, ki pa ne reagira z ogljikom. Tako redukcija železovega oksida v talini sploh ne poteka. Silicijev dioksid se veže v žlindro, ki izplava iz taline. Na ta način izdelujejo pomirjena jekla. 471
110 Staranje ogljikovih jekel in zvarov Topnost ogljika in dušika v α-feritu je omejena. Z nižanjem temperature se topnost zmanjšuje 479 . − Kadar je ohlajanje jekla po dokončani premeni pri temperaturi Ac1 dovolj počasno, se presežek topljenca postopoma izloča iz raztopine in se na določenih mestih veže na razpoložljive kemijske elemente, ki so prisotni v kristalih, ter tako tvori izločke 480 . − Kadar je ohlajanje jekla po dokončani premeni prehitro za izločanje presežka topljenca, se ta ne more izločiti. Zato postaja topitelj vse bolj prenasičen s topljencem. Po dokončni ohladitvi je mikrostruktura takšnega jekla v nestabilnem stanju. Pojav počasnega spontanega izločanja topljenca iz prenasičene trdne raztopine ferita, ki poteka pri sobni temperaturi, poznamo kot naravno staranje jekel. Gre za ti dve reakciji:
⎧ Fe C α* → α + ⎨ 3 ⎩Fe 4 N
6.4
Prvo je primer izločanja ogljika iz prenasičene trdne raztopine, drugo pa izločanje dušika iz prenasičene trdne raztopine. Z α* označimo, da gre za prenasičeno trdno raztopino ferita. Pri staranju se jeklo utrdi. Staranje je v inženirski praksi navadno nezaželen proces, saj se zaradi njega lastnosti kovine nekontrolirano spreminjajo. Seveda pa obstojajo tudi izjeme. Zaradi majhne notranje energije kristalnih zrn jekla je sposobnost difuzije intersticijsko raztopljenih atomov pri sobni temperaturi majhna. Tvorba izločkov pri naravnem staranju je zato zelo počasna 481 . Izločeni delci so drobni, njihovo število v jeklu pa veliko. 1. Pri izločanju ogljika iz prenasičene α*-faze se tvori tercialni cementit (Fe3C). Ta se v feritu nalaga večinoma na kristalnih mejah, če pa je v mikrostrukturi prisoten tudi perlit, se cementit nalaga tudi na cementitnih lamelah. 2. Pri izločanje dušika iz prenasičene α*-faze se tvori železov nitrid (Fe4N). Ti izločki nastanejo znotraj kristalnih zrn in jekleno zlitino bistveno bolj utrdijo kot cementitni izločki, ki so povečini na kristalnih mejah. Zaradi večje stopnje utrditve se pri staranju jekla z dušikom duktilnost in žilavost bistveno bolj zmanjšata, kot pri staranju z ogljikom 482 . Če postarano jeklo segrejemo, se topnost kemijskih elementov, iz katerih so nastali izločki, poveča. Zato so pogoji, da se ti delci pri povišani temperaturi v kovinski matici spet raztopijo, vse bolj ugodni. Pri temperaturi normalizacije jekel se ti izločki popolnoma raztopljeni 483 . Normalizacijsko žarjenje je primerno za odpravo postaranosti jekel.
479
Pri ogljiku to velja za temperaturno območje pod temperaturo Ac1 (slika 5.14b), pri dušiku pa pod temperaturo 590°C (železo je tu topitelj, ogljik oziroma dušik topljenec, vse skupaj pa je trdna raztopina) Kolikšna je topnost obeh legirnih elementov pri teh dveh temperaturah v feritu (α-železo) in pri sobni temperaturi je navedeno v tabeli 4.3 480 če gre za ogljik, je to železov karbid − Fe3C (cementit), če pa za dušik, železov nitrid − Fe4N 481 produkt kT je pri sobni temperaturi majhen, zato je sposobnost difuzije omejena (naravno staranje jekel z dušikom zato poteka več deset let) 482 ker je maksimalna topnost dušika v feritu pet krat večja (0,1%) od maksimalne topnosti ogljika (0,02%), je izločkov dušika v celoti lahko mnogo več kot izločkov ogljika (poleg tega se izločki dušika nahajajo na drsnih ravninah in je zato njegov vpliv na žilavost in duktilnost postarane kovine večji) 483 temperatura normalizacije je nekaj 10K nad temperaturo Ac3 jekla (temperatura Ac3 je odvisna od vsebnosti ogljika v jeklu)
111 Tvorba izločkov pri zmanjševanju topnosti različnih kemijskih elementov v trdnih raztopinah je koristen pojav pri proizvodnji nekaterih pomembnih vrst konstrukcijskih materialov. To si poglejmo na primeru visoko trdnih nizko legiranih ogljikovih konstrukcijskih jekel, kjer dobre lastnosti jekel dosežemo z zelo natančnim legiranjem z majhnimi količinami titana (Ti), niobija (Nb), vanadija (V) itd484 . Če v talini ni teh kemijskih elementov ali aluminija (Al), se pri hitrem ohlajanju strjenega jekla presežek dušika ali ogljika v avstenitu kemično ne more vezati na te elemente in tako ostane v trdni raztopini. Kadar pa so navedeni elementi v talini prisotni, se iz trdne raztopine materiala vara, ko je avsteniten, izločijo drobne in fino dispergirane sekundarne faze njihovih karbidov, nitridov, karbonitridov itd. Koristi teh izločkov so različne: 1. visoka trdnost (jekla so izločilno utrjena) 2. boljša duktilnost in žilavost (zaradi fino dispergiranih delcev, ki služijo kot kali za premeno, se izoblikuje drobnozrnata mikrostruktura) 3. izboljšana varivost zaradi odpornosti proti rasti zrna (ko je jeklo tik ob varu močno segreto, zrna zaradi obstoječih izločkov, ki so ovira za rast zrna, rastejo počasneje) Če prenasičeno trdno kovinsko raztopino pri nizki temperaturi (npr pri sobni temperaturi) plastično deformiramo, se zaradi opravljenega dela notranja energija kristalov zveča. Zaradi zvečane notranje energije kristalov se poveča nestabilnost teh kristalov Pri segrevanju, je zaradi nestabilnosti kristalov proces izločanja topljenca iz prenasičene trdne raztopine hitrejši. Ta pojav imenujemo umetno staranje485 . Zelo duktilnim kovinam je na ta način mogoče izdatno povečati trdnost, saj sta njihovi duktilnost in žilavost lahko kljub deformaciji in staranju še zmeraj zelo dobri 486 . Umetno staranje in normalizacija jekel omogočata, da se na primerno velikih vzorcih jekla, ki so zadostni za klasične mehanske teste, ugotovi, ali je jeklo odporno na staranje ali ne, in, ali so njegove slabe lastnosti posledica staranja ali ne 487 . Za varno uporabo varjenih jeklenih konstrukcij je zelo pomembno ali obstaja kakršnakoli možnost, da bi se pri varjenju hladno oblikovanih elementov, jeklo ob zvarih staralo 488 . Izločilno utrjena jekla ima višjo trdnost od neutrjenih, zato pa tudi manjšo duktilnost in žilavost 489 . Na mestih umetnega staranja bi jeklo zaradi varjenja lahko postalo krhko. Pri hladnem uvijanju cilindričnih lupin je plastična deformacija materiala redko 5%. Možnost umetnega staranja pri varjenju je pri takšnih varjenih izdelkih majhna. Pomembno pa je umetno staranje pri nekaterih bolj obsežno deformiranih konstrukcijskih elementih kot so npr hladno oblikovane podnice tlačnih posod, kadar so iz ogljikovih konstrukcijskih jekel. Te izdelke moramo zaradi možnosti staranja po oblikovanju praviloma še normalizirati. 484 485
486
ta jekla so mikrolegirana visoko trdna konstrukcijska jekla pri ogljikovih jeklih povzročimo umetno staranje s hladno deformacijo 5 − 10% in segrevanjem za pol ure na 200 − 300°C
npr nekatere aluminijeve zlitine proizvajalci izločilno utrdijo (pri varjenju takšnih zlitin se v TVP izločki, ki so v osnovnem materialu vzrok za večjo trdnost, raztopijo, in kovina tam ni več utrjena) 487 gre za neko vrsto pogleda v prihodnost oziroma preteklost: − če jeklo umetno postaramo, lahko primerjamo njegovo žilavost pred in po staranju (če po staranju ni spremembe na slabše, je jeklo obstojno na staranje) − če jeklo z nizko žilavostjo normaliziramo, lahko primerjamo njegovo žilavost pred in po normalizaciji (če po normalizaciji ni spremembe na boljše, nizka žilavost ni bila posledica staranja) 488 gre za nezaželeno umetno staranje 489 staranje je vzrok za slabše konstrukcijske lastnosti jekel
112 Jekla, ki so odporna na staranje, ne vsebujejo veliko dušika, ki ni kemično vezan na druge elemente v jeklu. Samo dušik, ki je po premeni raztopljen v feritu, lahko ostane prisilno raztopljen in kot tak povzroči staranje jekel 490 . Hladna pokljivost zvarov Zvarna kopel lahko pri normalnem tlaku vpije nekaj 10 ml vodika na sto gramov železa 491 . Ko se talina strdi, je v 100 gramih avstenita lahko raztopljeno do 12 ml vodika 492 . Morebitni presežek vodika se pri kristalizaciji izloči iz taline in, če ne more pravočasno izplavati, ustvarja v varu pore. Topnost vodika v avstenitnem varu se med ohlajanjem zmanjšuje. Tik pred začetkom premene γ → "α" (točka "αs"var) 493 je topnost vodika v avstenitu okoli 6 ml na 100 g. Med premeno vara se topnost vodika v materialu vara hitro zmanjšuje, saj je ta vse manj avsteniten 494 . Tudi med nadaljnjim ohlajanjem po končani premeni materiala vara se topnost vodika v "α"-fazi zmanjšuje in zato ta postane z vodikom prenasičena trdna raztopina "α∗". Zaradi spremenjene kristalne mreže je po premeni γ → "α" difuzivnost vodika v "feritu" znatno večja kot je bila pri isti temperaturi v avstenitu 495 . Faktor PCM je merilo za višino temperature "Ac3" oziroma za Ms temperaturo ogljikovega jekla 496 . Večji kot je PCM jekla, nižja je Ms temperatura jekla 497 . PCM = C +
Si Mn + Cu + Cr Ni Mo V + + + + + 5B 30 20 60 15 10
6 .5
Kaj se zgodi z raztopljenim vodikom v prenasičeni "α∗"-fazi v varu je odvisno prav od PCM vara in osnovnega materiala. Na sliki 6.12 je prikazano, kaj se dogaja z vodikom, kadar je PCM osnovnega materiala večji od PCM vara 498 . Večja difuzivnost vodika v "feritnem" varu omogoči njegov transport iz "α∗"-faze v obstoječo γ-fazo v TVP, kjer je topnost vodika večja. Ta kristalna oblika jekla se mora nahajati blizu prenasičene "α∗"-faze, saj difuzijski doseg vodika ni posebno velik. Pogoji za transport vodika iz materiala z "α∗"-faze v material z γ-fazo so najbolj ugodni na meji med varom in TVP 499 . 490
Na temu temelji tehnologija izdelovanja jekel, ki so obstojna proti staranju. V talino se doda primerno količino aluminija, ki ima veliko afiniteto do dušika. Nastane aluminijev nitrid (AlN), v matici pa več ni dušika. Nastali drobni in fino dispergirani delci AlN pri premeni služijo kot kali za nastanek drobnozrnate mikrostrukture. 491 tudi več kot 30 ml (1 ml = 1cm3) 492 100 g železa ima volumen nekaj manj kot 13 cm3 493
ker je pri varjenju ohlajanje hitro se avstenit (γ-faza) ne premeni v ferit (α-faza), ampak v fazo, ki ima kristalno mrežo samo podobno feritu. To označimo kot "α"- faza (npr martenzit ali bainit) 494 ker gre za zlitino, v kateri se premena izvrši v nekem temperaturnem pasu, sprememba topnosti ni trenutna 495
večja gostota manjših vmesnih prostorov v kristalni mreži α-faze kot v kristalni mreži γ- faze je neugodna za tvorbo intersticijske trdne raztopine, olajša pa difuzijo 496 višina temperature Ac3 in Ms je odvisna od kemične sestave jekla (predvsem od vsebnosti ogljika v jeklu) 497 Pri relativno počasnem ohlajanju se premena začne pri temperaturi Ac3. Če se zaradi hitrega ohlajanja avstenit podhladi, pri Ms temperaturi nastane martenzit. Obe temperaturi sta odvisni od vsebnosti ogljika. 498 Ponavadi je v osnovnem materialu znatno več ogljika kot v dodajnem materialu. Zato je PCM osnovnega materiala večji od dodajnega. Var nastane s taljenjem dodajnega in osnovnega materiala. Zato je v takšnem primeru PCM vara manjši osnovnega materiala. 499 tu gre za črto taljenja
113 Koncentracija vodika v avstenitnem TVP med potekom premene materiala vara γ → "α∗" namreč narašča, vse dokler se premena ne zaključi (točka "αf"var). Ko kasneje pri nadaljnjem ohlajanju zvara pride do premene γ → "α∗" tudi v materialu TVP (točka "αs"OM) in, ko se ta v TVP tudi dokonča (točka "αf"OM), je material TVP lahko z vodikom že zelo močno prenasičen. Za prisilno raztopljeni vodik v trdni raztopini materiala TVP, sta na razpolago samo dve možnosti: 1. Pravočasno zapustiti prenasičen material 500 . Ker je to mogoče le z difuzijo, je ugodno, da je temperatura zvara čim bolj dolgo visoka 501 . 2. Kopičiti se na napakah kristalov in med kristali, kjer je več praznega prostora kot v samih kristalih. Zbrani atomi med seboj kemično reagirajo in tvorijo molekule vodika. Zato se vodik tu nahaja v plinastem stanju. Topnost Ttvar
difuzijski tok vodika
"α"s
var
razpoka
"α"sOM
a
"α"fvar
"α"fOM topnost vara topnost OM izoterme
1
4
γ + "α∗"
γ
talina
3
2
5
"α"
T
var
1
b
2 3 4 5
γ TVP
nevplivani OM
γ + "α"
"α∗"
"α"
TVP OM
Topnost OM/var
c
T
a topnost vodika v jeklu na meji var-TVP v odvisnosti od temperature; b vzdolžni prerez zvara z nastajajočim varom in TVP; c razlika v topnosti vodika v TVP in v varu
Slika 6.12: Transport vodika iz strjenega vara v TVP in njegovo kopičenje med ohlajanjem vara, ko je PCM osnovnega materiala večji od vara
Hitrost difuzije vodika v kristalih je odvisna od prenasičenosti jekla z vodikom in od temperature jekla. Temperatura zvara se z ohlajanjem kaj kmalu zmanjša na temperaturo okolice. Difuzija se med ohlajanjem upočasnjuje, pa tudi prenasičenost jekla z vodikom se postopoma zmanjšuje. V napakah se zaradi stalnega priliva vodika tlak povečuje (enačba 3.20), vsaj dokler v kristalih, ki tvorijo TVP obstaja presežek raztopljenega vodika. To se
500 501
to je mogoče le na površini zvara to se v varilski praksi uporablja kot pogrevanje zvarov
114 upočasnjuje, vendar proces traja še dolgo po tistem, ko se zvar že popolnoma ohladi. Zaradi naraščanja tlaka mehanska napetost okoli napak ves čas raste. Če je material TVP premalo žilav, ne more preprečiti nastanka razpoke zaradi nakopičenega vodika 502 . Material poči. To vrsto pokljivosti zvarov imenujemo hladna ali vodikova oziroma zapoznela pokljivost zvarov 503 . Natezne varilne zaostale napetosti pospešijo nastanek razpok504 . Na usmerjenost hladnih razpok v TVP vpliva smer varilnih zaostalih napetosti 505 . Kje v zvaru pri določeni temperaturi jeklo še obstaja v avstenitni obliki (γ-faza) in kje ne more več obstajati (α*-faza), je odvisno od kemične sestave vara in osnovnega materiala (enačba 6.5). Za razliko od razmer na sliki 6.12 je na sliki 6.13 prikazano, kaj se dogaja z vodikom, ki je raztopljen v talini zvarne kopeli, kadar je PCM vara večji od PCM osnovnega materiala 506 . V tem primeru se premena v materialu TVP (točka "αs"OM) začne prej kot premena v materialu vara (točka "αs"var). Presežek vodika v varu, ki je posledica premene materiala vara γ → "α∗", tudi v tem primeru narašča vse dokler se premena ne zaključi (točka "αf"var). Vendar pa presežek vodika ne more z difuzijo zapustiti vara, saj nikjer v bližini ne obstoja jeklo, ki bi bilo v avstenitni obliki (γ-faza). Za prisilno raztopljeni vodik v trdni raztopini materiala vara, sta na razpolago samo dve možnosti: 1. Pravočasno zapustiti prenasičen material 507 . Ker je to mogoče le z difuzijo, je ugodno, da je temperatura zvara čim bolj dolgo visoka 508 . 2. Kopičiti se na napakah kristalov in med kristali, kjer je več praznega prostora kot v samih kristalih. Zbrani atomi med seboj kemično reagirajo in tvorijo molekule vodika. Zato se vodik tu nahaja v plinastem stanju. Če je material vara premalo žilav, ne more preprečiti nastanka razpok zaradi nakopičenega vodika 509 . Material poči. Tudi to je hladna oziroma vodikova ali zapoznela pokljivost zvarov. Na usmejenost hladnih razpok v varu tudi v tem primeru vpliva smer varilnih zaostalih napetosti 510 . 502
Merilo sposobnosti materiala, da se zoperstavi previsokim napetostim je žilavost (žilavost TVP je odvisna od kemične sestave, izhodnega stanja in najnovejše termične zgodovine varjenja oziroma predvsem od hitrosti ohlajanja pri zadnjem varilnem ciklu) 503 hladne razpoke nastajajo še 24 ur po varjenju (zato zapoznela pokljivost), ko je zvar že popolnoma ohlajen, vzrok pa je raztopljeno vodik v zvaru (zato vodikova pokljivost) 504 Hladna pokljivost zvarov je ena od škodljivih posledic obstoja varilnih zaostalih napetosti. Varilne zaostale napetosti na zvarih imajo tudi druge negativne posledice (vroča pokljivost, pokljivost pri pogretju, lamelarno trganje). 505 Hladne razpoke, ki nastanejo v TVP, so vzdolžne. Za njihov nastanek so pomembne prečne zaostale napetosti v zvarih. 506 Ponavadi je vsebnost ogljika v osnovnem materialu večja kot v dodajnem. Ker v varu zaradi zakaljivosti TVP ne sme biti preveč ogljika, trdnost vara zvečajo z drugimi legirnimi elementi. So pa tudi izjeme. Primer je varjenje visoko trdnih ogljikovih konstrukcijskih jekel, ko si zamislimo v varu višjo mejo tečenja kot v osnovnem materiala. To je takoimenovana trdnostna neenakost zvarov (ang mis-matching). 507 to je mogoče le na površini zvara 508 pogrevanje zvarov 509 žilavost vara je odvisna od kemične sestave, izhodnega stanja in najnovejše termične zgodovine (predvsem od hitrosti ohlajanja) 510 Hladne razpoke, ki nastanejo v varu so prečne. Za njihov nastanek so pomembne prečne zaostale napetosti v zvarih.
115
Topnost Ttvar "α"sOM
razpoka
"α"svar "α"fOM
a
"α"fvar
topnost vara topnost OM izoterme
2
1
b
2 3 4 5
c
γ
γ + "α∗"
γ
γ
talina 1
3
4 "α∗"
T
var "α"
TVP
γ + "α"
"α"
nevplivani OM
"α"
TVP OM
T
Topnost OM/var
a topnost vodika v jeklu na meji var-TVP v odvisnosti od temperature; b vzdolžni prerez zvara z nastajajočim varom in TVP; c razlika v topnosti vodika v TVP in v varu
Slika 6.13: Kopičenje vodika v strjenem varu, ko je PCM vara večji od osnovnega materiala
Pri preprečevanju hladne pokljivosti zvarov tako v TVP kot v varu pridejo v poštev naslednji ukrepi: 1. omejitev količine raztopljenega vodika v zvarni talini 511 (če je raztopljenega vodika v zvarni kopeli malo, ga bo manj tudi v varu oziroma TVP) 2. zmanjšanje zaostalih napetosti na zvarih512 (če je raven zaostalih napetosti na zvarih po varjenju nizka, so manjše tudi skupne napetosti z napetostmi zaradi tlaka plinastega vodika v napakah) 3. zagotovitev obstoja dovolj žilave mikrostrukture na tistih mestih, kjer se kopiči vodik 513 (če je material v okolici napak z vodikom žilav, je bolj odporen proti nastanku razpok, kot če je krhek). 511
Kako to dosežemo?
− sušimo elektrode in zaščitne praške ter iz njih odstranimo absorbirano ali adsorbirano vlago − predgrevamo zvare ter tako preprečimo obstoj vode na varjenem materialu − varimo z dovolj suhimi zaščitnimi plini oziroma s plini, ki imajo garantirano nizko vsebnost vlage − odstranjujemo vodik iz zvarov z dovolj visokim in dovolj dolgo trajajočim pogrevanjem zvarov 512 uporaba optimalne tehnologije varjenja 513 Zvare predgrejemo oziroma varimo z večjim vnosom toplote. Pri določeni debelini varjenega materiala in določeni obliki spojev je izoblikovana mikrostruktura funkcija hitrosti ohlajanja oziroma časa ∆t8/5. Na to je mogoče vplivati s količino vnešene toplote in s temperaturo varjenega materiala (predgrevanje, temperatura med zaporednimi varki ipd)
116
117
7 VIRI TOPLOTE ZA VARJENJE IN REZANJE Pri varjenju in toplotnem rezanju je treba različne oblike energije hitro pretvoriti v toploto, oziroma toploto hitro prenesti tja, kjer je potrebna. Način tvorbe in prenosa toplote mora biti učinkovit tudi v industrijskih pogojih. V tem poglavju si bomo podrobneje ogledali osnove varilnih postopkov, ki se najbolj pogosto uporabljajo v industriji, in nekaterih drugih, ki so posebej zanimivi. V preteklosti so varilne postopke delili glede na to ali se material pri varjenju stali ali ne. Danes varilne postopke razvrščamo glede na uporabljeno vrsto energije za nastanek spoja. Najpogosteje se v praksi uporablja električna energija, mehanska energija in kemična energija. Pri varjenju in toplotnem rezanju se uporabljena energija v celoti ali deloma pretvori v toploto. Materialu se tako zviša temperatura, pri čemer se mu lahko spremeni agregatno stanje. Tako je material lažje spojiti (varjenje) ali pa ga določen del odstraniti (rezanje): − Toploto za segrevanje materiala lahko tvorimo znotraj elementov za varjenje oziroma elementa za rezanje ali pa zunaj njih. − Za segrevanje in taljenje materiala je uporabna tudi velika notranja energija kakšne snovi, ki ima zelo visoko temperaturo 514 , pa tudi druge oblike energije, kot so kinetična energija zgoščenega curka elektronov 515 , ali pa energija zgoščena elektromagnetnega valovanja 516 .
7.1 Uporaba toplote Za učinkovitost varjenja in rezanja je pomembno, da je energija na razpolago v čim bolj zgoščeni obliki, in da jo pretvarjamo v toploto v čim manjšem volumnu. Pri nekaterih varilnih postopkih material elementov za spajanje lokalno segrejemo do tališča in ga natalimo. Elemente med seboj povežemo s staljenim materialom. Del materiala za izgradnjo vara lahko pri tem dodamo. Ko se vez iz staljenega materiala strdi in ohladi, nastane trden in tog spoj. V takšnem primeru govorimo o talilnem varjenju. Pri nekaterih drugih varilnih postopkih je dovolj, da material elementov za spajanje lokalno segrejemo na primerno visoko temperaturo, ki je pa nižja od tališča materiala. S stiskom presežemo mejo tečenja segretega in zmehčanega materiala ter ga tako lokalno zgnetemo. Zaradi vloženega mehanskega dela se plastično deformiran material zlije in elementi se tako povežejo. Material zvara nato takoj rekristalizira. Med ohlajanjem se lahko tudi premeni. Ohlajen spoj je na koncu trden in tog. Ker se material ni stalil, takšen primer ne spada k talilnemu varjenju. Pri toplotnem rezanju se del materiala stali ali zgori. Da se prerezani material ne bi spet povezal, je treba staljeni material iz reže pravočasno odstraniti. Na ta način nestaljene dele materiala trajno ločimo. 514
snov ima veliko notranjo energijo, če je povprečna kinetična energija njenih gradnikov velika (energija termičnega gibanja ionov, atomov, molekul; glej poglavje 3.6), kar se odraža na njeni temperaturi 515 prej je elektrone potrebno pospešiti 516 svetloba spada med elektromagnetna valovanja
118 Mesto za varjenje ali rezanje je potrebno čim hitreje segreti do potrebne temperature. Razlogi za to so tehnični in ekonomski. To je najlažje doseči, če v majhen del materiala oziroma skozi majhen del površine elementa v material v kratkem času vnesemo veliko količino toplote. Gre torej za čim bolj lokalno segrevanje materiala, za kar je potrebno, da je intenziteta dovajanja toplote zelo velika. Če je vir energije zunanji, mora biti energija hitro in učinkovito prenešena na material. Energija se na njem pretvori v toploto. Toplota se iz enega mesta v prostoru na drugo prenese s prevajanjem 517 , konvekcijo 518 ali sevanjem 519 . Kadar gre za snov z veliko notranjo energijo, jo je treba na mesto, kjer material segrevamo, dovajati kar se da hitro. Dosegljiva hitrost segrevanja materiala pri varjenju in toplotnem rezanju je odvisna od razpoložljive moči vira energije, od toplotnih lastnosti materiala ter od oblike varjenih elementov oziroma oblike reza. Večja kot je toplotna prevodnost kovine, manjša je dosegljiva hitrost segrevanja, saj se zaradi tega izgubi več toplote. Hitrost segrevanja in taljenja omejujeta tudi specifična toplota in v primeru talilnega varjenja oziroma toplotnega rezanja specifična talilna toplota materiala. Kadar gre za velike preseke elementov (npr debelina plošč, palic) je možnost odvajanja toplote v okolico večja kot pri manjših in je hitrost segrevanja materiala ustrezno manjša.
7.2 Notranji viri toplote Notranji viri toplote temeljijo na pretvarjanju različnih vrst energije v toploto prav na mestu, kjer je treba material spojiti, zarezati 520 ali prerezati. Najbolj učinkoviti so tisti postopki, kjer se toplota tvori z veliko hitrostjo na stičnih površinah konstrukcijskih in strojnih delov, ki jih hočemo spojiti, oziroma na sami črti, kjer hočemo kose materiala ločiti. Pomembno je, da se toploto ustvari na pravem mestu v čim krajšem času in v čim manjšem volumnu, vendar v zadosti veliki količini. Tako v času tvorbe toplote v material hladne okolice lahko odteče malo toplote in se je večina porabi za segrevanje in morebitno taljenje materiala. − Lokalno dovolj segret in primerno zmehčan material je pri varjenju treba spojiti. Za to koristimo zunanje mehansko delo. Material različnih konstrukcijskih elementov na ta način plastično zgnetemo in tako spojimo. − Lokalno staljen material je pri rezanju ali žlebljenju treba odstranjevati iz reže, dokler je še tekoč. Zato ga odstranimo kar se da hitro. Ovira pri uporabi postopkov varjenja z notranjim virom toplote so oblika zvarjenih elementov, električne in termomehanske lastnosti materiala ter kakovost površin varjenih elementov in morebitne zaščitne prevleke. Dodajnega materiala pri teh postopkih varjenja ponavadi ne uporabljamo. Notranje vire toplote za segrevanje materiala zelo uspešno koristimo pri stacionarnem varjenju, rezanje pa je seveda zmeraj linijsko. Vendar obstaja vrsta izjem 521 . 517
Za hitro segrevanje snovi pri varjenju je najbolj učinkovit način prenosa toplote prevajanje. Hitro prevajanje toplote omogočajo veliki temperaturni gradienti. Veliki temperaturni gradienti proti hladni okolici pa so za hitrost rezanja in varjenja tudi pomembna ovira. 518 prenos toplote s konvekcijo poteka v tekočinah in plinih (poznamo naravno in prisilno konvekcijo) 519 prenos toplote s sevanjem je možen v vakuumu in prozornih snoveh 520 ta postopek v varilski praksi poznano kot termični postopek žlebljenja 521 med te izjeme spadajo zvezno uporovno varjenje, visokofrekvenčno varjenje, varjenje z elektronskim in laserskim snopom
119 7.2.1
Neposredna pretvorba električne energije
Primera uporabe notranjega vira toplote, kjer se v toploto pretvarja električna energija na stičnih ploskvah elementov, sta uporovno in obžigalno varjenje. V obeh primerih je za varjenje potrebno posebno orodje, ki zelo velik električni tok usmeri skozi varjene elemente na mestu, ki je predvideno za spajanje. Za to se koristi elektrode 522 . Material za spajanje segrejemo in zmehčamo samo lokalno. Nato z zunanjo mehansko silo oziroma z opravljenim delom za deformiranje materiala dosežemo, da se material zgnete. Za aktiviranje in prenos sile na mesto za nastanek zvara uporabljamo navadno kar elektrode. Da je to izvedljivo morajo biti elektrode primerno trdne. Da je segrevanje materiala lahko čim bolj lokalno, je potrebno toploto tvoriti zelo hitro. Gostota uporabljenega električnega toka mora biti zato zelo velika. Uporovno varjenje Pri tej tehniki varjenja se material lokalno segreje zaradi električnega toka velike gostote skozi stični ploskvi, ki imata primerno veliko električno upornost 523 . Zaradi zelo velikega električnega toka skozi ta upornik se na tem mestu sprošča toplota z veliko hitrostjo. Ta toplota material v najbližji okolici segreje in zmehča. V naslednji operaciji se pri primerno veliki pritisni sili zmehčani deli materiala med seboj zgnetejo in elementi se tako povežejo 524 . Pri uporovnem varjenju teče električni tok skozi vrsto zaporednih upornikov z različnimi upornostmi. Za primer točkovnega uporovnega varjenja je to prikazano na sliki 7.1. električni stiki
konstrukcijska elementa elektroda
elektroda
I
I
I R1
R2
R3
R4
R5
R6
R7
Slika 7.1: Zaporedje vseh upornosti, skozi katere pri točkovnem varjenju teče električni tok, ki segreje material na stiku varjenih elementov do varilne temperature
R1 in R7 sta upornosti elektrod, R2 in R6 upornosti stikov med elektrodama in elementi, R3 in R5 upornosti materiala elementov, R4 pa upornost stika med obema elementoma. 522
elektrode so prevodna orodja za dovod in odvod električnega toka Pri majhnih zvarih na tankih elementih, tako kot je to pri točkovnem in kolutnem varjenju, zgostitev električnega toka dosežemo z zašiljenostjo elektrod (točkovna pri točkovnem varjenju ter linijska pri kolutnem), pri bradavičnem varjenju pa z vnaprej pripravljeno bradavico na enem od elementov. Pri sočelnem uporovnem varjenju je za zadostno gostoto električnega toka važno primerno razmerje med močjo električnega izvora in velikostjo stika (če varjena elementa nimata enakih prečnih dimenzij, potem velja to za čelno ploskev manjšega elementa). 524 dosegljivo silo za gnetenje materiala omejujejo mehanske lastnosti materiala elektrod in njihov presek 523
120 Uporniki z oznakami R1 in R7, R2 in R6, R3 in R5 so več ali manj istega velikostnega razreda 525 . Hitrost tvorbe toplote na ohmskem potrošniku, skozi katerega teče tok, je sorazmerna z velikostjo njegove upornosti. Ta je odvisna tudi od temperature (enačba 4.11). Za uspešnost varjenja mora biti največji med vsemi uporniki v zaporedju upornikov na sliki 7.1 prav upornik R4. Elektrode morajo biti iz električno dobro prevodnega materiala 526 . Razen na zoženem delu elektrod je prerez, skozi katerega teče tok, velik. Zaradi obojega je električna upornost elektrod majhna. Gostota električnega toka skozi material varjenih elementov med stiki se zaradi velikega prereza tega "električnega vodnika" zmanjša 527 . Zato je upornost varjenih elementov kot celote kljub večji specifični upornosti materiala manjša od upornosti elektrod 528 . Tok je najbolj zgoščen na stikih, ki so največja ovira na poti električnega toka 529 . Sprva je dodatna zgostitev električnega toka posledica nepopolnega naleganja stičnih površin elementov zaradi hrapavosti, v času segrevanja materiala pa se upornost stikov povečuje zaradi naraščanja temperature 530 . Da je z ozirom na uporabljen vir električne energije upornost stikov za varjenje ravno pravšnja, mora v času segrevanja obstajati med elektrodama primerno velika pritisna sila, ki jo po potrebi prilagajamo trenutni temperaturi materiala ob stiku (slika 7.2). Pri zaključnem mehanskem stisku za nastanek zvara med varjenima elementoma se stika med elektrodama in elementoma ne smeta zvariti. Zmehčanost materiala na tem mestu mora biti manjša kot na mestu, kjer naj nastane zvar. To zagotavlja primerno nizka temperatura tega materiala. Biti mora precej nižja od tiste temperature, ki jo ima material na stiku, kjer nastane zvar (slika 7.2) 531 . Da lahko s povečano zunanjo silo zgnetemo materiala na stiku, mora ta biti dovolj segret 532 . Elektrode so na zoženem delu mehansko in toplotno najbolj obremenjene, takrat ko izvedemo silo za gnetenje segretega materiala 533 . 525
Ni treba, da je oblika obeh elektrod enaka (pri bradavičnem varjenju je različnost elektrod celo pravilo). Elementa za varjenje sta lahko različna (debelina ali kvaliteta), pa tudi njuni površini sta lahko različni. 526 elektrode so navadno iz posebne zlitine na osnovi bakra 527 Praviloma gre pri uporovnem varjenju za varjenje pločevin, trakov ali drugih relativno tankih konstrukcijskih elementov. Zato tok med dvema kontaktoma teče skozi zvečan presek, kjer je gostota toka manjša. 528 jeklo ima bistveno večjo specifično upornost od bakra 529 upornost stikov je v primerjavi z upornostjo materiala varjenih elementov relativno velika 530 Pri vzpostavitvi električnega stika med dvema elementoma sprva nalegajo le posamezne točke. Efektivni prerez površine za prevajanje električnega toka je zato zelo majhen, celotna upornost pa velika. Ko teče električni tok skozi stični ploskvi, se v majhnem volumnu tvori veliko toplote. Material v neposredni okolici se hitro segreje in zmehča. Zmehčani material se zaradi pritisne sile plastično deformira in naležna površina se tako poveča. Upornost stika se zato zmanjša. Zaradi višje temperature pa je specifična upornost materiala takrat večja. Zaradi vsega tega upornost stikov najprej nekoliko upade, nato se pa poveča. Spreminjanju upornosti sledi tudi električna moč, s katero se električna energija pretvarja v toploto. S spreminjanjem kontaktnega pritiska med elektrodama je mogoče spreminjati upornost stika, oziroma kontrolirati hitrost sproščanja toplote. 531 Zaradi relativno velike mase dobro prevodnih elektrod se del ustvarjene toplote s stika prenaša na hladnejšo elektrodo. Tako je material na stikih med elektrodami in elementi dejansko hlajen. Možno je tudi dodatno vodno hlajenje elektrod. 532 potrebna temperatura je odvisna od vrste materiala 533 zato so na tem mestu elektrode pogosto opremljene z temperaturno obstojnim in mehansko odpornim vložkom (npr iz kakšne primerne volframove zlitine)
121 T
x j
j
F
F zvarna leča
Slika 7.2: Temperaturni profil med elektrodama pri točkovnem uporovnem varjenju
Uporovno varjenje ima v industriji in obrti od nekdaj veliko uporabnost. Pred drugimi postopki varjenja ima ta postopek vrsto pomembnih prednosti, obstojajo pa tudi določene slabosti 534 . Med uporovno varjenje spada tudi takoimenovano visokofrekvenčno varjenje, ki se od običajnega uporovnega varjenja v mnogočem razlikuje. Pri visokofrekvenčnem varjenju izkoriščamo površinski efekt pri prevajanju izmeničnega električnega toka (enačba 4.13). Z izmeničnim tokom velike frekvence je mogoče nadvse učinkovito segrevati samo površino elementov na mestu za varjenje in jo takoj za tem zvezno gnesti. Ta vrsta uporovnega varjenja je ena od oblik šivnega varjenja. Pri visokofrekvenčnem varjenju je potrebno na primeren način na varjene elemente pripeljati električni tok velike gostote (uporaba elektrod) ali pa na njih povzročiti tok velike gostote z električno indukcijo (visokofrekvenčno magnetenje z indukcijskimi tuljavami). S primerno oblikovanim in funkcionalnim orodjem zagotovimo v trenutku, ko je material na površini dovolj segret, obstoj pritisne varilne sile, zaradi katere se zmehčan material na obeh površinah zgnete. Glavna prednost visokofrekvenčnega varjenja je, da se toplota tvori prav na površini elementov, ki jih spajamo. Hitrost varjenja je lahko zato zelo velika, saj ni treba segreti veliko materiala. Nastala var in TVP sta tako izredno ozka. Ker var pri šivnem visokofrekvenčnem uporovnem varjenju ne nastane s kristalizacijo taline, zvarom ni potrebno izboljšati mikrostrukture z naknadno toplotno obdelavo 535 .
534
Glavna prednost uporovnega varjenja je hitrost varjenja ter primernost za avtomatizacijo in robotizacijo pri velikoserijski proizvodnji izdelkov iz tankih pločevin. Slabosti in omejitve uporovnega varjenja so: − nezmožnost razstavljanja varjenih izdelkov pri vzdrževanju ali popravilih − prekrivni spoji v primerjavi s sočelnimi zvečajo maso izdelkov − zvari imajo majhno natezno in trajno dinamično trdnost, zato ni mogoče v celoti izrabiti lastnosti uporabljenega materiala − varilne naprave za uporovno varjenje so dražje od bolj enostavnih in bistveno manj robustnih naprav za obločno varjenje − za zmogljivo varjenje so potrebne velike priključne moči 535 variti je mogoče tudi izredno tanke elemente
122 Visokofrekvenčno varjenje zelo uspešno koristimo za izdelavo šivnih cevi 536 . Da je hitrost varjenja ekonomsko upravičena, potrebujemo za varjenje zelo zmogljive generatorje visokofrekvenčnega električnega toka. Uporablja se električne tokove s frekvenco nekaj 10 kHz. Obžigalno varjenje Pri obžigalnem varjenju je segrevanje materiala posledica intenzivnega iskrenja na površinah elementov za spajanje, pri čemer se hitro sprošča toplota (slika 7.3a). Do iskrenja pride zaradi velike gostote električnega toka na majhnem številu točk 537 , ko sta elementa nekoliko razmaknjena. iskrenje in izmetavanje
R1
j
I
j zvar
F
F
I R2
R3
R4
a
b
a obžiganje elementov za ogrevanje, čiščenje in izravnavo površin; b stiskanje elementov za zgnetenje zmehčanih delov materiala
Slika 7.3: Dve fazi obžigalnega varjenja
Območje obžiganja predstavlja "snov" z veliko upornostjo, saj je pojav iskrenja mogoč le v primeru, ko je električna poljska jakost lokalno zelo velika. Med obžiganjem se toplota sprošča z veliko hitrostjo (velika moč), material v neposredni bližini pa se zato hitro segreje. Z iskrenjem se odstrani tudi del čez temperaturo tališča segretega in zato staljenega materiala v neposredni bližini najbolj izpostavljenih točk, med katerimi se iskri 538 . Ker elementa med obžiganjem medsebojno primikamo, se z izmetavanjem staljenega materiala površini obeh elementov druga drugi prilagodita, ob tem pa se očistita tudi nečistoč in sledi korozije. Ko sta elementa na konceh dovolj zmehčana, ju stisnemo. Material se pri tem zgnete in spoji (slika 7.3b) 539 . Obžiganje se ob uvedbi pritiska samo prekine, saj je iskrenje mogoče le, ko med elementoma obstaja določen razmak. 7.2.2
Neposredno pretvorba mehanske energije
Primera uporabe notranjega vira toplote, ko se v toploto pretvarja mehanska energija na samem materialu ali na stičnih ploskvah elementov, sta varjenje s trenjem in varjenje s tornim mešanjem materiala.
536
537
npr 150 mm-ske cevi z debelino stene 12 mm je mogoče pri varilni moči 600 kW izdelovati s hitrostjo 1 30 ms−
površine za zvarjanje namenoma pripravimo hrapave zaradi tega pride do izmetavanja staljenega materiala 539 danes z obžigalnim varjenjem soležno varijo celo železniške tirnice (seveda so zaradi velikega preseka za to potrebni zelo zmogljivi električni izvori) 538
123 V obeh primerih je potrebno posebno orodje, s katerim dosežemo, da se mehanska energija pretvarja v toploto prav na določenem mestu. V poštev pride mehansko delo pri premagovanju trenja na tem mestu. Material tako lokalno segrejemo in takšnega nato z mehanskim stiskom zgnetemo. Lahko pa zvezno tvorimo tvorimo zadostno količino toplote za zmehčanje materiala in ga sproti gnetemo. Za izključno lokalno segrevanje materiala je nujno, da se toplota tvori čim hitreje. Pri teh varilnih postopkih so potrebne velike mehanske moči 540 . Varjenje s trenjem Ta vrsta varjenja temelji na pretvorbi celotne mehanske energije v toploto. Toplota je neposredna posledica mehanskega dela pri trenju površin varjenih elementov. Zato se mora en element napram drugemu gibati 541 , medtem ko mora med njima obstajati primerno velika pritisna sila, ki povzroča trenje (slika 7.4) segreto in zmehčano ω
N
N
Slika 7.4: Tvorba toplote pri medsebojnem rotacijskem trenju dveh elementov in mesto nastanka zvara
Hitrost, s katero se tvori toplota je odvisna od hitrosti premagovanja sile trenja oziroma momenta, ki je posledica obstoja sile trenja.
P=
dQ ⎧ Ftr v =⎨ dt ⎩M tr ω
7.1
P in Q sta moč in toplota, t pa je čas. Ftr in Mtr sta sila trenja oziroma moment zaradi sile trenja, v in ω pa sta hitrost linearnega oziroma krožnega gibanja elementov. Sila trenja pri linearnem gibanju je odvisna od pritisne sile N in koeficienta trenja μ 542 . Moment, ki je potreben za premagovanje trenja pri vrtenju je odvisen od pritisne sile, koeficienta trenja in radija torne ploskve. Sile in momenta trenja ne moremo poljubno povečevati. Hitrost tvorbe toplote je v največji meri odvisna od hitrosti medsebojnega gibanja elementov, ki je pri varjenju s trenjem zelo velika. Zaradi velike hitrosti tvorbe toplote se močno segreje material na sami površini, kar je za kakovost nastalega spoja zelo pomembno. V trenutku, ko je material na površini primerno zmehčan, uvedemo ob prekinitvi medsebojnega gibanja elementov zadosti veliko pritisno silo, zaradi katere se 540
merilo za hitrost opravljanja dela je moč Najpogosteje gre za vrtenje (en element rotira, drugi pa miruje, lahko pa tudi oba rotirata in sicer v nasprotnih smereh). Obstajajo tudi postopki z ponavljajočim linearnim gibanjem elementov, kamor spada tudi ultrazvočno varjenje, s ponavljajočim se krožnim gibanjem elementov, ko se elementa krožno gibljeta za določen kot naprej in nazaj ali z orbitalnim gibanjem elementov, ko noben od elementov ne rotira. 542 sila trenja je sorazmerna s pritisno silo (Ftr = μN) 541
124 tanka površinska sloja materiala zaradi opravljenega dela zgneteta. Nastane spoj se začne takoj ohlajati 543 . Varjenje s trenjem dandanes zelo veliko uporabljamo v avtomobilski industriji za izdelavo različnih vrtenin. Pri takšnih izdelkih ima ta varilni postopek pred drugimi postopki vrsto prednosti 544 . Torno varjenje z gnetenjem materiala Tako kot pri varjenju s trenjem tudi pri uporabi te tehnike varjenja zvar naredimo z lokalno plastifikacijo materiala brez uporabe dodajanja materiala, vendar na popolnoma drug način. Ta postopek temelji na delni pretvorbi mehanske energije v toploto, preostanek pa se porabi za mešanje in gnetenje dovolj zmehčanega, še nestaljenega materiala. Zvar nastane s kombiniranim učinkom gretja in mehanske deformacije materiala in je zvezen oziroma linijski 545 . Segrevanje materiala je posledica trenja med orodjem in materialom. Do plastifikacije materiala pride med opravljanjem dela na materialu z rotirajočim orodjem, kot je prikazano na sliki 7.5. pritisk
smer varjenja
rotiranje
zvarjeno
staknjeno
Slika 7.5: Tvorba toplote in gnetenje materiala z rotirajočim orodjem in mesto nastajanja zvara
− S trenjem rotirajočega orodja staknjena elementa najprej zmehčamo in nato s trnom predremo. − Med varjenjem se rotirajoče orodje glede na varjenec giblje z enakomerno hitrostjo v smeri varjenja. Med napredovanjem nastaja zaradi trenja med čelno ploskvijo orodja in materialom toplota. Material obeh elementov se v neposredni okolici močno segreje. Segreti material je mogoče z delovanjem trna obsežno plastično deformirati in pregnesti.
543
gre za skoraj adhezijski spoj, saj zlitega materiala sploh ni opaziti Prednosti varjenja s trenjem so: − segrevanje je izredno hitro in zato zmehčanje materiala prostorsko ni obsežno − zvar nastane po celotni površini stičnih površin elementov v eni potezi − spajati je mogoče različne materiale, tudi takšne, ki jih s taljenjem materiala sploh ne bi bilo mogoče spojiti − operacija varjenja traja vsega nekaj sekund − velika ponovljivost varjenja je pomembna za koriščenje v velikoserijski proizvodnji 545 ta postopek varjenja spada k šivnemu varjenju 544
125 − Premešan in zgneten material obeh elementov je za trnom že spojen. Nastali spoj se v nadaljevanju ohladi in otrdi. Zvar ostane po varjenju v finozrnatem vroče obdelanem stanju 546 , saj je varjenje opravljeno v eni sami potezi. Tudi ko s standardnimi postopki talilnega varjenja kakovostnega zvara ni mogoče narediti, je rezultat tornega varjenja z gnetenjem materiala trden, homogen in duktilen spoj. Zvaru se ne spremeni kemična sestava in ni možen nastanek zlepov, oksidnih vključkov ali vključkov plinov 547 . Zato tudi ni potrebno brušenje ali čiščenje zvarov, pa tudi popravljati jih ni treba, saj napake sploh ne nastajajo. Postopek je primeren predvsem za spajanje elementov, ki so ploščati in dolgi. Sprva so tako varili aluminijeve zlitine 548 , danes pa je mogoče stroje za torno varjenje z gnetenjem materiala nabaviti tudi za varjenje jekel ter bakrovih in titanovih zlitin. Še zmeraj je določena omejitev debelina varjenega materiala. Torno varjenje z gnetenjem materiala se danes uporablja v letalstvu, ladjedelništvu in avtomobilski industriji 549 . 7.2.3
Neposredna pretvorba kemične energije
Primera uporabe notranjega vira toplote, pri katerem se v toploto pretvarja kemična energija na samem materialu, sta plamensko rezanje in plamensko žlebljenje. Zaradi toplote, ki se sprošča pri zgorevanju kovine, se material segreva 550 . Če je zagotovljeno, da je material, ko se segreje do temperature vnetišča, v kontaktu s kisikom, se zgorevanje nadaljuje 551 . V primeru, da so produkti zgorevanja kapljeviti, jih je iz nastalega reza mogoče brez težav odstraniti. Da je mogoče kovino na opisan način rezati, morajo biti izpolnjeni določeni pogoji: − kovina mora biti gorljiva − tališče kovine mora biti višje od temperature vnetišča kovine v kisiku 552 − produkti gorenja morajo imeti nižje tališče od temperature, ki se razvija pri gorenju 553 − pri gorenju se mora sproščati zadostna količina toplote za nadaljnje segrevanje materiala do temperature vnetišča, pri čemer je gre upoštevati tudi predgrevanje 554 546 547
var tvorita dve področji termomehansko obdelane kovine, izven tega področja pa se nahaja TVP
vključke plinov imenujemo pore (prav poroznost zvarov je največja težava pri talilnem varjenju aluminijevih zlitin) 548 aluminijeve zlitine niso tako trdne kot jekla ali titanove zlitine, zato za prediranje in mešanje materiala niso potrebne ekstremno velike sile in moči 549 Prednosti tornega varjenja z gnetenjem materiala so: − kakovost spojev in njihove mehanske lastnosti − postopek je okolju prijazen, saj ne nastajajo dim in iskre, niti poseben hrup − ni se treba ščititi pred sevanjem električnega obloka ali odbojem laserske svetlobe − ker ni zvarne kopeli, je krčenje materiala pri ohlajanju manjše, saj ni strjanja, zato so deformacije zvarov manjše, zaostale napetosti v zvarih pa nižje − ni potrebna velika kvaliteta stika med elementoma (obstoj občasne 10%-ne reže glede na debelino varjenih elementov ne vpliva na kakovost spoja) − hitrost varjenja je velika (pri debelini 2 mm se da v eni minuti narediti do 2 m zvara) 550 kemična reakcijia med materialom in dovajanim kisikom mora biti eksotermična 551 gorenje je spajanje s kisikom 552 material (gorivo) bi v nasprotnem prej odtekel in ne bi zgoreval na predvidenem mestu 553 produktov gorenja v nasprotnem ne bi bilo mogoče odstraniti
126 − toplotna prevodnost materiala mora biti dovolj majhna, da se material ob plamenu sploh lahko segreje do temperature vnetišča 555 − viskoznost produktov zgorevanja kovine mora biti tako majhna, da lahko hitro odtečejo iz reže in ne ovirajo nadaljnje oksidacije materiala 556 Plamensko rezanje ima v primerjavi z drugimi toplotnimi postopki rezanja veliko dobrih strani, ima pa tudi omejitve 557 . Postopek ima za varjenje ogljikovih konstrukcijskih jekel še posebno velik pomen. Primeren je namreč tudi za pripravo zvarnih robov. 7.2.4
Neposredna pretvorba drugih oblik energije
Primera uporabe notranjega vira toplote, pri katerem se v toploto pretvarja energija drugih oblik na samem materialu, sta varjenje z elektronskim in laserskim snopom. Oba varilna postopka spadata med postopke z uporabo energije velike gostote558 . Osnovna značilnost teh dveh postopkov je šivno varjenje z uporabo izparilne kapilare, pri čemer dodajni material običajno ni potreben (slika 7.6) 559 . Za nastanek izparilne kapilare pa mora biti uporabljen energijski snop zadosti močan in primerno zgoščen. Z laserskim virom energije lahko materiale tudi učinkovito in kakovostno režemo. Varjenje z elektronskim snopom Izvor elektronskega snopa za potrebe varjenja je elektronski top 560 . Potreben je močno zgoščen curek elektronov z veliko kinetično energijo. 554
kovino predgrevamo s primernim plinom kot so acetilen, butan, propan itd prehitro odvajanje toplote glede na hitrost sproščanja toplote pri gorenju vpliva na znižanje temperature materiala ob stiku s področjem, kjer poteka oksidacija 556 njihovo odstranjevanje iz reza mora biti enostavno, saj ni na razpolago nobenih večjih mehanskih sil, razen pritisk dotekajočega kisika 557 Glavne prednosti plamenskega rezanja so: − hitrost rezanja − univerzalnost, enostavnost in cenenost naprave za rezanje in potrebnega materiala (plin, kisik) − materiale, ki jih je težko rezati mehansko, na ta način lahko režemo (ni omejitev pri debelini materiala) − ročne naprave so primerne za delo na terenu − možna je priprava robov zvarnega žleba Glavne slabosti plamenskega rezanja so: − natančnost ni posebno velika (tolerance) − postopek je omejen na rezanje samo nekaterih vrst kovin − zaradi plamena in oksidacije kovine je potrebna ustrezna ventilacija − pri rezanju kaljivih jekel je za zagotovitev primerne mikrostrukture in mehanskih lastnosti potrebno predgrevanje in/ali pogrevanje − za močno legirana jekla je treba postopek modificirati 558 v to skupino spada še plazemsko varjenje 559 Bolj poznano kot "key-hole welding" (pravzaprav gre za varjenje s potujočo luknjo po celotni debelini materiala). Takšen način varjenja je mogoč tudi pri uporabi drugih virov, kot npr pri plazemskem in TIG varjenju (tudi torno varjenje z gnetenjem materiala je ena oblika "key-hole" varjenja). 560 Elektronska top je krmiljen izvor snopa elektronov velike gostote in kinetične energije. − Elektroni izhajajo iz vroče katode (enačba 7.5) in ustvarijo električni tok 0,05 − 1 A. − Njihova energija je posledica napetosti med katodo in anodo (25-200 kV). Elektroni imajo končno energijo 25−200 keV (enačba 3.6) Če ni ovir ostane snop elektronov skoncentriran na veliki razdalji. 555
− s električnimi tuljavami (magnetne leče) curek elektronov oblikujemo v snop (sistem za fokusiranje) − z elektromagnetnim sistemom za odklanjanje elektronov curek premikamo ali nagibamo Za pospeševanje, fokusiranje in odklanjanje elektronskega curka je potreben visok vakuum.
127 energijski snop
zvarjeno
talina
var
smer varjenja
“key-hole”
staknjeno
stik
Slika 7.6: Šivno varjenje z vzpostavljeno izparilno kapilaro
Ko curek elektronov zadene ob kovino, elektroni interagirajo z gradniki snovi. Kinetična energija elektronov se na majhni razdalji pretvori v kinetično energijo gradnikov. Zaradi velike gostote elektronov je to volumsko omejeno. Kovina zato lokalno izpari. Na ta način v kovini nastane izparilna kapilara. Na meji med uparjeno in trdno kovino je kovina v staljenem stanju. Zaradi zelo velike gostote energije elektronskega curka in velikih temperaturnih gradientov je staljena plast kovine zelo ozka. Izvor elektronskega snopa se glede na varjenec premika v smeri varjenja. Obstoj izparilne kapilare je osnova šivnega varjenja z elektronskim snopom brez dodajanja materiala. Material elementov za varjenje, ki sta dobro staknjena, se na stiku pred izparilno kapilaro tali, za njo pa zliva. Ko staljena kovina kristalizira in se ohladi, nastane trden spoj. Če je snop elektronov primerno fokusiran, sta var in TVP zelo ozka. Zaradi majhnih vnosov toplote pri varjenju z elektronskim snopom so deformacije varjencev in vpliv na mikrostrukturo varjenega materiala minimalne. Varjenje lahko poteka v vakuumski komori z visokim vakuumom, v komori z nizkim vakuumom ali pa brez vakuuma. Takrat ni potrebna komora, razen če ne gre za varjenje v zaščitnem plinu 561 . Lasersko varjenje in rezanje Snop koncentrirane koherentne 562 svetlobe za potrebe varjenja izvira iz LASER-ja 563 . Gre za močno zgoščen curek fotonov. Ko svetlobni curek zadene ob trdno snov (kovina ali nekovina), ki ga absorbira 564 , fotoni interagirajo z njenimi gradniki. Valovna dolžina oziroma energija posameznih fotonov ni 561
z večanjem tlaka plina v delovnem prostoru se zmanjšuje koncentriranost (fokusiranost) curka elektronov, ter zmogljivost in natančnost varjenja 562 koherentna svetloba je elektromagnetno valovanje, ki je fazno usklajeno 563 LASER (Ligh Amplification by Stimulated Emission of Radiation) je izvor ojačane svetlobe, ki jo dobimo s spodbujanim oddajanjem elektromagnetnega valovanja iz primerne snovi. Z energijskega stališča je to naprava, ki pretvarja energijo iz primarnega vira (električni, kemični) v curek svetlobe določene valovne dolžine (področje UV, IR ali vidne svetlobe). Pretvorbo drugih oblik energije v svetlobo omogočajo določene snovi (trdne, tekoče ali plinaste), ki jih je mogoče spraviti v višje energijsko stanje (ekscitacija – poglavje 3.3). Prehod svetlobe skozi snov v ekscitiranem stanju, povzroči stimulirano emisijo fotonov. Tako je oddana svetloba takšnega vira koherentna in skoraj monokromatska (določene valovne dolžine) ter močno ojačena. Zaradi tega je razsipanje svetlobe laserskega curka zelo majhno in ga je mogoče brez večjih izgub voditi skozi prozorno snov ter jo na pravem mestu primerno fokusirati in uporabiti pri varjenju ali rezanju.
128 tolikšna kot energija pospešenih elektronov, zato je prodornost laserskega curka v kovini manjša od prodornosti elektronskega snopa. Energija absorbiranega fokusiranega elektromagnetnega valovanja se v materialu na zelo majhni razdalji in v zelo majhnem volumnu pretvori v toploto. Material se tu segreje do vrelišča in izpari. Zaradi zelo velike gostote energije laserskega curka in velikih temperaturnih gradientov je uparjeni del materiala zelo ozek. Podobno kot pri varjenju z elektronskim snopom omogoča izparilna kapilara tudi pri laserskem varjenju šivno varjenje. Varjenje lahko poteka z zaščitnim plinom ali brez. Ponavadi ni potrebna nikakršna komora, kar je za varjenje v industrijskem okolju velikega pomena. Z laserskim curkom je mogoče materiale zelo natančno rezati in "vrtati" 565 . S curkom dovajanega plina staljeni material odstranimo iz reže 566 .
7.3 Zunanji viri toplote Zunanji viri toplote temeljijo na pretvarjanju različnih vrst energije v toploto izven področja, kjer je treba material spojiti, prerezati ali izžlebiti. Najbolj učinkoviti so postopki, kjer se toplota tvori v zelo majhnem volumnu, vendar z veliko hitrostjo. Tako je lahko vir toplote čisto blizu mesta, kjer je treba material segreti in staliti, kar zagotavlja hiter in učinkovit prenos toplote. Kljub temu, da del toplote odteče v okolico brez vsake koristi, je velik del ustvarjene toplote porabljen neposredno za spajanje ali rezanje. − Pri varjenju morajo biti elementi primerno vpeti ali speti 567 . Lokalno jih natalimo in, če je potrebno, nekaj materiala v staljeni obliki tudi dodamo 568 . Nastali prehod med elementi v nadaljevanju kristalizira in, ko se ohladi, so elemente togo povezani. − Pri rezanju ali žlebljenju je treba lokalno staljen material odstranjevati iz reza. Rob rezanega materiala ukrojenega elementa se pri tem ohladi. Pri teh postopkih varjenja pogosto koristimo dodajni material. Ovire pri uporabi postopkov varjenja z zunanjim virom toplote so oblika varjenih elementov, električne in termomehanske lastnosti materiala, morebitne prevleke varjenih površin, velikost virov toplote, pripomočki in sredstva za ščitenje zvarne taline ter dodajnega materiala. Zunanje vire toplote za segrevanja materiala uporabljamo v glavnem pri šivnem varjenju, čeprav so tudi izjeme 569 . Rezanje z uporabo zunanjih virov toplote je zmeraj linijsko. Na razpolago je vrsta zunanjih virov toplote, vendar so v industrijskih pogojih za praktično uporabo pri varjenju in toplotnem rezanju primerni le nekateri. Da je njihova uporaba tehnično in ekonomsko upravičena, morajo biti izpolnjeni določeni pogoji. 1. Material elementov, ki jih varimo 570 ali toplotno režemo 571 , je potrebno staliti oziroma nataliti ali pa segreti na temperaturo, ki je blizu temperature tališča. Zato mora biti 564
odbojnost površine kovine je pri tem lahko ovira, vendar pa se z naraščanjem temperature odbojnost kovine zmanjšuje 565 mogoče je izdelovati luknje do premera 2,5 mm 566 v poštev pride kar zrak, če je pa potrebno rezani rob ščititi pred korozijo, uporabimo inertni plin 567 včasih je dovolj že sila teže varjenih elementov 568 to je dodajni material 569 npr pri kovaškem varjenju je segrevanje plamensko, pri varjenju čepov pa obločno 570 pri talilnem varjenju z uporabo dodajnega materiala je potrebno taliti tudi določen delež tega materiala 571 Toplota je potrebna samo pri toplotnem rezanju. Drugi načini rezanja, kot npr rezanje z vodnim curkom in abrazijskimi delci, ne spadajo med postopke toplotnega rezanja.
129 temperatura zunanjega vira toplote precej višja tudi od končne temperature materiala, ki ga segrevamo. 2. Da je segrevanje in taljenje materiala lokalno, je treba toploto dovajati hitro. Jakost toplotnega toka z zunanjega vira na material je odvisna od razlike med temperaturo vira in materiala. Tudi takrat, ko je temperatura materiala že visoka, mora toplota na njega bistveno hitreje dotekati kot lahko z njega odteka. Hitrost odtekanja toplote je odvisna od lastnosti in oblike varjenih elementov, predvsem pa od toplotne prevodnosti materiala 572 , pa tudi od lastnosti materialov, ki so vključeni v proces varjenja 573 . 3. Največji tok toplote, ki lahko v določenem času prehaja z vira toplote na material, je v prvi vrsti odvisen od zmogljivosti vira. Ker za varjenje in rezanje potrebujemo velike toplotne moči, mora biti moč zunanjega vira toplote velika. 4. Dobro je, da se čim več ustvarjene toplote porabi za lokalno segrevanje materiala. Zato je poleg efektivne moči zunanjega vira toplote pomemben tudi toplotni izkoristek moči, ki omogoča segrevanje in taljenje. 5. Da toplotni tok iz zunanjega vira toplote ne bi po nepotrebnem segrel preveč materiala, ki ni del spoja ali reza, je ugodno, če ima vir majhen volumen, ob tem pa veliko moč. To se meri z intenziteto toplotnega vira. Vire z veliko intenziteto moči lahko materialu povsem približamo. Toplotni tok na material iz takšnega vira je velik in bolj skoncentriran, zato je tudi učinkovitost izrabe toplote za lokalno segrevanje ali taljenje materiala večja. 6. Med varjenjem mora biti staljena/segreta kovina zaščitena pred kemičnimi vplivi iz okolja. Afiniteta kemičnih elementov do kovine s temperaturo narašča. Nezaščitenost se odrazi na slabših lastnostih posameznih delov zvarov. Da lahko varjene izdelke uporabljamo brez posebnih omejitev, zagotovimo z ustreznimi lastnostmi materiala vara in TVP 574 . 7. Učinkovitost in ekonomičnost varjenja in rezanja mora biti konkurenčna drugim postopkom nerazstaljivega spajanja in razdvajanja. Tu gre predvsem za hitrost, za stroške priprave dela, za vplive na okolje in za dosežene globalne lastnosti izdelkov ter za varnost pri izdelavi in pri uporabi izdelka. Pomembna je tudi praktična uporabnost zunanjih virov toplote v različnih situacijah, ki se pojavijo pri varjenju in rezanju v delavniških razmerah in na terenu kot − masa/teža − uporabnost pri različnih legah varjenja − uporabnost pri različnih vremenskih pogojih − majhna pogostost zastojev delovanja in enostavnost njihovega odpravljanja − enostavnost in varnost pri uporabi − razpoložljivost in razprostranjenost potrebnih virov energije, itd
572
toplotna prevodnost aluminijevih in bakrovih zlitin je bistveno večja od toplotne prevodnosti jekel, kar je za možnost varjenja teh kovin določena ovira 573 dodajni material, pomožni materiali 574 pri plamenskem rezanju moramo nezaščiteni del materiala robov reza pogosto mehansko odstraniti, saj je zaradi naogljičenja in zakalitve ta material trd in krhkek (to je posebno pomembno za dinamično trdnost prostih robov pri ciklično obremenjenih konstrukcijah)
130 7.3.1
Uporaba električne energije
Primeri uporabe zunanjega vira toplote, kjer se v toploto pretvarja električna energija izven področja, kjer je treba material segreti, so obločno in plazemsko varjenje ter obločno in plazemsko rezanje in žlebljenje. Ker je danes elektrificiran praktično vsak proizvodni obrat za varjenje 575 in je ponavadi električna energija na razpolago tudi na terenu, kjer izvajamo montažna dela pri gradnji varjenih konstrukcij, je uporaba električne energije izredno pomembna. Če pa električne energije ni na razpolago 576 , jo je mogoče v potrebnih količinah proizvajati z ustreznimi generatorji iz drugih razpoložljivih energetskih virov 577 . Primeren zunanji vir toplote za varjenje in toplotno rezanje/žlebljenje je nizkonapetostna razelektritev plinov 578 . Plin za to je lahko že prisoten, lahko ob procesu šele nastaja, ali pa ga lahko dovajamo. Toploto, ki se tvori pri razelektritvi, za varjenje in rezanje koristimo neposredno (vse vrste obločnega varjenja), ali pa posredno v obliki snovi, ki ima veliko notranjo energijo (plazemsko varjenje). Tvorba toplote v obloku Če v tokovnem krogu, v katerem teče enosmerni tok velike gostote, elektrodi malce razmaknemo, pride v plinu do razelektritve in pojavi se električni oblok (slika 7.7) 579 . Tlak plina, v katerem poteka razelektritev, je atmosferski tlak, saj je razelektren plin v neposrednem stiku z okolico 580 . Osnova za obstoj obloka je stalna prisotnost termične plazme med elektrodama (poglavje 3.7). Električni oblok ima tako majhno prevodnost, da kljub sorazmerno nizki napetosti med elektrodama skozenj teče električni tok zelo velike gostote 581 . Ug + G−
I A R
K U
Slika 7.7: Pojav obloka med elektrodama pri normalnem tlaku plina
Pri električnem praznjenju se v obloku električna energija pretvarja v toploto. Toplota odteka v okolico obloka, ki ima mnogo nižjo temperaturo kot oblok. Stalno ravnotežje med zelo vročim oblokom in bolj hladno okolico je možno zaradi vzdrževanja zelo visoke
575
pred manj kot sto leti ni bilo tako: prvo veliko hidroelektrarno v Sloveniji so dogradili šele v 20-tih letih prejšnjega stoletja (Fala) 576 cevovodi, ki pripeljejo vodo od vodnih akumulacij do strojnic hidroelektrarn so pogosto speljani po neobljudenih krajih, kjer ni električnega omrežja 577 uporabimo lahko zemeljski ali naftni plin, rastlinsko ali plinsko olje, različne frakcije nafte, premog, les itd 578 uporablja se tudi pojem električno praznjenje 579 v tokovni krog mora biti vključen dovolj zmogljiv generator električnega toka 580 razelektritev v plinih pri nizkem ali zelo nizkem tlaku, ko temperature niso tako visoke, se koristi v druge namene (npr kot vir svetlobe) 581 potrebna napetost za nastanek obloka je vsega nekaj 10 V, jakost električnega toka, ki teče skozenj, pa je lahko več 100 A cm−2
131 temperature termične plazme v obloku. Temperatura obloka v zraku pri tlaku 1 bar doseže 3 000 – 6 000°C. Na sliki 7.7 vidimo, da je elektroda, ki je priključena na negativni pol enosmernega električnega generatorja označena s K (katoda), elektroda na pozitivnem polu pa z A (anoda). V primerjavi z razelektritvijo pri nizkih in zelo nizkih tlakih pa tudi pri visokih tlakih plinov je značilnost električnega obloka pri atmosferskem tlaku sorazmerno nizka napetost med elektrodama pa kljub temu dokaj velik tok. Pomeni, da je upornost obloka sorazmerno majhna, vendar pa je v primerjavi z upornostjo celotnega tokovnega kroga še zmeraj velika 582 . Ker gre za zaporedno vezane upornike, med katerimi je oblok največji, se večina električne moči električnega generatorja troši prav na obloku (enačba 4.18). Segreta telesa so vir sevanja elektromagnetnega valovanja (fotonov) 583 . Njihova energija je odvisna od narave izsevane svetlobe: E = hf = h
c λ
7 .2
E je energija fotona, h je Planckova konstanta, f in λ frekvenca in valovna dolžina elektromagnetnega valovanja ter c hitrost elektromagnetnega valovanja 584 . Relativna gostota izsevanih fotonov na določen pas valovne dolžine (sevalni spekter) je funkcija temperature telesa 585 .
dj( λ ,T ) 1 2 πhf 5 1 2πh c 2 = 3⋅ hf = 5 ⋅ hc dλ c λ λ kT e kT − 1 e −1
7.3
Za temperature 3 000°C, 6 000°C in 20 000°C so sevalni spektri črnega telesa prikazani na sliki 7.8 586 . Na vsakem je označen maksimum spektra λm 587 . Označen je pas vidne svetlobe, ki jo zaznava človeško oko. Levo od tega valovnega področja je področje ultravijolične (UV), desno pa področje infrardeče svetlobe (IR). − Sorazmerno hladna telesa sevajo pretežno v dolgovalovnem infrardečem področju. Človeško oko za takšno valovanje ni občutljivo. To valovanje zaznavamo kot toplotno sevanje. − Del sevalnega spektra teles, ki so segreta veliko nad sobno temperaturo, je tudi v vidnem in v ultravijoličnem delu spektra. Kratkovalovnega ultravijoličnega 582
Razmerje med razliko potencialov na konceh obeh elektrod (padec napetosti) in tokom, ki tolikšen padec povzroči, je upor (upornost obloka je velikostnega reda 1 Ω). Ostale upornosti v krogu so, če gre za debele bakrene vodnike in elektrode z velikim presekom, več deset krat manjše. 583 tudi oblok z zelo vročo termično plazmo je neke vrste močno segreto telo 584 Hitrost elektromagnetnega valovanja v vakuumu je c = 300 000 km s−1 Frekvenca f in valovna dolžina λ elektromagnetnega valovanja sta povezani s hitrostjo širjenja valovanja: f ⋅λ=c Foton vidne svetlobe (λ = 550 nm) ima energijo 2,2 eV, foton ultraviolične (λ = 200 nm) ima energijo 6,2 eV, fotona γ-žarčenja, ki ju pri razpadu jedra izseva umetno radioaktivni element kobalt (27Co60), ki ga koristimo pri kontroli kakovosti zvarov, pa ima energijo kar 1,7 in 1,33 MeV (1 MeV = 106 eV). 585 To je Planckova formula 586 črno telo absorbira vso vpadlo svetlobo (elektromagnetno valovanje) in je nič ne odbije (albedo je 0), belo telo odbije vso svetlobo in ga nič ne absorbira (albedo je 1), sivo telo pa ima albedo med 0 in 1. 587 temperatura 3 000°C ustreza REO in MAG varjenju, temperatura 6 000°C TIG in MIG varjenju (predvsem v zaščiti helija), temperatura 20 000°C pa varjenju s plazmo
132 elektromagnetnega valovanja človeško oko ne zaznava. Je pa takšno valovanje škodljivo za njegovo tkivo, saj je energija fotonov ultravijoličnega spektra večja kot energija fotonov pri valovnih dolžinah v vidnem in infrardečem delu (enačba 7.2). 10
18
λm
T=6 000°C
-3
dj(λ,T)/dλ [Wm ]
T=20 000°C
10
10
T=3 000°C
14
10
10
6
10
-8
10
-7
UV
vidna IR svetloba
10
-5
10
-4
λ [m]
Slika 7.8: Sevalni spektri črnega telesa pri treh temperaturah
Maksimum spektrov na sliki 7.8 se z naraščajočo temperaturo pomika h krajšim valovnim dolžinam. Njihov položaj je mogoče določiti iz temperature na površini telesa, ki seva 588 . T ⋅ λ m = 2 ,9 ⋅ 10 −3 [mK −1 ]
7.4
Višja kot je temperatura telesa, večja je gostota sevanja elektromagnetnega valovanja (enačba 7.3), pa tudi delež fotonov, ki pripadajo kratkovalovnemu delu spektra je z naraščajočo temperaturo vse večji 589 . Ker je energija fotonov obratno sorazmerna z valovno dolžino valovanja (enačba 7.2), je zaradi večjega deleža izsevanih fotonov z manjšo valovno dolžino 590 sevanje obloka z višjo temperaturo za živo tkivo bolj škodljivo kot sevanje obloka z nižjo temperaturo 591 . Sprva so električni oblok koristili le kot izredno močan vir svetlobe 592 . Danes je v metalurgiji in drugod v tehniki oblok zelo učinkovit vir toplote, ki ga uspešno uporabljamo za taljenje/pretaljevanje kovin. Že koncem 19. stoletja so oblok začeli uporabljali za lokalno taljenje kovin z namenom varjenja. Danes je oblok v različnih oblikah najbolj pogosto uporabljan vir toplote za 588 589
to je znano kot Wienov zakon Zanimiva sta temperatura in sevalni spekter zvezd. Eno od zvezd v Galaksiji je Sonce, ki je s svojo energijo omogočilo razvoj življenja na Zemlji: − Površina sonca ima temperaturo 5800K, maksimum sevalnega spektra je pri 5.10−7 m (pri tej valovni dolžini je človeško oko najbolj občutljivo, kar dokazuje, da je za evolucijski razvoj očesa pomembna prav sončna svetloba)
−
Nekatere zvezde izgledajo bolj rdečkaste, druge pa spet bolj modrikaste. Temperatura prvih je nižja od temperature Sonca, temperatura drugih pa višja (Mars, ki je rdeč, nima te barve zaradi temperature, saj svetlobo le odbija). 590 večja energija fotonov – večje poškodbe 591 pri TIG varjenju v zaščiti helija je temperatura obloka zaradi večje ionizacijske energije višja kot pri TIG varjenju v zaščiti argona (oboje je pomembno za zaščito kože in predvsem za zaščito oči varilcev in drugih prisotnih pri varjenju) 592 z električnim oblokom med dvema oglenima elektrodama so pred izumom električne žarnice razsvetljevali v mestih ulice in trge, kasneje so jih uporabljali v kinoprojektorjih itd
133 varjenje v industrijskih pogojih, čeprav so na voljo tudi drugi, učinkovitejši postopki nerazstavljivega spajanja materiala. Oblok je primeren tudi za rezanje in žlebljenje kovinskih materialov. Poglavitni razlogi za izjemno uporabnost obloka pri varjenju in toplotnem rezanju so: − Temperatura obloka Električno prevodna termična plazma obstaja le, če je plin v dovolj veliki meri ioniziran, kar zagotavlja obloku zelo visoko temperaturo. − Moč obloka Zaradi velike gostote električnega toka, ki teče skozi oblok, se troši na obloku izredno velika električna moč. − Stabilnost obloka Zaradi velike moči obloka je temperatura termične plazme visoka kljub odvajanju toplote, ki služi za segrevanje in taljenje materiala. Za to pa mora biti v tokovni krog priključen zmogljiv električni generator s primerno karakteristiko. Ta zagotavlja v obloku stalnost električnega toka. − Varnost pri delu z oblokom Zaradi dobre prevodnosti termične plazme je za vzdrževanje velikih tokov v obloku zadostna dokaj nizka napetost. To pomeni, da je delo z oblokom s stališča električne napetosti dokaj varno. V obloku sta najmanj dve vrsti nosilcev električnega naboja: ioni in elektroni. Oboji se v obloku gibljejo translatorno. Gibanje je posledica temperature termične plazme v obloku (enačba 3.26), in vzpostavljenega električnega polja (enačba 3.11). V povprečju se elektroni gibljejo v smeri pozitivne anode, ioni pa v smeri negativne katode. Transport obojnih delcev predstavlja električni tok med elektrodama. Hitrosti elektronov in ionov v obloku nista enaki 593 . Gostota ionov v obloku, ki nastanejo z ionizacijo, je enaka gostoti prostih elektronov, ki so posledica te ionizacije. Dejansko je gostota enih in drugih naelektrenih delcev odvisna od stopnje ioniziranosti snovi (enačba 3.37). Pri gibanju naelektrenih delcev v obloku si ti z elastičnimi in neelastičnimi trki med seboj in z nenaelektrenimi delci izmenjujejo energijo 594 . Dosežena povprečna hitrost pri pospeševanju naelektrenih delcev med trki je večja pri majhnih delcih 595 . Pri prevajanju toka v električnem obloku je zato gibljivost elektronov približno sto krat večja od gibljivosti ionov. Tako večino električnega toka v obloku predstavlja gibanje elektronov. Električni tok oziroma elektroni v obloku poniknejo na anodi, celotni tok pa je enak toku elektronov iz katode. 593
Razlog za razliko v hitrostih gibanja ionov in elektronov je razlika v gibljivosti obeh delcev, ki je posledica njihove različne velikosti in mase. − Sila, ki deluje na naelektrene delce, je sorazmerna z velikostjo naboja. Ta je pri elektronih in enkrat ioniziranih ionih enak, zato je tudi sila enaka. − Električni upor je posledica oviranja gibanja naelektrenih delcev. Te ovire so nenaelektreni delci, atomi in molekule, ter v nasprotno smer potujoči naelektreni delci, ioni in elektroni. Oviranje elektronov, ki so več kot 100 000 krat manjši od ionov, je manjše od oviranja ionov, ki so istega velikostnega razreda kot atomi in molekule. 594 pri elastičnih trkih se ohrani kinetična energija in gibalna količina v trk vpletenih delcev, pri neelastičnih trkih pa se ohrani samo gibalna količina 595 zato so hitrosti gibanja majhnih elektronov v obloku bistveno večje od povprečne hitrosti gibanja več tisoč krat večjih ionov
134 Kinetična energija delcev ni odvisna samo od njihove mase, ampak tudi od njihove hitrosti. Zaradi zadevanja pospešenih ionov in elektronov ob elektrodi se na elektrodah pretvori del kinetične energije teh delcev v toploto. Ker je večina električnega toka povezana z gibanjem elektronov, se na anodi sprosti več energije. Ioni, ki s trkom oddajo del energije katodi, ne preidejo v katodo, tako kot elektroni v anodo. Kopičijo se v bližini katode, dokler se ne rekombinirajo z elektroni, ki izhajajo iz katode. Obstoječi pozitivni naboj teh ionov, ki se nahajajo v prostoru pred katodo, vpliva na celotno obliko električnega polja med elektrodama. Vsi prevodni elektroni v kovini 596 ne morejo zapustiti katode in prispevati k električnemu toku v obloku. V poštev pridejo le elektroni z dovolj veliko komponento hitrosti gibanja proti površini kovine (enačba 3.32), s katero lahko premagajo izstopno delo 597 . Potencialna ovira za izstop iz kovine, ki jo predstavlja izstopno delo, je zaradi električnega polja med elektrodama nekoliko znižana. Vendar pri varjenju to znižanje ni pomembno 598 . Delež elektronov v kovini, ki ima dovolj veliko kinetično energijo, da lahko premaga izstopno delo na površini, je odvisen od temperature "elektronskega plina" (poglavje 3.6). Temperatura elektronov v kovini je ista kot temperatura kovine. Nasičen tok termičnih elektronov s površine segrete katode, oziroma gostota emitiranega električnega toka jn pri določeni temperaturi T je odvisna samo od velikosti izstopnega dela599 j n = BT e 2
−
Ai kT
7 .5
B je emisijska konstanta, Ai pa izstopno delo. Velikost izstopnega dela kovine je odvisna od zgradbe kovine, še posebno pa od stanja njene površine. Izstopno delo je mogoče zmanjšati na različne načine. Nekateri oksidi imajo zelo majhno izstopno delo. Če takšne okside primešamo kovini ali pa jih nanesemo na njeno površino, zmanjšamo elektronom izstopno delo tudi iz takšne kovine. Na sliki 7.9 je prikazan potek nasičene gostote električnega toka (enačba 7.5) v odvisnosti od temperature dveh vrst volframa 600 , čistega in toriranega 601 . Tališče tako čistega kot toriranega volframa je približno 3200°C. − Pod temperaturo tališča volframa je tok elektronov iz katode, ki je iz čistega volframa, še zelo majhen 602 . Zato s takšno elektrodo ni mogoče zagotoviti električnega toka velike gostote. Stabilnost vzpostavljenega obloka tako ni prav velika 603 . 596
prevodni elektroni so tisti elektroni v kovini, ki so le šibko vezani na gradnike kristalov pri kovinah je izstopno delo praviloma velikostnega reda polovice ionizacijske energije 598 Znižanje te ovire je velikostnega razreda 0,01 eV (pri polprevodnikih je tolikšno znižanje bistvenega pomena, saj je višina ovire tudi več deset krat nižja kot pri kovinah). Pojav, ko elektroni zapuščajo površino kovine zaradi velikega električnega polja imenujemo poljska emisija. 599 to relacijo poznamo pod imenom termoemisijska ali Richardson-Dushmanova enačba 600 Pri TIG in plazma varjenju je potrebna netaljiva elektroda. Volfram je zaradi visokega tališča primeren za izdelavo netaljivih elektrod. Včasih so za netaljivo elektrodo uporabljali grafit (tališče grafita je višje od tališča volframa). Grafitno elektrodo se danes uporablja pri obločnem žlebljenju. 601 v toriranem volframu je majhen delež torijevega oksida (ta material izdelamo s sintranjem) 597
602
npr tok 2−3 A mm− 2 (pri čistem volframu sta B = 0,6 A m− 2 K− 2 in Ai = 4,54 eV)
603
Majhno izstopno delo je eden od temeljev stabilnosti obloka pri varjenju, drugi pa je visoka stopnja ionizacije plina v obločnem stebru. V obeh primerih je mogoče pri dokaj nizki napetosti v omejenem volumnu imeti veliko gostoto naelektrenih delcev, kar je znak visoke stopnje ioniziranosti snovi (delež naelektrenih delcev je mogoče povečati z uporabo sredstva z nizko ionizacijsko energijo, kar se izkorišča pri varjenju z oplaščeno in polnjeno elektrodo in pri varjenju v zaščiti praška).
135 − Enako visoka temperatura toriranega volframa je zaradi manjšega iztopnega dela, ki je posledica prisotnosti torijevega oksida, dovolj visoka za emisijo električnega toka velike gostote, kljub temu da je konstanta B toriranega volframa celo manjša od netoriranega 604 . Ker ni potrebna tako visoka temperatura za termično emisijo elektronov kot pri čistem volframu, je mogoče katodo še dodatno hladiti 605 . Na ta način površino elektrode zaščitimo pred visoko temperaturo obloka, kar je pri varjenju z uporabo neporabljive elektrode velikega praktičnega pomena 606 . 100
torirani volfram
jn [A mm−2]
80
60
čisti volfram
40
20
0 2000
2500
3000
3500 tališče volframa
4000
T [°C]
Slika 7.9: Gostota nasičenega toka elektronov skozi površino volframove katode v odvisnosti od temperature
Pri konstantnem električnem toku se električni potencial tik ob obeh elektrodah na kratki razdalji hitro spremeni. To sta področji katodnega (UK) in anodnega padca napetosti (UA). V vmesnem delu, to je v obločnem stebru, se potencial spreminja bistveno počasneje (US). Obločni steber je osnova za vzpostavitev obloka med dvema elektrodama. Brez obločnega stebra med elektrodama električni tok ne bi mogel teči. Električne razmere v obloku so prikazane na sliki 7.10. Zaradi katodnega in anodnega padca napetosti je električna poljska jakost ob obeh elektrodah večja kot v obločnem stebru. Zato ima gostota električnega toka največjo vrednost v območju katodne in anodne pege 607 . Ti dve področji nimata stalnega položaja na elektrodah, saj električni tok zmeraj ubere pot, ki je v določenem trenutku zanj najbolj ugodna. Celotni padec napetosti v električnem obloku Uob je U ob = U K + U S + U A 604 605
7.6
npr tok 30−40 A mm− 2 (pri toriranemu volframu sta B = 0,03 A m− 2 K− 2 in Ai = 2,63 eV)
npr vodno hlajenje neporabljivih elektrod pri TIG varjenju Prisotnost odtaljene kapljice z volframove elektrode v varu se šteje za napako zvara. Elastična modula tujka v varu in osnove vara namreč nista enaka, zato se pri obremenitvi različno deformirata. Vez med njima se poruši in nastane praznina. Tujek ujet v matici je vzrok za manjšo trdnost zvara. 607 Oblika potencialnega polja med elektrodama je odvisna tudi od oblike elektrod. V primeru konveksne oblike elektrode oziroma ošiljene elektrode, je oblok ožji, v primeru konkavne oblike elektrode pa širši. Ena od elektrod je pri varjenju pogosto varjeni material, ki je ponavadi ploščat. Ta oblika vpliva na širino obloka, predvsem ob topi elektrodi. S tem je zmanjšana možnost izrazito lokalnega vnašanja toplote v material (npr pri TIG varjenju je ob ošiljeni katodi polje zgoščeno, ob materialu pa ne, zato vnos toplote v material ni tako lokalen kot bi želeli, posebno kadar gre za varjenje zelo tanke pločevine). 606
136 Zaradi spremenljivega električnega polja vzdolž obloka se tudi električna moč v obloku prostorsko troši neenakomerno P = I ⋅ U ob = I ⋅ (U K + U S + U A ) = PK + PS + PA
7.7
Deleži PK, PS in PA so moči na upornikih RK, RS in RA, oziroma hitrosti, s katerimi se tvori toplota v obloku na teh mestih.
_
+
V
UA US UK
I
katodno področje
obločni steber
RK
RS
anodno področje
RA
Slika 7.10: Potencial med elektrodama pri električnem praznjenju
Če obravnavamo oblok kot tri ločene zaporedno vezane upornike (RK, RS in RA), je očitno, da se večino toplote tvori tik ob obeh elektrodah (enačba 4.17). Zato se sproščena toplota v obloku zlahka prenese na material katode in anode 608 . Material elektrode je na konici hladnejši od obloka, saj je v neposrednem kontaktu z bolj hladnim delom elektrode. Za hitrost prevajanja toplote iz obloka na elektrode je velikega pomena toplotna prevodnost snovi v obloku (enačba 4.6) 609 . Pri varjenju vzdržujemo oblok med dvema elektrodama na dokaj majhni razdalji610 . Da je oblok obstojen, mora med elektrodama biti ves čas primerno velika potencialna razlika (napetost). Potrebna raven napetosti obloka je odvisna od vrste snovi, skozi katero poteka električno praznjenje, in od materiala, iz katerega so narejene elektrode. Zaradi oblike obeh elektrod 611 in narave obloka, katerega osnova je termična plazma, nastaja vsa toplota v omejenem prostoru. Za uporabo pri varjenju ima to velik pomen. Oblok lahko namreč povsem približamo detajlu, ki ga imamo namen segreti in staliti. 608
to je pri obločnem varjenju s porabljivo elektrodo in pri obločnem rezanju in žlebljenju velikega pomena To je posebno pomembno pri TIG in MIG varjenju v zaščiti plinov helija in argona. Povprečna prosta pot med zaporednimi trki je pri enaki gostoti plina odvisna namreč od velikosti atomov/molekul. Velikost atomov helija (oba elektrona sta na prvi obli) je znatno manjša od velikosti atomov argona (zunanji elektroni so na tretji obli). Prevajanje toplote v heliju je zato tri krat večje od prevajanja toplote v argonu. Posledica je bistveno večji talilni učinek pri varjenju s helijem (včasih so večji uvar pri varjenju s helijem pripisovali višji temperaturi termične plazme v heliju zaradi višje ionizacijske energije helija, kar pa ni bilo upravičeno). 610 dolžina obloka pri obločnem varjenju je nekaj mm 611 Na začetku razvoja obločnega varjenja so oblok za varjenje vzpostavili med dvema elektrodama (varjenje z ogleno elektrodo, varjenje z atomarnim vodikom). Material za izgradnjo vara (dodajni material), ki ni bil v neposrednem stiku z najbolj vročim področjem obloka, so morali posebej dodajati. 609
137 Ker je temperatura obloka zelo visoka, material pa je treba na površini segreti le nekaj deset ali sto stopinj preko temperature tališča 612 , je temperaturni gradient med oblokom in materialom zelo velik. Posledica tega je velik toplotni tok na material. Njegovo segrevanje je zato hitro in lokalizirano. Tako segrevanje je značilno za intenzivne vire toplote. Ko je med elektrodama vzpostavljen električni oblok, je toplotna moč na anodi PA = I ⋅ (Φ A + U A +
3 kT ) 2 e0
7 .8
PA je toplotna moč, I jakost električnega toka, ΦA kondenzacijski potencial elektronov 613 , UA je anodni padec napetosti, e0 osnovni naboj, T pa temperatura termične plazme med elektrodama. Zadnji člen v enačbi 7.8 je izražen v obliki napetosti, ki pospeši naelektren delec z nabojem e0 do kinetične energije 3/2 kT 614 . Glede na enačbo 7.8 lahko toplotno moč na enak način izrazimo tudi na katodi PK = I ⋅ (− Φ K + U K +
3 kT ) 2 e0
7 .9
PK je toplotna moč, I jakost električnega toka, ΦK je potencial, ki ga mora premagati elektron, da zapusti električno prevodni material katode, UK pa je katodni padec napetosti. Zadnji člen je tudi v tej enačbi izražen enako kot v enačbi 7.8. Prvi člen v enačbi 7.9 je za razliko od enačbe 7.8 negativen. Del kinetične energije elektronov iz segrete kovine se na površini kovine namreč porabi za premagovanje izstopnega dela 615 . Elektroni, ki "izhlapevajo" iz elektrode, katodo v resnici ohlajajo616 , saj so del masnega toka 617 . Tako je pri vzpostavljenem obloku med elektrodama celotna količina nastale toplote na katodi manjša kot na anodi. To lahko izkoristimo za povečanje trajnosti katode: 1. Pri TIG varjenju je neporabljiva elektroda priključena na negativni pol. Tako se manj segreje in je bolj obstojna.
Kasneje so ugotovili, da je bolj praktično oblok vzpostaviti med porabljivo elektrodo in varjencem (ročno elektro-obločno varjenje, MAG/MIG, EPP). Tako sta obe elektrodi v neposrednem stiku z najbolj vročim področjem obloka. Dodajni material se zato hitro odtaljuje, osnovni pa hitro nataljuje. Neporabljive elektrode pri TIG in plazemskem varjenju imajo posebno obliko (so zašiljene). Da takšne ostanejo tudi med varjenjem, morajo biti zaščitene pred gorenjem in taljenjem. Inertni plin služi zaščiti pred odgorevanjem elektrode, hkrati pa elektrodo tudi hladi, s čemer preprečuje njeno taljenje. 612 Material, na katerega priteka toplota iz obloka, se mora segreti nad temperaturo tališča. V nasprotnem toplota ne bi odtekala globje v material, in sploh ne bi prišlo do uvarjanja. 613 prosti elektroni so neke vrste elektronski plin, pri prehodu v kovino pa gre za njihovo kondenzacijo (tudi pri kondenzaciji pare se sprošča toplota) 614 to velja tako za primer anoatomnih plinov kot disociiranih plinov 615
izstopno delo, ki ga poznamo iz enačbe 7.5, je Ai = e0 × ΦK (velikost izstopnega dela je približno polovica ionizacijske energije atomov) 616 Zaradi podobnega efekta se hladi snov pri sušenju (npr v klobučevino oblečena čutara). Iz mokre klobučevine uspejo izhajajo predvsem molekule, ki imajo največjo kinetično energijo oziroma temperaturo (enačba 3.26). Temperatura klobučevine se tako zmanjša, čutara pa ohladi. Zaradi kontakta z njeno steno, se ohladi tudi pijača. 617 Elektroni se začnejo takoj, ko izstopijo, pospešeno gibati proti anodi in se tako od katode odmaknejo. Podobno je pri sušenju perila na vrvi: veter (prisilna konvekcija) odstranjuje hlape iz neposredne bližine mokre tkanine. Ob vlažni površini se tako parni tlak vode zniža, kar je ugodno za izhajanje novih, "toplih" molekul vode iz tkanine (zato je tudi hlajenje čutarice na vetru hitrejše in intenzivnejše, ohladitev pijače v njej pa večja).
138 2. Pri ročnem elektroobločnem varjenju bazična elektrodo priključimo na pozitivni pol. Ker ima bazično oplaščenje temperaturo tališča zelo visoko, se elektroda tako lažje tali. Če pri konstantni dolžini obloka spremenimo tok skozi oblok, se padec napetosti na obloku spremeni. Večji kot je tok skozi oblok, manjša je potrebna napetost med elektrodama za tako velik tok (slika 7.11a) 618 . Pri večjem toku skozi oblok je gostota naelektrenih delcev, ki prenašajo električni naboj z ene elektrode na drugo, večja. Stopnja ioniziranosti snovi je pri večjih gostotah toka torej večja, temperatura obloka pa temu ustrezno višja. Pri električnem praznjenju v plinih pri normalnem tlaku je U − I karakteristika obloka takšna, kot je prikazano na sliki 7.11. U
Ug
U skupno
IR
IR
Uob(I)
Uob
I
I
a
b
a karakteristika električnega obloka; b karakteristika celotnega tokovnega kroga z zaporedno vezanim oblokom in omskim upornikom
Slika 7.11: U − I karakteristika obloka in celotnega tokovnega kroga
Gonilna napetost generatorja Ug s slike 7.7 je uravnotežena s padcem napetosti na ohmskem uporniku in padcem napetosti v obloku 619 . U g = IR + U ob (I)
7.10
Padec napetosti v delu tokovnega kroga brez obloka določa Ohmov zakon (enačba 4.9). Zaradi prisotnosti ohmske upornosti se padec napetosti na njej z naraščajočim tokom povečuje. Skupni padec napetosti je vsota padcev napetosti na ohmski upornosti in na obloku. Zato je za karakteristiko celotnega tokovnega kroga pri manjših tokovih pomemben padec napetosti v obloku, pri večjih pa padec napetosti na ohmski upornosti. Na sliki 7.11b vidimo, da je U − I karakteristika celotnega tokovnega kroga sprva padajoča, pri določenem toku doseže minimum, nato pa postane naraščajoča. Temperatura v električnem obloku, ki je vzpostavljen pri atmosferskem tlaku v drugačnih plinih kot zrak, lahko doseže temperaturo tudi 8 000°C 620 , pri plazemskem varjenju pa celo 20 000°C. To je precej več tudi od vrelišča vseh osnovnih in dodajnih materialov 621 . 618
Vzrok je prisotnost večjega števila naelektrenih delcev termične plazme. Na gibljivost elektronov v enačbi 3.10 vplivajo največje ovire. To so pa ioni, atomi in molekule. Pri večji stopnje ioniziranosti je zadnjih manj. 619 ohmsko upornost tokovnega kroga predstavlja vsota notranje upornosti električnega generatorja, upornosti vodnikov in upornosti obeh elektrod (pogosto je ena elektroda varjenec) 620 pri TIG varjenju je to Ar ali He, pri MIG/MAG varjenju He, Ar, CO2 ali razne mešanice, pri EPP varjenju uparjene sestavine praška, pri obločnem varjenju s stržensko in oplaščeno elektrodo pa uparjene sestavine praška in/ali oplaščenja 621 vrelišče ogljika-grafita je 4 500°C, čistega železa pa 2 700°C
139 Področje, na katerem vstopa v oblok električni tok in iz njega izstopa, sta katodna in anodna pega 622 . Na teh dveh mestih je kovina ponekod segreta do temperature vrelišča, gotovo pa močno nad temperaturo tališča. Tako pri jeklenih elektrodah temperatura površine na obeh pegah doseže kar 2100 − 2300°C, na oglenih pa celo 3000 − 4000°C 623 . Za vzdrževanje obloka, ki se ohlaja predvsem preko obeh elektrod, ter za primerno veliko toplotno moč pri varjenju je potrebna zadostna jakost električnega toka. Potrebna sorazmerno nizka napetost, ki omogoči razelektritev plinov pri normalnem tlaku, je zelo pomembna za varnost uporabe obloka pri varjenju. Za varjenje je treba napetost omrežja transformirati 624 . Za to ponavadi koristimo električne transformatorje 625 . Če pa za varjenje potrebujemo generator enosmernega električnega toka, je treba transformirani tok, ki je izmeničen, še usmeriti 626 . Običajno uporabimo toploto, ki se tvori v obloku, za šivno varjenje 627 . Specifični vnos toplote pri šivnem varjenju izračunamo na osnovi efektivne toplotne moči vira toplote, ki se porabi za segrevanje in taljenje materiala, in hitrosti gibanja vira toplote: Q=
η⋅ P v
7.11
Q je vnos toplote 628 , η toplotni izkoristek 629 , P toplotna moč vira toplote, v pa hitrost varjenja. Toplotno moč obloka se da izraziti kar z električnimi parametri obloka. Tako se vnos toplote izračuna kot Q=η
I ⋅U v
7.12
Notranja energija ioniziranega plina Pri plazemskem varjenju in rezanju koristimo curek ioniziranega plina, ki ima zaradi svojega stanja zelo veliko notranjo energijo 630 . 622
če gre za taljenje materiala, ima anoda zaradi velike kinetične energije elektronov svoj značilni izgled (anodni krater) 623 ker se za izparevanje materiala elektrod troši izparilna toplota raztaljene kovine, je temperatura materiala na pegah nižja od temperature ioniziranega plina 624 omrežna napetost je v Evropi 220 V enofazno oziroma 380 V trifazno (v ZDA je enofazna napetost 110 V) 625 S transformatorjem izmenično napetost lahko povečamo, lahko pa zmanjšamo. Sprememba napetosti je obratno sorazmerna s spremembo jakosti električnega toka. To se doseže z različnim številom ovojev na primarni in sekundarni strani transformatorja. U1/U2 = N1/N2 = I2/I1 U1, I1 in N1 so napetost, tok in število ovojev na primarni strani, U2, I2 in N2 pa na sekundarni. Da na sekundarni strani varilnega transformatorja teče tok z veliko jakostjo, je potrebno zagotoviti navitje z dovolj velikim presekom. Če je upornost navitja na sekundarni strani transformatorja prevelika, se električni tok zmanjša. 626 Dosegljiva moč iz transformatorja je odvisna od prereza oziroma mase transformatorskega jedra. Pri višjih frekvencah električnega toka je za transformiranje enake električne moči potreben manjši presek transformatorskega jedra kot pri nižjih frekvencah. Zato so transformatorji za visoke frekvence lažji. Za uporabo so lahki varilni izvori bolj praktični (to pride v poštev le pri varilnikih z enosmernim tokom). 627 poznamo pa tudi postopek varjenja, kjer s kratkotrajnim delovanjem obloka material varjenih elementov samo segrejemo, nato pa ga s stiskom zvarimo (varjenje čepov) 628 Q merimo jo v [J m −1] oziroma, če hitrost varjenja merimo v centimetrih, v [kJ cm −1] 629 pri obločnem varjenju je izkoristek odvisen v največji meri od samega postopka varjenja 630 ioniziran plin ima visoke temperaturo, saj je stanje vsake snovi odvisno od njene temperature (poglavje 3.6)
140 Konstrukcija plazemskega gorilnika je zasnovana kot izpopolnitev gorilnika za TIG varjenje 631 . Bistvena razlika med TIG in plazemskim gorilnikom je prostor, neke vrste komora, z dotekajočim plazemskim plinom. V komoro na eni strani priteka plin 632 , na drugi strani pa odteka zgoščena plazma. Ker je njen volumen zaradi disociacije in/ali ionizacije povečan, mora odtekati skozi razpoložljivo majhno odprtino z zelo veliko hitrostjo. Oblok je lahko vzpostavljen − med neporabljivo volframovo elektrodo in ohišjem komore ali − med neporabljivo volframovo elektrodo in predmetom za varjenje ali rezanje V prvem primeru govorimo o neprenešenem obloku. Ionizacija dotekajočega plazemskega plina poteka v komori. Vroča in zgoščena plazma izteka iz komore z veliko hitrostjo. Curek usmerimo na material za varjenje ali rezanje. Električni tok je proporcionalen toku ioniziranega plina. Zaradi izredno visoke notranje energije termične plazme je to učinkovit zgoščen vir energije − toplote, pri relativno majhnem električnem toku, lahko tudi zelo majhnem 633 . Plazemski curek je manj občutljiv na magnetna polja in na "dolžino obloka" kot navaden oblok 634 . V drugem primeru govorimo o prenešenem obloku. Ionizacija poteka v odtekajočem plazemskem plinu, ki se nahaja med elektrodo in obdelovancem. Plazemski plin, ki priteka iz komore z veliko hitrostjo, ionizira šele v vzpostavljenem obloku med elektrodo in predmetom. Za vzdrževanje takšnega obloka je potreben velik električni tok, zato v tem primeru moč gorilnika ne more biti majhna. Za varjenje tankih elementov je primeren predvsem neprenešeni oblok, za varjenje debelih pa prenešeni. Za rezanje se koristi predvsem prenešeni oblok. 7.3.2
Uporaba kemične energije
Primera uporabe zunanjih virov toplote, ko v toploto pretvarjamo kemično energijo zunaj mesta za spajanje ali razdvajanje materiala, so plamensko varjenje, rezanje in žlebljenje ter termitno varjenje. Pri teh postopkih pridejo v poštev kemične reakcije, kjer se pri visoki temperaturi hitro sprošča velika količina toplote. Za varjenje je primerno koristiti zgorevanje plinov 635 . Za jekla, ki imajo dokaj visoko tališče 636 , pa tudi druge tehnične kovine, je najbolj ugodno koristiti plin acetilen. Značilen primer varjenja s segreto snovjo, ki ogreje varjene elemente in zagotovi material za nastanek vara je livarsko varjenje. V splošnem pri livarskem varjenju s kovino, ki je segreta do tališča, zapolnimo režo med varjenima elementoma (ponavadi elementa predgrejemo) in pustimo, da se v primernem kalupu talina strdi in ohladi. Posebna različica livarskega varjenja je termitno varjenje.
631
pri TIG varjenju neporabljivo elektrodo obliva zaščitni plin, ki elektrodo in mesto za varjenje ščiti pred vplivom bolj agresivne okolice 632 plin, iz katerega nastane termična plazma, imenujemo plazemski plin 633 če je varilni tok zelo majhen gre za mikroplazemsko varjenje (tak primer imamo pri zelo ozkem plazemskem curku) 634 tu je mišljena razdalja med gorilnikom in predmetom 635 gorenje je spajanje goriva s kisikom, kar je znano tudi kot oksidacija 636 tališče jekel je okoli 1500°C; bakrove zlitine imajo nekaj nižje tališče, aluminijeve zlitine precej nižje, titanove zlitine pa višje
141 Toplota pri zgorevanju plina Plamensko varjenje so začeli v industriji uporabljati na prehodu iz 19. v 20. stoletje. Za njegov razmah je pomembna uvedba industrijskega pridobivanja kisika in možnost varnega skladiščenja acetilena 637 . Plamen se pri zgorevanju mešanice acetilena in kisika v približnem razmerju 1:1,1 sestoji iz bolj segretega notranjega plamena (stožca) ter manj segretega zunanjega plamena (slika 7.12). 3200
T [°C]
3000
2800
2600
2400
Slika 7.12: Potek temperature v osi plamena, ko v zraku zgoreva "normalna mešanica" acetilena in kisika
"Normalna" mešanica nima stehiometrične sestave 638 , zato acetilen v notranjem stožcu le razpade (delno zgorevanje).
C 2 H 2 + O 2 → 2CO + H 2 + Q1
7.13
Končni produkt prve stopnje zgorevanja je ogljikov monoksid in vodik. Zgorevanje se nadaljuje še zunaj notranjega stožca. V tej reakciji sodeluje atmosferski kisik.
CO + H 2 + O 2 → CO 2 + H 2 O 2 + Q 2
7.14
Produkt druge stopnje zgorevanja je ogljikov dioksid in vodna para. Sproščena količina toplote v reakciji 7.13 je manjša od sproščene količine toplote v reakciji 7.14. Presek notranjega stožca ni povsod enak, zato je gostota sproščene toplote na vrhu notranjega stožca največja, temperatura plamena pa najvišja. Pomembno je, kakšno je razmerje med acetilenom in kisikom na določenih delih plamena oziroma kakšne kemične spojine so tam prisotne. Tako ima del plamena redukcijski, del pa oksidacijski učinek na material, kar je pri varjenju in spajkanju v določenih primerih zelo pomembno: − Notranji plamen je reduktiven, saj v njem koncentracija CO večja kot O2 639 . 637
Razmah tega varjenja je omogočila industrijska proizvodnja kisika (frakcionirana destilacija zraka). Morali pa so rešiti problem varnega hranjenja acetilena (raztopljen je v acetonu). Acetilena se ne sme komprimirati. Pri povečanem tlaku razpade (reakcija je eksotermična, zato grozi možnost eksplozije). 638 stehiometrična sestava je sestava za popolno zgorevanje (rezultat gorenja so samo produkti zgorevanja)
142 − Zunanji plamen je oksidativen, saj je v njemu pomemben delež kisika iz zraka. V tabeli 7.1 so navedene lastnosti plinov, ki jih pod določenimi pogoji uporabljamo pri plamenskem varjenju ali pa so jih pri varjenju uporabljali v preteklosti. Podatki se nanašajo na zgorevanje plinov v čistem kisiku 640 . Iz predstavljenih vrednosti je mogoče zaključiti, zakaj je danes za plamensko varjenje pomemben prav acetilen in do neke mere tudi butan, drugi plini pa manj. Tabela 7.1: Pomembne lastnosti nekaterih plinov pri stehiometrični količini kisika Lastnost Enote/ plin Acetilen, C2H2 Vodik, H2 Propan, C3H8 Zemeljski plin 91 % Gostota/gostota zraka 7 152 ~ 62 3 m 0,91 Volumen/1 kg plina 11,8 0,54 ~ 1,44 71,4 Stehiometrični % kisika masni % 33,3 83,3 ~ 36,7 MJ m−3 55 Sežigna toplota 12 104 ~ 37 °C 300 Temperatura vnetišča 450 490 640 °C 3090 Temperatura plamena 2660 2530 ~ 2540 ms−1 Širjenje plamena 7,9 11,1 4 ~ 5,4 Intenziteta zgorevanja MJ m−2 s−1 110 72 52 55
− Če je gostota plina večja od gostote zraka, je to lahko za uporabo pri varjenju neugodno. Vzrok je varnost. Plin, ki ni zagorel ali ni popolnoma zgorel, se zbira pri tleh, kar ima pri preveliki koncentraciji lahko za posledico zadušitev ali pa eksplozijo. − Specifični volumen je merilo za potrebni volumski pretok plina, če je znana masna bilanca gorenja. − Stehiometrični delež kisika predstavlja potrebno relativno količino kisika za popolno zgorevanje plina. − Sežigna toplota, ki se sprosti pri popolnem zgorevanju, je merilo razpoložljive kalorične vrednosti plina. − Vsaka snov se vname šele, ko je ogreta na temperaturo vnetišča. Posebno nizka temperatura vnetišča ni ugodna, saj obstoja možnost samovžiga, če je mešanica plina in zraka dovolj bogata. Je pa nizka temperatura vnetišča ugodna s stališča zagotavljanja gorenja plina tudi v manj stabilnih razmerah. − Čim višja je temperatura plamena, tem večja je možnost hitrega prehoda toplote na dodajni in osnovni material in posredno tudi hitrost varjenja. − Velika hitrost širjenja plamena v mešanici plina in kisika je zagotovilo, da bo zgorevanje potekalo hitro. Mešanica lahko doteka v tankem curku s hitrostjo, ki je enaka hitrosti širjenja plamena. Tako zgori takoj, ko priteče iz šobe. Tak vir toplote je majhen le, če je odprtina skozi katero priteka gorljiva mešanica majhna. Toplota se pri zgorevanju sprosti v omejenem prostoru in je zato intenziteta takšnega vira toplote velika. Pri zrlo velikih intenzitetah toplotnih virov za varjenje je mogoče, da se material segreje in stali samo lokalno. Negativni vpliv plamena na okoliški material, ki se ne stali in ustvari TVP, je zaradi koncentriranega vnašanja toplote, tako lahko bolj zmeren.
639 640
kot primer za vpliv CO na okside služi enačba 3.18 zrak je mešanica približno ene petine kisika in štirih petin dušika, zato je za hitro in popolno zgorevanje gorljivih plinov bolj primerna prisotnost čistega kisika
143 − Intenziteta zgorevanja plina 641 predstavlja gostoto energijskega toka, ki lahko s pomočjo plamena v enoti časa preide na material. Je funkcija hitrosti zgorevanja plina in količine sproščene toplote na enoto volumna plina. Ob tem je treba upoštevati tudi število nastalih molekul v reakciji, kot so tiste v enačbah 7.13 in 7.14 (za popolno zgorevanje acetilena in propana glej enačbi 3.16). Količina nastalih produktov zgorevanja je pomembna zato, ker imajo pri isti temperaturi vse plinaste snovi enako notranjo energijo (poglavje 3.6). Zaradi ozkega snopa dotekajočega plina je v primeru dvostopenjskega zgorevanja 642 temperatura najvišja na vrhu notranjega stožca plamena. Intenziteta zgorevanja plina je predstavlja torej toplotna moč gorečega plina na enoto ploskve na mestu, kjer je temperatura plamena najvišja Navadno uporabljamo toploto, ki se tvori pri zgorevanju plinov, za šivno varjenje. Specifični vnos toplote se izračuna tako kot pri obločnem šivnem varjenju na osnovi efektivne toplotne moči vira toplote, ki se porabi za segrevanje in taljenje materiala, in hitrosti gibanja vira toplote (enačba 7.11). Pri plamenskem varjenju je vnos toplote v material odvisen od volumskega pretoka in sežigne toplote plina, zato jo izračunamo drugače kot pri obločnem varjenju:
Q = η⋅
ΦV ⋅ q v
7.15
Q je vnos toplote, Φv volumski pretok plina in q sežigna toplota plina.. Toplota oksi-redoksi reakcij Aluminij ima veliko afiniteto do kisika, ne glede na to ali je kisik prost ali vezan v drugih oksidih kot npr v železovem ali bakrovem oksidu. Energija za tvorbo oksidov drugih kovin je bistveno nižja od sproščene energije pri tvorbi aluminijevega oksida. Zato je mogoče pri primerno visoki temperaturi obstoječe kovinske okside reducirati z aluminijem. Ker je produkt te reakcije staljeno železo ali baker ter toplota, je pri takšnih kemičnih reakcijah na razpolago vse, kar je potrebno za varjenje: − primeren material za premostitev prostora med varjenimi elementi (dodajni material) je posledica redukcije kovinskega oksida − toplota za nataljevanje osnovnega materiala je razlika med porabljeno in sproščeno energijo 643 Pri ohlajanju raztaljeno jeklo, ki poveže varjene elemente, kristalizira in se ohladi. Tako nastane zvar. Tak varilni postopek koristimo pri takoimenovanem termitnem varjenju644 , kjer koristimo toploto in nastalo snov oksi-redoksi kemičnih reakcij. Kemične reakcije morajo potekati z dovolj veliko hitrostjo, da je količina sproščene toplote zadostna za vzdrževanje 641
uporablja se tudi pojem moč plamena dvostopenjsko zgorevanje poteka pri ogljikovodikih 643 del energije, ki je produkt oksidacije aluminija, se porabi za redukcijo prisotnih kovinskih oksidov, del se pa pretvori v toploto 644 To varjenje poznamo tudi kot aluminotermično varjenje (dejansko je to ena vrsta livarskega varjenja, saj je nastala vez med kovinskimi elementi posledica natalitve materiala varjenih elementov s pregreto raztaljeno kovino). Za oksi-redoksi reakcije je mogoče uporabiti tudi magnezij, silicij in kalcij (v praksi imajo ti kemični elementi le omejeno uporabnost). 642
144 temperature raztaljene kovine in za nataljevanje osnovnega materiala. Zato mora biti izbrano razmerje med količino oksidov in aluminija optimalno, površina kovine in oksidov, na katerih poteka oksi-redoksi reakcija, pa primerno velika 645 . Pri varjenju ogljikovih konstrukcijskih in drugih ogljikovih jekel je primerno uporabljati čim bolj cenen material. Zato se uporablja kar železova škaja 646 . Pri redukciji z aluminijem gre za te tri reakcije: 3Fe 3 O 4 + 8Al → 9Fe + 4Al 2 O 3 + Q1 3FeO + 2Al → 3Fe + Al 2 O 3 + Q 2
7.16
Fe 2 O 3 + 2Al → 2Fe + Al 2 O 3 + Q 3 Teoretično lahko pri aluminotermični reakciji nastane temperatura do 3 100°C. Dodatki v termitni mešanici, ki ne sodelujejo v reakciji 647 , zmanjšajo temperaturo pod 2 500°C. Pri višji temperaturi od te bi se aluminij uparil, kar bi varjenje onemogočilo. Bistveno nižja kot 2 500°C pa temperatura pri reakciji ne bi smela biti, saj se aluminijeva škaja strdi pri temperaturi 2 040°C. Začetek oksi-redoksi reakcij v termitni zmesi je treba umetno sprožiti. Zato jo je treba na enem mestu segreti do 1 200°C. Zadošča že vžig z vžigalico. Uporablja se posebne kemične vžigalnike. Aluminotermična reakcija poteka primerno počasi in zaradi tega pri varjenju ni nevarnosti eksplozije 648 .
645
zaradi tega je en del materiala (železova škaja), ki tvori termitno mešanico zmlet, aluminij pa je v obliki primerno velikih zrnc 646 uporabljani železovi oksidi nastajajo pri kovanju ali valjanju jekel, tako da pravzaprav gre za recikliranje odpadnih snovi 647 legirni elementi, kali za kristalizacijo, morebitni dodatek čistega železa 648 praktična stran aluminotermičnega varjenja je, da ni potrebna električna energija (to omogoča izvajanje varjenja tudi v krajih, kjer elektrika sploh ni na razpolago)
145
UPORABLJENA LITERATURA
1. N. N. Rykalin: Berechnung der Wärmevorgänge beim Schweissen, 1957 2. E. Wiberg, Anorganska kemija, 1967 3. N. I. Koškin, M. G. Širkevič, Priročnih elementarne fizike, 1967 4. J. Ruge, Handbuch der Schweisstechnik, 1974 5. B. M. Javorskij A.A. Detlaf: Spravočnik po fizike, 1981 6. H. Šuman, Metalografija, 1981 7. W. Bergmann, Werksofftechnik, Tail 1, 1984 8. IIW, Multilingual collection of terms for welding and allied processes, 1988 9. AWS, Welding Handbook, 2, Welding processes, 1991 10. S. Spaić, Fizikalna metalurgija I, 1996 11. V. Gliha: Doktorsko delo, 1998 12. H. B. Cary: Modern Welding Technology, 2002 13. F. Vodopivec, Kovine in zlitine, 2002 14. F. W. Sears, M. W. Zemansky: University Physics, 2004
