Kimdanning av sprøbrudd i simulert grovkornet HAZ i et arktisk stål

Abstract

Det har blitt estimert at 30 % av verdensuoppdagede gassreserver og 13 % av verdens uoppdagede oljereserver ligger i de polare områdene i nord. Man trenger derfor materialer som tåler lave temperaturer for å hente opp denne oljen og gassen. HSLA-stål har generelt lav omslagstemperatur, men dette kan endres under sveising. Sveisevarmen gjør at mikrostrukturen endres i den varmepåvirkede sonen (HAZ). Dette kan gjøre stålet sprøere. Den grovkornede varmepåvirkede sonen (CG HAZ) er den sprøeste sonen ved avkjøling fra austenittområdet. Målet med denne oppgaven er å undersøke forskjeller i mikrostrukturen og forskjeller i initieringsmekanismen til kløvningsfasetter i CG HAZ med to forskjellige avkjølingstider. Det blir også sett på hva som kan ha innvirkning på initieringen av fasettområdene. Prøver av et 420 MPa HSLA-stål fra Nippon Steel har blitt sveisesimulert for å oppnå mikrostrukturen til CG HAZ. Halvparten av prøvene hadde en avkjølingstid fra 800 til 500 ◦C (∆τ8/5) på 5 sekunder, og andre halvparten ∆τ8/5 på 15 sekunder. Prøvene undergikk avbrutt CTOD-testing. Det foregikk ved at prøvene ble bøyd ved -30 ◦C til det ble avgitt et akustisk emisjons-signal (AE-signal), for så å bli avlastet. Etter avlastning ble prøven utmattet videre til endelig brudd. Hensikten med avlasting og utmatting av prøvene er at man får et tydelig definert fasettområde, slik at det blir lettere å identifisere det i scanning elektronmikroskopet (SEM). Mikrostrukturen til prøven simulert med ∆τ8/5 på 5 sekunder hadde en høyere andel martensitt i bainittstrukturen enn prøven simulert med ∆τ8/5 på 15 sekunder. Det ble også funnet partikler i de to mikrostrukturene. I prøven simulert med ∆τ8/5 på 5 sekunder ble det funnet massive partikler inne i noen av bainittområdene. De ble antatt å være MA-partikler. Det ble i tillegg funnet runde partikler på noen av de tidligere austenittkorngrensene som ble antatt å være korngrenseferritt. I prøven simulert med ∆τ8/5 på 15 sekunder ble det funnet liknende massive partikler. Det ble i tillegg funnet avlange partikler inne i noen av bainittpakkene. De ble antatt å være MA-fase. De fleste prøvene simulert med ∆τ8/5 på 5 sekunder hadde fasettområder med partikler i nærheten av initieringspunktet. Disse partiklene hadde omtrent samme sammensetning som stålmatriks, men det ble i noen tilfeller funnet forhøyede verdier av silisium. Partiklene ble antatt å være MA-partikler. To av prøvene simulert med ∆τ8/5 på 15 sekunder hadde en partikkel i initieringspunktet som hadde omtrent lik sammensetning som stålmatriks, og disse ble også antatt å være MA-partikler. Arealet av alle fasettene i alle prøvene ble målt og sammenlignet med størrelsen på AE-signalet. Av dette ser man en sammenheng der størrelsen på AE-signalet øker med størrelsen på fasettene for prøvene simulert med ∆τ8/5 på 5 sekunder. For prøvene simulert med ∆τ8/5 på 15 sekunder er det flere som skiller seg ut fra denne sammenhengen. Dette forklares ved at disse fasettene oppstod under utmatting. Lengden fra sprekkspissen til initieringspunktet ble også målt og sammenlignet med CMOD-verdien. Det ser ut til å være en tilnærmet lineær sammenheng der økende CMOD-verdi gir bruddinitiering lengre bort fra sprekkspissen. Hovedforskjellen mellom de to avkjølingstidene er at fasettene i prøvene simulert med ∆τ8/5 på 5 sekunder ligger mye nærmere sprekkspissen og er mer topografiske enn prøvene simulert med ∆τ8/5 på 15 sekunder. Når det gjelder kimdanningsmekanisme ser det ut til at de fleste av fasettene i prøvene simulert med ∆τ8/5 på 5 sekunder initieres ved hjelp av spenninger fra partikler som ligger i nærheten av initieringsområdet. Det ble ikke bevist at partiklene er MA-partikler, og man kan derfor ikke si noe sikkert om MA-partiklenes innvirkning på bruddet. Det er vanskelig å si hva kimdanningsmekanismen er for prøvene simulert med ∆τ8/5 på 15 sekunder ettersom initieringspunktene er svært forskjellige.