20.500.12556/DKUM-83028 Application of normalization method to fracture toughness testing of welds with pronounced strength heterogeneity doctoral disertation Uporaba normalizacijske metode za testiranje lomne žilavosti zvarnih spojev z izrazito heterogeno trdnostjo This doctoral dissertation presents the results of an extensive fracture testing programme of welds with pronounced strength heterogeneity. Purpose of this programme was to determine fracture toughness of heterogeneous welds that contain a midplane crack. Application of standardized fracture testing methods in heterogeneous welds might lead to overestimation or underestimation of fracture toughness and consequentially to inaccurate assessment of structural integrity. Reasons for that are variations in mechanical properties of different material regions in the weld which have a significant impact on development of deformation at the crack tip, and consequently on the crack driving force. Experimental procedures in scope of this research include fabrication of weld sample plates, that were welded with MAG process. The welds were fabricated using two different electrodes, one with higher and one with lower mechanical properties, with respect to base material S690QL in order to replicate extreme variations of mechanical properties in the weldment. Fabricated welds were then characterized in detail using metallography, three-point bend impact testing, indentation hardness measurements and tensile testing of flat miniature and round bar standard tensile specimens. Resistance of welds to stable tearing was investigated by fracture testing of square surface cracked SE(B) specimens containing a weld midplane notch. J-integral has been estimated from plastic work, using the normalization data reduction method that is included in standard ASTM E1820. The advantage of the normalization data reduction method is that no special equipment or complex testing method is needed to measure ductile crack growth during fracture testing. The ductile crack growth is determined directly from the load-displacement record, by applying appropriate calibration function and physical lengths of initial and final cracks that were measured post-mortem with the nine-point method. Several correction factors had to be calibrated in order to successfully implement the normalization data reduction method to fracture testing of welds with pronounced strength heterogeneity. For that reason, parametric finite element analyses were conducted for several weld configurations. Finite element models incorporated plane strain conditions in order to provide calibrated factors that comply with plane strain equations included in ASTM E1820. Additionally, crack tip constraint has been extensively analysed and correlated with the plastic deformation fields. This clarified altered deformation behaviour of modelled welds in comparison with the base material and corresponding effect on fracture toughness. Finally, calibrated factors were applied to computation of J-integral from data that were measured during fracture testing. J-R resistance curves were constructed for the tested heterogeneous welds and compared to the ones of the base material. This directly showed the effect of variations of mechanical properties on the weld fracture behaviour. V doktorski disertaciji so predstavljeni rezultati obsežnega programa lomno mehanskih preizkusov zvarov z izrazito heterogenimi mehanskimi lastnostmi. Namen tega eksperimentalnega programa je bil določitev lomne žilavosti za heterogene zvare. Uporaba standardnih metod za določitev lomne žilavosti v takšnem primeru daje precenjeno ali podcenjeno lomno žilavost zvarov, kar vodi do napak pri oceni celovitosti konstrukcij. To je poseben izziv, ki do danes ni povsem razrešen. Razlog je ta, da regije zvara z različnimi mehanskimi lastnostmi vplivajo na razvoj polja deformacij na konici razpoke in posledično na gonilno silo za razvoj razpoke. Z namenom, da se ta izziv reši, so bili zvari najprej detajlno preučeni, kot je opisano v 2. poglavju te disertacije. Pri eksperimentalnem delu, ki je bilo opravljeno v sklopu te raziskave, so bili najprej pripravljeni vzorčni zvari. Ti so bili izdelani z varjenjem plošč iz nizko legiranega visoko trdnostnega jekla S690 QL, ki se v industriji pogosto koristi za gradnjo zahtevnih konstrukcij. Za varjenje je bil uporabljen MAG postopek. Posebna značilnost izdelanih zvarov je ta, da sta pri izdelavi bili uporabljeni dve varilni žici, ki sta se razlikovali po mehanskih lastnostih. Prva varilna žica je imela višjo mejo plastičnosti, druga pa nižjo v primerjavi z osnovnim materialom. Meje plastičnosti uporabljenih varilnih žic so se v tem primeru razlikovale več kot 30 % glede na mejo plastičnosti osnovnega materiala. Na ta način so bile v vzorčnih zvarih umetno poustvarjene povečane neenakosti v trdnosti posamičnih regij zvara. Natančneje, pol žleba, ki je bil izdelan na ploščah pred varjenjem, je bilo polnjenega z varilno žico, ki ima višjo trdnost. Druga polovica žleba je bila polnjena z varilno žico, ki ima nižjo trdnost. Takšno stanje se v praksi pogosto ustvari pri popravljanju obstoječih zvarov, kjer se za popravilo uporabi drugačna elektroda ali varilna žica kot za izdelavo zvara. Za primerjavo so bili izdelani še zvari, ki so bil polnjeni samo z eno varilno žico. Izdelani zvari so bili detajlno preučeni. Najprej so bile opravljene metalografske preiskave, ki so pokazale na povečano vsebnost bainita in martenzita v mikrostrukturi. Omenjena mikrokonstituenta sta posledica kompleksne termalne zgodovine zaradi varjenja z več varki in pomembno vplivata na trdnost zvarnega materiala. V naslednjem koraku so bile opravljene meritve trdote po Vickersu na vzorcu zvara. Opravljene meritve so pokazale velika nihanja trdote med regijami v osnovnem stanju in pogretimi regijami posamičnih varkov. Povečana trdota je bila opažena tudi v toplotno vplivanem področju (TVP). To nakazuje, da je med varjenjem prišlo do utrjevanja TVP. Dodatno so bile določene lokalne mehanske lastnosti v posameznih regijah zvara z nateznim testiranjem miniaturnih preizkušancev. Preizkusi so pokazali, da mehanske lastnosti, v smislu meje plastičnosti in natezne trdnosti, nihajo v zvaru skladno z izmerjeno trdoto. Hkrati so rezultati preizkusov pokazali, da material zvara z višjo trdnostjo kaže dodatno utrjevanje v pogretem področju. Nasprotno je bilo opaženo pri testiranju materiala zvara z nižjo trdnostjo. V tem primeru pride do mehčanja materiala v pogretem področju. Največji meji plastičnosti in natezne trdnosti sta bili izmerjeni v finozrnatem delu TVP. Dodatno so bili izvedeni še natezni preizkusi standardnih nateznih preizkušancev valjaste oblike. Ti preizkusi so podali povprečne mehanske lastnosti materiala v zvaru in osnovnega materiala. Rezultati teh preizkusov so pokazali relativno dobro ujemanje z rezultati miniaturnih nateznih preizkusov. To pomeni, da je za poenostavljene analize heterogenih zvarov možno koristiti povprečne mehanske lastnosti za izdelavo materialnih modelov, ki se kasneje uporabljajo v simulacijah po metodi končnih elementov ali v analitičnih modelih za oceno celovitosti konstrukcij v skladu s standardom BS 7910. V naslednjem koraku so bili izvedeni preizkusi u weld strength mismatch fracture normalization data reduction technique plastic correction factors test fixture SE(B) specimen J-R resistance curve zvar trdnostno neujemanje lom normalizacijska metoda plastični korekcijski faktorji vpenjalna priprava SE(B) preizkušanec J-R odpornostna krivulja true true false [P. Štefane] Angleški jezik Slovenski jezik Doktorsko delo/naloga 2022-09-13 20:58:51 2023-01-10 09:16:57 2023-01-19 03:07:09 0000-00-00 00:00:00 2022 0 Maribor 0 Maribor XIV, 228 str. 0000-00-00 NiDoloceno NiDoloceno NiDoloceno 0000-00-00 0000-00-00 0000-00-00 620.178.2:621.791.053(043.3) 138416131 DOK_Stefane_Primoz_2023.pdf DOK_Stefane_Primoz_2023.pdf 1 3AADFE194D81FA23F5D06CAF2920E9C1 55a74117ca0d7778d12139aa82a1e9f8fc175d66bc67f418325fd6bea77e946e cd66d9d8-9067-11ed-8c68-00155d000105 https://dk.um.si/Dokument.php?lang=slv&id=165118 Fakulteta za strojništvo 0 0 0