Risk för sprödbrott, vid låga temperaturer för ferritiska stål i svetsade konstruktioner

Sammanfattning

Sprödbrott är ett av de mest kritiska brottfallen i bärande konstruktioner, eftersom det kännetecknas av instabil spricktillväxt med liten eller ingen föregående plastisk deformation. Brottet kan därför ske mycket snabbt och utan tydliga varningssignaler, vilket kan medföra omfattande konsekvenser för både konstruktionen och dess omgivning. Risken ökar vid låga temperaturer, särskilt för ferritiska stål som övergår från segt till sprött beteende vid sjunkande temperaturer. I svetsade konstruktioner blir detta särskilt relevant, eftersom sprickor, restspänningar och mikrostrukturella förändringar nära svetsen ökar risken för sprickinitiering och spricktillväxt. I denna rapport utvecklas en metod för att uppskatta risken för sprödbrott när tillgänglig materialdata om seghet är begränsad till Charpy-V-resultat. För att använda Charpy-data i brottmekaniska beräkningar uppskattas först en temperaturberoende brottseghet. Detta görs med masterkurvan, där ferritiska ståls brottseghet i övergångsområdet beskrivs med en gemensam kurvform som styrs av referenstemperaturen T_0. I arbetet uppskattas T_0 med empiriska samband mellan Charpy-data och brottseghet. Metoden tillämpas på SSAB HR355MC Zero, men är principiellt användbar även för andra ferritiska stål.Metoden appliceras på en förenklad men praktiskt relevant konstruktion bestående av två stålplåtar sammanfogade vinkelrät med en ensidig kälsvets. Vidare modelleras två spricktyper som anses mest relevanta och kritiska för konstruktionen. En genomgående rotspricka orsakad av ofullständig genomträngning vid svetsning, samt semielliptiska ytsprickor vid svetstårna. För varje last- och sprickfall beräknas den sprickdrivande kraften och jämförs med den uppskattade temperaturberoende brottsegheten. På så sätt bestäms en kritisk temperatur, det vill säga den temperatur där konstruktionen enligt modellen når ett kritiskt tillstånd för sprödbrott.Resultaten visar att sprickgeometri, sprickfrontslängd, lastfall och svetseffekter har stor betydelse för den erhållna brottseghetskurvan och därmed för vilken temperatur konstruktionen kan anses lämplig att användas vid. Den genomgående sprickan påverkas särskilt av weakest-link-effekten, eftersom dess långa sprickfront ökar sannolikheten att påträffa en kritisk mikrostrukturell punkt. För de prövade sprickgeometrierna och plåtdimensionerna uppfylls sällan ASTM-villkoret för strikt linjär-elastisk brottmekanik. Därför används även FAD-diagram för att bedöma hur stora plastiska effekter som kan förväntas och därmed kunna uppskatta resultatens gilitghet. Sammanfattningsvis visar arbetet att Charpy-data kan användas som utgångspunkt för att uppskatta sprödbrottsrisk i konstruktioner där brottseghetsprovning saknas. Metoden ger framför allt ett jämförande verktyg för att undersöka hur olika sprickor, lastfall, geometrier och konstruktioner påverkar risken för sprödbrott. Resultaten bör dock tolkas utifrån modellens antaganden och giltigheten hos linjär-elastisk brottmekanik, för det aktuella fallet.