identifikacija uzroka loma dinamiČki optereĆenog...

NAUKA∗ISTRAŽIVANJE∗RAZVOJ SCIENCE∗RESEARCH∗DEVELOPMENT

ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE (2/2006), str. 51-57 51

M. Perović

IDENTIFIKACIJA UZROKA LOMA DINAMIČKI OPTEREĆENOG TRIBOMEHANIČKOG SKLOPA PRIMJENOM FRAKTOGRAFSKE ANALIZE *

IDENTIFICATION OF CRACK OF DYNAMICALLY STRESSED TRIBOMECHANICAL ASSEMBLY BY APPLICATION OF FRACTOGRAPHIC ANALYSIS

Originalni naučni rad / Original scientific paper UDK / UDC: 539.42 Rad primljen / Paper received: April 2006.

Adresa autora / Author's address: Milenko Perović, dipl. ing. AD Kombinat Aluminijuma Dajbabe bb, Podgorica, Crna Gora

Ključne reči: Tribomehanički sklop, prslina, fraktografska analiza, krti lom.

Keywords: Tribomechanical assembly, crack, brittle failure, fractographic analysis.

Izvod

Radne uslove najvećeg broja mašinskih elemenata namijenjenih prenosu snage i obrtnog momenta karakteriše prisustvo uglavnom složenog naponskog stanja. U takvim slučajevima, u kombinaciji sa manje ili više nepovoljnim okolnostima, lomovi nijesu rijetkost. U radu se primjenom fraktografske analize slike stanja površine preloma, jedan tipičan primjer dezintigriteta konstrukcije, sagledava iz ugla uticaja zavarenog spoja na inicijaciju oštećenja tipa prsline, kao početnog stadijuma u nastanku njenog kolapsa. Na ovaj način često je moguće, sa dovoljno pouzdanosti, obaviti karakterizaciju loma, a u slučajevima kada je taj postupak otežan, primjena mehanike loma otvara izuzetno velike mogućnosti. *Izlagano na Međunarodnoj konferenciji "Zavarivanje 2006", Zlatibor, maj 2006

Abstract

Working conditions of the number of machine parts purposed for shafting and transmission of turning moment are characterized by the presence of complex stress conditions. In these cases, in combination with more or less unfavorable conditions, fractures are not rare. In operation, by the means of fractographic analysis of the picture of the status of the surface of the fracture, one typical example of disintegrate construction is considered from the view of influence of welded joint on initiation of the damaged type of crack, as an initiating stage in occurrence of its collapse. In this way it is frequently possible with sufficient reliability to determine character of the fracture and in cases when this procedure is aggravated, application of mechanics of fracture gives extremely large possibilities.

UVOD

Tribomehanički sistemi kojima se obezbeđuje pogon kretanja, oslanjanja i vođenja kod tehnološke opreme za proizvodnju industrijskih praškastih materijala (glinica, kreč, cement, koks i drugi), tokom eksploatacionog vijeka, izloženi su uticaju brojnih uzroka koji mogu ugroziti njihovu pouzdanost, a u krajnjem i dovesti pomenuti sistem u stanje "u otkazu".

Složeno naponsko stanje, visoki pritisci i temperature, prisustvo agresivnih supstanci i medija su, po pravilu, najčešći radni uslovi ovih mašinskih sklopova i komponenti. Proizvodni proces dobijanja ovih materijala uglavnom se odvija u horizontalnim rotacionim pećima, a operacija njihovog hlađenja obično je poslednja u tehnološkom lancu.

OPIS KONSTRUKCIJE I REŽIMA RADA

Hladnjak rotacione peći za kalcinaciju glinice izveden je kao klasična zavarena konstrukcija. Osnovu čine čelični plašt dužine 35m i prečnika 3,7m. Pogon transmisije konstrukcije, osim agregata, čine dvije potporne stanice preko kojih se kreću noseći prstenovi hladnjaka. Izgled

jedne od dvije potporne stanice na pomenutom objektu, prikazan je na slici 1.

Potpornu stanicu čine dva dvodjelna livena kućišta u čijim se uležištenjima od kliznih ležajeva okreću osovine sa potpornim točkom. Težina plašta hladnjaka, bez vatrostalnog ozida, iznosi 100 tona. Brzina obrtanja je 3,2 min-1, a cijela konstrukcija se nalazi pod uglom od 3° u odnosu na horizontalu [1]. U hladnjaku se nalazi 35 t/h hidrantne glinice koja se nakon procesa hlađenja skladišti u silose ili transportuje do elektrolitičkih ćelija. Sklop točak-osovina je ostvaren preklopom. Veličina preklopa dovoljna je da osigura stabilnost veze. Usled dugotrajne upotrebe sistema, čestih ekscesnih stanja nastalih urušavanjem vatrostalnog ozida hladnjaka i time uzrokovanih poremećaja radnih parametara, često su konstatovana određena pomjeranja točka po osovini u aksijalnom pravcu. Ova pojava "sprečavana" je izvođenjem radijalnog zavara na mjestu preklopa osovine i točka, što je za posledicu imalo lom osovine i gubitak integriteta tribomehaničkog sistema u cjelosti. Izgled potpornog točka i osovine sa naznačenim mjestom loma prikazan je na slici 2.


52 ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE (2/2006), str. 51-57

Slika 1: Izgled potporne stanice

Figure 1: View of the supporting unit

Slika 2: Sklop osovine i potpornog točka sa naznačenim mjestom loma Figure 2: Structure of the shaft and supporting wheel with signed point of fracture

PROGRAM ISTRAŽIVANJA I PLAN ISPITIVANJA

Zbog pretpostavke da je zavareni spoj izveden upotrebom dodatnog materijala od nelegiranih čelika, mogao biti jedan od uzroka loma, ispitivanja su svedena na fraktografsku analizu površine preloma

osovine. Polomljena osovina prikazana je na slici 3a, dok je na slici 3b prikazan polomljeni sklop osovina - potporni točak. Osovina je otkovak u kvalitetu čelika za poboljšanje Č.4732 (po JUS B9.021), odnosno 42CrMo4 (po DIN 7006 W. No 1.7225, dok je potporni točak čelični liv Č.0545 (prema JUS C.B9.500), odnosno St50-2 (po DIN 17006, W. No 1.0050)

Slika 3a: Polomljena osovina

Figure 3a: Fractured shaft Slika 3b: Polomljeni sklop osovina - potporni točak

Figure 3b: Fractured structure of the shaft and supporting wheel



FRAKTOGRAFSKA ANALIZA POVRŠINE PRELOMA

Uzorci za fraktografsku analizu preloma poprečne površine osovine, uzeti su sa mjesta prikazanih na slici 4a (jedno mjesto po obodu osovine), odnosno na slici 4b (dva mjesta po jezgru osovine). Analiza je urađena

na skenirajućem elektronskom mikroskopu tipa JEOL-JCXA-733. Zbog prisustva produkata mjestimične korozije, uzorci su nakon ultrazvučnog čišćenja u alkoholu i acetonu, napareni zlatom kako bi se obezbijedila njihova elektroprovodljivost. Uzorci su pregledani pri povećanjima od 40 - 3000 puta. [2]

Slika 4a: Izgled prelomne površine po obodu osovine Figure 4a: Fractured surface at the shaft radius

Slika 4b: Izgled prelomne površine po jezgru osovine Figure 4b: Fractured surface at the shaft radius

a) mikroprsline na površini uzorka, 40 x

a) microcracks on the sample surface, 40 x

b) nastavak, 100 x

b) continuous, 100 x

c) tragovi korozije po prslini

c) corrossion traces through the crack

Slika 5: Mikrofotografije preloma uzorka 1 Figure 5: Microphotographs of the fractured sample 1



Uzorak 1:

Analizom spoljašnjeg dijela ovog uzorka, konstatovano je prisustvo prslina koje su nastale u različitom vremenskom periodu, jer su neke potpuno čiste od kovarine, a druge su sa čvrsto nalijepljenom kovarinom, što može da ukaže, između ostalog, na različito vrijeme nastajanja tih prslina, slikama 5a-c.

Skening analizom prelomne površine, pri većim povećanjima (do 3000 puta), konstatovano je da prelom ima izgled mješovitog loma, tj, prisutni su elementi i interkristalnog i transkristalnog krtog loma, sa uočljivim prisustvom sekundarnih i tercijalnih prslina. Pregledom uzoraka prema unutrašnjoj strani uočeno je da elementi interktistalnog loma postepeno nestaju, a da preovladava transkristalni lom.

Uzorak 2:

Uzorak 2 je uzet sa polovine radijusa osovine, kao što je prikazano na slici 4b. Struktura ovog uzorka je uglavnom kristalasta, sa velikim brojem ravnih pljosni i stepenica, usmjerenih u pravcu kretanja primarne

prsline, karakterističnih za transkristalni krti lom, koji nastaje cijepanjem ili smicanjem (slike 6a-c).

Takođe, uočeno je prisustvo sekundarnih prslina (slike 6c i d), kao i elemenata loma koji se u fraktografskoj analizi zbog svog izgleda nazivaju: riječna mreža, riblja kost i stepenice, koje imaju specifične mehanizme nastajanja, a karakteristični su za transkristalni krti lom.

Uzorak 3:

Ovaj uzorak je uzet iz centralnog dijela osovine, kao što je obilježeno na sl 4b. Makroizgled loma je tipičan krti, a mikroanalizom fraktografije preloma je pokazano da se radi o tipičnom transkristalnom krtom lomu. Mikroskopske osobenosti površine preloma kao što su: ravne pljosni, riječna mreža, stepenice, riblja kost, itd. su prisutne u cijeloj ispitivanoj površini uzoraka i praćene su prisustvom sitnih sekundarnih prslina, koje su se mjestimično kretale interkristalno,(slike 7a-d).

Konačno, za sva tri ispitivana uzorka se može reći da nemaju elemenata žilavog loma ni u jednom segmentu, te da se radi o klasičnom primjeru krtog loma, dominantno transkristalnog.

a) krti lom, 100 x

a) brittle fracture, 100 x

b) lamela perlita detalj sa sl. 6a, 660x

b) perlite lamella, detail from fig. 6a, 660x

c) drugo mjesto-krti lom, 40x

c) other location-brittle fracture, 40x

d) sekundama prslina-detalj sa sl. 6c, 240 x d) secondary crack, detail from fig. 6c, 240x




a) krti lom, 100x

a) brittle fracture, 100x

b) krti lom, 60x

a) brittle fracture, 60x

c) detalj sa sl. 7a, 600x c) detail from fig. 7a, 600x

d) krti lom-detalj sa sl. 7b, 260x d) brittle fracture, detail from fig. 7b, 260x


ANALIZA STRUKTURE POVRŠINE U ZONI ZAVARENOG SPOJA

U zoni zavarenog spoja, sa površine osovine, isječen je uzorak da se ispita stanje materijala u toj zoni. Uzorak je metalografski pripremljen sa dvije strane, sa spoljne (površina osovine) i bočne (normalna na prethodnu), kako bi se snimio eventualni uticaj zavara. Izgled površine osovine dat je na slikama 8a i 8b.

Pri metalografskoj i skening analizi u ovoj zoni uočene su prsline koje su bile popunjene kovarinom (slika 8a), što ukazuje da su prsline nastale nešto kasnije, ali svakako prije konačnog loma, jer je bilo dovoljno vremena za stvaranje produkata korozije. Mikroprsline su mjestimično penetrirale do 5 mm u dubinu osnovnog materijala.

Mikrostruktura osnovnog materijala u toj zoni je promijenjena u odnosu na strukturu osnovnog materijala, tako da je prisutan široki opseg mikrostrukturnih konstituenata, od feritno - perlitne, do martenzitne i Widmanštetenove, ili njihovih mješavina,

slike 9 a-f. Ovo strukturno stanje je karakteristično za zavarene spojeve izvedene dodatnim materijalom na bazi nelegiranih čelika.

ANALIZA DOBIJENIH REZULTATA I ZAKLJUČCI

Pretpostavka od koje se pošlo u ocjeni potencijalnih uzroka oštećenja i tipa loma osovine potpornog točka pokazala se tačnom. Sprovedena ispitivanja potvrđuju da je upotreba dodatnih materijala na bazi nelegiranih čelika za zavarivanje čelika sklonih zakaljenju, bez primjene mjera predostrožnosti, mogla imati i katastrofalne posledice. Otuda je potrebno obratiti pažnju na: − izbor materijala i termičku obradu u svakoj fazi

izrade elemenata koji su izloženi promjenljivom opterećenju,

− (ne)funkcionalnost postojećeg konstruktivnog rješenja onemogućavanja nepoželjnih kretanja elemenata svakog tribomehaničkog sistema,



− kvalitet obrađene površine u zoni dodira osovine i potpornog točka mora biti visok, kako hrapavost ne bi postala izvor koncetracije napona,

− tehnologiju zavarivanja čelika sklonih nastanku hladnih prslina za slučaj da su drugačija rješenja teško izvodljiva ili nemoguća,

− postupak montaže treba da je takav da pritisni naponi u zoni kontakta ne budu veći od napona kojima plašt hladnjaka peći, preko nosećeg prstena, djeluje na potpornu stanicu.

Slika 8a: Izgled površine osovine u zoni loma

Figure 8a: Surface of the shaft in the fractured zone Slika 8b: Pravac kretanja prslina u zoni zavarenog spoja Figure 8b: Direction of the fracture spread in the welded

joint zone

a) pozicija 1 sa sl. 8b, 670x

a) position 1 from fig. 8b, 670x

b) pozicija 2 sa sl. 8b, 670x

b) position 2 from fig. 8b, 670x



c) pozicija 3 sa sl. 8b , 670x

c) position 3 from fig. 8b, 670x

d) pozicija 4 sa sl. 8b, 670 x

d) position 4 from fig. 8b, 670x

e) osnovni materijal, 670x

e) base material, 670x

f) pozicija 5 sa sl. 8b, 60x

f) position 5 from fig. 8b, 60x

Slika 9: Mikrostruktura uzorka u zoni zavarenog spoja Figure 9: Microstructure of the in the welded joint zone

LITERATURA [1] Tehnička arhiva Fabrike za proizvodnju glinice, KAT, Titograd,

1970.god.

[2] Ekspertiza o uzroku loma osovine potpornog točka peći za

kalinaciju, Institut crne metalurgije, Nikšić, 2001. god.

Vesti PRVI REGIONALNI KONGRES MIZ (IIW) JUGOISTOČNE EVROPE

Temišvar, 24-26. maj 2006.g

Po prvi put je organizovan regionalni kongres jugoistočne Evrope u okviru aktivnosti Medjunarodnog instituta za zavarivanje-IIW. Organizatori kongresa su Rumunsko društvo za zavarivanje-ASR, Bugarsko društvo za zavarivanje i Društvo za unapređivanje zavarivanja u Srbiji-DUZS. Domaćin kongresa bio je Rumunski nacionalni institut za zavarivanje i ispitivanje materijala-ISIM. Radni deo kongresa održan je u regionalnom poslovnom centru.

Kongres čija je tema bila „Tehnologije zavarivanja i spajanja za održivi razvoj i životnu sredinu“ obuhvatao je nekoliko aktivnosti:

- dva seminara sa temama:

„Tehnološke inovacije u cilju obezbeđenja održivog i za životnu sredinu, pogodnog industrijskog razvoja“ i

„Kvantitativno ispitivanje bez razaranja i integritet konstrukcija“.

- izložbu na kojoj je bilo dvanaest izlagača, većinom iz Rumunije, ali je impresivan bio robot koji je prezentovala poznata firma „Cloos“.

identifikacija uzroka loma dinamiČki optereĆenog...

Documents