Bruddseighet

Bruddseighet er et materiales evne til å tåle store deformasjoner før det bryter sammen.

Bruddseighet måles oftest ved Charpy-tester eller Crack tip opening displacement-tester (CTOD).

Påvirkende elementer

Bruddseighet i varmepåvirket sone (typisk ved en sveis) påvirkes på en komplisert måte av en rekke faktorer knyttet både til grunnmaterialet, sveisebetingelsene og avsettet. Situasjonen er ennå ikke fullt avklart, men følgende virkemidler har i praksis vist seg å befordre en god bruddseighet i grovkornet varmepåvirket sone både hos normaliserte og høyfaste stål:

• lavt karboninnhold og lav karbonekvivalent,
• lavt nivå av mikrolegeringselementer, som titan,
• lavt innhold av forurensingselementer, spesielt fosfor,
• øket innhold av nikkel,
• en stålkjemi som bidrar til lavt fritt nitrogeninnhold i varmepåvirket sone (legering med små mengder titan har vist seg effektivt her),
• nærvær av en fin dispersjon av titanosyd-partikler (virker som kimdannere for gunstige mikrostrukturer),
• sveising med relativt lav varmetilførsel. Dette vil som oftest også ha en gunstig innvirkning på seigheten i sveiseavsettet.

For viktige anvendelser, og særlig ved større materialtykkelser, anbefales det å fastslå bruddseigheten ved å utføre målinger.

Charpy-tester

Charpy V-testen er en standardisert test, der en slår på prøvestykket med høy hastighet. En bestemmer da mengden av energi som absorberes av et materiale under brudd. Resultatene i testene oppgis i Joule. Denne absorberte energi er et mål for bruddseigheten til et gitt materiale, og fungerer som et verktøy for å studere overgangen mellom duktile og sprø materialer. Den er mye anvendt i industrien, da det er lett å tilberede og gjennomføre, og resultater kan oppnås raskt og billig. En ulempe er at noen av resultatene er bare sammenlignende.

Testen ble utviklet rundt år 1900. Testen var sentral i å forstå bruddproblemer av skip under andre verdenskrig. I dag er det brukt i mange bransjer for å teste materialer, for eksempel for plattformer for å finne ut hvordan temperaturer og materialtykkelser påvirker materialene som brukes.

Faren for sprøbrudd i en sveist konstruksjon kontrolleres ved å spesifisere slagseighetsprøving (Charpy V) for både grunnmaterialet, varmepåvirket sone og sveisemetallet. Ved økende fasthet er det vanlig at energi-kravet ved slagseighetsprøving økes proporsjonalt med flytegrensen. Prøvetemperaturen avpasses vanligvis etter konstruksjonens driftstemperatur og platetykkelse.

Denne praksisen kombinert med forbedrede prosedyrer for sveising og ikke destuktiv testing har medført at sprøbrudd sjelden eller aldri observeres i moderne konstruksjoner. Dette gjelder både normalisert og høyfast stål. Ustabilt brudd kan også forekomme i duktile materialer i form av duktil sprekkvekst i kombinasjon med plastisk sammenbrudd. Duktil sprekkvekst kan betraktes som en oppriving av en eksisterende sprekk. Plastisk sammenbrudd er imidlertid ikke betinget av sprekker, men en sprekk bidrar til overbelastning ved at komponentens netto tverrsnitt reduseres.

CTOD-tester

Crack tip opening displacement (CTOD) er et mål på bruddseighet i metaller, og oppgis i millimeter. Det er forskyvningen av den opprinnelige sprekkspissen 90 grader med sprekkaksen.

En sprekk som i utgangspunktet er helt spiss vil ved økende belastning åpne seg og avrundes på grunn av kraftige lokale deformasjoner av materialet ved sprekkspissen. CTOD-verdien måles da som den økte avstanden mellom sprekkflatene. Denne avstanden (CTOD) kan betraktes som et indirekte uttrykk for deformasjonen ved sprekkspissen. Ved økende belastning nås grensen for hva materialet tåler av plastisk deformasjon (kritisk CTOD-verdi) og et brudd starter.

Ustabilt brudd påvirkes av en rekke parametere. Faren for ustabilt brudd vil øke med:

• økende defektstørrelser (f. eks. sveisefeil og utmattingssprekker),
• redusert bruddseighet (CTOD) for materialet ved den aktuelle temperaturen,
• økende spenningsnivå,
• økende spenningskonsentrasjoner
• økende egenspenninger (sveisespenninger og innspenning ved montasje).

Den store fordelen ved CTOD-verdien fremfor Charpy slagseighet er at CTOD-verdien kan brukes til kvantitative beregninger. Når CTOD-verdien er kjent kan en ved hjelp av bruddmekanikk beregne om ustabilt brudd vil inntreffe.

Erfaringer med bruddmekanisk analyse viser at det er de lave CTOD-verdiene som kan gi ustabilt brudd. Når CTOD-verdien øker vil den dominerende bruddmekanisme endres fra sprøbrudd til plastisk sammenbrudd. CTOD-verdien i seg selv vil da få mindre betydning for komponentens sikkerhetsnivå.

Ved CTOD-prøving vil en normalt kunne observere en betydelig spredning i resultatene. Dette er særlig aktuelt for prøving av varmepåvirket sone og tildels sveisemetall. Det er derfor vanlig å ta i bruk statistiske mål.

Litteratur

• Arnfinn Reitan, Hans A. Bratfos, Inge Lotsberg, Gunnar Solland, Jens P. Tronskar og Gunnar Wold: "Håndbok i bruk av HØYFAST STÅL i bærende konstruksjoner", Veritec, 1991.