Praktické aspekty proměnného napětí při žárovém zinkování u nosných ocelových konstrukcí

1. Pochybnosti

Obr. 1: Závěrečná zpráva [1]

Vydaná směrnice obsahuje celou řadu rozporuplných tvrzení a opírá se o výzkum, který namísto odpovědí vyvolává otázky. Je to například postulát, že hodnota součinitele přestupu tepla u ocelového tělesa ponořeného do zinkové taveniny legované cínem při zvyšujícím se jeho obsahu narůstá přibližně podle exponenciální funkce (tab. 1). Rovněž tvrzení, že náchylnost k praskání je možné ověřit takzvanou standardní zkouškou (obr. 2) na LNT vzorku je nepodložené. Naprostým vědeckým nonsensem je pak v příloze 4 směrnice popsaný výpočetní důkaz nenáchylnosti ke vzniku trhlin.

Obr. 2: Standardní zkouška [1]

1.1 Standardní zkouška

Nelze přehlédnout určité nesrovnalosti, které popis této zkoušky doprovázejí. Všechny lomy se například objevují ve spodní oblasti v ose ζ souměrnosti vzorků LNT (obr. 3), ačkoliv kritický průřez je ve skutečnosti v ose ξ kolmé na osu souměrnosti (obr. 4). Ohybový modul průřezu v ose ξ je o 7 % menší než v průřezu v ose souměrnosti vzorku ζ. Napětí v kritickém průřezu v ose ξ (kolmém na osu souměrnosti) je o 5 % vyšší než v průřezu v ose souměrnosti ζ. Zkouška je evidentně zatížena systematickou chybou.

Obr. 3: Trhliny v ose ζ vzorků LNT [1]

Obr. 4: Kritický průřez v ose ξ vzorku LNT

1.2 Výpočetní důkaz nenáchylnosti

U odborníků musí vyvolat úsměv předložená formule pro výpočetní důkaz nenáchylnosti [1, 2]. Už úvodní úvaha porovnávat rychlost pohybu s rychlostí nárůstu teploty nemá fyzikální podklad. Navíc požadavek na dostatečný předehřev vsázky před jejím ponořením do zinkové taveniny (aby se snížil teplotní gradient v zinkovaných součástech, a tedy i špičky proměnného teplotního napětí) je v rozporu s požadavkem dlouhé doby pro dosažení teploty zinkové lázně. Výsledkem fabulace řešitelů je formule (1), u níž s teplotou předehřevu riziko praskání stoupá, namísto aby klesalo [3].

(1)

2. Analýza problému

2.1 Termika procesu

Především je třeba zdůraznit, že termický proces žárového zinkování u dílců provedených z běžných konstrukčních ocelí vždy vyvolává pnutí, které dosahuje meze kluzu materiálu. V podstatě se jedná o extrémní napětí, jakému součást v provozním stavu nikdy vystavena nebude. Dílce jsou do zinkové taveniny spouštěny reálnou rychlostí, jejich ponořená část se rychle ohřívá a má tendenci se rozpínat, zatímco relativně chladná část nad hladinou tomuto rozpínání brání. Prohřátý materiál se pěchuje (obr. 5). U zinkovaných dílců vždy dochází k jejich přetvoření. Ve vzácných případech pak je při zinkování dosaženo mezního stavu a je iniciován křehký lom (obr. 6).

Obr. 5: Účinek nerovnoměrného ohřevu [4]

Obr. 6: Korozní praskání pod napětím [5]

2.2 Odlišný charakter namáhání

Druhým významným aspektem je skutečnost, že charakter namáhání součásti od proměnného teplotního napětí je zpravidla zcela odlišný od budoucího provozního namáhání. Například u dlouhých vysokých I-nosníků je špička napětí ve stojině na jejich koncích, zatímco při provozním zatížení je zde nulové napětí. Takový nosník, je-li na koncích opatřen styčníkovými plechy do poloviny výšky stojiny, v tomto vrubu musí nutně prasknout.

2.3 Relaxace materiálu

Praxe ukazuje na četnější výskyt prasklin u dílců provedených z vysokopevných ocelí. I tento jev má logické vysvětlení. K iniciaci trhlin dochází vesměs v koncentrátorech napětí, kterými jsou především svary a TOO v jejich okolí nebo náhlé změny geometrie, případně změny jakosti materiálu. Zde bývá mezního stavu vedoucího k iniciaci trhlin dosahováno nejčastěji. Při zatěžování konstrukční oceli obvyklé jakosti je meze kluzu dosaženo dřív než u oceli s vyšší mezí kluzu. Méně jakostní materiál relaxuje, zatímco napětí u vysokopevné oceli nadále roste a je vyšší pravděpodobnost dosažení mezního stavu.

3. Různé příčiny vzniku trhlin

Fenomén Liquid Metal Embrittlement (LME) je obecně spojován s korozním praskáním pod napětím, kdy škodlivým vlivem je schopnost některých roztavených kovů pronikat po hranicích zrn do oceli. Toto tvrzení se opírá o fakt, že u zdokumentovaných trhlin vyplněných zinkovou hmotou se dno trhliny vyznačuje zvýšenou koncentrací legujících prvků přidávaných do zinkové taveniny (obr. 6).

3.1 Popouštěcí křehkost

Austenitické ocele jsou náchylné k popouštěcí křehkosti. Zde je příčinou vyšší rozpustnost uhlíku v plošně středěné mřížce austenitu než v prostorově středěné mřížce feritu. Austenit je za pokojové teploty nestabilní a v řádu stovek let má tendenci postupně se přeměňovat na ferit. Tato přeměna je spojena s vytvořením přesyceného roztoku. Zahřátím austenitu na teplotu zinkování se proces přeměny urychluje a přebytečný uhlík precipituje na hranicích zrn feritu, kde vyvolává dekohezi materiálu.

3.2 Precipitační vytvrzení

Jinou příčinou bývá takzvané precipitační vytvrzení u ocelí, které nejsou odolné proti stárnutí. Zde dekohezi způsobuje dusík, jehož rozpustnost v oceli je v tekutém kovu vyšší než v tuhém stavu. Ocel se zvýšeným obsahem dusíku představuje přesycený roztok, u něhož za zvýšené teploty při zinkování dochází k precipitaci dusíku po hranicích zrn, kde má dekohezní účinky.

3.3 Vodíková křehkost

Známou příčinou praskání je takzvaná vodíková křehkost způsobená navodíkováním oceli. Nascentní vodík, který za určitých podmínek (moření, spalování tavidla, galvanické pokovení, …) proniká do krystalové mřížky oceli, v takzvaných vodíkových pastích (vakance, vměstky apod.) rekombinuje a vzniklý molekulární vodík v těchto místech vyvolává tlak v řádu stovek megapascalů, který působí proti soudržnosti materiálu.

3.4 Vodíková koroze

Má-li vodík pronikající do oceli možnost spojit se s uhlíkem za vzniku metanu, pak je účinek navodíkování ještě umocněn.

3.5 Předehřev pro svařování

Zanedbání potřebného předehřevu při svařování ocelí s podmíněnou svařitelností vede ke zkřehnutí materiálu v TOO. V oceli se objevují trhliny už v důsledku svařování a tyto se při žárovém zinkování šíří.

4. Vlastní poznatky

K ověření některých možných příčin výskytu jevu LMAC (Liquid Metal Assisted Cracking) při žárovém zinkování posloužila celá řada provedených experimentů. V souhrnu lze konstatovat, že se jimi nepodařilo prokázat vliv legur v zinkové lázni ani v oceli. Výsledky testování nasvědčují, že problematika výskytu trhlin na žárově pozinkovaných dílcích nevyžaduje žádný nový výzkum, ale je zapotřebí do této oblasti správně aplikovat obecně známé principy z oblasti statiky a poznatky popisující situace a procesy podmiňující dosažení mezního stavu v materiálovém inženýrství.

Mezní stav materiálu je charakterizován tím, že působením vnějších činitelů (síla, stav napjatosti, způsob zatěžování, teplota, prostředí apod.) nebo vnitřních činitelů (struktura, substruktura, přítomnost defektů, nehomogenit apod.) anebo jejich kombinací po dosažení mezního stavu ztratí materiál buď skokem, nebo postupnou změnou své funkční a užitné vlastnosti. Dosažení mezního stavu závisí na dynamice hromadění poškození, která je funkcí substrukturního stavu materiálu, charakteristik výroby a užívání tělesa, vnějších účinků a času působení faktorů, které mohou mezní stav materiálu vyvolat [6].

4.1 Ověření vlivu deformačního zpevnění

Při experimentech na plochých vzorcích z ocelí podle značek S235 a S355 byl zkoumán vliv plastického přetvoření vzorků na jejich náchylnost ke vzniku trhlin. Vzorky byly ohýbány za studena i za tepla nad Ac₃. U vzorků ohýbaných za studena nebyly na vnějším oblouku zjištěny žádné povrchové imperfekce, a to u černých (obr. 7) ani u pozinkovaných (obr. 8). Vzorky ohýbané za tepla v černém stavu vykazují v povrchové vrstvě patrné rozevírání materiálu po hranicích zrn. Tyto diskontinuity nelze považovat za trhliny (obr. 9). Při pozinkování došlo pouze k jejich vyplnění železo-zinkovými slitinovými fázemi, aniž by docházelo k dalšímu šíření (obr. 10).

Obr. 7: Ohyb za studena nepozinkováno

Obr. 8: Ohyb za studena pozinkováno

Obr. 9: Ohyb nad Ac₃ nepozinkováno

Obr. 10: Ohyb nad Ac₃ pozinkováno

4.2 Poměrná deformace

Při těchto pokusech byly vzorky z ploché oceli podrobeny plastickému přetvoření ohybem, a to jak těsně před ponořením do zinkové taveniny, tak také v průběhu prodlení v zinkové lázni [7]. U žádného ze vzorků nebyly zjištěny změny signalizující možnost dosažení mezního stavu. Výsledky experimentů prokazují, že předpětí vzorku na mezi kluzu krátce před jeho pozinkováním ani jeho plastické přetvoření během kontaktu s tekutým kovem u něho nevyvolá náchylnost ke křehkému lomu.

4.3 Vliv cínu na náchylnost k praskání

Jiné experimenty byly prováděny zinkováním plasticky přetvořených předepjatých vzorků v zinkové lázni s obsahem cínu 2,0 % [7]. Analýza provedená na elektronovém mikroskopu JEOL JSM 7600F s rozlišovací schopností 0,8 nm a zaměřená na hranice zrn oceli ukázala, že do hloubky 1 µm je koncentrace Sn na mezi měřitelnosti použité aparatury, v hloubce větší než 1 µm je obsah Sn neměřitelný.

4.4 Trhání vzorků za asistence zinkové lázně

Obr. 11: Křehký lom mimo oblast dosažené meze pevnosti

Cílem těchto pokusů bylo ověřit charakter lomu při různých podmínkách namáhání (dosažení meze pevnosti před ponořením do zinkové lázně, přetržení vzorku ponořeného do zinkové lázně nebo vystavení vzorku namáhání se střídavou charakteristikou tah – tlak – tah). Experimenty neprokázaly závislost náchylnosti materiálu ke křehkému lomu na velikosti dosažené poměrné deformace. Obrázek č. 11 potvrzuje, že mezního stavu vedoucího k iniciaci trhliny může být dosaženo mimo oblast dosažené meze pevnosti [7].

4.5 Dosažení mezního stavu podle třífázového modelu

Z provedené analýzy i z výsledků uskutečněných experimentů vyplývá, že samotné dosažení meze kluzu oceli ani plastická deformace probíhající u kritického prvku v době prodlení v zinkové lázni nevyvolá křehký lom LMAC. Je tedy zřejmé, že způsob namáhání materiálu v okamžiku nukleace trhliny a krátce před tímto okamžikem musí být drastičtější. Při bližším zkoumání charakteru konstrukce postižené trhlinou LMAC a místa na konstrukci, kde se vada objevuje, lze dospět k poznatku, že postiženými místy na konstrukci jsou nejčastěji koncentrátory napětí a k nukleaci trhliny LMAC dochází při dosažení mezního stavu podle třífázového modelu [8].

Kritické místo je na dílci lokalizované tak, že v průběhu ponořování dílce do tekutého kovu je kritický vrub vždy nejprve namáhán významným tahovým napětím, když na příslušný prvek působí osová síla kombinovaná s ohybovým momentem (obr. 12). Redukované napětí v zinkované součásti lokálně dosahuje meze kluzu použité oceli a tento stav je spojen s pohybem dislokací uvnitř struktury oceli. Ve svaru a v tepelně ovlivněné oblasti svaru se vždy v materiálu vyskytuje nespočet imperfekcí, v nichž je přetvárné energii kladen menší odpor než v homogenní struktuře oceli s krystalovou mřížkou pravidelnou.

Jakmile se kritické místo na součásti dostane do kontaktu s tekutým kovem, začne se materiál kritického místa na konstrukci postupně prohřívat. Jeho rozpínání však brání dosud chladná horní část daného konstrukčního prvku a materiál v kritickém místě, který byl v předchozím kroku vystaven extrémnímu tahovému a ohybovému napětí, se v této fázi pěchuje (obr. 13), což je opět spojeno s pohybem dislokací uvnitř krystalové mřížky.

S určitým časovým zpožděním se do kontaktu s tekutým kovem dostává zbývající část daného konstrukčního prvku, který se jako celek rozpíná a prodlužuje svou délku, přičemž kritické místo, které bylo v předchozích fázích nejprve plasticky přetvořeno působením tahového a ohybového napětí a následně pěchováno napětím tlakovým, je opět namáháno významným napětím tahovým (obr. 14).

Obr. 12: Fáze I

Obr. 13: Fáze II

Obr. 14: Fáze III

5. Riziko iniciace trhlin LMAC při žárovém zinkování

Praktické zkušenosti ukazují, že riziko postižení zinkovaného dílce trhlinami LMAC vzrůstá s jakostí oceli. Dílce z ocelí s vyšší pevností bývají postiženy častěji, postižení výrobku z konstrukční oceli obvyklé jakosti je vzácné.

Jak bylo prokázáno, výpočetní důkaz nenáchylnosti podle přílohy 4 směrnice DASt 022 představuje vědecký nonsens. Nabízí se tedy otázka, zda je možné posoudit riziko praskání jiným způsobem?

5.1 Srovnatelné napětí

Proměnné teplotní napětí je úměrné teplotnímu gradientu vyvolanému nerovnoměrným ohřevem zinkovaných dílců při postupném ponořování do zinkové taveniny. Prvky dílce, které jsou ponořené do zinkové taveniny se určitou rychlostí prohřívají a rozpínají, zatímco prvky, které jsou nad hladinou, jsou chladnější a rozpínání brání. V závislosti na tuhosti konstrukce a jejímu odporu proti nerovnoměrnému rozpínání je tak v součásti vyvoláváno proměnné teplotní napětí. U rámové konstrukce je toto napětí úměrné rozdílu teplot mezi spodním a horním podélníkem. Riziko iniciace trhlin vzrůstá s napětím v rámu, a tedy s rozdílem teplot mezi spodním a horním podélníkem. Jestliže rizikem LMAC jsou ohroženy především dílce provedené z ocelí vyšších pevnostních tříd s mezí kluzu nad 350 MPa, pak logika věci napovídá, že pro eliminaci tohoto rizika je zapotřebí udržet v zinkovaných dílcích napětí v mezích do 350 MPa. Při určité rychlosti prohřívání ocelového prvku toho lze dosáhnout dostatečně rychlým ponořením celého dílce, tak aby v něm teplotní gradient nepřesáhl určitou hodnotu. Dílce provedené z vysokopevných ocelí při takových podmínkách nebudou ke vzniku trhlin při žárovém zinkování více náchylné než součásti vyrobené z běžných konstrukčních ocelí.

5.2 Časová závislost změny délky

U nosníku I 200 ponořeného do zinkové taveniny do poloviny výšky jeho stojiny byl proveden experiment s cílem zjistit časové závislosti změny délek obou jeho pásnic a zjištěné hodnoty byly vyneseny do grafu (obr. 15). Výsledek tohoto pokusu ukazuje, že je možné stanovit pravidlo pro režim ponořování tak, aby srovnatelné napětí nepřekročilo určitou mezní hodnotu, např. 350 MPa. Předpokládejme, že tahové a tlakové napětí v obou podélnících nosníku je rovnoměrně rozděleno. Pak je mezní hodnoty dosaženo při poměrné deformaci ε = 0,0033. Tomu odpovídá mezní velikost změny vztažné teploty ΔT_mez = 275 K (mezi spodním a horním podélníkem). Změna vztažné teploty prutu ΔT je definovaná jako taková její hodnota, která v homogenním teplotním poli v prutu vyvolá stejné poměrné prodloužení, jakého bylo dosaženo v teplotním poli s gradientem odpovídajícím postupnému prohřívání prutu od jeho povrchu k jádru.

Pro danou tloušťku stěny rámu lze pomocí příslušného grafu (obr. 16) pro rámovou konstrukci stanovit potřebný čas na jeho bezpečné ponoření do zinkové taveniny. Vodorovné posunutí obou křivek představuje časový interval mezi prvním kontaktem spodního podélníku s hladinou zinkové lázně a úplným ponořením rámu. Jestliže maximální vzdálenost mezi oběma křivkami ve směru osy pořadnic nepřekročí navrženou hodnotu 275 K, je možné usuzovat na nízké riziko praskání. V opačném případě riziko vzrůstá.

Obr. 15: Průběh poměrného prodloužení [7]

Obr. 16: Posouzení rizika [6]

6. Závěr

Provedený výzkum ukazuje, že posuzování náchylnosti k LMAC při žárovém zinkování nosných ocelových konstrukcí podle směrnice DASt 22 je zavádějící, ale že se nabízí jiný alternativní způsob kvantifikace rizika, který je založený na fyzikálním principu podmiňujícím dosažení mezního stavu, který pak iniciuje vznik a šíření trhlin LMAC při žárovém zinkování.

Tento příspěvek nabízí alternativní pohled na problematiku LMAC při žárovém zinkování. Aplikace popsaného principu pro posuzování rizika by v praxi spočívala v jednoduchém nahlédnutí do přehledné tabulky, kde by pro vybrané hodnoty tloušťky materiálu a výšky rámu bylo možné odečíst mezní čas potřebný k průchodu profilu rámu hladinou zinkové lázně a ten porovnat s technickými možnostmi zinkovny. K vypracování takové tabulky by však bylo zapotřebí provést několik dalších měření pro tyče o různých tloušťkách stěny, při nichž by byly zjištěny časové závislosti změny jejich délek při ponoření do zinkové taveniny. Na základě těchto několika dodatkových měření už by bylo možné provést interpolaci (popř. extrapolaci) potřebných hodnot pro rámy s libovolnou tloušťkou stěny.

Seznam použité literatury

1. FELDMANN, Markus et al. Hot-dip-zinc-coating of prefabricated structual steel components. Joint Research Centre of the European Commission, Publication Office of the Europea Union. Luxembourg: 2010. ISBN 978-92-79-15237-5 DASt-Guideline 022. Dostupné na:
   https://op.europa.eu/en/publication-detail/-/publication/99ec1841-381f-4472-96d2-89b31e2c045b/language-en
2. DASt-Richtlinie 022. Guideline for hot-dip-zinc-coating of prefabricated load-bearing steel components. Düsseldorf: Deutscher Ausschuss für Stahlbau, 2009. Dostupné na:
   https://www.dinmedia.de/en/technical-rule/dast-richtlinie-022/124177687
3. KUKLÍK, Vlastimil. The DASt Directive 022 Potemkin Village. AČSZ, 26. konference žárového zinkování. Valeč 2021. ISBN 978-80-905298-9-2. Dostupné na:
   https://www.researchgate.net/publication/355369532_DASt_022_-_Potemkin_Village
4. KUKLÍK, Vlastimil. Post on the issue of safety of steel structures of hot dip galvanized structural components, Amsterdam: Procedia Engineering 40, 2012. ISSN 1877-7058. Dostupné na: https://www.researchgate.net/publication/257725321_Post_on_the_Issue_of_Safety_of_Steel_Structures...
5. KATZUNG, Werner. Rissbildung im Stahlbau, Besonderheiten und Ursachen. München: Metallbau 7–8/2008. ISSN 2196-8101.
6. VLK, Miloš, FLORIAN, Zdeněk. Mezní stavy a spolehlivost. Brno: VUT v Brně, Ústav mechaniky těles, mechatroniky a biomechaniky, 2007. ISBN 978-80-21403864
7. KUKLÍK, Vlastimil et al. Understanding stresses in steel components during galvanizing of structural steelwork (new perspectives on thermal dynamics during dipping). 24^th Internagtional Galvanizing Conference Intergalva, Liverpool, 2015. Dostupné na: https://www.researchgate.net/publication/299248634_Understanding_stresses_in_steel_components...
8. KUKLÍK, Vlastimil. Post to The Study of LMAC Phenomenon Associated with Hot Dip Galvanizing. AČSZ, 20. konference žárového zinkování. Praha 2014. ISBN 978-80-905298-3-0. Dostupné na: https://www.researchgate.net/publication/305719836_Post_to_the_study_of_LMAC_phenomenon...