Uniek onderzoek Stress Relaxation Cracking

Slijkoord verwacht dat het nieuwe onderzoek baanbrekend zal zijn. ‘Ons onderzoek uit 2002 naar de breukbestendigheid, vermoeiingssterkte en nabehandelingen van hogesterktestaal S355 tot S1100 met een dikte van 30 tot 135 mm is nog steeds uniek in de wereld. De uitkomst dat dit materiaal, mits voorzien van bepaalde nabehandelingen en onder bepaalde condities, ook zeer geschikt is voor kritische toepassingen, heeft ertoe geleid dat de norm is aangepast aan de gevonden criteria voor breukbestendigheid en nabehandelingen na het lassen. Wij hebben een best practice kunnen schrijven, een aanbevolen praktijktoepassing. Werktuigbouwkundigen kunnen dankzij dat onderzoek hun sterkteberekeningen baseren op realistische cijfers en betere ontwerpen maken die de kansen op degradatie door verhitting minimaliseren. Lassers weten welke maatregelen zij moeten nemen om materiaalmoeheid in de buurt van lasverbindingen te voorkomen.’

Marktvraag

Slijkoord: ‘TNO werkt als onafhankelijk onderzoeker voor de markt en we hebben ingespeeld op de marktvraag. En die vraag is hoe stress relaxation cracking ontstaat in high-strength heat-sensitive materials (hoge temperatuur resistente materialen) en wat je kunt doen om het te voorkomen.’ Bij het Joint Innovation Project zijn materiaalleveranciers waaronder bijvoorbeeld ThyssenKrupp, werktuigkundigen en eindgebruikers, zoals Nederlandse Energie Maatschappij, Shell, Dupont, Totall, BASF, betrokken. Zij delen de projectkosten van TNO (500.000  euro voor een periode van twee jaar) en stellen de benodigde materialen en deskundigheid ter beschikking.

Het onderzoek kent een aantal probleemstellingen. ‘Wat zijn de reacties van de verschillende materialen na onder meer lassen. Wat zijn na verloop van tijd de invloeden op het materiaal. Hoe kan de behandeling van het materiaal worden veranderd  zodat het eindresultaat verbetert. Dat laatste is enorm belangrijk. Als je geen of de verkeerde nabehandeling toepast, kan dat zelfs leiden tot versnelling van degradatie. Een andere vraag is welke laselektrodes en/of welke lastechnieken je voor welke materialen en welke processen het beste kunt gebruiken. Daarnaast willen wij veel meer kennis krijgen over de voorspellende waarde van breukbestendigheid, vermoeiingssterkte en stress relaxation cracking van hoge temperatuur resistente materialen.’ Hoewel lastechnieken de afgelopen jaren een sterke ontwikkeling hebben doorgemaakt, is er volgens Slijkoord nog steeds niet voldoende bekend om de kwaliteit van lasbewerkingen en de kwaliteit van het materiaal na het uitvoeren van lasbewerkingen te kunnen garanderen.

TNO wil software modellen ontwikkelen die een voorspelling kunnen doen van de mate van stress relaxation cracking. ‘Met de uitkomst van ons onderzoek kunnen materialen en lastechnieken beter worden gecertificeerd. Notified bodies zoals Lloyds en TUV kunnen onze aanbevelingen in hun richtlijnen opnemen. En daarmee hebben engineers een officiële houvast hoe zij hun componenten die aan omstandigheden die stress relaxation cracking veroorzaken worden blootgesteld op een zodanige wijze moeten ontwerpen dat de kans hierop geminimaliseerd wordt.’

Stress relaxation cracking is een degradatie mechanisme dat ontstaat bij hoge temperaturen. ‘Je moet dan denken aan materialen, installaties of ontwerpen die langdurig worden blootgesteld aan temperaturen tussen de 550 en 750 graden’, legt Slijkoord uit. High-strength heat-sensitive materials zijn vaak austenitische materialen. ‘Een austeniet is een structuur van staal of ijzer waarbij de atomen op een bepaalde manier zijn gestapeld’, aldus Slijkoord. ‘Het is een legering die door gieten haar uiteindelijke vorm krijgt. Denk aan ijzer met een klein percentage koolstof. Zo’n legering staat in feite al onder spanning en bij bijvoorbeeld lassen ontstaat een grotere inwendige spanning. Het materiaal zet uit zodra het warm wordt en krimpt als het weer afkoelt. Dat proces heet relaxeren, het oplossen van spanning. Op kleine schaal ontstaan dan hele kleine cavitaties, een soort minieme poriën in het materiaal. Dat zijn op dat moment nog geen scheurtjes. Maar als die kleine cavitaties uitgroeien en elkaar raken, ontstaat op den duur een scheur.’

Voor het praktijkonderzoek is in Eindhoven een speciale opstelling gebouwd. ‘We doen in een oven een driepunts buigtest’, vertelt Slijkoord. ‘Onder het materiaal zit een zuiger die zich 4 mm verplaatst zodat het proefstuk onder spanning komt te staan. Een loadcel, een belastingsmeter, meet de kracht vanaf de start en vervolgens steeds opnieuw. Als gevolg van de spanning en de hoge temperatuur, 550 tot 750 graden, gaat het materiaal zich zetten, gloeien en relaxeren. De spanningen worden ontlaten en dat verloop monitoren wij voortdurend. Na een week kijken wij in hoeverre het materiaal is gelaxeerd en er sprake is van scheurvorming.  Het proefstuk is zo opgezet dat de scheurvorming in de las zal ontstaan en wij bepalen of en in hoeverre de scheur zich doorzet naar de warmtebeïnvloede zone naast de las. 

Die proef wordt herhaald met hetzelfde materiaal bij steeds andere temperaturen en steeds andere lastechnieken en natuurlijk met andere materialen onder steeds verschillende condities en met verschillende materialen die via die verschillende lastechnieken aan elkaar zijn verbonden.’ Behalve verschillende materialen en lastechnieken worden ook voor- en/of nabehandelingen onderzocht op hun werking.

Twee jaar

De resultaten van het onderzoek, waar ongeveer twee jaar aan wordt gewerkt, zijn in eerste instantie uitsluitend beschikbaar voor de projectpartners. Zij hebben immers geïnvesteerd in dit onderzoek. Maar dat betekent niet dat andere partijen geen baat hebben bij het welslagen van het project. ‘Alle partners zijn actief op de markt en zullen in ieder geval hun producten en diensten aanbieden aan hun afnemers. In die zin is het succes van belang voor iedereen die te maken heeft met de wijze waarop high-strength heat-sensitive materials worden verbonden.’

www.tno.nl