STALE

Ze względu na przyjęcie europejskich przepisów dotyczących zbiorników ciśnieniowych, niezbędne stało się wprowadzenie europejskich norm dla materiałów. Różnice pomiędzy starym a nowym systemem klasyfikacji i oznaczeń (a co za tym idzie i własnościami stali) są na tyle znaczące, że wymagane jest ich dokładne omówienie.

UWAGA: należy z ostrożnością podchodzić do podręczników materiałoznawstwa, poradników etc., gdyż te wydane przed 2004r. będą z pewnością zawierały odnośniki do starych norm (te wydane po 2004r r. - mogą, ale nie muszą zawierać nowe oznaczenia).

Przykładowo, patrząc na stale na zbiorniki ciśnieniowe widać różnice nie tylko w sposobie oznakowania, ale również i w składzie stali, a co za tym idzie i własnościach. Przykładowo, w starych stalach kotłowych (St36k, St41k i St44k) zawartość siarki i fosforu była na poziomie 0,45% i spadała do 0,4% w stali 18CuNMT to nowe stale typu P…H (i P…L) mogą posiadać max 0,025%S i 0,03% P.

1. Klasyfikacja stali wg. PN-EN 10020:2003.

Stal jest to materiał zawierający (masowo):

• więcej żelaza niż jakiegokolwiek innego pierwiastka;

• o zawartości węgla w zasadzie mniej niż 2%;

• zawierający również inne pierwiastki.

Pewna ograniczona liczba stali chromowych może zawierać więcej niż 2% C; lecz wspomniane 2% jest ogólnie przyjętą graniczną wielkością, dla odróżnienia stali od żeliwa.

Klasyfikacja stali opiera się na zawartości pierwiastków w analizie wykopowej (norma lub warunki dostawy) i zależy od ich minimalnej zawartości. W przypadku, gdy norma podaje tylko max. wartości, to do klasyfikacji stali przyjmuje się tylko 70% tej wielkości - zgodnie z wartościami podanymi w tab.1.

Stalami odpornymi na korozje są stale zawierające co najmniej 10,5% Cr i max 1.2 % C. Podział stali odpornych na korozję pokazano w tab.2.

Innymi stalami stopowymi są stale nie odpowiadające definicji stali odpornych nas korozję, dla których co najmniej zawartość jednego z w/w pierwiastków osiąga lub przekracza graniczną wartość podaną w tab.1.

Tab.1. Graniczne wartości zawartości pierwiastków dla określenia granicy miedzy stalami stopowymi i niestopowymi - wg. analizy wytopowej. Wartości w [%] udziału masowego.

Symbol	Pierwiastek	Udział [%]	Symbol	Pierwiastek	Udział [%]
Al	aluminium	0,30	Ni	nikiel	0,30
B	bor	0,0008	Pb	ołów	0,40
Bi	bizmut	0,10	Se	selen	0,10
Co	kobalt	0,30	Si	krzem	0,60
Cr	chrom	0,3	Te	telur	0,10
Cu	miedź	0,4	Ti	tytan	0,05
La	lantanowce (każdy)	0,1	V	wanad	0,10
Mn	mangan	1,65*	W	wolfram	0,30
Mo	molibden	0,08	Zr	cyrkon	0,05
Nb	niob	0,06	Inne (poza węglem, fosfo-rem, siarką i azotem) -każdy		0,10

*) max 1.8%

Stalami odpornymi na korozję ( wg. normy) są stale zawierające co najmniej 10.5 % Cr i max. 1.2 % C. Podział stali odpornych na korozje pokazano w tab.2.

Tab.2 Podział stali odpornych na korozję.

Stale odporne na korozję:
według zawartości niklu:	nierdzewne
Ni<2.5 %	żaroodporne
Ni 2.5 %	żarowytrzymałe

Innymi stalami stopowymi są stale nie odpowiadające definicji stali odpornych na korozję i dla których zawartość, co najmniej jednego z pierwiastków stopowych osiąga lub przekracza wartości graniczne wg. tab.1.

Stale niestopowe dzieli się na:

• stale niestopowe jakościowe inne niż niestopowe

• stale specjalne.

Stale konstrukcyjne drobnoziarniste spawalne, w tym stale na rury ciśnieniowe i zbiorniki ciśnieniowe :

• posiadające minimalną granicę plastyczności <380 [N/mm²] dla grubości elementów
  16 mm;

• posiadające odpowiednią zawartość pierwiastków stopowych (wg. normy);

• praca łamania na próbkach Charpy V w t=-50^oC
  27 J (próbki wzdłużne) lub
  16 J ( próbki poprzeczne).

Oznaczenia stali wg. PN-EN 10027-1.

Klasyfikację oznaczeń stali można podzielić na dwie grupy, wg. poniższej tabeli (tab.3.)

Tab.3. Klasyfikacja znaków stali.

Klasyfikacja znaków stali:
Znaki wskazujące na zastosowanie oraz mechaniczne lub fizyczne własności stali	Znaki wskazujące na skład chemiczny stali

2. Oznakowanie stali wg. własności mechanicznych i zastosowania.

Oznakowanie to składa się z ciągu liter i cyfr, przy czym pierwszym symbolem jest litera wskazująca na przeznaczenie, a drugim cyfra wskazująca na wytrzymałość stali, wg poniższego schematu (tab.4).

Tab.4. Ważniejsze znaki wskazujące na zastosowanie oraz mechaniczne własności stali.

Oznaczenie literowe	Oznaczenie cyfrowe
S - stale konstrukcyjne P - pracujące pod ciśnieniem L - na rury przewodowe E - stale maszynowe	Liczba równa min. granicy plastyczności [N/mm^2] dla najmniejszej grubości wyrobu
B - stale do zbrojenia betonu	Charakterystyczna granica plastyczności N/mm^2]
Y - stale do betonu sprężonego	Minimalna wytrzymałość na rozciąganie N/mm^2]
R - stal na szyny lub w postaci szyn	Minimalna wytrzymałość na rozciąganie N/mm^2]
H - wyroby płaskie walcowane na zimno ze stali o podwyższonej wytrzymałości do kształtowania na zimno	Minimalna granica plastyczności [N/mm^2]
T - j.w.	Minimalna wytrzymałość na rozciąganie N/mm^2]
D - wyroby ze stali miękkich do kształtowania na zimno (poza tymi ze znakiem H)
M - stale elektrotechniczne

Tab.5. Oznaczenia stali konstrukcyjnych.

Symbole główne

Symbole dodatkowe

Litery

Własności mechaniczne

Dla stali grupy 1

Dla stali grupy 2

Dla wyrobów

G- staliwo S - stal

Minimalna granica plas- tyczności Re [MPa] dla najmniejszego zakresu wymiarów produkowanych elementów elementów

Udarność/praca łamania [J]

Temp. próby [^oC]

C - do formowania na zimno D - do walcowania na goraco E - do emaliowania F- do kucia L - do stosowania w niskich temperaturach T - na rury W odpornych na korozje atmosferyczną

Wg. załączników do normy

27[J]

40 [J]

60 J]

JR

KR

LR

20

J0

K0

L0

0

J2

K2

L2

-20

J3

K3

L3

-30

J4

K4

L4

-40

J5

K5

L5

-50

J6

K6

L6

-60

M-walcowanych termomechanicznie N- normalizowanych lub walcowanych normalizujaco Q - ulepszanych cieplnie G inne cechy

Do grupy 1 należą stale oznaczane według zastosowania i własności mechanicznych. Przykłady oznaczeń stali :

S185 - stal konstrukcyjna o Re=185 [MN/m²] (N/mm2²);

S 355JR- stal konstrukcyjna o Re=355 [MN/m²] (N/mm2²), o udarności w temp. +20^oC w wysokości min. 27 [J].

S 355N- stal konstrukcyjna o Re=355 [MN/m²] (N/mm2²), normalizowana.

Tab.6. Oznaczenia stali do pracy pod ciśnieniem.

Symbole główne		Symbole dodatkowe
Litery	Własności mechaniczne	Dla stali grupy 1	Dla stali grupy 2	Dla wyrobów
G- staliwo P - stal do pracy pod ciśnieniem	Minimalna granica plas- tyczności Re [MPa] dla najmniejszego zakresu wymiarów produkowanych elementów elementów	M-walcowanych termomechanicznie N- normalizowanych lub walcowanych normalizujaco; T - na rury; B- na butle gazowe; S- na proste zbiorniki ciśnieniowe; Q - ulepszanych cieplnie G inne cechy;	H - wysoka temperatura; L - niska temperatura; R - tempera-tura pokojowa X - wysoka i niska temperatura	Wg. załączników do normy

Przykładowe oznaczenia:

P265B; P355M; P355 Q.

Tab.7. Oznaczenia stali dla rur do pracy pod ciśnieniem.

Symbole główne		Symbole dodatkowe
Litery	Własności mechaniczne	Dla stali grupy 1	Dla stali grupy 2	Dla wyrobów
L - stal na rury przewodowe	Minimalna granica plas- tyczności Re [MPa] dla najmniejszego zakresu wymiarów produkowanych elementów elementów	M-walcowanych termomechanicznie N- normalizowanych lub walcowanych normalizująco; G inne cechy (uzupełnione 2 cyframi) M, N, Q - stale drobnoziarniste	Klasa wymagań	Wg. załączników do normy

Przykładowe oznaczenia: L360M, L265 Q

Do grupy drugiej należą stale oznaczane według składu chemicznego.

Oznaczenia stali wg. składu chemicznego:

1. Stale niestopowe (bez stali automatowej) o średniej zawartości manganu Mn<1% (podgrupa 2.1).

C50 - cyfra oznacza średnią zawartość węgla [%] x100 (w tym przypadku zaw. węgla = 0.5%).

2. Stale o średniej zawartości manganu
   1% i stale stopowe, bez szybkotnących o zawartości każdego pierwiastka stopowego <5% (podgrupa 2.2).

Ccc sssssssssss nn-nn-nn-nn-nn

Gdzie : ccc - liczba = 100xśrednia zawartość węgla [%];

ssss - symbole pierwiastków chemicznych - składników stopowych stali uporządkowane wg. malejącej zawartości , a gdy dwa mają taką samą zawartość - to wg. kolejności alfabetycznej;

nn- liczby odpowiadające zawartości poszczególnych pierwiastków stopowych (średnio)x współczynniki z tab. 8.(zaokrąglone do najbliższej liczby całkowitej) oddzielone od siebie kreską poziomą.

Przykładem może być stal, dawniej oznaczana jako 09G2Cu o zawartości:

Cmax = 0.12%; Mn1.2-1.8%; Cu<1%. Według nowej normy oznaczenie tej stali to:

9MnCu6-10

3. Stale stopowe (bez stali szybkotnących) zawierające co najmniej 1 pierwiastek stopowy w ilości
   5% (podgrupa 2.3):

X Ccc ssssssss nn-nn-nn-nn-nn

Gdzie : X - symbol grupy stali

ccc - liczba = 100xśrednia zawartość węgla [%];

ssss - symbole pierwiastków chemicznych - składników stopowych stali uporządkowane wg. malejącej zawartości , a gdy dwa mają taką samą zawartość - to wg. kolejności alfabetycznej;

nn- liczby odpowiadające zawartości poszczególnych pierwiastków stopowych (średnio)x współczynniki z tab. 8.(zaokrąglone do najbliższej liczby całkowitej).

Przykładem może być stal X7Ni36 o zawartości węgla średnio 0.07% (max.

0.1 %) i niklu średnio 9% (dawniej oznaczana jako X7Ni9).

4. Stale szybkotnące (podgrupa 2.4.) - oznaczenie rozpoczyna się od liter HS (nie omawiane - bo na s nie interesują).

Tab. 8. Tabela współczynników do oznaczania stali.

Pierwiastek	Współczynnik
Cr, Co, Mn, Ni, Si, W	4
Al.,Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V,Zr	10
Ce, N, P, S,	100
B	1000

Norma PN-EN 10027-2 podaje również system cyfrowy oznaczania stali, który z braku miejsca nie będzie tu omówiony. Zainteresowane osoby winny we własnym zakresie przeczytać wspomnianą normę.

WŁASNOŚCI MECHANICZNE CZĘŚCI ZŁĄCZNYCH WYKONYWANYCH ZE STALI WĘGLOWYCH ORAZ STOPOWYCH (śruby i śruby dwustronne).

Oznaczenia śrub zawarte są w normie PN-EN-ISO 898-1 z lutego 2001r.

Dla śrub z gwintem zwykłym od M1.6 do M39 i drobnozwojnym od M8x1 do M39x3 poddawanych naprężeniom rozciągającym oznaczenie własności składa się z 2 liczb:

• Pierwsza liczba stanowi 1/100 nominalnej wytrzymałości na rozciąganie materiału śruby R_m [N/mm²; MN/m²];

• Druga stanowi 10x krotność stosunku dolnej granicy plastyczności Re_L (lub umownej granicy plastyczności) do nominalnej wytrzymałości na rozciąganie R_m.

Iloczyn obu tych liczb stanowi 1/10 granicy plastyczności w [N/m²; MN/m].

Tab.1 Dane dla stosowanych gatunków stali na śruby złączne.

Minimalne wydłużenie po zerwaniu Amin [%]	Nominalna wytrzymałość na rozciąganie Rm [N/mm^2]
		200	300	400	500	600	700	800	900	1000	1100	1200	1300	1400
7
8
9					6.8						12.9
10									10.9
12				5.8				9.8^*
14							8.8
16			4.8
18
20				5.6
22			4.6
25		3.6
30

^*)- dotyczy tylko średnicy gwintu d < 16 mm.

W rubryce nominalna wytrzymałość na rozciąganie Rm rubryka np. 200 oznacza stale o Rm od 200 do 300 [N/mm²].

UWAGA: jak widać, na śruby stosowane są tylko wybrane stale.

Przykładowe oznaczenie stali 3.6 - zgodnie z powyższą definicją oznacza:

• 3 - 1/100Rm, czyli RM= minimum 300 N/mm^2;

• 6 - oznacza, (10xRe)/Rm. Czyli Re/Rm = 0.6 ;

czyli Re =0.6xRm= 0.6x300 = 240 N/mm² (minimum).

Tab.2 Wpływ temperatury na własności śrub.

Klasa własności	Temperatura [^oC]
	+20	+100	+200	+250	+300
5.6	300	270	230	215	195
8.8	640	590	540	510	480

Tab.3. Skład chemiczny stali stosowanych na śruby.

Klasa własności	Materiał i obróbka	Skład chemiczny [%]					Temperatura odpuszczania
				Cmin	Cmax	Pmax	Smax	Bmax	[^oC]
3.6		Stal węglowa		0,2	0,05	0,06	0,003
4.6				0,55	0,05	0,06	0,003
4.8				0,55	0,05	0,06	0,003
5.6			0,13	0,55	0,05	0,06	0,003
5.8				0,55	0,05	0,06	0,003
6.8				0,55	0,05	0,06	0,003
8.8^*	Stal węglowa z dodatkami stopowy-mi (B, Mn, Cr) hartowana i odpuszczana	0,15	0,4	0,35	0,035	0,003	425
8.8	Stal węglowa hartowana i odpuszczana	0,25	0,55	0,35	0,035	0,003	425
9.8	Stal węglowa j.w.	0,15	0,35	0,35	0,035	0,003	425
9.8	Stal węglowa j.w.	0,25	0,55	0,35	0,035	0,003	425

^*) w przypadku średnic >20 mm może wystąpić konieczność stosowania stali o klasie własności 10.9 dla zapewnienia odpowiedniej twardości.

Rys. .1 Cechowanie umieszczone na łbie śruby: (symbol cyfrowy i kod zegarowy) Xyz - cecha identyfikujaca wytwórcę; 5.6 - klasa własności (można pisać 56 - z pominięciem kropki)

Tab.4. Własności mechaniczne i fizyczne śrub i srub dwustronnych (wyciąg z normy )

Własności Mechaniczne i fizyczne	Klasy własności
		3.6	4.6	4.8	5.6	5.8	6.8	8.8 d<16	8.8 d>16	9.8 d<16
Nominalna wytrzymałość na rozciąganie Rmnom[N/mm^2]	300	400	400	500	500	600	800	800	900
Rmmin[N/mm^2]	330	400	420	500	520	600	800	830	900
Twardość wg. Rockwella min. HRB	52	67	71	79	82	89
HRC							22	23	28
max HRB			95			99,5
HRC							32	34	37
Dolna granica plastyczności ReL[N/mm^2] nominalna	180	240	320	300	400
minimalna	190	240	340	300	420	480
Umowna granica plastyczności Rp0,2[N/mm^2] nominalna							640	640	720
minimalna							640	640	720
Wydłużenie po zerwaniu Amin [%]	25	22	-	20	-	-	12	12	10
Przewężenie po zerwaniu Zmin[%]							52	52	48
Udarność KUmin [J]				25			30	30	25

Tab. 5. Minimalna siła zrywająca [N] (As_nomxRm_min) - gwinty metryczne zwykłe.

Gwint	Asnom [mm^2]	Klasy własności
				3.6	4.6	4.8	5.6	5.8	6.8	8.8	9.8
M8	36,6	12100	14600	15400	18300	19000	22000	29200	32900
M10	58	19100	23200	24400	29000	30200	34800	46400	52200
M12	84,3	27800	33700	35400	42200	43800	50600	67400	75900
M16	157	51800	62800	65900	78500	81600	94000	125000	141000
M20	245	80800	98000	103000	122000	127000	147000
M24	353	116000	141000	148000
M27	459	152000
M30	561	185000

WŁASNOŚCI MECHANICZNE NAKRĘTEK O WYSOKOŚCI NOMINALNEJ
0.8d (czynna długość gwintu
0.6 D).

Zalecane klasy mechaniczne nakrętek do współpracy ze śrubami złącznymi wg. PN-EN 20898-2 zawiera poniższa tabela.

Klasa własności mechanicznych nakrętek	Śruby współpracujące
		Klasa własności wytrzymałościowych	Zakres średnic
4	3,6; 4.6; 4.8;	>M16
5	3.6; 4.6; 4.8;	M16
		5.6; 5.8;	M39
6	6.8	M39
8	8.8	M39
9	9.8	M16
10	10.9	M39
12	12.9	M39

Klasa własności mechanicznych nakrętek to liczba wskazująca maksymalną klasę własności mechanicznych śrub, z którymi nakrętki mogą współpracować.

Połączenia gwintowe należy projektować tak, aby powodem uszkodzenia było zawsze pękanie trzpienia. Zerwanie gwintu - zwłaszcza w nakrętce - jest mało widoczne i często stopniowe i trudne do wykrycia. Wprowadza to ryzyko, że częściowo uszkodzone części mogą pozostać w zespole złącznym. Śruba (wkręt) o odpowiedniej klasie, skojarzona z nakrętką o odpowiedniej klasie własności mechanicznych zgodnie z powyższą tabelą może być dokręcana do obciążenia próbnego bez zerwania. Przekroczenie obciążenia próbnego przy właściwym (zalecanym) doborze klas własności mechanicznych śruby i nakrętki zapewnia przewidywaną awarię minimum 10% połączeń nadmiernie dokręconych - w formie uszkodzenia śruby, dla ostrzeżenia użytkownika, że takie postępowanie przy montażu nie jest odpowiednie

Rys. 3. Znakowanie nakrętek - symbol cyfrowy.

Rys.4. Znakowanie nakrętek - kod zegarowy.

1

1

---