KTMM i Spawalnictwa P.G

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

IWE III 2_9 1

STALE DROBNOZIARNISTE

IWE III

2 godz.

KTMM i Spawalnictwa P.G

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

IWE III 2_9 2

Stale drobnoziarniste i ich spawalność

Stale spawalne o normalnej wytrzymałości:

- zawartość C<0,25%,

- Re<250MPa.

Stale o podwyższonej wytrzymałości mają Re>250MPa i strukturę:

-Ferrytyczno-Perlityczną,

-inne struktury wynikające z zastosowanej obróbki cieplnej.

Sposoby zwiększania własności wytrzymałościowych:

1.

Wzrost zawartości węgla,

2.

Umocnienie ferrytu – zastosowanie dodatków stopowych tworzących roztwory
stałe z Fe,

3.

Rozdrobnienie ziaren ferrytu,

4. Umocnienie ferrytu za pomocą dyspersyjnych wydzieleń związków chemicznych z

Al, Nb, Ti, V,

5.

Umocnienie dyslokacyjne,

6.

Zastosowanie innej struktury w wyniku przemian fazowych,

7.

Zastosowanie przeróbki cieplno-plastycznej (temat 2.10),

8.

Kombinacje powyższych metod.

KTMM i Spawalnictwa P.G

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

IWE III 2_9 3

1. Wzrost zawartości węgla,

• rośnie udział perlitu w mikrostrukturze,

• 0,1%C powoduje wzrost Re o około
40MPa i Rm około 90MPa,

• maleją własności plastyczne,

• obniża się spawalność wskutek wzrostu
hartowności,

Dlatego: ogranicza się zawartość węgla
do C<0,22%.

KTMM i Spawalnictwa P.G

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

IWE III 2_9 4

2. Umocnienie roztworu stałego (ferrytu)

Mechanizm:

1. wykorzystanie różnicy promieni atomów pierwiastka
rozpuszczanego i rozpuszczalnika,

Gdzie:

τ- naprężenie ścinania,

a – parametr sieci,

c – koncentracja pierwiastka rozpuszczanego.

2. Zaburzenie struktury elektronowej roztworu w wyniku
rozpuszczenia innego pierwiastka.

gdzie:

σ −naprężenie płynięcia,

C- koncentracja pierwiastka substytucyjnego w roztworze.

n

da

dc

a

dc

d

f

)

(

1

⋅

=

τ

2

/

1

)

(c

f

=

σ

KTMM i Spawalnictwa P.G

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

IWE III 2_9 5

Wprowadzenie Mn i Si zamiast Fe do sieci
krystalograficznej tzw. substytucyjne.

• 1%Mn powoduje wzrost Re i m o około
100MPa.

Stale: 15GA, 18G2A.

KTMM i Spawalnictwa P.G

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

IWE III 2_9 6

3. Rozdrobnienie ziaren ferrytu

Prawo Halla-Petcha

σ

0

- granica sprężystości monokryształu,

d – średnica ziarna,

k – współczynnik materiałowy.

Sposoby realizacji:

1.

Wyżarzanie normalizujące,

2.

Tworzenie dużej ilości zarodków krystalizacji
lub przekrystalizowanie w obecności azotków
i węglikoazotków (AlN, NbC, Ti(CN), VN) –
zastosowanie do tworzenia specjalnych stali
drobnoziarnistych,

3.

Zastosowanie kombinacji 1 i 2.

Wpływ na temperaturę przejścia w stan kruchy (

β, C

– stałe):

d

k

R

e

1

0

⋅

+

=

σ

2

/

1

ln

ln

ln

−

−

−

=

⋅

d

C

T

β

β

KTMM i Spawalnictwa P.G

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

IWE III 2_9 7

Kontrola wielkości ziarna – wprowadzenie do stali cząstek innej fazy, np. AlN, NbC,
Ti(CN)

f

r

R

⋅

⋅

=

3

4

gdzie:

R – promień ziarna sferycznego,

r – promień cząstki drugiej fazy,

f – objętość drugiej fazy

Krytyczny wymiar cząstki blokujący ruch granic ziaren:

1

2

2

3

6

)

(

*

−

⋅

⋅

−

⋅

=

Z

f

R

o

r

π

Gdzie: r* - maksymalny wymiar cząstki fazy dyspersyjnej blokujący ruch
granic ziaren, f – średni udział cząstek drugiej fazy, Ro – średni promień
ziarna osnowy, Z – stosunek maksymalnego ziarna do promienia
średniego ziarna osnowy

KTMM i Spawalnictwa P.G

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

IWE III 2_9 8

4. Utwardzenie wydzieleniowe

Polega na zwiększeniu oporu ruchu dyslokacji przez dyspersyjne cząstki
drugiej fazy.

Naprężenie ścinania w płaszczyźnie ruchu dyslokacji

:

)

2

/

ln(

)

(

2

2

,

1

18

,

1

1

b

xs

L

b

G

⋅

⋅

=

⋅

⋅

⋅

π

τ

Gdzie:

τ – naprężenie ścinania, xs – średnica cząstki

wydzielenia, G – moduł ścinania (G=80,3MPa dla
ferrytu), b – wektor Burgersa (b=2,5*0,0001

µm),

f – udział objętościowy wydzieleń,

Średnia odległość między cząstkami:

)

1

(

4

−

=

⋅ f

xs

L

π

Jeśli

σ=2τ, to (σ MPa)

)

0001

,

0

5

,

2

/

ln(

9

,

5

⋅

⋅

=

⋅

xs

xs

f

σ

Im mniejsze cząstki drugiej fazy i większy ich udział, tym
utwardzenie większe.

KTMM i Spawalnictwa P.G

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

IWE III 2_9 9

5. Umocnienie dyslokacyjne

Mechanizm:

Zgniot na zimno prowadzi do poślizgów, blokowania dyslokacji i umocnienia.

Naprężenie umacniające

σ.

ρ – gęstość dyslokacji

ρ

σ

⋅

= k

f

Również wzrost szybkości
chłodzenia prowadzi do
obniżenia przemiany

γ=> α

Powoduje to rozdrobnienie
ziaren i wzrost gęstości
dyslokacji

Działanie w czasie spawania: w SWC następuje rekrystalizacja i zmiękczenie stali.

KTMM i Spawalnictwa P.G

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

IWE III 2_9 10

Sumaryczna zależność składu chemicznego i średnicy ziarna, k=62 – 88MPa, d(mm) dla stali C-Mn

2

/

1

1

,

15

2918

83

37

−

+

+

+

+

=

d

N

Si

Mn

K

w

y

σ

K=88MPa dla stali chłodzonej
na powietrzu, lub 62MPa dla
chłodzonej z piecem

Umocnienie zależy w dużym
stopniu od umocnienia
wydzieleniowego:

rozwój stali
mikrostopowych: Nb, V, Ti

KTMM i Spawalnictwa P.G

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

IWE III 2_9 11

Wprowadzenie mikrododatków

Dodatki:

•Ti,

•V,

•Al.,

•Nb,

•Zr,

Tworzenie stali mikroskopowych –
suma pierwiastków <0,1%

Mechanizm główny:

Uwardzenie wydzieleniowe – tworzą
się drobne, dyspersyjne wydzielenia
węglików i węgliko-azotków.
Wydzielenia powodują także
rozdrobnienie ziaren poprzez
utrudnienie przemieszczania się granic
ziaren (hamują rekrystalizację).

KTMM i Spawalnictwa P.G

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

IWE III 2_9 12

HV

Na udarność SWC stali
drobnoziarnistych wpływa
energia liniowa:

Jej wzrost:

-Zwiększa szerokość SWC

-wydłuża cykl cieplny.

Skutek: wzrost średnicy ziarna
w większym obszarze i spadek
udarności

KTMM i Spawalnictwa P.G

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

IWE III 2_9 13

Stale drobnoziarniste wg PN-EN

N –po wyżarzaniu normalizującym lub walcowaniu
normalizującym

L1, L2 – stal do pracy w niskich temperaturach,

H – stal do pracy w podwyższonych temperaturach

KTMM i Spawalnictwa P.G

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

IWE III 2_9 14

KTMM i Spawalnictwa P.G

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

IWE III 2_9 15

6. Zmiana składu fazowego - Ulepszanie cieplne,

Ulepszanie cieplne = hartowanie + odpuszczanie

Wynik takiej obróbki cieplnej to struktura martenzytu odpuszczonego (sorbitu) lub bainitu odpuszczonego.

Uzyskuje się Re = 450 – 1000MPa w zależności od:

-składu chemicznego,

-sposobu walcowania,

-sposobu prowadzenia obróbki cieplnej.

Najłatwiej uzyskać strukturę martenzytyczną zwiększając zawartość pierwiastków zwiększających
hartowność. Odbywa się to kosztem spawalności.

Najkorzystniejsze warunki uzyskuje się dla stali strukturze bainitu lub martenzytu niskowęglowego.

KTMM i Spawalnictwa P.G

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

IWE III 2_9 16

Typowe stale:

Bor (B) zastępuje Ni, V, Cr, Mn bez
pogorszenia spawalności i powoduje:

-rozdrobnienie ziarna,

-odtlenianie i odazotowanie stali,

-silne zwiększenie hartowności.

Do temperatury odpuszczania 600

0

C

stała twardość 32 - 38 HRC

Bainityczna:

15HNMA – 0,15%C; 0,9%Mn;
0,35%Si; 0,6%Cr; 0,1%V; 0,005-
0,03%B Re=500MPa

15MBA – 0,15%C; 0,6%Mn; 0,35%Si;
0,05%V; 0,003%B Re=500MPa

Martenzytyczna: typowa stal T1:

14HNMBCu – 0,15%C; 0,5%Mn;
0,3%Si; 0,6%Cr; 0,%Mo; 0,05%V;
0,002%B; 0,4%Cu Re=700MPa

KTMM i Spawalnictwa P.G

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

IWE III 2_9 17

Kierunki rozwoju stali QT

-zanieczyszczenia P i S poniżej 0,01%

-Ścisłe kontrolowanie kształtu wydzieleń siarczkowych

-Przedmuchiwanie stali Ar razem z wapniem, stopami lantanu
i ceru, stwarzając możliwość jeszcze większego obniżenia
zawartości zanieczyszczeń (P i S <0,001%)

-Uzyskanie zawartości w stali niskiego stężenia gazów –
H<002% i N<0,045%

-Ścisła kontrola warunków hartowania i odpuszczania
(ulepszania) w prasach samotokowych zapewniających
minimalizację odkształceń np. blach.

Produkcja stali QT

KTMM i Spawalnictwa P.G

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

IWE III 2_9 18

Jak widać, przy wzroście temperatury odpuszczania
spada granica plastyczności i wzrasta ciągliwość.

Stąd wynikają też warunki prowadzenia spawania.
Zbyt duża energia liniowa prowadzi do poszerzenia
obszaru odpuszczania w SWC z efektami jak wyżej.
A zatem konieczne jest zastosowanie odpowiednich
warunków procesu – głównie q

l

, T

o

.

KTMM i Spawalnictwa P.G

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

IWE III 2_9 19

Przegląd stali o wysokiej wytrzymałości

KTMM i Spawalnictwa P.G

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

IWE III 2_9 20

KTMM i Spawalnictwa P.G

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

IWE III 2_9 21

Wg DIN

KTMM i Spawalnictwa P.G

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

IWE III 2_9 22

KTMM i Spawalnictwa P.G

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

IWE III 2_9 23

Zachowanie się stali QT w czasie spawania

Możliwości obniżenia Ce przy
zastosowaniu stali QT

Wykres CTPcs dla stali QT

Cechy charakterystyczne:

•Niska zawartość C i małe Ce,

•Mała skłonność do pękania na zimno,

•Podgrzewanie wstępne nie zawsze jest konieczne,

•Mała skłonność do pękania lamelarnego – mały poziom zanieczyszczeń w stali.

KTMM i Spawalnictwa P.G

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

IWE III 2_9 24

KTMM i Spawalnictwa P.G

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

IWE III 2_9 25

Różnice w twardości złącza
ze stali QT w stosunku do
St52-3 (typu 18G2A).

Wpływ wyżarzania
odprężającego złącza ze stali
QT (Re=890MPa) po spawaniu
na udarność.

KTMM i Spawalnictwa P.G

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

IWE III 2_9 26

brak pęknięć

pękanie

Pękanie zależne
Od warunków

spawania

Skłonność do pękania na zimno

Możliwość sterowania
skłonnością do pękania na zimno
z użyciem podgrzewania
wstępnego – dla różnych metod
spawania (energii liniowej).

Stal o Re=890MPa

KTMM i Spawalnictwa P.G

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

IWE III 2_9 27

Zachowanie się stali podczas spawania