1. Podział materiałów inżynierskich ze względu na sposób uporządkowania.

Sposób uporządkowania atomów w przestrzeni:



Materiały krystaliczne,



Materiały amorficzne.



Materiały komórkowe

Występowanie w przyrodzie:



Mat. naturalne



Mat. Sztuczne

2. Podaj definicję i omów zagadnienie spawalności stali.

Spawalność – podatność metalu do tworzenia złączy spawanych o własnościach
zbliżonych do metalu rodzimego
Spawalność związana jest nie tylko z materiałem spawanym ale tez z czynnikami
związanymi z technolgią spawania, materiałów dodatkowych, zabiegów
pomocniczych, rozwiązań konstrukcyjnych węzłów itp. Nie można jej określić
konkretną liczbą, można ją natomiast opisać na podstawie stosownych badań

Materiał uważa się za dobrze lub łatwqo spawalny jesli pozwala zyskać połączenie o
żadanych własnościach w sposób łatwy, dozwoloną spośród powszechnie
stosowanych metod, bez specjalnych środków ostrożności
Ograniczona spawalość – gdy wymagane są specjalne zabiegi po spawani: (dzieli się
jeszcze na ograniczonbą spawalność, trudno spawalne i niespawalne)
Niedostateczna spawalność – objawia się pękaniem spoiny lub materiał rodzimego
podczas spawania lub stygnięcia złacza ale tez podczas eksploatacji części spawanej

Rodzaje spawalności:



spawalność technologiczna – określa wpływ czynników związanych z

technologią wykonania i parametrami spawania na właściwości złącza.



spawalność metalurgiczna – obejmuje zmiany i przemiany strukturalne

materiału rodzimego i dodatkowego będące wynikiem procesu spawania.



spawalność konstrukcyjna –zawiera wszystkie czynniki dotyczące

przystosowania się materiału do naprężeń, które w nim powstają w wyniku
operacji spawania oraz eksploatacji.

Według Międzynarodowego Instytutu Spawalnictwa spawalność można podzielić na:



spawalność operatywną – dotyczącą możliwości i warunków wykonania złączy

spawanych bez analizowania zjawisk przy tym występujących.



spawalność lokalną – odnoszącą się do części złącza spawanego, w której

występują procesy metalurgiczne i przemiany strukturalne (spoina, strefa
wpływu ciepła).



spawalność globalną – dotyczącą konstrukcji spawanej jako całości. Zawiera

się w niej wszystko co dotyczy przystosowania spawanej stali do naprężeń,
które w niej powstały w wyniku procesu spawania, oraz do naprężeń
eksploatacyjnych.

3. Metody oceny spawalności stali (równoważnik węgla, wykresy CTP

c

-S, próby

technologiczne np. Tekken, CTS itp.).

Metody oceny spawalności stali:



eksperymentalne:

- badania próbek z rzeczywistą SWC,
-badania symulacyjne,



analityczne,



graficzne,

- dla stali niestopowych i niskostopowych,
- dla stali wysokostopowych.

PĘKANIE ZIMNE-OCENA SKŁONNOŚCI

Eksperymentalne metody oceny skłonności do tworzenia pęknięć zimnych:
* próby złączy utwierdzonych (Tekken, CTS),
(CTS , czyli próba o regulowanej ostrości cyklu cieplnego. polega ona na wykonaniu dwóch
próbnych spoin pachwinowych, łączących dwie blachy usztywnione przez silne skręcenia
śruba i dwie boczne spoiny pachwinowe. Prędkość chłodzenia (ostrość cyklu cieplnego)
reguluje się zmieniając grubość spawanych blach. Oceny wrażliwości na pękanie na zimno
dokonuje się na podstawie obserwacji występowania pęknięć w próbkach wyciętych z
badanych spoin pachwinowych)
* próby z regulowanymi naprężeniami (implant),
* badania na próbkach niespawanych (symulatory).

PRÓBA OCENY SPAWALNOŚCI METODĄ ANALITYCZNĄ

Równoważnik węgla Cev (Ce)
odzwierciedla w postaci liczby wpływ węgla i innych pierwiastków na hartowność stali.
Najczęściej stosowany jest wzór zalecany przez towarzystwo klasyfikujące budowę statków
Lloyds Register of Shipping:

𝐶𝑒𝑣=𝐶+𝑀𝑛6+𝐶𝑟+𝑀𝑜+𝑉5+𝑁𝑖+𝐶𝑢15% Dla stali z zaw. C<0,2%

Jeżeli Cev <0,4%, stal jest dobrze spawalna w warunkach ogólnie stosowanej technologii
spawania. Przy wyższych wartościach Cev, stosowane specjalne technologie spawania
(podgrzewanie przed spawaniem, regulowane chłodzenie, wyżarzanie po spawaniu) ze
względu na zwiększoną hartowność stali i skłonność do pękania przy spawaniu.
Wykresy CTPc-S
Są to wykresy rozpadu przechłodzonego austenitu w warunkach spawalniczych cykli
cieplnych.Wyznaczanie temperatur przemian fazowych celem opracowania wykresów CTPc-
S można prowadzić dwoma metodami:
- metoda "in situ". W tej metodzie temperatury przemian wyznacza się bezpośrednio podczas
spawania za pomocą analizy termicznej, polegającej na różniczkowaniu krzywej zmian
temperatury w funkcji czasu T = f(t).
- metoda symulacyjna. W metodzie tej próbki poddaje się cyklom cieplnym imitującym
proces nagrzewania i chłodzenia w czasie procesu spawania. Próbki nagrzewa się oporowo
indukcyjnie, przepuszczając przez próbkę prąd (ciepłem Joule'a) lub za pomocą energii
promieniowania lamp projekcyjnych. Temperatury przemian w tej metodzie można
wyznaczyć:* dylatometrycznie * metodą analizy termicznej lub* metodą magnetyczną

4. Struktura złącza spawanego stali niestopowej (schemat, opis stref).

Połączenia spawane obejmuje spoinę, tj. materiał przetopiony w trakcie spawania oraz obszar
materiału w którym w wyniku cyklu cieplnego nastąpiły zmiany strukturalne. Obszar ten
nazywany jest strefą wpływu ciepła Zmiany strukturalne zachodzące w SWC przy spawaniu

stali niskowęglowych, rozpatrzone na podstawie uproszczonego wykresu żelazo-cementyt
Na wykresie poprowadzono linię pionową (zawartości węgla w danej stali) Punkty przecięcia
tej linii z wykresem równowagi wyznaczają temperatury i obszary przemian strukturalnych w
materiale.

Zależnie od temperatury do której metal został podgrzany wyróżniamy:
1. Obszar częściowego roztopienia nagrzaniu w granicach początku i końca topnienia.
Zanieczyszczenia materiału łatwiej topliwe niż sam metal, mają w zakresie tych temperatur
tendencje do wydzielania się i tworzenia skupisk, co wpływa b niekorzystnie na warstwę,
która wiąże metal rodzimy ze spoiwem.
2. Obszar przegrzania o strukturze gruboziarnistej, która nie wpływa w większym stopniu na
wytrzymałość, ale obniża znacznie ciągliwość i udarność metalu. W strefie mogą występować
pęknięcia tym łatwiej, im więcej węgla zawiera stal, im bardziej jest podatna na hartowanie i
im szybciej przebiegało stygnięcie metalu.
3. Obszar normalizacji- rozdrobnienie ziarna o dobrych własnościach plastycznych metalu.
4. Pas metalu stygnie z temperatury725°C-450°C charakteryzuje się niewielkim rozrostem
ziaren metalu rozdrobnionych uprzednio przez zgniot w operacji walcowania; dzięki
wyżarzeniu metal uzyskuje wyższą ciągliwość.
5. Obszar stygnący od temperatury 500°C i niższej nie wykazuje żadnych zmian struktury.
W czasie stygnięcia przechodzi jednak przez temperaturę tzw. Niebieskiego nalotu, gdy stal
staje się krucha. Jeżeli w tym momencie procesu naprężenia skurczowe osiągną duża wartość
– mogą wystąpić pęknięcia materiału.

Połączenie spawane nie jest obszarem jednorodnym pod względem strukturalnym, lecz składa
się z szeregu stref, których wartości mogą być różne. Szerokość stref może się zmieniać w
zależności od metody spawania i parametrów. W przypadku podwyższonej zawartości węgla
lub innych skł.stop. zwiększających hartowność w strefie przegrzania i normalizacji, może
nastąpić zahartowanie. Powstanie w złączu struktur zahartowanych, a zwłaszcza martenzytu,
prowadzi do zróżnicowania własności stref – znacznego wzrostu twardości, spadku udarności
i plastyczności zahartowanej strefy oraz powstania zmian gęstości i dużych naprężeń
strukturalnych. Naprężenia strukturalne i cieplne w połączeniu z kruchością materiału
zahartowanego mogą prowadzić do powstania mikro- i makropęknięć, zwanych zimnymi
pęknięciami. mogą też występować gorące pęknięcia powstające, np. dla konstrukcyjnych stli
węglowych, w zakresie temperatur 1573 ÷ 1623K (1300 ÷ 1350°C). Podkreślić należy, że
wady tego typu dyskwalifikują całkowicie połączenia spawane.

5. Wymień i podaj krótką charakterystykę pęknięć wywoływanych przez proces

spawania stali (pęknięcia gorące, zimne i lamelarne).

Klasyfikacja niezgodności:
* Pękniecia,* Pustki* Wtrącenia stałe* Brak przetopu
Pęknięcia:* Gorące* Zimne* Lamelarne* Skurczowe* Krucze* Krystalizacyjne

Gorące- powstają najczęściej w temp. zbliżonych do temp. solidus w SWC, pęknięcia
wywołane są przez niskotopliwe fazy znajdujące się na granicach ziaren, które w tak
wysokich temp topią się i zwilżają te ziarna umożliwiając im rozchodzenie się pod wpływem
napręzeń.
Czynniki sprzyjające* Skład chem. Metalu spoiny* Zanieczyszczenia(siarczki, tlenki)
* Warunki i charakter procesu* Stopień niejednorodności* Konstrukcja i sztywność spoiny

Zimne- zachodzą w temp < 200 oC – są skutkiem jednoczesnego oddziaływania kilku zjawisk
obecności wodoru w spoinie, naprężeń rozciągających, kruchej struktury(martenzyt, bainit).
Powstają najczęściej do 24, 48 h po spawaniu. Są spowodowane migracjami wodoru
wewnątrz materiału, który poniżej 200 oC nie uchodzi do atmosfery, a przemieszcza się
materiale i koncentruje w określonych miejscach gdzie są zapoczątkowywane pęknięcia.

Lamelarne-Powstają na skutek obecności rozwalcowanych siarczków ułożonych równolegle
do kierunku walcowania(w kierunku osi x). W obecności naprężeń w kierunku osi z (mają
tam największą powierzchnie) następuje utrata połączenia między siarczkiem a materiałem i
tworzą się pustki i te pustki ułożone na tych siarczkach łączą się pod wpływem naprężeń i
powstaje pęknięcie. Pękniecie to ma kształt schodkowy.
Czynniki sprzyjające* Występowanie napręzeń w kierunku z* Występowanie w materiale
rozwalcowanych sirczków* Obecność wodoru

6. Obróbka pozapiecowa stali i jej wpływ na jakość stali.

ARGONOWANIE
-Do pieco-kadzi wtłaczany jest argon (albo od dołu, albo poprzez lance od góry). Tworzą się
bąbelki, w które drogą dyfuzji dostają się cząstki gazu (CO, CO

2

, etc.). Następnie ruch

bąbelek wprowadza w ruch wsad stali, dzięki czemu więcej cząsteczek niewskazanych
dostaje się do żużla.

PRÓŻNIOWE ODGAZOWANIE STALI (METODA OBIEGOWA - RUVSTAL HEREUS)
- Opuszcza się do kadzi zbiornik z dwoma krućcami. Zbiornik ten ma dno spadziste i panuje
w nim próżnia. Stal zawierająca bąbelki powietrza wchodzi jednym krućcem, w który
dodawany jest również argon celem przyśpieszenia procesu. Próżnia wydobywa tlen ze stali,
stal bez powietrza staje się cięższa i opada na pochyłe dno, którym spływa do drugiego
krućca.

Zazwyczaj zawierają one w sobie szereg procesów prostych, takich jak argonowanie,
stosowanie żużli rafinacyjnych, techniki niskich ciśnień, wspomaganych procesami
precyzyjnego uzupełniania składu chemicznego drutem rdzeniowym, technikami
wdmuchiwania proszków celem głębokiego odsiarczania stali oraz podgrzewania ciekłej stali
w kadzi.
Obróbkę pozapiecową(czyli tą rafinacje w kadziach) prowadzimy poprzez: argonowanie,
dodawanie żużli rafinacyjnych, precyzyjne uzupełnianie składu chem. drutem rdzeniowym,
technikę wdmuchiwania proszków celem odsiarczenia stali.
Wpływ na jakość – obróbka pozapiecowa umożliwia wytwarzanie stali o lepszych
parametrach jakościowych, czystszych, o bardziej powtarzalnym składzie chemicznym,
obniżając jednocześnie koszty produkcji.

7. Klasyfikacja stali spawalnych (wg kryterium wytrzymałości) i ich

charakterystyka.

Stale spawalne o podwyższonej wytrzymałości Ze względu na spawalność, stale mają
ograniczoną zawartość węgla do 0,20%. Przy tak niskiej zawartości węgla, podwyższoną
wytrzymałośćotrzymuje się poprzez równoczesne działanie następujących czynników:
• umocnienie roztworowe ferrytu manganem (do ok. 2%) i krzemem (do ok. 0,6%)
•rozdrobnienie ziarna poprzez wprowadzenie mikrododatków (Al, Nb, V,Zr, Ti, N)
hamujących rozrost ziarna; •utwardzenie wydzieleniowe węglikami i węglikoazotkami;
• rozdrobnienie ziarna przez stosowanie zabiegów regulowanego walcowania, w dwóch
zakresach temperatury: wstępne walcowanie — w temperaturze wyższej, wykańczające
w niższej przy niewielkim gniocie i przyspieszonym chłodzeniu w warunkach
zapewniających intensywne wydzielanie węglikoazotków i azotków;
• dodatki Cr, Ni, Mo (0,5-0,8 %) oraz mikrododatek B poprawiające hartowność stali
ulepszanych cieplnie;

Podział stali spawalnych o podwyższonej wytrzymałości ze względu na skład chemiczny i
strukturę:
• stale zawierające Mn i mikrododatki Al, Nb, V, Ti, Zr, N o strukturze
ferrytyczno-perlitycznej (normalizowane);
• stale zawierające Mn i Mo z mikrododatkiem B o strukturze bainitycznej
(chłodzone na powietrzu, bezpośrednio z temperatury końca walcowania);
• stale zawierajace Mn, Ni, Cr, Mo i mikrododatki V, Zr, B o strukturze sorbitu
(ulepszone cieplnie)

Stale spaw. wysokiej wytrzymałości ze względu na głowny mechanizm umocnienia podzielić
można na 4 grupy:-ulepszone cieplnie-utwardzone wydzieleniowo miedzią -po obróbce
cieplno-plastycznej -ultraniskowęglowe stale bainityczne
Stale o wysokiej wytrzymałości ulepszone cieplnie w składzie chemicznym zawierają węgiel
jako głowny pierwiastek zwiększający wytrzymałości martenzytu oraz dodatki pierwiastków
zwększajacych hartowność co powoduje wysoką skłonnośc do pęknięć zimnych i zwiększa
znacząco koszty przetważania tych stali na konstrukcje spawane.

8. Zastosowania stali spawalnych o podwyższonej i wysokiej wytrzymałości.

Stale spawalne o podwyższonej wytrzymałości
• Przeznaczone na duże konstrukcje przemysłowe: mosty, zbiorniki, statki,
rurociągi, których głównym procesem wytwarzania jest spawanie.

Stale spawalne o wysokiej wytrzymałości:



Dziedziny gospodarki



Przemysł zbrojeniowy - obronność

9. Stale spawalne o podwyższonej wytrzymałości i mechanizmy ich umocnienia.

Stale o podwyzszonej wytrzymałości- tzw stale SPW. Wzrost zawartosci wegla i składników
stopowych pogarsza spawalnosc tych stali. Wzrasta bowiem niebezpieczenstwo
wystepowania pęknięć zimnych głównie w HAZ złączy. Zwykle w wystepuje wzrost
twardosci spowodowany zwiekszona sklnnoscia tych stali do podhartowania

Ze względu na spawalność, stale mają ograniczoną zawartość węgla do 0,20%. Przy tak
niskiej zawartości węgla, podwyższoną wytrzymałość otrzymuje się poprzez równoczesne
działanie następujących czynników:
• umocnienie roztworowe ferrytu manganem (do ok. 2%) i krzemem (do ok. 0,6%)
• rozdrobnienie ziarna poprzez wprowadzenie mikrododatków (Al, Nb, V,Zr, Ti, N)
hamujących rozrost ziarna; • utwardzenie wydzieleniowe węglikami i węglikoazotkami;
• rozdrobnienie ziarna przez stosowanie zabiegów regulowanego walcowania, w dwóch
zakresach temperatury: wstępne walcowanie –w temp wyższej, wykańczające -w niższej przy
niewielkim gniocie i przyspieszonym chłodzeniu w warunkach zapewniającychintensywne
wydzielanie węglikoazotków i azotków;
• dodatki Cr, Ni, Mo (0,5-0,8 %) oraz mikrododatek B poprawiające hartowność stali
ulepszanych cieplnie;

10. Stale spawalne o wysokiej wytrzymałości i mechanizmy umocnienia w

poszczególnych grupach.

Stale o wysokiej wytrzymałości:



Niskowęglowe i niskostopowe stale konstrukcyjne o gwarantowanej Rp

0,2

= 420-

960MPa oraz dobrej ciągliwości i spawalności,



Podział ze względu na mechanizm umocnienia:

o Ulepszone cieplnie
o

Utwardzone wydzieleniowo miedzią

o

Po obróbce cieplno-plastycznej

o

Ultraniskowęglowe bainityczne ULCB (ultra-low carbon bainitic steel) –

szybko chłodzone po kontrolowanym walcowaniu Stale ULCB posiadają
znakomitą kombinację ciągliwości, wytrzymałości i spawalności i są
stosowane do rurociągów w arktycznym lub morskim środowisku.

Stale ulepszone cieplnie –wysokiej wytrzymałość, wytwarza się jako ulepszone cieplnie,
wykorzystując jako mechanizmy umocnienia przemianę fazową austenitu w martenzyt
(bainit) oraz wydzielenie dyspersyjnych węglików i węgloazotków wtórnych podczas
odpuszczania. W stalach spawalnych ze względu na obniżoną zawartość węgla poniżej 0,2%
uzyskuje się po hartowaniu strukturę martenzytu niskowęglowego o budowie listwowej i
znacznie lepszej ciągliwości w stosunku do stali średniowęglowych do ulepszania cieplnego i
utwardzania powierzchniowego.
Skład chemiczny: wys wytrz nadają odp zawartość C oraz dodatki stop regulujące hartowność
dostosowana do grubości wyrobu. Pierw zwiększające hartowność Cr Mo V Ni Br- który b.
silnie zwiększa hartowność przy zawartości 0,001-0,005%. Ni dodatkowo zapewnia
ciągliwość obniżając temp przejścia w stan kruchy. Niewielkie ilości V Nb Ti Zr biorą udział
w utwardzeniu wydzieleniowym nie pogarszając ciągliwości.

Stale utwardzone wydzieleniowo miedzią stos na konstrukcje przybrzeżne, gdzie występują
elementy o znacznie większych grubościach- trzeba stos podgrzewanie przed spawaniem.
Stal HSLA-80 stos się na pokłady oraz grodzie okrętów nawodnych: niszczycieli i
krążowników. Stal HSLA-100 budowy usztywnionych paneli pokładów lotniskowców o
napędzie atomowym
Stale utwardzone wydzieleniowo miedzią objęte są normą która przewiduje cztery gatunki
(S500A, S550A, S620A, S690A).

Skład chemiczny i rola pierwiastków w stalach z miedzią są następujące:



Zawartość C 0,06-0,12 % co poprawia spawalność przez ograniczenie lub eliminuje

przemiany martenzytycznej w SWC, polepsza ciągliwość materiału rodzinnego i
złącza spawanego.



Cu 1-2% zwiększa wytrzymałość stali. Cu wydziela się podczas starzenia w postaci

dyspersyjnych cząstek roztworu e-Cu (prawie czysta miedź) o wielkości 5-30mm.



Ni 0,7-2,0% zapobiega kruchości stali na gorąco wywołanej znacznym dodatkiem Cu

oraz polepsza ciągliwość.