KTMM i Spawalnictwa P.G

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

EWE III 2_10 1

STALE DROBNOZIARNISTE

EWE III

2 godz.

KTMM i Spawalnictwa P.G

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

EWE III 2_10 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 (umocnienie roztworu stałego: różnowęzłowe
(substytucyjne) i międzywęzłowe (interstytucyjne),

3.

Rozdrobnienie ziaren ferrytu,

4. Umocnienie ferrytu za pomocą dyspersyjnych wydzieleń związków

chemicznych z Al, Nb, Ti, V, (Wprowadzenie mikrododatków)

5.

Umocnienie stali na zimno,

KTMM i Spawalnictwa P.G

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

EWE III 2_10 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

EWE III 2_10 4

2. Umocnienie roztworu stałego (ferrytu)

Mechanizm:

1. wykorzystanie różnicy promieni atomów pierwiastka
rozpuszczanego i rozpuszczalnika (interstytucyjne),

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

EWE III 2_10 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

EWE III 2_10 6

3. Rozdrobnienie ziaren

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:

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

EWE III 2_10 7

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

f

r

R

⋅

⋅

=

3

4

1

2

2

3

6

)

(

*

−

⋅

⋅

−

⋅

=

Z

f

R

o

r

π

gdzie:

R – promień ziarna sferycznego,

r – promień cząstki drugiej fazy,

f – objętość drugiej fazy

Krytyczny wymiar cząstki blokujący ruch granic ziaren:

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

EWE III 2_10 8

4.Utwardzenie wydzieleniowe

Polega na zwiększeniu oporu ruch 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

KTMM i Spawalnictwa P.G

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

EWE III 2_10 9

5. Umocnienie stali na zimno (utwardzenie wydzieleniowe)

Mechanizm:

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

Naprężenie umacniające

σ.

ρ – gęstość dyslokacji

ρ

σ

⋅

= k

f

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

EWE III 2_10 10

2

/

1

1

,

15

2918

83

37

−

+

+

+

+

=

d

N

Si

Mn

k

w

y

σ

Sumaryczna zależność składu chemicznego i średnicy ziarna, k=62 – 88MPa, d(mm)

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

EWE III 2_10 11

Wprowadzenie mikrododatków

Dodatki:

•Ti,

•V,

•Al.,

•Nb,

•Zr,

Tworzenie stali mikroskopowych –
suma pierwiastków <0,1%

Mechanizm:

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

EWE III 2_10 12

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

EWE III 2_10 13

N –po wyżarzaniu normalizującym lub walcowaniu
normalizującym

L1, L2 – stal do pracy w niskich temperaturach,

H – stal do pracy w podwyższonych temperaturach

Stale drobnoziarniste wg PN-EN

KTMM i Spawalnictwa P.G

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

EWE III 2_10 14