Badania wrażliwości stali na spajanie oraz system
wskaz
ników spawalności stali
Ocena wrażliwości stali na spajanie oraz wybór optymalnych warunków spajania jest
bardzo trudnym zadaniem zwłaszcza, że przy obecnym stanie wiedzy nie istnieje jakaś jedna
wielkość opisująca wrażliwość stali na spajanie w sposób jednoznaczny i pomimo wielu
badań prowadzonych w tym zakresie nic nie wskazuje na to aby można było wyznaczyć taką
wielkość. Dlatego też przyjęte obecnie podejście polega na tym, że wrażliwość na spajanie
wyrażana jest przez podanie wrażliwości na pękanie gorące, pękanie zimne, pękania
lamelarne, pękanie pod wpływem powtórnego nagrzewania, kruchości w wyniku
zachodzących przemian, kruchości w wyniku starzenia oraz charakterystyki zmian struktury i
właściwości w funkcji czasu t8/5.
1. Badania wrażliwości stali na spajanie
Istnieje obecnie wiele prób technologicznych i laboratoryjnych pozwalających badać
poszczególne składowe wrażliwości na spajanie. Niestety większość tych prób w sposób
bardzo przybliżony odtwarza warunki panujące w konkretnych, rzeczywistych połączeniach
spawanych. Jest to przyczyną ograniczonego zakresu przenoszenia wyników prób
technologicznych na złącza rzeczywiste i zmusza do prowadzenia badań na modelowych
połączeniach spawanych. Przyczynia się to do znacznego wydłużenia cyklu badań oraz
ponoszenia wysokich nakładów finansowych. Prowadzenie zaś badań struktury i właściwości
SWC na próbkach spawanych jest bardzo trudne i uciążliwe. Wynika to między innymi z
ograniczonych rozmiarów strefy wpływu ciepła. Dla przykładu w złączu doczołowym o
grubości 15 mm spawanym łukowo ręcznie z niską energią liniową łuku szerokość SWC nie
powinna przekroczyć ok. 0,3 mm. W tych trzech dziesiątych milimetra temperatura
maksymalna zmienia się podczas spawania od ok. 900�C do ok. 1500�C. Uwzględniając
dodatkowo, że obszar ten jest nierównomierny i najczęściej nie jest położony prostopadle do
powierzchni blachy, pobranie próbki np. do badań udarności obszaru przegrzanego jest
praktycznie niemożliwe, nie wspominając już o badaniach wytrzymałościowych
poszczególnych obszarów SWC.
Problem ten został częściowo rozwiązany poprzez zastosowanie w badaniach
spawalności stali fizycznej symulacji procesu spawania , czyli innymi słowy odtworzenie
procesu technologicznego w próbce materiału o stosunkowo małych wymiarach (w
porównaniu z płytą próbną). Proces symulacji fizycznej obszarów SWC musi zapewniać
odtworzenie w próbce warunków cieplnych i odkształceniowo - naprężeniowych panujących
w SWC podczas rzeczywistego procesu spawania określonego typu złącza spawanego
[6,14,34,67]. Symulacje fizyczne procesu spawania realizowane są na urządzeniach zwanych
symulatorami cykli cieplnych i cieplno - odkształceniowych spawania.
Symulatory cykli cieplnych i odkształceniowych spawania są urządzeniami
wyposażonymi w dynamiczny układ nagrzewania i chłodzenia próbki oraz mechaniczny
układ jej obciążania. W zależności od typu symulatora, nagrzewanie może odbywać się
oporowo lub indukcyjnie, zaś obciążenie próbki realizowane może być poprzez siłowniki
hydrauliczne, hydrauliczno - pneumatyczne lub magnetyczne. W kraju stosowane są
symulatory produkowane przez Instytut Spawalnictwa w Gliwicach [77,79]. Symulatory te
umożliwiają [79]:
- kontrolowane nagrzewanie (do temperatury Tmax T top) próbek o przekroju okrągłym 10
mm oraz kwadratowym 10 x 10 x 100 mm ciepłem Joule'a w wyniku przepływu przez
próbkę prądu przemiennego o częstotliwości 50 Hz,
- kontrolowane chłodzenie,
- wytworzenie stanu naprężenia w zadanym punkcie cyklu cieplnego.
Przy pomocy tych urządzeń możliwa jest symulacja zarówno cykli prostych jak i
również cykli złożonych. Na rys.2.1 przedstawiono schemat blokowy symulatora cykli
cieplno - odkształceniowych spawania.
Symulatory cykli cieplnych i cieplno - odkształceniowych spawania znajdują
zastosowanie w badaniach:
- właściwości plastycznych (HV, KV, A5, Z) i mechanicznych (Re, Rm) strefy wpływu
ciepła,
- pękania gorącego,
- pękania zimnego,
- pękania lamelarnego,
- pękania pod wpływem powtórnego nagrzewania,
- kruchości w wyniku starzenia,
- kruchości w wyniku zachodzących przemian.
Rys.2.1. Schemat blokowy symulatora cykli cieplno-odkształceniowych spawania
produkcji Instytutu Spawalnictwa w Gliwicach [79]:
1- próbka, 2 - szczęka nieruchoma, 3 - szczęka ruchoma, 4 - prowadnica
szczęka, 5 - cylinder pneumatyczny, 6 - czujnik pomiaru przemieszczenia
szczęki ruchomej, 7 - czujnik pomiaru siły, 8 - transformator nagrzewający
próbkę, 9 - układ sterowania zaworami, 10 - sterownik mikroprocesorowy,
11 - klawiatura sterownika, 12 - termopara kontrolna.
Zaprogramowanie procesu symulacji na symulatorach cykli cieplnych i cieplno -
odkształceniowych spawania wymaga wcześniejszego wyznaczenia cykli cieplnych spawania
w trakcie wykonywania rzeczywistego złącza spawanego oraz naprężeń własnych i
odkształceń pozostających występujących w SWC wykonywanego złącza spawanego. Można
tego dokonać na podstawie pomiarów lub metodami analitycznymi. Na rys.2.2 przedstawiono
modelowe przebiegi cykli cieplnych, naprężeniowych i odkształceniowych stosowanych w
badaniach symulacyjnych. Szczegółowy opis metodyki badań symulacyjnych przedstawiono
w pracy [79].
Rys.20. Modelowe przebiegi cykli cieplnych, naprężeniowych i odkształceniowych
stosowane w badaniach symulacyjnych:
a. pękania gorącego,
b. pękania zimnego,
c. pękania kruchego w warunkach utwierdzenia,
d. pękania pod wpływem powtórnego nagrzewania.
Generalnie więc można stwierdzić, że badania wrażliwości stali na spajanie prowadzone
są z zastosowaniem różnych metod, takich jak:
- badania rzeczywistych połączeń spawanych,
- badania symulacyjne,
- badania dylatometryczne,
- testy spawalności takie jak np. próba implantacyjna, próba LTP-1, itp.
Ze względu na wielość metod i prób stosowanych w badaniach istotnym zagadnieniem
stało się opracowanie systemu oceny wrażliwości stali na spajanie, który na podstawie ściśle
zdefiniowanych kryteriów jednoznacznie charakteryzowałyby zachowanie się materiału
podczas spawania. Jedną z propozycji takiego systemu jest opracowany przez Instytut
Spawalnictwa w Bratysławie system wskaz
ników spawalności stali [19].
2. System wskaz
ników spawalności stali
System wskaz
ników spawalności stali składa się z trzech grup wskaz
ników. Pierwsza
grupa obejmuje wskaz
niki wyliczane na podstawie składu chemicznego stali: Cemax i Pcm max.
Równoważnik węgla C obliczany z zależności:
Mn Cr + Mo +V Ni + Cu
Ce = C + + + % (2.1)
65 15
charakteryzuje skłonność do utwardzenia SWC. Wytwórca stali powinien zagwarantować nie
przekraczanie jego maksymalnej wartości, przy czym wartość ta powinna być różna dla
różnych grubości wyrobów.
Równoważnik Pcm charakteryzuje skłonność do powstawania pęknięć zimnych i należy
go podawać w przypadku stali niskostopowych:
Si Mn + Cr + Cu Ni Mo V
Pcm = C + + + + + + 5B % (2.2)
30 20 60 15 10
Druga i trzecia grupa obejmuje wskaz
niki, które wyznacza się doświadczalnie w
oparciu o odpowiednie próby.
Grupa druga obejmuje wskaz
niki skłonności do pęknięć:
- gorących,
- zimnych,
- lamelarnych,
- pod wpływem obróbki cieplnej.
Trzecia grupa obejmuje wskaz
niki właściwości strefy wpływu ciepła:
- kruchość w wyniku zachodzących przemian,
- kruchość w wyniku starzenia.
Pękanie gorące.
Zaproponowano trzy klasy skłonności stali do tworzenia pęknięć gorących:
1. Stal odporna na gorące pękanie.
2. Stal częściowo skłonna do powstawania gorących pęknięć wymagająca stosowania
podczas spawania pewnych środków ostrożności (np. stosowania kontrolowanej energii
liniowej łuku, niewysokiego podgrzewania przed spawaniem w celu obniżenia gradientu
naprężeń i odkształceń).
3. Stal skłonna do powstawania gorących pęknięć (równocześnie występuje zwiększona
skłonność do gorącego pękania spoin).
Do oceny skłonności stali do gorącego pękania mogą być stosowane próby
technologiczne samoutwierdzone (np. wg PN-79/M-69710) oraz próby maszynowe ze zmianą
szybkości odkształcenia (np. Varestraint, LTP-1-6). Szczególnie przydatnymi do oceny
skłonności do pęknięć gorących SWC są próby z imitowaniem cieplno-odkształceniowych
cykli spawania za pomocą symulatorów.
Pękanie zimne.
Zaproponowano trzy klasy skłonności do pękania zimnego:
1. Stale odporne na powstawanie zimnych pęknięć nie wymagające kontrolowania
zawartości wodoru w spoinie i cieplnych warunków spawania.
2. Stale częściowo skłonne do pękania zimnego, wymagające kontrolowania zawartości
wodoru w spoinie.
3. Stale skłonne do pękania zimnego wymagające kontrolowania zawartości wodoru w
spoinie i cieplnych warunków spawania.
Ocenę skłonności stali do zimnego pękania należy prowadzić za pomocą próby
implantacyjnej (PN-90/M-69760). Spośród prób technologicznych samoutwierdzonych
zalecana jest próba Tekken.
Pękanie lamelarne.
Miarą skłonności do pękania lamelarnego jest wartość przewężenia Z próbki na
rozciąganie pobranej wzdłuż grubości blachy. Wprowadzono podział stali na trzy klasy w
zależności od wartości przewężenia Z i zawartości siarki:
1. Stal jest odporna na pękanie gdy Z > 25% i S < 0,012%.
2. Stal jest częściowo skłonna do pękania lamelarnego gdy 10% < Z < 25%
3. Stal jest skłonna do pękania lamelarnego gdy Z < 10% i S > 0,022%.
Pękanie pod wpływem obróbki cieplnej (pod wpływem powtórnego nagrzewania).
Do oceny skłonności stali do tworzenia się tego typu pęknięć zaleca się próbę
Vinckiera. Cylindryczne próbki o średnicy 10 mm poddane uprzednio oddziaływaniu
symulowanego cyklu cieplnego spawania, poddaje się próbie rozciągania w temperaturze
600�C (prędkość rozciągania 0,1 mm/min) aż do zerwania, określając przewężenie próbki Z.
Według tego kryterium stale podzielono na trzy grupy:
1. Stal jest odporna na tworzenie pęknięć pod wpływem obróbki cieplnej gdy Z > 20%.
2. Stal jest częściowo skłonna do pękania gdy 5% < Z < 20%.
3. Stal jest skłonna do pękania gdy Z < 5%.
Kruchość w wyniku zachodzących przemian.
Ocenę kruchości w wyniku zachodzących przemian prowadzi się na podstawie badań
udarnościowych na próbkach z karbem ISO - Charpy V pobranych z przyspoinowego obszaru
SWC. Określa się wzrost temperatury przejścia plastyczno - kruchego SWC w stosunku do
temperatury przejścia plastyczno - kruchego materiału rodzimego.
Przyjęto następujące stopnie wzrostu kruchości strefy wpływu ciepła (SWC) w wyniku
zachodzących przemian:
0 - jeżeli przy praktycznie stosowanych energiach liniowych łuku (t8/5 =15-200 s) temperatura
przejścia plastyczno-kruchego dla SWC nie jest wyższa od temperatury przejścia
plastyczno-kruchego dla materiału rodzimego,
1 - jeżeli wytwórca gwarantuje, że dla pewnych czasów stygnięcia z zakresu t8/5=15-120 s
temperatura przejścia dla SWC nie będzie wyższa od temperatury przejścia plastyczno-
kruchego materiału rodzimego,
2 - dopuszcza wzrost temperatury przejścia plastyczno - kruchego dla SWC w porównaniu z
materiałem rodzimym o 20�C,
3 - dopuszcza wzrost temperatury przejścia plastyczno - kruchego dla SWC w porównaniu z
materiałem rodzimym powyżej 20�C.
Kruchość w wyniku starzenia.
Podatność na kruchość w wyniku starzenia określa się w skali trójstopniowej:
1 - w stanie starzonym temperatura przejścia SWC w stan kruchości nie jest wyższa od
temperatury przejścia plastyczno-kruchego dla materiału rodzimego,
2 - w stanie starzonym temperatura przejścia SWC w stan kruchości nie jest wyższa od
temperatury przejścia plastyczno-kruchego dla materiału rodzimego o więcej niż 20�C,
3 - w stanie starzonym temperatura przejścia SWC w stan kruchości jest wyższa od
temperatury przejścia plastyczno-kruchego dla materiału rodzimego o więcej niż 20�C.
Skłonność stali do starzenia ocenia się w oparciu o PN-69/M-69734.
W celu pełnej oceny wrażliwości stali na spajanie wskaz
niki spawalności winny być
uzupełnione wykresem CTPc-S oraz wynikami badań utwardzenia i kruchości SWC a także
przebiegami zmian Rm, Re, A5 i Z w funkcji czasu t8/5.
Badania wrażliwości na spajanie prowadzone wg. przedstawionego powyżej systemu są
badaniami żmudnymi i długotrwałymi, niemniej jednak każdy nowy gatunek stali powinien
przejść pełny zakres badań spawalności [8].
3. Programy komputerowe wspomagające ocenę spawalności stali
Badania wrażliwości stali na spajanie już obecnie z powodzeniem mogą być
wspomagane przez analityczne metody oceny spawalności stali. W ostatnim dziesięcioleciu
opracowano w tym celu wiele programów komputerowych [9,36,45,46,59,73,]. Przeważająca
część oprogramowania to programy przeznaczone do pracy na sprzęcie mikrokomputerowym
zgodnym ze standardem IBM PC.
Programy różnią się strukturą, stosowanymi zależnościami oraz zakresem zastosowania.
Zależności wykorzystywane w tych programach bazują na analizie regresji danych
eksperymentalnych a programy stosowane są najczęściej do określania temperatury
podgrzewania wstępnego, twardości SWC, skłonności do pękania, składu struktury SWC,
przebiegów cykli cieplnych spawania itp.
W tablicy 2.1. zestawiono przegląd najbardziej popularnego oprogramowania do oceny
spawalności stali (z wyłączeniem oprogramowania krajowego) [9].
Tablica. 2.1. Najbardziej popularne programy komputerowe do oceny spawalności stali.
Nazwa Autor lub dystrybutor Opis
H.Thier, Niemcy Rozkład temperatur w SWC stali niskostopowych
H.Thier, Niemcy Wykresy CTPc-S., okreslenie udziałów składników
struktury oraz twardości w funkcji t8/5
Prehaet TWI, Wielka Brytania Wyznaczenie temperatury podgrzewania wstępnego
Fatiguecalc TWI, Wielka Brytania Program do analizy zmęczeniowej
Weld H.Gut, Szwajcaria Spawalność stali niskostopowych
Weldware Seyffarth, Niemcy Spawalność stali niskostopowych
Schaeffler - ESAB, Szwecja Wybór spoiwa do spawania stali austenityczno-
DeLong ferrytycznych, obliczanie mikrostruktury spoiwa
SZTU Frank, Niemcy Obliczanie i graficzna prezentacja wykresów CTPc-S.
oraz właściwości stali
Schweissplan SVEJSE Centralen, Dania Pakiet ułatwiający prace nadzoru spawalniczego,
między innymi umożliwia analizę: odkształceń,
rozpływu ciepła w złączu, twardość SWC i
temperaturę podgrzewania wstępnego
Schweisst Computer Partner, Niemcy System planowania prac spawalniczych. Między
innymi bada spawalność stali.
HAZ - MAT WELD SOFT, Graz, Przewidywanie mikrostruktury, twardości,
Kalkulator Niemcy właściwości wytrzymałościowych, skłonności do
pękania, rozkłady temperatury.
Jeżeli chodzi o rynek krajowy, to niestety jest on niezwykle ubogi. Stwierdzenie to
dotyczy nie tylko oprogramowania do oceny spawalności stali ale również całości
oprogramowania spawalniczego [59].
W grupie spawalniczych baz danych na rynku krajowym dostępne są następujące
programy:
SPAWACZE - komputerowa baza danych uprawnień spawalniczych.
Baza służy do prowadzenia komputerowej ewidencji spawaczy z uprawnieniami dozorowymi.
(Firma JAKO Sp. z o.o.).
STALE - komputerowa baza danych stali.
Baza danych na temat ok. 250 gatunków stali produkcji krajowej, zgodnych z aktualnie
obowiązującymi normami PN. (Autorzy: J.Siudek, K.Warsz, S.Zaremba).
ELEKTRODY- komputerowa baza danych elektrod otulonych.
Zawiera informację o składach chemicznych, właściwościach wytrzymałościowych oraz
wymiarach charakterystycznych elektrod. (Autorzy: J.Siudek, K.Warsz, S.Zaremba).
Programy wspomagające projektowanie konstrukcji i technologii spawania:
SPAWANIE I - Program przeznaczony do opracowywania kart technologicznych dla
technologii spawania ręcznego.
Program umożliwia automatyczny dobór danych technologicznych do spawania ręcznego w
opraciu o następujące dane wejściowe: gatunek materiału podstawowego i dodatkowego,
rodzaj i grubość spoiny, pozycja spawania, długość spoiny. (Autorzy: P.Sędek i inni).
SPAWANIE II - Program przeznaczony do opracowywania technologii półautomatycznego
spawania w osłonie CO2.
W oparciu o dane wejściowe (jak w programie SPAWANIE I) program określa materiał
dodatkowy, wymiary rowka spawalniczego i parametry spawania oraz optymalny układ
warstw i ściegów wraz z kolejnością ich wykonywania, zużycie materiałów spawalniczych,
czasy główne spawania oraz parametry niezbędnej obróbki cieplnej. (Autorzy: P.Sędek i
inni).
SPAWALNICZY SYSTEM CAD/CAM - Program wspomaga swoim działaniem
konstruktora konstrukcji spawanej, technologa spawalnika oraz projektanta spawalniczego
stanowiska zrobotyzowanego.
System składa się z:
- bazy danych stali,
- programu generującego symbole i oznaczenia spoin wg. PN-89/M-01134,
- biblioteki znormalizowanych arkuszy rysunkowych,
- programu generującego symbol spoiny w przestrzeni trójwymiarowej,
- biblioteki sposobów przygotowania krawędzi przed spawaniem,
- programu generującego instrukcję technologiczną wg. EN-288-2,
- programu badającego kolizyjność na stanowisku zrobotyzowanym,
- ekspertowego systemu wspomagania technologicznego,
- biblioteki elementów stanowisk zrobotyzowanych.
(Autorzy: J.Siudek, K.Warsz, S.Zaremba).
Jedynym krajowym programem do oceny spawalności stali jest program SPAW
EXPERT [40,42,71]. Pierwsza wersja tego programu pod nazwą SPAWALNOŚĆ
opracowana została w 1988 roku na Politechnice Krakowskiej (autorzy: L.Wojnar, J.Mikuła).
Program prezentuje wykresy CTPc-S różnych stali, skład struktury SWC oraz rozkłady
temperatur w procesie spawania. Jego kontynuacją i rozszerzeniem jest program SPAW
EXPERT. Głównym celem tego programu jest umożliwienie przeprowadzenia teoretycznej
analizy spawalności stali oraz wstępnego doboru parametrów spawania tak, aby otrzymać
założone właściwości i strukturę strefy wpływu ciepła. Program może być także stosowany
do:
- oceny wpływu pierwiastków stopowych na wykresy CTPc-S,
- oceny wpływu prędkości chłodzenia na strukturę i właściwości SWC,
- oceny skłonności materiału spawanego do pęknięć spawalniczych,
- badanie wpływu zmian parametrów spawania łukowego ręcznego, w osłonie CO2 lub
łukiem krytym na strukturę i właściwości SWC,
- dobór parametrów spawania dla różnych geometrii złącza spawanego i podstawowych
metod spawania,
- obliczanie rozkładów temperatur w pobliżu spoiny.
Program SPAW EXPERT może być stosowany w celu wspomagania doboru
technologii spawania [72], jak również w dydaktyce. Do celów dydaktycznych program ten
stosowany jest w Katedrze Spawalnictwa Politechniki Szczecińskiej, w Instytucie
Spawalnictwa w Gliwicach, w Zakładzie Spawalnictwa Politechniki Krakowskiej [37,71].
Zestawienie zależności umożliwiających analizę
wrażliwości stali na spawanie
Poniżej zestawiono zależności umożliwiające obliczanie wskaz
ników skłonności do
pęknięć spawalniczych, charakterystycznych temperatur i krytycznych czasów przemian
rozkładu austenitu w warunkach spawalniczych oraz właściwości strefy wpływu ciepła w
funkcji składu chemicznego stali i parametrów cyklu cieplnego spawania.
1. Wskaz
niki skłonności do pęknięć spawalniczych
Wskaz
niki spawalności zaprezentowane poniżej uwzględniają w analizie głównie skład
chemiczny stali, do rzadkości należą wskaz
niki umożliwiające ocenę skłonności do pękania w
funkcji warunków termicznych spawania. Wyjątek stanowią wzory na naprężenia krytyczne
próby implantacyjnej. Dlatego też, przeprowadzona na podstawie tych zależności ocena
skłonności do pękania ma jedynie charakter jakościowy. Należy także zaznaczyć, że nie
istnieją obecnie zależności umożliwiające wyznaczenie wskaz
ników kruchości SWC w
wyniku starzenia. Pomimo tych ograniczeń teoretyczna analiza wskaz
ników spawalności stali
jest wygodnym i przydatnym narzędziem w ocenie spawalności stali.
1.1. Ocena skłonności do pękania gorącego:
Wzór [4]:
P Si - 0,4 Mn - 0,8 Ni Cu Cr - 0,8
Cekw = C + 2 �" S + + + + + + (3.1)
3 10 12 12 15 15
Zastosowanie:
stale niskowęglowe
Kryterium oceny:
Cekw > 0,45 - stal skłonna,
Cekw < 0,15 - stal odporna,
0,15 < Cekw < 0,45 - stal częściowo skłonna.
Wzór [70]:
Si Ni
�# ś#
C�"ś# S + P + ź# �"103
�#
25 100 #
HCS = (3.2)
3�" Mn + Cr + Mo +V
Zastosowanie:
a) stale niskowęglowe o Re d" 700 MPa
b) stale niskostopowe o Re > 700 MPa
Kryterium oceny:
a) HCS e" 4 - stal skłonna,
HCS < 4 - stal odporna,
b) HCS e" 2 - stal skłonna,
HCS < 2 - stal odporna.
Wzór [2]:
UCS1 = 184C + 970S + 188P - 18,1Mn - 4760CS - 1240SP +501PMn + 32600SP (3.3)
UCS2 = 223C + 197S + 100P + 48Nb - 14,3Si - 6Mn -16Al -1 (3.4)
USC3 = 230C + 190S + 75P + 45Nb - 12,3Si - 5,4Mn -1 (3.5)
Zastosowanie:
UCS1 - stale CMn,
UCS2 - stale niskostopowe,
UCS3 - stale z niobem.
Kryterium oceny:
UCS1, UCS2 - wraz ze wzrostem wartości parametru wzrasta skłonność do pękania,
USC3 < 10 - stal odporna,
USC3 e" 30 - stal skłonna,
10 d" USC3 < 30 - stal częściowo skłonna.
Wzór [11]:
CSF1 = [P(C + 0,142Ni + 0,282Mn + 0,2Cr - 0,14Mo - 0,224V) + 0,193S
+ 0,00216Cu]104 (3.6)
CSF2 = 36C + 12Mn + 5Si + 540S + 812P + 5Ni + 3,5Cr - 20V - 13 (3.7)
Zastosowanie:
stale niskostopowe wysokowytrzymałe
Kryterium oceny:
czym wyższe wartości parametrów CSF, tym wyższa skłonność stali do pękania
gorącego.
Wzór:
vkr1 = 43 - 3,5(TIT) + 0,084(TIT)2 [m/min] (3.8)
TIT = 238S + 56,7C - 3,6Mn
vkr2 = 19 - 42C - 411S - 3,3Si + 5,6Mn + 6,7Mo [m/min] (3.9)
Zastosowanie:
vkr1 - stale węglowe
vkr2 - stale niskostopowe
Kryterium oceny:
czym wyższa wartość parametru v, tym niższa skłonność stali do pękania gorącego.
1.2. Ocena skłonności do pękania zimnego:
Wzór [64]:
Mn Cr + Mo +V Ni + Cu
Ce = C + + + (3.10)
65 15
Zastosowanie:
stale o zawartości C < 0,2%
Kryterium oceny:
h - grubość łączonych elementów w mm;
dla h < 25:
Ce d" 0,45 - stal odporna,
Ce > 0,45 - stal skłonna,
dla 25 < h < 37:
Ce d" 0,41 - stal odporna,
Ce > 0,41 - stal skłonna.
Wzór [25,26]:
T0 = 1440�" Pw - 392 (3.11)
gdzie:
T0 - temperatura podgrzewania wstępnego,
h - grubość łączonych elementów w mm,
RFy = 70h dla h d" 40 mm i RFy = 2800 dla h> 40 mm,
Si Mn + Cu + Cr Ni Mo V
Pcm = C + + + + + + 5B
30 20 60 15 10
HD - zawartość wodoru w ml na 100 g stopiwa,
HD RFy
PW = Pcm + +
60 40000
Zastosowanie:
0,07-0,22% C, 0-0,6% Si, 0,4-1,4%Mn, 0-0,5% Cu, 0-1,2% Ni,
0-1,2%Cr, 0-0,7%Mo, 0-0,12% V, 0-0,05% Ti, 0-0,04% Nb, 0-0,005% B,
HD = 1-5 ml/100 g,
h = 19-50 mm,
RFy = 500-3300,
EL = 17-30 kJ/cm (energia liniowa łuku)
Kryterium oceny:
T0 d" 20 - stal odporna,
T0 e" 100 - stal skłonna,
20 < T0 < 100 - stal częściowo skłonna.
Wzór [65]:
14180q
Tp = T0 + (100 - T0)exp[(8,17 + 700/h)10-5 t100 ] - (3.12)
h t100
gdzie:
Tp - temperatura podgrzewania wstępnego,
T0 - temperatura otoczenia w C,
h - grubość blachy w mm,
q - energia liniowa łuku w kJ/mm.
Wzór [66]:
(t100)kr = -2776 - 0,372Re + (3048 + 5,61Re) CEN + 1884logHD (3.13)
gdzie:
(t100)kr - krytyczny czas chłodzenia od temperatury maksymalnej do temperatury
1000C powyżej którego nie występuje skłonność do pękania zimnego,
K - intensywność utwierdzenia , K = Re/0,040,
HD - zawartość wodoru dyfundującego wyznaczona metodą glicerynową,
Re - granica plastyczności materiału rodzimego,
CEN = C + A(C)[Si/24 + Mn/6 + Cu/15 + Ni/20 + (Cr + Mo + Nb + V)/5 + 5B]
A(C) = 0,75 + 0,25 tanh 20(C - 0,12)
Wzór [54]:
TP = 350 [C] - 0,25 (3.14)
gdzie:
TP - temperatura podgrzewania wstępnego,
[C] = [C]C(1 + 0,005h)
360[C]C = 360C + 40(Mn + Cr) + 20Ni + 28 Mo
Zastosowanie:
ferrytyczne stale niskostopowe.
Wzór [65]:
� = 9,81�" (68,9 - 121Pcm - 24 �" lg HD + 1 + 1,75�"t8/5 + 1,65�"10-2 �"t100 ) (3.15)
( ) ( )
kr
imp
gdzie:
�kr imp - wielkość naprężeń krytycznych w próbie implantacyjnej, wyrażona w MPa,
( )
t100 - czas chłodzenia do temperatury 100�C,
t8/5 - czas chłodzenia w zakresie 800-500�C, w sekundach,
inne wielkości zdefiniowano we wzorze na T0 (poprzednim).
Zastosowanie:
Pcm = 0,16-0,282,
HD = 1-21 ml / 100g,
t8/5 = 5-20 s,
t100 = 58,5-1409 (czas chłodzenia do temp. 1000C, w sekundach),
Kryterium oceny:
�
kr
ą =
Re
ą > 1 - stal odporna,
ą < 0,6 - stal skłonna,
06 d" ą d" 1 - stal częściowo skłonna.
,
Wzór [15]:
HV = 283,3 +668,1( C + Mn/42 - V/4 + Mo/24 ) (3.16)
HV - Krytyczna twardość SWC, powyżej której możliwe jest występowanie pęknięć
zimnych przy zawartości wodoru dyfundującego 10ml/100g.
t8/5(kr) = 3,7(C+Mn/13 +V/6 +Ni/40 + Mo/10) - 0,31 (3.17)
t8/5(kr) - krytyczny czas chłodzenia dla którego struktura SWC uzyskuje twardość
krytyczną.
Zakres zastosowania:
stale konstrukcyjne zawierające:
0,07 - 0,17%C, 1 - 2,0 %Mn, 0 - 0,8 %Ni, 0 - 0,5 %Mo, 0 - 0,14 %V
1.3. Ocena skłonności do pękania lamelarnego:
Wzór [31]:
HD
PI = Pcm + + 6S (3.18)
60
gdzie: odpowiednie wielkości oblicza się analogicznie, jak w poprzednich wzorach (3.11)
Zastosowanie:
nie podano ograniczeń
Kryterium oceny:
PI d" 0,40 - stal odporna,
PI > 0,40 - stal skłonna.
Wzór [31]:
HD
L
PL = Pcm + + (3.19)
60 7000
2
gdzie: L - całkowita długość matowych wtrąceń w mm/mm
Zastosowanie:
nie podano ograniczeń
Kryterium oceny:
PL d" 0,35 - stal odporna,
PL > 0,35 - stal skłonna.
1.4. Ocena skłonności do pękania pod wpływem powtórnego
nagrzewania:
Wzór [44]:
"G = Cr + 33Mo + 81V - 2 (3.20)
, ,
"G1 = Cr + 33Mo + 81V + 10C - 2 (3.21)
, ,
Zastosowanie:
%C < 0,18,
%Cr < 1,5
Kryterium oceny:
"G, "G1 e" 1 - stal skłon
"G, "G1< 1 - stal odporna
Wzór [24]:
PSR = Cr + Cu + 2Mo + 10V + 7Nb + 5Ti - 2 (3.22)
Zastosowanie:
0,1-0,25% C, 0-1,5% Cr, 0-0,2% Mo, 0-0,1% Cu, 0-0,15% V,
0-0,15% Nb, 0-0,15% Ti
Kryterium oceny:
PRS e" - stal skłonna,
PRS < - stal odporna.
Wzór [20]:
2
Z = 113,96 - 8731,8P - 108,6Mo - 284,22V + 19,051P + 1545,3PCr - 677,6SCr
2 2
(3.23)
+ 5237,3SMo + 102,9Mo + 373,9V
Zastosowanie:
0,003-0,02 %P, 0,005-0,02 %S, 1,7-3,2 %Cr, 0,4-1,0 %Mo, 0,005-0,4 %V
Kryterium oceny:
Z > 20 - stal odporna,
Z d" 5 - stal skłonna,
5 < Z d" 20 - stal częściowo skłonna.