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 1
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-PerlitycznÄ…,
-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 2
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 3
2. Umocnienie roztworu stałego (ferrytu)
Mechanizm:
1. wykorzystanie różnicy promieni atomów pierwiastka
rozpuszczanego i rozpuszczalnika,
dÄ dc
= f (1 Å" )n
dc a da
Gdzie: Ä- naprężenie Å›cinania,
a  parametr sieci,
c  koncentracja pierwiastka rozpuszczanego.
2. Zaburzenie struktury elektronowej roztworu w wyniku
rozpuszczenia innego pierwiastka.
à = f (c)1/ 2
gdzie: à -naprężenie pÅ‚yniÄ™cia,
C- koncentracja pierwiastka substytucyjnego w roztworze.
KTMM i Spawalnictwa P.G Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak IWE III 2_9 4
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 5
3. Rozdrobnienie ziaren ferrytu
Prawo Halla-Petcha
1
Ã0- granica sprężystoÅ›ci monokrysztaÅ‚u,
Re = Ã + k Å"
0
d  średnica ziarna,
d
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.
WpÅ‚yw na temperaturÄ™ przejÅ›cia w stan kruchy (², C
 stałe):
-1/ 2
² Å"T = ln ² - ln C - ln d
KTMM i Spawalnictwa P.G Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak IWE III 2_9 6
Kontrola wielkości ziarna  wprowadzenie do stali cząstek innej fazy, np. AlN, NbC,
Ti(CN)
4Å"r
R =
3Å" f
gdzie:
R  promień ziarna sferycznego,
r  promień cząstki drugiej fazy,
f  objętość drugiej fazy
Krytyczny wymiar czÄ…stki blokujÄ…cy ruch granic ziaren:
6Å"Ro Å" f
2
r* = Å"(3 - )-1
Ä„ 2 Z
Gdzie: r* - maksymalny wymiar czÄ…stki fazy dyspersyjnej blokujÄ…cy 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 7
4. Utwardzenie wydzieleniowe
Polega na zwiększeniu oporu ruchu dyslokacji przez dyspersyjne cząstki
drugiej fazy.
Naprężenie ścinania w płaszczyz
nie ruchu dyslokacji:
Å"
1
Ä = Å"(1,2Å"GLb)Å"ln(xs / 2b)
1,18 2Ä„ Å"
Gdzie: Ä  naprężenie Å›cinania, xs  Å›rednica czÄ…stki
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:
Ä„
L = xs( -1)
4Å" f
JeÅ›li Ã=2Ä, to (à MPa)
5,9Å" f
Im mniejsze cząstki drugiej fazy i większy ich udział, tym
à = Å"ln(xs / 2,5Å"0,0001)
xs
utwardzenie większe.
KTMM i Spawalnictwa P.G Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak IWE III 2_9 8
5. Umocnienie dyslokacyjne
Mechanizm:
Zgniot na zimno prowadzi do poślizgów, blokowania dyslokacji i umocnienia.
Naprężenie umacniajÄ…ce Ã.
Á  gÄ™stość dyslokacji
à = k Å" Á
f
Również wzrost szybkości
chłodzenia prowadzi do
obniżenia przemiany ł=> ą
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 9
Sumaryczna zależność składu chemicznego i średnicy ziarna, k=62  88MPa, d(mm) dla stali C-Mn
-1/ 2
à = K + 37Mn + 83Si + 2918Nw +15,1d
y
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 10
Wprowadzenie mikrododatków
Dodatki:
" Ti,
" V,
" Al.,
" Nb,
" Zr,
Tworzenie stali mikroskopowych 
suma pierwiastków <0,1%
Mechanizm główny:
Uwardzenie wydzieleniowe  tworzÄ…
siÄ™ drobne, dyspersyjne wydzielenia
węglików i węgliko-azotków.
Wydzielenia powodują także
rozdrobnienie ziaren poprzez
utrudnienie przemieszczania siÄ™ granic
ziaren (hamujÄ… rekrystalizacjÄ™).
KTMM i Spawalnictwa P.G Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak IWE III 2_9 11
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 12
Stale drobnoziarniste wg PN-EN
N  po wyżarzaniu normalizującym lub walcowaniu
normalizujÄ…cym
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 13
KTMM i Spawalnictwa P.G Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak IWE III 2_9 14
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 15
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 6000C
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 16
Produkcja stali QT
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 zapewniajÄ…cych
minimalizację odkształceń np. blach.
KTMM i Spawalnictwa P.G Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak IWE III 2_9 17
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 ql, To.
KTMM i Spawalnictwa P.G Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak IWE III 2_9 18
Przegląd stali o wysokiej wytrzymałości
KTMM i Spawalnictwa P.G Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak IWE III 2_9 19
KTMM i Spawalnictwa P.G Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak IWE III 2_9 20
Wg DIN
KTMM i Spawalnictwa P.G Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak IWE III 2_9 21
KTMM i Spawalnictwa P.G Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak IWE III 2_9 22
Zachowanie siÄ™ stali QT w czasie spawania
Możliwości obniżenia Ce przy
Wykres CTPcs dla stali QT
zastosowaniu 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 23
KTMM i Spawalnictwa P.G Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak IWE III 2_9 24
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 25
Pękanie zależne pękanie
Skłonność do pękania na zimno
Od warunków
spawania
brak pęknięć
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 26
Zachowanie siÄ™ stali podczas spawania
KTMM i Spawalnictwa P.G Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak IWE III 2_9 27