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 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 (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 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 EWE III 2_10 3
2. Umocnienie roztworu stałego (ferrytu)
Mechanizm:
1. wykorzystanie różnicy promieni atomów pierwiastka
rozpuszczanego i rozpuszczalnika (interstytucyjne),
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 EWE III 2_10 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 EWE III 2_10 5
3. Rozdrobnienie ziaren
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.
Wpływ na temperaturę przejścia w stan kruchy:
-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 EWE III 2_10 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 EWE III 2_10 7
4.Utwardzenie wydzieleniowe
Polega na zwiększeniu oporu ruch 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 źm), f
 udział objętościowy wydzieleń, średnia odległość
między cząstkami:
Ä„
L = xs( -1)
4Å" f
JeÅ›li Ã=2Ä, to (à MPa)
5,9Å" f
à = Å"ln(xs / 2,5Å"0,0001)
xs
KTMM i Spawalnictwa P.G Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak EWE III 2_10 8
5. Umocnienie stali na zimno (utwardzenie wydzieleniowe)
Mechanizm:
Zgniot na zimno prowadzi do poślizgów, blokowania dyslokacji i umocnienia.
Naprężenie umacniajÄ…ce Ã.
Á  gÄ™stość dyslokacji
à = k Å" Á
f
Wzrost szybkości chłodzenia
prowadzi do obniżenia
przemiany Å‚=> Ä….
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 9
Sumaryczna zależność składu chemicznego i średnicy ziarna, k=62  88MPa, d(mm)
-1/ 2
à = k + 37Mn + 83Si + 2918Nw +15,1d
y
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 10
Wprowadzenie mikrododatków
Dodatki:
" Ti,
" V,
" Al.,
" Nb,
" Zr,
Tworzenie stali mikroskopowych 
suma pierwiastków <0,1%
Mechanizm:
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 EWE III 2_10 11
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 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 EWE III 2_10 13
KTMM i Spawalnictwa P.G Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak EWE III 2_10 14