4. STALE DROBNOZIARNISTE

1. Ogólna charakterystyka stali drobnoziarnistych

Stale drobnoziarniste nie stanowią oddzielnej grupy stali, wyodrębnionej z uwagi na sposób ich wytwarzania, skład chemiczny lub własności wytrzymałościowe. Stale te charakteryzują się drobnoziarnistą mikrostrukturą w stanie dostawy i te korzystne właściwości powodują, że w wy­niku spawania rozrost ziarn w strefie wpływu ciepła jest ograniczony. Do stali drobnoziarnistych zalicza się stale wytwarzane w różny sposób. Są to stale wyżarzone normalizująco lub walcowa­ne normalizująco, stale walcowane termomechanicznie i ulepszone cieplnie.

Własności wytrzymałościowe stali drobnoziarnistych zależą od ich składu chemicznego i sposobu wytwarzania. Wyższe własności niż dla stali normalizowanych mają stale walcowane termomechanicznie, a najwyższe wartości granicy plastyczności uzyskuje się w stanie ulepszo­nym cieplnie.

1. Mechanizmy umocnienia stali

Aby możliwie najlepiej wykorzystać wytrzymałość stali, a równocześnie zapewnić uzyska­nie wymaganych własności złączy spawanych, należy zapoznać się z mechanizmami umocnienia stali i z czynnikami wpływającymi na te mechanizmy oraz na udarność i ciągliwość stali. Podstawowe mechanizmy zwiększania wytrzymałości stali to [13]:

1. umocnienie przez pierwiastki znajdujące się w roztworach stałych (różnowęzłowych i międzywęzłowych),

2. regulacja wielkości ziarna,

3. wprowadzenie cząstek fazy wtórnej

4. dyslokacje,

5. przemiany strukturalne.

1. Umocnienie przez pierwiastki znajdujące się w roztworach stałych

a)

Rys. 4.1. Schemat rozmieszczenia atomów składnika stopowego w roztworze stałym

1. różnowęzłowym (substytutycyjnym)

2. międzywęzłowym (interstytucyjnym)

Roztwory stałe różnowęzłowe powodują symetryczne odkształcenie sieci krystalograficznej rozpuszczalnika, co daje mniejszy efekt umocnienia stali w porównaniu do roztworów między­węzłowych, które odkształcają sieć asymetrycznie. Dodatkowe umocnienie jest wynikiem silne­go oddziaływania zachodzącego między atomami pierwiastka znajdującego się w roztworze międzywęzłowym (C i N) a dyslokacjami. Na rysunku 4.2 przedstawiono wpływ różnych pier­wiastków na umocnienie niskowęglowej stali ferrytycznej [13].

Często pierwiastki tworzące roztwory międzywęzłowe i różnowęzłowe reagują ze sobą two­rząc takie związki, jak TiC, TiN itp. Powoduje to zmniejszenie efektu umocnienia roztworowe­go, które jest natomiast rekompensowane przez utwardzenie wydzieleniowe. Wydzielone cząstki fazy wtórnej powodują dodatkowo blokowanie granic ziarn, w wyniku czego następuje ich roz­drobnienie.

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

Zawartość pierwiastka, %

Rys. 4.2. Wpływ różnych pierwiastków na umocnienie niskowęglowej stali ferrytycznej

1. Wpływ pierwiastków znajdujących się w roztworze na inne własności stali

1. Ciągliwość - wiele pierwiastków znajdujących się w roztworze obniża ciągliwość ferrytu, przy czym pierwiastki międzywęzłowe w większym stopniu niż pierwiastki różnowęzłowe.

2. Umocnienie odkształceniowe - większość pierwiastków znajdujących się w roztworze zwiększa stopień umocnienia odkształceniowego ferrytu (wzrost granicy plastyczności), przy czym większy wpływ posiadają pierwiastki międzywęzłowe. Jest to związane z roz­mieszczeniem dyslokacji podczas odkształcania.

3. Udarność - pierwiastki w roztworze, które znacznie podnoszą wytrzymałość stali (C i N) powodują również spadek udarności i wzrost temperatury przejścia w stan kruchości. Spo­śród pierwiastków tworzących roztwory różnowęzłowe jedynie nikiel poprawia udarność stali.

4. Inne własności - jednym z wielu oddziaływań jest obniżenie temperatury przemiany marten- zytycznej M_s (niekorzystny wpływ na spawalność stali i powstawanie pęknięć). Pierwiastki w roztworze mogą również wywoływać miejscowe likwacje w SWC i wzrost kruchości, w związku z ich segregacją do granic ziaren.

1. Regulacja wielkości ziarna

Zgodnie z zależnością Halla-Petcha granica plastyczności R_e wzrasta w miarę rozdrabniania

ziaren

...(4.1)

gdzie: o₀ - tarcie przeciwdziałające ruchowi dyslokacji wewnątrz ziaren d - średnica ziarna

k_y - współczynnik zależny od rodzaju materiału.

Jest to jedyny mechanizm podnoszenia wytrzymałości stali, który równocześnie zwiększa udar- ność.

•</>

5T — Cl O

2 o D 3

ro i

S. a £

£ 5

Rys. 4.3. Wpływ wielkości ziarna ferrytu na granicę plastyczności i temperaturę przejścia
w stan kruchości wyznaczoną w oparciu o próbę udamości
(0,10 %C, 0,50 %Mn, 0,2 %Si, 0,006 %N)

Rozdrobnienie ziaren można uzyskać przez:

1. wyżarzanie normalizujące;

2. utworzenie licznych bardzo drobnych zarodków krystalizacji lub przekrystalizowanie w obecności azotków lub węglikoazotków (np. A1N, VN, V(C, N)) - zastosowanie w przy­padku specjalnie uspokojonych stali drobnoziarnistych;

3. zastosowanie kombinacji a) i b) (niektóre atomy azotu zostają związane w azotki podczas przemiany a ->y). Uzyskuje się przez to wysoką granicę plastyczności i udarność oraz od­porność na starzenie.

Rozrost ziarn w stali jest procesem aktywowanym cieplnie, a rozmiar ziarn austenitu zależy od temperatury i czasu przebywania w tej temperaturze. Na migrację granic ziarn wpływa kon­centracja substancji rozpuszczonych na tych granicach, zwiększając opór tarcia podczas prze­mieszczania się granic. Cząstki faz wtórnych wydzielone na granicy ziarn zmniejszają ich ob­szar, a tym samym całkowitą energię powierzchniową granic ziarn, ograniczając w ten sposób ich rozrost. Cząstki fazy wtórnej, jak np. A1N, NbC, Ti(C, N) wykorzystywane są w szerokim zakresie do zachowania drobnoziarnistej mikrostruktury przez blokowanie rozrostu ziarn.

1. Umacnianie przez cząstki fazy wtórnej

Efekt umocnienia przez cząstki fazy wtórnej zależy od tego, czy cząstka ta odkształca się lub nie ulega odkształceniu podczas płynięcia stopu po osiągnięciu granicy plastyczności [13].

• Cząstki odkształcalne (w stopach utwardzanych wydzieleniowo) przecinane są przez dysloka­cje, co powoduje umocnienie stopu w wyniku wykonanej pracy.

• W stopach zawierających cząstki nieodkształcalne umocnienie następuje w wyniku tworzenia się pętli dyslokacji miedzy wydzieleniami.

. W stalach zawierających masywne cząstki fazy wtórnej, jak np. perlit w stalach węglowych i niskostopowych, granica plastyczności zwiększa się ze wzrostem zawartości tej fazy (rys. 4.4).

Rys. 4.4. Udział różnych oddziaływań zwiększających granicę plastyczności
w zależności od zawartości perlitu w stali [13]

Własności wytrzymałościowe stali konstrukcyjnych można zwiększyć przez

Pozostawienie większej zawartości węgla w stali:

• wzrasta udział perlitu w strukturze,

• dodatek 0,1 % węgla zwiększa wytrzymałość na rozciąganie R_m o ok. 90 MPa, a granicę plastyczności R_c o ok. 40 MPa,

• zwiększanie zawartości węgla powoduje spadek własności plastycznych stali (rys. 4.5) i pogorszenie jej spawalności (większa skłonność do hartowania),

• w celu zapewnienia wymaganej spawalności stali zawartość węgla jest ograniczona do maksimum 0,22 %.

0 0,2 0,4 0,6 0.8

Zawartość węgla [%]

Rys. 4.5. Wpływ zawartości węgla na własności wytrzymałościowe i plastyczne

stali niestopowych

1. Umacnianie przez dyslokacje

Stopień umocnienia stali podczas jej odkształcania zależy od rozmieszczenia dyslokacji i ich wzajemnego oddziaływania. Wpływa na to:

• początkowa wielkość ziarna - mniejsze ziarno daje większy stopień umocnienia;

• zawartość pierwiastków stopowych - im większa jest zawartość pierwiastków stopowych tym większa jest gęstość dyslokacji i większy stopień umocnienia;

• wydzielenia lub atomy w roztworze - blokująruch dyslokacji i ograniczają ich przemieszczanie się;

• temperatura zdrowienia i rekrystalizacji - gdy odkształcanie stali odbywa się w tej tempe­raturze lub wyższej, następuje spadek gęstości dyslokacji w wyniku ich „wyżarzenia”.

1. Umacnianie w wy niku przemian strukturalnych

Im niższa jest temperatura przemiany, tym większy jest stopień umocnienia stali (rys. 4.6), ponieważ temperatura przemiany wpływa na wszystkie mechanizmy umocnienia, powodując zazwyczaj zwiększenie ich intensywności. Niższa temperatura przemiany

• daje mniejsze ziarno. Efekt ten jest wykorzystywany w niskostopowych stalach ferrytyczno-perlitycznych o podwyższonej wytrzymałości oraz w stalach bainitycznych;

• zwiększa gęstość dyslokacji, co jest wykorzystywane w stalach ferrytyczno-perlitycznych (rys. 4.7) i w niskowęglowych stalach bainitycznych;

• powoduje większy stopień dyspersji wydzieleń;

• zwiększa umocnienia jako wynik zatrzymania większej ilości pierwiastków w roztworze.

Temperatura przemiany [°C]

Rys. 4.6. Wpływ temperatury przemiany na wytrzymałość różnych struktur [13]

Rys. 4.7. Wpływ temperatury przemiany na umocnienie stali będące wynikiem różnej gęstości
dyslokacji w strukturach ferrytyczno-perlitycznych

4.3. Wpływ wtrąceń niemetalicznych

Podczas walcowania stali wtrącenia niemetaliczne, a w szczególności siarczki (MnS), zosta­ją wydłużone tworząc cienkie warstewki. Ze wzrostem objętościowego udziału tych wtrąceń zmniejsza się odporność na kruche pękanie stali, wyrażona przez pracę łamania (rys. 4.8), jak również obniżeniu ulegają własności plastyczne stali, a w szczególności w kierunku równole­głym do grubości blachy. Stale takie są skłonne do pękania lamelarnego w przypadku gdy naprę­żenia skurczowe spoin działają w kierunku prostopadłym do powierzchni blachy (rys. 4.9).

Rys. 4.8. Wpływ zawartości siarczków w stali na pracę łamania próbek Charpy V

Rys. 4.9. Schemat powstawania pęknięć lamelamych

Rozwalcowane wtrącenia siarczkowe o temperaturze topliwości niższej od temperatury to­pliwości stali mogą być również przyczyną powstawania pęknięć gorących typu likwacyjnego w strefie wpływu ciepła połączeń spawanych (rys. 4.10).

Rys. 4.10. Schemat powstawania pęknięć likwacyjnych w SWC

6.2.4. Stal o zawartości 9% niklu

Zasadniczą zaletą tej stali jest równocześnie duża wartość granicy plastyczności i wytrzymałości na rozciąganie, wysoka udarność i dobre własności plastyczne w bardzo niskich temperaturach. Dlatego też znalazła ona główne zastosowanie w urządzeniach do wytwarzania, przewozu i składowania ciekłych gazów, np. metanu (-162 °C), tlenu (-183 °C) i azotu (-196 °C).

Nikiel zwiększa hartowność stali zmniejszając krytyczną prędkość chłodzenia. Blachy i profile chłodzone z temperatury austenityzacji w wodzie lub w powietrzu uzyskują strukturę martenzytyczną lub martenzytyczno-bainityczną. Stale 9Ni można obrabiać cieplnie przez po­dwójne normalizowanie z temperatury ok. 900 i 790 °C i odpuszczanie w 570 °C z następnym chłodzeniem w wodzie. Stosuje się również ulepszanie cieplne polegające na hartowaniu z temperatury 800 °C w wodzie i odpuszczeniu w 570 °C. Strukturę stali stanowi wysoko od­puszczony martenzyt.

Stal 9Ni charakteryzuje się dobrą spawalnością dzięki małej zawartości węgla (zwykle do 0,10 %). Utwardzenie przylegającego do spoiny obszaru strefy wpływu ciepła nie jest zbyt duże (nieco powyżej 350 HV) w porównaniu z twardością materiału rodzimego stali 9Ni w stanie ulepszonym cieplnie (ok. 300 HV). Powstawanie pęknięć zimnych, które często pojawiają się przy spawaniu stali niskostopowych o średniej zawartości węgla, przy spawaniu stali 9Ni jest zjawiskiem rzadkim.

Przy spawaniu konstrukcji ze stali 9Ni na ogół nie stosuje się podgrzewania wstępnego, po­nieważ stal ta jest mało skłonna do pękania zimnego, zwłaszcza przy stosowaniu niskowodoro- wych elektrod otulonych. Nie stosuje się również obróbki cieplnej po spawaniu z uwagi na wy­sokie własności plastyczne połączeń nawet w bardzo niskich temperaturach oraz znaczną skłon­ność stali 9Ni do kruchości odpuszczania.

Do spawania stali 9Ni nie stosuje się spoiw o składzie materiału rodzimego, ponieważ nie uzyskuje się zadawalających własności złączy spawanych. Przyczyną tego jest stan surowy la­nego metalu spoiny, przeważnie o strukturze martenzytycznej. Do spawania tej stali stosuje się mniej lub więcej rozbudowane chromowo-niklowe spoiwa austenityczne lub spoiwa wysokoni- klowe.

Przykłady spoiw stosowanych do spawania stali 9Ni:

• 0,12% C, 16% Cr, 13% Ni, 7% Mn, 3% W - elektroda otulona ES16-13B opracowana w Instytucie Spawalnictwa;

. C < 0,04%, 19% Cr, Ni > 67%, 5% Mn, 2% Nb, Mo < 1,5%, 3 % Fe - elektroda otulona FOX NiCr 70 Nb firmy Bóhler (E NiCrFe-3 wg A WS A5.11);

• C < 0,03% C, 20% Cr, Ni-reszta, 3% Mn, 2,5% Nb, Fe < 1,7% - drut NiCr 70 Nb-IG firmy Bóhler do spawania metodą MIG (ER NiCr-3 wg AWS A5.14).

FOX NiCr70Nb, FOXN¡Cr70Nb, ES16-13B, ES16-13B, ES16-13B,

g=20 mm, poz. g=20 mm, poz. g=20 mm, poz. g=20 mm, poz. g=30 mm, poz.
podolna pionowa podolna pionowa podolna

Rys. 6.10. Praca łamania KV w temperaturze -196 °C złączy ze stali 9 %Ni (0,06 %C, 0,55 %Mn, 0,27 %Si, 10,1 %Ni, 0,013 %P, 0,010 %S) spawanych w pozycji podolnej i pionowej elektrodami otulonymi na bazie niklu i dającymi stopiwo o strukturze austenitycznej

Rys. 6.11. Makrostruktura złącza ze stali 9 %Ni o grubości 30 mm spawanego elektrodą otuloną ES 16-13B w pozycji podolnej.

Rys. 6.12. Makrostruktura złącza ze stali 9 %Ni o grubości 30 mm spawanego metodą MIG drutem FOX NiCr 70 Nb-IG w osłonie mieszanki argonu i helu w pozycji podolnej.

5. Stale austenityczne

Do budowy urządzeń pracujących w najniższych temperaturach, jak skroplony wodór (-253 °C) i hel (-270 °C), stosuje się stale austenityczne typu 18-8. Stale tego typu są dobrze spawalne i łatwo dają się obrabiać za pomocą obróbki skrawaniem oraz kształtować za pomocą obróbki plastycznej. Najważniejszymi przedstawicielami tej grupy stali są:

. X9CrN¡ 18-8 wg PN-EN 10088-1 (1H18N9 wg PN-71/H-86020) - maks. 0,12 %C, maks.

2 %Mn, 16,0-19,0 %Cr, 6,0-9,5 %Ni (brak odporności na korozję międzykrystaliczną);

. X6CrNiTi 18-10 wg PN-EN 10088-1 (1H18N9T wg PN-71/H-86020)- maks. 0,08 %C, maks. 2 %Mn, 17,0-19,0 %Cr, 9,0-12,0 %Ni (5xC + 0,8) %Ti;

. 317 L - maks. 0,03 %C, maks. 2 %Mn, 18,0-20 %Cr, 11,0-15 %Ni, 3,0-4,0 %Mo.

Pierwsza z tych stali nie jest odporna po spawaniu na korozję międzykrystaliczną.

Do spawania stosuje się spoiwa o składzie chemicznym materiału rodzimego lub zbliżonym do niego.

Jeśli chodzi o elektrody otulone, to przykładowo mogą to być spoiwa typu: E 317L (mod.) wg AWS A5.4 (np. FOX ASN 5 firmy Bóhler).

Do spawania metodą MIG można zastosować np. drut ER 308 L Si wg AWS A5.9 (EAS 2-IG (Si) firmy Bóhler).

Na ogół stali przed spawaniem nie podgrzewa się i nie przeprowadza się obróbki cieplnej po spawaniu.

6.3. Jakość złączy spawanych

Z uwagi na duże wymagania odnośnie odporności na kruche pękanie urządzeń pracujących w niskich i bardzo niskich temperaturach (w szczególności urządzeń ciśnieniowych), bardzo ważnym jest aby nie zawierały one niezgodności spawalniczych (wad) stanowiących koncentra­tory naprężeń, które mogą być inicjatorami pęknięć i spowodować uszkodzenie instalacji. Zali­cza się do nich przede wszystkim: wszelkiego rodzaju pęknięcia i mikropęknięcia, braki przeto­pu i braki wtopienia, ostre podtopienia i żużle pasmowe. O dopuszczalności wykrytych nie­zgodności spawalniczych decydują odpowiednie normy i przepisy dotyczące poszczególnych rodzajów urządzeń.

Kontrolę jakości prowadzi się za pomocą powszechnie stosowanych metod badań nienisz­czących, jak:

• badania wizualne,

• badania penetracyjne,

• badania magnetyczno-proszkowe (tylko do materiałów ferromagnetycznych),

• badania ultradźwiękowe (złącza ze stali austenitycznych wymagają stosowania specjal­nych technik badań),

• badania radiograficzne.

1. STALE DO PRACY W PODWYŻSZONYCH TEMPERATURACH

2. Charakterystyka stali do pracy w podwyższonych temperaturach

Do grupy tej należą niestopowe stale węglowe, niskostopowe stale molibdenowe, chromowo- molibdenowe i chromowo-molibdenowo-wanadowe oraz wysokostopowe stale chromowe zdodatkiem innych pierwiastków węglikotwórczych.

Stale te stosowane są głównie w energetyce:

• na walczaki kotłów parowych, rury kotłowe przegrzewaczy, rurociągi energetyczne, komory zbiorcze,

• do budowy turbin parowych i gazowych,

• na armaturę kotłów i turbin,

• na zbiorniki ciśnieniowe i inne urządzenia energetyki, przemysłu chemicznego, petroche­micznego i wiele innych urządzeń przeznaczonych do pracy w podwyższonych temperatu­rach.

Stale przeznaczone do pracy w podwyższonych temperaturach muszą charakteryzować się:

• żaroodpornością - t.zn. wystarczającą odpornością na utlenianie, tak aby narastanie warstew­ki tlenków wewnątrz rurek i rur nie spowodowało nadmiernego wzrostu temperatury ich ścianki (ściany szczelne, przegrzewacze i przegrzewacze wtórne), co może prowadzić do uszkodzeń w wyniku pełzania i/lub nadmiernego odpryskiwania twardych cząstek zgorzeli­ny, powodujących erozję łopatek turbiny. Ważna jest również odpowiednia odporność na ko­rozję, aby zapewnić jak najmniejsze ubytki materiału od strony paleniska.

• żarowytrzymałością - t.zn. takimi własnościami mechanicznymi, aby zapewnić długotrwałą pracę w wysokiej temperaturze (wytrzymałość na pełzanie) uwzględniając cykliczność ob­ciążeń (odporność na niskocyklowe zmęczenie cieplne).

1. Odporność na utlenianie

Żelazo, a podobnie stal niskowęglowa wykazuje niską odporność na utlenianie w podwyż­szonej temperaturze (rys. 7.1)

Rys. 7.1. Utlenianie żelaza w zależności od temperatury

Chrom podnosi odporność stali na utlenianie przez utworzenie na powierzchni ochronnej warstewki tlenków. Na rysunku 7.2 przedstawiono zależność intensywności utlenia­nia się stali w temperaturze 980 °C od zawartości chromu, a na rysunku 7.3 intensywność utle­niania stali z dodatkiem chromu w różnych temperaturach.

STALE KONSTRUKCYJNE I ICH SPAWALNOŚĆ