POLITECHNIKA GDAŃSKA	Nr gr. Lab. 1 B
WYDZIAŁ OCEANOTECHNIKI I OKRĘTOWNICTWA	Ćwiczenie nr 3
MATERIAŁOZNAWSTWO I TECHNIKI WYTWARZANIA	Data laboratorium 13.04.2010 r.
Imię i nazwisko: Aleksandra Stoltmann	Studia: zarządzanie
Temat ćwiczenia: Badania stali kadłubowej zwykłej i podwyższonej wytrzymałości
Ocena	Prowadzący lab.

1. Cel ćwiczenia:

Zapoznanie się z właściwościami, składem chemicznym, wstępną oceną spawalności, stanami dostawy oraz budową strukturalną stali kadłubowych zwykłej (SZW) i podwyższonej wytrzymałości (SPW).

1. Wstęp:

Stal jest to plastycznie przerobiony i cieplnie obrabialny stop żelaza z węglem i innymi pierwiastkami pochodzenia metalurgicznego (w ilościach określonych w PN- 91/H – 010010/03 Stal. Klasyfikacja). Jeżeli stop żelaza z węglem zawiera nieznaczne ilości węgla (nie jest czystym pierwiastkiem Fe – ferrum), to nosi nazwę żelaza technicznie czystego.

Stalami kadłubowymi nazywamy stale stosowane na elementy konstrukcyjne kadłubów statków i okrętów podlegających nadzorowi towarzystw klasyfikacyjnych. Stale te, opierając się na zasadach inżynierii materiałowej, podzielono na kilka kategorii odporności na kruche pękanie. Poza właściwościami mechanicznymi określono wymagania technologiczne, tzn. sprawność, podatność na odkształcenia plastyczne itd.

Stale kadłubowe o zwykłej wytrzymałości zdefiniowane zostały jako materiał o gwarantowanej minimalnej granicy plastyczności R_e = 235 MPa i wytrzymałości na rozciąganie R_m = 400÷490 MPa. Dzielą się one na cztery kategorie – A, B, D, E. Różnią się one między innymi składem chemicznym, sposobem odtleniania, stanem dostawy, a przede wszystkim kryterium odporności na kruche pękanie, oparte na próbie udarności Charpy V, które wynosi 27 J (po przeliczeniu na układ metryczny 2,8 kGm) dla próbek pobranych wzdłuż kierunku walcowania. Wymagania dla próbek poprzecznych odnoszą się do materiałów specjalnych zastosowań (np. zbiorniki do przewozu gazów skroplonych, niektóre elementy jednostek wiertniczych, obiekty podwodne).

Kategoria stali	Granica plastyczności Re [MPa]	Wytrzymałość na rozciąganie Rm [MPa]	Wydłużenie A5 [%]	Próba udarności
				temperatura badania [°C]
A B C D	235	400÷490	22	– 0 -20 -40

Stale o podwyższonej wytrzymałości mają granicę plastyczności w przedziale 265÷400 MPa podzielono na trzy klasy wytrzymałościowe: o R_{e min} = 315 MPa , R_{e min} = 355 MPa i R_{e min} = 390 MPa (unifikacja objęła tylko dwie pierwsze klasy). Każda klasa wytrzymałości dzieli się na trzy kategorie – AH, DH, EH, różniące się między sobą stanem dostawy oraz odpornością na kruche pękanie na podstawie próby udarności, a ściślej temperaturą przeprowadzania próby udarności przy założonym kryterium 31 J dla stali o R_{e min} = 315 MPa i 34 J R_{e min} = 315 MPa na próbkach pobranych wzdłuż kierunku walcowania. Wymagania dla próbek poprzecznych odnoszą się również do specjalnych zastosowań.

Kategoria stali	Granica plastyczności Re [MPa]	Wytrzymałość na rozciąganie Rm [MPa]	Wydłużenie (5,65) Amin [%]	Próba udarności
				temperatura badania [°C]
AH32 DH32 EH32	315	440÷590	22	0 -20 -40
AH36 DH36 EH36	355	490÷620	21	0 -20 -40
AH40 DH40 EH40	390	510÷650	20	0 -20 -40

Kadłuby statków budowane są głównie ze stali zwykłej wytrzymałości kategorii A i B (zwykle ponad 80%), natomiast stale kategorii D i E stosowane są jedynie na najbardziej odpowiedzialne wysoko obciążone elementy konstrukcyjne w środkowej części kadłuba, mające wpływ na bezpieczeństwo całej konstrukcji.

Stal ZW kategorii A, której udział w całej masie kadłuba jest największy, jako jedyna nie wymaga robienia próby udarności, jakkolwiek jej technologia wytwarzania i skład chemiczny zapewniają spełnianie kryterium 27 J przy temperaturze 20°C. Natomiast w stalach ZW kategorii E ze względu na specyficzny charakter (stosowane na najbardziej odpowiedzialne elementy konstrukcyjne kadłuba o największych grubościach blachy) próbie udarności poddawane jest każde pasmo walcowane, z którego wycinane są blachy.

Spawalność – przydatność metalu o danej wrażliwości na spawanie do utworzenia w określonych warunkach spawania złącza metalicznie ciągłego o wymaganej użyteczności. Wg. PN-84/M-69005

W stalach kadłubowych w zależności od stanu dostawy mogą występować o różnyh udziałach procentowych następujące składniki strukturalne:

• Ferryt – roztwór stały węgla w żelazie. Na zgładach metalograficznych widoczny jako jasny składnik.

• Perlit – eutektoidalna mieszanina ferrytu i cementytu. Pod mikroskopem perlit przybiera wygląd szarych, perlistych obszarów.

• Cementyt – faza międzymetaliczna. Rozróżniamy cementyt:

• Pierwotny

• Wtórny

• Trzeciorzędowy – na mikroskopie świetlnym widoczny w postaci małych jasnych kulek lub ziarn.

Stan dostawy :

1. stali o zwykłej wytrzymałości:

Kategoria stali	Grubość	Stan dostawy
A	każda	gorąco walcowany
B	każda	gorąco walcowany
D	≤ 35 mm	gorąco walcowany
	> 35 mm	normalizowany, z kontrolowanym walcowaniem lub walcowaniem cieplno-mechanicznym
E	każda	normalizowany lub z walcowaniem cieplno-mechanicznym

1. stali o podwyższonej wytrzymałości:

Kategoria stali	Stosowane pierwiastki rozdrabniające ziarno	Grubość	Stan dostawy
AH32 AH36	Nb , V	g ≤ 12,5 mm g > 12,5 mm	dowolny, normalizowanie, kontrolowane walcowanie, walcowanie cieplno-mechaniczne
AH32 AH36	tylko Al lub z Ti	g ≤ 20 mm 20 < g ≤ 35 mm	dowolny, walcowanie według specjalnego uzgodnienia, normalizowanie, kontrolowane walcowanie, walcowanie cieplno-mechaniczne
DH32 DH36	Nb , V	g ≤ 12,5 mm g > 12,5 mm	dowolny, normalizowanie, kontrolowane walcowanie, walcowanie cieplno-mechaniczne
DH32 DH36	tylko Al lub z Ti	g ≤ 20 mm 20 < g ≤ 25 mm	dowolny, walcowanie według specjalnego uzgodnienia, normalizowanie, kontrolowane walcowanie, walcowanie cieplno-mechaniczne
EH32 EH36	wszystkie możliwe	wszystkie grubości	normalizowanie, walcowanie cieplno-mechaniczne
AH40	wszystkie możliwe	g < 12,5 mm 12,5 < g ≤ 50 mm	dowolny, normalizowanie, kontrolowane walcowanie, walcowanie cieplno-mechaniczne
DH40	wszystkie możliwe	≤ 50 mm	normalizowanie, kontrolowane walcowanie, walcowanie cieplno-mechaniczne
EH40	wszystkie możliwe	≤ 50 mm	normalizowanie, walcowanie cieplno-mechaniczne, ulepszanie cieplne

4. Metodyka:

Podczas labolatorium przeprowadzono obserwacje 4 zgładów trawionych nitalem (Mi1Fe):

Zgład 1 i 3 jest to stal podwyższonej wytrzymałości 15G2ANb (rys. nr 2) o strukturze ferrytyczno-perlitycznej. Maksymalne stężenie pierwiastków wynosi [%]: C 0,18 ; Mn 1,60 ; Si 0,55 ; Cr 0,3 ; Ni 0,3 ; Cu 0,3 ; Nb 0,05 ; Mo 0,08 ; równoważnik węgla C_{E max} 0,47 %. Stal ta należy do grupy stli spawalnych mikrostopowych – drobnoziarnistych (ma zwiększoną zawartość manganu do 1,5 % i zawiera bardzo małe ilości pierwiastków silnie węgliko- i azotkotwórczych, takich jak Al., Nb, V, Zr, Ti). Granica plastyczności R_{e min} = 355 MPa. Stal całkowicie uspokojona, o podwyższonej czystości (ograniczona zawartość fosforu i siarki – literka A w oznaczeniu stali) zawierająca niob jako pierwiastek rozdrabniający ziarno (Nb).

Zgład 2 i 4 to stal zwykłej wytrzymałości ST41V5 (rys. nr 1) o strukturze ferrytyczno-perlitycznej, gdzie St oznacza rodzaj stali, 41 jej wytrzymałość na rozciąganie R_m [ ^kg/_mm² ], a V5 udarność wyznaczoną na próbce z karbem w kształcie litery V (Charpy V). Skład i stopień uspokojenia (według przepisów towarzystw kwalifikacyjnych) podano w poniższej tabeli:

Kategoria stali	A	B	D	E
Stopień uspokojenia stali	uspokojona lub półuspokojona	uspokojona lub półuspokojona	uspokojona	całkowicie uspokojona, drobnoziarnista
Skład chemiczny wg analizy wytopowej [%] C max Mn min Si max P max S max Al min	0,23 2,5 ⋅ C 0,50 0,04 0,04 –	0,21 0,80 0,35 0,04 0,04 –	0,21 0,60 0,35 0,04 0,04 0,015	0,18 0,70 0,35 0,04 0,04 0,015

W stali podeutektoidalnej, będącej w stanie równowagi fazowej, istnieje zgodność jej struktury z wykresem równowagi fazowej odpowiadającej zawartości węgla w stopie. Wobec tego można na podstawie obrazu mikroskopowego struktury stali ocenić pole zajęte przez perlit czyli przybliżoną zawartość węgla. Jeżeli pole zajęte przez perlit wynosi 100%, to stal zawiera 0,8%C. Jeżeli pola zajęte przez perlit stanowi 20% powierzchni, to ilość węgla wyznaczamy z proporcji:

0,8%C – 100% perlitu

x%C – 20% perlitu, tak więc dla:

Lp.1.

0,8%C - 100% perlitu

x%C – 25% perlitu

$$x\% C = \frac{0,8 \bullet 25}{100} = 0,20\% C$$

Lp.2.

0,8%C - 100% perlitu

x%C – 20% parlitu

$$x\% C = \frac{0,8 \bullet 20}{100} = 0,16\% C$$

Lp.3.

0,8%C - 100% perlitu

x%C – 10% parlitu

$$x\% C = \frac{0,8 \bullet 10}{100} = 0,08\% C$$

Lp.4.

0,8%C - 100% perlitu

x%C – 30% parlitu

$$x\% C = \frac{0,8 \bullet 30}{100} = 0,24\% C$$

Zgłady obserwowano mikroskopem STUDAR przy stałym powiększeniu równym 650x, obliczonym ze wzoru:

Analiza zgładów:

• Próbki 1 i 2 mają podobna strukturę ferrytyczno – perlityczną, aczkolwiek różnią się składem procentowym.

• W próbce 1 i 2 nie wystąpiła pasmowość.

• Tylko w próbce 3 wystąpiły wtrącenia niemetaliczne.

• Cementyt trzeciorzędowy wystąpił tylko w próbce 3.

Analiza świadectw odbioru:

W świadectwie nr 1 na podstawie analizy składu chemicznego z którego wykonana jest dana blacha, stwierdzono, iż została ona wykonana ze stali zwykłej wytrzymałości.

Równoważnik węgla wynosi:

$$C_{e} = C + \frac{M_{n}}{6} = 0,15 + \frac{0,45}{6} = 0,23\%$$

W świadectwie nr 2 analiza składu chemicznego z którego wykonana jest dana blacha, stwierdzono, iż została ona wykonana ze stali podwyższonej wytrzymałości.

Równoważnik węgla wynosi:

$$C_{e} = C + \frac{M_{n}}{6} + \frac{C_{r} + M_{0} + V}{5} + \frac{N_{i} + C_{u}}{15} = 0,16 + \frac{1,44}{6} + \frac{0,02 + 0,037 + 0,02}{5} + \frac{0,01 + 0,03}{15} = 0,42\lbrack\%\rbrack$$

Dla t<25 mm C_e<45[%]

5. Wnioski

Zastosowanie stali podwyższonej wytrzymałości w konstrukcjach kadłubowych podyktowane było następującymi względami:

• utrzymanie wymiarów elementów konstrukcji kadłuba w rozsądnych granicach, wyznaczonych możliwościami wykonawczymi stoczni,

• zmniejszeniem masy kadłuba i w wyniku tego uzyskaniem dalszych korzystnych efektów, jak oszczędności materiałowe, zwiększenie nośności statku oraz polepszenie charakterystyk napędowych,

• obniżeniem kosztów budowy kadłuba oraz ogólnych kosztów budowy statku.

Stale o podwyższonej wytrzymałości stosuje się głównie do budowy elementów konstrukcji kadłubów narażonych na duże naprężenia jak: poszycie pokładu mocnego, mocnice burtowe, poszycie dna, górne i dolne części grodzi wzdłużnych, zrębnic luków. Są one obecnie atrakcyjne w stosunku do stli o zwykłej wytrzymałości.

Najprostszym sposobem wzrostu wytrzymałości stali jest zwiększenie w niej zawartości węgla, podstawowego składnika umacniającego stal, jednakże ze względu na negatywny wpływ na spawalność tego pierwiastka znaleziono inne sposoby powodujące wzrost wytrzymałości stali. Wzrost ten można uzyskać następującymi środkami:

• umocnieniem ferrytu przez dodatki stopowe (np. mangan) wchodzące do roztworu stałego żelaza,

• rozdrobnieniem ziaren ferrytu za pomocą obróbki cieplnej (normalizowanie) lub walcowaniem cieplno-mechanicznym,

• umocnieniem ferrytu oraz rozdrobnieniem ziaren za pomocą mikrowydzieleń, węglików, azotków, lub węglikoazotków takich pierwiastków, jak Al, Nb, V, Ti.

Najtańszy sposób polepszenia własności wytrzymałościowych polega na zwiększeniu zawartości manganu, którego wpływ na spawalność jest kilkakrotnie mniejszy niż węgla. Dzięki temu niekiedy można nawet zmniejszyć zawartość węgla, przy zachowaniu podwyższonych R_e i R_m w stosunku do stali węglowych o zwykłej wytrzymałości. Jednakże zawartość manganu została ograniczona d0 1,6%, głównie w celu zapewnienia dobrej spawalności. Z tego względu stale o podwyższonej zawartości manganu mają zwykle granice plastyczności powyżej 315 MPa (kategoria AH32, DH32, EH32). Aby uzyskać R_emin=335 MPa należy stosować dodatkowo pierwiastki, takie jak niob, wanad, tytan i aluminium, powodujące rozdrobnienie ziaren, co ma wpływ na polepszenie właściwości wytrzymałościowych. Spośród wymienionych niob zapewnia najlepsze relacje własności wytrzymałościowych i ciągłości, z zapewnieniem spawalności. Co prawda stale stopowe z dodatkiem tytanu są zupełnie niewrażliwe na cykle cieplne przy spawaniu i charakteryzują się wysoką udarnością, jednak ze względu na komplikowany proces ich wytwarzania są one bardzo drogie i mało rozpowszechnione.

Jednym z ostatnich osiągnięć techniki walcowniczej są stale o podwyższonej wytrzymałości po walcowaniu cieplno-mechanicznym. Proces ten umożliwia uzyskanie stali o granicy plastyczności do 355 MPa, bez żadnych dodatków stopowych, przy składzie chemicznym charakterystycznym dla stali zwykłej wytrzymałości.

Niezależnie od badań uznaniowych materiały przeznaczone na konstrukcje kadłuba poddawane są badaniom odbiorczym (kontrolnym) w zakresie wymagań dla odpowiednich kategorii materiału. Zwykle badaniom poddawane są tzw. partie materiał o masie 50 t, natomiast dla stali najwyższej kategorii badaniom podlega każde pasmo schodzące z walców, a przy stalach ulepszonych cieplnie, badaniom odbiorczym poddawany jest każdy arkusz blachy. Taka ostra kontrola przy produkcji stali kadłubowych w dużym stopniu gwarantuje uzyskanie stawianych wymagań gotowemu produktowi hutniczemu, jaki stanowią blachy i kształtowniki przeznaczone do budowy kadłubów.