Pytania na kolokwium zaliczające do przedmiotu:

"Materiały Inżynierskie z elementami inżynierii stomatologicznej"

Kierunek: IM, sem. V

Prowadzący: dr hab. inż. Janusz Ćwiek, prof. nzw. Pol. Śl.

1. Podział materiałów inżynierskich ze względu na sposób uporządkowania.

Sposób uporządkowania atomów w przestrzeni:

• Materiały krystaliczne,

• Materiały amorficzne.

• Materiały komórkowe

Występowanie w przyrodzie:

• Mat. naturalne

• Mat. Sztuczne

2. Podaj definicję i omów zagadnienie spawalności stali.

SPAWALNOŚĆ STALI

Spawalność - podatność metalu do tworzenia złączy spawanych o własnościach zbliżonych do metalu rodzimego

Rodzaje spawalności:

• spawalność technologiczna - określa wpływ czynników związanych z technologią wykonania i parametrami spawania na właściwości złącza.

• spawalność metalurgiczna - obejmuje zmiany i przemiany strukturalne materiału rodzimego i dodatkowego będące wynikiem procesu spawania.

• spawalność konstrukcyjna -zawiera wszystkie czynniki dotyczące przystosowania się materiału do naprężeń, które w nim powstają w wyniku operacji spawania oraz eksploatacji.

Według Międzynarodowego Instytutu Spawalnictwa spawalność można podzielić na:

• spawalność operatywną - dotyczącą możliwości i warunków wykonania złączy spawanych bez analizowania zjawisk przy tym występujących.

• spawalność lokalną - odnoszącą się do części złącza spawanego, w której występują procesy metalurgiczne i przemiany strukturalne (spoina, strefa wpływu ciepła).

• spawalność globalną - dotyczącą konstrukcji spawanej jako całości. Zawiera się w niej wszystko co dotyczy przystosowania spawanej stali do naprężeń, które w niej powstały w wyniku procesu spawania, oraz do naprężeń eksploatacyjnych.

3. Metody oceny spawalności stali (równoważnik węgla, wykresy CTP_c-S, próby technologiczne np. Tekken, CTS itp.).

Metody oceny spawalności stali:

• eksperymentalne:

- badania próbek z rzeczywistą SWC,

-badania symulacyjne,

• analityczne,

• graficzne,

- dla stali niestopowych i niskostopowych,

- dla stali wysokostopowych.

Równoważnik węgla - charakteryzuje spawalność stali, odzwierciedla w postaci liczby wpływ węgla i innych pierwiastków na hartowność stali. Najczęściej stosowany wzór:

C_e=C+Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15

Jeżeli C_e<0,4% stal jest dobrze spawalna. Przy wartościach wyższych powinny być stosowane specjalne technologie (podgrzewanie przed spawaniem,regulowane chłodzenie,wyżarzanie po spawaniu) ze względu na zmniejszoną hartowność i skłonność do pękania przy spawaniu.

CTPc- S - czas temperatura przemiana w warunkach spawalniczych

Wykresy przemian austenitu zachodzących podczas oddziaływania cyklu cieplnego spawania w warunkach chłodzenia ciągłego( temp austenizowania Tmax = 1250-1300 C, czas stygnięcia  t = 1-600 s . Wyniki badań przemian strukturalnych sa przedstawiane w układzie

półlogarytmicznym; temp-czas.

CTPc-S znacznie różnią się  od konwencjonalnych wykresów CTPc, stosowanych dla potrzeb klasycznej obróbki cieplnej. Róznice te spowodowane sa zupełnie odmiennym charakterem

i przebiegiem cyklu cieplnego. W porównaniu z cyklami typowej obróbki cieplnej charakteryzują się :

- bardzo dużą szybkością nagrzewania i chłodzenia obszaru SWC* złącza,

- wyższymi o około 400 C tepm. Austenityzowania

- osiaganiem temp. max. o róznej wartości

- bardzo krótkimi czasami wytrzymania w temp. max.

- bardzo dużymi szybkościami nagrzewania SWC

- dużymi gradientami temp w złączu, co powoduje duże szybkości chłodzenia.

- wzajemnym nakładaniem się dwóch lub więcej cykli cieplnych na siebie przy spawaniu wielowarstwowym.

Wykresy CTPc- S są wykorzystane do oceny spawalności stali, określenia struktur i własności

Spawanego mat.

*przyp. Swc-strefa wpływu ciepła

Eksperymentalne metody oceny skłonności do tworzenia pęknięć zimnych:

- próby złączy utwierdzonych (Tekken, CTS),

Próbą wykazująca skłonność spoiwa do pękania na zimno jest tzw. Próba CTS, czyli

próba o regulowanej ostrości cyklu cieplnego. Polega ona na wykonaniu dwóch próbnych spoin pachwinowych, łączących dwie blachy

usztywnione przez silne skręcenia śruba i dwie boczne spoiny pachwinowe. Prędkość

chłodzenia (ostrość cyklu cieplnego) reguluje się zmieniając grubość spawanych blach. Oceny

wrażliwości na pękanie na zimno dokonuje się na podstawie obserwacji występowania

pęknięć w próbkach wyciętych z badanych spoin pachwinowych.

4. Struktura złącza spawanego stali niestopowej (schemat, opis stref).

9.2.1 Struktura złącza spawanego

Połączenia spawane obejmuje spoinę, tj. materiał przetopiony w trakcie spawania oraz

obszar materiału. W którym w wyniku cyklu cieplnego nastąpiły zmiany strukturalne. Obszar

ten nazywany jest strefą wpływu ciepła lub krótko SWC. Zmiany strukturalne zachodzące w

SWC przy spawaniu stali niskowęglowych, rozpatrzone na podstawie uproszczonego wykresu

żelazo-cementyt, przedstawiono na rys 9.1

Na wykresie tym poprowadzono linię pionową odpowiadającą zawartości węgla w

rozpatrywanej stali. Punkty przecięcia tej linii z wykresem równowagi wyznaczają

temperatury i obszary przemian strukturalnych w materiale.

Zależnie od temperatury do której metal został podgrzany wyróżniamy:

1. Obszar częściowego roztopienia odpowiadający nagrzaniu w granicach początku i

końca topnienia. Zanieczyszczenia materiału łatwiej topliwe niż sam metal, mają w

zakresie tych temperatur tendencje do wydzielania się i tworzenia skupisk, co wpływa

bardzo niekorzystnie na warstwę, która wiąże metal rodzimy ze spoiwem. 2. Obszar przegrzania o strukturze gruboziarnistej, która nie wpływa w większym

stopniu na wytrzymałość, ale obniża znacznie ciągliwość i udarność metalu. W strefie

tej mogą występować pęknięcia tym łatwiej, im więcej węgla zawiera stal, im bardziej

jest podatna na hartowanie i im szybciej przebiegało stygnięcie metalu.

3. Obszar normalizacji, charakteryzujący się rozdrobnieniem ziarna o dobrych

własnościach plastycznych metalu.

4. Pas metalu, który stygnie z temperatury 998 ÷ 723K (725°C ÷ 450°C), charakteryzuje

się niewielkim rozrostem ziaren metalu rozdrobnionych uprzednio przez zgniot w

operacji walcowania; dzięki wyżarzeniu metal uzyskuje wyższą ciągliwość.

5. Obszar stygnący od temperatury 773K (500°C) i niższej nie wykazuje żadnych zmian

struktury. W czasie stygnięcia przechodzi jednak przez temperaturę tzw. Niebieskiego

nalotu, gdy stal staje się krucha. Jeżeli w tym momencie procesu naprężenia

skurczowe osiągną duża wartość - mogą wystąpić pęknięcia materiału.

Jak widać, połączenie spawane nie jest obszarem jednorodnym pod względem

strukturalnym, lecz składa się z szeregu stref, których wartości mogą być różne. Szerokość

poszczególnych stref może się zmieniać w zależności od metody spawania i stosowanych

parametrów. W przypadku podwyższonej zawartości węgla lub innych składników

stopowych, zwiększających hartowność w strefie przegrzania i normalizacji, może nastąpić

zahartowanie.

Powstanie w złączu struktur zahartowanych, a zwłaszcza martenzytu, prowadzi do

zróżnicowania własności stref - znacznego wzrostu twardości, spadku udarności i

plastyczności zahartowanej strefy oraz powstania zmian gęstości i dużych naprężeń

strukturalnych. Naprężenia strukturalne i cieplne w połączeniu z kruchością materiału

zahartowanego mogą prowadzić do powstania mikro- i makropęknięć, zwanych zimnymi

pęknięciami.

Oprócz zimnych pęknięć w części gatunków stali mogą występować gorące pęknięcia

powstające, np. dla konstrukcyjnych stli węglowych, w zakresie temperatur 1573 ÷ 1623K

(1300 ÷ 1350°C). Podkreślić należy, że wady tego typu dyskwalifikują całkowicie połączenia

spawane.

5. Wymień i podaj krótką charakterystykę pęknięć wywoływanych przez proces spawania stali (pęknięcia gorące, zimne i lamelarne).

Zachodzące pod wpływem cyklu cieplnego spawania zmiany struktury oraz zmiany stanów naprężeń i odkształceń wywierają istotny wpływ na powstawanie pknięć spawalniczych. Pęknicia mogące powstawać w SWC złącza spawanego, których przyczyny związane są z technologią spawania, można sklasyfikować w czterech grupach:

pęknięcia gorące - mogą powstawać w SWC gdzie temp materialu zbliżona jest do temp solidusu. Pekniecia te moga tez wystepowac w znacznie nizszych temp. Jako dolną granice powtsawania pekniec gorących przyjmuje sie 0,5 temperatury topnienia w stopniach celsjusza. Pekniecia te wywoływane jest przez ciekłe fazy występujące na granicach ziarn, przy podwyższonych temo, w związku czym materiał nie może relaksować występujących naprężeń skurczowych przez odkształcenia plastyczne. Dochodzi do wzrostu naprężeń wywołujących pęknięcia wzdłuż niskotopliwych faz wystepujacych na granicach ziarn. Istotne znaczenie dla powstawania pekniec w SWC ma obecnosc siarczkow tlenków węglików oraz ich kształt i morfologia. Naprezenia rozciagajace powstajace podczas cyklu chłodzenia moga powodowac wzrost zwilżalności granic ziarn przez fazy ktore pierwotnie wystepowaly w postaci globularnej. Dostatecznie duze naprezenia rozciagajace powoduja rozsuwanie ziarn ktorych granice zwilżone ciekłymi fazami usytuowane są prostopadle do kierunku działania tych naprężeń. Powoduje to powstawanie pęknięć. Także wielkość ziarna może odgrywać istotną rolę- struktura drobnoziarnista jest odporniejsza na powstawanie tego typu pęknięć gorących ze względu na to Że całkowita powierzchnia ziarn jest większa niż w materiale gruboziarnistym. W strukturze drobnoziarnistej ilośćwystępującej fazy ciekłej może nie wystarczyć do zwilżenia wszystkich granic ziarn.

Pęknięcia zimne - Pęknięcia zimne zwane również pęknięciami wodorowymi czy też zwłocznymi, są zjawiskiem lokalnego niszczenia połączenia spawanego i powstają w trakcie stygnięcia połączenia spawanego, z reguły w zakresie temperatur od 200 do 100⁰C lub bezpośrednio po spawaniu, przy braku obciążeń zewnętrznych. W niektórych przypadkach pękanie zimne może zachodzić wyraźnie później po zakończeniu spawania, nawet po upływie kilkudziesięciu godzin. Powstawanie tego typu pęknięć w złączach spawanych uwarunkowane jest jednoczesnym oddziaływaniem trzech zjawisk:

− hartowaniem się stali pod wpływem procesu spawania,

− obecnością wodoru w spoinie i w strefie wpływu ciepła złącza spawanego,

− obecnością naprężeń i odkształceń wynikających z procesu spawania prowadzonego w warunkach utwierdzenia.

Istnieje wiele czynników mogących mieć wpływ na powstawanie pęknięć zimnych w konstrukcjach spawanych. Do podstawowych należą:

− właściwości fizyko-chemiczne materiału spawanego oraz materiałów dodatkowych,

− warunki spawania,

− warunki otoczenia,

− rozwiązania konstrukcyjne złącza.

Metody zapobiegania powstawaniu pęknięciom zimnym wynikają z analizy czynników wywołujących ten typ pęknięć w złączach spawanych i polegają na:

− ograniczaniu zawartości wodoru w spoinie i w SWC złącza spawanego,

− oddziaływaniu na przemiany stali w SWC,

− obniżeniu naprężeń w złączu spawanym.

Ograniczenie zawartości wodoru uzyskuje się poprzez wybór metod i materiałów dodatkowych niskowodorowych, obróbkę cieplną (suszenie) materiałów dodatkowych przed spawaniem (elektrod otulonych, topników), wydłużenie czasu stygnięcia SWC w zakresie temperatur od 300 do 100°C.

Oddziaływanie na przemiany stali w SWC może być realizowane przez wzrost energii liniowej łuku, stosowanie podgrzewania wstępnego elementów spawanych, obróbkę cieplną po spawaniu.

Obniżenie naprężeń w złączu spawanym osiąga się przez ograniczenie utwierdzeń montażowych, ograniczenie oddziaływania połączeń już wykonanych na wykonywane oraz ograniczanie oddziaływania ciężaru własnego elementów spawanych.

W niektórych przepadkach skutecznymi sposobami są wstępne napawanie części spawanych austenitycznym lub ferrytycznym metalem (nie hartującym się przy spawaniu) lub spawanie materiałami dodatkowymi zapewniającymi uzyskanie struktury austenitycznej.

Pęknięcia lamelarne

Pęknięcia lamelarne są spowodowane obecnością pasm wtrąceń, głównie siarczków, ułożonych na przekroju blachy równolegle do kierunku walcowania. Wtrącenia te obniżają własności plastyczne blachy w kierunku jej grubości i pod wpływem naprężeń skurczowych spoin powodują w temperaturach poniżej 200°C tworzenie się pęknięć o charakterystycznym schodkowym przebiegu. W obecności wysokich naprężeń skurczowych następuje utrata kohezji na granicy wtrącenie osnowa i powstanie pustki. Mikroszczeliny utworzone na pasmowo ułożonych wtrąceniach w obecności dostatecznie wysokich naprężeń rozciągających mogą się ze sobą łączyć w kierunku poziomym. Obecność płaskich pęknięć na różnych poziomach w stosunku do powierzchni blachy powoduje silną koncentracje naprężeń w obszarach między pęknięciami, co prowadzi do ścinania materiału osnowy znajdującego się pomiędzy nimi. Tak więc płaszczyzny pęknięć równoległe do powierzchni blachy (tarasy) są łączone prostopadłymi przejściami (uskokami).

Proces pękania lamelarnego może być pogłębiony poprzez oddziaływanie wodoru dyfundującego, wprowadzonego do materiału podczas spawania, sprzyja to procesowi rozwijania mikroszczelin utworzonych na wtrąceniach niemetalicznych.

Pęknięcia lamelarne powstają głównie w połączeniach charakteryzujących się znacznym stopniem utwierdzenia w których blacha skłonna do pękania ulega odkształceniu w kierunku prostopadłym do jej powierzchni. Pęknięcia te powstają przede wszystkim w złączach teowych i krzyżowych, z jednostronnymi lub dwustronnymi spoinami czołowymi lub spoinami pachwinowymi.

Na pękanie lamelarne mają wpływ następujące czynniki:

− całkowita zawartość wtrąceń niemetalicznych, ich rodzaj, wielkość i rozmieszczenie,

− skład chemiczny stali,

− poziom naprężeń poprzeczny chłodzenia złącza,

− zawartość wodoru dyfundującego.

Pęknięcia pod wpływem powtórnego nagrzewania - Pęknięcia pod wpływem powtórnego nagrzewania zwane również pęknięciami pod wpływem obróbki cieplnej, powstają w obszarze przegrzanym SWC stali niskostopowych oraz stali austenitycznych i chromowo-niklowych. Pęknięcia tego typu powstają w dwu zakresach temperaturowych:

− w czasie nagrzewania do temperatury wyżarzania w zakresie temperatur od 200 do 300°C,

− w zakresie temperatur wyżarzania, poniżej temperatury A1.

Pękanie elementów spawanych podczas nagrzewania do temperatury wyżarzania związane jest ze stosowaniem zbyt dużej szybkości nagrzewania tych elementów. Powstające w nagrzewanym elemencie naprężenia termiczne sumując się z naprężeniami strukturalnymi prowadzą do powstawania pęknięć. Najbardziej na pękanie podczas nagrzewania do temperatury wyżarzania narażona jest ta część SWC w której w wyniku procesu spawania powstały zarodki pęknięć gorących lub zimnych.

Pękanie elementów spawanych w zakresie temperatur wyżarzania związane jest przede wszystkim z wzrostem kruchości SWC złącza spawanego wywołanym wydzielaniem się faz wtórnych ( najczęściej węglików ) z roztworu stałego.

W niskostopowych stalach Cr-Mo-V pęknięcia te powstają w gruboziarnistym obszarze SWC charakteryzującym się najczęściej iglastą strukturą bainityczno-martenzytyczną z pewną ilością austenitu szczątkowego. W trakcie procesu spawania w wyniku oddziaływania cyklu cieplnego spawania znaczna część węglików przechodzi do roztworu stałego, również granice ziaren pierwotnego austenitu wzbogacane są dodatkami stopowymi. W czasie nagrzewania do temperatury wyżarzania oraz w pierwszej fazie wyżarzania następuje wydzielanie się węglików. Proces ten prowadzi do znacznego utwardzenia wydzieleniowego wnętrza ziarna.

W procesie wyżarzania relaksacja naprężeń zachodzi drogą odkształcania materiału, w przypadku znacznego utwardzenia wydzieleniowego wnętrza ziaren odkształcenia te będą zachodzić po granicach ziaren. W warunkach obniżonej energii granic ziaren (np. w wyniku segregacji domieszek do granic ziarn) będzie dochodzić na styku trzech ziaren do powstawania tzw. pęknięć klinowych. Wydzielanie się węglików po granicach ziaren utrudnia poślizg ziaren względem siebie a tym samym podwyższa wytrzymałość struktury oraz obniża jej ciągliwość. Powstają wówczas warunki do zarodkowania pustek na cząstkach leżących w granicach ziaren a następnie do ich łączenia.

Na przebieg pękania pod wpływem powtórnego nagrzewania istotny wpływ wywierają parametry technologiczne procesu spawania. Spawania z niską energią liniową sprzyja pękaniu poprzez znaczne przesycenie gruboziarnistej części SWC oraz wzrost naprężeń w złączu spawanym. Stosowanie podgrzewania wstępnego lub wyższych energii liniowych spawania powoduje obniżenie prędkości chłodzenia w SWC złącza spawanego a tym samym zmniejszenie przesycenia i obniżenie stanu naprężeń.

W celu wyeliminowania pęknięć pod wpływem powtórnego nagrzewania stosuje się nagrzewanie do temperatur 650 - 700°C dla stali ferrytycznych i ok.

6. Obróbka pozapiecowa stali i jej wpływ na jakość stali.

ARGONOWANIE
-Do pieco-kadzi wtłaczany jest argon (albo od dołu, albo poprzez lance od góry). Tworzą się bąbelki, w które drogą dyfuzji dostają się cząstki gazu (CO, CO₂, etc.). Następnie ruch bąbelek wprowadza w ruch wsad stali, dzięki czemu więcej cząsteczek niewskazanych dostaje się do żużla.

PRÓŻNIOWE ODGAZOWANIE STALI (METODA OBIEGOWA - RUVSTAL HEREUS)
- Opuszcza się do kadzi zbiornik z dwoma krućcami. Zbiornik ten ma dno spadziste i panuje w nim próżnia. Stal zawierająca bąbelki powietrza wchodzi jednym krućcem, w który dodawany jest również argon celem przyśpieszenia procesu. Próżnia wydobywa tlen ze stali, stal bez powietrza staje się cięższa i opada na pochyłe dno, którym spływa do drugiego krućca.

procesy konwertorowe,

• rafinowanie ciekłej stali w kadzi z

wykorzystaniem argonu lub poprzez indukcję,

• LF - piec kadziowy

Piec kadziowy przypomina piec łukowy. Składa się z kadzi ustawionej na specjalnym wozie, pokrywy (sklepienia) z elektrodami, automatycznego systemu dozowania dodatków stopowych i zwykle maszyny do wprowadzania drutów rdzeniowych.Łuk elektryczny służy do podgrzewania ciekłej stali i dlatego nie są konieczne tak duże moce prądu jak w elektrycznych piecach łukowych.Podgrzewanie jest wymagane w celu realizacji procesu nagrzewania stali, uzyskania jednorodnej temperatury i składu chemicznego metalu w całej objętości kadzi, realizacji obróbki kąpieli żużlem rafinacyjnym i umożliwienia wprowadzania dodatków stopowych na powierzchnię stali wolną od żużla, co zwiększa ich uzysk.

• VAD - Vacuum Arc Degasing,

Polega na kompleksowej rafinacji stali w kadzi z podgrzewaniem i odgazowaniem

próżniowym. Kadź umieszczona jest w komorze

próżniowej wyposażonej w urządzenia próżniowe oraz nagrzewanie łukowe.

Ciekła stal przepłukiwana jest argonem przez kształtkę w dnie kadzi

poddawanie działaniu próżni małych porcji ciekłej stali pobieranych z kadzi i

oddawanych z powrotem do niej.

• VD - zbiornik próżniowy,

Proces VD jest procesem stacjonarnym polegającym na odgazowaniu metalu w kadzi, przy zastosowaniu mieszania gazem obojętnym. Zastosowanie procesu

próżniowego ma na celu odtlenienie i głębokie odwęglenie metalu, co jest możliwe przez zależność reakcji odwęglania od ciśnienia tworzącego się tlenku węgla. W procesie VD odgazowanie następuje w kadzi odlewniczej przez wstawienie jej do oddzielnej komory próżniowej. \Dla wzmożenia przebiegu reakcji potrzebne jest intensywne przedmuchiwanie argonem.

Przebieg VD:

• Ściągnięcie żużla za pomocą gracy

• Kadź z ciekłą stalą zamykana jest w komorze próżniowej

i uzyskuje się w niej ciśnienie poniżej 250 Pa.

czas rafinacji stali w próżni, zalecany na ok. 15 minut.

przez kształtkę gazo przepuszczalną wprowadza się

argon pod ciśnieniem powyżej 0,15 Mpa,

• Ciśnienie jest regulowane w oparciu o obserwacje

zachowania się ciekłej stali i żużla, aby nie prowadzić do

wyrzutów żużla i stali z kadzi.

• Po zaplanowanym czasie rafinacji w próżni, napowietrza

się komorę próżniową, wyłącza argon, następnie

odczekuje się ok. 3 minuty, po których dokonuje się

pomiaru temperatury i kontroli składu chemicznego stali.

• VOD - Vacuum Oxygen Decarbrisation,

Polega na świeżeniu w próżni poprzez wdmuchiwanie tlenu z góry lancą z

równoczesnym przepłukiwaniem stali argonem przez kształtkę w dnie kadzi

• Procesy oparte na cyrkulacji stali.

(świeżenie - - to w metalurgii proces podczas wytopu niektórych metali (cyna, miedź, ołów, stal) służący usuwaniu z nich niepożądanych domieszek poprzez ich utlenianie tlenem atmosferycznym lub zawartym w tlenkach dodawanych do wytapianej mieszaniny. Usuwa się w ten sposób niektóre inne metale (np. mangan), oraz inne pierwiastki, jak fosfor, krzem czy węgiel (lub ich nadmiar). Domieszki te przechodzą z wytapianego metalu do żużla lub uchodzą do atmosfery jako dym)

Ten nowoczesny proces technologiczny otrzymywania stali mona podzielić na trzy etapy (rysunek 1 ).

W pierwszym etapie wytapiania realizowanym w konwertorze bądź elektrycznym piecu łukowym dokonuje się proces wytapiania, świeżenia kąpieli metalowej, proces jej od fosforowania oraz podgrzewa się stal do temperatury umożliwiającej prawidłowy spust stali do kadzi.

W etapie drugim po zakończonym spuście ciekłego metalu do kadzi realizuje się procesy rafinacyjne umożliwiające odsiarczenie, odtlenienie stali, usuniecie z niej wtrąceń niemetalicznych, a w przypadku stosowania próżni odgazowanie stali względnie jej dodatkowe odwęglenie.

W trzecim etapie produkcji realizowany jest proces odlewania stali. W nowoczesnej stalowni proces ten dokonuje się na maszynie do ciągłego odlewania stali.

Wytapianie rafinacja odlewanie

Rysunek 1. Schemat nowoczesnej linii produkcji stali.

Procesy pozapiecowej obróbki stali od prawie półwiecza stanowią integralną część

technologii stalowniczych. Stale następuje ich rozwój, co pozwala na produkcję stali o coraz

wyższych parametrach jakościowych w sposób optymalnie ekonomiczny. Procesy

rafinacyjne stali w kadzi można realizować w szeregu opracowanych i wdrożonych do

produkcji technologiach. Zazwyczaj zawierają one w sobie szereg procesów prostych,

takich jak argonowanie, stosowanie żużli rafinacyjnych, techniki niskich ciśnień,

wspomaganych procesami precyzyjnego uzupełniania składu chemicznego drutem

rdzeniowym, technikami wdmuchiwania proszków celem głębokiego odsiarczania stali,

oraz podgrzewania ciekłej stali w kadzi.

Do najbardziej znaczących efektów uzyskiwanych dzięki zastosowaniu procesów metalurgii

pozapiecowej zaliczyć należy :

• zdecydowane ograniczenie zanieczyszczeń stali takimi składnikami jak: siarka,

fosfor, azot, wodór, tlen,

• uzyskiwanie optymalnego stopnia czystości pod względem zawartości wtrąceń

niemetalicznych w stali,

• wręcz precyzyjną dokładność co do zakresu zawartości składników stopowych w

stali,

• wysoką jednorodność chemiczną i termiczną metalu, adekwatną do wymagań

procesu ciągłego odlewania stali.

Wpływ na jakość stali:

Procesy pozapiecowej obróbki stali umożliwiają uzyskanie znacznie czystszych stali o

ścisłym i bardziej powtarzalnym składzie chemicznym niż przy wykorzystaniu samych

pieców elektrycznych. Dzięki znacznie korzystniejszym warunkom metalurgicznym

umożliwiają zmniejszenie zużycia jednostkowej energii na wyprodukowanie tony stali i

wzrost uzysku wprowadzanych dodatków stopowych i Żużlotwórczych, obniżając koszty

wytapiania stali. Zapewniają także dostawę jednorodnych pod względem składu i temperatury

porcji ciekłej stali w wymaganym czasie, umożliwiając wydłużenie sekwencji ciągłego

odlewania, przyczyniając się do obniżki kosztów wytwarzania półwyrobów stalowych.

7. Klasyfikacja stali spawalnych (wg kryterium wytrzymałości) i ich charakterystyka.

Stale spawalne o podwyższonej wytrzymałości

• Przeznaczone na duże konstrukcje przemysłowe: mosty, zbiorniki, statki, rurociągi, których głównym procesem wytwarzania jest spawanie. Ze względu na spawalność, stale mają ograniczoną zawartość węgla do

0,20%. Przy tak niskiej zawartości węgla, podwyższoną wytrzymałość

otrzymuje się poprzez równoczesne działanie następujących

czynników:

• umocnienie roztworowe ferrytu manganem (do ok. 2%) i krzemem (do

ok. 0,6%)• rozdrobnienie ziarna poprzez wprowadzenie mikrododatków (Al, Nb, V,

Zr, Ti, N) hamujących rozrost ziarna;

• utwardzenie wydzieleniowe węglikami i węglikoazotkami;

• rozdrobnienie ziarna przez stosowanie zabiegów regulowanego

walcowania, w dwóch zakresach temperatury: wstępne walcowanie — w

temperaturze wyższej, wykańczające — w niższej przy niewielkim

gniocie i przyspieszonym chłodzeniu w warunkach zapewniających

intensywne wydzielanie węglikoazotków i azotków;

• dodatki Cr, Ni, Mo (0,5-0,8 %) oraz mikrododatek B poprawiające

hartowność stali ulepszanych cieplnie;

Podział stali spawalnych o podwyższonej wytrzymałości ze względu na

skład chemiczny i strukturę:

• stale zawierające Mn i mikrododatki Al, Nb, V, Ti, Zr, N o strukturze

ferrytyczno-perlitycznej (normalizowane);

• stale zawierające Mn i Mo z mikrododatkiem B o strukturze bainitycznej

(chłodzone na powietrzu, bezpośrednio z temperatury końca walcowania);

• stale zawierające Mn, Ni, Cr, Mo i mikrododatki V, Zr, B o strukturze sorbitu

(ulepszone cieplnie)

Stale spaw. wysokiej wytrzymałości ze względu na główny mechanizm umocnienia podzielić można na 4 grupy:

-ulepszone cieplnie

-utwardzone wydzieleniowo miedzią

-po obróbce cieplno-plastycznej

-ultraniskowęglowe stale bainityczne

Stale o wysokiej wytrzymałości ulepszone cieplnie w składzie chemicznym zawierają węgiel jako główny pierwiastek zwiększający wytrzymałości martenzytu oraz dodatki pierwiastków zwiększających hartowność co powoduje wysoką skłonność do pęknięć zimnych i zwiększa znacząco koszty przetwarzania tych stali na konstrukcje spawane.

Najczęściej używanym kryterium podziału jest kategoria wytrzymałości stali, określana minimalną gwarantowaną granicą plastyczności danego gatunku. Z tego powodu dzielimy je na:

• Zwykłej (normalnej) wytrzymałości Remin= 195-275MPa

• Podwyższonej wytrzymałości Ro0,2 min= 275-460MPa

• Wysokiej wytrzymałości Rp0,2min=460-960Mpa

8. Zastosowania stali spawalnych o podwyższonej i wysokiej wytrzymałości.

Stale spawalne o podwyższonej wytrzymałości

• Przeznaczone na duże konstrukcje przemysłowe: mosty, zbiorniki, statki,

rurociągi, których głównym procesem wytwarzania jest spawanie.

Stale spawane wysokiej wytrzymałości
są stosowane w dużych konstrukcjach spawanych o wysokim stopniu zaawansowania technicznego oraz odpowiedzialności jak: okręty wojenne (nawodne i podwodne) statki (o dużym otwarciu pokładu, tankowce) konstrukcje przybrzeżne (platformy stałe i ruchome) rurociągi przesyłowe ropy i gazu ziemnego (naziemne i podwodne) zbiorniki ciśnieniowe, dźwigi samojezdne.

9. Stale spawalne o podwyższonej wytrzymałości i mechanizmy ich umocnienia.

Stale o podwyzszonej wytrzymałości- tzw stale SPW. Wzrost zawartosci wegla i składników stopowych pogarsza spawalnosc tych stali. Wzrasta bowiem niebezpieczenstwo wystepowania pęknięć zimnych głównie w HAZ złączy. Zwykle w HAZ (strefa wpływu ciepła) wystepuje wzrost twardosci spowodowany zwiekszona sklnnoscia tych stali do podhartowania

Ze względu na spawalność, stale mają ograniczoną zawartość węgla do

0,20%. Przy tak niskiej zawartości węgla, podwyższoną wytrzymałość

otrzymuje się poprzez równoczesne działanie następujących

czynników:

• umocnienie roztworowe ferrytu manganem (do ok. 2%) i krzemem (do

ok. 0,6%)

• rozdrobnienie ziarna poprzez wprowadzenie mikrododatków (Al, Nb, V,

Zr, Ti, N) hamujących rozrost ziarna;

• utwardzenie wydzieleniowe węglikami i węglikoazotkami;

• rozdrobnienie ziarna przez stosowanie zabiegów regulowanego

walcowania, w dwóch zakresach temperatury: wstępne walcowanie — w

temperaturze wyższej, wykańczające — w niższej przy niewielkim

gniocie i przyspieszonym chłodzeniu w warunkach zapewniających

intensywne wydzielanie węglikoazotków i azotków;

• dodatki Cr, Ni, Mo (0,5-0,8 %) oraz mikrododatek B poprawiające

hartowność stali ulepszanych cieplnie;

10. Stale spawalne o wysokiej wytrzymałości i mechanizmy umocnienia w poszczególnych grupach.

Stale o wysokiej wytrzymałości:

• Niskowęglowe i niskostopowe stale konstrukcyjne o gwarantowanej Rp_0,2 = 420-960MPa oraz dobrej ciągliwości i spawalności,

• Podział ze względu na mechanizm umocnienia:

• Ulepszone cieplnie

• Utwardzone wydzieleniowo miedzią

• Po obróbce cieplno-plastycznej

• Ultraniskowęglowe bainityczne

• Mają kluczowe znaczenie dla wielu dziedzin gospodarki i obronności

Stale ulepszone cieplnie - Tradycyjne stale o wysokiej wytrzymałości wytwarza się jako ulepszone cieplnie, wykorzystując jako mechanizmy umocnienia przemianę fazową austenitu w martenzyt (bainit) oraz wydzielenie dyspersyjnych węglików i węgloazotków wtórnych podczas odpuszczania.
W stalach spawalnych ze względu na obniżoną zawartość węgla poniżej 0,2% uzyskuje się po hartowaniu strukturę martenzytu niskowęglowego o budowie listwowej i znacznie lepszej ciągliwości w stosunku do stali średniowęglowych do ulepszania cieplnego i utwardzania powierzchniowego.

Skład chemiczny stali:
wysoką wytrzymałość nadają stali odpowiednia zawartość węgla oraz dodatki stopowe regulujące hartowność, dostosowana do grubości wyrobu. Jako pierwiastki zwiększające hartowność dodaje się: Cr, Mo, V, Ni oraz Br który bardzo silnie zwiększa hartowność przy zawartości 0,001-0,005%. Nikiel dodatkowo zapewnia stali ciągliwość obniżając temperaturę przejścia w stan kruchy. Niewielkie ilości dodatków V, Nb, Ti, Zr biorą udział w utwardzeniu wydzieleniowym nie pogarszając ciągliwości stali.

Stale utwardzone wydzieleniowo miedzią - na początku lat 70 stale utwardzone wydzieleniowo miedzią objęte zostały normami ASTM na stale konstrukcyjne (A710A) o granicy plastyczności 517 MPA i stale na zbiorniki ciśnieniowe (A736A).
Stale komercyjne stosowane są przede wszystkim na konstrukcje przybrzeżne, gdzie występują elementy o znacznie większych grubościach niż w budowie okrętów, a co za tym idzie, częściej trzeba stosować podgrzewanie przed spawaniem.
Następnie zaczęto wprowadzać stale z miedzią do norm marynarki wojennej USA i zastępować nimi dotychczas stosowane stale ulepszone cieplnie HY-80 i HY-100. Na początku lat 80 stal o oznaczeniach HSLA-80 wprowadzono na miejsce gatunku HY-80, a na początki lat 90 stal HSLA-100 zamiast HY-100.
Stal HSLA-80 stosuje się na pokłady oraz grodzie okrętów nawodnych: niszczycieli i krążowników. Stal HSLA-100 po raz pierwszy zastosowano zamiast HY-100 do budowy usztywnionych paneli pokładów lotniskowców o napędzie atomowym oznaczonych CVN 74 i CVN 75 (klasy Nimitz).

Stale utwardzone wydzieleniowo miedzią objęte są normą PN-EN 10137-3, która przewiduje cztery gatunki (S500A, S550A, S620A, S690A).
Skład chemiczny i rola pierwiastków w stalach z miedzią są następujące:

• Zawartość węgla ograniczono do 0,06-0,12 % w zależności od norm, co poprawia spawalność przez ograniczenie lub eliminuje przemiany martenzytycznej w strefie wpływu ciepła (SWC) oraz polepsza ciągliwość materiału rodzinnego i złącza spawanego.

• Miedź w ilości 1-2% jest głównym dodatkiem stopowym zwiększającym wytrzymałość stali. Miedź wydziela się podczas starzenia w postaci dyspersyjnych cząstek roztworu e-Cu (prawie czysta miedź) o wielkości 5-30mm.

• Nikiel w ilościach 0,7-2,0% zapobiega kruchości stali na gorąco wywołanej znacznym dodatkiem miedzi oraz polepsza ciągliwość.
  

---