1. Cel ćwiczenia:

Zapoznanie się z właściwościami, składem chemicznym oraz budową strukturalną stali o wysokiej wytrzymałości (SWW) ulepszonych cieplnie (u.c.) na konstrukcje spawane.

2. Wstęp:

Do grupy stali o wysokiej wytrzymałości zaliczane są stale konstrukcyjne o granicy plastyczności R_e ≥ 420 MPa o specjalnie dobranym składzie chemicznym po ulepszaniu cieplnym lub obróbce cieplno plastycznej (TMCP). Podstawą rozwoju SWW były dwie zależności (Halla-Petcha i Irvina). Z zależności tych wynika, że R_e i temperatura krytyczna przejścia w stan kruchy (TKV) dla stali o stałym składzie chemicznym zmieniają się liniowo wraz ze średnicą ziaren w potędze -½. SWW ulepszone cieplnie zawdzięczają swoje własności strukturze uzyskanej w wyniku obróbki cieplnej, tj. hartowania i odpuszczania. Strukturę tę stanowi zwykle niskowęglowy odpuszczony martenzyt o twardości 350÷400 HV z licznymi wydzieleniami węglików i węglikoazotków o własnościach zdecydowanie różniących się od martenzytu uzyskiwanego w klasycznych stalach do ulepszania cieplnego.

Struktura odpuszczonego martenzytu jest w stalach ulepszonych cieplnie pojęciem nieprecyzyjnym. Ze względu na małą zawartość węgla w czasie procesu hartowania w stalach tych nie zachodzi przemiana martenzytyczna, ale przemiana zwana masywną, której produktem jest ferryt masywny, charakteryzujący się dużą wytrzymałością, twardością i dobrą ciągliwością. Proces odpuszczania ferrytu masywnego zwiększa jego ciągłość przy nieznacznym zmniejszeniu wytrzymałości.

Oprócz pięciu składników - C, Mn, Si, P, S - stale ulepszone cieplnie WW zawierają niewielkie dodatki (0,5÷1%) niklu, chromu, molibdenu oraz mikrododatki boru i wanadu, miedzi, aluminium, niobu, tytanu i cyrkonu.

Skład chemiczny SWW wg przepisów towarzystw klasyfikacyjnych:

Kategoria stali	Skład chemiczny (maksimum) [%]
		C	Si	Mn	P	S
A D, E F	0,21 0,20 0,18	0,55 0,55 0,55	1,70 1,70 1,60	0,035 0,030 0,025	0,035 0,030 0,025

Zgodnie z ISO przyjęto sześć klas wytrzymałościowych stali WW, a każda z tych klas została dodatkowo podzielona na cztery kategorie A, D, E, F różniące się między sobą temperaturą badania udarności.

Kategoria stali	Własności mechaniczne			Energia łamania
		R0,2 min [MPa]	Rm [MPa]	A5min [%]	temperatura badania [°C]	średnia energia min. [J]
										próbki wzdłużne	próbki poprzeczne
A420 D420 E420 F420	420	530÷680	18	0 -20 -40 -60	42	28
A460 D460 E460 F460	460	570÷720	17	0 -20 -40 -60	46	31
A500 D500 E500 F500	500	610÷770	16	0 -20 -40 -60	50	33
A550 D550 E550 F550	550	670÷830	16	0 -20 -40 -60	55	37
A620 D620 E620 F620	620	720÷890	15	0 -20 -40 -60	62	41
A690 D690 E690 F690	690	770÷940	14	0 -20 -40 -60	69	46

Powyższe wymagania dotyczą blach i płaskowników o grubości do 70 mm. Badaniom właściwości mechanicznych poddawany jest każdy arkusz blachy po zakończeniu obróbki cieplnej. Jednakże dla blach i szerokich płaskowników wymaga się przeprowadzenia próby udarności na próbkach pobranych w poprzek kierunku walcowania. Zaostrzenie tego wymagania w porównaniu z wymaganiami dotyczącymi stali o zwykłej i podwyższonej wytrzymałości, wynika z tego powodu, że stale ulepszane cieplnie WW stosowane są głównie na bardzo odpowiedzialne elementy konstrukcyjne jednostek wiertniczych czy obiektów podwodnych, a w niewielkim stopniu na kadłuby statków.

3. Metodyka:

Na ćwiczeniu poddano obserwacji mikroskopem świetlnym STUDAR pięć zgładów: przy powiększeniu 650x (obliczonym ze wzoru:
) wykonano rysunki struktur, natomiast przy powiększeniu 100x (na mikroskopie metalograficznym z pionową osią optyczną) określono wielkość ziaren, pasmowość i zanieczyszczenia.

Opis próbek: Po wycięciu z badanej części jedna powierzchnia każdej próbki została wyszlifowana papierem ściernym i wypolerowana. Po uzyskaniu zgładu wolnego od rys powierzchnię umyto wodą i alkoholem, a następnie całość wytrawiono nitalem (Mi1Fe), w celu ujawnienia granicy ziaren.

Poszczególne rysunki obserwowanych struktur przedstawiają kolejno stale:

• rysunki 1÷3 - stal 14HNMBCu

• rysunek 4 - stal RAEX 420

• rysunek 5 - stal 15G2ANb

4. Analiza:

1. Skład chemiczny badanych gatunków stali wg otrzymanych atestów:

STAL	C	Mn	Si	Cr	Ni	Cu	Mo	P	S	Nb	Al	B	V	Ti	N
14HNMBCu	0,14	0,78	0,35	0,60	0,70	0,31	0,42	0,02	0,02	-	0,038	0,003	0,05	-	-
RAEX 420	0,12	1,37	0,31	0,02	0,03	0,01	0,002	0,013	0,003	0,037	0,049	-	0,006	0,003	0,006
15G2ANb	0,18	1,6	0,22÷0,55	0,3	0,3	0,3	0,1	0,035	0,035	0,02÷0,06	0,02	-	0,1	-	-

2. Właściwości mechaniczne badanych gatunków stali:

STAL	Re [ ^N/mm^2]	Rm [ ^N/mm^2]	A5 [%]
14HNMBCu	798	838	13,5
RAEX 420	459	527	29
15G2ANb	490	-	-

3. Energia łamania w próbie KV badanych gatunków stali:

STAL	Energia łamania
		t [°C]	KV [J]
14HNMBCu	+20		105
RAEX 420	-50		199
15G2ANb	-40		46

4. Zgodność z wymaganiami towarzystw klasyfikacyjnych:

Zgodność z wymaganiami towarzystw klasyfikacyjnych ocenia się za pomocą zawartości pierwiastków chemicznych w danej stli, energii łamania i właściwości mechanicznych.

Po porównaniu danych z powyższych tabel z danymi ze skryptu możemy poszczególne próbki określić jako następujące kategorie stali:

1. Stal 14NMBCu - trudno jest jednoznacznie określić kategorię, ponieważ próba udarności dla tej próbki została przeprowadzona (wg otrzymanego atestu hutniczego) w temperaturze pokojowej (+20°C), natomiast jej granica plastyczności wskazywałaby jedną z kategorii 690.

2. Stal RAEX 420 - stal kategorii E420 lub F420

3. Stal 15G2ANb (u.c.) - stal kategorii E460

1. Wstępna ocena spawalności:

Spawalność jest to przydatność metalu o danej wrażliwości na spawanie do utworzenia w określonych warunkach spawania złącza metalicznie ciągłego o wymaganej użyteczności.

Przy badaniu spawalności materiału rodzimego SWW ocenia się:

1. Skłonność do tworzenia się pęknięć na zimno:

Wrażliwość na pękanie na zimno oblicza się ze wzoru:


[%]

Wynosi ona dla poszczególnych stali:

• 14HNMBCu
  [%]

• RAEX 420


[%]

• 15G2ANb


[%]

Maksymalna zawartość P_cm podlega uzgodnieniu z towarzystwem klasyfikacyjnym i powinna być określona w dokumentacji uznaniowej.

Przykładowe kryterium oceny odporności na pękanie zimne:

TO ≤ 20 - stal odporna

TO ≥ 100 - stal skłonna

20 < TO < 100 - stal częściowo skłonna

gdzie: TO = 1440 · P_w - 392 - temperatura podgrzewania wstępnego,


- parametr pękania,

H_D - zawartość wodoru dyfundującego w ml na 100g

stopiwa,

R_FY - współczynnik sztywności,

R_FY = 70 · t - dla t < 40 mm, R_FY = 2800 dla t > 40 mm ,

P_cm - parametr charakteryzujący kruchość.

• Stal 14NMBCu:

P_cm = 0,296 %

H_D =


R_FY = 12 mm


%

TO = 1440 · 0,38 - 392 ≈ 154,7

• Stal RAEX 420:

P_cm = 0,202 %

H_D =


R_FY = 12 mm


%

TO = 1440 · 0,286 - 392 ≈ 19,3

• Stal 15G2ANb:

P_cm = 0,324 %

H_D =


R_FY = 12 mm


%

TO = 1440 · 0,408 - 392 ≈ 195

Podsumowując otrzymane wyniki stwierdzamy, że stale 14NMBCu i 15G2ANb mają TO >100, zatem są skłonne do pękania na zimno, natomiast stal RAEX 420 posiada TO < 20, czyli jest odporna na pękanie na zimno.

2. Odporność materiału na starzenie:

Odporność na starzenie ocenia się na podstawie próby udarności próbek z materiału odkształconego plastycznie do wartości 5% (10%) oraz wyżarzanych w temperaturze 250°C przez 30 minut. Energia uderzenia nie powinna w tym wypadku zmniejszyć się więcej niż o 50%.

5. Wnioski:

• ilość faz (struktura jedno-, dwu-, lub wielofazowa) zależy od składu chemicznego, szybkości chłodzenia oraz warunków przemiany austenitu,

• wzrost odkształcenia powoduje wzrost właściwości wytrzymałościowych przy praktycznie niezmiennych właściwościach plastycznych,

• hartowanie powoduje wzrost wytrzymałości i twardości, jednak zwiększa kruchość i zmniejsza spawalność; pomniejszeniu tych wad służ ulepszanie cieplne, które powoduje z kolei spadek wytrzymałości i twardości.

• stal RAEX 420 charakteryzuje się bardzo wysoką energią łamania (199 J) w niskiej temperaturze (-50°C), jest również odporna na pękanie zimne (TO < 20), dzięki czemu może być stosowana np. na zbiorniki do przewozu gazów skroplonych.

• spawanie stali WW stwarza następujące problemy:

• istnieje prawdopodobieństwo pękania zimnego, spowodowane występowaniem martenzytu,

• może wystąpić zmniejszenie ciągliwości w obszarze sfery wpływu ciepła,

• przy spawaniu byt wysokimi mocami liniowymi łuku może powstawać struktura bainityczna; tworzący się w niekontrolowany sposób bainit wpływa na pogorszenie ciągliwości.

• stale ulepszone cieplnie WW stosowane są w odpowiedzialnych konstrukcjach morskich spawanych, a ich udział w ogólnej masie konstrukcji wynosi od kilku do nawet kilkudziesięciu procent. Dotychczas stale te stosowano w następujących konstrukcjach morskich:

• statkach nawodnych, o dużym otwarciu pokładu, na mocnice i pokład,

• statkach do przewozu gazów skroplonych (LPG) na zbiorniki ładunkowe, bariery wtórne,

• jednostkach specjalnych,

• jednostkach wiertniczych, poszukiwawczych i wydobywczych na elementy nośne podpór,

• obiektach podwodnych na kadłub wytrzymałościowy.

1

- 1 -

---