1

Normalizacja i ocena jako ści metali

Stale spawalne o podwy ższonej wytrzymało ści

2

Spawalność - podstawowa własność niskostopowych stali

spawalnych Spawalność jest właściwością technologiczną określającą zdolność

materiału do uzyskania założonych właściwości mechanicznych po spawaniu.

O przydatności do spawania elementu konstrukcji współdecydują trzy główne czynniki:

� spawalność metalurgiczna - charakteryzująca zachowanie się materiału podczas spawania i wpływu spawania na właściwości spawanego materiału i złącza,

� spawalność technologiczna, związana z technologią spawania i jej wpływem na właściwości złącza,

� spawalność konstrukcyjna, ujmująca znaczenie rozwiązania konstrukcyjnego elementu oraz wpływ grubości materiału na jakość i właściwości złącza

3

Spawalność metalurgiczna

� Określenie spawalności stali za pomocą składu chemicznego materiału rodzimego - za pomocą równoważnika węgla CE

[%]6

MnCCe +=

[%]15

CuNi

5

VMoCr

6

MnCCEIIW

++++++=

[%],B510

V

15

Mo

60

Ni

20

Cr

20

Cu

20

Mn

30

SiCPcm ++++++++=

CE - wskaźnik hartowności i spawalności stali. CE<0,45%Wysoka wartość CE - ryzyko pęknięć zimnych w SWC. ..

Skład chemiczny stali powinien być tak dobrany, aby ograniczyć zmiany struktury, występujące po spawaniu w SWC

Należy uniemożliwić tworzenie się struktur hartowania o dużej twardości i małej plastyczności

Dla stali typu C-Mn

CEIIW stosowanydla stali PW

Pcm wskazany dla stali niskostopowych ulepszonych cieplnie

4

Podział stali na grupy materiałowe wg ISO/TR 15608

Materiały o podobnych charakterystykach metalurgicznych i spawalniczych stanowią grupę materiałową

Spawacz może spawać dowolny materiał podstawowy z danej grupy materiałowej, jeśli jest wymieniona w jego uprawnieniach

5

Podział stali na grupy materiałowe

wg ISO/TR 15608

6

Podział stali na grupy materiałowe

wg ISO/TR 15608

7

Podział stali spawalnych

� Stale o normalnej wytrzymałości (NW) - Re min = 240-270 MPa

� Stale o podwyższonej wytrzymałości (PW) - Re min = 270-420 MPa

� Stale o wysokiej wytrzymałości (WW) - Re min = 420-690 MPa

� Stale o bardzo wysokiej wytrzymałości Re min > 690 MPa

8

Dążenie do obniżenia masy konstrukcji przy zapewnieniu dobrej spawalności stalibyło przyczyną opracowania stali konstrukcyjnych, zwanych stalami o podwyższonejwytrzymałości (PW).

Stale PW są definiowane jako stale o minimalnej granicy plastyczności powyżej 275MPa oraz tak dobranym składzie chemicznym i procesie wytwarzania, abycharakteryzowały się zarówno dobrą wytrzymałością, odpornością na pękanie,ciągliwością oraz spawalnością.

W stalach PW, przy zawartości węgla ograniczonej warunkiem dobrej spawalności,granica plastyczności może być zwiększona przez:

Stale konstrukcyjne spawalne o podwyższonej wytrzymałości

� umocnienie ferrytu rozpuszczonymi dodatkami stopowymi,

� umocnienie ferrytu drobnodyspersyjnymi węglikami, azotkami czy węglikoazotkami mikrododatków stopowych,

� silne rozdrobnienie ziarna ferrytu,

� obróbkę cieplną - normalizowanie lub ulepszanie cieplne.

9

Podział stali spawalnych PW ze względu na skład

chemiczny i technologię wytwarzania

� stale PW typu C-Mn (normalizowane)

� stale PW mikrostopowe, C-Mn z dodatkami stopowymi V, Nb, Ti (normalizowane)

Mechanizmy umocnienia stali:

� umocnienie roztworowe różnowęzłowe� rozdrobnienie ziaren� umocnienie wydzieleniowe� zwiększenie zawartości perlitu w strukturze stali

10

Stale spawalne o podwyższonej wytrzymałości C-Mn

� Stale PW typu C-Mn zawierają zwiększoną zawartość manganu do 2,0%.

� Wyroby walcowane z tych stali dostarczane są w stanie wyżarzonym normalizuj ąco lub walcowanym normalizuj ąco.

� Mangan jest pierwiastkiem stosunkowo tanim i stąd powszechnie stosowanym jako dodatek stopowy, a jego oddziaływanie w stali polega na umacnianiu roztworowym ferrytu.

� Zawartość Mn w stalach spawalnych ponad 2% jest już szkodliwa ze względu na pogarszanie plastyczności stali

11

Stale spawalne o podwyższonej wytrzymałości C-Mn

� Stale o zwiększonej zawartości manganu do 1,5 - 2,0%� Re = 300 - 360 MPa

Znakstali

%C %Mn %Si %Cu %Al inne%

Ce max%

09G2 max0,12

1,201,80

0,150,40

max0,30

max0,02

V max. 0,1Mo max. 0,1

0,44

15GA max0,18

1,001,50

0,200,55

max0,30

max0,02

V max. 0,1Mo max. 0,1

0,45

18G2 max0,20

1,001,50

0,200,55

max0,30

max0,02

N max. 0,09 0,48

Oznaczenia stali wg PN-86/H-84018.

Przykład obecnego oznaczania stali tej klasy - S355J 2G3 wg PN-EN 10025:2007

12

Stale spawalne PW mikrostopowe

� Stale niskostopowe o podwyższonej wytrzymałości NSPW zawierają 0,02–0,2% C, zwiększoną zawartość manganu do 2,0% oraz do 0,15% jednego lub kilku z następujących pierwiastków (mikrododatków): Nb, V, Ti i Al.

� Stale te zazwyczaj mają niski poziom zanieczyszczeń, a niska zawartość węgla zapewnia dobrą spawalność.

� Pierwiastki mikrostopowe wpływają na wielkość ziarna austenitu stali nagrzanej do walcowania, na przebieg rekrystalizacji podczas walcowania, przebieg przemiany γ → α, oraz powodują umocnienie wydzieleniowe.

13

Stale spawalne PW mikrostopowe

Stale typu C-Mn z mikrododatkami Nb, V, Ti, Zr w ilości < 0,1%

Najważniejsze mechanizmy umocnienia:� umocnienie wydzieleniowe� rozdrobnienie ziarna

� Re - do 460 MPa

d

1kopl +σ=σ

σpl - naprężenie dolnej gr. plastycznościσo -naprężenie tarcia wew. sieci Feαk - staład - średnica ziarna

Znakstali

%C %Mn %Si %Cu %Al inne%

Ce max%

15G2ANb max0,18

1,201,65

0,100,55

max0,30

max0,02

Nb 0,02-0,06V max. 0,1

Mo max. 0,1

0,47

18G2AV max0,20

1,201,65

0,200,65

max0,30

max0,02

V 0,05-0,20 0,50

Oznaczenia stali wg PN-86/H-84018.

Przykład obecnego oznaczania stali tej klasy - S355J 2G3 wg PN-EN 10025:2007

14

Skład chemiczny i własno ści mechaniczne wyrobów walcowanych na gor ąco ze spawalnych stali konstrukcyjnych drobnoziarnistych po normalizowaniu

lub walcowaniu normalizuj ącym wg PN-EN 10025-3:2007

Maksymalne zawartości pierwiastków, % Min. własności mechaniczne1) Znak stali

C Si Mn V Inne CE ReH MPa

Rm MPa

A %

S275N 0,18 S275NL 0,16

0,40 0,5-1,5 0,05 0,40 275 370 24

S355N 0,20 S355NL 0,18

0,50 0,9-1,6 0,12

0,43 355 470 22

S420N S420NL

0,48 420 520 19

S460N S460NL

0,20

0,60

1,0-1,7

0,20

Nb 0,05

Ti

0,05

0,53 460 550 17

1) wyroby o grubości ≤16 mm N – stan dostawy, stale z określoną minimalną wartością pracy łamania w temperaturze -20°C L – grupa jakościowa stali z określoną minimalną wartością pracy łamania w temperaturze -50°C, zawartość P≤0,030% i S≤0,025% dla stali typu N, oraz P≤0,025% i S≤0,020% dla stali typu NL

15

Stale spawalne o podwyższonej i wysokiej wytrzymałości -zastosowanie

� Konstrukcje przybrzeżne� rurociągi do przesyłania

ropy naftowej i gazu ziemnego

� kadłuby okrętów � zbiorniki ciśnieniowe� ciężkie pojazdy i maszyny

robocze

Stale WW

16

Wymagania stawiane stalom spawalnym PW i WW

� Dobra spawalność (mała skłonność do tworzenia pęknięć zimnych)

� Wysoka wytrzymałość

� Ciągliwość materiału rodzimego i strefy wpływu ciepła złączy

spawanych w niskich temperaturach

� Odporność na pękanie lamelarne (mała anizotropia właściwości

mechanicznych)

� Odporność na pękanie pod wpływem środowiska ropy naftowej i gazu

ziemnego (dla stali na rurociągi)

17

Kierunki rozwoju stali PW i WW

� Otrzymywanie stali o wysokiej czystości metalurgicznej

� Zastosowanie ciągłego odlewania stali

� Zastosowanie obróbki cieplno-plastycznej z przyśpieszonym

chłodzeniem

� Modyfikacja składu chemicznego stali dla wykorzystania

efektu utwardzenia wydzieleniowego

18

Otrzymywanie stali o wysokiej czystości metalurgicznej

Etap oczyszczania Zabiegi metalurgiczne

Wstępne oczyszczanie

surówki

� usunięcie nadmiaru Si

� usunięcie nadmiaru P i S

Proces konwertorowy � regulacja zawartości C

Powtórne oczyszczanie

surówki

� usunięcie nadmiaru C

� odgazowanie

próżniowe

� usunięcie nadmiaru P

� odgazowanie próżniowe

� kontrola kształtu wydzieleń

19

Otrzymywanie stali o wysokiej czystości metalurgicznej

� Uzyskiwane zawartości zanieczyszczeń w stali� C = 8 ppm, P = 25 ppm, S = 3 ppm, � N = 15 ppm, H = 1 ppm, O = 5 ppm

20

Ciągłe odlewanie stali

Porównanie Ci ągłe odlewanie

stali

Odlewanie do wlewnic

i wst ępne walcowanie

Czasochłonność

(dla uzyskania kęsów)

0,5 - 1 godz. 24 - 48 godz.

Uzysk stali 96 - 99 % 80 - 90 %

Oszczędność energii 0,25 - 0,5 1

Zatrudnienie 6 -10 osób/zmianę 20 - 30 osób/zmianę

Oszczędność

powierzchni

produkcyjnej

<0,33 1

Porównanie ciągłego odlewania stali z odlewaniem do wlewnic i wstępnym walcowaniem

21

Metody wytwarzania półwyrobów ze stali PW i WW

� Obróbka cieplno-plastyczna z przyśpieszonym chłodzeniem

� Ulepszanie cieplne � Utwardzanie wydzieleniowe.

22

Stale spawalne PW po obróbce cieplno-plastycznej

� Drobnoziarnistą mikrostrukturę można uzyskać przez wyżarzanie normalizujące, ale dużo lepsze efekty uzyskuje się w wyniku zastosowania obróbki termoplastycznej przy wytwarzaniu wyrobów stalowych.

� Obróbka ta polega na regulowanym walcowaniu tj. kontrolowaniu poszczególnych gniotów oraz temperatury walcowania na gorąco w celu uzyskania drobnoziarnistej mikrostruktury bezpośrednio po obróbce plastycznej, dzięki czemu eliminuje się kosztowną obróbkę cieplną (normalizowanie).

� Regulowane walcowanie może być uzupełnione regulowanym chłodzeniem kształtującym końcową mikrostrukturę.

� Obróbka termo-plastyczna jest najbardziej efektywnym sposobem poprawy własności mechanicznych dzięki zmianie mikrostruktury. Może być stosowana do stali typu C-Mn oraz do stali z mikrododatkami. Istotną zaletą jest możliwość uzyskania wysokiej granicy plastyczności stali przy stosunkowo małej zawartości węgla, co znacznie poprawia spawalność stali.

23

Obróbka cieplno-plastyczna (TMCP)

TMCP (Thermo-Mechanical Controlled Process) - obróbk a cieplno-plastyczna CR (Controlled Rolling) - kontrolowane walcowanie AC (Accelerated Cooling) - przy śpieszone chłodzenie DQ-T (Direct Quenching and Tempering) -bezpo średnie hartowanie z temperatury

końca walcowania z odpuszczaniem

TMCP = CR +

AC

DQ - T

24

Kontrolowane walcowanie (CR) Kontrolowane walcowanie jest metodą polepszenia właściwości mechanicznych

stali poprzez rozdrobnienie ziarna z zastosowaniem kontrolowania:� temperatury podgrzewania wlewków,� temperatury początku i końca walcowania,� wielkości gniotów i odstępów czasowych pomiędzy nimi.

25

Kontrolowane walcowanie (CR)

Walcowanie konwencjonalne

Przyspieszone chłodzenie (woda)

R - walcowanie wstępne

F - walcowanie wykańczające

Czas

26

Przyspieszone chłodzenie po walcowaniu (TMCP)

Przyśpieszone chłodzenie po kontrolowanym walcowaniu powoduje wzrost wytrzymałości i ciągliwości stali przez:

� dalsze rozdrobnienie ziarna, � umocnienie osnowy ferrytu, � zwiększanie udziału perlitu i bainitu w strukturze

27

Skład chemiczny i własno ści mechaniczne wyrobów walcowanych na gor ąco ze spawalnych stali konstrukcyjnych drobnoziarnistych po walcowaniu

termomechanicznym wg PN-EN 10025-4:2007

Maksymalne zawartości pierwiastków, % Min. własności mechaniczne1) Znak stali

C Si Mn V Inne CE ReH, MPa

Rm , MPa

A, %

S275M S275ML

0,13 0,08 0,34 275 360 24

S355M S355ML

0,14

0,50 1,50

0,10

0,39 355 450 22

S420M S420ML

0,43 420 500 19

S460M S460ML

0,16

0,60

1,70

0,12

0,45 460 530 17

1) wyroby o grubości ≤16 mm M – stan dostawy, stale z określoną minimalną wartością pracy łamania w temperaturze -20°C L – grupa jakościowa stali z określoną minimalną wartością pracy łamania w temperaturze -50°C, zawartość P≤0,035% i S≤0,030% dla stali typu M, oraz P≤0,030% i S≤0,025% dla stali typu ML

28

Stale TMCP

Wielko ść CR CR + ACudział perlitu, % 14.7 21.0

Wielkość ziarna ferrytuwg ASTM

8.0 10.7

HV ferrytu 95 109

Wpływ przy śpieszonego chłodzenia po kontrolowanym walcowaniu na mikrostruktur ę stali ferrytyczno-perlitycznej

Gatunek Re KV Skład chemiczny , %wg API

MPa-20°C

JC Si Mn P max S

maxNb V Ti inne

X70 525 113 0,110 0,32 1,58 0.016 0.003 0,04 0,06 - -

X65 HICLC

482 379 0,03 0,19 0,82 0,005 0,001 0,04 - + 0,001B0,3Ni

X80 579 133 0,075 0,31 1,59 0,006 0,004 0,04 - + 0,22 Mo60ppm N

Skład chemiczny i wła ściwo ści mechaniczne wybranych gatunków stali wg API na ruroci ągi ropy i gazu

29

Proces TMCP

Contorolled Rolling (CR)

Accelerated Cooling (AC)

30

Mikrostruktura stali TMCP

20ｵm 5ｵm

Walcowanie konwencjonalne TMCPŹródło: Tomoyuki Yokota “Ferrite grain size refinement through γ - α transformation” Technical Rapport, NKK Corp. (JFE group)

Wielkość ziarna

31

Czy jest możliwe dalsze rozdrobnienie ziaren w procesie

TMCP?

20ｵm 5ｵm

Konwencjonalne walcowanie

TMCP

1ｵm

UFG

UFG - ultrafine grain steels

Źródło: Tomoyuki Yokota “Ferrite grain size refinement through γ - α transformation” Technical Rapport, NKK Corp. (JFE group)

32

Stale spawalne PW ulepszone cieplnie

� Stale konstrukcyjne ulepszone cieplnie mają najwyższą wytrzymałość w grupie stali spawalnych (Re 500-960 MPa) i są stosowane na konstrukcje przenoszące duże obciążenia zarówno w temperaturze pokojowej jak i obniżonej.

� Jednoczesne spełnienie wymogów wysokiej wytrzymałości i spawalności stali narzuca określone ograniczenia w składzie chemicznym, a zwłaszcza ograniczenia wartości równoważnika węgla CE.

� Stale te zawierają około 0,15% węgla, dodatki Mn, Mo, Ni, Cr i mikrododatki V, Zr i B. Stale ulepszane cieplnie mogą być hartowane bezpośrednio z temperatury końca walcowania lub nagrzewane ponownie do hartowania. Temperatury odpuszczania mieszczą się w granicach 500-700°C.

� Po obróbce cieplnej stale mają mikrostrukturę sorbityczną, co zapewnia najwyższe własności wytrzymałościowe.

� Spawalność oraz plastyczność takich stali jest jednak niższa w porównaniu do stali otrzymanych w procesie termomechanicznym.

33

Stale spawalne wysokiej wytrzymałości ulepszane cieplnie

Gatunek Re Skład chemiczny , %

MPaC Si Mn P max S

maxCr Ni Mo inne

T1 USA 690 0.100.20

0.150.35

0.601.00

0.035 0.040 0.400.80

0.701.00

0.400.60

Cu-0,15-0,50V-0,03-0,10B-0,002-0,006

HY-80 USA 550 0.100.20

0.120.38

0.100.45

0.020 0.020 1.291.86

2.433.32

0.270.63

Cu max -0,25Vmax 0,03Timax 0,02

14HMNBCu

Pol 690 0,110,18

0,150,35

0,601,00

0,030 0,030 0,400,65

0,701,00

0,400,60

Cu-0,25-0,40V-0,03-0,08B-0,002-0,005

Skład chemiczny: C <0,20%, Mn ~1,0%, Ni ~1,0%, Cr i Mo ~0,50% oraz dodatki Ti, V, B

� Struktura - martenzyt wysoko odpuszczony (niskowęglowy) � Problemy spawalności

� obniżenie ciągliwości i wytrzymałości materiału w obszarze SWC� skłonność do tworzenia pęknięć zimnych� konieczność podgrzewania wstępnego przed spawaniem

34

Skład chemiczny i własno ści mechaniczne wyrobów walcowanych na gorąco ze stali spawalnych o podwy ższonej granicy plastyczno ści w stanie

ulepszonym cieplnie wg PN-EN 10025-6:2007Maksymalne zawartości pierwiastków, % Min. własności mechaniczne1) Znak stali

C Si Mn Inne ReH MPa

Rm MPa

A %

S460Q S460QL S460QL1

≥ 460 550-720 ≥ 17

S500Q S500QL S500QL1

≥ 500 590-770 ≥ 17

S550Q S550QL S550QL1

≥ 550 640-820 ≥ 16

S620Q S620QL S620QL1

≥ 620 700-890 ≥ 15

S690Q S690QL S690QL1

≥690 770-890 ≥14

S890Q S890QL S890QL1

≥890 940-1100 ≥11

S960Q S960QL

0,20

1,70

0,80

Cr; 1,50 Ni; 2,0

Mo; 0,70 Cu; 0,50 V; 0,12

Nb; 0,06 Ti; 0,05 Zr ; 0,15 N ; 0,015 B ; 0,005

≥960 980-1150 ≥10

1) Wyroby w stanie ulepszonym cieplnie o grubości 3-50 mm. Minimalna praca łamania na próbkach poprzecznych dla grupy jakości bez symbolu L w temp. 0°C wynosi 30J, w temp -20°C – 27J; dla grupy jakości z symbolem L w temp. 0°C – 35J, w temp -20°C – 30J, w temp -40°C – 27J, dla grupy jakości L1 w temp. 0°C – 40J, w temp -20°C – 35J, w temp -40°C – 30J, w temp -60°C – 27J

35

36

37

38

39

Stale utwardzane wydzieleniowo

Gatunek Re Skład chemiczny , %

MPaC Si Mn P max S

maxCr Ni Mo inne

HSLA-80

USA 550 max0,07

max0,40

0,400,70

0,025 0,010 0,600,90

0,701,0

0,150,25

Cu 1,00- 1,30Nb 0,02 -0,06

HT-80 Jap. 690 0,05 0,20 1,30 0,003 0,001 - 1,50 - Cu 1,10Ti 0,015

Stale zawierają poniżej 0,07%C i 1,0 - 2,0 % Cu oraz dodatki Ni, Cr, Mo

Obróbka cieplna blach:� walcowanie na gorąco i starzenie� normalizowane i starzenie� przesycanie i starzenie

Struktura: drobnoziarnisty ferryt z niewielkim udziałem perlitu + wydzielenia miedzi

o wielkości 1-3 x10-12 m

Skład chemiczny i wła ściwo ści mechaniczne wybranych gatunków stali utwardzanych wydzieleniowo

40

Stale spawalne PW trudnordzewiejące

� Do grupy stali spawalnych o normalnej i podwyższonej wytrzymałości należą również stale konstrukcyjne trudnordzewiej ące.

� Są to stale odporne na korozję atmosferyczną na powietrzu, na których w wyniku zawartości niewielkiej ilości określonych składników stopowych, wytwarza się przez dłuższe oddziaływanie atmosfery zwarta warstewka ochronna produktów korozji, skutecznie hamująca przebieg dalszego procesu rdzewienia stali.

� Konstrukcje wykonane z tych stali nie muszą być malowane w celu ochrony przed korozją atmosferyczną.

� Stale trudnordzewiejące zawierają dodatki stopowe Cu, P, Si, Cr. Fosfor w ilości co najmniej 0,1% najsilniej zwiększa odporność stali na korozję atmosferyczną jednak istotnie zmniejsza plastyczność i spawalność stali.

� Miedź jest najczęściej dodawanym pierwiastkiem do stali trudnordzewiejących do zawartości 0,3%.

41

Skład chemiczny i własno ści mechaniczne wyrobów walcowanych na gor ąco ze stali konstrukcyjnych trudnordzewiej ących wg PN-EN 10025-5:2007

Maksymalne zawartości pierwiastków, % Min. własności mechaniczne1 Znak stali

C Si Mn P Cr Cu ReH, MPa

Rm MPa

A %

S235J0W S235J2W

≤ 0,13 ≤ 0,40 0,2-0,6

≤ 0,04 0,4-0,8

235 340 26

S355J0WP S355J2WP

≤ 0,12 ≤ 0,75 ≤ 1,0 0,06-015

0,3-1,25

S355J0W ≤ 0,04 S355J2G1W S355J2G2W S355K2G1W S355K2G2W

≤ 0,16

≤ 0,50

0,5-1,5

≤ 0,035

0,-08

0,25-0,55

355

490

22

1 dla wyrobów o grubości ≤16 mm

42

Spawalność stali wysokiej wytrzymałości

Zalety stali otrzymywanych w procesach TMPC i utwardzanych wydzieleniowo

� Zmniejszenie skłonności do pęknięć zimnych� Eliminacja podgrzewania wstępnego blach przed spawaniem� Możliwość spawania z dużymi energiami liniowymi (stale utwardzane wydzieleniowo)

Wpływ zawarto ści w ęgla i równowa żnika w ęgla na skłonno ść SWC do pękni ęć zimnych. 1- strefa braku skłonno ści do p ękni ęć,2 - strefa skłonno ści do p ękni ęć

zależnie od warunków spawania, 3 - strefa du żej skłonno ści do p ękni ęć