Oznaczanie stali według norm europejskich, Skrypty z Materials Physics

Pobierz Oznaczanie stali według norm europejskich i więcej Skrypty w PDF z Materials Physics tylko na Docsity!

1. OZNACZANIE STALI WEDŁUG NORM EUROPEJSKICH

Zgodnie z Normami Europejskimi obowiązują dwa systemy oznaczania stali:

• znakowy (według PN-EN 10027-1: 1994); znak stali składa się z symboli literowych i cyfr;
• cyfrowy (według PN-EN 10027-2: 1994); numer stali składa się tylko z cyfr.

Każdy gatunek stali - ma nadany znak i numer, jednoznacznie identyfikujące tylko jeden materiał.

• symbole w znaku są tak dobrane, że wskazują na jej główne cechy (np. na zastosowanie, własności mechaniczne lub fizyczne, albo skład chemiczny), co ułatwia przybliżoną identyfikację gatunku stali;
• numer stali, który można podawać zamiast znaku, jest łatwiejszy do elektronicznego przetwarzania danych, gdyż składa się tylko z pięciu cyfr.

Podany system oznaczeń stali - wprowadzono w państwach UE od 1992 r.

1.1. Oznaczanie stali wg PN-EN 10027-

W tej klasyfikacji oznaczeń stali wyróżnia się dwie główne grupy znaków:

• znaki zawierające symbole wskazujące na skład chemiczny stali;
• znaki zawierające symbole wskazujące na zastosowanie oraz mechaniczne lub fizyczne własności stali.

W obu grupach znaków - po symbolach głównych mogą być podawane symbole dodatkowe.

• poniżej podano jedynie z jakich symboli głównych składa się znak stali;
• w przypadku staliwa - znak gatunku zawierający symbole wskazujące na skład chemiczny poprzedza litera G (np. G30MnSi 5-3).

1.1.1. Oznaczanie stali wg składu chemicznego

W znakach stali wg składu chemicznego wyróżnia się cztery podgrupy:

- stale niestopowe (bez stali automatowych) o średniej zawartości Mn < 1%.

— znak tych stali składa się z następujących symboli głównych, umieszczonych kolejno po sobie: litery C i liczby będącej 100-krotną średnią wymaganą zawartością węgla (np. C35);

stale niestopowe o średniej zawartości manganu > 1%, niestopowe stale automatowe i stale stopowe (bez stali szybkotnących) o zawartości każdego pierwiastka stopowego < 5%.  znak tych stali składa się z: liczby będącej 100-krotną wymaganą średnią zawartością węgla, symboli pierwiastków chemicznych składników stopowych stali w kolejności malejącej zawartości pierwiastków oraz liczb oznaczających zawartości poszczególnych pierwiastków stopowych w stali;  każda liczba oznacza odpowiednio średni procent zawartości pierwiastka pomnożony przez współczynnik wg tablicy 3 i zaokrąglony do najbliższej liczby całkowitej;  liczby oznaczające zawartości poszczególnych pierwiastków stopowych należy oddzielić poziomą kreską; na przykład 55NiCrMoV6-2-2 jest znakiem stali o średnim składzie: 0,55% C, 1,5% Ni, 0,6% Cr, 0,2% Mo i poniżej 0,1% V Gest to stal narzędziowa do pracy na gorąco).

Tablica 3. Współczynnik do ustalania symboli liczbowych pierwiastków stopowych przy oznaczaniu stali stopowych (bez stali szybkotnących) o zawartości każdego pierwiastka stopowego <5% (PN-EN 10027-1).

Pierwiastek Współczynnik

Cr, Co, Mn, Ni, Si, W 4 Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Zr 10 Ce, N, P, S 100 B 1000

podaje się liczbę będącą wymaganą nominalną twardością wg HR 30Tm;

2. dla wyrobów o dwukrotnie redukowanej grubości - liczbę będącą wymaganą nominalną granicą piastyczności (np. TH52, T660);
3. f) M - stale elektrotechniczne, za którym umieszcza się: liczbę będącą 100-krotną wymaganą maksymalną stratnością w W ⋅ kg -1;
4. liczbę będącą 100-krotną nominalną grubością wyrobu w mm;
5. literę oznaczającą rodzaj blachy lub taśmy elektrotechnicznej, tj.: A, D, E, N, S lub P (np. M430-50D).

1.2. Oznaczanie stali wg PN-EN 10027-

Zgodnie z normą PN-EN 10027-2: 1994 - każdy gatunek stali jest oznaczony także numerem, który można podać zamiast znaku stali.

• numer stali zawiera 5 cyfr: l.xxnn, gdzie: 1 - oznacza stal (ogólniej stop żelaza); xx — dwie cyfry oznaczające grupę stali; nn - dwie cyfry wyróżniające konkretny gatunek w grupie.
• np. 1.4301 - oznacza gatunek stali austenitycznej X10CrNi 18-8.

Grupy stali - ustalono według składu chemicznego, własności mechanicznych, fizycznych i technologicznych oraz według zastosowania.

• na przykład:
  • stale niestopowe jakościowe: mają numery grup 01 do 07 i 91 do 97;
  • stale niestopowe specjalne: 10 do 18;
  • stale stopowe odporne na korozję i żaroodporne: 40 do 49;
  • stale stopowe konstrukcyjne, maszynowe i na zbiorniki ciśnieniowe: 50 do 89.

Charakterystyka i oznaczenie stali stopowych odpornych na korozję

Główna cechą charakteryzującą stale nierdzewne (odporne na korozję) jest ich odporność na działanie wielu mniej lub bardziej agresywnych środowisk korozyjnych. Zjawisko dużej odporności chemicznej stali, nazywane pasywnością jest wynikiem zjawisk zachodzących w układzie „metal – środowisko korozyjne”, które przeciwdziałają przejściu metalu ze stanu elementarnego w stan jonowy. W wyniku wystąpienia tych zjawisk szybkość rozpuszczania metalu może ulec znacznemu zwolnieniu a nawet zostać całkowicie zahamowana, czyli metal przejdzie w stan pasywny. Istotę pasywności tłumaczy się istnieniem na powierzchni pasywnego metalu szczelnych i silnie przylegających ochronnych warstw antykorozyjnych. Mogą to być warstwy złożone z trwałych związków metali np. tlenków albo tzw. warstwy adsorpcyjne. Stale odporne na korozję można podzielić na następujące grupy: − trudno rdzewiejące, − nierdzewne, − kwasoodporne, − żaroodporne. Podział ten jest w pełni umowny i orientacyjny. Przyjęto bowiem powszechnie określać stale chromowe jako nierdzewne, tzn. odporne przede wszystkim na korozję atmosferyczną (elektrochemiczną), zaś stale chromowo-niklowe jako kwasoodporne. Jednakże wśród stali

chromowych jest wiele gatunków odpornych na działanie określonych kwasów, a każda stal kwasoodporna jest zarazem nierdzewną. Oddzielną grupę stanowią stale odporne na korozję gazową w wysokich temperaturach nazywane stalami żaroodpornymi, choć ze względu na skład chemiczny są one również stalami kwasoodpornymi. Niektóre elementy pracujące w wysokich temperaturach są dodatkowo narażone na duże obciążenia mechaniczne. Stale stosowane na te elementy nazywamy stalami żarowytrzymałymi. Stale odporne na korozję klasyfikuje się według trzech cech: − własności użytkowych, stanowiących podstawę do opracowania norm materiałowych, − mikrostruktury, stanowiące podstawę do opracowania tablic w normach, − głównych pierwiastków stopowych, stanowiących podstawę do uszeregowania gatunków w tablicach.

Klasyfikacja stali stopowych ze względu na własności użytkowe

Stale nierdzewne

Stale te obejmują wiele silnie zróżnicowanych stopów, których wyznacznikiem jest zawartość chromu, wynosząca co najmniej 10,5%. Jest to warunek utworzenia na powierzchni przedmiotu przy oddziaływaniu czynników utleniających niezwykle cienkiej, stabilnej warstwy tlenków i przejścia ze stanu „aktywnego” (rozpuszczalnego) do stanu „pasywnego” (nierozpuszczalnego). W stanie pasywnym stal posiada podwyższoną odporność na działanie utleniających mediów. Jednakże w przypadku zaistnienia warunków redukujących, to znaczy przy zmniejszonym dopływie tlenu, możliwe jest przejście stali ze stanu pasywnego w stan aktywny. Zawartość minimum 10,5% chromu w stalach nierdzewnych, zapewniającą określoną odporność chemiczną tych stali, nazywa się często „ granicą odporności”. Zgodnie z PN-EN-10027-2 stale nierdzewne posiadają następujące numery materiałowe: 1.40xx dla gatunków zawierających Ni < 2,5%, bez Mo, bez dodatków specjalnych, 1.41xx dla gatunków zawierających Ni < 2,5%, z Mo, bez dodatków specjalnych, 1.43xx dla gatunków zawierających Ni ≥ 2,5%, bez Mo, bez dodatków specjalnych, 1.44xx dla gatunków zawierających Ni ≥ 2,5%, z Mo, bez dodatków specjalnych, 1.45xx i 1.46xx dla gatunków z takimi dodatkami specjalnymi jak Ti, Nb, Cu.

Stale żaroodporne

Żaroodpornością stali nazywamy odporność na działanie gazów utleniających w podwyższonych temperaturach. Gazy takie, stanowiące często spaliny, mogą zawierać oprócz tlenu, dwutlenek i tlenek węgla, parę wodną, azot, związki siarki oraz inne szkodliwe związki lub drobne cząstki np. popiół. Żaroodporność polega na tworzeniu się na powierzchni stali zwartej i dobrze przylegającej warstwy tlenków (zgorzeliny), chroniącej metal przed dalszym utlenianiem. Zachodzi tu więc pewna analogia z odpornością na korozję w roztworach, ale ochronna warstwa zgorzeliny jest znacznie grubsza a jej skład i struktura zależy nie tylko od składu chemicznego stali i środowiska ale również od temperatury. Stal niestopowa jest odporna na działanie gazów utleniających do około 500 oC. Pierwiastki o większym powinowactwie do tlenu niż żelazo, wchodzące w skład stopu, przechodzą do zgorzeliny w większej ilości, niżby to wynikało z ich stosunku do żelaza w stopie. Wchodząc w skład zgorzeliny jako tlenki, tworzą z FeO związki, stanowiące przeszkodę dla szybkiej dyfuzji jonów żelaza i polepszają jej własności ochronne. Pierwiastkiem, który spełnia te warunki jest przede wszystkim chrom, który utleniając się tworzy z tlenkiem żelaza spinel FeO⋅Cr 2 O 3 i dzięki temu stanowi podstawowy składnik stali żaroodpornych. Składnikami stosowanymi w mniejszych ilościach, ale zawsze z chromem są krzem i aluminium. Poza aluminium i krzemem żaroodporność polepszają małe dodatki tytanu cyrkonu niobu i tantalu. Szczególnie

Rys. 1.1. Struktura stali chromowo-niklowych zawierających około 0,2% C (wg Maurera)

Głównym zadaniem składników stopowych jest poprawienie odporności stali na korozję i/lub właściwości mechanicznych. W zależności od przewidywanych warunków pracy lub żądań odbiorcy, wybierany jest gatunek stali o specjalnym składzie chemicznym, odpowiednim z punktu widzenia warunków pracy. W zależności od składników stopowych stali (składu chemicznego) występują różne składniki strukturalne stali. Na rysunku 2 przedstawiono klasyfikację stali nierdzewnych ze względu na strukturę oraz wady występujące przy spawaniu stali spowodowane czynnikami metalurgicznymi i ich wpływ na własności złącza spawanego. Możemy zatem wyróżnić:

• ferrytyczne stale chromowe,
• martenzytyczne stale chromowe,
• stale chromowo-niklowe z miękkim martenzytem,
• austenityczne stale Cr-Ni (Mo) z ferrytem,
• austenityczne stale Cr-Ni (Mo) bez ferrytu,
• ferrytyczno-austenityczne stale Cr-Ni-Mo-N.

Ponieważ wymienione grupy stali różnią się zarówno pod względem metalurgicznym jak i fizycznym, należy to wziąć pod uwagę podczas spawania, stosując odpowiednie zabiegi dodatkowe. Wymienione na rysunku 1.2 źródła wad w złączach spawanych wyraźnie wskazują, że każda grupa stali musi być rozpatrywana oddzielnie oraz że koniecznie stosowana musi być inna technologia spawania.

Rys. 1.2. Klasyfikacja stali nierdzewnych oraz wady spowodowane czynnikami metalurgicznymi przy spawaniu stali nierdzewnych i ich wpływ na własności złącza spawanego: A – możliwe wady spawalnicze, B – wpływ wad na własności złącza

Si i Al., topienia w próżni lub innych wyrafinowanych technik.

Wpływ domieszek

Mangan rozpuszcza się zarówno w austenicie jak i ferrycie a także wchodzi w sieć cementytu tworząc węglik złożony (Fe,Mn) 3 C bardziej stabilny niż Fe 3 C. Dzięki temu, z jednej strony przeciwdziała odwęglaniu stali, z drugiej jednak utrudnia zabieg ferrytyzacji żeliw. Wpływa na skłonność stali do gruboziarnistości. Krzem rozpuszcza się w austenicie i ferrycie powodując umocnienie tego ostatniego (ferryt krzemowy), a ponadto przeciwdziała segregacji siarki i fosforu.

Wpływ węgla

Największy wpływ na strukturę i właściwości stali wywiera węgiel. Jak wiemy, od jego zawartości zależy czy stop Fe-C będzie żeliwem czy stalą podeutektoidalną, eutektoidalną czy nadeutektoidalną. To z kolei w istotny sposób wpływa na ich właściwości mechaniczne (patrz rysunek). Z wykresu widać, że wraz ze wzrostem zawartości węgla gwałtownie maleje plastyczność przy równoczesnym wzroście twardości, wytrzymałości na rozciąganie (Rm) i granicy plastyczności (Re). Dwie ostatnie wielkości osiągają maksimum przy zawartości ok. 1%C, po czym ulegają obniżeniu ze względu na wzrost kruchości. Zarówno granica plastyczności, jak i wytrzymałość na rozciąganie wzrastają liniowo ze wzrostem zawartości węgla, ponieważ Fe 3 C działa jako faza umacniająca, a udział Fe 3 C w stali wzrasta liniowo ze wzrostem stężenia węgla. Plastyczność natomiast zmniejsza się gwałtownie gdy zawartość węgla rośnie, ponieważ granice α - Fe 3 C w perlicie są dobrym miejscem do zarodkowanie pęknięć.

Rys. 2.1. Wpływ węgla na właściwości mechaniczne stali

Żeliwa

Żeliwo jest stopem żelaza z węglem oraz innymi pierwiastkami stopowymi, w którym zawartość węgla przekracza 2% wag. Węgiel obniża temperaturę topnienia żelaza dlatego żeliwa (1160˚C) mogą być łatwiej topione niż stal średniowęglowa (1500˚C). Żeliwa stanowią podstawowe stopy żelaza szeroko stosowane w odlewnictwie.

Żeliwa dzielimy na:

• Białe – węgiel występuje w postaci związanej tj. węglików, udział Fe 3 C powoduje, że żeliwa białe są materiałem kruchym.
• Szare – węgiel występuje w postaci wolnej – grafitu. Żeliwa szare ze względu na występowanie grafitu mają ogromną odporność na zużycie. Jest to jedyny materiał, z którego wykonane elementy nie zacierają się lub nie zakleszczają, gdy współpracują ze sobą. Nazwa żeliw jest odzwierciedleniem barwy przełomu, który jest jasny i metalicznie połyskujący w żeliwie białym i szary w żeliwie szarym. Szare zabarwienie w drugim przypadku wiąże się z obecnością grafitu na przełomie.

Właściwości żeliwa szarego zależą znacznie od kształtu wydzieleń grafitu. Wyróżniamy żeliwa szare z wydzieleniami grafitu w postaci:

• Dużych płatków – wytrzymałość tego żeliwa na obciążenia dynamiczne jest mała ponieważ płatki osłabiają materiał, natomiast posiada doskonałą zdolność tłumienia drgań oraz przewodność cieplną.
• Wydzieleń sferycznych – wytrzymałość na obciążenia dynamiczne jest duża i żeliwo jest plastyczne.

Wśród żeliw wyróżnia się jako odrębne grupy: żeliwo z grafitem kulkowym zwane potocznie żeliwem sferoidalnym, żeliwo z grafitem zwartym oraz żeliwo ciągliwe. Z wyjątkiem żeliwa ciągliwego białego, wszystkie pozostałe są zasadniczo żeliwami szarymi, które jednak wyodrębnia się jako oddzielne ze względu na istotne różnice właściwości w porównaniu do zwykłego żeliwa z grafitem płatkowym.

Wpływ składu chemicznego na strukturę żeliw

Mikrostrukturę żeliw a więc i ich właściwości charakteryzują dwa składniki strukturalne: grafit oraz rodzaj metalicznej osnowy. Dlatego też wpływ dodatków stopowych rozpatruje się pod kątem ich oddziaływania na:

• proces grafityzacji
• rodzaj osnowy metalicznej

Grafityzacja

Grafityzacja jest jednym z najważniejszych procesów, decydujących o rodzaju wytwarzanego żeliwa. Tworzenie grafitu jest możliwe w dwojaki sposób – bezpośrednio z fazy ciekłej podczas reakcji eutektycznej i/lub podczas przemian fazowych w stanie stałym. Ze względu na kierunek oddziaływania na proces grafityzacji pierwiastki dzielimy na:

• sprzyjające grafityzacji, np. Al, C, Si, Ti, Ni, Cu i P
• przeciwdziałające grafityzacji (węglikotwórcze), wśród których znajdują się: W, Mn, Mo, S, Cr, V, Mg, Ce, N i H. Powstający grafit może posiadać różnorodną postać, która w zasadniczy sposób decyduje o właściwościach żeliwa. Zależnie od tego czy jest to grafit płatkowy, zwarty czy kulkowy, żeliwo jest albo całkowicie kruche albo plastyczne, przy czym plastyczność zależy dodatkowo od wielkości i rozkładu wydzieleń oraz rodzaju metalicznej osnowy.

Wpływ składu chemicznego na rodzaj metalicznej osnowy

Wpływ domieszek i zanieczyszczeń na strukturę osnowy metalicznej żeliw jest podobny jak

Pierwiastki stopowe dodaje się do stali z czterech głównych powodów:

1. aby poprawić hartowność,
2. aby wywołać umocnienie roztworowe i utwardzenie wydzieleniowe cząstkami twardych faz,
3. aby wywołać odporność na korozję,
4. aby uzyskać stabilizację austenitu – stal austenityczną (γ sieć RSC) w temperaturze pokojowej. 3. Stale drobnoziarniste o podwyższonej i wysokiej wytrzymałości

Przed stalami konstrukcyjnymi mającymi zastosowanie przede wszystkim w budownictwie lądowym, morskim, przy wytwarzaniu środków transportu oraz w budowie rurociągów, stawiane są ostre wymagania odnośnie:

• wysokiej granicy plastyczności,
• dobrej spawalności,
• wysokiej odporności na kruche pękanie i niskiej temperatury przejścia w stan kruchy,
• dobrej odkształcalności (formowalności) na zimno,
• niskich kosztów wytwarzania. Stalami, które mogą sprostać tym wymaganiom i zapewnić optymalne własności w odniesieniu do jednostkowego kosztu produkcji są stale niskowęglowe drobnoziarniste o podwyższonej wytrzymałości i stale niskostopowe o wysokiej wytrzymałości. Spawalne stale konstrukcyjne, których granica plastyczności przekracza 355 MPa, nazywa się powszechnie stalami o podwyższonej wytrzymałości (grupa 2, tabela 3.1). Rozpiętość granicy plastyczności i wytrzymałości na rozciąganie produkowanych obecnie stali spawalnych jest bardzo duża i znane są już stale o granicy plastyczności l650÷1850 MPa i wytrzymałości na rozciąganie 1700÷2000 MPa. Te ostatnie należą oczywiście już do stali o nadzwyczaj wysokiej wytrzymałości. Jak wiadomo w stalach dobrze spawalnych zawartość węgla ograniczona jest do minimum i przeważnie nie przekracza 0,2%. Z drugiej strony węgiel jest podstawowym składnikiem zapewniającym odpowiednią wytrzymałość stali węglowych. Stąd stale spawalne węglowe mają ograniczone własności mechaniczne. Istnieją następujące możliwości podwyższenia wytrzymałości stali spawalnych:
• umocnienie ferrytu przez dodatki stopowe tworzące z żelazem roztwór stały,
• podwyższenie granicy plastyczności za pomocą rozdrobnienia ziarna ferrytu,
• umocnienie ferrytu za pomocą dyspersyjnych wydzieleń związków chemicznych takich pierwiastków jak: Al, Nb, Ti, V itp.,
• umocnienie dyslokacyjne ferrytu,
• podwyższenie wytrzymałości poprzez przemiany fazowe (bainityczną, martenzytyczną),
• podwyższenie wytrzymałości w wyniku odpowiedniej obróbki cieplno-plastycznej,
• ulepszanie cieplne. Możliwe są również inne sposoby podwyższania wytrzymałości, jak np. dyspersyjne utwardzanie martenzytu niskowęglowego (stale typu "maraging"), zgniot na zimno martenzytu niskowęglowego, itp.

Tabela 3.1. Grupy stali

Grupa Gatunek stali

Stale o minimalnej granicy plastyczności Re ≤ 355 MPa lub Rm ≤ 520 MPa oraz o składzie chemicznym (%): C ≤ 0,24, Si ≤ 0,55, Mn ≤ 1,6, Mo ≤ 0,65, S ≤ 0,045, P ≤ 0,045,

inny pojedynczy składnik ≤ 0,3, suma innych składników ≤ 0,

2 Stale normalizowane i drobnoziarniste poddane obróbce^ termomechanicznej o Re > 355 MPa 3 Stale drobnoziarniste ulepszone cieplnie o Re > 500 MPa

4 Stale o zawartości Cr ≤ 0,6%, Mo ≤ 0,5%, V≤ 0,25% (skład określony na podstawie analizy wytopowej)

5 Stale o zawartości Cr ≤ 9%, Mo ≤ 1,2% (skład określony na podstawie analizy wytopowej)

6 Stale o zawartości Cr ≤ 12%, Mo ≤ 1%, V ≤ 0,5% (skład określony na podstawie analizy wytopowej)

7 Stale o zawartości Ni ≤9% (skład określony na podstawie analizy wytopowej)

8 Stale nierdzewne ferrytyczne lub martenzytyczne o zawartości Cr od 12 do 20%, (skład określony na podstawie analizy wytopowej) 9 Stale nierdzewne austenityczne

Jak wskazuje nazwa stale spawalne konstrukcyjne, podstawową ich właściwością powinna być dobra spawalność. Pojęcie dobrej spawalności jest przy tym traktowane w sposób bardzo ogólny. Chodzi tu nie tylko o technologiczną łatwość wykonania złącza spawanego, lecz o przydatność materiału na konstrukcję wykonaną za pomocą spawania. Jakość różnych gatunków stali spawalnych polega przede wszystkim na różnym stopniu odporności na kruche pękanie przy działaniu karbu i niskiej temperatury. Wszystkie stale spawalne ze względu na strukturę w stanie dostawy można podzielić na stale:

• ferrytyczno-perlityczne,
• bainityczne,
• martenzytyczne,
• austenityczne. Ponadto stale ferrytyczno-perlityczne można podzielić w zależności od stanu obróbki cieplnej na stale dostarczone w stanie:
• surowym (po walcowaniu na gorąco),
• normalizowanym,
• ulepszonym cieplnie. Stale spawalne niestopowe należą do materiałów najbardziej rozpowszechnionych. Znajdują one zastosowanie zarówno przy budowie odpowiedzialnych konstrukcji jak: statki, mosty, kotły itp., jak również przy wytwarzaniu mniej odpowiedzialnych elementów np. w budownictwie i rolnictwie. Sposób oznaczania tych stali wg normy PN-EN 10025: podano na rysunku 3.

Rys. 3.3. Zmiana wytrzymałości na rozciąganie w zależności od zawartości dodatków stopowych oraz perlitu w niskostopowych stalach węglowo-manganowych

Rys. 3.4. Zmiana przewężenia w zależności od zawartości dodatków stopowych oraz perlitu w niskostopowych stalach węglowo-manganowych

3.1.2. Umocnienie w wyniku rozdrobnienia ziaren

Umocnienie stali związane z rozdrobnieniem ziaren może być opisane zależnością Halla-Petcha: σy = σi + ky⋅d-1/ gdzie: σy − granica plastyczności, d − wielkość ziaren ferrytu, σi − opory ruchu dyslokacji, ky − stała.

Zależność granicy plastyczności i temperatury przejścia w stan kruchy od wielkości ziarna ferrytu ilustruje rysunek 6.

Rys. 3.5. Wpływ wielkości ziarna ferrytu na granicę plastyczności i temperaturę przejścia w stan kruchy stali zawierającej 0,10%C, 0,50%Mn, 0,20%Si, 0,006%N

3.1.3. Utwardzenie wydzieleniowe

Utwardzenie wydzieleniowe polega na zwiększeniu oporu ruchu dyslokacji przez dyspersyjne cząstki drugiej fazy.

3.1.4. Umocnienie dyslokacyjne

Wzrost szybkości chłodzenia stali obniża temperaturę przemiany γ→α powodując wzrost gęstości dyslokacji i rozdrobnienie ziarna. Wzrost gęstości dyslokacji w ferrycie spowodowany obniżeniem temperatury przemiany podnosi granicę plastyczności o około 50 MPa. Znaczącą rolę we wzroście własności odgrywa umocnienie wydzieleniowe węglikami lub węglikoazotkami niobu, wanadu i tytanu. Z uwagi na małe ilości wprowadzanych dodatków (niobu i tytanu po ok. 0,05%, wanadu do 0,1%) stale te nazywamy stalami mikrostopowymi. Rysunek 3.6 ilustruje wpływ zawartości manganu i innych czynników na granicę plastyczności stali normalizowanej zawierającej 0,2%C, 0,2%Si, 0,15%V, 0,015%N. Z rysunku 3.6 i 3.7 widać, że umocnienie wywołane obecnością krzemu, manganu i wolnego

Rys. 3.7. Wpływ czynników strukturalnych (a) i składu chemicznego (b) na zmiany temperatury przejścia w stan kruchy. Liczby przy wektorach podają zmianę Tkr przy wzroście granicy plastyczności o 15MPa [86]

3.1.5. Umocnienie przez przemiany fazowe

Produkty przemian fazowych w stalach zależą głównie od temperatury przemiany. Można powiedzieć ogólnie, że im niższa jest temperatura przemiany tym większy jest efekt umocnienia. Wpływ poszczególnych mechanizmów umocnienia jest następujący:

1. Im niższa jest temperatura przemiany tym drobniejsze są jej produkty. Efekt ten występuje zarówno w niskostopowych ferrytyczno-perlitycznych stalach o wysokiej wytrzymałości jak i w niskostopowych stalach bainitycznych czy martenzytycznych
2. Im niższa jest temperatura przemiany tym większa jest gęstość dyslokacji i większe umocnienie. Efekt ten występuje zarówno w stalach o strukturze ferrytyczno-perlitycznej jak i stalach niskowęglowych bainitycznych i martenzytycznych;
3. Im niższa jest temperatura przemiany tym większa jest dyspersja wydzielających się faz. Efekt rozpuszczenia w austenicie dodatków stopowych powoduje obniżenie temperatury Ms, co przy danej zawartości węgla powoduje wzrost twardości;
4. Im niższa jest temperatura przemiany tym większe jest przesycenie roztworu stałego, co daje wzrost jego umocnienia. Efekt ten dotyczy również węgla i odgrywa znaczącą rolę w umocnieniu bainitu.

3.2. Obróbka cieplno-plastyczna

Obróbka cieplno-plastyczna (w normie PN-EN 10028–5 wprowadzono nazwę walcowanie termomechaniczne) w ogólnym ujęciu polega na połączeniu procesów przeróbki plastycznej z obróbką cieplną. Jedną z jej odmian jest regulowane walcowanie (kontrolowane walcowanie, rys. 3.8). Standardowe regulowane walcowanie polega na nagrzewaniu stali w piecu grzewczym do wysokiej temperatury w celu uzyskania struktury austenitycznej. Następnie nagrzaną stal walcuje się wstępnie w wysokich temperaturach (zakres I na rys 3.8). Odkształcony austenit przed końcowym walcowaniem w pobliżu temperatury przemiany zdąży zrekrystalizować dając wstępnie rozdrobnione ziarno (rys. 3.8d). Walcowanie końcowe (zakres II) powyżej temperatury przemiany Ac 3 daje ziarno zrekrystalizowanego austenitu znacznie drobniejsze niż po wstępnym walcowaniu, gdyż rekrystalizacja odbywa się w niższej temperaturze (rys.3.8e). Walcowanie końcowe może odbywać się również poniżej temperatury przemiany (zakres III). Niska temperatura walcowania i szybkie chłodzenie hamują procesy rekrystalizacji, dlatego w stali może pozostać umocnienie zgniotowe wynikające z nie zakończenia procesu rekrystalizacji (rys. 3.8f).

Rys. 3.8. Porównanie klasycznego i regulowanego walcowania oraz zmian struktury po walcowaniu w różnych temperaturach (opis w tekście)

Dążenie do podwyższania granicy plastyczności przy zachowaniu bardzo dobrych własności plastycznych doprowadziło do opracowania nowego procesu regulowanego walcowania pod nazwą SHT (Sumitomo High Toughness) (rys. 3.9).

Rys. 3.9. Schemat zmian mikrostruktury wywołanych procesem SHT, zwykłym walcowaniem kontrolowanym i normalizowaniem