D. S
Е
F
Е
RI
ЈА
N
METALURGIJA AVARIVA ЈА Preveo s francuskog
Dipl. inz. RADMILO М. ARSENIJEVIC
--- ~ ~--~,~-~·~~-~~:~~~;,->:::О-;~;:.'"-л~~л::;-;_~-~-:-~~~~ ----~ ----- -----~ -~S1>~Pij~~~-ta~~-za._,rari.v~nja: Saradnik Gradevinskog fakulteta Univerziteta u Beogradu
Naucni redaktor Prof. MILAN RADOJKOVIC
IZDA V АСКО PREDUZECE GRADEVINSKA KNЛGA BEOGRAD, 1969.
Nas-lov orig1nala METALLURG IE DE LA SOUDURE
i. par
D. SEFERIAN Docteur es Sciences Ingenieur civil des Mines
Preface Р.
CHEVENARD
Membre de l'Institut
DUNOD Р а
ris 1965.
Za preduzece: Lj. Jurela, glavni urednik- D. Lazin, urednik- Ј. Ristic-Prsendic, teh. urednik V. Lebovic, korektor - А. PajvanCic, naslovna strana Stampa: "Minerva", Subotica
,,
PREDGOVOR Postoje dve Ьitne osoblne prema kojima se postupci spajanja zavarivanjem razltkuju od drugih metalurskih postupaka: topLjenje u kojem jednovremeno ucestvuju zavarivane stranice i dodatni
mater:ijal, LokaLizacija topLjenja, koja prouzrokuje toplotnu heterogenost u metalnoj
masi. Ovim recima је moj prijatelj, naucnik, profesor AlЬert Portven, na jednoj zapazenoj konferenciji odrzanoj 1933. godine\ definisao zavarivanje. Analiza ovih dveju osoЬina omogucuje izdvajanje posledica, od prvorazrednog znacaja, koje se odnose s jedne strane na lokalne strukturne transformacije, а s druge 1strane na stvaranje napona, koj,i na kraju izazivaju prsline u zavarenim spojevima. Kompleksna osoblna metala, nazvana "zavarljivost", zavisi od velikog broja i ;; faktora koji su u vezi Ьilo sa :metalurskim osoblnama zavarivanja, Ьilo sa konL-.1-~~---. strukt1vnim osoblnama zavarenih spojeva. ~","n -- ~~~~E.upravљ.-,щetailir~kiffi ____()-soblnama::-zavarlvail.]a~~i)osvetгo Је--- svoJ-rй:>:vг::t-ad _nas ::--]Г Ьivsi uceDJik Daniel Seferian, ciju naucnu 1delatnost briZljivo i sa simpatijama :1 pratimo. 1i :К,аdа је diplomirao na Rudarskom fakultetu u Sent-:Etijenu, D. Seferianu se :i ukazala retka prilika da pristupi istrazivackom radu u novoosnovanim laboratorija'1 ma Instituta za zavarivanje pod rukovodstvom svog nastavn1ka profesora А. Port:i' .: vena (1930. god.) . Istrabl-vanja о raspode1i toplote pri .zavarivanjп omogucila su D. Seferianu da definise strukturno stanje razblOitih zona zavarenog spoja. Od,redivanje dijagrama stanja zelezo-azot za male koncentracije azota, kao i proucav:anje uticaja azota па :mehanizam kaljenja celika - od nesumnjivo·g industrijskog znacaja - doveli su do otkrica "portvenita" 2 • Autor "Metalurgije zavarivanja" rado је saradivao sa poznatim fizicarima i metalurzima. Zajedno sa Zil Bajoom sa Pariske opservatorije, radio је na etalaoniranju oksiacetilenske svetlosti. Pod rukovodstvom profesora Gistava RiЬoa**, D. Seferian је nastavio proucavanje plamena za zavarivanje, odredivsi racunskim putem temperaturu plamena, na osnovu novih spektrografskih rezu.ltata о disocijaciji vodonika. Zajedno sa N. Belajevim on је odredio uslove obrazovanja Vidmanstetenove strukture, posebnog vida strukture preg,revanja u savu. P,roucavanje zavarljivosti vise vrsta konstrukcionih ce1ika. autor ove knj-ige је sproveo zajedno sa Zanom Brilijeom***, ·koristeci rezultate doЬijene mikromehanickim ispitivanjem epruveta veoma malih dimenzija pomocu nase mikromasine. ,
1 А. Portevin, Les bases scientifiques de la soudure (Naucni osnovi zavarivanja), Bul. Soc. Ing. Soud., N2 24 (1933), 901. 2 These de doctorat es sciences (Doktorska disertacija), Paris (1935). * .Jules Baillaud ** Gustave Ribaud *** .Jean Brillie
PREDGOVOR JUGOSLOVENSKOM IZDANJU
Izdavanjem vec klasicnog dela Metalurgije zavarivanja poznatog francuskog strucnj aka u ovoj oЬlasti D. Seferijana, popunjava se velika praznina u nasoj tehnickoj literaturi. Zavarivanje је danas "tehnologija broj jedan" u oЬlikovanju metalnih konstrukcija svih vrsta, pocev od mostova i industrijskih hala, brodogradnje, masinogradnje, visokih peci i drugih metalurskih postrojenja, hemijske industrije, ра do atomskih centrala, reaktivnih motora i svemirskih letilica. Metalurgija zavarivanja i нјеnа pravilna primena, је opet osnova uspeha ove tehnologije. Specificnosti uslova rad·a pri zavarivanju prelaze okvire opste fizicke metalurgije. Ova siriнa primene i znacaj radova koji se zavarivanjem ostvaruju su razlozi zbog kojih se osecala veoma jaka potreba za jednom Metalurgijom zavarivanja, koja се dati naucne osnove pojavama pri zavarivanju i njegovim posledicama u slucaju primene vrlo raznovrsnih celika koji su u upotrebl - od konstrukcionih niskougljenicnih, ра preko niskolegiranih do visokolegiranih: nerdajucih, vatrootpornih i vatropostojaнih celika. Та potreba se osecala s jedne strane u proizvodnji, pri resavanju proЬlema u izradi komplikovanih konstrukcija, а s druge strane u nastavi, posebno u poslediplomskoj nastavi iz zavarivanja. Nasa privreda је danas na takvom nivou da јој ovakva knjiga treba. I zato smatramo de је poduhvat izdavackog preduzeca "Gradevinska knjiga" za najvecu po11valu, sto је nasu tehnicku literaturu obogatila ovim prevedenim delom. Srecna је okolnost sto је takvo delo postojalo, koje u sebl sadrzi osnovne zahteve koji su se u nasoj sredini poodavno potrebovali. Као dokaz vrednosti ove knjige neka posluzi i cinjenica da је prevedena na jezike tehnicki najrazvijenijih zemalja, i naroda koji omogucuju svetsku rasprostranjenost: engleski, ruski, nemacki, ceski i spanski.
u ovom predgovoru za nase citaoce necemo se zadrzavati na -----~----.,.--k.v:alit_eta_s.ame_knjige,_ to_ce_Ьta_Qe.i __ _kQji_je_ prvi_pџ_t .kQ.rJ.S.te ___ шэ.~i
podvlaceнju
__ ц
:gr_e_dgq_yQr_џ__ _ ·oni koji znajucza· njih' to nije ·potrebno; oni се naci zadov-oljstvo u njenom koriscenju. Pobuda da о tome jos nesto pisemo jeste ceski prevod ove knjige u kojoj је dodato originalno poglavlje о zavarljivosti celika koje proizvode cel1oslovacke zelezare. Napomena da takvo poglavlje u ceskom prevodu postoji i zelja da se talюv rad ostvari i u nasoj zemlji, jesu povod da se to u ovom predgovoru naglasi.
c·francuskom-~izdanju~~a
Prevod је iziskivao veliki trud i strucnost. Mislimo da је taj zadatak uspesno obavljen i da је time dat i lep prilog razvoju nase terminologije u ovoj oЬlasti. Uostalom saradnici na ovome delu се rado primiti svaku sugestiju za popravku i usavrsavanje. Zahvaljujemo svima koji su u prethodnim diskusijama ovome vec doprineli. Knjiga је sad tu, na raspolaganju nasim· strucnjacima kojiшa su povereni zadaci zavarivanja najodgovornijih konstrukcija i resavanje odredenih zadataka u kojima metalurgija zavarivanja а poseb.no zaVIarljivost ili pitanje odrzavanja jacine zavareнog spoja kao celini, igra bltnu ulogu. Svima njima се ti zadaci postojanjem ovog dela na nasem jeziku Ьiti znatno olaksani. Osim toga u nasoj izvornoj literaturi postavljen је odredeni nivo, ispod kojeg se vise nemoze ici. То је drugi i ne manje vazan momenat u pojavi prevoda ovog dela. Milan Radojkovic
VII Sa L'Ermitom*, D. Seferian је izvrsio ispitivanje zamora zavarenih spojeva iz legiranih ce1ika -i lakih legura, ocenjujuci dobljene rezultate kao kriter:ije zavarljivosti. Za zasluge u oЬlasti nauke о zavarivanju D. Seferian је Ьiо nagraden (1941) zlatnom medaljom od strane Dгustva za unapredenje nacionalne industrije (Societe d' Encouragement pour l' Industrie Nationale). Sada D. Seferian radi za Drustvo Sarazen (Societe Sarazin) i proucava ravnotezu metalurskih reakcija pri visokim temperaturama, koje mu omogucuju stvaranje elektroda za zavarivanje novih v:rsta ce1ika. On takode saraduje sa nizom velikih gradevinskih organizacija, na 1straZlivanju zavarljivosti najrazlicitijih vrsta celika. U zajednici sa Marselom Moneronom** objavio је rezultate izvesnih istrazivanja, od kojih treba spomenuti: klasifikaciju elektroda prema temperaturi prelaza u krto stanje rastopljenog dodatnog materijala i uticaja vodonika na udarnu zilavost zavarenih spojeva. D. Seferian, u cijoj se licnosti us,pesno sjedinjuju osoЬine istrazivaca i tehnicara, Ьiо је predodreden da napise knjigu posvecenu metalurgiji zavarivanja, koja - medu najor·iginalnijim pubHkacijama neosporno pтedstavlja jedini rad na francuskom jeziku napisan na tako visokom naucnom nivou. Razvoj koji је u ovoj knjizi posvecen proucavanju struktшa, spajajuci termicki ciklus zavar:ivanja sa anizotermnim dijagramima raz,laganja austenita u celicima, znacajno poglavlje posveceno izucavanju apsorpcije gasa u savovima, о analitickoj metodi definicije temperature predgrevanja, dokazi su sintetickog duha autora i njegove og,romne nauбne kulture. Glave koje se odnose na proucavanje zavarHivosti razlicit:ih vrsta celika, svedoce о autorovoj zelji da prenese rezultate svoga licnog iskustva о osnovnim proЬlemima proizvodnje zavarenih .konstrukcija na inzenjere i prakticare. Delo pisano za inzenjere - specijaliste za zavarivanje i istrazivace - moze da bude korisno takode za :inzenjere metalurge, koji moraju sve vise i vise da se bave proЫemima zavarljivosti celika. U stvaгi, proucavanje savova u punoj meri је ispoljilo veliki znacaj proЬlema krtog loma celika, narocito naglasenog u zavarenim konstгuikcijama, u kojima se sticu svi uslovi za nastajanje ove pojave. Sada se u razlicitim laboratorijama koje se bave zavarivanjem i laboratorijama celicana radi na razjasnjavanju prirode krtog ---·lema-~zavareJ±ih-spoje:v:a-i.razraduju~se__metQdeл.iiћ_oy:ih ispitivanja koje Ьi se tokom '':Y""vremena·m.oglё""Prihvatiti za ;kontrolueczavarljivih celikci.~. -----~- ~- ~.. =-::-~-:-~Na taj nacin u delu D. Sefer.1ana ogleda se Ьilans nasih znanja u oЬlasti metalurgije zavarivanja. Ono се, prema пasem uverenju, doprineti razvoju nauke о zavaгivanju i omoguciCe konstгuktorima resavanje aktuelnih proЬlema koji im se пamecu. Zelimo takode da cestitamo izdavackoj kuci Dunod na najbriZljivijoj realizaciji ovog dela koje sadrzi vise od 320 slika, od kojih 130 predstavlja vrlo lepe mikrografije struktura savova iz raz1icitih vrsta celika. Znacaj razmatraпi:h рrоЫеша, nesumnjiva kompetentnost autora u pitanjima zavarivanja, kao i njegov naucni renome, treba da obezbede siroki puЬlicitet ove knj.ige u Francuskoj i izvan njenih granica. То је iskrena zelja koju za svog Ьivseg ucentka izrazava potpisnik ovog predgovora. 1
Pjer Sevenar Clan Francuskog instituta 1
'.
* L'Hermite ** Marcel Moneyron 1 Pierre Chevenard; Francuski institut predstavlja udruzenje od pet akademija. (Prim. prev.).
SADRZAJ Strana PREDGOVOR UVOD. ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
v 1
DEO PRVI
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA GLAVA I
Postupci zavarivanja POSTUPCI SPAJANJA ZAVARIVANJEM...................................... I Postupci gasnog zavarivanja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . П Postupci elektrolucnog zavarivanja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . А) Postupci elektrolucnog zavarivanja oЬlozenim elektrodama. . . . . . . . . . . . . . . . . . В) Postupak elektrolucnog zavarivanja ugljenom elektrodom . . . . . . . . . . . . . . . . . . С) Postupak elektrolucnog zavarivanja u atmosferi redukujuceg gasa .......... D) Postupci elektr:olucдog zaY,ari_yaпja__u_zastitnoj atmosferiinertnih gasova ....... _ _ - ...... ··' .::E)::cl:>o_s_tupak-elektrolucnog- zavarivanja-:pod prahom ~ ; ; -:- :·,·;·;· :·;-. , ..... :· .... ; . . . . F) Postupak elektrolucnog zavarivanja cepova pistoljem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III Zavarivanje elektricnim otporom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV Ostali postupci zavarivanja topljenjem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
1О 12 12 14 14 14 -17 19 20 25
GLAVA II
Dijagram stanja zelezo-ugljenik i sastojci celika I п
III IV
v VI
Dijagram stanja zelezo-ugljenik ......................................... . ............................. . Sastojci celikaJ alotropske modifikacije zeleza Sastojci kaljenja ....................................................... . Tacka transformacije ................................................... . Izotermno razlaganje austenita ........................................... . Klasifikacija >>IRA-krivih<< ............................................... . Tri vida transformacije i njima odgovarajuce strukture ..................... . Aptonov dijagram (Upton) ............................................. . Anizotermne transformacije ............................................. .
32 34 41 41 43 46 48 59 61
GLAVA III
Strukture zavarenih spojeva I п
III IV
Struktura materijala sava ................................................. Transformacije и osnovnom materijalu ..................................... Vidmanstetenova struktura ............................................... Metalografska studija zavarenih spojeva ...................................
. . . .
64
68 71 74
IX А)
V -
Promene koja utice na arhitekturu zrna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . В) Fizicko-hemijske promene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Prakticne posledice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mikrografije (ploca I, II, III) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Strana 74 78 84 87
GLAVA IV
Elektrode za elektrolucno zavarivanje
PRVI DEO I -
Definicija i klasifikacija elektroda ......................................... . А) Definicija elektroda ................................................. . В) Elektricna uloga оЫоgе ............................................... . С) Fizicka uloga oЬloge ................................................. . D) Metalurska uloga oЬloge ............................................. . Elektrode sa dubokim prodiranjem ..................................... . Elektrode sa visokim stepenom iskoriscenja ............................. . Е) Tehnoloske karakteristike elektroda ................................... . Konstanta topljenja ................................................. . F) Кlasifikacija elektroda ............................................... .
90 90 91 92 92 97
98 99 103 104
DRUGI DEO II -
Ravnoteza metal - troska . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Troske savova . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Osnovi proracuna termodinamicke ravnoteze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Redukcija oksida zeleza ugljenikom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Raspodela oksida zeleza izmedu metala i troske . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . З Raspodela mangana izmedu metala i troske . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ___ ____ ___ ____________ __Q__I>__raktiGni_Z_a_k_ljцGci z~__e1~1stJQ1u~_!lO_ ~avarivanj е., , _... , ,_... ·-·~ . _........_._._. '-~ _.__ _ А) В)
Т
- _о•--~~-"'с":с':О~сс'о'=-Е:о"~·'"'с'"-:=Е_о-'=•~~-с-'"-'-~С-
105 105 106 107 109 111 112
- = ----
GLAVA V
Apsorpcija gasova u savovima
r
UVOD........................................................................ I - Apsorpcija kiseonika u savovima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . А) Postupak oksiacetilenskog zavarivanja. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . В) Postupak elektrolucnog zavarivanja. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Uticaj kiseonika na mehanicke osobine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II - Apsorpcija azota u savovima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sistem zelezo-azot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . А) Postupak oksiacetilenskog zavarivanja. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . В) Postupak elektrolucnog zavarivanja. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Uticaj azota na mehanicke osobine celika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 Uticaj termicke obrade na strukturu metala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Uticaj termicke obrade na mehanicke osoЬine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4 Uticaj azota na dispersiono otvrdnjavanje (starenje) . . . . . . . . . . . . . . . . . . III - Apsorpcija vodonika u savovima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sistem zelezo-vodonik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . А) Odredivanje vodonika u elektrolucno zavarenim savovima . . . . . . . . . . . . . . . . . . В) Uticaj vodonika na osoЬine savova... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Rasprskavanje metala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Obrazovanje mehurova usled prisustva vodonika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Obrazovanje pahuljica i >>riЬljih осiјш . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Obrazovanje prslina u osnovnom materijalu _ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . С) Uticaj vodonika na mehanicke osoЬine savova . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
117 117 120 125 126 128 129 133 134 137 138 140 141 142 142 145 149 149 149 150 154 155
х
Strana GLAVA VI
Pojava prslina u zavarenim spojevima I -
Pojava prslina u materijalu sava ......................................... . Opsti uzroci ........................................................... . Metalurski uzroci ..................................................... . 1 Uslovi hladenja materijala sava pocev od tecnog stanja ............... . 2 - Strukturne transformacije u materijalu sava ....................... . 3 - OsoЬine celika pri povisenim temperaturama ....................... . П Pojava prslina u osnovnom materijalu ..................................... . Opsti uzroci ........................................................... . Metalurski uzroci ..................................................... . 1 Hemijski sastav osnovnog materijala ............................... . 2 - Uticaj vodonika ............................................... . 3 - Obrazovanje sopstvenih napona ................................... . III - Metode za sprecavanje pojave prslina ..................................... . Prilog - Primer proracuna pritiska vodonika и materijalu sava ..................... .
160 160 160 160 164 165 167 168 168 168 169 172 175 180
GLAVA VII
Predgrevanje zavarivanih komada I П
III IV
Uticaj predgrevanja komada na pojavu prslina ............................. . Uticaj deЫjine limova ................................................... . Pojam ekvivalentnog ugljenika ........................................... . Odredivanje temperature predgrevanja ..................................... . А) Metoda BWRA ..................................................... . В) Metoda Seferiana ................................................... .
183 186 188 190 190 194
DEO DRUGI
ZAVARLJIVOST CELIKA GI"AVA VIII
Probe zavarljivosti DEFINICIJE ................................................................. . I - Probe operativne zavarljivosti ........................................... . А) Probe na zavarenim spojevima ....................................... . В) Probe na epruvetama koje reprodukuju uslove zavarivanja ................. . С) Probe na nezavarenim epruvetama ..................................... . П Probe metalurske zavarljivosti ........................................... . А) В) С)
III -
Probe na zavarenim spojevima ......................................... . Probe na epruvetama koje reprodukuju uslove zavarivanja ............... . Probe na nezavarenim epruvetama ................................... . Probe konstruktivne i1i opste zavarljivosti ................................. . А) Probe sklonosti ka pojavi prslina ....................................... . Probe sklonosti ka pojavi prslina na slobodnim limovima ............. . 1 2 - Probe sklonosti ka pojavi prslina na ukljestenim limovima ........... . 3 - Probe sklonosti ka pojavi prslina na samoukljestenim limovima ....... . В) Probe osetljivosti prema zarezu ....................................... . Probe Ditijela ................................................. . 1 Probe Snata ................................................... . 2 3 Proba sklonosti ka pojavi prslina univerziteta Lihaj ................. .
201 202 202 202 202
203 203 204 204 206 207 207 208 211 214 214 217
218
XI . . . .
Strana 219 220 222 223
Temperatura prelaza u krto stanje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Odredivanje temperature prelaza u krto stanje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . В) Faktori koji uticu na temperaturu prelaza u krto stanje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . С) Primer odredivanja temperature prelaza. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D) Temperatura prelaza rastopljenog dodatnog materijala u stanju posle zavarivanja Е) Prelazna temperatura zavarenih spojeva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
225 225 226 228 231 233
4 5 6 7
IV -
Proba sklonosti ka pojavi prslina Braun-Boveri ..................... Proba Kinzela ................................................. Krstaste epruvete za ispitivanje zatezanjem ......................... Proba Robertsona .............................................
А)
GLAVAIX
Zavarljivost ugljenicnih celika I п
ПI
IV
Uslovi zavarljivosti Proba za kvalifikaciju osnovnog marerijala ................................. . Specijalne probe za kvalifikaciju ......................................... .
237 239 240
Uticaj ugljenika na strukturne transformacije osnovnog materijala ............. . Tehnoloski faktori koji uticu na zavarljivost ............................... .
240 244
А)
245 245 246 246
Izbor elektrode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . В) NaCin zavarivanja ................................................... . С) •>OЬlaganje<< zlebova ................................................. . Mikrostrukture savova
г
... GLAVA
~
Х
~
···~··~. -~=~~ Klasifikacija austenitnih celika ................................................... . Uticaj razlicitih legirajucih elemenata ............................................. . Opste osoЬine austenitnih celika ................................................. . А) Fizicke osoЬine ..................................................... . В) Mehanicke osoЬine ................................................. . С) OsoЬine austenitnih celika pri povisenim temperaturama ................. . D) OsoЬine austenitnih celika pri niskim temperaturama ..................... . I П
ПI
Sklonost materijala sava ka pojavi prslina ................................. . Seflerov dij agram ....................................................... .
249 250 256 256 257 259 262 263 263
-
IzluCivanje karЬida ..................................................... Medukristalitna.korozija ................................................. 1 - Uzroci medukristalitne korozije ................................... 2 - Povisenje postojanosti protiv medukristalitne korozije ...............
. . . .
271 271 274 276
-
Obrazovanje sigma-faze ................................................. .
283
А) В) С)
Fizicke osoЬine sigma-faze ........................................... . Sigma-faza u legurama zelezo-hrom-nikl ............................... . Obrazovanje sigma-faze u savovima ................................... .
284 285 289
Tehnologija zavarivanja austenitnih celika ................................. .
291
А) В) С)
291 292 293 293 293
IV -
Oksiacetilensko zavarivanj е ........................................... . Elektrolucno zavarivanje ............................................. . Zavarivanje u zastitnoj atmosferi argona ............................... . D) Zavarivanje atomizovanjem vodonika ................................... . Е) Zavarivanje elektricnim otporom ....................................... .
XII Strana GLAVA XI
Zavarljivost niskolegiranih celika I II
IП IV V
Uticaj glavnih legirajucih elemenata. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zavarljivost zakaljivih celika ............................. : . . . . . . . . . . . . . . . . Heterogeni savovi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Preimucstva i nedostaci heterogenih spojeva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . l - Izbor austenitnih elektroda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 - Difuzija ugljenika u heterogenim zavarenim spojevima . . . . . . . . . . . . . . . . Heterogeni spoj iz tri metala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Modifikacija Seflerovog dijagrama . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zavarljivost celika legiranih borom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
297 302 303 305 305 311 317 319 320
GLAVA XII
Zavarljivost
hrom-moliЬdenovih
celika
PRVI DEO
Zavarljivost hrom-moliЬdenovih celika postojanih pri povisenim temperaturama Opste osoЬine hrom-moliЬdenovih celika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zakaljivost hrom-moliЬdenovih celika. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Osobine puzanja. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I - Zavarljivost celika tipa 0)5 Cr-0)5 Мо . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . А) Metalurske osobenosti celika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
324 325 328 329 329
--:~-=:~;~--~=~~"~;"~~J~~~fa~{t:l~~~i:~:r~ii~~hj~,~~;;~~~ih·s~-~j~~~:: :::<:::: ::: :::: :::::::::: :::::- -~~~ · II III
IV -
Zavarljivost celika tipa 1)25 Cr-0)50 Мо . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zavarljivost celika tipa 2)25 Cr-1 Мо . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . А) Metalurske osobenosti celika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . В) Uslovi zavarljivosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zavarljivost celika tipa 4-6 Cr-0)5 Мо . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . А) Metalurske osobenosti celika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . В) Uslovi zavarljivosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Homogeni spojevi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Heterogeni spojevi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . З Proucavanje heterogenih spojeva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
335 337 337 339 342 343 345 345 349 350
DRUGI DEO
Zavarljivost niskolegiranih hrom-moliЬdenovih celika primenjenih u avionskoj industriji I
Metalurske osobenosti celika ............................................. .
П
Uslovi zavarljivosti ..................................................... . Oksiacetilensko zavarivanje ........................................... . 1 - OsoЬine oksiacetilenski zavarenih spojeva ......................... . 2 - Metalografska analiza oksiacetilenski zavarenih spojeva ............. . В) Elektrolucno zavarivanje ............................................. . ZAKLJUCAK ............................................................... . KORI SCENA LITERATURA ................................................. . REGISTAR IMENA AUTORA ............................................... . REGISTAR POJMOVA ....................................................... . А)
354 356 357
358 361 363 367 370 313 316
UVOD Veliki oЬim primene razlicitih postupaka zavarivanja u syim oЫas tima industrije, izgradnja sve prostranijih zav.arenih konstrukcijau primene najraznovrsnijih ceiika za ove konstrukcije, - sve to obavezuje inzenjere i tehnicare, koji rade na projektovanju i izvodenju zavareпil1 konstrukcija, da posvecuju sve vise paznje metalurskim problemima zavarivanja. . Cetvrt veka posle znacajnog programskog referata mog slavnog ucitelja profesora А. Portvena, koji је - kako se izrazio profesor Р. Sevenar, izradio prikaz rezultata koji se mogu predvideti primenj_ujuci zakone fizike i hemije, i dao popis proЬlema koje jos treba kvalitativno re-. savati, ili pak и kojih treЬa dovrsiti kvantitativna resenja,*-veoma nam је pri.jatno naciniti Ъilans znanja stecenih u ovoj oblasti. Medutim, kak_o је ova materija veoma opsirna, autor se odlucio da se ogranici samo na izlaganje metalurskih osnova zavarivanja, koji uticu na zavarlHvost - ---~G:elik-a.--------~--~------:- -~--·- -~:-- -----:---_------ ~=-~~:::--~ccc=~-==usn~vnfptoБfem zavarljivosti metala. i -n]ihovih Iegura .. је, Ъеz. sumnje, osetljivost zavarEmih spojeva prema obrazovanju prslina. ()ve· prsline mogu da nastanu kao rezultat strukturnih transformacija celika (osnovnog materijala) pod dejstvom toplotnog ciklusa zavarivanja. One mogu da budu vezane sa obrazovanjem novih faza za· vreme izrade konstruk.:. cija, na primer, sa · izlucivanjem karЬida u austenitnim celicima ili sa obrazovanjem krte intermetalne faze, sigma-faze- u hromovima 'celicima. Prsline mogu da nastanu Ьilo pod uticajem spo1jnih naprezanja Ьilo da se mogu razviti pod- dejstvom sopstvenih пароnа (samoukljestenje) u komadima velike deЬljine; na ovaj se nacin pokazuje znacaj deЬljine na zavarljivost metala. Uzrok oЪrazovanja prslina u istopljenom materijalu moze da lezi u kvalitetu dodatnog materijala ili elektroda, odakle proistice vazna uloga necistoca, i posebno, gasova apsorbovanih za vreme 'ocvrscivanja. Ove cinjenice posluzile su za osnovu plana ovog dela, koje se sastoji iz dva dela: prvi је posvecen metalurskim problemima zavarivanja celika, а drugi - proucavanju zavarljivosti nekih vrsta celika, koje su od neospornog industrijskog znacaja. Posle kratkog pregleda razlicitih postupaka zavarivanja (glava I), u knjizi је proucen dijagram ravnoteze zeiezo-ugljenik ра је dat rriorfoIoski opis struktura celika (glava П). Za pracenje mehanizma obrazova-
-
.
*
Predgovor delu D.
SefEтiana
"Les Soudures" ("Savovi")
(DuГLod,
1954).
r ~
. --1
2
nja nekih struktura u savovima narocito је naglasena primena dijagrama izotermnog i anizotermnog* razlaganja austenita. Analiza obrazovanja stublcaste zatim Vidmanstetenove i drugih struktura i njihove transformacije obradena је u posebnoj glavi (glava III). Metalurska uloga оЫоgа elektroda pri elektrolucnom zavarivanju nesumnjivo predstavlja jedan od najvaznijih i najprivlacnijih proЫema za tehniku zavarivanja. Zakoni hemijske termodinamike, ciji su osnovi izlozeni u glavi IV, omogucavaju izracunavanje "ravnoteze" sistema metal-troska i mogu da posluze kao vodic u istrazivackom radu. Reakcije oksidacije i redukcije, naugljenicenje, apsorpcija gasova, vezivanje legirajucih elemenata tj. faktori koji prate procese zavarivanja predstavljalju u sustini mikrometalurske procese koji se zasnivaju na zakonima ravnoteze (sa izvesnim ogranicenjima, koja su navedena). Mada је negativan uticaj kiseonika i azota dobro poznat, mehanizam obrazovanja vodonicnih prslina jos nije do kraja proucen, iako је stetan ,,..f-~пn-1 •с"тГ'!..г1А"V"\;1,......" 'Y"\n ffi hn ~'7 fieOS"'Q"'fi~ 1\Ј..." .сnГ\ и. ~J.\..ctj v vАттn; v О. Ј нeJ.J.ctilJ.L..aHJ. 1-' ... а ~; ;on·~ 1-..а. ј_" а Ouнv vu najnovijih istrazivanja navedeni su podaci о ponasanju svakog od tih gasova (glava V). ProЫemi obrazovanja prslina prouceni su posle toga u glavi VI. Namerno su izdvojena pitanja zavarljivosti, koja su tesno povezana sa oblikovanjem konstrukcije i tipom zavarenih .s,pojeva, stvaranjem i razvijanjem nарола u procesu zavarivanja, sto bi spadalo u kompetenciju konstruktora i proj ektnih Ьiroa. Predgrevanje zavarivanih komada је najefikasnije sredstvo za smanjenje ili sprecavanje opasnosti od obrazovanja prslina. Precizirani su faktori koji odreduju temperaturu predgrevanja posebno u zavisnosti od ."ekv:&mentnog~љgiJenika'-';-raziicitili cellka. Opis~шe su dve: -mefOde-Odre,.. divanja temperature predgrevanja: eksperimentalna, razradena u Engleskoj, i analiticna, predlozena od strane autora, i proverena velikim brojem opita. U delu su, uporedo sa poznatim probama zavarljivosti (glava VIII), date i nove, koje odreduju sklonost celika prema krtom lomu. Na kraju glave VIII navedeni su neki tehnicki propisi za minimalno dopustene vrednosti udarne zilavosti pri niskim temperaturama, kao i temperaturama prelaza metala u krto stanje. Posto su razmc:J.trena pitanja zavarljivosti ugljenicnih celika u zavisnosti od njihovog hemijskog sastava i deЬljine (glava IX), proucena su pitanja zavarljivosti austeпitnih hromniklovih celika. u ovih celika (glava Х), postoje dva vida zavarljivosti: - "hemijska zavarljivost", koja karakterise .s,posobnost zavarenog spoja da se suprotstavi koroziji; - "metalurska zavarljivost", koja odreduje sklonost metala ka obrazovaпju prslina u zavisпosti od prisustva ili odsustva feritne faze, kao i ponasanje celika pri povisenim temperaturama u vezi obrazovanja krtih struktura. Ovo poslednje је narocito vazno za praksu eksploatacije pregrejaca pare iz austenitnih celika, koji rade pri visokim pritiscima i povisenim VU.VJ.Hfi.ct
~,
J.J.ct
"Y'V'\
.L
.L
'-.l.nJ '-'-
* Dijagram anizotermnog razlaganja austenita konstruise se pr.i uslovu neprekidnog hladenja ceHka (prim. prevod).
3
___ -· ·-
tem,peraturama. Iako proЬlem zavarivanja pregreJaca pare, koji rade pri temperaturama iznad 600° с jos nije konacno resen, istrazivanja, izvrsena u raznim zemljama, olaksavaju izbor osnovnog materijala i kvaliteta elektroda, koji treba da zadovolje cesto protivurecne zahteve zavarljivosti ovih konstrukcija, koje se eksploatisu pri temperaturama do 550° С. U ovom delu nisu navedeni sistematski podaci о istrazivanju zavarljivosti lakozakaljivih legiranih celika. Medu velikim brojem raznolikih tipova celika izabrane su samo velike familije celika legiranih hromom, niklom, moliЬdenom, kao i novi tipovi celika legirani borom (glava XI). Druga grupa hrom-moliЬdenovih celika postojanih pri povisenim temperaturama primenjuje se u specijalnim oЬlastima, kao na primer: u industriji prerade nafte i energetskoj industriji (glava XII). Drugi deo glave XII posvecen је hrom-moliЬdenovim celicima, koji se uglavnom primenjuju u avionskoj industriji. Na kraju svake glave data је biЬliografija osnovnih radova na koje se autor poziva. Autor nije mogao da navede sve radove koji se odnose na ove teme, ali се i u navedenoj biЬliografiji citalac naci uputstvo na literaturu koja ga interesuje. Ova је knjiga zamisljena i napisana za inzenjere zavarivace, istrazivace, projektante, pogonske inzenjere kao i za inzenjere metalurge, koji - svaki u svojoj oЬlasti - moraju da vode racuna о osoЬinama zavarljivosti. Veliki deo istrazivackih radova autoтa koji su izlozeni u ovom delu, izvrsen је u laboratorijama Drustva Sarazen. Autor zeli da se zahvali Zanu Sar.azenu i Marcelu Moneronu, direktorima Drustva Sarazen na njihovom punom razumevanju i na spontanom odobrenju da se ova -с-_._-с "--•c•-'•~~~is"'"'!h:-r""aziv:alJ:j-a::=QQ~Y.~~~.:: ------·--- ----=~=-~мnogEГ:fotografi]e -mikrostrl1k:tura-i dijagrama, -koje' sй prikazane u ovoj knjizi, uzete su iz autorovih radova о zavarljivosti moliЬden-man ganovih celika namjenjenih za izgradnju nuklearnog reaktora EDF* -1. Centrale u Sinonu**, koju је izgradilo preduzece Levivier. Autor koristi ovu priliku da se zahvali М. Levivieru, а takode Zan-Pjer-Ruu,*** direktoru Odeljenja za termicku opremu nuklearnih centrala, koji su mu odobrili da objavi ove radove. Autor zeli takode da ukaze na podrsku koju mu је pruzila izdavacka kuca Dunod i da јој zahvali na l~poj opremi koju је ova publikacija dobila. Na kraju autor izrazava duboku zahvalnost svome slavnom ucitelju, profesoru Pijeru Sevenaru, koji se jos jednom prihvatio da napise predgovor za ovu knjigu. __
,_..., ___
* ** *** 1*
EDF = Electricite de France Chinon Ј ean-Piere Roux
DEO PRVI
МETALURGijA ZAVARIVANJA CELIКA
I . - POSTUPCI ZAVARIVANJA П.
-
III. -
DIJAGRAM STANJA ZELEZO-UGLJENIK I SASTOJCI CELIKA STRUKTURE ZAVARENIH SPOJEVA
__ ----~---- --~---~-~- IV. - ELEKT_RO__D_E__Zh. ELEKTRQL1JCN_O_ZЛYAR1YA.I~bl:E_____ _ --- ·-·=:-:c·co:""~:-=~~~-.'_~"c":o=o"''"'-~RЋCVNOTEZAMETALA -- "-·- -тRОSК.д-.- ------ --V. VI. VII. -
APSORPCIJA GASOVA U SAVOVIMA OBRAZOVANJE PRSLINA U SAVOVIMA PREDGREVANJE ZAVARIVANIH KOMADA
GLAVA I
POSTUPCI ZAVARIVANJA
Pri makrografskog analizi u zavarenom spoju jasno se razlikuju dva dela: zona rastapanja ili inace materijal sava sa ostro izrazenim granicama i osnovni materijal (sl. I-1). Materijal sava u procesu topljenja pretrpi odredene hemijske, fizicke i strukturne transformacij е.
Sl. I-1 - Makrostruktura zavarenog spoja deЬljine 25 шm izradenog automatskim zavarivanjem pod prahom. Nagrizanje pokazuje orijentaciju kristalita materijala sava, а takode i zone pod uticajem toplote osnovnog materijala
Osnovni materijal је izlozen razlicitom termickom dejstvu u zavisnosti tacke koju posmatramo; prema tome u njemu se dogadaju fizicko-hemijske transformacije. Znacaj transformacije zavisi, s jedne strane, od termickog ciklusa zavarivanja, а s druge, od osoЬina legura, tj. od toga, da li se radi о kaljivim celicima, ili legurama osetljivim prema promeni faza putem izlucivanja, kao sto su na primer austenitni celici. Prema tome, ove transformacije imaju slozen karakter i zavise od tipa zavarivane legure.
8
МЕТ AL URG I.J А
ZA V ARIV AN .Ј А CELIKA
S metalurske tacke gledista prema definiciji profesora А. Poтtvena [1], sav predstavlja dve Ьitne karakteristike: topljenje, u kojem jednovremeno ucestvuju zavarivane ivice i dodatni materijal; lokalizacija topljenja, koja izaziva veoma naglasenu toplotnu heterogenost metalne mase. 1 о Prva od ovih karakteristika, topljenje nas navodi da sav razmatramo iz tri aspekta: а)
Operacija livenja. Posto se metal prevodi u tecno stanje sa narednim ocvrscivanjem u kalupu odredenog oЬlika, proces se komplikuje time, sto zidovi ovog kalupa predstavljaju zavarivane ivice, koje prema tome ucestvuju u topljenju. Ь) Operacija termicke оЬтаdе. Zidovi koji ogranicavaju rastop, tj. zona koja је u dodiru sa zonom rastapanja, podvrgnuta је zagrevanju u cvrstom stanju sa narednim hladenjenjem; proces se komplikuje time, sto se temperatura i brzina hladenja menjaju u sirokim granicama а u zavisnosti od polozaja zagrevane tacke. с) Metalurska operacija. Proces topljenja odlikuje se hemijskim reakcijama, koje nastaju izmedu rastopa (materijala sava) i okolne sredine koja moze Ьiti gasna faza, prah ili troska.
-~
! 1 ј
i .1
1
1 i
i
i :1 11
il i1.l :1 !1
!1 !r )1·
2° Druga karakteristika, lokalizacija topljenja, razlikuje zavarivanje od ostalih metalurskih postupaka topljenjem. Ako Ьi topljenje Ьilo opste, onda Ьi se proces sveo na oblcnu operaciju livenja sa eventualnom ро- -- -- :~~~i1:fYQI!I~J:n:~till:JIJ:~lgk::r.:e:91~:c_ijg.;~g~~ffkQ:~Pi- :z:c:tgr~yaY1iG-=:_~1:>Цg;~ :opste, onda_ Ьi se.. -pioёes-svёo:-·n.a oЫcnu · oJ?eracЂl1- termicke oьrade: · · · · ···· · - · ·· Procesi zavarivanja treba da obezbede kontinuitet materijala, homogenost osoblna zavarenog spoja, а posebno mehanickih оsоЬiна Dok kontinuitet spoja, tj. odsustvo fizickih gresaka mo.ze da bude obezbeden izborom pravilnih postupaka zavarivanja, homogenost hemijskog sastava i mehanickih osoblna, strogo uzevsi, prakticno nije moguce postici. Medutim, treba teziti, ka maksimalno mogucoj homogenosti ovih karakteristika, а narocito onih koje imaju vazno prakticno zнacenje. Ova razlicitost osoЪina materijala sava i osnovвog materijala zavareвog spoja odreduje ste,peв savrsenosti postupka zavarivaвja i dozvoljava da se sudi о "metalurskoj zavarljivosti" metala. ' U zoni rastapanja а)
odigгavaju
se sledece reakcije i transformacije:
Hemijske reakcije, na primer, oksidacija legirajucih elemenata, elemenata, apsorpcija gasova itd.;
vezivaвje korisвih
Ь)
fizicko-hemijske ili strukturne tтansformacije, na primer; - porast zrna, oЪrazovanje struktura kaljenja ili de1imicnog kaljeнja, - eutekticna transformacija, izlucivanje odredenih strukturnih sastojaka. Fizicko-hemijske i strukturne transformacije imaju izvestan broj vise ili mапје nepovoljnih posledica:
POSTUPCI ZAVARIVANJA
-
-
promena mehanickih osoЬina, povecanje krtosti materijala sava pri sobnim raturama, povecanje sklonosti ka obrazovanju prslina, obrazovanje gasnih mehurova, smanJ enj е korozione postoj anosti i td.
Sve ove pojave
Ьiсе
9
1
snizenim tempe-
detaljnije razmotrene u sledecim glavama.
Osnovni щaterijal izlozen је promenljivoj toplotnoj pbradi u svakoj tacki u zavisnosti sa termickim ciklusom, koji је uslovljen postupkom zavarivanja. Ovaj termicki ciklus zavisi ne samo od postupka zavarivanja, vec takode od rezima zavarivaвja, fizickih osoЬina metala (toplotna provodljivost) i deЬljine zavarivanih limova. Pri zavarivaвju celika termicko dejstvo izaziva strukturne transformacije, koje mogu dovesti do prekomernog rasta zrna ili kaljenja metala na izvesnom rastojanju od оЬе strane od ose sava. U drugim legurama termicko dejstvo pri zavarivanju moze da dovede do izlucivanja dispersn.ih faza, na pгimer, do izlucivanja karЪida hroma u austenitnim celicima ili do izlucivanja Mg2 Si i CuA1 2 u legurama aluminijuma.
POSTUPCI SPAJANJA ZAVARIVANJEM ~---:-::-~--::_::~-:;:;-,_~~~""=~!ШЈ:&tЮ~~~ ~gQQ~l1()SЙ-, z;a_yari vanj а _ _ su; -. cica:k:l~ _pre s:y~gC1 ~
U ~ ~e:z:i •sa - -·ъ:~rm1c:Кпii-de]stvoriicna ~osnovni :iшiterijal ko:jecpretezrio 'zavisi 6d. usvojenog postupka zavarivanja, tj. od prirode i oЫika unete toplote. Prema tome, u ovoj glavi је neophodpo ukratko se osvrnuti na razlicite postцpke zavarivanja u zavisnosti od upotreЫjenog izvora energije. U skladu sa prirodom izvora toplote mogu se izdvojiti cetiri velike grupe postupaka zavarivanja: I - Postupci gasnog zavarivanja odlikuju se visolюtemperaturnim plamenovima, koji se oЪrazuju pri sagorevanju ugljovodonika sa kiseonikom. Medu postupcima gasnog zavarivanja, nesumnjivo, najvaznije mesto zauzima postupak oksiacetilenskog zavarivanja. П
- Postupci zavarivanja koji se zasnivaju na koтiscenju elektricne energije mogu se podeliti u dve velike podgrupe: 1. Postupci elektl·olucnog zavarivanja н kojih se elektricni luk uspostavlja izmedu zavarivanih komada i provodnika struje, koji se naziva elektrodom; elektroda jednovremeno sluzi kao dodatni materijal. 2. Postupci zavarivanj.a elektricnim otporom u kojih se metal zagreva prolaskom elektricne struje kroz njega (Dzaulova toplota). III - Postupci zavarivanja, koji se zasnivaju na zagrevanju metala toplotom egzotermnih reakcija redukcije oksida, na primer, aluminotermijski i silikotermijski.
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
10
IV - Postupci zavarivanja u kojih oЪlik energije nema Ьitne vaznosti; uneta toplota trosi se na delimicno ili potpuno zagrevanje ko. mada а zavarivanje se ostvaruje kovanjem: (kovacko zavarivanje) ili kapilarnim efektom (tvrdo lemljenje u peci) itd.
I - POSTUPCI GASNOG ZAVARIVANJA Gasnokiseonicni plamenovi, koji se primenjuju za zavarivanje metala i legura, obrazuju se prema sledecoj shemi (sl. I-2): а) Prethodno mesanje gorivo,g gasa (ili vodene pare) sa kiseonikom u injektoru gorionika u odredenom odnosu radi oЪrazovanja gorive smese dovoljne toplotne moci. Ь) U jezgru plamena (sl. I-2, pod 1) goriva smesa zagreva se do temperature paljenja. U stacionarnoj zoni vrlo malog preseka 2 (omotacnu jezgra plamena) nastцpaju reakcije, koje izazivaju naglo povisenje temperature.
Jezgro
Sl. I-2 -
Redukciona zona
Razlicite zone plamena za zavarivanje
Zona 1: smesa С2Но + о, pri niskim temperaturama Zona 2: stacionarna zona sagorevanja
с) OЬlast maksimalп.e temperature nalazi konusa); ova oЬlast se koristi za zavarivanje.
se na vrhu jezgra (plavog
d) Redukciona zоп.а, u kojoj se obrazuju pl'oizvodi sagorevanja gorive smese (primarп.o sagorevanje). Ovi proizvodi odreduju llemijsku karakte1·istiku plamena: redukujuci, oksidujuci ili naugljeп.isuci plamen. е) Spoljna zona ili omotac plamena okruzuje prethodne zопе i predstavlja njihov produzetak; ova zоп.а plamena nastaje kao rezultat sagorevanja proizvoda redukcione zone u okolnom vazduhu (sekundarno sagorevanje); ona је uvek oksidirajuca i sadrzi veliku kolicinu azota. Hemijska karakteristika plamena zavisi od reakcija u redukcionoj zoni. Idealni ugljovodonicni plamen је onaj koji, kao proizvode pтimaт nog sagoтevanja, daje samo со i н2, kao sto је na primer, oksiacetilenski plamen. U opstem slucaju, primarno sagorevanje ugljo-vodonika moguce је samo u prisustvu izvesne kolicine kiseonika, odredene granicama samozapalj i vosti i brzinom rasprostiranj а sagorevanj а. Za oksiacetilenski plam~n, primarno sagorevanj е odvij а se prema sledecoj reakciji:
POSTUPCI ZAVARIVANJA
11
koja dovodi do obrazovanja redukcione zone sledeceg sastava со =
је
61 °/о;
н2 =
22°/о; н =
17°/о.
Prisustvo atomnog vodonika u oksiacetilenskom plamenu neosporno dokazano radovima G. Ribaud-a [2] i D. Seferian-a [3].
Sekundarne reakcije sa okolnim vazduhom, koje obrazuju omotac plamena, izrazavaju se sledecim jednaCinama:
+ 1/2 0 2 + 2N 2 = + 1/2 0 2 + 2N2 =
СО Н2
С0 2 Н2 0
+ 2N 2 + 68 000 cal + 2N2 + 58 000 cal
Maksimalna temperatura plamena na spoljnjem delu jezgra plamena iznosi 3 100°С (prema merenju Henning-a i Tengwaldt-a), а prema proracunu treba da bude 3 030°С (Rabaud [2], Montagne [4] Rochan-Zaeт [5], Seferian [6].
Ugljovodonicni plamenovi: Za zavarivanje metala se koriste sledeci ugljovodonici: gradski gas, propan (C;;Hs), butan (С-±Н 10 ), etilen (C:2Hr). Svi ovi gasovi obrazuju pri sagorevanju sa kiseonikom odredenu kolicinu oksida С0 2 i Н 2 0 i obezbeduju temperaturu plamena izmedu 2 700 i 2 900°С. Teorijske reakcije sagorevanja i izmerene temperature plamena su sledece: Gradski gas
____
--~---~-CJ:IJ с::
+ 0,98 0 2
=
С0 2
+ Н 2 0 + 108 790
cal ....
Т =
2
_3С02 ±_4Н20±А60_000 саl.,__._._џ~·-·Ј_._ Тш _2_900~С-
50 2
_-:: -=::::::--~~-.:::',::::-~О,.__:"_-~'-:;:-.--::=:_-=:_·~~:~"'-'--"::О:::О:::'::::~:~С~~-~~-=-:";",:_:.с- .'::: -~• -~·-•
С4 й~; С 2 Н4
730°С
+ ЕЏ5-0 2 =
+302 =
+ 5Н 2 0 + 687 950 cal ......... 2 С0 2 + 2 Н 2 0 + 306 690 cal ........... 4 С0 2
=
~:-
•·_
:-- · - -
Т = 2 900°С Т =
2
825°С
Obrazovanje plamena praskavog gasa odvija se prema sledecoj reakciji: Н2
+ 1/2 0 2
=
Н20
+ 58 000
Т =
cal
Oksiacetilenski plamen ras,polaze dakle najprihvatljivijim za zavarivanje, jer daje: а) temperaturu od 3 ticno 1,1 do 1,3; Ь)
100°С
pri odnosu 0
2 :
С2Н2
2 420°С
osoЬinama
jednakom 1
а
prak-
sastav plamena koji ima znacajne sposobnosti redukcije;
с)
elastican plamen, koji se lako moze regulisati, Ьilo sa viskom kiseonika (oksidirajuCi plamen), Ьilo sa viskom acetilena (redukujuci plamen) u zavisnosti od zavarivanog metala ili legure. Izvanredne osoЬine oksiacetilenskog plamena poticu, s jedne strane, od povisenog sadrzaja ugljenika u molekulu С 2 Н 2 (on sedrzi 92,3 tezinskih 0 /о С i 7,7 tezinskih 0 /о Н 2 ) i s druge strane, od endotermnog karaktera reakcije O·brazovanja acetilena: 2с
+ н2~~ с2н2- 53 200
cal/mol.
:Ј';-
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
12 П-
POSTUPCI ELEKTROLUCNOG ZAVARIVANJA
Elektrolucno zavarivanje је danas najrasprostranjeniji industrijski postupak za spajanje celika, vecine nezeleznih metala i njihovih legura. Ono se deli na vise postupaka u zavisnosti od prirode elektrode i atmosfere koja okruzuje rastop od kojeg treba da se stvori sav: А) Postиpci elektrolиcnog
zavarivanja oЫozenim elektrodama. В) Postиpak elektrolиcnog zavarivanja иgljenom elektrodom. С) Postиpak elektrolиcnog zavarivanja и atmosferi redиkиjuceg gasa; postиpak atomizovanjem vodonika. D) Postиpci elektrolиcnog zavarivanja и zastitnoj atmosferi inertnih gasova: и atmosferi helijиma ili argona - netopljivim* ili topljivim** elektrodama; zavarivanje и zastitnoj atmosferi иgljen dioksida (С0 2 ).*** Е) Postupak elektrolucnog zavarivanja pod prahom**** F) Postиpak elektrolиcnog zavarivanja pritiskom; zavarivanje cepova pistoljem. А)
Postupci elektrolucnog zavarivanja
oЬlozenim
elektrodama
Pri zavarivanju oЫozeпim elektrodama, luk se uspostavlja izmedu elektrode i komada koje treЪa zavariti. Elektroda se sastoji iz metalnog jezgra, oЬicno cilindricnog oblika, i omotaca koji se zove obloga; elektroda sluzi jednovremeno kao provodnik elektricne energije i kao dodatni --~,~''";:=::±п~t~r1Jal~J~l~~J~,3J:::J?rГ:t_opljeiijй~-Ђb1o,ge elektrode oЂrazu]e se- troska,- koJa
т ecna
Metalno jezgro elektrode
troska
ОЬ/оgа
Cvrsta troska
Elektricni luk l
1
Zona pad uticajefn topfote
Osnovni materljal
1
_ i_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
-
Sl. I-3 -
Ј
Smer napredovanja elektrode
Shema elektrolucnog zavarivanja
* Oznacava se i kao TIG - zavarivanje ** Oznacava se i kao MIG - zavarivanje
oЬlozenom
elektrodom
*** Oznacava se i kao MAG - zavarivanje **** Oznacava se kao EPP-zavarivanje (elektrolucno pod prahom).
POSTUPCI ZAVARIVANJA
13
stiti rastop, slicno metalurskim troskama. Osim toga, oЬloga doprinosi uspostavljanju i staЬilnost odrzavanja elektricnog luka; jednovremeno, zahvaljujuci hemijskim reakcijama, obloga dezoksidira i legira rasto:p. Na taj nacin, elektroda ispunjava vrlo vazne funkcije pri elektrolucnom zavarivanju; elektrodama, а takode reakcijama izmedu metala i troske, posvecena је glava IV. Srodni postupci. Medu drugim postupcima elektrolucnog zavarivanja oЬlozenim elektrodama treba spomenuti postupak lezecom elektrodom (Elin-Haferguth), koji dozvoljava da se izvrsi poluautomatsko zavarivanje savova vece duzine lezecom elektrodom. Pri ovom postupku zavarivanja elektroda se postavlja horizontalno u zleb suceonog spoja ili u ugao koji cine dva lima (ugaoni spoj) (sl. I-4). Luk se uspostavlja na ogolelom kraju elektrode i zasticen је bakarnim kalupom, koji upravlja luk prema zlebu koji treba ispuniti. Bakarni kalup jednovremeno odvodi toplotu, sto omogucava koriscenje elektroda vece. duzine. Dalje uvodenje ovog postupka zavarivanja, kojim su ostvarene brojne vrlo interesantne primene ograniceno је nekim teskocama tehnoloske prirode: - neophodnoscu veoma brizljive pripreme zavarivanih ivica; - neophodnoscu da se imaju bakarni kalupi za svaki tip spoja; nesigurnoscu provarivanja korena ро duzini sava i nemogucnoscu da se kontrolise provarivanje u procesu zavarivanja; nedovoljnom (ogranicenom) duzinom elektrode. Prostiji postupak zavarivanja, koji је izveden od prethodnog razradio Berthet [7] i nazvao ga zavarivanje lezecom elektrodom pod pra- ____ -~~т; ovde је bakarni ].{(ll~p _z3.rr1enjen_ prah~'l_12_,__~?_j_i __Cini ~~~?--~~~~?Ugaoni spoj Bakarпa
Suёeoni spoj
gredica
Vertikalni lim
grediCa Osnovn/ _/ materijal
Podlozna
ploёlca
Sl. I-4 -
Horizontafnl fim
Poloiene efektrode
Shema zavarivanja lezecom elektrodom
spoja i usmerava luk prema zlebu koji treba zavariti. Prah se sastoji iz kvarcnog peska ili iz kompleksnije smese prirodnih silikata i veziva natrijumovog vodenog stakla u kolicini 8-10°/о, usled cega se obrazuje porozna masa, kroz koju se slobodno udaljavaju gasni proizvodi nastali topljenjem elektrode. Elektrode se postavljaju u Zleb sucenog spoja ili u ugao koji cine dva lima (ugaoni spoj). Jedan kraj elektrode је stegnut u drzacu elek-
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
14
trode i pokriven је slojem praha deЫjine 1-2 ст. Prva elektroda se zatim stavlja pod napon i na ogolelom kraju dodirom uspostavlja luk kao u postupku Elin. Pri ovom postupku zavarivanja, topljenje elektrode se vrsi ро celoj duzini uz obrazovanje lako skidajuce troske koja se sastoji iz pretopljene smese оЫоgе i praha. Intenzitet struje u ovom slucaju је oko 10°/о veci od intenziteta pri rucnom elektrolucnom zavarivanju. Karakteristike topljenja, na primer vreme topljenja, tezina rastopljenog dodatnog materijala, produktivnost itd., potpuno odgovaraju karakteristikama rucnog elektrolucnog zavarivanja. Mehanicke osoЬine materijala sava, nanetog lezecom elektrodom i rucnim elektrolucnim zavarivanjem elektrodom istog tipa, prakticno su jednake. Opisani postupak se moze primeniti za zavarivanje razlicitih tipova spojeva u polozaju odozgo: suceonih, ugaonih i preklopnih. Ovim postupkom cesto se zavaruju neki zavaгeni spojevi koje је tesko ili nemoguce izraditi obicnim rucnim elektrolucnim zavarivanjem. В)
Postupak elektrolucnog zavarivanja ugljenom elektl·odom
Pri ovom postupku zavarivanja luk se uspostavlja izmedu ugljene elektrode i zavaгivanih komada, u vecini slucajeva, u redukcionoj atmosfeгi. Zavaгivanje se vгsi kako sa dodatnim materijalom tako i bez njega. Ovaj postupak se primenjuje u posebnim slucajevima, na pгimer, za za\.тaгivanje tankih limova bez dodatnog materijala, za zavarivanje lose zavaгljivih legura kao sto su bronze, itd. Pri automatskom postupku zavaгi,;anja Fusarc pгimenjuje se uglje·~···· ··~~=•с ~~~::~!~~!~~~}l;,E.~~~i<;~лa··.gracl9kiлc(sx~tJE:~cim)·. gasom·. С)
Postupak elektrolucnog zavarivanja u atmosferi redukujuceg gasa
Langmuir-ov postupak zavarivanja atomizovanjem vodonika, sastoji se u u,postavljanju luka izmedн dve ili tri volframove elektгode, koj е se nalaze u atmosfeгi vodonika. Disocijacija vodonika se odvija prema гeakcij i: Н2 +:::::": 2Н-
102 700 cal/mol
i izaziva vгlo visoku temperatuгн od 3 750°С [3-6] na kгaju jezgгa "plamena" atomizovanog vodonika (sl. I-5). D) Postupci elekti·olucnog zavaгivanja zastitnoj atmosfei·i inertnih gasova Sl. I-5 Jezgro "plamena" atomizovanog vodonika pri vrhu dveju volframovih elektroda
Nekadasnji
п
postupak zavarivanja Alexander-a pгedvida primenu vodoлika za zastitu luka. Poslednjih godina ovaj
POSTUPCI ZAVARIVANJA
15
postupak zavarivanja zamenjen је zavarivanjem u atmosferi jednoatomnih inertnih gasova, na primer, helijuma ili argona [8-9]. Ovde razlikujemo dva postupka: postupak zavarivanja netopijivom elektrodom sa primenom volframove elektrode u atmosferi inertnog gasa (sl. I-6), i postupak zavarivanja topljivom elektrodom sa prime~юm elektrodne zice koja sluzi takode kao dodatni materijal iste vrste kao i osnovni materijal. а) Pri zavarivanju netopljivom elektrodom, volframova elektroda sluzi kao provodnik struje а luk se uspostavlja u atmosferi helijuma; ovaj postupak је narocito rasprostranjen u USA; danas se sve vise siri zavarivanje u atmosferi argona. Koriscenje jednoatomnih gasova obezbeduje v1se preimucstava: apsolutnu neutralnost gasne faze u odnosu na rastopljeni metal i volframovu elektrodu; povisenje staЬilnosti luka; - potpunu inertnost okolne atmosfere, sto oslobada od neophodnosti primene praha pri zavarivanju takvih metala, kao sto su nerdajuci celici, aluminijum, magnezijum i njihove legure. Posto do oksidacije volframa ne dolazi, njegova potrosnja је pгak ticno jednaka nuli. Zavarivanje u atmosferi inertnih gasova vrsi se kako jednosmernom tako i naizmenicnom strujom. Zavarivanje metala i legura sa '7iso- , kom temperaturom topljenja, па pгimer, ~E:;lilш, bakпь_J1ikla itd_~_Jr~ba_ vrsiti jednosmernom~~stru;i om~c"'sa"'"'~elektrodama ·~na~ negativnom polu. Nasuprot, zavariчanje jako oksidirajucih metala i legura, takvih kao sto је aluminijum, magпezijum i пjihove legure, treba vrsiti jedгюsmeг nom strujom sa elektrodom па poziti'ч nom polu. Pri zavarivaпju пaizmenicnom stгu jom napon praznog hoda treba da Ьнdе povisen (180- 200 V), sto dopгinosi lakom uspostavljanjн i staЬilnosti elektricnog lнka. Poslednji uslov пarocito ј е vazan za zavarivanje laki11 le{~UIЋ. Neophodnost povisenog парова praznog hoda moze se izbeci putem superpozicije na luk naizmenicne struje niskog napona (60- 80 V). struje visoke ucestai10Sti pri Sl. I-6 Pistolj za zavarivanje uslovu primene staЬilizatora luka. u zastitnoj atmosferi argona konPri zavarivanju oЪicnih konstтukci struisan za jacinu struje do 500 onih celika argon, bez .stete ро kvalitet А. Pistolj је montiran na automatskoj glavi. materijala sava, moze da sadrzi 1,5°/о azota i do 0,2°/о kiseonika. Ргi zavaгivanju neraajucih ceiika рrероrнснје se primena jednosmerne struje sa negativnim polom па elektrodi.
16
:, 1
ii н
1
•
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
Argoп za zavarivanje lakih metala i njihovih legura (aluminijum, magnezijum) treba da bude veoma cist: sadrzaj azota ne treba da prelazi 0,3°/о а sadriaj kiseonika i vodonika 0,01 °/о. Cak i neznatna vlaznost gasa otezava zavarivanje (koji put ga onemogucava), pojavljuje se jako rasprskavanje а na povrsini rastopa stvara se skoro crna skrama (verovatno oksidi ili nitridi). Zavarivanje nerdajucih celika se vrsi pri vrlo niskim vrednostima gustine struje, reda 6 do 7 A/mm 2 , а pri zavarivanju aluminijumovih i magnezijumovih legura gustina struje је jos manja. Ь) Zavarivanje topljivom elektrodom prvo је Ьilo primenjeno u USA а zatim u Evropi. Elektroda stvarno predstavlja dodatnu zicu (dodatni materijal), koja se topi u atmosferi inertnog gasa (sli. I-7). Osnovna karakteristika ovog postupka sastoji se u primeni jednosmerne struje vrlo velike gustine sa pozitivnim polom na elektrodi. Gustine struje koje se primenjuju su sledece: 50 do 100 A/mm 2 preseka zice pri zavarivanju aluminijuma; 100 do 200 A/mm2 preseka Zice pri zavarivanju oЬicnih i nerdajucih celika; 150 do 250 A/mm2 preseka zice pri zavarivanju bakra. Za poboljsanje prenosa elektrodnog materijala predlozeno је uvodenje u inertni gas manje kolicine kiseonika (5-10°/о). U tom slucaju zavarivanje se vrsi jednosmernom strujom sa elektrodom na minus polu.
.1
Sl. I-7 - Kapljicasti prelaz metala pri zavarivanju u atmosferi aгgona. Celicna zica, jednosmeгna struja, obratna polarnost, I = 500 А. (prema Gillette i Breymeiг)
Postupak automatskog zvaтivanja и atmosfeтi ugljen-dioksida ima vise varijanti [10]: - postupak Unionarc (Unioн CarЬide) pri kojem magnetni prasak za zavarivanje prianja za dodatnu zicu i na taj nacin dolazi u zonu rastapanja (sl. I-8); postupak Fusaтc-C0 2 , kod kojeg se upotreЬljava specijalna zica zatvorena u kosuljicu iz metalne mreze (opletena zica) u koju је· upresovana oЬloga (pasta za zavarivanje); u datom postupku ugljen-dioksid sluzi samo kao zastitni gas;
17
POSTUPCI ZAVARIVANJA
-
postupak Arcos-Arc, kod kojeg se upotreЫjava poduzno savijena z1ca datog preseka unutar koje se nalazi prah: zona elektricnog luka zasticena је ugljen-dioksidom. Elektroda
// 1
1
Magnetni prasak
Troska-
r
\
\
Sl. I-8 -
Sav
Shema automatskog zavarivanja atmosferi СО2 gasa
и
Е) Postupak elektrolucnog zavarivanja pod prahom .
Postupak "Unionmelt" predstavlja elektrolucno zavarivanje pri neprekidnom dovodenju celicne elektrodne zice, koja sluzi jednovremeno kao provodnik struje za zavarivanje i kao dodatni materijal. Ovaj postupak odlikuje se nizom osobenosti. Uloga praha pri ovom postupku zavarivanja analogna је ulozi elektrodne оЫоgе pri rucnom elektrolucnom zavarivanju, tj. prah stabllizuje i stiti luk, s jedne strane, а s druge dopriпosi legiranju materijala sava. Osim toga, usled niske toplotne provodljivosti, prah zadrzava toplotu, koja se iskoriscuje za rastapanje metala. Na taj nacin, luk је .pokriven i zasticen prahom za zavarivanje, koji se zagreva Dzaulovom toplotom [11]. Posle drugog svetskog rata postupak zavarivanja pod prahom znatno је usavrsen kako u USA tako i u Evropi, ра su stvoreni i srodni postupci, koji se uglavnom razlikuju u nacinu dovodenja praha za zavarivanje. Na slici I-9 prikazan је spoljni izgled uredaja (Unionmelt) za zavavarivanje pod prahom. On se sastoji iz: za doturanje elektrodne zice razlicitog precnika i postavljenog na vitao (D); ј-' 2 Metalurgija zavarivanja
-1!
МЕТ AL Ul •G I.J А
18
ZA V ARIV AN .Ј А CELIKA
rezervoara (F) sa prahom za zavrivanje; gumenog creva (С), kroz koje se dovodi prah ispred elektrodne zice u zleb; uredaja (А) za automatsku kontrolu napona zavarivanja, koji regulise rad elektromotora glave za zavarivanje u funkciji ovog napona;
Sl. I-9 -
-
Samohodna glava za automatsko zavarivanje pod prahom, konstruisana za jacinu struje do 1000 А
izvora struje - generatora jednosmerne struje ili transformatora za zavarivanje; savremeni transformatori za zavarivanje snabdeveni su staЬilizatorom luka; mehanizma (М) za premestanje glave za zavarivanje u skladu sa napredovanjem sava; mernih instrumenata, prikljucaka itd.; uredaja za usisivanje neiskoriscen6g praha za zavarivanje.
Postupak zavarivanja pod prahom razlikuje se od obicnog elektrolucnog zavarivanja mogucnoscu da stvori luk vrlo visokog intenziteta (struja zavarivanja do 3 000 А), cime se omogucuje zavarivanje znatno vecom brzinom i sa dubljim provarom. Medutim, u slucaju povisenih vrednosti intenziteta struje pretapa se vrlo velika zapremina osnovnog materijala sa jakim rasprskavanjem, koje se ne moze regulisati; usled
POSTUPCI ZAVARIVANJA
19
toga se prakticno primenjuju manje vrednosti intenziteta struje zavarivanj а, reda od 1 000 do 1 500 А а retko se prelazi 2 000 А. F) Postupak elektrolucnog
с
zavю·ivanja
cepova pistoljem
Ovaj se postupak sastoji u pricvrscivanju cepova pomocu zavarivanja za neki metalni zid; ovi cepovi su metalni komadi izduzenog oЫika, oЬic no kruznog preseka, ciji precnik moze da iznosi 3 do 25 mm. Pomocu ovih cepova mogu se zatim ostvariti najheterogeniji spojevi. Na taj naCin, operacije busenja rupa i urezivanja navoja zamenjene su zavarivanjem sa svim nj egovim ekonomskim prednostima. Postupak zavarivanja cepova pistoljem sastoji se iz sledecih operacija [12]: uspostavljanje luka izmedu vrha сера i osnovnog materijala i odrzavanje istog do perioda topljeпja vrha сера i osnovnog materijala; zastita metala u procesu ocvrscivanja (kristalizaoije) pomocu keramickog prstena; pritiskivanje сера, koje proizvodi vruce skivanje sava. Postupak zavarivanja cepova pistoljem pripada postupcima elektrolucnog zavarivanja posto se rastapanje vrha сера ostvarнje toplotom elektricnog luka pri naponu 25 do 30 V, а primenjeni dezoksidirajuci prah delimicno vrsi ulogu оЫоgе elektrode. Zavarivanje cepova pistoljem razlikuje se od oЬicnog elektrolucnog zavarivanja primenom kratkotrajnog pritiska na сер posle rastapanja njegovog vrha. = ~c,,-~~"~,c,C~:ce:c~~~~~"-c"':·~Jedna:"cod~~v~rijaiiti·Dvog:~postiipкa~-zavarivaiiTa -sasfo.jГ se -й primerii zastitnog gasa, na primer argona. Pri zavarivanju cepova pistoljem primenjuje se sledeca oprema i materijali: а) P1·enosni тucni pistolj (sl. I-10) pomocu kojeg se нspostavlja luk pri dodiru i odmicanju сера od osnovnog materijala kao i njegovom kasnijem odrzavanju.
Sl. I-10 2*
Pistolj za zavarivanje cepova
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
20
Ь) Upravijacka kutija, koja zatvara kolo struje zavarivanja za vreme celog perioda odrzavanja luka; с) Izvor struje zavarivanja oЬicno generator jednosmerne struje ili transformator za zavarivanje sa uredajem za staЬilizaciju elektricнog luka; d) Metaini сер, (sl. I-11) razlicitog oЬlika sa glatkom ili narezaнom povrsinom. Ovaj сер moze imati glavu ili Ьiti bez nje. Na krajnjem delu сера umetnuta је ka,psula koja sadrzi prah za zavarivanje. е) Keramicki prsten (sl. I-11) koji је predviden za: - zadrzavanje toplote elektricnog luka;
Sl. I-11 - Сер, u cijem је vrhu upresovana kapsula sa prahom. Keramicki prsten sluzi za zastitu rastopljenog metala
Sl. I-12 - Makrostruktura poprecnog preseka zavarenog сера; nagrizanjem se otkriva materijal sava
formiranje venca iz rastopljenog metala u osnovi
!
сера
(sl. I-12);
zastitu rastopljenog metala od neposrednog dejstva okolnog vazduha; odstranjivanje para i gasova, koji se izdvajaju pri topljenju metala, kroz male otvore pravilno rasporedene u osnovi prstena; zastitu ociju radnika od dejstva luka.
111 -
ZAVARIVANJE ELEKTRICNIM OTPOROM
1 1 1
1
Postupci zavarivanja elektricnim otporo.m [13] razlikuju se od drugih postupaka zavarivanja oblikom i prirodom upotreЬljene energije: Dzaulovom toplotom, koja se oslobada pri prolazu elektricne struje neposredno kroz zavarivane komade u komЬinaciji sa mehanickom energijom.
POSTUPCI ZAVARIVANJA
21
Toplotna energija, koja se oslobada pri prolazu struje intenziteta I kroz kolo omskog otpora R za vreme dt, odreduj е se prema klasicnom zakonu Dzaula Q
gde је Ј energij е" :
1 = -
г
Ј" о
f2·R· dt,
konstanta, nazvana "toplotnim ekvivalentom mehanicke Ј =
4,185 Dzaula·, -
1
Ј
=
О
,24
Kolicina toplote Q u gornjoj jednacini izrazava se u malim kalorijama (cal). Mehanicka energija se predaje u vidu pritiska na elektrode u razlicitim fazama ciklusa zavarivanja. U periodu zblizavanja zavarivanih komada, pod dejstvom pritiska razara se oksidni sloj i kovarina, sto obezbeduje solidan dodir zavarivanih limova. U periodu zavarivanja pocetni prt tisak sprecava pomeranj е komada i olaksava ,prolaz elektricne struje, а pritisak gnjecenja sprecava eventualno obrazovanje usahline, i potpomaze rekristalizacij u. U ciklusu zavarivanja (sl. I-13) moze se razlikovati nekoliko faza ili perioda: 1
р
р р
Nalzmenicna :struja
)ednosmerna struja
а- zЬ/iiovanje
а- zЬ/iiavanje
:s - zavo rivanje
s- zavarivonje
f -
gnjeёenje
f- gnjecenje
с
vreme opadanja pritisko
с - vreme opadanja pritiska с'- vreme bez pritiska
-
с'- vreme bez pritiska
Sl. 1-13 -
Dijagram ciklusa zavarivanja elektriC.nim otporom
period zblizavanja, tj. vreme koje protekne od momenta pocetka primene pritiska na elektrodama (ukljucenje pokretne elektrode) do pocetka prolaza struje zavarivanja I. U toku ovog perioda pritisak Р brzo raste; period zavarivanja, kojem odgovara vreme prolaska struje. Pritisak Р ostaje konstantan; ponekad se on smanjuje u zavisnosti od usvojenog rezima i osoЬina zavarivanih metala;
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
22 perюd
gnjecenja, posle iskljucenja struje zavarivanja; period hladenja zavarivanih komada ili takt, koji predstavlja mrtvo vreme u ciklusu zavarivanja. Ocigledno, opisani ciklus predstavlja samo priЫiznu shemu, on se upotpunjuje takode metalurskim operacijama vec prema tipu zavarivanih metala, velicini komada i drugim faktorima koji uticu na proces zavarivanja elektricnim otporom. U skladu sa naCinom primene toplotne energije i mehanickih sila, zavarivanje elektricnim otporom se moze podeliti na: - tackasto zavarivanje, koje se odlikuje polozajem zavarivanih limova, od kojih jedan prekriva drugi; ovaj nacin zavarivanja ima vise varijanti: visestruko tackasto zavarivanje, bradavicasto zavarivanje i savno zavarivanje; suceono zavarivanje Cistim otporom; suceono zavarivanje varnicenjem. 1 - Tackasto zavarivanje. Pri tackastom zavarivanju zavarivani komadi postavljaju se jedan (sl. I-14) na drugi i ulazu izmedu para elektroda, а zatim se propusta elektricna struja. Struja, na svom putu od jedne elektrode do druge, prolazi kroz punu deЫjinu zavarivanih limova.
Sl. I-14 -
Shema tackastog zavarivanja
Sl. I-15 Shema visestrukog tackastog zavarivanja
Poprecni presek zavarene tacke ima oЫik soc1va. Na slici I-15 prikazana је jedna od prvih varijanti ovog postupka zavarivanja, pri kojem su elektrode razшestene sa iste strane zavarivanih komada, postavljenih na specijalnom nosacu, koji primorava struju da na svom putu od jedne elektrode do druge protice kroz zavarivane limove. Na slici I-16 prikazan је jos jedan primer tackastog zavarivanja. U ove varijante jedan lim је pripremljen sa izbocinama (bradavicama), koje predstavljaju mesta obrazovanja zavarenih tacaka. Ovaj liш se posfavlja na drugi. Ргi tome је lako razumeti da se mesta izbocine lakse tope i na taj naciп obгazuju zavarivane tacke. Ravna elektroda velikog precnika pokriva niz izbocina. Ova varijanta tackastog zavarivaпja na-
POSTUPCI ZAVARIVANJA
23
ziva se bтadavicasto za1юri1,anje i narocito se primenjuje za zavarivanje malih komada kruznog pr!':seka za ravnu plocu.
Savno zavarivanje (sl. I-17) је najznacajnija i najrasprostranjenija varijanta na principu tackastog zavarivanja; pri savnom zavarivanju zavarene tacke su vrlo Ыizu i prekrivaju jedna drugu obrazujuci pri tom kontinualan sav (sl. III-31). U ove varijante zavarivanja cilindricne elektrode zamenjene su obrtnim kolutovima ili valjcima pomocu kojih se dovodi struja i obezbeduje mehanicki pritisak.*
Sl. I-16 -
Shema bradavicastog zavarivanja
Sl. 1-17 - Shema s,avnog zavarivanja elektricnim otporom
2 - Suceono zavarivanje cistim otporom. Zavarivani komadi se suceljavaju i stezu u celjustima koje sluze kao provodnici elektricne struje (sl. I-18). Dzaulov efekat se stvara na mestima najveceg elektricnog otpora, tj. na dodirnim povrsinama zavarivanih komada. Pomeranjem ~--~.~-·----
--~--
Sl. I-18 -
Shema sucenog zavarivanja zbljanjem
jedne od steznih celjusti vrs1 se zЬijanje zavarivanih komada; pri tome se istiskuje deo testastog metala i obrazuje se venac u kojem su izbaceni gasni i cvrsti ukljucci. Ovaj postupak zavarivanja se primenjuje za zavarivanje komada vrlo razlicitih geometrijskih oЬlika, ра i limova velikih dimenzij а.
* Citaoci koje interesuje ovo pitanje moci се u autorovoj knjizi Les Soudures (Izdanje Dunod) da nadu opis savremenih masina za zavarivanje elektricnim otporom.
24
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
3 - Suceono zavarivanje varnicenjem. Zavarivani komadi se suceljavaju pomocu steznih celjusti masina za zavarivanje. Ciklus zavarivanja pracen је uspostavljanjem serije kratkih lukova kao rezultat sukcesivnog priЬlizavanja i udaljavanja komada, sto dovodi do povisenja temperature na zavarivanim povrsinama (sl. I-19). Pri dostizanju neophodne tempe-
Sl. I-19 -
Shema suceonog zavarivanja varnicenjem
rature komadi se dovode do kontakta а zavarivanje se ostvaruje pritiskom. Као i u prethodnom slucaju, u zoni zavarivanja obrazuje se venac metala koji sadrzi nemetalne ukljucke i okside metala; isti se odstranjuju brusenjem ili Ьilo kojim drugim postupkom mehanicke obrade. Takode је potrebno, ukazati na to da se danas sve vise koriste pokretna kljesta za tackasto zavarivanje koja dozvoljavaju izvodenje za-----~~~_!1-ih taca~§.__l11Jilo koje11:1 p_ol()z(lj~. _ __ _ _ __ _ i:o~ic~~~"'"c:'C~~~~c~~::_""~-c:=c4i'~~-""~zavativarije elekt:ficriim --citpOrO:Ш: -pou Ъ:·Ъskom.- -•N ovi postupak sucenog zavarivanja elektricnim otporom ,pod troskom opisan је u sovjetskom casopisu ,,Automatsko zavarivanje" (Avtomaticeskaja svar-+--r-- 2 ka) [14]. Zavarivani komadi 1 i 2 postavljaju se u bakarnu kokilu levkastog oblika, koja је ispunjena prahom za zavarivanje (sl. I-20). Struja sekundarnog namotaja transformatora pro5 tice kroz zavarivane komade i elektroprovodljivi prah 4. U toku to,pljenja nivo praha dostize povrsinu gornjeg komada 2. Povrsine З i 5 zavarivanih komada brzo se zagrevaj u na racun Sl. I-20 Shema zavarivanja toplote, koju oslobada rastopljena troselektricnim otporom pod troskom ka, do temperature dovoljne za dobijanje zavarenog spoja pri odredenom pritisku gnjecenja. Kako је saopsteno u navedenom sovjetskom casopisu, ovaj postupak se primenjuje za zavarivanje komada razlicitog geometrijskog oЬlika i velikih dimenzija sa relativno malom potrosnjom energije u poredenju sa klasicnim postupkom zavarivanja elektricnim otporom. Na ovaj nacin, oЬlica precnika 120 mm zavaruje se za 5 minuta, pri intenzitetu struje 3500-4000 А i naponu 20-25 V.
-~н-c--
POSTUPCI ZAVARIVANJA
·-
25
IV- OSTALI POSTUPCI ZAVARIVANJA TOPLJENJEM
Da Ьi kompletirali ovaj pregled, razmotrimo ukratko neke postupke zavarivanja topljenjem, koji se ostvaruju Ьilo mehanickim sredstvima, Ьilo na racun toplote hemijskih reakcija. Stari postupak zavarivanja vodenim gasom sa kovanjem komada velikih preseka ро zakosenim i preklopljenim. ivicama povezan је sa teskocama pri izvodenju usled neophodnosti opsteg zagrevanja. Ovaj postupak је potpuno napusten, posto se ozblljne greske u zavarenom spoju ne mogu izbeci.
-- -- ----- ~-
Postupak aluminotermijskog zavarivanja sastoji se u koriscenjн toplote egzotermne reakcije redukcije oksida gvozda aluminijumom u posebnom kalupu i izlivanjE; rastopa na ivice koje treba spojiti. Treba se takode podsetiti postupaka lemljenja i zavarivackog LemLjenja, koji se mogu ,izvrsiti kako ugljovodonicnim plamenovima, tako i u peci sa kontrolisanom redukujucom atmosferom, ili pak ultrazvukom. Postupak zavarivanja ultrazvukom doblja industrijski znacaj. Danas su u razvoju sledeci novi postupci zavarivanja topljenjem: - zavarivanje indukcijom, koje је naslo industrijsku primenu u nekim specij alnim oЫastima, na primer, pri izradi ce1icnih cevi bez dodatnog materijala; zavarivanje pod troskom, koje predstavlja podvrstu elektricnog zavarivanj_?::-:P9cl-=:Pr@g:rxг._:Qsт-aj~:p-astupakj е-- tazraden: и·=-ssSR- i ,-~~~=--"~-?="'~к~oristY~seza zavaiivanje koma:da vellkih- deЫjina (iznad 100 mm); postupak zavarivanja elektronskim snopom, koji је sasvim nedavno patentirao Francuski komesarijat za atomsku energiju (1957).
Zavarivanje indukcijom. Princip zavarivanja indukcijom davno је vec poznat. Ovaj postupak se siroko primenjuje za zavarivanje plastic~ nih masa pri koriscenju relativno malih snaga. Zavarivanje celika ovim postupkoш, а posebno cevi, bez dodatnog шaterijala, pocelo se primenjivati sasvim nedavno. Prvi patenti doЬijeni 1948. god. od strane Metalurskog drustva departmana Aisne [15]. Sustina ovog postupka је u sledeceш: struja ucestanosti 4000 Hz indukuje se u zavarivanim komadima posredstvom induktoтa prikljucenog na dva kondenzatora i transformatora povezanog sa dva generatora visoke ucestanosti. Cev se uvodi u induktor tek posle oЬlikovanja izшedu valjaka. Indukovana struja protice duz zavarivanih ivica, koje se zagrevaju do izvesne duzine i ravnomerno ро celoj deЫjini (s1. I-21). Valjci za oЬli kovanje gnjece rastopljene ivice sa obrazovanjem шalog nadvisenja, koje se zatim uklanja valjcima za kaliЬraciju. Potrebni toplotni reziш odrzava se elektronskim uredajem. Brzina zavarivanja је vrlo velika i zavisi od upotreЬljene snage, а naroCito, od poшocnih i mehanicki operacija koje prethode zavarivanju, tj. opsecanja liшova, dekapiraлja limova, oЪlikovanja cevi itd. Prakticno, ova brzina iznosi 15-30 ш/min. Snaga uredaja uslovljava takode i deb-
26
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
ljinu zidova cevi koja se moze zavariti. Prema tehnickim podacima podnosioca patenta danas је moguce zavarivati cevi sa deЫjinom zidova od 7 mm .
.• ;· 1
Sl. I-21 -
Sheшa
indukcionog zavarivanja
. ;: 1
ј:
1
i
ј; j1r
Energija, koja se utrosi ро toni zavarenih cev1, brzo opada sa po,?ecanjem njihovog precnika i debljinom zidova:
;!1
za cev precnika 80-90 mm ................ 50 kW/t za cev precnika 152-165 mm .............. 22 kW /t.
;/ј !1
'1
-., ·-.~.~ ·
,. ·.:/ ...· · !Ј
.
;:·:1
.
;
. .11
1!
Zavarivanje pod .trosk_om. P?·stupak zava_:iva~ja kor:nada velikih deb~ ----~-~ll~n~_P..Qc:! _tr_~skom ()'PlS9Jl Је prv~ p_u_t__ .!:l_ -~,9-opsteJ:?,Jll_Iн~tlj;uta za zavariva-·-.c_'"~~,.cnje-'-izёKijeva (Patonov intstitut).- Po·~svemu s.udeci,--ovaj postupak је razraden priЬlizno 1951. god. [16]. U ,principu ovaj postupak podseca na elektricno zavarivanje pod prahom sa dovodenjem elektrodne zice i elektroprovodljivog topitelja u obliku praha. Pri ovom postupku ostvaruje se efikasna dezoksidacija putem uzajamnog dejstva (pudlovanje) · aktivnog silikomanganovog topitelja sa rastopljenim metalom. Dezoksidirani metal se talozi i obrazuje zonu I rastopljenog i ocvrslog metala (sl. I-22), zona dezoksidacije (П na sl. I-22) tj. smesa rastopljene troske i metala obrazuje sloj iznad metala koji је u toku ocvrscivanja. Iznad ove dve zone nalazi se sloj topitelja (III na sl. I-22), koji se periodicno izliva. Limovi, koji se zavaraju ovim postupkom, imaju oЪicno veliku debljinu (100 do 500 mm) i postavljaju se vertikalno sa zazorom od 30 mm i vecim. Ј edna ili vise elektroda razmestene su u zoni rastoplj enog topitelja (III na sl. I-22). Pri zavarivanju pod troskom elektrodom precnika 3,2 mm intenzitet struje iznosi 500 do 550 А а napon se nalazi u rasponu od 45 do 50 V. Doturanje zice se ostvaruje pomocu glave za zavarivanje kao i kod postupka "Unionmelt", s tom razlikom, sto se pri zavarivanju pod troskom glavi za zavarivanje saopstava osilacija sa amplitudom Е 1 Е/ i Е 2 Е/; kada dostigne krajnje tacke ampltude, elektroda se u toku 5 do 7 sec nalazi u stanju mirovanja. Vodom hladene bakarne vodice, velicine nekoliko kvadratnih desimetara sluze za bocno zadrzavanje metala za vreme dezoksidacije kao i topitelja, koji se nalazi iznad tecnog metala. ..
POSTUPCI ZAVARIVANJA
27
Сео sistem: elektrode, vodice i rezervoar sa prahom pomeraju se vertikalnom pravcu, sinhrono brzini zavarivanja, koja, sa svoje strane regulise i deЫjinu sloja topitelja; sloj topitelja treba da bude oko 3050 mm. Lim deЫjine 100 mm zavaruje se brzinom od 50 cm/h (elektroda precnika 3,2 mm, intenzitet struje 550 А). Prema podacima sovjetskih и
Granlca rastapanja
Bakarne vodice
IZGLED ODOZGO
Sl. I-22 -
Shema zavarivanja pod troskorn
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
28
istrazivaca [16], materijal sava ima povisene mehanicke karakteristike; posebno је znacajno da bez obzira na krupnokristalastu strukturu materijala sava, udarna zilavost moze da dostigne vrednost od 5 do 8 kpm/cm 2 , sto se tumaci vrlo visokim stepenom preciscavanja materijala sava i odsustvom kiseonika u njemu. Na slici I-23 vidi se samo deo uredaja za zavarivanje pod troskom (glava za zavarivanje sa upravljackom kutijom za regulisanje doturanja elektroda i vodom hladene vodice, predvidene za zadrzavanje rastopa). U gornjem delu sl. I-23 vidi se rezervoar sa prahom.
Sl. I-23 -
Automatska glava za zavarivanje pod troskom
POSTUPCI ZA V ARIV AN Ј А
""·' 1
29
Zavarivanje elektronskim snopom. Ovaj postupak zavarivanja odlikuje se time, sto zavarivani metal, postavljen u zatvorenu komoru u kojoj se moze stvoriti vakuum ili uvesti gas pod zeljenim pritiskom, predstavlja anodu jednog diodnog sistema. Zavarivanje komada se vrsi mlazom elektrona, koje eшituje katoda postavljena u toj istoj komori. Elektronski snop se usmerava na zavarivane ivice komada pomocu elektrostatickog sociva.
Francuski patent [17] predvida dve oblasti primene ovog postupka zavarivanja: jednu za zavarivanje kruznih savova, а drugu za zavarivanje poduznih savova u polozaju odozgo (sl. I-24).
Sl. I-24 -
Shema zavarivanja elektronskim snopom
U komori (А) stvara se vakuum pomocu sistema vakuum-pumpi (В). zavarivana komada postavljaju se duz ose ХУ nasuprot katodi С, snabdevenoj vlaknom f i elektrostatickim socivom е, koje koncentrise elektronski snop u zadanu tacku na osi ХУ. U ovoj tacki nastaje topljenje zavarivanih komada; premestanjem katode duz ose ХУ pomocu nosaca MN doblja se zavareni spoj. ОЬа
Sve parametre, koji odreduju rezim zavarivanja: intenzitet elektronske struje, napon polja ubrzanja elektrona, brzinu pomeranja pokretne katode, stepen razredenosti i primenjeni gas, regulise rukovaoc р о svoj ој zelj i.
30
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
Na slici I-25 prikazan је uredaj za zavarivanje komada kruznog preseka, koji se sastoji iz vakuumske komore i sistema vakuum-pumpi. Ovaj uredaj konstruisan је u Centre de Saclay, а opisali su ga Stohr i Briola [18].
Sl. I-25 -
Uredaj za zavarivanje elektronskim snopom u vakuumu, koпstruisan u Atomskom centru Sakle u Francuskoj (С.Е.А. Sacley)
31
POSTUPCI ZAVARIVANJA
BIBLIOGRAFIJ А [1] Prof. А. Portevin: Les bases scientifiques de la soudure autogEme. Bull. Soc. Ing. Soudeurs, 24 (1933), 901. [2] Prof. G. Ribaud: С. R. Acad. Sciences, 190 (1930), 369; Ј ourn. Phys. et le Radium, t. VI, 2 (1935), 55. [3] Prof. G. Ribaud et D. Sejerian: Rev. Soud. Autog., 236 (1933), 2879; Chal. et Indust., 167 (1934), 130. D. Sejerian: Temperature de combustion. Techniques de l'Ingenieur, vol. I, А 540, ectit, Paris. [4] Р. Montagne: These de doctorat, Paris (1934), Gauthier- VШars, edit. [5] А. Rochan-Zaer: These de doctorat, Paris (1936). Rodstein, edit. [6] D. Seferian: Etude des flammes de soudure (1935). Institut de Soudure Autogene, edit., Paris. [7] Р. Berthet: Soud. et Tech. Conn., vol. IX, 7-8 (1955), 323; 1-2 (1956), 37. [8] R. Arnaud: Soud. et Tech. Conn., vol. IV, 11-12 (1950), 259; Navires, Ports et Chantiers, 'l (1956), 484. L. Dumoulin: Soud. et Tech. Conn., vol П, 3-4 (1956), 87. [9] О zavarivanju u zastitnoj atmosferi argona: Ј. BriШe; Soud. et Tech. Conn., vol. VIII, 7-8 (1954), 195. Н. Т. Herbst i Мс Elrath Jr: Welding Journ., 12 (1951), 1084. W. L. Green i R. Ј. Kriger: Welding Journ., suppl., 12 (1952), 582 - s. W. Н. Wooding: Welding Journ., 4 (1953), 299; 5 (1953), 407. М. SkolniL i Ј. В. Jones Welding Journ., suppl., 1 (1953), 55-а. Е. В. La VеПе: Welding Journ., 6 (1954), 553. F. Ј. PiLia: Welding Journ., 1 (1956), 40. [10] О zavarivanju u zastitnoj atmosferi COz: Р. L. Ј. Leder: Brit. Welding Journ., 6 (1957), 274. --------.-.- ---G-.-R.--RoЉs-chiid: __ Wel_djng_ Jo_џm.L_],_-j1J)J)_6l, 19.
-
· · '" · "=~o'o~=="=c~·:cJ,""'D;· Car-ey?i~~к=-D~ -Mann Ing.~c:Welding~J оuГ.n.,-6]11Ј56};~Ћ5Ћ~. R. Е. Jahn i L. М. Gourd: Welding аnд metal Fabr.ication, 10 (1956), 368.
[11]
Р.
Soulary: Soud. et Tech. Conn., vol.
[12]
Ј.
Sarazin: Soud. et Tech.
[13]
Ј.
Соnп.,
П,
1-2 (1948), 47.
vol. IV, 1-2 (1950), 1.
Negre: Le soudage electrique par resistance (drugo izdanje), Soudure Autog., edit., Paris.
[14] D.
А.
Dudko i I.
К.
PuЬlic.
de la
Pohodnja: Avt. Svarka, vol. 9, 4 (1956), 70.
[15]
А.
[16]
В. Е. Paton: Le soudage automatique а l'arc electrique, edit. Masgiz (1953), Kiev; Svarocnoje Proizvodstvo, 11 (1955); 5 (1956). В. Е. Paton i СоН.: Electro-Slag Welding, edit, Masgiz (1956), Kiev. N. N. Rykalin: British Welding Journ., 4 12 (1957); Soud. et Tech. Conn., vol. XII, 1-2 (1958). 39.
Fischer: Soud. et Tech.
[17] Commissariat 1957. [18]
Ј. А.
Stohr i
а Ј.
Сопn.,
vol. IX, 9-10 (1955), 229.
l'energie atomique. Francuski patent N° 1.141.535 od 18. marta BrioLa: Soud et Tech. Conn., vol. XII, 5-6 (1958), 165.
11! ''1
.
'~jl
1
~
,••.
1
!1 ч~ ~~ ,1
·cjl
т
~i
:~ ј
,]1
Ji
~~
1
".'-1JI
,:~ 1 Ј
Ј
• 1
GLAVA
·11 :Ј!
:::!
П
.DIJAGRAM STANJA ZELEZO-UGLJENIK 1 SASTOJCI CELIKA
Щ! '!1
т! ;ј
i' ~
1
.
i!
~Ј
i
}' ·
1 -
DIJAGRAM STANJA ZELEZO-UGLJENIK
Ј
Dijagram stanja zelezo-ugljenik је vrlo dobro poznat metalurzima \! da Ьismo ga po:novo tumacili u detaljima. Podsetimo se da cisto zelezo ! ocvrscava pri temperaturi 1 530°С+ 5°С. Temperatura pocetka ocvrsciJ1 i vanja opada ро krivoj likvidusa АВ (sl. II-1) uz izlu.Civanje o-faze 1 , (analognoj a-fazi). Klice y-faze se pojavljuju u prelaznoj tacki tran1]j i sformacije В (С = 0,55°/о, Т = 1 490°С) . do. eutekticne tacke .С _(С ·. :tt· ь, ~~==;~;;. ="'со~"'~..:=~~-"'~~~ЗП11Zљ"'·l'=~==~'.'Т3-О~С). ~Zatini 1Чiva=:Ђkvid1.isa:=poкa~џj~~-pofast- ао temJlj perature topljenja cementita Fe"C (С = 6,67°/о). F. Adcock је nasao da щ su, na krivoj solidusa, koja ogranicava oЬlast o-faze, u izotermnim tacjjl kama Н i Ј (Т = 1 490°С) koncentracije ugljenika 0,10°/о i 0,16°/о. \11 U cvrstoj fazi iznad krive transformacije А", staЬilna faza је у!/· cvrst rastvor. Tacka Е (С= 1,7°/о, Т= 1130°С) odgovara granici rastvor\. ljivost ugljenika u y-cvrstom rastvoru. !/ Transformacija у--+а se odvija ро krivoj G S. Najzad, kriva GPQ јјј odgovara granici rastvorljivosti ugljenika u a-zelezu; u tacki Р: С = 0,05°/о pri т = 723°С, u tacki Q: С = 0,008°/о pri Т = 0°С.
11/; :
/! ; н
. ~f
~i!
il
~~
i\
!\ '1
jl ,,
;
u .11
,;1 \[
;i
1\l!
11.
'11'
.il
Cementiti se izlucuje iz ,prezasicenog cvrstog rastvora - austenita skoro pravoj liniji ES. Eutektoidna tacka S lezi u preseku linija transformacije у--+ а (kriva GS) i izlucivanja cementita iz y-zeleza (prava ES) i njoj odgovara koncentracija ugljenika od oko 0,83°/о. Ona odgovara svrsetku prethodnih transformacija uz obrazovanje lamelarnog agregata poznatog pod imenom perlit (Sorby). Na dijagramu su takode oznacene tacke magnetnih transformacija: prva А 2 , pri temperaturi 770°С је Kirijeva tacka a-zeleza; druga А 0 , koja se nalazi pri 210°С, odgovara nestanku feromagnetizma cementita. Kod legura ciji је sadrzaj ugljenika veCi od onog u tacki О (0,43°/о С) linija iscezavanja feromagnetizma se poklapa sa krivom transformacije -
ро
у
---+а
(OS).
DIJAGRAM STANJA ZELEZO-UGLJENIK I SASTOJCI CELIKA
33
Napomenimo da se u tehnickoj literaturi kriticne tacke uglavnom oznacavaju na sledeci nacin: А()
Kirijeva tacka cementita pri 210°С; А 1 linija eutektoidne transformacije pri А 2 Kirijeva tacka a-gvozda; А"
у --+ а;
linija transformacije (GS),
А 4 liпija traпsformacija у
--t
д
(pri 1 390°С za cisto zelezo).
DIJAGRAM ST ANJA Fe -
16~~1"Зr О" А
I:J :Ј.
723°С;
С
~ 1~00 0
Rastop
v
н
!500
1500 1400
1400 tecna laza
1300
1300
Austenit '(
1200
1200
·-
-~- --------нао-
.
:--.. ,;:_ ':": -.::=':. ;:.~=_~::-:'.:::~
JIQJJ
---~~------·· ;;::-~~о-:=::::::-:'"~~-_:_~=~·~;::-=_;-.~о~-":':
1000
+
Austenlt
'+ . .
ledeburit + cementit
:з
1 ;t: ... ..Q
.
с:
ф
1 Е ф -оФ
1000 900
Ф-
u 800
1
7230
700 600
во о
Perlit ferit
Ј
+
1
-:gl
+
Cementit perlit fedeburit
+
Perlit cementit
+
о.
~1 Цј.
500 ~
~
~1
. ~1
;1 ~
'""
~1
600
il
500
..а·.
_,'
1
~ "'1
--------------·~------- ---· ~··-- -------------------t
~
~-
~-
0.5
~~
1 Koncentracija
:4o(2JDDC)
2
1 t - o - - - - - - - Celici------~)-'E-<---- Llvena ug/jenlka
Т ehnicka gvoida
Sl. II-1 3 Metalurgija zavarivanja
з
~~ ~
4
gvoida ----Ј-!
D.ijagram stanja zelezo-ugljenik
5%
..
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
34
Dijagram stanja koji smo razmotrili odgovara metastaЬilnom slstemu zelezo-cementit; u nekim slucajevima trebalo Ьi posmatrati staЬilni sistem zelezo-grafit, cije linije transformacije unekoliko odstupaju od odgovarajucih gore opisanog dijagrama.
П
-
SASTOJCI CELIKA - ALOTROPSKE MODIFIKACIJE ZELEZA
Dijagram stanja zelezo-cementit dozvoljava da razlikujemo niz sastojaka: cvrste rastvore, hemijska jedinjenja, agregate (mehanicke smese), itd., koje cemo ukratko opisati. Tacno је ustanovljeno da se zelezo javlja u tri alotropska oЪlika: zelezo: staЬilno do temperature 910°С; у zelezo: staЬilno u temperaturskom intervalu 910°С- 1 390°С; - д zelezo: staЬilno iznad temperature 1 390°С do temperature topljenja celika. -
. 1!
а
:,; 1 1 f
il
i
>~ ·~
.
Kako се Ьiti u daljem pokazano, kristalne resetke a-zelezo i с>-
Ugljenik је vrlo malo rastvorljiv u a-zelezu (0,05°/о pri 720°С ali ono moze da rastvori veliki broj drugih elemenata pored ugljeпika sa kojima obrazuje cvrste a-rastvore (II-3).
Ј '
~
Sl. II-2 -
Prostorno centrirana kubna resetka a-zeleza
Posle nagrizanja odgovarajucim reaktivima, ferit se posmatranjem pod mikr:oskopom pokazuje u obliku poliedarskih zrna, relativno homogenog oblika i velicine kada је metal u zarenom stanju (sl. II-3). Zagrevanje i topljenje dovode do promene dimenzija i oblika zrna ferita, osoЬine koje posebno susrecemo u strukturama savova.
DIJAGRAM STANJA ZELEZO-UGLJENIK I SASTOJCI CELIKA
35
Gamma ili y-zelezo, staЬilno u temperaturnom intervalu 910°С do
1 390°С, ima povrsinski centrisanu kubnu resetku (sl. II-4) sa cetiri a'coma u jedinicnom kubu; ovaj raspored atoma је zЬijeniji nego onaj u a-zeleza.
Sl. II-3 - U = 60 (nagrizano Nitalom) - Mikrostruktura ferita (celik sa 40/о silicijuma)
Parametri ove resetke iznose: 3,60 А pri 900°С; 3,63 А pri 1 000°С i 3,68 А pri 1 400°С. Transformacija а--+ у је prakticno povratna i odvija se pri temperaturi kriticne tacke А~ (910°С); pracena је promenom gustine cvrstog
Sl. II-4 З*
Povrsinski centrirana kubna resetka y-zeleza
36
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
rastvora u vezi sa prelaskom prostorno centrisane u povrsinski centrisanu kubnu resetku. Promena gustine је, medutim, neznatna, uprkos povecanju zbljenosti elementarne celije, obzirom da је zapremina kгistalne resetke y-zeleza (46,6 Ас) skoro dva puta veca od zapreшine resetke a-zeleza (24,4Ас). U y-zelezu шоzе da se rastvori do 1,7°/о tezinskih procenata ugljenika, ili 8°/о u atomskim razmerama, а kao rezultat ovoga obrazuje se siroka oЬlast cvrstog rastvora y-zeleza ili austenita. Delta o-gvozde javlja se kao stabllna шodifikacija iznad 1 390°С, cije је postojanje pretpostavio Weiss, na osnovu karaktera krive magnetne propustivljivosti zeleza, koja primetno opada sa transforшacijom а --+у, da bi ponovo pocela da raste pocev od 1 400°С. Kasnije su Westgren i Phragmen pomocu rendgenostrukturne analize potvrdili hipotezu Weiss-a. Cisto zelezo, zagrejano d_o 1 425°С, pokazuje sve Ьitne karakteristike a-zeleza sa stranicom resetke а = 2,93 А. Ovo rastojanje jednako је onom koji se лalazi kada se izracuna dilatacija a-resetke od 0° do 1 425°С.
Sl. П-5 - И= 500 - Polja primarnog cementita u osnovi austenita; martenzitne iglice u livu legiranom niklom. Fosfidna eutektika (studit) u cementnim poljima
Cementit. Heшijsko jedinjenje Fe."\C sa 6,67°/о ugljenika, koje se obrazuje pri temperaturi od oko 1 500°С, dobllo је iше cementit; to Је najtvrdi sastojak legure zelezo-ugljenik (tvrdoca oko 800 Brinela). Ceшentit moze da rastvori veliki Ьгој elemenata (mangan, hrom, itd.) sa kojima obrazuje kompleksne karblde. On gubi magnetne osoblne pri 210°С (tacka А 0 ).
DIJAGRAM STANJA ZELEZO-UGLJENIK I SASTOJCI CELIKA
37
Prema W estgren-u i Phragmen-u, resetka cementita pripada ortorombskom sistemu i moze se posmatrati kao prizma sa sledecim parametrima: а= 4,518 А; Ь = 5,069 А; с= 6,736 А. Zapremina resetke cementita {154,3 Ас) је priЬlizno tri i ро puta veca od zapremine resetke y-zeleza. Na taj nacin cementit se ne moze uvuci takav kakav ј е u s1obodni meduprostor y-zeleza da bi obrazovao austenit. Ugljenik mora biti prisutan u slobodnom stanju da Ьi obrazovao cvrst rastvor, sto podrazumeva prethodnu disocijaciju karbida. Morfoloska priroda cementita је veoma razlicita.
Primarni cementit se izlucuje direktno iz tecne faze u vidu plocica ili tvrdih iglica (beli livovi) (sl. II-5). Sekundarni cementit oЪrazuje karЬidnu mrezu u nadeutektoidnim celicima (sl. IП-4) i izlucuje Se iz prezasicenog y-cvrstog rastvora. Proeutektoidni cementit se izlucuje u tacki S (sl. П-1) iz prezasicenog y-cvrstog rastvora kada oЪrazuje eutektoid ferit-cementit. Tercijarni cementit se takode izlucuje iz y-cvrstog rastvora ро liniji SP pri malim koncentracijama ugljenika; on se raspodeljuje ро granicama zrna ferita (sl. II-6). Ovaj tip cementita susrecemo cesto u savovima, elektrolucno zavarenim elektrodama sa malim sadrzajem ugljenika.
±~~~~~ Т
~a:~cidau
Transformacija у--+ а se odvija ро liniji GS i ona је potpuna u tacki S koja odgovara oЪrazovanju Cistog eutektoida. Ро liniji ES, iz prezasicenog y-cvrstog rastvora izlucuje se proeutektoidni sekundarni cementit u sitnorasprsenim lamelama. U tacki S, gde se seku dve linij е transformacij е, posmatramo istovremeno izlucivanje lamelarnog cementita i ferita, koji obrazuju agregat poznat pod imenom perLit (sl. II-7 i II-8). Prirodu i dimenzije ovog agregata studirali su brojni metalurzi, а posebno N. Т. Beijajev [1]. On је uveo· vrlo vazan pojam zrna perlita (sl. II-8) i Sl. II-6 U = 1 700 (nagrizano Nitalom) Cementitna mreza ро odredio је njegove dimenzije pomocu granicama feritnih zrna u savu rastojanja о[) izmedu lamela cementita, .izradenom elektrodom sa oksidnom oЬlogom (С= О,ОЗО/о; koji se menja u zavisnosti od uslova Mn = 0,100/о) termicke obrade. Ove studije su omogucile Gтeene-u [2] da definise jednostavnu vezu izmedu medulamelarnog rastoj anj а on i tvrdoce (Н) perlita: н х о[)
= 79,59.
38
МЕТ AL URG IJ А
ZA V ARIV AN Ј А CELIKA
Sl. II-7 - и= 4 000 - Prekid transformacije у --+ а. Klice a-zrna se razviJaJU u y-cvrstom rastvoru da Ьi stvorili lamelarni perlit (prema С. Shapiro-u)
Sl. П-8 - и = 2 500 Lamelarni perlit. Lamele a-zeleza i cementita УезС. Zrno perlita se karakterise istim pravcem rasta lamelar:nog cementita. Neka zrna perlita pokazuju tendenciju ka koagulaciji
DI.JAGRAM STAN.JA 2ELEZO-UGL.JENIK I SASTO.JCI CELIKA
39
Za grubi* perlit, medulamelarno rastojanje дп dostize vrednost od 500 do 1 000 m,u; u normalnog perlita оп oscilira oko vrednosti od 300 mp. Kada је vrednost дп manja od 200 m~t, onda imamo fini* perlit. Prema jednacini Greene-a, fini perlit moze Ьiti dva do tri puta tvrdi od grubog perlita. Pocev od neke vrednosti za дn, na obicnom mikroskopu se ne mogu razlikovati pojedinacne lamele eutektoida, kao na primer u slucaju analize sorЬitnog agregata (sl. II-9).
l
Sl.
П-9
-
U
=
4 000 -
Sorblt (mikrografija F. Lukasa)
р:гi
ultraljublcastom svetlu, od
Lamelarni perlit moze preci u globulit (loptasti oЬlik) pri duzem zagrevanju oko temperature А 1 (720°С), kada kazemo da је doslo do koagulacije (sl. II-10). Jednovremeno se konstatuje smanjenje tvrdoce. Posmatranja Shapiro-a na uzorcima eutektoidnih sastava, zagrevanih iznad temperature Ас, i kaljenih u vodi, pokazala su da rastvaranje а-
* Za fini i grubl perlit upotreЬljavaju se i izrazi sitnodispergovani, odnosno krupnocblspergovani perlit (prim. red.).
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
40
f-
~ -
Sl.
П-10
-
U
= 1 500 -
Potpuna (koagulacija) cementita
zeleza, izgleda, zapocinje ро granicama oЪrazovanih zrna y-zeleza (sl. II-7 i II-11); a-ferit koje se pretvara u y-austenit, prelazi posle kaljenja u ---~-----------
Sl. II-11 И = 4 000 Pocetak sferoidizacije cementita u procesu transformacije у--+ f1 Lamelarni perlit u osnovi austenita (ргеmа С. Shapiгo-u)
DIJAGRAM STANJA ZELEZO-UGLJENIK I SASTOJCI CELIKA
41
martenzit i trustit. Lamele cementita jos uvek postoje u nekadasnjim zrnima perlita; nasuprot tome, koagulacija cementita nastupa u novonastalim zrnima, tako da dva oЪlika cementita - lamelarni i loptasti postoje jednovremeno jedan pored drugog. U prethodnom izlaganju razmotrili smo ravnotezne sastojke celika, mada postoje i drugi u legurama zelezo-ugljenik, koje smo namerno iskljucili iz ovog izlaganja, na primer, eutektika legura zelezo-ugljenik, grafit koji susrecemo uglavnom u sivim livovima i u nekim sasvim specificnim celicima (celici sa Si i Мо).
III -
1
!
SASTOJCI KALJENJA
Nije nam namera da izlazemo teoriju kaljenja, koja prelazi okvire ove knjige, vec da damo novu klasifikaciju sastojaka kaljenja, oslanjajuci se na najnovije radove francuskih i drugih stranih autora. Ispitivanje zakaljivosti celika se moze izvrsiti na vise nacina, а posebno па dva sledeca: 1. Uzimajuci kao parametre temperaturu zagrevanja iznad А:; i brzinu hladenja pocev od ove temperature do sobne temperature; 2. Prateci vanravrюtezno razlaganje austenita, u funkciji vremena, -.--------_!la__I?._Zlicitim_~_temperaturama_ispod_A 1 .~ U-ovom-cilj-u,~hladi se proba v~rlo .. · 'c'malih=ч:limen2lijEC sa temperatufe y::.sfan]a dо.Ћ\~к~с femperature т ispod А 1 • Razlaganje austenita u funkciji vremena prati se razlicitim metodama: dilatometrijskom, magnetnom, merenjem tvrdoce, metalografskom analizom, itd. Prva metoda (francuska skola) omюgucila је Portven-u i Sevenar-u [3] da izrade "karakteristicne krive kaljenja" koje razgranicavaju tri podrucja: podrucje pothladenog austenita, podrucje martenzitnog kaljenja i podruCje zarenja (sl. III-35). Druga metoda, preporucena najpre u Eпgleskoj od straпe Carpenter-a i Robertson-a [4], dalje је razradena u Sjedinjenim Americkim Drzavama od strane Bejn-a* [5] i Devenport-a [6], а u Francuskoj su је usavrsili Portven i Zolive** [7]. Ova metoda је omogucila da se utvrde neke strukture, koje su u vezi sa medutransformacijom Ar", а koje su doЪile ime bejniti. Tacke tr.ansformacije
Dilatometrijske krive otkrivaju pri hladenju tri podrucja transformacije oznacena sa Ат', Ar" i Arm (sl. II-12).
* **
Bain Jolivet
42
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
Temperatura transformacije Ar1 , prva koja se pojavljuje pri hladenju sa malim termickim histerezisom, kontinualno opada, kada brzina hladenja celika raste; u isto vreme intenzitet transformacije se smanjuje. Ovoj transformaciji Ar 1 odgovara izlucivanje struktura lamelarnog tipa: perlit, sorЬit, trustit. Druga transformacija Ar11 nastupa pri vec1m brzinama hladenja; njen intenzitet raste dok intenzitet transformacije Ar' opada. Pri datoj brzini hladenja, nazvanoj "kriticnom brzinom" (promenljiva prema vrsti celika), transformacija Ar' iscezava, postoji samo transformacija Ar/1, а njen intenzitet dostize maksimum.
Ас З
о
:5
о ... Q)
Q.
Е
Q)
......
О
Тermlcka dilatac/ja
Sl. II-12 .Tri podrucja strukturnih transformacija u celiku dobl ј ena, ·;-dila tometrijskom metodoш
Ovi rezultati dilatometrijske analize prikazani su na vec klasicnom dijagramu (sl. II-13), koji pokazuje promenu intenziteta transformacija u funkciji brzine hladenja. Indentifikacija ove tacke Ar11 sa martenzitnom transformacijom ,pored svega toga је teska, jer, u izvesnih legiranih celika, nastupa nova transformacija Ar111 ispcd 200 °С. Studije izotermnog razlaganja austenita su pokazale, da oЪrazovanje martenzita treba povezati sa transformacijom Arm, а simbol Ar 11 rezervisati za temperaturu obrazovanja medustruktura. Teskoca proucavanja ovih struktura proizilazi iz cinjenice, na koju drugim putem ukazao Portven [8], da dolazi do superpozicije brzine transformacije i brzine hladenja; stoga se doslo na ideju о ispitivanju u izotermnoj sredini kako Ьi se razdvojila ova dva faktora. је
Bejn-u i Devenport-u је poslo za rukom da raz.dvoje ove dve brzine izucavanjem razlaganja austenita na razlicitim temperaturama, u intervalu temperatura od А 1 do soЪne temperature, u funkciji vremena.
DI.J AGRAM STAN .Ј А ZELEZO-UGL.JENIK I SASTO.JCI CELIKA
' )(
о
т
Е
'
о
·u
-~
-u....
·с
о
:~
...&(
о
2
u
Е
_Е
Vl с:
~
"N
Ar'
Т"
---. v --+ Те
о о
~ )(
о
Е
с
2
о
;:;
~
.::
·;::;
>(
~
о
~
~--
Т'
..... ...
43
н
с
о
Е
·--··-------t------c:-
. --- -·-··•С'· -~ -с~="'=•"с:"• .-·~··:~"'·'С-·:?.с~•~:··· ·:c'cS!.c!ll је .. _
·Stanje···potpune- · prehlaaenostl
р
i/1
т
А
т+ м
Prehlaaeno stanje
Sl.
П-13
-
Promena intenziteta strukturne transformacije u funkciji brzine hladenja (prema Р. Seven•aru i А. Portvenu) РТ-
IV -
perlit trustit
МА-
martenz:it austenit
IZOTERMNO RAZLAGANJE AUSTENITA
Cilindricna proba malog preseka (prethodno zagrejana na temperaturu austenitizacije) brzo se hladi u sonom kupatilu, u kojem se ot.irzava konstantna temperatura ispod tacke А,. Za ovu temperaturu odreduje se vreme potrebno za ,pocetak i kraj razlaganja, uzimajuci za pocetak preoЪrazaja momenat, kojem odgovara 0,5°/о razlozenog austenita а za kraj - 99,5°/о razlozenog austenita. Krive razlaganja u funkciji vremena nazivamo IRA *-krive; za ugljenicne i niskolegirane celike, ove kri\тe imaju
*
Izotermo razlaganje austenita.
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
44 oЫik
slova "S" ра ih пeki oznacavaju kao "S-krive"; jos jedan naziv koji se u inostranoj li tera turi srece ј este "ТТТ- kri ve". *
1
i
'\
Vreme u sekundama
Sl.
П-14
*
- "S" ili "IRA" krive (izotermno razlaganje austenita) celika sa ugljenika (prema Research Laboratory U. S. Steel Corporation)
Transformation, Temperature, Temps
0,78°/о
transformacija, temperatura, vreme.
45
DIJAGRAM STANJA ZELEZO-UGLJENIK I SASTOJCI C:ELIKA
Ako se posmatra "IRA-kriva " celika sa о,78°/о ugljenika (sl. II-14), vidi se da је transformacija Ar 1 pri 630°С potpuna ро isteku 10 sekundi, а tek posle jednog casa pri 700°С. S druge strane za potpuno razlaganje austenita u trustit, na 560°С, potrebno је samo 4 sekunde. Na temperaturama Ыiskim sobnoj temperaturi izmedн 0° i 100°С, obrazovanje martenzita nastupa skoro trenнtno i zahteva samo oko jednu sekнndн. U temperatнrnom intervalн 550°С - 200°С ројаvlјнјн se novi tipovi sastojaka nazvani Ъejniti, koji se javljajн kao rezнltat razlaganja aнste nita pri 325°С н tokн 10 minнta а pri temperaturi od 200°С н tokн 18 casova. PR/NCI?IJHNA
SHEMA
STRUКТURA
Perlit (/amelarni)
Т rustit
( rтodu/arnl)
А/ Zrnasta struktura
Gornjl
bejnit
Donjl bejnit
KoliCina razloienog auster.ita
Sl. П-15
( О~~- 100 ~;)
Portvenov dijagram koji predstavlja podrucja tгansformacija At.f, Ar Arm, u funkcijL temperature i kolicine razlozenog austenita
11 ,
--------·----
":%('' ; ;;11
t~
46
"·~Ј
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
Tok "IRA-krive" pokazuje da postoje: jedna izmedu 530°С i 600°С koja druga ispod 100°С koja odgovara transformaciji Arm; dve zone relativne staЬilnosti austenita: prva tacno ispod kri-
с 'Ј
~~:о~~~= ~r'::.,f~:~:fc~j;r'~~}e~
Ј
'~
::ji
~~~~~f~::aeci~r~J druga izmedu 150"С i 250"С, koja odgovara
.'\\11 ,
Postoji dakle, medusobna veza izmedu "IRA-krive" i tri podrucja 1 \f, f trensformacije Ar , Аrп i Аrш . 1 s druge strane, ocevidno је da pojam "tacke transformacije" postaje potpuno relativan, sto u stvarnosti i jeste, јег to su izvesna podruc'i: ја za koja brzina razlaganja austenita ima visoke vrednosti (Beljajev [9]). i Ako uzmemo, kao sto је predlozio profesor Portven, za parametre trans,'.\,, formacije temperaturu i kolicinu razlozenog austenita, namesto vremena 1 '!~: 1 potrebnog za razlaganje prezasicenog austenita (sl. II-15), nalazimo tri Џf! i podrucJ·a sa izrazenim maksimumima, koJ·a odgovaraJ·u trima transformacijama, odredenim dilatometrijskom analizom. ~i; Svaki legirajuci elemenat moze uticati dvojako na razlaganje aus~~ i tenita: Ьilo da izaziva samo i jedino zakasnjenje ovog razlaganja, Ьilo Jll da u~ice ~а obraz?vanj~ perlita. N ~ prim~r, uglj~n~k, mangan, nik~v usp?ravaJU u JednakoJ mеп_ obrazovan_Je perl1ta i ЬеЈшtа а ta~ode, sшzavaJu 1 ~~l ј temperaturu obrazovanJa martenz1ta. Nasuprot tome, molibden usporava ,1· 1 ob_rvazovanje perlita u vecoj m~ri nego o~razovanje bejnita, а isto tako k, 1 sшzava temperaturu obrazovaщa martenz1ta. 1 Legirajuci elementi, koji obrazuju staЬilne karЬide, izazivaju najvece i~ .Ј==~·:с:::-:- ,•.~c~Љ~Js~~JJI~W~~:.p-~:ra:zpv·an:ja petlita .. Holl6m0n~ГJaJfe''[10]= su~-po-kazall,·•· da se --г --'legirajuci elementi svrstavaju u istu klasu kada se posmatra njihov uti-~~ l сај na zakasnjenje obrazovanja bejnita ili njihov uticaj na polozaj temi!l l perature obrazovanJ· а martenzita. ._;·.'.'jl
·1
1
'(fl i
J!j ,
1 11 1!1
· ·- · ··
;
i!
1
~
1
~ ш
.·i :Ј
Ji
ј1
~л !!
Ji
1' ;; ;!
ј
1:-
Klasifikacija "IRA-krivih"
i
Klasifikacija "IRA krivih" је izvrsena od americke skole da Ьi se izdvojile grupe celika sa jednakom zakaljivoscu. Podsetimo se odmah da karakteristike zakaljivosti nemaju jednaku vrednost za dva tipa razlaganja - izotermni i anizotermni (v. dalje). У. Dardel је predvideo pet klasa "IRA~kriViih" celika, koji imaju zajednicke opste karakteristike, sa tri ili cetiri podgтupe u svakoj klasi. Mi cemo ovde razmotriti cetiri velike klase, а za vise detalja treba konsultovati rad Dardel-a [11] i nedavno puЬlikovani rad L. Habraken-a [12]. Na dijagramima, predstavljenim na slici II-16, krive SS 1 predstavljaju pocetak razlaganja austenita (0,5°/о raz1ozenog austenita), а krive FF 1 kraj ovog razlaganja (99,5°/о razlozenog austenita). Klasa А. "IRA-krive" ove klase su karakteristicne ро podudarnosti "noseva" u oЬlasti perlitne ili properlitne transformacije А/ i bejnitne medutransformacije Ar 11 (sl. П-16а). Ovo је klasicna kriva S oblika. Eutektoidni celik (sl. П-14) i vec1 deo ugljenicnih celika pripadaju ovoj klasi. Bejnitne strukture su katkad prikrivene strukturama anizotermne transformacij е.
DIJAGRAM STANJA ZELEZO-UGLJENIK I SASTOJCI CELIKA
1
'
47
Klasa В. U ovoj klasi krivih pomeranje transformacija izvrseno је poglavito и razmeri temperatиre, dok vremena inkиbacija priЬlizno odgovarajи vremenima inkиbacije na "IRA krivima" klase А (sl. II-16b). Spиstanje temperatиrnih intervala prosirиje oblast ove transformacije; obrazovanje strиktиre gornjeg bejnita moze и tom slисаји Ьiti и velikom zakasnjenjи.
Као mogи
i и celika klase А, bejnitne transformacije se koji dostici kontinиalnim hladenjem.
о .._ ::s о .._
о .._ ::s о .._
Q)
Gornj/ bejnit ]
Q
Е
ф
~
~
Ar" ~~
Donji bejnit
риt
tesko
Gornjl bejn/t
NestoЬilni
.. oustenlt
)
F'
-~
Donjl ~ •'1'-bejnit
F ' ...............
----
log vremena
1
...
~~""
/og vremena Кlg~g~_Q_ -~ ~~~-- - -~~ ~~~~~ ~~ ~--"""1
~
NestoЬilni
oustenit
.
о .._
Q)
Е
Е
~,·~о·-:
~-
с.
~-
NestoЬilni
austenit
~
log vremena
.
:~-~"'с
ф
ф
~
.
С:~,,~
о .._
::s о .._ Q
Q
.
Ar___ _ _ _.- _ _·. _ _ _ _ _ _ S
Ar 1
Q)
Sl. II-16 -
~~-"
з
Ar 1 З
~
/og vremena
Klasifikacija "IRA" linija (izotermno razlaganje austenita, prema У. Dardelu)
Klasa С. Perlitne i bejnitne transformacije su jasno razgraшcene, Ьilo temperaturama transformacije, Ьilo vremenima inkиbacije; vremena inkubacije su uglavnom duza и oЪlasti properlitne transformacije (sl . II-16c). Usled toga, za neke vrste celika koji pripadajи ovoj klasi postи pak normalizacije dozvoljava da se dоЪiји bejnitne strиkture; Mn-Mo celici (1 °/о Mn, 0,5°/о Мо) pripadaju ovoj klasi (sl. II-17).
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
48
Klasa D. U celicima klase D bejnitne transformacije se dostizu isto tako lako izotermnim kao i anizotermnim putem, bez Ьilo kakvih drнgЉ transformacija (sl. II-16d). Celici legirani hromom i moliЬdenom (4 do 6°/о Cr, 0,5°/о Мо) pripadaju ovoj klasi ,JRA krivih" (sl. XII-18). ,
~~·-. ·''.·_.··.'' f1i .; ;, -.' • ..\\
.
""'-
,<\; .
-,-"ј
/
Sl. II-17 и = 1 500 - Mangan-moliЬden celik (1 Mn 0,5 Мо). Norrnalizacija pri 900° С. Zaostali gornji bejnit u perlitu
~="!.:'i:':I~-="'·c.-_c..-=:-""·"?-~.c:_c.c_=_,_c•_,"'"'-·"'··~-.-"-·~---··-c·...-··=-· ""'V~'--·
TRI VIDA
Sl. II-18 -
·тRANSFORMACIJE-
I
и = 2 000 cementit
Zrnasti
NJIMA
ODGOVARAJUCE STRUKTURE А)
Transformacija Ar'
Ovoj transformaciji odgovaraju lamelarne strukture (uzlazni deo IRA krive) i zrnaste strukture (silazni deo IRA krive) [14]. Lamelarne strukture su: - eutektoid aFe + Fe~C ili perlit (sl. II-18); trustiti i sorbiti, sa mnogo finijom lamelarnom strukturom (sl. II-9); zrnaste strukture, ciji је predstavnik cementit (sl. II-18); iglicasti cementit, koji se izlucuje а krajnjem stadijamu transformacije Ar/ (sl. II-19). В)
Meautransformacija
Ат"
Ako se trazi povezivanje dijagrama zelezo-ugljenik sa Poтtvenovim dijagramom temperatura-brziлa hladenja i Bejn-De?Jenpoтt-ovim dijagramom temperatara-vreme, onda се perlitne transformacije (stanje ravnoteze) Ьiti predstavljen linijama metastaЬilnog dijagrama (sl. II-20a). Pri temperatari Т, а Ьlizini Ас, (720°С), izlacice se dva sastojka ferit i cementit u Х, i У 1 , koji odgovaгaju perlitnoj transfoгmaciji. Pri nizoj
DIJAGRAM STANJA ZELEZO-UGLJENIK I SASTOJCI CELIKA
49
temperaturi Т 2 , ispod bejnitnog "nosa" "IRA krive" izlucuje se u Х 2 feritni sastojak а u У '2 zasiceni austenitni sastojak, koji се se kasnije razloziti. Mehanizam bejnitnih transformacija ili medutransformacija dovodi do izlucivanja dva tipa struktura, kako izotermnim tako i anizotermnim razlaganj em: 1° Iglicaste strukture, koje su najmnogobrojnije;
Sl. II-19 - U = 2 000 - Iglicasti cementit obrazovan razlaganjem austenita u celiku sa 5°/о hroma
ALis!enit
Kriva IRA austenlto) Ас
·~--------~/ Tl '"'-.. ·..___,
/
с!+ Fe 3 C
/./
·----~------------·/ с:
200
0
·,
--
--·-
"'
~
u
Martenzitno tran$/ormaclja
-~-:::::::
(/ о~--~--~2~--~3---4~---5~---б~~F~е~~
Vreme
Sodrioj ugljenika ("/.) а
Sl. II-20 4
ь
Oblast triju strukturnih transformacija: perlitne, bejnitne
Л1.etalurgija zavariva_щa
martenzitne
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
50
2° Zrnaste strukture, koje se pojavljuju uglavnom u celicima klase С i D "IRA krivih", i cesce pri anizotermnim traYlsformacijama (slucaj savova).
l 1
--
J. . .
Sl. II-22 и= 1100 Feritna polja i izduzeni karЬidi
Sl. II-21 - и = 1 100 - Dobro razvijeni .iglicasti ferit. Struktura gornjeg bejnita. U gornjem delu mikrografije - krupna polja probejnitnog ferita sa agregatima orijentisanih karЬida
~-------~----~~-~----~---~~--------~-----~-----~--------
·r~""' ,~-се.-: .,,~, ~. ~-~~==сс•?'=.':С' "С~-=:-::-сс:ссс_:·"
о·•.=с.:-. -:··
.....• - .. - ·-· ~ .,,,~ссо.с·.:·····
·- .
-
-
1i. Sl. П-23 -
и= 2 000 Iglicasta struktura donjeg bejnita
DIJAGRAM STANJA 2ELEZO-UGLJENIK I SASTOJCI CELIKA
51
1° IGLICASTE STRUKTURE. Ove strukture Se oЪrazuju U SVim celicima U donjim ili srednjim oЬlastima izotermne transformacije Ar11 , а takode i pri anizotermnoj transformaciji za brzine hladenja od 1000°С do 200°C/min. Habraken [12-15] је razvrstao iglicaste strukture u ova tri tipa: а) Iglicasti ferit [plocasta struktura prema Portvenu [16] ili bezkarbidni ferit prema Кап-и [17]], koji nastaje u procesu razvijene izotermne transformacije (sl. II-21). Ь) Gornji bejniti mogu Ьiti definisani kao ferit, koji sadrzi izduzene karbide u pravcu ose ferita (sl. II-22). с) Donji bejniti se asimiliraju u ferit, koji sadrzi sitne ukljucke medusobno paralelnih karblda rasporedenih pod uglom od 60° prema osi ferita (sl. II-23 i II-24).
Sl. II-24 - Elektronska mikrografija. U = 14 000 - Iglice donjeg bejnita se stvaraju na granicama zrna maticnog austenita i rastu ka sredini zrna duz kristalografskih ravni. Bejnitne iglice sadrze veliki broj iglicastih izlucevina, verovatno karЬida. Osnova, koja okruzuje bejnitne iglice, sastoji se od austenita i martenzita. (Mikrografija L .. Habraken-a) 4*
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
52
Sl. II-25 - и= 1~100 - Iglicasti ferit sa difuz.ijom karbida ро granicama feritnih zrna
Sl. II-26 и = 1 500 CeHk sa 20fo Cr. Iglicasta struktura donjeg bejnita doЬijena izoter.mnom transformacij om pri 300° С
Sl. II-27 Elektronska mikrografija. и = 5 000 Hrom-molibden celik klase В 0,38; Mn = 0,78; Si = 0,30; Мо = 0,15). Austenit u procesu transformacije. Gornji bejnit koji se stvara na granicama austenitnih zrna obrazuje naizmenicne plocice ferita i netransfoгmovanog zaostalog aнstenita. (Mikrografija iz rada L. Habraken-a) (С=
DIJAGRAM STANJA ZELEZO-UGLJENIK I SASTOJCI CELIKA
53
Prema tome, iglicaste strukture, kako gornji bejniti tako i donji bejniti, pojavljuju se uglavnom u niskolegiranim ugljenicnim celicima. Iglicastim strukturama morfoloski је analogna Vidmanstetenova struktura, ogranicena karbidima ili mrezom staЬilizovanog austenita. Razvoj izgleda da је sledeci: pocev najcesce od granice austenitnog zrna, iz primarnog ferita, ili zrnastih bejnitnih struktura, oЪrazuju se u veoma kratkom vremenu krupne feritne igle iz kojih је ugljenik izЪacen difuzijom (sl. II-25). Struktura koja је stvorena sastoji se dakle od krupnih feritnih igala koje razdvajaju zone oЪogacene ugljenikom-gornji
r Ј\
1
!
r 1
Sl. II-28 - Elektronska mikrografija. U = 18 000 - Hrom-molibden celik k1ase D (2,25 Cr - 1 Мо). Austenitna osnova se razlaze naizmenicno u plocice obogacene i plocice osiromasene ugljenikom. (Mikrografija iz rada L. Habгaken-a)
54
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
bejniti (sl. II-25) ili od iglica ferita obogacenih karЬiclima vrlo malih dimenzija - donji bejniti (sl. II-23, II-24 i II-26). Strukture gornjih bejnita mogu se javiti i u drugim vidovima i obrazovati, u stvari, najtipicniju iglicastu strukturu transformacije Ar!f. Osim opisanog oЬlika izduzenog ferita mogu se javiti dva druga oЬlika: - naizmenicno poredane plocice ferita i austenita (s1. II-27); - naizmenicno poredane plocice ferita i feritnih zona vise ili manje obogacenih karbldima (sl. II-28). Dimenzije ,plocica, а poglavito njihova sirina, zavise uglavnom od temperature transformacije. Katkad, paralelnost plocica је narusena, jer se sa bejnitnih polja obrazuju klice drugih bejnitnih zrna ili finog ferita. Strukture donjih bejnita su mnogo finije. U eutektoidnim celicima ovaj se bejnit sastoji iz sitnih karblda (sl. II-24) а u celicima sa malim sadrzajem ugljenika, nasuprot, primecuju se samo tragovi kristalografskih ravni ferita (110), koje mogu Ьiti otkrivene nagrizanjem pomocu reaktiva na bazi ferihlorida. Ukratko, na osnovu niza metalografskih istrazivanja i sinteze date od strane vise autora, moze se stvoriti sledeci zakljucak о razvoju bejnita: Gornji bejniti se stvaraju mehanizmom obrazovanja klica, pri cemu se iz klica stvaraju krupne igle prezasicenog ferita, а ugljenik se koncentrise ро granicama feritnih igala i obogacuje preostali austenit. Buduci da је brzina difuzije ugljenika relativno velika pri temperaturama ove transformacije, dolazi do bocnog porasta feritnih igala (sl. II-25 i II-29L ""' 'ccc=·ce~"''""Gist~:::doпji~Ъe-j,nit~,,s-e ~]avi]a; kao=:.pro·"izvo d- transform-aCije ~marterizit.:. ~: - nog tipa. Iglice prezasicenog ferita rastu vrlo brzo uz jednovremenu pojavu karЬida ро ravnima najvece koncentracije atoma (110). Ova transformacija bi se odvijala bez spoljne difuzije, kada Ьi zatim nastupio lagani ali ograniceni porast iglica ferita.
Sl. II-29 И = 1 100 Desno оа mikrografiji iglicasti ferit gorojeg bejnita. Levo - feritna polja sa agregatima karЬida i malim jezgrima zaostalog austenita
Sl. II-30 U = 1 100 РоЈја probejnitnog ferita sa zrnastim karЬidima orijentisanim duz dva pravca
DIJAGRAM STANJA :ZELEZO-UGLJENIK 1 SASTOJCI ёELIKA
55
2° zRNAsтл sтRuктuRA. Zrnasta struktura se javlja u gornjem podrucju bejnitne transformacije. Ova struktura је nazvana, prema morfoloskom izgledu, probejnitni feтit ili parafeтit, prem.a Hultgтen-u [18]. Zrnasta struktura se lakse obrazuje pri anizotermnoj obradi i razvija se pri tom brze i potpunije. Cesto је obrazovanje ove strukture najvece pri brzinama hladenja koje odgovaraju kaljenju na vazduhu (normalizacij а). Opticki mikroskop otkriva relativno razvijene strukture (sl. II-30), ali postoji, prema Habraken-u [15], substruktura koja se moze otkriti samo pomocu elektronskog mikrosko:pa (sl. II-28). U stvari, zrnaste strukture se mogu javiti u svim vidovima izmedu dva sledeca ekstremna vida: - velika polja ferita sa ukljuccima obogacenog sferoidalnog austenita ili aglomeratima karbida u fertu (sl. II-30); - polja ferita srednje velicine sa mnogobrojnim sitnim globulama austenita ili aglomeratima raznih karbida (sl. II-29). U niskolegiranim celicima i sa niskim sadrzajem ugljenika obrazuje se uglavnom !erit, koji sadrzi obogaceni stabllizovan ausrenit, dok se u nelegiranim ugljenicnim celicima narocito javljaju aglomerati karblda. С)
Transformacija Ar 111
Ovoj transformaciji odgovara obrazovanje strukture kaljenja - nazvane martenzit. Dokazano је da se sirenjem transformacije na ovom --~---~~-----Pod:r.ugu--v-r--Si-putem-promene-kr-istalne reset:ke;-.g-::-n~~~~i:r:-~џjeщ _od·-_eenta:ta -o-"-~cc~--o•-:o",·"'~"-'-=·:кristaTi.Z""acf]'e-:-~=-'·?'-","?·:c"···
--- ----
----
=
·
-- - _-_ --·- --- -- •• ·-·- ·--
- -
Utvrdeno је da је maтtenzit prezasicen cvrst rastvor ugljenika u a-zelezu (rastvor а'). Dokazi koji idu u prilog ovom tvrdenju su sledeCi: - pri obrazovanju martenzita elektricni otpor celika primetno raste; - Kirijeva tacka cementita iscezava; - martenzit је magnetican а njegov koeficjient toplotnog sirenja jednak је koeficijentu toplotnog sirenja a-zeleza; martenzit se, dakle, javlja kao van ravnotezni cvrst rastvor a-zeleza. Martenzit kristalise u tetragonalnom sistemu (rastvor а'), sa zapreminski centrisanom resetkom, vrlo Ъliskom kubnoj. Parametri а' - resetke martenzita su vrlo Ьliski parametrima a-zeleza i linearno se povecavaju sa uvecanjem sadrzaja ugljenika. Portven i Sevenar pretpostavljaju da se za vreme transformacije austenita prelaz у -+ а pri niskim temperaturama uspesno odvija, ali da је brzina razlaganja austenita vrlo mala da Ы dozvolila izlucivanje karЬida, usled cega ugljenik ostaje rastvoren u a-zelezu, iako је rastvoтlji vost ugljenika u a-zelezu vrlo mala. Otuda proizilazi da је rastvor zasicen ugljenikom i nestaЬilan а njegovo razlaganje pri niskim temperaturama је, mada vrlo dugo, jos primetno. Visoka tvrdoca martenzita moze se jednim delom pripisati stanju prezasicenosti cvrstog rastvora ugljenika u a-zelezu . Visoka tvrdoca је, medutim, uglavnom posledica distorzije tetragonalne resetke, koja raste
56
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
sa sadrzajem ugljenika. Promena tvrdoce martenzita u funkciji koncentracije ugljenika data је na sl. II-31. Dilatometrijska, termomagnetska, а narocito rendgenostrukturna ispitivanja omogucila su da se martenzit definise kao prezasicen cvrst rastvor ugljenika u a-zelezu, koji nastaje u toku procesa, koji nisu vezani ni za oЪrazovanje klica kristalizacije, niti sa njihovim razvojem [18]. Sa morfoloske tacke gledista, martenzit se odlikuje iglicastom strukturom koja је cesto pracena zaostalim austenitom (sl. II-32). Iglice martenzita su rasporedene duz ravni cepanja i pokazuju tri pravca orijentacije Vidmanstetenove strukture.
HRC
Ј
8~-~~
1
HV
1
Cementit Fe 3 С= 80 HRC 1
1856
о~~~~~~ о
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
Sadriaj ug/jenika (%)
Sl. II-31 -
Pюmena
tvrdoce martenzita sadrzaja ugljenika
austenita u funkciji
D) Odsustvo transformacije '
Odsustvo transformacije daje austenit kao sastojak pothladenog stanja; to је cvrst rastvor ugljenika u y-zelezu (sl. II-33). Austenit је staЬilan na visim temperaturama i nemagnetican. Atomi ugljenika zauzimaju centar sloЪodnog meduprostora povrsinski centrirane kuЪne resetke y-zeleza (sl. II-4). Ovako zaposednuta resetka izlozena је opstoj dilataciji atomske mreze zeleza kao i izvesnoj distorziji. Ova lako deformisana resetka ima prosecnu stranicu kuba nesto vecu nego sto је to
DIJAGRAM STANJA ZELEZO-UGLJENIK I SASTOJCI CELIKA
57
Sl. II-32 и = з 500 Iglicasta struktura martenzita. (Mikrografija pri ultralj.uЬicastom svetlu od F. Lukas-a)
Sl. II-33 -
и
= 1.200 -
Struktura austenita sa finim izlucevinama
karЬida
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
58
slucaj kod kuba resetke cistog y-zeleza; parametar (stranica) resetke raste sa sadrzajem ugljenika (sl. II-34): а
= 3,57 А za
а= 3,62 А
С
=
0,60°/о;
za С
=
1,70°/о.
Bejn је pokazao da povrsinski centrisana resetka austenita moze Ьiti posmatrana kao tetragonalna, povrsinski centrisana resetka sa odnosom с/а = V2. Atomi ugljenika zauzimaju tada polozaj u centru povrsina upravnih na ose nekih elementarnih celija ove resetke. Laka deformacija resetke izaziva porast tvrdoce austenita u funkciji koncentracije ugljenika (sl. II-31). Austenit moze da rastvori veliki broj drugih elemenata pored ugljenika. Rastvaranje razlicitih elemenata dovodi do promena fizicko-hemijskih svojstva austenita, sto se ispoljava u pomeranju linija na dijagramu i 1
о
А
1
3,64
1
3,62
!
~
~w ~~:=-_:::_::~~:--:~::.;:----::--::::;:_~~-~'~:~~~-=~-::::.::=-~~:~~=-='~'=;'-~ ..:::-=:-~- ;.':'":-'. ·:·=~ ·:::l.·::~';.;?:-: ~-~--:~:::~:=-.~~~-.._~:·<-~--=:с---·,,_._~-
3,58 3,56 3,54
о
0,2
0,4
0,6 0,8
1,2
1,4
1,6
1,8
Sadriaj ugljenika (%)
Sl. II-34 centrisaнe
Promeпa parametra "а" povrsinski kubнe resetke austenita и funkciji
koncentracije ugljenika
stanja. Ako legirajuci element prosiruje oЬlast y-cvrstog rastvora, onda njega nazivamo "gamageni" element ili austenitizator; nasuprot, ako legirajuci element suzava ovu oЬlast, jednovremeno sireci oЪlast a-cvrstog rastvora, onda takav element nazivamo "alfageni" element ili feritizator (Benedicks). Hume-Rothery [19] је ustanovio da gamagene ili alfagene osoЬine elemenata zavise od njihove atomske zapremine. Elementi sa atomskom zapreminom vecom od atomske zapremine zeleza su, uglavnom, alfageni; obratno, elementi sa atomskom zapreminom manjom od atomske zapremine zeleza u vecini slucajeva su gamageni.
DIJAGRAM STANJA 2ELEZO-UGLJENIK I SASTOJCI CELIKA
59
U nize datoj tabeli grupisani su alfageni i gamageni elemeпti prema teoriji Hume-Rothery-a. Najcesci legirajuci elementiu celiku oznaceni su crnjim slovima.
Ве eleщenti --
--~--
Gamageni elementi
Si р
Alfageni в -----~--
с
N2
s
Тi
G~
Nb Мо
Cr
As Zr
v
-------
Мn
Со
Ni
Та
w
----------~-~-
Cu Zn
Ru Rh Pd
Os Ir Pt Au
Aptonov* dijagram
Poznato је da ravnotezni dijagram stanja odgovara uslovima vrlo sporog hladenja legure. Ako brzina hladenja raste, kao sto se to dogada u slucaju savova, dolazi do pomeranja linija transformacije ka nizim temperaturama, а isto tako dolazi do udvajanja eutektoidne tacke. Uticaj brzine hladenja na pomeranje linija dijagrama stanja Fe-C i na tempe-
- -·- ----.-=~~~~c,ratuзm~n:lartenzitne-~t-ransforffiaci];;- ~u-diraoj~~-.AP:t~-;;--=т:й)T=(~i; ··п ~35). ovaj dijagram pokazuje na primer da se ргi brzini hladenja od 30°C/sec, koja se javlja u slucaju elektrolucnog zavarivanja, pocetak eutektoidne transformacije proteze izmedu koncentracije 0,4°/о do 0,8°/о ugljeшкa. Ovo objasnjava neke strukturne osobenosti pregrejanih zona, koje pokazuju grubu feritnu mrezu sa prodiranjem u zrna vise ili manje finog lamelarnog agregata. Tako, feritno-perlitni celik sa noтmalnom strukturom u zarenom stanju (sl. II-36) ima u pregrejanoj zoni krupnozrnu strukturu sa delovima finog lamelarnog agregata koji је raspodeljen ро се1ој povrsini zrna (sl. II-37). Autor smatra da u procesu zavarivanja veoma brzi porast temperature treba da dovede do pomeranja linija dijagrama stanja ka visim temperaturama, sto izaziva zakasnjenje u dostizanju ravnoteze. Izgleda da ovo obja§njava, u izvesnoj meri, umerenija kaljenja koja su konstatovana pri termickom ciklusu zavarivanja ugljenicnih celika, а cak i nekih legiranih celika, uprkos njihovim veoma visokim kriticnim brzinama kaljenja.
*
Upton
во
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
ос
900
1/·/;'_.
1
k-----+-----+-----~~~~-7---г-----г~
;.·>// 1
//11/1 .
800 ~~~+-----+-~7-~~~~-----г-----г~
.
р...-..,."-~
Јј:'; 1 1/ 1 _/Brzlna Ыас1впја
. . Ј~ . / 1..
700
.··~
Ј
··;· f- ~. -в
''. •
•
у . :-с
:,
-- -- -f- L..;. -.:... -
..
Х">...................... . ~
-t-------t----1
1
64
Potetak
t.80
1 ,:
·v~-:- ·~:--- .. -- ··.:..--/. · ··."-f-- · · /
\
/
1
В
:;,. _ _ _ ; _ _ ,l---7,1
'(...--·/.,... '>- . -
r;oo
1 .... о~\
_...._... :' . .. j'·I·J..... ::.... 0.12
perlita
64 125
500 - - '-+---...,+---.-1-У. Sastav perlita
obrazovanja
27
t
~
sec
t -' ~ -+------+---1 m1n
1
\
-"
400
\~
1
Ј
.;.~ о
3001----,\.~ 1
t
~~,--4---4-- 720 °С "о ..........
200
1---+---....,~o,.,~~E===t= 1 о_,>;;-"'о~~~ё-'--11-+-
"~,,~t-u-
вао
8 50
900
--4----1
1000
1100 100~--+----~---~----~-----r----t-~
Sl. II-35 -
Sl. II-36 и = 120 - Feritno-perlitna struktura niskougljenog celika (С
=
0,18°/о)
Dijagram Aptona
Sl. II-37 - и = 120 Pregrejana zona u oksi-acetilenski zavarenom spoju celika sa 0,18% ugljenika. Gruba mreza ferita sa izlucevinom finog agregata sorЬitnog tipa
DIJAGRAM STANJA ZELEZO-UGLJENIK I SASTOJCI CELIKA
VI -
61
ANIZOTERMNE TRANSFORMACIJE
Izotermno razlaganje austenita omogucava konstrukciju "IRA krivih", koje pokazuju tri podrucja transformacije: perlitno (Ar'), bejnitno (Ar"), martenzitno (Ar"'). Ako "IRA krive" pruzaju dragocene podatke о zakaljivosti celika one, nasuprot, daju malo obavestenja о strukturama doЪijenim u uslovima brzog i kontinualnog hladenja, sto se javlja kao opsti slucaj u zavarenim s,pojevima. Transformacije pri koпtinualnom hladenju mogu Ьiti predstavljene anizotermnim krivama. Odredivanje anizotermnog dijagrama (ARA-krive) је slozenije nego odredivanje "IRA krivih"; on se moze koпstruisati Ьilo eksperimentalnim putem, Ьilo polazeci od izotermnog dijagrama. Pri eksperimentalnom odredivanju anizotermnog dijagrama serija рrоЪа celika se podvrgava austenizaciji pri temperaturama ТР Т 2 , . • . , Tn а zatim se konstantnom brzinom hlade do temperature ispod Ar', kada se struktura (odredeno strukturno stanje) fiksira kaljenjem u vodi. Zaostali austenit se transformise u martenzit ili u druge produkte transformacije tokom hladenja, а strukture se odreduju razlicitim klasicnim metodama ispitivanja; metalografskom, rendgenostrukturnom, odп;di vanj em tvrdoce~_j_t_(l. __
p€-raturu- transforffia:_· .·
~~"~""~~":~:>_·~""~~:=m~faJ~'Ћ:rcrn~"~menj aJ~ti~:1Jt:iin~~;ь_:iad~ьTa~i~t~ffi cije zaostalog austenita, moguce је konstruisati anizotermni dijagram. Jedan primer takvog dijagrama dat је na sl. II-38 za Mn-Mo celik (С = 0,10, Mn = 1,63, Мо = 0,41) austenitizovan na temperaturi od 1 090°С.
Liedholm [13] је pokusao da konstruise anizotermne dijagrame polazeci od Dzomini epruveta malih dimenzija (precnici 12,5 mm umesto 25 mm), hladenih konstantnom brzinom, а zatim kaljenih u vodi. Unosenjem u dijagram krivih promene tvrdoce u funkciji brzine hladenja doЬija se familija izosklernih krivih, koje daju sliku anizotermnih transformacija. Odredivanje krivih anizotermne transformacije polazeci od "IRA krivih" mnog·o је slozenije i oslanja se na zЬirno ucesce razlicitih struktura i njihove brzine hladenja. Uzmimo primer anizotermne krive (sl. II-38) na koju su nanete krive hladenja za dve razlicite deЬljine celika. Kriva 7 odgovara brzini hladenja pri kaljenju u vodi, а kriva 9 brzini hladenja ove vrste celika pri hladenju na vazduhu (normalizacija) za lim deЬljine 150 шm. Kaljenjem u vodi (kriva 7), kao konacna struktura се se doЪiti bejnit i martenzit, dok се hladenje na vazduhu spreciti obrazovanje krte maгten zi tne strukture. Za ovu vrstu celika doЬijanje ravnotezne perlitne strukture је moguce pri vrlo malim brzinama hladenja reda 3° C/h. Normalizacija takvog celika dovodi do obrazovanja smese ferita i bejnita (kriva 9).
62
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
Pri elektrolucnom zavarivanju ovog celika (krive 1 do 4) doЬija se slozena struktura- ferit + bejnit + martenzit, kao i u slucaju kaljenja u vodi. Kolicina martenzita u savu se smanjuje: - kada se deЬljina lima smanjuje (krive 4, 5, 6); - а pri jednakoj deЬljini lima, kada precnik elektrode raste. Anizotermni dijagram celika komЬinovan sa krivama hladenja sava dozvoljava da se tacno odrede konacne strukture koje se mogu obrazovati u pregrejanoj zoni, i usled toga daje dragocene podatke, о metalurskoj zavarljivosti posmatranog celika. Ovaj dijagram takode daje mogucnost da Se predvidi rezim predgrevanja, koji dOZ\TO}java priЬlizavanje Strukture metala ravnoteznom stanju.
102 /og vremena ( sec)
Sl. II-38 Kriva anizotermnog гazlaganja austenita (ARA) mangan-moliЬden celika (С = 0,10; Mn = 1,63; Мо = 0,41); temperatura austenitizacije 1090° С. Krive hladenja: 4. d = 12,5 mm, elektroda 4 mm mm 5. d = 12,5 mm, elektroda 5 mm mm 6. d = 12,5 mm, elektroda 6 mm 150 mm, kaljenje u vodi 75 mm, hladenje u vazduhu 150 mm, hladenje u vazduhu
1. d = 38mm, elektroda 4 mm
2. d = 38mm, elektroda 5 3. d = 38mm, elektroda 6 7. d = 8. d = 9. d =
DIJAGRAM STANJA ZELEZO-UGLJENIK I SASTOJCI CELIKA
63
BIBLIOGRAFIJ А Т. BeLaiew: La cristallisation des metaux (1934), Institut de Soudure Autogene, editeur, Paris, Rev. Metal., 27 (1930), 680. [2] О. V. Greene: Trans. Amer. Soc. Steel Treat, XVI, 1 (1929), 57. [3] Prof. А. Portevin i Р. Chevenard: Rev. Metal., 18 (1921), 717. [4] Ј. М. Robertson: Journ. Iron. and Steel Inst., 1 (1929), 391. [5] С. Е. Bain: Trans. Amer. Soc. Steel Treat, VII, ~~924}, 25; XXIV, (1936), 225. [6] С. Е. Bain i Е. S. Davenport: Techn. PuЬl., 348; Am. Inst. Мiн. Metal. Eng., Chicago, (1931), 1. [7] Prof. А. Portevin et Н. Jolivet: Jouгn. Iron. and Steel Inst, 2 (1939), 95; С. R. Acad., Sc., 207 (1939), 1412. [8] Ргоf. А. Portevin: Rev. Metal., 37 (1940), 37. [9] N. Т. Belaiew: Introduction а l'etude de la coalescence dans les aciers eutecto'ides et hypereutecto'ides, R.ev Metal., nos 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 (1944). U ov:im clancima citaoc се naci vazne bЉliografske podatke о stгuktuгama celika. [10] Ј. Н. HoHomon i L. D. Jaffe: Trans. AIME, 167 (1946), 601. [11] Yves Dardel: Les conceptions a.meгicaiюes relatives а 1а trempabilite de l'acier; Centre de Documentation Siderurg1que, n° 6 (1948). [12] L. Habraken: Essai de synthese sur la tr.ansformation bainitique des aciers, Travaux du С. N. R. М. (Liege), PuЫication IRSIA, n° 19 (nov. 1957). [13] LiedhoLm: Metal Progгess, 45, n° 1, (1944), 94. [14] D. Seterian: Revue Mesures, 41. Numero 1special, tоше П (1939), 23. [15] L. Habraken: Revue Metallurgie, 12 (1956), 930. ~~~ ------~[lfiLA_.____EQ_rt_e_'!Lill;____Em_c_es_-:_y_e__rb_a1 ___Ass,Qc. __ .Fп:э.n~~-P-ШJJ:~ __EsAais __ ci~s~ 1/.I:Э:tЕ:Ј'iЭ:Ц:К,_ I>ll1?1.
[1] N.
"'. ,"- "'"'"""c~"ce~-'O~illevile"'de~MetalJ:uГ'gie;'':o'1942·;----,--,_.~ --·- ,--,,,""":'- "'"с' ..,..,,,, , .." .._.,-~_-_,---,=---·- ·- ._,_,__ ""-·' -"·--- -·- -, ----[17] Т. Ко, С. CottreП: Ј. I. S. I. (1953), 224. [18] А. Hurtgren: Trans. А. S. М., 39 (1947), 915; Jerkonstorets Annaler, 135 (1951), 403. [19] W. Hume-Rothery: The Structure of Metals and Alloys, The Inst. of metal monograph. of Report, series n° 1 (1936). [20] G. В. Upton: Amer. Soc. Met. Eng., 22 (1934), 680.
GLAVA III
STRUKTURE ZAVARENIH SPOJEVA 1
f·. 1-
U drugom delu ovog dela prikazane su strukturne transformacije u razlicitim zonama zavarenog spoja iz vise vrsta celika: promene velicina zrria i vrste novih struktura koje nastaju pri fizicko-hemijskim transformacijama. U ovoj glavi cemo razmotriti promene struktura zavarenih spojeva u celini i definisacemo procese obrazovanja struktura koje kristalisu pri
;
j
1·
1·
јi
..
h;~~~~~ pc~r~~o: ~~~;jO:_c~~:~~/~~~r;{Г1l)~~~~)
l:t;;~:..,_;-:-:~~~~.:_-=-~-=--~~~-.,;,_~ ,.;,...~~~-:=-:;_-:~::::-~~?;.:~-::::.~~~=7~=~~::;--":'~~-=~~::-:::::~-=-::::-: _::-;::--:~--__-:-;·· -?~. --_:·.-:.::-·.:·=-·-_·.:~-.;~~-"-~:С_-~-;:--;:.~_:;::--~~с::О:~~·2'-=;~---:- : ~·.
·;· _. . ,
ili
st~~~tura~-~rekrista-
-,-,.-.,.---=-~--, ?:·~:'-·_·-~ ""--:=_:-~':".:::;:;:::~~-_:~:-_:;-:.--~
'"/
l:
1 - STRUKTURA MATERIJALA SAVA
Posmatrajmo u dijagramu Fe-C (sl. III-1) dva celika, jedan podeutektoidni (С = 0,60°/о, oznacen sa I), а drugi nadeutektoidni (С = 1°/о), dovedena u tecno stanje (Tt < 1 500°С) i pustimo ih da se lagano hlade. Pri prelasku krive likvidusa u tackama d i е, prve klice kristalizacije se pojavljuju pri koncentraciji ugljenika od 0,25°/о za celik I (tacka а) i 0,40°/о С za nadeutektoidni celik. Broj obrazovanih klica saglasno zakonu Tammann-a odreden је, s jedne strane, brojem klica koje se obraz.ujи pri datoj temperaturi, а s druge strane, brzinom rasta y-kristala koja zavisi od date brzine hladenja. U oЬlasti tecna faza + y-cvrsti rastvor, povecanjem kolicine y-cvrstog rastvora ро linijama dd' i ее koncentracija ugljenika se povecava. U tackama d 1 i е na krivoj solidusa, sadrzaj ugljenika и cvrstoj fazi iznosi 0,60°/о za celis I i 1 °/о za nadeutektoidni celik. Obrazovanje primarnih y-kristala и oblasti likvidus-solidus (tecno - cvrsto stanje) karakterise se dendritnim poretkom (sl. III-2), pri се ти se svaki dendrit moze posmatrati kao kristalografska celina. Ako prihvatimo prema Beljajevu, nastajanje obrazovanja primarnih kristala u oЬlasti iznad podrucja y-cvrstog rastvora, onda se za vreme h1adenja, oko svakog dentrita javlja veliki broj zтna у, ili zтna austenita. 1
1
STRUKTURE ZA V ARENIH SPOJEV А
65
Pri temperatиri razlaganja aиstenita и podeиtektoidnom celikи I и tacki с prvo se izlиcиje ferit ili a-zelezo, cime se stvarajи zma ferita; posle toga se izlиcиje cementit ро lihiji ES, obrazиjиci perlitni agregat
L200 1100
Сvrst rastvor austenlta
Ledeburit Fe _с у austenit 1 + cementiti Fe 3 С 1
i+
9000
720°С
1
1
Perfit
+
ferit
!1 Perlit + 1
1 1
1
1
1 cementit
1 1 1 1
1 1
1
1,7
2
Sadrioj ugljenika
Sl. III-1 -
(sl. II-8). U
Dijagram stanja ugljenicnih celika
podeиtektoidnom celikи,
veoma sporo hladenom do sobne zapazaju se dva sastojka: a-ferit u oblikи ,polja ili mreze, i perlit (Fea -Fe3 C) (sl. III-3). Razlaganje aиstenita u nadeиtektoidnom celikи zapocinje и tacki f sa izlucivanjem cementita; proces obrazovanja perlita koji sledиje ovom izlucivan.ju analogan је prethodnom slucajи. Posle hladenja, posmatranjem pod mikroskopom, posle odgovarajuceg nagrizanja izbruska, vidi se cementitna mreza ро granicama perlitnih zrna (sl. III-4). u tako ohladenom celiku sa razvijenim zrnima ferita strиktиra се Ьiti gruba i pri odredenoj kristalnoj orijentaciji takvu struktиru nazivamo Vidmanstetenovom. Оvи strukturи cemo kasnije detaljnije prouciti. Ako se sada ova livena struktura ponovnim zagrevanjem prevede u oblast у -cvrstog rastvora pri prelazu linij е transformacij е GS ј avice se mnostvo sitnih у zrna, ра cemo pri hladenju do sobne temperature posto је transformacija у -+ а reverziЬilna, - ponovo naci strukturu sitnozrnog ferita zdruzenu sa perlitnim agregatom (sl. III-5). Vidi se da izmedu dimenzija у i а zrna postoji odredena uzajamna zavisnost: krupno y-zrno daje krupno a-zrno, а ako је zrno y-zeleza sitno, onda se obrazuje sitnozrno a-zelezo. Ako postoji uzajamni odnos ne postoji slicnost, tj. а -zrno ne predstavlja tacnu sliku у -zrna. Nasuprot temperatиre,
5 Metalurgija zavarivanja
66
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
Sl. IП-3 и = 200 Mikrostruktura celika sa 0,600fo ugljenika: . mr.ezastQ raspodeljeni ferit; perlit је taman, efekat postignut · nagrizanjem Nitalom
Sl. III-4 - и= 500 - Mikrostruktura celika sa 1% uglj enika. . Cementitna mreza i perlit (nagrizano Nitalom)
STRUKTURE ZAVARENIH SPOJEVA
67
tome, cementitna mreza u nadeutektoidnim celicima potpuno tacno karakterise velicinu y-zrna. Za odredivanje velicine austenitnog zrna neophodno је potrebno prisustvo cementitne mreze ро granicama zrna; u ovom cilju, celik se podvrgava cementaciji na temperaturama austenitizacije (proba Mak Kejd-En*). Razmotrimo sada pro·ces ocvrscivanja celika III ciji је sadrzaj ugljenika oko 0,10°/о, sto је cesto slucaj pri цpotrebl zavarljivih celika spajanih gasnim ili elektrolucnim zavarivanjem (sl. III-1). Pri prelazu likvidusa u g, izlucene klice su kristali o-zeleza, sa veoma niskom koncentracijom ugljenika (С< 0,05°/о); klice se obogacuju ugljenikom do 0,07°/о pri temperaturi od 1 490°С. Peritekticna transformacija, do koje dolazi pri ovoj temperaturi, javlja se kao rez.ultat uzajamnog dejstva о -zeleza sa tecnom fazom В sa 0,55°/о ugljenika, kojom prilikom se obrazuje cvrst rastvor y-zeleza. Izmedu 1 490°С i tacke g 1 (1 450°С) jednovremeno su prisutne dve faze о + у, koje pri prelazu linije NJ obrazuju jednofaznu austenitnu strukturu, ili zrna у.
Sl. III-5 - и= 200 - Mikrostruktura zarenog niskougljenicnog celika sa 0,120/о ugljenika. Ravnomerna raspodela dva sastojka: ferita i perlita
Sl. III-6 - и= 1 800 - Tercijarni cementit ро gтanicama zrna ferita, obrazovan ~arenjem materijala sava, izradenog rutilnom elektrodom (С= 0,070fo; Mn = 0,480/о; Si = 0,380/о)
Proces kristalizacije lюji sledi identican је proces.u u slucaju podeutektoidnog celika, to jest, u tacki k na liniji G S pri temperaturi od oko 870°С, takode nast.upa izlucivanje feritne faze а iz nje zrna ferita а. Ako је sadrzaj ugljenika u celiku manji od 0,05{}/о, onda tecna faza neposredno prelazi u о -zelezo, а transformacija о --+ у se odvija ро liniji NJ. U cvrstom stanju, pri prelazu linije GP, dolazi do izlucivanja tercijarnog cementita (sl. III-6); takvu strukturu mozemo cesto sresti u savovima, kako u stanju neposredno posle zavarivanja, tako i u termicki ;)bradeno·m stanju. Strukture savova, dobijene gasnim i elektrolucnim zavarivanjem, su razlicite. Pri elektrolucnom zavarivan.ju kolicina metala ј ednovremeno dovedenog u tecno stanj е, veoma ј е mala, brzina * 5*
Ме
Quaid Ehn; ova
је
proba standardizovana u SAD (prim. prev.).
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
68
hladenja је veoma velika i, u zavisnosti od deЪljine metala, ona moze da dostigne 1 500°С do 1 600°C/min. Primarna struktura је krupnozrna, dendritna, sa jasnom orijentacijom i naziva se Ьa.zaltnom strukturom (sl. III-7). Ova struktura se ne menja zagrevanjem ispod tacke А:о ali se ona moze usitniti zarenjem prelaskom u stanje у. Пsled to·ga u zoпi rastapanja elektrolucno zavarenog sava, prvi koreni zavari i sredisni za:vari
Sl'. III-7. - и = 1.000 - Bazaltna Sl. III-8. - и = 1 000 - Sredisna struktura povrsinskog sloja matezona sava prikazanog na sl. III-7; ·rij al а sava-izrad~~--e-lektrюluGn-im---:------------normaHzovana-----Ьaza-1 tџa-·.-strukturк-;----- ----------,t
~:'!·"'=~~-="-""~:o~=zavanv"
= 0,75%;
Si = 0,25% р
= 0,018%)
·" --· ""-'·· 'iiastaПГ'"usbla~ЋiflffiadЛ:og=1iafit>1~fi]~--,-.-,~ ·-·~ ·:~се~
S = 0,027%
slojeva
imaju sitnozrnu, pravilnu strukturu Ьilo sa obrazovanjem perlita ро granicama zrna (sl. III-8), Ьilo sa izluCivanjem tercijarnog cementita (sl. III-6); samo povrsinski sloj ima bazaltnu strukturu (sl. III-7). U zoni rastapanja (materijalu sava), pri oksiacetilenskom zavarivanju, koje se oЬicno vrsi u jednom sloju kolicina jednovremeno rastopljenog mate~ rijala је mnogo veca, brzine hladenja su znatno manje (Vт = 350°C/min), doЬije na struktura је krupnozrna, bez neke odredene orijentacije, sa kristalima nepravilnog oЫika ро celom preseku sava (sl. III-9).
П
- TRANSFORMACIJE U OSNOVNOM MATERIJALU
Termicki ciklus zavarivanja stvara u <5vakoj tacki osnovnog ma terij ala stacionarno toplotno stanje, koje је odredeno
Sl. III-9. и= 100 Mikrostruktura rastopljene zone oksiacetilenski zavarenog sava
STRUKTURE ZAVARENIH SPOJEVA
69
maksimalnom dostignutom temperaturom Tm i brzinomhiodenja Vm (sl. III-10). Transformacije u datom osnovnom materijalu zavise od ova dva faktora (Tm, Vm) i zbog toga treba razmatrati razlicite zone: Zona pregrevanja- neposredno uz granicu rastapanja (Т> 1100°С), u koj ој dolazi do preteranog porasta zrna. Zona zarenja - temperature izmedu 900°С i 1 000°С, и kojoj dolazi do иsitnjenja strиktиre. Тransformaclje А 1 :... А 3
Zone {
.
\
=
0
Тт ( С) 1500 / 0 vmin( с min)= 350
.
7
Laren}a \
1
Pre~~;~:panja
l \
~ater/ja/
\
f
sava)
900
1100 240
700
1/ //_// 170
100
,.-
1 . Granlca rastapanja 1
50
30
40
Sl. III-10. -
10
20
Raspored
о
10
temperaturюih
20
30
40
50 (mm)
zoщL_l.LZavarenam_spдju_
..."'-----·--·-·---·-----------···--hla-
;.,,.o:-o,,~---~-~~~-,...ћeliG.n.G&c~lima:"'.&~bljin_e_~-~1.0'"'"'on1m"·'~-prЬ"'oksiacetilenskom"'""~zavarivandu·гec~·>c·cc•oc==-
Tm: minimalno dostignuta temperatura; Vm: denja u °C/min
шinimalna bтzina
Zona transformacije (zona pod uticajem toplote) izmedu А, i AR do 910°С) - koja se karakterise temperaturama nizim od temperatиra и zoni zarenja.
(720°С
~ g 100~Q~--:-· --------------------- -~-----g :. ;u..c:
~
aof·
1 60 '-
-~->(
40
ф
20
-в~ '-
Vl
""'
о
:
;! 1
1 1
1
1
92 __ :- ----Т
Sltna zrna normalizo- Zrna raznih veliCina vana Ill modifikovana
Sl. III-11. -
4
Тemperatura
~
Krupna zrna pregrejana
Uticaj temperature na porast zrna
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
70
U ovoj zoni mogu doci do izrazaja sekundarni procesi: obrazovanje tercijarnog cementita, izlucivanje nitrida gvozda (Fe 4 N), itd. Najzad osnovni materijal koji nije izmenjen, za temperature ispod А 1 (720°С).
f 1
!i ·:,_ t.
.
f
Razmotrimo sada detaljnije strukturne transformacije u ovim zonama. Kada se celik lagano zagreje od sobne teщperature do temperature iznad tacke AR, nece se zapaziti nikakva vidna promena u sitnozrnoj strukturi sve do izvesne temperature Ti (sl. III-11); zatim, пеkа zrna pocinju da rastu ра dolazi do obrazovanja mesovite strukture sa krupnim i sitnim zrnim.a (sl. III-12). Pocev od ovog momenta, pri daljem povisenju temperature k:r:upna zrna pocinju da apsorbuju sitna i procentuaL11.a koiicina krupnih zrna se ravnomerno povecava. Temperatura Ts, pri kojoj se struktura sastoji samo iz krцpnih zrna, naziva se temperaturom pregrevanja. Tempera tura uostalom nij е ј edini faktor koji utice na ,porast zrna. Pocev od te.mperature Ti, pri ko111stantnoj temperaturi, velicina zrna raste s vreSl. III-12. _ и= 200 _ struktura menom, а ovaj porast је utoliko brzi
~ '"="~ ~·"~~~~=?~~~;i~. ~~:~l.i;~~~:i:i~~i~;a:~:::=IJ.~r~~.~; , ·=· -,"~-' " " ~ Zdruzeni uticaj ova dva faktora, za jedan sasvim niskougljenicni celik, prikazan је na dijagramu na sl. III-13. . . V1d1 se da se za teщperaturu od 1 200°С potpuno pregrevanje dostize tek posle ·osam casova, dok је pri temperaturi od 1 300°С potrebno dva sava
100
._~ 60 N о
с:
._g. 40 ~
20
Sl. III-13. -
Uticaj temperature i v·remena zagrevanja na porast zrna
STRUKTURE ZA V ARENIH SPOJEV А
71
casa. Pri temperaturama ispod 1 200°С, pri Ьilo kojoj duzini vremena zagrevanja, obrazuju se samo mesovite strukture, koje se sastoje kako iz krupnih, tako i iz sitnih zrna
111 -
VIDMANSTETENOVА STRUKTURA
Posebnu strukturu, koju cemo niZe razmotriti, prvi put је zapazio Vidmansteten* u meteoritskim gvozdima (sl. III-14). Ova struktura, koja ima tri ili cetiri pravca orijentacije, utice na povecanje krtosti celika, cime se objasnjava veliko interesovanje mnogobrojnih istrazivaca za ovu strukturu.
Sl. III-14. - U = 6 - Vidmanstetenova struktura u meteoritskom zelezu prema N. Т. Beljajevu. Izlucivanje sastojaka duz kristalografskih ravni oktaedra, Cime se dobljaju dva Ш tri pravca orijentacije mikrostrukture
Hanemann [1] је prvi postavio dijagram (s1. III-15) razliCitih struktura u funkciji tri faktora koji uticu: - hemijskog sastava celika;
*
А.
de Widmanstaeten
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
72
-
temperature pregrevanja u у ~oЬlasti; brzine hladenja pocev od temperature ove
oЫasti.
OЫast
obrazovanja Vidman.Stetenove strukture relativno је ogranicena (С = 0,2 do 0,4°/о) za slaba pregrevanja (sl. III-15a), ali se prosiruje u oЫasti nizih koncentracija ugljenika kada temperatura pregrevanja raste (sl. III-15b). Uticaj treceg faktora, brzine hladenja, znatno se pojacava sa pregrevanjem. Iz toga izlazi da је uticaj pregrevanja dakle, presudan.
200 1
Ь)
о
""' с:
·е ..........
f
1100
~ 1000 '-' о
с
900
F
Q)
"О о
:с
800
z
о~----~----~-----~~=-~~ о 0,2 0,4 0,6 0,8 0,9
Sadriaj ugljenika (%)
Sl. III-15. - Dijagram Hanemana, koji utvrduje uslov obrazovanja Vidmanstetenove strukture pri zagrevanju do temperature u Ьlizini А 3 (sl. 15 а) i pri pregrevanju (sl. 15 Ь). Z = zrnasta struktura; V = Vidmanstetenova struktura; М= mrezasta struktura; F = feritna polja.
Sa pukovnikom N. Т. Beljajev-im [2] autor је proucavao uslov oЪra zovanja ove strukture u savovima, koju karakterisu slojevi paralelni ravnima cepanja kristala austenita. Nastajanje ove strukture zavisi od tri gore navedena glavna faktora: - hemijskog sastava metala;
STRUKTURE ZAVARENIH SPOJEVA
73
velicine austenitnih zrna, iz kojih se obrazuju sekundarne strukture (pregrevanje); - brzine hladenja, pocev od austenitne faze. Analogni uslovi hladenj а mogu doves.ti ј ednom do obrazovanj а mrezastih struktura, ako је у -zrno relativno s:itno (nije pregrejano); а drugi put do obrazovanja krupozrne strukture i Vidmanstetenove strukture, ako se polazi od krupnozrnog austenita. U zavarenim spojevima Vidmanstetenova struktura moze nastati kako u zoni rastapanja (materijalu sava), tako i u pregrejanom osnovnom materijalu; kojiput, ona se obrazuje i pri kiseonicnom rezanju velikih masa. Osim uticaja hemijskog sastava, pojava ove strukture је povezana sa karakterom toplotnog ciklusa zavarivanja, koji је odreden vrstom. i rezimom zavarivanja, а takode, dimenzijama i oЬlikom zavarivanih komada. Prema onome sto znamo о karakteru raspodele toplote pri zavarivanju, moze se predvideti da се oksiacetilenski plamen dati najpovoljnije uslove za obrazovanje Vidmanstetenove strukture.
Sl. III-16. И= 100 Nepotpuna Vidmanstetenova struktura u savu izradenom oksiacetilenskim zavarivanjem
Sl. III-17. U = 100 Potpuna Vidmanstetenova struktura u oksiacetilenski zavarenom savu celika sa 0,150fo ugljenika
Ova struktura se moze javiti u nekoliko vidova: moze Ьiti nepotpurю-delimicno formirana (sl. III-16 i III-19), ako jedan od hemijskih ili termickih uslova nije potpuno ostvaren; ona moze biti ,potpuno formirana (sl. III-17), to jest, sa jasno izrazenim pravcima orijentacije. Lamelarne strukture, izlucene paralelno ravnima cepanja kristala, mogu Ьiti perlitnog ili trustitnog tipa. Neke mehanicke osoЪine, а narocito tvrdoca, ј ednoznacno su odredene prirodom lamelarnih struktura. Legirajuci elementi, kao sto su mangan, hrom i moliЬden, olaksavaju obrazovanje Vidmanstetenove strukture. Vidmanstetenova struktura bitno utice na mehanicke osobine zavarenog spoja, а posebno, usled izrazene krupnozrnosti, izaziva povecanje krtosti metala.
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
74
TABLICA III-1 Hemijski sasta.v metala u
Udarna zilavost К u kpmfcm 2 (Menazeova epruveta)
% ---~·--
с
Mn
Si
0,19 0,37 0,46
0,32 0,74 0,87
Tragovi 0,36 0,16
Vidmanstetenova struktura
Provarivanje korena
Zarenje sava pri 850°С
3,20 2,35 2,8
6,40 6,0 5,20
17,8 15,20 14,60
1
·---·
---
.
-
U taЬlici III-1 navedeno је nekoliko rezultata udarne zilavosti za epruvete sa dobro definisanim Vidmanstetenovim strukturama, dobljenim gasnim zavarivanjem. Niska udarna zilavost epruveta sa Vidmanstetenovom strukturom, koja se krece izmedu 2 i 3 kpm/cm 2 , moze se poboljsati u slucaju savova provarivanjem korena, predgrevanjem komada, ili potpunijom termickom obradom.
IV -
METALOGRAFSKA STUDIJA ZAV ARENIH SPOJEVА
Razmotrimo sada dve vrste promena koj е su u tesnoj vezi sa procesom topljenja: А) promena koja utice na arhitekturu zrna; В) promena vezana za zakaljivost celika, koju cemo zvati fizicko-hemijskim promenama. А)
Promena koja utice na .arhitekturu zrna
1. Oksiacetilensko zavarivanje
U zoni rastapanja (materijalu sava) pri oksiacetilenskom zavarivanju, metal se zadrzava u tecnom stanju relativno dugo vremena u zavisnosti od zapremine rastopa to jest, od deЬljine zavarivanih limova i precnika dodatnog materijala. Odatle proizilazi da velicina zrna koja kristalisu raste do izvesne granice sa povecanjem deЬljina zavarivanih limova. Struktura materijala sava pri gasnom zavarivanju veoma ј е krupnozrna sa nepravilnim oblicima kristalita i bez odredene orijentacije (sl. III-9). Na ivicama zleba ocvrsCivanje se vrsi u pravcima upravnim na izoterme odvodenja toplote (sl. III-18), sto podseca na ocvrscivanje u ingotima. U zoni rastapanja, obrazovanoj iz mesavine materijala sava i pregrejanog osnovnog materijala, struktura ostaje krupnozrna. U osnovnom materijalu, uz materijal sava, javlja se prvo zona pregrevanja sa vrlo krupnozrnom strukturom (sl. III-19); u ovoj zoni vrlo
STRUKTURE ZAVARENIH SPOJEVA
75
cesto nastaje Vidmanstetenova strukutra. Sa udaljavanjem od ose sava, dimenzije zrna se smanjuju.
Sl. III-18. -
Orijentisana strиktu-ra grariice vastapanja oksiacetilenski zavarenom savu
и
Sl. III-19. - U = 150 - Krиpnozr.na struktиra zone pregrevanje sa feritnom mrezom i izlиcevinom finog agregata trиstitnog tipa и иnutrasnjosti zrna (pocetak stvaranja Vidmanstetenove strukture)
Dijagram na sl. III-20 prikazuje promenu odnosa povrsina zrna S/S 0 , gde је Sn prvoЬitna povrsina zrna zareno'g metala, а S srednja povrsina zrna u datoj tacki, odredenoj rastojanjem od ose sava [3]. Za oksiacetilensko zavarivanje (kriva С) vidi se da odnos S!Sn cesto dosti.Ze vrednosti vece od 16 u zonama pregrevanja i rastapanja. Makrografija s1. III-21
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
76
dobro ilustruje ovaj fenomen u osnovnom materijalu oksiacetilenski zavarenog spoja.
f16
d
d
Ютт
тт
Sl. III-20. -
Uticaj termickog ciklusa zavaгivanja :na velicinu zrna osnovnog metala. Kriva Kriva
С: А:
oksiacetilensko zav.arivanje elektrolucno zavarivanje
Sl. III-21. - U = 3 - Razlicite zone u oksiacetilenski zavarenom savu (d = 10 mm), koje su shematski prikazane u sl. III-20
2. Elektrolueno zavarivanje
Pri elektrolucnom zavarivanju sav nastaje uglavnom sukcesivnim naslagama rastopljenog metala vrlo male zapremine sa skoro trenutnim ocvrscivanjem. Iz toga proizilazi da је struktura zone rastapanja sitno·zrnija, usmerena i iglicasta; to је ranije opisana bazaltna struktura (sl. III-7). Takva struktura је uglavnom karakteristicna za povrsinske zavare ili gornje slojeve elektrolucno zavarenog sava.
STRUKTURE ZAVARENIH SPOJEVA
Sl. III-22. - и = 100 - Orijentisana struktura granice rastapanja u elektrolucno zavarenom savu. OsU austenitnoj fazi mogu se videti dendriti
Sl. III-23. - и = 6 - Makrostruktura elektгolucno zavarenog sava pokazuje orijentisanu kristalizaciju materijala sava i strukturne transformacije u zon:i pod uticajem toplote osnovnog materijala
77
78
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
Ako se zavarivanje vrsi sa vise zavara, onda toplotno dejstvo gornjih zavara· normalizиje struktиre ocvrslih slojeva, sto dovodi do иsitnjavanja strиktиra sa obrazovanjem sitnih poliedarskih zrna (sl. III-8). Ova strиk tиra је иglavnom karakteristicna za sredisne slojeve materijala sava. U zoni rastapanja orijentacija zrna је dosta jasno izrazena (sl. III-22); ona је cesto izmenjena termickom obradom pri sиkcesivnom nanosenjи zavara.
Zona pregrevanja osnovnog materijala је znatno иzа. U ovoj zoni dolazi do maksimalnog porasta zrna (kriva А na sl. III-20); zatim опа postajи sitnija и zoni rastapanja, bar и centralnom delи spoja, Ьlagoda reci dejstvи sиkcesivnih zavara. Na makrografiji, prikazanoj na sl. III-23, vide se razlicite zone elektrolиcno zavarenog spoja. В)
1
Fizicko-hemijske promene
1. Oksiacetilensko zavarivanje Ocevidno ј е da .pгiroda obrazovanih strиktиra pri oksiacetilenskom za datи vrstи celika, zavisi na prvom mestи od deЬljine limova; toplotni ciklus zavarivanja је uglavnom odreden ovim parametrorn. Razmotrimo sta se desava и raznim zonama zavarenog spoja (sl. JII-10) za slucaj kada је deЬljina lima 10 mrn: _ zavarivanjи
1 1 ~
1
_l
-- -~---c"c---_,--~--~~-~"""--~------'-""'"~-~"'i..-4)c~~JJ~oлд,..;,-rastaыџдJљ;:(m_a1~:rJjiil~sa:vao)=~temp~ratцra:;a.:-o-~Jrze.Tackli:-:foJ?;.?,"'""~·"==~-:.4--~ ljenja а brzine hladenja su reda 350-400°C/min. То је oЬlast maksi· !! rnalnog kaljenja; ali proЬlem se koшplikuje superpozicijom hemijskih · transformacija, narocito za oЬicne celike usled guЬitka korisnih elemenata: иgljenika, mangana, silicijurna. Zbog toga је ova zona cesto manje zakalj ena nego susedne zone osnovnog ma terij ala. Ь) U zoni pregrevanja osnovnog materijala, koja se nalazi na nekoliko milimetara od ose sava, dostignute temperature su jos uvek vrlo visoke (1100 do 1 500°С) а hladenje veoma brzo (brzina hladenja 200 do 300°C/min). Toplotno, neminovno dolazi do porasta zrna i znatne struktume transformacije usled kaljenja, cija priroda zavisi od vrste celika (sl. III-19). U ovoj zoni nema hemijskih prornena, ра иs led toga, konstituciju konacne strиk ture odredиje sarno termicki ciklus zavarivanja. U zoni zagre'IXlnja, podvrgnиtoj dejstvu temperatura nesto iznad 900°С, koja se zove jos i zona zarenja, metal tezi normalizovanoj strиkturi, sa usitnjenim zrnom, ali ova transformacija с)
Sl. III-24. - U = 180 - Sferoidizacija strukture u zoni pod uticajem toplote koja odgovara kriticnom intervalu Аl-Аз (720-910°С)
STRUKTURE ZAV ARENIH SPOJEV А
79
ne moze biti potpuna obzirom da је brzina hladenja jos uvek velika (170 do 200°C/min). d) U zoni pod uticajem toplote, koja se prostire u teniperaturnom intervalu А, - А~ (720 do 900°С), promene mogu imati razlicit vid, najcesce moze nastupiti globulizacija lamelarnih agregata sa tendencijom ka koagulaciji bez bitne promene feritnih zrna (sl. III-24). Ova oЬlast zone pod uticajem toplote se proteze na rastojanju 20-25 mm od ose sava pri deЬljini zavarivanog lima 10 mm. Izvan ove zone osnovni materijal ne trpi vise promene, ako је metal ,pre zavarivanja bio u zarenom stanju. Ako је osnovni materijal pre zavarivanja bio podvrgnut termickoj obradi (kaljenje, otpustanje) ili mehanickoj obradi (hladna deformacija), onda се transformacije u zoni pregrevanja i u zoni zarenja biti u velikoj meri analogne onima koje su napred opisane, ali u drugim oЬlastima zone pod uticajem toplote u osnovnom 'ffiaterijalu mogu nastupiti nove transformacije, ciji karakter је tesko predvideti. 2. Elektrolucno zavarivanje
Dostignute temperature u razlicitim zonama transformacije, uslovljavaju, u slucaju elektrolucnog zavarivanja, znatno vece brzine hladenja, sto izaziva energicnije kaljenje metala. ==="~="~-""".c.,~,~Fr1lк-ttcn~:a'Z'И'Cite=~ene"'su,,sk()neentrisane:.:u~v:eoma"'~maloj~=zapr---~~----.------·
i prostiru se na 4-5 mm od ivice zleba, nezavisno od deЬljina limova (sl. III-25). Ovo proizlazi iz samog postupka elektrolucnog zavarivanja
Sl. III-25. :.__ Makrostruktura elektrolucno zavarenog V-sava (d = 46 mm). ZaV:arivanje је izvrseno metodom viseslojnog zavarivanja uzanim z.avarima. Viseslojno z.avarivanje dovodi do delimicne normalizacije osnovnog materijala u zoni pod uticajem toplote, koja se karakterise tankim riesto svetlijim povrsinama
80
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
koji se izvodi и vise malih zavara koji teze da normalizиjи strиktиru donjih slojeva (иsitnjenje zrna). Nanosenje sledecih zavara иtice, и izvesnoj meri, na strиktиre zona transformacije osnovnog materijala, te stoga i nailazimo, poglavito и debelim limovima, naizmenicne slojeve zona koje sи pretrpele promenи i delimicno normalizovanih zona (sl. III-25). Na taj nacin, zone sa razlicitim strиktиrama sи skoncentrisane и veoma maloj zapremini; one prekrivajи jedna drи.gи i оЬrаzији vrlo kompleksan poredak иsled visestrиkog dejstva termickog ciklиsa zavarivanja [4] (sl. III-26).
15
10
€
5 1
1°s/oj
о
10
ПШIШЈ
~
с=:Ј
2°sloj
3°sloj
4 <>s/oj
15mm
Sl. III-26. - Uticaj termickog ciklusa pri viseslojnom zav.arivanju na strukturne transformacije u osnovnom materijalu Sиperpozicija slojeva menja isto tako i strиktиrи pregrejane zone . - ра иsled to~rnehanicke__karakteristike---fsl~~:П!~~1~~=:0~js.typ::pf,p.UИ~I±Ja -:.-- ·:. "~ ·-~·--~""-"'-'··~e,;",ЩflZ.e~:us.tanoviti:po~promehт"""'tvraoce~OЋ~razlifH1m- й!.ckama ove zone. . нв
230
65% 220 210
--
200 190
180
gзо%
170 f.---!---!---+--..L--F-1---=--t-~--~-~ в 26% 1-----;А
22%
160 150 140 130
2
з
4
Broj slojeva
Sl. III-27. - Uticaj viseslojnog zavarivanja na promenu tvrdoce u zoni pregrevanja. Hemijski sastav osnovnog materijala: С= 0,28%; Mn = 0,54; Si = 0,18%
STRUKTURE ZAVARENIH SPOJEVA
81
Na primer, za tacku А, prvi zavar dovodi do znatnog povecanja tvrdoce, i to do vrednosti koja iznosi 165°/о od prvobotne tvrdoce osnovnog materijala; zatim, u toj istoj tacki, tvrdoca poCinje da se smanjuje da bi se stabilizovala, pocev od treceg zavara, na 125°/о od pocetne vrednosti tvrdoce. Slican slucaj imamo i u drugim tackama (В, С i D) zone pregrevanja. Konacno dolazi do izjednacivanja mehanickih osobina i struktura na nacin kako smo to napred pokazali, izuzev mozda u lokalizovanim oЬlastima gornjih uglova zleba. Do sada smo govorili о dva najrasprostranjenija postupka zavarivanja. Razmotrimo sada ove fenomene u nekim drugim postupcima zavarivanja. 3. Zavarivanje elektricnim otporom Ako, u postupcima spajanja topljenjem, · pri jednoj te istoj deЬljini metala, izvesni faktori ostaju u znatnoj meri konstantni; pri zavarivanju otporb,m parametri mogu da variraju u mnogo sirim granicama (vidi D. Seferian "Zavareni spojevi"). S druge strane, masine za zavarivanje otporom u stanju su da ostvare vrlo razlicite rezime, sa predgrevanjem i termickom obradom posle zavarivanja. Shodno ovome, vrlo је opasno pokusavati sa ekstrapolacijom rezultata, nadenih cak i na istim legurama, za tako razlicite uslove zavarivanja. Makrostruktura srednjem preseku, upravnom na --
--·--
manje deformisanom elipsom. U najprostijem slucaju, zavarena tacka u oЬliku "sociva" ima dve ose simetrije: veliku osu koja se poklapa sa linijom dodira dva lima i malu osu, koja se poklapa sa osom elektroda upravnom na povrsinu limova (sl. III-28). Ovaj elipticni oblik javlja se
... 1
т
Sl. III-28 - Shematski prikaz termicke тaspodele pr.i tackastom zavarivanju, koja objasnjava socivasti oblik zavarene tacke 6 Metalurgija zavarivanja
:~
82
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
kao posledica karaktera raspodele toplote pri tackastom zavarivanjи. U ravni limova izoterme sи и оЫikи koncentricnih krиgova; и presekи limova, centralna zona zavarene tacke se zagreva do temperatиre topljenja i karakterise se vrlo velikom brzinom hladenja; vrlo veliki temperatиrni gradijent objasnjava socivast oblik zavarene tacke. Ocevidno је da promena parametara zavarivanja иtice na oblik tacke; pri maloj brzini zavarivanja, koja иslovljava dиze trajanje ciklиsa zavarivanja, izoterme se prosirиjи а profil tacke је vise razvиcen. Na shematskom prikazи zavarene tacke iz иgljenicnog celika vidi se nekoliko zona transformacije (sl. III-28): - Zona 1 osnovnog materijala, koja nije podvrgnиta dejstvи termickog ciklиsa zavarivanja; и ovoj zoni metal zadrzava svojи prvo-
Ьitnи strиktиru.
- Zona 2 ogranicena temperatиrnim izotermama koje · odgovarajи temperatиra ma transformacije А 1 i А~; и ovoj zoni se obrazиje zrnasta strиktиra, а perlit tezi ka preraspodeli i koagиlaciji. - Zona 3 ili zona zarenja, koja ·odgovara temperatиrama iznad tack~ А~, karakterise se иsitnjenom strиktиrom, а и slи саји prethodne hladne deformacije osnovnog materijala, nastиpa rekristalizacija. - Zona 4,. koja okrиZиje zonи rastapaо re а и--cvrstoj ' migracije иgljenika, segregacije_ elemenata, itd. Prisиstvo zone pregrevanja nije konstatovano, bar пе и onim zavarenim tackama koje nisи Ьile izlozene sиvise dиgom zarenjи.
- Zona rastapanja se sastoji iz spoljnjeg sloja 5, sa orijentisanim dendritima, i иnиtrasnjeg sloja 6, sa jednakoosnom strиk turom. Na sl. III-29 А prikazana је makrostrиktиra zavarene tacke, izvrsene pri sledecem rezimи: ј acina strиj е
............... . pritisak ................... . vreme zavarivanja
Sl. III-29
Razlicite zone spoja dobljenog pri tackastom zavarivanju niskougljenicnog celika. Rezimi zavarivanja su isti, menja se samo vreme zavarivanja: А= = 1/10 sec; В = 2/10 sec zavвrenog
2 500 А 10,5 kp/mm2 1/10 sec.
Na sl. III-29 se jasno vide gore opisane razlicite zопе, osim zone orijentisanih deпdrita koja је пејаsпа. Pri ovim istim uslovima zavarivaпja, ali sa dvostruko dиzim vremenom zavarivanja, tj. 2/10 sec (sl. III-29 В), zопе traпsformacije se prosirujи, а oЫast jasno izrazeno dendritne kristalizacije zaиzima skoгo сеlи povrsinи zone rastapanja. Osnovni materijal iz celika koji ne trpe polimorfne transformacije, na primer iz aиstenitnog celika 18-8, ne trpi nikakve struktиrne pro-
STRUKTURE ZAVARENIH SPOJEVA
83
mene. Moze se konstatovati (sl. Х-39) prisustvo zone segregacije oko zavarene tacke, koja se javlja kao posledica difuzije elemenata iz zone rastapanja u osnovni materijal i izlucivanja karblda (ako је austenitni celik legiran elementima lюji obrazuju karblde).
Sl III-30 - Makrostruktuгa zavarenog spoj.a -iz lake legure, doblvenog savnim zavarivanjem; deЬljine zavarenih limova: 1,6 + 1,6 mm. Uzduzni i poprecni presek jednog istog spoj-a (Foto Sciaky S. А.)
Pri zavarivanju lakih legura (sl. III-30) mogu se naci razlicite oblasti zone pod uticajem toplote, kao i vrlo tanka zona segregacije koja okruzuje zavarenu tacku. Na ovoj makгografiji se moze jasno razlikovati zona orijentisanih kristala i~ona jednakoosnih k!'_istai~-~------------------------------
4; Automatsko zavarivanje pod prahom Postцpci automatskog zavarivanja pod prahom se, u opstem slucaju, karakterisu dubokim provarom sa krupnim orijentisanim kristalima. Na makrostrukturi (sl. I-1) se jasno vidi ogranicena zona rastapanja (materijal sava) sa orijentisanim kristalima upravnim na izoterme, slicno kao pri livenju u kalupima; analognu strukturu susrecemo i pri zavarivanju ugaonih savova. Osnovni materijal izlozen dejstvu termickog ciklusa zavarivanja pokazuje, kao i u slucaju elektrolucnog zavarivanja, razlicite zone transformacij а sa morfoloskim karakteristikama priЬlizno identicnim onima datim pri rucnom eiektrolucnom zavarivanju. Mikrostruktura zone rastapanja (materijala sava), u slucaju automatskog zavarivanja niskougljenicnog celika, karakterise se stuЬicastim orijentisanim kristalima; ova struktura ј е Sl. III-31 - U = 200 - Bazaltna struktura povrsinskog sloja sava gruЬlja od strukture u povrsinskom pri ·d\"os!ojnom automatskom zasloju sava, ' izvrsenog rucnim elektro- varivanju pod prahom limova deblucnim zavarivanjem (sl. III-31). linije 16 mm б*
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
84
5. Zavarivanje cepova pistoljem
Struktura zavarenog spoja сера, izvrsenog postupkom zavarivanja pistoljem (vidi Glavu I), analogna је strukturi zavarenog spoja izvrsenog .rucnim elektrolucnim zavarivanjem. Veoma brz termicki ciklus dovodi do analognih fizicko-hemijskih transformacija. Makrostruktura ovog spoja pokazuje orijentisanu kristalizaciju u zoni rastapanja (sl. III-32), kao i zюne pod uticajem toplote osnovnog materijala i materijala сера. U zoni pregrevanja, pri zavarivanju cepova
Sl. III-32 - и= 3 - Makгostruk tura zavarenog spoja dobljenog pri zavarivanju сера pistoljem. Сер srednjeugljenicni celik; osnovni materijal - hrom-moliЬden celik 2 Cr -lMo
Sl. III-33 - и= 500 - Pregrejana zona zavarenog spoja sa sl. III-32 Vidmanstetenova struktura orijentisano ро kristalografskim ravnima sa agregatom sorbltnog tipa
iz niskougljenicnih i potpuno niskougljenicnih celika, dolazi do porasta zrna, ра cak i do pojave Vidmanstetenove strukture kada је hemijski sastav celika povoljan za obrazovanje ove posebne strukture (sl. III-33). U osnovnom materijalu mozemo posmatrati sve strukture, koje odgovaraju trima stadijumima transfoтmacija celika.
V -
PRAKTICNE POSLEDICE
Karakter kristalizacije i priroda transformacija Ьitno uticu na mehanicke osoblne zavarenih spojeva; na primer, pojava Vidmanstetenove strukture је pokazatelj krtosti celika; vrlo sitnozrna struktura elektro1ucno zavarenih savova povecava deformacionu sposobnost celika (izduzenje, udarna zilavost, suzenje). Као
druga prakticna posledica primarne kristalizacije javlja se obrazovanje usahline, koje је cesto praceno, u vecoj ili manjoj meri, razvijanjem prslina u zavrsnom krateru sava. Ova pogreska se narocito
STRUKTURE ZAVARENIH SPOJEVA
cesto javlja pri rиcnom elektrolиcnom zavarivanjи kratkim zavarima, kada rastojanje и korenи savova prelazi jednи odreёienи vrednost. Ovo pitanje је opsirno tretirano и glavi VI, koja је posvecena obrazovanjи prslina и zavarenim spoj evima. Karakter struktиrnih transformacija и osnovnom materijalи moze se predvideti, kako је to receno и Glavi П, роmоси dijagrama na kojem sи nanete kriva anizotermnog razlaganja aиstentita (ARA-kriva) и celikи i krive hlaёienja zavarenog spoja. Primenи ove metode razmotricemo pri izиcavanjи zavarljivosti celika . . S drиge strane, izиcavanj е raspodele toplote и zavarenim spoj evima, koje је izvrseno sa profesorom Portvenom [5], o·mogucilo је postavljanje graficke zavisnosti Т т= 1Jl (V 111), koja odredиje maksimalnи brzinи hlaёienja i temperatиre dostignиte и svakoj tacki zavarenog spoja pri gasnom ili elektricnom zavarivanjи (sl. III-34). !500
/
"
1400 Ј'( Х=!О)
v /15
1300
1200 1100
lьа
1000· а-
во
160
v
2-40
/
"
"
/
/
/
/
.
..<:(Хс:Ю)
320
/
/
"
/
,
/
"
.400
.480
560
640
720
800
Vт("C{min)
Sl. III-34 - Krive Tm = 1р (Vm) za oksiacetilenski i elektrolucno zavarene savove. Hladenje па polovini deЬljine zavarenih limov'a (krive а i с)
Ove krive sи omogucile da se иstanovi stacionarno toplotno stanje zavarenom sроји (sl. III-10). Nanosenjem na krive raspodele toplote Portvena karakteristicnih krivih kaljenja celika Portvena i Sevenara, mogu se odrediti strиktиre koje se obrazиju и razlicitim zonama zavarenog spoja. Tako, za zakaljиjиci Ni-Cr celik, Cije su "karakteristicne krive" date na sl. III-35, и zoni pregrevanja mogи se posmatrati aиste nitno-martenzitne strиktиre, а и zonama udaljenim od ose sava, strиktиre kaljenja. Ova metoda dozvoljava da se odrede strиktиre koje se оЬrаzији u razliCitim oЬlastima zona pod uticajem toplote celika date deЬljine (vidi рlоси I, celik 4). и
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
86 т
.·
1500
•• I
Х=О
1400 А
', Prehlacleno stanje ', - austenit
.........
-
Х =О
! 1.
!
Oksiaceti/ensko zavarivanje
mm
10 Ка/јепо .ttanje
ZdrиZene kr~ve
Sl. III-35 -
r:aspodele t-oplote (oksiacetilenski
i elektrolucno zavareni spojev:i) s.a "karakteristicnim krivama
kaljenja"
пikl-.hrom
kaljivog ce1ika. Razgranicenje zona pod uticajem toplote ·osnovnog materijala
BIBLIOGRAFIJА [1]
Н.
Hanemann i
А.
Schrader: Atlas metallographicus (Berlin), vol. III, 30.
[2] N. Т. Belaiew i D. Sejerian: PuЬl. ХПе Congres Int. de la Soudure Autogene, Londres, vol. III (1936), 567; Rev. Metall., 34, n° 12 (1937), 690. [3] Prof. А. Portevin i D. Seterian: PuЬl. XI Con.gres Int. de la Soudure Autogene, Rome, vol. I (1935), 567; Rev. Soud. Aut., 255 (1935), 4. [4) D. Sejerian: Methodes particuHeres d'etude des soudures (1947), Paris.
РuЬИс.
G. R.
А.,
[5] Prof. А. Portevin i D. Sejerian: XI Congres Int. de la Soudure Autog€шe, Rome (1934); С. R. Acad. Sciences, 199 (1934), 34; Chal. et Indust. (Sept. 1935).
STRUKTURE ZAVARENIH SPOJEVA
87
PLOCA I
Struktura zavarenih s.pojeva cetiri vrste celika, izvrsenih oksi-acetilenskim zavarivanjem
Sve probe su Ьile nagrizane Sauveur-ovim reaktivom. Ispod svake mikrografije dato је uvelicanje i tvrdoca u Brinelovim jedinicama. Hemijslci sostav
С:О,22%
_Ni:4 35 ~ Cr:1,21 %
A,-Ts
Zona pregrevanja
Zona rзstapania (materij al sava)
Krupna zrna. Mreza ferita sa finim perlitnim agregatom.
Mreza krupnih zrna ferita sa agregatom turistitnog tipa.
Struktura vrlo krupnog ferita sa finim trustitnim agregatom.
Vidmanstetenova struktura.
Tendencija koagulacije perlita
Izlucivanje prezasicenog ·ferita. Struktura odgovara transformaciji Ar'". Gornji bejnit
Red. br.
Osnovni materijal
Zona pod uticajem toplote А 1 -Аз
1
Zarena struktura: ferit i perlit
Zona normalizacije
'
-2
-
Sitnozrna i heterogena struktura ferita i perlita
Iglicasti ferit. Bejnitna struktura
Vidmanstetenova struktura.
-з
4
Tendencija Ferit i perlit. koagulacije perlita: Trakasta struktura ostaje i heterogena struktura heterogena. Ferit i koagulirani perlit. Zarena struktura
Transformacija Ar"', fini martenzit.
Izlucivanje iglicastog ferita na osnovi finog agregata. Bejnitna struktura.
Struktura koja odgovara transformaciji Ar". Donji bejnit.
Struktura koja odgovara transformaciji Ar"'. Fini martenzit.
Krupnozrni martenzit.
lglicasti ferit. Gornji bejnit,
Transformacija Ar'" lglicџsta
struktura donjeg bejnita
METALURGlJA ZAVARIVANJA CELIKA
88'
PLOCA
П
Eiekti·oiucno zavarivanje
niskoug,ljenicnog ce1ika deЬlj,i.ne 10 mm bazicnom elektrodom
50_ kp/mm2 ).
(O'L
--
Hemijska analiza и Ispitivani materijal
С
Mn
0,13
0,49
Si
---
%
S
Р ---1----N2
1
1
-------------1-----1-----1------ -·---- ---
0snovni materijal -M-a-te-r-ij-'al-sa_v_a_ _ _ _ _
tragovi
0,023
--О-,0-8-· --0,-6-8 ----0-,4-2- -О,о--12-
0,018 0,015
1
0,008
~-- O,OU-
х
120Br
135Br
: Х125
125
Х125
Makrografija zavarenog spoja pokazuje: Strukturu materi}ala sava orijentisanu и povrsinskom sloju (sav је 1zvrsen sa tri zavara); zonu pod uticajem toplote osnovnog materijala, jako obojenu pri nagrizanju - termicki ciklus viseslojnog zavarivanja је malo uticao na ovu zonu. Provarivanje korena sava sa suprotne strane takode izaziva obrazovanje orijentisane strukture. Mikrografija 1. Bazaltna struktura povrsinskog sloja sava.
Mikrogтafija
2. Srediste
materijala
sava;
"normalizovana"
struktura
sa
vrlo
sitnozrnim
feritom.
Mikrogтafija З. Srediste zone pod uticajem toplote; zrnasta fina struktura.
Mikrogтafija 4. Kraj zone pod uticajem toplote
(At -
As); struktura koaguliranog perlita.
Mikrogтaftja 5. Osnovni metal van zone pod uticajem toplote; homogena struktura !erita perlita.
STRUKTURE ZAVARENIH SPOJEVA
89
PLOCA III Elektrolucno zavarivanje
srednjeugljenicnog celika
deЬljine
16 mm bazicnom elektrodom (aL = 50 kp/mm 2).
~ ~~
~
Hemijska analiza u с
Ispitivani materijal --
~
Osnovni materija.l
Mn
s
Si
р
----
------
0,33
%
0,54
N2 ---~
0,02
0,018
0,025
0,007
0,37
0,013
0,020
0,010
~-
0,010
Materijal sava
Makrogra:Иja
0,65
zavarenog spoja pokazuje da
је
izvrsen velikim brojem zavara.
Uticaj termickog ciklusa viseslojnog zavarivanja na zonu pod uticajem toplote osnovnog materijala ispoljava se и smenj.ivanju tamnih i sv:etlih polja. Svetla polja svedoce о tendenciji ka "norma1izaciji" strukture. Mikrografija 1. Zona
rastapanja materijala sava; krupnozrna sa sitnozrnim, verovatno, trustitnim agregatom.
struktura
pregrejane
zone
Mikrografija 2. Bazaltna struktura povrsinskog sloja sava. Srediste sava pokazuje strukturu
finog ferita (kao i mikrografija 2 sa ploce Mikrografija З. Srediste zone
П).
pod uticajem toplote; Sitnozrna regenerisana struktura ferita
i perlita. Mikrografija 4. Kraj pod uticajem toplote (А1 ~
Mikrografija 5. Osnovni
А•);
fina i koagulirana struktura.
metal van zone pod uticajem toplote; struktura ferita
perlita.
GLAVA IV
ELEKTRODE ZA ELEKTROLUCNO ZAVARIVANJE
Postupak elektrolucnog zavarivanja bazira se na uspostavljanju i odrzavanju elektricnog luka izmedu metalne zice nazvane "elektroda", i komada koji se zavaruje. Elektroda jednovremeno sluzi kao provodnik elektricne energije potrebne za rastapanje i kao dodatni materijal. Gole elektrode se upotreЬljavaju u izuzetnim slucajevima i danas su ..
r--т~~~~~ofi.V~-±".д.f.LU.J.J:V--UQ.J.J..LICJ.J.;J-t:Ll'C----U~U~V-.<:..-t;;;J.L>u.l-V-t;.и::; .JV_L,..,LU.Lh.U.Cll-I.
.U-J.~i:>-C::..-L>a""_ct;_~.ч-t:c_.u~.---LU.c;:::_
_______________
·,[:'==-:~~"":~1:fi01f:J"7ezgra·-'I:::_д151oge~·~cpfY"fбpђenju=o:o16ge;~кбjeco:-"'6ћieno?slwi"~ra:stapanj~e==:~~-o-"··· • [ jezgra elektrode, iznad rastopa tecnog metala obrazuje se metalurska troska. Prema prirodi ob1oge, dolazi tada do slozenih hemijskih reakcija izmedu troske i rastopljenog metala: reakcije dezoksidacije, desumporizacije, denitriranja а takode i do reakcije legiranja metalnim elementima koje је sadrzala oЬloga u oЬliku ferolegura. Prvi deo ove glave posvecen је izucavanju elektroda za elektrolucno zavarivanje, njihovoj klasifikaciji, osoЬinama, а drugi izucavanju nekoliko reakcija izmedu troske i rastopljenog metala na bazi opstih teorijskih postavki fizicke hemije.
PRVI DEO 1 -
DEFINICIJA 1 KLASIFIKACIJA ELEKTRODA А)
Definicija elektroda
Gole elektrode su izradene u oЬliku metalne zice kruznih preseka sa tacno definisanim hemijskim sastavom. Rad sa njima dovodi do velikog broja nepogodnosti koliko u odnosu na staЬilnost elektricnog lika, toliko i u odnosu na fizicke kvalitete dodatnog meterijala, kao sto su: teskoca uspostavljanja i odrzavanja elektricnog luka, apsorpcija velike koliCine kiseonika i azota. Kako cemo videti u daljem izlaganju (glava V), apsorpcija gasova dovodi ne samo do obrazovanja gasnih mehurova (naru-
--~
ELEKTRODE ZA ELEKTROLUCNO ZAVAR. RAVNOTEZA METALA- TROSKA
91
savanje kompaktnosti metala) vec i do oksidacije i nitriranja щaterijala sava, cime је znatno smanjena deformaciona sposobnost savova. Ove elektrode su u poslednje vreme skoro potpuno napustene. OЫozene elektrode. Industrija koja. koristi zavarivanja duguje za svoj izvanredan napredak Svedaninu KjellЬergu, pronalazacu oЬlozene elektrode. OЬlozena elektroda sastoji se iz metalnog jezgra, cilindricnog oЬlika i oЬloge vrlo razlicitog hemijskog sastava u zavisnosti od zahtevanih osobina materijala sava (sl. I-3). Sastav. oЬloga је vrlo slozen. То sи mehanicke smese organskih i mineralnih materija. Svaka komponenta izvrsava sasvim odredenи ulogu, bilo u procesи .rastapanja, bile и pro~ сеsи ocvrscivanja. u sastav oЬloge ulaze stabllizatori luka, komponente koje obrazиju trosku, dezoksidanti, legirajuce koщponente itd. OЬloga istovremeno vrsi trostrиku funkciju: а) elektricnu; Ь) fizicku preko troske; с) metalurskи.
В)
Elektricna uloga
oЬloge
Zna se, da је odrzavanje elektricnog luka иslovljeno· jonizacijom gasova izmedu katode i anode. Nestalnost metalnih lukova је posledica nji:~.-~.;.._.Jlov~~akte±Js,ti!f~,,"_K9jJ~-=~:QJ'Oj.~11&.~1J~:::~1~1§R~~~cдi!=-:o:tp~oLr,:-~till)a".::~;:::..7, . . . с
·· · ·· ·
1йка
opada kada intenzitet struje raste. Da bi se dobila stabllnost elektricnog luka· pri zavarivanju, potrebno је uvesti u kolo elektricnog luka dopunski otpor, najbolje induktivni otpor, koji se suprotstavlja brzim promenama intenziteta elektricne struje. Medиtim, faktori koji uticu na stabilnost elektricnog luka su mnogobrojni: - napon praznog hoda; u slucaju zavarivanja naizm.enicnom strujom potreban је visi napon praznog hoda; - potencij al jonizacij е metala; - termoelektronska emisija; - provodljivost. Za elektricni luk naizmenicne struje neophodna је jako jonizovana sredina, odakle proizilazi potreba da obloga sadrzi soli natrijuma, kalijuma, itd. Druge konponente, kao sto su silikati, karbonati, oksidi gvozda i titana, oksid torijuma, itd., takode povoljno delиju na uspostavljanje i odrzavanje elektricnog luka. Nasuprot ovim komponentama postoji veliki broj jedinjenja, kao sto sи na primer: fluoridi koji nepovoljno uticи na uspostavljanje i odr·zavanje elektricnog luka; iz ovih razloga kriolit nije preporuclj'iv kao jonizujuca komponenta. Uopste иzev, komponente koje svojom disocijacijom daju lako jonizиjиci gas, zahtevajuci vise napone praznoga hoda, usled apsorpicije znatne kolicine toplote pri endotermnom karakteru reakcije disociacije. Tako na primen, elektricni luk и atmosferi vodonika postaje nestabllan, posto se disocijacija molekиla Н~ и 2Н (vodonik u atomarnom stanju) odvija uz apsorpciju 102 kcal/mol.
92
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
С)
! '
Fizicka uloga ohloge
OЬloga treba da olaksa zavarivanje u razlicitim radnim polozajima; vertikalnom, horizontalnom, iznad glave; i da doprinese u zavisnosti od svoje prirode, obrazovanju konveksnog ili konkavnog sava. Fizicku ulogи oЬloge uslovljavajи: - priroda oЬloge, koja odreduje viskozitet tecne troske, i - deЬljina oЬloge. Izvrsenje savova и svim prinиdnim polozajima moze se ostvariti samo ako istopljenu kapljicи povlace gasovi ili pare koji se oslobadaju pri topljenjи oЬloge. Ј. D. Fast [1] је pokazao da elektroda sa kiselom oЬlogom, koja је potpuno osиsena и argonи, nije vise omogucivala izvrsenje savova u polozaju iznad glave, ukazиjuCi tako· na mehanicku ulogu vodene pare. Elektrode celuloznog ili poluceluloznog tipa dozvoljavaju izvrsenje savova u prinиdnim polozajima zahvaljиjиci oslobadanjи vodonika ili vodene pare iz oЬloge. Elektrode sa bazicnom oЬlogom takode оЬеzЬе dији zavarivanje u svim prinиdnim polozajima, zahvaljиjиci obrazovanjи gasova иgljen-dioksida i иgljen-monoksida, koji se oslobadaju pri disocijaciji karbonata. V an svake ј е sumnj е mehanicka иloga gasova oslobodenih pri disocijaciji komponenta oЬloge, и prenosenjи rastopljene kapljice, ali O\liO је samo jedna strana proЬlema. Istopljena troska odrzava kapljicи na mestи, sto potvrdиje znacaj povrsinskog napona tecne troske. U · viskoziteta troski ne samo na mogиcnost' zavarivan_jjt и raz~-- .- stepeљ-"za8tlte~:orast0pljenog==cmetafa-_--~ ~· -- ----- ј asno se izraZava. Osim toga, brzine reakcija izmene izmedu troske i metala olaksane sи teCljivoscи troske. Iz svih ovih razloga za elektrode bazicnog tipa, treba teziti ka snizenjи viskoziteta troske, и ciljи boljeg vezivanja mangana i specijalnih legirajиcih elemenata и rastopljenom meta1и а takode efektnijoj desиmporizaciji i defosforizaciji materijala sava. Saglasno ispitivanjima Р. К. Gledhill-a, tгoske kiselih oЬloga (sl. IV-1, kriva 1) imajи visok viskozitet и Ьlizini svoje tacke topljenja (1 250°С do 1 300°С), pri сети viskozitet troske opada sa porastom temperatиre. Kisele troske na bazi feldspata (kriva V) imajи takode visok viskozitet pri relativno nizim temperatиrama (1 200°С), ali pad viskoziteta је vrlo brz pri relativno maloj promeni temperatиre i dostize viskozitet troske bazicnih o·Ьloga (kriva IV) pri Т = 1_400°С. Viskozitet troski rиtilnih elektroda namenjenih za zavarivanje odozgo (kriva П), naglo opada pri temperatиri 1 400uC; naprotiv, troska elektroda ovog istog tipa, ali predvidenih za zavarivanje и polozajи iznad glave (kriva III), је tecna i njen viskozitet ostaje primetno konstantan и vrlo sirokom temperatиrnom intervalи (1 250°С-1 400°С).
D) Metalurska uloga ohloge OЬloge elektroda sadrze ne samo stabllizatore i hemijske sastojke koji оЬrа:zији metlurske troske, vec takode dezoksidatore i legirajuce komponente, namenjene za povisenje mehanickih karakteristika materijala sava.
ELEKTRODE ZA ELEKTROLUCNO ZAVAR. RAVNOTEZA METALA- TROSKA
93
Troska obrazovana pr-i topljenju oЬloga elektroda treba ili da zastiti tecni metal od dodira sa okolnim vazduhom (debela troska), ili da
11
1
14
\
12 о
Е
\ \ \\
·;;; gю 0... :Ј
1I
\
jv
'i
--
1
...з
6
.... о и
:>
4
\.
"
\
~
!
,.,- -. \
ш-·
2
" " ' i _ .. _
·-.....
о
I
\
IV··~-
1200
·-
1250
-·---~-·-ш
1300
1350
·--
'---2:
N ·' =jV 1400
14.50
- - - - - - - - ' - - - - - - - - - - - - - Teme._eraturq__(o.C~>_ _ сс~>?~=о~~=~=~~==?'=с~~,~=~==с~
Sl. IV-1 - Promena viskoziteta troski elektroluenih savova u f-unkcidi temperature. (prema Р. К. Gledhillu). Krive I i V: troske kiselih elektroda, Kriva П: troska rutilnih elektroda za zavarivanje odozgo; Kriva ПI: troska rutilnih elektroda za zavarivanje и polozaju nad glavom; Kriva IV: troska bazicnih elektroda. t. f. = tecna faza
stvori redukujucu gasnu sredinu na primer, vodonicnu pri zavarivanju celuloznim elektrodama ili konacno, da ispuni jednovremeno оЬе funkcije, kao na primer oЬloge elektroda bazicnog tipa Klasifikacija OЬloge
оЫоgа
elektroda
elektroda za rucno elektrolucno zavarivanje, u zavisnosti od hemijskog sastava i karaktera reakcija njihovih troski, mogu se svrstati u pet velikih grцpa. 1. Oksidne оЫоgе sadrze uglavnom mesavinu oksida gvozda, kvarca i prirodnih silikata (kaolin, talk, liskun, feldE;pat, itd.); ponekad u sastav oЬloga ovog tipa ulaze manje kolicine dezoksidanata. Troske ovih oЬloga pripadaju sistemu FeO-SiO~ (sl. IV-2). Njihov stehiometrijski odnos priЬlizno odgovara jedinjenju 2Fe0-Si0 2 (fajalit), а eutektika se topi pri temperaturi oko 1 200°С (sl. IV-3).
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
94
о
-t----''г-1--+--
8!. -+---1 N 1
cf 1350
1 1175 Trldlmlt + laja/11 юо
FeO Sl. IV-2 -
Dijagram stanja troske sistema Si02-FeO
Sl. IV-3 - и = 350 - Mikrostruktura oksidne troske sistema FeO-Si02. N а osnovi sШkata zeleza vide se dendriti Fе 2 0з
Ove elektrode su nazvane oksidnim zato sto rastopljeni metal vezuje veliku kolicinu kiseonika ili oksida gvozda FeO i azota и vidu nitrida Fe4 N (sl. IV-4). Sadrzaj azota u metalu, nanetom oksidnim elek(}i~;;~-a~Q-~J;~z_u1tgtc:·!-':e~gЧ~~~ц~J-=Stc
!'
Sl. IV-4 - и = 1 000 - Oksidi i kompleksni silikati zeleza savu izradenom kiselom elektrodom. Feritna osnova i iglice Fe1N (С= 0,08%; Mn = 0,46°/о; Si = 0,25%;
и
N 2 = 0,024°/о)
ELEKTRODE ZA ELEKTROLUCNO ZAVAR. RAVNOTE2A METALA -
TROSKA
95
Oksidne oЬloge predstavljajи najcescи vrstи elektroda, sa niskim mehanickim karakteristikama, dаји sav vrlo lepog izgleda, narocito· и slисаји иgaonog sava. 2. Kisele оЫоgе sи takode proizvedene na bazi oksida gvozda i prirodnih silikata, ali sadrze i velikи kolicinи dezoksidirajиcih i denitrirajиcih proizvoda и vidи fero-legura (fero-mangana, fero-silicijиma, fero-titana). Troske ovih elektroda pripadajи sistemи Fe0-Si0 2 -Mn0 i sastoje se iz - kompleksnih silikata (MnO, FeO) Si0 2 ili rodonita (sl. IV-5). U sastav troski ovog sistema иlaze: а)
velika kolicina silikata gvozda (fajalit) ili mnogo kompleksnijih silikata gvozda i mangana (rodonit); Ъ) slobodni oksidi FeO i MnO и razlicitim odnosima. Ove troske imajи kiselи reakcijи, tj. teze da razlazи bazicne okside, kao sto ј е MnO, иsled cega velika kolicina mangana prelazi и troskи.
Sl. IV-5- И= 350- Mikrostruktura kisele troske sistema FeO МnО Si02. Osnova rodonit sa .kristalima sililikata zeleza
------~--- --------
------------- ------------
=':"~ -·-~~""--- --~..xrozeb.oga@iv:an4~trcske.:- mnaganom~'~srrranJнJe=nJё'ii"''"'Visкozтtef- sto::---=:~-~:c-~-_:'':"C':C-
izaziva poboljsanje izgleda sava i daje mogиcnost iz.vrsenja savova и svim polozajima. 3. ОЫоgе па bazi titan-oksida. Ove oЬloge sи proizvedene na bazi 1-utila (prirodni sa 95°/о Ti0 2 ) ili ilmenita (oksid gvozda i titarna) а sadrze takode prirodne silikate, fero-legиre i dezoksidatore. Troske se sastoje iz titanata zeleza ili kompleksnih titanata; one pripadajи sistemи Ti0 2 -Fe0-Mno i imajи kiselи reakcijи, koja је znatno manje izrazena nego sto је to slиcaj и kiselih troski. Eelektrode na bazi rиtila dаји savove lepog izgleda sa vrlo visokim mehanickim karakteristikama. Osim toga, takve elektrode роkаzији dobru stabllnost elektricnog lиka i pogodne sи za zavarivanje и svim polozajima. Ove elektrode predstavljajи vrstи vrlo trazenih elektroda. 4. Celulozne oЬloge sи proizvedene na bazi isparljivih proizvoda (drvna celиloza i celиloza iz pamиka) а sadrze takode prirodne silikate i fero-legure - dezoksidatore. Pri topljenju ovih elektroda obrazиje se mala kolicina troske; redиkciona atmosfera koja stiti rastopljeni metal је sastavljena pretezno iz vodonika. Vodonik moze da stиpi и reakcijи: -
sa oksidom gvozda: FeO + H 2 .+:::::Fe + Н 2 0; i sa nitridom gvozda: 2Fe4 N + 3Н 2 +- _.. 8Fe + 2NH 2 •
Dodatni materijal iz ovih elektroda је sitnozrn, sadrZi vrlo malo kiseonika (0 2 < 0,020°/о), ali nasиprot ovome sadrzi veliku kolicinи vodonika (15 do 25 cm 3 na 100 g metala).
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
96
Celиlozne elektrode se primenjиju za zavarivanje u svim polozajima
а narocito za konstrukcije kod kojih se zahteva veca dublna provara. Disocijacija molekularnog vodonika, izdvojenog pri razlaganju celuloze, pri temperaturi elektricnog luka na atomarni vodonik (Н 2 ~= 2Н) odvija se uz apsorpciju 102 000 cal/mol, koje su naknadno povracene u vidu dodatnih kalorija. 5. Bazicne оЫоgе su proizvedene topljenjem pri visokim temperatиrama iz mesavine kalcijum-karbonata ili magnezijum-karbonata i topitelja, uz dodatak dezoksidirajucih i denitrirajucih proizvoda u vidu ferolegиra.
Ove оЫоgе se tope pri vrlo visokim temperaturama (oko 2 000°С), te је neophodno dodavanje topitelja (spat-fluor, kriolit, itd.). Troska, doЬijena topljenjem bazicnih elektroda sa jako izrazenom bazicnom reakcijom, pripada sistemu Ca0-Si0 9 • (sl: IV -6) ili jos sloznijem. Ona se sastoji iz ·metasilikata 2Са0, Si0'2 ili iz smese meta - i trisilikata ЗСаО, Si0 2 , koji su vrlo stabllna hemijska jedinjenja.
... о ... о
:3" ф
Q.
Е ф
.....
:3Co0,Si 1
+Са О
40
50
60
70
во
90
юо.
Са О
Sl. IV -6- Dijagram stanja sistema Si02- Са О. t.f = tecna faza
u sastav bazicne troske moze da ude takode i zelezo, koje se moze vezati u karbonat u vidи Fe2 0 3 • 2Са0 sa visokom toplotom reakcije (21 000 callmol). Oksid aluminijuma (glinica) u ovoj tro.ski treba da se nalazi и vezanom stanju, posto је pri visokim temperaturama njegov bazicni karakter izrazen и vecoj meri od kiselog.
ELEKTRODE ZA ELEKTROLUCNO ZAVAR. RAVNOTE:ZA METALA- TROSKA
97
Marfoloski izgled bazicne troske se mnogo razlikиje od izgleda kisele troske i odlikиje se prisustvom dиgih stиblcastih kristala (sl. IV-7) и osnovi kompleksnog silikata. Isto tako mogи se naci nerastvoreni sastoj ci и vidи svetle dendritne mreze koja se verovatno odnosi na Fe 2 0:{ · 2Са0. Bazicne elektrode dаји cist dodatni ma terij al sa ravnomerno raspodeljenim иkljиccima и osnovi fine jednakoosne struktиre (sl. III-8) koji se odlikиje povisenim mehanickim osoblnama: izdиzenje reda 30°/о (pri 7 d); иdarna zilavost 15 do 18 kpm/cm 2 (na epruvetama UF) i srednja zatezna jacina 50 kp/mm2. Bazicne elektrode pripadajи klasi takozvanih niskovodonicnih elektroda, Sl. IV-7- U = 350 - Mikrostruktukoje imajи vrlo vazan znacaj и indиs гa ь.aziбne troske. Stublcasti kristali silikata kalcijuma (2Са0 · Si02triji (poglavlje V). 3Са0 · Si02) Ove elektrode razradili sи R. Sarazen i М. Moneron и 1934. godini [3], da bi zadovoljili zahteve postavljene od strane Francиske mornarice .
.·~~~. ~~~ z~lj~г:~d~~}i:~::~a~{;;;l~':;t~~ka~;"-e~~~~~±~:~~~· · ··i··
.'~z"~i~--~~cт:ra=sкo·:ro~pol:ovinac··ga~шsiђe']}Бtrosiije "otpaaa·n:a~-ьazicne
e1eкtroae:
Ostali faktori, na primer deЬljina oЬloge, иtiси na metalurske procese: redиkcijи oksida i nitrida gvozda. u ciljи povisenja proizvodnosti postиpka rucnog elektrolucnog zavarivanja, proizvedeni su novi tipovi elektroda sa oЬlogom kiselog, rutilnog i bazicnog tipa. Nove elektrode dozvoljavajи da se smanji cena kostanja zavarivackih radova, Ьilo iskljиcenjem duge i skиpe obrade ivica zlebova - elektrode sa dubokim prodiranjem, Ьilo nanosenjem, metala u vecoj tezini nego sto је tezina jezgra elekttode za skoro isto vreme topljenja elektrode sa visokim stepenom iskoriscenja.
Elektrode sa dubokim prodiranjem Ove elektrode dozvoljavajи izvrsenje savova sa vrlo malim brojem zavara na neobradenim limovima debljine od 14 do 16 mm [20]. OЬicno se zavarivanje izvodi bez zakosenja ivica sa dva zavara (sl. IV-8); prvi prodire skoro do polovine deЬljine lima dok se drиgi zavar nanosi sa nalicja lima, i to tako, da zahvati koren prvog zavara. Tip oЪloge koji moze Ьiti kiseli ili rиtilni, sa dodacima organskih materija, igra Ьitnи ulogu pri ovom zavarivanju. Vrlo debele oЪloge (иdvostrиcen precnik elektrode) mogu da podnesи visoke intenzitete struje. 7 Metalurgija zavarivanja
98
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
Sl. IV-8 - Makrostruktura sava izradenog rucnim za vari vanj em elektrodama sa dubokim prodiranjem sa dva zavar,a GdeЬlj:Lna osrюvnog mate:гijala 16 mm)
Izgleda, da vrsta elektricne struje nema uticaja na duЬinu provara; medutim, pri visokim gustinama struje, preporucuje se zavarivanje naizmenicnom strujom da bi se izbegao efekat magnetnog skretanja elektricnog luka, neizbeznog pri zavarivanju jednosmernom strujom. Dozvoljeni intenziteti struje, pri zavarivanju elektrodama sa dubokim prodi_ranjem, jednaki su petnaestostrukom do sestnaestostrukom kvadratu
•
;,-~~",=,=~·-~-~",::;;ы.r.~Cдfigc:~J:Pд~~·~t~r.g~~_ццm,.д_:~mil!l:tJgtз::tщq~::ё~J:;~:,~·;:l~:=d~~=-·.c:=-.·.·.c::~c*~"·~-~5'~=·-="C'~~:::-,~.::-;::=~.;-j; Kvalitet osnovnog materijala ima znatnog uticaja na rezultat zavarivanja elektrodama sa dubokim prodiranjem, jer se materijal sava vecim delom sastoji od osnovnog materijala. Saglasno ovom, pri zavarivanju ovim elektrodama zahteva se brizljivija kontrola kvaliteta celika za zavarene konstrukcije. Uopste, treba ograniciti zavarivanje elektrodama sa dubokim prodiranjem na niskougljenicne i druge celike, koji se odlikuju visokom zavarljivoscu.
Elektrode sa visokim stepenom iskoriscenja Stepen iskoriscenja је definisan odnosom tezine rastopljenog dodatnog materijala u savu prema korisnoj tezini metalnog jezgra elektrode. U slucaju klasicnih elektroda ovo iskoriscenje krece se od 0,80 do 0,98 u zavisnosti od tipa oЬloge, precnika elektrode i intenziteta struje. Stepen iskoriscenja se moze znatno povecati ako se oЬlozi doda gvozdeni prah, koji vecim delom prelazi u rastop [4]. U slucaju elektroda kontaktnog tipa, stepen iskoriscenja moze Ьiti udvostrucen u odnosu na klasicne elektrode. Ove elektrode imaju vrlo debelu oЬlogu i primenjuju se samo za zavarivanje u polozaju odozgo. Na osnovu iste ideje, Ьile su proizvedene kisele, rutilne i bazicne elektrode sa srednjom deЬljinom oЬloge za zavarivanje u svim polozajima, sa stepenom iskoтiscenja od 1,2 do 1,4.
ELEKTRODE ZA ELEKTROLUCNO ZAVAR. RAVNOTE2A METALA- TROSKA
Е)
99
Tehnoloske kar,akteristike elektroda
Energetski parametri - intenzitet strиje i napon, primenjeni pri topljenjи elektrode, zavise od mnogih faktora а иglavnom od precnika elektrode, deЬljine i prirode oЬloge. Tendencija, kod savremenih elektroda, za иpotrebom sve deЬljih i deЬljih oЬloga vodi ka primeni visih intenziteta strиje. U tablici IV-1, prema М. Moneron-u, date su vrednosti 1ntenziteta struje za savremene elektrode u poredenjи sa intenzitetima struje za starije tipove elektroda а za deЬljinи obloge jednakи polovini precnika jezgra elektrode tj. sa karakteristikom у = precnik elektrode 1 preenik jezgra elektrode. TABLICA IV-1 Dozvoljeni intenziteti struje za uoblcajene elektrode у=
Precnik ј ezgra elektrode
1,5
Stariji tipovi elektroda Srednji intenziteti
Ј
1
ј
Gustina
Savremene elektrode Srednji intenziteti
Ј
Gustina
~~---f..~....n---~---1-~---&t~je--~-~ - - ---struje-~-- ~-----struje--~-~~~ -----struje---~ ~- -- ------~-~-~--=-~~"Е"=~~~~~~~=~~=Z?.с:=·:сс?'э=:·-""'···=~:·"=~·=·'"·'·- :":::"С'с?''::-с_••.:.~~···-=':'~•с_:.·•::::·-~"''='"'·""~~"':::~С"."!I-=~''·•~-·:-·:-·с::~:""''О''?''"'''~::с·.'ёс<
2 2,5 3,2 4 5 6
8
(А)
(A/mm 2 )
(А)
(A/mm 2)
45 70 110 140 190 240 320
14,4 14,3 13,7 11,1 9,5 8,4 6,3
50 75 120 170 250 350 450
16 15,3 15 13,5 12,7 12,3 9
Napon zavarivanja (napon elektricnog luka) U 1 se moze izraziti sledecom jednacinom: '
И=K+ld·I 1 10
gde
је:
К
I I
s d 7*
s
-
konstanta, zavisna od prirode metala jezgra elektrode i иslov ljena anodnim i katodnim padom napona; za celik К= 12; dиzina lиka и mm; srednje l se krece и granicama od 3 do 6 mm и :zavisnosti od precnika elektrode; gиstina strиje,
I -
elektrode u mm2 ; precnik elektrode
intenzitet и
mm;
strиje и А, а
S poprecni presek
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
100
1
Na osnovu vrednosti - iz
s
taЬlice
је taЬiica
IV-1, sastavljena
IV-2,
za duzinu Iuka 3 mm. Radi uporedenja dati su naporni elektricnog Iuka, izmereni od strane Monerona, za bazicnu elektrodu sa у = 1,5. TABLICA IV-2
Precnik jezgra elektrode
Stariji tipovi elektroda
I -
(mm)
s
2 2,5 3,2 4
14,4 14,3 13,7 11,1 9,5 8,4 6,3
5 б
8
ИЈ
Sa.vremene elektrode
I -
(V)
Иј
s
1
20,7 22,7 23,0 25,3 26,2 27,1 28,0
(V)
21,6 23,5 26,4 27,5 30 34 33,8
16 15,3 15 13,5 12,7 12,3 9
Vrednosti Иј (V) koje је dao Moneron za elektrode bazicnog tipa
-
24,5 23 24 26 1
-
1
Razriюtrimo
sada uticaj razliCitih faktora na_p!Q!!!~!lu J:l_gp_g_l)._~--~lek~--~--- _
1. Moze se predvideti da се napon elektricnog Iuka brzo rasti kada se intenzitet struje uvecava, jer је 6.
l· d
и=--.
10.
s
6.I
Pri konstantnoj duzini elektricnog Iuka, napon Iuka precnika elektrode
је
funkcija samo
l
6. и = О 13 · - · 6.I ' d Pri l
=
3 mm:
Za elektrodu precnika 4 mm, pгomena napona zavarivanja се Ьiti 0,10 6.I. Ako se poveca intenzitet struje sa 150 na 240 А kao u slucaju elektroda sa dubokim prodiranjem, promena napona Uj се Ьiti: za I = 150 А:
Иј =
za I =>240 А:
Иt
12
= 12
Za elektrodu precnika 5 mm: Ь:.и
= 0,08 6.I
+ 15 = + 24 =
27 V; 36 V.
ELEKTRODE ZA ELEKTROLUCNO ZAVAR. RAVNOTE:ZA METALA- TROSKA
Pri oblcnom intenzitetu struje, I Pri povisenom intenzitetu struje:
= 200 А: Ut
I = 360 А: Ut= 12
+
29
=
=
12
+
16
101
= 28 V.
41 V.
Slicni napori karakteristicni su za elektrode sa dubokim prodiranjem, sa kojima se zavarivanje vrsi pri povisenom intenzitetu struje. U datim jednacinama nije vodeno racuna ni о tipu oЬloge ni о njenoj deЬljini. Moneron је dokazao sledece: а) za jedan te isti precnik elektrode napon zavarivanja raste brzo u funkciji intenziteta struje (sl. IV-9). и,
( \f)
32+-~-----+-----4------~----+-----~-----г-----
100
150
200
250
300
350
400
I(A)
Sl. IV-9 -
Promena napona elektricnog luka u funkciji intenziteta struj е i1i gustine struj е: g = Pune liinije Ut = f(I); isprekiidam.e blinije Ut = f(d). Stvarna gustina stгuje (kJriva С) laga:rю raste sa uvecanjem precn.ika elektrode Ь)
sa uvecanjem precnika elektrode, pri konstantnom intenzitetu struje, napon zavarivanja opada; drugacije receno, napon na krajevima luka zavisi od gustine struje. Prema rezultatima istog autora (sl. IV-10) napon na krajevima elektricnog luka za razlicite vrste elektroda је u funkciji deЬljine obloge (oЬlast radnih intenziteta struje prikazana је za elektrode precnika 4 mm).
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
102
2. Ako u toku zavarivanja duzina luka l raste g
Ј
10
s
~И1 =~l·-·-
tada
u1
raste proporcionalno duzini luka jednakom precniku elektrode.
Iz napred iznetog moze se izvuci sledeci zakljucak: Napon na krajevima elektricnog luka savremenih elektroda za zavarivanje је funkcija gustine struje, intenziteta struje i duzine luka; koji zavise od prirode i deЬljine oЬloge.
Elektrode duboke penetraclje (у=
2)
~ sa oЬ/ogom =В mm
40
Elektrode. kiselog tipa (у=
2)
ф sa oЬiogom
=
8mm
30
20
150
31. IV-10 -
200
250
А
Napon elektricnog luka za razlicite tipove oЬloga
Ove osoblne elektroda imaju neospornog odraza na staticke karakteristike izvora elektricne struje za zavarivanje. Razmotrimo izvor jednosmerne struje, sa naponom praznog hoda 50 V (sl. IV-11) i sa linearnom karakteristikom. Za elektrodu sa Ьilo kakvim tipom oЬloge precnika 4 mm (у = 1,5) pri intenzitetu struje 170 А, napon zavarivanja се biti 23-25 V i shodno tome luk се biti staЬilan. Promena napona elektricnog luka od + 2 V izaziva po·meranje intenziteta struje od 150 na 200 А. Pogledajmo sada sta се se dogoditi ako se isti izvor jednosmerne struje upotreЬi za zavarivanje elektrodama sa dubokim ,prodiranjem precnika 4 mm, (у = 2). Pri intenzitetu struje 240 А napon zavarivanja se krece u intenrvalu 42 do 45 V i staЬilnost elektricnog luka se znatno pogorsava.
ELEKTRODE ZA ELEKTROLUCNO ZAVAR. RAVNOTEZA METALA- TROSKA
103
Ovaj primer pokazuje da stariji tipovi izvora struje za zavarivanje sa niskim naponom praznog hoda nisu pogodni za zavarivanje pri povisenom intenzitetu struje. Za nove elektrode potrebno је imati izvore struje zavarivanja sa visim naponom praznog hoda, reda 70 V, cak i za izvore sa jednosmernom strujom. (V)
40 и,= зоv
------------
з
О
100
200
300 f(A)
Sl. IV-11- Uticaj prirode oЬloge elektrode na staticku karaktemstiku izvora elektricne struje za zavarivanje. Kriva 1.- Uredaj jednosmerne struje sa naponom praznog hoda 50 V Kriva 2. - Uredaj jednosmerne struje sa naponom praznog hoda 70 v
Konstanta topljenja Pri klasifikaciji elektroda иzima se и obzir jos jedna karakteristika - konstanta topljenja. Konstanta topljenja predstavlja tezinи rastopljenog dodatnog materijala date vrste elektrode и gramima ро amperи i sekиndi; ona se izrazava jednacinom: а= Ри f·t је:
u kojoj Ро
-
I t -
tezina metala nanetog elektrodom date vrste u gramima; intenzitet struje; vreme, potrebno za topljenje elektrode и sekиndama.
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
104
Brzinom topljenja nazivamo teZinu dodatnog materijala (metala) u
gramima rastopljenu za 1 minut: с
р 0 Х 60 = -----gfmin,
t
odakle sledi:
а
=
!:_ g/min. А. Ј
Brzina topljenja с је prema tome jednaka proizvodu iz konstante topljenja а i intenziteta struje. Drukcije receno, konstanta topljenja а jednaka је kolicniku iz brzine topljenja с i intenzit-eta struje. Konstanta topljenja а se vrlo malo menja sa promenom napona luka, ali raste lagano sa uvecanjem precnika elektrode; ona zavisi od debljine oЬloge а narocito od prirode oЬloge. U slucaju kiselih oЬloga, povecanje sadrzaja silicijum-dioksida do 20°/о dovodi do povecanja konstante topljenja а. U slucaju bazicnih elektroda, а se smanjuje sa povecanjem sadrzaja kalcijum.-karbonata i dostize minimum za koncentraciju od 35°/о СаСОз [6]. U tablici IV-3 dat је primer izracunavanja konstante topljenja za tri tipa elektroda: kisele, bazicne i elektrode sa visokim stepenom iskoriscenja.
Konstanta topljenja razlicitih tipova elektroda
Tip elektrode
Precnik elektrode (тщ)
1
Ро Х
60
с
I
Ро
(А)
(g)
110 160 190 280
24,5 38,2 52,0 83,0
80 86 96 105
18,4 26,7 32,5 48
85 93 107 120
17,6 26,9 32,3 48,0
0,160 0,168 0,170 0,170
40,8 53,3 78,6
0,240 0,240 0,260
1
t
а=-
С=~~-
I
t
(s) 1
KiseЏ
3,2 4 5 6,3
Bazicni
3,2 4 5 6,3
110 160 190 280
25,0 41,5 51,5 95,5
Elektrode sa )>visokim stepenom iskoriscenja<<
3,2 4 5
170 220 300
49,0 65,0 97,0
---
0,167 0,167 0,170 0,170 -----
----
72 73 74
'
F) Klasifikacija elektroda U zavisnosti od mehanickih osoЬina, elektrode sa jezgrom iz niskougljenicnog celika klasirane su danas (1959) u Francuskoj u pet kategorija (norma А 81-309).
ELEKTRODE ZA ELEKTROLUёNO ZAVAR. RAVNOTE2A METALA- TROSKA
105
Mehanicke karakteristike, prikazane и taЬlici IV-4, ogdovarajи karakteristikama materijala sava (rastopljenog dodatnom materijala) и stanjи neposredno posle zavarivanja, prema francиskoj normi А 81-302. TABLICA IV-4 Klasifikacija elektroda prema normi
Tipovi elektroda
~· Ј?,_х
1
4U . . . . • .
Е. Е. Е.
48 . . . . . . 56 . . . . . . 65 . . . . . .
1
/ raspoznavanja
...... 1
ь.
Воја
roze crvena zuta plava zelena
Kvalitet А
40 40-48 48-56 56-65 65
81-309 Kvalitet В
Kvalitet С
----~--~--------~---1-----~--
б(%) КИР*
,
А
15 16
НБ
2 4
б(%) К
20 200-4001
17 12 7
1
1
UF*
7 6 4 2
б(%) К
24
UF*
21 18
9 8 8
1;
5
1
Izdиzenje о 0 /о
se odredиje pri prelomи standardne cilindricne eprи vete sa poprecnim presekom S 0 = 75 mm2 ; 10
=
~r 66,61. S~ ili 10 =7,2 d
К
- иdarna zHavost - odredиje se .na eprиveti UF*; ~ НБ Brinelova tvrdoca - meri se kиglicom precnika 5 mm pri d~:""'""'~- ···· ------~~",··--=0I~±erft~fl-]Цce15:Q:;:кp_.~~-"~'='~~:o,_-c;=~~~==;.~---=~~.-- ---===-.,.-;::с~·~=-~="=.::=-~-::---:=:.:::=.~===-=-....:==~:: 1 Ocigledno је da sи vrednosti prikazane и- tabli~iiV~4-~~i~ai~e. - -~-· -. Medиnarodni institиt za zavarivanje tezi da иnificira klasifikacije elektroda и saglasnosti sa njihovim mehanickim karakteristikama i tipom oЬloge.
DRUGI DEO П
-
RAVNOTEZA METAL-TROSKA А)
Troske savova
Као rezиltat topljenja oЬloge elektrode iznad rasto,pa, koji је и tokи ocvrscivanja, obrazиje se troska cije osoЬine zavise od hemijskog sastava oЬloge.
Videli smo da su osnovni sastojci ovih troski vise ili manje kompleksni silikati, silikati gvozda i mangana za oksidne i kisele obloge, silikati kalcijиma za bazicne oЬloge, ili titanati za rиtilne elektrode. U sistemи metal - troska, kada ј е и dodirи krace ili dиze vreme, dogadajи se sledece cetiri vrste pojava: * UF = oznaka za epruvetu za udarnu zilююst prema francuskim normama (Unitees fraш;aises), sa r = 1,0 mm, duЬina zareza 5 mm; vidi npr. Osnovi celicnih konstrukcija, Milosavljevic, Radojkovic, III izdanje slika I, 68.
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
106 а) Ь)
degaziranje rastopa kroz troskи; zastita metala pri njegovom ocvrscivanjи od dejstva okolne atmosfere, Ьilo debelom, manje ili vise viskoznom troskom, bilo redиkи jиcom atmosferom (celиlozne elektrode); с) prelazak oksida ili stetnih primesa iz metala и troskи, sto dovodi do preciscavanja metala (desиmporizacija, defosforizacija, dezoksidacija, denitriranje, itd); d) raspodela legirajиcih elemenata oЬloge izmedи metala i troske. Ocigledno је, da se u datom slи.саји tesko moze govoriti о ,,metalиrskoj ravnotezi", posto sи termicki ciklиsi zavarivanja sиvise brzi; ipak, ovde је verovatnija pojava "pseиdoravnoteznog" stanja. Ро misljenjи aиtora, tendenciju sistema metal troska ka ,,ravnotezi" uslovljavajи sledeci faktori: - tip oЬloga, koje stvarajи troske mnogo aktivnije nego sto sи metalиrske troske; - vrlo visoka temperatиra reakcija. N apred izlozeno moze opravdati primenu zakona fizicke-hemij е na proucavanje proЬlema preciscavanja materijala sava ,i razmene elemenata izmedи oЬloge · i materijala sava. Pitanja preciscavanja и metalnoj fazi Ьiсе izlozena и glavi V (desoksidacija); и ovom delи razmatracemo samo respodelи elemenata izmedи metala i troske. Vrednosti koje се se doblti iz proracиna ravnoteze mogи da poslиze samo kao orijentacija; one sи medutim od velikog interesa za orijentacijи pri razradama i proizvodnj i elektroda. Pre nego sto Ьi . . termodinamickom proracиnи sistema me1~P*?o=,~::z.'="''·=?'~!'!ц~t,.!;~~!:~
Osnovi proracuna termodinamicke ravnoteze
Pri proracиnи ravnoteznih reakcija primenjиjи se dva dobro poznata pojma: Dzips-ov* i Le Satelij-ov** zakon dejstva masa, koji proizilazi iz treceg zako.na termodinamike i pojam о "aktivnosti" materija и rastvorи.
U najjednostavnijem slисаји reakcije izmedи gasova, zakon dejstva masa dozvoljava da se odredi konstanta ravnoteze и funkciji parcijalnih pritisaka ili koncentracija .gasovitih faza prisиtnih и dva Clana reakcije. \. Tako za ravnotezne reakcije: СО 2 +-*со
+ 112 0
(1)
2
(2)
Konstante ravnoteze kao
fиnkcije teщperatиra,
К1 = r•·
'i1
к2
1
Ј
.ј
.:'i
' 1
i
=
Pco·(po.)l 12
GiЬbs
Le Chatelier
za
reakcijи (1)
za
reakcijи
Рс о,
Р н •. CPo.)l/2 Р н. о
* **
glase:
(2)
.
/
ELEKTRODE ZA ELEKTROLUCNO ZAVAR. RAVNOTE2A METALA- TROSKA
107
u kojima velicine Рсо,, Рсо, Ро,, Рн.,о, Рн.. predstavljaju parcijalne .pritiske ovih gasova. Zakoni termohemije dozvolili su da se ustanovi jednom za uvek konstanta К (Т) u funkciji temperature. Pri datoj temperaturi vrednost К (Т) је potpuno odreden?; sto dozvoljava da se proracuna stepen disocijacije С0 2 i Н 2 0. Jednacine, koje povezuju koHcinu disociranog gasa х i parcijalne pritiske, su sledece: х
Рн.,о
l-
х
Рн,=--
Ро.=-
l+~
1+~
l+2
х
+2
predstavlja
ukцpan Рн,о
х
2
2
gde 1
2
х
=--
broj molekula, pod uslovom da
+ Рн, + Ро, =
Р =
је:
1.
Ako se reakcije odvijaju izщedu cvrstih tela i gasova ili izmedu cvrstih tela i tecnosti, kao u metalurgiji, tada se mora uvesti nov рој am "aktivnost rastvoreнih materijala", na primer, aktivnost oksida FeO, MnO, rastvorenih u tecnom metalu ili u troski. "Aktivnost", dakle predstavlja stepen afiniteta oksida za metal ili za trosku i omogucava da se predvidi karakter raspodele metala ili njegovog oksida izmedu dve faze [7]-. • , ,_.~"с~~·,~~ :_~l_.дte:dukc,iлa'"'"okstda--.-?ill_~~?a~,ugLj eiiiЮQm;c~Brll:iiera-.-:radi":razffiotriffi~гre;:;~---~ ~ус-~~-~~""~-:~:-~: --- dukciju oksida zeleza ugljenikom u metalnoj fazi, sto је od neospornog interesa u metalurgiji i u zavarivanju. Reakcija redukoije oksida zeleza ugljemkom moze se napisati: -~- ------~--------t
[FeO]
+ [С]+-:::: [Fe] + СО
(1)
gde uglaste zagrade [] oznacavaju da је materija rastvorena u metalu, kruzne zagrade о се oznacivati da је materija rastvorena u trosci. Konstanta ravnoteze ove reakcije: Кс = а
[Fe]·CO [С]· [FeO]
а
(2)
u funkciji aktivnosti (u molarnim delovima) Кс
=
[a]Fe·Pco . [а]с · [a]FeO
(3)
gde је zelezo zasicen rostvor ра је stoga [а] Fe = 1; р со= 1, usled nerastvorljivosti со u zelezu. Kako su FeO i С malo rastvoa:-ljivi u zelezu, to se moze uzeti da је njihova aktivnost proporcionalna njihovim koncentracijama [FeO %] 1 72·1,78 s
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
108 gde
је s
koefioijent rastvorljivost FeO u zelezu
-
[а]с
=
[С%]
,
l2x1,78 100 posto 100 g zeleza predstavlja 56
= 1,78 mola.
Jednacina (3) moze se transformovati u nov oblik
Кс
=
је:
odakle
[FeO %]
sa konstantom Кс: 8 570 log
2 740 xs [FeO%]·(C%]
Кс =
-
т
-
2,15 log
·[С
Т+
%]
0,53 х
=
2 740 Кс
Iо-з Т-
х
s.
(5)
0,16 х 10- 6
Т2
+ 14,59.
(4)
Vrednosti koerficijenta s rastvorljivosti FeO u tocnom zelezu u zavisnosti od razlicitih temperatura prikazane su u taЬlici IV-5, prema podacima Rudarskog Ьiroa (Bureau of Mines). TABLICA IV-5 Rastvorljivost s FeO u tecnom zelezu 0
( С)
1 1 1 1 1 1
(%)
520 600 650 700 750 800
0,835 1,360 1,688 2,005 2,331 2,680
0,118 0,197 0,244 0,280 0,336 0,377
0,006 0,010 0,013 0,016 0,018 0,021
6 8 4 о
5 5
Sada imamo sve elemente za proracun ravnoteze [FeO] . [С]. Za datu temperaturu Т, izraz (4) dozvoljava da se izracuna vrednost Кс а poslednja kolona u taЬlici IV-5 daje rastvorljivost s u molarnim delovima. TABLICA IV-6 SFeO
log
Кс
molarni delovi
[FeOJ· [С] sracunato prema jednacini (5)
[FeO] ·[С] eksperiщentalno odredeno
i
1 i
1 1
. 1
'1
i, 1
:i i
i
: i
1 1 1 1 1 1
580 600 650 700 750 800
1 1 1 1 2 2
853 873 923 973 023 070
2,325 2,55 3,15 3,771 4,60 5,40
0,009' 2 0,010 8 0,013 4 0,016 0,018 5 0,022
0,010 0,011 0,011 0,011 0,011 0,011
8
0,010 2
5
7 9 2
0,011 0,012 2
ELEKTRODE ZA ELEKTROLUCNO ZAVAR. RAVNOTE2A METALA- TROSKA
109
Vrednosti prikazane u taЬlici IV-6, dobijene racunskim putem iz jednacine (5), pokazuju potpuno slaganje izmedu racunskih vrednosti [FeO]. [С], i eksperim.enta1nih vrednos1ri. Vachera [8], Hertya [9] i Fielda [10]. Moze se zapaziti da se redukciono dejstvo ugljenika neznatno povecava pri povisenju temperature. 2. Raspodela oksida zeleza izmeau metala i troske. Iznad krive rastvoтljivosti kiseonika u tecnom zelezu (sl. v -2), jedan deo fero~ oksida ostaje "van rastvora" i nalazi se u prisustvu dve tecne faze, rastvor (Fe + FeO) i FeO tecni. U prisustvu troske FeO se raspodeljuje u dve faze, saglasno zakonu ravnoteze [О]
КО=·--.
(6)
(FeO)
- koncentracija kiseonika u tecnom zelezu; а (FeO) - koncentracija slobodnog oksida zeleza u trosci. Konstanta ravnoteze К zavisi od prirode troske. Prihvaticemo vrednosti Korber-a i Oelsen-a [11]: Za kisele troske: (7) ка= 0,85 х 10~ т- 0,0114; i za bazicne troske: (8) Кь= 1,31 х 10- 5 Т-О,О177. gde
је [О]
5
-··----------·----------~·---.---~-··----------
-----------·- ·-
---
--
0,20t--1t---t-----f-----+-----! Rovnoteie(FeO)- (О) (FeO)- (С)
1 1 1
'v
R=
'=Е
.
g
0,10
о.ооо5в
Boziёne ~-t---~'-- t----~O"'Y------1
troske
~
Kisele troske
--10
20
FeO и troskomo (%)
Sl. IV-12 -
30
40
Raspodela kiseonika izmedu metala i kisele Ш baz;iene troske
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
110
Prave Ra i Rь (sl. IV-12) predstavljaju raspodelu kiseonika izmedu metala i kisele troske i metala i bazicne troske pri temperaturi 1 750°С. Odavde proizilazi da К raste kada se temperatura povisava i pri konstantnom sadrzaju (FeO) dolazi do oksidacije metala. Upotreblmo ovu jednacinu za proracun proizvoda [О] · [С] prema hemijskim sastavima kiselih troski (taЬlica IV-7), koje је dao Christensen [12], i prema hemijskim sastavima bazicnih troski (tablica IV-8), koje је dao autor [13]. TABLICA IV-7 Kisele troske
(Hemijski sastavi prema Christensenu [12]) 1
Oznaka
Tip
1 (~•inO) (FeO) 1 (MnO) Mn / (Mn]
оЫоgе
(FeO)
Oksidni Ј ako kiseli .......... Kiseli (6020) Kiseli (6021) Rutilni (6013) " . " " . " Rutilni (6013)
1 2
•••
з
4 9 10
о
•••
~
g
•••
......
о
•••
о
•
о
"
~
••••
1,80 21,2 24,0 16,6 11,9 7,6
69,8 16,6 14,2 10,6 6,4 6,9
0,026 1,30 1,70 1,56 1,86 1,10
1
Кмn Ј
(MnO)
0,01 0,49 0,63 0,54 0,50 0,30
0,055 0,023 0,026 0,032 0,042 0,040
1 V'
а
..<'-
lv1n
-260 270 270 290 370 370
5 3,5 3,1 3,0 2 2
1 300 950 840 870 740 740
1
TABLICA IV-8 ::~~'"'·~c"'"~"'c"··"~"''"~·";~~~"'-'EC:"'::::'~='==-'·ce~·c-=·Promena=Kм!f·ZФ~Ъazicne-·troske···[13]
(Elektrode 5, 6, 7; analize prema Christensenu) HEMIJSKI SASTAV (%)
1
Bazicne troske
Oznaka
СаО 1 2
1
MnO
FeO
с
31,5 32,4 26,6 23,5 1 20,3 17,9 ! 20,9
1
7,3 7,0 7,5 5,6 2,31 2,23 4,44
7,1 7,0 5,7 6,1 2,8 3,31 2,83
0,10 0,10 0,12 0,11
1
1
1
1 Mn
Si02
1
47,3 50 1 53 1 58 '
з
4 5 (6015) 6 (6015) 7 (6015)
metala
0,34 0,50 0,71 0,65 0,69 0,64 1,67
Si 0,525 0,39 0,26 0,335 0,57 0,28 0,77
1
OЪloga
l
1
(MnO) FeO
Км n
--
[Mn] (MnO)
1,03 1,16 1,32 0,92 0,83 0,68 1,56
300 230 190 140 120 106 95
0,047 0,072 0,095 0,115 0,30 0,29 0,37
kiselog tipa [13] za temperaturu 1 650°С ima konstantu
ravnoteze:
К
а
=
[О]
(FeO)
=
26,2 · I0- 4
(А)
Pri analizama kiselih troski sadrzaj (FeO) se menja od 10,5°/о do 16°/о, ра је uzeta srednja vrednost 13°/о. Osim toga, sadrzaj ugljenika и rastopljenom dodatnom materijalu ove vrste elektroda (kisele ili rutilne), iznosi 0,08°/о do 0,10°/о, odakle је dobljena ek~perirnentalna vrednost (FeO) . [С] = 1,3 priЬlizno. (В)
ELEKTRODE ZA ELEKTROLUCNO ZA V AR. RA VNOTEZA МЕТ ALA -
Iz dva prethodna izraza
А
В,
i
[О]· [С] ОЫоgа
TROSKA
111
moze se naci:
= 34-10- 4
Za temperaturu 1 650°С ima konstantu
bazicnog tipa [13] -
ravnoteze:
Кь
_јО]
=
39 · I0- 4
=
(С)
(FeO)
Prema podacima iz tablice IV-8, u kojoj su dati sastavi bazicnih troski, moze se odrediti priЬlizna eksperimentalna vrednost (FeO) . [С] = = 0,70 i saglasno izrazu (С) dobija se: [О]
·
[С]
= 27 ·
ili: [FeO] ·
[С]
=
10
0,012.
Za temperaturu 1 650°С E.Eyt [14-15] nalazi da [FeO] ·
[С]
је:
= 0,011.
Vidi se dakle, da postoji potpuno slaganje vrednosti [FeO] . [С], odredenih prema eksperimentalnim podacima i teorijski sracunatih prema zakonima termodinamike. ·------~-----Л._Bas'[)_Qdela mangaoo_jz..J11,~(ty metalл_j__:fro_$_k~~J_zu_~_~yanjg__:rayJ]:Qi~::ш -·-··:·~ ·:::c. ~~-ze-~'Craspьde1e"?mang:anca=Ч.zmedu· metala i- troske, vee ··je""ЪilO'"!ЭO:sveceno mnostvo istrazivanja u industriji zeleza i celika .. Za reakcij u: (FeO) + [Mn] +=~ [Fe] + (MnO), (9) 7
konstanta ravnoteze
се
biti: Кмn
=
[Fe] [Mn]
(MnO). (FeO)
(10)
Korber [16] је utvrdio, da kisela troska, zasicena silicijum-dioksidom (Si0 2 ), ima Кмn = 1 200. W. Krings i Н. Schakmann [17], а zatim Tammann i W. Oelsen [18] izucivali su eksperimentalnim putem uticaj bazicnosti troski na vrednost ove konstante. Na sl. IV-13 prikazana је promena Кмn u zavisnosti od koncentracije СаО. Konstanta Кмn је narocito znacajna za klasiranje troski, na primer, za vrlo kiselu trosku Кмn је veca od 1 000, а za bazicne troske Кмn se krece od 100 do 300. Za kisele troske neophodno је uvesti novu konstantu ravnoteze К' Mn koja је povezana sa racunskom konstantom Кмn jednaCinom (taЬlica IV-7) К'мn =а· Кмn
Koeficijent а zavisi od koncentracije slobodnih oksida (FeO) i (MnO) u troski. Zna se, u stvari, da su u bazicnim troskama FeO i MnO potpuno slobodni, ра је stoga ·а = 1; istovremeno, ti kiselim troskama
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
112
sadrzaj sloЪodnih oksida se smanjuje sa porastom kiselosti, te Ovo pitanje podrobnije је izlozeno u radu Е. Eyta [14].
а
raste.
Км n
1200 1000
1
~ r-.... ,. ,
Тamloпn ~elsen 1 1 i
/
' \ . \,.
Krings
1
Schockmonn
'\~-
ооог----r--~~~~----~--~
\
(\{
\ g2 и
6001----+--...Ј. N
1Q" V?
и
\ . +---1 о о . о о
\
U U
·С\1
('t)
400 t-----1------:i,о -t--+-+---+-1------i
u•о \
'·....... .._
200r--~---+-+--+'~~4--·_ _·-~ .......... г-1----1
o~~~~~4B~l~~f~~~f~7~~ 20
40
60
80
SI02
- -~ос",=~~-"'ес=,'"~~с---
100%
СоО
Sl. IV-13 - promena konstante ravno_-_~~~_-_+
С)
Prakticni zakljucci za elektro1ucno zavarivanje
Karakter uticaja stepena bazicnosti troske za elektrode s bazicnom na konstantu Кмn prikazan је u tablici IV-9. Racuнske vrednosti Кмn za is.pitivane elektrode bazicnog tipa (kriva П, sl IV-14) dosta dobro se slazu sa vrednostima koje su doblli Krings i Schakmann (kriva I, sl. IV-14). oЬlogom
Uvodenje "aktivnosti" dozvoljava da se jednacina (10) napise u sledecem obliku:
Кмл = [а]мn ):)MnO. (a)Fe
(!!_)
S FeO
gde
је:
--
( а)
i
S MnO
s
је
(!!.)
S FeO
-
akti vnosti oksida u troski;
koeficijent rastvorlj!ivosti;
(11)
ELEKTRODE ZA ELEKTROLUCNO ZAVAR. RAVNOTEZA METALA- TROSКA
pri cemu
113
је
log
Кмn
=
6 145 т
-7,025 log
Т + 2,22 Х 0,33
Х
10 -з
10- 6
Т2
Т
+ 19,533
(12)
Utlcaj odnosa Ca0/Si02 za elelctrode bazlcnog tipa J----\----t----JL..-f/(riva 1 - rezultati Krings-a i
· SChackmann-a Kriva· 11 - vrednosti sracunate od autora зоо~-+-т* --+-+----~--+-+-----r---4
1
2~~--~~~---4--~'~---+--~ .&8
Ј.
о
qj
200~--~-~~----~-о+-+-----г----4
Sl. IV-14- Promena konstante ravnoteze mangana и zavisnosti od bazicnosti metalurskih troski (kriva I) i troskii bazicnih elektroda (kriva П)
Vrednost Кмn vrlo brzo opada kada temperatura Т raste. Jednacine (10) ili (11) ne vode racuna о prirodi oЬloge, posto ravnoteza zavisi samo od koncentracija razlicitih elemenata u jednoj te istoj fazi.
Bazicne troske. - Herty је pokazao da koncentracija slobodnog FeO u kiseloj trosci raste sa povecanjem sadrzaja СаО, Са О
о
10
20
30
- - - - - - - - - -----· ----- · - - - - - -
(FeO) slobodni
%
0,25
0,30
0,36
0,47
U bazicnoj trosci (FeO) i (MnO) r.su potpuno slobodni. Ako primenimo proracun na izvestan niz bazicnih elektroda prikazanih u taЬlici IV-9, mogu se izvuci sledeci zakljucci: 8 Metalurgija zavarivanja
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
114
1. Konstanta ravnoteze se krece od 140 do 300 za ispitivane elektrode i od 100 do 120 za sastave, koje је dao Christensen (taЬlica IV-8). Ovi se rezultati slazu sa podacima Krings-a i Schakmann-a. TABLICA IV-9 Uticaj stepena bazicnosti troski bazicnih =~~==
i
oЬloga
na konstatntu
К мn
З 4 5 6 1 7 8 9 !О 11 1 12 13 --------------------------
Elektrode
1 1
Са О
Si02 MnO FeO Mn Кмn
1,50 7,3 • 7,1 о,34 300
[2
1,70
1,55
1,80 2,06
2,00
7,8 5,8
7,0 6,3
0,49/
o,so l
5,9 5,4 5,9 5,2 0,42 о,66/ 240 160
7,5 8,2 7,4 4,3 4,6 5,6 5,7 6,6 6,5 4,7 5,6 6,1 о, 71 Ј о, 10 о,54\ o,s9l o,s0 о,б5 185 180 . 210 155 165 1 140
. 275
225
1
2,04 2,24 2,42
l
2,30 2,48
2,66
3,50
7,5 2,8 2,1 8,5 0,55 1 1,32 160 ' 100
Slika IV-14 pokazuje pored ostalog da se troske, koje imaju konstantu Кмn vecu od 200 (oЬloga 1 do 4), sastoje iz smese Ca0-Si0 2 + + 2 Ca0-Si0 2 • Za industrijske bazicne oЬloge, koje obrazuju uglavnom · metasilikate, konstanta Кмn ima vrednost oko 150. 2. Odnos [Mn] vrlo brzo raste sa porastom bazicnosti troske; shodno (MnO) tome,· koncentracija [Mn] u metalnoj fazi _brzQ___r-_~ste _§_~_PQY:~.S§.l"lJ~!P_P_~-=----·----- ___ ,:~,. ·"'"'":<_~-"='~~-=zic.rroSoti~'C""trc€>-skc.:;.· ·~~"'"~"'"-=:с·•=·~ "·~-~~-~"'=--?-~~:"""".~:.~ . . .-"Со~· .......... ~--.=•.•.-."с·=· -=~·~········ ·• '"....... -· .· . · · ........ -............. ·· ..•.... ··с··· .· .... -·"··=···· ~-. 3. Za vrednost Кмn = 200 · .
1-----'
[Fe] х ( MnO) [Mn] FeO
=
2 ()()
pri 1 (MnO) [Fe] = 100 [Mn] = - ----·. ' 2 (FeO)
Prema tablici IV-8, vrednost (MnO) је bliska jedinici; shodno tome, (FeO) koncentracija [Mn] u metalnoj fazi iznosi 0,5°/о, sto u stvari i jeste slucaj.
Elektrode sa kiselom oЪlogom. U tablici IV-7 prikazan је izvestan broj rezultata prema analizama uzetim iz tehnicke literature [12]. Odavde se mogu izvuci sledeci zakljucci: 1. Konstanta ravnoteze ima vrednost ispod 1 000 za sve kisele elektrode, izuzev za oksidnu elektrodu za koju ј_е Кмn = 1 300. 2. Povecanj е koncentracij е mangana u oЬlozi dovodi do visih sadrzaja MnO u kiseloj trosci. 3. Izraz za konstantu ravnoteze se moze napisati i u sledecem obliku _(Fe%J = К'мn (Fe%) [Mn %] (Mn%) zato sto su atomske tezine Fe i Mn vrlo bliske.
1 1
ELEKTRODE ZA ELEKTROLUCNO ZAVAR. RAVNOTEZA METALA- TROSKA
115
Za kisele troske sa konstantom Кмn' = 1 000 moze se predvideti da се zelezo pretezno prelaziti u metal, dok се mangan prelaziti u trosku. Za bazicne troske, ova sklonost је pet do sest puta slabija; prema tome, u metalu, nanetom elektrodama bazicnog tipa, fiksirace se mnogo veca kolicina mangana. Na sl. IV-15 prikazani su rezultati, koje su eksperimentalnim putem dobili F. Rapac i W. Humic* [19], а koji se odnose na promenu sadrzaja mangana i ugljenika u metalu nanetom elektrolucnim zavarivanjem u zavisnosti od sadrzaja mangana (Fe-Mn) u oЬlogama bazicnog ili kiselog tipa (sl IV-15). 12
71
10
9 Baziёna оЬ/оgа
--..
8
fo-------Kisela oЬioga
~
1
{ (С)ь
Ј
~ (Mn)b---·(С)а-----
1
о
•V\
:Ј с:
6
1
~ "О
•N
-u
1
5
0,5 ........ ~
о
V}
4 г--------+------~---~--~------~0.4 '"' :Ј >
о
'"'
з
0,3 ~
2
0,2 ~
_,.,о с QJ :з
·о-
0,1
....
-t; о
V}
о~-Ј--~--~--~--~~--~---3~5~.-~40
15 20 Sadriaj Fe-Mn
25
30
и oЬiozl ('Уа)
Sl. IV-15 - Promena sadrzaja ugljenika i mangana u materijalu sava, nanetom elektrodama kiselog ili bazicnog tipa (prema eksperimentalni.m rezпltatima F. Rapatza i W. Hummitscha)
* 8*
F. Rapatz u W. Hummitsch
116
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
U slисаји kiselih oЬloga prelazak mangana и materijal sava vrs1 se tek posle zasicenja kisele troske sa oko 20°/о fero-mangana; posle toga koncentracija mangana и materijalи sava brzo raste (kriva [Mn]a). Za bazicne elektrode sadrzaj mangana и materijalи sava raste, pocev sa 5°/о fero-mangana и oЬlozi (kriva [Мn]ь ), sto је и dobroj seglasnosti sa proracиnom. Isti aиtori pokazali sи иticaj prirode elektrode na prelazak иgljenika и rastopljeni dodatni materijal, nanet elektrolиcnim zavarivanjem (krive [С]~ i [С] ь). Ostale primere termodinamickog proracиna, posebno и slиcaj u problema dezoksidacije manganom, bice razmatrane и sledecoj glavi.
BIBLIOGRAFIJА [1] [2] [3] [4] [5]
Ј. D. Fast: Rev. Tech. Phi1ips, 10, No 4 (1948), 118; Philips Reseaгch Reports, 3 (1948), 271. Р. К. Gledhitl: Symp. on Metal. of Steel, Welding (1948), 88. Francuski patent, no 793, 302 (1934). Р. С. Van der Willigen: Welding Jou:rn. Res. suppl. 25 (1946), 313 's. М. Moneyron: Soud. et Tech. Conn., v:o1. VII, 1-8 (1953), 191.
""'z•·•~Cc~·~5~~~~~~1~~;~;~~i~i'~~;~~~~:~~~~:;a~;~~Y~~:~;(1~~в)~~~~;~~:i=io;~l~l~-: 12 :~==-:~~~~·~ (1949), 653, 762, 849; 4, 9 (1950), 260, 658. [8] Vacher: Journ. Research Buгeau of Stand, XI (1953), 541. [9] Herty: Min. Metal. Inst. Bull., 74 (1927); The Phy:sical Chenistгy of Steel Maki!ng-Pittsburgh (1954). [10] Field: Trans. Amer. Inst. of Mines (1928), 114. [11] F. Korb'er i W. Oelsen: Stahl und Eisen, 52, (1932), 133. [12] N. Christensen: Weld Journ. Suppl., 8 (1949), 373 в. [13] D. Seferian: Rev. Metall., vol. 68, 8 (1951), 579; Sheet Metal Ind., 3 (1952), 239; 5 (1952), 441; 6 (1952), 529. [14] Е. Eyt: Les laitiers metallurgiques et leur.s reactions (1949), Dunod (Paris), edit. [15] Prof. М. Rey: Equi1iЬres chimiques et metallurgiques (1939), Dunod (Paris) edit. [16] F. Korber: Elektrochem. 43 (1937), 450. [17] W. Krings i Н. Schakmann: Stahl un:d Ersen, 202 (1931), 99; 206 (1932), 337. [18] G. Tammann i W. Oelsen: Arch. fiir Eisenhiitt, 5 (1931), 75 (vidi takode ref. 14, М. Rey). [19] F. Rapatz i W. Hummitsch: Stahl und Eisen, 65 (1945), 109. [20] А. Gaubert i G. D'Herbemont: Soud. et Tech. Conn., v.ol. XII, 1-2 (1958), 5.
GLAVA V
APSORPCIJA GASOVА U
SAVOVIМA
Uvod U Qvoj glavi Ьiсе razmatran jedan od najvaznijih proЬlema и zavaapsorpcija gasova и savu- kiseonika i azota iz vazdиha, а takode vodonika, koji se javlja kao proi~vod razlaganja komponenata o.Ь loge elektrode. Makakav bio postиpak topljenja, celik и tecnom stanju rastvara virivanjи-
i
"~~;~~~~~c~~;:zi;~ar:::~:;::l~~t;~~~~~~~:f:~fr.~i:,c.~~~~~:~:~::~t;_f~~~~:~~~c~ ~:~ ·-· ,.=---~= · ~ :,~ tice od vlaznosti oЬloge ili kristalizacione vode hemijskih jedinjenja nekih koщponenata oЬloge. Kiseonik se и materijalи sava pojavljиje bilo и rastvorenom stanjи Ьilo u oЬlikи cistih oksida ze1eza ili и kombinaciji sa drиgim oksidima. U rastvorenom stanjи kiseonik bitno иtice na neke mehanicke karakteristike metala; и stanjи oksida, on и vidи иkljиcaka narиsava jedrinи metala, а takode pogorsava deformacionи sposobnost zavarenog spoja (иdarna zilavost, kontrakcija). Azot obrazuje nitrid zeleza Fe4 N, koji иtice na deformacionи sposobnost materijala sava, naroCito иdarnи zilavost i na dispersiono otvrdnjavanje ili starenje. Vodonik izaziva obrazovanje greske nazvane "riЬlje oci", а takode se javlja kao иzrok nastajanja prslina u osnovnom materijalu.
1 - APSORPCIJA KISEONIKA U SAVOVIMA Izиcavanje sistem zelezo~kiseonik (sl. V-1) pokazuje postojanje tri oksida zeleza: - fero-oksid FeO sa 22,2°/о kiseonika; :.__ feri-oksid Fe20R ili hematit sa 30°/о kiseonika; - fero-feri oksid Fe11 0 4 ili magnetit sa 27,6°/о kiseonika.
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
118
Disocijacija ovih oksida se odvija prema sledecim reakcijama: :;~
4 FeO 3 Fe 2 0 11
1700
+
Fe
+
8 500 cal
(1)
+ 1/2 0 52 600 cal :;:=: Fе 2 0з + FeO- 6 800 cal
+==
Fe 11 0 4
Fe 11 0 4
2 Fез0 4
(2)
2 -
(3)
(FstO)t./.
1600
1500 ~=;:::::DZ~.:;;..:~
--
~ 1200
WtH
~1
м
+ Н
gas О
000
1
~fi"":~"'"""'-"""'-"'~""~-~""'~""'~-~-~""'"~'="'-.~0~0' ;·=.,~~' Е;;;::;~-:::~,;;:,~;;;,,,.;::;~:;" ;;;;;:::;~~с''~~:.:;:;, • ~ -=~с.~ 2.3,3
500 4ОО
Q(
+ Н
с( + М
0,1 0,2 0,3 0,4
1
Fe! Ot.
22 23 24 25 26 27 28 29 Sadri.aj kiseonika (% tei.lnskih)
W=
Fe2 О, .,
30
1 1'
31
vustit
М=
mognetit Н= hemobl t.f. = teena laza
Sl. V-1 - Dijagram stanja sistema zelezo-kiseonik. (Prema Schencku, Oberhoefferu, Darkenu i Wentrupu)
Prema toplotama reakcije, moze se predvideti da је fero-oksid FeO stabilan pri temperaturama ispod 579°С. Feri-oksid Fе2 0з se brzo razlaze pri povisenim temperaturama (Т> 1 000°С), а magnetit priЫizno pri 1 000°С sa obrazovanjem hematita. Za izucavanje reakcija u cvrstom ili tecnom stanju razmotrimo, sistem FeO - Fe. U cvrstom stanju rastvorljivost oksida zeleza FeO u zelezu је neznatna а, nasuprot tome, ona se bitno uvecava u tecnom stanju (sl. V-2). Najnovije vrednosti za rastvorljivost FeO (Bureau of Mines)- date su u taЫici V-1.
APSORPCIJA GASOVA U SAVOVIMA
119
Rastvorljivosti Feo u zelezu (s1. V-2) se smanjuje s:a snizenjem temperature sve do teщperature topljenja metala 1 520°С; rastvorljivost kiseonika pri toj temperaturi (tacka В) iznosi 0,18°/о ili 0,83°/о FeO.
TABLICA V-1 Sadrzaj u %
Temperatura u ос
1 1 1 1 1 2
520 600 700 800 900 000
1
FeO
о
U molekulima na 100 g FeO
0,835 1,360 2,005 2,680 3,560 3,600
0,183 0,302 0,445 0,590 0,748 0,800
0,118 0,197 0,280 0,377 0,472 0,506
1
1
)
U molarnim delovima :FeO 0,006 0,010 0,016 0,021 0,026 0,028
6 8 о
5 8 6
1
1
0,20 0,30 0,40 Sadriaj О2 (%)
Sl. V -2 -
0.50
Sistem Fe-Feo u podrucju temperature topljenja
Jednacina linije rastvorljivosti ВС moze se izraziti u zavisnosti od temperature u С izrazom (0°/о] = 15,2 Х 10-4 Т- 2 140. 0
Kriva rastvorljivost ВС razgranicava dve tecne faze: rastvor i tecni FeO. U glavi IV bila је vec razmotrena raspodela FeO и metalnoj fazi i u fazi troske u saglasnosti sa reakcijom 2F'e0 :;::::::: 2Fe + 0 2 , koja ima za konstantu ravnoteze: (Fe
+ FeO)
. [01 K=-(FeO)
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
120 А)
Postupak oksiacetilenskog zav,arivanja
Sadrzaj kiseonika u materijalu sava izradenom "normalnim oksiace02 tilenskim plamenom": ( = 1,1 do 1,3·) iznosi О , 03 do О ,050/о -pri с2н2
1
ј
.
srednjoj koncentraciji fero-oksida 0,20°/о FeO, koja odgovara zasicenosti cistog zeleza kiseonikom pri 900°С. s druge strane, ocigledno је da је u tecnom · stanju koncentracija apsorbovanog kiseonika mnogo veca i teorijski treba da sledi vrednosti krive rastvorljivosti ВС (sl. V -2). U glavi I је bilo pokazano, da su proizvodi sagorevanja normalnog plamena u redukcionoj zoni pri temperaturi 3 100°С sledeci:
t, 1 р
1
1
со
=
60°/о; н2
=
20°/о; н
=
20°/о.
Oksiacetilenski plamen ima dvostruku funkciju: - zastita rastopa pri ocvrscivanju redukcionom atmosferom - redukcija oksida prema sledecim reakcijama: FeO
+СО:;:~
Fe +
С0 2
(1)
(2)
-~-
..
1
__ __ __ -_ _- Ekstl'apolirэJ-ucl-kr-iv~iz:-diiagr-ama..Sodrдna!_(sl._V:-3)7 _moze_se:__naci}---~----~,-
"------c"'ec~~~""~"'~a1t-=p-rт~-'"'I"Ђ1JWe""--iiw:Je'h:.moa:ћяfSiCF~rei01кu]e"
"'OkSia'·---- zerez-a.~"(redukcija -,ту----
prema krivoj I ako koncentracija ugljenika u plamenu odgovara sledecem izrazu: со
-- 0,80. .
с = ----;;::. СО+С0 2
Kako redukciona zona plameпa sadrzi samo tragove С0 2 , proizilazi da је sadrzaj ugljenika u plamenu veCi od 0,80. Redukcija FeO vodonikom (reakcija 2) odvija se prema krivoj III dijagrama Sodrona (sl. V-3). Ova reakcija је ocigledno najverovatnija, posto је redukcija FeO vodonikom efikasnija kada temperatura okolne sredine raste. Prisustvo atomarnog vodonika (20°/о) jos vise povecava redukcionu sposobnost oksiacetilenskog ;plamena. Razmotrimo, narocito redukciju (1) oksida zeleza - FeO ugljen-monoksidom u tecnoj fazi metala [FeO]tec. +
СО~=
[Fe] tec. +
С0 2
(1)
Konstanta ravnoteze ove reakcije moze se napisati KFeO =
*
Chaudron
[Fe] х со2. [FeO] х СО
(3)
"-,:·--~ "--~
_ __
-., _
APSORPCIJA GASOVA U SAVOVIMA
121
Za odredivanje aktivnosti FeO u zelezu primenjujemo zakon Anri-a* izrazen obrascem:
[a]FeO
= {FeOO/o] s
ш
1
I:::E-c'c'~'' сс,,_о_,_,~~--~-г---
-
-
v 300
Sl. V -3 -
400
500
600
700
800 900 1000 1100 т emperatura ( 0 С)
Uslovi redukcije oksida zeleza gasovima
1200 1300
СО i Н2
1400
1500
(krive Sodrona)
gde је s - koeficijent rastvorljivosti oksida u tecnoj fazi. Konstanta ravnoteze (3) moze se izraziti u zavisnosti od aktivnosti FeO i parcijalnih pri tisaka СО? i СО:
кFeo Рсо. - - = KFeO Х
Рсо.
1
Рсо
[a]FeO
=--Х---
[a]FeO
Рсо
1'i
gde
је
=
[FeO
%]
KFeO Х---,
(4)
s
KFeo data sledecim izrazom: log
870
KFeO = - - т
1,065.
Promene odnosa рсо/Р,со (4) za razliCite koncentracije FeO u zavishosti od temperature date su u taЬlici V-2.
* Henry
METALURGI.JA ZAVARIVAN.JA CELIKA
122
TABLICA V-2
Promena odnosa Т emperatura
т 0 ( С)
1 1 1 1 1 2
520 600 700 800 900 000
т
рсо 2 /Рсо 1
1
log
К
1 KFeO
u zavisnosti od koncentracije FeO 1
СК)
1 1 ·1 2 2 2
790 870 970 070 170 270
- 0,579 - 0,600 - 0,624 - 0,638 -0,664 - 0,682
0,263 0,251 0,238 0,230 0,216 0,208
0,830 1,360 2,005 2,680 3,360 3,600
со
FeO= 0,135
s
%
0,043 95,7 97,5 0,025 98,4 0,016 0,011 6 98,8 0,008 6 199,14 0,007 8 99,20
со
FeO= 0,225
0,070 0,041 5 0,026 5 0,019 0,014 0,013
1
FeO= 0,45
со
% 93,0 95,8 97,3 98,0 98,6 98,7
0,14 0,083 0,053 0,033 0,028 0,026
86,0 91,7 94,7 96,2 97,2 97,4
%
Podaci zi taЬlice V-2 graficki su predstavljeni na dijagramu sa slike V-4. Na primer, pri 1 600°С procenat СО u ravnotezi sa 0,135°/о FeO iznosi 97,5°/о, sto u stvari predstavlja koncentraciju ovog redukujuceg gasa и "normalnom" oksiacetilenskom plamenu. Da Ьi se rastvorilo 0,45°/о FeO pri toj istoj ..temperaturi, gasna smesa treЬa_______ - - - + - · ~·~- "~"~~c.,=~:::..:.-=:crtO?sefЋasW}I='1:z~'91~"5'070'~eeJ~г=н=~5°fo"''~"
'''''"'"' .,_ ._djco.'"d'-•-=c.:o;·· :·-
СО2.
Takav sastav karakteristican ј е za oksidiraj исi plamen pri odnosu
.......
~
о
u
·о
•N
Uticaj
sastava oksiacetilenskog plamena
Poznato је, da oksiacetilenski plamen ро svom karakteru moze Ьiti: redukujиci, oksidirajиCi ili naиgljenisuci а sve u zavisnosti od promene odnosa kiseonik-acetilen а=
....
-а
о
V)
90
вs~---+----~--~----~--~-
1500
1600
1700
1800
1900
2000
Т emperatura ( 0 С)
Sl. V-4 - Redukcija oksida FeO и tecnoj fa2Ji ugljen-monoksidom (СО)
Za "redukujuci" plamen, а se menja и graniCama 1,1 do 1,3; ako је а> 1,5 .plamen postaje oksidirajиci, а ako је а< 1 plamen је naugljenisuci. Povecanje odnosa а dovodi ne samo do rastvorenja u metalu stetnih elemenata (kiseonika i azota)
APSORPCIJA GASOVA U SAVOVIMA
123
Sl. V-5 - U = 150 - Zavarivanje celika sa 0,150/о ugljenika naugljenisucim oksiacetilen·skim plamenom (а= 0,82). Sadrzaj ugljenika u savu 1,500/о. Mreza i iglice cementita u perlitnoj osnovi с С%)
CD
1,.50
К
n
N2
(kpm/cmЗ)
-·--~-·~.=~~.с'ес~с:с=.се:=:--
· · :::- ..
02
(ОЈо) 2
~,~~~~ с~С С ~+ ,,k±C~~=,;,, _;~,.~;~ '
5
ј 10 9
4
в
7 з
6
5
0,40
2
~~-.gr ____ . н
0,20
4
6
з
--------~0
2
1
с
а
41
oL-~~~-1.~0----1~,2--~1~.4--~~1,6--~-1.~в~~2~,o~~2 .2~~-2~.~4-L--~~ Sl. V -6- Uticaj regulacije oksiacetilenskog plamena
hemijslci
sastav (rastvaranje C-02-N.) i mehanicke karakte.гistike materijala sava. Osnovni materijal- 'lliskougljenicni celik (С = 0,15°/о). Kriva Kriva Kriva Kriva Kriva Kriva
1. 2. -
Promena Promena з. - Pl·omena 4. - Promena 5.- Promena 6. - Promena
koncentracije С sadrz11.ja 02 u % sadrzaja N2 u % udarne zilavosti К.· velicine zrna; n broj zrna ро santimetru kvadratnom tvrdoce sava (Brinel) u stanju posle zavarivanja
'
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
124
koji pogorsavajи mehanicke osobine materijala sava, vec i do izmene nj egove strиktиre. Smanjenje vrednosti а od 1 na 0,80 dovodi do jakog naиgljenicenja rastopa, izazivajиci znatne izmene tvrdoce i иdarne zilavosti. Pri zavarivanjи celika, koji sadrii 0,155°/о с, neиtralnim plamenom (а = 1) nastaje vrlo neznatno razиgljenicenje (С = 0,15°/о). Povecanje sadrzaja kiseonika и plamenи za 14°/о (а = 1,14°/о) dovodi kod istog celika do smanjenja иgljenika do 0,055°/о. Nasиprot ovome, zavarivanje naиglje nisиcim plamenom (а= 0,82), и kojem postoji slobodan иgljenik, fiksira ovaj иgljenik и celikи do koncentracije od 1,56°/о (sl. V-5). U taЬlici V-3 i dijagramи na sl. V-6 prikazane sи promene hemijskog sastava, struktиre i mehanickih osobina niskoиgljenicnog celika (С = 0,155°/о) и zavisnosti od velicine odnosa а. Na dijagramи, prikazanom na sl. V-7, graficki sи predstavljeni rezиltati ispitivanja srednjeиg ljenicnog celika sa sadrzajem 0,45°/о С. Tako se moze konstatovati (vidi sl. V-6), da koncentracije kiseonika i azota brzo rastи pri izmeni а od 0,8 do 2 (krive 2 i 3). S drиge strane, sadrzaj иgljenika и materijalи TABLICA V-3 Dodatna zica sa sadrzajem
иgljenika 0,15°/о
Ispitivani faktori
с
Mn Si
s
р
02 Nq Udarna zilavost (kpm/cm 2) Tvrdoca НВ KoliCina zrna ро cm 2 Ocena G
0,155 0,56 0,03 0,030 0,018
0,054 0,38
0,054 0,265
0,058 0,29
0,04 0,015
0,07 0,023
0,09 0,030
1,40
1,50
5,5 130 410 6
ii
1,30
1
0,15 0,29
1,56 0,375
0,02 0,012
0,01 0,023
6,9
2,3
132
115
100
140
320
330
150
110
500
10
4
6
1
5
4 1
i :
0,048 0,18
--
1
sava pri zavarivanjи naиgljenisиcim plamenom postepeno opada sa 1,56°/о pri а = 0,82 do 0,15°/о pri а = 1. Sa povecanjem koncentracije kiseonika dolazi do razиgljen.icenja, koje se stabllizиje pri sadrzajи 0,05°/о С (kriva 1). Udarna zilavost dostize maksimиm pri а = 1 (7 kpm/cm2), zatim se brzo smanjиje (kriva 5), dok tvrdoca postepeno opada od 325 do 100 Brinela и zavisnosti od sastava plamena (kriva 7). Kriva velicine zrna n skoro је paralelna sa krivom иdarne zilavosti (kriva 6).
APSORPCIJA GASOVA U SAVOVIMA
Analogni zakljиcci mogи se izvиci i za celik sa 0,45°/о С, koji varen oksiacetilenskim plamenom razlicitog sastava (sl. V-7).
125 је
za-
С(%)
2,00 ко
нв)
t.75
~~ 400 ·1,50
i
350 1,25
\ \
зао
1 Naugljenisuct plomen
7,00+--...--'"'1
OkstdirOJUCt plomen
Sl. V-7 Uticaj regulacije oksiacetilenskog plamena na hemijski sastav i mehanicke karakte:ristike sava. Osnovщ materijal s:rednjeugljenicni celik (С = 0,450/о). Kriva 1. Kriva 2. Kriva
З.
-
Promena koncentracije С Promena tvrdoce sava и stanju posle zavarivanja (Brinel) Promena tvrdoce sava (Brinel) posle zarenja pri 900°С
В)
Postupak elektrolucnog zavarivanja
Koncentracija kiseonika и elektrolиcno zavarenim savovima zavisi od sledecih faktora: tipa i deЬljine oЬloge; - intenziteta strиje; - dиzine elektricnog lиka. Zavarivanje golim elektrodama dovodi do zas1cenja materijala sava kiseonikom do 0,30°/о, sto odgovara sadrzajи FeO oko 1,4°/о tj. granicnoj rastvorljivosti FeO и zelezи pri 1 620°С.
r-wт-,----------~-------~-~-
) METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
126 1 1
!
1
r
1 i
1 1
1
1
Pri zavarivanjи tankooЬlozenim elektrodama oksidnog tipa koncentracija kiseonika и materijalи sava ostaje jos vrlo visoka, reda oko 0,20°/о. Zavarivanje elektrodama kiselog tipa, cija oЬloga sadrzi dezoksidatore (sistem Si0 2 -Fe0-Mn0), а takode elektrodama sa oЬlogom na bazi titan-dioksida Ьitno smanjиje koncentracijи kiseonika и materijalи sava; и zavisnosti od sastava oЬloge sadrzaj kiseonika moze da se menja и granicama 0,05-0,10°/о. Pri zavarivanjи bazicnim elektrodama sadrzaj kiseonika и materijalu sava se dalje snizava i manji је od 0,05°/о. Hemijski sastav osnovnog materijala, metalnog jezgra elektrode i materijala sava prikazani sи и tablici V-4 sastavljenoj na osnovи rezиl tata ispitivanja Slomana, Runija i Sofilda* [1] и Nacionalno fizickoj laboratoriji и Tedingtonи** (Engleska). Sadrzaj kiseonika и osnovnom materijalи i elektrodnoj zici krece se и granicama 0,010-0,020°/о (neиmi reni celik), dok se koncentracija kiseonika и materijalи sava menja od 0,10 do 0,13°/о pri zavarivanju elektrodama kiselog ili rutilnog tipa. Vidi se, da savovi sa niskim sadrzajem mangana sadrze najveci pro~ cenat kiseonika.
Uticaj kiseonika
па
mehanicke
osoЬine
Kiseonik pokazиje razlicit иticaj na mehanicke osobine metala и zavisnosti od toga da li se nalazi u cvrstom rastvoru ili u vidи ukljиcaka. U rastvorenom stanju, kiseonik neposredno utice na mehanicke osoblne (sl. V-8). Zatezna jacina i tvrdoca metala se osetno· smanjuju; izduzenje se malo menja, dok nasuprot, udarna zilavost naglo opada. h-1--------------------~-------~----------~-------~~---------~~-~---~----~~---~--~--------~-·-----
50 r- -----,---,.------,----т---нв
60 нв
45 f-----+---!-------l..... """"""........... ::-----+1-------j 100 50 ......_~
;;-- 40
';
!
~ ~----t~---+----+----t 90 - 40 1 ~61.
~35г---..
:> ~
~--
1- • ...:::::":.
~ \У 30
.,
r-:- - -
--- -
Ј
dv,
·-..,,
------ l.1_ .........
~
1
• +-- .-
80
к'. .. -~ -
~
~
"-
' __:.....
30~
70
;:r 20 ~
1
1
---Н ~r--'-"-. . .!--~~_"______--"1----160 ю 1
25
;:-
·--..
1
1
1
1
'
•, '
····..-:~
200~-~----~--~~--~---~~-~
0,05
О,Ю Q,f5 0,20 0,25 Sadriaj klseonika 0 2 (%)
Sl. V-8 - Uticaj kiseonika na mehanicke karakteristike niskюugljenicnog celika
* Sloman, Rooney and Schofield ** National Physical Laboratory, Teddington
-·
:!!.
ll iilr
i'll il1:
l!i 1il1
1
1111
1
ill
1!':
i!l: ill!
1:1: lнl
1,'1'
1'1 1
11
т.: ~LICA V-4 1
lл
-·--·-·-··-··---
1~';
-
-----·----~~
Oznaka elektrode
' 1' lili HEMIJ S~~
- -~
SASTAV U %
f\11 :·jl
Predmet ispitivanja с
Mn
.
1Si
!.
р
S
1
Ukupni 0 2 N2 (topljenje (topljenje u vakuumu) u vakuumu)
н2
Osnovni mнterijal ..............
1
0,18
'1:Ј
(cm /l00 g)
1-!l
;... сп
3
ц
1
Tip oЬloge
о
::0
0,53 ~~~.,043
1
0,042
1
0,032
0,010
'1:Ј
0,7
0,002
(ј
..... <-4
А
l
Meta1J?-.o j:zgro e1ektrode ........ 0,12 Materi)al sava . . . . . . . . . . . . . . 0,09
1
в
) Metal~o j:zgro e1ektrode........
0,49 •,010 1 0,0261 0,017 0,50 , ,257 0,026 0,035 1.
i
0,07
1
с
1
Kiseli
q,010 1 0,0271 0,030
1
> с;)
;...
сп
1
0,220 0,029 .
) Metalno jezgro elektrode........ 0,07 ( Materijal sava . . . . . . . . . . . . . . . . 0,07
0,7 13,4
0,003 0,015
1
i
0,34 0,24
l Materl)al sava . . . . . . . . . . . . . . . . 0,05
0,012 0,10
0,036
0,008 0,13
0,003 0,0135
0,8 6,4
о 1
Kiseli
<:
;...
q
:
0,33 : 0,0151 0,0251 0,005 0,47 0,160 0,033 0,025
0,017 0,09
0,003 0,020
0,9 8,2
0,41 0,23
0,022 0,12
0,003 0,031
0,7 9,4
1
0,011 0,13
0,004 0,039
0,5 17,8
1
Ilmenitni
0,015 0,06
0,003 0,050
1,0 4,7
1
Rutilni
1
Rutilni
(/)
> <: о
D
~1 Metalx:э:o
l
jezgro elektrode~....... 0,12 Materi)al sava . . . . . . . . . . . . . . . . 0,05
1
1 Q,020 1 0,026\ 0,018 0,160 0,043 1 0,026
1
Е
~
Meta1no jezgro elektrode........
0,09
0,46 0,24
0,010 1 0,0281 0,008 0,243 0,013 0,034
) MetalJ?-.0 jezgro elektrode..... . . 0,05 ( MaterJ)al sava . . . . . . . . . . . . . . . . 0,05
0,52 0,50
q.,10
1 0,0221
0,31
0,029
l Materija1 sava . . . . . . . . . . . . . . . . 0,07
1
~
>
1
1
р
Rutiln:
<: .....
1
0,016 0,036
1 1 ·-------г-т=-::::-:::::----
i ·111
!
::i:
\::
:i!
.......
:ј,.
,,,, 'lir
r::-..:>
:ii
-.]
l!i, t
~,1.
·:',,,1
.·. ! 1
(
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
128
Oksidni ukljucci (sl. V-9), na primer oksid FeO, narusavaju jedrinu materijala sava i usled toga pogorsavaju sve mehanicke karakteristike. Prikazani rezultati pokazuju da mehanicke osoblne materijala sava, nanetog oksiacetilenskim zavarivanjem, malo zavise od sadrzaja kiseonika
u nj emu, osim u s1ucaj u 1ose regulacij е plamena. N asuprot, pri elektrolucno zavarenim savovima, uticaj kiseonika na mehanicke osoblne је znatno veci, narocito za elektrode sa oksidnom oЫogom (0 2 = 0,15°/о) ili kiselom oblogom, pri malom sadrzaju dezoksidirajucih elemenata (0 2
=
0,10°/о).
11- APSORPCIJA AZOTA U SAVOVIMA Jedan od najvaZnijih hemijskih procesa, koji prati zavarivanje zeleza i njegovih legura jeste r.astvaranje azo·ta u rastopu kojom prilikom se obrazuje nitrid zeleza (Fe4 N). Apsorpcija azota se odrazava jednovremeno na mehanicke osoЬine (povecanje krtosti), na zakaljivost celika i na starenje materijala sava. Prema tome, vazno је poznavati mehanizam i osnovne faktore koji odreduju proces rastvaranja i njihov uticaj na osobine zavarenih spojeva. Azot moze da stupi u reakciju sa zelezom dajuCi nitride kako pri indirektnom dejstvu amonijaka pri nizim temperaturama (500°С do
APSORPCIJA GASOVA U SAVOVIMA
129
600°С) u toku dugog vremena (70 do 100 h), tako i pri neposrednom dejstvu azota na metal pri vrlo visokim temperaturama. Na taj nacin, nitridi (Fe4 N) koji se obrazuju u toku procesa nitriranja celika (N 2 > 3°/о), daju povrsine sa vrlo velikom tvrdocom. Azot se и ovom slucaju pokazuje kao koristan element. S druge strane, vrlo mali sadrzaj azota, karakteristican za ргосеs topljenja (u toku proizvodnje) celika, а takode za procese zavarivanja, smanjuje kapacitet deformacije celika: izduzenje, kontrakciju i udarnu zilavost. U ovom slucaju azot se pokazuje kao stetna, nepozeljna primesa.
Sistem zeiezo-azot Autor је zajedno sa profesorom Portvenom [2] proucavao sistem zelezo-azot za niske koncentracije azota i ustanovili su nesklad izmedu njihovih metalografski zapa.zanja i dijagrama koji је postavio Fry 1923. godine [3]. Ova istrazivanja, zasnovana na termomagnetnim i dilatometrijskim metodama analize, dozvolila su da se postavi dijagram zelezo-azot, prikazan na slici V-10, koji pokazuje da је rastvorljivost azota и zelezu pri sobnim temperaturama vrlo mala (N 2 < 0,001°/о); ona raste brzo sa povisenjem temperature i dostize 0,13°/о pri 590°С.
-······· ....... ·······:s.ooo· .............. .
300
100 0~--~--~--~~--L---~~----------
0,1
2
0,2
з
0,3
4
5
0,4
, 0,5
%
N2
10
Sl. v.:.10 Dijagram stanja zelezo-azot (prema Portvenu i -Seferianu, 1935. god.) 9 Metalurgija zavarivanja
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
130
; Iznad linije AR nalazi se oЬlast austenita, kao rezultat rastvaranja azota, .u y-zelezu, nazvano nitroaustenit; ispod linije AR nalazi se dvofazna oЬiast а + у; ispod linije temperature 590°С postoje dve faze а + у', gde у' predstavlja hemijsko jedinjenje Fe4 N. Napomenimo, da se Kirijeva tacka А 2 zeleza snizava priЬlizno za 20°С (742°С u mesto 765°С); osim toga pri temperaturi oko 480°С otkrili smo Kirijevu tacku koja odgovara nitridu zeleza (Fe4 N). Metalografska analiza uzoraka, zasicenih pri topljenju azotom i termicki obradenih pri razlicitim temperaturama, pokazuje potpunu saglasnost sa novim ravnoteznim dijagramom stanja, prikazanim na sl. V-10. Izucavanje ravnoteze Fe-N2 , preduzeto ponovo 1950. godine od strane V. G. Paranjpea i njegovih saradnika [4], potvrdilo је rezultate autora [2] (sl. V-11).
9001~
,__\ 1'---r-о:.+т
2000~----L-----~----~----~------L---Ф-
0,05
Sl. V-11 -
0,10 0,15 0,20 Sadriaj azota N 2 (% )
0,25
Dijagram stanja zelezo-azot. (Prema Paranjpeu i saradnicima, 1950)
Pune linije: dijagram Portevina Seferiana (1935); Isprekidane linije: opiti Paranjpea
Nitrid zeleza Fe 4 N ima povrsinski centrisanu kubnu resetku (а= = 3,79 А) i pri srednjim uvecanjima (500 do 800) odlikuje se sitnozrnom i iglicastom strukturom (sl. V-12). Pri vecim uvecanjima (1 500 do 2 000)
APSORPCIJA GASOV А U SAVOVIMA
131
nitridi izgledaju kao spljosteni kristali, koji prodiru pod razlicitim ugIQ!Vima u povrsinu izbruska ~sl. V-13 i V-14).
Sl. V -12- и = ·500- Iglicasta struktura :nЊrИа zelee:a Fe4N u osnovi а -ferd.ta
Sl. V-13 - и = 1800 - Iglicasta struktura nitrida zeleza
Dimenzije ovih iglica u stanju bez termicke obrade ровlе livenja iznose nekoliko mikrona i menjaju se pri termickoj obradi. Termicka obrada pri 650°С dovodi do neznatnog porasta dimenzija
""'--""'·~=:".~ :_,. ~~itnda"""~da~n.o.Ezarenfeoo7pl'k~Ш.O~~-= ~~'·со. о~ ~ ~ ОС"""'~~~ОсОО"' .с. с :с~ ... о "='~ y.-...co.-'_~:"->c-:.C-~~-.•:.:._-··:cc-~t-""'.::.·~~'"'"'"""'' •.
•.
doprinosi znatnom porastu iglica koje se tad protezu skoro preko celog zrna ferita (sl. V-14). Nikada nismo primetili koagulacij а iglica ni trida pri termickoj obradi u podrucju tacke А 1 (5]. Eutektoid aFe-Fe 4 N sa koncentracijom azota 2,25°/о, kojeg је А. Fry nazvao Ъraunit, obrazuje se pri temperaturi 590°С. Braunit, slicno perlitu, ima lamelarnu strukturu, ali finiju nego obicni perlit (vidi sl. V-15). Rastvorljivost azota u celiku u za~ visnosti od temperature prikazana је na sl. V-16; za uporedenje na dija- Sl. V-14- и = 1800 - Narastanje gramu је nanesena kriva rastvorljivosti iglice nitrida zeleza, koja se proteze ро celom zrnu ferita. (Iglica је vodonika. nastala zarenjem pri 900°С) Rastvorljivost azota naglo raste pri transformaciji а -+ у; nasuprot vodoniku ova rastvorljivost opada u temperaturnom intervalu 900 do 1 400°С. Teeno zelezo moze da rastvori do· 0,04°/о azota pri temperaturi 1 600°С. 9*
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
132
Sl. V-15 - U = 2 500 - Lamelarna strиktиra braиnita (sol. a-Fe4N) posmatrana и иzorkи dobljenom elektrolиc.nim zavarivanjem golom elektrodom и azotи (N2 = 0,20%)
~--~
--·-· -·
0,003
-;::-30 0'1
-
о
""'
Q
~
<')
-'< ·с
о
о
":»
_,.о
о
·с
с:
о
:----_ IVz u
о
---
·-·v 0,02 о о
z
с: ф
u
."
u
~
15
...
о
ф
0,001
-
.Е
о
·-
z
с:
1
о
.g_ u
-
ооз~
25
о 20 N
о
о
Е
u
о
с:
о
о
:»
~
о 'N
....
"
о
V)
1600
1800
0
Тemperaturo ( С)
Sl. V-16 - Rastvorljivost a:zota ·и zelezи и fиnkciji temperatиre. Radi иporedenja prikazan.a је kriva rastvorljivosti vodonika
APSORPCIJA GASOVA U SAVOVIMA
133
Moze se zakljuciti da је azot и gasovitom stanju vrlo malo rastvorljiv u materijalu sava; njegovo komblnovanje sa zelezom i drugim elementima је poglavito u vidu nitrida. А)
Postupak oksiacetilenskog zavarivanja
Da Ьi se pokazao uticaj okolne sredine na apsorpciju azota u procesu gasnog zavarivanja, Ьila su preduzeta razlicita ispitivanja. Као dodatni materijal pri oksiacetilenskom zavarivanju upotreЬljena је zica iz Armco- zeleza sa malim sadrzaj em azota. Zavarivanja su izvrsena: "normalnim" oksiacetilenskim plamenom pri а= 1,2; - "normalnim'' oksiacetilenskim plamenom (а = 1,2) okruzenim razlicitim gasovima (Н 2 , N 2 , NH3 ) [5]. Rezultati ovih ispitivanja prikazani su u
taЬlici
V-5.
TABLICA V-5 Sadrzaj N2
Uslovi zavarivanja oksiacetilinskim plamenom [5]
Strukture
(%) Zavarivanje no.rmalnim Zavarivanje Iimova
oksiacetilenskim~plamenom~H--~ -~0,02--
deЬljine
8 mm
Zavarivenje p1amenom ok.ruzenim
Н2
Zavarivanje plamenom okruzenim N 2 Zavarivanje plamenom okruzenim NH 3 Zavarivanje limova
deЬljine
Materija] prethodnog od sava (х) (х)
0,02
{ { {
8 mm okruzenih NH 3
spoja
к~upnozl'ni--fer-it---~·-;-- ---~~
Krupnozrni ferit
0,01 0,02
}Nckoliko-· izolovanih kris-
0,03 0,07
JNekoliko iglica Fe4 N
0,07 0,08
}Ferit
+
Fe,N
0,05
Ferit
+
Fe4 N
tala Fe 4N
na'"' rastojanju 10 mm 1 "
U zoni z.grevanja osnovnog materijala zapazena
је
apsorpcija azota
Rezultati ispitivanja, prikazani u taЬlici V-5 pokazuju, da savovi niskougljenicnog celika, zavareni oksiacetilenskim plamenom, apsorbuju vrlo malu kolicinu azota (N2 = 0,020°/о). Na taj nacin, uticaj ovog gasa na mehanicke osoblne zavarenih spojeva, izvrsenih oksiacetilenskiш plamenom, је sasviш neznatan. Ovaj sadrzaj azota treba ipak da utice na staranje materijala sava.
--·--·------f;·
·;!
·,
'·1·
,_·--' ' l·-·._ ['
.'
'
1'
!' !Ј
МETALURGIJA
134
'/
ZAVARIVANJA CELIKA
!
В)
Na faktori: а)
Postupak elektrolucnog zavarivanja
apsorpsijи
azota pri
karakteristike i vrsta
elektrolиc.nom zavarivanjи
[5]
иtiси
s1edeci
strиje;
Ь) deЬljine oЬloge; с)
ij 1
;J :_·-~
, i1 !
1._L
_
priroda okoine sredine pri zavarivanjи golim elektrodama; d) vrsta ј ezgra elektrode; е) tip oЬloge. а) Karakteristike i vrsta struje. N aizmenicna struj а, ро svoj prilici olaksava apsorpcijи azota. Uticaj intenziteta strиje nije precizno ustanovljen; izgleda, medиtim, da on nije veliki. Nasиprot, napon struje ima vrlo presиdan иticaj na apsorpcijи azota· и tecnom metalи. Apsorpcija azota raste sa povecanjem dиzine lиka. Ovo povisenje napona moze Ьiti izazvano povecanjem dиzine lиka и procesи zavarivanja. Sa promenom dиzine lиka od 2 na 7 mm, sto izaziva povisenje napona sa 18 na 30 V, pri zavarivanjи go1im elektrodama doЬili smo povisenje sadrzaja azota и materijalu sava od 0,15 do 0,20°/о. Ь) Uticaj deЫjine оЫоgе. Ako se svi drиgi faktori odrzavajи konstantnim, za jedan te isti tip oЬloge apsorpcija azota u rastopljenom metalu zavisi od deЬljine oЬloge. Elektrolиcno zavarivanje elektrodama sa kiselom - "neиtralnom" - oЬlogom (tj. bez dezoksidirajиcih i denitrirajиcih elemenata) rastиce deЬljine, dozvolilo је da se odredi ,promena sadrzaja azota и fиnkciji deЬljine oЬloge (s1. V-17). Za оvи vrstи oЬloge k?~centracija _azota ~~~~-~_al~- sava se mo~e_!_~~~ji!i _do _O,Oi~!> p_Ij.__________ _
f,~т!'"'4-"~"'•~:~-=~"""=-~~~~~::zj?'=•==---cJ~~"'~·•·""''~~ -,~,,-,,,~-с:::•."~""~'""""~~?"-"<·~-=~=-'""- =·"''""'~-~,-~--" ~~·"с~~------ ~
!
i
-_ --·- = -, --
"'~-+,-о.--="' "'·==С==,-----------,- --,, =---· .-.- --~------,- ,,_,_,
N2 (%) 0,20
0,15
0,10
..
~
\\
(fe) и zavl•nosti od deЬ/jine оЬ/оgе
Krlva П: op•orpclja o:rota u zavlsno•tl od odno•a
s:;s
\
~
1 1
III \
0,05
Krlva Ј; opsorpclja azota и ra•topljenom metalи
......
к
-->
-
---- - ------(т т)
о
0,5
1,0
2,0
2,5
S'l_S
1,0
1,5
0,5
о
Sl. V-17 -
1,5
Uticaj
deЬljine oЬloga
na apsorpciju azota
с) Uticaj okolne sredine. Paralelno sa ispitivanjem topljenja oksi- · acetilenskim plamenom izvrseno је ispitivanje иzoraka zavarenih elektro-
APSORPCIJA GASOVA U SAVOVIMA
lиcnim zavarivanjem и razlicitim gasnim vodonikи.
golim elektrodama iz Armco-zeleza precnika 4 mm sredinama: vazdиhи, cistom azotи, amonijakи i
Uzorci rastopljenog metala bili sи podvrgnиti metalografskom ispitivanjи, а takode i hemijskoj analizi na sadrzaj azota. Rezиltati ovih ispitivanja prikazani sи и tablici V-6. TABLICA V-6 Elektrolucno zavarivanje и sredinama razlicitih gasova Vazduh, kratki 1uk (2mrn) ............... . Vazduh, srednja duzina luka (4 do 5mm) ... . Vazduh, dugi luk (6 do 8mm) ........... . Cist azot, kratki luk ..................... . Amonijak, kratki luk ................... . Cist vodonik ........................... .
Sadrzaj N 2 (%) 0,15 0,17 0,19 0,16 0,12 0,010
do do do do do do
0,16 0,18 0,20 0,17 0,13 0,015
Struktura Fe 4N Fe4N Fe4N F e4N Fe4N Ferit
+ braunit + braunit + braunit + braunit + ferit
d) Uticaj vrste jezgra elektrode. Ranije је vec Ьilo pokazano da оЪ1r loga elektrode ispиnjava razlicite fиnkcije и metalиr_giji procesa zava[' rivanja, а posebno, da obezb-edиje deioksidacijи.. i denitriranj€ rastopa. ~~r Denitriranje materijala sava se moze oЪezbediti sledecim faktorima: ~, ------=~__,j...".zhornom odgovaraj иce-ws.te-j_ezgra_elektrodeт--tj.-legirajucih..ele~-- - 1 -"""--""'·~~--~- iпen·a~e-reК'tYodnoГ-zie~~,-~=.-==~~co~-- --- · ~ · -о.-·о ---о--~-~-------~ --=-==?=~"'-~~-=ео=--~у izborom vrste oЬloge, koja stiti rastop Ьilo razvijanjem gasne atmosfere, bilo obrazovanjem metalиrskih troski; - izborom deЬljine oЬloge. Izborom deЬljine oЬloge moze se samo· delimicno ostvariti zastita tecnog metala od azota, ЬиdиСi da је potrebno neznatno povecanje debljine oЬloge, da Ьi se obezbedila donja granica koncentacije azota za dati sastav oЬloge. Aиtor је и zajednici sa profesorom Portvenom ispitivao metalna jezgra elektrode iz razlicitih celika, koji sи pored иo·bicajenih elemenata, kao sto sи иgljenik, mangan i silicijиm sadrzavali i drиge legirajиce elemente [6]. Dijagram na sl. V-18 prikazиje иticaj razlicitih legirajиcih elemenata na apsorpcijи azota и celikи. -
е) Uticaj tipa oЬloge. Prisиstvo denitrirajиcih elemenata и oЬlozi elektrode doprinosi smanjenjи sadrzaja azota и rastopи posto nitridi metala vecim delom prelaze u troskи. . Oksidne oЬloge tipa FeO-SiO stite rastop bez hemijske reakcije komponenata sa azotom; и tom slисаји denitriranje zavisi iskljиCivo od debljine zastitne troske, tj. od deЬljine oЬloge. Uticaj mangana na promenи koncentracije azota и materijalи sava и zavisnosti od deЬljine oЬloge prikazan је na dijagramи sa slike V-19.
i: i: 1
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
136
Al ··-·········-· Cr-·----
0,40
Mo•••••••• .. lr·-··-··U ·-· -----.
"""'0,35
s, ...
~
Mn
.......
+ •.•. .;.
-"' 0,30
с
~
hromnl cellk moi/Ьdeмk• ce/ik legiran crr.onijuml)m
ёel;k.
''
11
uranom
fl
11
silicijumorn-
mongonsl
V-·-·-·-·· Ti -·-·- - · ..................
;:)
Celift logiFon oluminijumom
c~tilr
tf
legiran vanodi,umom Н titonom
ug/jenicni
celik
•u ;:)
r\1
z
0,25
о
о
...
о
0,20 -~-·-
о
.......
1
'"tJ
!
о V)
!,
.............
t.
O,tOf
1
t
1
! '1
-·-·--
0,09 1
о
1 0.5
о
1•
1 2
1 115
.
215
з
3.5
4
C,Mn,S/1 lr, V. U 1 Ti
1 1 1
о
1
5 А/,
10 Cr. Мо
15
20
Leglrajucl elementl u ce/Jku (%)
Sl. -V-18 -
Uticaj razliCitih Iegirajucih elemenata na apsorpsiju azota u celiku.
-:·:-:-::~:::-,-с·:.-
-
-
Sl. V-19 Uticaj mangana i deЬljine oЬloge na apsorpciju azota u materijalu sava, nanetom elektroluёnim zavarivanjem
Iz sl. V-19 se vidi, da minimalna koncentracija azota u savu pri
z,~vaciva!)jц elektrodama bez mangana u oЬiozi ( ~ = 0,5) iznosi 0,05°/о N U metalu,
2•
nanetom golom elektrodnom zicom koncentracija azota
APSORPCIJA GASOVA U SAVOVIMA
137
iznosi 0,16°/о. Zavarivanje golom elektrodnom zicom sa povisenim sadrzajem mangana dovodi do smanjenja sadrzaja vezanog azota do 0,07°/о; prema tome uticaj mangana iz metalnog jezgra elektrode је od sustinskog znacaja za smanjenje sadrzaja azota u materijalu sava. Jednovremeni uticaj tipa materijala jezgra elektrode i deЬljine oЬloge dozvoljava da se smanji sadrzaj azota u materijalu sava do· 0,020°/о. Slican dijagram је autor izradio [6] za prikazivanje uticaja hroma na sadrzaj azota u materijalu sava koji, kao sto је poznato, vezuje azot u velikim kolicinama (N2 = 0,50°/о), vidi sliku V-20. o.so N2(%)
l
0,40
0.30
Sl. V-20 -
Uticaj hroma i deЬljine oЬloge na apsorpciju azota и materijalu sava
U tablici V-7 dati su srednji sadrzaji azota u materijalu sava izradenom elektrodama sa oЫogama razlicitog tipa. Kako neki elementi, kao sto su titan i hrom, pokazuju veCi afinitet prema azotu (obrazuju nitride, koji zatim prelaze u trosku), to bi legiranje ovim elementima Ьilo sredstvo za sprecavanje rastvaranja azota u materijalu sava. Drugi nacin za odstranjivanje azota Ьiо bi reakcija vodonika sa nitridom zeleza, kao sto је to· slucaj pri zavarivanju elektrodama sa celuloznom oЬlogom.
1. Uticaj azota
па
mehanicke
osoЬine
celika
Azot bitno menja mehanicke osoblne [5- 7] celika. Sa povecanjem sadrzaja azota u celiku zatezna jacina i gram.ica razvlacenja rastu а osoblne koje odreduju kapacitet deformacije (izduzenje, kontrakcija i udarna zilavost) brzo opadaju.
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
138
TABLICA V-7
Elektrode precnika 4 mm 1-DeЬijina--jsct N а rza) v.
Materijal jezgra elektrode
l
Tip
oЬloge
oЬloge
u
:
mm
1
.. 1u u ma t епЈа sava u % 2
1
Niskoug!jenicni Niskougljenicni Niskougljenicni Niskougljenicni Niskougljenicni Austenitni celik А ustenitni celik F eritni celik sa
celik С= 0,10% celik С= 0,10% celik С = 0,10% celik С = 0,10% celik С= 0,10% 18 Cr - 8 Ni - З 18 Cr - 8 Ni - З 1З% Cr
1 1
' '
Мо
1
Oksidni Kiseli Celulozni Rutilni Bazicni Rutilni
1
Мо ј 1
Bazicni Bazicni
0,035 0,027 0,016 0,020 0,015 О 060 0,055 0,030
1,96 1,96 1,82 2,25 2,43 2 25 2,40 2,20
i 1 1
ll_
_
do do do do do do do do
0,040 0,030 0,020 0,025 0,018 О 075 0,065 0,040
1
Dijagram na sl. V-21 pokazuje opstu teпdeciju promena ovih osoblna.
5Q·
-~'
--- 20
- - - - - -:-----~----
,_~,-""-= /~~" '"'""~С''-'"""-~'"С:с-'5"" ~-~~=се·":----_--:-~~-
/
/
'"'
N
--е---~-~----~---~---
----- ----~-~-- -- -----
Ј$'=~се •'с=-ос~· -~~·~•='''
Е
/
Q
~
~
/
/
...
10~-
,
0
/ 1'
/
--·-. ~%
20
0,05
о,ю
·-·---·-
0,15
5
0,20
Nг(%)
Sl. V-21 -
Uticaj azota na mehanicke osoblne niskougljenicnog celtka
2. Uticaj termicke obrade
па
f
strukturu metala
Razmatranje dijagrama stanje zelezo-azot (sl. V-10) pokazuje, da legure ovog sistema, slicno ugljenicnim celicima, trpe alotropske pro-
---------
-
------------------
г
APSORPCIJ А GASOV А U SA VOVIMA
i
139
mene pri presecanju linija transformacije. Termicka obrada uzoraka sa rastucim sadrzajima azota dozvolila је, s jedne strane da se proveri dijagram zelezo-ugljenik, dobijen pomocu termofizickih metoda, а s druge strane da se ustanove eventualni novi sastojci koji se mogu javiti.
a)Karakteristika uzoraka sa sadrzajem azota vecim od 0,14°/о. U zarenom stanju ovi uzorci imaju dva strukturna sastojka: nitrid zeleza Fe4 N i braunit. Duzina kristala nitrida, koja posle oblcnog zarenja iznosi oko 15 р, moze da se poveca sa brojem zarenja i trajanjem zadrzavanja pri zarenju (sl. V-14). Uzorci zakaljeni sa temperature nesto ispod 590°С, imaju te iste strukturne sastojke zarenja. Zapaza se medutim delimicno rastvaranje nitrida Fe4 N u а- rastvoru. Kaljenje uzoraka, izvrseno sa visih temperatura, 'tj. sa temperature dvofazne oЬlasti а + у dovodi do iscezavanja braunita i "listica" nitrida. Za uzorke, zakaljeпje sa niZih temperatura (oko 600°С), kolicina у- rastvora u srukturi је vrlo mala, ра se stoga on vrlo tesko otkriva. Povisenje temperature kaljenja u toj oЬlasti dovodi do povecanja re1ativne koliCine austenita; u tom slucaju dobljena struktura kaljenja prikazana је na s1. V-22. Osnova se sastoji od y-zeleza, dok se ро granicama zrna ·a-zeleza javlj а iglicasti strukturni sastoj ak martenzitnog tipa. Medunarodni koнgres za zavarivanje, odrzan u Londonu (juna 1936), turu naZI.v najuglednijih francuskih oblasti metalurgije. Kaljenje ovih proba (N 2 > 0,140°/о) sa temperatura iznad А::~ dovodi do rastvaranj а azota u у- zelezu i, prema tome, do pojave jednofazne strukture Sl. V-22 ~ U = 1000 (nagrizano Nicvrstog rastvora austeni tnog tipa (sl. talom) - Dvofaz:na (а +у) strukV-23) koju је autor nazvao nitroaustetura portvenita u savu, doblvenom nit, da Ьi ga razlikovali od cvrstog ragolom elektrodom (N2 =О ,160/о), stvora ugljenika u у- zelezu. Na taj posle kaljenja sa temperature nacin celik, koji sadrzi azot i zakalj en 830°С sa temperature 900°С, ima u strukturi nitroaustenit. Odatle proizilazi, da zakaljivost ceYka koji sadrZi azot znatno raste. Ь)
Kaljenje uzoraka sa sadrzajem azota manjim od 0,14°/о. U ovom slucaju pri kaljenju uzoraka u temperaturnom intervalu izmedu 500°С i 750-800°С (u zavisnosti od koncentracije azota) moze se doblti potpuno rastvaranje azota u a-zelezu. Ova obrada dovodi do obrazovanja samo jednofazne strukture cvrstog ras·tvora nazvanog a-nitrof~rit (sl. V-24).
.1
, li
METALURGI.JA ZAVARIVAN.JA CELIKA
140
Kaljenje sa temperature А:{ i vise (900°С) dovodi do obrazovanja cvrstog rastvora nitroaustenita, koji smo gore razmotrili.
Sl. V-24- и= 1000 (nagrizano Nitalom) - Struktura "nitroferita", doЬ.ijena ь,rzim hladenjem sava, doblvenog oksidnom elektrodom (N2 = 0,048%). Nagriza:nje Nitalom otkriva tragove korozije
Sl. V-23- и= 1000 (nagrizano Nitalom) - Јednofazna - struktura y-"nitroaustenita" и savu, doblvenom golom elektrodom (N2 = 0,16°/о), posle kaljenja sa temperature 900°С. i
1
3. Uticaj termicke obrade
па
mehanicke
osoЬine
1f1~~~-~w.~~;'~~~~;:;-~~~Д~~!tt,!;!;t;~t'дi":'Чe~!";o;~JЊ\!!!2;.:~~~~~.;:::.~ 1
ј
Г
Nitrid zeleza ima tvrdocu, Ьlisku tvrdoci cementita (700 do 800 НВ). Odatle proizilazi, da braunit ima tvrdocu priЬlizno jednaku t'{rdo.ci perlita
1
1
t
1
""'
:1
Fe 4 N
~
, ~~' .. 1 ) .. ":"_........ -
1
, '
140
о
·u
,
о
\)
,_~
120
,
,,
, , ,, , , ,
100
+ braumt 1 6аоос)
·1
160
CQ ::r:
1
fe 4 N
,•
,
v~·
,,
,"
, .,,
" ,"
$"'
,
.....
~,
. -· , . --·
1
"
1
....------ -------
--0,04
--~(
0.08
1
Ј
( :areno]
-·1
0,12 1
Sadriaj azota N 2
0,16 (
0,20
%)
Sl. V-25 __:: Uticaj termicke obrade na mehanicke karakteristike (tvrdoca) .niskougljenicnog sа\Та, doblvenog elektrolucnim zavarivanjem, sa povisenim sadrzajem azota (prema Seferianu)
APSORPCIJA GASOVA U SAVOYIMA
141
kod oblcnih ugljenicnih celika. u zarenom stanju tvrdoca nitriranih celika zavisi od sadrzaja azota, na primer, ako tvrdoca cistog Armco-zeleza iznosi 85 НВ, onda se tvrdoca Armco-zeleza sa 0,16°/о azota povisava do 105 нв. нв
r Sl. V-26 - Promena tvrdoce kao rezultat strukturnog otvrdnjavanja, izazvanog kaljenjem sa temperature 610°С ("nitroferit")
,.
+
~"·"~,~=~~~a:~~:~~rc~=~~~~~.~~~~:~. . ;~~~-·JJ kaljenja na mehanicke osobine celika, koje su u ovom slucaju izrazene preko tvrdoce. Krive sa dijagrama na sl. V-25 graficki prikazuju rezultate kaljenja i na osnovu nj ih se moze doCi do zakljucaka da је portvenit tvrdi od nitroaustenita (uporediti krive III i IV). Lako је zakljuciti, da tvrdoca u·dvofaznoj oЬlasti treba da raste sa povecanj em sadrzaja а- faze. па dispresiono otvrdnjavanje (starenje) [5-8]
4. Uticaj azota
Pojava starenja bila је izucavana putem odredivanja mikrotvrdoce. Ispitivanja su vrsena neposredno posle kalj enj а i u tacno odredenim vremenskim intervalima posle kaljenja. Autor је dobijene rezultate [5] graficki predstavio u vidu · prostorne zavisnosti НВ = f (N'2 °/о, t) za razlicite temperature kaljenja (sl. V-26).
Sl. V-27 - U = 1500- IzluCivanje sitnih nitrida ро granicama zrna .,nitroferita". Kaljenje sa 800°С (N2
=
0,18°/о)
·
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
142
Fenomen starenja је objasnjen izluCivanjem fino razprsenih strukturnih sastojaka, stvorenih od legirajucih elemenata (sl. V-27). Uticaj starenja na udarnu zilavost Ьiо је takode izucavan na uzorcima sa promenljivim sadrzajem azota kaljenim sa teщperature 610°С. Krtost brzo raste sa uvecanjem koncentracije azota i napredovanjem procesa starenja. Ovaj fenomen је jedan od uzroka krtosti zavarenih spojeva, а isto tako i celika koji sadrze azot, kod kojih se kaljenjem olaksava rastvaranje nitrida zeleza. 1
III -
1
1'
APSORPCIJA VODONIKA U SAVOVIMA
Vodonik se u toku zavarivanja, slicno kiseoniku i azotu, apsorbuje u celiku. Materijal sava, izvrsen oksiacetilenskim zavarivanjem, sadrzi prakticno neznatne kolicine vodonika (2 do 3 cm3 na 100 g metala). Nasuprot, koncentracija vodonika.u materijalu sava, iz.vrsenom elektrolucnim zavarivanjem, mnogo је veca i u zavisnosti od tipa obloge elektrode moze da dostigne granicu rastvorljivosti ovog gasa u tecnom metalu (28 cm 3 na 100 g metala). Vodonik је uzrok vise pojava od kojih su neke nedopustive, kao sto је to slucaj sa prslinama ispod zavara. Vodonik moze isto tako da bude uzrok mehurova u materijalu sava i takozvanih "riЬljih oCiju".
1
11 ' f " 1 ,r
/!
Sistem ze1ezo-vodonik ~--
• i_
i
-. -- """"-"-' .-:7·--;;_- • •.•_ ·=-:---~·-=
'
ј
1
11 11
!!
i
1
'1' '·' ј i
i
1
: 1
1
i '
!! 1 i
•!
i
l ј
~~~~~~~-:.;.::::;:::::':":.:-:'::;;~::;.::-.':-~:.; ;-~~~.~~~~- :...,_ ~:""__:".:;._;;-_~,-:::_·о:~::~:-~:-:::.=::..~;ос~~~~"-~ ~-:=-:~::::::-~::_~_;_-·-.о::.·::-_--~"--~:::::.:- 7~'--~--~=--.=:,---:;;;-- ?-.::::..:::-. ~-:::::::-~':.:---=::_------:.::--·:' .::· :_:'='·::_~.:-- --
===~==~~~Pretp·o-:-stavlja
.-
ј,~
-s-e -dase--v(),donik
u zelezu ili celiku nalazi uglavnom
u tri modifikacije: - u moiekularnom н') stanju kao medukristalitni gasni ukljucci, cesto pod visokim pritiskom. Verovatno је takode, da molekularni vodonik obrazuje mehurove zajedno sa СН4 i Н 2 0; u molekularnom н2 ili atomnom н stanju kao ukljucci ро granicama celija mozaicke strukture (Sodron)*; - u a~9mnom н ili jonizovanom н+ stanju (ili u vidu protona) u medЦprostorima kristalne resetke zeleza. Prva znacajna osoЪina vodonika ogleda se u njegovoj sposobnosti da lako difunduje u kristalnu resetku zeleza cak i pri sohnim temperaturama. "Difuzijni" vodonik odgovara onom delu krive D = f (t), koja karakterise rastvaranje vodonika u metalu pri lюпstantnoj temperaturi u zavisnosti od vremena (sl. V-28). .". Ocigledno је, da se vodonik moze uvuCi u resetku zeieza samo u atomnom н stanju ili u vidu protona н+, cije su dimeпzije znatno manje od meduatomskog rastojanja u kristalnoj resetki zeleza. Brzina difuzije vodoпika је znatno manja u martenzitnoj strukturi nego u perlitnoj strukturi. Prisustvo legirajucih elemenata u cistom zele-
*
Chaudron
APSORPCIJA GASOVA U SAVOVIMA
143
zu usporava oslobadanje vodonika, а posebno se umanjuje propustljivost zeleza prema vodoniku u prisustvu hroma i silicijuma, koji lako ulaze u cvrsti rastvor ferita. Vodonik se prvenstveno nagomilava ро granicama mikroЬlokova mozaicne strukture, izazivajuci u ovim tackama vrlo visoka naprezanja. Izucavanje stanja ravnoteze ,..... vodonika moze se svesti na izuca...01 vanje disocijacije molekula н2 Q prema reakciji: "'
о
Е
Н 2 :(:= 2Н-
u ......
102 700 cal/mol (1)
Fisija 1/2 mola Н.~ na atomni vodonik propracena ј е toplotnim efektom, jednakim 51 350 cal/mol. Termodinamicka konstanta ravnoteze (1) ove reakcije se pise:
К1 = .;PI'i)
(2)
~ Рн,
gde
Т=
Vreme
је:
рн parcijalni atomnog vodonika;
Рн.
-
const
Sl. V-28- Difиzija vodonika, rastvorenog и celikи, и fиnkciji vremena zadrzavanja pri konstantnoj temperatиri
pritisak
parcij alni pritisak molekularnog vodonika.
~;:,-·~-·~.-:.:c~cg:C>t~'~~~~~wr~li:r1i~k*~~~~~~[a~~~~;&€:;;tz1~~~r~6;;~~~f~~fr~l~~:~.--··--~··-~.~-кl =[Н%] Јfрн,
odakle
је
[Н%]
= к1 V.Рн;
(З)
(zakon kvadratnog korena Siverts-a), sa К1 =
275 · 10-8 0
Т-
175,5 · 10-5
gde је Т - temperatura u С. Jednacina (3) dozvoljava da se izracuna zapremina vodonika (u cm 3/100 g) rastvorenog u metalu pri razlicitim temperaturama u zavisnosti od parcijalnog pritiska рн, (taЬlica V-8). Krive sa slike V-29 prikazuju rastvorljivost vodonika (u cm3/100 g) u cvrstom ili tecnom zelezu. Као sto se vidi, skokovitost u rastvorljivosti vodonika nastaje usled alotropskih preoЪrazaja zeleza, jer у- zelezo rastvara znatno vise vodonika nego а- zelezo ili о- zelezo. Kriva П na slici V-29 predstavlja najnovije vrednosti Sivertsa* za rastvorljivost vodonika u у- zelezo. Graniena rastvorljivost vodonika u cvrstom zelezu .pri 1530°С iznosi 8 cm 3/100 g ili 0,0007°/о. Prelaz metala iz cvrstog u tecno stanje * Sieverts
144
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
dovodi do znatnog povecanja rastvorljivosti vodonika u metalu, koje dostize 28 cm3/100 g ili 0,0025°/1}, StO takode odgovara racunskim vrednostima za sadrzaj vodonika u tecnom zelezu, navedenim u tablici V-8. Vidi se 10 9
..
"""'018
~ 57 ...... 1")
:::1
......
....
~
о.
Љ6
о
ф
:::1
.. с:
"'uЕ
5
ф
о
~
..."' о
4 1----+---+----1'---+---+--"L----t--+----+---+-----1
TECNO lEiEZC
'-
vrednostl:
38
о А
Slevertsa Llanga i f!evera
->< с: о
з
-о о
зо
:>
28
24 2:? O L - _ J ___- L_ _- J____~-~--~~~L---~---L--~-L~~--~~20
500
600
700
800
900
1000
1200
1300
Т emperatura ( 0 С)
Sl. V-29 -
Promena rastvorljivosti vodonika u cvrstom i tecnom zelezu
dobro slaganje medu eksperimentalnim i racunskim vrednostima V -8, pri р н, = 1 atm).
(taЬlica
TABLICA V-8 ---
Рн. и
Temperatиra
--
atm
---
и ос
0,2
-0,4
1
0,6
0,8
1,0
24,30 25,60 27,95 29,40 31,80 35,00 37,70
27,20 28,60 31,20 32,80 35,40 38,90 42,00
1
1530 1 600 1650 1700 1 800 1 900 2000
1
11,70 12,35 13,50 14,20 15,70 16,80 18,20
17,10 18,20 19,70 20,70 22,38 24,60 26,50
1
1 1
20,90 22,00 24,00 25,00 27,30 30,10 32,40
1
1
APSORPCIJA GASOVA U SAVOVIMA
145
Ako se oznaci.kao "potencijalni vodonik" (Нр) vodonik, koji se sadгZi u proizvodima oЬloge u vidu vlage ili kristalizacione vode, onda је ,prema Riv-u i Slomon-u* [9] konce,ntracija vodonika u savu priЬlizno proporcionalna potencij alnom vodoniku: Н= а· Нр
gde а zavisi od parametara zavarivanja, tj. od brzine hladenja, precnika elektroda, intenziteta цpotrebljene struje, oЬlika epruvete itd. Prema istim autorima, vrednosti za sadrzaj vodonika sracunate prema datom oiЬrascu mogu se smatrati kao pokazatelji dosta Ьliski eks.perimentalnim vrednostima. Na sistem Fe-H utice prisustvo oksida (FeO, MnO) u metalu, а takode ugljeг...ika i legirajucih elemenata. Za jednu istu temperaturu, povecanje sadrzaja oksida zeleza dovodi do proporcionalnog smanjenja rastvorljivosti vodonika u rrietalu. Riv [9] izrazava ovaj uticaj oksida zeleza jednostavnom vezom izmedu sadrzaja oksida zeleza FeO i difundovanog vodonika Hn [FeO] · Hn А)
=
0,18
OdrediV;anje vodonika u elektro1ucno zavarenim savovima
c::~~-"ec"""'~e:c~~ar~auje"~l;)'o§t{F"se""'O.na"'merij а :u'-''"Zavisnosti···ђd с vremenap."U.'
stvari··.,. · zc,"•.,"., se izdvaja za vreme celog perioda ocvrscivanja materijala sava, а isto tako i pri sobnoj temperaturi; ravnotezno stanje se dostize tek posle dosta dugog vremena. Difuzija vodonika је utoliko sporija, ukoliko је temperatura niza; izdvajanje vodonika se moze zaustaviti ako se uzorak ulozi u cvrstu ugljenu kiselinu ("suvi led"). Na sl. V-30 prikazane su vrednosti Fianigan-a [10] za ko:licinu izdvojenog vodonika iz materijala sava, nanetog elektrodama Ъazicnog tipa, u zavisnosti od temperature zagrevanja uzoraka posle dostizanja ravnoteze pri sobnoj temperaturi. Vidi se, da se proces izdvajanja vodonika pri 20°С odvija relativno sporo: za izdvajanje 20°/о zaostalog vodonika potrebno је 4 000 h. S druge strane, pri 620°С izdvajanje vodonika se izvrsi za nekoliko casova. Odredivanje ukupnog vodonika u metalu moze se izvrsiti na vise nacina:
1. Ekstrakcijom svih gasova iz rastopljenog celika а zatim volumetrijskim odredivanjem vodonika iz smese razlicitih gasova klasicnim metodama. 2. Ekstrakcijom jedino vodonika u vakuumu pri 600°С i volumetrijskim odredivanjem. Interesantno је poznavati kolicinu izdvojenog vodonika iz materijala sava pri sobnoj temperaturi. Iz ovog razloga, vrsi se odredivanje vodonika pri temperaturama 20°С ili 45°С (metode ASTM i ISO), а zatim se pris-
* Reeve
i Slomon
1О Metalurgija zavarivanja
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
146 tира
odredivanju
иkиpnog
vodonika ekstrakcijom
и vаkииmи
pri tempe-
ratиri 600°С.
Mnogobrojni faktori mo·gи иticati na tacnost odredivanja sadriaja vodonika и materijalи sava: oblik i materijal e,pruveta kao i иslovi njihove pripreme. Americko drиstvo za ispitivanje materijala* - (ASTM) [11], и svo·m predlogи za иnifikaciju metoda odredivanja vodonika и elektrolиcno zavarenim savovima, predlaze eprиvetи koja је izradena iz materijala nava'"'
.§.~4+---~~~=-~~~--------~--------~~-=----~ \ "'u .... \\ Е
~ 3+-~--~----~.----~------~~~------~------~
>t . -~
'
o+o-=-=;.'--....::::::-..-==Jt=o:::::...-....:....::=---410-о-----fooo+--.:.__--~-1-?_ooo~______·_·--=--~ ,;ј _ .:::_~~~~~С:,сс.:·:С-ео.:ссС"~-,::с=с.;·.о;с ::~се ---- -.i·oc. ·-с--=~::с 'с'С§'~·;:~=: :;:__~УL~~.~с,_(g_я~)~;:"С:Сё~.-'с--'- :•,•·}'-е,~- ":· -~·'-ie":T":=.-~~_;:c-c.: • ·с_с:: :0' .со, _, __-, :С:·"'"'"!'С'С:"'сс':-:--~::·, ::е::.;со:•.-. :_·:с-. ,,:;:.;t· ,:~ 0
Sl. V -30 - Uticaj naknadne termicke obrade na sadrzaj vodonika и materijalu sava doblvenog elektrolucnim zavarivanjem (prema Flanigan-u)
ra izvrsenog и tokи 27 sekиndi na limи deЬljine 12 mm. Posle cekanja od 30 sec eprиveta se иroni и vodu za vreme od 120 sec, а zatim se oCisti i odmah иnese pod zvono sa glicerinom pri temperaturi 45°С. Predlogom Medunarodne organizacije za standardizacijи (ISO) predvida se isti tip eprиvete, za cije zavarivanje se mora upotreblti elektroda precnika 4 mm pri intenzitetи struje 180 + 5 А. Predlozeno је da duzina navara bude 1ОО mm.
Sloman, Runi i Sofild** [1] ise~ali su epruvete iz viseslojnog velikog navara, tezine 600 g i dиzine 150 mm. Nasцprot njima, Mallett [12] upotreЬljava jednoslojni navar dиZine 50 mm. Nedavno је А. Ru*** [13] ispitivao иticaj tehnologije navarivanja epruveta na sadrzaj vodonika u njima i иstanovio је, pri kojim uslovima se mogи doblti reprodиktiЬilni rezиltati.
* American Society ** Sloman, Rooney i *** Roux
of Testing Materials. Schofield
APSORPCI.ТA
GASOVA U SAVOVIMA
147
Na osnovu opita Rua [13] mogu se izvuci sledeci zakljucci: Ako epruveta ukljucuje izvesnu kolicinu rastopljenog osnovnog ma terijala, tada sadrzaj vodonika treba racunati vodeci racuna о tezini ras topljenog osnovnog materijala. Ako se zanemari deo osnovnog materijala koji је Ьiо rastopljen u procesu zavarivanja, moze se do·Ьiti vrlo visoka vrednost za sadrzaj vodonika. Ucinjena greska је utoEko veca, ukoliko је kolicina metala koja potice od topljenja elektrode, man]a. Moguce је naneti veci broj navara jedan preko drugog, а da pri tom ne dode do promene sadrzaja vodonika u rastopljenom. metalu. Ova mo gucnost dozvoljava laku pripremu epruvete iz s:amo rastopljenog dodat nog materijala, sto otklanja teskoce, · koje nas:taju pri odredivanju rastop ljene kolicine osnovnog materijala. Brzina zavarivanja ima velikog uticaja na sadrzaj vodonika u materijalu sava. Prema tome, neophodno је, ako· se zele doblti uporedljivi rezultati, izvrsiti navarivanje epruveta u istovetnim uslovima.
TABLICA V-9 (1 cm3/100 g Tip oЬloge elektrode
-·.
Х
8,96
10-5 0 /о tezinskih
Н2 ) Нт
Autori
С%
tezinski)
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -------------
~:"'I~~i,i~~,c~~Ge1u10zni"=""б01д"'::;c;.;;.~'O;~~~"~~i: ~",~allett'c"''§'=: "''" l.Sj§"' .;с'"":":1:;7~ ~ =о:.::•~11;,0 с:···-т, со:.О,ОО 1"5"•,;-'~":,;."_,,,"-'- _--!:i::---"-~--:"'___""'-"·t-~.-'--~-..,,."-;.:c' 1
Кiseli
б020
Bazicni
б015
Bazicni
б015
9
•••••••
Bazicni
б015
•
•
•
Celulozni
6010
••
о
Rutilni
б012
Rutiln:i
б013
•••••
Kiseli
б020
•••••••
Bazicni
б015
•••••
..........
Mallett
/ 14,0
1,5
15,5
•••••••••
Mallett
5,б
1,0
б,б
0,000
Mallett
б, б
0,9
7,5
0,000 7
Mallett
2,9
1,8
4,7
0,000 4
Rollason
-
Rollason
-
-
-
-
-
-
-
=
-
-
-
-
-
-
о.
о
•
ь
о.
,.
~
•••
••
о
••••
о
........
о
о
Bazicni nerdajuCi 18/8
•••
о.
•••
•.
о
о
"
о.
-
Rollason Rollason
-·
Rutilni nerdajuCi 18/8 .... Rutilni
Roux
Rutilni
Roux
о
•••
•
о
о
.....
о
о.
о
о
о.
•••••••••
о
•••
о
••••
1
Ј
1
1
0,001 4 б
О
8
do 22
0,000 7 do 0,002
7
do 22
0,000
4
do 20
0,000 4 do 0,001 8
4
do
1б
0,001 4 do 0,001 5
- 0,9 do
4
0,000 08 do 0,000 4
б
do 0,002
8
do 15
0,000 7 do 0,001
15
do 32
0,001
13,2
З
do
О
з
О,ООЗ О
0,001 2
2,72 do 5,51 0,000 25 do 0,000 50
1
U ispitivanjima autora u zajednici sa Moneronom [14] u cilju odredivanja uticaja vodonika na udarnu zilavost primenjene su epruvete paralelepipednog oЬlika (tip epruvete ро Ru-u), cije su dimenzije priЬ lizno odgovarale dimenzijama epruveta za ispitivanje udarne zilavosti. !О*
!
~
!! l,
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
148
TABLICA V-10 Ispitivanja Monerona 1 Tip oЬloge elektrode
Sefeгiana
[14]
Н pri о zna- 'Н pr1. 20 ос 1 600 ~
ka
Нт
ос
(сmз/ 100 g)
1 1
u vakuumu
(% tezinskih)
------1---1 --------1·---------1·---------1- Celulozni
Rutilni
Ilmenitni
Oksidni
26,3 27 26,5
38 48
8,20 5,65 5,78 9,45
15,10 13,37 13,60 17,10
46 58 45
13,4 11,9 12,2 15,3
7,35 7,0
18,05 17,70
59 60
16,2 15,8
1,11 1,37 1,70
12,20 13,40 10,76
13,31 14,77 12,46
1,84 2,03 1,66 2,02
6,16 6,23 7,11 6,61
8,00 8,26 8,77 8,63
10,2 12,8 14,5 6,86 7,73 7,82 7,65 10,7 10,7
16,1 14,2 12,0
55
1
57
! ј
8,3 7,7 9,3
1
1
23,6 24,1 22,8
17,9 13,2 11,2
х
х х
х х
х х
10-5 10- 5 10-:, 10-5 10-5 10- 5 10-5
х 1о-•
х
10- 5
х х
10- 5 10-5 10-5
х
23 24,2 19 23,5
7,15 7,35 7,75 7,70
х х х х
10-" 10- 5 10- 5 10- 5
19 34 38
5,35 5,8 6,50
х
х
10-5 10- 5 10- 5
х
:i~'3~.'j.z""'"";l"ii~,,~c;~:;-;;;~~-чrгsзe~;o-zьit"czapr~.ff-=ё:vodoiiiitiГec-eres'traiio'tanih7 pn с 2О 0 С-' a'zatlliБi'""P'ri~вooo~"i "'·"""''~ "~:?''"'"' 1
1:
to iz iste epruvete.
i
i li i
:ј:
1 1.
Epruvete su pripremane nanosenjem 7 do 8 zavara (jedan preko drugog) na lim niskouljenicnog celika deЬljine 3 mm, pri cemu је celicni lim Ьiо pretQpljen ро celoj deb1jini. Epruvete, ociscene u hladnoj vodi, postavljene su pod zvono sa glicerinom u cilju odredivanja, "difundujuceg" vodonika pri temperaturi 20°С. Posle ekstrakcije pri 20°С u toku. 250 do 500 h (u zavisnosti od tipa obloge), iz navara su izrezane male cilindricne epruvete precnika 8 n1.m za odredivanje vodonika u vakuumu pri temperaturi 600°С. Na taj је nacin bio odreden sadrzaj vodonika izdvojen pri 20°С i pri 600°С. Ov1 op1t1 su pomogll da se obJasne razllke u vrednostlma za sadrzaj vodonika u materijalu sava dobijenim od strane razlicitih autora. U tablicama V-9 i V-10 prikazane su sakupljene ekspevimentalne vrednosti za sadrzaj vodonika u materijalu sava pri primeni razlicitih tipova elektroda. Iz ovih opita moze se izvuci nekoliko opstih zakljucaka: а) metal nanet celuloznim elektrodama, sadrzi maksimalnu ko1icinu vodonika i dostize granicu zasicenja teenog metala vodonikom, tj. 27 cm3f100 g. -
149
APSORPCIJA GASOVA U SAVOVIMA
Koncentracija ukupnog vodonika u metalu nanetom elektrodama sa oksidnom i rutilnom oЬlogom iznosi priЬlizno polovinu granice zasicenja celika ovim gasom (12 do 15 cm 3/100 g). Sadrzaj ukupnog vodonika u materijalu sava elektroda bazicnog tipa ne prelazi 8 cm 3/100 g, sto predstavlja maksimalnu rastvorljivost vodonika u cvrstom metalu; Ь) u metalu, nanetom celuloznim i rutilnim elektr·odama, na deo "difundujuceg" vodonika otpada priblizno polovina od njegovog ukupnog sadrzaj а; on iznosi oko 10°1о, u metalu nanetom oksidnim elektrodama, · i 20 do 25°/о u metalu nanetom elektrodama bazicnog tipa. Treba zapaziti uticaj prisutnog kiseonika na koncentraciju "difundujuceg" vodonika u savovima izvrsenim elektгodama sa oksidnom oblogom. В)
Uticaj vodonika na osobine savova
Na pocetku ovog izlaganja bilo је. ukazano, da prisustvo vodonika u savovima moze dovesti do· obrazovanja gresaka, od kojih su neke, kao na primen prslina u osnovnom materijalu, veoma opasne za rad konstrukcija. Sada cemo razmotriti posledice prisustva vodonika u materijalu sava 1 efekat njegove difuzije u osтюvni materijal.
1. Rasprskavanje metala Razlika rastvorljivosti vodonika u metalu u cvrstom i tecnom stanju dovodi do burnog izdvajanja ovog gasa, sto izaziva velike gubltke metala ;;c~~2c?i-i~~:·:;:=.~S ceД;;;r;.as,pr3kaщ~дjp..~Qм:_t=ы~g:цpJ.1q.&:::щ~t~~~kJJi1~,,=g:~q'".p9s!~t~~~Ц~d~&1~J~~~"''
vodonika; do njega dolazi i usled prisustva drugih gasova, led izdvajanja kiseonika.
а
posebno us-
2. Obrazovanje mehurova usled prisustva vodonika Prekomerna zasicenost tecnog metala gasom ili vrlo Ьгzо ocvrsCivanje dovodi do obrazovanja manjih ili vecih mehurova, u kojima se gas nalazi pod pritiskom. Ovi gasovi uglavnom, predstavljaju jedinjenja kiseonika (СО, С0 2 ) ili vodonika Н 2 0, H 2 S, СН 4 i azota. Prisustvo СО se objasnjava redukcijom oksida zeleza ugljenikom prema reakciji ravnoteze FeO + С ~-+Fe + СО. Na taj nacin, ugljenicni celici lakse се stvarati gasne mehurove nego· niskouglj enicni. Prisustvo Н 2 0 Ьilo је vec razmatrano. Moguce је, da jednovremeno prisustvo gasova н?. i о') pod pritiskom u zatvorenom prostoru (mehuru) moze da dovede pri hladenju do obrazovanja Н 2 0. S druge strane poznato је, da pri zavarivanju vla.Znim elektrodama dolazi lakse do obrazovanja mehurova. Ova teџdencija је narocito јасе izrazena pri zavarivanju elektrodama bazicnog tlpa, cija oЬloga sadrzi vrlo malo vodo111ika; na primer, dovoljan је sadrzaj vlage od оlю 0,35°/о ро tezini oЬloge bazicne elektrode, da bi doslo do pojave mehurova u savu (sl. V-13). Mozemo se saglasiti sa Herres-om [15], da је jos jedan uzrok obrazovanja mehurova u savovima reakcija redukcije oksida zeleza vodonikom, FeO + 2Н~~Н 2 0 + Fe. Herres [15] i Voldrich [16] su izneli hipotezu о
с··"·•~г'"••"'"
150
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
obrazovanju gasnih meћurova kao rezultat reakcije izmedu vodonika i sumpora: Н 2 + S:;::~H 2 S. U prisustvu vlage u oЬlozi hrom izaziva zivu reakciju; OVO objasnjava vecu O•Setljivost hromovih celika prema obrazovanju mehurova pri zavarivanju elektrodama sa vlaznom oblogom.
Sl. V -13 - Mehur u oЬliku "gusenice" u elektrolucno zavarenom savu. Do obrazovanja mehura је doslo usled upotrebe vlazne baziOne elektrode
Prisustvo metana u mehurovima objasnjava se reakcijom izmedu vodonika i karbida, а narocito izmedu karblda zeleza (cementita) ili kar-
U nekim savovima opazaju se takode izduzeni mehurovi u oЬliku "gusenica" sa sjajnim zidovima (sl. V-31). Ova greska se javlja kao rezultat zavrsetka izdvajanja gasa ("putovanje gasa") и periodu koji nepos1·edno prethodi, vrlo brzom ocvrsCivanju metala. Uticaj vodoпika na obrazovanje mehurova ispoljava se narocito u slucaju oЬloga sa visokim "potencijalnim vodonikom", takvih kao sto su celuloine oЬloge, ili vlaine oЬloge. Uzrok obrazovanja mehurova u materijalu sava moze Ьiti talюde okolna atmosfera zasicena vlagom.
3. Obrazovanje pahuljica i
"riЫjih
ociju"
Neophodno је pre svega, jasno raz.graniciti ova dva vrlo raz1icita vida gresaka, mada оЬа nastaju usled apsorpcije vodonika u metalu. :Ј:
.t
1
Pahuljice se narocito cesto susrecu u odlivcima, otkivcima ili valja. nim komadima i karakterisu stepen nekompaktnosti metala. One se pojavljuju u prelomima u vidu svetlih priЬlizno kruznih polja na tamnoj osnovi sitnozrne strukture metala. Prema tome, pahuljice predstavljaju
APSORPCIJA GASOVA U SAVOVIMA
151
mestimicno razdvojene povrsine metala, koje је moguce otkriti metodama magnetne kontrole kada one ne izЬijaju na povrsinu. "RiЫje
oci"* se pojavljuje uglavnom, u prelomima savova u vidu belih kruznih mrlja vrlo promenljivih dimenzija (precnika od 1 mm do 1 cm); one teze da se oЪrazuju oko ukljucaka i cesto su pracene mikroprslinama (sl. V-32). Neosporno је, da se pri rucnom. elektr:olucnom zavarivanju o·Ьloga elktrode javlja kao ро-. cetni usrok obrazovanje "riЬljih oCiju"; jer u materijalu sava, nanetom golom zicom, ova greska se nikada не pojavljuje. Uslovi obrazovanja "riЬljih ociju" bice razmotreni nesto dalje. Vec sada је potrebno precizirati, da pahuljice karakteriSu postojanje prsline u otkivcima ili valjanim komadima i da је mehanizam njihovog obrazovanja uslovljen jednovremenim prisustvom vo- Sl. V -32 - Karakterisdonika i visokih sopstvenih napona. Ova greska tican izgled "riЬljeg oka" и prelomu epruvete za posto.ji vec ranije u metalu, i pre njegovog raza- ispitivanje zatezne jaciranja. "RiЬlje o.ci", koje se pojavljuju narocito ne (rutilna elektroda) u zavarenim spojevima, takode nastaju pod uticajem vodonika; obraz.uju se samo u procesu razaranja i nikada nisu mogle biti otkrivene pre preloma komada.
Uslovi obrazovanja pahuljica. Faktori koji uticu na obrazovanje pahuljica u otkivcima Ьili su prouceni u znacajnom radu Bastiena [17], iz koj eg su nize dati nesto duzi izvodi.
.,... ·~
t
~~~ii~~-~k.;;;;.,.:;;;;:."~;;,i#:,::::@e1ibi,~
ma obrazovanju pahuljica, nego сеЏсi, topljeni u bazicnim pecima. Poper i njegovi saradnici [18] utvrdili su, da su celici topljeni u elektricnim pecima sa bazicnom ob1ogom, malo osetljiviji prema obrazovanju pahuljica od celika topljenih u Martinovim pecima sa bazicnom оЬlоgош. Buduci da је vodotnik osnovni uzrok po·tonjeg oЪrazovanja pahuljica, to vlaga iz proizvoda koji ucestvuju u proizvodnji: staro zelezo, ferolegure, krec, topitelji -. moze da ima пepovoljno dejstvo. Hemijski sastav celika u vrlo velikoj meri predodreduje njegovu osetljivost prema obrazovanju pahuljica. U gljenicni i konstrukcioni niskolegirani hrom-niklovi celici manje su osetljivi prema obrazovanju pahuljica. Nasuprot tome, pahuljice se cesto susrecu u celicima legiranim vecim koliCinama nikla i hroma а narocito, u Ni-Cr-Mo celicima za poboljsanje. Specijalni celici legirani sa 4°/о Si, feritni celici sa visokim sadrzajem hroma, austenitni Cr- Ni celici i austenitni celici sa 14°/о Mn, nisu osetljivi prema obrazovanju pahuljica. u prvoj aproksimaciji ovo se moze objasniti vecom rastvorljivoscu vodonika u y-zelezu, nego u a-zelezu, iako se difuzija vodonika u y-zelezu odvija manjom brzinom, obzirom da ј е kristalna resetka r- zeleza kompaktnij а od resetke а- zeleza.
*
fish-eyes
,г.... 1
1
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
152
Istrazivanja Bastiena dovela su do postavljanja nekoliko opstih zakonitosti koje se odnose na osetljivost celika prema obrazovanju pahuljica u celicima: - u celicima bez alotropskih transformacija (austenitnim ili feritnim) pahuljice se ne obrazuju; u celicima sa polimorfnim transformacijama osetljivost prema obrazovanju pahuljica је utoliko vise izrazena, ukoliko је siri temperaturni interval Ас 3 - Ar3 • Таlю na primer, dodatak moliЬdena hrom-niklovom celiku dovodi do prosirenja intervala transformacije Ас 3 - Ar3 i do povecanja osetljivosti prema obrazovanju ;pahuljica. U kovanom ingotu pahuljice su rasporedene, uglavnom, ро sredini komada, medutim, Bastien misli da ne postoji zavisnost izmedu pahuljica i poroznosti s jedne strane, i s druge- izmedu pahuljica i usahlina, koje su takode rasporedene ро osi odlivka. Isto tako, kao sto su pokazali Musatti i Reggiori [19], velike segregacije ne mogu Ьiti primarni uzгok obrazovanj а pahuljica. Pahujlice su cesto smestene u prostoru izmedu dendrita, ali se ne moze tvrditi da postoji Ьilo kakva uzajamna veza izmedu dendritske segregacije i osetljivosti prema obrazovanju pahuljica. Na kraju је Ьilo pokazano, da se kriticna oЬlast teщperature obrazovanja pahuljica nalazi izmedu 200 i 300°С; prema rezultatima Musatti-ja i Reggiori-ja, ova temperatura је niza od 280°С. Da Ьi se vodo'llik sto potpunije udaljio iz cele mase komada, neophodno је obezbediti njegovo vrlo sporo hladenje; prvoЬitno hladenje, cak ,: _veoma sporo, ne moze Ьiti apsolutna garancija protiv kasnije pojave pa_Ji:;:;.:cri-"'""~;;:;.:""~ci~__,;:,;;,lj,нllkc_a:;;-~~~~=;~~i:c','::;;;;.~,o;:~::._:;o:;;:-_;_~~"'~~"''i~±~,~;::~'"'"'"'i;::~~"''~ii-=i,~~~"'.:-~"~"'''"~~"'"~;~.5.~ic-·'""""~·;---~~""""~~··i:~i§,~~:~"'·'"-'''c""~ Mnogobrojni autori [20], а posebno Bastien, pokazali su da vodonik '' nije jedini faktor koji odreduje mehanizam obrazovanja pahuljica. Sopstveni naponi, nastali u odlivcima i otkivcima, favorizuju oЪrazovanje pahuljica. Najefikasnije sredstvo za sprecavanje obrazovanja pahuljica sastoji se u vrlo sporom hladenju komada n,a razlicitim stadijima transformacije celika, cime se olaksava izdvajanje vodonika i odstranjenje naprezanja. Primena gnjecenja komada u odredenim slucajevima moze Ьiti povoljan faktor za odstranjivanje nekompaktnosti metala koja је u vezi sa pahuljicama. Obrazovanje pahuljica u temperaturnom intervalu 200 do 300°С oЪjasnjava se, ocigledno, smanjenjem brzine difuzije vodonika u celiku. Prema podacima Zakero-a i Ganjeben-a* [21], ovo smanjenje brzine difuzije је u odnosu 1 prema 10 000 (sl. V-33). Odatle proizilazi, da prezasicenost celika vodonikom, koj eg ј е tesko odstrani ti usled smanjenja brzine difuzije, moze da izazove lokalna povecanja pritisaka koji, kombinovani sa vec postojeeim sopstvenim naponima, dovode do obrazo~ vanja pahuljica. Tesko је brojno· ustanoviti stepen opasnosti usled prisustva pahuljica, jer sve zavisi od njihovog broja, velicine i njihove orijentacije u komadu. Podaci, oЪjavljeni о ovom pitanju u tehnickoj literaturi, vrlo su protivu-
!i
* Jacquerod
i Gagnebln
APSORPCIJ А GASOV А U SAVOVIMA
153
recni, sto se moze objasniti, ako se uzmu u obzir prethodno navedena razma tranj а. Ako su pahuljice orijentisane u pravcu statickog naprezanja, njihov uticaj је prirodno mali; nasuprot tome, pahuljice orijentisane upravno na pravac naprezanja mnogo su opasnije. Uticaj pahuljica dolazi narocito do :ё' 10 izrazaja pri dinamickim naprezanjima; Е one u tom slucaju predstavljaju tacku u 1\. koncentracije napona, koja odgovara efek- ;;-Е '\. u tu zareza. '\. 1 '\. Uslovi obrazova·nja "riЬljih ociju". Osetljivost savova prema obrazovanju "riЬljih ociju" је u vezi, kako sa ko1icinom apsorbovanog vodonika u materij alu sava i vrstom celika, tako i sa velicinom sopstvenih napona. "RЉlje oci", kojima је, kao i u slucaju pahuljica, pocetni uzrocnik vodonik, razlikuju se od pahuljica svojom prirodom i mehanizmom svoj eg obrazovanj а. 1000 500 300 200 150 100 Gole, oksidne i kisele elektrode, ciji Т emperaturo ( С) rastopljeni dodatni materijal apsorbuje neznatnu kolicinu difundujuceg vodonika, Sl. V-33- Nagla promena brziprakticno ne daju "riЬlje oci". Ova gresne izdvajanja vodonika iz nisko. ugljenicnog celika (sa vrlo maka se mnogo cesce susrece u materijalu lim sadrzajem с p.rema А. sava, nanetom celuloznim, rutilnim ili ЬаJacquerodu i s. GagneЬinu) _ С\1"
-
"
-
_{
: ~
0
.
~.E{.."-~ri~~~"'~:~;,;;:z:N~1~1~Ђ15ffiJama~""Pii~zavariva11j·u"'elek'-<~~"'~"'"'~"~.,.&,"'~~""~-"'"i'~"'~=,,:;,:=~=:г~~::;:~~;;""'oc"''·"·"~c•·c;~.::~, ~.,,.~-~;._·ii·,·· · trodama sa vlaznom oЬlogom, materijal
'i ј
·sava apsorbuje veliku kolicinu vodonika koji је osnovni uzrok obrazovanja "riЬljih ociju". Pri zavarivanju oЬicni celici su osetljivi na pojavu "riЬljih qciju", ali kao i u metalurgiji, ova oset1jivost raste sa uvodenjem legirajucih elemenata nikla, hroma, moliЬdena. Feritni celici, austenitni Cr-Ni celici i austenitni manganovi celici nisu skloni ka obrazovanju "riЬljih oCiju". Obrazovanje "riЬljih ociju" је u vezi ne samo sa hemijskim sastavom celika vec takode i sa velicinom :naprezanja koja izazivaju malu br:oinu deformacij е komada sve do razaranj а. Premq. tome "riЬlj е oci" se m.ogu pojaviti samo u prelomima savova proizvedenim malom brzd.nom deformacije i to narocito pri ispitivanju zatezanjem. U epruvetama za ispitivanje udarne zilavosti, koje su iz1ozene brzim deformacijama, nikada nisu otkrivene "riЬlje oci". . Isto је tako pokazano, da se proces izdvajanja vodonika i njegova 1okalizacija, koja се obrazovati "riЬlje oci", javlja posle granice razvlacenja metala Valanti је pomocu ultrazvuka sledio stvaranje "гiЬljih ociju" i potvrdio ove hipoteze. · Prema podacima ovog istrazivaca, н savovima, nanetim niskovodonicnim elektrodama (bazicne elektrode), obrazovanje "riЬljih ociju" nastaje u periodu veoma Ьliskom momentu razaranja epruvete pri ispitivanju zatezanjem. Pri povisenom sadrzaju vodonika (rutilne i celulozne elektrode), momenat obrazovanja "riЬljih ociju" pomera se Ьlize granici razvlacenj а.
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
154
Na taj nасш, "riЬlje oci" koje materijalizиjи prisиstvo vodonika и materijalи sava ne mogи imati nepovoljno dejstvo na mehanicke osobine и oЬlasti elasticnih deformacija, ako и savи nisи Ьile obrazovane prsline и periodи hladenja иsled prisиstva vodonika. Povo1jni faktori za odstranjenje vodonika sи: а) zavarivanjem dobro osиsenim elektrodama sa niskim "potencijalnim vodonikom" и oЬlogama, takvim kao sto sи oksidne ili bazicne elektrode. U mnogim slиcajevima, zahtevani kvalitet zavarenih spojeva eliminise iz иpotrebe oksidne elektrode, ciji rastopljeni dodatni materijal sadrzi znatnи kolicinи azota; Ь) neprekidnim zavarivanjem bez medиhladenja sava; с) zavarivanjem elektrodama velikog precnika uz primenu povisenih in tenzi teta strиj е; d) predgrevanjem komada; е) termickom obradom peratиrama ispod oЬlasti у-
zavarenih spojeva posle zavarivanja pri temrastvora и cilju odstranjivanja vodoпika. Ova obrada, koja zavisi od dimenzija komada, moze Ьiti sasvim prosta: za male komade samo zarenje za odpиstanje sopstvenih napona pri 600 do 650°С.
4.
OЬ1·azovanje
prslina
и
osnovnom materijalu
Uticaj vodonika ла ројаvи prslina и celicima, narocito и slисаји niskolegiranih, izиcavali sи mnogi istrazivaci. Prve znacajne zakljиcke ро ovom pitanjи doneli sи engleski istraZivaci Hopkin [22], Andrjus* [23] i RoПason [24], а zatim americki naи.cnici Zapffe [25] i Herres [26]. Herres је klasificirao prs1ine и tri grupe (sl. VI-7-8) и zavisnosti od njihovog oЬlika i njihovog polozaja и zavarenom sp_Qj,~иc-'-:--.----;----.----.---
·=i~~~;;;;~=:;;,.:~~~~-ulin~?iZoni~1p.o!J.lisene:..,.tvtdocЩt,~Hardicracks~~~r'oko:je:±se§<1brazuju~-~~,~~'"'s.~~
и oЬlasti maksimalne tvrdoce zone pod иticajem toplote osnovnog materijala. U opstem slиcaju ove prsblne su paralelne sa gra:nicon rastapanja; Ь) prsline spoja {"Тое cracks"), koje se obrazиju и granici rastapanja. с) vertikal·ne prsline ("Vertical cracks"), koje se prostiru иpravno na granicи rastapanj а. Od svih navedenih prslina samo prsline и zoni povisenja tvrdoce mogu se pripisati prisиstvи vodonika. "Prsline spoja" sи, bezuslovno, и vezi sa raslojavanjem koje nastaje иsled razlicitih koeficijenata toplotnog sirenja osnovnog i dodatnog materijala. "Vertikalne prsline" sи, verovatno, и vezi sa prisиstvom sopstvenih napona и osnovnom materijalи. U jednom opstem izlaganjи, F. Menije i Z. SeЬij** [27] иkaziali su na sledece metode, рошосu kojih se mogи izbeCi prsline и zoni povisene tvrdoce: а) zavarivanje golim elektrodam:a; Ь) zavarivanje elektrodama sa jezgrom iz niskougljenicnog celika i potpuno osusenom oЬlogom pri temperatиri 350 do 500°С, а narocito niskovodonicnim elektrodama sa oЬlogom bazicnog tipa; с) zavarivanja 'aиstenitnim elektrodama sa oЬlogom bazicnog ti,pa bez vlage.
* **
Andrews F. Meunier i
Ј.
Sebllle
APSORPCIJA GASOVA U SAVOVIMA
155
Ranije smo naveli, da је obrazovanje "riЬljih ociju" najcesce praceno mikroprslinom koja predstavlja tacku koncentracije napona u toj tacki. N eki autori [28] smatraju, da ova mikroprslina, nastala u periodu ocvrscivanja metala, moze da bude polazna tacka za pojavu novih prslina, koj е se sire u zonu pod uticaj em toplote. Drugi autori [29] pak obja5njavaju uticaj vodonika na po·javu prslina prisustvom vrlo visokih napona, koji nastaju u procesu transformacije atomnog vodonika u molekularni.* Na pocetku ove glave bilo је istaknuto, da tecno• zelezo moze da apsorbuje vodonik samo u atomnom stanju, ра se difuzija vodoпika u cvrstom metalu moze objasniti time, da vodonik ostaje u atomnom stanju ili и vidu protona. Kada se atomni vodonik, k:oji је nestabllan, nade u pogod.noj zoni za svoje rekomblnovanje (ukljucci, mehurovi, medukristalitne praznine), on se transformise u molekularni vodonik Н 2 , izazivajuci jako lokalno po-vecanje pritiska u metalu. Ako zona pod uticajem toplote osnovnog materijala nije и stanjи da iz.drzi plasticnu deformaciju dovoljnu da ap1 sorbuje tako nastale sopstvene napone, tada dolazi do· pojave prslina. Trece objasnjenje pojave vodonicnih prslina povezano је sa r prethodnom hipotezom, koju је razvio Hopkin [22], а zasniva se na 1· 1 razlicitoj rastvorljivosti vodonika u tecnom i cvrstom zelezu s jedne i ( strane, i u cvrstom zelezu na razlicitim. rastojanjima od sava, s druge ј strane. i . Izucavanjem raspodele toplote pri zavarivanju pokazuje znatan toplotni gradijent u zavareno·m spo,ju i, kao posledica, znatan gradijent kon1J centracije vodonika. U tim us:1ovima atomni vodonik се teziti da difиnl dије iz toplijih oЬlasti ka hladnijim oblastima, i da zasiti hladne delove +~~-"о0,.. - . ,;-:;::_::-с·~!"-=--~ "'·:tP;"' ...:f!-Ja!a,~y;g,;.diYt1ikOXX1._;c,~qgЯ.;~I'~().~iPJ1~..s:t~tџ:rд~·~q1~9·ntiццg.fu:Q>?t,.,~y:.Q~1()~-;=c~~.y--.~-~~-~·;-~;~,-":"'--"'·'-."-"-"::c"";, 1 blti izbacen iz kristalne resetke ferita uz obrazovanj е molekularnog 1 vodoпika, nerastvorljivog u metalu, pri cemu nastaju vrlo visoki napoпi, koji premasuju granicu loma osnovnog materijala. 1 1 Ј Ove hipoteze dozvoljavaju da se odsustvo vodonickih prslina и \ metalu, nanetom austenitnim elektrodama, objasni pet do sest, puta ' veco·m sposobnoscu rastvaranja vodonika u austenitnoni celiku u poredenju sa niskougljenicnim celikom, usled cega se znatno smanjиje ko1icina difundujuceg vodonika. Takode је .poznato, da se u zavarenim spojevima, izvrsenim golim elektrodama ili elektrodama · sa oksidnom oЫogom, ne · javljaju pojave prslina u osnovnom materijalu, ili bar ne prsline zvane "prsline u zoni povisene tvrdoce". Ovo se oЪjasnjava cinjenicom, da ove elektrode stvaraju veliki broj mehurova, sto dozvoljava da se vodonik u ovim supljinama moze naci u ravnoteznom stanju u mo1ekularnom obliku, i da vise ne tezi da difunduje u osnovni materijal. /•
i
С)
Uticaj vodonika na mehanicke osobine savova
Uticaj vodonika na mehanicke osobine savova se moze ispoljiti na dva razliCita nacina: - direktnim dejstvom rastvorenog vodonika; i
*
Vidi dodatak -
Glava VI.
156
1
i
1
1 1
1
METALURGIJA ZAVAR:rVANJA CELIKA
indirektnim dejstvom usled nastajanja "riЬljih ociju." Nekoliko istrazivaca је dobro proucilo direktan uticaj vodonika (cak i za male koncentracije) na jacinu i deformacionu sposobпost celika. U zavarenim spojevima је dosta tesko ustanoviti uticaj vodonika usled pristustva drugih stetnih primesa, kao sto su azot, razni ukljucci, itd. ciji uticaj moze biti ponekad dominirajuci. Neposredno dejstvo vodonika na osnovni materijal, kao sto је to vec bilo izlozeno u prethodnom odeljku, ogleda se u povecanju osetljivosti osnovnog materijala prema pojavi prslina. Ako se u zoni pod uticajem toplote posle zavarivanja javi starenje, onda osetljivost ove zone prema obrazovanju prslina raste usled prisustva vodonika. Indirektno dejstvo vodonika na mehanicke osoЬine moze se ustanoviti pri ispitivanju zatez.anjem e:pruveta iz materijala sava, nanetog elektrodama sa celuloznom oЬlogom; da Ьi se dejstvo vodonika ispoljilo u punoj meri potrebno је da vreme koje protekne izmedu nanosenja materijala, izrade epruveta i njenog ispitivanja bude minimalno. Tada se konstatuje jasno smanjenje izduzenj а epruveta, bez osetne promene drugih karakteristika materijala sava (zatezne jacine, granice razvlacenja i tvrdoce). U ovom slucaju u .prelomu se otkriva prisustvo "riЬljih ociju" (sl. V-34). Kako do nepovratnih izduzenja do1azi iza granice razvlacenja, to se uticaj "riЬljih ociju" pojavljuje samo u oЬlasti plasticnih deformacij а. njenju izduzenja. Ako se ispitivanje zatezanjem izvrsi kroz nekoliko dana posle izrade epru veta ili' pak posle zagrevanj а: pri 120 do 200°С u toku desetak casova, onda materijal sava ponovo doЬija svoje normalne osoЬine, bez pojave kaSl. V-34 - U = 3 - "RiЬlje oko" u prelomu epruvete za ispitivanje zarakteristicnih mrlja koje se pripisuju tezne jaci.ne, zavarene elektrodom vodoniku. sa celuloznom oЬlogom. Zagrevanje pri temperaturama izmedu 120 i 200°С ne moze uticati ni na izmenu fine strukture materijala sava, niti na izdvajanje azota, vec samo ubrzava difuziju vodonika. Na taj nacin, se dokazuje da је vodonik stvami uzrok obrazovanja "riЬljih ociju" i indirektan uzrok pogorsanjг nekih mehanickih karakteristika materijala sava. U nedavnim istrazivanjima autora, izvrsenim u zajednici sa Moneronom [14], bilo је pokazano, da vodonik, verovatno, ima uticaja na udarnu zilavost materijala sava, ali је u vecini slucajeva ovaj efekat maskiran prisustvom azota, koji izaziva starenje metala, а narocito neizbeznim prisustvom zaostalih napona. Epruvete iz materijala sava, nanetog bazicnim elektrodama, podvrgnute ispitivanju na udarnu zilavost neposredno posle zavarivanja (tj. sa izvesnom kolicinom difundujuceg vodonika) pokazale su nize vrednosti
APSORPCIJA GASOVA U SAVOVIMA
157
udarne zilavosti za 20 do 25°/о u poredenju sa epruvetama, koje su ispitivane posle duzeg stajanja pri sobnoj temperaturi ili posle zagrevanja u toku nekoliko caso·va pri 200°С. Materijal sava, nanet elektrodama ovog tipa, se odlikuje srazmerno niskim sadrzajeш azota (reda 0,015°/о). U materijalu sava, nanetom rutilnim elektrodama, sadrzaj difundujuceg vodonika је vise (8 do 10 cm 3 /100g) i koncentracija azota је takode nesto visa (0,020 do 0,025°/о). U ovom slucaju efekat starenja delimicno maskira efekat koji potice нsled prisustva vodonika. U ovom slucaju moze se zapaziti samo neznatna razlika u vrednostima udarne zilavosti epruveta sa vodonikom i degaziranih epruveta. U materijalu sava, nanetom elektrodama oksidnog tipa, u kome је sadrzana velika kolicina azota (0,040°/о) i mala koEcina "difundujuceg" vodonika, efekat starenja, izazvan prisustvom azota, se pokazuje veoma jasno. Epruvete, ispitane neposredno posle zavarivanja, imaju udarnu zi1avost 5 do 6 kpm/cm 2 , а epruvete, ispitane posle udaljavanja vodonika u toku nekoliko dana pri sobnoj temperaturi ili posle zagrevanja u toku nekoliko casova pri nizim temperaturama, udarna zilavost opada na oko 2 kpm/cm 2 •
·BIBLIOGRAFIJA [1] Н. Stoman, Т. Rooney i Т. Н. Schofield: Jour. Iron Steel Inst., 152 (1945), ~275. [2] Ргоf. А. Portevin i D. Seterian: С. R. Acad. Sciences, 199 (1934), 1613. [3]А. Fry: Stahl und Eisen, 63 (1923), 1272; Iran and Steel Inst., 5 (1932). - - --- ~ -~-=----- - --·-- -- -~~-----~ ",..-".;--=~~ "'f~G~aran'Ћf~eГris~GOhen,-''Ћevet."'PFlo~p-:-"'·iJour. -::-of- -мetcrl~2 ·i(cl950);=:261. ~ ·: :: ~ ~2""--~--"i."'"?~'E.i:-~~ ~
[5] D. Seferian: Etude de 1а formation des пitrures de fer par fusion et du system9 fer-azoto (1935), Institut de Soudure Autog€юe, edit., Paris. [6] Prof.
А.
Portevin i D. Seterian: Rev. Metall., 34 (1937), 705; 35 (1938), 225.
[7] F. Maratray: Influence de 1' azote sur les D., serie В, N° 25 (1954).
pгoprietes
des acie:r:s, Pub. I. R. S. I.
[8] Ј. D. Fast: The Iron and Coal Trades Review, 160, 4 (1950), 837. [9] L. Reeve i Н. Sloman: Symp. on Metallurgy of Stee1 Welding (1947), 48. [10] А. Е. Flanigan: Welding Jour. Suppl., 26 (1947), 193 s. [11] А. S. Т. М.: Norme А 316, 48 Т, Tentative Specification for low alloy steel arc weldiпg
e1ectrodes.
[12] М. W. Mallett: Welding Jour. Suppl., 25 (1946). 396 s. [13] А. Roux: Soud. et Tech. Conn., VIII, N° 5-6 (1954), 160. [14] М. Moneyron i D. Seferian: Saud. et Tech. Conn. N° 9-10 (1957). [15] S. А. Herres: Trans. Amer. Soc. Metals, 39 (1947), 162. [16] С. В. Voldrich: Welding Jour. Suppl., 26 (1947), 153 s; 6 (1950), 265 s. [17] Р. Bastien: La Tech. Moderne, 17-18 (1948), 127. [18] Е. Poper, Н. Magedorn ·i Н. Backes: Stahl und Eisen, 73, N2 13 (1953), 817. [19] I. Musatti i А. Reggiori: Congres Int. Mines, Metallurgie et Geologie appliquee (1935), 451. [20] Е. Houdremont i Н. Horschan: Stahl und Eeisen (1935), 297. Н. Benhek i G. Klotzbach: Stahl und Eisen, 61 (1941), 597. [21] А. Jacquenod i S. GagneЬin: Helvetia Acta П (1929), 126. [22] G. L. Hopkin: Symp. of Metallurgy of Steel Welding (1949), 40.
1
1
(23] (24] (25] [26] [27] [28] [29]
1
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
158
W. Andrews: Symp. of Metallurgy of Steel Welding (1947), Е. С. Rotlason i D. F. Т. Roberts: Jour. Iron and Steel Inst., С. А. Zapffe 1i С. Е. Sims: Welding Jour. Suppl., 19 {1940), S. А. Herres: Welding Jour. Suppl., 23 {1944), 43 s. F. Meunier i Ј. SеЬШе: Rev. Metall., 44 (1947), 180. Р. Bardenheuer: Stahl und Eisen, 57 {1937), 593. Р. Bardenheuer i W. Bottenberg: Arch. Ei.senhutt., 11 (1938) Т. Ј.
5. 166 (1950), 105. 377 s.
375.
L. Butterfield: Welding, 16 (1948), 152. D. Fast: Philips Tech. Rev., 7 (1942), 74. А. L. Schaeffler, Н. С. СатрЬеП i Н. Tielsch: Welding Jour. Suppl., 31 ,N'g 6 (1952), 283 s.
GLAVA VI
POJAVA PRSLINA U ZAVARENIM
,
SPOJEVIМA
Medu fenomenima koji ogran1cavaju zavarljivost metala ili legura, neosporno је najvaznija sklonost osnovnog materijala ka pojavi prslina u zoni pod иticaj em toplote. · Treba razlikovati dve velike grupe prslina, izazvanih razliCitim uzrocima, cesto nezavisnim jednih od drиgih: 1. Prsline и materijalи sava su uopste иzev u vezi sa kvalitetom dodatnog materijala ili elektrode, ali isto tako i sa uslo·vima izvrsenja savova i prisиstvom gresaka, иkljucaka, mehurova, itd ... , koje se mogи obrazovanti и ovoj zoni zavarenog spoja. 2. Prsline и osnovnom materijalи obrazuju se u zoni pod иticajem
k;~~:·:~;:'""":~~~~~~-~]~~~M~~5ћ~~~~&Jfr~~ri~~~i~
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
160
U daljem izlaganju, pod mikroprslinama treba razнmeti prsline koje se mogu otkriti (sl. VI-1) pri relativno velikom uveblcavanju (200 da 1000) pod mikroskopom. Nasuprot mikroprslinama treba razlikovati prsline koje se otkrivaju vizuelnom kontrolom ili pomocu lu.pe i najzad pukotine, koje izlaze na povrsinu i lшје se lako otkrivaju golim okom. Termini lom i prelom odnosice se na po,tpuno razaranje komada ..
I - POJAVA PRSLINA U MATERIJALU SAVA Mikгoprsline
u zoni rastapanja, koje se cesto pretvaraju u prsline pod uticajem naprezanja .ili usled rada sirenja i skupljanja, obrazuju se uglavnom, pri visokim temperaturama i cesto u periodu ocvrcsivanja. Jedan od posebnih i cestih vidova ove pojave prslina је onaj na koji se nailazi u zavrsnom krateru zavara. Prsline н zoni rastapanja se mogu pripisati Ьilo oЬicnim нzrocima, Ьilo metalurskim faktorima.
Opsti uzroci Nastajanje prslina moze -
Ьiti
izazvano sledecim opstim
faktoтima:
los izbor dodatnog materijala ili elektrode;
· - losi !.! s~ ovj . ј z,т-r:~~n ј ~~?:-\lac-:na-rн~·mer;~P!'-!!l1€1:±a=-вa.нg1~~-Щ~.нG:e:g__j:Ц:::,~'-=·~ . . ·..•., . ,ј! ~,с~~~~--··"~:=· ~.;;;~~"';;;2~6~a.Yi-a}Yi~eg~jp1~iife1Yii"'J?~oкsrac·~ti1eiisRo,ffi~zava11Va.Ћ]ti'~~ie"a~·"ao~eaeё=·==~c~="·'~"~
;
do nestanka plasticnih
osoЬina
metala
нsled
naugljenisanja ili oksidacije;
- prisustvo azota, koji predstavlja faktor krtosti savova; - prisustvo gresaka kao sto su mehurovi, ukljucci oksida, sulfida i narocito iglicastih ukljucaka (nitrida zeleza, grafita u livovima), koje doprinose rasprostiranju mikroprslina,
Metalurski uzroci Moguce је izdvojiti tri glavna vida metalurskih faktora, koji doprinose obrazovanju prslina: 1. нslovi hladenja materijala sava (pocev od tecnog stanja). 2. strukturne transformacije u materijalu sava
(oЪlast
topljenja).
3. osoЬine celika pri povisenim" _temp~raturama. 1. Uslovi hlaaenja materijala sava pocev .od tecnog stanja
Prsline u materijalu sava se mogu: pojaviti usled skupljanja pri iz tecnog u cvrsto stanje [1]. Ova se greska naroCito javlja na kraju zavara kada se elektroda naglo ukloni, stvarajuci tako plici ili prelazн
POJAVA PRSLINA U SAVOVIMA
161
duЬlji krater, pri cemu se stvara mala usahlina, cesto pracena prslinama (sl. VI-2).
Sl. VI-2- U = 5 - Usahlina иsled skиplja nja и kraterи materijala sava izvrsenog elektrolиcnim zavarivanjem
Usahiina usled /skupljanja
~f.L(LLI_hf_l_L:LJ.'...U.~I_LU.!~~==Prslina
Теёпа
faza
K/ice kristalizacije Dendriti
с
~
;:.
...о
Tecna faza
ф
а.
Е ф
1-
Dendriti Cvrsta fazo
О
Sadriaj elemenata С, Mn, Si
Sl. VI-3- Shema obrazovanja prsline и zavrsnom krateru sava izvrsenog elektrolиcnim zavarivanjem 1 1 Metalurgija zavarivanja
·1
162
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
u intervalu ocvrscivanja materijala sava, koji se javlja, u opstem slucaju, pri malim deЬljinama, tecni metal prolazi kroz vise faza (sl. VI-3). Pri temperaturi Т 1 na liniji likvidusa, obrazovace se prve klice kristalizacije, iz kojih Sf~ zatim razvijaju dendriti u tecnoj magmi. Kada se dostigne cvrsto stanje u TR, сео rastvor prelazi u primarne gama kristale sa dendritima. Zna se, da је ovaj proces ocvrscivanja pracen pvvecanjem gustine metala i usled toga, smanjenjem zapremine, sto dovodi do obrazovanja karakteristicnog kratera i usahline usZed skupZjanja, analogno .pojavi u celicnom ingotu. U procesu ocvrscivanja deo materijala zavara А В, koji prethodni krateru (sl. VI-3), је u periodu odmaklog hladenja, usled cega se javljaju naponi skupljanja, koji deluju na jos tecni metal kratera. S druge strane, sirenje osnovnog materijala na vrhu kratera, tezi da razdvoji ivice zleba koje se u procesu hladenja ponovo vracaju u prvobltni polozaj. . . Prsline u ovoj oЬlasti nastaju kao rezultat jediюvremenog dejstva tri faktora, ukoliko se ne preduzmu mere pre,dostro,znosti: - obrazovanje usahZine usZed skupZjanja, koje predstavljaju tacke koncentracije naprezanja; - na,poni skupljanja u ocvrslom de1u zavara АБ, koji se nalazi iza kra tera; - naprezanja usled povecanja razmaka ivica zleba ispred kratera za vreme zagrevanja.
Sl. VI-4 - И= 5 - Pocetak obrazovanja prsline и zavrsnom krateru elektrolucno zavarenog sava
Prsline se mogu obrazovati izmedu dendrita i tom slucaju nije ustanovljena zRvisnost izmedu usahZine usZed skupZjanja i prsline. Ako pi'!sline nastaju posle perioda ocvrsciva.nja, >tada se moze odraziti uticaj usahline na nastajanje prsline u toj oЬlasti (sl. VI-4) lюја polazi оа ove tacke. Ove hipoteze, koje dozvoljavaju da se objasni obrazovanje prslina, pokazuju takode da је znacaj tipa oЬloge od drugostepene va2nosti. Zavareni savovi, izvrseni razlicitim elektrodama а posebno sa jezgrom od nerdajuceg celika, koje daju vrlo plastican metal, sa sirokim intervalom ocvrscivanja, takode imaju prsline u zavrsnom krateru zavara.
POJAVA PRSLINA U SAVOVIMA
163
Prsline su иtoliko znacajnije, иkoliko је vece rastojanje izmedи zavarivanih limova (sl. VI-5); pri rastojanjи vecem od 4 do 5 mm mo-
Sl. VI-5 - и= 5 - Prslina koja potice od velikog razmaka u korenu zleba (6 mm) uprkos vracanju elektrode unazad gиcnost pojave prslina veoma је velika. Primeceno је da se prsline najlakse javljajи pri brzom odvajanjи elektrode od sava i pri sиvise maloj zapremini dodatnog materijala и poredenjи sa zapreminom zleba.
Sl. VI-6 и= 5 Obrazovanje prslina se moze izbeci vracanjem elektrode unazad. Primer makrostrukture ovako dobljenog sava
Da
Ьi
se izbeglo obrazovanje prslina
и kraterи,.
dolazi vise resenja
и o~bzir:
- smanjiti napone skиpljanja и materijalи sava iza kratera, snizenja brzine hladenja odgovarajиcim predgrevanjem; 11*
pиtem
. .
~;~?
-!'
'
164
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
smanjiti uticaj razmicanja ivica zleba ispred kratera smanjujuci rastojanje izmedu zavarivanih limova; - povecati kolicinи dodatnog materijala ili povecati hranjenje kratera materijalom prodиznim topljenjem elektrode, а neki риt cak i laganim vracanjem elektrode иnazad (sl. VI-6).
2. Strukturne transformacije sava
и
materijalu
Strиktиrne
! [ . ~ _ -,,;;(;;ь-;;т<
_
Sl. VI-7 - Razliciti tipovi prsliна u savu suceonog spoja. Sl. VI-8 :-- RazliCiti tipovi prsli-
transformacije и zoni rastapanja zavarenog spoja imajи vrlo slozen kara:kter usled superpozicij е vise faktora: pr:omene hemijskog sastava izazvane gиbltkom иsled sagorevanja nekih elemenata ili dodavanjem иsled legiranja materijala sava; strиktиrne promene, itd. Polиkrte ili krte strиktиre, cije obrazovanje је povezano sa tipom dodatnog materijala ili elektrode, sи uzrok pojavi prslina и zavarenom sроји; prsline mogи Ьiti podиzne, tipa 1, ili poprecne, tipa 2 (sl. VI-7), Ьilo и sиceonim ili ugaonim spojevima (sl. VI-8). Tako na primer zavarivanje celika sa povisenim sadrzajem иgljenika, ili zakaljivih niskolegiranih ili polиzakaljivih celika, elektrodama koje ' dаји materijal sava velike jacine, moze _ _ __
"f_,;;,c:'~~~"'"~~=='-Цfl4"'~~-tЉ"-~~~И~liJ"l2i!cK;c.:::;;;"'"''~'"'dШid<:»ved~aoz,±pojav'~i5t.S1iнa~§zavisno'sti"'~ce~'§~~~~
od ve1icine naprezanja. Sklonost ka pojavi prslina se ,povisava ne samo usled prisиstva krtih strиktиra, vec takode i иsled prekomernog rasta zrna, kao na prim.er pri zavarivanjи hromovih feritnih celika. Verovatnoca pojave prslina znatno је veca pri zavarivanjи ugaonih savova, jer su obrazovani troosni naponi и tom slисаји veci; zna se, da ovi naponi rastи sa иkljestenjem i sa povecanjem debljine limova.
1
!
'
1
i
Sl. VI-9 - Spoljni izlged prsline u savu, izradenom automatskim zavarivanjem pod prahom sirokih celicnih limova deЬljine 16 mm (S = 0,07:3%;
Р= 0,092{)/о)
POJAVA PRSLINA U SAVOVIMA
165
Poprecne prsline se razvijajи и materijalи sava (prsline tipa 2), ili se pak rasprostirи и osnovni materijal (prsline tipa 3), ako osnovni materijal nije и stanjи da zaиstavi ove zacetke loma. Na оvи vrstи preloma se, na primer, nailazi pri zavarivanjи celika sa visokim sadrzajem sиmpora i fosfora (sl. VI-9). З. OsoЬine
celika pri povisenim temperaturama
Osobine mq.terijala sava pri povrsenim temperatиrama karakterisи njegovи sklonost ka pojavi prslina. Neki aиstenitni celici, kao sto su nerdajиci 18 Cr-8 Ni, vatrostalni celici sa velikim sadrzajem hroma i nikla, imajи pri povisenim temperatиrama nedovoljno visoke mehanicke osobine, sto и nekim slиcajevima dovodi do pojave -interdendritskih mikroprslina (sl. VI-10). Zna se, da је pojava ili nepostojanje prslina и austenitnim celicima и zavisnosti od izvesne kolicine druge faze ferita (sl. VI-11). Od dva tipa vatrostalnih aиstenitnih celika sa visokim
Sl. VI-10 - И = 200 - Mikrostruktura sava sa mikroprslinom, koja preseca dendrite austenita (С= 0,090/о; Cr 13,20/о; СЬ
Ni =
=
=
16,60/о; 0,580/о)
Sl. VI-11 - U = 1800 - Dvofazna mikrostruktura austenitnog materijala sava. Osnova austenit у; mreza ferit о
sadrzajem hroma i nikla (25 Cr-12 Ni i 25 Cr-20 Ni), koji se иpotreЬlja vajи и termickim aparatima, poslednji је viSe sklon pojavi prslina pri povisenim temperatиrama, po·sto on ima izrazenijи jednofaznи austenitnи strиkturи.
.
Pri izborи aиstenitnih elektroda za zavarivanje aиstenitnih celika treba uzeti и obzir оvи teznjи pojavi prslina pri povisenim teщperatиrama, tj. prisиstvo ili odsиstvo izvesne ko1icine feritne faze, а и slисаји prisиstva ferita, mogиcnost transformacije ove visokotemperatиrne o-faze и intermetalidni strиktиrni sastojak a-fazи, ako doticna koп.strukcija и eksploataciji radi и temperatиrnom intervalи izmedи 650 do 800°С. Ova pitanja се Ьiti mnogo· opsirnije razmatrana и Glavi Х и vezi sa zavarljivo·scu hrom-niklovih aиstenitnih celika.
166
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
Austenitni manganovi celici (13 do 14°/о Mn), koji se upotreЬljavajи obliku elektroda za navarivanje, veoma sи osetljivi prema pojavi prslina иsled prisиstva martenzitne mreze ро granicama aиstenitnih zrna, osiromasenih gamagenim elementima (С, Mn) kao rezиltati procesa oksiи
f
1
1 1 f
! 1 Sl. VI-12 U = 120 Mikroprsline ро granka.ma austenitnih zrna sava od celika sa 130fo mangana (С= 0,80/о; Mn = 9,2%; Ni = 3,10/о)
1
1
!f:
.!
,.
1
l ! 1
1:
1'
1
iJ
dacije ili difиzij:. _Da bi se ovi procesi zaиstavil~ potrebno је. ostvariti . _ .. 0~_Ј."Щ~~""Цlе:r~ 1 .да= ppmerjC.:.lir.z.o· -hlai1enJ_e§S,_vakog~sloJ a~vodom".·-=·=-"'-"' "---"~~ sto doprinos:i prebladivanjи metala. Sklonost ovih ceHka ka рој avi prslina је utoliko veea, ukoliko је u njima щanji sadrzaj иgljenika i mangana. Da bi se srhanjila ili sprecila pojava prslina potrebno је imati и materijalu sava 0.,9 do 1,2°/о ugljenika i 12 do 14°/о mangana. Dodatak nikla, koji olaksava aиstenitizaciju, је takode zadovoljavajиce resenje da Ьi se izbegle mikroprsliџe. Tako na primer, и celikи koji sadrzi 0,8°/о С, 9°/о Mn i 3°/о Ni, mikroprsline nastajи ро granicama zrna (sl. VI-12), dok se и celikи sa visim sadrzajem mangana i nikla (0,8°/о С 12°/о Mn 4,3°/о Ni) mikroprsline ne obrazиju иprkos krиpnozrnoj aиstenitnoj strukturi takvoga metala (sl. VI-13). Prsline и oblasti granice rastapanja na strani materijala sava (tip 4 sa sl. VI-7) mogи se pojaviti usled obrazovanja intermedijarnih legиra koje se odlikuju snizenom plasticnoscи. Pri zavarivanju vrlo raznorodnih celika, ·difиzija elemenata iz O!Sl10V1110g materijala и materijal sava (zonu rastapanja) moze ·da ·dovede do obrazюvanja mikroprslina. Zavarivanje zakaljivih celika (sl. XI-16) aиstenitnim elektrodama ili visokohromnih feritnih celika sa manje legkanim celicima cesto је praceno obrazovanjem lintermedijarnih martenzitnih .struktura, veoma sklonih рој avi prslina.
i__ - - - ..... --~ --~
",~."._,1""'·"<""'·~'"':==- -
Sl. VI-13 - И = 120 - Krupnozrna struktura sava iz austenitnog celika sa 13% mangana ali bez prslina (С = 8%; Mn = 12,3% Ni = 4,30fo)
POJAVA PRSLINA U SAVOVIMA
П-
167
POJAVA PRISLINA U OSNOVNOM MATERIJALU
Pojava nedopustivih gresaka - .prslina predstavlja osnovni kriterijum zavarljivosti osnovnog materijala. Prsline u osnovnom materijalu, koje nastaju u zoni pod uticajem toplote* ili u granici rastapanja, · mogu da budu razlicitog izgleda, sto је opisalo vise autora [2] i [3]. Prsline u zoni pod uticajem toplote (sl. VI-7, greska 5) cesto izbljajti na povrsinu kao i prsline u granici rastapanja (greska 6). Nasuprot tome, prsline u zoni ispod zavara** (greska 8), koje nastaju u osnovnom materijalu u neposrednoj Ьlizini granice rastapanja, lokalizovane su u ogranicenim zapreminama i vrlo retko izbijaju na povrsinu. Vertikalne prsline (greska 7), koje nastaju samo u osnovnom materijalu, javljaju se rede; one su u vezi sa strukturnim transformacijama u osnovnom materijalu. Konacno, poprecne prsline u osnovnom materijalu (greska 9) takode, nastaju rede i cesto vode poreklo od poprecnih prslina materijala sava (greska 3). Ove prsline su uslovljene nedovoljnim kvalitetom osnovnog materijala ili vrlo visokim sopstvenim naprezanjima (pri zavarivanju metala velikih deЬljina). Za dati spoj najcesce dolazi do istog tipa pojave prslina; ako se u zoni pod uticajem. to,plote pojave krti strukturni sastojci kao sto је martenzit, uz sopstvene napone, tada nastaju prsline tipa 5 ili 7, а takode i prsline tipa 6, tj. prsline granice rastapanja*** (sl. VI-14). Prsline granice
Sl. VI-14 - Izgled prsline koja s.e obrazuje u granici rastapanja а zavrsava se u zoni pod uticajem toplote. Vidi se i druga prslina u osнovnom materijalu dve zone transformacije
rastapanja se mnogo cesce susrecu u heterogenim spojevima koji olaksavaju obrazovanje intermedijarnih struktura. Као i za zonu rastapanja uzroci obrazovanja prslina u osnovnom materijalu цюgu da se pripisu oblcnim uzrocima i metalurskim uzrocima. ·* U literaturi cesto nazivane engleskim nazivom "toe cracks" (prim. prev.). U literaturi cesto nazivane engleskim nazivom "underbed cracks" (prim. prev.). ·· ·- · · *** U engleskoj literaturi nekad nazivane i "root cracks" (prim. prev.).
**
168
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
Opsti uzroci
Na obrazovanje ovih prslina uticu uglavnom sledeci opsti faktori: - opsta korozija sa ili bez naprezanja; interkristalna korozija u zavarenim spojevima iz nerdajucih celika; abrazija, koja preterano smanjuje dimenzije komada; - greske u limu, krupni ukljucci, dvoplatnost, nedostatak kompaktnosti (sl. VI-15); - prisustvo napona usled valjanja ili oblikovanja; - m.ehanicki zamori, itd.
Sl. VI-15- И = 400 - Izgled mikroprslina koje se sire izmedu nemetalnih ukljucaka u materijalu sava
Metalurski uzroci
Glavni metalurski faktori, koji mogu dн dovedu do poJave prslina u osnovnom materijalu, uglavnom su sledeci: 1. hemijski sastav osnovnog materijala; 2. prisustvo vodonika; 3. obrazovanje sopstvenih nарола.
1. Hemijski sastav osnovnog materijala Svi celici, skloni obrazovanju struktura kaljenja pri hladenju na vazduhu, vrlo su osetljivi prema pojavi prslina u zoni pod uticajem toplote, sto је uzrok nezavarljivosti velikog br:oja visokougljenicnih i Iegiranih celika. Nasuprot, prsline ovog tipa vrlo se retko javljaju u austenitnim celicima. Neki celici, u kojih se pri ocvrscivanju ingota stvaraju
РОЈ А V А
PRSLIN А U SA VOVIMA
169
oЬlasti
segregiranja elemenata kaljenja, na primer C-Mn celici, osetljivi su prema obrazovanjи prslina. U stvari, delovi osiromaseni manganoю ranije оЬrаzији ferit, dok ugljeпik, difиndиjuci u delove obogacene 1 manganom, olaksava kaljenje. Jedini postиpak termicke obrade, koji иspesno otklanja ovaj vid greske је potpиna homogenizacija lima oko 1 280°С sa potonjim hladenjem na vazdиhи. Priroda, dimenzije i raspodela karbida, igrajи takode znacajnи ulogи 1 и pojavi prslina. Celici sa krupnim karbidima, koji se odLikuju malorn brzinom rastvaranja karЬida и austenitu, manje su skloni obrazovanju prslina, nego celici sa иsitnjenom karЬidnom fazom [4]. Medиtim, Koziarsky [5] koji је specijalno proиcavao Cr-Mo ce1ike sa иsitnjenom karЬidnom fazom, nije nasao nikakav narociti иticaj stepena finoce karЬida na obrazovanje prslina и zoni ispod zavara. Neki autori smatrajи takode, da је metal sa sitnozrnom strиktиrom manje sklon obrazovanjи prslina п.еgо ;rnetal sa krцpnozrno·m struktиrom. Reeve* [6], а zatim RoПasor~ i Roberts [7] pokazali su da ugljenik, silici1 jиm, fosfor i nikl mogи da иticu na ројаvи prsline u zoпi ispod zavara 1 pri visokim temperatиrama; oni smatrajи, da silicijиm i fosfoт samo 'rt indirektno иtiси na proces obrazovanja prslina, time sto olaksavajи se'!f gregacijи sиmpora. Ugljenik negativno иtice na zilavost metala pri visokim temperatиrama, а pri porastи koncentracije Ьгzо postaje krt. Prisиstvo sumpora и vidu sиlfida zeleza (FeS), koji sa zelezom obrazиje lako·topljivи eиtektikи (temperatиra topljenja 985°С) ро granicama zrna takode povecava sklonost metala ka pojavi prslina. Los иticaj sиmpora mogao bi se п.eиtralisati dodavaпjem mangaп.a koji, posto ima veci afinitet prema sиmpo·ru nego zelezи, obrazиje manje opasni sиlfid ;~~~~an~na5 с_ n-_ ;.: · Oi · Ular_:Q.og~Q!Ьllk9,:,;pJ1.ii.Yl_§_QJ~temd;)er:atyr:.L.c,Q,Cic:Jt~E;J1!P.erg,_t:ur.e-~i~~.;"-::i'§-i;ic~{~~~ 1 · obrazovanja.-sumpo·rne eиtektike. Medиtim., posto· se procesi zavarivanja · ! odvijajи veoma brzo, reakcija obrazovanja sиlfida mangana иmesto ! sulfida zeleza је nepotpuna. Negativni иticaj sumpora se ispoljava tim l vise, cim је visi sadrzaj ugljenika и celikи.
i
1
~1·
r·
Pogodin [8] је odredio granice zona zavarenog spoja sa najvecom ka pojavi prs1ina u fиnkciji koncentгacije tri elementa: иglje nika, mangana i sиmpora (sl. VI-16). Sa slike se vidi da se pri zavarivanjи celika sa sadrzajem 0,10°/о ugljeп.ika moze dopustiti koncentracija sumpoтa do 0,08 pri 0,6°/о mangaп.a. u· celiku sa 0,12°/о иgljenika moze nastиpiti obrazovanje prsline pri sadrzajи 0,06°/о sиmpora i 0,6°/о mangana. Za celik, koji sadrzi 0,16°/о иgljenika, maksimalno dopиStena koncentracija sumpora, pri kojoj prsline jos ne nastaju, iznosi 0,02°/о. Povo1jan иticaj mangana п.а sиprotstavljanje celika pojavi prslina, prikazan је dijagramom na sl. VI-16, koji se dobro slaze sa rezиltatima Reeve-a i Wallace-a [6]. sklonoscи
2. Uticaj vodonika
Na
\
/'
pretpostavku о иticaju vodonika na ројаvи prslina Ьilo и zoni ispod zavara Ьilo и granici rastapanja vec dиZe vremena иkаzије v1se istrazivaca, a1i је to prvi риt dokazano od strane engleskih naиcnika [9].
* Riv
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
170
Prsline koje se prostiru paralelno sa savom, nastajи и zoni najvece tvrdoce pri zavarivanjи oЪicnim ugljenicnim elektrodama, cija oЬlo·ga sadrzi materijale koji Ьi mogli dati vodonik. 0,10
0,09
0,08 1
1.
......
~ 0,07
1 !
!
i' !
::
0,5
. 0,6
0,7
о.в
0,9
1.0
SadriOI mongano ( 'Ycr)
Sl. VI-16 - Uticaj sumpora na pojavu prslina u zavisnosti od sadrzaja ugljenika i mangana u celiku i. 1
i
::
l
Uticaj vodonika na obrazovanje prslina se pojavljиje kao tipican primer vodonicne krtosti pri temperatиram·a oko 200°С. Da bi se pokazao иticaj vodonika na ројаvи prs1ina, treba odmah ukazati na metode za sprecavanje obrazovanja prslina и zoni ispod zavara: а) zavarivanje golim elektrodama ili austenitnim hromniklovim elektrodama tipa 18 Cr - 8 Ni, cija oblo·ga ne sadrzi ni се1иlоzи ni higroskopne materije; Ь) zavarivanje elektrodama, osиsenim pri 400 ili 500°С, и cilju po·tpunog uklanjanja vlage i jednog dela konstitucione vode. Zadovoljavajиce oЪjasnjenje о иtiсаји vodonika na obrazovanje prslina dao је Zapffe [10] ·zasnovano na razlicitoj rastvorljivosti vodonika и zelezu u zavisnosti od temperatиre. Visoki temperatиrni gradijent, koji se stvara pri zavarivanjи izmeёlu zone rastapanja zagrejane do vrlo visokih temperatиra i jos hladnog osnovnog materijala, moze, pri иslovi ma visoke koncentracije vodonika и atmosferi elektricnog luka, da
~----------------------------------------------------
РОЈ А V А
PRSLIN А U SA VOVIMA
171
stvori и metalи paralelno toplotnom gradijentи koncentracioni gradijent rastvorenog vodonika. Atomi vodonika koji difиndиjи и kristalnи resetkи celika, dovode do prekomernog zasicenja hladnog metala vodonikom. s drиge strane, atomi vodonika koji se oslobadajи iz cvrstog rastvora, trenиtno prelaze. и molekule Н 2 , nerastvorljive и metalи, i stvarajи veoma visoka naprezanja и kristalnoj resetci, koja mogи da prevazidи jacinи loma metala i da time izazovи lokalnи ројаvи prs1ina. Koncentracija rastvorenog vodonika и zoni rastapanja elektro1иcno zavarenog sava moze Ьiti znatna; ona Ьitno zavisi od tipa obloge i od njenog stepena vlaznosti. Koncentracija. vodonika и ·materijalи sava, nanetom celиloznim elektrodama moze da dostigne 25 do 30 cm3/100 g vodonika а bazicnim elektrodama 4 do 8 cm3 /100 g. Zona rastapanja Ьiсе prezasicena vodoпikom koji се onda difиndovati и hladnije delove osnovnog materijala. Usled toga се sadrzaj vodonika и delovima osnovnog materijala и neposrednoj blizini sava (zona ispod zavara)~ Ьiti znatno visi и poredenjи sa granicnom rastvorljivoscи vodonika и metalи pri oblcnim temperatиrama, koja iznosi oko 1 cm3/100 g (sl. V -29). U tokи hladenja zavarenog spoja, vodonik difиndиje и mesta diskontinиalnosti, и slojeve izmedц zrna, и gasne mehиrove, itd., gde se rekomЬinиje и molekиlarni nerastvo·reni vodonik Н 2 , sto dovodi do nastajanja visokih lokalnih naprezanj а.* Sиmarna naprezanja, koja se sastoje iz pritisaka, izazvanih molekи larnom transformacijom vodonika, iz toplotnih naprezanja i eventиal nih naprezanja koja sи rezиltat strиktиrnih transformacija pri zavarivanjи legiranih celika и toj zoni, mogи da prevazidи и ogranicenim zapreminama metala vrednost jacine materijala. Lokalizovanje ovih prslina i mogиcnost njihovog izbegavanja .~. >;,..~-~, ~~''"':~- #RJJ1~m--sus.enJд~e-lektto·dne,: _Q:b1Q'g~,;"'-J>c9~-=7ii~-,, · - --tvrduju-hipпtezиodominirajuc em utiво саји vodonika na pojave prslin а и zoni ...... ~ ispod zavara. ... 60 U vezi sa ovom hipotezom, Ма> let i Ripel** [11] sи pokazal1 da је • ' sklonost osnovnog ma terij ala k а ;pojavi "U prslina и zoni ispod zavara и vezi sa / ~ 40 ::3 koncentracijom vodonika и а tmosferi ·а -;;; elektricnog lиka (sl. VI-17). ::3 I mi srцo иkazali na Cinjenicи, da 20 .s bi promena · brzine difиzij е vod onika и -;;; ... Q.. odnisи 1 : 10 000 и temperatиrn om in. tervalu 200 do 300°С (sl. V-33 ) шogla о о 10 ' 20 30 40 50 60 da objasni mogиcnost velikog lokalnog Vodonlk и smesi gasova ( %) povisenja pritiska - usled toga sto se prezasiceni vodonik tesko moze da odVI-17 - Zavisnost izmedu pojastrani pri nislюj temperatиri иsled svo- Sl. ve prslina u savu i potencijalnog je male brzine difиndovanja. vodonika u oЬlozi elektrode '
----=--·"''-~"';::::;·:,_
о
.
о
о с:
о
а.
_
..,.,,_ ..........,__..
v
у
ф
*
U prilogu ove glavne date su racunske vrednosti pritisaka koji se razvijaju transformacije vodonika 2Н - - t Н 2 • Mallett i Rieppel
prШkom
- **
~
lf
/
.
li
.
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
172
3. Obrazovanje sopstvenih napona Sopstveni naponi и zavarenom sроји poticи od: а) temperatиrnog
gradijenta
ciklиsa
zavarivanja, koji dovodi do pozavarivanja komada velikih deЬljina i
jave dvoosnih napona а и slисаји do troosnih napona. Pre kratkog vremena, pиЬlikovan је jedan veoma znacajan rad Н. Zerboa,* koji se odnosi na proЬlem napona i opasnosti od krtog loma и zavarenoj konstrukciji [20]; Ь) strиkturnih 1
transformacija, koje
izazivajи
obrazovanje lokalnih
napona.
1'
а)
1 1
'
i 1i 1
1
;i
i
l:
i/
·.
11
ovi naponi, nastali иsled иkljestenja ili samoиkljestenja pri dejstvи toplotnog ciklиsa zavarivanja, и prisиstvи vodonika dovode do veoma izraiene krtosti celika. Aиtor је pokazao da sи dve eprиvete za ispitivanje иdarne zilavosti, izrezane iz jedne te iste sipke niskoиgljenicnog celika, od kojih је jedna podvrgnиta hladnoj deformaciji, а drиga zarenjи, i, posle elektrolitickog zasicenj а vodonikom оЬе eprиvete pri istim иslovima, dale vrednosti za иdarnи zilavost koje su se razlikovali za vise od dva риtа tj. 4 do 5 kprn/cm 2 za hladno deformisanи eprиvetи i 12 do 14 kpm/cm 2 za zarenи eprиvetи. Ovo dokazиje da је, ako и savи. ne dode do ,pojave prslina
1,Jfio,o~~Ђ~~~~;;~~;~~~~~;~;~~~;~i~i~i~~~t#~,,~~"'~ : 1 1 ' l1
.
)ј
. [ј jl
'
i! i
!i
1
1 .ll
badanjи vodonika .. Ь)
zna se da Је obrazovanje martenzita praceno deformacijom kristalne kиbne resetke a-zeleza (tetragonalna resetka а') иz stvaranje vrlo visokih napona, koji sи иzrok povisene tvrdoce i krtosti ovog struktиrnog sastojka. Prisustvo martenzita и zoni pod иticajem toplote dovodi и prisиstvи vodonika do izrazenog povecanja krtosti zone ispod zavara osnovnog materijala. Jedan od najcescih иzroka povecanja krtosti zопе is,pod zavara jeste razvijena struktиrna transformacija, na primer, tipa martenzita ili donjeg bejnita, koja nastaje и prisustvи vise manje znatne kolicine difиn dиjuceg vodonika. Као kriterijum za odredivanje stepena strиktиrnih transformacija и osnovnom materijalи slиzi tvrdoca и zoni ispod zavara, koja se cesto kombinиje sa metalografskom analizom. Bez zelje da se iz ovog ispitivanja izvиkи zakljиcci о zavarljivosti celika, kako to rade neki istraiivaci, moguce је, za jednи vrstи datog celika, иstanoviti vezи izmedи
*
Gerbeaux
POJAVA PRSLINA U SAVOVIMA
173
sklonosti ka pojavi prsliпa i tvrdoce u zoni ispod zavara ili tacnije, izmedu gradijenta tvrdoce i razlika njenih apsolutnih vrednosti tvrdoce ро preseku zavarenog spoja.
Zona rastapanja
Osnovn/ matвrljal 140 160 100 200 220 240 260 280 300
Tvrdoca
НВ
Sl. VI-18 - Isp1tivanje raS!podele tvrdoce u zoni ispod zavara. Promena tvrdoce u wni ispod zavara za slucaj Ьеz predgrevanja (kriva 1) i sa predgrevanjem do 200°С (kriva 2)
Ovo ispitivanje, veoma privlacno usled svoje jednostavnosti, ipak zahteva veoma precizno merenje tvrdoce dijamantskom prizmom tipa Vickers, ili odredivanje mikrotvrdoce pri malom opterecenju, * kalю Ьi se mogle pratiti sve strukture transformacije. Jedan primer takvog ispitivanja na niskolegiranom celiku debljine 50 mm (С = 0,15°/о; Ni = 2,30°/о; Cr = 0,35°/о; Мо = 0,25°/о) dat је na slici VI-18. Tvrdoca ovog celika u zarenom stnju iznosi 160 do 165 НВ. Zona pod uticajem toplote, cija sirina iznosi 2,5 do 3 mm, pri zavarivanju elektrodama precnika 4 mm, ima maksimalnu tvrdocu 285 НВ u delovima strukture gornjeg bejnita (sl. VI-19). Prema tome, struktura i tvrdoca se mogu dovesti u vezu, а takode se moze definisati uticaj predgrevanja ili naknadnog zagrevanja posle zavarivanja (sl. VI-18).
* Na primer Durimet
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
174
Proиcavanje tvrdoce и zoni zavara omogиcilo је da se izvиkи
ispod vazni zakljиcci о иtiсаји formиla ekvivalentnog иgljenika (vidi Glavи VII). Ugljenik i mangan, а narocito иg ljenik, imajи bitno иticaja na ројаvи prslina и zoni ispod zavara. Za jednи grири C-Mn celika deЬljine 25 mm иs tanovljeno је, da sklonost ka pojavi prslina brzo raste sa иvecanjem sadrzaja иgljenika od 0,17 do 0,32°/о. Pri konstatnom sadrzajи иgljenika (0,21 °/о) povecanje koncentracije mangana sa 0,90 do 1,5°/о neznatno povisava sklonost ka pojavi prslina. Najzad, иveca nje sadrzaja silicijиma od 0,20 do Sl. VI~19 - U = 1000 - Bejnitna 0,90°/о pri konstantnom sadrzajи drugih stгuktura najtvrde zone НВ = elemenata и celikи, izaziva samo slabo = 285 Brinela (vidi sl. VI-18) povisenj е sklonosti ka obrazovanj u prslina. Williams [12] i njegovi saradnici zakljиcili su da mangan i silicijum иtiси na otvrdnjavanje (povecanjem krtosti) celika cetiri риtа slablje nego иgljenik, i prikazali sи vrednost ekvivalentnog иgljenika sledecom jednacinom:
[С] =С%+ Mn% + Si% 4
4
~~~=~~wt~~~~~ч;~a:~~Љ!~~1f7ћr~i,~~a~*~t~~1~~Ji~~~~f~~~~rr!~~~;;~,,~"j~~:±~,~,~~ (sl. VI-20). 100
vi
90 во
1
:; 70
ј
"........
Ј
~
'! 1
ф60 с:
Volj bni
~50
Celi~~~
Liven/ ёelik
30
i
1 1
1
1
20
10 о
1
1/ 1{
40
.Ј о
0,20
1/
0.40
Ј
ј
0,60
0,80
Ekvivofent ugljenika {С/= С+-
1,0
"1" +- ~ •
4
(%)
Sl. VI-20 Zavisnost sklonosti ka pojavi prslina od ekvivalentnog ugljenika [С] za C-Mn celik (deЬljine 12,6 mm). (Prema Williams-u)
POJAVA PRSLINA U SAVOVIMA
175
Tako na p1·imer, kri' а 1 na sl. VI-20 pokazuje, da sklonost ka pojavi prslina veoma brzo raste ,pri relativno malom uvecanju ekvivalentnog ugljenika: pri promeni ~kvivalentnog ugljenika od 0,40 do 0,60 sklonost ka obrazovanju prslina raste od 5 na 90°/о. Isti autori su pokazali, da је liveni celik manje sklon ka pojavi prslina nego valjani; uzrok ove pojave oni nisu objasnili. Dodaci u kolicini do 0,05°/о vanadija, 0,45°/о moliЬdena do 1,0°/о hroma i do 0,04°/о titana ne pokazuju znatnije izmene sklonosti ka pojavi prslina. Aluminijum, koji se celiku dodaje u cilju dezoksidacije, pokazuje povoljan uticaj na sprecavanje pojave prslina. u celiku deЬljine 25 mm pri sadrzajima 0,21 ugljenika, 1,35°/о mangana, 0,28°/о silicijuma, sklonost ka pojavi prslina se bitno snizava (kriva 2 slika VI-20) sa uvodenjem u celik aluminijuma u kolicini 1,8 kp/t [13]. Folkhard [14] preporucuje da se za umirenje celika. primeni aluminijum kao narocito povoljno sredstvo za snizenje tvrdoce u zoni ispod zavara i kao posledica toga, smanjenje sklonosti ka pojavi prslina. Hemijski sastav ispitivanih ceiika А i В, prikazan је u taЬlici VI-1; ovi se celici razlikuju samo ро kolicini aluminijuma: TABLICA VI-1 в
Mn
Si
s
р
Al
[С]
Celik А ....... .
0,21
1,38
0,44
0,039
0,025
0,057
0,66
Celik В ....... .
0,22
1,22
0,41
0,019
0,030
0,001
0,62
Oznaka celika
Celika А је manje sklon ka pojavi prslina u zoni ispod zavara nego celik В. Prema krivoj Williamsa (sl. VI-20) kolicina prslina u celiku А pri ekvivalentnom ugljeniku [С] = 0,66 treba da iznosi 92°/о, а za celik В pri ekvivalentnom ugljeniku [С] = 0,62 - - t 90°/о. Medutim, kolicina nadenih prslina u celiku А ne prelazi 5 do 10°/о. Povoljan uticaj aluminijuma na suprotstavljanje celika pojavi prslina moze da se objasni ubrzanom koagulacijom karbida u toku zarenja. U taЬlici VI-2 prikazano је nekoliko rezultata о uticaju hemijskog sastava razliCitih vrsta konstrukcionih manganovih celika na sklonost ka pojavi prslina. Analiza ovih rezultata pokazuje, da sklonost ka pojavi prslina zavisi s jedne strane, od hemijskog sastava celika, а s druge strane, od vrste elektrode i pocetne temperature zavarivanih komada.
111- METODE ZA SPRECAVANJE POJAVE PRSLINA Za uЬlazivanje, а u vise slucajeva i za sprecavanje pojave prslina u zavarenim spojevima primenjuju se sledeci postupci: 1. upotreba niskovodonicnih elektroda, na primer, nekih elektгoda bazicnog tipa;
·~·-
1'"
1-' -.] ф
т~,1~rc~~I-2
.,,1==-----,.
V rsta celika
C-Mn C-Mn C-Mn C-Mn C-Mn C-Mn C-Mn C-Mn
(V- Тi) . .....
(Ti) ........ (V-Тi) ...... (V-Ti) ...... (V-Ti) ...... (V-Ti) ...... (V- Тi) . ..... ............
C-Mn ............ C-Mn ............ 1 C-Mn ............ 1 C-Mn ............ 1
DeЫjina
с
(mm)
(%)
25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 :ю
25 25
О, 14
0,15 о,17
0,17 0,17 0,17 0,17 0,17 0,17 0,30 0,30 0,35 0,35 0,37 0,37 0,21 0,20 0,19 0,19
-
.
(1) Е 6010: celulozna elektroda ( 2 )Е
Mn (%)
6015: bazicna elektroda
···"-
Tip elektrode
Si (%)
1,16 1 0,27 1,28 0,28 1,17 0,29 1,17 0,29 1,17 0,29 1,17 0,29 1,27 0,34 1,25 1 0,34 1,25 , 0,34 0,76 0,20 0,76 0,20 0,89 0,21 0,89 0,21 1,50 0,23 1,50 0,23 0,78 0,03 0,87 0,25 1,43 0,28 1,43 0,28
-~-
о,оз
'['ji' ЈЩр,о2
.
т~
Е
Т1
Е
Ti
Е
тi
Е
0,05 V~p~Ol 1:11 0,05 Vrr0~01 Ti
Е
0,02 vi~Pr01 Ti
Е
\iid,01
0,05 о,о5
~$d~01 1 tl: Vi7.'aro1 iH'· 1
шн
0,02
· Т1
1
V'\'i. 'P·,·IOl !\');,'; ~
~~~~·:
l~.•. i
Ti
1
Е Е Е
I~\·:
Е
i~:.\ 1
Е
'ifi
ш;
Е
11,.1, i~J:(
Е
'<;ј.~
f~-.
Е
l!IH:~i\'~; Н•\
1\.' 1'.' 'ј\1:
о' ззli\11~1'r·: о 1
0,33,i
1
ј:!ц
-------nн. ~----·~~~)
liil.
\(\i)
Е Е
Е Е Е
6010 (1) 6010 6010 6010 6010 6010 6010 6010 6015 (2) 6010 6015 6010 6015 6010 6015 6010 6010 6010 6015
------ - - - ·
Tcmperatura lima 0
( С)
-
10 10 10 + 15 + 50 + 100 - 10 + 25
+ 25 + 25 + 25 + 25 + 25 + 25 + 25 + 25 t- 25 -
- - - -·-------
10 10
Srednja kolicшa
mikroprslina
1
lzyorna literatura
(%) 1 5 28 26 42 о
[10] [10] [10] [10] [10] [10]
~ tжЈ
>-ј
:>
t"
с:
::0
о
t:
:>
21 16
N
о
::0
:> <: :>
н
<: :>
57
z
о
"-!
70
:>
о
(') tжЈ
t"
84
н
~
:>
о
4
[18]
з
78 о -- .. --
[17] [ 17] ----------'-----·
POJAVA PRSLINA U SAVOVIMA
177
2. upotreba aиstenitnih elektroda; 3. predgrevanje zavarivanih komada. Vec smo иz tablicи VI-2 napomenиli da primena bazicne elektrode moze spreciti ројаvи mikroprslina pri zavarivanjи celika, koji Ьi, zavaren celиioznim elektrodama, imao vise od 80°/о prslina и zoni ispod zavara. Razmatrani celik sa С = 0,37°/о, Mn = 1,5°/о, Si = 0,23°/о odlikиje se znatnim obrazovanjem donjeg bejnita и zoni ispod zavara. Prisиstvo vodonika. и slисаји slicnih intermedijarnih strиktиra doprinosi nastajanjи visokih lokalnih naprezanja i izaziva ve1ikи krtost (84°/о). Primena bazicne elektrode, ciji rastopljeni dodatni materijal sadrzi neznatnи ko1icinи vodonika, koji moze da difиndиj е, и velikoj · meri snizava sklonost ka pojavi prslina. Povecanje precnika elektrode datog tipa takode se javlja kao povoljan faktor. Vaughan i De Morton [15], pri izиcavanjи иti caja vodonika na mehanizam pojave prslina и celikи, dosli sи do zakljиc ka, da pгecnik elektrode u procesima pojave prslina nije glavni faktor, vec da kao prvostepeni faktor treba smatrati toplotnи energija lиka, koja se odnosi na jedinicи dиzine sava (pogonska energija). Prema tome, pojava prslina pri zavarivanjи se moze javiti sa malim i velikim precnikom elektrode, ali osetljivost prema ovoj gresci prolazi kroz minimиm pri vrednosti pogonske energij е lиka izmedи 1О do 12 kJ/cm (sl. VI-21), а zatim se povecava sa porastom precnika elektrode pri jednovremenom povecanjи иnosenja toplotne energije.
-
-.
;.;".,_
~-....,
-- -
..
70
Е
U6Q о
а.
о50
.Е
~40 а.
.
о
~30
'
Е
'ё"20 СХ1
10 оо
10 30 20 Pogonska energija luko (kl/cm)
40
Sl. VI-21 - Uticaj pogonske energije luka на sklonost ka pojavi prsliнa
2. Primena aиstenitnih elektroda tipa 18 Cr-8 Ni takode pokazиje povoljan иticaj na sprecavanje pojave prslina иsled vece rastvorljivosti vodonika и aиstenitnom materijalи sava, koji zadrzava vodonik koji Ьi inace difиndovao и zonи ispod zavara. 12 Metalurgija zavarivaцja
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
178
Primena austenitnih elektroda namesto .niskougljenicnih, za zavarivanje celika sklonih ka pojavi prslina, moze biti resenje za sprecavanje mikгoprslina u granici rastapanja i u zoni pod uticajem toplote. Као primer moze da posluzi zavarivanje jako zakaljivih ili samozakaljivih celika (pancirni celici) austenitnim elektrodama. 3. Konacno, predgrevanje zavarivanih komada smanjuje brzinu hladenja i, nesumпjivo, predstavlja najefikasnije sredstvo za sprecavanje pojave prslina u zoni pod uticajem toplote. Predgrevanje zavarivanih komana ima vise preimucstava: UЬlazuje znacaj strukturnih transformacija pomerajuci ih ka ravnoteznim strukturama; u izvesnoj meri smanjuje 1okalna naprezanja izazvana strukturnim transformacijama; >
-
400
350
Krltlcna taclco
о~
150
/
................
о'<-
............
100
~- )(-~
•--- -~---
А@
--------®-
2
з
Vreme (min.)
Sl. VI-22 -
Uticaj brzine hladenja na pojavu
Kriva 1 - Elektroda precnika Kriva 2 - Elektroda precnika Kriva 3 - Elektroda precnika nema prslina. Kriva 4 - Elektroda precnika
i 1 1
1
mikrcprsliнa.
3,2 mm; 65 prslina ро 1 cm• 5 mm; 11 prslina ро 1 cm' 5 mm; predgrevanje do 100°С 6 mm; 75 prslina
ро
1 cm•
POJAVA PRSLINA U SAVOVIMA
179
- olaksava difuziju vodonika iz materijala sava, pocetnog uzroka pojavi prslina, а takode olaksava osloЬadanje drugih gasova, smanjujuci ili sprecavajuci obrazovanje gasnih mehurova. Uopste govoreci, temperaturu predgrevanja treba predvideti utoliko visu ukoliko је veca zakaljivost osnovnog materijala.
Vaughan i De Morton [15] su ustanovili, da sklonost ka pojavi prslina ne zavisi samo od bгzine hladenja, nego пarocito od brzine prolaska kroz temperaturni interval izmedu 150 i 120°С u kojem је prema nedavnim radovima Flanigan-a i saradnika [16], nastajanje prslina najverovatnije. Tako na primer, pri zavarivanju elektrodama · precnika 6 mm i pri smanjenju brzine hladenja pocev od 400°С (sl. VI-22), broj obrazovanih mikroprslina ро 1 cm2 izпosi 75 (kriva 4), dok pri brzem hladenju (kriva 1) posle zavarivanja elektгodama precnika 3,2 mm, nastaje samo 65 mirkoprslina ро 1 cm2 • Ako predgrevanje izaziva primetno smanjenje brzine hladenja, iznad "kriticne brzine" pri temperaturi 150°С, tada је moguce izheci pojavu mikroprslina (kriva 3, sl. VI-22). Ovi rezultati navode na pomisao, da temperatura predgrevanja zavarivanih komada ne definise potpuno efikasnost sprecavanja prslina; ona treba da bude takva, kako Ьi obezbedila brzinu hladenja ispod "kriticne brzine" u intervalu 120-150°С. Efikasnost ,predgrevanja zavisi takode od kolicine apsorbovanog vodonika u materijalu sava, ра prema tome od prirode oЬloge. Iz eksperimenata Kotrela* [18], Bredstrita i Dzonsa** se vidi, da br-
_
:.,_'--·-+'~~~l?t~~jiiag-~1ri~xigE~1f~q~f!~~~ti~~1~~~i~\\~~~~Wa~Aз~;~~~~~~,~?-~~~·~'~"~~~"!~ nika) dovodi do obrazovanja prs1ina. U taЬlici VI-3 navedene su vrednosti za kolicinu prslina u zavisnosti od vremena prolaska temperaturnog intervala 150 do 135°С. Iz taЬlice VI-3 sledi, da za jedan te isti precnik elektrode (5 mm), pri trajanju prolaska naznacenog temperaturnog intervala od 10 sec u zoni ispod zaTABLICA VI-3 Precnik bazicnih elektroda (mm)
3,2
Trajanje hladenja· u intervalu 150-135 ос (sec) 2,5
KoliCina mikroprslina (ст~
65
5,0 5,0 (sa predgre-
10
15
100°С)
100 12,5
75
vanjem do
6,0
* Cottrell ** Bradstreet
and
Ј ones
о
ро
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
180
vara obrazuje se 15 mikroprslina ро 1 cm 2 • Pri predgrevanju do temperature od 100°С, koje izaziva produzenje trajanja prolaska naznacenog temperaturnog intervala do 100 sec, nije Ьila otkrivena nijedna mikroprslina.
PRILOG
Primer proracuna pritiska vodonika u materijalu sava Da bi se doЪila predstava о pritiscima, lюji se razvijaju tokom transformacije 2Н - - 7 Н 2 u tecrюm i u cvrstom stanju zeleza, pri temperaturi 30°С, razmotrimo reakciju ravnote:Ze: 2Н+=~ н?.
cija
је
konstanta ravnoteze
Кн2 = ГРнl2 РН2
Parcijalni pritisak atomnog vodonika vodonika Н 0 /о
рн propoтcionalan је
sadrzaju _,'
odakle ~=
-
[Н%]2
Кн2
.
...
с"
i'~-~--··_,,.",~'="';"~-'·'""';,;"'7:"~~~==c~4€3-fi!~~Fdst~ui"f:l9]~'f.':ili~"'4~~~-'i·4/,ci:'±c"•'•~,c:":~~#~~.i~i'k~~'i"i.':i•ii•?ccj'fo:;~~"""'"i--2~~~~"i~·''·-cj:o:.~§:;;;~t-log Кн2 Za
Т
1 815°
К
=
-
5 340
--- т
2,34.
(= 1 540°С) р}1Ј 5 = 1,92 Х 10 5 Х [Н 0 /о] 2 •
Koncentracija vodonika u tecnoj fazi dostize vrednost reda 3 Х 10-з 0 /о sto daje P~i 5 = 1,92 Х 10 5 Х [3 Х 10-3] 2 = 1,70 atm. Kolicina rastvorenog vodonika u cvrstoj fazi pri Т = 300°К iznosi 6,2 Х 10-8 0/о (19). Pri toj temperaturi је priЬlizno Кн 2 = 10-20 ; prema tome р~~= 10 20 [6,2 Х 10-8]2 = 4 Х 10 5 atm. Pri sobnoj temperaturi dakle prelaz vodonika iz atomnog u molekularno stanje dovodi do razvijanja pritiska reda 100 000 at. U materijalu sava prezasicenom vodonikom, koncentracija vodonika dostize vrednost 5 do 10 cm3 na. 100 g metala ili 5 Х 10- 5 0 /о. pffg= 1020 [5 Х 10-5] 2 = 2 Х 1011 atm. Analogan proracun se moze izvesti za azot. Konstanta ravnoteze reakcije: 2N +== N.>;
POJAVA PRSLINA U SAVOVIMA
KN2
181
[PN] PN2
=
Posto је koncentracije atomnog azota proporcioпalna .parcijalnom pritisku PN2, moze se napisati sledeca jednacina: [N%]2
PN2=-KN2
pri log KN 2 = --
2 340
prema Ј. D. Fast-u [19]. U tecnom stanju pri temperaturi р~;rз
=
т
Т
-1,43
= 1 813°К
520 [N°/o] 2 = 520 [45 Х l0- 3]2 = 1 atm.
Pri sobnoj temperaturi Т = 300°К ravnotezni sadrzaj azota iznosi 1,4 х 10-5 i KNz = 2 Х 10-10 priЬlizno; odakle з оо рN 10 [1,4 Х l0-5] 2 = 4 atm. 2 = 2 Х 10 Teorijski posmatrano, pritisci koje razvija azot ne uticu na proces pojave prslina u materijalu sava. Ovaj gas utice na povecanje krtosti materijala sava usled obrazovanja nitrida zeleza.
BIBLIOGRAFIJ А '.
[1] D. Seterii:tn: L'Indicateur Industriel (Geneve), 665, n°9 (1957). [2] F. Meunier i Ј. SebiПe: Rev. Metall. nos 5-6 (1947), 180. [3] Н. Granjon: Soud. et Techn. Con., vol. VII, nos 3-4 .(1954), 89. [4] С. Е. Sims i Н. М. Banta: The Welding Jour., 28, n°7 (1947), 326. А. L. Schaefjler, Н. С. Campbell i Н. Tielsch, The Welding Јонr. Suppl., 31, n°6 (1952) 283 s. Ј. L. Hoyt, С. Е. Sima i Н. М. Banta: The Welding Jour., 24, n°9 (1945), 433. [5] Ј. Koziarski: The Welding Jour., 30, n°2 (1951), 163. [6] L. Reeve: Trans. Inst. Welding., 8 (1945), 80. R. М. WаПасе: The Welding Jour. Suppl., 18 (1939), 17 s. [7] Е. С. Rollason i D. F. Т. Roberts: Trans. Inst. Welding, 13 (1950), 129; Jour. Iron and Steel Inst., 166 (1950), 105. [8] G. I. Pogodin Aleksejev: Theorie der Schweissprozesse, Verlag Technik, Berlin, (1953), 257. [9] W. Andrews: Metallurgy of Steel Welding; Britisch Weld. Resear. Assoc. (1948) 5. Н. А. Sloman, Т. Е. Rooney i Т. Н. Schofield: British Weld. Resear. Assoc. (1948), 19. G. L. Hopkin: British Weld. Resear. Assoc. (1948), 19. L. Reeve: British Weld. Researc. Assoc. (1948), 48. [10] Zapffe: The Weld. Jour. Suppl., 19 (1940), 24. Zapffe i С. Е. Sims: The Welding Journal Suppl., 19 (1940), 377 s.
182
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
[11] М. W. Mallett i Р. Ј. Rieppel: The Welding Jour. Suppl., 25 (1946), 748 s. [12] R. D. WШiams, D. В. Roach, D. С. Martin i С. В. Voldrich: The Welding Jour. Suppl., 28, (1949), 311 s. [13] С. Е. Sims i М. М. Banta: The Welding Jour. Supl., 28 (1949), 178 s. [14] Е. Folkhard: Schw. und Sch., 4 (1952), 139. [15] Н. G. Vaughan i М. Е. de Mortoт1-: British Weld. Jour., 1 (1957), 40. [16] А. Е. Flanigan i Ti Micleu: The Welding Jour. Suppl., 32 (1953), 99 s. [17] F. R. Baysinger, R. G. Kiline, Р. Ј. Rieppel i С. В. VoLdrich: The WeJ:ding Jour., 30, n°10 (1951). [18] С. L. М. CottreП: The Welding Jour. Suppl., 32 (1953), 257 s. [19] Ј. D. Fast: Philips Research. Rep., 5 (1950), 37. [20] Н. Gerbeaux: Soud. et Techn. Conn., vol. XII, nos 3-4 (1958), 109.
~----··~-~------~-~-~~~------------------
GLAVA VII
PREDGREVANJE ZAVARIVANIH KOMADA
1 - UTICAJ PREDGREVANJA KOM:ADA NA POJAVU PRSL!NA U prethodnoj glavi skrenuli smo paznju na vaznost predgrevanja u cilju sprecavanja pojave prslina. Ako је odredivanje temperature predgrevanja jos do nedavno vrseno prema tehnickim preporukama pojedinih fabrika ili је vrseno empirijski, to skorasnji radovi Hessa, Cottrella, Bradstreeta i drugih dozvoljavaju da se temperatura predgrevanja odredi u zavisn.osti od hemijskog sastava osnovnog materijala i fa:ktora koji uticu na izvrsenje zavarenih spojeva, naime: tipa spoja, vrste i precnika elektrode, deЬljine zavarivanog сеc~i'~~~~~ii11l=j:~:S:mil~Щr_QД1~enulf±vaz
da је brzina hladenja u temperaturnom intervalu izmedu 150 do 200°С, vezana za izvesnu "kriticnu brzinu", presudni cinilac u pojavi prslina. Isto talю је Ьilo pokazamo, da pojava prslina ne zavisi od precnika elektrode, vec od toplotne energije, koja se oslobada pri, zavarivanju u jedinici vremena. Ova energija, izrazena u funkciji energetskih parametara elektricnog luka, odreduje se iz izraza Q=EIXt gde
је
Е
-
I t -
/
ро
napon elektricnog luka u V; jaeina struje u А; vreme topljenja elektrode.
Toplotna energija, izrazena u dzaulima (Ј) ili u vat-sekundima (Ws) santimetru dиZine sava, odreduje se iz obrasca
Q = Elx6~ v
gde
(1)
је
brzina zavarivanja u cm/min. Tako na primer, za elektrodu precnika 6 mm pri jacini struje 250 А, naponu elektricnog luka 30 V (merenom direktno na elektrodi) i brzini v -
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
184
zavarivanja 20 cm/min primenjena energija iznosi: Q
Ј
250 х 30 х 60_ 20
=
=
22,5 kJ.
7r---,_---+----r---+----+--~~--
60
х
10 3
Sl. VII-1 - Uticaj pogonske energije luka i brzine zavarivanja na duЬinu uvara (prema Ј ackson-u i Goodwin-u)
~ ....,.
З
Of-----+--_L_4---+---+-----+----+-----i
~ '1
!
'
:. '~
=~/,l:~~f'~~"J'i~-"o~,-~-,~,,:
~
•
2,5~--4~4JOL"-4---~~-~-o-~--~-~~-~
Ф2Q~--k~~oo~aa~--hv~~~~~--~--~
о
i
-~
.
ii
"8
1,5
1 1
!
1
!ј
~
~----~
----
0= 18000 (Jjcm)
Q
r
r,:
-.. . . . .
1
~
f---
r---"
1.0 f-----+-----+----1------;----+---+-------4
.Ђ ::1
а 0.5~-~--4---~--4---4---·~-~
о
10
20
за
40
50
70
Brzino zovorivonjo (ст/ min )
Sl. VII-2 - Uticaj brzine zavarivanja na duЬinu zone pod uticajem toplote pri ,konstantnoj vrednosti pogonske energije luka Q = 18 000 J/cm (prema Jackson-u i Goodwin-u)
PREDGREVANJE ZAVARIVANIH KOMADA
185
Dva luka jednake toplotne energije mogu da pokazu vrlo razlicit uticaj na geometriju zavarenog spoja u zavisnosti od velicine energetskih parametara, koji ulaze u jednacinu (1).
Dzekson i Gudvin* [1] su pokazali, da pri jednoj te istoj energiji luka dublna uvara raste sa povecanjem brzine zavarivanja (sl. VII-1); nasuprot tome, sirina zone pod uticajem toplote u zoni ispod navara jako se uvecava, kada se brzina zavarivanja smanjuje (sl. VII-2). Hess i njegovi saradnici [2] ispitivali su uticaj temperature predgrevanja na brzinu hladenja materijala sava u zavisnosti od energije luka za razlicite izotermne slojeve zone pod uticajem toplote. Mi smo uopstili rezultate ovih ispitivanja i graficki ih predstavili na slikama VII-3, VII-4, N"II-5; iz njih se mogu izvuci sledeci zakljucci: Pri jednoj te istoj deЬljini osnovnog materijala i pri jednakoj kolicini unete toplotne energije brzina hladenja vrlo brzo o,pada sa povecanjem temperatura predgrevanja. Tako na primer za izotermu 705°С
"'~
--
50~----~-;-4~-----~~--~~--~----,_----~--~
"'
u
о
'-
40~----+-+-~++~~+-----~----~~---~----;---~
======~=-~~--~~~----4-~~--~~~ :~с::;г:~-::;:~"'::::;,='= -- .:c-c~~'-'-:~'f;:;§§'§~ "'О
~ 30~----+---~~~n-+-~~+-----+-~--~~~~~~~ о с
·;:;
~
20~----~----~.-~~~--r-- -~~~-+-----+--~П
Pogonska energija luka (kl/cm)
81. VII-3- Uticaj predgrevanja i deЬljine limova (12,5 mm i 25 mm) na brzinu hladenja sava pri izotermi 705°С. Kriva Kriva Kriva Kriva
1 2 3 4
: : : :
predgrevanje predgrevanje predgrevanje predgrevanje
3°С 22°С 100°С 205°С
d d d d
= = = =
12,5 mm 12,5 mm 12,5 mm 12,5 mm
Kriva Kriva Kriva Kriva
1': 2' : 3' : 4' :
d d d d
= = = =
25 25 25 25
mm mm mm mm
(sl. VII-3) pri energiji luka 15 kJ i deЬljini lima 12 mm, brzina hladenja materijala sava opada sa 50 na 25°C/sec pri povecanju temperatura predgrevanja sa 3°С ш.1 200°С (krive 1 i 4). Isto tako i za zone udaljenije
* Ј ackson i Goodwin
1 11
1
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
186
od sava је ustanovljeno, da brzina hladenja brzo opada pri jednoj te istoj kolicini unete toplotne energije elektricnog luka. Tako na primer, и poredenju sa izotermom 705°С (kriva 1) brzina hladenja, koja odgovara izotermi 370°С (sl. VII-5) za debljinu lima 12 mm, opada sa 25°C/sec na 3,5°C/sec pri energiji 20 kJ.
П--
UTICAJ DEBLJINE LIMOVA
Ocigledno је, da debljine komada Ьitno utice na brzinu hladenja, koja raste sa povecanjem debljine limova. Pri jednakoj primenjenoj kolicini toplotne energije, na primer 25/kJ za izotermu 705°С (sl. VII-3) i predgrevanju od 200°С (kriva 4), brzina hladenja lima debljine 12 mm iznosi 5°C/sec, а lima debljine 25 mm (kriva 4'), 28°C/sec.
о
-~ 20 'ђ
о
:с
о с
;:;
15
cD 10
5
г----
i 1
05
10 Pogonska energija luka (kJicm)
Sl. VII-4 -
'
:ј
11
i'J
lf
lj !Ј
·Ј
'1
1 !
'
ј_
Uticaj predgrevanja i deЬljine limova (12,5 mm na brzinu hladenja sava pri izotermi 540°С.
Kriva 1 : predgrevanje Kriva 2 : predgrevanje Kri\'a З : predgrevanje Kriva 4 : predgrevanje
З С
0
22°С
d d
= =
100°С
d =
205"С
d
=
12,5 mm 12,5mm 125mm 12,5mm
Kriva 1' : d = Kriva 2': d = Kriva З' : d = Kriva 4' : d =
25 25 25 25
mm mm mm mm
25 mm)
187
PREDGREVANJE ZAVARIVANIH KOMADA
Da bi se doЬila jednaka brzina hladenja, na primer 15°C/sec za izotermu 540°С (sl. VIII-4) i temperaturu predgrevanja do 100°С, toplotna energija pri zavarivanju lima deЬljine 12,5 mm (kriva 3) treba da iznosi 13 kJ/cm, а pri zavarivanju lima deЬljine 25 mm (kriva 3'), 32 kJ.
25
--t-----1
20
""'u u-"' ф
о
'-
.2. с
15 ~
6
о
Ј: о
""'u
с
5
·;:;
cQ
ф
--..."' о
·с Q)
"'О о
з
Ј:
о с
·;::; ... 2 cn
5
10
Sl. VII-5 -
15
25 30 20 Pogonsko energijo luko (kJ(cm)
Uticaj predgrevanja i deЬljine limova (12,5 mm i 25 mm) na
brziш.i hladenja materijala sava pri izotermi 370°С.
Kriva 1 : predgrevanje Kriva 2 : predgrevanje Kriva З : predgrevanje Kriva 4 : predgrevanje
зос 22°С 100°С 205°С
d
=
12,5 mm
d = 12,5mm d = 12,5mm d = 12,5 mm
Kriva 1' : d = 25 mm Kriva 2' : d = 25 mm Kriva З' : d = 25 mm Kriva 4' : d = 25 mm
Ove krive pokazuju dominirajuci uticaj deЬljine limova na brzinu hladenja i, shodno tome, na obrazovanje struktura kaljenja u neposrednoj Ьlizini sava; pojava struktura kaljenja moze da dovede do obrazovanja prslina u zoni ispod navara.
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
188 III-
РОЈАМ
EKVIVALENTNOG UGLJENIKA
Razliciti istrazivaci izиcavali sи vezи izmedи tvrdoce и zoni ispod navara и ciljи odredivanja zavisnosti ove mehanicke karakteristike, koja se menj а и vezi sa karakterom strиktиrnih transformacij а, i hemij skog sastava celika, pri сети se иticaj svakog elementa izrazava koeficijentom ekvivalentnosti и odnosu na ugljenik. U prethodnoj glavi Ьiо је dat jednostavan izraz za odredivanje ekvivalentnog иgljenika [С]:
[С] 1.
=
С
+ Mn +
Si
4
4
Vilijems i njegovi saradnici [3] povezali ,sи ројаvи prslina и zoni ispod navara sa vrednostima ekvivalentnog иgljenika [С] (sl. VI-20). U svojoj skorasnjoj studiji о temperatиri predgravanja, Kotrel [4] i Bredstrit [5] sи predlozHi novi izraz za izracиnavanje ekvivalentnog
1 w.! '11
i
i
иgljenika [С]:
(С]
=
С % + Mn
+ Ni + ~~~-±:_Мо + V2
20
15
(1)
10
Nemacki istrazivaci su takode predlozHi obrazac za izracиnavanje ekvivalentnog иgljenika [С], иzimajиci и obzir deЬljine limova. Seferian predlaze obrazac za izracиnavanje ~ 600
-"' ~
~
= .. 400 "(
i
~
е
:1
;
.
о 200
1 •'
'
Q)
Q.
Е
....
~
~
-----
',•...
ф
оо
0,2
1,0 0,8 0,6 0,4 Sodrioj ugljeniko ( 'У0 )
...
'
. '' 1,2
\.
1,4
Sl. VII-6- Temperatura martenzitne transformacije Ar111 (Ms) u zavisnosti od sadrzaja ugljenika u celiku (eksperimentalne vrednosti Greminger-a i Digges-a se vrlo dobro slazu sa ovom krivom)
!i:
ј li 1
i
i! !ј
1
nika [С], zasnovan na pretposta'!ci, da dva celika sa jednakom temperaturom martenzitne ... transfqrmacije imajи jednakи zakaljivost i, kao posledicи metalиrskti zav-arljivost. Kriva na sl. VII-6 predstavlja promenи temperatиre martenzitne transformacije Ms za ugljenicne celike prema Zeneru [6]. Vrednosti ekvi-
PREDGREVANJE ZAVARIVANIH KOMADA
189
valentnog ugljenika, dobijene od strane Grenniger-a [7] i Digges-a, vrlo dobro se slazu sa ovom krivom. Za celike sa sadrzajem izmedu 0,10 i 1°/о ugljenika, temperatura martenzitne transformacije Ms se menja skoro linearno i izrazava se jednacinom: Ms = 550- 360 С 0 /о,
(2)
gde је tem.peratura martenzitne transformacije Ms data u stepenima Celsiusa. LegirajuCi elementi u celiku uticu na polozaj tacke Ms sa izvesnim koeficijentom, nazvanim koeficijent ekvivalentnosti. U tom slucaju temperatura Ms se moze racunati prema obrascu:
Ms = 550- [360
С+
40 (Mn + Cr) + 20 Ni + 28
Мо]
(3)
u kojerн su koncentracije legirajucih elementa izrazene u procentima. Ova zavisnost vazi samo za niskolegirane celike, koji u zarenom stanju imaju feritnu strukturu. Ako se pretpostavi, da dva legirana celika sa jednakom tem.peraturom martenzitne transformacije Ms imaju jednaku zakaljivost, moze se pisati jednakost jednacina (2) i (3) odakle se doЬija izraz 360
= 360 С + 40 (Mn + Cr) + 20 Ni + 28 Мо
[С]
za ekvivalentni ugljenik
[С]
celika.
t .
С
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,15°/о 0,80°/о
Mn
Cr .............................. 4,6
°/о
0,6 °/о
Мо
Ekvivalentni ugljenik za ugljenicni celik jednake zakaljivosti, odreduje se iz jednacine: 360
odakle
[С]
= (360
Х
0,15)
+
(40
Х
5,4)
+ (28
Х
0,6)
је [С]
= 0,80.
Na taj nac1n, celik sa sadrzajem ugljenika 0,80°/о imao Ьi istu zakaljivost kao i razmatrani Cr-Mo celik i, shodno tome, istu metalursku zavarljivost. Ovaj Ьi celik Ьiо prakticno nezavarljiv klasicnim postupcima zavarivanja. Da Ьi se on zavario bez pojave prslina, neophodno је primeniti predgrevanje. Mi cemo videti, nesto dalje, kako se moze iz..; racunati ova temperatura predgrevanja.
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
190
I V - ODREDIVANJE TEMPERATURE PREDGREVANJA 1
ј
1
А)
Metoda BWRA *
U okviru Britanskog naucno-istrazivackog drustva za izucavanje tehnike zavarivanja (BWRA)* Kotrel i Bredstrit su oЪjavili jedan vrlo znacajan rad о prakticnom odredivanju temperature predgrevanja. Ovi istrazivaci povezali su sve uslove i parametre elektrolucnog zavarivanja, koji uticu na temperaturu predgrevanja: - hemijski sastav celika, koji se izrazava ekvivalentnim ugljenikom [С]; · - tip spoja, dimenzije zavarivanih komada, koji se izrazavaju brojem termicke strogosti- BTS; - vrsta i precnik elektrode. U tablici VII-1 dat је primer prakticnog odredivanja temperature predgrevanja celika sistema l\Л:h-Cr-l\1o za izotermu 300°С u zavisnosti od broj а о brazovanih prslina. · TABLICA VII-1 Uticaj brzine hladenja na obrazovanje prslina za izo.termu razlicite pocetne temperature zavarivanih limova.
f
р осеt na
/
1
Precnik Pogon~~a 1, temperatиra ll kt d energl)a ! limova е е ro а luka и i - 11 or. rRTc;;:'\ и mm kJt'.crnј: ;с --:,::-~-~""~д-""""~"'""'"~~- ~~~=--=-~~.,.:s:~::"'-~ ~ =:""-::.--==="'":~~ 1
1 ј
v
-
50
6 (deЬljina
f
limova 12,5 mm)
Ј
20
]
Br?! termiCke strogosti
+
1
~·
6 6 5 4
ро
иtllca)em
Brzina hladenja za . t lz3oOOe~mCи
32,5 24,5 16,15 12,5
0
326 314 369 421
3,8 5,5 10,8 16
~
~~:~о
~:~
::~
Iimova 1'2,5 mm)
5 5
14,70 13,2
398 392
6,7 10,3
3,2 3,2 3,2
10,6 6,4 5,8
389 395 418
12 21 31
10 (deЬljina
limova 25mm)
Srednja kolicina prslina
__top ote n 0 1 ~-::::CYil
(deb~jina
+ 100
'
1
Maksimalna tvrdoca zone d . .
300°С 1
1
!
о
21 72 70
1
~ 10 60 о
i
8 28
1
Hemij ski sastav celika: с
...................
Si
............. ....
Mn..................
0,14% 1,14% 0,30%
Ni .................... 0,23% Cr .................... 0,66% Мо ................. 0,24%
Ustanovicemo sve elemente potrebne za odredivanje temperature predgrevanja prema metodi BWRA.
* British Welding Research Assotiation
PREDGREVANJE ZAVARIVANIH KOMADA
191
а) Hemijski sastav celika izrazava se ekvivalentnim ugljenikom [С] datim izrazom: [С] · С% + Mn + ~i + (Cr +Мо ј-_~) (l) 20 15 10 Ovom ekvivalentnom ugljeniku odgovara pokazatelj zavarljivosti, oznacen slovima А, В, С, itd. (taЬlica VII-2). Pokazatelj zavarljivosti је razlicit, shodno tome da li је upo·treЬljena bazicna ili rutilna elektroda . . Ъ) Tip spoja i dimenzije zavarivanih komada oznacavaju se specijalnim indeksom, takozvanim "brojem termicke strogosti" (BTS). Zavarivani spoj sa odvodenjem toplote u dva ,pravca (suceoni sav) oznacen је koeficijentom 2; sa odvodenjem toplote u tri pravac (ugaoni sav) - koeficijentom 3; krstasti spoj, kod kojeg dolazi do odvodenja toplote u cetiri pravca oznacen је koeficijentom 4. Pri sveтnu tome uzeta је jedinstvena deЬljina lima od 6 mm (1/4'). Broj termicke strogosti (BTS) doЬija se mnozenjem koeficijenta odvodenja toplo'te, koji odgovarD · broju pravaca odvodenja, deЬljinom lima podeljenom sa 6~
TABLICA VII-2 Pokazatelj zavarljivosti 1
Ekvivalentni ugljenik
1
[С]
~~
1 ,
Pri zavarivanju rutilnim elektrodama
i
/
1
Ј
,
Pri zavarivanju bazicnim elektrodama
zavarljivosti celika
ј1
~.~;..=&-~~=-=~ 3~~::q~::,.-::o-::;.~f&$~~5-§c~;~~:'::::o.-~~~~~~=:i:~ --:=:=;;,.~-:".'ic-~~=c--~§.:::-~~~'''.-o~ '--~-""'-.·:- ~;~~",~-;o,::_::-zi do [Cf ~ 0,20 0,21 0,24 0,28 0,33 0,39
do 0,23 do 0,27 do 0,32 do 0,38 do 0,45 > 0,45
BTS
do [С] = 0,25 0,26 0,31 0,36 0,41 0,46
1
1
do 0,30 do 0,35 do 0,40 do 0,45 do 0,50 > 0,50
А
В С
D Е
F G
Tako na primer, za dva lima deЬljine 6 mm, suceono zavarena, = 2. Za dva lima deЬljine 24 mm, suceono zavarena, BTS се blti:
24 х~= S. 6 Za ugaoni zavareni spoj iz dva lima deЬljine 24 i 12 mm broj termicke strogosti iznosi
BTS
=
4+2 2
х З=
9.
Najzad, krstasti spoj iz dva lima deЬljine 12 i 18 mm i ploce debljine 24 mm ima BTS = 13. U taЬlici VII-3 navedeni su pokazatelji BTS za nekoliko najrasprostranjenijih tipova zavarenih spojeva. Temperatura predgrevanja, prika-
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
192
zana u taЫici VII-4, data је u zavisnosti od broja termicke strogosti (BTS), pokazatelja zavarljivosti, koji se doblja na bazi ekvivalentnog ugljenika (jednacina 1), i precnika elektrode. TABLICA VII-3 Broj termicke strogosti (BTS) DeЫjina Iimova и (mm)
Tip spoja
6 i
6
2
i i i i i
12 18 12 24 48
з
4 4 8 12
6 i
6
з
12 i 12 24 i 24
6 12
6 6 12 24 24
Dva pravca odvodenja toplote ........... .
Tri pravca odvodenja toplote ........... .
Broj termicke strogosti (BTS) 1
-------------------!------------
Primer. - Razmotrimo slucaj suceonog zavarivanja celika 25 CD 4 12 mm elektrodama sa oЬlogom bazicnog tipa, koje oЪezbeduju hemijski sastav materijala sava, analogan sastavu osnovnog materijala. Osnovni hemijski sastav zavarivanog celika: deЬljine
с
0,25°/о
Mn
Cr ........................... .
0,8 °/о 1 °/о
Мо
0,25°/о
Ekvivalentni ugljenik [С] ovog celika, izracunat prema jednacini (1), iznosi: [С]= 0,25 + O,S._ + (l+0, 25 ) = 0,415 20
10
Pokazatelj_ zavarljivosti ovog celika, pri zavarivanju elektrodama bazicnog tipa oznacen је slovom Е. Broj termicke strogosti (BTS), izracunat, kako је to gore pokazano, za suceoni spoj iznosi 4. U tablici VII-4 navedena је temperatura ,predgrevanja zavarivanih komada u zavisnosti od precnika upotreЬljene elektrode.
!
s...
193
PREDGREVANJE ZAVARIVANIH KOMADA
TABLICA VII-4 Temperatura predgrevanj а Minimalna temperatura predgrevanja zavarivanih komada Broj termicke strogosti
--
Pokazatelj zavarljivosti
(BTS)
Precnik elekt roda
1 1
4
3,2
и
mm
5
6
СОС)
( С)
8 1
1 сос)
сос)
?
'
..........
·{ 1 1
з.
...............
·\
о
D F
о
с Е
F 1
4. ............ : . .
·\
СОС)
о
25 !
l
о
75 100 150 .
D·
.1
1
50 125
Е
0
о
25 100
25
25 75 125
75
о
50
с
D Е р
1
100 125 175
о -
25
А в с
D Е
F
12. .. . .
.
. . .
.
(
А в с
D Е
F
25 75 125 175 200 225
.25 75 125 150 200
25 75 i25 175
50 125
75 125 150 200 225 250
25 75 125 175 200 225
25 75 125 175 200
75 100 150
о
25 50
о о
50 -125
1
16.
. . .. . ... ..
{
А в
с
D Е
F 1
24.
..
.. . ..
(
/1 R с
D Е
F 13 Metalurgija zavarivanja
1
1
75 .12.5. 175 200 225 250 75 125 175 200 225 250 ..
_1
25 75
о
50 125 175 200 225
150
17S 200 250
50 100 150
25 75 125 175 200
25 100 150 200
25
о
25: 75 150 .Ј75
200 .25.0
о
50 125 150 200
-.
~
50 125 175 200 225 ..
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
194
Za vrednost BTS = 4 i pokazatelj zavarljivosti Е, temperatиra predgrevanja za elektrodи precnika 3,2 mm iznosi 125°С; za elektrodи precnika 4 mm temperatигa predgrevanja iznosi 75°С; pri vecim precnicima elektroda nije potrebno primenjivati оvи o;peracijи termicke obrade. U slисаји primene rиtilnih elektroda, pri jednakoj vrednosti za BTS = 4, Ьиdисi da је pokazatelj zavarljivosti F, temperatиra predgrevanja za elektrodи precnika 3,2 mm iznosi 175°С, za elektrodи preenika 4 mm, 125°С, а za elektrodи precnika 5 mm, 75°С. В)
Metoda Seferiana
Za izracиnavanje temperatиre predgrevanja Seferian је predlozio prost obrazac, koji је dobljen kao rezultat ispitivanja raspodele tvrdoce и zoni ispod navara razlicitih niskolegiranih celika. Temperatиra predgrevanja Т Р se odreduje iz obrasca: Тр
= 350 V[C]- 0,25
(4)
- predstavlja иkиpni ekvivalentni иgljenik. Ukupni ekvivalentni ugljenik jednak је zbiru hemijski ekvivalentnog иgljenika [С] h , dobijenog na bazi hemijskog sastava celika, i ekvivalentnog ugljenika deЬljine [С] d , koji zavisi od dimenzija zavarivanih komada:
gde
[С]
[С]
=
[С] h
+
[С] d·
Broj 0,25 u potkorenom izrazu (4) odgovara gornjoj granici
иgljenika
:,.r-~~=~~~~~~~~~~~~~j~~l~~is=~~~~~~]~kiEC"~Itv.rt~i1~~t~Г~'tgf]eili1E~1eio~~~~§~§~~ odreduje iz izraza: 360
[С] h
= 360 С + 40 (Mn + Cr) + 20 Ni + 28 Мо
(5)
Ekvivalentni ugljenik deЬljine [С] d, s jedne strane, zavisi od debljine lima, а s druge, od stepena zakaljivosti celika i, shodno tome, od hemijski ekvivalentnog и.gljenika: [C]d
= 0,005
Х
d
Х [С] h
(6)
d - deЬljina zavarivanih limova и mm; 0,005 - koeficijent deЬljine odreden је eksperimentalno. Na taj nacin, иkиpni ekvivalentni ugljenik [С] se moze odrediti iz jednacine [С] = [C]h (1 + 0,005 d)
gde
је
Uzmimo prethodno dati primer celika 25 CD 4 deЪljine 12 mm nadimo hemijski ekvivalentni иgljenik prema obrascи: 360 [C]h = (360
odakle
Х
0,25)
+
40 (0,8
+
1)
+
(28
је
[C]h
i [С]
= 0,46; = 0,46 (1
+ 0,005
Х
12) = 0,48.
Х
0,25)
1
PREDGREVANJE ZAVARIVANIH KOMADA
Tada
temperatиra
Тр
195
predgrevanja iznosi
= 350 v·o,48-0,25 =
170°С
Ova vrednost temperatиre predgrevanja је vr1o temperatиre .predgrevanja, odredenoj ро metodi BWRA.
Ьlizи
vrednosti
Primer. Eksperimentalnim pиtem је Ьila odredena temperatиra pred-
grevanja (200°С) pri zavarivanjи Mn-Mo celika deЬljine 110 mm, primenjenog za konstrukcijи nиkleame elektricne centrale и Sinonи и Francиskoj.
Elementi koji с
dozvoljavajи
imajи
uticaja pri
odredivanjи
ekvivalenta
........................... .
иgljenika:
0,23°/о
Mn
1,20°/о
Мо
0,50°/о
da se odredi vrednost hemijski ekvivalentnog
иgljenika
[C]h = 0,40; i iz nje
иkиpni
ekvivalentni ugljenik [С] = О
40 (1
+ 0,005
Х
110)
=
0,62.
:"~~~~~~i"~ .~.•a;;c±bЭ.Zl=иkцnл.чg,,f;.~K~ћ,шl~nj;:nQ&;:;Л&lJ~~щЉя..;;~dJ>J)jig,;k~~~~,~tgtцp:~!:~t!JJ:~~"i·?~~.,.~'"""ij"'";~io~"!
.. predgrevanj а -
Тр= 350
V0,62-0,25 =
210°С
koja vrlo dоЬго odgovara eksperimentalno nadenoj vrednosti. Da bi uporedili dve metode za odredivanje temperatиre predgrevanja, meto·dи BWRA. i metodu Seferiana, razmotricemo isti Мn-;мо celik debljine 70 mm, kao bi ostali и okviru taЬlice VII-4 (BTS = 24).
Metoda BWRA. Pri suceonom zavarivanjи Mn-Mo celika deЬljine 70 mm temperatиra predgrevanja se odreduje u saglasrюsti sa ekvivalentnim ugljenikom
[с ] а
=
0,23
-. + -12 + -0,5 = о,34 20
10
Pri ovom, za elektrodu bazicnog tipa, pokazatelj zavarljivosti broj termicke strogosti (BTS) ..
је С,
__1~ + 1~ . 2 = 24 2
.. Za elektrodи precnika 3,2 mm pri BTS = 24, i pokazateljи zavarђivosti С (saglasno taЬlici VII-4) temperatиra predgrevanja iznosi 175°С.
196
METALURGIJA ZAVARIVANJA CELIKA
Metoda Seferiana а
Saglasno metocli. Seferiana, hemijski i ukupni ekvivalentni ugljenik, takode temperatura predgrevanj а su sledeci: [С] h = [С]
1
ТР
0,40;
= 0,40 (1
=
+ 0,005
Х
350 ]/0,54 -0,25
70) = 0,54;
=
190°С
Kako se moze videti, оЬе metode daju vrlo peraturu predgrevanja zavarivanih komada.
Ьliske
vrednosti za tem-
Dijagram na sl. VII-7 daje temperaturu predgrevanja и zavisnosti ekvivalentnog ugljenika i deЬljine zavarivanih limova.
oq hemijski
350 г---т---;-----,--.,...----"1/ С /с= 0,80 /С/с= 0,70 {С)с
= 0,60
'"' 25о t----:.....-F--~_..:.-+--+---=111/ с Ј с ~
= o.so
-
,,
40 DeЬijina
60 80' llmava (mm)
юо
Sl. VII-7 - Racunska temperatu:m predgrevanja и zavisnosti od hemijski ekvivalentnog ugljentka [С] i deЬljine Hmova (Seferian)
Tako na primer, celik sa hemij'ski ekvivalentnim ugljenikom [С] 11 = 0,50 i deБljinom od 30 mm, treba da bude predgrejan pre zavarivanja najmanje na 200°С .. :
PREDGREVANJE ZAVARIVANIH KOMADA
197
BIBLIOGRAFIJA [1]
С. Е.
Jackson i W.
Ј.
Goodwin: The Weld. Journ. Suppl. 27 (1948), 253 s.
[2] W. F. Hess, Е. F. Nippes, L. L. Merrill i А. Р. Bunk: The Welding Journ. 23 (1944), 376. [3] R. D. Williams, D. В. Roach, D. С. Martin i С. В. Voldrich: The Welding Journ. Suppl. 28 (1949), 311 s. [4] С. L. М. Cottrell: The Weld~ng Journ. Suppl. 32 (juin 1953), 257 ·s. [5]
С.
L.
[6]
В.
Ј.
[7]
С.
[8)
В.
М.
Cottrell i В. Ј. Bradstreet: British Weld. Journ. 34 (juin 1955), 305.
:~
Bradstreet: Arc Welding low-alloy steels В. W. А. А. G. Thompson,
izdavac (1956). Zener: Trans. Grenninger:
А.
А.
S.
I.
М. Е.
М.
167 (1946), 513 i 167 (1946), 550.
30 (1942), 1.
i 1
1
DEO DRUGI
ZAVARLJIVOST CELIKA
VIII. IX. Х. iS-
.. [
~-··
-
PROBE ZAVARLJIVOSTI ZAV ARLJIVOST UGLJENICNIH CELIKA ZAVARLJIVOST AUSTENITNIH VIH CELIKA
HROM-NIKLO-
;·_ ..-.~~~:.~=-·x1~·-~--~~zA:v'AR::L1rvбsтs~N'1"sкotia1RJ\Ћ1~"6~il~:КA:~;::;··-:~;_::;~c~, <:?";~s~· '"··""····• KALJIVIH CELIKA XII. -
ZAVARLJIVOST HROM-MOLIBDENOVIH CELIKA
GLAVA VIII
PROBE ZAVARLJIVOSTI
DEFINICIJE Kompleksna osobina metala i legura, nazvana zavarljivost ima tri sledeca glavna vida:
- operativna zavarljivost, koja odreduje uslove kvalitetnog izvrsenja zavarenog spoja topljenjem ili Ьilo kojim drugim postupkom, pritiskom na primer; - metalurska ili lokalna zavarljivost, koja karakterise fizicko-hemijske promene metala nastale u procesu zavarivanja; ____ ___ _konstxuJ.ctWna__iLLJ]pйta--zщюrljiw2si,_pomш~_u_koje se odredu ·u "" -- -------- osoume:::PojE'dнi~lffбpЬ.va~~onstrukc!j~~~~iђem==-da~s~~usfanov-i~niil:Тova=~~-€o-~t=::-~~="' sklonost ka obrazovanju prslina. Za odredivanje zavarljivosti predlozen је niz razlicitih proba [1]. Komisija IX Medunarodnog instituta za zavarivanje, koja se bavi .pitanjima zavarljivosti, predlozila је privremenu klasifikaciju proba zavarljivosti (izvestac Н. Granzon*), koja је auto·ru posluzila kao osnov pri izlaganju ove materije [2]. Odredivanje operativne zavarljivosti se vrsi: - na zavarenim spojevima; - na epruvetama koje reprodukuju uslove zavarivanja; - na specijalnim (nezavarenim) epruvetama.
Metalurska ili lokalna zavarljivo·st se odreduje:- na zavarenim spojevima; - na epruvetama koje reprodukuju uslove zavarivanja; - na specijalnim (nezavarenim) epruvetama. Za odredivanje konstruktivne ili opste zavarljivosti ,primenjuju se sledece probe: - probe koje pokazuju sklonost ka pojavi prslina; - probe koje pokazuju osetljivost prema zarezu. * Granjon
1. Ј
1-
!'
ZA V ARLJIVOST CELIKA
202
1 - PROBE OPERATIVNE ZAVARLJIVOSTI Probe operativne zavarljivosti treba da pokazu ponasanje metala pri topljenju i mogucnost dobljanja kvalitetnog zavarenog spoja sa ili bez primene operativnih vestina: цpotrebe specijalnog topitelja (praha), predgrevanja, heterogenih spojeva, "oЬlaganja" ivica zleba koje treba zavariti itd. А)
Probe ,na zavarenim spojevima
U ove vrste рrоЪа, kontrola prelomne povrsine zone rastapanja (materijala-sava), svodi se Ьilo na vizuelni pregled, Ьi1о pod mikroskopom pri malom uvelicanju, pri kojem se odreduje karakter kristalizacije i otkriva eventualno prisustvo gresaka kompaktnosti (mehurovi, ukljucci). В)
Probe na epruvetama koje 1·eprodukuju uslove zavarivanja
Ove epruvete se isecaju iz zavarenog spoja, izvrsenog prema tehnologiji, predvidenoj za datu konstrukciju ili iz limova stavljenih u produzetku sava" i zavarenih jednovremeno sa savom ispitivane konstrukcije. Epruvete se zatim isecaju i lome radi ispitivanja prelomne povrsine. С)
Probe na nezavarenim epruvetama
,,,.:~7~~~~~;;;~~=~~Jifie=1~~;i~i~V~~~t~i~l1~if~~~it1Efl~-t1l~r~~Ћ1I~~:-'j~"-~-~3:-'§:...._-,"'-".-;;--~:::==-::.:~ skim plamenom. Ocvrscivanje mesta topljenja treba da је mirno, bez brizganja ро povrsini i bez izdvajanja gasova, koje izaziva rohavost na nalicj u lima. Predlog tehnickih normi za aeronauticke konstrukcije u Francuskoj predvida probu topljivosti, koja se vrsi na brizljivo obrusenoj ili oturpijanoj povrsini limova. Ovako dobro ociscena povrsina, prakticno bez tragova oksida i masti, izlзZe se toplotnom dejstvu odgovarajuce regulisanog oksidacetilenskog plamena. Tecni metal treba pri tom da ostane miran bez "kuvanj а" i bez burnog izdvaj anj а gasova i prakticno bez obrazovanja troske. R. Voaren* [3] је predlozio probu operativne zavarljivosti, koja se izvodi lokalizovanim topljenjem epruvete iz tankih celicnih limova. Buduci da su faktori koji ucestvuju pri ovom ispitivanju mnogobrojni: toplotna provodljivost, kapilarnost, viskoznost, teCljivost itd., а takode i dve sile, sila tezine rastopljenog metala i sila pritisaka oksiacetilenskog plamena, neophodno је prethodno tacno odrediti rezim zavarivanja. Za ispitivanje se koristi epruveta dimenzija 200 Х 200 mm i deЬljine 0,5 do 4 mm. Zagrevanje se vrsi gorioniko~m niskog pritiska а jezgro plamena se drzi na rastojanju 2 mm od povrsine R. Voaren* ocenjuje opera-
lima.
*
Woirin
PROBE ZA V ARLJIVOSTI
203
tivnu zavarljivost prema precnikи иtonиle rире i vremenи иtonjavanja и funkciji deЬljine lima. I~ svojih ispitivanja Voaren izvlaci sledece zakljиcke: - za celicne limove deЬljine do 2 mm vrednost precnika иtonиle rире karakterise operativnи zavarljivost; ona је иtoliko bolja иkoliko је precnik rupe veci; 2,5
• ...... Е
Е
L
2,0
...... о
Lo;a
>
о
љ 1,5
•a•a,/jl,o~
1
о
:§. :0 ф
Q
7.0
0,5
Dob,a •o•a,lj/•o"
•
~v1
-<>-
5
10 Precnik utonullh rupa (mm)
15
Sl. VIII-1. Probe operativne zavarlji>vosti tankih limova (prema R. Woirinu) ,;,:.,;i;##i~~~~~elicЋё-~linovec'id
pre"dst~vlj-a.. vi~e kriterijum za ocenjivanje operativne zavarljivosti jer и
tom
s1исаји
veci znacaj ima viskoznost rastopljenog metala; - sto је dиZe vreme nastajanja rupe, to је bolja zavarljivost ispitivanog materijala. Kriva na slici VIII-1 ilиs:trиje doblvene zavisnosti; ona deli dijagram u dve oЪlasti: levo od krive---oblas:t lose operativne zavarljivosti i des.пo~ ob1ast dobre zavarljivosti.
11- PROBE METALURSKE ZAVARLJIVOSTI Ove probe treba da pokazи fizicko-hemijske transformacije osnovnog materijala pod иticajem termickog ciklиsa zavarivanja. А)
Probe na zavarenim spojevima
U opstem slиcaju ove probe predvidajи odredivanje mehanickih karakteristika suceono Zla.Varenih spojeva pod dejstvom statickih ili dina-
ZA V ARLJIVOST CELIKA
204
mickih naprezanja pri visokim i niskim temperatиrama. Vrse se sledeca ispitivanja: ispitivanje zatezanjem, smicanje, savijanje, иdarna zilavost, tvrdoca i dиboko izvlacenje. Odgovarajиci standardi i tehnicki propisi odredиju oЬlike i dimenzije epruveta а takode i mesta njihovog isecanja iz zavarenog spoja. Medu ,probama metalиrske zavarljivosti specijalno treba иkazati na mikromehanicka ispitivanja Sevenara,* koja dozvoljavaju da se prate lo}{alne transformacije u mikrozapreminama и zavarenog spoja, otkrivajuci Ъajfinije promene. Оvи metodu је poseЬno koristio profesor Seveмr [4]\· ·· z-atim и zajednici sa profesorom Portvenom [5], а takode Brilije i Seferian [6] za ispitivanje zavarljivosti razlicitih vrsta celika. В)
Probe na epruvetama koje reprodukuju uslove zavarivanja
U ovoj vrsti proba najz...11.acaj:rйja је ргоЬа ispitivanja raspodele tvrdoce u zoni pod uticajem toplote ispod navara, koja је opisana u glavi VI, и vezi sklonosti zavarenih s,pojeva ka pojavi prslina. Proba se priprema na taj nacin, Sto se na ispitivani celik elektrolucnim zavarivanjem nanese jedan navar, иzimajиci pri tome u obzir deЬljinu materijala (sl. VI-18). Uzorak se preseca upravno na .navar, ра se роmоси mikroispitivaca tvrdoce (Vikers sa pritiskom od 10 kp, ili drugom nekom metodom) prati promena ove osobine ispod navata и zoni uticaja toplote osnovnog materijala. Ako vrednost tvrdoce и pojedinim tackama и. zoni ispod navara p"__:~~~~~pre~e~;;~ ~,' ~ .;g; tш.:: - ЊiliM:;§'tad~iЩ)e:Щ:pr_ћ;;~~Y9.r:ky;~J1.JYEn~лho
1
r 1
. i
J . 1
·• / 1
1
·r
. ,ј.
.·
:ј
..
. -.-
-теrе -predohrane (predgrevanje, povecanje precnika elektrode itd.) radi snizavanja ove tvrdoce . Na sl. VIII-2 prikazani sи rezиltati jednog takvog ispitivanja, izvrsenog pri zavarivanju Mn-Mo celika deЬljine 110 mm. Familija krivih tvrdoce и zoni ispod navara dobivena је kao funkcija precnika elektrode i temperature predgrevanja. Promena nagiЬa ovih krivih i razmatranje struktиrnih transformacija omogucili su da se odredi temperatиra predgrevanja pri zavarivanjи ovih celika, na ·oko 200°С. U slисаји drugih celika, ргоЬа za odredivanje korozione postojanosti zavarenog s.poja, koja otkriva izlucivanje karbida, prihvacena је и nekim zemljama kao proba za odredivanje zavarljivosti ove vrste celika.
.
С)
Probe na nezavarenim epruvetama
Najvise raspostranjena iz serije ovih proba jeste ргоЬа Dzomini, koja se sastoji и zagrevanju jednog od krajeva cilindricne epruvete precnika 25 mm i dиzine 100 mm do temperature 1100°С. Suprotni kraj epruvete; koji se ne zagreva, neprekidno se bladi mlazom vode. Posle toga, ispituje se promena stvorenih strиktura i raspodela tvrdoce ро duzini epruvete pocev od netransformisanog dela metala ра do pregrejanog dela. * Ova ispitivanja su opisana
и
knjizi "Les Soudures", izdanje Dunod, Pariz.
PROBE ZA V ARLJIVOSTI
205
Brzina zagrevanja i dostignuta temperatura epruvete pri proЬi Dzomini, daleko su od toga da reproduk\lju termicki ciklus zavarivanja ра usled toga, pri jednakoj tvrdoci, strukture posmatrane u Dzomini epruvetama ne odgovaraju strukturama zavarenog spoj а iz tog istog celikc;. U cilju poboljsanja ove pro,be bilo је predlozeno da se poveca brzina zagrevanja pomocu struja visoke ucestanosti. Na slici VIII-3 prikazane su Dzomini krive za dva tipa konstrukcionih celika sa 1,45°/о Mn i 1,70°/о Mn. Krive pokazuju uticaj mangana na prokaljivost celika. Jedan drugi nacin ispitivanja, nazvan probom lokalizovanog topljenja, sastoji se и mestimicnom zagrevanju ili lokalizovanom topljenju celiene ploce deЬljine 10 mm oksiacetilenskim plamenom. Termicki ciklus fiksira se u tackama, koje se nalaze na razlicitim rastojanjima od mesta zagrevanja, pomocu osetljivih termoparova. Karakter fizicko-hemijskih transformacija procenjuje se pomocu metalografske anali~e i .promena tvrdoce. А
-
zono predgrevonjo
1
325
5 300 ~~
cn 275
:r:
......
Qj с:
-.:
~ 250 о
·u
3,2
3.2
4
о
'1:! ...
.._:.
4
225 5 6
В
-
zono rastapanjo
200
175 t--t--------+-
150~~------~----~~--~~----J_-----L о 20 100 150 200 250 300 Т emperatura predgrevonjo ( 0 С)
Sl. VIII-2 - Uticaj temperature predg.revanja na promenu tvгdoce pregrejane zone i zone rastapanja а za razlicite precnike bazienih elektгoda. Ma:ngan-.mo1ibdenski celi:k deЬljine 110 mm (С= 0,2З!Јfо; Mn = 1,150fo; Мо= 0,50°/о) ·
ZA VARLJIVOST CELIKA
206
U probama, koje је podиzeo Н. Granzon* (7] и Institиtи za zavarivanje и Parizи, aиtor tezi da reprodukиje ciklиs hlad:enja sava иklanjaнв
450
Ј
2'
400
~ ~ r\.
З50
.......
]....
г:з- t-..
зоо
\
ех:!
....... а
-~
">... .....
250
\
"
i\
1\ 1\
1\ \
f\ 200
1\
1\
1\
'"'"'
!"'-. !'-...1"'-\'.........._
150
..........
-
1
з
i'
~к: "Т1
1
100
0,5 2 З 45 10 20 ЗО4050 Rastojanje od zagrevanog kroja epruvete
Sl.
VIII-3 -
~
IOOmm
Dzom.i.nJ__kri'V€---za-d.va-ce1ika
.
. . . ... ·--------'
5±~""'~~~~;.·~ §~~~~с:~~.§~~-=~;>:1 -~ -l._; ~: -=.;,-; ; ~ " i :;-'-i;:;:;-,;;-"'"-:;;;-;;;:__-:::-::.:.--:.;::.-~.::-=---=-""::-,;;;-;;;;.:-;;;~-7~-~;;..-:;;--~~~--~"'ы;";;""';;;"--~:o-'#""-'6§52o=;--fprema~nevom~JUS:;§GN'i:i35)"'§'i-~"~s;i3z-
ut"'"-1.
Kriva 1 : zona rastapanja (С= 0,08; Mn = 0,90) Kriva 2 : osnovni materijal Ас 52-1 (С = 0,15; Mn Kriva 3 : osnovni materijal Ас 52-2 (С = 0,16; Mn
1
= =
1,45) 1,70)
јиСi
izvor zagrevanja kada povrsina lima pocne da se topi. Proиcavanje pregrejane zone daje, na taj nacin, dragocene podatke о prokaljivosti celika.
ПI- PROBE KONSTRUKTIVNE ILI OPSTE ZAVARLJIVOSTI
Probe konstruktivne ili opste zavarljivosti treba da pokazи Ьilo sklonost zavarenog spoja ka pojavi prslina, Ьilo njegovи osetljivost prema dejstvи zareza. One mogи da Ьиdи razlicite, sto zavisi od deЬljine i priгode celika. Probe se vrse na slobodnim epruvetama ili na mehanicki иkljestenim eprиvetama kada se radi о tankim limovima ili na samoиkljestenim epruvetama kada se radi о debelim limovima.
* Granjon
PROBE ZA V ARLJIVOSTI
А)
207
Probe sklonosti ka pojavi prslina
Ove probe treba da pokazu sklonost celika ka pojavi prsHna na osnovu pojave bilo vecih prslina Ьilo m.ikroprs1ina posle zavarivanja; primenjuju se, uglavnom, pri izucavanju sklonosti ka pojavi prslina koпstrukci onih ugljenicnih i niskolegiranih celika. Ispitivanju se podvrgavaju epruvete razliCitog oЬlika u zavisnosti od toga da li su limovi sloЪodni ili uklj esteni. 1. РrоЬе sklonosti pojavi prslina па sloЪodnim limovima Najjednostavnija рrоЪа jeste krstasti spoj iz dve celicne trake, deЬljine 1 do 2 mm i sirine oko 10 cm, zavarene oksiacetilenskim plamenom. Epruveta se posle zavarivanja podvrgava naizmenicnom savijanju do pojave prsline ti zoni pregrevanja (sl. VIII-4).
t .,,.
Sl. VIII-4 -
Krstasta proba
Sl. VIII-5
-
Proba zavarljivosti
:fo,'c:ici':~~~.J~~~~~~~~~~1,:.i'@~~~i:'i,~oii~i:;''Ec:~•ёc~"'~"ii.ccCo:=~;;cћ;;: .. ij',?;:""~~~!~~~:~1fo"i"'"~i·~~"""'Q,~i?~~"'~'i~·":"'c'"=":' ~;,
Proba FOKER-a* (sl. VIII-5) sastoji se u topljenju dela ispitivanog metala gasnim plamenom, pocev od ivice lima do njegovog centra. Proba FOKE-VULF-a** (sl. VIII-6) је potpunija od prethodne, posto ргосеs topljenja metala zapocinje iz ugla lima, proteze se skoro do centra, а zavrsava se u sredini jedne od strana. Ova proba, naizgled jednostavna, predstavlja vеоша strogu probu za .... ........ .... ....
....
.....
~
~J ......... .-nt
. '
Sl. VIII-6 P.roba zavarljivosti prema Foke-Vulfu
* **
Focker Focke-Wulf
Sl. VIII-7
Proba zavarljivosti prema Krupu
ZA V ARLJIVOST CELIKA
208
odredivanje sklonosti ka podavi prslina. Neki hrom-mo1Љden celici, koji se nalaze na granici zavarljivosti, ne podnose slicna ispitivanja i pri njima se роkаzији kao nezavarljivi celici.
Proba KRUP-a tezi da иkljesti lim deЬljine 1,2 mm, zavarivanjem jednog иgaonog sava (sl. VIII-7). Prsline se pri takvim ispitivanjima cesce javljajи na strani, sиprotnoj zavarivanjи. Оvи рrоЬи и Krиpovim fabrikama primenjиjи pri ispitivanjи zavarljivosti visokovrednih celika. Nemacki istrazivaci sи sistematskom primenom razlicitih proba ustanovili иticaj razlicitih faktora na zavarljivost hrom-moliЬden celika za vazduhoplovstvo, а narocito uticaj tehnologije njihove proizvodnje i koncentracije иgljenika i sиmpora. 2. Probe sklonosti ka pojavi prslina па ukljestenim limovima а) Proba BOLENRAT-a* sastodi se и suceonom zavarivanjи spoja iz dve ploce иkljestene и s,pecijalnO.m иrеdаји. Аlю и tokи hladenja nastanu prsline, tada se celik smatra da nije zavarljiv. Ako prsliнe нisu vidljive, tada se kontrola dориnјије radiografskim ispitivanjem ili jednostavnije, ispitivanjima zatez.anjem ili savijanjem, koja otkrivajи oЬlast1 и kojima је doslo do pojave prslina pri viSim temperatиrama, о сети svedoce Ьоје otpиstanja и prelomima epruveta. Eprиveta za probu kоји је preporиcio Bolenrat sastoji se iz dve sиceono zavarene limene trake sirine 6 cm, cvrsto stegnиte и hvatacima specijalnog иredaja (sl. VIII-8). Zavarivanje se vrsi na ivicama limova koje se dodirиjи. Ako nema vidljivih prslina, primenjиje se dopиnsko ispitivanje naizmenicnim savijanjem.
Sl. VIII-8 - Uredaj za ispitivanje sklonosti tankih limova ka pojavj prslina pri zavarivanju prema Bolenratu Ь)
Proba konstruktivne zavarljivosti RD** razradena је od strane uprave и Engleskoj. Ona је и Francuskoj prihvacena od strane nekih drzavnih иstanova (Mornarica, Naorиzanje itd.) za odredivanje skloпosti ka pojavi prslina и tokи procesa elektrolиcnog zavarivanja иkljestenih limova velikih deЬljina. Ploce dimernzija 300 Х 150 mm (deЬljina је promenjliva), sa zakosenjem jedne od ivica na duzini od Naиcno-istrazivacke
* Bollenrath ** Skracenica
za Research Departement
PROBE ZA V ARLJIVOSTI
209
150 mm, ukljestene su и specijalnom uredaju (sl. VIII-9). Zavrtnji za stezanje sprecavaju poprecnu dilataciju, а jaki klino.vi za drzanje onemogucavanju vitoperenje. Dodirne po.vrsine treba da budu brizljivo obradene-poravnane kako Ьi se obezbedili minimalni zazori u cilju smanjenja mogucnosti s1obodnog skupljanja. Posle postavljanja ploca u uredaj, nanosi se koreni zavar, а zatim se ostavi da se ohladi. Zavarivanje do po1pune zleba izvodi se na taj nacin,· tj: svaki · se sledeci zavar nanosi tek posto se prethodno naneti za-
Sl. VIII-9 -
Uredaj RD za ispitivanje sklonosti ka pojavi prslina ukljestenih limova 1/
@
Sl. VIII-10 14 Metalurgija zavarivanja
1/1
IV
.
.
1
!
Dispozicija O'Nejove probe
(O'NeiП)
ZAVARLJIVOST CELIKA
210
var ohladi. Tako zavarena eprиveta ostaje и иrеdаји dva do tri dana; ako и zavarenom sроји ne dode do pojave prslina, tada se posle vodenja iz иredaja, epruveta raseca poprefuю na sav i traze mikroprsline kako u materijalи sava, tako i и granici rastapanja. Dobra zavarljivost celika karakterise se potpиnim odsиstvom prslina. с)
Proba skionosti ka pojavi prsiina O'NEJА*, predv:idena је takode za ispitivanje zavarljivosti иkljestenih limova. Zavaroo.a epruveta se izvodi и vidи preklopnog spoja iz dva lima, иkljestena и stegama, sa preklopom od 25 mm. Dimenzije epruveta date sи na slici VIII-10. Nanosenje ugaonih savova izvodi se naizmenicno и redosledи 1, 2, 3, 4 (vidi slikи) pri сети se sav 4 nanosi tek posto se eprиveta potpиno ohladi. Ispi tivanj е se moze ucini ti ј os strozijim, .pиtem povecanja brzine hladenja, sto se postize postavljanjem bakarnih ploca na preklopni spoj. Posle zavarivanja, epruveta se raseca ро linijama I, П, III i IV, и ciljи otkrivanja eventиalnih mikro~ : prslina. d) Proba SVINDEN-RIV-a.** -
1 щ.u
i
т .
..
8 4
Ova se proba vrsi na pomocnom иredaj u (sl. VIII -11) kю.ji se sastoj·i iz dve ploce cvrsto s:tegnute ро mоси dva zavrtnja. Gornja debela ploca В izradena је iz istog celika kao i ispitivana epru.veta, dok је donja ploca А jos vece debljine. Ispitivani celik и vidи ploce С pritegne se роmоси cetiri zavrtnja za рlоси В.
ст~ ~, ~co-·r ·r··(~ ·····c~t':~~",;,~~"~';f~~·й,;~itt'O~~~~'"'"'*~'" . 1 i:
r.;&\~.
'f' ~ ~
1 ~
::
!
с
~
.
· - - · v. А-
~ з'f
+ +:;. /
J(lЩ'
'"
2 ·ч"~~'''
~
se potpиno ohladi. Na krajи, u vrlo stro·gim иslovima иkljestenja, шinosi se cetvrti иgaoni sav. Posle hladenja cetvrtog sava pomo-си fizickih metoda kontrole otkriva se prisustvo prslina и materijalи savova ili и osnovnom materijalи.***
е) Ukijesteni ugaoni sav. -Za odredivanje sklonosti ka pojavi prslina ugaonog sava Sl. VJII.,H - Ur.edaj za isFrancиska mornarica ј е razradila pro bu (sl. pitivanje sklonosti ka pojavi VIII-12), koja је prihvacena и mnogim zemprslina debelih limova prema lj ama. Proba se sastoj i iz vertikalnog lima Svinden-Rivu (Swindenciji sи krajevi zavareni za horizontalni lim Re.eve) ugaonim savovima, cime se obezbedиje jako иkljestenje spoja. Izmedи иgaonih savova na krajevima ostavlja se dиzina 200 mm za elektrolиcno zavarivanje ugaonog sava koji se ispitиje. Ugaoni sav se nanosi najpre samo s jedne strane. Ako posle hladenja и ovom savu ne dode do pojave prslina, tada se nanosi иgaoni sav sa sиprotne strane. Prisиstvo eventualnih prslina mo:Ze se otkriti bilo metodom kvasenja Ьi1о hidraиlickim ispitivanjem. U
* ** ***
O'Neill Swinden-Reeve О evoluciji ove probe vidi: Zavarivac n°2, 1965, str. 2--11.
г
!
PROBE ZA V ARLJIVOSTI
211
cilju izvrsenja ovog ispitivanja u vertikalnom limu, se izbusi odgovarajuci otvor. Pozeljno Ьi Ьilo unificirati uslo·ve zavarivanja (jacinu struje, brzinu zavarivanja, precnik elektrode) jer oni bitno uticu na rezultate ispitivanja.
Sl. VIII-12 -
Proba sa ukljestenim ugaontm savom
3. Probe sklonosti ka pojavi prslina па samoukljestenim limovima Ove рrоЪе se primenjuju za ispitivanje celika vrlo velikih deЬljina а naroeito pri ispitivanju zavarljivosti konstrukcionih celika. а) Proba KOMERELA*. Komerel је preporucio probu, koja predvida savijanje epruvete iz velikog komada na kojem је elektro1ucno navaren jedan zavar: u takvoj epruveti nastaju naprezanja usled samouklj estenj а. PrvoЬitna epruveta ove probe sastojala se iz sipke kvadratnog preseka sa stranom kvadrata 50 mm, na ciji1p- su dvema stranama glodanjem
.
1 ·~~~~ii-'=;;;,~~~~-i~-Ш~=Ш~fW~,z:l~~~·~Jc~ · .. 1na 1.~~2'~~4"i!!fiЉ~:Д,~16T.Etg~~~~~~:ttt~~t~~~~~!~~"~~~~~c:;.-;;;:ii-Z,i.E:J еriЈа.юпг::е· ек..,rо> ucmm--zavarivanJem~
aк.(YuПu1Jen1:гepruve a·--p(Juvrga::--~-------~---:11
va se savijanju pod us1ovima prikazanim na slici VIII-13. Epruveta iz vi-
lspitivanje savijanjem bez navara
lspitivanje savijanjem posle zavarivanjo Sl. VIII-13 -
* Kommerel 14*
Epruveta i ispitirv'anje prema Komerelu
ZA V ARLJIVOST CELIKA
212
sokokvalitetnog celika С 52 (bez navara) pri i~pitivanju savijanjem treba da da ugao od 180°С. Komerel smatra, da је metal dobro zavarljiv, ako ugao savijanja epru.vete dimenzija 50 Х 50 mm, pripremljen pod gore navedenim uslovima, prelazi 50°. Predlozena је i jedna varijanta ove probe. Epruveta za savijanje izraduje se elektrolucnim zavarivanjem zavara duzine 300 mm u. osi velike ploce dimenzija 200 Х 50 Х 700 mm.
!2
-
Sistematska ispitivanja izvrsena na takvim epruvetama pokazuju da: - Celik С 52, ,nezavarljiv, pokazuje grub prelom pri vrlo malim uglovima savijanja 5 do 10° i bez deformacije. Predgrevanje epruvete iz ovog celika do 300°С znatno povisava vrednost u.gla savijanja pri ispitivanju.; - u celiku. с 37, posle analognih ispitivanja, dolazi do pojave finih prslina vec pri malom uglu savijanja. Ako se ispitivanje savijanjem nastavi do loma javlja se grubi lom sa krupnozrnom strukturom. Predgrevanje ovih celika do 200°С znatno snizava osetljivost ovih celika prema zavarivanju. Ova su. ispitivanja omogucila da se definisu. zavarljivi kvaliteti celika с 52 i pokaz.ala da nacin proizvodnje celika ima prvostepeni uticaj; osim toga pozeljna је sitnozrna primarna kristalizacija. Geren* је nedavno vrsio slicna ispitivanja na Tomaso,vom celiku С 52 HS sa visokom granicom razvlacenja, predvidenom za izradu zavarenih konstrukcij а [8]. ---~
~i•~ ·"'~~+э;;'""~'"~~-~=~5}~Pi~tici'~ёia""'н~i~v~fff.Ћ~o-vб~j~"~'1~ail~~t~~l~}:ffбt)~:i;~~.§J~~~;§:s1stЋ]Y~c:u~i"ii;·c{~-~~"'~! sucenom zavarivanju. cetiri debela lima na taj nacin, sto se najpre zavare dva sava za ukljestenje АА i ВВ (sl. VIII-14), а posle hladenja poprecni sav СС • Ova proba је veoma privlacna А".,=.,.,.""~.,="'""'"'""""~,,..,.,..,,.,,.",..,.".,"."".,,"..~"_ А' zbog svoje jednostavnosti а takode i ~ vrlo1 stroga. Medu.tim, ona pruza malo mogucnosti za promenu napona uklj estenja, kao sto је to slucaj u. drugim в ~~"- __ "".,,.....,".,,.,.&,,...-=,,~.....,.,,..,_._.,.."..,_,"" В' slozenijim probama. с) Proba kruznog sava iLi "Ring Test". Ova ргоЬа predlozena је specijalno za odredivanje sklonosti dodatnog materijala ka pojavi prslina. EpruSl. VIII-14 - Epruveta sa savom u veta је u. oЬliku. diska, precnika 100 mm obliku slova "Н" i deЬljine 25 mm (sl. VIII-15), sa V ili Х zlebom. Disk se postavlja u. odgovarajuce pripremljeni otvor kvadratne ploce sa stranom od 212 mm. Posle izvrsenja kruznog sava, sav se polira i nagriza da Ьi se otkrile eventualne prsline. 1
1
*
Guerin
1
PROBE ZA V ARLJIVOSTI
213
Slicno ovoj ideji, Stajnberger* i nj egovi saradnici [9] koгiStili sи eprиvetи и oЬlikи ploce 50 Х 50 mm i deЬljine 12,5 mm koja је imala krиz ni zleb dиbine 4,7 mm i precnika 25 mm (sl. VIII-16). Topljenje dodatne
zice vrsi se роmоси drza~~ za zavarivanj е atomizovanim vodonikom ili
Sl. VIII-15 - Proba "kruznog sava" ("Ring Тest") za ispitivanje sklonosti ka pojavi
Sl. VIII-16 - Proba sklonosti ka pojavi p.rslina dodatnog mater.ijala (metoda Arcos)
роmоси pistolja za zavarivanje и zastitnom gasи argonи sa brzim hladenjem vazdиsnim m1a:zюm. Ovom probom moze se isto takoispitivati sklonost ka pojavi prslina materijala sava nanetog elektrodama bazicnog tipa. Prisиstvo prslina se otkriva nagrizanjem polirane povrsine sava. Istrazivaci su primenili оvи metodи za izbor dodatne zice za zavarivanje vazdиhoplovnih konstrukcija i иstanovili sи (tablica VIII-1): zavarivanje dodatnom zicom iz celika I dovodi do povisene sklonosti ka pojavi prslina; zavarivanje zicom iz celika П dozvoljava da se dobije zavareni spoj koji је manje sklon pojavi prslina а zavarivanje zicom iz celika III (bez nikla)
TABLICA VIII-1 Elementi
Celik I
с
0,27 do 0,35 0,6 do 0,8 0,20 do 0,35 < 0,015 < 0,020 1,65 do 2 0,6 do 0,8 0,27 do 0,37
Mn Si
s
р
Ni Cr Мо
Va
* Steinberger
-
1
1
1·
Celik П
Celik III
0,15 do 0,20 0,55 do 0,75 0,25 do 0,40 < 0,015 < 0,020 1,85 do 2 0,8 do 1 0,35 do 0,45
0,27 do 0,32 0,7 do 0,9 0,25 do 0,45 < 0,015 < 0,020
-
-
0,85 do 1 -
0,20 do 0,25
ZA V ARLJIVOST CELIKA
214
omogucava dobljanje zavarenih spojeva koji prakticno nisu skloni pojavi prslina. d) Proba NRL (Naucno-istrazivacka laboratorija Americke mornarice). Na slici VIII-17 prikazana је jedan drug! tip proba u obliku samoukljestene epruvete namenjene za odredivanje sklonosti zone rastapanja (materijala sava) ili osnovnog materijala ka pojavi prslina. Na limu 300 Х Х 200 mm i deЬljine 25 mm izraden је V-zleb sa zatupljenjem 16 mm u 25mm. 1 ј 1
ЗOOmm<-----t-
,......
г-i-------__....-------1 Е
(Ј
25 mm
Е
Е Е
Pravac val;an;o
-----------·------------
о
~
1
-+----------~'
L.-1
r----225mm_J
16mm
Sl. VIII-17 - Epruveta N.R.L. za odredivanje sklonosti ka pojavi prslina zone rastapanja. Metoda је primenjena -od strane istrazi,vacke laboratorije Americke mornarice 1
;
!
[ · duzrni-od-2.25-mm~~b.....s@-Zav-r-Sav-a--k-mZ.вm-эtv.orom-C.i;j-i~r-eG.ni-k-rrюze · . ~~'";""~E~~~~~rr6me~z.~:~,,i~,::;.~~~~~ nu strogosti ispitivanja, Ьilo povecanjem razmaka u korenu zleba, Ьilo promenom ·precnika rupe. В)
Probe osetljivosti prema zarezu
1. Probe Ditijela* Probe Ditijela [10] za ispitivanje osetljivosti prema zarezu pripremaju se putem nanosenja navara postupkom elektrolucnog zavarivanja na
Sl. VIII-18 -
*
Dнtilleul
Nacin pripreme Ditijelu
epгuvete
prema
PROBE ZAV ARLJIVOSTI
215
Iiinu deЬljine 12 mm, sa dublnom uvara od 2 do 3 m·m (sl. VIII-18). N avar se nanosi izmedu dve bakarne vodice. Iz lima sa navarom isecaju se epruvete specijalnog oЪlika i ispituju na udarnu zilavost i savijanje. · · ' . :~ а) Epruvete za ispitivanje udarne zilavosti. Epruvete za ispitivanje udame zilavosti su prizmaticnog oЪlika sa poprecnim presekom 8 Х 6 mm i duzinom 55 mm (sl. VIII-19) (normalna UF epruveta za udar ima kvadratni presek 10 Х 10 mm).
~ Bi;
/ 1
i?7
,)
?Ј:~
ri6 "'-
а
~1 , Ь)
't
Sl. VIII-19a Epruveta za ispitivanje udarne zilavosti SRA (Dutilleul) Sl. VIII-19b - Epruveta za ispitiV:anje udar.ne zilav;osti SRC (Dutilleul)
Ditijel је pokazao, da dubina i po1ozaj zareza imaju veliki uticaj na osetljivost metode. U stvari, zarez dublne 1 mm postavljen potpuno и zoni rastapanja, dozvoljava da se jasno razlikuju dva tipa celika jacine 50 kp/mm 2 , jedan zavarljiv i drugi nezavarljiv. .
К
?.
.
.
= udarna zilavost osnovnog materijala bez navara;
К' =
udama zilavost epruvete sa navarom. TABLICA VIII-2
Celik 50 kp/mm2
--
Zavarljiv Nezavarljiv Ь)
Epruveta UF к
К'
(kpm/cm 2 ) (kpm/cm2) 9,68 5,72
8,32 4,69
-
К'/К
-0,86 0,82
Epruveta SRC
Epruveta SRA к
К'
(kpm/cm2) (kpm/cm2) 11,33 6,30
6,22 2,71
К'/К
10,55 0,43
К
1
К'
(kpm/cm2 ) (kpm/cm 2) 9,34 6,82
2,99 1,16
К'/К
-0,32 0,17
Epruveta za ispitivanje savчanjem. Ditijel је, primenjujuci isti tip pripreme, razradio epruvetu za ispitivanje savijanjem sa uslovima koje postavlja Francuska mornarica. U toku ispitivanja savijanjem registruje se kriva sila - deformacija, koja ima jedan od oЬlika sa sl. VIII-21. Vrednosti, koje omogucuju odredivanje zavarljivosti svode se na odredivanje sledecih parametara: - maksimalna sila F; - ugao savijanja koji odgovara maksimalnoj sili; - ugao savijanja koji odgovara prvoj diskontinualnosti na krivoj; - ugao savijanja koji odgovara potpunom lomu epruvete;
ZA V ARLJIVOST CELIKA
216
rad potpunog loma koji se doblja odredivanjem ukupne povrsine ispod krive na dijagramu (sl. VIII-20); odnos rada loma s?. posle dostizanja maksimalnog opterecenja prema ukupnom radu S, tj. S/S. ~--------------------Sг------------------~~
1
!
~ 1
1
~-----------------Sз-------------~~ Sl. VIII-20 - Dijagram "sila - deformacija" dobljena probom savija,nja prema Ditijelu. Kriv:a pokazuje odredene
1
ka:гakter1stike 1
Ako је diskontinualnost na krivoj sa dijagrama nastala pri pojavi prve prsline, neophodno је odrediti dva odnosa: S 2 /S i S.jS. Rezultati ispitivanja. Za nedovoljno zavarljiv celik jacine 50 kp/mm 2 dobija se diskontinualnost и naprezanju sto dovodi do toga, da је rad loma S 2 prakticno jednak nuli (sl. VIII-21). Г'f'''~'"'":;-,€~di;:~~"~~~~~-'~r •
...
ф
ф
а.
·
(а)
'\ \
\
0~----------~==========~~-----=~~ Ugao S'avijanja
Ugao savijanjo
(с)
ф
с: ф
u
ф
ф
8 LL--------~~-=~====~~ u9ao savijanja
Sl. VIII-21 Oblik krivih savijanja nedovoljno zavarljivog srednje zavarljiv:og (Ь) i dobro zavarljivag (с) celika Ас 50
(а),
PROBE ZA V ARLJIVOSTI
217
Za srednje zavarljiv celik jacine 50 kpfrnm2 doblja se ograшcena diskontinualnost naprezanja: rad loma s?. posle dostizanja maksinшlnog opterecenja је veci. U slиcaju dobro zavarljivog celika jacine 50 kp/mm 2 zapaza se odsustvo diskontinиalnosti и naprezanju а rad loma је veliki. 2. Probe Snata* Меdи probama konstrиktivne ili opste zavarljivosti, za odredivanje osetljivosti prema zarezu, treba istaci probe Snata; kako se osetljivost prema zarezu odreduje prema izgledи preloma, ove probe nam omogucavajи da pravimo razlikи izmedu preloma nastalih dekohezijom i pre1oma nastalih smicanjem. Epruvete za ispitivanje udarne zilavosti prizmaticnog oЬlika sa иobicajenim poprecnim presekom 10 Х 10 mm i 8 Х 10 mm razlikиju se ро oЬliku zareza а na suprotnoj strani od zareza imaju cilindricni otvor. U slucaju uoblcajnih epruveta za ispitivanje udarne zilavosti (Sarpi ili UF) dublna zareza iznosi 5 mm, раје odnos visina/sirina 5/10; za epruvetи Menaze ovaj odnos је 8/10. U Snatovih epruveta ovaj odnos iznosi 3/10 sa ostrim dnom zareza и "Coheracie" (Koheraci) epruveti (sl. VIII-22a) i zaoЬljeKoheracljo
45°
d =1
Kr
i·
\
l\.1 1\ 1 1
Sl. VIII-22 -
* Schnadt
Oblik i dimenzije epruveta prema Snatu
ZA V ARLJIVOST CELIKA
218
nim dnom zareza и "Resilacie" epruveti (sl. VIII-22b); eprиveta bez zareza sa иkиpnom visinom od 8 mm nazvana је "Dynacite" (sl. VIII-22c). U presekи zareza, sa sиprotne strane nalazi se cilindricni otvor precnika 5 mm sa izlazom - otvorom od 3 mm и koji se иmесе сер od tvrdo·g metala. Vrednosti doЬivene ро·mоси ove tri eprиvete, izrazene и kilopondmetrima ро centimetrи kvadratnom, dozvoljavajи da se ustanovi dijagram иdarnih zilavosti koji odredиje stepen krtosti ispitivanog celika.* Ako је vrednost иdarne zilavosti К ispod 2 kpm/cm2 tada nastaje lom dekohezijom (povrsina preloma sa sjajnim zrnima). Ako vrednost иdarne zilavosti К premasa granicи od 8 kpm/cm2 , lom nastaje smicanjem, а povrsina preloma ima mat zrna.
3. Proba sklonosti ka pojavi prslina univerziteta Lihaj** Оvи рrоЬи
razradila је americka Skola istra2:ivaca za izиcavanje zavarljivosti celicnih limova vecih deЬljina. Osobenost ove · probe ogleda se и mogиcnosti promene stepena krutosti e;prиvete pиtem иsecanja niza proreza ро duzim stranama epruvete do rastoj anj а х od ivice (sl. VIII-23b).
~
(о)
>с
!....1_
~- 85 do 135 mm --ј Ф 12,5 mm
t
L-
~
Е Е
@
сь:
~-~------ЗOOmm-------1~
Sl. VIII-23 •i 1
1 1
Epruveta univerziteta Lihaj (Lehight)
U limи priЫiZnih dimenzija 300 Х 200 mm, ро dиzoj osi, glodaнjem se izradi nesimetricni dvostrani U-zleb, cije sи dimenzije pokazane na sl. VIII-23. Dиzina zleba L se menja и zavisnosti od deЫjine lima е: - za е manje od 25 mm, L = 85 mm; - za е vece od 25 mm, L ~ 135.
* Detaljnije vidi Zavarivac 1/1966. str. 2-18 i 2/1966. str. 2-17. ** Lehight 1
PROBE ZAVARLJIVOST!
219
Posle elektrolиcnog zavarivanja izljeЬljenog dela, isrpitиje se eventиalno prisцstvo prslina Ьilo vizиelnim pregledom, ili ma kojim drиgim metodama kontrole- magnetoskopskom, rendgenografskom itd. Prema ispitivanjima americkih istrazivaca, pri zavarivanjи niskoиgljenicnih celika sa sadrzajem иgljenika do 0,30°/о prsline se, иkoliko dode do njihove pojave, nalaze samo и materijalи sava (zoni rasta,panja), dok pri zavarivanjи viskoиgljenicnih celika ili legiranih ceHka nedovoljne zavarljivosti, prsline zapocinjи и zoni pod uticajem toplote i rasprostiru se и materijal sava (zonи rastapanja).
4. Proba sklonosti ka pojavi prslina Braun-Boveri Epruveta za ispitivanje sklonosti ka pojavi prslina sastoji se iz niza ploca, cija deЬljina и principи odgovara deЬljini цpotrebljenog lima и konstrukciji, а dodirne sи povrsine fino obradene rendisanjem; sklapanje i stezanje ploca izvodi se pomocu zavrtnja, koji prolazi kroz osnи liniju ploca (sl. VIII-24). Broj i dimenzije ploca odreduje sam istrazivac
Sl. VIII-24 - Braun-Boveri epruveta za ispitivanje sklonosti ka pojavi prslina и
zavisnosti od osoblna osnovnog materijala i primenjenih elektroda. Na dodirnim ivicama ploca zapoCinjи pгsline. Na cetiri bocne povrsine ovog bloka ploca, paralelno sa podиznom osom koju predstavlja zavrtanj za steza:nje, izrade se glodacem zlebovi sa razlicitim radijиsima zaobljenja dna zleba (r = 2 do 5 mm); и nekim
ZA V ARLJIVOST CELIKA
220
slucajevima radi se zleb sa ostrim uglom. Ispunjavanje zlebova sa zaoЬljenim dnom, vrsi se elektrolucnim navarivanjem u jednom sloju elektrodom ciji precnik odgovara radijusu zaoЬljenja dna zleba. Ispunjavanje zlebova sa ostrim uglom vrsi se zavarivanjem sa vise zavara. Ispitivanje se vrsi na taj nacin, sto se odabranim elektrodama, koje sasvim prirodno, odgovaraju vrsti osnovnog materijala epruvete, polozi jedan zavar, а zatim se trazi da li ima prslina koje Ьi se mogle javiti u zoni rastapanja na mestima suceljavanja ploca ili u zoni ispod navara. Proba Braun-Boveri је stroga, i prvobitno је Ьila predvidena za izucavanje sklonosti ka pojavi prslina austenitnih celika. Danas se ova proba primenj uj е i za ·druge vrste celika. Sastavljajuci Ьlok-epruvetu od ploca iz razlicitih vrsta austenitnih celika, moguce је naci, pri samo jednom ispitivanju, najpogodпiju elektrodu za zavarivanje odabranog celika. 5. Proba Kinzela
Poznato је, da se zilavi lom karakterise vlaknastom-matprelomпom povrsinom, а krti lom sjajnom - kristaiastom preiomnom povrsiпom, пekad definisan kao lom bez suzenja u slucaju kidanja pri ispitivaпju zatezanjem, ili bez poprecne kontrakcije u slu.caju epruvete za savijanje.
·r
Kinzei [11] је razradio epruvetu za ispitivanje savijanjem koja dozvoljava da se razdvoje oЬlasti zilavog i krtog loma metala kao i da
, \
,,c,-,~~~#::;:~~~E:~ljE~~~:~~~::::~::~fJl~~:l:ll~~;~"~~~j~ · nog liiria~ Ро ·osГploce, paralelnoj duzoj strani, nanosi se elektrolucmm zavarivanjem navar dиZine 100,6 mm. Upravno na navar, ureze se glodacem zarez dublne 1,27 mm ро celoj sirini epruvete; radijus zaoЬlje-
а
ь
r = 6,35 с
Sl. VIII-25 - Kinzelova epruveta i nacin izvrsenja ispitivanja
,.
PROBE ZAV ARLJIVOSTI
221
nja dna zareza iznosi 0,25 mm. Epruveta se lagano savija pomocu pritiskaca (с), pri cemu se povrsina epruvete sa zarezom nalazi u zoni zatezanja. U ove probe, meri se bocna kюntrakcija epruvete posle preloma u nivou zareza i poredi se sa pocetnom sirinom epruvete. Ovo merenje је vrlo osetljiv:o i zahteva vrlo brizljivu pripremu epruvete. Kinzel Uzima, da prelazU metala iz zilavog Stanja U krto stanje odgovara 1°/о kriticne kontrakcije za datu temperaturu. Ova ispitivanja, izvrsena pri razlibltim temperaturama iz.medu + 20°С i -180°С, omogucavaju da se odredi prelazna temperatura, tj. temperatura pri kojoj celik ,prelazi iz zilavog stanja u krto stanje (videti u daljem tekstu). Da Ьi se izbegao vrlo veliki broj ispitivanja pri razlicitim temperaturama, Kinzel predlaze izvrsenje ispitivanja pri sledecim uslovima: - za brodske konstrukcije i za konstrukcije, koje rade u zatvorenim prostorijama, dovoljno је odrediti kriticne uslove prelaza iz zilavog stanja u krto stanje, kojom odgovara 1 °/о kontrakcije pri temperaturi -20°С; . - za konstrukcije, izlozene utioajima vecih temrperaturnih promena, dovoljno је odrediti ki'Iiticne uslorve pre1aza iz zilavog stanja u krto stanje pri temperaturi -40°С. Ova kriticna temperatura moze biti razlicita u raznim zemlj ama. Uporedenje rezultata, dobijenih pri datoj temperaturi, pri ispitivanju epruveta sa navarom i bez njega, dozvoljava da se izvuku zakljucci о uticaju rezima zavarivanja na osobine celika. Navescemo nekoliko interesantnih zakljucaka, koje је dao Kinzel: е; е se m teta struj е i velikih brzina zavarivanj а; - pri jednakoj zateznoj jacini, nastup krtosti posle zavarivanja је vise и slucaju ugljenickih celika nego u slucaju legiranih celika; - nastup krtosti posle zavarivanja је, u vec:Uni s:lucajeva, visi u spojeva izvrsenih na limu u stanju pos:le valjanja nego kod spojeva izvrsenih na no·rmalizovanim limovima; - termicka obrada, prigodno primenjena posle zavarivanja, snizava kriticnu temperaturu prelaza u krto stanje do njene pocetne vrednosti pre zavarivanja.
Kinzel је ustanovio, da zavarljivost celika odreduju mnogobrojni faktori: - uslovi proizvodnje i deroksidacije celika imaju veliki znacaj; - kriticna temperatura prelaza u krto stanje zavisi od velicine zrna; ona se povisava sa uvecanjem dimenzija primarnih zrna; - kriticna temperatura se, u vecini slucajeva, povisava sa porastom sadrzaja ugljenika u celiku; ona se snizava sa uvodenjem u celik nekih legirajucih elemenata; - kritie-na temperatura se nesto poviSava ako se celik podvrgne obradi hladne deformacije; ,proces starenja posle hladne deformacije је u biti funkcija kvaliteta is,pitivanog celika. Kinzelova proba zavarljivosti celika,
а
је
nasla primenu pri mnogobrojnim istrazivanjima narocito u Institutu za zavarivanje u Parizu [21].
ZA V ARLJIVOST CELIKA
222
6. Krstaste epruvete za ispitivanje zatezanjem Odredivanje sklonosti celika ka krtim lomovima роmоси ispitivanja krstastih eprиveta (sl. VIII-26) nedavno је Ьilo izиcavano и Belgiji od strane profesora Zute-a* [13]. Ove epruvete, sa specijalnim zarezima и иglovima, kidajи se и snaznoj dvoosnoj masini za ispitivanje zatezanjem.
Sl. VII-26 -
Krstasta epruveta za ispitivanje zatezanjem prema Zute-u (Soete)
Sl. VIII-27 Krti lom jedne krstaste epruvete. Glavni lom se prostke duz jedne od dijagon.ala
*
W. Soete
PROBE ZA V ARLJIVOSTI
223
Jedna serija epruveta ispituje se na temperaturi ispod temperature prelaza u krto· stanje, а druga serija epruveta - iznad ove temperature. Krti lomovi u krstastim epruvetama nastaju, kao ро pravilu, ро dijagonali epruvete (sl. VIII-27), dok za zilave prelome, rasprostiranje prsline nastaje poprecno kroz jedan par krakova krstaste epruvete (sl. VIII-28).
\'..
Sl. VIII-28 - Zilavi lom krstaste probe sa sl. VIII-26. Lom se prostire kroz krak krstaste epruvete
Cilj probe Robertsona је odredivanje otpornosti celika prema sirenju krto·g loma. Epruveta se podvrgava ravnomernom zatezanju u za to predvidenoj masini za ispitivanje (sl. VIII-29). U procesu ispitivanja, u epruveti se proizvodi temperaturni gradijent putem bladenja jednog kraja epruvete u tecnom rashladnom sredstvu, dok se drugi kraj zagreva ili ostaje pri soЪnoj temperaturi. Lom se proizvodi pomocu udara ро ohladenom kraju epruvete, koji se nalazi na temperaturi nizoj od kriticne temperature prelaza u krto stanje. Ovaj udar izaziva pojavu krtog loma, koji se raspгostire ka toplom kraju epruvete; i zadrzava se u nekoj tacki epruvete; temperatura ove tacke se odredi. Promenom primenjenog optrecenja moze se izraditi dijagram (sl. VIII-30), kodi pokazuje promenu napona u funkciji temperature zaustavljanja loma. Vertikalni deo krive, odgovara kriticnoj temperaturi Tk, pri kojoj dolazi do zaustavljanja rasprostiranja loma za ma koja primenjena naprezanja. Horizontalna grana krive odgovara kriticnim vrednostima napona а k' Rasprostiranje lomova ne nastupa pri temperaturama visim od Tk ili ako је napon nizi od а k. Ova ,proba pokazuje, da kriticna temperatura zavisi od kvaliteta celika, njegovog hemijskog sastava, nacina proizvodnje, termicke obrade, velicine zrna, tj. zavisi od osoЬina za koje su odgovorni celicari (metalur-
ZA V ARLJIVOST CELIKA
224
zi). Kriticni napon је uslovljen pravilnom raspodelom naprezanja, tj. faktorima koji zavise od konstruktora. Uticaj deЬljine lima na temperaturu zaustavljanja daljeg sirenja prsline prikazan је na slici VIII-31. Temperatura zaustavljanja vrlo brzo raste sa povecanjem deЬljine lima. Tako na primer, za deЬljinu lima
1
;~~' ~•с-"'~''"'~~-с."'''"'~· ·~··'•"Вl~.YIIIc.2~"""'~1V!'!iJJ>ac4~.~r"'1!'!~1>J>r!;;шш;;."'"·"'''~· ~.,., ,.,.с,.;с,~ •.•. •.•.
1
25 mm temperatura zaustavljanja је iznad + l0°C; temperatura zaustavljanja opada do -20°С za deЬljinu lima od 5 mm, sto ocigledno· dokazuje dominirajuci uticaj deЬljine lima na obrazovanje kriticnih nаропа i rasprostiranje prslina. 6
-.s
25
о
15'
е
Е
Zona и lcojoj se lomovl ne s/re
Zona rasprost/ranja
krtlh lomova
120 .s ......
ј ј
:а 10 ф
1
1
1
Q tк
5
1
Ji
+ Тemperatura ( 0 С)
-20-.15 -10 -5 о + 5 + 10 +15 + 20 Тemperatura ( С)
Sl. VIII-30 Robertsonov dijagram. Srafirana zona ,razgranicava oЬlast napona i temperatura pri kojima dolazi do krtog loma
Sl. VIII-31 Uticaj deЬljine na temperaturu zaustavljanja prsline. Dijagram је izraden ispitiva1njem na epгuvetama prema Robertsonu
..____~
0
PROBE ZA V ARLJIVOSTI
225
n IV -
TEMPERATURA PRELAZA U KRTO STANJE
'"~"''"'._. ...... ih
godina su izvrsena mnogobrojna istrazivanja о ponasanju pri niskim tempe~aturama, а po~~bno. zavareni~. spoJ,~va. ~as~d ispitivanja ne spada]U u tzv. "lSpltivanJa zavarl]1vost1 posto Је tura prelaza u krto stanje poglavito kriterijum za procenu kvalicelika. N eke organizacij е i ustanove unele su medu tim ovaj vid va:nja u svoje tehnicke propise, odredujuci vrednost zilavosti celia udar pri datoj temperaturi za klasifikaciju elektroda ili osnovnog ala. U zajednici sa Moneronom*, mi smo rezultate ispitivanja temperature aza u krto stanje upotreblli kao kriterijum kvaliteta elektroda. Doslo toga, da klasifikacija elektroda prema prelaznoj• temperaturi odgonjihovoj klasifikaciji prema mehanickim osobinama dobivernim pri ili dinamickim metodama ispitivanja [14]. Zna se, da krtost celika raste kada temperatura okolne sredine ора ро kontinualnom zakonu; zatim pri nekoj odredenoj temperaturi meprelazi iz zilavog stanja u krto stanje. Ova temperatura је nazvana rom prelaza и krto stanje. Poznavanje "prelazne" temperature а veliki prakticni interes, posto dozvoljava da se predvide granice, ispod kojih celik prelazi u krto stanje, opasno za ~"'·"'"'•. и sigurnost konstrukcij а.
,!".!.v<>..J.J.H
temperature prelaza ·u krto stanje
/
moze da pokaze dve zone brze promene udarne zilavosti. anomalija se javlja u oЬlasti bliskoj sobnim temperaturama i naziva zonom "izmene tipa preloma";** ovde dolazi do prelaza vlaknastog ili ovitog preloma u zrnasti izgled preloma. Druga zona promene, nalazi se u oЬlasti niskih temperatura, i naziva "temperatura ,prelaze u krto stanje";*** ova zопа oznacava naglu prou energije potrebne za razaranje celika: od visokih vrednosti sa asticnim deformacij ama pri 1omu, ka niskim vrednostim.a bez plasticnih eformacija (potpuna krtost). Prvi ,prelaz, koji је u vezi sa rasprostiranjem prslina, se lakse od'e pri ispitivanju epruveta sa ostrim V-zarezom, pomocu kojih se obljaju kontinualne krive temperatura-udarna zilavost u obliku slova S.
s.
Nasuprot tome prelaz u krto stanje se tacnije odreduje epruvetama UF ozn:acenim velikim rasipanjem vrednosti energije udarne zilavosti. . Shodno ovome, pravilno odredivanje temperature prelaza u krtostanje b1tno zavisi od oblika epruvete za ispitivanje udarne zilavosti.
* Moneyron ** "Transition literaturi. *** "Transition literaturi.
1S Metalurgija zavarivanja
de cassure" u francuskoj i "fracture transition" u engleskoj de fragilite" u francuskoj i "ductility transition" u engleskoj
ZA V ARLJIVOST CELIKA
226
Za eprиvete sa ostrim zarezom ova temperatиra moze Ьiti odredena Ьilo prevojnom tackom S-krive Ьilo, prema nekim aиtorima [15], kriticnom temperatиrom, koja odgovara konveвcialnoj vrednosti иdarne zilavosti Krlvo udorne iilovostl К- f(T 1) od 2,76 do 4,14 kpm/cm2 (20-30 Sredn/e vrednostl А stopa/livra). il/ovlh lomovo -- м U ј ednoj lepoj stиdij i о иdarnoj \,.в,. zilavosti sa eprиvetama tipa UF, rade.,... / noj и okvirи IRSID*, Ј. Ulmo, F. Bas/ ...., с/ tenaire i R. Borione** sи pokazali, da se и blizini temperatиre "prelaza и krto ::: stanje" mogи posmatrati dva tipa preOpfto loma, koji odgovarajи vrlo razlicitim srednio vrednost nivoima energije loma (sl. VIII-32): :::> - "zilavi" prelomi za visi nivo иtrosenog rada; i Srednje vrednusti _"_, . - "krti" prelomi za :rrizi шvо lcrtlh lomovo . _.. ' . и trosenog rada. М'1 __ ...... -·-· в' Srazmerna kolicina zilavih preloma С Т·1 т, т. progresivno se povecava sa temperatи Т emperaturo rom i asimptotski se priЬlizava vrednosti 100°/о. Sl. VIII-32 - Odredivanje temperature prelaza u krto stanje. Dv:oU prelaznoj zoni, gde koegzistiraj и jaka raspodela udarnih energija u dva tipa preloma, "temperatura prelaprelaznoj zoni za и krto stanje" Tt је data krivom srednjih vrednosti udar:ne zilavosti ММ ,
--
о :0 о
•N
.
о с:
о
"
--
,
1
.Ј~· .~-~~~;~,~~~~~~?-~bla~~e:~:fg~~~~~~1~;~,,~~~:~~L~~,~~;!.~~"'~~:~~:;;~~l~~~~~:~.:~~;~~::~.":~~Z~.o~~i :·.~· · .···сOrdinata tacke Т daje vrednost udaгne zilavosti Kt, koja odgovara temperatиri prelaza и krto stanje. Isti aиtori [16] sи predlozili da se oЬlast ogranicena temperatиrama kojima odgovara 5°/о i 95°/о zilavih preloma, tj. oblast van koje se moze naci samo jedan tip preloma, zove prelaznom zonom. Gornja granica prelazne temperature Ts odgovara temperatиri pri kojoj se doЬija 95°/о zilavih preloma. Polozaj temperatиre prelaza и krto stanje zavisi od stepena strogosti udarnog ispitivaлja, tj. od oblika zareza. Za eprиvete sa ostrim zarezima prelazna temperatиra se pomera и oЬlast sobnih teщperatura. В)
Faktori koji uticu na temperaturu prelaza u krto stanje
1. Uticaj legirajucih elemenata Elementi koji иlaze и sastav celika razlicito иtiси na temperatиrи prelaza [17]. Ugljenik i fosfor, neizbezno prisutni и celiku (sl. VIII-33), pomerajи temperatиrи prelaza ka visim temperatиrama; nasuprot, mangan иtice na snizenje temperatиre prelaza. Silicijиm pri koncentraciji do 0,20°/о takode snizava temperatиrи prelaza, а sa povecanjem sadrzaja silicijиma dolazi do njenog povisenja.
* **
Institut za naticna istrazivanja u oЬlasti industrije celika, Pariz. Ulmo, Bastener i Borion.
....
PROBE ZA V ARLJIVOSTI
227
Medu specijalnim legirajucim elementima samo nikl i titan snizavaju temperaturu prelaza dok hrom, moliЬden i vanadijum uticu na njeno povisenje. Aluminijum pokazuje povoljan uticaj na temperaturu prelaza рп vrlo malim koncentracijama (do 0,04°/о). U literaturi postoje takode podaci о uticaju azota [18] i vodonika [19] na temperaturu prelaza.
..
u ~ о
'_..r--; ..-44
. - - ·- v
---А
р
т 4() ~--~-----г----4----=~~~~~~----4
v· ...-&"
~з
Р
___.·
V' с
2 " ---~ + ,?Up..>::-~:-;;_;"..-f ~==-----+-----+.-~--;;~..a-...---+----1----t
~
4
о
...
ф
";----
s" 1
Ф
•-
.--
_ гп
...
..._~
... ~S"V•....,. . ..,._ N,~~~ ·
о
~
Мп
,1/.С / 1..
)r
~- З
s.
-..._
--
--т-
1- -·--+;
/
-+- -'
~
ёЈ.._
-. _____ мn
N, - -
5-+-;
0.10
015
0.?0
(;_?5
0.30
n 35
0.4П
0.?0
0.40
0.60
1.0
008 00?0
0.16 0.030
032
1.2 04()
1.4
о
0.80 0.?4 O.U40
о.ох
п.ою
2
--
. ....._ · ~г-
Hemljskl sostav
О ()(Ј()
п
43
11(}70
045 с 1.6 Мп N1
!
S;
1
р
(%)
Sl. VIII-33 - Uticaj hemijskog !Sastava C.elika na pomeranje temperature prelaza u krto stanje
2
• .Ј..--8
·---
1--'_____-
---· _..-
Сг-
'·
' -80~--~--~~--+---~--~~--+---~~~~~~--~
о
0,10
0,20
о,зо
f
Sl. VIII-34 -
!5*
0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 leg/rajuC/h elemenata С, Cr, Мо, Tl, V, А/ (%)
Uticaj legirajucih elemenata u celiku na pomeranje temperature prelaza u krto stanje
1,00
ZA VARLJIVOST CELIKA
228
2. Uticaj velicine zrna ceLika Uticaj velicine zma celika na temperaturu prelaza (sl. VIII-35) studirali su mnogi istrazivaci [20]. Temperatura prelaza opada skoro linearno sa smanjenjem velicine zrna od 1 do 5 ро skali ASTM; odredivanje velicine zrna vrsi se ро metodi Mak-Kejd-En.*
-"' о
>
.5!
~ 5+-~r+------+-~---r--K~'--~-----+
! 2;· ::::>
0+----+------+------г----~------+ - 75 -60 -40 -20 о +- 20
Т emperatura ( 0 С)
SI. VIII-35 - Uticaj velicine zrna na prelaznu temperaturu sava izradenog bazicnom elektrodom.
Lefevr i Lemoan** [20] su ispitivali uticaj velicine zma na temperaturu prelaza materijala savova, izvrsenih kiselim i bazicnim elektrodama, а za razlicite oЬlike zareza (sl. VIII-36). Nacin proizvodnje celika, metod umirenja, stepen i smer obrade gnjecenjem Ьitno uticu na temperaturu prelaza celika. Pozitivan uticaj umirenja celika aluminijumom, na temperaturu ,prelaza ustanovljen је istrazivanja americkog Nacionalnog Ьiroa za standarde*** [21]. Stetan uticaj dispersionog otvrdnjavanja na prelaznu temperaturu izucavao је Ј. R. Lou**** [22]. С)
Primer odreaivanja temperature prelaza
Prethodna ispitivanja udarne zilavosti rastopljenog dodatnog materijala, nanetog bazicnim elektrodama jacine 50 kp/mm2 , na epruvetama tipa UF,omogucila su da se odredi da temperaturaprelazaleziiza--l10°C. Znatno veci broj odredivanja је izvrsen pri temperaturama - 105 + l5°C. Za svaku ispitivanu temperaturu upotreЬljeno је 25 epruveta, da Ьi se tacnije oderdila temperatura prelaza и krto stanje.
* Мс
** *** ****
Quaid-Ehn Lefevre i Lemoine National Bureau of Standards Ј. R. Low
229
PROBE ZA V ARLJIVOSTI
---+----~-----;------~----~------+16
15
i f
.::.75
-20
-60
о
20
Т emperatura ( С)
0
Sl. VIII-36 - Uticaj oЬlika zareza na prelaznu temperaturu (prema М. Lefevre i Ј. Lemoine) Epruveta sa U (UF) zarezom (bazicna elektroda, kriva 1; kisela elektroda, kriva 4). Epruveta sa V-zarezom (bazicna elektroda, kriva 2; kisela elektroda, kriva 5). Koheracija (ostar zarez), Snatova epruveta (bazicna elektroda, kriva 3; kisela elektroda, kriva 6)
TABLICA VIII-3. - Bazicna elektroda (Ispitivanja Seferiaнa i Moneгona) Temperatura ос
+ 15 -90 -105 -109 -112,5 -120
Вrој
epruveta za probu udarom
Broj epruveta sa krtim prelomom
о 10 23 2 16 9 Tt Odredena pomocu Anrijive prave 9 12 1 3 22
!
Udarna zilavost (KUF) (Kpm/cm2)
Procenat zilavih preloma (%)
Epruvete sa zilavim prelomom
Epruvete sa krtim prelomom
Srednja vrednost zilavosti
100 92 64
17,10 9,12 7,75
2,02 1,53
17,10 8,55 6,33
50 43 12
7,61 6,0
7 0,78
5
3,85 1,41
'
;
Ј
ZA V ARLJIVOST CELIKA
230
U tablici VIII-3 prikazana је Ьimodalna raspodela vrednosti udarne zilavosti, koje karakterisu zilavi i krti lom. Anrijeva* prava omogucuje da se odredi temperatura prelaza и krto stanje; ona iznosi Tt = 109°С (sl. VIII-37). S druge strane, moze se pokazati da је prelazna zona obuhvacena temperaturnim intervalom - 109 + l9°C.
. 1
i
1 1
т 1 1 1
1 1
1
1
1
1
!
--+-..,..____,,,•••
1 i 1
,Ј,... ----~---. .-v!. -+;-+1---+
;
1 т
lj
т
v
~~
Ј.
98
95 90
/1
....... 80
70 60
50 40
Ј
~
..._. ·:;; о
Е
~
>
..2
-N
30
tj l
20 ...
с··_
10
5
11
ј
--+----Н~--~---+U'---4------~ о. о
--+----Ц2
0.---+------~
1
~ о
1
-;;
0,5
11
"
,_
,_-
.......
2
...
0,1
-..;. о
Е
Ј?
........ :::..::
0,05 0,01
-130
-120
-110
-100
-90 -80 Temperatura ( 0 С)
Sl. VIII-37 - Anrijeva prava za odredivanje prelazne temperature sava (stanje posle zavaгivanja) izvrsenog bazicnom elektrodom (Henry)
Vrednost udarne zilavosti Кх pri temperaturi prelaza iznosi 5 kpm/cm2 (sl. VIII-38), dok za gornju granicu prelazne zone (Ts = - 90°С) srednja vrednost udarne zilavosti iznosi 8,5 kpm/cm 2 •
*
Henry; metoda и statistickoj analizi (prim. red.)
i'
\' .;.:....;..========-"-=-"=-"=======· -----------.-
····-····
_.,.,.
231
PROBE ZAVARLJIVOSTI
1
1 х
opSto srednla vrednost
о
srednJO 11rednost
tilovih lomova sredn1o vrednost krtih lomova
- •
.....
- -·.....
)-
....
-- - -- -х/
-
/ ,/
/
t-
- 120
-115
-о-
.-
-о---
11 109"С
-
по
- 105
.г:_:..
__
~
L ___
-
.
----к- 85
----
к,
!----
- - -·тs
-
юо
Т emperatura
- 95
-90
о
- 85
(Cu)
Sl. VIII-38 - Odredivanje temperature prelaza u .krto stanje materijala sava izradenog bazicnom elektrodom
D) Temperatura prelaz.a rastopljenog dodatnog materijala u stanju posle zavarivanja Krive
udaгne
zilavosti, na slici VIII-39, pokazuju rezultate ispitivanja
:::
~'·~fr~д~~""'~§;c"'Лeko:J,jk~:astQiplj€nih_s;Д.QQ:Q.:_tiiii.h.G:.m:.<::l1..enз aia"'~дi".sJМi1Y'E:·P._Q§l~,.~;Z_C!,Y~IiY.~~oi·c: "··О·,~.":~:с.;<:;;;.,~,""ЈМ nja. NI:"o·ze se-konstatovati, da krive, koje odgovaraj·u oksid:nim~-~kiselin1Г - -- ------·~ celulo·znim elektrodama (krive 1, 2, 3), u prelaznoj zoni pokazuju ostar i pad ра је time interval temperature prelaza veoma suzen. Nasuprot, krive, koje odgovaraju rutilnim elektrodama (krive 4 i 5) i elektrodama bazicnog Цра (kriva 6 i 7) mnogo su vise razvucene tako da је i interval temperature prelaza siri. Temperatura prelaza definisana ,prevojnom tackom ovih krivih, nalazi se u neposrednoj Ьlizini temperature prelaza Tt koja odgovara konvencionalnom nivou kriticne vrednosti udarne zilavosti К 1 = 5 kpm/cm 2 • Vrednost К()= 3,5 kprn!cm 2 је prihvacena u vecini s:lucajeva, kao kriticki nivo udarne zilavosti za uglj enicne konstrukcione celike. Vrednosti udarne zilavosti za gornju granicu prelazne zone Ts znatno su vise od 6 kprn!cm 2 za elektrode kiselog i celuloznog tipa; za elektro~ de rutilnog i bazicnog tipa ove vrednosti su znatno• iznad 8 kpm/cm2 • Uticaj termicke obrade а)
Zagrevanje do 250°С и toku deset casova uz potonje vrlo lagano hladenje ne utice na prelaznu temperaturu. Ipak, ova obrada smanjuje rasipanje rezultata pri ispitivanju udarne zilavosti, naroCito pri temperaturama izvan prelazne zone, sto se moze objasniti odstranjivanjem velikog dela vodonika.
<1 !
i
'
i
'
ZA V ARLJIVOST CELIKA
232
Ь) Zagrevaпja па 650°С
ne dovodi do promene sitnozrne feritne strukture, doblvene pri elektrolucnom zavarivanju, vec tezi samo, da olaksa koagulaciji perlita izvesnih slojeva. Ovom oЪradom se oslobadaju zaostali naponi i odstranjuje se rastvoreni vodonik.
i! 1
1 2 з
-
4 5
Oksidna elektroda 0 1 Kiselo elektroda А Е lektroda sa organskim materijama и oЬiozi V /----+---!-----!1---::7'-f Rutilna elektrodo R 1 Ь ............... 6 Rutilna elektroda R2
v
~ ::::~:: :::~:;:~: =~
l/ О/
/1
~··О-
.. .!_
16
Ј4
о"'
~-t----г----r---~~~--·~~·-·'--~----~--~~~
>~----~
/'
i
--~-----r----~~_,----~----+-~~~~~~IO~
;) ,о_.· )
/.
......
... ...
--•з
",s.. . . -".
L.-..... 1 ~.;;....-:1:7.:: ... / / " 1/А./·, ·"' 2 ... --~---гl/~.~.~+---+~~~~--~~~.~~~~~~~ 8 ~ ~1
?".-4·:.-ј .... к·
'
~
---;-~-74.г----т----,~~~~~/-~~/~·~r~~к_··,-~--s-.~---+-----1 6 ~ -f--
-f-·-~-1'~-
;,·lf--
t
f
----t--11'---+---t--т·-+--,--f.
~
--1---- ---
.
:g
-- 4
_;_1!~/_о~з.!,_- ј V, --
'ј
Sl. VIII-39 - Krive udarne zilavosti К= f (Т) za sav izraden elektrodama razlicitog tipa (bez terшicke obrade posle zavarivanja)
: ј
1 1
i
i
1
''
!ј'
с) Zareпje па 900°С
1
utice nepovo1jno na temperaturu prelaza.
Uticaj ove oЪrade з е promenljiv u zavisnosti od tipa obloge elektroda · pomeranje temperature prelaza Т t posebno је izrazeno u slucaju elektroda sa kiselom i celuloznom oЬlogom. Ova termicka obrada menja sitnozrnu
1
!
1 ,,
;1! ·~'
U slucaju elektroda oksidnog tipa, zagrevanje na 650°С dovodi do izlucivanja velikog dela azota u vidu nitrida zeleza koji su otkriveni metalografskom analizom. U ovom slucaju, termicka obrada pri 650°С је veoma stetna.· U slucaju ostalih tipova elektroda, zagrevanje na 650°С uticepovoljno na udarnu zilavost, а pri tom ne dolazi do primetnije promene temperature prelaza u krto stanje (sl. VIII-40).
. '"m-...---------------------------\
,~ ~:
PROBE ZA V ARLJIVOSTI
233
strukturu slojeva rastopljenog dodatnog materijala, doprinoseci cesto izluCivam.ju druge faze (perlita), а takode o1aksava i iz1ucivanje rastvorenog azota iz cvrstog rastvora sto tezi oЪrazovanju iglicaste strukture - nitrida zeleza. 1 Rurilno eleЖtrodo R 1 bez topfotne obrode posie zovarlvonjo 2 Rutilno ele~trodo R 2 oez toplotne obradь posle zovarivan;o
З Rutilno elektrodo R 2, zogrevonte pri 650°С 4 Rutilno elektrodo R2 1 iorente pri 900°С 5 BoliCno elektrodo В 7 bez toplotne
1
18
1
obrade posle rovorJvan/O Ј
6 Bozicno elektrodo в,,rogrevon,e ""' 650СС --i--"..~1--'""?"'t-176 7 Boz/C:no elektrodo 8 1 , ioren1e ри 900сС 8 Bozнono elektrodo в 3 bez toplotne obrode posJe Lavorivonto
9 Bozil:no
elektrodo Bз,--+---ff----:~+-+-:.",....-+--+-i ioren1e pri 900°С
14 "'""' "'~:;
u
Е
r----+----+---~~-~~~~~----+----r;12 ...._ ~
u.
:::>
~
r----+----~~--~-.~+----+---~~~~10
~ о
..2"' ;N
~---+-~~+---~+--а~~-----=~~--+---~18
о с:
о
-о
J--_,H~-t-+--:iil----:--r--l---t---IH6 :::>
2 u
о
~
+
-120
-100
-ВО
-60
-40
-20
о
о
+20
Sl. VIII-40 - Kriv:e udarne zilavosti К = f (Т) za sav, izraden elektrodama rutilnog i bazicnog tipa, tennicki obraden na temperaturi 650 i 900°С
Za takvom - 45°С natno u
elektrode kiselog t~pa, temperatuгa prelaza Т t se pomera pri zarenju sa - 42°С na + 5°С; za elektrode celuloznog tipa, sa na - l0°C; ovo pomeranje temperature prelaza је sasvim nezslucaju elektroda bazicnog i rutilnog tipa (s1. VIII-40) Е)
Prelazna temperatura zavarenih spojeva
Na osnovu rezultata istrazivanja temperature prelaza zavarenih spojeva izvrsenih na niskougljenicnom celiku (С = 0,16°/о; Mn = 0,55°/о), bazicnom elektrodom jacine 50 kp/mm 2 , mogu se izvuci sledeci zakljucci:
ZA V ARLJIVOST CELIKA
234 а) temperatиra
prelaza materijala sava (zone rastapanja) sa sitnozrnom struktиrom nalazi se na oko - 80°С (kriva 1, sl. VIII-41). Ova temperatиra malo se menja (Tt = - 72°С), kada se иzmи и obzir sve struktиre zavare,nog spoja, stavljajиci zarez иpravno na оsи sava (kriva 4). Bazaltna (stиbicasta) strиktиra (kriva 2, sl. VIII-41) pokazиje veoma nepo1
! HemiJslu sostov Osnovnt
lonn
matefiJol
'ГJstoponJO
с
0,16
о.ов
Mn S;
0,55
0,56
и
trogovimo
1
1-
1
о
тос
1
! !
-10 -20
2-30
ј:3--4О -50
0,48
1
-60
s
0,032
0,024
1
р
-70
0,029
0,018
1
-80
1
-90
7. .
~
1
1.
~пn о
"nstonan,n
Sl. VIII-41 - Temperatura prelaza u krto stanje zavarenog spoja iz niskougljeniC.n.og celika deЬljine 16 mm; zavarivanje izvrseno bazicnom elektrodom jacine 50 kp/mm 2
,.
voljno dejstvo na
temperatиrи
prelaza,
izazivajиci
njeno pov1senje do
fc·;~~~~"'~~~;~{f~J',:ikчd~~~J?,~;:iЫ~д?;,~2Шii'riJ1~~~~"'td~~,?t;%~~~~~~~~~~~t~~~~~j~z"+~,-,~i;~-~~~ !
ј
1
i
1
! ·1!1
. 1
р
1'
1i
;1 !1
11
ц 11
1. 1,
11
Ь)
Osnovni materijal, koji nije Ьiо podvrgnиt иtiсаји termickog cikzavarivanja, ima temperatиrи prelaza reda - 20°С, sto је и dosta dobroj saglasnosti sa vrednostima prikazanim и tehnickoj li tera tиri. с) Zona pod иticajem toplote osnovnog materijala ima prelaznи temperatиru priЬlizno 35°С, sto predstavlja osetno poboljsanjeи poredenjи sa osnovnim materijalom. Snizenje temperatиre prelaza bi se moglo оЬjasniti иsitnjivanjima feritnih zrna и ovoj zoni. Shodno prednjem, moze se doneti opsti zakljиcak: pri elektrolиcnom zavarivanjи rastopljeni dodatni materijal se razlikиje od kvalitetnog konstrиkciorюg celika ро dvema Ьitnim karakteristikama: - hemijskom sastavи; i - strиktиri. 1. Rastopljeni dodatni materijal nanet elektrodama sa jezgrom iz potpиno niskoиgljenicnog celika, sa izиzetkom oksidnih elektroda, ima veoma mali sadrzaj иgljenika (С ~ 0,10°/о) i relativno visok sadrzaj mangana i silicijиma. Odnos Mn/C, za oksidne elektrode, iznosi priЬlizno 1, za kisele i celulozne elektrode 4 do 5, za rиtilne elektrode 6 do 8, а za bazicne elektrode ovaj odnos је znatno veci od 8. 2. Silicijиm, pri sadrzajи od oko 0,3°/о, ima povoljan иticaj na mehanicke osobine materijala sava. Ovaj element takode snizava temperatиrи prelaza. lиsa
PROBE ZAVARLJIVOSTI
235
Moze se pretpostaviti da је, u opstem slucaju, rastopljeni dodatni materijal potpuno umiren, izuzimajuci rastopljeni materijal nanet oksidnim elektrodama. 3. Sadrzaj necistoca, sumpora i fosfora је nizak (S + Р< 0,05°/о) sto proizilazi iz izbora materijala jezgra elektrode i proizvoda koji ulaze u oЬlogu elektrode. N asuprot, sadrzaji kiseonika i azota su relativno• visoki pri zavarivanju oksidnim elektrodama (N = 0,030°/о do 0,040°/о); pri zavarivanju kiselim i rutilnim elektrodama koncentracija azota . iznosi oko 0,025°/о, а pri zavarivanju bazicnim elektrodama od 0,010°/о do 0,015°/о.
4. Materijal sava ima sitnozrnu strukturu sa izuzetkom poslednjeg sloja, sto proizilazi iz osobenosti toplotnog ciklusa elektrolucnog zavarivanja. Velicina feritnih zrna odgovara oznaci 7 ili 8 ро skali ASTM (80 do 90 zrna ро kvadratnom incu), sto је vrlo daleko od velicina zrna koje obicno susrecemo u valj anim celicima. 5. Zagrevanje na 650°С ne dovodi do izmene dimenzija feritnih zrna. Pri zavarivanju kiselim elektrodama dolazi do izlucivanja nitrida zeleza, sto utice na temperaturu prelaza i povisava је do + l5°C. U materijalu sava, izvrsenom elektrodama ostalih tipova, dolazi do koagulacije perlita, koja је vrlo cesto pracena izlucivanjem tercijalnog cementita u vidu finih plocica ро granicama zrna. Osim toga, rastvaranje ugljenika u feritu izaziva povisenje granice razvlacenja. U stvari је ustanovljeno, da је granica razvlacenja materijala savova znatno iznad granice razvlacenja valjanih celika istog hemijskog sastava. Odnos granice razvlacenja prema zateznoj jacini za materijal sava cesto prelazi 0,80, dok se za kюnstrukcione celike ovaj odnos "~~*~",.;;-~~~.:;odi-Gj5D.;{i(k.;()-;ЋЏ;:"i~·ito."§.f:~{''~~::~ic:'-i;§:§;;-;";;,.,;ii,i:;,~~.3'iЬ~<;,;.;;;:;,ci,~,.;;.;;;;""';;:~~c,.~~='"";;;;..;:{:::;:t±~c.:?~::i~"'""c:;,;,
6. Zarenje na 900°С izaziva sasvim nepovoljan uticaj na materijal sava. Ovaj postupak termicke obrade, s jedne strane dovodi do uvecanja feritnih zrna, а s druge strane, vodi obrazovanju novih faza: perlita, krupnoiglicastog nitrida zeleza i tercijalnog cementita u vidu vrlo sirokih traka. Promena temperature prelaza materijala sava, nanetog elektrodama kiselog ili celuloznog tipa, postaje znatna. U ovom slucaju, u.ticaj hemijskog sastava preovladava nad uticajem strukture. Za materijal sava, nanet bazicnim ili rutilnim elektrodama, mikrostruktura ostaje jos sitnozrna pri zarenju na 900°С ра је pomeranje temperature prelaza u krto stanje reda velicine 30°С i ona ostaje jos vrlo niska. Za ovu vrstu rastopljenog dodatnog materijala uticaj strukture је predominantan. 7. Pokazali smo, da u slucaju zavarenih spojeva, izradenih bazicnim elektrodama, sitnozrni materijal centralnog dela sava ima skoro istu temperaturu prelaza u krto stanje, kao .i materijal epruveta, izrezanih potpuno iz rastopljenog dodatnog materijala. Nasuprot, bazaltna struktura dovodi do pomeranja temperature prelaza u krto stanje u oЪlast sobnih temperatura. Temperatura prelaza ove strukture se moze porediti sa temperaturom prelaza u krto stanje konstrukcionih celika, uprkos cinjenici, da је odnos Mn/C u slucaju rastopljenog dodatnog materijala visi.
,, i
1i
ZAV ARLJIVOST CELIKA
236
BIBLIOGRAFIJ А
1 ~~
l 1
[1] D. Sejerian: Rev. Soud. Autog., 303 (1939), 702. Ј. Bernard: Soud. et Techn. Conn., vol. VI, 7-8 (1952), 153. (2] Н. Granjon: Proposition pour une classification des essais de soudabllite. Document I. I. S.: IX, 26-53, Soud. et Tech. Conn., vol. VIII, 3-4 (1953). [3] R. Woirin: Soud. et Tech. Conn., vol I, 3-4 (1947), 48. [4] Prof. Р. Chevenard.: Bull. Soc. Ing. Soudeurs, 35 (1935), 1760. [5] Prof. Р. Chevenard i А. Portevin: Journ. Iгon and Steel Inst., vol. П (1935), 333. [6] Ј. Brillie i D. Seterian: ХП Congres Int. de l'Acetyl, et de la Soud. Aut. (London 1936), PuЬlic., vol. III (1936), 613. [7] Н. Granjon: Soud. et Т.есh. Conn., voJ. I, 11-12 (1947), 230. (8] Ј. Guerin: Annales de l'Inst. Tech. du Batiment et des Trav. PuЬl., n'J 27 (octobre 1957), 935. [9] А. V. Steinberger, В. Ј. Simone i Ј. Stoop, The Welding Jourm., 9 (1950), 752. [10] Н. Dutilleul: Bull. Tech. de Bur. Veritas, vol. 19, 1 (1937), 1. [11] А. В. Kinzel, Di Swan i Н. Biers: Soud. et Tech. Conn., vol. III, 5-6 (1949), 15 [12] Videau i R. Quigna: Soud. et Tech. Conn., vo1. VII, 3-4 (1953), 69. [13] W. Soete, Rev. Metall., vo1. 54, 1 (1957), 71. [14] D. Sejerian i М. Moneyron, С. R. Acad. Sciences, 238 (1954), 2239; Rev. Metall., 52, 3. (1955), 219. [15] R. W. Vanderbeck ,i ·М. Gensamer: Welding Jour. Suppl., 29-1 (1950), 37 s . Р. Р. P.uzak i W. S. PeПini: Welding Jour. Suppl., 4 (1954), 187 s. [16] Ј. Ulmo, F. Bastenaire i R. Borione: С. R. Acad. Sc., Paris, 237 (1953), 59; Rev. Metall., 50 n° 12 (1953), 868.
~ ~.
l,l
l 1 1
.! 1
J.l~-~,~~.::~.~-'~iiг~~;;;;~~~:;i;~;;:;;;~~~::~:,.:~~~=.~~~:S~.~~·"'"~"Q~ [· i
:
,,,,:! :1
; i
иi!
i
il 11
i
~
;;
ii 'Ј
i(
!1
ii ;i:'iiiJ
'. ii 1 - li
[18] Enzian i Salvaggio: Welding Journ., Suppl., 11 (1950). [19] А. L. Schaeffler, М. С. Campbell i Н. Tielsch: Welding Journ. Suppl., 31-6 (1952), 293 s. Ј. С. Hodge, R. D. Manning i Reichhold: Jour. Metals, 3 (1949). [20] М. Lefevre i Ј. Lemoine: Rev. Arcos, 125 (1952), 3171. [21] G. W. Geil, N. L. Carwile i Т. Digges: Ј. Research Nat. Bur. Standards, 48-3 (1952). [22]
Ј.
R. Low: Welding Jourm. Suppl., 31-3 (1952), 253 s.
GLAVA IX
ZAVARLJIVOST UGLJENICNIH CELIKA
I -
USLOVI ZA V ARLJIVOSTI
Veliki broj publikacija tretirao је zavarljivost ugljenicnih celika. U cilju proucavanja ovog proЬlema blli su organizovani brojni simpozijumi i savetovanja, i izvan Kongresa; tako su na primer na jednom od poslednjih savetovanja, odrzanom и Lijezu 1956. godinu. "0 proЬlemima opreme za rafinerije" metalurzi i konstruktori diskutovali о razlicitim aspektima ovog pi tanj а. Mada је napredak u ovoj oЬlasti u toku poslednjih godina Ыо znacajan zahvaljujuci istrazivanjima i usavrsavanju posebnih proba nazvanih ~::.·'"'-~"'z;;~~~-щ~a-m~axЩ:iм_o~~o~tii!Jt~:?je~gQ~;?Ji~sљ~:greщzlr:f!o:Jll.sneki;;;.JJ?a;:Qc;i~1~y;~",,i'"-:c,ic-",~-,"',-"'z-'='~-.",-;,c;:.~-i,:i',
su
prs1iiia-koj1 usiovljeni kvalitetom celika, njegovim nacinom prizvodnje, fenomenima starenja, itd. Med:unarodni Institut za Zavarivanje (MIZ) bavi se ovim proЪlemom od svog osnivanja, а puЬlikovao је i Preporuke* sa ciljem da se definisu minimalni zahtevi, koji се obezbediti odgovarajuci kvalitet zavarenih spojeva pri elektrolucnom zavarivanju konstrukcionih celika. Ove Preporuke se ne mogu uzeti kao definitivan dokumenat; one sluze kao polazna tacka za buduca istrazivanja u okviru IX Komisije MIZa. Ove Preporuke se odnose na limove, pro.file, sipke i lamele, koji se koriste u metalnim konstrukcij ama, а mogu da se prosire i na druge oЪ1asti, na primer, cevi, cevovode itd.** U Preporukama su izlozeni opsti principi koji se odnose na ogranicenja u pogledu hemijskog sastava celika i deЬljine celicnih limova u cilju dobljanja odgovarajuceg kvaliteta elektrolucno zavarenih spojeva. U njima su izlozeni minimalni uslovi koji, obzirom na sadasnje stanje poz-
* "Preporuke za izbor i klasifikaciju c'elika za zavarene konsrtukcije" izradila IX Komisija MIZa: "Ponasanje metala pri zavarivanju", IIW/IIS-22-59 objavljeno Zavarivac, broj 1-2, 1960. str. 35-38. ** Ovaj deo teksta је inspirisan puЬlikacijom W. Bonhomme: "Razmatranje о klasifikaciji vrsta celika, prigodnih za zavarene metalne konstrukcije". Izdavac: Belgijski komitet za metalne konstrukcije i opremu za rafinerije nafte, Brisel (maj, 1956), 91, 21 rue des Drapiers.
је и
ZAV ARLJIVOST CELIKA
238
navanja oЬlasti - materije zavarivanja, mogи racionalno da se postave za definicijи i prijem иgljenicnih konstrиkcioпih celika. Ne иzimajиci и obzir nacine proizvodnje, preporиke predvidajи cetiri kvali teta celika:
Kvalitet А. Oblcan kvalitet koji se koristi za manje vazne konstrukcije koje su izlozene niskim naprezanjima. Kvalitet В. Normalan kvalitet koji se koristi za иoblcajne koni delove konstrиkcija, izlozene normalnim naprezanjima Pod naprezanjem treba podrazumevati sve sile kojima је konstrиkcija izlozena, иklјисијисi i zaostale napone zavarivanja. Ovaj kvalitet celika се se dakle opravdano primeniti za sve konstrиkcije gde celik kvaliteta А ne bi bio dovoljan, ali и kojih ipak naprezanja ne mogи da budu veo·ma visoka. Upotreba ovog kvaliteta celika је opravdana za konstrиkcije и kojih ne postoji bojazan da се doci do krtih lomova kao posledica nastalih napona ili neodgovarajиcih oblika konstrиkcije. strиkcije
1
Kvalitet С. Poboljsani kvalitet celika sa smanjenom osetljivoscи prema zarezи. On se moze иpotrebiti za konstrиkcije ili delove konstrukcija и kojih opasnost od krtog loma postaje ZJnacajna. Smatra se da sи konstrиkcije izlozene krtim lomovima kada usled svog konstrиktivnog oЪlika ili иsled иslova izvodenja i иpotrebe, predstavljajи velikи krutost i mogиcnost diskontinuiteta, tako da ti uslovi pri radnim temperatиrama mo·gи da dovedи do krtih lomova.
li
1
1 1
ј
1
.
__ ., __
-
Kvalitet D. Visoko kvalitetni celik sa poviseno'm otpornoscи prema zarezи, koji se koristi za konstrиkcije ili delove konstrиkcija и kojih је - Oi asnost od krtih lomova neиoblcajeno velika.__ _ ~·--------. . -... ··-. __ ._... ,-------·--·-•0 ···--·····-··
~~;i-:'Er~~~=.a-;:S-~~-
.
.
~·~·---
-,~------
---~---
----------------~-~-----~---------
---.-----------·--.--~------~-------··
TABLICA IX-1 Hemijski sastav zavarljivih иgljenicnih celika -.
Elementi с
Mn Si
s 1
!
----·-------»----
-~~---~ ...,:..;:::;_.";'"-:::-;~--~-- .:;_,.,-."?---::.;,.;-~ .. ..:::.:.,:-~~-::.-=..z-~~3-~~~~-?"-~s:=::.:z-~7="'-::t-""~~т-:~~?§:?E:?~:~~::-'"~i::~~{~~~~:rr~~т--E-:i'E~~~-~_,_~~~~~~-~~~-:~::E.~PT.::d~S,"f.~~~
р
Kvalitet
А
Kvalitet
0,25 -
0,20
-
0,6 0,05 0,06
1,5
0,06 0,08 '
В
Kvalitet 0,20 1,5 0,6 0,05 0,06
С
Kvalitet D
1
0,20 1,5 0,6 0,05 0,05
1
'!
U tablici IX-1 date sи granicne vrednosti dopиstenog hemijskog sastava za gore чpisane razlicite kvalitete celika; sve vrednosti oznacene u ovoj taЬlici predstavljajи maksimalno dopиstene vrednosti. Na оvи taЬlicи ipak treba staviti izvesne primedbe. Za celike kvaliteta А, granicne vrednosti hemijskog sastava date su samo informativno; sve vrednosti hemijskog sastava odnose se na analize pri livenjи. Pri razmatranjи ovih celika neophodno је primetiti jos i sledece: а) maksimalne vrednosti sadrzaja mangana, za celike kvaliteta В, С i D, mogи Ьiti и izvesnim slиcajevima korigovane и zavisnosti od sadrzaja иgljenika;
ZAVARLJIVOST UGLJENICNIH CELIKA
239
Ь)
maksimalne- vrednosti sadrzaja silicijuma date su informativno. Ove vrednosti пisu nezavisne od vrste upotreЬljenih elektroda; с) maksimalпe vrednosti sadrzaja fosfora ne odno,se se na celike u kojih је fosfor legirajuci elemeпt, ра kao takav povecava mehanicku otpornost ili poboljsava druga svojstva (па primer, celik Cor-Ten na bazi hroma i fosfora); d) odnos Mn/C u ceHku, ocevidпo, igra znacajnu ulogu, ali nivo savremenog pozпavanja materije ne dozvoljava da se fiksira minimalna vrednost za ovaj odnos. U tablici IX-2 su navedene granicne vrednosti deЬljine celika koje se mogu zavarivati bez primene specijalnih mera predostroznosti. Ove graпice deЬljina limova su u preporukama MIZa date samo informativno. TABLICA IX-2
vrsta
celika
37 42 50 52 56
Zatezna jacina (kp/mm2) 37 42 50 52
do do do do 56 do
Granicne limova (mm)
deЬljine
44 50 60 60 65
40 30 30 30
do do do do
60 50 40 40
- usporavanje brzine hladenja zavarenog spoja; - ogranicenje znacaja zaostalih napona zavarivanja; - ogranicenje sirenja prslina. Prakticni nacini za postizanje ovih rezultata su sledeci: predgrevanje, upotreba elektroda velikih precnika, redosled zavarivanja, itd. Predlazu se sledece temperature predgrevanja: za celike 50 i 52 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . za celik 56 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
100 do 200 do
200°С,
350°С.
11- PROBA ZA KVALIFIKACIJU OSNOVNOG MATERIJALA Za celike kvaliteta А ne zahtevaju se p:r:obe za kvalifikaciju. Za celike kvaliteta В, С i D zahteva se: а) odsustvo gasnih mehurova i prekomernih segregacija; Ь) odredivanje tvrodce u zoni pod uticajem toplote ispod nava:ra (vidi glavu VIII).
ZA V ARLJIVOST CELIKA
240
Zavar se nanosi u horizontalnom polozaju odozgo, ро uzduznoj osi elektrodom koja је iste vrste а najmanjeg precnika koji се se kasnije upotreblti pri izradi konstrukcije. Intenzitet struje i brzina zavarivanja se podesavaju· prema deЬljini uzorka. Uzorak se ohladi na mirnom vazduhu а zatim se rasece upravo ро sredini sava; polirani presek se nagriza i ispituje tvrdoca rnetodom Vikers sa opterecenjem od 10 kp ili nekom drugom metodom sa malim opterecenjem. Celik se moze primiti ako ni u jednoj tacki zone pod uticajern toplote ispod zavara tvrdoca ne prelazi vrednost od 350 Vikersa ili 330 Brinela. U slucaju da ova granica tvrdoce bude ,prekoracena, pri zavarivanju treba preduzeti specij alne rnere predostroznosti, vodeci svakako racuna о deЬljinama koje se zavaruju. SPECIJALNE PROBE ZA KV ALIFIKACIJU Pri sadasnjem stanju poznavanja stvari nije moguce preporuciti bllo kakvu posebnu .probu, а jos manje fiksirati vrednost koju treba doЬiti za razlicite vrste celika pomocu onih proba koje se sada koriste. Ipak, za celike kvaliteta D, rnetalurg i korisnik treba zajednicki da odluce da li је potrebna specijalna рrоЪа za kvalifikaciju. Rad koji је objavio Granzon pod пaslovorn "Predlog za klasifikaciju proba zavarljivosti" na inicijativu Komisije IX MIZa (dokurnent IIS, IX, 26-53) predstavlja pokusaj klasifikacije рrоЪа zavarljivosti predlozenih ili koriscenih u mnogim zemlj ama. Pored ovd.h perporuka autor posebno obraca paznju na fenomen
f'=-c~,~~~~{f~~tf*Ж~t~~~!~~I'f~!~!!~--~~-:,}i,--:~-~~-~""-;.~-:~~, navedenirn hemijskim analizama celika.
IП
-
UTICAJ UGLJENIKA NA STRUKTURNE TRANSFORMACIJE OSNOVNOG MATERIJALA
U v1se navrata u ovom delu, autor је pokazao uticaj ugljenika na sklonost celika ka pojavi prslina u zoni ispod zavara (glava VI) i strukture koje su rezultat toplotnog ciklusa zavarivanja (glava III). U delu autora "Savovi" rezimirani su rezultati rada raznih autora koji se odnose na uticaj ugljenika na strukturne transforrnacije u zoni ispod zavara; taj rezime dat је dijagramom na sl. IX-1. Autor је pokazao da razlika u tvrdoci izmeau naponski zarenog celika (kriva I) i zavarenog celika (kriva П) raste sa koncentracijom ugljenika. Та razlika, koja iznosi 30 do 40 Brinela za niskougljenicni celik sa 0,10 do 0,15°/о ugljenika, prelazi 250 Brinela za celik sa 0,50°/о ugljenika. Predgrevanje znatno srnanjuje ovu razliku u tvrdoci i usled toga poboljsava zavarljivost celika. U rezultatima uzetim iz radova arn.erickih autora nije
* Les
Soudures, izdanje Dunod. Paris.
ZA V ARLJIVOST UGLJENICNIH CELIKA
241
vodeno тacuna ni о unetoj toplotnoj energiji elektrolucnim zavarivanjem, ni о deЬljini zavarenih limova, faktorima koji su od presudnog znacaja za proucavanje strukturnih transformacija и zoni ispod zavara. 500
п
....... 400 !XI
:r: ф
t:
Ј5 300 о
"U о
~
1
,_>
200
Sadrtai ug/jenlka
и
0,40 celtku (')'())
0,50
Sl. IX-1 -Uticaj sadclaja ugljeni.ka u сеШw na strukturne transformacije pri elektroJ.ucnom zavacivanju. Kriva I pokazuje promenu tvrdoce ugljenicnog celika u zarenoш stanju. Кriva П pokazuje promenu tv,rdoce sava. Dr:ug~ dve ~-~cdc;j;~;-,;_+..k~"~'~-.;;q"=:-~~VeE!l}ok@JljЏ~Џti_<;_~j~ь;.~qgr~yЁ-IljJ:t:cЛ1() ..cl]Q::,,k3.l§]"Q~_~~;;c~-i"--i:,.-"~"-""-':;c'_ic_~_"""-'""-.~,'=--;.:;г-;..-~-"~c"-"~,.,-:'""'-""-""~""i·e{ --'
U novijim istra.Zivanjima autora, koja su vrsena na nizu obicnih celika sa promenljivim sadrzajem ugljenika (taЬlica IX-3) navarivanje је vrseno automatom, kako bi se s jedne strane ukazalo na uticaj brzine zavarivanja za limove konstantne deЬljine (d ._ 20 mm), а s druge strane, na uticaj promene deЬljine za istu vrstu celika (С = 0,45°/о). Navari na limovima deЬljine 20 mm, dobijeni su na taj ~nacin sto su vrednosti precnika e1ektroda i intenziteti struje odrzavani konstantnim (preenik elektrode: 5 mm, I = 375 А); napon zayarivanja luka se kretao izmedu 23 i 25 V. Brzine zavarivanja su iznosile: 10, 20, 30 i 45 cm/min. ~
'
TABLICA IX-3 Hemijski sastav Oznake celika
с
1 2
0,18 0,24 0,34 0;45 0,54
з
4
5 1
16 Metalurgija zavarivanja
'
proпcavanih
Mn
Si
0,42 0,50 0,53 0,62 0,65
0,12 0,15 0,18 0,25 0,25
celika
s 0,028 0,024 0,031 0,027 0,032
1
р
1 0,019 0,021 0,022 0,018 0,027
1 1
1
ZA V ARLJIVOST CELIKA
242
~
400
у
350
/
300
/
/
.......--
•(.) 250 . f---· о
... ::.
'1)
f-.
200
0 0
®=
~
2"·-1
100
о
~,....
~/.,.1
1
_.,.
~
.. ___ ,. llo--.,.
_..-1
.....-t·-- ----0
~-,.-"'"
_...-·
- --
С•0 54
1
@а~ r-• 150
~G) 4
v __ ~ -_ --r--- --- ------0 ---1'--------- - .. , --,...... f--1- .......-
о
.,.....--
--·
11
!
~----
®
=-~
С·~~---
--------
С• 0,34 С•"О,24 С• 0,18
20
30
40
45
Brzina zovorivanja (cm/min)
Sl. IX-2 - Uticaj brzine zavarivanja na tvrdocu pregrejane zone razli, . citih ugljenicnih celika (d = 20 mm). PCicetne tvrdoce celika prikazane su ----i i...;c.,;-...•••~;o~~:;::~j,~.e;.:"~....,~~~c;;;;;~.;;;~~"'-""Jщr!#R:ЏiЩ.Ц~g!Щt~tt;:~C?;fjl,",&.k:..f~-"'f;:f§.~.l'.'f,f~,,-,.;c"?"~"'".;.-,c::•·.-:;;·~"'~:i'i5:±E•?:s~.:,i~~i~~~=
Farnilije krivih na sl. IX-2 prikazuju promenu maksimalne tvrdoce u zoni pod uticajem toplote ispod zavara u funkciji brzine zavarivanja. Uticaj brzine zavarivanja је utoliko znacajniji ukoliko је sadrzaj ugljenika u celiku veci. u stvari, mikrostrukture celika 1, 2 i 3 odgovaraju transformaciji Ar' (s1. IX-3), cak i pri dosta velikim brzinama zavarivanja (30 cm/min), а celik 4 sa 0,45°/о ugljenika, narocito pri velikim brzinama navarivanja ima Sl. IX-3 - U = 120 - Mikrotrustitno-bejnitnu strukturu (sl. IX-4). struktura zone najintenzivnijeg uticaja toplote; Vidmanstetenova Pri zavarivanju celika sa vecim struktura sa sorbltnim agregasadrzajem ugljenika strukture su trustom; sadrzaj ugljenika и celiku 0,24°/(); tvrdoea 200 нв titno-martenzitne pri malim brzinam.a (10 do 30 cm/min), sl. IX-5, i teze ka strukturama kalj enj а kada brzine zavarivanja dostignu vred.nost od 45 cm/min (sl. rх.:.в).
ZAV ARLJIVOST UGLJENICNIH CELIKA
243
2. U drugoj seriji proba menjana је deЬljina limova od 10 do 50 mm za celik sa 0,45°/о ugljenika, kako Ьi se definisao uticaj deЬljine materi-
f [ t
Sl. IX-4 - и= 1500 - Mikrostruktura zone najintenzivnijeg uticaja toplote; nodularni trustit u osnovi. gornjeg ·bejnita; tvrdoca 320 НБ; sadrzaj ugljenika и celiku 0,45%
Sl. IX-5 - и = 1 000-- Trustit'no-bejnitna struktura zone najin-. tenzivnijeg uticaja toplote (V = = 30 om!min; НБ = 330 Бrinela); sadnaj ugljenika u celiku 0,54% ·
Sl. IX-6 - и= 1800 - Kompleksna bejnitno-martenzitna strukutra zone pod uticajem toplote, (V = 45 cm/min; НБ= 420); sadrzaj ugljenika u celiku 0,540/о
jala na promeшi tvrdoce и· zoni ispod zavara. Brzine navarivanja su iznosile 20 cm/min i 40 cm/min; rezultati proba su prikazani na dijagramu, sl. IX-7. 16*
ZAV ARLJIVOST CELIKA
244
Promena deЬljine celika od 10 do 50 mm dovodi do poveeanja tvrdoce u posmatranoj zoiili sa 250 na 320 Brinela, tj. skoro za 30°/о. Pri dvostruko vecoj brzini zavarivanja tvrdoca se povecava za 50 Brinela. Ako se oslonimo na preporuke, koje је izradila Komisija IX Medu400г----r----г----г--------~
~
::r:
350 t----r----t----P_.c..--t-'----
ф с
v
1: со зоо
= 20cmfmln
о
-u
о
'"Q
....
1
.....>
200 о~---ю~---2~о----зо~---4~о----sо~-
DeЬ/jino (mm)
Sl. IX-7 - Zavisnost tvrdoce и zoni pod uticajem toplote celika sa 0,45°/о ugljenika od njegove deЬljiпe za dv:e гazlicite brztne
narodnog Instituta za zavarivanje, kojima se ·dorpusta da tvrdoca u zoni ispod zavara bude 330 Brinela, mozemo konstatovati da za celik sa 0,45°/о ugljenika, pri brzini zavarivanja od 20 cm/min nije potrebno preduzimati specijalne mere predostroznosti; nasuprot tome, za savove izvrsene dvostrukom brzinom zavarivanja lim treba predgrevati pocev о?- deЬljine od 20 mm.
IY- TEHNOLOSKI FAKTORI KOJI UTICU NA ZAVARLJIVOST Zavarljivost- sustastvena osobina celika - . је, s jedne strane, funkcija njegovog hemijskog sastava i njegovih metalurskih osobina (odsustvo segregacija, gresaka dvoplatnosti -. raslojavanja, itd.), а s druge strane, deЬljine zavarivanog lima i velicine sopstvenih napona koji nastaju tokom zavarivanja, dakle, koncepcije konstrukcije. Nedovoljna zavarljivost se ogleda u pojavi prslina na strani osnovnog materijala u neposrednoj blizini sava. Kako је ranije bilo,_.pokazano, pojava prslina moze se smanjiti ili potpuno izbeci primenoщ nekih specijalnih mera koje su dobro poznate zavarivacima:
ZA VARLJIVOST UGLJENICNIH CELIKA
А)
245
Izbor elektrode
Izbor elektrode је znacajan tehnoloski faktor. U stvari, sa povecanjem sadrzaja иgljenika, и zonama pod иticajem toplote postoji tendencija ka oЪrazovanjи metastabllnih struktиra koje doprinose obrazovanjи vise ili manje znacajnih lokalnih пароnа u zavisnosti od prirode i obima struktиrnih transformacija. Primena elektroda koje pri zavarivanjи osloЪadaju mnogo vodonika, kao sto su celulozne, kisele i rиtilne elektrode, moze da Ьиdе иzrok pojavi prslina. Iz ovog s:ledi da је za zavarivanje ugljenicnih ili niskolegiranih celika neophodno predvideti bazicne elektrode sa niskim sadrzaj em vodonika. S drиge strane, pri jednoj te istoj vrsti elektroda, primena elektroda veceg precnika, i samim tim povecanih intenziteta struje zavarivanja, dopririosi pobo1jsanju zavarljivosti usled vece kolicine иnete toplotne energije. В) N.acin zavarivanja Prvi zavari и korenи zleba sи Ћajosetljiviji prema pojavi prslina иsled male zaprernine dodatog materijala zavarenog sa hladnim osnovnim materijalom. U ovom slucajи preporиcljivo је izbegavati male zavare i, ako је moguce, zavarivati koren sava elektrodama velikog precnika, naгocito pri zavarivanju odozgo.
е
Н=-;-
d=h
d=h
SI. IX-8 -
Razliciti
oЬlici
h:::.d
zlebova sa zatupljenjem
ј
.,
246
ZAV ARLJIVOST CELIKA
'
Osim toga, preporucиje se da zavar bude debeo i neprekidan, kako se izbegao znatan gиbltak toplote. Zbog ovog treba predvideti dovoljan razmak izmedи limova и korenu zleba kako Ьi provar Ьiо bolji, narocito pri zavarivanjи elektrodama velikih precnika uz primenи velikih ј acina strиj е. Pri pripremi zavarenih spojeva u korenи V ili U-zleba ili и centru X-Zleba (sl. IX-8) narocito se prepo·rucиje primena zatиpljernja, koja omogucavajи primenи elektroda sa vecim intenzitetima struje. S drиge strane, Ьilo је pokazano da razmak izmedи limova koji је veci od 4 do 5 mm, olaksava obrazovanje prslina и krateru; и tom slucaju preporucиje se bilo da se elektroda vrati unazad da Ьi se popиnila lokalna usahlina, Ьilo da se sav zavrsi na limи koji је postavljen и prodиzenjи spoja, cime se sto vise иdаlјије krater od sava. Pod иslovom da drugi faktori ostanи identicni, ugaoni savovi . su osetljiviji prema pojavi prslina. Nasuprot tome, savovi zavareni и vertikalnom polozajи sи manje skloni pojavi prslina, nego savovi zavareni и ,po1ozaju odozgo ili и horizontalno-vertikalnom polozajи. Shodno tome pri zavarivanjи иgaonih zavarenih spojeva treba predvideti zavare sto је mogиce deЬlje za ispиnjavanje dato·g preseka zleba. Ьi
С) "OЬlaganje"
zlebova
Pri zavarivanjи slabo zavarljivih celika moze se primeniti iskиstveni . metod - nacin "oЬlaganja", koji se sastoji и tome da se povrsine stra~ с·· -~ ·-·оо .Цi_G_~Љl,~:i~,~~~~~~з::tl~~Џ]:{om_za4~()JJ:Э-:~ajuce-zav:arlji\ЮstLu_deb...._~ ~ ·:o:·····""""~~"'~"'"''·"""~l.}Imк:Кб)1ГO'tTgovar1!'"'8Irmi~afie~p-oa~tieaj~m~top1Qit'ec~~a~кв]ji~<Я3f~n"a~ciz1io·si""·" 2'-·"';',,ei~.,,@i7 1 5 do 10 11Щ1 (sl. IX-9). Ako se ova operacija vrsi na slobodnim (neukljestenim) limovima, dakle, bez obrazovanja sopstvenih napona, и principи, ne Ьi trebalo da dode do pojave prslina; 4avarivanje se zatim izvrsava na mekom -celikи "oblozenog" sloja, elektrodama vece mehanicke jacine. Ocevidno је da se ovim metodom stvara jedan navareni sloj od mekseg celika da Ьi se izbegla pojava prslina, ali se и zavarenom sроји istovremeno pojavljuje i oslaЬljena zona. ..
.
Mikrostruktura savova Metalografska ispitivanja savova iz иgljenicnih celika omogиcavajи da se izvиce jedan opsti zakljиcak. Ugljenicni celici, cak i oni sa srednjom vrednosti ekvivalentnog иgljenika, retl~o роkаzији medustrukture bejnitnog tipa. Mikrostrиktиre takvih celika vise odgovarajи gornjim transformacijama Ar' (trиstit, fini sorbit), а mikrostrиktиre visoko-иglje nicnih celika transformaciji Arm. U poglavljи П videli smo da "IRA-krive" иgljenicnih celika klase А imajи m.anje nagovestenи tendencijи ka obrazovanjи bejnitnih strиk tura pri kontinиalnom hladenjи. Ovo proistice iz cinjenice sto se transformacije Ar', Аrп i Ar111 ,preklapajи, sto се rec1 da tri oЬlasti transformacije nisu jasno razdeljene, kao sto је to slиcaj kod celika klase С i D.
ZA V ARLЛVOST UGLJENICNIH CELIKA
2.47
krive anizotermnog razlaganja aиstenita и celikи sa 0,15°/о иgljenika (sl. IX-9) sa ARA-krivom eиtektoidnog celika (sl. IX-10), moze se konstatovati da se bejnitna oЬlast sиzava kada sadrzaj иgljenika raste. Isto tako, feritna oЬlast, koja је veoma siroka и slucajи celika sa 0,15°/о ugljenika, primetno se sиzava и eиtektoid nom celikи u korist perlitne oЬlasti, koja tada ispиnjava celo zrno. Ako se
иporede
JOCIOr--------------------------------------------------~
900
--------------------------------------------Austenit
800
700
G 60о о
....... о
з о
500
Qj
Q.
Е
ф
..__ 400·
...._
-
С= 0,151о
Mn =0,63%
~~~~~~~~~~~~-з~о~о~~~~~M~a~r~te;n;;zt;;;t:;;:;:;;~~~~~;:=;:;;;j""~~"Si~:EO{f2~%"«'~ ~~'''l~;;;:;:'"'±~''~~z:~~~'"'~'"~~"fi 20:Ј
100
о ~------L-------L-------L-------~-----J~ 0,1 100 1000 10000 10 Vreme (sec)
Sl. IX-9 -
Kriva anizotermnog razlaganja austenita niskougljenicnog ceblka (ARA)
Na sl. IX-10 prikazana је IRA-kriva izoterщnog razlaganja eиtek toidnog celika (kriva prikazana isprekidanim crtama) prema krivama anizotermnog razlaganja (oЬlasti osencene crticama). Bejnitna oЫast, naznacena и dijagramu, odnosi se na izotermnu krivи. Metalografska analiza pokazиje da zavareni spojevi iz oЬicnih niskougljenicnih celika treba da imajи mikrostrиktиru trиstitnog ili sorЬit nog tipa s feritnom mrezom (sl. IX-3), ili finog lamelarnog trustita, и
ZAV ARLJIVOST CELIKA
248
nekim slucajevima sa gornjim bejnitom (sl. IX-4) pri uslovima manjih brzina bladenja. Pri zavarivanju celika sa visim sadrzajem ugljenika naporedo sa trustitnom strukturom javlja se i martenzit (sl. IX'-5 i sl. IX-6). Austenit
800 Ас
.
3
= Ас 1
., .. ., ...
,---
.....__,---~·
700
600
G soo
.....
о
е
z4QO
...QJ
о
Q.
\
' ',
Е
~зао
,
Bejn/t
...........
...... .....
....
0~-L-------L------~------~-------L------~ 100000 10000 1000 100 10 Vreme (sec)
Sl. IX-10 -
Kriva anizotermnog razlaganja austenita celika sa
0,700/о uglj;enika (srtalfШЋJJJJe zone). Taclms.to је 1001neta IRA-1kгiva.
Bejnitno podrucje pripada ovoj poslednjoj krivoj
i
ј.
,
~ u~
·.i
)
'Н
н,
! 1"" l
~
!1
.
GLAVA
Х
ZA VARLJIVOST AUSTENITNIH HROM-NIKLOVIH CELIKA
Zavarljivost austenitnih hrom-niklovih celika odreduju tri osnovna faktora: 1. Sklonost ka pojavi prslina u zoni rastopljenog materijala sava ili u osnovnom materijalu; ova sklonost u znatnoj meri zavisi od strukturnih osobenosti metala. 2. Izlucivanje karЪida hroma, koje uslovljava medukristalitnu koroziju. ·. . . .. __ 3. Obrazo12anje intermetalidnea .--Jaze pri. odredenim...koncentraci::_-:-:·------.
~~~Y~'""".f~~~~зarn:~rб~~Шperataтmm~'SJ:o,vima~~:o;va't.~poj'ava~d:O'f)rinosi'"'P'ovisenju~~"'"'""':c;ic.§,?G"'q:.::
krtosti celika. U ovoj glavi razmotreni · su razliciti vidovi zavarljivosti austenitnih hrom-niklovih celika, uzimajuci u obzir namenu zavarenih konstrukcija.
KLASIFIKACIJA AUSTENITNIH CELIKA Medu nerdajucim austenitnim hrom-niklovim celicima koji se primenjuju za izradu zavarenih konstrukcija, razlikujemo, sledece rezlicite grцpe:
1. Austenitni ceLici tipa 18 Cr-8 Ni (18°/о Cr, 8°/о Ni) sa ili bez dodataka drugih specijalnih legirajucih elemenata, kao sto su moiiЬden, titan, kolumЬijum i dr. 2. Austenitni celici tipa 20 Cr-10 Ni (20°/о Cr, 10°/о Ni) sa dodacima legirajucih elemenata ili bez dodataka. 3. Austenitni celici tipa 16 Cr-13 Ni sa dodacima legirajucih elemenata ili bez njih. 4. Austenitni vatrootporni celici, hemijski postojani pri visokim temperaturama, izmedu kojih su najrasprostranjeniji austenitni celici tipa
1
ZA V ARLJIVOST CELIKA
250
24 Cr-12 Ni i 25 Cr-20 Ni sa ili bez dodataka mangana, moliЬdena, niobijuma itd. Uticaj razlicitih legirajuCih elemenata Hrom је osnovni element koji karakterise nerdajuce i vatrostalne celike; on poboljsava njegovu otpornost prema koгoziji. Vec pri sadrzaju 5°/о hroma celik ,pokazuje povisenu postojanost prema hemijskoj koroziji, ali da bi celik zaista postao nerdajuci, treЪa povecati koncentraciju hrom na 12 do 13°/о. Ova osobina suprotstavljanja hemijskom dejstvu ostvarena је obrazovanjem tanke povrsinske opne oksd.da horma, koja stiti metal od dalje oksidacije. Na sl. Х-1 prikazan је dijagram stanja sistema zelezo-hrom. Hrom, kao "alfageni" element, tj. stabllizator a-faze, suzava y-oЬlast, koja se prostire u temperaturnom intervalu izmedu 1400°С i 900°С. Tacka А:{ 1000~-1---+--~--+---~~---r--,_--+-~
/~
../ v . . .v ,~/
1700 г-~--+-,_-+--1---+--+---ь,....::.....,јL---+
12з {о
l600
1500~t-f--
/oz~
(
~--"1-~ .... -lo:o 1---+-+
-~~---г\ ·а: f+-
А4
Г'
1400 ~~--+-+--+---1----+--+---1--+---+
r\
~~,~~~~~-§~"§~---~---~о-~--§§···-··;@-'"'~'·"-~--<>~b----~IIJ'~_MQ()-ф::·'!.~F·~~~~---~ -_ ф&;~f±·---z.±:.~~-+=--'"~"-~-~9~-c=r,;;g-·9 "-f6"=f·~~"'~~~g:.;"'::':2,'f''"'''~'-"'"''·s~ ·--_с,т,. --- _ _ i .i 1
---
~
1200 !--'-\t--t---+--+---1r----t'-tv_or-+--+--+--+
о
Ф
~
,_
-'"а.
1100 1-
r
~1-\---1--1---+--+-
v
о/о
1000~----~-~~-4--+---1---4--~-4--+--+
1 1 1
80
Sl.
Х-1
-
90
100
Dijagram stanja sistema zelezo-hrom
snizava se najpre sa 910 na 850°С pri povecanju koncentracije hroma od О do 8°/о, а zatim ponovo raste do 1000°С pri 12 do 13°/о Cr. Tacka transformacije А 4 (transformacija у-+ о) koja se nalazi pri 1400°С za cisto zelezo, sa uvodenjem hroma postepeno se snizava, i poklapa se sa tack6m AR pri temperaturi 1000°С i sadrzaju hroma od 12°/о.
ZAV ARLJIVOST AUSTENITNIH HROM-NIKLOVIH CELIKA
251
Celokupna oЫast dijagrama stanja, koja odgovara koncentraciji hroma iznad 13°/о, predstavlja oЬlast legura, koje zadrzavaj.u strukturu afaze bez ikakve strukturne transformacije. Prema tome, legure ove oblasti nisu podlozne kaljenju. Pri zagrevanju takve legure iznad odredene temperature, zrno· pravilno povecava dimenzije usled pregrevanja, ali predstavlja nepovratan proces pri hladenju, usled nepostojanja tacke transformacije. Prema tome, posle takve termicke obrade legura zadrzava ktupnozrnastu strukturu, sto izaziva ,povecanje njene krtosti. U.nutar ypetlje sa temperaturnim intervalom 900 do 1400°С legura ima austenitnu strukturu, а pri koncentraciji hroma 12 do 13°/о legura ima dvofaznu strukturu, а + у. Ova koпcentraciona granica od 13°/о hгoma karakteristicna је samo za legure bez ugljenika. U prisustvu ugljenika- "gamagenog" elementa, y-petlja se siri pri jednovremenom sirenju dvofaZJne oЬlasti а + fl (sl. Х-2).
1500
-
/
lj
+ letno
.!
fozo
6 -ј-
letno fozo
--
lj - gvoide
1300
·~
\\
1200
1' '.... '
'\
\1\ С=оо/,·._ 9
v
G
'(_ 1100
.......
~'
'
v
Ас
'\
1\
3 а-
700
gvoiae
600 13
500
Sl.
Pri
Vo 1
о
Х-2
5
-
70
23%
1
27%
/
15 20 25 30 Sodriai hroma (%)
35
Uticaj ugljenika na sirenje (prema С.Е. Bain)
40
у
-
petlje
VlSlffi koncentracijama hroma pojavljuje se nova, a-faza, u ako 45°/о hroma, dajuci cvrsti rastvor u koncetracionom intervalu 42 do 48°/о hгoma, ili dvofaznu strukturu а+ а pri sadrzaju· hroma ispod ili iznad navedenog intervala. Ovaj deo dijagrama veoma је znacajan, posto obrazovanje a-faze izaziva povecanje krtosti legura zelezo-hrom.
oЬlasti
ZA V ARLJIVOST CELIKA
252
Као rezime moze se reci, da legиre sistema zelezo~hrom sa sadrzajem do 12°/о hroma imajи jednofaznи feritnи strиktиru pri temperatи rama ispod tacke А 3 , zatim и oЬlasti ogranicenoj petljom А 3-А 4 obrazиje se aиstenit. Ovakve legиre su osetljive prema termickoj obradi, а posebno, mogи se kaliti na temperatиrama od 950 do· 1200°С. U koncentracionom intervalu 12 do· 13°/о hroma, legиra doЬija dvofaznи struktиrи i j~novremeno је podlozna strиktиrnim transformacijama; ovakve legure im~jи vrlo finи martenzitnи strиktиrи. Pri koncentracijama hroma iznad 13°(о, legura је sa jednofaznom feritnom struktиrom bez tacke transformacije. Dodavanje "gamagenih" elemenata, kao sto sи ugljenik, nikl, mangan, itd. siri gama-petljи.
иgljenik, kao "gamageni" element, siri gama-oЬlast и legиrama zelezo-hrom i stvara, s drиge strane, sa ostalim sastojcima legиre zelezo-hrom vise kompleksnih karЬida. KarЬid hroma (Fe, Cr) 3 C, оЬrаzији se и ovim legиrama pri malim koncentracijama hroma (Cr < 10°/о); povecanje njegove koncentracije и legиrama dovodi do obrazovanja hromom obogacenih karbida tipa (Cr, Fe) 7 С 3 i (Cr, Fe) 4 С 4 • Dijagram na sl. Х-2 pokazиje иticaj иgljenika да sirenje gama-petlje. Dijagrami na sl. Х-3 omogиcavajи pracenje izmena linija transformacije dijagraщa stanja sistema zelezo-иgljenik u zavisrюsti od sadrzaja Cr::::
О
Cr= 6
Cr
= 12
Cr·= IB Te~no /azo
о
0.2 0.4 0.6 0.8 Sadria1 С (Ofo)
Sl.
Х-3
-
1
о
0.2 0.4 0.6 о.в
1
Sadriaj С (Ofo)
Uticaj hroma na pomeranje linija dijagrama stanja sistema zelezo-ugljenik; oznaka Cm znaci karbld
hroma. Tacke G i N priЬliZavajи se, tezeci zatvaranjи gama-oЬlasti i sirenjи oЫasti а i у+ о. Pocev od 6°/о Cr pojavljиje se trofazna oЫast а + у + karbidi, koja se siri sa uvecanjem sadrzaja hroma. Takode је znacajna cinjenica da se eиtektoidna tacka S pomera иlevo pri povecanjи koncentracije hroma. Pri sadrzavaju 12°/о hroma eиtektoidna tacka se nalazi pri 0,48°/о иgljenika, dok и иgljenicnim celicima eиtektoidni sadrzaj иgljenika iznosi 0,85°/о. Uz to granica rastvor-
ZAV ARLJIVOST А USTENITNIH HROM-NIKLOVIH CELIKA
253
ljivost ugljenika u gama-fazi pomera se u o.Ьlasti visokih temperatura kuda se jednovremeno рошеrа i tacka S. Pri sadrzaju 18°/о hroma, y-oЬlast nestaje sve do koncentracije ugljenika manje od 0,30°/о. Kada је koncentracija ugljenika manja od 0,15°/о, legura ima jednofaznu strukturu о, а pri visem sadrzaju ugljenika - dvofaznu strukturu у+ о. Eutektoidna tacka S pomera se ka temperaturi 1030°С pri sadriaju ugljenika ne vecem od 0,30°/о. Trofazna oblast а + у + karbidi pri tome ј е veoma razvij ena. Nikl, slicno ugljeniku, jeste "gamageni" element, tj. stabilizator
y-faze, koji tezi povisenju prokaljivosti celika i snizava kriticnu brzinu kaljenja. Uvodenje nikla u sistem zelezo-ugljenik pri 18°/о Cr siri gama-oЬlast i dovodi do nestajanja oЬlasti а i а + karbidi, pomerajuci eutektoidnu tacku nanize (sl. Х-4). Cr=IB%
Cr= IBCfo Ni= 2"/о
Cr=IB% Ni=120fo
Cr=IB% Ni=B%
N1=40fo
!:!
" ~ !OOOt-+'l------1
о
..
....
~~~.;,..:~;;.;;';;;;,s_=~~~~~~~ = -~~-=:.:::::::-~-;,~ ;'k""
<:t+Cm 0.2 0,4 0,6 0,8 Sadria1 С (Ofo)
Sl.
Х-4
-
1
о
0.2 0,4 0,6 0,8 Sadriaj С (Ofo)
1
о
0,2 0,4 0.6 0,8 Sadria1 С (Ofo)
1
о
0,2 0,4 0,6 0,8 Sadria; С (Ofo)
1
Uticaj nikla na sirenje у- oЬlasti и celiku sa 180fo hroma; oznaka Cm znaci karbld
Celici sa sadrzajem 18°/о Cr i 2°/о nikla osetljivi su prema kaljenju usled prisustva nikla i dobijaju osobine nerdajucih celika zahvaljujuci prisustvu hroma. Oni pripadaju celicima martenzitnog tipa, isto kao i celici koji sadrze 13°/о Cr ali bez nikla. Celik sa sadrzajem 4°/о nikla posle kaljenja sa 900°С ima martenzitnu strukturu, а ako temperatura kaljenja riije manja od 1100°С, onda austenitnu strukturu; medutim, ovaj austenit је nepostojan i razlaze se pri termickoj obradi otpustanja. Poeev od 5°/о Ni oЬlasti а i а + karbidi nestaju, а pri 8°/о nikla prakticno se zapaza samo struktura austenita i у + karbidi. Siroko rasprostranjeni (klasicni) celici sa _sadrzajem 18°/о hroma i 8°/о nikla pri vrlo niskom sadrzaju ugljenika imaju stabilnu jedno·faznu austenitnu strukturu. Prisustvo ugljenika dovodi do izlucivanja kompleksnih karbida sa y-fazom. Austenitna oЬlast se siri sa povecanjem koncentracije nikla, narocito pri temperaturama pocev od 1000°С, sto svedoci о povisenju rastvorljivosti karbida sa povecanjem koncentracije
ZA V ARLJIVOST CELIKA
254
nikla. Na primer, pucev od temperature 1200°С graшcna rastvorljivost ugljenika iznosi 0,40°/о za celik tipa 18 Cr- 8 Ni, i 0,60°/о za celik tipa 18 Cr -12 Ni. Dijagram stanja trojnog sistema zelezo-hrom-nikl (sl. Х-5) daje predstavu о raspodeli razlicitih strukturnih sastojaka pri brzom hladenju celika sa sadrzajem 0,10°/о ugljenika (prema Metal Handbook).
Sl.
Х-5
-
Strukturni sastojci legura trojnog sistema zelezo-nikl-hrom pri brюm hladenju sa temperature tecnog stanja. Celici tipa 18 Cr-8 Ni nalaze se na granici oЬlasti metastaЬilnog austenita (С~ 0,10°/о)
Termicki ciklus pri zavarivanju nerdajucih celika tipa 18 Cr- 8 Ni treba da dovede do pojave metastabilnog austenita u neposrednoj Ьlizini oЬlasti Ат + martenzit. Dovoljno је medutim, uvesti u takav celik bllo kakav "alfageni" element (hr:om, titan, silicijum, niobljum), da Ы se ova oЬlast pomerila prema oЬlasti sa dvofaznom strukturom: austenit i ferit. Pri analizi Seflerovog dijagrama ove transforrn.acije се biti detaljnij е razmotrene. Rezimirano, nikl stabllizuje austenit, dajuci klasicni nerdajuci celik tipa 18 Cr- 8 Ni. Austenitna struktura ovih celika nema tacke transformacije i, shodno tome, sklona је ka porastu zrna pri pregrevanju. Modificirajuci dejstvo nikla znatno smanjuje ovu tendenciju rasta zrna, koja Ы se mogla ocekivati pri zavarivanju. ·
ZAVARLJIVOST AUSTENITNIH HROM-NIKLOVIH CELIKA
1 !
255
f
је takode ,;gamageni" element, povisava staЬilnost aиstenita и aиstenitnim hrom-niklovim celicima. Mangan moze delimicno ili potpиno da zameпi nikl. Postoje aиstenitni hrom-manganovi i hromnikl-manganovi celici koji и vecini slиcajeva imajи dvofaznи struktиru. Ovi celici se odlikиjи dobrom zavarljivoscи slicno hrom-niklovim ce-
Mangan, koji
'
licima. Silicijum, је "alfageni" element, koji povisava postojanost prema aиstenitnih и иslovima povisenih
hrom-niklovih celika pri dejstvи agresivnih gasova temperatura. Ovaj element, slicno hromu, doprinosi obrazovanju feritne faze. Suvise visoka koncentracija silicijиma povecava sklonost ka pojavi prslina aиstenitnih celika pri po·visenim temperaturama. Usled toga, treba ograniciti sadrzaj silicijuma u austenitnim celicima da bi se sprecilo obrazovanje prslina u procesu zavarivanja. Narocito је veliki znacaj silicijuma u celicima sa visokim sadrzajem nikla. Aluminijum, kao ,,alfageni" element, slicno silicijumu, stiti metal od oksidacije pri visokim temperaturama. Preporucuje se ograniceпje njegovog sadrzaja u celicima, predvidenim za z:avarivanje, da Ьi se izbegla povisena sklonost ka pojavi prslina. MoliЬden, kao "alfageni'' element, staЬilizuje a-fazu. On utice ne samo· kao element kodi odreduje strukturno stanje celika, vec i kao element koji doprinosi hemijskoj postojanosti ce1ika u nekim korozionim sredinama, na primer, u nekim kiselinama, ili sredinama zasicenim jonima Cl+, prema kojima је postojanost hroma nedovoljna. -U opstem slucaju, sadrzaj moliЬdena u austenitnim celicima iznosi -с"' с,.~-~,.___ .· -с·--~-~ 4,Q_Љ,_-Q~.{Qd~i___Q1~7j.~k_Oirl~tr:acijam Э moJiЬ_den pokazuj е bitan U tica. oksidaciji
_,
"~~·~--~пa.=;g-trulffi'I~cetrк~pa""'g1t~tr~15~zeЫ~1i~uziP?::u.~e:Иefo·v6m"'"~dija~tamњ"шff~ii~,._,:~i"'c'"='~"~"'i:t
koji се blti opisan. Molibdenu se takode pripisuje povisenje plasticnosti austenita pri visokim temperaturama, ра prema tome snizavanje njegove sklonosti ka pojavi toplih prslina. Volfram, kao "alfageni" element nema neposrednog uticaja na korozionu postojanost celika. On se uvodi u sastav celika u cilju povisenja mehanickih osoЬina pri visokim i niskim temperaturama. Titan, se uvodi u austenitne celike u cilju suzЬijanja stetnog uticaja ugljenika. Ovaj element ima veci afinitet ka ugljeniku od hro·ma i obrazuje karЬide titana koji prethode obrazovanju i izlucivanju karbida hroma u oЬlast{ temperature oko 700°С. Prema tome, uticaj titana se svodi na oЬrazovanje karЬida titana i sprecavanje osiromasenja austenita hromom u oЬlasti izlucivanja (ро granicama zrna) - sto se smatra osnovnjm uzгokom medukristalitne korozije. Titan је snazan "alfageni" element а njegov sadrzaj u ovim celicima iznosi 0,4 do 0,5°/о, tj. oko cetiri puta veci od sadrzaja ugljenika. Titan doprinosi takode usitnjavanju zrna niskougljenicnih celika; medutim, ova njegova osoЬina u austenitnim hrom-niklovim celicima је znatno slaЬije izrazena. NioЪijum u austenitnim celicima ima istu ulogи kao titan, tj. niobijum sprecava obrazovanje i izlucivanje karЬida hroma zahvaljujиci svom visokom afinitetи prema ugljenikи. NioЬijиm na taj nacin sprecava osiromasenje hromom granica austenitnih zrna.
ZA V ARLJIVOST CELIKA
256
Niobljum, slicno titanи, jeste snazan "a.lfageni" element; dopиsteni sadrzaj niobljuma и celicima је deset риtа veci od sadrzaja иgljenika; medиtim, и austenitnim celicima tipa 18 Cr- 8 Ni ne рrероrисије se veca koncetracija niobljuma od 1°/о. ZahvaljиjиCi svome "alfagenom" dejstvи niobijuma pokazuje pozitivan иticaj na osoblne vatrostalnih legиra sa visokim sadzajem hroma i nikla, . (na primer, legиra 25 Cr-20 Ni i 25 Cr-12 Ni), pomazиci sirenje oЬlasti feritne faze. · Azot иtice na aиstenitne celike slicno иgljenikи i niklи i ima snazno "gamageno" dejstvo kao i ovi elementi. Azotom se moze potpuno ili delimicno zameniti nikl и nerdajиcim celicima и slиcaju nestasice ovog metala (1 °/о azota ekvivalentan је 10°/о nikla). Dobro је poznato da azot иtice na иsitnjavanje feritnih zrna. Bakar ima slabo izra.zene "gamagene" osoblne i prakticno ne pokazиje primetnog иticaja na strиktиru nerdajиcih celika. On se uvodi и ove celike и ciljи poboljsanja hemijske postojanosti и nekim korodivnim sredinama.
OPSTE OSOBINE AUSTENITNIH CELIKA А)
Fizicke osoblne
1
Temperatura topljenja
1
aиstenitnih
njemи
celika tipa 18 Cr-8 Ni (i
-.Ј. ····c"'~~aг~·=c:c-:~;_--RM~~!~i-2l~~~g[~~:~~~~~~~:J:j:fДQ:Jj.~1~§~~~~§JiqШ!:;lJJI~~~"'"~~~:;cc~~~;: = -"--- --
- •
- -_-
saarzafa
иgiJemкa.=Uooavanje-n:eJ.a:fie.Jemen~afu dovodГ
do snizenja temtopljenja. Tako na primer, legure koje sadrze 2 do 3°/о silicijиma, imajи temperaturu topljenja оlю 1380°С, а u slucaju nerdajиcih celika sa 3°/о moHbdena ova se tem.peratura sniZav na 1 370°С. Srednja gustina celika tipa 18 Cr-8 Ni iznosi 7,93 + 0,02; uvodenjem и celik 2 do 3°/о moliЬdena njegova gustina se nesto povecava. Srednja gustina vatгostalnih celika sa visim sadrzajem nikla (20 do 25°/о) iznosi 8,04 + 0,02 .., Koeficijent .linearnog sirenja aиstenitnih celika је znatno visi od onog и oblcnim celicifua. Ovaj se koeficijent иnekoliko menja и zavisnosti od vrste aиstenitnih celika. U tablici Х-1 navedeni sи srednji koeficijenti linearnog sirenja nekih vrsta aиstenitnih celika pri razlicitim temperaturama. peratиre
Х-1
TABLICA Tipovi celika
О
18 Cr-8Ni ........................ 18 Cr- 8 Ni- З Мо 25 Cr - 12 Ni ili 25 Cr- 20 Ni ....... •
о
••••
о
•••••••••
Koeficijenti linearnog sirenja О do 650 о do зоо ос do 100 ос
16,9 16,0 14,4
х
х х
10-6 10-6 10-6
17,8 16,2 16,2
х 10-б
х х
10-6 10-6
18,7 18,5 17,4
х х
х
ос
10-6 10-6 ю-6
ZAVARLJIVOST AUSTENITNIH HROM-NIKLOVIH CELIK.<\
257
ModuL eLasticnosti austenitnih celika skoro је isti kao i u nisko ugljenicnih celika cija srednja vrednost iznosi 20 000 kp/mm2 . Vrednost modula elasticnosti se veoma brzo smanjuje sa povisenjem temperature: 800°С
Temperatura 20°С Modul elasticnosti 20 000 В)
12 000 kp/mm2
Mehanicke osoblne
Staticke mehanicke osoЬine razliCitih tipova austenitnih ce1ika se malo razlikuju za odredenu vrstu celika. Као srednje vrednosti osnovnih mehanickih karakteristika mo·gu se navesti: zatezna jacina 55 do 65 kp/mm2 granica razvlacenja 20 do 30 kp/mm 2 izduzenje {1 = 5d) 40 do 60°/о Ugljenik i azot imaju veliki uticaj na mehanicke osobine celika pri statickim naprezanjima; ovi elementi povisavaju jacinu austenitnih celika. U tablici Х-2, koja је sastavljena na osnovu podataka L. ColomЪier-a i Ј. Hochmann-a [1] navedene su vrednosti zatezne jacine i granice razvlalacenja u zavisnosti od povecanja sadrzaja ugljenika i azota u celicima sledeceg hemijskog sastava: 15,5 do 19,5°/о hroma i 8 do 10°/о nikla. TABLICA
0,020 0,020 0,065 0,065 0,060 0,140 0,200 0,200 O.i210 0,305
0,04 0,14 0,075 0,210 0,040 0,200
Х-2
18,0 30,0 25,5 25,5 37,0 31,0 31,0 43,5 34,0 36,5
60,1 67,7 64,0 64,0 74,5 72,0 72,0 83,0 76,0 81,3
Epruvete su bile podvrgnute ispitivanju posle austenitizacije pri 1150°С i kaljenja u vodi. MoliЬden nema bltnog uticaja na mehanicke osoblne; njegova uloga, medutim, raste sa povecanjem koncentracije ugljenika. Uvodenje titana, koji lako obrazuje nitride (TiN), neutralise uticaj azota. Na taj nacin, celik tipa 18 Cr-8 Ni sa 0,06°/о ugljecika i 0,21 °/о azota ima staticku zateznu jacmu 74 kp/mm2 , ·а uvodenje u ovaj celik 0,5°/о titana snizava zateznu jacinu na 64 kp/mm2 , tj. do polaznih vrednosti, karakteristicnih za celike koji ne sadrze azot. Mehanicke osobine austenitnih celika menjaju se naravno sa postojanjem ili нepostojanjem raz1iCitih faza. Za celik sa Cisto austerutnom fa17 Metalurgija zavarivanja
ZA V ARLJIVOST CELIKA
258
zom (sl. Х-6) sa sadrzajem izmedu 10 do 13°/о nikla, zatezna jacinc1. celika se neznatno menj а dok se u isto vreme granica razvlacenj а znatno smanjuje, а izduzenja se povecavaju. U dvofaznoj oЫasti, austenit + ferit, zatezne jacine i granica razvlacenja se po·visavaju sa uvecanjem ko~ licine feritne faze, dok se osoЬine koje karakterisu deformacionu sposobnost metala neznatno menjaju.
../
;;' 80
Е Е
а.
-><
'--
~60 '
х
1::>.... ф
с
g 40
/
Vl
о ф
-"<
/' 11v
/
•
/~,
[;х.·. ."-6 (Ј'о Ј
·. 1
1
~--~~о_) _ •
1
-
40
Ctt
1
за
""'
.(
~ <О
""- .....
20 '-...
'-....d
'-..~v
·,
·u ё
_g
;..--·· ........
r-., '-...
20
10
ф
~ Fer/t ....
Ferit
mortenzit
о
Ferit
+
5
.
ј
-
--
15 t-10 3
oustenit
10
Austenit ,~
..__
Sodrzoi nlklo (%)
Sl. Х-6 - Uticaj mikrostrukture na mehanicke osoblne hrom-niklovih celika (С = 0,050/о) pri razlicitim sadrzajtma nikla (prema Houdremont-u). Sl. Х-7 - Uticaj mikrostrukture na velicinu magnetnog zasicenja
Srednje vrednosti mehanickih osoЬina celika sa austenitno- feritnom strukturom (kolicina feritne faze 20 do 25°/о) pri niskoj koncentraciji uglj enika su sledece:
ZAVARLJIVOST AUSTENITNIH HROM-NIKLOVIH CELIKA
259
zatezna jacina . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 kp/mm2 granica razvlacenja . . . . . . . . . . . . 40 kp/mm 2 izdиzenje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30°/о иdarna zilavost (eprиveta UF) . . 20 kp/cm 2 tvrdoca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 О НБ Zatezna jacina i granica razvlacenja dostizи maksimalne vrednosti и legиrama sa feritno-martenzitnom strиktиrom .pri 50°/о martenzita; pri tome izdиzenje naglo opada. Mehanicke osoblne legиra и feritnoj oЬlasti takode se smanjиjи. Na sl. Х-6 pokazana је promena mehanickih osoЬina nerdajиcih celika sledeceg hemijskog sastava: иgljenik ......................... . 0,05°/о hrom ............................. . 20,0 °/о titan ............................. . 0,5 °/о nikl ............................... . 2 do 13°/о
Maksimalna vrednost magnetnog zasicenja (sl. Х-7) karakteristicna је za celike sa feritnom strиktиrom; ona se nesto smanjиje pri pojavi martenzita и strukturi. Vrednost magnetnog zasicenja cisto austenitnih legura jednaka је nuli. Prema tome, prisustvo feritne faze u austenitnim celicima daje im magnetne osoЬine. С)
Osoblne austenitnih celika pri povisenim temperaturama
Austenitni celici
imajи
visoke mehanicke osobine pri povisenim
=-te---cm~---------t
~~~~~~roлm~Fa·~eliaic~Ba§NJsim§~sad.riZajarn:ghтoma~~Jliklњ'Z"'~25~""'Gr-'1·2:i:1SfJ5;,,;c,;"~~iii:iJ.ioi~,;~:";l
- i- 25 cr..:2o Nl) pfipadajи klasi vatrootpornih celika, posto oni zadrzavaju visoke mehanicke osobine sve do temperature od 1 000°С. Na bazi ovih srednjih hemijskih sastava proizvedene su i druge vrste austenitnih celika sa povisenom otpornoscu .prema puzanjи. U ovom delu nije moguce razmotriti celokиpnu proЬlematikи koja se odnosi na osoЬine vatrootpornih aиstenitnih celika pri povisenim temperaturama, kao ni metode ispitivanja za ocenjivanje ovih osoЬina. Autor preporиcuje Citaocima, koji se interesuju za pomenиta pitanja, da se upoznajи sa radom L. CalomЪier-a i Ј. Hochmann-a [1], u kojem su detaljno odradeni proЬlemi puzanja vatrootj:юrnih celika i celika postojanih pri povisenim temperaturama. Pri daljoj analizi hrom-niklovih celika иkratko cemo razmotriti uticaj nekih legirajucih elemenata na osobine puzanja. U gljenik u austenitnim celicima tipa 18 Cr-8 Ni veoma jako utice na njihove osoЬine pri povisenim temperaturam.a. :N а sl. Х-8 prikazane su vrednosti naprezanja, koja prouzrokujи izdиzenje 5 Х 10-4 °/о pri ispitivanjи izmedи 25-og i 35-og casa (koeficijent Veritas). Ovakav иticaj ugljenika moze se objasniti jedino obrazovanjem karbida ро granicama zrna aиstenita i и ravnima klizanja, te se na taj nacin sиprotstavljaju deformacijama. Azot jasno povisava otpornost prema puzanjи celika tipa 18 Cr8 Ni sa 0,07'0/о с; ako se u ovaj celik иvede 0,2°/о azota njegova otpornost prema риzаnји ·se znatno povisava. Obrazovanje nitrida alиminijuma pri uvodenju alиminijuma и austenitne celike, uЬla.Zava иticaj azota. 17*
ZA V ARLJIVOST CELIKA
260
Uticaj moliЬdena na puzanje austenitnih celika је veoma osetljiv; moliЬden vrsi analogan uticaj na osoblne puzanja i drugih legiranih celika, na primer, hrom-mo1Љdenovih celika postojanih pri povisenim temperaturama. Vanadijum takode doprinosi ,povisenju otpornosti celika prema puzanju, ali njegov uticaj је narocito efikasan u prisustvu malih kolicina moliЬdena. Sadrzaj moliЬdena treba da bude u granicama 0,5-1°/о, а vanadijuma 0,4°/о. 17,5·г---т----.-----,---------,
15
t--+----t----1--------zL--/;---+-1;
/~/
12.51:-.-+!-__......-~-+
~
~
о~
љ210f---t-~--t---Y'--------i ~
ј с.
7,5
/v_--+----
---i
о с:
:u о
......
о~~~~~~~~~~~~~
о
0.02
0.07 0.10 0.15 SadrzOJ ug/jeniko (%)
0,20
Sl. Х-8 - Uticaj ugljenika na otpornost prema puzanju austenitnog ceHka tipa 18 Cr - 8 Ni (prema Bi.nder)
Titan i
nioЬijum
pozitivno uticu na povecavanje zatezne ]ac1ne celika pri povisenim temperaturama, narocito u intervalu 550- 700°С. Dodavanje celiku titana i niobljuma (od svakog ро 0,5°/о) pozitivno utice na sprecavanje puzanja sve do temperature od 700°С (sl. Х-9). Pri visim temperaturama, povisenje otpornosti prema puzanju postize se povecanjem kOllCetracije ·-~ CelikU titana i lliOЬijUffia d0 ~Ј5°/о. Volfram takode poboljsava mehanicke osoblne celika kako: pri niskim tako i pri povisenim temperaturama. . Nize su navedeni neki rezultati ispitivanja klasicnih auste·nitnih celika. Na sl. Х-10 prikazane su vrednosti jacine loma pri trajanju ispitiVanja 30 minuta, а ~?- razlicite austenitne celike (tipova 18 Cr-8 Ni, 25 Cr-12 Ni i 25 Cr-20 Ni), u zavisnosti od teщperature.
ZA V ARLJIVOST А USTENITNIH HROM-NIKLOVIH CELIKA
261
зо
\ \ ЈУ 18Cr
25
\' о
·~: о N
15
SNi + Nb
'\,
.. 1
~~\~i8C~· 8Ni +Мо \
\
\
\\ 1\ \ ,\
IOC.-8N~
:::1
Q.
1
о
:uо 10
\
.,
\ 1'.
!8Cr· 8NI+ f;
с:
\
.
\
\
\
,r~\ \\ '
-..
..
:, '' \, ·" . ""' ~~
5
.....
400
, ".._______ ;_
__
500
700
600
800
900
Sl. Х-9 - Uticaj dodatka moliЬdena, titana i nioЬijuma na puzanje austenitnog celika tipa 18 Cr-8 Ni (napr..e.z.anjima ро .ordinatnoj osi odg·ovara
.
r"""""'"'""""";'""'=""''"'~-i?'·"''.";.·;;~ :-'~с ·="--'~"~'~:,;.:,~:-~;;;:.~::;.;.;;,;iZ\duzenje";;;;Qdifo~~ioi~rt)-~spittv,a•nJЦ;,~.";Џ,.;:~, -~;_c;.,"'"·'~i::~~::i:i;;o"'~:;,""~-;щ~·=c""'-~.§;:""""z.:;•'''==:"'"'~~
.
60
- ··- ..... ...... 50
••Е
Е
2 ..... 40 с
ё ~ 30
.....
.........
. \
,.'
25Cr-20NI
1'/ \
\f'\ \ . ~ ";::Cr- 12NI 18Cr -BNI .L 1
'l\\
~ l\
о N
~ 20 .2
~-
~~
о с:
:gю
~
-.
о
200
400
600
800
1000
0
т emperoturo ( С)
Sl. Х-10 - .Jacine loma pri ispitivanju (u toku 30 mim.) tri najvise rasprostranjena tipa austenitnih celika u zavisnosti od temperature
i
:'
ZA V ARLJIVOST CELIKA
262 pri
Treba primetiti da је vrednost jaCine loma za ove austenitne celike jos veoma visoka i iznosi 20 do 25 kp/mm 2 .
800°С
D) Osoblne austenitnih celika pri niskim temperaturama Austenitni celici imaju veoma dobre osoblne pri niskim temperaturama. Ovi celici nemaju temperaturu preZaza и krto stanje ("preZaznu" temperaturu). Sa snizenjem temperature udarna zilavost se postepeno smanjuje bez. pojave bi-modaliteta u raspodeli udarnih osoblna. Nikl poЪoljsava osoblne celika pri niskim temperaturama; ova osobina kako је to pokazao Bastien [2], moze se dovesti u vezu sa cinjenicom da kriticna tacka martenzitne transfo·rmacije Ar" opada sa povecanjem sadrzaja nikla (sl. Х-11). []+300 о
'-'
~ t200
Sl.
Х-11 Uticaj nikla na pomeranje temperature martenzitne transformacije (prema Р.
Bastien i Dedieu)
Hrom је u tom pogledu izgleda manje gogodan jer, na primer, udarna zilavost feritnih celika sa 15 do 18°/о hroma pri temperaturama oko - 20°С prakticno је jednaka nuli. MoliЬden i niobljum izgleda, podjednako nepovoljno uticu na mehanicke osoЬine austenitnih celika pri niskim temperaturama. U tablici Х-3 dati su rezultati ispitivanja udarne zilavost izvrsenih od autora, pri - 160°С za dodatni rastopljen materijal nanet sa tri vrste elektroda Ьazickog tipa i to: 18 Cr-8 Ni (bez moliЬdena i niobljuma) 18 Cr-8 Ni sa 3°/о moliЬdena i 18 Cr-8 Ni, sa 1°/о Nb; u tablici је dat i hemijski sastav ovih materijala. Rezultati ispitivanja pokazuju nepovoljan uticaj alfagenih elemenata (moliЬdena i niobljuma) na udarnu zilavost rastopljenog dodatnog materijala pri niskim temperaturama.
ZAVARLJIVOST AUSTENITNIH HROM-NIKLOVIH CELIKA
TABLICA
263
Х-3
I~pitivanja
udarne zilavosti pri - 160°С. Rastopljeni dodatni. materijal nanet elektrodama bazicnog tipa KuF srednja Rasipanje vrednost iz vrednosti 10 proba udarne zilavo(kpm/cm 2) sti (kpmfcm 2)
Heinijski sastav rastopljenog dodatnog materijala (%)
Tipovi e1ektroda с
18Cr-8Ni .... 0,06 18 Cr-8 Ni-3Mo 0,07 18 Cr-8 Ni-1 Nb 0,10
Mn 1,83 1,72 2,00
1
Si
Ni
Cr
Мо
0,51 0,48 0,57
8,87 9,08 8,95
18,91 18,75 19,35
2,85
-
1 - SKLONOST MATERIJALA SAVA
1
Nb
-
5,2 1
1,08 1
КА
4,0 1,3
4,6-5,9 4,1-5,0 0,8-2,1
POJAVI PRSLINA
Mnogi istrazivaci, а narocito americka skola Tielsche* [3], Za:pffe [4], Schaeffler [5] itd. proucavali su sklonost elektroluc.no nanetog rastopljenog dodatnog materijala ka pojavi prslina. Као rezultat ovih istrazivanja konstruisan је Sefflerov dijagram. О uzгocima pojave prslina u materijalu sava i osnovnom materijalu postoje razlicite hipoteze. Najverovatnija od ovih је hipoteza Capfea [4], koja objasnjava sklonost ka pojavi toplih prslina jednofaznih austenitnih legura prisustvom tanke silikatne opne ро granicama austenitnih zrna. Stetan uticaj silikatne opne se moze umanjiti ako se stvore uslovi koji doprinose izlucivanju druge jedne faze ро granicama zrna austenita, na primer, o-ferita. Medutim, treba izbegavati pre-
i•;;i~~~~~;~~-~-~~m~~~~~~~[:~f~n~~~~~~~~{Iii:~rf~~~~~f~~if;5~r~~~~~?:~?~2~'~?c~gi,,,~ fea moze da posluzi cinjenica da povecanje koпcentracije silicijuma (Si :2::: u nanetom materijalu sava doprinosi povisenju osetljivosti austenitnog rastopljenog dodatnog materijala ka .pojavi prslina. Poznato је takode da austenitne elektrode sa oЬlogom rutilnog tipa, daju rastopljeni dodatni materijal vece sklonosti ka pojavi prslina nego elektrode bazicnog tipa; ovo se objasnjava povisenim sadrzajem silicijuma u rastopljenom dodatnom materijalu nanetom rutilnim elektrodama. Iako se Sejlerov dijagram ko,ristio uglavnom za analizu uslova zavarivanja raznorodnih spojeva (zavarivanje feritnih celika austenitnim elektrodama), on takode moze biti od velike pomoci pri izboru sastava dodatnog materijala za zavarivanje austenitnih hrom-niklovih celika. 0,60°/о)
Seflerov dij,agram
Seflerov dijagram ima vr1o veliki znacaj pri zavarivanju hrom-niklovih celika posto on omogucava da se razgranice uslovi zavarivanja raznorodnih i jednorodnih spojeva elektrodama austenitnog tipa. Sef~erov dijagram proizilazi iz Maurerovog dijagrama (sl. Х-12) koji razgran1cava oЪlasti razlicitih strukuturnih sastojaka hrom-niklovih celika u zavisnosti od stvarnih koncentracija nikla i hroma. t
* Tilse,
Capfe, Sefler
264
· ·
ZA V ARLJIVOST CELIKA
Iz analize ovog dijagrama vidi se da koncentracija 12°/о hroma predstavlja granicnu tacku dveju znacajnih oЪlasti strukturnog stanja legura: ferit + perlit i ferit + martenzit. Koncentracija 12°/о hroma predstavlja takode i donju granicu korozione postojanosti hromovih celi:ka. Za obrazovanje austenitne faze pri ovoj koncentraciji hroma, u metalu је neophodno uvesti 10°/о nikla. Vidi se takode odmah, da celici sa sadrzajem 13 do 14°/о hroina imaju dvofaznu strukturu: ferit + martenzit. Niklovi celici imaju martenzitnu strukturu pocev od 12°/о nikla; austenitna faze u takvim celicima javlja se pri sadrzaju nikla iznad 20°/о. Tacka А na dijagramu sa sl. Х-12, koja odgovara sastavu klasicnog celika 28r----г----г----г--~----4---~----4-~~
32
Sl.
1
1·':1
!1 . i! 1
! 1
1.
~
1: !
1ј
;
1 i' 1
!
1ј ~
1
1 • 1 1 •. ј
Х-12
-
Dijagram Maurera
tipa 18 Cr-8 Ni, nalazi se u austenitnoj oЪlasti. Tacka В, koja odgovara sastavu nerdajuceg celika tipa 20 Cr-10 Ni, takode se nalazi u jednofaznoj austenitnoj oЫasti. Prema Maurerovom dijagramu vatrostalni celik tipa 25 Cr-12 Ni, (predstavljen tackюm С) nalazi se u dvofaznoj oЫasti, dok legura tipa 25 Cr-20 Ni ima austenitnu strukturu (tacka D). Velika zasluga Seflera је u tome sto је pri izradi dijagrama uzeo u obzir "gamageni" i "alfageni" uticaj razlicitih elemenata koji ulaze u sastav legura. Dijagram ima sledece koordinatne ose: na ordinatnoj osi nanosi se ekvivalent (Ni) .= Ni0/o + 30°/о С + 0,5 Mn°/o, а na apscisnoj osi ekvivalent (Cr) = Cr0/o + МоР/о + 1,5 Si0/o + 0,5 Nb 0/o. u ovim izrazima Ni 0/o, Cr0/o, С 0/о itd. predstavljaju stvarne koncentracije ovih elemenata u leguri. Klasicna predstava Seflerovog dijagram prikazana је na sl. Х-13, gde su oЫasti postojanja razlicitih struktura legura razgranicene pravim
ZAV ARLJIVOST AUSTENITNIH HROM-NIKLOVIH CELIKA
265
linijama. Primena ovog dijagrama pri izucavanju zavarivanja raznorodnih zavarenih spojeva, na ,primer, feritnih zakaljivih i austenitnih ceHka, pri kazana је u mnogobrojnim puЬlikacijama. Ova istrazivanja а posebno ona koja је izvrsio Sefler pokazala su, da se osetljivost ka pojavi prslina austenitnog rastopljenog materijala smanjuje pri prelazu od cisto austenitne strukture ka dvofaznoj austenitno-feritnoj strukturi.
fkvlva/ent Cr (%)
Sl. Х-13 -
Dijagram Seflera
Tacke А, в, С, D, Е odgovaraju hemijskom sastavu osnovilog materijala (taj)lica Х-3); tacke 1, 2, 3, 4 hemijskom sastavu rastopljenog dodatnog materijala (taЬlica Х-4)
Za odredivanje sadrzaja ferita bez primene dijagrama u austenitnoferitnim celicima blli su predlozeni razliciti obrasci. Izmedu ostalih, R. Thomas [6] predlozio је obrazac za odredivanje maksima1ne koncentracije nikla (Ni) max u zavisnosti od drugih elemenata u celiku: 2 (Nl.)max ~ _(Cr + 2 Мо- 16) _ Mn + 30 (0,10- С)+ 12. 12
Tada
је
2
sadrzaj feri ta u celiku:
F 0 /o = (Ni)max- Ni 0 /o. Као
primer uzmimo restopljeni dod'atni materijal sledeceg hemijskog
sastava: с
0,05% Mn .......... 1,2 % Si . . . . . . . . . . 0,60%
Ni ............ 10% Сг ............ 20% Мо ............ 3%
ZA V ARLJIVOST CELIKA
266
Koordinate tacke Х za ovaj celik na Seflerovom dijagramu (sl. Х-13) nalaze se iz izraza: (Ni) = 10 (Cr) = 20
+ (30 Х 0,05) + (0,5 Х 1,2) + 3 + (1,5 Х 0,6) = 24
12
=
tj. legura se nalazi u dvo-faznoj oЫasti sa sadrzajem priblizno 18°/о ferita u strukturi. Ako se primeni obrazac R. Thomasa za analizu ovoga materijala sava, dobljamo: . (20 + 6- 16)2 1,20 (Nl)max = ---------~--------- - - + (30 Х 0,05) + 12 12
odakle
2
је
(Ni)max а
kolicina feritne faze
=
21,3
је
F = (Ni)max-
:r-:П 0 /о =
21,3- 10
=
11,3°/о
Saglasno ovome izrazu, sadrzaj ferita treba da bude oko 11 °/о dok, prema Seflerovom dijagramu, on treba da bude 18°/о. Ova se razlika ne moze objasniti samo uporoscivanjem Seflerovog dijagrama, u kojem su oЬlasti razlicitog strukturnog stanja legura razgranicene pravim linijama umesto krivim. Autor је predlozio de se procentualna kolicina ferita odreduje polazeci od granicnih uslo-va postojanja legura sa jednofaznom cisto austenitnom i dvofaznom austenitno~feritnom strukturom. Ovi se uslovi mogu i izrazi ti u oЬliku linearшi za visnosti: · l~+ ""-ii-'"''~,;,~"'o;:_,:;:..-;.;;;'=-~;;:;,;;;.~,;;;:;;;;._:::;,~",;,;;;;,:":=--"'-.;_··-"·---··""···~-"''"'""''~G-E)--c.'"=c"--'-"0,H3-""_(Nij-~,Ђ"'6.'"'7 . ;. ~.~-;i,.,,.E-s"-•··''"'·':.::~"iй·i:':•z·'"'""~""·~"""=·s~""'""'"~ "''-;-~·2··,- •.ос_-:.---":с~---:: , n - .. ---- . !' sto odgovara pravoj д = ОО/о.
~-.i,-~-7. --·-"-···
;·
х;·/
1:~1;~±;·.\:~
ЈА
"'
'6
~
.·:.•.•.~----·-···~- ;:(~•·-· ., "f!/: ,~
~-:-~~-;-~~r~;~--~-"~~\~i "'
ti
';'§;:Ј:-.;.,,,>,;;.-,~--'~
~-\!~~
Sl. Х-14 U = 1700 Mikrostruktura sava izradenog austenitnom elektrodom tipa 20 Cr - 10 Ni 3 Мо. Elektrolitsko nagrizanje u voden-om rastvor:u oksalne kiseline. Ро granicama auste:nitnih zrna feritna mreza (oko 150fo o-ferita)
-~~ f ~ . ·,, ~ • '~\'""-'--К.• \:\.. - ,...с
....
Sl. Х-15 И = 1200 Mikrostruktura sava izradeno·g austenitnom elektrodom tipa 20 Cr - 10 Ni - 3 Мо; о faza slabo obojen-a . pri nagrizanju fericijanidnim reaktivoш sa zagrevanjem
-
ZA V ARLJIVOST А USTENITNIH HROM-NIKLOVIH CELIKA
267
Ako је ekvivalent h:r:om (Cr) veci od sracunatog (Cr)c znaci da se legura nalazi u austenitno-feritnoj oЬlasti i u tom slucaju дО/о =
3 [(Cr)- (Cr)c]
predstavlja koliCinu ferita u rastopljeno,m dodatnom materijalu. Ako је ekvivalent (Cr) manji od sracunatog (Cr)c tada se ispitivana legura nalazi u austenitnoj oЬlasti. Vratimo se sada ka proracunu kolicine ferita u leguri za koju је (Ni) = 12 i (Cr) = 24; prema predlogu autora (Cr)c = 17,8 Z1natno је manji od ekvivalenta (Cr) i prema tome, kolicina ferita treba da iznosi: Ь 0 /о =
3 [24- 18] =
18°/о
Delta-ferit se lako raspoznaje pri metalografskoj analizi izbrusaka ·posle nagrizanja. Elektrolitic~o nagrizanje u 10'0/o-tnom vodenom rastvoru oksalne kise1ine omogucava otkrivanje granica ferita bez njegovog bojenja (sl. Х-14). Alka1no toplo nagrizanje (fericijanid + KMn0 4 + natrijum karbonat) pokazuje lako obojeni ferit (sl. Х-15). Na taj nacin metalografski је lako razdvojiti dve faze у i Ь. Isti reaktivi (kiseli ili bazicni) jasno Ьоје karbide hroma (s1. Х-16). Veci broj istrazivanja, izvrsenih u oblasti zavarivanja austenitnih celika austenitnim elektrodama, bio је usmeren ka odredivanju .Jюlicine ferita, toga, sprecavanju obrazovanja a-faze. Rezultati ovih istrazivanja veoma su vazni pri kюnstruisanju opreme, predvidene za eksploataciju pri visokim temperaturama i pritiscima. U tom cilju Р. Puzak i njegovi saradnici [7] izucavali su dve elektrode Sl. Х-16 - И= 1700 - Mikrobazicnog tipa sa oznakama 347 i 304 struktura sava izradeno.g austenitprema americkim standardima. Hemij- nom elektrodom tipa 20 Cr-10 Niski sastav osnovnog i dodatnog mate- 3 Мо-1 Nb (С = 0,08°/о). Pojava rij ala prikazan ј е u tablicama Х-4 i kompleksnih karblda. N agrizanj е reaktivom Murakami sa zagrevaХ-5. Tacke, koje predstavljaju henjem mijski sastav posmatranog osnovnog i dodatnog materijala, nanete su na Seflerevom dijagramu (sl. Х-13). Prema ovim tackama moze se odrediti kolicina ferita u metalu. Osim toga prema gore navedenom obrascu autora sracunata је ko1icina ove faze. Moze se primetiti dobro slaganje kolicine feritne faze, odreaene prema Seflerovom dijagramu i racunskim putem. U istra:Zivanjima Р. Puzaka s jedne strane је vrseno navarivanje na jako ukljestenim limovima deЬljine 25 mm, а s druge strane је vrseno zavarivanje debelih limova sa samoukljestenjem. U prvoj seriji ispitivanja odredivana је sklonost ka pojavi prslina u osnovnom materijalu, а
;!
ZA VARLJIVOST CELIKA
268 u drugoj -
u materijalu sava. Rezultati ispitivanja koja
Је
izvrsio
Р.
Puzak, prikazani su и taЬlicama Х-6 i Х-7.
TABLICA
Х-4
Hemijski sastav osnovnog materijala Tipovi celika Karakteristike osnovnog materljala
Standardni З47 (А)
с
Mn Si
s р
Cr Ni Мо
Nb+Ta
1
347 sa niskim sadrzajem С i visokim sadrzajem Nb
34 7 sa niskim sadrzajem С i niskim sadrzajem Nb
(В)
(С)
О,ОЗ
1,44 0,74 0,014 0,025 17,9 13,5 0,21 0,98
0,04 1,40 0,52 0,017 0,022 18,1 13,9 0,22 0,50
15,12 19,5 Cisti austenit
15,8 19,2 cisti austenit
0,09 1,46 0,53 0,012 0,021 18,2 10,6 0,26 1,15
Ekvivalentni (Ni) Ekvivalentni (Cr) б % (prema Sefleru)
14 19,60
1
о
Standardni 304 (D)
0,09 1,01 0,52 0,024 0,027 18,8 9,7 0,30
ЗО4
sa niskim sadrzajem с (Е)
1
О,ОЗ
1,07 "~9,50 0,01З О,ОЗl
18,6 10,4 0,4З
-
11,80 19,5
12,9 19,6 4
7
-rerrnr-----+----+----~---+------~--t--------+----'------
-----------
~~-;~tf'eii~-&;~;;;.;&.";.~~"';"' ;,Jc~"·,cr9~-7~~'2o;s ",,;-""-~"~" ~"-"'"'-~-"'21~4~"'-~"-" It'§'""~тs;в~~--;;7"~"-'"--~~-§§slr;.;,r,"-",,o~""""""'~'"!"''-ik"'-~"'·:"; : ,."."'~ '"'"-"-"' о
о
%
cisti austenit
з
Cisti austenit
6
;.
Х-5
TABLICA
Hemijski sastav dodatnog materijala
i
Probe rastopljenog dodatnog materijala
Karakteristike dodatnog materijala с
Mn Si Cr Ni
1 1 1
Мо
Nb+
2
з
4
0,10 2,5 0,29
0,08 1,29
0,07
0,07
1,ЗЗ
1,3З
О,З4
19,4 11,0 0,11 0,67
0,24 20,2 10,4 0,12 0,67
14,05 20,24 2 19,7 1,5
13,17 20,90 7 18,95 6
19,З 11,З 0,1З
Та
(Ni) (Cr) о% (prema Sefleru) (Cr)c (prema Seferianu) о%
1
0,81 15,55 i
1
20,З5
austenit 21,2 austenit
1
1
О,ЗО
21,9
9,9 0,12 1,16
1
12,67 22,90 13 18,50 13
269
ZAVARLJIVOST AUSTENITNIH HROM-NIKLOVIH CELIKA
Ispitivanja sa elektrolucnim zavarivanjem na jako ukljestenim limovima (taЬlica Х-6), pokazuju da su celici koji sadrze 4-7°/о feritne faze, prakticno neosetljivi prema pojavi prslina, dok pri odsustvu ferita sklo. . nost ka obrazovanju prslina raste (tacka А do С), tj. kada metal ima cisto austenitnu strukturu (s1. Х-13). Metal nanet e1ektrodama koje daju dvofaznu strukturu odlikuje se smanjenom osetljivoscu prema pojavi prslina; pri zavarivanju elektrodama, ciji rastopljeni dodatni materijal ima 7°/о ferita, broj prslina је dvaput manji, а sa 13°/о ferita osetljivost prema pojavi prsHna iznosi svega 8°/о. TABLICA
Х-6
Ispitivanja rastopljenog dodatnog materijala nanetog elektrolucnim zavarivanjem (Puzak) 1
Tacke na Seflerovom dijagramu (sl. Х-13)
D Е
Osnovni materijal
Kolicina ferita u osnovnom materijalu prema Seflerovom dijagramu
Kolicina prslina u % (zavarivanje bez dodatnog materijala)
Prsline u rastopljenom dodatnom materijalu sa sadrzajem 7% o-faze
304 (standardni)
4%
tragovi
-
7%
tragovi
304
~,:::.о::::->·~ ,;;~_:;_;;;,'"?"..,i~=-;""·--·;~,-:;:::..".;:,....-.~·".,;=-"".._;~,=-й.::..~
,;,_~- -- ;.,;{filZak""'·"'-'i:-
procent ugljenika)
-+5~~~§.:::.::""'-=:-:Е:..~.§
А
347 (standardni)
о
с
347 (nizak procent ugljenika i Niobljuma)
в
347 (nizak procent ugljenika i visok procent
1
NioЬijuma)
1
(З%)
-
Prsline u rastopljenom dodatnom materijalu sa sadrzajem 13% o-faze
-
§'!,;,~~-__,ХЗ;,%).'"'~"С."~" §~i;§;2'~-=::._~-=-~~~~::;..,:,: Ec"c''.i::';
__ :. о~о~•
srednja kolicina (14%)
tragovi (1%)
tragovi (1 %)
о
vrlo velika kolicina (90%)
mnogo (46%)
malo (8%)
о
vrlo velika kolicina (89%)
malo (8%)
tragovi (2%)
-- ..
·--
-"
l
Rezultati ispitivanja zavarenih spojeva potvrduju vrednosti predvidene na osnovu analize Sefleгovog dijagrama (taЬlica Х-7). Cisto austenitni celici В (nizak, .sadrzaj ugljenika i 1°/о Nb) i С (nizak sadrzaj ugljenika i nizak sadrzaj Nb) veoma su skloni ka pojavi prslirna; u celiku А (о = О) dolazi do obrazovanja prslina pri krupnozrnoj i orijentisanoj strukturi. U celicima D i Е sa koiicinom feritne faze 4 i 7°/о obrazovanje prslina se ne opaza.
~---.-··-···~--
!::-:>
-:Ј
о
Ispitivanja
spojevima (Puzak)
/
Tacka na dijagramu (sl. Х-13)
Osnovni materijal (celik)
VeliCina zrna osnovnog materijala
__• :.~·
D
304 standardni
Е
304 nizak
А
%С
347 standardni
А
34 7 standardni
с
347 nizak %С i nizak %Nb
sitno sitno orijentisano sitno sitno
···----
-·
KoliCina prslina
%
и
Zavaч~
spoj izvrsen cisto ј Zavareнi spoj izvrsen austJh tnom elektrodom 1 1 elektrodom 2 sa 2% <5-faze
. -'
----------------
------·
Os~~[ni- - - Materijal
mat~rijal
1
ii!:l
1
1 1!'\:
lli·'
nemn'
~i, IСЪ) iU,,
sava
-~--
--- ·--------------·-
Osnovni materijal
Materijal sava
Osnovni materijal
Materijal sava
1
1
nет~'liil 1 18
'\
--
Zavareni spoj izvrsen elektrodom з sa 7% o-faze
1
nem~·~ 48 ~· (с) :!::
1
nema
nema
nema
nema
nema
·
nema
nema
nema
nema
nema
10%
(Ь)
19%
(с)
1%
(с)
16%
(с)
1
4%
N
~
(с)
nema
<:
(Ь)
41%
(с)
о
26%
(с)
45%
(с)
11% (с)
1
в
347 nizak %С i visok %Nb
orijentisano zrno
%(Ь) \":'
51%
(Ь)
347
sitno
69%
(с)
с
347
orij entisano zrno
't·(с)
71 39 о/о. (Ь) l!;i'
25%
(Ь) (а)
~ ---~~'
а) Uzduzni prelom Ь) с)
-----
1\',f
i,,·i:
37%
(с)
25% (с)
(с)
70%
(с)
16%
47%
(с)
:6% (с)
45%
(с)
t!',i
в
13%
(с)
1
Velike mikroprsline vidljive pri uvelicanju :::рр Х Male mikroprsline vidljive pri uvelicanju 1?5 Х ==#",Ф============================================== н ~
li!i· ip;
lШ'
i !i
i\~~- ',
1
1
1!•
1
:,:;
1
~! :,
'~ \
1
1
:1 1 ,,.
1
rл
>-:3 () м
:ш:
52
~1:"' <-< н
.,
38%
<:
1:"' н
~ ~
ZAVARLJIVOST AUSTENITNIH HROM-NIKLOVIH
П-
ёELIKA
271
IZLUCIVANJE KARBIDA
Medukristalitna korozija Ako se zavareni spoj iz austenitnog celika cak i sa niskim sadciajem ugljenika (0,06°/о) podvrgne ispitivanju protiv lшrozije, u vrijucem reaktivu Monipenija* moze se primetiti pojava dve nagrizene zo:ne, koje se prostiru simetricno u odnosu na osu sava. Ove zone su sire i na vecem rastojanju od materijala sava pri oksiacetilenskom zavarivanju, nego pri elektrolucnom zavarivanju (sl. Х-17).
Sl. Х-17 - Makrostruktura sava izvrsenog oksiacetilenskim zavarivanjem. U osnovnom materijalu pri nagrizanju reaktivom Mon.nypenny (Strauss) pojavljuju se zone izlucivanja karblda
Ove oЬlasti, koje se otkrivaju gore ukazanim nacinom, predstavljaju zone u kojima se razvija medukristalitna korozija, koja prodire najradije ро granicama austenitnih zrna i razara kompaktnost metala. Ovaj tip korozije је narocito vezan za austenitne celike i predstavlja jedan od uzroka nedovoljne zavarljivosti celika, namenjenih za izradu opreme, kod koje se postavlja zahtev visoke korozione postojanosti. Zahvaljujuci detaljnim istraZivanjima Straus-Bejna** Eborna i Raderforda** [8], Krivoboka i Hudrerrюna** (9] defi.nisana је oЬlast kriticnih temperatura "osetljivosti" celika prema koгoziji, koja se nalazi u intervalu 480--470°С. Ova osetljivost zavisi od velikog broja faktora а narocito od hemijskog sastava celika i trajanja njegovog zadrzavanja pri kriticnim temperaturama.
* Reaktiv Monnypennya Ш reaktiv Straussa ima sledeci sastav: kristalni bakar sulfat 100 g, sumporna kiselina (у = 1,84) 100 g, destilisana voda 1 000 сmз. Reaktiv se upotreЬljava и vrijucem stanju. ** Strauss-Bain, Aborn i Rutherfort; Krivobok i Houdremont.
--------~. ~hlНA&Шh$$_;;;::;wмEf'
ZA V ARL.ПVOST CELIKA
272
1000ёаs,
0,03 ёаs. о
о
m
~
~
~
~
~
~
~
Тemperatura ( 0 С)
Sl. Х-18 _..:.. Uticaj vremena zagrevanja na polozaj zone kriticne temperature. Sastav ispitivanog celika: С = 0,08% Cr = 18,1%; Ni = 8,90/о (prema Bain i Aborn) ~20~--------------r-------------~~----------~~--------------~
..r::
8 Q
....__ Е
Е 15r-------------r-------------~------~--~~----------~
........
Ts
.Q.
= 650°С
с=
'О<
...
о
0.08%
~ 10~--------------~------------~L-----~------~~------------~ о с:
~
Pe
._:-:: :i-~~-~,~~~.:~:-·"·_-~-__:;..;;;-:;~;,;~;;_.";;.::=.~;-~:~~~ ~§i~~~~i?~i.~~~,~~~-~~:~ ~~i~~§~:if~§~"i~~"'§~~·=.~;~~- i~-;;-__::~~:;~::-~~~~·:т.~·",_т<:: ::->::z:::~ -~·""i_:itiSi)~6~ra~vl;dnтa·-~ ~.;: S Period izlucivanja korozione ~
karblda nroma
-----~~~--~-~~--
pOS!Ojanosti
'О
-1
0~------------~------------L-------------L---------~~ 4 2 3
ю'
а)
ю
ю Trajanje zadri11vanja (mln)
Period lzluёlvanja karЬida hroma Ь)
10
ю5
Perlod uspostav/janja koroz/one postojanost/ с)
Sl. Х-19 Promena osetljivosti prema medukristalitnoj koroziji и zavisnosti od trajanja zadrzavanja pri ·ispitivanju austenitnog celika tipa 18 Cr - 9 Ni (С = 0,080fo) pri 650°С
ZAVARLJIVOST AUSTENITNIH HROM-NIKLOVIH CELIKA
273
Iz dijagrama na sl. Х-18, koji pokazuje promenи osetljivosti prema koroziji celika sa 0,08°/о С и zavisnosti od temperatиre (prema rezultatima Bejna i Eborn.a), vidi se da se kriticna zona osetljivosti pomera ka strani niskih temperatura sa uvecanjem vremena zadrzavanja sa 20 min na 1 000 casova. Jednovremeno sa иvecanjem vremena zagrevanja povisava se osetljivost prema medukristalitnoj. koroziji. Ispitivanjem "osetljivosti" nerdajucih celika prema koroziji, koja se ocenjuje prema dublni korozije и zavisnosti od trajanja zadrzavanja pri datoj temperaturi, ustanovljeno је da osetljivost prema koroziji prolazi kroz maksimиm, а zatim se ponovo smanjuje. Na sl. Х-19 prikazan је karakter promene "osetljivosti" prema medukristalitnoj koroziji celika sa 0,08°/о pri 650°С. Najpre se primecиje povisena sklonost ka izlиcivanjи karblda pri trajanju zadrzavanja oko sto casova, а zatim iza perioda maksimalne osetljivosti nastupa period obnavljanja antikorozionih svojstva (regeneracija strukture) zadrzavanjem и tokи hiljadu casova. medиkristalnoj
~
1600
о
....
о
~ ф
.Q. ....... 1400 с:
о
Е ~ ~
'а ~ о 1200
.....g' 8....-v 1000
Е
~
'О
Q)
о о >
00~~._~--._~~~--~~~~--._~-
0,04 0.08 0,12 0,16 0,20 Sadriai ugljenlka и cellku Cr 18-8 Nl ('Уо)
Sl. Х-20 - Uticaj sadrzaja ugJjenika па inteпzitet izlucivanja kaгblda u austenitnom celiku pr;i 650°С u toku 1 000 h (prema Bain i Aborn)
Uticaj ugljenika na koroziona svojstva ovih celika pocinje da se pojavljuje kad koncentracija prede 0,02°/о. Medutim, ova kriticna koncentracija moze Ьiti i visa pri smanjenjи vremena zadrzavanja ili pak pri velikoj brzini zagrevanja i hladenja, sto је slucaj sa zavarivanjem. Na sl. Х-20 prikazaпa је ,proшena intenziteta izlиCivanja karЬida и zavisnosti od koncentracije иgljenika и celikи pri dиgotrajnom zagrevanjи. Iz dijagrama se moze zakljиciti da је sklonost ka izlucivaпju karbida prakticпo jednaka nиli pri koncentraciji иgljenika nianjoj od 0,02°/о. 18 Metalurgija zavarivanja
ZA V ARLJIVOST CELIKA
274
1. Uzroci meaukristalitne korozije Postoji v1se teorija, koje objasnjavaju mehanizam medukristalitne korozije. Najverodostojnija је teorija о izlucivanju karblda hroma ро granicama austenitnih zrna, koje је praceno osiromasenjem onih delova metala hromom, koji se nalaze neposredno uz oЬlasti izlucivanja (sl. Х-21). Rendgensko-strukturne analize elektroliticki izlucenih karbida* pokazale su da karЬidi izluceni iz cvrstog rastvora pri dugotrajnom zagrevanju sadrze oko 90°/о Cr i 5°/о С; ovaj sadrzaj priЬlizno odgovara karЬidu Cr 4 С. Saglasno istraZivanjima Bejna moguce је prikazati sledecu shemu ovih procesa. Brzina obrazovanja karЬida veoma је . mala pri niskim temperaturama i naglo raste u temperaturnom intervelu 600 do 800°С. KarЬid stvoren na taj nacin, izlucuje se - kao sto је to u najvecem broju slicnih slucajeva - ро granicama zrna: Za obrazovanje karbida, obogacenog Sl. х- 21 _ и = 1200 _ Mikrohromom, ugljenik mora da apsorbuje struktura austenitnog celika tihrom iz mikro-zapremina, koje se nalaze ра 18 Cr-8 Ni (С = O,lOo/o) u neposredno UZ .granice zrna, sto izaziva zoni medu.kristaИtne korozije. lokalno osiromasenje hromom (sl. Х-19Ь). Elektrolitsko nagrizanje u oksal- Ako koncentracija hroma u ovim mikro-,1
,
.. .
..ш., . ~,.__ Ili}j~k~lil-1~: .. У~~е ...S.e_iz;l~G.en~apr:~minama._c_postan~rnan~a-od-12Q./o--(mi--------··-- ~
~,==-""-'=""""""~-·""==,.kэ:rьнil~lJЭ~-r.anт~ama"'"zrnэ:,caus""-""'~nim'EПna''=4 кoocentra:cij'a·@za''-";кo;foziBn'U'~'pO.s2':~"'E"•·"'c''··~~"~'·
teшta
tojanost), onda се u njima' nastupiti hemijska korozija. Prema tome, koroziji nisu podlozni sami karbldi, vec delovi metala neposredno uz njih koji su osiromaseni hromom. Ova hipoteza uspesno obja.Snjava prvi rastuci deo krive sa sl. Х-19а. Ako se ,produzi trajanje zadrzavanja pri kriticnoj temperaturi onda dolazi do izvesne homogenizacije austenita. Srednji sadrzaj hroma se moze smanjiti, а sadrzaj hгoma u ranije osiromasenim delovima moze iznositi vise od 12°/о. Ova homogenizacija (sl. Х-19с) dovodi do dovoljnog ро,_ vecanja sadrzaja hroma u osiromasenim deloyima, da Ьi se smanjila i cak sprecila osetljivost prema izlucivanju karЬida. Ovim procesima se objasnjava drugi padajuci deo krive na dijagramu sa sl. Х-19а, koji odgovara periodu uspostavljanja korozione postojanosti (regeneracije strukture). Sjajnu proveru ove teorije izvrsio је Р. Sevenar [11] pomotu termomagnetne analize celika sa 11°/о Cr, 36°/о Ni i 0,1°/о С (magnetna legura ATV). Sevenar је utvrdiO. stepen heterogenosti sastava austenita prema temperaturama Kirijeve tacke.
* G. Ротеу је nedavno ispitao sastav karЬida pomocu rendgenostrukturne analize i utvrdio da oni odgovaraju formuli Ме2зСв, gde је Ме - zЬir kompleksne smese metala (63% Cr + 25°/о Fe + 3% Ni).
·
ZAV ARLJIVOST А USTENITNIH HROM-NIKLOVIH CELIKA
275
Za homogeni austenitni celik kriva Ј .= f(T) naglo pada te se temperatura Т 1 Kirijeve tacke jasno i:s;poljava (sl. Х-22, kriva а).. Ako pri termickoj obradi dolazi da izlucivanja karbida ра usled toga nastaje heterogenost austenita, onc!a kriva Ј = f (Т) ima Ьlazi nagiЬ. Kirijeva tacka se udvaja i povrsina S izmedu ovih Kirijevih tacka и temperaturnom intervalu Т 2-Т 1 (sl. Х-22, krive Ь i с), se povecava. U periodu uspostavljanja korozione postojanosti udva:janje Kirijevih tacaka na krivama iscezava, а jedina tacka Т 1 se pomera ka strani visih temperatura (sl. Х-22, kriva d). .
Ј
о)
l о
Ь)
Kaljeno so 1200°С
Kaljeno so 1200°С Ьвх
trajante olpuitonjo
otpuitanJo
15 mln
prl 850°С
. 100
200
300
о
100
зао
200 0
Т emperotura ( С)
Т emperoturo ( С) 0
.Ј
d)
. с)
Kaljeno so 1200°С
Kaljeno sa Ј200°С trajan:e otpuiton/O
trajanje otpustanjo
2h
200
100 h
prl 850°С
prl 850°С
300
Т emperaturo (''С)
о
100
200
300
Т emperoturo ( С)
0
Sl. Х-22 - Odredivanje heterogenosti sastava austenita u hrom-moliЬdenovoj leguri Cr = 110/о, Ni = 36°/о, С= O,lOOfo (legura ATV) pomocu termomagnetne analize (prema Р. Chevenard)
Mada se termomagnetna analiza ne moze primeniti za izucavanje austenitnih celika tipa 18 Cr-8 Ni, jer su nemagnetni, izglada da је zЬog zakon.omernosti pojava opravdano da se rezultati Sevenarovih opita ekstrapoliraju i na ovaj t~p hrom-niklovih celika. Medutim, gore izlozena teorija medukristalitne korozije ipak ne objasnjava intenzitet porasta sklonosti ka medukristalitnoj koroziji, tj. brzinu obrazovanja karbida hroma. Tako, na primer, u slucaju zavarivanja "osetljivost" se stvara u delu minuta, kada prolazi oЬlast kritiene temperature. Za objasnjenje - obrazovanje - obrazovanje zanja ро granicama 18*
ove pojave slиZe neke druge hipoteze: karbida zeleza (hipoteza Millera); medukristalitnog ferita, izazvano porastom napreaustenitnih zrna (hipoteza Becketta);
Ј
il ZA V ARLJIVOST CELIKA
276
- segregacija ugljenika ро granicama zrna austenita pri zagrevanju na visokim temperaturama (iznad 950°С) povisavajuci teщperaturu kriticne osetljivosti (hipoteza L. ColomЪier).
1
2. Povisenje postojanosti protiv
1 1
meёlukristalitne
korozije
Izlucivanje karЬida hroma iz cvrstog rastvora, koje doprinosi medukristalitnoj koroziji, zavisi od mnogih faktora od kojih su najvazniji: а) uticaj hemijskog sastava celika; Ъ) uticaj trajanja zadrzavanja u oЬlasti kriticnih temperatura; с) uticaj staЬilizirajucih elemenata; d) uticaj mikrostrukture; е) uticaj termicke i mehanicke obrade.
1
11
а)
Utica_j hemijskog sastava celika. Uticaj ugljenika dominira celokupnim pгoblemom, posto smo prihvatili da u procesu medukristali tne korozije odlucujuci uticaj ima izlucivanje karblda ро granicama zrna. Zbog toga, radikalno sredstvo za smanjenje osetljivosti celika prema koroziji treba da bude snizenje sadrzaja ugljenika, ispod granice rastvorljivosti u austenitu. U stvarnosti, bilo је primeceno da nerdajuci celici tipa 18 Cr-8 Ni sa sadrzajem ugljenika ispod 0,02°/о nisu podlozni medukristalitnoj koroziji pri ma kojim rezimima zagrevanja i hladenja u intervalu kriticnih temperatura. Za zavarene spojeve, koji se odlikuju velikim brzinama termickog ciklusa, moze se dopustiti maksimalna koncentracija ugljenika do 0,05°/о.
1 1
1
1
i
! 1
11
ft.F~~~~~~~~~g11-~~;т:~ei=:~~~:~i~;~ff:{~~~ћC:~i~~~;~~~~~~~~~~~~~~~;. ~"'~~-.~.~ '
neophodnoscu topljenja i livenja u vakuumu. S druge strane, ako se vratimo dijagramu raspode1e faza pri velikim brzi.nama hladenja (sl. Х-4), onda se tacka na ovom dijagramu, koja odgovara celiku tipa 18 Cr8 Ni sa veoma niskim sadrzajem uglje,nika, nalazi u oЬlasti metastaЬilnog austenita, skoro na granici dvofazne oblasti austenit + martenzit. Ako u procesu zavarivanja dode do izvesne oksidacije hroma, to se posmatrana tacka, koja predstavlja dotic.ni celik, pomera u oЬlast martenzitnih struktura, i cini spoj krtim. Prema tome, za niskougljenicne hrom-niklove celike potrebno је povecati koncentraciju hroma u cilju doЬijanja metala sa dvofaznom austenitnom-feritnom strukturom. Uticaj hroma Ьiо је veoma detaljno proucen u radu Bastiena i Dedijea* [2], koji su ustanovili neophodan odnos iz.medu koncentracije ugljenika i hroma u austenitn1m cellcima u cilju spre~avanja medukristalitne korozije (sa stepenom tacnosti 99,8°/о); ispitivane epruvete Ьile su podvrgnute austenitizaciji pri 1050°С а zatim otpustanju pri 650°С u toku ј ednog casa. Za austenitni celik sa koncentracijom nikla priЬlizno 10°/о, odnos izmedu maksimalne koncentracije hroma i ugljenika dat је izrazom Cr
* Dedieu
> 80 С + 16,8
ZA V ARLJIVOST AUSTENITNIH HROM-NIKLOVIH CELIKA
277
Saglasno ovom izrazu u klasicnom celiku sa 18°/о hroma, koncentracija ugljenika treba da bude manja od 0,015°/о; pri vecem sadrzaju hroma, prirodno, moze se do,pustiti izvesno povecanje koncentracije ugljenika, bez opasnosti da dode do· smanj enj а postoj anosti celika prema medukristalitnoj koroziji. Na primer, pri 22°/о hroma moze se dopustiti sadrzaj ugljenika do 0,065°/о. Nikl, za razliku od hгoma, povisava osetljivost austenitnih celika prema medukristalitnoj koroziji. Usled toga, pri povisenju koncentracije nikla u celicima ovoga tipa neophodno је smanjiti koncentraciju ugljenika da bi se izbegla medukristalitna korozija usled izlucivanja karbida. Ako se za celik klasicnog tipa 18 Cr-8 Ni sa gornjom granicom dopustive kolicine ugljenika od 0,05°/о u slucaju zavarivanja, predvida povecanje koncentracije nikla u materijalu sava sa 9 na 13°/о, onda је neOIPhodno smanjiti sadrzaj ugljenika na 0,021 °/о, ako se zeli da obezbedi dovoljna postojanost prema medukristalitnoj koroziji. Medu ostalim elementima, koji uticu na medukristalitnu koroziju hrom-niklovih celika, treba spomenuti uticaj azota, koji se lako rastvara u ovim celicima. u materijalu sava izradenom e1ektrolucnim zavarivanjem, koncentracija azota .moze da dostigne 0,06 do 0,10°/о. Uticaj ovog elementa na mehanizam izlucivanja karbida iz cvrstog rastvora jos nije dovoljno proucen. Prema podacima Bindera [12], negativan uticaj azota је najveci pri koncentraciji oko 0,04°/о, za termicku obradu pri 550°С u toku 100 casova. Prema podacima Sheridana i Kieffera [13] nepovoljan uticaj azota se povisava sa povecanjem njegove koncentracije.
Molibden, ka() alfageni element, slicno hromu, pokazuje povo1jan _ _ _ _,.-----O.l..,...Itica ј .. DoclaJLanj е
ovнg_elernenta_me~talll_usp~r_a_y_a_proces~_ i_z]_l.tGi'l::Н1j а
.
.
.
.,
i"""2~~i~~m.;,,, ':I{aГћiaa~i.:::'2a0pils~t~visi:l'~4{'6ficent.f-a-:-cfju'~Uglj enika OU''"celikш~~Na cei.taj .•.naciщ,:''!.'c§§c§~ie'§C'~i~ti
pri uvodenju 3°/о moliЬdena u celik tipa 18 Cr-10 Ni moze se dopustiti koncentracija ugljenika do 0,036°/о, bez opasnosti od obrazovanja karbida hroma, .cak i pri dugotrajnom zagrevanju u oЬlasti kriticnih temperatura. Ь)
Uticaj trajanja zadrzavanja и oЫasti kriticnih temperatura. Prema podacima Bejna i Eborna [8], sa povecanjem trajanja zadrzavanja kriticna oЬlast teщperatura povisene osetljivosti prema medukristalitnoj koroziji neznatno se pomera ka strani niZih temperatura (sl. Х-18). Medutim, sa prakticne tacke gledista neophodno је poznavati brzinu obrazovanja karЬida hrom u intervalu kriticnih temperatura. Prema podacima Bindera [12], trajanje zadrzavanja, neophodno za pocetak procesa medukristalitne korozije, koja se otkriva metalografskom analizom izbrusaka posle nagrizanja reaktivom Straussa, za celike hemijskog sastav·a: Hrom 18,2 do 18,5°/о Nikl 10,6 do 11 °/о 0,043 do 0,050°/о Azot Promenljivi sadrzaj ugljenika . . . . . . 10,05 do 0,027 do 0,021 °/о zagrevane do temperature od
750°С,
treba da iznosi (sl.
Х-23):
ZA VARLJIVOST CELIKA
278
37 sec za celike sa 0,05 °/о ugljenika: з
min za celike sa 5 min za celike sa
0,027°/о 0,021°/о
ugljenika; ugljenika.
Temperatura 750°С izgleda da odgovara maksimalnoj osetljivosti celika prema medukristalitnoj koroziji; pri temperaturama iznad i ispod 750°С trajanje kriticnih zadrzavanja је mnogo vece (sl. Х-23). Binder је takode ispitao usporavanje procesa medukristalitne korozije и austenitnom celiku pomocu moiiЬdena. Is:pitana su dva celika: jedan sa sadriajem 18°/о Cr- 15°/о Ni i 0,03°/о С bez moliЬdena, i drugi,
ю'~
ф
t-
~
to•
;... i
ёаs
1
1
1
L 30 mln
.......
юз
u
IOm1n
ф
....
'-' ф
Е ф
~
102
0,01
0,02 Sodrioj
0,03 ugljenlka (
0,04
0.05
fo)
0
Sl. Х-~3 - Uticaj ugljenika na osetljivost celika prema medukristalitnoj Jюroziji и zavisnosti od temperature Ј trajanja :zJaкkzavanja (krive konstruisane prema ispitivanjima Bindera)
istog takvog sastava, ali sa 2°/о moliЬdena, оЬа celika bila su podvrgnuta austenitizaciji pri 1050°/о, а zatim otpustanju pri razlicitim temperaturama sa zadrzavanjem u toku 700 casova. Posle nagrizanja uzoraka reaktivom Strausa Ьilo је ustanovljeno (si. Х-24) da maksimalna osetljivost prema medukristalitnoj koroziji odgovara temperaturi od 750°С pri trajanju nagrizanja u reaktivu: ·oko 40 sekundi za celike bez moliЬdena i 6 do 7 minuta za celike sa 2°/о moliЬdena. с) Uticaj staЬilizirajuCih elemenata. Tehnoloske poteskoce, koje su povezane sa proizvodnjom celika sa koncentracijom ugljenika manjom od 0,02°/о, prinudile su metalurge da uvedu u austenitne celike legirajuce elemente - stabllizatore, na primer, titan i niobljum., koji imaju veci afinitet prema ugljeniku od hroma. Izlucivanje karblda titana (TiC) i
ZAVARLJIVOST AUSTENITNIH HROM-NIKLOVIH CELIKA
279
niobijuma (NbC) zaustavlja proces obrazovanja karЬida hroma (Cr4 C), ра prema to.me, sprecava osiromasenje hromom cvrstog rastvora ро granicama zrna. Kolicina staЬilizirajucih elemenata odreduje se, s jedne strane, kolicinom potrebnom za obrazovanje jedino karbida titana, sto odgovara odnosu Ti!C = 4, а s dru.ge strane, gublcima ovog elementa usled obrazovanja nitrida titana. Zbog to·ga, u opstem slucaju, uzima se da sadrzaj staЬilizirajuceg titana u celiku treba da bude sest puta veci od sadrzaja ugljenika. Za obrazovanje karbida nioЬijuma dovoljan је odnos Nb/C = 8, ali iz istih razloga on se uzima jednakim 10.
9oor-----,_-----r-----+--~~r-----+-----~-
Vreme (sec)
Sl.
Х-24
- Uticaj moliЬdena na osetljivost celika prema medukristalitnoj koroziji (prema Binderu).
Celik 1: С= 0,26; Celik 2 :С= 0,30;
Cr = 18; Cr = 17,8;
Ni = 15; Ni = 14,4;
Nz = 0,027; N• = 0,024;
Мо= о. Мо 2.
=
Uvodenje titana u sastav dodatnog materijala pri oksiacetilenskom zavarivanju i u elektгode pri elektro1ucnom zavarivanju veoma је necelishodno, jer titan lako oksidise i prelazi u oЬliku oksida u trosku. Niobijum је manje podlozan oksidaciji i usled toga se uvodi u svojstvu stabilizirajuceg elementa u oЬlogu elektroda za elektгo1ucno zavarivanje. d) Uticaj mikrostrukture. Prisustvo o-ferita snizava temperaturu korozione osetljivosti austenitnih celika. Tako· na primer, ako austenitni celik sa sadrzajem ugljenika, 0,05°/о ima kriticnu temperaturu 750°С, onda se pri povecanju kolicine ferita u njegovoj strukturi do 25°/о, kriticna temperatura snizava na 500°С. Razmotrimo tri VIiSte celika sa oznakom 1, 2 i 3 (taЬlica Х-8), od kojih prvi sadrzi 3°/о ferita, а drugi i treci oko 25°/о; osim toga celik sa oznakom 3 legiran је sa oko 2,5°/о molibdena.
ZA V ARLJIVOST CELIKA
280
. TABLICA
Х-8
Celik З (Ofo)
Celik 1 (Ofo)
Karakteristicni elementi celika
с···································
Si ................................. . Mn Cr Ni ............................... .
0,070 1,10 0,70 17,5
1
10,З
0,070 1,07 0,65 22 7,2
0,080 0,98 0,80 21,0 8,80 2,5
23,6 9,7 28 15,7 24
25,0 11,6 25 17,5
Мо
(Cr) ............................... . (Ni) ............................... . o-ferit (prema Seflerovoщ dijagramu) (Cr)c prema obrascu Seferiana o-ferit и ОЈо
19,2 12,75 з
18,6 2
!
2З
Celik sa oznako'm 1 ima kriticni temperaturni interval 500 do 800°С sa maksimalnom osetljivoscu prema medukristalitnoj koroziji pri 750°С; izluCivanje karЬida zapoCinje posle dvocasovnog zadrzavanja (sl. Х-25). Za celik sa oznakom 2 kriticni temperaturni interval za izlucivanje iznosi 480 do 650°С sa maksimalnom osetljivoscu prema medukristalitnoj koroziji pri 580°С; izlucivanje karЬida zapocinje tek posle zadrzavanja od 24 casa.
• Celik 1
800~~~~-=~=========+--------~ ...., u ~700г---~-------+------------~----------~ о
._
= о
~ 600 1----------".....:t-----r-
Q Е
ф
1-
1 don
Bdano
ЗОоопо
400~-~r-~~~--т~~--~~-~-т~~~ 1 2 з 4 5 102 2 з 4 5 юз
Т rojonje rodriovonJO (h)
Sl.
Х-25
Uticaj mikrostrukture na osetljivost celika prema medukristalitnoj koroziji
Za celik za oznakom 3, malo primetno izlucivanje karЬida otkriva se nagrizanjem uzoraka и reaktivu Straиsa и vremenu posle 8 dana. Na taj nacin, uvodenje 2 do 3°/о moliЬdena, koji olaksava oЪrazovanju feritne faze, povisava korozionu postoj anost metala.
_сс~с~--
•
~~~------------
ZA V ARLJIVOST А USTENITNIH HROM-NIKLOVIH CEL ТКА
281
Ulogu ferita u procesu uspoтavanja medukristalitne korozije, objasnjava nekoliko hipoteza: 1. U prisustvu ferita ugljenik se koncentrise u obema fazama, а takode ро granicama feritnih ostrvaca, koja okruzuju austenitno zrno. Otpustanje u kriticnom temperaturnom intervalu, doprinosi izlucivanju pocev od feritnih ,polja, ili u unutrasnjosti ovih ostrvaca, ogranicavajuci samim tim osiroma§enje austenita hromom. 2. Koncentracija hroma је visa u feritu nego u aцstenitu, i nalazi se u ravnotezi sa feritom. Ferit, obogacen hromom, bolje se suprotstavlja medukristalitnoj koroziji. 3. Kristalna resetka ferita је manje ko·mpaktna od resetke austenita раје brzina difuzije hroma u njoj veca; prema tome do regeneracije treba da dode pre pocetka ko·rozij е. 4. U prisustvu ferita gustina izlucenih karblda tj. njihova kolicina, и odnosu na ukupnu povrsinu zrna feгita i austenita, је manja, posto је ukupna povrsina dveju faza zлatno veca. 5. Ako pojedini delovi granica austenitnih zrna шsu posednuti feritom, onda izluceni karbldi ne obrazuju neprekidnu mrezu ра се usled toga пapredovanje medukristalitne korozije Ьiti ograniceno.
1
1 i !
е)
Uticaj termicke i mehanicke obrade: 1. Termicka obrada zavarenih spojeva. Austenitni celik zagrejan iznad 750°С u stanju је da sporo, rastvara izlucene karblde, ра prema tome moze da se zadrzi austenitna struktura pri brzom hladenju sa ove tempe-
~~~~·,,;~;~~-,-,~t~"'':~~e~~~~~E~~~~:~~f~~~;~~f~!~~~~~~fJ~t'\~Nf~~~~~~~~}~~~~~is~~3~±з;i~~# vazduhu sprecava izlucivanje karbida. U ovom slucaju zavareni spoj postaje neosetljiv prema medukristalitnoj koroziji. 2. Mehanicka obrada. Dugotrajrю zadrzavanje austeпitnih celika preko 1 000 casova pri 650 do 700°С doprinosi regeneraciji strukture usled difuzije hroma i ugljenika. Prethodna hladna deformacija metala ubrzava proces regeneracije. Pri hladnoj deformaciji oblast sklonosti ka izlucivanju karbida se suzava. Prema podacima Viallea i Van den Boscha (14] oblast osetljivosti zarenog austenitnog celika ,prema medukristalitnoj koroziji karakterise se povrsinom АВС (sl. Х-26), а za hladno deformisani celik ova oblast ogranicena је krivama А' В' С • Prema tоше, mehanickom obradom trajanje regeneracije se Ьitno smanjuje. Na primer, pri 650°С period regeneracije za hladno deformisani metal pocinje posle zadrzavanja t/ - t 2 ', а za zareni metal ovaj period је mnogo duzi: t, - t 2 • Medutim, ovakva obrada је efikasna samo u slucaju ravnomernog hladnog kovanja. U saglasnosti sa ranije prikazanim metalurskim pregledom moze se izvuci nekoliko zakljucaka za izbor celika zavarljivih i otpornih prema koro·ziji: 1. Pri izboru osnovnog materijala za zavarivanje treba se orijentisati na austenitne celike sa niskim sadrzajem ugljenika (manjim od 0,03°/о) ili na celike stabllizirane titanom ili niobljumoш. 1
ZA V ARLJIVOST CELIKA
282
2. Elektrode treba da obezbede rastopljeni dodatni materijal sa veoma niskim sadrzajem ugljenika (С ~ 0,05°/о), ili rastopljeni dodatni materijal stablliziran niobljumom. 3. Vecu prednost treba dati elektrodama koje obezbed:uju sto vise sadrzaj hroma u rastopljenom dodatnoш materijalu, koji jos dozvoljava obrazovanje izvesnog procenta ferita da bi se iz.begla pojava prslina. Vec је Ьilo spomenuto da povisenje koncentracije hroma dozvo1java da se poveca sadrzaj uglj enika u celiku, bez opasnosti da se povisi sklonost ka izlucivanju karbida. в' в с:
ф
Е
...
ф
:>о
Sl. Х-26 Uticaj hladne deformacije na osetljivost prema medukristalitnoj koroziji (celika tipa 18 Cr-8 Ni), (prema Vialle i Van den Bosch)
4. Za zavarivanje treba Ьirati takve elektrode koje daju rastopljeni dodatni materijal sa sto nizim sadrzajem nikla (prirodno, u skladu sa vrstom zavarivanog celika). Povecanje koncentracije nikla treba kompenzovati smanjenjem sadrzaja ugljenika da bi se izЪeglo izlucivanje karblda. 5. Ako nisu postavljeni nikakvi posebni uslovi preporucuje se da se zavarivanje izvodi elektrodama, koje obezbed:uju u rastopljenom dodatnom materijalu 2,5 do 3°/о moliЬdena; ovaj element povisava jednovremeno koro·zionu postoja.1'1ost i vatrostalnost austenitnih celika. 6. Pr~porucljivije је primenjivati elektrode Ciji rastopljeni dodatni materijal odgovara celiku tipa 20 Cr-10 Ni sa ili bez takvih elemenata, kao sto su moliЬden i ,niobljum; takve elektrode su pozeljnije s tacke gledista korozione postojanosti materijala sava, jer su elektrode klasicnog tjjpa 18 Cr-8 Ni na ivici oЪlasti у i а + у.
283
ZAV ARLJIVOST AUSTENITNIH HROM-NIKLOVIH CELIKA
111- OBRAZOVANJE SIGMA-FAZE
Pri razmatranju dijagrama stanja sistema Fe- Cr (sl. Х-1) vec Је Ьilo ukazano na postojanje a-faze pri ekviatomnom hemijskom sastavu zeleza i hroma. Ovo tvrdo i krto intermetalidno jedinjenje predstavlja jedan od uzroka povisene krtosti visokohromnih legura, ka:o i austenitnih celika na bazi zelezo + nikl + hrom. U daljem izlaganju proucavacemo uslove obrazovanja i fizicke osoЬine ove nove faze. Najpre treba ukazati da је ova faza bila vec otkrivena i pri proucavanju razlicitih drugih legura, koje predstavljaju binarne sisteme prelaznih metala prve, duze periode Mendeljejeve taЬlice: zelezo-vanadijum, nikl-vanadijum, kobalt-hrom, lюbalt-moliЬden, mangan-hrom, mangan-vanadijum, а takode u trojnim sistemima: zelezo-nikl-hrom, nikl-hrom-moliЬden. S druge strane u nikl-hrom legurama do danasnjeg vremena nije otkrivena a-faza. Iz velikog broja r·adova, posvecenih a-fazi, treba pre svega spomenuti rad G. Ротеуа [15], koji veoma iscrpno obraduje ovo pitanje. U daljem izlaganju autor се se cesto pozivati na ovu puЬlikaciju. OЬlast a-faze na dijagramu zelezo·-hrom prvi put је Ьila tacnije odredena od strane А. Cooka i F. Jonesa [16] 1943. godine; ро njima, temperatura maksimalne postojanosti ove faze pri 47°/о Cr, iznosi 820°С. Pri 600°С postoje oЬlasti razlicitih faza, koje imaju sledece koncentracione granice: ."~ ;. c,:;,.,;;_;:";~:::.;;:;"~c.;;._:;~'"'-:;::2~:o::l~~Qm:a-~.~д.N'.Qfaznд:,.Q:}?],9:§l;.;gc:!!~':Jl~:;;:"'·~"';.~;,",;'2,'·~;;. ,,~-;c.c::~"E:~."'""""~"""~"'":"'"~""'~--;,,"."'~·;:i:".;;;;;~~
41 do 50 do
50°/о 71°/о
hroma za jedno·faznu oЬlast а hroma za dvofaznu oЬlast а + 1
850
о
а-+ о
• ()
о-+ а
. .... .• • • •• 1
о-+а+о
о
oa-+ato
во о
.......
о
u' -
-·
D
<1--i-a
о
._
750
Q) а.
Е
Q)
.....
700
L
650 L-.o 30
v
,
/
а:
8~.В-3~~
• 11 о ;1-§~ о ~ •
а-+ о
о
.3
а.
~·/
о 1
8
о
с
:
о--<>~-о-о о
1
1
о
о
о
о
о
v
""
~ о
с
Ј
Q----(r()--()--{)>-
a+rJ 35
40
10~0 45
"(" 55
50
Ј
60
А tomn/ sodrioj hroma (%)
Sl.
Х-27
-
Dijagram stanja sistema zelezo-hrom
и
oblasti a-faze
'<
ZA VARLJIVOST CELIKA
284
G. Pomey (sl. Х-27) је u svome radu utvrdio koncentracione intervale a-faze pri 650°С: 42,88°/о d. 50,58°/о Cr; ova faza transformise se u a-fazu pri 825°С sa veoma malom brzinom. Nepreciznost dijagrama stanja sistema Fe- Cr ispod 600°С objasnjava se vrlo malom brzinom transformacije а -+ а. Isto tako pri 800°С ova reakcija se odvija tako sporo, da su uslovi transformacije а -+ а do danasnjeg dana ostali nerazjasnjeni. Goldschmidt [17] pretpostavlja da se maksimalna brzina transformacije а -+а nalazi oko temperature 720°С. Kinetiku izotermne transformacije a-faze izucavali su Bastien i Pomey [18] (sl. Х-28а). Pri 750°С transfomacija nastaje vec posle desetak minuta, а pri 820°С kraj transformacije se zapaza tek posle sto casova. S druge strane, brzina transformacije ·а -+ а pri 820°С jos је veoma mala, а zatim brzo raste sa snizenjem temperature i maksimalna је pri 740°С (sl. Х-28Ь). Brzlno translormacije (ijt cosovaJ
10
''
Ј
0,1
0,01
а)
Ь)
1000
-- - . -0,1
10
100
Т rajanje zadriavanja (h)
Sl.
1000 0,01
0,1 10 Brzlna transf (1 t ёаs)
Х-28
Kinetika izotermnih transformacija legure sa 46,5% hroma (prema Р. Bastien i G. Pomey) Sl. Х-28а- Krive izotermnog razlaganja. Sl. Х-28Ь - Srednje bтzine transformacije.
(pune linije : a-faza и
А)
и zarenim uzorcima; isprekidane linije hladno deformisanim uzorcima)
a-faza
Fizicke osoblne sigm,a-faze
a-faza је znatno tvrda od pocetnog ferita. Ferit u leguri, koja sadrzi 48°/о Cr, ima tvrdocu od 250 Vikersa (97 HRB) а posle transformacije а -t а tvrdoca dostize 900 Vikersa (67 HRC). Na sl. Х-29 ucrtana је kriva promene tvrdoce u procesu strukturnih transformacija pri razlicitim temperaturama (prema rezultatima Pomeya):
ZAVARLJIVOST AUSTENITNIH HROM-NIKLOVIH CELIKA
285
- pri 820°С (kriva 1) a-faza је stabllna i tvrdoca legure iznosi oko 260 Vikersa. Ova vrednost tvrdoce ostaje konstantna, nezavisno od trajanja zadrzavanja; - pri 800°С (kriva 2) tvrdoca legure se povecava sa napredovanjem transformacije а ~а i dostize maksimum od 850 Vikersa (66 HRC) ,posle zadrzavanja od 300 casova; - pri 780°С (kriva 3), kada transformacija а --t а protice za 20 casova, tvrdoca dostize relativno brzo maksimlnu vrednost; Sastojak a-faza im:a vecu gustinu (ga = 7 .600) od pocetnog ferita. 1000
f
1
i
0
8'
(ј
/~
,1
:/
---
® ~
zadriavan/e prl 820 "С
0
zadriavanje prl 780°С
zadriavanJe prl
800°С
а
1
250
100
200
300
400
500
Sl. Х-29 Promena tvrdoce legure sistema Fe-Or sa sadrzajem 49,7% hroma kao rezultat strukturnih transformacija ("sigmatizacija") pri razlicitim temperaturama .i u zavi,snosti od trajanja (prema G. Pomey) В)
)
1
Sigma-faza u legurama zelezo-hrom-nikl
Da Ьi se bolje razumela transfor1nacija а --t а u austenitnim celicima, neophodno је razmotriti trojni dijagram zelezo-nikl-hrom, pri razlicitim temperaturama: - pri 1100°С obrazuju se samo tri stabilne strukturne oЬlasti (sl. Х-30): a-faza na straпi bogatijoj hromom (feritni celik); y-faza na strani bogatijoj niklom (austenitni celik) i dvofazna oЬlast а + у izmedu dveju jednofaznih oЬlasti (austenitno~feritni celik). Uvodenje cetvrtog alfagenog elementa (Ti, Nb, Мо, V, itd.) pomera granice svih faznih oЬlasti nanize (ka strani trougla "zelezo nikl"), sireci time feritnu oЬlast. Nasuprot, dodavanje gamagenog elementa pomera krive navise, sireci austenitnu oЬlast. Pri temperaturi 800°С, na tгojnom dijagramu (sl. Х-31) opazaju se sledece faze:
ZAVARLJIVOST CELIKA
286
jedna a-faza' obogacena zelezom, i drufa a-faza obogacena hromom; y-faza, obogacena niklom; a-faza oko dvojnog sistema zelezo-hrom pri 50 do 60°/о Cr. Pri 600°С na dijagramu se opazaju iste ove faze pri neznat.nom pomeranju njihovih granica u poтedenju sa prethodnim dijagramom. Cr
Cr
60
80
Ni
% Sl.
Х-30
Trojni dijagram sistema zelezo-hrom-nikl pri 1100°С
Sl.
Х-31
Trojni dijagram sistema zelezo-hrom-nikl pri 800°С
..
.,;i'~ ·;.c~~~~~~"~~~"'"':Ь~вi'i~~~~It'fШ3.''~'tЂtRS:f(jffi'fй~i]'e~~-~"'t"'i~'r;c':::"';oJ~~tli)e~pon1Fa]'hfo·,,ai]'~g.:ч~ ~~"'"c~.'c'· 7
i1j .
'јl
:amv_trojnog _sistema pri __ 1100°С sa dijagramom pri 800°С (sl. Х-32) i
IZVrSimo ana!Izu novog dl]agrama.
.•..l'r1·.·
',
Cr 11.... !1!
,. ~
/
1i
!. 11
:jl f· . ·.:.·.:jf 1
. !1/
il
Fe
11
20
N;
j1
I I 1(
1!f ftJ
1
1111!'.. ;;,;,
Hilllh
Sl. Х-32 -
Tumacenje transformacije а-+ а i у-+ а
а) Feтitni Celik. Nastajanje
i
sirenje oblasti a-faze ka strani nizih koncentracij а hroma kad se prelazi od 1 100°С na 800°С pokazuje da се se a-faza lako obrazovati u feritnim celicima i to pri relativno niskim temperaturama. Ь) Austenitni celik је predstavljen tackom А pri 1 100°С (na dijagramu .sl. Х-32). Pri 800°С austenit, Ьogatiji hromom od maticnog .rastvora, doprinosi obrazovanju neznatne kolicine a-faze . Ako u procesu hladenj а hrom difunduje u granice austenitnih zrna, usled cega u nekim mikrozapreminama njegova koncentracij а skoro dvostruko premasa koncentraciju hroma u maticnom cvrstom rastvo.ru, u ovim zapre-
287
ZAVARLJIVOST AUSTENITNIH HROM-NIKLOVIH CELIKA
minama
се
se
oЪrazovati
a-faza, istina, sa veoma malom brzinom.
с)
Austenitno-feritni celik. Pretpostavimo da hemijski sastav dvofaznog (а+ у) celika odgovara tacki в u dvofaznoj oblasti pri temperaturi 1 100°С (sl. Х-32). Pri 800°С legura се imati strukturu а + у. Sigmafaza је nesto bogatija hromom od maticnog ferita, а novooЪrazovani austenit је Ъogatiji niklom od maticnog austenita. Ovaj austenitno-feritni celik pretrpece fazu transformaciju ako se zadrzava na 800°С, kada se s jedne strane obrazuje a-faza iz ferita do potpuno njegovog nestajanja, а s druge strane se obrazuju nova zrna austenita obogacena нiklom. Iz razmatranja dijagrama sledi da se a-faza mo·ze vrlo lako obrazovati iz a-faze cak i pri relativno niskim koncentracijama hroma. Za dvofazne legure najkarakteristicnija је fazna transformacija а---+ 9, koja је pracena obogacenjem austenita niklom. Obrazovanje a-faze iz y-faze protice znatno manjom brzinom i u vecini slucajeva za odvijanje ove transformacije potrebno је lokalno obogacenje mikrozapremina hromom, putera difuzije (sl. Х-33).
1
i
ој ј
ј Sl. Х-33 U = 1 000 Mikrostruktura celika tipa 25 Cr-20 Ni. Zagrevanje na 825°С u toku 400 h. Vide se kristali a-faze obrazovani pri transformaciji у-* а (mikrografija iz radova G. Pomey). Nagrizanje rastvorom glicerina u carskoj vodi
Transformacij а а + у u у + а ј е reverziЬilna. U stvari, ako se celik sa dvofaznom strukturom у + а zagreje sa 800° do 1100°С, onda se a-faza brzo transformise u ferit istog hemijskog sastava; ako је trajanje zadrzavanja pri temperaturi zagrevanja veliko, onda se opaza homogenizacija austenita i ferita. Ovo objasnjava mogucnost pojave intermedijarnog fe-
Ј
!&
288
ZA V ARLJIVOST CELIKA
rita u procesu razlaganja a-faze pri visokotemperatumom zagrevanju austeni tnih celika. Na proces obrazovanja a-faze uticu sledeci faktori: а) Alfageni legirajuci elementi (Si, Al, Ti, Мо, Nb) doprinose obrazovanju a-faze obogacene hromom i olaksavaju transformaciju a-faze usled prisustva ferita. Ь) Elementi koji obrazuju karЬide. Ako legirajuci elementi, koji se dodaju celiku, obrazuju karbide (Ti, Nb, Zr), onda se obrazovanje karЬi da hroma izbegava. Pri tome tacka na dijagramu, koja odgovara hemijskom sastavu legure, pomera se ka strani povisenih koncentarija hroma, sto olaksava obrazovanje a-faze. Najpouzdanije sredstvo za sprecavanje oЪrazovanja a-faze је povecanje koncentracije nikla, posto је prakticno nemoguce smanjiti koncentraciju hroma iz razloga korozione postojanosti i suprotstavljanja oksidaciji. Na primer, celika tipa 25 Cr-20 Ni moze se zameniti celikom tipa 23 Cr-28 Ni, koji nije sklon obrazovanju a-faze. Isto tako, celik sa povisenim sadrzajem nikla tipa 16 Cr-13 Ni moze uspesno da zameni klasicni celik tipa 18 Cr-8 Ni. Medutim, pri z.avarivanju, ovi cisto austenitni celici su vise sklon:i pojavi prslina nego dvofazni celici, kao sto је to vec ranij е Ьilo naglaseno. с) Heterogenost razlicitih sarzi livenih celika moze da bude uzrok transformacije а ~ а, koja protice tim brze ukoliko је a-faza bogatija hromom. Na obrazovanje a-faze mogu uticati i drugi faktori. .. . ...... .. ......
. ....... .. . d) J?re?:?§j~-nQ
.
'···=~"~""·~'==~-aw=-a1YVN!WCl'03'hlmta]anja~i1~raze'~c•aк"..i~n~ususfVu"'a~faze~~3,, 5"2-:;-q_'""''-=""'~'"2'~"'"'~~,.,,_"C"'"''"'''~·"··:..·o;••"":c
е) Velicine zrna uticu na karakter izlucivanja a-faze. Ako legura ima sitnozrnu strukturu, a-faza se izlucuje ро granicama zrna; postoje mnogobrojne nakupine bez medusobne veze; takva је struktura najmanje sklona krtosti. U legurama sa krupnozrnom strukturom, migracija a-faze ро oЬimu zrna је otezana, ра se ona skuplja ро duzim stranicama; ovim se objasnjava njen dominantni uticaj na medukristalitnu krtost. f) Uticaj zagтevanja u oЬlasti kriticnih temperatura takode ima veliki znacaj. Povisenje temperature u ovoj oЬlasti doprinosi ubrzanju difuzije elemenata. ра prema tome, jednovremeno i povecanju kolicine izlucene a-faze (sl. Х-34).
g) Intenzivna hladna deformacija metala olaksava izlucivanje a-faze.
h) Pojava zamora pri povisenim temperaturama ili, na primer, puzanje, olaksavaju obrazovanje a-faze; ali u isto vreme se otpornost prema puzanju celika 18 Cr-8 Ni-Nb, postojanjem a-faze povisava ako se ona javlja u obliku sitnih cestica jer Ьlokira granice zrna. Ova se pojava moze javiti pri srednjim temperaturama, nizim od 600°С i za ograniceno vreme. i) Pojava krtosti hromnih feritnih celika pri 475° С - cak i onih sa 13°/о pri veoma dugom zadrzavanju па ovoj temperaturi, mogla Ьi se objasniti izlucivanje a-faze, iako ovaj strukturni sastojak nikad nije otkriven metalografskim posmatranjem. ·
ZAV ARLJIVOST AUSTENITNIH HROM-NIKLOVIH CELIKA
289
Sl. Х-34 :,U = 1 000 Mikrostrиktиra celika tipa 25 Cr-20 Ni. Zagrevanje na 825°С и tokи 400 h. U aиstenit noj osnovi svetli kristali karblda; a-faza se vidi и oЬlikи obojenih kristala i iglica (mikrografija iz radova G. Pomey). Nagrizanje rastvoorom glicerina и carskoj vodi. Hemijski sastav osnove: 600/oFe-19°/()Cr-22()/oNi; sastav и Ьlizini a-faze: 65°/oFe-10°/oCr-25°/oNi.
Podvlacili smo cinjenicu da su medukristalitno' izlucivanje karbida i pojava a-faze dve vrlo razlicite pojave. Krtost, izazvana a-fazom, ispoljava se u temperatumom intervalu 650 do 800°С i zavisi uglavnom od duzine zadrzavanja pri ovim temperaturama. Kriticna temperatura, tj. temperatura koja odgovara maksimalnoj brzini transformacije а -+ а, iznosi oko 720°С. Krtost se moze ograniciti pri niskoj kolic;ini a-faze (2 do 3°/о) i kada a-faza ne obrazaje mrezu ро granicama austenitnih zma (sl. Х-35). Nasuprot, udarna zilavost se brzo smanjuje kada kolicina ferita premasa 12°/о. Ispitivanje krtosti [19] zavarenih savova, izazvane transformacijom a-+d, prikazano је na sl. Х-36. Izradeno је pet epruveta sa razlicitim sadrzajem Sl. Х-35 - U = 1 700 - Mikrostruktиra celika tipa 20 Cr-10 Ni ferita (od 3 do 12°/о а) u rastopljenom sa 30/о o-ferita. Elektrolitsko nadodatnom materijalu, elektrodama tipa grizanje и oksalnoj kiselini 19 Metalurgija zavarivanja
290
ZA V ARLJIVOST CELIKA
-........._
""' ---+--·-
4
~ "'loo
1
с
........
-
... ..
з
.,
Е
u
Е
\'
->< ...... ~ Vl
о
2
>
.g 'N
о с:
....
1
11
·r--.~,0
о
-о
.:Ј
~
.с
..
•• ..
~,
Cl.
~
.,
-~
,.
'о
""'
'
г
'~·~., ·-
1
~·
..
'·
~." • . .о,оо ..
r-.a..
' .'·, .
с
i'•;-- ...
980°С
-
.................
а
-
11
о
1
i
f
1 1
l.
2
Sl. Х-37 - и = 1 600 - I.Iikrostruktura sava izvrserюg austenitnom elektrodoш tipa 25 Cr - 20 Ni (С = 0,100/о). Zagrevamje na 780°С u toku 100 h. U osnovi austenitnih zrna vidi se nekoliko iglica a-faze i svetli kristali karblda. Nagrizanje rastvorom glicer.ina u carskoj vodi
4
8 SadriaJ ~-ferlta (Ofo)
6
10
12
Sl. Х-38 - и= 1 600 - Mikrostruktura sava sa slike Х-37. Zagrevanje · na 780°С u toku 500 h. Struktura a-faze је kompaktnija i razvijenija. Nagrizanje rastvorom glicerina u carskoj vodi
ZAVARLJIVOST AUSTENITNIH HROM-NIKLOVIH CELIKA
291
20 Cr-10 Ni-1Nb. Eprиvete sи Ьile podvrgnиte aиstenitizaciji pri razlicitim temperaturama u intervalи izmedu 980 i 1100°С и ciljи rastvaranja karЬida, а zatim sи bile izlozene procesu иvecanja krtosti pri 730°С и tokи 300 casova. Iz rezиltata ispitivanja (sl. Х-36) izvиcen је sledeci zakljиcak: - povisenje temperatиre austenitizacije ima pozitivan uticaj pri bilo koj em sadrzaj u feri ta; - иdarna zilavost ravno,merno se smanjuje sa povecanjem sadrzaja ferita. Uticaj vremena zadrzavanja na transformacijи у -+ а и zavarenim savovima moze se pratiti na primeru dvejи mikrostrиktura (sl. Х-37 i Х-38), koje su иzete iz tekucih istrazivanja raznorodnih spojeva zavarenih elektrodama, koje obez.bedujи doЬijanje vatrostalnog rastopljenog dodatnog materijala tipa 25 Cr-20 Ni. Zadrzavanje и tokи 100 casova pri 780°С dovodi do nastajanja iglica a-faze (sl. Х-37). Povecanje vremena z.adrzavanja do 500 casova pri istoj temperaturi d6prinosi razvoju iglicaste strukture i intenzivnijem izluCivanju a-faze (sl. Х-38). Transformacija у -t а moze se objasniti hemijskom heterogenoscи materijala sava, pri ce·mu se u zonama najbogatijim hromom stvarajи zaceci a-faze.
IV- TEHNOLOGIJA ZAVARIVANJA AUSTENITNIH CELIKA
,;~,;.с;.~:; ~; ;,;...с.;,:;.;,~.,:.,.;;~~;~=';~;.~~с,:;;;;";;:.,;.;;~~;.=="'·~··•····•'••=.,...s·=-..;,"""'""~"'""""""~'-"'~""".:;·''-"Е•~'"''""'-":е-З•с<•сс·.iЕ>С'"'"'"''''~·.,~"''ЗС'.'' ~ ;,~z;,_·,·cc.o·o~.oz•=•~o.·~•E••~~!:"'''CC:;E':.'T•"."'!';;~ -spaJanie •· ..
·=~-~--
·-------а
,..,, .
ne:rda]ucihceiiКa mogu--:.se--кoriSfitГsvГpostupcfzavari::.
vanja: - oksiacetilenski postupak, koji se uglavnom primenjиje za zavarivanje limova malih deЬljina (d < 3 mm); ovaj postupak zahteva upotrebu specijalnog topitelja; - postupak elektrolиcnog zavarivanja oЬlozenim elektrodama za spajanje metala Ьilo kojih deЬljina; -· postиpak elektrolиcnog z.avarivanja u zastitnoj atmosferi argona priщ~njиje se иglavnom za izradu zavareЩh spo~eva malih i srednjih debljjpa; prednost је и tome sto primena topitelja pri ovom postиpku zavarivanja nije potrebna; - postupak zavarivanja atomizovanjem vodonika, koji se u poslednje vreme relativiю ma1o koristi, ne zahteva primenи topitelja; ·-· postн.pak zavarivanja elektricnim otporom; da Ьi se sprecilo nas,.. tajanje pojava и vezi sa medukristalitnim izlиcivanjem karЬida zavariva.nje treba izvoditi sa kratkim rezimima topljenja i hladenja. А)
Oksiacetilensko zavarivanje
S prakticne tacke gledista, najveca teskoca koja se javlja pri oksiacetilenskom zavarivanjи ovih celika је oЪrazovanje teskotopljivog oksida hroma; ovo uslovljava neophodnost brizljivog regиlisanja plamena 19*
ZA V ARLJIVOST CELIKA
292
za zavarivanje i primenu, u toku zavarivanja, topitelja sposobnog da prevede u trosku obrazovani oksid. Nize је dat sastav jednog topitelja na bazi kalcijum-fluorida, koji se primenjuje pri oksiacetilenskom zavarivanju austenitnih hrom-niklovih celika [20]: kalcijum-fluorid 10°/о anhidrid borne kiseline ........................ 25°/о kalcijum-karbonat ............................. 25°/о natrijum silikat-vodeno stak1o, (35° Ве) ........ 40°/о Celik deЬljine do 2 mm zavaruje se bez zakosenja ivica, а iznad 3 mm sa zakosenjem ivica pod uglom od 45° (ugao otvora zleba 90°). Usled povisenog koeficijenta toplotnog sirenja .austenitnih celika, pripajanje ovih limova se mora izvoditi sa posebnom paznjom; pripoje treba izvrsiti na manjim rastojanjima i nesto јасе, nego sto је to slucaj u obicnih celika. Primenjeni dodatni materijal mora Ьiti hemijski homogen; medutim, preporucнje se primena dodatnog materijala bogatijeg legirajucim elementima, da Ьi se kompenzirao njihov gubitak usled oksidacije. В)
Elektrolucno zavarivanje
Elektrolucno zavarivanje austenitnih celika ne stvara nikakve tehnoloske teskoce. Ovim postupkom se moze zavarivati celik Ьilo kojih deЬljina.
ро
Izbor elektrode uglavnom zavisi od krajnje namene zavarenog spoja; pravilu, treba teziti da se dobije hemijski homogen zavareni spoj.
:оч ;:;,,___ ,~~~-~"~~:~:~,;;~=·.;;,~1\ifii-~~bllaёist-akћuto~~"da§:j-e:;;бisto~austenitni~~rastoplj eni"dodatfli;mi~".:;::~-:-~ :~;:;;;1;
·
terijal vise sklon pojavi prslina, ра se stoga preporucuje, ako to dozvoljavaju postojeCi uslovi, primena elekt~oda, koje daju rastopljeni dodatni materijal sa 5 do 8°/о sadrzaja ferita. Primena elektroda bazicnog tipa povezana је sa nekim tehnoloskim teskocama i iziskuje zavarivanje jednosmernom strujom. Medutim, ove elektrode omogucavaju da se sa vecom sigurnoscu doЪije rastopljeni dodatni materijal trazenog hemijskog sastava i, posebno, omogucavaju da se ogranici sadrzaj silicijuma. Elektrode sa ferolegurama u oЬlozi omogucavaju da se kompenzira oksidacija potrebnih elemenata, а takode da se legira rastopljeni dodatni materijal. S druge strane, bazicne troske, doЬijene iz oЬloga bazicnog tipa, efikasno prevode u trosku oksid hroma. Izbor elekroda odreduj'e se prema nameni zavarenog spoj а: а) ako se postavlja zahtev da zavareni s;poj bude otporan prema hemijskoj koroziji, tada osnovni materijal treba birati tako da sadrzi vrlo nisku ko1icinu ugljenika (С< 0,03°/о) ili da bude staЬilizovan nioЬi jumom ili titanom. Sastav elektrode treba da bude istog tipa kao osnovni materijal, ili jos bolje, stabilizovan niobljumom. StaЬilizacija dodatnog materijala titanom је necelishodna usled njegove lake oksidacije u elektricnom luku. Rastopljeni dodatni materijal treba da ima dvofaznu strukturu sa malo ferita (5 do 10°/о o-ferita); feritna faza пе utice negativno na hemij sku korozij u.
ZA V ARLJIVOST А USTENITNIH HROM-NIKLOVIH CELIKA
293
Ь) ako zavareni komadi treba da se suprotstave dejstvu visokih temperatura, kao na primer, u slucaju pregrejaca pare, izmenjivaca toplote, onda materijal sava treba staЬilizovati, sa niskim sadrzajem feritne faze (2 do 4°/о о), kako bi se sprecilo obrazovanje a-faze u toku eksploatacije ove opreme u oЬlasti kriticnih temperatura; с) ako su elektrode predvidene za zavarivanje zakaljivih feritnih celika ili platiranih celika (zavarivanje raznorodnih metala), to је pre svega, neopho·dno preduzeti mere da se spreci pojava prslina, jer se ovde vise ne javlja pojava medukristalitnih izlucevina i obrazovanja a-faze. Shodno tome, elektroda treba da obezbedi dvofazni rastopljeni dodatni materijal u kojem је dopusten sadrzaj ferita do 10°/о; pri svem tom neophodno је ograniciti u rastopljenom dodatnom materijalu sadrzaj ugljenika (С manji ili jednak 0,06°/о). Pri elektro1ucnom zavarivanju nerdajucih celika neophodna је vrlo brizljiva priprema ivica limova.; oblik zleba zavisi od deЬljine zavarivanih limova. С)
Zavarivanje u zastitnoj atmosferi argona
Pri ovom postupku zavarivanja, argon kao inertni gas, stiti rastopljen metal od oksidacije legirajucih elemenata, posebno hroma, usled cega otpada primena specijalnih topitelja. Drugo preimucstvo ovog postupka је visoka proiz.vodnost. U tablici Х-9 dati su parametri rucnog zavarivanja celika 18 Cr 8 Ni topljivim i netopljivim volframovim elektrodama u funkciji deЬljine zavarivanih limova а za razlicite polozaje zavarivanja. U slucaju zavarivanja toplji. ·· · iz neizrazaja pri zavarivanju limova deЬljine vece od 4 mm.. Pri tome se kao dodatni materijal koristi zica precnika 1,2 do 1,6 mm [21]. D) Zavarivanje atomizovanjem vodonika Ovaj postupak је bio koriscen za zavarivanje tankih limova iz nerdajuceg celika pri cemu se priprema limova vrsi povrtanjem ivica. u izvesnim prinudnim polozajima zavarivanja postupkom atomizovanjem vodonika, neophodna је primena specijalnog topitelja. Posle pojave postupka elektrolucnog zavarivanja u zastitnoj atmos-. feri argona, zavarivanje atomizovanjem vodonika nerdajucih celika је skoro potpuno napusteno. Е)
Zavarivanje elektricnim otporom
Pri zavarivanju nerdajucih celika ovim postupkom ne nastaju nikakve tehnoloske teskoce. Za zavarivanje nerdajucih celika primenjuju se prakticno sve podvrste zavarivanja elektricnim otporom (tackasto, savno i suceono). Ј edini faktor koji n~povoljno utice na metalurske procese pri ovom postupku zavarivanja, jeste izluCivanje karbida - hroma usled vise ili
1r ~-,--
-
1{ 1~;
~:
lii
1:1r
ј\' ~
llr (1 lii
ф
:jl
~
liJi
i,: ~
1
р
11~
Suceoni sav
Preklopni ugaoni sav
!\!1\lt
Sav na uglu (spoljni ugaoni sav)
\!
-
Ugaoni sav (unutrasnji ugaoni sav)
j!fi
Deb. ljina lima (mm)
0,6 0,8 1 1,5 2
.
з
4 6 12
Inten- Precnik Precnik zitet elek- dodatne struje trode zice (А) (mm) (mm) 2З-ЗО
40 70 90 100 125 175 з оо
400
lima
Inten- Precnik Prechrk zitet elek- dodatne struje trode zi9;e (А) (mm) ili, "'
DeЬljina
1
lima
Intenzitet struje
(mm)
(А)
1
(mm)
-
1,2 1,2 1,6 1,6 1,6 2,5 2,5 3,2 4
cmw1
Precnik Precnik elek- dodatne trode zice (mm) (mm)
DeЫjina
Intenzitet struje
lima (mm)
1
Precnik Precnik elek- dodatne trode zice (mm) (mm)
(А)
1
1
1,5 2 з
4 6
{
з
4 6 12
80 110 115 140 195
1,6 1,6 1,6 2,5 2,5
З25
З,2
425
4
1!!.1
4 1/min do 2 mm deЬljine; 5 1/min do 6 mm deЬljine; 6 1/min iznad 10 mm deЬljine lima.
70 90 100 125
1
1,5 2
1~5
1
t"' "-4 ......
>-3
11!:!')
11i5 2\(,i 2!tliijil ';ј) 41111 6\lii1''
::0
rл
1[1'
1 1,5 2
N
:> < :>
< о
li;i;
--·-··-·····------
Potrosnj а .argona:
DeЫjina
з
1
1
4 5 12
!
1
1,6 1,6 1,6 2,5
1 1,5 2 2
з
4 6 12
1 1 1
75 100 110 130 185 310 410
1,6 1,6 1,6 2,5 2,5
1,5 1,5 2
1
З,2
1,
4
4 6
з з
(') t.:r.:1
t"'
...... ~
:>
ZA V ARLJIVOST А USTENITNIH HROM-NIKLOVIH CELIKA
295
manje dugog dejstva termickog ciklusa zavarivanja na metal. Da Ьi se izbeglo izlucivanje karblda, neophodno је da se vrlo brizljivo regulise period pritiska elektroda i vreme propustanja struje, koje treba da bude znatno krace nego pri zavarivanju niskougljenicnih celika. Isto tako intenziteti. struje zavarivanja treba da budu nizi nego pri zavarivanju niskougljenicnih celika. Preporucuje se primena visih pritisaka usled povisene krutosti limova iz nerdajucih celika. Elekt~onsko upravljanje masinama za zavarivanje poseЪno је interesantno pri zavarivanju nerdajucih celika. Nerdajuci celici nemaju tacaka transformacije; makrostrukture zavarenih tacaka u nerdajucim celicima, za razliku od niskougljenicni celika, ne pokazuju zone transformacije. Ispitivanje makroiz.l>rusaka pos1e nagrizanja moze da pokaze difuziju elemenata u celiku ka periferiji zavarene tacke (s1. Х-39).
Sl. Х-39 - Makrostruktura zavarenog spoja austenitnog hrom-niklo·vog celika, izvrsenog tackastim zavarivanjem
BIBLIOGRAFIJ А [1] L. ColomЬier i Ј. Hochmann: Aciers inoxudaЬles et aciers refractaires (1955), Dunod, edit. Paris. [2] Р. Bastien i Ј. Dedieu: С. R. Acad. Sciences, 231 (1950), 862:. Metaux et Corrosion, 11 (1951), 423. [З] Н. Tielsche: Welding Journ. Suppl., vol. 30, 5 (1951), 209s; Welding Journ. Research. Suppl., 8 (1950), 361s. [4] С. А. Zapffe: Journ. Iron and Steel. Inst., 154 (1946), 123. [5] А. L. Schaejfler: Welding Journ. Suppl., 10 (1947), 601s. [6] R. D. Thomas: Metal Progress, 9 (1946), 474. [7] Р. Puzak, W. R. ApЪlett i W. S. Pellini: Welding Journ. Suppl., 1 (1956), 9s. [8] Е. С. Bain, Т. N. Aborn i Ј. Ј. Б. Rutherfort: Trans, Amer. Soc. Steel Treat, XXI (1933), 481. [9] Houdremont: Arch. fiir d. Eisenhiitt, 34 (1933), 187. [10] Р. Schafmeister: Arch. fiir d. Eisenhtitt (1936), 405; (1937), 13. [11] Р. Chevenard: Congres Iпtern. des Mines, de la Metall. et de Geologie appliquee (1935), 321. [12] Binder, Brown i Franks: Trans. А. S. М. (1942), 1301. [13] Sheridan i Kieffer: Trans. А. S. М. (1949), 1347.
296
ZA V ARLJIVOST CELIKA
[14] Ј. М. ViaПe i Van den Bosch: Meta:ux, vol. Х, 115 (1935). [15] G. Pomey: :Etude des aШages ~fer-chrome voisins de la composition equiatomique, PuЬlication IRSID, serie А, n° 117, nov. 1955. U ovoj publikaciji moze se naci oblmna ЫЬliografija о а -fazi. [16] А. Ј. Cook i F. W. Jones: Jouгn. lron and Steel Inst. (1943), 148. [17] Н. Ј. Goldschmidt: Research, 2 (1949), 243; 4 (1951), 343. [18] Р. Bastien i G. Ротеу: С. R. Acad. Sciences, 239 (1954), 1636. [19] А. М. Curran i А. W Rankin: Weld. Jour., 3 (1955), 205. L. К. Poole: Weld. Jour. Suppl., 32-8 (1953), 403s. А. L. Schaeffler: Trans. А. S. М., 42 (1950), 978. [20] А. Boutte: PuЬl. А 14, Centre d'infoNilation du Nickel, Paris. [21] R. Arnaud: Soud. et Tech. Conn, vol IV, 11-12 (1950), 259.
·-------
~-~~-
····~------ -~--
--~-- ---~
Glava XI
ZAVARLJIVOST NISKOLEGIRANIH CELIKA
I - UTICAJ GLAVNIН LEGIRAJUCIH ELEМENATA
Ugljenik је i u ceИcima ove vrste osnvni element koji odreduje njihovu pogodnost za zavarivanje. U s1ucaju feritnih celika он doprinosi Ьilo povisenju zakaljivosti ovih celika u zoнi pod uticajem toplote (prsline u zoni ispod navara), bilo obrazovan.ju karЬida pri termickoj obradi hrom-moliЬdenovih celika. enika na mehanicke karakteristike elektrolucno zavarenih U · Sadrzaj ugljenika u legiranim zavarljivim celicima treba da bude ogranicen; sadrzaj је retko veei od 0,25°/о. Pocev od izvesne odredene vrednosti sadrzaja ugljenika, kako cemo videti malo dalje, treba preduzeti specijalne mere predostr:oznosti da Ьi se umanjio stetan uticaj ovog elementa. Mangan је gamageni element, povisava zakaljivos:t celika, te njegov sadrzaj treba ograniciti, izuzev u nekim posebnim slucajevima kada presudno znacenje imaju povisena tvrdoca celika i otpoгnost prema habanju (austenitni celici sa 13/14°/о mangana). U zavarljivim celicima sadrzaj mangana retko prelazi 2'0/о. Osim toga, mangan је snazan dezoksidirajuci element i kao sastojak oЬlozenih elektroda ili sipki za zavarivanje doprinos:i svojim reakcijama sa tecnim metalom dezoksidaciji i legiranju materijala sava. Krive sa slike XI-1 prikazuju uticaj mangana na tvrdocu zone pregrevanja jednog sava i shodno tome, i na metalursku zavarljivost. Ovaj dijagram pokazuje da zakaljivost celika veoma brzo raste cak i pri malim koncentracijama mangana (1,25 do 1,5°/о), kada se sadriaj ugljenika u celiku )юveeava. Izraz za ekvivalentni ugljenik, koji su definisali neki autori,
(С]= С%+ Mn% 4
+ Si% 4
ZA V ARLJIVOST CELIKA
298
pokazuje, s tacke gledista metalurske zavarljivosti, da је uticaj mangana na zavarljivost celika cetiri puta slaЬiji od uticaja ugljenika. U slucaju celika sa povisenim sadrzajem mangana, u prisustvu ugljenika, treba uglavnom priЬeci predgrevanju kada vrednost ekvivalentnog ugljenika preMn lazi 0,45°/о. Odnos - - moze da bude i kriterijum za kvalitet celika а с
takode i kriterijum za njegovo ponasanje pri zavarivanju. Medutim, do
500
Uticoj mongono ........ а:!
~
400
а; с
·;:: а:! о
·u о
l? .....::.
300
юо '---.L.--~-JJ
о
0,10
0.30 0,20 Sadriat ugljeniko ( 0/ 0
о
40
)
Sl. XI-1 - Uticaj sadrzaja mangana u osnovnom materijalu na karakter transformacija pri elektrolucnom zavarivanju u zavisnosti od sadrzaj.a ugljenika
danas tacna vrednost ovog odnosa nije ustanovljena; moze se samo pretpostavljati da ona treba da bude bar jednaka 4, da Ьi mangan u potpunosti odigrao svoju ulogu. Silicijum, kao alfageni element, је snazno redukujuce sredstvo slicno manganu. Njegov sadrzaj u celiku treba da bude ogranicen, jer povecava sklonost materijala sava ka pojavi prslina. Sadrzaj silicijuma, koji se menja 11 zavisnosti od vrste celika, nacina proiz.vodnje, sadrzaja ugljenika i mangana, u konstrukcionih celika tre:ba da bude ogranicen na 0,15 do 0,30°/о. U istopljenom materijalu elektroda sadrzaj silicijuma шоzе da dostigne vrednost i 0,40 do 0,50°/о. Nikl, gamageni element, povisava zakaljivost kao i ugljenik i mangan. U niskoпgljenicnim celicima (С < 0,15°/о), pri odsustvu drugih legirajucih elemenata, dozvoljava se sadrzaj od 3 do 5°/о nikla, bez velikog dejstva na krtost materijala sava. Pri malim koncentracijama, nikl poboljsava deformacionu sposoЪnost materijala sava, usitnjava zrno i ,povoljno deluje na temperaturu prelaza u krto stanje.
с
-L_ ___________ ~------~---~----~---~----- --
ZAVARLJIVOST NISKOLEGIRANIH CELIKA
299
Celici sa sadrzajem 3,5°/о nikla koriste se za proizvodnju uredaja za krekovanje, koji rade pri veoma niskim temperaturama do -100°С, bez рој ave krtog loma. Uticaj nikla na tvrdocu zone pod uticajem toplote prikazan је na sl. XI-2. Uticaj nikla na mehanicke osoЬine metala manji је nego uticaj mangana; tako na primer pri koncentraciji ugljenika 0,25°/о, celik sa 1,25°/о mangana deluje kao celik sa 2,5°/о nikla (НВ = 300).
500 Uticaj nikfa
;:;:;· ~400 ф с:
·;:: CQ о
·u о
"Е h
::.
300
200
0,70
0,20 0,30 Sadriar uglien1ka ('10
0,40 )
Sl. XI-2 Uticaj sadrzaja nikla u osnovnom materijalu na karakter transformacija pri elektгolucnoш zavarivanju u zavisnosti od sadrzaja ugljenika
Hrom, kao alfageni element, u niskolegiranim konstrukcionim celicima udruzen је uglavnom sa dru.gim elementima, niklo,m, moliЬdenom. On povecava zakaljivost celika.
Losa osobina hroma, sa tacke gledista operativne zavarljivosti, sastoji se u obrazovanju teskotopljivog oksida hrom, koje pri oksiacetilenskom zavarivanju obavezno treba odstraniti pomocu specijalnog topitelja. Obzirom da је odstranjivanje oksida hroma olaksano prisustvom bazicne troske, to oblozene elektrode sa jezgrom iz hromnog celika treba proizvoditi sa oblogom bazicnog tipa. Ovaj legirajuci element ima sustinski uticaj na stepen zakaljivosti u zoni pod uticajem toplote za vreme zavarivanja (sl. XI-3). U slucaju celika sa 0,50°/о hroma i 0,15°/о ugljenika, tvrdoca u zoni pod uticajem toplote ispod navara prelazi 200 Brinela.
ZA V ARLJIVOST CELIKA
300 [!
~ !!
,,
'\ 1
!f
:н ј· :• Ј
:i
:ј
l!
Hrom se javlja kao obavezni legirajиci element и mnogobrojnim specijalnim celicima koji se primenjиjи u zavarenim konstrиkcijama, kao sto sи hrom-moliЬdenovi ce1ici, postojani na povisenim temperatиrama i otporni prema риzаnји, aиstenitni hrom-nikl celici, v:atrostalni celici sa visokim sadrzajem hroma (20 do 30°/о Cr) i nikl-hrom legиre. Zavarljivost hr:omnih celika, zbog njihovog indиstrijskog znacaja, proиcena је и posebnoj glavi.
li
,l '1
500
Uticoi hromo ;;400 Ј: .......
8 300 ~ ,. ..... о
SadriaJ ugljenika (Ofo)
Sl. XI-3 - Uticaj sadrzaja hroma u osnovnom materijalu na ka.гakter transformacija pr1 elektrolucnom zavarivanju u zavisnosti od sadrzaja ugljenika
11!
! 1 1 1
1
1!1 . . 1
lj' ~
l :· 1. '
11 11
:!:f
:! !~ )ч
' ·:·'1
:
MoliЬden povisava zakaljivost celika, te је stoga и иgljenicnih celika bogatih иgljenikom (25CD4, 35CD4) njegorv sadrzaj ogranicen na 0,25 do 0,35()/о. Cak i и malim lюncentracijama (0,50°/о) moliЬden povi.Sava vatrostalnost i otpornost .celika prema puzanjи. Sa ove tacke gledista, molibden је vazan legirajиci element и specija.lnim niskolegiranim celic:i\rna. Uticaj moliЬdena na tvrdocн zone pod uticajem toplote elektrolиcno zavarenih savova prikazan је na sl. XI-4. Moze se konstatovati, da vec ,pri sadrzajи 0,50°/о moliЬdena zakaljivost celika znatno raste а metalиrska zavarljivost celika se pogorsava. Usled toga, pri zavarivanjи moliЬdenovih celika neophodno је predvideti s,pecijalne mere predostroznosti. Vanadijum veoma brzo povi.Sava zakaljivost celika, te njegov sadrzaj treba da bude strogo ogranicen; njegov sadrzaj и celikи retko prelazi vrednost 0,1 do 0,2°/о. Vanadijиm se sve vise i vise иpotrebljava, naporedo sa molibdenom, za legiranje nekih na povisenim temperatиrama po·stojanih i vatrostalnih zavarljivih celika.
ZAVARLJIVOST NISKOLEGIRANIH CELIKA
301
Aluminijum је alfageni element i predstavlja snazno rеdиkијисе sredstvo vec pri veorma malim koncentracijama. Dezoksidacija celika aluminijиmom umanjиje stetan иticaj azota na starenje, Ьlagodareci obrazovanjи nitrida aluminijиma. Alиminijиm se nekim celicima dodaje и vecim kolicinama (0,5 do 1°/о) da bi im se obezbedila veca otpornost
500
Uticoi а) ::r:
moliЬdena
400
'-'
Q; r:: ·;: Q) о
-~
300
"'О
.... >
1-
too----~----~._
__.___.___
~--~--~----
0 0,10 0,20 0,30 0.40 .[ . ~i.~-."·.,;;~""-~"""';;_:,~+;~"'~~--=-=~--~--"''''"'"-~~~~",~",...~-·=---"·~-·- =··~-~~-"=··-·~Б.ocki_Qj_?ol!fJJWt~~(,.%)~-"''-""~·§="""·'"-"""",;.~,§~-~""~~-----""~'-"'";;:_~E-""'-"~-""'""'~zc"'6~~"-::::I]
Sl. XI-4 - Uticaj sadrzaja moliЬdena u osnovnom materijalu na ka.rakter tr.ansformacija pri elektrolucnom zavarivanju и zavisnosti od sadrzaja ugljenika
prema oksidaciji pri visokim temperaturama. U tom slисаји aluminijиm otezava zavarivanje иsled obrazovanja oksida aluminijuma. Alиminijиm ski celici se mogи zavariti samo upotrebom specijalnih topitelja pri oksiacetilenskom zavarivanjи ili primenom bazicnih elektroda pri elektrolиc nom zavarivanjи. U celicima koji sadrze alиminijum prisustvo sиmpora olaksava obrazovanje mehиrova i povecava sklonost ka pojavi prslina. Hoyt i nj egovi saradnici [1] sи pokazali, da prisustvo sиmpora и kolicini do 0,03°/о и celikи 25 CD 4 sa obicnim sadrzajem aluminijuma (Al 0,01 °/о), nema nikakvog иticaja na poroznost, dok иticaj postaje primetan kada sadrzaj alиminijuma prelazi 0,10°/о. Na sl. XI-5 prikazan је иticaj sищроrа na obrazovanje mehиrova и celikи sa razlicitim sadrzajem alиminijиma. Sklonost celika ka obrazovanjи mehиrova postaje veoma primetna pocev od 0,15°/о sadrzaja alиminijиma. U tom s1ucajи sadrzaj sиmpora treba da Ьиdе manji od 0,012°/о. Fosfor, predstavlja necistocи и celikи i olaksava ројаvи prslina, narocito и prisиstvи sиmpora. U nekim specijalnim celicima( celik Cor-
<
ZA V ARLJIVOST CELIKA
302
-Ten) (2] fosfor se javlja kao legirajuci elenient do koncentracija 0,15 do Veoma cesto udruzen sa hromom i bakrom, fosfor daje celiku poseban kvalitet · hemijske postojanosti prema koroziji izvesnih gasova, kao i vecu otpornost prema habanju. Elementi vagona za transport uglja ili koksa se sve vise i vise izтaduju iz fos1 fornog celika, koji је hemijski ,postoja401----+----+---+---+--- niji i щehanicki otporniji od obicnih niskougljenicnih celika. Ovi celici se veoma dobro zavaruju elektrodama bazicnog t.Lpa koje sadrze hroma i bakra. Bakar se. rastvara u celiku do 0,40°/о; preporucuje se da se ova granica ne prede kada se radi о celicima namenjenim za zavarene konstrukcije, buduci da ovaj element u slobo-dnom stanju, dakle pri lюncentracijama koje pre1aze 0,5°/о, povecava sklonost celika ka pojavi prslina. Pripisuje mu se osoSadriaj sumpora ( Ofc) Ьina da konstrukcionim celicima povecava otpornost prema koroziji u vodi. Sl. XI-5 - Uticaj dodatka alumiCelici Ас 54, koji se upotreЬljavaju za nijuma u prisustvu sumpora na ob- izradu konstrukcije javnih objekata razovaпje gasnih mehurova u hrom(mostova 1 dr.), sadrze 0,30 do 0,40°/о moliЬdenovtm celicima (tip 25 CD 4) bakra; oni se veoma dobro zavaruju elektrodama bazicnog tipa koje obezbeduju hemijs:ki sastav materijala sava analogan sastavu osnovnog materijala. _____________________________________________________ _ 0,20°/о.
нт+++-------_:_
~;;~t~~~~~~~~~~~~~~~~~~=~2!f~~ёs~~~~~s~~§~~~r~'~§~~~~~~-~·c-~·":~-~~~~="~~
П
-
ZA V ARLJIVOST ZAKALJIVIH CELIKA
Prethodna izlaganja pokazuju da legirajuci elementi, koji celicima daju visoke karakteristike, u isto vreme povisavaju njihovu zakaljivost i kao posledic~ toga, njihovu sklonost ka pojavi prslina. S druge strane, ustanovljeno Је da prisustvo vodonika moze, pod dej stvom nastalih lokalnih napona nastalih usled uklj estenj а, da bude uzrok krtih lomo·va zavarenih spojeva te se zbog toga za zavarivanje tih celika upotreЬljavaju niskovodonicne bazicne elektrode. Zbog poviSenja zakaljivosti nekih legiranih celika, pri zavarivanju treba koristiti dve mogucnosti: -
temperaturu predgrevanja;
-
primenu niskovodonicnih elektroda bazicnog tipa.
u krajnjem slucaju, kada је celik podlozan intenzivnom kaljenju, sto dovodi do obrazovanja krtih struktura u zoni pod uticajem toplote, gore ,preporucene mere postaju nedovoljne 1 zavarivanje takvih celika treba razmatrati s novog aspekta.
ZA V ARLJIVOST NISKOLEGIRANIH ёELIKA
303
lleterogeni savovi Samozakaljivi celici karakterisи se krajnje nepovoljnom metalиrskom zavarljivoscи, иsled povisene zakaljivosti i znatne dиblne prokaljivosti. Ispitivanje mikrostruktиre zavarenog spoja deЬljine 4 mm, izvrsenog oksiacetilenskim zavarivanjem pokazalo је, da zюna pod иticajem toplote
Sl. XI-6 _ Makrostruktura elektrolucno zavarer1og spoja samozakaljivog celika tipa Ni - Cr - Мо. Zone po·d uticajem toplote uz sam sav su prehladene (НВ = 400-420) и
to·m slucajи ima sirinи 30 mm sa оЬе strane od ose sava i 10 mm pri elektrolиcnom zavarivanjи (sl. XI-6). Tvrdoca metala zavarerюg spoja и zoni pod иticajem toplote sa martenzitnom strиktиrom (sl. XI-7), dobijenog oksiacetilenskim zavarivanjem, veca је od 500 Brinela (kriva I,
U spoj evima, dobij enim oksiacetilenskim zavarivanjem, primeceno је neznatno otpиstanje и temperaturnom intervalи А, А~ na rastojanju priЬ liZno 20 mm od materijala sava, sto se ogleda и snizenjи tvrdoce и toj zoni. Ispitivanje zavarljivosti samozakaljivih celika za oklope Ьilo је predиzeto jos 1937. god. Institиt za zavarivanje и Parizи razradio је и to vreme [3] metodи spajanja s prethodnim "oЪlaga njem" zavarivanih ivica (sl. XI-9). Ova Sl. XI-7 - U = 1 500 - Austenitno-martenzitna struktura pregrejane metoda se sastoji и elektrolиcnom nazone elektrolucno zav:arenog spoja varivanjи zavarivanih ivica zleba os(НВ = 475 Brinela). Hemijski sastav novnog materijala slojem nezakaljиju osnovnog materijala: С= 0,22; ceg celika (celik bez kri ticne tacke Ni = 4,3; Cr = 1,2; Мо= 0,32 transformacije), na primer, aиstenitrюg celika ili kojeg drugog metala - nikla ili monel-metala. Debljina ovog sloja treba da Ьиdе bar jednaka sirini zone pod uticajem toplote, kоји је lako иnapred odrediti.
·
ZA V ARLJIVOST CELIKA
304
Pre pocetka zavarivanja "oЬlozeni" komadi se podvrgњvaju termickoj obradi kako Ьi se odstranili tragovi strukturnih transformacija u zoni
600
500
,·i ф с ·;:
1 1 1
)
о
>
1
300
1
1-
f
1
i
i
IU
1
1 \ 1 1 1 1
·u о
/1
11
щ
"Е
,1
1
400
'
Ј 1
'~·.. ,
\/
1 1 1
1
200
1
' ------
40 Presek
Sl. XI-8 - Raspored mikrotvrdoce u zavarenom spoju samozakaljivog celiika sistema Ni Cr-Mo (С= 0,220fo; Ni = 4,30fo Cr = 1,20fo; Мо = 0,320/о). DeЬljina celika 4 mm
ispod navarenog sloja. Posle toga izvodi se zavarivanje u zlebu preko sloja za oЬlaganje, pri cemu rastopljeni dodatni materijal ima isti hemijski sastav, kao i metal upotreЬljen za "oЬlaganje" ivica zleba. Transformacije, koje nastaju tokom elektrolucnog zavarivanja, lokalizuju se u prethodno navarenom oЬloznom sloju, cime је izbegnuto kaljenje i porast krtosti osnovnog materijala. 1vice ileba .. oЬ/oiene" austenitnim mate"rijalom
Sl. XI-9 -
Elektrolucno zavarivanje metodom "oblaganja"
Metod "oЬlaganja" se takode sa uspehom primenjuje pri zavarivanju nekih slabozavarljivih legura, na primer, pri reparaturnom zavarivanju
ZAV ARLJIVOST NISKOLEGIRANIH CELIKA
305
komada iz sivog liva pomocu cistih metala ili nezakaljivih legura nikla, monela itd. Praksa је pokazala da, ako za vreme "oЬlaganja" u zoni ispod navarenog sloja nije doslo do pojave prslina, onda prisustvo tanke zakaljene zone u osnovnom materijalu ne utice nepovoljno za vreme eksploatacije takvih zavarenih spojeva. Otuda se najpre doslo, na ideju da se odustane od termicke obrade posle oЬlaganja а zatim i od same operacije prethodnog oЬlaganja. Time se doslo do iskustva da se samozakaljivi niskolegirani celici mogu zavarivati n~posredno austenitnim elektrodama. Preimucstva i nedostaci heterogenih spojeva Kriva rastopljivosti vodonika u celiku (sl. V-29) pokazuje, da se u austenitu vodonik rastvara u koJicini 6 do 10 cm3 na 100 g. Medutim, kako elektrode bazicnog tipa oslobadaju najvise 4 do 6 cm3/100 g vodonika, to znaCi da se ova kolicina lako rastvara u austenitu koji predstavlja rastopljeni dodatni materijal heterogenih spojeva. Samim tim, stetan uticaj vodonika, naroeito u prisustvu zaostalih napona, bio bi odstranjen. Pri zavarivanju heterogenih spojeva nastaju dva vazna proЬlema [8]: 1) Sklonost austenitnih celika ka pojavi prslina u toplom stanju, koji је razmotren u prethodnoj glavi, uslovljava izbor elektгoda; 2) Difuzija elemenata iz feritnog celika, а posebno ugljenika iz osnovno·g materijala ka granici rastapanja, dovodi do obrazovanja krtih intermedij atnih struktura. Prvi faktor odreduje kvalitet elektrode, а drugi ogranicava oЬlast prslina vezana sa prisustvom ili odsustvom ferita u njima. Pri izboru austenitnih elektroda za zavarivanje heterogenih spojeva, treba se rukovoditi Seflerovim dijagramom. 3) Drugo, preimucstvo heterogenog zavarenog spoj а sastoj i se u tome, da se izostavlja predgrevanje komada ili bar predgrevanje do visokih temperatura. 1.
IzЪor
austenitnih eiektroda
Vec је objavljeno vise znacajnih radova iz ove oЬlasti; podsetimo se na primer radova Seflera [4] koji predstavljaju osnovu teorije koju cemo razraditi, radova americke skole istrazivaca [5], puЬlikacije preduzeca Braun-Boveri [6] i studije Н. Granzona [7]. Predlozena teorija, koja se oslanja na Seflerov dijagram, zasniva se na mesanju osnovnog materijala sa austenitnim metalom zone rastapanja. Nize је dat hemijski sastav k1asicnog niskolegiranog samozakaljivog celika za oklope: Ugljenik ................... . Mangan ................... . Silicijum ................... . Nikl .......... ~ ............ . Hrom ..................... . Molibden ................... . 20 Metalurgija zavarivanja
0,25 do 0,30°/о 0,70°/о 0,30°/о
2,5 do 3,5°/о 1°/о 0,2 do 0,3°/о
ZA V ARLJIVOST CELIKA
306
Ovom sastavu odgovara tacka Х u martenzitnoj oЬlasti Seflerovog dijagrama (sl. XI-10); koordinate ove tacke date su sledecim izrazima: (Ni) = Ni 0/o + 30 С + 0,5°/о Mn; (Cr) = Cr 0/o + МоР/о + 1,5 Si 0/o + 0,5 Nb 0/o
Pretpostavlja se da koeficijenti ekvivalentnosti, koji su ustanovljeni za austenitne celike, mogu biti koriSecni takode za analizu niskolegiranih (feritriih) celika. U saglasnosti sa ovom pretpostavkom koordinate tacke Х su sledece: (Ni) = 10,8;
i
(Cr)
= 1,8.
Uslov da sav treba da ima dvofaznu austenitnu strukturu austenit + ferit, namece polozaj tacke у koja predstavlja materijal sava u oЬlasti r +о. Prava Х У preseca neko1iko strukturnih oЬlasti Seflerovog dija-
Austenlt
10
х
Austenlt
+ lerlt
Ferit
Sl. XI-10 - Primena Seflerovog dijagrama za analizu zavarenih spojeva raznorodnih metala: niskolegirani celik austenitnim elektrodama
grama: cisto austenitnu, austenitno-martenzitnu i martenzitnu. Granica rastapanja, shodno tome, moze imati bilo· koju od ovih struktura sto zavisi od stepena mesanja osnovnog i dodatnog materijala. U datom primeru (sl. XI-10), ako је mesanje dva metala manje od 22°/о, to се u granici rastapanja Ьiti dvofazna struktura sa manjom ko1icinom ferita nego u tacki У. U intervalu mesanja metala izmedu 22 i 42°/о, granica
ZAVARLJIVOST NISKOLEGIRANIH CELIKA
307
rastapanja се imati cisto aиstenitnи strиktиrи, а pri mesanjи preko 42°/о moze se pojaviti jos i martenzitna strиktиra. Ako sastavи odabranog aиstenitnog dodatnog materijala odgovara tacka Y'sa 15°/о ferita ispod linije ОХ, dovoljno је mesanje и kolicini 15°1о, da Ьi se и granici rastapanj а obrazovala trofazna strиktura sa tragovima martenzi ta. Prema tome, pri ј ednakom stepenи mesanj а, feri tna faza obrazovana pri koriscenjи dodatnog materijala, ciji sastav odgovara tacki У jeste stabilnija: nasцprot tome, obrazovanje krtih struktиra и granici rastapanja је verovatnije pri koriscenjи dodatnog materijala, ciji s:astav odgovara tacki У' ispod linije ОХ. Dijagram Seflera omogиcava da se zakljиci, da је za zavarivanje razmatranih celika povoljnije primeniti aиstenitne elektrode, koje оЬеzЬе dији rastopljeni dodatni materijal sa hemijskim sastavom iznad prave ОХ. Jer, pri jednoj te istoj
за
Austenil
с
.Q
->< ·с
~
15
с:
Q)
..
о
>
-><
w 10
х
Ekvlvalent hroma ( 0/")
Sl. XI-11 - Primena Seflerovog dijagrama za analizu zavarenih spojeva raznorodmh metala: Ziavarivanje celika sa 4 - 6°/о Cr, postojanog pri povisenim temperaturama 20*
ZA V ARLJIVOST CELIKA
308
Dovoljno је, povecati kolicinи feritne faze и dodatnom tacke У samo za 2°/о, da Ьi se doЬila mogиcnost иvecanja stepena mesanja za 10°/о. Medиtim, treba primetiti da povecanje sadrzaja ferita и aиstenitи nije narocito pozeljno zbog njegovog nepovoljnog иticaja na deformacionи sposobhost aиstenita. Tako na primer, ako sastav dodatnog materijala odgovara tacki Z na pravoj ох pri 8°/о о - ferita, tada se moze dopustiti stepen mesanja metala oko 20°/о; povecavajиCi sadrzaj ferita samo za 2°/о (tacka Z'), moze se dopиstiti stepen mesanja od 25°/о. Ako se pocetni polozaj tacke Х pomeri na jednи ili drugи stranи, neophodno је analognim nacinom odrediti tip elektrode, koja· Ge pri odredenim иslovima obezbediti zavareni spoj koji nije sklon pojavi prslina. Uslov doЬijanja materijala sava sa dvofaznom strиktиrom nije dovoljan da bi se sprecila pojava prslina. Materijal sava mora da ispuni drиge иslove hemijske prirode: sadrzaj иgljenika treba da Ьиdе manji od 0,10°/о, а koncentracija. silicijиma manja od 0,6°/о. Osim toga, neki aиtori [6] su pokazali da иprkos pozitivnom иtiсаји niobijиma kao alfa. genog elementa, ovaj element povecava sklonost zone rastapanja (materijal savэ) ka pojavi prs.lina. Stepen mesanja zavisi pored ostalog od deЬljine zavarivanih limova, nacina i parametara zavarivanja; do najintenzivnijeg mesanja dolazi oЬicno и korenи zleba. U Glavi ХП proиcena је mogиcnost zavarivanja hetero·genih spojeva iz polиvatrostalnog celika 4-6 Cr-0,5 Мо, sa dva tipa aиstenitnih elektroda: 20 Cr-10 Ni-3 Мо i 25 Cr-20 Ni Ш]. Tacka S~_Qj_a_ odgova:r_a__h_e_mij=----~--~--~--1 ~,E~~~~~""s~ om~sas~t&.y_~celika~tip~5.:.'§.Gr~D1-5"",Mo;:,cileZi~~martenzitnoj'-"'Oblastie:Sefl~=,-·"":Y"'''"·"-""'~~ · rovog dijagrama (sl. XI-11), dok dodatnom materijalи 20 Cr-10 Ni-3 Мо feritne
struktиre.
materijalи
Sl. XI-12 - и = 450 - Cisto austenitna struktura granice rastapanja u raznorodnom spoju izvrsenom elektrolucnim zavarivanjem. Osnovni materijal-kaljivi celtk; elektroda 20 Cr - 10 Ni - З Мо (stepen mesanja ЗООfо)
Sl. XI-13 - и = 450 - Isti spoj kao na slici XI-12. Mikrostruktu~a u delu korena zleba; obrazovanj е martenzi ta
ZAV ARLJIVOST NISKOLEGIRANIH CELIKA
309
odgovara tacka В, koja se nalazi и dvofaznoj oЬlasti aиstenit + ferit sa 7f1/o ferita. Tacka С, koja odgovara hemijskom sastavи dodatnog materijala tipa 25 Cr-20 Ni, nalazi se и cisto austenitnoj oЬlasti. Prava SB prolazi pored tacke О, sa koeficijentom mesanja od 30°/о. ра. se moze pretpostaviti da se takav zavareni spoj шьzе izvrstiti bez pojave prslina. Iskиstvo је potvrdilo tacnos:t ovih predvidanja. Na sl. XI-12 prikazana је cisto aиstenitna mikrostruktиra granice rastapanja jednog takvog zavarenog spoja. U granici rastapanja korenog zavara gde је St€ipen mesanja znatno veci, ро~ javljиje se manja kolicina martenzita (sl. XI-13). Ako se sada spoje tacka S i tacka С, koja odgovara cistom aиste nitnom dodatnom materijaиl (sl. XI-11), tada se granica rastapanja kao i zona rastapanja (materijal sava) и celosti nalaze и austeni tnoj oЬlasti, pri stepenи Sl; XI-14 - .и = 180 - Mikrostruktura sava raznorodnog spoja mesanja metala do 50°/о. Ova struktura izvrsenog austenitnim elektгoda је krta pri poviSenim temperaturama ma iz celika tipa 25 Cr - 20 Ni. sto pokazuj е i metalografska analiza MLkroprsline ро granicama zrna austenita materijala sava (mikroprsline ро granicama zrna aиstenita) (sl. XI-14). trodama. Hemijski sastav samozakaljivog celika, koji је dat ranije, oznacen је tackom Х (sl. XI-11). Izbor austenitne elektrode, koja daje u rastopljenom dodatnom materijalи 10°/о ferita (tacka D), doz\тoljava pretpostavku- polozajem prave XD iznad ХО- da се granica rastapa-
Sl. XI-15a- и= 450-Martenzitna struktura granice rastapanja spoja iz raznorodnih metala
Sl. XI-15b - и = 2 300 ~ · Detalj martenzitne strukture prikazane па slici XI-15a
310
ZA V ARLJIVOST CELIKA
nja Ьiti sastavljena od austenita i mаЊ ferita, pod uslovom da st~pen mesanja ne prede 27°/о. Iskustvo је pokazalo, da se u takvom spoju prsline ne pojavljuju. Razmotrimo jos slucaj zavarivanja istog celika elektrodama tipa 18 Cr-8 Ni, ciji rastopljeni dodatni materijal takode sadrzi 10°/о ferita. Hemijski sastav rastopljenog dodatnog materijala odgovara tacki Е sa koordinatama: (Cr) = 20; (Ni) = 10,5 Iz dijagrgma se vidi da се se u granici rastapanja zavarenog spoja pojaviti martenzit pri stepenu mesanja jednakom ili vecem 5°/о. Ova pretpostavka ј~ potvrdena metalografskom analizom (sl. XI-15). U strukturi materijala sava vide se krupne igle martenzita u osnovnoj masi austenita. U nekim slucajevima, prisustvo cisto austenitne strukture moze pod dejstvom napona da izazove pojavu prslina u granici rastapanja. Na sl. XI-16 prikazana је mikroprslina u austenitnoj strukturi granice rastapanj а.
. / .~~-- \ ---,~;'~-~~~~!'!~ .:
,е-~~--~ :Ј •:;•
.t,
Sl. XI-16 - Mikrostruktura zavarenog spoja iz samozakialjivog celika izvrsenog austenitnim elektrodama tipa 20 Cr 10 Ni - З 1\'lo. U granki rastapanja na mesto austenitno-feritne strukture vidi se cisto austenitna struktura, sklona pojavi prslina. (Mikrografija iz radova Н. Granjona)
Hemijski sastav austenitne elektrode za zavarivanje samozakaljivog celika, koja obezbeduje zadovoljavajucu zavarljivost proverenu prema rezultatima ispitivanja probe RD* i probe ukljestenog ugaonog sava**
* Vidi ** Vidi
sl. VIII -9 strana 209 sl. VIII-12 strana 211
ZAVARLJIVOST NISKOLEGIRANIH CELIKA
је
311
sledeci: Ugljenik
0,07°/о
Mangan
1,16°/о
Silicijum
0,42°/о
20,5
Nikl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10,2 fJ/o
odakle se
do,Ьijaju
....................
3,3
i ј
°/о
Hrom MoliЬden
1
°/о
ekvivalentne vrednosti: (Ni) =
13°/о
i
(Cr)
=
24,4~/о.
Tacka G, koja odgovara ovom sastavu, nalazi se u dvofaznoj austenitno-feritnoj oЬlasti sa 10°/о ferita (sl. XI-11), pri cemu se ne dopusta mesanje metala vece od 24°/о. Prava Х G p11olazi nesto iznad tacke О. OCigledno је da dodatni materijal sa takvim hemijskim sastavom nije jedini , koji zadovoljava s tacke gledista zavarljivosti; сео niz hemijskih sastava, koji se nalaze u ovoj oЬlasti, moze takode da obezbedi spoj bez prslina. Mora se priznati da је sprovodena analiza procesa pri zavarivanju heterogenih spojeva dosta teorijskog karaktera. Tacnost po1ozaja tacke О, pouzdanost rezultata hemijskog sastava rastopljenog dodatnog materijala i pr:1sustvo :necistoca mo;gu uticati na ,poolozaj tacaka koje predstavljaju osnovni ili rastopljen.Ldodatnj materijaLu Sejlerovom_d_iiqgramu. Medu- -----~--
"'"·;~"-,o:~";,_~"e~y:tifl~~1~e~~f{):ff~5МfЂilj~v-a9:ia"'se~a;gramCi~cљ·tast"'t1'-"kojьj';i;c~ve~ovat~-='"·~"-~='~;,;;~,:~§'ic~~
noca dobij anj а hoterognog spoj а austeni tnim elektrodama bez prslina biti veca. Ponavljamo isto tako, da rastopljeni .dodatni materijal treba da ispuni i druge hemijske uslove, а posebno da sa1drzaj si1icijuma treba da bude ogranicen, uprkos svoj em alfagenom karakteru. ·
2. Difuzija ugljenika
и
heterogenim zavarenim spojevima
U heterogenim spojevima dolazi do migracije ugljenika iz delova metala obogacenih ovim elementom, u delove metala sa snizenim sadrzajem ugljenika, ili u pravcu takvog strukturnog sastojka koji lakSe rastvara ugljenik, na primer austenit. Brzina difuzije se povecava sa povisenjem temperature i vremenom zadrzavanja pri toj terr.Ljperaturi. Do difuzije najcesce do1azi u heterogenim spojevima iz ugljenicnih celika sa vatropostojanim hrom-moliЬderюvim .Celici·ma, ili austenitnim celicima. Као sto се se videti, hemijski sastav celika ima veliki uticaj na brzinu difuzije. Pri metalografskoj analizi' izbrusaka moze se otkriti razugljenicena zona ispred granice rastapanja, pri cemu sirina razugljenicene zone zavisi od uslova toplotnog upliva (sl. XI-17). Cesto, migracija ugljenika u austenit dovodi do obrazovanja martenzita i zarvareni spoj postaje krt (sl. XI-15 i XI-17).
ZA VARLJIVOST
312 Analiticki ove pojave.
је
CELIKA
moguce ustanoviti zakon difuzije i predvideti oblm
Sl. XI-17 - U = 100 - Difиzija иgljenika spoj iz celika sa sadrzajem 3,5% Ni (С = 0,180/о). Zavarilvanje је ,izvrseno aиs tenitnim elektrodama tipa 18 Cr - 8 Ni. Obrazovanje martenzita и gгarnci ,rastapanja i и materijalи sava
и
KoHcina ugljenika koja difunduje kroz jedinicu povrSlne. u jedinici vrem en а p:rop(}l'cj ona 1na.i-~-:-ied.n~trane,gradij-e.ntu-korncen.traGi4e--G,-a---------:-:-r ~==~~~~-"'~"~~'~"s~fir~Тra'fl~~'efl!f1j~ntu~ffuZfje'§v:~'·кoj1~"'IOtК0~=se~jЧ~tp'O~favlj'i~"'ll'Efc'fK~-::,· :····'"''''"'-сс~""с~' i
·
visi od te koncentracije. dc
D=o.dx
gde
је х
sirina razuglj enicne zone.
Ako oznacimo sa
Сп с1
-
с2 CR
Tada
а
је
u vremenu t:
u vremenu t
+ dt:
koncentraciju ugljenika u celiku bogatom ovim elementom; lюncentraciju ugljenika u celiku s manjim sadrzaj em uglj enika; konce:ntraciju ugljenika u granici rastapanja graniCU rastvorljiVOSti ugljenika U Celiku.
313
ZA V ARLJIVOST NISKOLEGIRANIH CELIKA
Posle nekog vremena dt, difuzija D zavisice od nove koncentracije ugljenika u granici rastapanja; D · dt = с • dx - Сз + с2 · dх = - о (с - с ) dt 1
3
х
2
2
odakle se dobij а: х.
dx
=
2 о (с 3
-
с2 )
. dt
2с 1 - с 3 - с 2
Ova jednacina se moze uprostiti ako zanemarimo koncentraciju kao znatno manju u poredenjh sa С:~ i с?. u poredenju sa 2с 1 :
с2 ,
i
(1)
Koeficijent difuzije glasi: о= А. e-Q/RT
gde
је: А
- konstanta; Q - energija aktiviranja difuzije, koja za obicne ugljenicne celike ј . . ima prosecnu vrednost Q = 18 500 cal/mol; !.;~'~;;:;..:~.;;:,?",;,~"'~~="''д~.,~asna;:Jwnstcщ._t~~J,R:;;;:;;;~,L1l8.1~~~CcaJir.rџ:>J~~1-.-.~~-'"-=~,-'=~~"""~ . ,~~-cif~~~.,.=:.~":"~~-"'•.-э--~"'I""~.~~~---~~-=:o•~:=:=-~--'::'~-~.,;.~~~."""'"~."'-."~~::""""':~~"~"'~ т
-
с3
-
0
apsolutna temperatura u К; granica rastvorljivosti ugljenika, proporcionalna toploti rastvaranja Н, data obrascem o~)lika: С
:\
=В· е-Н/RТ
gde је В koпstanta, koja zavisi od ko.ncentracije ugljenika izraZene u tezinskim procentima. Jednacina (1) se moze napisati: 2
(Q +Н)
х=- АВ ·е-
RT
х
t
cl
Zamenom 2АВ
··-~ =
const
=
Е
cl
doblja se: (R +Н)
х2 =
Е х е- ·---кт- х
t
ili 2 log х
=
log Е - (Q + Н) 2,3 RT
+ log t
(2)
ZA V ARLJIVOST CELIKA
314 Sirina zone difuzije
х
zavisi od temprature i logaritma vremena
2 log х
=
к
log Е - -
т
+ log t
................ (2)
Vrednost К Ьitno zavisi od prirode zavarivanih celika. Vrednosti К za razlicite tipove heterogenih zavarenih spojeva date su u taЬlici XI-1. TABLICA XI-1 Osnovni materijal С=
Tip dodatnog materijala 1
С= 0,23%
0,5
1
2,25 Cr-1
0,23%
1
5
С=
0,23%
Мо
Cr-1
Мо
Cr-0,50
Мо
-~С_=_о_,_23_%_о~-- 1~--~ Cr-1,50 Мо 2,25 Cr-1 5 Cr-0,5
1
Sastav dodatnog materijala %
К= _Q_+_H_ 2,3 R
С=
0,09; Cr =
0,60;
Мо=
1,05
29000
С=
0,12; Cr =
2,4;
Мо=
1
23 500
С=
0,04; Cr =
4,77;
Мо=
0,47
18 500
С=
0,09; Cr = 15;
Мо=
1,5
18 500
Мо
114
Cr-1,50
Мо
18 500
Мо
14
Cr-1,50
Мо
18 500
2,25 Cr-1
Мо
1Cr-1
Мо
Nerdaj.cel.347(Nb) E3N12
С=
0,10; Cr = 18; Ni = 8; Nb = 1
35 500
C=0,10;Cr=15;Ni=7;Nb=2
25000 ------·---·-------
' 7,·-·~'С~·~"'"-"-- _;.~~-".'-~ ·-·-···Priirt"em.~тzracuna]Ћ:1u:§.~ff'il'tu~zвп~~aтruzije~'z7~1fete~fogenJ'"s:Po~'~izчvi'sa~·' :-':' ' ·- · -~=Сс' ·'"" 1
!
kougljenicnog celika sa niskougljenicnim celikom sa 0,10°/о ugljenika za uslov: zadrzavanje u toku 10 5 casova pri temperaturi 600°С. Koeficijenti koji ulaze u jednacinu (2): Q + Н = 18 500 + 20 000 = 38 500 cal/mol; А= 8 Х 10-з cm 2/sec; В = 118°/о (tezinskih); R = 1,987 gasna konstanta; t = 10 5h = 3,6 Х 10 8 sec; х = sirina zone difuzij е u mm Е = 2 А В = 2 Х 8 Х 1о-з Х 118 = 18 , ; 88 с1
О, 1О
к= Q +н= __ 38_5__0_0_= 8 426; 2,3 Х 1,987 2,3 R -
к
873
=
9,685;
log t = 8,5563 Iz jednacine (2) se doblja: 2 log х
=
0,147 ili
х =
1,2 mm.
ZAVARLJIVOST NISKOLEGIRANIH CELIKA
315
Na dijagram.u sa sl. XI-18 prikazana је promena sirine raz.ugljenicene zone х u funkciji temperature i vremena zadrzavanja za tri razlicite vrste heterogenih zavarenih spojeva. Ove krive su izvedene na osnovu rezultata ispitivanja Kristofela i Karena* [9]. Zapaza se veoma veliki uticaj tipa celika od kojih su izradeni zavareni spojevi, na sirinu razugljenicene zone. Na drugom dijagramu (sl. XI-19) prikazani su rezultati proracuna krivih u saglasnosti sa jednacinom (2) i vrednostima К iz taЬlice XI-1. Uticaj hroma u zavarenim s;pojevima iz hrom-moliЬdenovih ce1ika prikazan је na sl. XI-20. Vrednost konstante К postepeno opada do koncentracije hroma 5i>/(} а zatim s:e staЬililzuje na 18 500, (kriva 1). Pri jednakim temperaturama i vremenima zadгZavanja, sirina zone difuzije raste kada vrednost К opada (kriva 2).
2
з.оо.---------,----т-------..--т-----.---.------.,--___,
2,75
".iii~~~~~~~~lf~~~~~~~~~~~~Щi~~~~"'-c;,,,_ ~'-"'~~~:-'"''~-~"'~~~ !!!. ~ 1,25 с
N
о
~ 1,00~--~---4---4~--~~~---+---------r~-+------~~--~
s
Ј; 0,7
0,25 о~,--~~~~~~-~~~~~~--~~~~~~-~~~~~
1Q2
2
2
з
4 5
2
з
4 5
10 4
Traionje zodriavanja (h}
Sl. XI-18 - Promena sirine razugljenicene zone u zavisnosti od temperature i trajanja zadrzavanja zavarenih spojeva (radovi R. Ј. Christoffela i R. М. Currana [9]). Eksperimentalne krive х = f (Т, t). Кrive 1. Zavarivanje celika sa 0,23% perature ispitivanja: 625, 650 i 680°С.
Krive 2. - Zavarivanje celika sa perature ispitivanja: 600, 650 i 705°С. . Мо;
*
R.
С;
0,23%С;
elektrode tipa 0,5 Cr-1
Мо;
tem-
elektrode tipa 5 Cr-0,5
Мо;
tem-
Krive З. - Zavarivanje celika sa 5% Cr i 0,5% temperature ispitivanja: 600, 650 i 705°С. Ј.
Chri.stoffel i R.
М.
Curran
Мо;
elektrode tipa 14 Cr-1,5
ZAVARLJIVOST CELIKA
316 4.0
450
500
550
600
Т emperoturo lspitivonjo ( 0 С)
Sl. XI-19 - Promena sirine razugljenicene zone u zavisnosti od temperature i trajanja :ZJadrzavanja. Krive х= f (Т, t) odredene racunskim putem za temperatu,:гe 400 do 600°С pri trajanju zadrzavanja 105h. Kriva 1. -
Zavarivanje celika tipa 2,25 Cr- Мо.
sa
0,23%
с·
elektrode
Кriva
Zavarivanje celika tipa 5 Cr-0,5 Мо.
sa
0,23%
с·
elektrode
Кriva З.-
Zavarivanje celika tipa 14 Cr-1,5 Мо.
sa
0,23%
с·
elektrode
Кriva
Zavarivanje celika sa 2,25% elektrode tipa 14 Cr-1,5 Мо.
2. -
4. -
Kriva 5. -
'
' '
Cr i 1%
Zavarivanje celika sa 5% Cr i elektroda tipa 14 Cr-1,5 Мо.
0,5%
Мо; Мо;
ZAVARLJIVOST NISKOLEGIRANIH CELIKA
.....Е
30000
10 в
.s
6
~
4
~
В
2
ф
1
'ё
.~
~ 0,8 о 0,6 о 0,4
·§
.v;
2,25 Cr-1 Мо
14Cr -1.5
At:C•-> 1
1 0,2 1
Мо
2:
Т= 540"С t
•u
.
D
с
К\к~<-О,5Мо
о
N
~
317
= 10
5
с:
Е
h
и
с:
о
.... 20000 -V\
Мо "'
о с:
"tJ
~ ::>
1
1
2
4 6 tJ ю Sadriaj hrorna u sovu (%)
10000
12
14
Uticaj sadrzaja hroma na vrednost konstante К и raznorodnim zavareniш spojevima iz celika sa 0,230/о с i hromnih celika postoj.anih ргi poviseni:rh temperaturama Sl. XI-20 -
i .sirinu razugljenicene zone
ProЬlem
zavarivanja heterogenih spojeva iz tri metala takode је vezan za izbor elektrode, na primer, za zavarivanje platiranih celika [10]. Sa izve:snim rezervama, u ovom slucaju, moze se pokusati sa primenom Seflerovog dijagrama. Razmotrimo slucaj zavarivanja platiranog niskougljenicnog celika; platirajuci celik sadrii 13°/о hroma. Hemijskom sastavu niskougljenicnog i platirajuceg celika odgovarju tacke na Seflerovom dijagramu (sl. XI-21) koj е se nalaze - u podrucju А: (Ni) = 6; (Cr) = 0,5 do 1, za niskougljenicni celik - u podrucju В: (Ni) = 3; (Cr) . 14, za feritno ... martenzitni celik sa 13°/о hroma. Zavarivanje ovih platiranih celika moze se ostvariti Ьilo pomocu austenitnih elektroda, ciji rastopljeni dodatni materijal sadrzi 5 do 10°/о ferita (tacka С na Seflerovom dijagramu), Ьilo vatrostalnim elektrodama tipa 25 Cr-12 Ni (tacka D) ili elektrodama tipa 25 Cr - 20 Ni (tacka Е u austenitnoj oЬlasti). DeЬljina platirajuceg sloja iznosi oЬicno 10°/о od ukupne deЬljine zavarivanog celika; moze se pretpostaviti da u granici rastapanja dolazi do
ZA V ARLJIVOST CELIKA
318
jednakog stepena mesanja osnovnog materijala vrste А i platirajиceg celika vrste В. Ako se spoji tacka С sa tackom М, koja se karakterise stepenom mesanja osnovnih materijala 50°/о, tada se moze konstatovati da se pri stepenи mesanja iznad 24°/о и granici rastapanja pojavljиje martenzit. Elektrode tipa 25 Cr-12 Ni, и cijem rastopljenom dodatnom mateгi jalи kolicina ferita iznosi 5°/о (tacka D), ,povoljnije su za zavarivanje ovih celika, posto stepen mesanja moze Ьiti i do 30°/о pre nego sto se doЪije cisto aиsteпitna strиktura, а do 55°/о da Ьi se pojavio martenzit.
за
Austent/
... с ф
о :>
15
....>
LU
10
Ekvivalent hroma ( 0,{,)
Sl. XI-21 -
Seflerov dijagram primenjen za analizu zavarivanja tri razlicita celika
Pri zavarivanju vatrostalnim elektrodama tipa 25 Cr - 20 Ni rastopljeni dodatni materijal karakterise se cisto aиstenitnom strиktиrom (tacka Е) а granica rastapanja ostaje takode и austenitnoj oЪlasti sve do stepena mesanja 55°/о. Medиtim, postojanje Cisto aиstenitne struktиre moze Ъiti opasno usled mogucnosti pojave prs:lina u materijalu sava. Od tri razmatrane elektrode za zavarivanje platiranih celika, vatrostalne elektrode tipa 25 Cr- 12 Ni raspo1aZи, saglasпo, Seflerovom dijagramu, najЪoljim svojstvima za sprecavanje pojave prslina и granici rastapanja.
ZAV ARLJIVOST NISKOLEGIRANIH CELIKA
319'
IV- MODIFIKACIJA SEFLEROVOG DIJAGRAMA U ovoj glavi bllo ј е иkazano na neko1iko rezervi и odnosи na vrednost koeficijenta jednakosti alfagenih i gamagenih elemenata, kada se oni primenjuju na feritne ili aиstenitne celike. TABLICA XI-2 Autori
N ewell 1 (1)
Post (2)
1
Binder (3)
Avery (4)
kovani ili valjani celik
liveni CeHk
Henry (6)
Field (5)
Sejler (7)
----
kovani
vrsta
celika
i1i '
valjani celik
1
kovani ili valjani celik
Materijal 1 Materijal Materijal 1 iava 1 !ava !ava
f•
------- ----1----~---Ga..tnageni elementi
с
············
1
30
35
N2 ······ ..... . Ni ........... . Mn ........... . Alfageni elementi
1 0,5
1 0,5
1
1
1
30
17
26
11
1
1
1
1
30
~
0,5
1
30
30
:.r.·/
1
1
1
1!
1
0,5
0,5
1'
1
(1) NEWELL i FLEISCHMANN: и. S. Patent 2.118.683 (1938) (2) POST i EBERLY: Trans. А. S. М. (1947) (З) BINDER, BROWN i FRANKS: Trans. А. S. М. (1949) (4) AVERY: и. S. Patent 2.465.780 (1949) (5) FIELD, BLOOM i LINNERT: N. D. R. С., Report О. S. R. D., no 3034 (1943) (6) HENRY, CLAUSEN i LINNERT: WeLding MetaHurgy (2е izd.) (1949) (7) SCHAEFFLER: Metat Progress (1949), 680
Prihvaceni koeficijenti jednakosti odnose se uglavnom na valjane celike. Na po1ozaj tacke koja predstavlja rastopljeni dodatni materijal savova и Seflerovom dijagramи, mogu bltno da uticu neki faktori, medи kojima treba spo·menuti: - segregaciju koja uvodi vecu kolici..11u ferita od one, koja је odredena na bazi hemijskog sastava; - narocito prisustvo azota, jako gamagenog elementa. Tako u stvari, i ako је' sadrzaj azota u feritnom rastopljenom dodatnom materijalu relativno mali, u aиstenitnom hrom-niklovom rastapljenom dodatnom materijalu koncentracija azota moze dostici 0,05 do 0,10°/о. De Long [11] је predlozio da se izvrsi korekcija Seflerovog dijagrama na taj nacin, sto bi se u izraz za ekvivalent nikla koncentracija azota uvela sa koeficijentom jednokosti 30, slicno иgljeniku. Ova popravka
~
1 f 1 ! 1
ZA VARLJIVOST CELIKA
320
utice tako, da 0,02°/о azota pomera tacku koja predstavlja doticni materijal u Seflerovom dijagramu u oЬlast ciji је procenat ferita smanjen za 1°/о. U taЬlici XI-2 dati su koeficijenti jednakosti koje su predlozili razliciti autori za alfagene i gamagene elemente kako za slucaj valjanih celika tako i za materijal sava.
V -
ZAVARLJIVOST CELIKA LEGIRANIH BOROM
Bor sa zelezom obrazuje jedinjenje Fe 2 B koje је praktiC.no nerastvorljivo u a-zelezu а delimicno rastvorljivo u y-zelezu. Proucavanje dijagram~ stanja sistema Fe - Fe2 B, koje su izvrsili Мс Bride, Spretnak i Speiser [12], otkrilo је peritektoidnu reakciju pri temperaturi 906°С (sl. XI-22). Prema ovim autorima rastvorljivost bora u a-zelezu 1.znos1 0,0004°/о pri 710°С i 0,0082°/о pn 906°С uz obrazovanje supstituciskog cvrstog rastvora bora u a-zelezu.
750~---+----+----4---~----~--~
700~~~----L---~----~----LL--~
о
0.004
0.008
0,012
Sadгiaj bora
81. XI-22 -
0.016
0,020
0,024
(% teiinski)
Dijagram stanja sistema zelezo-bor
ZA V ARLJIVOST NISKOLEGIRANIH CELIKA
321
Rastvorljivost bora и y-zelezи iznosi 0,0021°/о pri temperatиri od i 0,021 °/о pri temperatиri od 1 150°С иz obrazovanje intersticiskog cvrstog rastvora bora и y-zelezи. Zna se da i шinimalna kolicina bora и иgljenicnom celikи znatno povisava njegovи jacinи i и manjem stepenи zakaljivost. U stvari bor malo utice na polozaj kriticnih tacaka Ас, i AcR иgljenicnog celika bez bora. Nasиprot niklи i moliЬdenи, koji иsporavajи obrazovanje ferita, bor olaksava obrazovanje proeиtektoidnog ferita i gornjeg bejnita, prakticno ne po·merajиci oЬlast obrazovanja perlita. Na engleskom i americ~om trzistи se vec pojavilo vise vrsta celika legiranih borom na primer, иgljenicnih celika sa 0,25 do 0,50°/о с, koji treba da zamene neke visokovredne celike, Ьlagodareci njihovim specijalnim oso·Ьinama, koj е se odnose na kalj enj е (odsиstvo prslina иsled kalj enja i visa deformacio.na sposobnost). Metalurzi sи razradili dve vrste konstrukcionih zavarljivih celika legiranih borom, predvidenih da zamene neke niskolegiraнe celike. Prva vrsta, oznacena kao celik I, је bor-moliЬ denov celik sa srednjim sadrzajem bora 0,002°/о а druga, oznacena kao celik П, slozenijeg hemijskog sastava sadrzi 0,030°/о bora. Srednji hemijski sastav ovih celika· dat је u taЬlici XI-3. Mehanicke osobine ovih ce1ika posle normalizacije prikazane su и taЬlici XI-4. Celik I se dиЬоkю izvlaci isto tako lako kao i meki niskoиgljenicni celik а njegove karakteristike obradljivosti se mogи porediti sa karakteristikama mekog niskoпgljenicnog celika. Ovaj celik se dobro zavaruje svim postиpcima zavarivanja i prakticno nije sklon pojavi prislina. 906°С,
Ispitivani - - - . celik с
Mn
1
Celik I Celik П
Si
0,10 do 1 :;; 0,60 0,16 1 0,15
!
Н е
-
:;; 0,75
1
_i'•
s
m i ј sk i s а st р
а
v
-
cui
Мо
v
в
-
0,0013 do 0,004
- 0,35 do -
0,60
::;; 0,25 ::;; 0,040 ::;; 0,04010,85i0,50
1 1
1
1
С%)
Ni Cr
:;; 0,40 ::;; 0,050 ::;; 0,050 -
11
1
0,45
1
10,3010,051 0,03
1
1
1
TABLICA XI-4
f
! Mehanicke osobine
Zatezna jacina u kp/mm 2 • • • • • • • • • • Granica razviacenja u kp/mm 2 • • • • • • Izduzenje (5о) u % .. ·........... . Suzenje u % .... : .............. . Udarna zilavnst (Izod) u kpm ..... . Udarna zilavost (Sarpi) u kpmfcm 2 ••
21 M~talurgija zavarivanja
Celik I
66 46 24 62 4,5
Celik П
> > > >
73 63 17 50
4do 5
1'
322
ZA V ARLJIVOST CELIKA
Celik I se vec kori.sti za izradu mostova i konstrukcija industrijskih hala, i energetskih postrojenja zahvaljujuci svojoj vecoj otpornosti na povisenim temperaturama u poredenju sa niskougljenicnim celikom. Celik П, sa visim mehanickim karakteristikama, veoma је otporan na povisenim temperaturama i na atmosfersku koгoziju. On se, osim toga moze proizvoditi u oЬliku limova velike deЬljine {150 mm). Kriva IRA ovog celika pokazuje da је perlitna oЫast potisnuta daleko u desno (t = 10 5 sec pri Т = 700°С). Nasuprot tome, bejnitna oЫast ovog celika је razvijenija; medutransformacija pri 650°С pocinje posle sest casova. Odatle se moze zakljuciti da strukturne transf()rmacije, izazvane toplotnim ciklusom zavarivanja, treba da daju strukture transformacije Ar" sa povecanom ko1icinom gornjeg bejnita. Na taj nacin, bor kao i moliЬden olaksava obrazovanje gornjeg bejnita. Celik П se upotreЬljava za proizvodnju zavarenih kotlova koji rade pri temperaturama do 480°С i zamenjuje neke poluvatrostalne celike tipa 0,5 Cr - 0,5 Мо, kao i mangan-moliЬdenove celike. U principu, ovaj celik se moze zavarivati bez predgrevanja ili uz neznatno predgrevanje, kada se zavaruju limovi velikih deЬljina. Naponsko zarenje posle zavarivanja nije neophodno. Prema Grossu i Stoutu [13] osoЬine ovo'g celika znatno su bolje u poredenju sa klasicnim niskougljenicnim celikom upotreЬljavanim u kotlogradnji i mangan-moliЬdenovim celikom, koji se koristi za konstrukcije u kojih se postavljaju zahtevi za odredenom postojanosti na povisenim temperaturama.
BIBLIOGRAFIJA [1] S. I. Hoyt, С. Е. Sime i Н. М. Banta: The Iгon Age, 6 (1945), 74 et 148. [2] Н. HerЪiet i С. Scalteur: L'Ossature Metallique, 3 (1953), 3. [3] А. Boutte: Metal Progress, 2 (1938), 169. [4) А. L. Schaeff[er: The Welding Journ. Suppl., 10 (1947), 601 s. [5] R. D. Thomas Јп,: Metal Progress, 9 (1946), 474. S. А. Herres i А.-М. Turlako: The Welding Journ Suppl. 10 (1946), 669 s. Н. С. Campbell i R. D. Thomas Jun.: The Welding Journ. Suppl., 11 (1946), 760 s. Н.
Tielsch: The Welding Journ. Suppl., 1 (1952), 375 s. [6] R. Montandon: Rev. Brow.n-Boveri, 7 (1950), 255. [7] Н. Granjon: Soud. et Tech. Con., vol. VIII, 3-4 (1954). (8] D. Seterian, i Ј. VаПее: Joнrnees d'Etude d'Equipement Petrolier (Liege 1956), 2е partie, 410. [9] R. Ј. Christoffel i R. М. Curran: The Welding Journ. S:uppl., 9 (1956) 457 s. [10] Н. Mayslich: Soud. et Tech. Conn., vol. III, 3-4 (1949), 52. [11] De Long: The Welding Journ. Suppl., 11 (1956). [12] С. Мс Bride, Ј. W. Spretnak i R. Speiser: Tr.ans. А. S. М., 46 (1954), 499. [13] Ј. Н. Gross i R. D. Stout: The Welding Jour. Suppl., 3 (1956), 115 s.
1 !
GLAVA XII
ZAVARLJIVOST HROM-MOLIBDENOVIH CELIKA
Ova glava је posvecena proucavanju zavarljivosti hrom-moliЬdeno vih celika siroko· primen.jenih u energetskoj industriji, industriji prerade nafte i avonskoj industriji. Prva grupa celika ovog tipa obuhvata hrom-mo1iЬdenove celike postojane pri povisenim temperaturama sa 0,5 do 8°/о hroma i 0,5 do 1 °/о moliЬdena, ali sa niskim sadrzajem ugljenika (С < 0,15°/о). U drugu grupu spadaju hrom-moliЬdenovi celici sa 1°/о hroma i 0,30°/о moliЬdena, ali sa visim sadrzajem ug!jenika: 0,25 do 0,35°/о С (celik 25 CD 4 ili celik
-L
'~"-L•cc.c~""',;;"f';;."';:~'i5'';Q];),,4)~~=•;,;.~~~·-""·'·";';?''·"·'"""""~=~io:4icc'c;;icc•~
PRVI DEO
ZAVARLJIVOST HROM-MOLIBDENOVIH CELIKA POSTOJANIH PRI POVISENIM TEMPERATURAMA
Celici ovog tipa narocito se koriste u proizvodnji opreme za industriju prerade nafte, kod koje se postavljaju zahtevi otpornosti prema puzanju u temperaturnom intervalu 400 do 600°С i postojanosti protiv oksi..., dacije pri ovim temperaturama. Da Ьi se izlaganje uprostilo, celici razmatrani u ovoj Glavi klasificirani su prema americkim standardi1:ш ASTM (taЬlica XII-1). Medu hron1-moliЬdenovim .celicima postojanim pri povisenim temperaturama nesumnjivo su najznacajnij'i celici sa 4 do 6°/о Cr i 0,5°/о Мо, koji se odlikuju povisenom postojanoscu protiv gasne korozije pri tem..., peraturama do 650°С, а neke vrste sa povisenim sadrzajem silicijuma i do 750°С. Osim toga ovi celici se, pri povisenim temperaturama, odlikuju visokom otpornoscu prema dejstvu vodonika, ugljovodonika i gasova koji 21*
ZA V ARLJIVOST CELIKA
324
sadrze sumpor. N eki od hrom-moliЬdenovih celika, ciji је hemijski sastav dat u taЬlici XII-1, primenjuju se za izradu delova i uredaja za industriju prerade nafte, na primer: zagrejaca, komora za sintezu, cevovoda itd. TABLICA XII-1 Heщijski
Tip celika
Mn
с
sastav (%) Si
1
Cr
(оС)
Мо Ас 1
1
0,50
Kriticne temperature
0,30-0,60
0,10-0,20
0,10-0,30
0,50-0,70
0,45-0,65
1
1
Ас з
760
880
1
1
1,25
1
:::;; 0,15
0,30-0,60
:::;; 0,50
1-1,50
0,45-0,65
775
890
2
1 1
:::;; 0,15
0,30-0,60
:::;; 0,50
1, 75-2,25
0,45-0,65
780
880
:::;; 0,15
0,30-0,60
:::;; 0,50
2-2,50
0,90-1,10
780
880
818
882
843
877 882
2,25
0,30-0,60
:::;; 0,15
5
:::;; 0,50
4-6
0,45-0,65
1
1
5 Si
:::;; 0,15
0,30-0,60
1-2
4-6
0,45-0,65
7
:::;; 0,15
0,30-0,60
:::;; 0,5-1
6-8
0,45-0,65
827
:::;; 0,15
0,30-0,60
1
8-10
0,90-1,10
824
9М ·,
Р
-
885 1
riтеd
Ь а:
S i
Р
:::;; 0,03
% za sve celike.
- -- ---~-=--~~-=~-~- ·- с: "'--"'~С:."-"='Е=.'=:::?-"'-"--'~:;;;:~.;;::о: ~ ~o~"?,J':{""·,cfc~R:::::::·:·§'?:;":,:hi*"'~-'···-·;,_""""'!:OXo''oi'""~""~Ь~a-iA'S" OPSTE OSOBINE HROM-MOLIBDENOVIH CELIKA .
~ :о-~~~~-,~~--~--- -- ---~, "'""'" -~ --~~=->-~--- --"·-- _,_ ~
Poznato је da hrom i moliЬden, kao "alfageni" elementi, stabllizuju a-fazu i suzavaju oЫast austenita; ugljenik pak naprotiv, kao "gamageni" element doprinosi sirenju ove oЫasti. Hrom utice na polozaj linija dijagrama stanja zelezo-ugljenik (sl. Х-3); on suzava y-oЬlast i siri o-o·Ьlast pomeranjem tacke А 4 sa 1 400°С na 1 200°С za celik, koji sadrzi 6°/о Cr. Najvaznija posledica uvodenja hroma u ove celike jeste pomeranje eutektoidne tacke S ulevo u pravcu nizih koncentracija ugljenika, koje је praceno suzenjem oЬlasti а + у. Ovo pomeranje, malo pri·metno za celike sa sadrzajem hroma 0,5 ili 1°/о, postaje veoma osetno pri visim koncentracijama hroma. Tako na primer, za celik sa 6°/о hroma eutektoidnoj tacki S odgovara koncentracija ugljenika od oko 0,45°/о, umesto 0,83°/о u slucaju legure zelezo... ugljenik. Linija transformacije А 1 postepeno se podize sa 720°С do 780°С za celik sa 6°/о hrom, izazivajuci pojavu trofazne oЬlasti а + у + karbidi u temperaturnom intervalu 750 do 780°С. Usled toga, perlit u hromovim celicima osiroma8uje ugljenikom а obogacuje se hromom, te na primer, celik sa 6°/о hroma postaje nadeutektoidni pri sadriaju ugljenika 0,5°/о~ Mikrostruktura celika sa 5,5°/о Cr i 0,15°/о С, prikazana na sl. XII-1, pokazuje morfoloski izgled strukture obicnog ugljenicnog celika, koji sadrzi 0,30°/о ugljenika.
ZAVARLJIVOST
HROM-MOLIВDENOVIH
CELIKA
325
S drиge strane иglj enik obrazиj е sa hromom karblde, koj i se odlimalom brzinom rastvaranja и aиstenitи ра је zbog toga temperatи ra aиstenitizacije za ove celike visa, nego za иgljenicne celike. Prema to-
kији
Sl. XII-1 - U = 50()- Mikrostruktura zarerюg hrohl-moliЬdenovog celika; ferit + perlit (С = 0,15; Cr = 4,45; Мо = 0,52)
me,
temperatиra
kaljenja visokohromnih celika veoma cesto premasa
~"'.~;~#~~~k,Q"{)~~;c.~rm9C"':дr:ctш:~ti1t::Ч.~,."PXA"""t~IЫI~~2љn~,sjЉ~чm::~~ш:i~~§lU~t!:Ш:;c"'"""'.>?"'-=~'"~'~"'"~ '
Iovima vrlo ·-brzo zagrevanJa-Гnlaae;njaкarБTaГfu()rria'~rie-uspevafu-cta--·----------se potpиno rastvore.
ZAKALJIVOST HROM-MOLIBDENOVIH CELIKA Opsti izgled IRA- krivih izotermnog razlaganja aиstenita и -moliЬdenovim celicima prikazan је na sl. XII-2, i pr~padajи klasi dijagramи se mogu izdvojiti tri ostro ocrtane oЬiasti:
hromD. Na
а) gornja oЬlast Ar' koja odgovara obrazovanjи perlita ili lamelarnih struktura, ciji se inkubacioni peтiod mепја и zavisnosti od koncentracije hroma; Ь) oblast stabllnog aиstenita pri intermedijarnim temperatиrama, и podrиcju kojih dolazi do ogranicenog razlaganja aиstenita cak i posle dи zeg vremena. Ova oЬlast odgo,vara transformaciji Ar" ili bejnitnoj transformaciji; с) oЬlast brzog razlaganja austerL.ita pri niskim temperatиrama ispod 111 400°С, koja odgovara transformaciji Ar ili martenzitnoj transformaciji. Da bi se otkrile strukture, koje se оЬrаzији pri brzom hladenjи, treba razmotriti dijщ;ram anizotermnog razlaganja austenita (ARA) pri
326
ZAV ARLJIVOST CELIKA
kontinualnom hladenju (sl. ХП-3), u kojem su razgranicene oЬlasti razlicitih transformacija (celik tipa 0,5 Cr - 0,5 Мо). . Pri Vl~Io brzom hladenju sa brzinom iznad 12 000°C/min (kaljenje u vodi) u celiku nastaje sitnozrna martenzitna struktura; pri brzini hlade-
- -_!:_з- - - - - - - - - - - Ас
1
Perlil
Т ransformacija
Ar ·
о
:З
PrezosiCeni austentt
о ф
а.
Т ransformaciJO Ar"
Е
Be,niti
ф
,_
Marlenz/1
+ lerll
+ bejni/
Mortenz1t
Sl. XII-2 - Opsti oЬlik S-krivih izotermnog razlaganja austenita niskolegiranih hrommolibdenovih celika
о
3 500~-~~~~~~-----+-~1---~~-~ ....о
ф
~400~==~~~~~----Ј-~1~~~~~
О 31)0 '""""" ~~ ~""'+"-z_fl---+--+--+-----+~1--t-----t--t---->: ----,~ --
---1" ---+----+--+--~
200
Martenz/1
\N
Ferlt
,g ' 0
юо+-----1-i
Т
+ be;nlt
martenz/t
-+------+-+---;
~5·
2
з
\
IO<&C:
5
10
IOmln
1 mln
2
з
5
102
2
з
5
юз
2h
lh
2
з
5
104
4h 2
!Oh
з
5
ldan 105
Vreme (sec)
Sl. XII-3 -
1_
Dijagram anizotermnog razlaganja austenita za celik tipa 0,5 Cr - 0,5 Мо
ZAV ARLJIVOST HROM-MOLIBDENOVIH CELIKA
327
nja u intervalu 12 000 do 1 800°C/min, obrazuje se kompleksna smesana struktura ferita, bejnita, i martenzita. Pri sporijem hladenju mogu se posmatrati cisti bejnit ili kompleksna mesovita struktura bejnit + ferit. Lamelarne strukture mogu se obrazovati samo u vrlo uskoj oЬlasti, koja је smestena pri povisenim temperaturama. u razmatranom primeru ferit se obrazuje pri temperaturama iznad 600°С pri vremenu zadrzavanja 500 sec. Perlitna transformacija· nastaje u podrucju temperature 700°С pri zadrzavanju od 104 sec sto znaci oko 3 casa. Tako na primer, pri oksiacetilenskom zavarivanju bez predgrevanja, kada hladenje zone rastapanja protice brzinom od oko 350°C/min, obrazuje se, poglavito, bejnitna struktura ili proeutektoidni ferit; te iste strukture pojavljuju se i u zoni pregrevanja. Pri elektrolucnom zavarivanju bez predgrevanja, bladenje materijala sava protice brzinom koja se priblizava liniji 1 tj. v = 5 000 do 10 000°C/min i shodno tome u tom slucaju се nastati strukture ostrijeg kaljenja, sastavljene iz mesavine martenzita i bejnita sa tragovima ferita. Iz dijagrama izotermnog razlaganja austenita, moze se izvesti zakljucak о visokom stepenu zakaljivosti hroma-moliЬde•novih celika, i shodno tome, о
~ ф
·-" с..
251
......
Ф Е '"' Е
.g....... Q:20
-
''
'
'
'-'
400
450
500
550
600
650
Т emperatura ( С) 0
Sl. XII-4 - Krive puzanja razlicitih tipova celika postojanih :pri povisenim temperaturama (naprezanja koja .ilzaziv.aju тelativno izdu.Zenje 10/о pri trajanju ispitiva.nja u toku 10 4h)
TABLICA XII-2 Hemijski sastav u
Broj krive sa slike XII-4
с
1 2 з
4 5
1
::; ::; ::; ::; ::;
0,20 0,15 0,15 0,15 0,15
Mn
Si
::; 0,50 1,10 do 1,40 0,30 do 0,60 ::; 0,50 ::; 0,50
< 0,25 0,15 do 0,30 0,50 do 1 0,50 do 1 < 0,50
0/
iO
1
Cr
-
1 do 1,50 2,25 do 2,75 4 do 6 1
Мо
1
0,45 0,20 0,40 0,40 0,45
do do do do do
0,65 0,30 0,60 0,60 0,65
1 :
ZA V ARLJIVOST CELIKA
328
njihovoj sklonosti ka pojavi prslina.· Iz toga proizlazi da је pri zavarivanju tih celika neophodno predgrevanje i naknadno zagrevanje (termicka obrada posle zavarivanja), da Ьi se umanjila mogucnost obrazovanja struktura kaljenja. Pri izboru rezima term.icke obrade dva faktora temperatura i vreme igraju vrlo veliku ulogu, cija се analiza blti data nesto dalje. Osoblne puz,anja
Dok hrom pokazuje pozitivan uticaj na postojanost protiv oksidacije, dotle moliЬden Ьitno poboljsava osob:Lne puzanja celika. Uticaj moliЬdena п.а puzanje celika Ьiо је predmet mnogobrojnih istrazivanja; nekoliko rezultata iz ovih istrazivanja prikazano је па slikama XII-4 i XII-5. Na sl. XII-4 prikazana su naprezanja, koja izazivaju izduzenje 1°/о pri trajanju ispitivanja 10 000 ca.sova и zavisnosti od temperature, za razlicite moliЬdenove (С-Мо), mangan-moliЬdenove i hrom-moliЬdenove celike. U taЬlici XII-2 dat је hemijski sastav celika, ispitivanih prema puzanju. Za,paza se, narocito, da se celik sa 0,5°/о Мо, ali bez hroma (krive 1, sl. XII-4), do 600°С odlikuje priblizno, istim takvim puzanjem kao i celik sa 4 do 6°/о Cr i 0,5°/о Мо (kriva 5). Medutim, celik bez hroma odlikuje se niskom postojanoscu protiv oksidacije pri povisenim temperaturama te се se pre razoriti. Na sl. XII-5 pokazan је uticaj dodatka 0,5°/о Мо u celiku sa sadrzajem 5°/о Cr na njegove osobine puzanja. --------------1-------l-------l-------t------- . .: -----·-·-..;;-: ..'r:·,...,.""~~:t:~"'-~->:ёi':1'.:~,~~=.~o::_c:-..,.~5>::~."~~"..:~'~"~-::;;:t",.~z'f,-=:=~"$'~~~;;_~ Ъ"f-.:-~~~~~~::·.t:.~~.;_:"f~э;~ .?~~z~'-:t::-""'-::-c.1:::.:'-' ~~~ 'l:g--:::: · ...::::--:о...- 7_:_·~~~-~:~~-::::_-;;;: }Ё::oZ:o,~_f{~f".~~==:::~~:_-J::-.:·:_:::
..........
~оо • оо
--·---------~---~---
_-i;·
~-- ::~-::_:.: ~.:::-~-;,.~:~-;~;:Г-':~3~~=--Z:-~,'_~-~-;',-~"-:?"';;'"3:~~i::;·
·-
-....:::...!!__"
0~-----=~----~------L------"--450 500 550 650 600 Т emperoturo ( 0 С)
Sl. XII-5 - Krive puzanja celika, koji sadrze 50fo hroma, sa dodatkom Ш bez ,dodatka molihdena. Krive 1 i
З
: celici sa 5% Cr; krive 2 i 4 : celici sa 5% 0,50% Мо (prema Bacock i Wilcoxu)
Cr
ZAVARLJIVOST
I -
HROM-MOLIВDENOVIH
CELIKA
ZA V ARLJIVOST CELIKA TIPA 0,5 Cr -
329
0,5
Мо
Celici ovoga tipa koriste se u industriji prerade nafte za izradu cevnih zagrejaca, parovoda i druge opreme, koja radi pri temperaturama do 450°С. Zavarljivi celici ovoga tipa ne treba da sadrze vise od 0,15°/о ugljenika. А)
Metalurske osobinosti celika
Dodavanje celiku 0,5°/о hroma i 0,5°/о moliЬdena neznatno menja polozaj kriticnih tacaka na dijagramu stanja zelezo-ugljenik. Ipak, tacka transformacije Ас, se unelюliko podize, do 760°С (za razliku od 720°С u legurama zelezo-ugljenik), а temperatura tacke transformacije Ас. iznosi priЬlizno 880°С, cime se neznatno suzava austenitna oЬlast. Posle zarenja na 900-925°С sa sporim hladenjem u peci, ovaj celik ima sledece mehanicke karakteristike: -
zatezna jacina ............... . granica razvlacenja .......... . izduzenje (l 0 = 50 mm) ...... .
45 do 52 kp/mm 2 30 do 35 kp/mm2
::>
30°/о
Na IRA dijagramu (S - krivima) za celike ovoga tipa sa sadrzajem 0,15°/о ugljenika, koji su konstruisali G. DelЬart i Ravery [1] na osnovu rezultata meta1ografskog ispitivanja malih termicki obradenih uzoraka, .. . •
. . ... . с~Џ._ §е .oJk-ci:ti-,d\.-ftk-e:-j:e~.gC-r-anЧ€-h.ilo-POkazanor~tr:LDhlastЦ.sLXIb2):
:
~~.=-:.·,~~'-~--~""':::"":"'·"....__",~=--~~€~~~~~4?""'""'~.::;;;;-a=-:~-?.:e"-ii''''"''"'"-·~:Z~-:.,.-:":~-,: ~~.;.~5:::,;f"~:~~if..:Zr.--:o-:.џ--~~i-.i::;;?:~~~--~2~з-.oc-:7.~~~~-:.=c.;._~;::?.:-::-~---:o::-~-:~:~~~:E:'f§~:::!'i::E.~:::=:~~~-~:kf.:-::·~~5::~.i.~_,~'ifE,-c.._,;.-:..;.::::±7bl
:. :. :. :_ oЬlast brzog razlaganja austenita u topioiEno]-~ioni iSроа~~-.~пю~с,---~~--~---~, pri cemu nastaje martenzitna struktura ili smesana martenzitno-bejnitna struktura, u zavisnosti od brzine hladenja; - oblast sporog razlaganja austenita u zюni temperatura oko 700°С, sa minimalnim inkubacionim periodom od 1О min; - oЬlast stabl1nog austenita u zoni teщperatura 500 i 600°С, u kojoj autori nisu otkrili nikakve znakove pocetka razlaganja austenita, cak i pri trajanju zadrzavanja 48 casova. - temperatura pocetka martenzitne transformacije, u celicima koji sadrze 0,15°/о ugljenika, iznosi priЬlizno 400°С. Prema tome, ovaj celik pokazuje neke osoblnosti koje treba uzeti u obzir pri proucavanju njegove zavarljivosti. On se odlikuje povisenom zakaljivoscu, osetljiv је prema temperaturi austenitizacije i na trajanje termicke oЪrade. Uticaj termicke obrade na strukturu i mehanicke karakteristike celika tipa 0,5 Cr - 0,5 Мо ilustrovan је podaci:ma prikazanim u taЬlici XII-3, koja predstavlja izvod iz rado~va DelЬart-a i Ravery-a [1] i DeЉart-a i Constant-a [2] (radovi IRSID). Hladenje celika, zagrejanog do 900°С na vazduhu sa naknadnim otpustanjem pri 675°С (uzoтak А) dovodi do oЬrazo,vanja gornjeg bejnita. Ako se temperatura austenitizacije povisi do 1200°С (uzorak Н), t,ada se obrazuju tvrde strukture (anizotermne krive, sl. XII-3).
!\;'[
lii';
!1:
lj
1 ~~:i·:
w w
о
ТАЕ~~ ICA XII-3 Uticaj termicke obrade na strukturu i mehanicke karakte --
-···
Uslovan indeks (uzorak)
:~s
·--
ike celika tipa 0,5Cr-0,5Mo (prema radovima IRSID) [1] i [2] ---
~~
-·-
-~'"-
'Ј
1
'1'
Kaljenje
s anje
Otp
Struktura
1
i;;
1
i:\,·
i 900 ос Hladenje na vazduhu
А
~!Ь
675 2h hladenje ~К vazduhu
1
1
Zagrevanje do 900 ос, zadгzavanje pri 700 ос 2 h, hladenje na vazduhu
в
к
1
l
1
D с
Gornji bejnit
UL
UR
(kp/mm 2 )
(kp/mm)
1
'
1
1
1
48,1
1
0%
1
,Р 7,0
(5 d) -
39,0
32,5
76
~оо~~ 2 h 1!1 vazduhu
Koagulirani perlit
47,7
32,5
31,9
71,4
6.оо I!F=
Gornji bejnit
48,0
30,6
26,9
67,6
hladeщe
1'!
Zagrevanje do 1200 ос, zadrzavanje pri 700 ос 2 h, hladenje na vazduhu
2h hladeщe 1~ Jvazduhu
6оо ~cl-2 hladenje ryf vazduhu
1
м
1
1200 Hladenje u peci
ос
1 1 ':•
~~~
1
h
Gorпji
:::0
bejnit
44,8
25,7
34,7
65,2
Zagrevanje do 900 ос, zadrzavanje pri 300 ос 30 miп, hladenje na vazduhu
1'-i
600 li·~· -2 h hladenje ч_~.:_.. vazduhu
Donji bejnit + ferit
70,0
59,9
18,71 72
600 ~· -2 h hladenje ria vazduhu
Bejnit i sorЬit u feritnoj osnovi
66,6
51
18,7
68,5
600 ~0-2 h hladenje Џа vazduhu
Donji bejnit sa feritom
70,8
57,9
34,7
68,6
Iglicasti ferit
80,4
74
16,7
70,3
Donji bejnit
86,6
78,1
15,3
67,6
59,4
49,7
18
72,8
iil~
р
Zagrevanje do 1200 ос, zadrzavanje pri 300 ос 1 h, hladenje na vazduhu
.,.,
Е Hladeпje
L
900 u vodi
1200 Hladenje u vodi
~·;
ос
1 1
600 l!~-2h hladenje ~_r_ vazduhu ~· ~оо l!:,.· -2 h hladeщe ~,al vazduhu
ос
-- ------1
-т r; •. •
1
1;1
1 1
:~ ;~·.
\
1;·,
1
:(/
1
·:• i
i!'.·! 1i•,; :_._-_'.1! 1 1~ \
~ i ,f
~-
1111 iK
jl•'
1
!i~"'·!
-
-----
rл
t-3
()
1?:1
r<
~
:з>
]1\
Hladeпje
..... о
Proeutektoidni ferit
1200 ос na vazduhu
r<
~
<:
1
600 IP"2 h hladenje rt~~ lvazduhu
н
:з>
<:
:з>
Zagrevanje do 900 ос, zadrzavanje pri 550 ос 30 miп, hladenje u vodi
1
N
1
ZA V ARLJIVOST HROM-MOLIBDENOVIH CELIKA
331
Zagrevanje do 900°С i zadrzavanje pri 700°С u toku 2 h (uzorak В) dovodi do koagulacije perlita. Zadrzavanje pri 550°С u toku 30 min (uzoтak D) dovodi do obrazovanja strukture koja је slicna proeutektoidnom feritu. Ako se razlaganje austenita vrsi pri 300°С u toku 30 min (uzorak С), onda se obrazuje struktura donjeg bejnita iglicastog tipa sa manjom kolicinom ferita. Kaljenje u vodi sa 900°С (uzorak Е) i sa 1200°С (uzorak L) iza cega sledi otpustanje pri 600°С, dovodi do obrazovanja iglicastog ferita i iglicastog donjeg bejnita. Na slici ХП-6 prikazana је promena "granice Veritas", tj. naprezanja, kojim odgovara brzina puzanja 5 х 10-40 /о na cas izmedu dvadeset-
20
.~ с
о
...
Q)
а.ю о
2:
5 ~о=о~--~45~о-----5~о~о----~5~5о~----6~оо______ Т emperatura ( 0 С)
Sl. ХП-6 - Koeficijent Veritasa za celike tipa 0,5 Cr - 0,5 Мо francuske proizvodnje (prema DeLЬart-u i Constant-u
petog i tridesetpetog casa ispitivanja, u zavisnosti od temperature, za razlicite vrste celika francuske proizvodnje. Rezultati ispitivanja puzanja do razaranja epruvete iz celika tipa 0,5 Cr- 0,5 Мо u temperaturnom intervalu izmedu 500 i 570°С dozvolili su da se ustanovi, da naprezanje, koje dovodi do loma pri ispitivanju u toku 10 5h pri 500°С, iznosi u proseku 17 kp/mm 2 . Rezultati, koje su dobili DelЬart i Constant [2] daju vrednosti za ovo naprezanje izmedu 15 i 18 kp/mm 2 • Naprezanje kojem odgovara stalno izduzenje od 1°/о pri trajanju ispitivanja 10 5h i temperaturi 500°С, iznosi priЬlizno 15,4 kp/mm 2 .
332
ZA V ARLJIVOST CELIKA
В)
Uslovi zavarljivosti
Na zavarljivost hrom-moliЬdenovih celika tipa 0,5 Cr-0,5 Мо uticu sledeci faktori (ро redu vaznosti): а) zakaljivost celika, tesno је povezana sa pojavom prslina u osnovnom materijalu i materijalu sava. Uticaj o·voga faktora moze se odstraniti pogodnim predgrevanjem; Ь) osetljivost celika prema termickoj obradi; iz ovog proizilazi da се materijal sava imati razlicite mehanicke osoЪine cak pri neznatnoj izmeni rezima termicke obrade: temperature austenitizacije, trajanja zadrzavanja pri toj temperaturi (koja odreduje velicinu austenitnog zrna), temperature i vremena ot.pustanja i uslova hladenja; с) hemijski sastav celika. Celici, predvideni za zavarivanje, treba da sadrze oko 0,10°/о ugljenika, ali ne iznad 0,15°/о. Povecanje sadrzaja ugljenika .povisava opasnost od pojave prslina pri zavarivanju. Sadrzaj sumpora i fosfora takode treba o·graniciti; u opstem slucaju ovo su visokokvalitetni, dobro dezoksidirani celici izradeni sa paznjom i sadrze malo neCistoca (S < 0,02°/о, Р < 0,02°/о, N 2 < 0,008°/о). Preporucuje se da se ove granice ne prekoracuju; d) neophodno је posebno spomenuti stetni uticaj silicijuma na zavarljivost; koncentracija silicijuma u materijalu sava, nanetom elektrolucnim zavarivanjem, treba da bude sto је moguce niza (Si < 0,40°/о). Veci sadrzaj silicijuma, narocito u visokohromnim celicima, doprinosi povisenj u krtosti. =-c~~~o~+::::ce:c:_~d,""i.~,;cz,a:џarAi\ran'j~celika""'tipel§.Of5-"'-Grc"'~~,Q,5~"''Mo~::moze:;&e:~ostvaiiti,oSYifuэ:RQ-::cCc"·:;:;---·-
znatim postupcima, а narocito oksiacetilenski:m plamenom - celici male deЫjine i elektrolucnim zavarivanjem-celici deЬljine iznad 2 mm. U svim slucajevima pri zavarivanju limova male deЫjine pozeljno је vrsiti predgrevanje na 100°С. Temperatura predgrevanja sa povecanjem deЬljine limova moze se povisiti na 150 do 200°С. Ako se ze1i da omeksa materijal sava, tada је neophodno otpustanje pri 650°С u trajanju 2 casa. Dodatni materijal za oksiacetilensko zavarivanje treba da ima isti sastav kao i osnovni materijal. Treba uzeti u obzir mogucnost oksidacije hroma i moliЬdena u toku topljenja. Za elektrolucno zavarivanje hrom-moliЬdenovih celika treba primeпjivati prvenstveno elektrode bazicnog tipa, koje daju materijal sava sa hemijskim sastavom koji је analogan sastavu osnovnog materijala. Neophodno је da se hemijski sastav materijala sava uklopi u sledece granice: - ugljenik ~ 0,10°/о hrom ................ . 0,45 do 0,65°/о 0,45 do 0,65°/о - moliЬden ............. . sto odgovara tehnickim uslovima, koji su na snazi u industriji nafte, Francuskoj nacionalnoj mornarici, itd.
ZA V ARLJIVOST HROM-MOLIBDENOVIH CELIKA
333
Mehanicke osobine materijala sava, izradenog sa predgrevanjem do 150°С, i otpиstanjem posle zavarivanja pri 650°С sa hladenjem na vazdи hи, sи sledece: аL =
50 do 55 kp/mm 2
а
38 do 42 kp/mm 2
R =
о~ l
= 23 do
25°/о
о" = 28 do 32°/о
Ove mehanicke karakteristike kih uslova. С)
иklараји
и
se
zahteve razlicitih tehnic-
Metalografsko istrazivanje zavarenih spojeva
Priшera
radi, razшotriceшo promene struktura dva zavarena spoja, izvrsena elektrolucnim zavarivanjem na dva istoгodna osnovna materijala sa istim elektrodama bazicnog tipa iz hrom.-moliЬdenovog celika. Osnovni materijal је zareni hrom-moliЬdenov celik deЬljine 10 mm. Zavarivanje jednog od ovih spojeva izvrseno је bez predgrevanja, а drugog sa predgrevanjem od 150°С. Hemijski sastav osnovnog materijala i rastopljenog dodatnog materijala dat је и tablici XII-4. :~:~·"'•g'"'е--~····"'"'_;,""~'"'~~-~,""·''"'"""·"'··"'-~='~'·""~"~?~"".~-~""'·'''""'"·•'";•~·-ШАВЫ!i::·А~ХII".,._Љ~-" ·•"'"'.cЬ'"'_oc'"'~•""~'"'"':ч~~-~.~;,_"~c;.~:~"j,iel,~~""'-"'""""""'4E~E"·'··"'""""~-c::".l!~;
Elementi
Osnovni materijal (%)
Rastopljeni dodatni materijal (%)
1
' Ugljenik
0,15
0,10
Mangan
0,79
0,95
Silicijum
0,12
0,36
Hrom
0,52
0,48
0,4 7
0,50
Sumpor..............
0,017
0,014
Fosfor . . . . . . . . . . . . . .
0,021
0,023
.. ............
MoliЬden
............
Osnov.ni materijal zavarenog spoja, izvrsenog bez predgrevanja, ima struktиru ferita i orijentisanog perlita (sl. XII-7). U zoni pregrevanja vide se vrlo fine izlиcevine proeutektoidnog ferita, koji odgovara transformaciji Ar" (sl. XII-8). U zoni rastapanja (materijalu sava) vidi se struktиra sitnoiglicastog ferita (sl. XII-9) iz oblasti gornjeg bejnita.
:
334
ZAV ARLJIVOST CELIKA
U zavarenom spoju, izvrsenom sa- predgrevanjem do 150°С, и zoni pregrevanja (sl. XII-10) otkriva se krupnoiglicasti ferit, а sa udaljava-
Sl. XII-7 и = 180 Mikrostruktura zarenog celika Сра 0,5 Cr-0,5 Мо (С= 0,15; Cr = 0,52; Мо= 0,48)
Sl. XII-9 - и = 180 - Mikrostruktura sava izradenog elektrolucnim zavarivanjem bez predgrevanja (С = 0,10; Cr = 0,50; Мо= 0,50)
Sl. XII-8 и= 180 Mikrostruktura pregrej ane zone zavarenog spoja iz celika tipa 0,5 Cr 0,5 Мо, izradenog elektrolucnim zavarivanjem bez predgrevanja
Sl. XII-10 и = 180 Bejnitna struktura pregrejane zone zavarenog spoja izradenog elektrolucnim zavarivanjem sa predgrevanjem na 150°С
ZAVARLJIVOST HROM-MOLIBDENOVIH CELIKA
ј
335
njem od ivica zleba - trustitna struktura (sl. XII-11). U istopljenoj zoni materijala sava vidi se mesavina probejnitnog ferita u mrezi ferita (sl. ХП-12).
,1
( 1
l
Sl. XII-12 И = 180 Mikrostruktura sava (uporediti sa slikom ХП-9). Sav је izraden elektrolucnim zavaгivanjem sa predgrevanjem od 150°С
Sl. XII-11 И = 180 Mikrostruktura na pocetku z.one pod uticajem topl:ote. Sav је izraden elektrolucnim zavarivanjem sa predgrevanjem na 150°С
.П -
ZAV ARLJIVOST CELIKA TIPA 1,25 Cr -
0,50
Мо
Hemijs:ki sastav celika ovog tipa krece se u sledecim granicama: ugljenik о. о о о о о о о о о о о о. о. mangan . silicijum о о о о о о о о о о о о о о о о о о hrom оо····о···оооооооооооооо moliЬden ...... о о оо оо о оо оо о •••
···о оо .о оо о .оооо
••
-
о.
::=::: 0,15°/о
0,30 do 0,60°/о
•••••
о о ••
••
<
0,50°/о
1 do 1,50°/о 0,45 do 0,65°/о
Temperature tacaka transformacije Ас1 = 775°С i Асз = 890°С sveо ogranicenim razmerama austenitne oЬlasti. S-krive izotermnog гazlaganja austenita pomeгene su ulevo ka strani o·rdinatne ose, sto ukazuje na skгacenje vremena razlaganja austenita. Pri tempraturi 700°С austenit ce1ika tipa 1,25 Cr-0,5 1VIo pocinje da se razlaze posle 15 sec dok је za celik tipa 0,5 Cr-0,5 Мо za pocetak razlaganja potrebno 10 min. S dгuge strane, oЬlast potpune stabllnosti austenita delimicno iscezava oko 570°С - jer se u ovoj oЬlasti razlaganje austenita zavrsava posle 8 min. Pocetak martenzitne tгansfoгmacije lezi pri tempeгaturi 420°С. Dijagгam ani2Jotermnog razlaganja austenita slican је dijagramu opisanom ranije za celik 0,5 Сг-0,5 Мо (sl. XII-3). Elektrolucno zavarivanje celika tipa 1,25 Cr- 0,5 Мо treba vrsiti pгvenstveno elektгodama sa oЬlogom Ъazicnog tipa, koje daju materijal doce
ZA V ARLJIVOST CELIKA
336
"""40 Е Е
'-
Martenz/1
+
fer/1
+ be1n11 ю ф=
2,5
00~--~----~----L---~~~~----~ 4 6 8 ю ~
Rastoianje od oka/jenog kro1a (mm)
Sl. XII-13 - Dijagram raspodele struktura u zavarenom spoju iz hroш-molЉdenovog celika (1,25 Cr - 0,50 Мо) izradenom sa predgrevanjem i bez predrgevanja. Dijagram је konstruisan na osnovu rezultata isrpitivanja rpo Dzominiju
...... 400
;:..
Ј: '-
:::' Ј'}() -
ф
-><
::;:
8 ЈСО 1--'l....j---_." о
-е
"'
...
1-
250
200
...
5
1
Mot
%0ПО
J50L-~--------L-----~--------L-------~-
Rastojanje od ose sava
Sl. XII-14 - Uticaj precnika elektroda na karakter transformacija u razlicitim zonama zavarenog spoja iz celika tipa 1 Cr - 0,50 Мо. Kriva Kriva Kriva Kriva Kriva
1. 2. 3. 4. 5.
- Bez predgrevanja; elektroda 2,5 - Bez predgrevanja; elektroda 3,2 - Bez predgrevanja; elektroda 5 - Predgrevanja na 200°С; elektroda - Predgrevanje na 200°С; elektroda
mm. mm. mm. 2,5 mm. 5 mm.
ZA V ARLJIVOST HROM-MOLIBDENOVIH ёELIKA
337
sava, analogan ро hemijskom sastavu osnovnom materijalu i to u sledecim granicama: - ugljenik · · ... · ............... . 0,10°/о 1 do 1,5°/о - hrom ························ - molibden ... ··· ............. . 0,45 do 0,65°/о
<
-
SlllClJUffi
· · · · · ·· · · · ··· ·· · · · · · · ·
< 0,50°/о
Као
i pri zavarivanju prethodno razmatranog celika, zavarene spo~ jeve iz celika tipa 1,25 Cr- 0,5 Мо treba izvoditi sa predgrevanjem ali pri visim temperaturama oko 200°С; temperaturu predgrevanja treba povisavati sa povecanjem deЬljine limova. Na slici XII-13 prikaz:an је dijagram raspodele strukturnih sastojaka u zavisnosti od deЬljine celika, zavarenog sa predgrevanjem do 220°С i bez predgrevanja, izvedenih prema rezultatima ргоЬе Dzomini [3]. U slucajevima kada је zavarivanje spojeva ostvareno bez predgrevanja, nastaju strпkture kaljenja: martenzit + ferit + bejnit, koje odgovaraju ciklusu hladenja na vazduhu. Ove strukture opaZa.ju se u zoni pod uticajem toplote pri deЬljini limova 10 mm na rastojanju do 8 mm od ose sava. Nasuprot tome, predgrevanje do 220°С dovodi do obrazovanja strukture gomjeg bejnita ро celoj sirini zone pod uticajem toplote. Na slici XII-14 prikazan је uticaj precnika elektrode bazicnog tipa na karakter transformacije razlicitih delova zavarenog spoja pri zavarivanju sa predgrevanjem do 200°С (krive 4 i 5) i bez predgrevanja (krive 1, 2 i 3).
,.
'1 ;1
;. 1:
111 -
ZAVARLJIVOST CELIKA TIPА 2,25 Cr -
1
Мо
Celici ovoga tipa zamenjuju nize legirane hrom-moliЬdeno\тe celike, primenjene za izradu opreme termocentrala, kada ova radi pri temperaturama iznad 540°С. Pitanjima termicke obrade celika ovoga tipa posvecen је veliki broj istrazivanja, naroCito belgijske skole istrazivaca: Bie-a* [4], Koer-a** [5] i HaЪrakena [6]. Ovaj poslednji је otkrio kompleksni karbid Fe-t Мо.2 С, koji doprinosi sekundarnom otvrdnjivanju ovih celika. On је takode pokazao da u strukturi celika ovoga Цра, cak i pos1e visokotemperaturnog otpustanja, nastaju transformacije u procesu puzanja sa obrazovanjem kompleksnih karbida (Fe-Cr-Mo) 23 C 6 • А)
Ovi Ас,
=
celici
780°С, Ас.
imaju
=
Metalurske osobenosti celika sledece
temperature
tacaka
transformacija
880°С.
S-krive IRA- dijagrama, koje su konstruisali za ove celike DelЬart i Constant [2], ukazuju na postojanje dve oЬlasti razlaganja austenita. Jedna od njih odgovara perlitnoj transformaciji Arr i nalazi se u tempera-
* Bihet ** Coheur 22 Metalurgija zavarivanja
ZAVARLJIVOST CELIKA
338
turnom intervalu 650 du 750°С sa minimalnim trajanjem inkubacionog perioda 10 sec. Druga oЬlast razlaganja austenita nalazi se ispod 500°С i odgovara bejnitnoj transformaciji. OЬlast stabllnog austenita nalazi se u temperaturnom intervalu 500 do 600°С; pri 570°С razlaganje austenita nastaje tek posle 5 casova zadrzavanja. Perlitnu strukturu u ovom celiku austenitizovanom pri 925°С moguce је doblti samo sporim hladenjem od 100°С na cas. Bejnitne strukture se obrazuje pri izotermnom kaljeпju pri 425°С; medutim, prema podacima DelЬart-a i Ravery-a [7], transformacija austenita odvija se sa tako malom brzinom, da se ona mo·ze smatrati prakticno zaustavljenom. Zaostali austenit pri hladenju na vazduhu postepeno se transformise u martenzit. Dijagram anizotermnog razlaganja austenita ovog celika (sl. XII-15) pokazuje, da pri vrlo visokoj brzini bladenja (v = 12 000°C/min) 1000.
--·--·--·--·--·-
"'
,
1\с 1 ::.:.-.
----~--
815
С
- -' - · -
"'
Austenit
1
Sl. XII-15 -
2
4
Dijagram anizotermnog razlaganja 2,25 Cr- 1 Мо
8
+ lerll
+ perl,r + Х
lazo
2
8
16 32 64
austenita za
4
16dan
ёаs
celik
tipa
nastaje struktura sitnozrnog martenzita. Pri brzinama hladenja bliskim onima pri elektrolucnom zavarivanju, obrazuje se struktura doпjeg bejnita pracena martenzitom. Ako su brzine hladenja jos nize, opaza se razlaganje austenita bilo sa obrazovanjem ferita i izvesne kolicine zaostalog austenita, Ьilo - pri nizim temperaturama - austenita obogacenog karЬidom, sa izvesnom koliCinom ferita.
ZA V ARLJIVOST HROM-MOLIBDENOVIH CELIKA
339
Celik tipa 2,25 Cr - 1 Мо posle zarenja na 925°С sa zadrzavanjem 30 min, ima sledece mehanicke karakteristike:
и tokи
= aR = с5 (L = KuF = aL
do 55 kp/mm 2 do 30 lq)/mm2 mm) = 30°/о kpmlcm 2
48 24 50 15
Ovi celici, topljeni и bazicnim elektricnim pecima sa dezoksidacijom livnoj ka8ici silikoalu:minijиmom а zatim titanom, imajи sledeci hemijski sastav: и
-
............ · .. ·
0,11 °/о
silicij um · · · · · · · · · · · · · · · · hrom .................. .
0,22°/о
2 10°/о
moliЬden
0,95°/о
mangan ················
0,53°/о
иgljenik
alиminijиm
.. · · ... · ... · · · titan · · · .................. . sumpor ... ········ ·· ·· ···· fosfo·r · .................. .
'
0,019°/о 0,010°/о 0,008°/о 0,015°/о
Ispitivanje pиzanja ovih celika izvrsili sи DelЬart i Constant [2]. Vodeci racиna о vrlo velikom rasipanjи dobijenih rezultata pri ispitivanjи epruveta sa jednakim trajanjem zadrzavanja, ovi su istrazivaci dosli do sledecih naprezanja (taЬlica XII-5), kojima odgovara trajno izdиzenje 1°/о, ili 10 m, pri temperatиrama 525°С i 550°С.
~~"'"'·"·''~'ЈС''=-~щ:со.·. ~ ~с.-с:':·с "·~·с-"'-·-~~;,;,--:"""" -. -.•.-.~~-~.i·;e•"' ~:coc:·:oc~'l:@!t'f~A~11~.,;;.-~~-;o'e-_;-~c;E'3i'-'::C".'ё0"l5""'''-!""'"'"i~"'~'"""'-=:"C§~"C?';cc-~~':::c:c.c:c_:c','cc:c:,~C'~"'~'.';'~:"' Temperatura ispitivanja 525°С
550°С
Naprezanja u kp/mm 2 koja izazivaju
Naprezanja u kpfmm 2 koja izazivaju
--
Trajanje ispitivanja u h
10 000 100 000
1 %-no plasticno izduzenje
lom
8,8 do 11 7,1 do 8,5
11,5 do 16 7,8 do 11
1 %-no plasticno izduzenje 6,4 do 9,2 5 do 6
lom
10 do 12 7,6 do 9,2
Ova ispitivanja dozvolila sи da se odredi maksimalna temperatura eksploatacije delova iz celika tipa 2,25 Cr - 1 Мо, koja iznosi 540 do 550°С. В)
Uslovi zavarljivosti
Pitanja zavarljivosti celika ovoga tipa nedovoljno sи raz)'asnJena и tehnickoj literaturi. Nekoliko objavljenih radova se ogranicava poglavito na preporиke о predgrevanjи celika i to minimиm na 150°С pri deЬljini limova 10 mm, i vise kada deЬljina raste. 22*
ZA V ARLJIVOST CELIKA
340
U predlogu tehnickih uslova za zavarivanje celika ovoga tipa, predvidenih za izradu cevovoda, Americko drustvo za zavarivanje (American Welding Society) preporucuje predgrevanje od 150°С pri deЬljini limova 10 mm i naknadno zagrevanje pri 730°С. Preporucuje se takode opste zagrevanje zavarivanih limova pri 120°С, zatim lokalno predgrevanje na 200 do 370°С i neposredno (bez meduhladenja) posle zavarivanja otpustanje pri 650°С sa zadrzavanjem pri ovoj temperaturi ne manjem od pola casa. Ako otpustanje pri 650°С neposredno posle zavarivanja nije moguce izvrsiti, onda treba primeniti naknadno zagrevanje na 700 do 760°С u trajanju ne manjem od 1 casa. Najznacajniji rad, posvecen zavarljivosti celika tipa 2,25 Cr- 1 Мо, objavio је nedavno Dzej Blend* [8], iz kojeg је pozajmljeno nekoliko interesantnih rezultata.
Т emperatura zagrevanja ('С)
Sl. XII-16 - Uticaj rivanja na tvrdocu spoja iz celika tipa razlicitim
termicke obrade posle zavamaterijala sava i zavarenog 2,25 Cr - 1 Мо, zavarenog vrstama elektroda
Blend је za svoja ispitivanja koristio cevni celik tipa 2,25 Cr-1 Мо i elektrode bazicnog tipa sa jezgrom iz ce1ika tipova 2,25 Cr- 1 Мо i 1 Cr-0,5 Мо.
* Јау
Bland
ZAV ARLЛVOST HROM-MOLIBDENOVIH CELIKA
341
I~pitivanja su pokazala da otpustanje sa temperature 565°С cak i pri zadriavanju u toku 4 h, neznatno utice na struktиrи kaljenja, u koJoj se naporedo sa feritom i bejnitom opaza izvesna kolicina martenzita.
Elektrodo
14
1
А-----+------+--
'
1 - predgrevan1e na 150°С 2-na~nodna zagrevan,e по 700С'
12
З
- bez predgrevanja
4 - bez nolcnodnog rogrevan;o
;;-ю Е
u
е
а.
->< .._
-"'
8
о )о
з
;;:; о
6
--.
с: ....
о "'О
:::> 4
;/
".·.~:-··"'~,;.c~~"·•":;;.""",""""'"'~~~"";.c.""'~~"~~.'":JoQ~.;;~~~~~~~"~q"-"'~-""'20_~~4a~~60~~;~~··~.c;c"".""~~~.::;_~~~~"'~"'c''"'•'=•"':;~i Temperotura ( 0 С)
Sl. XII-17 - Uticaj termicke obrade na prelaznu temperaturu krtosti sava izvrsenog elektrcж:tom tipa 2,25 Cr- 1
Мо
Otpиstanje celika pri 650° sa zadrzavanjem и tokи 4 h dovodi do obrazovanja bejnitnih struktиra; celik posle takve termicke obrade ima zateznu jacinи priЬlizno 70 kp/mm2 • Za razlaganje strиktиra kaljenja potrebno је otpиstanje pri 730°С pri zadrzavanju и tokи. 4 h. Као rezиltat takve termicke obrade metal zavarenog spoja doЪija struktиru Ьlisku ravnoteznoj, sa sledecim щehanickim karakteristikama: aL
о (l
=
51,5 kp/mmz
= 50 mm) =
30°/о
Uticaj temperatиre zagrevanja posle zavarivanja na tvrdocu materijala sava i zone pod иticajem toplote osnovnog materijala graficki је prikazan na slici XII-16. Krive na slici XII.,.16 pokazaju, da zagrevanje izmedи 500 i 600°С sa zadrzavanjem cak u tokи 16 h, nije dovoljna mera za snizenje tvrdoce kako materijala sava tako i osno·vnog materijala и zoni pod иticajem toplote jer tvrdoce ostajи vrlo visoke. Prema tome, otpus-
ZAV ARLJIVOST CELIKA
342
tanje treba vrsiti pri temperaturama iznad 650°С. Pri temperaturi 650°С tvrdoca materijala sava i zone pod uticajem toplote (kriva 5) smanjuje se do 220 НВ. Na slici XII-17 је prikazan pozitivan uticaj predgrevanja 1 naknadnog zagrevanja na temperaturu prelaza u krto stanje.
I V - ZAVARLJIVOST CELIKA TIPA 4-6 Cr- 0,5 Мо
Ovaj tip celika, postojan pri povisenoj temperaturi, nasao је siroku primenu u proizvodnji opreme za industriju prerade nafte. Zavarljivi hrom-moliЬdenovi celici ovoga tipa treba da imaju sledeci hemijski sastav (prema ASTM-A-357-54T): -
~
0.15 °/n mangan . . . . 0,30 do 0,60% silicijum . . . . . . . . ~ О, 50% hrom ............ 4 do 6% ugl 11enik . . . . . . . . . .
-.......
,..
F'-'
moliЬden
. . . . . . 0,45 do 0,65% sumpor . . . . . . . . . . . . 0,030% fosfor ............ 0,040%
< <
Ovi celici treba da imaju sledece mehanicke karakteristike nom stanju: а L = 42 do 46 kp/mm 2 aR > 21 kp/mm 2
и
zare-
~-:::--:---~~--~~--:-:-~---~~__-:-:-___,-= __с_____----:----_,-,~-"'-~~--·-~--~-.••.::-~·'--·-- .-.с-----_-_••-::-'---:_~---·-~--.д.г-т .•~(l-~--:---~~5П."-mm)_"-~~:P2Ek"'-"''~~"c:~~~?,c"'"~?'·"-~~-:-=~-::-,::o.:.:·~:='"'~~"~~~·"'-z·~~---~::o;:~~""?"-~"'"~="'
U otkovcima zavarljivog celika ovoga tipa moze se dopustiti, saglasno tehnickim us1ovima А 182-F-5, do 0,25°/о ugljenika. Savremena tehnologija elektrolucnog zavarivanja ovih celika moze se rezimirati ovako: 1о Zavarivanje jednorodnih celika, izvodi se elektrodama istoga tipa, kao sto је i osnovni materijal, sa predgrevanjem do 300°С. Rastopljeni dodatni materijal posle termicke obrade bez meduhladenja, treЪa da ima sledece mehanicke karakteristike: аL
42 do 56 kp/mm 2 aR > 21 kp/mm 2 о (l() = 50 mm) у 30°/о =
Hemijski sastav rastopljenog dodatnog materijala treba da bude u sledecim granicama: -
ugljenik .......... mangan .......... silicijum .......... nikl ..............
< 0,10% < 0,75% < 0,50% ~
0,40%
hrom ................ 4 do 6% molibden ...... 0,45 do 0,65% sumpor . . . . . . . . . . . . ~ 0,030% fosfor . . . . . . . . . . . . . . 0,030%
<
ZAVARLJIVOST HROM-MOLIBDENOVIH CELIKA
343
2° Zavarivanje raznorodnih metala (heterogeno zavarivanje) vrsi se elektrodama sa predgrevanjem do 300°С ali bez naknadne termicke obrade.
aиstenitnirri
А)
Metalurske osobenosti celika
Uvodenje 6°/о Cr (vidi sliku Х-3) и legиre zelezo-иgljenik, uslovljava nastajanje sledecih pojava: а) sиzenje aиstenitne oblasti sa jednovremenim ~irenjem oЬlasti д-ferita; Ь)
eиtektoidne
pomeranje ljenika;
tacke S ka strani nizih koncentracija
иg
Hem sastov
С = 0,11 Mn О,ЗВ
=
_
900
_ SI
=-
Cr = Мо=
Temperaturo mortenz/tne transformacije
0,44_ ._ __ M,нocunaro=- З85°С ... - -· __Acrз::_ ~ .f__ 5,46 9
0
1-
- - - - - - -·1--·-·
0,42
воь~-==-=·==~-~-~-r-==·=-~~-~~--~-~~~~=A~:~'==~в~o~5°~~:j~=f-~~-~-=l-~~--=i Cr-6RcC
r---::-__1--r-----
?оог-----~--~----~~~--~~+--4------~~~--~-+~
---JERc
fi600~------~-+------~--4-------+-~~-=~~-Ь-~~-------~~~~
.._
'-"
_··:;:···
.
о soor-------r--+-------+--4-------4---~------~~------~~
. .. . ~--·····--~-
Qj 400 ~-
~
~
- .
М5
.... ~---~--~-~-f:=-·· ,· . . . ...· ·" ....==f·'"~·-=§:=··о·.:;д:ссс;;; _ ... . ~--· . ;;; : " " '~·':.:;·с· -; :с ·'":., •с••.
• •..••. --- ........
·с -ссс····
J9Rcc:.
'--г-- 40 Rc
зоог-------r--+-------+--4---~~4---~------~-+------~~
200~------r--+-------+--4-------4---r-------~-+-------+--4
100~------~-+------~--+-------+-~-------44-~------~~
IOsec mm ·!Omin itas !Ocas ldan a~~~-r~~--~~~~~--~~~~~~~~~~----~~~ е з 4 5 2 з 4 5 2 2 з 4 5 з 2 з 4 4 2 з 4 5 10 10 10 10 5
,
s
10
Vreme (sec)
Sl. XII-18 -
Kriva izotermnog razlaganja austenita u celiku tipa 4-6% Cr - 0,5 Мо (С = 0,11; Cr = 5,46; Мо = 0,42)
с)
udvajanje linije А, и sistemи u.gljenicnih celika, sto dovodi do obrazovanja trofazne ob1asti а + у + karЬidi, koja se nalazi и ravnoteznom stanjи pri temperatиrama izmedи 750 i 780°С; d) obrazovanje karbida, koji se odlikиjи smanjenom rastvorljivoscu и austenitи.
Na S-krivama izotermnog razlaganja austenita za celike sa 4--6°/о Cr, i 0,15°/о С (sl. XII-18) zapaza se primetno zakasnjavanje procesa
0,5°/о Мо
ZA V ARLJIVOST CELIKA
344
Sl. XII-19 - и = 750 - Mikrostruktura celika tipa 4-6 Cr 0,5 Мо. Zadrzavanje prтi temperaturi 710°С 2 h, uz lagano hladenje. Iglicasti ferit kao rezultat razlaganja zaostalog austenita. Tvrdoca 200 НВ
Sl. XII-20 - и = 750 - Mikrostruktura celika tipa 4-6 Cr 0,5 Мо. Zadrzavanje pri temperaturi 750°С 4 h, uz hladenje na vazduhu. Izlucivanje karЬida u feritu. Tvrdoca 158 НВ
razlaganja prezasicenog austenita. Transformacija gornjeg bejnita zavrsava se tek posle dvocasovnog zadrzavanja pri temperaturi 650°С. Iz toga proizi1azi znacaj termicke obrade posle zavar1vanJa i uticaja trajanja otpustanja na osobine zavarenog spoja. i osoЬine celika utvrden је u jedn~'J diji autora i Vale-a* [9] na zavarljivim celicima velikih deЬljina, sa sledecim hemijskim sastavom: ugljenik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . О, 15 % mangan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,46 % siliciujm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,3 7 % hrom ........................ 4,43 % rnoliЬden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . О, 52 % nikl ........................ ; . 0,31 % surnpor ...................... 0,016% fosfor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,01 О%
Rezultati izvrsenih ispitivanja pokazali su sledece: а) Uticaj trajanja zadrzavanja pri temperaturi otpustanja је utoliko efikasniji u koliko је temperatura obrade visa; Ь) Zagrevanje pri 710°С dovodi do obrazovanja sitnoiglicastog ferita sa tendencijom ka uvecanju dimenzija zrna (sl. XII-19) ako se zadrzavanje povecava;
*
VаЉ~е
Sl. XII-21 - и = 750 - Mikrostruktura celika tipa 4-6 Cr 0,5 Мо. Zadrzavanje pri temperaturi 870°С 4 h, uz lagano hladenje u peci. Struktura perlita i a-ferita. Tvrdoca 136 НВ
ZA VARLJIVOST HROM-MOLIBDENOVIH CELIKA
345
с) Prve klice karblda pojavljuju se pocev od temperature od 750° sa zadrzava.njem u toku 2 h. Kolicina karbida raste proporcionalno trajanju zadrzava.nja (sl. XII-20) а tvrdoca se smanjuje. Obrazovanje perlitnih stru.ktura је potpuno pri zagrevanju na 870°С (sl. XII-21). Dakle pri temperaturama o~pustanja nesto ispod y-oЬlasti uticaj trajanja zadrzavanja na karkter struktura је Ьitan ako se hladenje vrsi na mirnom v:azduhu. Prema tome, kao termicka obrada posle zavarivanja moze se preporuciti zagrevanje do temperatura iznad 750°С sa hladenjem na vazduhu; ovo pod uslovom da se obezbedi skoro potpuno razlaganj е prezasicenog austenita dovoljno dugim zadrzavanjem u funkciji od deЬljine i mase zavarivanih komada. Medutim ocevidno је da se ovakva termicka obrada moze da primeni samo u slucaju spojeva sa prЉlizno istim momentom inercije ро, celoj dиzini, ili sa slablm иkljestenjem. U slucajи spojeva komada sa promenJjivim presekoш potrebпo је predvideti sporije hladenje da Ьi se olaksala toplotna ravnoteza celog komada. В)
Uslovi zavarljivosti
U saglasnosti sa gore izlozenim, tri metalurska faktora се иticati na zavarljivost celika ovoga tipa: а) primetno pomeranje eиtektoidne tacke S u celikи sa 6°/о Cr; Ь) mala brzina razlaganja ~austenita i temperatиrni nivo pocetka martenzitne transformacije (375°С), koji klasiraju ovaj celik kao celik sa
!L~;.,;;,~.:~~:~,::-:mYi~JL,~~j!;lj,ipj)§~J11·~··"""''"'·::~~""·'..;'~-~·"'·"'·~·•,·o....·::-"=·•"'?.:0:"'~-oc':o'o.,.C_c;c.""~=~~=~~~c;~•c~'I."·~;?.~~~~>c~-"""=''.o_"';;~~~~~~ с)
,,
'!
maia- rastvorljivost karbida и aиstenitи, sto povlaci za sobom и procesu elektrolиcnog zavarivanja samo delimicno rastvaranje karblda и aиstenitи i, shodno tome, obrazovanje martenzita osiromasenog иglje nikom. Termicki ciklиs zavarivanja bez predgrevanja sprecava gornje i intermedijarne transformacije i dovodi do obrazovanja martenzitnih strиk tиra. Predgrevanje а narocito termicka obrada posle zavarivanja, olakSavaju proces vracanja ravnoteznim strиktиrama. Proracun prema obrascи, koji је predlozio autoт, temperature predgrevanja za zavareni spoj iz celika deЬljine 10 mm, ciji је hemijski sastav dat ranije, pokazиje: Hemijski ekvivalentni иgljenik: [C]h = 0,82. Ukupni ekvivalentni иgljenik: [С] = 0,82 (1 + 0,5) = 0,85 odak.le је Тр = 350V' 0,85-0,25 = 275°С, а
za zavarivane limove ,
deЬljine
25 mm ova temperatиra iznosi 290°С.
1. Homogeni spojevi
Jednorodni spojevi sи Ьili izradeni pri zavarivanju celika I, 25 mm; hemijski sastav i mehanicke osoblne ovog celika dati sи ci XII-6.
deЬljine и taЬli
ZA V ARLJIVOST CELIKA
346
TABLICA XII-6 Hemijski sastav i mehanicke osoblne osnovnih materijala 1
Hemijski sastav (%)
Mehanicke osobine u zarenom stanju
Oznaka DeЬljina ---,-------,--____,.---,-----,----с--_ ,1 - - - - - - - , - - - - - : - - - , - limova (mm) нв Mn с Si s р Cr
---·1---- --------------------- - - - - - 1 - - - - - 1 · - 25
I
0,15
0,50
0,35 0,010 0,014 4,7
0,55
37,3
54
30
- - - 1 - - - - 1 - - - ---- 1- - - - - - - - - - - - ----1-----Ј------ - - п
III
29 r
31
0,15
1
0,40
0,12-, 0,40
1
0,14 0,014 0,010 4,1
~28
0,008 0,012 5,07
0,57
48,8
25,2
38
162 ---
162
0-,4-5-1-1-4-8-,9-,--28-,3- -26- -15-0
-
IN
'it=======il~------------- - - ____ __ о.
Osnovn/ materija/
150 '------'---L-':.J-L-д.-L-----'---- ------:----'-'--':..Ј_Ј_-4--~-------! 54 ю
о
ю
5
Rastojanje od ose sava
Sl. XII-22 - Dijagram raspodele tvrdoce jednorodnog zavarenog spoja iz celika tipa 4-6 Cr - 0,5 Мо izradenog elektrolucnim zavarivanjem 'Pr.i razlicitim temperaturskim uslo.vima Kriva 1 : eprиveta А predgrevanje na 300°С, hladenje na vazdи'hи. Kriva 2 : eprиveta В - predgrevanje na 300°С; posle zavarivanja zadrzavanje и peci и tokи 2 h, pri temperatиri 400°С. Kriva 3 : eprиveta С - predgrevanje na 300°С; posle zavarivanja zadrzavanje pri 730°С 2 h. Kriva 4 : eprиveta D - predgrevanje na 300°С; posle zavarivanja zadrzavanje pri В70°С 2 h.
;_=:~::-~-~""--=--с-:==о__"-с_= :_::~
ZA V ARLJIVOST HROM-MOLIBDENOVIH CELIKA
.\
·
347
Zavareni spojevi, izvrseni sa predgrevanjem i elektrodama bazicnog tipa (rastopljeni dodatni materijal ima hemijski sastav priЬlizno jednak sa osnovnim), podvrgnuti su Ьili sledecim termickim obradama pre i posle zavarivanja: 1. Epruveta А: predgrevanje do 300°С; hladenje na mirnom vazduhu bez druge termicke obrade posle zavarivanja; 2. Epruveta В: predgrevanje do 300°С; posle zavarivanja unosenje u рес pri 400°С i sporo hladenje u peci (50°C/h); З. Epruveta С: predgrevanje do 300°; neposredno posle zavarivanja, bez medubladenja, zagrevanje do 730°С u trajanju 2 casa i sporo hladenje u peci (50°C/h); 4. Epruveta D: predgrevanje do 300°С; neposredno posle zavarivanja zag.revanje do 870°С u trajanju 2 cas:a i hladenje na mirnom vazduhu. Ispitivanjima је ustanovljeno jako povisenje tvrdoce u zoni .pod uticajem toplote i u materijalu sava; u slucaju epruvete А (sl. XII-22, kriva 1) i В (sl. XII-22, kriva 2) ta tvrdoca prelazi 300 Brinela. Pri ispitivanju ove dve epruvete povisena tvrdoca је ustanovljena u svim delovima zavarenog spoja, osim centralnih slojeva materijala sava, koji su Ьili podvrgnuti toplotnom dejstvu pri nanosenju narednih slojeva metala. Zagrevanje epruveta posle zavarivanja pri 730°С (kriva 3), i narocito zagrevanje posle zavarivanja pri 870°С (kriva 4) primetno snizava tvrdocu zon е pod 11 tieaj-em--toQlot~~maie~i-jaJa-Sa-va-sve-dG-20 O~ril1e1a~џ-:-&l-ue-aj_u:::-:.=-~:- --"··'~ ---··~- ...,,.
t"'~~~~o"'5"';;.~'.;;:.й€pfuv~tf'~~~ђ~~~ff.В.=..1?Sru~ii]u~~gpri'f1v~f~~~""~"c;,;,""=c~:;c·~'::.'"'~~:o;;,-;:z~""~~=~<":"":'.::::'E"'"'-o;.~"""'==o="=-'~'-
!
Ako se zavareni spoj posle zavarivanja ne podvrgne termickoj obradi otpustanja (epruvete А i В), onda se u zoni pregrevanja otkriva struktura donjeg bejnita (sl. XII-23). Pri zagrevanju epruvete posle zavarivanja do
Sl. XII-23- U = 1800- Epruveta А. Bejнitna mikrostruktura pregrejane zone. Tvrdoca 300 НВ
Sl. ХП-24- U = 1800- Epruveta С. Trustitna mikrostruktura pregrejane zone. Tvrdoca 210 НВ
348
ZA V ARLJIVOST CELIKA
730°С (epruveta С, sl. XII-24) u analognoj zoni nastaje trustitna struktura, а pri zagrevanju do 870°С (epruveta D, sl. XII-25) zapaza se koagulacij а karblda. DoЪij eni rezul ta ti dobro se slazu sa prethodnim ispi ti vanj ima о uticaju termicke obrade na strukturu celika ovoga tipa. Metalografska analiza struktura zone topljenja epruveta А i В (zavarivanje samo sa predgrevanjem), pokazuje iglicasti ferit sa izvesnom orijentacijom zrna (sl. XII-26); u strukturi materijala sava epruvete D (sa termickom obradom posle zavarivanja pri 870°С) opaza se proeutektoidni ferit (sl. XII-27). Iz gore navedenih opita proizilazi, da predgrevanje epruveta do 300°С nije dovoljno za efektivпo poboljsanje metalurske zavarljivosti celika ovoga tipa. Za izjednacivanje mehanickih osoblna u svim zonama zavarenog spoja, neophodno је posle zavarivanja primeniti termicku obradu, narocito kada se radi о zavarivanju debelih limova. Sl. XII-25 - и = 750 - EpruS druge strane, ispitivanjima saviveta D. Mikrostruktura pregrejajanjem, ustanovljeno је, da u zavarenim ne zone (posle zagrevanja na spojevima izvrsenim samo primenom 870°С): ferit + koagulirani perlit. Tvгdoca 185 НВ predgrevanj а bez naknade termicke obrade (epruvete А i В), dolazi do nag-
Sl. XII-26 - и = 750 - Epruveta А. Mikrostruktura zone rastapanja; iglicasti bejnit. Tvrdoca 290 нв
Sl. XII-27 - и 750 - Epruveta D. Feritna struktura zone rastapanja. Tvrdoca 180 НВ
lih lomova dekohezijom, pri uglu savijanja prakticno jednakom nнli; pri tom pukotina nastoje u materijalu sava ра se zatim rasprostire u pravcu osnovnog materijala.
ZA V ARLJIVOST HROM-MOLIBDENOVIH CELIKA
349
Pri ispitivanju zavarenog spoja savijanjem, koji је termicki obraden ,posle zavarivanja pri 730°С (epruveta С), ugao savijanja iznosi 180° pri konvencionalnom izduzenju od 45°/о, kako pri ispitivanju sa lica tako i pri ispitivanju sa nalicja (korene strane) sava. 2. Heterogeni spojevi VideЦ smo, da u jednorodnim (homogenim) spojevima, koji nisu podvrgnuti termickoj obradi posle zavarivanja, dolazi do intermedijarne transformacije Ar" sa obrazovanjem donjeg bejnita, kako u zoni rastapanja tako i u zoni pod uticaj em toplote. Deformaciona sposobnost takvog zavarenog spoja је vrlo slaba а pri ispitivanju savijanjem zapaza se nagli lom. U tim usiovima, logicno је pretpostaviti, da se primenom austenitnih elektroda moze povisiti zilavost zavarenog spoja i izbeci, zahvaljujuci tome, termicka obrada posle zavarivanja, koju је u praksi cesto nemoguce izvrsiti. · U americkoj praksi u tom cilju se za zavarivanje prepoтucuju elektrode iz austenitnih celika а i to posebno iz vatrostalnih celika sa 25°/о hro,ma i 20°/о nikla. Opsta zavarljivost heterogenih spojeva u .tom slucaju је odredena sklonoscu ka pojavi prslina u zoni rastapanja i u granici rastapanja. Sklonost ka pojavi prslina zavisi pre svega od hemijskog sastava nanetog dodatnog materijala. Za izucavanje zavarljivosti ovakvih spojeva moze se koristiti Seflerov dij agram. Poznato је, da zavareni spojevi iz raznorodnih metala, na primer
--...-... --=."-,;.-.~"-~,--"~-.,"-?-:.;,-<="§.!Y'R.,..,Qoij,~=ymi.-.~+-iz.,_c-4f;..,..~_rim~~l:i~?-~-a~reni--au.stenitnim-elt:=ktr-e4aтa_.{vidi-G-la~~-------1
..
.
••
"ХI),ТrеЂа
cfa 1m.a.]u mater1jai~~va~s1f~o'tl'FE:Ш:eW'o~m~stru1H'moffi::cauStenit~:~.~~;~~"'~~=~"':~""'
ferit, posto se cisto austenita struktura odlikuje povisenom sklonoscu ka pojavi prslina u toplom stanju. Tacka koja odgovara hemijskom sastavu hrom-moliЬdenovog celika sa sadrzajem 4-6°/о hroma i 0,5°/о moliЬdena na Seflerovom dijagramu, nalazi se u martenzitnoj oЬiasti (u okolini tacke В) sa koordinatama: (Ni) = 4, (Cr) = 6,25 (sl. XII-28). Tacka, koja odgovara hemijskom sastavu zone rastapanja, treba da se nalazi u dvofaznoj oЬlasti у + о sa oko 5 do 10°/о ferita oko tacke А. Osim toga, pozeljno је izbeci obrazovanje austenitne strukture u granici rastapanja usied mesanja dvaju raznorodnih metala. Prema tome, tacka А treba da se nalazi u ne,posrednoj Ьlizini prave ВО, koja povezuje tacku В (koja odgovara hemijskom sastavu osnovnog materijala) sa tackom О preseka pravih, koje razdvajaju oЬlast у od oЬlasti у+о. Polozaj tacke А tj. hemijski sњstav dodatnog materijala, moze se potpuno tacno odrediti bilo preko stepena mesanj а, Ьilo preko zahtevane kolicine o-ferita u materiialu sava. Na primer, ako је zadani stepen mesanja 30°/о (ОА = 1/3 АВ). onda se moze naCi, da dodatni materijal treba da ima 7°/1} ferita, sto је potpuno prihvatljivo. U tom slucaju koordinate tacke А iznose: (Ni) = 14,7 i (Cr) = 23. Kada se ustanove koeficijenti ekvivalentnosti (Cr) i (Ni), lako је izabrati elektrodu za zavarivanje; u datom slucaju to је austenitna elektroda tipa 20 Cr-10 Ni.
.r
ZA V ARLJIVOST CELIKA
350
U americkoj praksi, kako је vec gore pokazano, zavarivanje ovog celika se vrsi cisto austenitnim elektrodama tipa 25 Cr - 20 Ni. Tacka koja na Seflerovom dijagramu odgovara hemijskom sastavu ovoga dodatnog materijala, nalazi se u okolini tacke F austenitne oЫasti, sa koordinatama: (Ni) = 24, (Cr) = 26. Prava BF nalazi se u austeпitnoj oЬlasti, ра se stoga u datom slucaju verovatnoca pojave prslina bltno uvecava.
Sl. XII-28 · - Seflerov dijagram primeцjen · za analizu zavarivanja raznoгodnih spojeva i.z celika sa 4-60fo Cr austenitnim elektrodama
Za zavarivanje celika razmatranog tipa mogu se takode primeniti elektrode iz vatrostalnog celika ti,pa 25 Cr - 12 Ni, ciji hemijski sastav (sastav rastopljenog dodatnog materijala) odgovara tacki Е sa koordinatama: (Ni) = 16, .(Cr) = 25. Odgovarajuca tacka nalazi se na produzetku prave ВО, i pokazuje, da u rastopljenom dodatnom materijalu sadrzaj ferita dostize 8°/о. Stepen mesanja u granici rastapaпja iznosi 40°/о i u njoj se jos odrzava izvesna koliCina feritne faze. Teorijski је dakle verovatno, da се spojevi iz feritnog celika tipa 4-6 Cr-0,5 Мо, zavareni elektrodama iz celika tipa 25 Cr-12 Ni, biti teorijski dobri, bez velikog rizika da се ·se pojaviti ,prsline. З.
Proucavanje heterogenih spojeva
Pri zavarivanju limova iz celika п deЬljine 29 mm, ClJl Је hemijski sastav dat u tablici XII-6, dobijena su dva raznorodna spoja:
ZAVARLJIVOST HROM-MOLIBDENOVIH CELIKA
351
1. Spoj F: zavarivanje ovog raznorodnog spoja izvrseno је austenitnim elektrodama tipa 20 Cr-10 Ni-3 Мо· sa predgrevanjem limova do 300°С i hladenjem poiSle zavarivanja na mirnom vazduhu. 2. Spoj G: zavarivanje raznorodnog spoja iz.vrseno је austenitnim elektrodama tipa 25 Cr-20 Ni sa predgrevanjem limova do 300°С i hladenjem posle zavarivanja na mi~nom vazduhu. Analiza dijagrama n.a slici XII-29, pokazuje da је tvrdoca materijala sava u raznorodnim spojevima (krive 2 i 3) priЬli.Zno jednaka tvrdoci u jednorodnom zavarenom spoju С (kriva 1), izvrsenom sa predgrevanjem Lona pod
Zono pod uticoJem toplote
(ZUT)
360 Mater1al Sava
1 Osnovn/ moter/jal moterifal
320 ""' CQ
300~
1
Osnovnl
280
1
\-.-~-.:-
_ __.__
1
...
CQ
\\·---.....-. 4·! .
Qj .Е
о
ј __._ ___ .
.
_
"~
о
-;t---.A--.A...-/
260 о •џ
240
.g... >
2201200
180
---------+---~f-fi''Y-:7'""'JJ-~-----•-э-r-----------"'-l-~
20
75
10
5 Rastojanje od ose savo (mm)
Sl. XII-29 -
Dijagram raspodele tvrdoce raznorodnog zavarenog spoja iz celika tipa 4-6 Cr - 0,5 Мо.
Kriva 1 : jednorodni spoj С - Predgrevanje na зооос; posle zavarivanja zagrevanje na temperaturi 730°С u toku 2 h. Kriva 2 : raznorodni spoj F Zavarivanje izvrseno elektrodom tipa 20 Cr-10 Ni-3 мо. Kriva 3 : raznorodni spoj G - Zavarivanje izvrseno elektrodom tipa 25 Cr-20 Ni
do 300°С i zagrevanjem posle zavarivanja do 730°С. Nasuprot tome, u zonama oko sava, gradijent tvrdoce ukazuje na znatne strukturne transformacije u ovim oЬlastima. · · Kriva 2 odgovara raznorodnom spoju F, izradenom austenitnim elektrodama tipa 25 Cr-10 Ni-3 Мо. Karakter strukturnih transformacija u -osnovnom materijalu vidi se ро maksimumima na krivoj tvrdoce, koji dostizu 330 НБ; ove vrednosti tvrdoce mogu se uporediti sa tvrdocom zona pod uticajem toplote epruveta А i В (sl. XII-22), koje nisu Ьile izlozene termickoj obradi posle zavarivanja. Zona pod uticajem toplote osnovnog materijala ima strukturu sitnozrnog donjeg bejnita (sl. хп..:.23) pri veliko·m stepenu mesanja osnovnog i dodatnog materijala, sto izaziva obrazovanje manje koblcine martenzita.
352
ZA V ARLJIVOST CELIKA
Granica rastapanja ima aиstenitno-martenzitnи struktиrи sa tvrdocom reda 300 Brinela. Struktиra materijala sava је dvofazna i sadrzi 7 do 10°/о ferita (sl. XII-30); zapaza se neznatno izlиCivanje karblda и centralnim slojevima, povezano ро svoj prilici, sa ,pojavama otpиstanja pod иticajem toplote narednih slojeva. Ispitivanja savijanjem sи pokazala, da epruvete, zavarene takvom tehnologijom., imajи иgао savijanja 180°, pri izdиzenjи 28 do 30°/о, sa stvarnim нcescem dodatno·g metala. Kriva 3 na slici XII-29 predstavlja promenu tvrdoce и raznorodnim spoju G, izvrsenom aиstenitnim elektrodama tipa 25 Cr - 20 Ni. Strukturne transformacije и osnovnom materijalu ispoljavaju se јасе, nego и prethodnom slисаји. Maksimalna tvrdoca u zoni pod иticajem toplote dostize 320 do 330 НБ, sa sitnozrnom struktиrom donjeg bejnita; stepen mesanja је isti kao i и spoju F. Strиktura materijala sava predstavlja austenitnu mrezи sa vidljivom dendritnom substruktиrom (sl. XII-31).
Sl. XII-30 - и = 1 000- Mikrostruktura materijala sava raznorodnog spoja F. Austenitna osnova sa mrezom ferita (80fo о). (Tacka А u Seflerovom dijagramu, sl. XII-28)
Sl. XII-31 - и = 200 - Mikrostruktura materijala sava raznorodnog spoja G izvrsenog elektгodama tipa 25 Cr 20 Ni. Austenit i dendritna substruktura
Pri metalografskoj analizi ovoga spoj а opazene su mikroprsline р о granicama zrna aиstenita, koje sи na pojedinim delovima presle u prave pukotine (sl. XII-14). Ispitivanja savijanjem eprиveta iz ovog zavarenog spoja sa licem sava u zategnиtoj zoni daju zadovoljavajuce rezultate, ali pri savijanju sa strane korena sava nastaje nagli lom epruveta sa uglom savijanja, prakticno jednakim nиli. Dobljeni rezиltati и dobroj su saglasnosti sa teorijskim pokazateljima koji proizilaze iz analiza Seflerovog dijagrama. Pri zavarivanju celika tipa 4 Cr-0,5 Мо trebalo bi se orijentisati na aиstenitne elektrode sa oЬlogom bazicnog tipa, na primer 20 Cr-10 Ni-3 Мо ili 25 Cr-12 Ni,
ZA V ARLJIVOST HROM-MOLIBDENOVIH CELIKA
353
koje mogu da obezbede rastopljeni dodatni materijal zadanog hemijskog sastava, sa dvofaznom strukturom, radije nego na elektrode koje daju cisto austenitnu strukturu.
DRUGI DEO
ZAVARLJIVOST NISKOLEGIRANIH HROM-MOLIBDENOVIH CELIKA PRIMENJENIH U AVIONSKOJ INDUSTRIJI
Medu specijalnim hrom-moliЬdenovim celicima, celik oznake 25 CD4 ima neosporan industrijski znacaj, narocito, u avionskoj industriji. Ovaj celik se primenjuje u oЬliku limova ili cevi. Tehnologija zavarivanja ovih celika moze se menjati u zavisnosti od dimenzija zavarivanih komada, njihovog polozaja а narocito od deЬljine limova i zidova cevi. Za zavarivanje tankih limova i cevi malih debljina zidova (d = 1 do 2 mm) najradije se primenjuje oksiacetilenski plamen sa ili bez predgrevanja u zavisnosti od tipa celika. Za zavarivanje celika vece deЬljine primenjuje se elektrolucno zavarivanje. Primenjuje se takode zavarivanje elektricnim otporom i sve vise i vise elektro,lucno zavarivanje u zastitnoj atmosferi argona. ---------~-----;,. x~"";;,;,;,;"~,~c~-;..pбst-oji:~s~fe~eeltlta~·~oVega'='fipca~"'-"''k:J)jis§e-'-'"-'-razliкu}U~paP''saifrzaJ:U'E.~c::=~~;-;:zeiд~::::c""" .. ugljenika. U tablici XII-7 naveden је hemijski sastav tri vrste celika, koji se primenjuju u avionskoj industriji: - celik 18 CD 4, meka vrsta; celik 25 CD 4, polutvrd; - celik 35 CD 4 - ,povisene tvrdoce. TABLICA XII-7
celika
гтemperature
Hemijski sastav u %
Vrsta 1
С
Mn
Si
ј
Cr
Мо
1
s
18 CD4 , 0,15 do 0,50 do < 0 20 0,80 do 0,25 doJ ::::; 0,020 mek i 0,20 0,70 - ' 1,10 0,30
Ј
25 CD4 0,22do 0,60do 0,20do 0,80do 0,20do ::::; 0,020 polutvrd 1 0,28 0,80 0,30 11,10 0,30
CD41 0,30 do 0,60 do 0,25 do О, 80 do i0,25 dol 0,35 0,80 0,35 0,35
35 tvrd
Ј1,10
J_!_ransformacjje р
S+P
1
Ас1
Аса
::::; 0,020
::::; 0,035 840°С l 755сС
::::; 0,020
::::; 0,035
::::; 0,020 -::::; 0,020
1
::::;
835°С 755°С 1
о,О35[825°С 75О0 С 1
Prve dve vrste celika (18 CD 4 i 25 CD 5) zavarljive su oksiacetilenskim plamenom uz izvesne predostroznosti, dok se za trecu vrstu celika 35 CD 4, prvenstveno primenjuje elektгolucno zavarivanje. 23 Metalurgija zavarivanja
ZA V ARLJIVOST CELIKA
354
1 -
METALURSKE OSOBENOSTI CELIKA
Dijagram izotermnog razlaganja aиstenita hrom-moliЬdenovog celika vrste 25 CD 4, odgovara klasi С i sastoji se iz dve krive и oЬlikи slova С, koje ogranicavajи oЬlasti brzo·g razlaganja aиstenita; prva oЬlast perlitne transformacije - nalazi se и temperatиrnom intervalи 6507500С, а drиga intermedijarne (bejnitne) transformacije - nalazi se oko 500°С. Izmedи ovih oЫasti nalazi se oЬlast stabllnog aиstenita, ogranicena temperatиrnim intervalom 550 do 650°С. Sa иvecanjem sadrzaja иgljenika od 0,15 do 0,35°/о u celicima ovoga tipa zapazaju se sledece promene: а) temperatиra prevojne tacke С krive perlitne oЬlasti, snizava se od 720 na 670°С, а'· inkиbacioni period se neznatno menja, od 40 na 60 sec; Ь) temperatиra nosa C-krive bejnitne oЬlasti snizava se od 550 na 450°С, а inkиbacioni period do razlaganja prezasicenog austenita se uvecava od 2 na 30 sec; с) temperatиra pocetka martenzitne transformacije Ms snizava se sa 380°С (celik 15 CD 4) do 320°С (celik 35 CD 4). Krive dijagrama izotermnog razlaganja austenita иkаzији jasno na visokи sklonost ovih celika ka bejnitnoj transformaciji.
\l
\
\~
\
\ 1
\~ ЗОsес
t
2_ з 4 5
Sl. XII-32 -
'"
nнn
10 2
2
з 4
.30 min 1 h
IOmin
5
Vreme (sec)
10 з
2
з
4 5
2h
10 4
4h
!Oh
2
з 4
ldan
5
10 s
Dijagram anizotermnog razlaganja austenita hrom-moliЬdeno vih celika (25 CD 4). (F. Wever i А. Rose [15])
__ -.. -----
......----------~----- ..........···-------
~----
-
_.".;;;,._
_
N
w
*
ICA XII-8
т
Oblast
----~-===--- ~~~i~-~ CD --
Ас 1
=
755оС;
Ar'
= 755
~~
4--
Р6 550'С
Ar"
= 575 do
1
-----!
Martenzitna
Ms =
380°С;
'tc
j\
1
1/Ј'
=
755°С; Ас3 = 835°С
Ar' = 755 do 560°С
sastojci kao i za celik 18 @ ,· '4, s tim sto se zapaza иsitn.ja.tl, • • 1' с . va , Је 1g 10а ier1ta. 1·'
1 \\.1i:
380°С
Мј = 275°С
N
Ас 1
=
750°С;
Ас 3
Ar' = 750 do
=
;Ј>
825"(
545°С
Pri 700°С - lamelarni perlit. Pri 600°С ferit postaje igliCast. Pri 550°С tendencija obrazovanja bejnita sa poljima zrnastog perlita
< ;Ј> ::<Ј
L' '-<
....
< о UJ
~
~
~ 1
1
i! \
t
'11(
,, 1
Ar"
=
350°С
560 do ~~:: ос . k 1· Prll'.'$t50 tиra zrnastog per 1ta .ljJl" 1lCaStOg . v , strи · ь · · Od ··оо gorn)eg е)Шtа. :> () l400oC bejnitna polja se transforJQ d' d шl::>и и Sltne ne 1spergovane grи -J'icb. ' 1'
---
35 CD_4___ _
::<Ј о
i,!'l:':
•
--~-~ ~:::·35-0°С; ~~~ .1_
1
1
.
Ist~-~_J_ trukt.иrni '
~- ~e;;k
1
~
~~- -·
zapata se koegz;stenc;ja zrnastog perlita i gornjeg bejnita. Pri - l' v t' 5оо ос n astaJ·e krup n 0 1g " Ь ' 't ko" od ·1cas 'd 1 gorvt ntJl eJ~l t'ruktJl . govara Vl mans еиr1. enovoJ · .s Pri 450°С obrazиje se tankoigliCasti Ьејnit. •
Бejnitna
С~ ~--------~
1!'/:'1
Ас 3 === 840°С do 575°С
Perli1: i proeиtektoidni ferit. · Lamelarni perlit do 700°С, transformise se и zrnasti (granиlarni) sa snizeнjem temperatиra ove oЫasti. Pri 600°С ferit se izlиcuje . и iglicasti obiik.
Perlitna
Cclil< 25
Mf =
250оС
Koegzistencija iglicastog donieg bejnita SЩ~sa donjeg bejnita i martenzitne i martenzita. Tvrdoca dostize 350 НБ q~qove. ili зs нRс ____ ~vrdoca dostize 420 НБ ш 47 HRC
~
Ar" = 545 do 325° U gornjim zonama ove oblasti jos иvek postoji zrnasti perlit. Pri 450°С - krиpnoiglicas.ta strиktиra bejnita, koja se postepeno иsitnjava. Pri 350°С iglice sи veoma иsitnjene.
о
L' .... tJj
tJ t'J
z
о
< .... ~
(')
t'J L' .... ~
Ms =
325°С;
Mf =
225°С
;Ј>
Isti sruktиrni sastojci kao i za celik 25 CD 4, aJi sa tvrdocom od 450 do 500 НБ Ш 47 do 52 HRC -,-.се:==
!1! IJ:I :,_,1 IJI:
:i ~1
1\': :
\'~\
i!:
11: i!''l
i!i!i:
\\;)
~ 1!
1
СА:> с.л с.л
ZA V ARLJIVOST CELIKA
356
U taЬlici ХП-8, sastavljenoj prema podacima Mene-a* (10], navedeni polozaji tacaka transformacije i kriticnih temperatиra trijи oЬlasti Ar', Ar", Ar"', kao i morfoloski karakter struktura tri celika.: 18 CD 4, 25 CD 4 i 35 CD 4. Da dijagramи anizotermnog razlaganja aиstenita celika 25 CD 4 (sl. XII-32) [15] vidi se sirenje feritne oЬlasti na stetи perlitne oЬlasti koja zaиzima vrlo ogranicenи zonи i, sto је narocito vazno, postojanje dobro razvijene bejnitne oЬlasti и temperatиrnom intervalи izmedи 600
sи
i
400°С.
Tako na primer, pri brzinam.a blaёlenja koje se mogu иporediti sa brzinama pri termickom ciklиsи elektrolиcnog zavarivanja, trebalo bi, prema dijagramи, da se javi donji bejnit. Pri nizim brzinama hlaёlenja, koje na primer odgovarajи oksiacetilenskom zavarivanjи, mo,rfoloski izgled strиktиra se priblizava gornjem bejnitи sa izvesnom kolicinom ferita. Za obrazovanje ravnoteznih struktиra, brzina hlaёlenja treba da iznosi priЬlizno 1°C/min. Prema tome, pri zavarivanjи ovih celika nephodno ј е predgrevanj е, stim da se naknadno zavareni spoj podvrgne odgovarajucoj toplotnoj obradi. П
-
USLOVI ZAV ARLJIVOSTI
Usavrsavanjи
zavarljivosti nisko1egiranog hrom-moliЬdenovog celika srednje tvrdoce (sa 0,25°/о С) - najvisi rasprostranjenom и avionskoj i.ndиstriji posvecena su mnogobrojna istrazivanja, koja su dovela do razrade nekih proba za odredivanje sklonosti ka pojavi prslina, kao sto ~'=-'=~'' ~ ~.,.~"~~j~~!:-i!n.ei'-PIOba-1Ц)k~1l"'ltlf_j_~Boleш:at~~i_di Gl_a_yJ.LYIII).__~~----- --- --=--- -- -
-- 6va-~"Ist~~fv.Inj1l=:__:-om'"'o;guCflic"~su~c~aa."~-'se"9lstan:ovi 3с zavisnost"-~izmed:u ~::::-;_-,=--с,с_-_,~_;;;;;;
procesa preciscavanja celika, njihovog hemijskog sastava i sklonosti ka pojavi prslina. Ustanovljeno је, da se и lose zavarljivim celicima javlja prslina, иglavnom и zoni ,pod иticajem toplote, Cija dиZina odreёlиje koeficijent prsljivosti. Razliciti istrazivaci, izиcavajuci иticaj elemenata, koji иlaze и sastav hrom-moliЬdenovih celika ovog tipa, narocito ugljenika i stetnih primesa na njihovи zavarljivost, иstanovili sи sledece: а) celici, topljeni и elektricnim pecima, manje sи skloni pojavi prslina, nego celici tog istog hemijskog sastava, topljen и Martinovim bazicnim pecima. Uz to, posebna obrada preciscivanja umanjиje sklonost ka pojavi prslina u celicima, topljenim bilo и elektricnim, Ьilo и Martinovim bazicnim pecima; Ь) nije utvrёlen odnos izmedи velicine zгna (odredeпoj ро metodi Mak-Kejd-En) i sklonosti ka pojavi prslina; с) pri ispitivanjи celika sa niskim sadrzajem sиmpora i fosfora i ugljenika do 0,25°/о nisи zapazene prsline. Sklonost zavarenog spoja ka pojavi prslina se izrazava cim sadrzaj иgljenika premasi 0,27°/о; d) sklonost ka pojavi prslina raste uglavnom sa иvecanjem sadrzaja sиmpora; иstanovljeno је, da zbirni sadrzaj sumpor + fosfor treba da Ьиdе manji od 0,035°/о; • Meynet
ZA V ARLJIVOST HROM-MOLIBDENOVIH CELIKA
357
е) sklo·nost ka pojavi prslina raste sa porastom brzine hladenja, sto иslovljava neophodnost primene predgrevanja zavarivanih limo·va и onim slиcajevima, kad sadriaj иgljenika premasa odredenи granicи.
U taЬlici ХП-9 navedeno је nekoliko hemijskih sastava hrom-moliЬ denovih celika, koji nisu pokazali sklonost ka pojavi prslina pri ispitivanjи zavarljivosti probom Foke-Vulf. TABLICA XII-9 Hemijski sastav celika
и
% Nacin topljenja i dezoksidacije
с
Mn
Si
s
р
Cr
Мо
0,28 0,32 0,35 0,35 0,34 0,30
0,60 0,69 0,65 2,21 0,60 0,81
0,31 0,33 0,33 0,27 0,25 0,24
0,015 0,005 0,003 0,017 0,023 0,022
0,012 0,036 0,032 0,027 0,014 0,031
0,90 0,98 1,04 0,95 0,96 0,95
0,19 0,21 0,17 0,20 0,20 0,21
0,29
0,77
0,24
0,017
0,034
1,0
0,21
U elektropeCi U elektropeci U elektropeCi U elektropeCi Dezoksidacija siliko-kalcijumom Dezoksidacija: prva aluminijumom, а druga - siliko-kalcijumom. Dezoksidacija: jednovremeno f"eromanganom i ferosilicijumom.
1
А)
Oksiacetilensko zavarivanje
Pri zavarivanjи niskolegiranih hrom-moliЬdenovih celika neophodno brizljivo regиlisati gasni plamen i odrzavati ga neиtralnim. Cak i mali visak kiseonika и plamenи dovodi do oЪrazo·vanja oksida hroma, Cije је odstranjivanje nadalje otezano, а takode dovodi do obrazovanja gasnih mehиrova i poroznosti. S drиge strane, visak acetilena dovodi do naиglj enisanja metala, sto znatno иvecava krtost zavarenog spoja. Medutim, pri zavarivanjи cevi tankih zidova, primenjиje se plamen se vrlo malim viskom acetilena. Pri zavarivanjи ovih celika jacina gorionika se ogranicava na 75 litara ро milimetru deЬljine osnovnog materijala. Као dodat-гri п1aterijal pri zavarivanju ovih vrsta celika preporucujи se celici razliciЬih vrsta: а) niskoиgljenicni celik sa snizenim sadrzajem sиmpora i fosfora: је
- иgljenik . · · · · · ·. · · · · · · · · · · · · --- mangan ... ·· · · ·· · · · · ·· · · · ·· · --- silicijum . · · · · · · · . · · · · · · · · · · · sumpor ··. · · · · · · ·· · · ·· · · · · · · · - fosfor ····· · ·· · · · · · · ·· · · · · ·· ·
0,06 do 0,10°/о 0,35 do 0,50°/о 0,07 do 0,15°/о
< <
0,02°/о 0,02°/о
ZA V ARLJIVOS'l' ё:ELIKA
358
-----
Ь) Hгom-moliЬdenov celik iste vrste, ali sa manjim sadrzajem ugljenika nego u osnovnom materijalн (18 CD 4, taЬlica XII-7). Pri zavarivanju ovim dodatnim materijalom visak ugljenika (С> 0,30°/о) izaziva stvaranje viskoznih troski i poroznih savova (neophodno је predgrevanje). Visak hroma (Cr > 2°/о), pri niskom sadrzaju ugljenika, izgleda da povisava tecljivost trosкi i doprinosi lepom izgledu lica sava; medutim, takav sav је sklon pojavi prslina. Pri oksiacetilenskom zavarivanju primenjuje se takode dodatni materijal sa povisenim sadrzajem mangana i silicijuma (Mn = 1°/о, Si = 0,35°/о). Pri zavarivanju komada malih deЬljina iz celika 25 CD 4 prednost se daje niskougljenicnom dodatnom materijalu, koji daje elastican spoj а relativno nisku jacinu materijala sava moguce је kompenzovati nadv·isenjem sava. Dodatni materijal iz niskougljenicnog сеИkа primenjuje se u svim onim slucajevima kada se zavareпi spoj posle zavarivanja termicki ne obraduje. Ako on treba da radi u uslovima. visih naprezanja, onda se primenjuje dodatni materijal iz hгom-moHbdenovog celika а zavareni spoj se posle zavarivanja podvrgava zarenju. Povrsine zavarivanih ivica pre zavarivanja treba ocistiti od povrsinskih oksida, ulja, masti i Ьо·је. Masnoce koje cesto· zaostaju u unutrasnjosti cevi ,posle izvlacenja, sagorevaju u procesu zavarivanja i obogacuju zavareni spoj ugljenikom sto objasnjava pojavu u materijalu sava polja
~-'--"'"~'"~~ -·"'":~'·ill-O_Vcls_e_p=~,dp:f~~""~§!~Rg:g~~~B-;;~~-~~-g~~::'o',,~,,"""·~"'-"'ё;-,"~,.··~ =-~ "о:=.=-::_:;,::-~ ,~~~;-~_::-::;;.~о.=~~~~"~;:~:;~~;~~~ј1.
OsoЬine
oksiacetilenski zavarenih spojeva
U vezi sa oksiacetilenskim zavarivanjem izvrsen је veliki broj ispitivanja na najrazlicitijim vrstama osnovnog i dodatnog materijala. Osim statickih oblcnih ispitivanja, vecina se odnosila na ponasanje zavarenih spojeva prema zamoru. Ne mozemo navoditi sve rezultate ра se ogranicavamo na navodenje najvaznijih rezultata ispitivanja koje su izvrsili Bollenrath,* Cornelius*, Doussin* i drugi, pri zavarivanju celika 25 CD 4. U tablici XII-10, prema podacima Kornelius-a (11], navedene su mehanicke osoЪine suceonih spojeva, zavarenih sa dodatnim materijalom razlicite vrste. Osnovni materijal deЬljine 1,2 i 2 mm imao је sledeci hemijski sastav: -
ugljenik .. · · · · · · · · · · .... mangan ················ silicijum · · · · · · · · · · · · · · · · hrom ···················
0,26°/о
moliЬden
0,20
0,60°/о
sumpor ... · ... · .. · ... · .. · fosfor · · · · · · · · · · ·. · · · · · · · · ·
0,010°/о
0,30°/о
1
* Bolenrat, Kornelius, Dusen
°/о
°/о
0,015°/о
ZAV ARLJIVOST HROM-MOLIBDENOVIH CELIKA
TAВLICA
359
XII-10
;
Hemijski Sa$tav dodatne zice (%) DeЬljina
Precnik dodatne zice (mm)
limova (mm)
Zatezna jaCina (kpfmm 2)
1
с
Mn
Si
Cr
Мо
-
-
Materijal sava posle termicke obrade 1)
Materijal sava
1
--1,2
1,5
0,08
0,59
0,07
1,2
1,5
0,18
0,57
0,26
0,74
1,5
0,18
0,57
0,26
0,74
2,0
64
93
0,16
64,5
97( 2)
0,16
64
93,5
1
r)
850°С
Te:mnic.kJa obDarda: kaljenje sa
u ulju, zatim otpustanje pri
600°С и
toku
0,5 h. 2 )
LO!lll u OSIIIOWliom
izvarn zone pod
utica:j~em
toplote.
U taЬlici XII-11 navedeni su rezultati ispitivanja zamora zavarenih cevi pri naizmenicnom savijanju, koja su uzvrsili Kornelius i Bolenrat [12]. Sa а_ 1 oznacena је jacina zamora osnovnog materijala, а sa <1'-1 jacina zamora zavarenog spoja.
TABLICA XII-11 -
"
-
----
·-
-
--
··--- ---·
-
--
·;.,~~~,-'·_·с; ---""-~-~~"""·~·;__ ~~-с1~~~"" '•":-~~.?>'--'- ,. ; .'.'·" ='Meblinicke"osOЂiпe~osnov'""' ~~кarak:teristike~avarenog"',"''
' 1
Vrsta spoja
!
тerm1c 'Vkа
i
nog materijala (nezavaren)
obrada
1
1
spoja
aL
о
a_l
а'-1
а'-1
(kp/mm 2)
(%)
(kp/mm 2)
(kp/mm 2)
aL
1
1
1
а'-1 б-1
1
Osnovni materijal, nezavaren Suceoni spoj Suceoni spoj
!
1
i
bez
т. о.
73,5
9,5
29
1
bez
т. о.
69
9,5
1
Т. О.- А
83
12,9
-
1 1
!
Suceoni spoj
1 1
Т. О.- в
113,5
Suceoni spoj
1 1
Т. О.-
с
Suceoni spoj
1
Т. О.-
D
!
1
Suceoni spoj Ugaoni spoj 1
-
-
1 1 1
-
0,19
0,45
17,1
0,20
0,59
13
1
-
15,7
0,14
0,54
104,5
5,8 7,4"
-
20,6
0,20
0,71
90
8,6
-
19,9
0,22
0,68
11,0
-
20,1
0,24
0,69
Т. О.- Е
85,4
bez
-
т. о.
1
1
-
-
1
1
1
-
17,1
0,59
1
Termicka obrada, oznacena indeksima А, В, С, D, Е, u taЬlici XII-11, odgovara sledecim rezimima: А= hladenje na vazduhu posle zagrevanja do, 840°С; В = koljenje u ulju sa 840°С; otpustanje pri 500°С u trajanju ро1а casa;
1
1
ZA V ARLJIVOST CELIKA
360 С=
D
=
Е
=
kaljenje u ulju sa pola casa; kaljenje u ulju sa pola casa; kaljenje u ulju sa pola casa;
840°С·
otpustanje pri
'
550°С
и
trajanjи
·840°С·
otpиstanje
pri
600°С
и
trajanjи
840°С·
otpиstanje
pri
650°С
и
trajanjи
'
'
Iz analize navedenih rezultata ispitivanja izlazi, da је granica zamora zavarenog spoja u opstem slиcaju manja od 20 kp/mm 2 , а da odnos granice zamora prema zateznoj jacini zavarenog spoja a'-tfaL iznosi priЬlizno 0,20 izиzimajuCi epruvete, termicki oЪradene prema rezimu В. NajЪolji rezultati dobljeni su pri ispitivanjи zavarenih spojeva posle kaljenja u ulju sa otpustanjem pri 650°С (rezim Е). Odnos а' - 1/11_ 1 pokazuje, da granica zamora zavarenog spoja, izvrsenog oksiacetilenskim zavarivanjem, iznosi, u najmanju rиkи, polovinи od granice zamora osnovnog materijala. Као sto је vec ranije Ъilo pokazano oksiacetilensko zavarivanje spojeva iz celika 25 CD 4 moze se izvrsiti sa dodatnim materijalom Ъilo iz mekog niskoиgljenicnog' celika, Ьilo iz niskou.gljenicnog hrom-moliЪdeno vog celika. а'_ 1
i
1
1 1
i
а:
320
60
±--------------'~ 55
г i 1
i
30 25 20
15 10
Rastojaпje
5
о
od
оsг
10 15 20 25 sava (mm)
5
Sl. XII-33 - Mikromehanicke osoblne pri ispitivanju smicanjem zavarenog spoja iz celika 25 CD 4 izvrsenog oksiacetilenskim zavariVJanjem sa dodatnom zicom 18 CD 4 (aLs, aRs, Н2 ) ili dodatnom zicom iz niskougljenicnog C.eHka (tvrdoca Ht). Uticaj otpustanja pri zavarivanju ogleda se u padu tvrdoce na rastojanju izmedu 15 i 20 mm od ose saVIa
Na dijagramи sl. XII-33 pokazana је promena mehanickih osoЬina (mikromehanicko ispitivanje smicanja ро Sevenaru) i mikrotvrdoce zavarenih spojeva iz celika 25 CD 4, izradenih oksiacetilenskim zavarivanjem
ZA V ARLJIVOST HROM-MOLIBDENOVIH CELIKA
Ј,
'·
361
sa dodatnim materijalom iz niskoиgljenicnog celika (0,08°/о С) i hrom-moliЬdenovog celika 18 CD 4. Na ovom dijagramи se vidi nagli pad mehanickih karakteristika materijala sava nezavisno od tipa dodatnog materijala. Pri zavarivanjи sa dodatnim materijalom 18 CD 4 jacina smicanja aLs iznosi priЬlizno 37 kp/mm2 (а CJ1_s osnovnog materijala је 50 kp/mm2) pri tvrdoci reda 230 НВ. U zoni pregrevanja mehanicke karakteristike naglo rastи, na primer tvrdoca na rastojanjи sve do 18 mm od ose sava iznosi 280 do 300 НВ. U zoпi zarenja tj. na rastojanjи preko 18 mm od ose sava, tvrdoca se ponovo smanjиje, sto иkаzије na omeksavanje и ovoj zoni.
2. Metalografska analiza oksiacetilenski zavarenih spojeva Prouciceпю
tri tipa zavarenih spojeva iz osnovnog materijala celika 25 CD 4 deЬljine 4 mm: а) jednorodni spoj izraden primenom dodatno·g materijala 25 CD 4; Ь) polи-raznorodni spoj izraden primenom dodatnog materijala 18 CD 4; с) raznorodni spoj izraden primenom dodatnog materijala iz niskouglj enicnog celika. Hemijski sastav osnovnog i dodatnih materijala naveden је и tablici XII-12. -·., Hemijski sastav u %
===================~-~~~=,.---
С
Ispitivani materijal
1
Mn
Si
Cr
1
Мо
S
Р
------------- ---1---1---1---'---1----1'---Osnovni materijal celik 25 CD 4
0,27
0,57
0,28
0,94
0,20
0,012
0,010
Dodatni materijal celik 25 CD 4
0,24
0,80
0,22
0,84
0,20
0,005
0,010
Dodatni materijal celik 18 CD 4
0,18
0,45
0,23
О, 77
0,36
0,010
0,012
Dodatni materijal niskougljenicni celik
0,08
0,42
0,12
0,020
0,018
~====---===·====~~--~~
1·
'-~~~~---
-
-
-
U svim ovim spojevima mikrostrиktиre zona pod иticajem toplote osnovnog materijala sи slicne а razlike postoje samo и mikгostruktиrama zone topljenja i granice rastapanja. Zareni osnovni materijal, celika 25 CD 4, ima feritno-perlitnи struktиrи sa vecim sadrzajem perlita и poredenjи sa иgljenicnim celikom, koji sadrzi istи takvи kolicinu иgljenika (0,25°/о С). Zona pod иticajem toplote pocinje na oko 20 mm od ose sava sa koagulacijom perlita (sl. XII-34); zatim blize materijalи sava; и zoni
362 i
ZA V ARLJIVOST CELIKA
pregrevanja, na rastojanju oko 10 mm od ose sava, zavrsava se kompletnom bejnitnom transformacijom, (sl. XII-35). а) Materijal sava jednorodnih spojeva, izradenih primenom dodatnog materijala 25 CD 4, sastavljen је od strukture sitnoiglicastog bejnita (sl.XII-36). Pojava donjeg bejnita u zoni pregrevanja zapaza se ро uvecanju tvrdoce (sl. XII-33).
1
i
1
/1
1
~~li~J~;;v cel~ ~~ 4." iif~~=
:1 .
Ј
L
;5 struktura zone transformacije А1Аз osnovnog materijala. Koagulirani
је
и
= 125 - Hromcelika 25 CD 4. Sav izraden oksiacetilenskim zavari-
Sl. XII-35 moHbdeнov
:, !... "-о?~~~.. "'----.с~~~~~~~~~~~~""~~~=~ =-::-_. ,=...·.. ....... --- ·· ·· -.--,----·~.-.."~--'"" ,.- · ··ЈL:ед::ђ.1~~~-..... · -- · ,,---..- ··-.. ... .... . ..... __ •. • . •• _•. ~~'" '·'"'•-c----"'~~'\ЦW~~~9:~t.щlrt:чrcr:~r~gr,:ejaц~ "- .... _: .. --:::-:::~:-::-::-~::::- .. ·-~·-- ~·
-----~~·······,·~-=···-==== ·==·=~~=-=====·--z-one~:-Iglicasti~b'e:jnit'--
11
Sl. XII-36 - и = 150 - Mikrostruktura materijala sava .izvrsenog oksiacetile.nskiш zavarivanjem dodatnom zicoш iz ceHka 25 CD 4. Iglicasti ferit koji se obrazovao kao rezultat . intermedijarne transformacije Ar"
Sl. XII-37 - и = 150- Mikrosava izvrsenog oksiacetilenskim zavarivanjem dodatrюm zioom iz celika 18 CD 4. Mreza ferita i perlita stUiktuгa
~--~····-=-----~:
ZA V ARLJIVOST HROM-MOLIBDENOVIH CELIKA
f,
363
Ъ) Za zavareni spoj, izraden dodatnim materijalom 18 CD 4, transformacije u zoni pod uticajem toplote analogne su gore opisanim, а u zoni rastapanja, manje zakaljenoj, opaza se struktura gornjeg bejnita, koja odgovara intermedijarnoj transformaciji (Ar"). Ova struktura se sastoji iz granulita (sitnodispergovanog perlita) i krupnozrnaste · feritne mreze (sl. XII-37). U granici rastapa:nja opaza se smesana struktura proeutektoidnog bejriita i donjeg bejnita. с) Zona rastapanja zavarenog spoja, izradenog dodatnim materijalom iz niskougljenicnog celika ima strukturu koja odgovara perlitnoj transformaciji (Ar') sa krupnozrnasto·m feritnom mrezom i koaguliranim karbldom (sl. XII-38). Granica rastapanja је potpun:::> Sl. XII-38 - V = 150 - Mikroodredena postojanjem dve strukture: struktura sava izvrsenog oks iacetiferit i donji bejnit. lenskim zavariv.anjem dodatnom zicom iz niskougljenicпog celika. Zavarivanje celika 35 CD 4. Struk- Feritna mreza i fine izlucevine karture zone pod uticajem toplote osnovblda nog materijala analogne su strukturama odgovarajuce zone z.avarenog spoja 1
------i-·~~.-ali-mneg~--ffi-t.nezmast-ij~ak-.eг-:na-pr4meг,-u-:z.ofii=t>~-:--:·:::~-~~
~~~,=-~~~~g::rev-aп:ra-zapa-za-~~wio~rш~l-gПcastt~вe]ffi~t;:~"Sћ~й1Ctuf~'-"·filai~t]a1a'"-sava~··--~~C-~". """~±~=С ! analogna је strukturi gore razmatranog spoja (sl. XII-36). i
В)
Elektrolucno zavarivanje
Za elektrolucno zavarivanje celika ovog tipa oblcno se primenJUJU elektrode sa oЬlogom bazicnog tipa i jezgrom jednakog hemijskog sastava sa zavarivanim celikom. Transformacija u zoni pregrevanja uslovljava potrebu predgrevanja izmedu 20 i 300°С u zavisnosti od hemijskog sastava, oblik i dimenzija zavarivanih delova. Tehnicke sluzbe francuske avionske uprave, postavljaju odredene zahteve za prijem elektroda koje se koriste za avionske konstrukcije. Mehanicke osoЪine rastopljenog dodatnog materijala, odredene pri ispitivanju epruveta izradenih saglasno francuskoj normi А 81 302, i sa naknadnom termickom obradom (kaljenje u ulju sa 875°С, otpustanje pri 550°С) treba da udovolje sledecim zahtevima: а L = 85 do 110 kp/mm 2 ; aR > 70 kp/mm 2 ; о (l = 7) > 10°/о; КиР > 7 kpm/ cm 2 . Potrebni kvalitet zavarenog spoja iz celika male deЬljine (manje od 1,5 mm) moze se postici samo pri uslo-vu njegovog izvrsenja od strane visokokvalifikovanog zavarivaca. Postupak elektrolucnog zavarivanja pre svega se koristi za deЬljine iznad 2 mm.
ZA V ARLJIVOST CELIKA
364
U tablici XII-13 navedeni su rezultati opita Korneliusa [11] sa elektro~ lucno zavarenim savovima elektrodama razlicitog hemijskog sastava. TABLICA XII-13 \
Hemijski sastav elektrodne zice (%)
Debljina Precnik limova elektrode (mm) (mm)
1,2
1,6
1,2
1,6
Vrsta spoja с
Mn
Si
0,12
0,4
0,06
0,10
1,0 1
-
-
0,05
1
Мо
Cr
0,20
1,2
2
0,16
О, ЗЗ
2
2,5
0,10
1,0
0,50
-
з
З,2
0,10
1,0
0,50
-
0,21
0,82
-
U stanju posle zavarivanja
Posle termicke obrade
suceoni
64,5
72,5
suceoni
6З,5
9З,5
suCeoni
67,0
95,0
suceoni
66,0
89,0
66,0 do 67,0
81 do 85
V-zleb sa uglom otvora 80°
1
Zatezna jaCina rastopljenog dodatnog materijal (kp/mm 2)
1 1
Svi lomovi epruveta p.ri ispitivanju nastali su u materijalu sava. Rezim termicke obra,de: kaljenje эа 850°С u ulju, ISa nakinadnim otpustall1jem pri 550°С toiku ро1а casa.
U taЬlici XII-14 navedeni su podaci Korneliusa (13] о uticaju postupka zavarivanja hrom-moliЬdenovih celika na sklonost zavarenog spoja ka pojavi pгslina; zavarljivost celika odredena је probom Foke- Vulf. TABLICA XII-14 1
Kolicina prslina (%)
- - - - - -Hemijski sastav (%)
---------~---~-
Epruvete
С
1
1
Mn 1
Р
1
ј Мо 1
S
1
Cr
Oksiacetilensko zavarivanje
1
Cev 1 Lim 1
0,23 0,26
0,60 0,50
i 0,020 1
О,ОЗ4
0,005 1,0 0,017 : 1,06 1,06 О, ОЗЗ
!
0,013
0,029
1
i
1
0,011
Lim 2
0,26
З
0,26
0,50 0,50
Lim 4
0,26
0,50
i 0,034
Lim 5
0,25
0,52
l_
Lim
1
0,011
1
1
Elektrolucno zavarivanje
Zavarivanje atomizovanjem vodonika
0,24
о
о
о
0,21
0,7
о
о
0,21
57
0,8
З2
1,06
0,21
з
0,2
о
0,04ЗI 1,06 0,048 0,98
0,21
58
о,зз
46
15
4
0,8
Procenat prslina izrazava odnos kolicine prslina prema duzini sava. Cev 1 ima deЬljinu zida 1 mm i spoljni precnik 28 mm. Limovi 1 do 4, deЬljine 1 mm, proizvodeni su iz iste sarze, ali sa razlicitim sadrzajem
ZA V ARLJIVOST HROM-MOLIBDENOVIH CELIKA
365
sиmpora
i fosfora. Lim 5 proizveden је и elektropeci sa dodatko·m sumpora. Kornelius pripisиje razlicitи sklonost ka pojavi prslina и zavisnosti od postиpka zavarivanja i velicine zona zagrevanja i pregrevanja Eilender i PriЬyl [14] smatrajи, da pojava prslina nastaje pri temperaturi oko 650°С i da је vodonik иzrok obrazovanja prslina. Uticaj vodonika је иtoliko znacajniji, иkoliko је vece zrno celika i ukoliko је sadrzaj nemetalnih иkljиcaka и n;emи veci. 1
BIBLIOGRAFIJ А [1] G. [2] G.
DelЬart DelЬart
i Ravery: Revue Metal., vol 47, 3 (1950), 215. i А. Constant: Rev. Metal., vol. 51, 12 (1954), 845.
[З] Т.
[4] [5] [6] [7] [8] [9]
Noren: Jernkentor a~nnal, 136 (1952), <511; Rev. MetaH., 9 (1954), Extr. 374. О. L. Bihet: Rev. Univ. Mines (Liege), t. VI (1950), 221. Р. Coheur: Rev. Univ. Mines (Liege), t. VII, 10 (1951). L. Harbraken: Rev. Me·tall., vol. 53, 12 (1956), 930. Р. Coheur, L. Habraken, Ј. Hebert: Rev. Metal., vol 47, 6 (1950), 472. G. DeЉart i Ravery: Rev. Metall., vol. 49, 1 (1952), 67. Ј. Bland: Weld. Journ. Suppl., 4 (1956), 181 s. D. Sef€rian i Ј. Vallee: J.ournees d'Etude Equip. Petrolier (Liege 1956), 2е par-
tie, р. 410. [10] G. Meynet: Rev. Metall., v~ol. 51, 6 (1954), 365. [11] Н. Cornelius: Luftfahrthorschung, 15, 3 (1938)_!___!_~~--~---·-~---
_
_
,)~" ·в Р- •-с •--=~ c~cf12J-;;B_oll.enmtlliiiii~Qm.e1iu.s~:?~ch:-miir~-'Eisenhiit1itc:'-'\Юl.c"~l0c.c:o(l9:i7)џ=o563 ;'"'"vо1,~;.12·р4ё::-'"'с"''""~"'~1-~~
(1939), 335; Stahl_ und Eisen, vol. 58, 9 (1938), 241. [13] Н. Cornelius: Arch. fiir Eisenhiitt., 11, 9 (1938), 447. [14] Eilende1· i PriЬyl: Arch. fiir Eisenhiitt 12, 9 (1939), 456; Welding Journ. Suppl., vol. 18, 11 (1939), 425; Welding Industry, 1 (1940), 424. [15] F. Wever i А. Rose: Atlas zur Warmebehandlung Мах Planck Tnst. fiir Eisenforschung, Verein Deutsr.her Eisenhiitten (1954-1956).
1
-t
ZAKLJUCAK
Ј '
1
Tri poslednje glave ovog del;,1 posvecene sи proucavanju zavarljivosti vise vrsta legiranih celika, odabranih na osnovu njihove vaznosti za industrijи, а takode i na osnovи razlika u njihovom ponasanjи u odnosи na postиpke zavarivanja. Autor је takode zeleo da dotakne proЬlem zavarljivosti visokovrednih zavarljivih celika (80/120 kp/mm2), i to pomocu homogenog zavarivanja (feritne elektrode). Znacaj ovih celika se ne moze poreci jer oni sve vise nalaze primenи и razlicitim konstrukcijama. Osim nekoliko ogranicenih pokusaja u industriji, zavarivanje visokovrednih niskolegiranih celika (celici za oklope) feritnim elektrodama jos uvek se nalazi u stanju laboratorijskih istrazivanja. Mozda се nam se prigovo:r:iti sto nije posveceno dovoljno paznje pitanju automatskog zavarivanja. Iscrpnije informacije о ovome pitanju citalac moze da nade u delu D. Seferiana "Les Sodure" ("Savovi"). Treba primetiti da rrietalurski aspekti automatskog zavarivanja i rиcriog
_
Г~~o~~~1~~~Efl§~~~}~fD~~~~~§Ё:{:~~Jf:1FfГ'''cE"?' ј
; \
l t
1 t } 1
svakom posebnom s1иcaju resavati и zavisnosti od primene koja se predvida. Najzad, aиtor је do izvesne mere dodirnиo i tako vazan proЪlem, kao sto sи naponi pri zavarivanjи. Vise риtа је bio u vezi s tim spomenиt znacaj deЬljine zavarivanih limova. U knjizi је ,pokazano da se иticaj deЬljine limova moze izraziti: - na vrstи strиktиra и osnovnom materijalи иsled delovanja na brzinu hladenja; - na obrazovanje sopstvenih napona kao pos1edice ve1ikog temperatиrnog gradijenta koji se· javlja и o>snovnom materijalи. Uz to, o·brazovanje struktиra kaljenja ili intermedijarnih strиktиra dovodi do stvaranja zш1tnih lokalnih nаропа, koji se saЬirajи sa toplotnim naponima. Poznato је, takode, da је иticaj vodonika na ројаvи prslina иtoliko veci, иkoliko sи visi sopstveni naponi u zavarenim komadima. ZЬirni иticaj pojedinih faktora је dakle jasan, te iznad izvesne deЬljine, uticaj napona moze postati dominantan. Tako su se na primer, na zavarenoj konstrиkciji rezervoara velikih deЬljina (80 do 100 mm) iz potpuno zavarljivog niskoиgljenicnog celika, javile prsline pod иtica jem jedino sopstvenih napona bez иticaja struktиrnih transformacija.
t:S
{1
ii
368
~
Ako је moguce do izvesne mere poboljsati mikrostrukturu zavarenog spoja ili ubrzati procese izdvajanja vo~onika putem predgrevanja zavari.· vanih. komada, onda relativno niska temperatura predgrevanja (200 do 1 400°С) prakticno nema nikakvog uticaja na smanjenje zaostalih nарола. ~ Iako metalografska istrazivanja i mehanicka ispitivanja omogucavaju (! odredivanje posledica strukturnih transformacija u osnovnom materijalu, nikakvim ispitivanjima bez razaranja nije moguce utvrditi velicinu i ~.i.' raspodelu napona koji nastaju pri zavarivanju ukljestenih komada. ·.· Za smanjenje nарола predlozeno је nekoliko metoda; mi medutim, !,.:• preporucujemo njihovu upotrebu sa velikom opreznoscu, jer su te iste f metode cesto· uzrok nastajanja novih napona, pri njihovoj nepazljivoj 1' primeni. Tako, na primer, iskivanje savova moze da bude povoljno pri 11 tacno odredenoj temperaturi i vrednostima primenjenog udarnog opterecenja koja zavise od vrste celika; nasu,prot tome otpustanje nаропа putem · lokalnog zagrevanja је cesto nepovoljan faktor. Klasican nacin otpustanja napona је opste zagrevanje zavarenog spoja do 650°С, ako је to 1 moguce. Ako је ova vrsta obrade neizvodljiva, celishodno је ostaviti zavareni spoj u stanju onako kako је posle zavarivanja sa svojim naponima, l;. /,, posto naponi sa vremenom teze izvesnoj ravnotezi. Medutim, ako је Ј1 opasnost od loma velika, treba iskoristiti sve moguce metode za smanjenje ! napona: pгostorni polozaj savova u konstrukciji, priprem.u ivica, postupak 1 zavarivanja, brzinu zavarivanja, itd. Samo visegodisnja praksa moze da li11 pomogne koпstruktoru u izboru pravlinog resenja. ј! N а taj nacin problem sopstvenih nаропа, povezan uglavnom sa koni/ struktivnim aspektima zavarivanja izlazi iz okvira ovog rada. j Ranije је vec spo·meпuto da је Zerbo* nedavno o'bjavio veoma znat cajan rad: "Proble_rn. zaostalih napona i opasnosti od krtih lomova u rr --"-~~-~= --~~~:~:::;:~:~~~na:~~'~:~~e;~~~~~f:Q:~~~;~~-~~~~Ycrr~r~~~9~~--- -- ----;
~1
1
f
1,:1.:,:1
il
1
'·!
l
bismo usmerili citaoca koji zeli da se upozna sa veoma slozenim problemom napona u zavarenim spoj evima.
NEKOLIKO RADOVA IZ OBLASTI NAPONA PRI ZAVARIVANJU Н.
Gerbeaux: Le probleme des contraintes residue1les et les risques de rupture fragile en construction soudee (Problemi zaostalih napona i opasnosti nastajanja krtih lomova u zavarenim konstrukcijama), Soud. et Tecn. Conn., vol.- XII, 3-4 (1959), 109. Ovaj rad sadrzi obimne Ьibliografske podatke. Н. Gerbeaux: Le traitement de detente est-il necessaire а la securite des appareils а pression? (Da li је za sigurnost aparata pod pritiskom potrebna termicka obrada otpustanja?) Soud. et Techn. Conn. vol. V, 11-12 (1951), 251. Н. Gerbeaux: Mesure -du retrait dans 1' assemЬlage des poutre1les par soudure (Merenje skupljanja u zavarenim spojevima I-nosaca) Soud. et Techn. Conn., vol. III, 1-2 (1949), 11.
*
Gerbeaux
369 А.
Audige: Etu,le de la fragilite des aciers coques sur Charpy U et V (Proucavanje krtosti brodskih celika pomocu proba Sarpi-U i Sarpi-V), Soud. et Techn. Conn., vol. Х, 1-2 (1956), 7. Commission XII-I· I. S.: Influence ·du martelage au pistoler sur la resistance а la fatigue par traction des jorints :soudes bout а bout et des tбles portant des attaches soudees (Uticaj iskivanja pistoljem na jacinu zamora istezanjem suceono zavarenih spojeva i limova koji imaju zavarene pomocne limove za stezanje) Studija podneta od strane francuske delegacije u komisiji IX MIZ) Soud. et Tech. Conn., vol. XII, 5-6 (1958), 231. R. Gunert, Н. Alida i L. Heilling: Conditions de martelage d' une soudure pour obtenir les meilleurs resultats en се qui coпcer:ne les deformations et les tensions residuelles (Us1ovi iskivanja sava da Ьi se doblli пajbolji rezultati u pogledu ·deformacija i zaostalih napona) (Saopstenje podneto па javnoj sedпici MIZ), Madrid (1956). R. Gunert: Quelques pointes de vue sur la methode Linde de relaxation des contraiпtes (Nekoliko misljenja о Lindeovoj metodi otpustanja napona) Soud. et Techn. Conn., vol. IX, 7-8 (1955), 177. R. W eck: Idees actueПes sur les tensions residuelles dans les constructions soudees (Savremena shvatanja о zaostalim naponima u zavarenim konstrukcijama), Soud. et Tech. Сопn., vol. П, 11-12 (1948), 249. Н. Ј. Wiester: ProЪlemes de soudage des aciers а haute resistance (ProЪ lemi zavarivanja visokovrednih celika), Soud. et Tech. Conn., vol. XII- 1_ 2 (1958), 25.. _ ····.·._. _ ·-.-•- _··_ --- . --·· __ ..._.....-· __ --~-'·----·~
"~~~~~~ћ~"·~·"·~r~:";;&een~villuЋtron~o;r"'ef!e'ctЂf:=et~iCiuat
···с· ~-----"·"'~·=~~,, • stresses-TProcena d-e]stva. za~-_
ostalih лароnа), The Welding Journ· Suppl. (1949), 193 s. F. Jonasson, Ј. L. Meriam i Е. Р. de Garmo: Effect of certain Blo·ck and Other Special Welding Procedures on Residual Welding Stresses (Uticaj viseslojnog zavarivanja sava u odsecima i drugih s,pecijalnih nacina zavarivanja na zaostale napone zavarivanja), The Welding Journ., П 9 (1946), 492. Е. Р. de Garmo: Preheat vs low and high temperature Stress relief treatments (Predgrevanje u odnosu na termicke obrade otpustanja napona pri nizim i visim temperaturama). The Welding Journ., (1953), 233. D. G. Richards: Relief and RedistriЬution of stresses (Otpustanje i preraspodela napona), А. S. М. Residual Stress Measurements (1952), 129. Е. R. Parker: Stress relieving of weldm.ents (Otpustanje napona nastalih zavarivanjem), The Welding Journ., Suppl. n° 10 (1957), 433 s. Ј. Е. RoЪe'rts: L' influence du soudage et de la liberation des tensions sur la tбle de base (Dejstvo zavarivanja i oslobadanja napona na osnovrni materijal) (S<юpstenje podneto na Godisnjoj skupstini MIZ), Вес, 30. juni 1958. Р. Р. Puzack, М. Е. Schuster i W. S. Pellini: Crack starter tests of shi,p fracture and project steels (Proba zapocinjanja prslina u slucaju brodskih limbva i oklopnih celika). The Welding Journ. Suppl. (1954), 481 s. 0
24
Metalurgija zavari,•anja
0
370 KORISCEN А LITERATURA
Belaiew: La cristallisatioп des metaux (Kristalizacija metala). Institut de Soudure · Autogene (1934), edit., · Paris. В. Ј. Bradsteet: Arc Welding low-alloys Steels (Elektrolucno zavarivanje niskolegiranih celika), British Welding Research Association (1956), G. Thompson, ooit., London. РиЫiс. Congres International des Mines de la Metallurgie et de Geologie appliquee (PuЬlikacija - Medunarodni kongres primenjenog rudarstva, metalurgije i geologije), Paris (1935). L. ColomЪier: Metallurgie de fer (Metalurgija zeleza) (1948). Dunod edit., Paris. L. ColomЪier i Ј. Hochmann: Aciers inoxydables et a.ciers refractaires (NerdajuCi i vatrostalni celici) (1955), Dunod edit., Paris. Yves Dardel: Les conceptions americaines relatives а la trempaЬilite de l'acier (Americka shvatanja о prokaljivosti celika). Public. Centre de Documentation Siderurgique (1948), Paris. Е. Eyt: Les laitiers metallurgiques et leurs reactions (1949) (Metalurske troske i njihove reakcije), Dunod edit., Paris. L. Habraken: Essai de synthese sur la transformation beinitique des aciers (Pokusaj uopstavanja iz ispitivanja bejnitnih transformacija celika) (1957), PuЬlication I. R. S. I. А., Liege. Hume-Rothery: Тhе structure of metals and alloys (Struktura metala i N.
Т.
- ,.~,~o-·"?~·-·~;:·:~:=~:~~~)~~f;;~~~~~tt:~1~;t~tt-{~~;sit~ЪTh~;~~ьf5f;тi~~~~;.iп~~,~;c~~~~~~ dustriju prerade nafte) (1956), Liege. PuЬlic. du Comite belge d'Equipement petrolier, 21 rue des Drapiers, Bruxebl.es. А. Leroy, М. Evrard i G. D'Herbemont: La pratique du soudage et des technique connexes (Prirucnik za gasno zavarivanje i pomocne tehnike) (1954). PuЬlic. de la Soudure Autogene, edit., Paris. Prevod na srpskohrvatskom jeziku, izdanje Privredni pregled, Beograd, 1965 .. F. Maratray: Influence de l'azote sur les proprietes des aciers (Uticaj azota na osobine celika), PuЬlic. I. R. S. I. D., serie В, n° 25 (1954). Metallurgy ој Steel Welding (Metalurgija zavarivanja celika) (1948). British Welding Research Associati01n, ed_it., London. Ј. Negre: Soudure electrique par resistance (Zavarivanje elektricnim otporom). PuЬlic. da la Soudure Auto·gime, edit., Paris. G. Ротеу: Etude des alliages fer-chro.me voisins de la composition equiatomique (Prou.cavanje Fe-Cr legura priЬlizno ekviatomnog sastava) PuЬlic. I. R. S. I. D., serie А, n° 117 (1955). Ma·urice Rey: EquiliЬres chimiques et metallurgiques (Hemijske i metalurske ravnoteze) {1939), Dunod edit., Paris. Prof. А. Portevin: Annexes au cours de metallographie (Dodaci kursevima metalografije). Ecole sцperieure de Fonderie.
371 А.
Portevin: Introduction а l'etude des traitements thermiques des produits metallurgiques (Uvod u proucavanje termicke obrade metalurskih proizvoda) (1934). Etition de la Revue Aciers speciaux, metaux et alliages, Paris (6). Ј. Sebllle: Le sorиdage des aciers inoxydaЬles Cr-Ni pour tubes de surchauffeurs (Zavar:ivanje nerdajuCih Cr-Ni celika namenjenih za izradu cevi pregrejaca) Comite pour l'etude du fluage des metaux aux temperatures elevees (Belgija). R. D. Stout i W. D'Orville Doty: Weldability of Steels (Zavarljivost celika). Welding Research Council, 29 West, 39 th Street New York (1953), Mack Printing Со., Easton, Ра. Traite de chimie minerale, (Prirucnik о mineralnoj hemiji) tome XII, Radio-elements gaz rares, Etude generale des alliage (1934). Masson et Cie, edi t. \Velding Handbook: Iz,danje American Welding Soc., 33 West, 39th street, N. У. 18.
24•
REGISTAR IMENA AUTORA А
BUNK (А. Р.), 197 BUTTERFIELD (Т. L.), 158
ABORN (Т. N.), 271, 272, 273, 277' 295 ADCOCK (F.), 32 ALEXANDER (Р.), 14 ALEXEIEW (Н.), 181 ALIDA (Н.), 369 ANDREWS (W.), 154, 157, 181 APBLETT (W. R.), 295 APTON, vidi UPTON ARNAUD (R.), 31, 296 AUDIGE (А.), 369 АVERY (Н.), 319 в
BACKES (Н.), 157 BARDENHEUER (Р.), 158 BAIN (С. Е.), 41, 42, 48, 59_,_ј)~, 251, 271
с
CAMPBELL (Н. С.), 158, 181, 236, 322 CAREY (Ј. D.), 31 CARPENTER (Н. С. Н.), 41 CARVILLE (N. С.), 236 CHAUDRON (G.), 120, 121, 142 CHEVENARD (Р.), 41, 43, 55, 63, 85, 195, 204, 236, 274, 275, 360 CНRISTENSEN (N.). 110, 114, 116 CHRISTOFFEL (R. Ј.), 315, 317, 322 CLAUSSEN (G. Е.), 319 COHEN (М.), 157 COHEUR (Р.), 337, 365 COLOMBIER (L.), 257, 259, 276, 295,
___зrzo
"'"'i'~~~-,.c"-~2}'~ft3,~7:4;.t:Ш7д~д5_~~c;.;"'"~-=c_~.;,;-~~~~~~--т'''~~"'~~в0NSTAN~(A:}p-~83t"З29r-'-33l,,33S~~3]_9,"'"";~,;:~~~~~--- BANT А (Н. М.), 181, 182, 236, 322 365 BASTENAIRE (F.), 226, 236 СООК (А. Ј.), 283, 296 BASTIEN (Р.), 152, 157, 262, 263, 276, CORNELIUS (Н.), 358, 359, 364, 365 284, 295, 296 COTTREL (С. L. М.), 64, 179, 181, 182, ВА YSINGER (F. R.), 182 188, 190, 197 ВЕСКЕТТ (F. М.), 275 CURRAN (R. М.), 296, 315, 317, 322 BELAIEW (N. Т.), 37, 46, 63, 64, 86, 370
BELJAJEV, vidi BELAIEW BENEDICKS (С.), 58 ВЕNНЕК (Н.), 157 BERG (Ј. ter), 116 BERNARD (Ј.), 236 BERTHET (Р.), 13, 31 BEVER (Ј.), 157 BIERS (Н.), 236 BIHET (0. L.), 337, 365 BINDER (N. 0.), 260, 277, 278, 279, 295, 319 BLAND (Ј.), 340, 365 BLOOM, 319 BOLLENRATH, 208,356, 358, 359, 365 ВОNНОММЕ (W.), 237 BORIONE (R.), 226, 236 BOTTENBERG (W.), 157 BOUTT~ (А.), 296, 322 BRADSTREET (В. Ј.), 179, 183, 188, 190, 197, 370 BREYMEIR (R. Т.), 16 BRIDE (С. Мс), 319, 322 BRILLIE (Ј.), 31, 204, 236 BRIOLA (Ј.), 30, 31 BROWN (R. Н.), 295, 305, 319 r
CERNOV, vidi TCHERNOFF D
DARDEL (У.), 46, 47, 63, 370 DARKEN, 118 DAVENPORT (Е. S.), 41, 42, 48, 63 DEDIEU (Ј.), 262, 278, 295 DELBART (G.), 329, 331, 332, 338, 339, 365 DE LONG, 319, 322 DIGGES (Т.), 188, 189, 236 DITIJEL, vidi DUTILLEUL DOUDKO (D. А.), 31 DOUSSIN (L.), 358 DUMOULIN (L.), 31 DUTILLEUL (М.), 214, 215, 236
DZ DZOMINI, vidi JOMINY
373 Е
EBERLУ (W. S.), 319 EILENDER, 365 ELRATH Jr (Мс Т.), 31 ENZIAN (G. Н.), 236 ЕУТ (Е.), 112, 116, 370 F
FAST (Ј. D.), 92, 116, 157, 158, 180, 181, 182 FIELD, 109, 116, 319 FISCHER (А.), 31 FLANIGAN (А. Е.), 145, 157, 179, 182, 183 FLEISCHMANN (М.), 319 FLOP, 157 FOLKHARD (Е.), 175, 182 FRANKS (R.), 295, 319 FRAZIER (R. Н.), 236 FRY (А.), 129, 131, 157 G
GAGNEBIN (S.), 152, 153, 157 GARMO (Е. Р. de), 369 GAUBERT (А.), 116
HERRES (S. А.), 149, 154, 157, 158, 322 HERTY, 109, 113, 116 HESS (W. F.), 183, 185, .197 HOCHMANN (Ј.), 257, 259, 295, 370 HODGE (Ј. С.), 236 HOLLOMON (Ј. Н.), 46, 63 HOPKIN (G. L.), 154, 155, 157 HORSCHAN (Н.), 157 HOUDREMONT (Е.), 157, 181, 258, 271, 295 НОУТ (S. L.), 18, 301, 322 HULL, 34 HULTGREN (А.), 55, 63 HUME-ROTHERY (W.), 58, 59, 63, 370 HUMMITSCH (W.), 115, 116 Ј
JACKSON (С. Е.), 184, 185, 197 JACQUEROD (А.), 152, 153, 157 JAFFE (L. D.), 46, 63 JAHN (R. Е.), 31 JONES (F. W), 283, 296 JONES (Ј. В.), 31, 179 JOLIVET (Н.), 41, 63 JOMINY (W. Е.), 61, 205 JONASSON (F.), 369
..
~~-~- .~,,, -~~-,~~-~. "'';::~~~h.~ .------~-~,.-,-_.-,_-о·~--------с~------~------------------=-~--,;_Krc.< GERBEAUX (Н.), 172, 182, 368 GIBBS (R. Е.), 106 GILLETTE (R. Н.), 16 GLEDHILL (Р. К.), 92, 93, 116 GOLDSCHMIDT (Н. Ј.), 284, 296 GOODWIN (W. Ј.), 184, 185, 197 GOURD (L. М.), 31 GRANJON (Н.), 181, 201, 206, 236, 240, 305, 310, 322 GRANZON, vidi GRANJON GREEN (W. L.), 31 GREENE (I. W.), 369 GREENE (0. V.), 39, 63 GRENNINGER (В.), 188, 189, 197 GROSS (Ј. Н.), 322 GUERIN (Ј.), 212, 236 . GUNERT (R.), 369 н
HABRAКEN
(L.), 46, 51, 52, 53, 55, 56, 63, 337, 365, 370 HANEMANN (Н.), 71, 72, 86 HARRIS (W. Ј.). 236 HEILING (L.), 369 HENNING, 11 НENRY (0. Н.), 121, 230, 319 HERBEМONT (G. d'), 116, 370 HERBIET (Н.), 322 НERBST (Н. Т.), 31
KIEFFER (G. С.), 277, 295 KILINE (R .. G.), 182 KINZEL (А. В.), 220, 221, 236 KJELLBERG (0.), 91 KLOTZBACH (G.), 157 КО (Т.), 51, 63 KOMMERELL, 211, 212 KORBER (F.), 109, 111, 116 KOZIARSKY Џ.), 169, 181 KRINGS (W.), 111, 112, 114, 116 KRIGER-. (R. Ј.), 31 КRIVOBOK (V. N.), 271 L
LANGMUIR (I.), 14 LARIGALDIE (А.), 116 LA VELLE (Е. В.), 31 LE CHATELIER (Н.), 106 LEDER' (Р. L. Ј.), 31 LEFEVRE (М.), 228, 229, 236 LEМOINE (Ј.), 228, 229, 236 LIEDHOLM, 61, 63 LINNERT, 319 LORIG (С. Н.), 236 LOW (Ј. R.), 228, 236 LUCAS (F.), 39, 57
374 м
Q
MAGEDORN (Н.), 157 MAK-KEJD-EN, vidi QUAID-EHN
QUAID-EHN (Мс), 67, 356 QUIGNA (R.), 236
(Мс}
MALLETT (W.), 146, 147, 157, 171, 182 MANNING (R. D.), 31, 236 MARATRAY (F.), 157. 370 MARTIN (D. С.), 179, 197 MAURER (Е.), 263, 264 МА YSLICH (Н.), 322 MERIAM (Ј. L.), 369 MERRIL (L. L.), 197 MEUNIER (F.), 154, 158, 181 MEYNET (G.), 354, 365 MICLEU (Т.), 179, 182 MILLER, 275 MONEYRON (М.), 97, 100, 101, 116, 147, 148, 156, 157, 225, 229, 231, 236 MONTAGNE (Р.), 11, 31 MONT ANDON (R.) 322 MONYPENNY (Ј. М. G.), 271, 272, 278, 280 MORTON (М. Е. de), 177, 179, 182 MUSATTI (I.), 152, 157
R
RANKINE (А. W.), 296 RAPATZ (F.), 115, 116 RAVERY (М.), 329, 337, 331, 365 REEVE (L.), 145, 157, 169, 170, 181, 210 REGGIORI (А.), 152, 157 REICHHOLD, 236 REY (М.), 116, 370 RIBAUD (G.), 11, 31 RICHARDS (D. G.), 369 RIEPPEL (Р. Ј.), 171, 182 RIKALIN (N. N.), vidi RYKALINE RINEBOLT (Ј. А.), 236 RIV, vidi REEVE ROACH (D. В.), 182, 197 ROBERTS (D. F. Т.), 158, 169, 181 ROBERTS (Ј. Е.), 369 ROBERTSON (Ј. М.), 41, 63 ROBERTSON (Т. S.), 223, 224 ROCHAN-ZAER (А.), 11 31 ROLLASON (Е. С.), 148, 158, 162, 169, N 181 -----NEGRE-(.I.).,_31,_31_Q_______ ROONEY (Т. Е.), 126, 146, 147, 157, 181 ~-~""=-="---=-c-.--NEWEI:fЊ~M~B~}fi!319.::_-::_~~=:-"?"~~=-,__:::__ -о_" ~=--=-=~ROSE-\A~)~-54~~365 ~ ___ _ NIPPES (Е F) 197 --- - -RG"VSGHJ:~D---{G."":R.),;:31-~·.:.=.::_~="'-=-~-o:-"~----. .' ROUX (А.), 146, 157 NORET (Т.), 365 RUTHERFORT (Ј. В.), 271, 295 О RYKALINE (N. N.), 31 OBERНOEFFER (0.), 118 OELSEN (W.), 109, 111, 112, 118 O'NEILL, 209, 210
р
PARANJPE (V. G.), 129, 130, 157 PARKER (Е. R.), 369 PATON (В. Е.), 31 PELLINI (W. S.), 236, 296, 369 PНRAGMEN (G.), 36, 37 PILIA (F. Ј.), 31 POGODIN (G. I.), 169, 181 POKHODNIA (1. К.), 31 РОМЕУ (G.), 283, 284, 285, 287, 289, 296, 370 POOLE (L. К.), 296 POPER (Е.), 151, 157 PORTEVIN (А.), 8, 31, 41, 42, 43, 46, 48, 51, 55, 63, 85, 86, 129, 130, 135, 157, 204, 370, 371 PORTVEN, vidi PORTEVIN POST (С. В.), 319 PRIBYL, 365 PUZACK (Р. Р.) 236, 267, 268, 269, 270, 295, 369
s SALVAGGIO (G. Ј.), 236 SARAZIN (Ј.), 31, 97 SARAZIN (R.), 98 SCALTEUR (С.), 322 SCНAEFFLER (А. L.), 158, 181, 236, 254, 263, 264, 265, 266, 267, 268, 269, 270, 295, 296, 305, 306, 307, 311, 317, 319, 322, 352 SCHAFMEISTER (Р.), 295 SCHAKMANN (Н.), 111, 112, 113, 114, 116 SCHAPIRO (С. L.), 38, 39, 40 SCHENCK, 118 SCHNADT (Н.), 217, 218, 229 SCHOFIELD (Т. Н.), 126, 146, 157, 181 SCHRADER (А.), 86 SCHUSTER (М. Е.), 369 SCIAKY, 83 SEBILLE (Ј.), 154, 158, 181, 370 SEFERIAN (D.), 11, 31, 86, 116, 129, 130, 140, 148, 157, 181, 194, 196, 204, 229, 236, 267, 268, 322, 365 SHERIDAN, 277, 296 SIEVERTS, 143, 144 SIMONE (В. Ј.), 236
375
v
SIMS (С. Е.), 158, 181, 182, 322 SKOLNIL (М.), 31 SLOMAN (А. Н.), 126, 145, 146, 157, 181 SOETE (W.), 222, 223, 236 SORBY, 32 SOULARY (Р.), 31 SPEISER (R.), 320, 32"2 SPRETNAK (Ј. W.), 320, 322 STEINBERGER (А. V.), 213, 236 STOHR (Ј. А.), 30, 31 STOOP (Ј.), 236 STOUT (R. D.), 322, 370 STRAUSS, 271, 272 SWAl~ (D.), 236 SWINDEN, 210
V ACHER, 109, 116 V ALANTI (V.), 153 V ALLEE (Ј.), 322, 344, 365 V A:N DEN BOSCH, 281, 282, 296 V AN DER ВЕСК (R. W.), 236 VAN DER WILLIGEN (Р. С.), 116 VAUGHAN (Н. G.), 177, 179, 182 VIALLE (Ј. М.), 281, 282, 296 VIDEAU (Ј. Р.), 236 VIDMANSTETEN, vidi WIDMANST AETTEN WOLDRICH (С. В.), 149, 157, 182, 197
w WALLACE (R. М.), 169, 181 WECK (R.), 369 WEISS (Р.), 35, 36 WENTRUP, 118 WESTGREN, 36, 37 WEVER (F.), 354, 365 WIDMANST AETTEN (А. de), 53, 65, 71, 72, 73, 74, 75 WIESTER (Н. Ј.), 369 WILLIAMS (R. D.), 174, 175, 182, 188, 197 WOIRIN (R.), 202, 203, 236
SEFLER, vidi SCHAEFFLER SEVENAR, vidi CHEVENARD SNAT, vi:di SCHNADT т
_
TAМMANN
(G.), 64,
111ЈЈ.2,
116 .-_· __.
_
W(]Of>IN~W~..J!~!.::--,:31=---~-"-~'--~-"==-=-'"c"o"--~------~~::..-;:-~
:o.~=~=""•"'-~"~sc-:=_-:.c_~~HERN"~FFe~·-'c-··-So""•-o! -"'~~t~""'""'_,.~=="""Oc=c~~~"~"''~occ:-::..cc:=c=~-""'--"-.:::-~~·-=--"'-"-c .-- ••.о_ "оо ,-,с •-- -- _ - -
THOMAS (R. D.), 265, 266, 295, 322 TIELCHE (Н.), 158, 181, 236, 263, 295, 322 TINGWALDT, 11 TURLAKO (А. М.), 322
z ZAPFFE (С. А.), 154, 158, 170, 181, 263, 264, 295 ZENER (С.), 188, 197 ZUTE, vidi SOETE
u ULMO (Ј.), 226, 236 UPTON (G. Р.), 59, 60, 63
ZERBO, vidi GERBEAUX
REGISTAR POJMOV А А
AKTIVNOST, 107, 113, 121 ALF AGENI (osoblna), 59, 250, 255, 256, 26~ 288, 298, 299, 301, 324 ALUMINOTERIVIIJSKI (postupci zavarivanja), 9, 25 ARA krive, vidi Krive ARA ARCOS-ARC, 17 ARGON, (postupak zavarivanja), netopljivom elektrodom, 15, 293 (postupak zavarivanja), topljivim elektrodama, 15, 293 AUSTENIT ш zelezo gama, 32, 35, 43 (zrna austenita), i1i zrna gama, 56, 57, 58, 65 .·. '- ._..· .... А~ . .
primarni, 36, 37, 39, 40 proeutektoidni, 37 tercijarni, 38, 67 CURIE (tacka), 33, 130, 275 CIKLUSI zavarivanja, 21 с
CELICI austenitni ili nerdajuci, 138, 155, 166, 170, 249, 256, 257, 259, 262, 352 austenitni sa manganom, 166 legirani borom, 323 ugljenicni zavarljivi 237, 238, 239, 242 niskougljenicni, 60, 67, 88, 138, 242, 246 (osoblne u hladnom stanju), 262 · ~'--,-~~o~.-~alJS&)эeijitF,Щ1~av:gvimщ,-д'28,,~.5:F1,3Љ=::::"=!"'~c::;.."'(Qso5I.Q.~=1J~1Q.12lr!J11-;-~tai_Ij1,].);::·:11JЛ.-Q•59~_.~~-~-- ····----г (rastvorljivost), U zelezu, 132 Sa 1:J0J0nroffia, 138·;~8т==~===..:о.=:Е~о;:с..с=•с.:С · -·~·:;:;,,. sistem zelezo-, 129, 130 sa 18% hroma, 253 celike, 138, 139 specijalni: (uticaj), na mehanicke osoblne celika, C-Mn, 168, 174, 176, 204, 238 137, 257 Cr-Mo, 49, 52, 53, 84, 168, 189, 323, (uticaj), na strukturno otvrdnjavanje324, 325, 329, 332, 335, 337, 343, starenje, 118, 141 352 (uticaj), na puzanje, 260 Cr-Ni-Mo, 173, 213, 304, 305 uticaj termicke obrade na nitrirane Mn-Mo, 48, 62, 195, 204, 327 Mn-Cr-Mo, 190 Ni-Cr, 85, 86 в Ni-Cr-V, 87, 213 tip CD 4, 192, 353, 358 BAZALTNA (struktura), 68, 76, 84 srednjeugljenicni, 66, 84, 87, 89, 238, BEJNIT 242 bejniti gornji, 50, 51, 52, 54, 343 vatrootporni, 77, 165, 249, 265, 300 bejniti donji, 50, 51, 52, 54, 352, 362 visokougljenicni, 242, 247 strukture bejnitne, 47, 173, 243, 327, CEPOVI (postupak zavarivanja cepova 334, 347 pistoljem) 19, 84 BRADAVICE (zavarivanje bradavicasto), 22 BRAUNIT, 131, 132, 134, 138, 140 D BROJ TERMICKE STROGOSTI, 190, 191, 192 DENDRITI, 66, 162 BRZINA DIFUZIJA UGLJENIKA, 311, 313, 314 kriticna brzina hladenja, 178 DIJAGRAМI transformacije, 284 stanja Fe-B, 320 stanja Fe-C, 33, 65, 252 с stanja Fe-02, 118 stanja Fe-FeO, 119 CEMENTIT stanja Fe-N2, 129, 130 iglicasti, 49, 51 stanja Fe-Cr, 250, 251, 283
377 GAS (postupci gasnog zavarivanja), 10 vodenim gasom, 25
stanja Fe-Cr-Ni, 253, 286 konstituenata Si02-FeO, 94 konstituenata Si02-CaO, 96 Sodrona, 121 Maurera, 263, 264 Seflera, 263, 265, 267, 307, 306, 318, 319, 350 Aptona, 60 strukture, 336
н
HELIARC, postupak, 15 HENRY (zakon), (prava), 121, 230 HROM ekvivalent hroma, 266, 267, 268, 306, 310, 318, 350 hrom izracunat, 266, 268, 280
Е
ELEKTRODE austenitne, 165, 175, 177, 305, 310, 351 bazicne, 96, 97, 114, 115, 147, 148, 154, 156, 176, 177, 229, 231, 233, 332 celulozne, 95, 147, 148, 176, 177 gole, 90, 154 (karakteristike rada elektroda), 99 (klasifikacija elektroda), 104 kisele, 95, 104, 114, 115, 147, 148, 229 oksidne, 153, 154, 155, 157 rutilne, 95, 104, 147, 148, 156, 233 sa dubokim prodiranjem, 97, 101, 103 sa malim sadrzajem vodonika, 97, 175, 245, sa visokim stepenom iskoriscenja, 98, 104
1
ILMENIT (oЬloga na bazi), 95 INDEKSI termicke strogosti, 190, 191, 192 zavarljivosti, 191, 193 INDUKCIJA (postupak zavarivanja indukcijom), 25 IRA krive, vidi krive IRA IZLUCIV ANJE karblda, 271, 272, 274, 281 к
· "~-'· ···~'"''~~'"~~*'=E=:-=:;:~~~:vanje~snep0m~~c~~!~~i~~~~=iЂY;~~49~~;;~i7;~27f~~~;;=;~;::;: mlazom,. 29 ELEMENTI STABILIZATORI, 278 ENERGIJA ELEKTRICNOG LUKA, 183 184 190 ' ' EPRUV:~TE . ~mencke mornar1ce (N. R. L.), 214 Snatove, 217 krstaste, 222 EUTEKTIKA fosfidna, (studit), 36 EUTEKTOID, zelezo-ugljenik, 37, 252
F
FAJALIT, 93, 94 FAZA SIGMA (obrazovanje faze) intermetalidne sigma, 159, 165, 249, 251, 283, 291, 292 (osoblne), 284 FERIT iglicasti, 49, 51, 344, 348, 362 probejinitni ili paraferit, 50 FUSARC-C02 (postupak zavarivanja), 16 G GAМAGENI
(osoblne), 59, 251, 252, 255, 256, 265, 297, 298
274 (sastav), 273
KISEONП~.
v
•
(~bsorpClJa) и
savov1ma, 117 Slstem Fe-02, 118 (uticaj) na mehanicke osoblne, 126 KONSTANTA TOPLJENJA ELEKTRODA 103 KOROZIJA INTERGRANULARNA, 271, 272, 273, 274 (poboljsanje otpornosti na), 276 KRATER, 161, 162, 163 KRIVE aюi2Юtermne, (ARA) 62, 247, 248, 326, 338, 354 izotevmno ~raz1agaю:je austenita (IRA) 43, 44, 46, 47, 322, 326, 329, 337, 343, 354 karakteristika kaljenja, 41, 86 S - , ili ТТТ -, vidi IRA krive L
LEGURE LAKE, 16, 83 LUK (ELEKTRICNI LUK) (postupak zavarivanja), Elin-Haferguth, 13 (postupak zavarivanja), pod prahom, 17 (postupak zavarivanja), pod tros.kom, 17
378 (postupci zavarivanja elektrolucni), 12, 76, 79, 125, 134 (postupci zavarivanja), grafitnim elektrodama, 14 (postupci zavarivanja), lezecim elektrodama, 14 (postupci zavarivanja), oЬlozenim elektrodama, 12 (postupci zavarivanja), u atmosferi inertnih gasova, 14 (postupci zavarivanja), u atmosferi redukujucih gasova, 14 м
MAGNETNA, zasicenost, 269, 275, 276 MARTENZIT, 43, 55, 57, 173, 240, 243, 308, 309, 311 MESANJE METALA (koeficijent), 306, 318 MEHUROVI (obrazovanje mehurova), 149, 301 MIКROPRSLINE, 160, 166, 168, 180, 309
OBRASCI (jednacine) Bastiena i Dediea, 276 Tomasa, 266 Seferiana, 267 OKSID ZELEZA (rastvaranje), u zelezu, 109, 119 (redukcija), ugljenikom, 107, 121 (raspodela), izmedu metala i troske (termodinamicki proracun), 106 (rastvorljivost), 106, 119, 121 (struktura), 128 OSETL.ПVOST neoksidirajucih celika (intenzitet izlucivanja karblda), 273, 278, 279, 280 OTPOR (elektricni otpor) (Postupci zavarivanja), 9, 20, 81, 293 Tackasto zavarivanje, 22 (suceono zavarivanje el. otporom), 23 Savno zavarivanje, 23, 83 Zavarivanje pod troskom, 24 OTVRDNJAVANJE STRUKTURNO STARENJE, 117, 141 р
N
NAPONI (razvijanje), sopstveni, 172 NIKL
Р AHULJICE (obrazovanje), 150, 151 PERLIT (struktura), 32, 37, 38, 43, 48, 347 (zrno perlita), 37
----~-~--~-;.~-o-~"'-c-~--~-,-___ _,~f~K;f~WMt~~~~,ciiЗ?;~~~~~="~'=~~"'~~~W~~~~;~6-g~~-oriika~~i4~~=:~=~-"'~'ь~;;;:~~-~;~::----t NITRAD ZELEZA (Kirijeva tacka nitrida zeleza), 130 (struktura nitrida zeleza), 94, 117, 131, 135, 139 NITROAUSTENIT, 130, 140, 141 NITROFERIT, 140, 141 о
OBLAGANJE (stranica zlebova), 246, 304, 305 OBLOGE (elektroda) bazicne, 96, 111, 113, 138, 147, i48 celulozne, 95, 138, 147, 148 kisele, 95, 110, 127, 138, 147, 148 oksidne, 93, 137, 138 na bazi titan oksida ili rutila, 95, 127, 138, 147, 148 (elektricna uloga), 91 (fizicka uloga), 92 (metalurska uloga), 92 OBRAZOVANJE PRSLINA u zoni rastapanja, 160, 162 u osnovnom materijalu, 167, 332, 356 (uzroci), 183 (uticaj deЬljine lima na), 186 (uticaj sopstvenih napona na), 172 (uticaj sumpora na), 170 (uticaj vodonika na), 154, 170 (mere-metode za sprecavanje), 175 (osetljivost na), 171, 174, 249, 263, 302
oksiacetilenski, 10, 122, 135 oksi-gasni, 10 oksivodonicni, 11 ugljovodonicni, 11 (uticaj podesavanja), oksiacetilenskog, 122, 123, 124, 133 PORAST ZRNA u savovima, 70, 76, 124, 228 PORTVENIT, 139, 141 PRASKOVI dekapirajuci praskovi, 202 elektrootporsko zavarivanje pod elektroprovodljivim prahom (troskom), 24 zavarivanje pod elektroprovodljivim prahom (troskom), 26 PETLJ А GAMA, 251 PREDGREVANJE (uticaj), 173, 175, 178, 186, 187, 183, 240, 241, 347 (odredivanje temperature), 190, 193, 194, 205, 206, 345 PRITISCI usled prisustva azota, 181 usled prisustva vodonika, 180 PROBE (zavarljivosti) Bolenrat, 208, 356, 358 Braun-Boveri, 219, 220 Ditijel, 214, 215, 216 Dzomini, 206 Foker, 207 F·oke-Vulf, 207, 356, 357, 364 Kinzel, 220, 221, 222
379 Komerel, 211, 212 Кrир, 207, 208 Mak-Kejd-En, 67 O'Nej, 209, 210 Robertson, 223, 224 Svinden-Riv, 210 Sevenar (mikromehanicka proba), 204, 360 Univerziteta Lihaj, 218 krstasta eprиveta za ispЩvanje zatezanjem, 222 krstasta proba zavarljivosti, 207 proba krиznog sava Ш "Ring-test", 212, 213 proba lokalizovanog topljenja, 206 proba sa savom и oЬlikи slova "Н", 212 proba sa иkljestenim иgaonim savom 210 ' proba topljivosti, 202 ргоЬа zaVlarlj:ivost R. D., 208, 209 ргоЬа tvюdoce i:spod ~a:v·ara, 204, 240 PROMENE hemijske, 78, 123, 125, 164 fiziko-hemijske, 74, 78 promena zrna, 74 PRSLINE prsline spoja, (и granici rastapanja), 154, 167 vertikalne, 154, 167 и korenи sava, 168, 171 и zoni ispod zavara, 167 и zoni povisene tvrdoce, 154, 155
SPOJEVI heterogeni, 202, 303, 305, 311, 317, 349, 350 (ispitivanja na spojevima), 202, 203 (strиktиre spojeva), elektrolиcnih 88 89, 303, 333, 361 ' ' (strиktиre spojeva), oksiacetilenskih 87 ' STABILIZATORI, elementi, 278 STROGOST TERMICKA (indeks-broj), 190, 191, 192 STRUKTURE aи;i~nitno-feritne, 165, 266, 279, 287, bazaltne, 68, 76, 88 bejnitna, 174, 243, 347 iglicaste (acikиlarne), 51 interx::edijarne (prelazne), 48, 49, 355 mozюcka, 142 Vidmanstetenova, 51, 67, 71, 75, 84, 242 zrnaste (granиlarne), 48, 50, 55 (иticaj strиktиra), na mehanicke osoЬine, 258 т
ТАСКЕ
(zavarivanje tackasto), 22, 81, 293 transformacije, 41, 45, 324 TEMPERATURA kriticna, 270
''-"r='""Z"'··~~,"~Ed''·-!'~ЋafFaustei~1ffiin~celH{'a,-~2-59~~26ЩE'§OEc====-'_:~~~~~~~~"'~~~=~:~:~;:=-:~=~~"~""'~~O<~_" . ,...: 261, 262 prelaza и krto stanje, 221 225 228 --------------!
(osoЬina),
1
1 1
~ 1
! }
331
specijalnih celika, 327 328 ' '
R
RASPODELA mangana izmedи metala i troske (termodinamicki proracиn) 111 oksida zeleza izmedи metala' i troske (termodinamicki proracиn), 109 termicka pri zavarivanjи, 85 RASTVARANJE OKSIDA ZELEZA 109, 119 ' REAKTIV Monypenny, 271 Mиrakami, 267 · RIBLJE - OCI (obrazovanje), 117, 150, 153, 154, 156 RODONIT, 95
s SIGMA (postиpak zavarivanja), 16 SILIKOTERMIJSKI (postиpci zavarivanja), 9 SORBIT, 39, 42, 48
226, 233, 262, 341 ' ' ' TERMODINAMIKA (princip proracиna) ravnoteza, 106 TOPLJENJE (konstanta topljenja) · 103 (brzina topljenja), 104 ' TOPLJIVOST (probe topljivosti), 202 TRANSFORMACIJE alfa и gama, 34, 36, 40 alfa и sigma, 284, 285, 286 288 anizotermne aиstenita, 61: 247, 248, 326, 338, 354 bejnitna Ш Ar", 48, 49, 326, 355, 362 gama и sigmi, 285, 288, 291 izotermne aиstenita, 43, 47, 322, 326, 329, 337, 354 martenzitna Ш Ar'", 55, 326, 355 (odsиstvo transformacije), 56 perlitna ili Ar', 48, 49, 326, 355 (tri vida transformacije), 41, 45, 48 (zone transformacije), и savovima 49 188, 261 ' ' TROSKE bazicne, 93, 110, 113 kisele, 93, 110, 111, 114 savova, 93, 105 (viskozitet), 92 TRUSTIT, 42, 48, 243, 347
380
u UGLJENIK EKVIVALENTNI, 174, 188, 190, 191, 194, 196, 266, 267, 305 UNIONARC (postupak zavarivanja), 16 UNIONMELT (postupak zavarivanja), pod prahom, 7, 16, 83, 164 USAHLINA (SUPLJINA) usled skupljanja, 161, 162
v
konstruktivna Ш globalna, 201 metalurska Ш lokalna, 201 operativna, 201, 202 (probe), globalne zavarljivosti, 201, 206 (probe), metalurske zavarljivosti, 203 (probe), operativne zavarljivosti, 203 (uslovi), 237, 332, 339, 345, 356 zakaljivih celika, 302 ZAVARIVANJE AUTOMATSKO, 83 elektrolucno, 76, 79, 125, 134, 292, 363 heterogeno, 303 oksiacetilensko, 74, 78, 120, 133, 291, 357, 358 ZONE granica rastapanja, 75, 76 osnovnog materijala koja nije Ьila pod uticajem toplote, 8, 70, 75, 77, 80, 341 pregrejana, 69, 75, 78, 80, 362 prelazna, 230, 245 primarne transformacije, А1-Аз, 69, 79, 362 rastapanja, 8, 74, 76, 78, 82, 362, 363 (razlicite), transformacije, 7, 69, 72, 76, 336 zarena, 69, 79 ZRNASTE, strukture zrnaste, 55, 362 ZRNO AUSTENITA, 56, 57, 58, 65, 67 ZRNO PERLITA, 37
zavarivanje suceono 24 VELICINA ZRNA, indeks Mak-KejdEna, 67, 356 VODONIK (absorpcija), u savovima, 142 difundujuci, 142, 145, 149, 153, 157, 177 (obrazovanje mehurova usled prisustva), 149 (obrazovanje prslina usled prisustva), 154, 169 (odredivanje), u elektrolucnim savovima, 145 potencijalni, 145, 161, 171 (pritisci usled prisustva), 180 (rastvorljivost), u zelezu, 143, 144 sistem zelezo-vodonik, 142 (uticaj),. na brizganje metala, 149 (uticaj), na osoblne savo_~.--J49~-~55--~-_ -----------------:-:--~::_:~_:--_-:_-----::~~;_,"~"'''"'~-'c---~"-"t-"0"'-;c. -.;";_-_-~'rТY~QQQ.~JK~"''"-.&~'J'OMIZ_OYANI;x"postupak,:c"'-~"'=~z~-"-~~~-~"-'c',', ..c ..~. ·' ''"''~······-~--~-- •.. --- -- ·'-·-------~-zavaпvaщa, 14, 293 ZLEBOVI (oЬlici zlebova), 245 ZELEZO z zelezo alfa ш ferit, 33, 40 zelezo Armco, 141, 135 ZAV ARLJIVOST zelezo delta, 34, 36, 165, 266, 268, 280, Cr~Mo celika, 300 352 (indeks zavarljivosti), 191, 193 zelezo gama, 33, 34, 58 V ARNICENJE, varшcenjem,