| Czynniki wpływające na kruchość materiału |
 |
 |
|
Przejście materiału plastycznego w stan kruchy może być spowodowane wieloma czynnikami. Wśród nich do najważniejszych należy zaliczyć: Warunki pracy materiału w konstrukcji, czyli:
Warunki eksploatacji konstrukcji. I. Wpływ warunków pracy materiału w konstrukcjiTemperatura przejścia w stan kruchyRozciągając gładką próbkę ze stali niskowęglowej w różnych temperaturach, można stwierdzić, że wraz z obniżeniem temperatury badania wzrasta granica plastyczności, zaś wydłużenie maleje. W określonej temperaturze granica plastyczności Re osiąga wartość równą wytrzymałości na rozciąganie Rm — krzywe Re i Rm przecinają się, natomiast wydłużenie materiału A spada do zera. Temperaturę, w której to następuje, nazywamy temperaturą kruchości. Temperatura kruchości dla materiałów wrażliwych na działanie obniżonych temperatur należy do podstawowych kryteriów oceny odporności materiału na kruche pękanie. Temperatura kruchości zależy jednak od wielu czynników. Pomiar temperatury kruchości w wielu przypadkach może być bardzo prosty, ale praktyczna użyteczność pomiaru może być niewielka. Cechą charakterystyczną temperatury kruchości jest jej statystyczny charakter, tzn. mówiąc o temperaturze kruchości rozumiemy pewien zakres temperatur maksymalnego prawdopodobieństwa jej występowania. Przyczyną statystycznego charakteru temperatury kruchości jest statystyczny charakter innych własności, np. granicy plastyczności Re i wytrzymałości na rozciąganie Rm. Temperatura kruchości zależy od warunków odkształcania, czyli od stanu naprężeń i szybkości odkształcania. Najniższą temperaturę kruchości uzyskujemy przy rozciąganiu gładkich próbek, najwyższą przy dynamicznym rozciąganiu lub łamaniu próbek z ostrym karbem. W praktyce przemysłowej do określania temperatury kruchości jest stosowana najczęściej próbka udarnościowa, dlatego właśnie wpływ różnych czynników na kruchość stali i temperaturę kruchości będziemy rozpatrywali przede wszystkim na podstawie badań udarności.Ponieważ określanie całego zakresu przejścia w stan kruchy byłoby uciążliwe, to w zakresie tych temperatur przyjmuje się pewną udarność, która charakteryzuje umowną temperaturę kruchości i która służy jako kryterium porównawcze do określania odporności na pękanie różnych stali oraz wpływu różnych czynników na kruchość stali. Porównując temperaturę kruchości zbadane przy obciążeniu statycznym gładkich próbek oraz przy dynamicznym łamaniu lub rozciąganiu próbek z ostrym karbem, można dojść do wniosku, że ten sam materiał w zależności od warunków obciążenia, może mieć przejście w stan kruchy w bardzo szerokim zakresie temperatur. Przy statycznym rozciąganiu próbek gładkich kruche pękanie występuje w pobliżu temperatury minus 180 [°C], zaś dla próbek udarnościowych nawet w pobliżu 0 [°C]. Zależy to od metalurgicznego stanu materiału. Fakt ten świadczy o tym, że również w konstrukcji ten sam materiał będzie zachowywał się — pod względem kruchego pękania — różnie, w zależności od temperatury pracy, stanu naprężeń i rodzaju obciążenia. II. Wpływ metalurgicznego stanu materiałuOdporność stali na kruche pękanie, w określonych warunkach eksploatacyjnych, w dużym stopniu zależy od wielu czynników metalurgicznych, np. od:
Stopień odtlenienia i odgazowania stali należy do głównych czynników metalurgicznych, mogących zmienić wrażliwość materiału na kruche pękanie. Z punktu widzenia stopnia odtlenienia i odgazowania stali rozróżniamy następujące jej rodzaje:
Odporność stali na pękanie zależy również od grubości materiału. Niebezpieczeństwo kruchego pękania wzrasta wraz z grubością materiału. Przy małych grubościach wpływ stopnia uspokojenia, w zakresie temperatur do ok. 30 [°C], nie uwidacznia się tak wyraźnie i dlatego na konstrukcje o grubości materiału poniżej 10 [mm], w warunkach klimatycznych Polski, w wielu przypadkach można stosować stal nieuspokojoną po odpowiednim rozpoznaniu specyfiki konstrukcji. Wpływ składu chemicznego Za pomocą dodatków stopowych można polepszyć lub też pogorszyć odporność stali na kruche pękanie. Głównym składnikiem stali jest węgiel, który obniża odporność na pękanie, przesuwając temperaturę przejścia w stan kruchy w kierunku temperatur dodatnich. 
Wpływ zawartości węgla na udarność stali W przeciwieństwie do węgla mangan znacznie poprawia odporność stali na pękanie. Wpływ magnanu zależy jednak również od zawartości azotu. Dodatni wpływ jest tym większy, im mniejsza zawartość azotu znajduje się w stali. 
Wpływ manganu na udarność żelaza Dodatki stopowe, jak chrom, kobalt, krzem w większych ilościach, wanad i molibden, pogarszają odporność na pękanie, natomiast tytan i nikiel polepszają ją. Szczególnie korzystny wpływ wykazuje nikiel, który jest dodawany do stali pracujących w niskich temperaturach. Duże znaczenie dla własności mechanicznych, a także dla odporności na pękanie, mają dodatki mikro stopowe (składników dodawanych w bardzo małych ilościach). Dla stali spawalnych istotne znaczenie mają mikrododatki:
Wpływ wielkości ziarna i obróbki cieplnej Przy bardzo grubym ziarnie (d-1/2 poniżej 2,5) pęknięcie występuje po uzyskaniu granicy plastyczności, natomiast przy drobniejszym ziarnie pęknięcie występuje po znacznym odkształceniu plastycznym. Wielkość ziarna wywiera również wpływ na temperaturę przejścia w stan kruchy. Drobniejsze ziarno znacznie podwyższa odporność stali na pękanie. Stąd też dodatki mikrostopowe, które pozwalają otrzymać bardzo drobnoziarniste struktury, w ostatnim okresie znajdują one duże zastosowanie przy wytwarzaniu stali spawalnych o podwyższonej wytrzymałości. Obróbka cieplna podwyższa odporność stali na pękanie, zależy to jednak od rodzaju rozpatrywanej stali i rodzaju przeprowadzonej obróbki cieplnej. W przypadku stali gorąco walcowanych normalizowanie może albo obniżyć, albo podwyższyć temperaturę przejścia w stan kruchy. Stale zawierające składniki mikroskopowe rozdrabniające ziarno, jak niob, aluminium, wanad i tytan, po właściwej normalizacji mogą wykazać lepsza odporność na pękanie. Dla stali uspokojonych krzemem i stali półuspokojonych normalizowanie często powoduje podwyższenie temperatury przejścia w stan kruchy. Normalizowanie nie musi być odpowiednią obróbką cieplną dla stali wykazujących małą odporność na pękanie w stanie gorąco walcowanym . W przeciwieństwie do normalizowania hartowanie za pomocą natrysku wodą stali półuspokojonych o grubości 12 i 25 [mm] obniża nieco temperaturę przejścia w stan kruchy. Jeszcze lepsze wyniki uzyskuje się dla stali uspokojonych za pomocą aluminium. Hartowanie, z punktu widzenia temperatury przejścia w stan kruchy jest korzystniejszym zabiegiem niż normalizowanie. Dotyczy to temperatury przejścia w stan kruchy badanej za pomocą udarności. Odporność stali hartowanych na pękanie zależy od jej struktury po hartowaniu. Bainit górny wykazuje gorszą odporność na pękanie od bainitu dolnego. Najlepszą jednak odporność wykazują stale, które po zahartowaniu mają strukturę martenzytyczną. Stale te wykazują przy tym lepszą odporność na pękanie w porów naniu do struktur mieszanych, zawierających pewne ilości perlitu, ferrytu lub bainitu. Najniższą temperaturę przejścia w stan kruchy wykazuje stal niskowęglowa (0,17% C) o strukturze martenzytycznej. Dla stali hartowanych i odpuszczanych duży wpływ na temperaturę przejścia w stan kruchy wywiera kruchość odpuszczania. W celu uniknięcia tego zjawiska po odpuszczeniu jest konieczne szybkie chłodzenie stali w wodzie. Wpływ budowy warstwowej i wtrąceń niemetalicznych W wyniku procesów walcowania, na skutek istniejących wtrąceń niemetalicznych oraz mikrosegregacji dendrytycznej niektórych składników, których proces dyfuzji przebiega bardzo powoli, w wielu przypadkach tworzy się struktura warstwowa z wydłużonymi, rozwalcowanymi siarczkami i ułożonymi w łańcuszek wtrąceniami tlenków. Czasami wyraźnie są widoczne oddzielnie warstwy ferrytu i perlitu. Taka struktura materiału ma pewien wpływ na odporność materiału na pękanie, jednak jak dotąd zagadnienie to nie jest całkowicie poznane. Wpływ struktury na pękanie zależy także od kierunku działania naprężeń, w stosunku do położenia włókien. Wtrącenia okazały się bardzo niekorzystne w tych wszystkich przypadkach, gdy obciążenie działa w poprzek grubości walcowanego wyrobu. W tym przypadku powstaje rozwarstwienie się materiału, mogące oderwać przyspawany do powierzchni blachy obciążony element nośny. Jeżeli rozpatrujemy zachowanie się materiału przy działaniu naprężenia wzdłuż lub w poprzek kierunku walcowania, to wpływ warstwowości może być dodatni, tzn. że materiał o warstwowej budowie powinien mieć większą odporność na pękanie od materiału, w którym warstwy nie występują. Do tego twierdzenia należy jednak podchodzić bardzo ostrożnie, ponieważ wtrącenia niemetaliczne występujące w takiej strukturze mogą być inicjatorami pęknięć. Zagadnienie wtrąceń jako inicjatorów pęknięć wydaje się szczególnie niebezpieczne w stalach o wysokiej wytrzymałości. III. Wpływ procesu wytwarzania konstrukcjiW czasie budowy konstrukcji materiał jest poddawany różnym procesom technologicznym, jak: cięcie, prostowanie, gięcie na zimno i gorąco, usuwanie zgorzeliny, spawanie itp. Wszystkie te procesy, w większym lub mniejszym stopniu, wywierają wpływ na ogólne własności materiału oraz na odporność na kruche pękanie. Niektóre stale są mniej wrażliwe na wpływ tych procesów, inne natomiast są bardzo czułe, szczególnie na procesy związane ze zgniotem na zimno i nagrzewaniem. Można więc stopień stabilności własności stali, pod wpływem procesów wytwarzania, nazwać stopniem wrażliwości danej stali na te procesy.Konstruktor i technolog powinni dbać o to, aby rozwiązanie konstrukcyjne i proces technologiczny nie wymagały stosowania takich zabiegów, które dla danego gatunku stali są szkodliwe. Należy pamiętać, że nie prawidłowy proces technologiczny konstrukcji może obniżyć własności najlepszego materiału. Najmniej wrażliwe na wszelkie zabiegi technologiczne są stale nisko węglowe, uspokojone krzemem z dodatkiem aluminium. Stale nieuspokojone i półuspokojone są wrażliwe na wszelkie procesy odkształcania na zimno i w podwyższonych temperaturach. Inne materiały, np. stale drobnoziarniste z niobem lub stale ulepszone cieplnie pod wpływem niewłaściwego procesu nagrzewania, mogą bardzo obniżyć swoje własności mechaniczne i może zwiększyć się ich skłonność do pękania. Zgniot na zimno Zgniot na zimno należy do podstawowych procesów formowania elementów konstrukcji. Jego wpływ na ogólne własności stali jest znany, jednak zagadnienie wpływu zgniotu na odporność na pękanie nie jest jeszcze w pełni rozpoznane. Ogólnie znanym jest fakt, że zgniot na zimno powoduje obniżenie plastyczności, jednak bardzo duży stopień zgniotu może polepszyć odporność na pękanie. Zgniot na zimno przesuwa znacznie temperaturę przejścia w stan kruchy w kierunku temperatur dodatnich. Zgniot na zimno wiąże się z procesami starzenia i jest szczególnie niebezpieczny dla stali wrażliwych na te procesy (stali nieuspokojonych i półuspokojonych). Nowsze badania wykazują, że wpływ zgniotu na kruche pękanie w dużym stopniu zależy od kierunku działania naprężeń w stosunku do kierunku zgniotu. Zgniot i starzenie są szczególnie niebezpieczne, jeżeli występują w obszarach spiętrzenia naprężeń, jak to może np. wystąpić wokół wad w spoinach i w strefie wpływu ciepła. Niektóre wartości zgniotu i starzenia mogą doprowadzić do pęknięć przy naprężeniach znacznie niższych od granicy plastyczności. Tak więc zgniot i starzenie w okolicy karbu, z punktu widzenia kruchego pękania, są bardzo niebezpieczne. Szczególnie niebezpieczne jest zgniatanie materiału w podwyższonych temperaturach. Najbardziej niebezpieczną temperaturą zgniotu jest 250 [°C]. Wpływ spawania Wady spawalnicze powodują spiętrzenie naprężeń i są inicjatorami pęknięć w przypadku, gdy obciążenie osiągnie określoną wielkość. Cały wysiłek technologii spawania zmierza w kierunku wykonania spoin bez wad, a w szczególności bez pęknięć. Szkodliwy wpływ zmian metalurgicznych, wywołanych spawaniem, jest mniej oczywisty i zależy od gatunku rozpatrywanej stali, techniki spawania i materiałów dodatkowych. Przyjmuje się, że najsłabszym miejscem, z punktu widzenia odporności na kruche pękanie, jest strefa wpływu ciepła, a dokładniej strefa przylegająca do jeziorka roztopionego metalu, w której występuje silny rozrost ziarn austenitu. Warstwy strefy wpływu ciepła bardziej oddalone od jeziorka są odporniejsze na pękanie. Gorszą odporność na pękanie może wykazać strefa wtórnej krystalizacji, wreszcie spawanie może wywołać w okolicy spoiny proces starzenia. Wpływ zapalania łuku i długości napoin Przy nakładaniu krótkich napoin i podczas zajarzenia łuku, ze względu na bardzo wysoką lokalną temperaturę i małą energię liniową oraz zwiększoną szybkość chłodzenia, w strefie wpływu ciepła mogą powstać pęknięcia. Pęknięcia te mogą być inicjatorami rozprzestrzeniania się kruchego pęknięcia. Wpływ cięcia na wolny brzeg elementu Konstrukcje spawane mogą mieć elementy, których wolne brzegi były cięte w czasie procesu wytwarzania elementu (otwory, nietypowe płaskowniki, kątowniki spawane z ciętych płaskowników itp.). Wolny brzeg, który został wykonany za pomocą cięcia palnikiem lub w inny sposób, np. za pomocą cięcia na gilotynie, różni się znacznie własnościami od reszty materiału. Brzeg taki może być inicjatorem poważnych pęknięć. Brzeg cięty na gilotynie na zimno wykazuje silny, lokalny zgniot na zimno i wąską strefę materiału o bardzo małej udarności, natomiast brzeg cięty palnikiem zawiera warstwę, w której zaszły zmiany strukturalne oraz podhartowanie, ponadto w zależności od techniki cięcia gazowego palnikiem mogą występować karby. Czynniki te pogarszają odporność wolnego brzegu na pękanie. IV. Wpływ warunków eksploatacjiZmęczenie materiałuPod wpływem naprężeń zmiennych w materiale występują zmiany strukturalne, a w określonych warunkach naprężeniowych również pęknięcia zmęczeniowe. Jeżeli konstrukcja pracuje w temperaturze powyżej temperatury przejścia w stan kruchy, to pęknięcie zmęczeniowe nie jest zbyt groźne. W danym przypadku mechanika pękania pozwala obliczyć czas pracy elementu pękniętego do wystąpienia awarii. Jeżeli jednak pęknięcia zmęczeniowe powstają w temperaturach poniżej temperatury przejścia w stan kruchy, staje się ono natychmiastowym inicjatorem kruchego pęknięcia, Wpływ napromieniowania neutronami Pod wpływem napromieniowania neutronamiy co występuje w reaktorach atomowych, następują zmiany własności mechanicznych stali oraz zwiększa się jej kruchość. Zjawiska zachodzące w napromieniowanej neutronami stali mogą być bardzo złożone, przypuszcza się jednak, że zmiany własności są spowodowane bombardowaniem neutronów o dużej energii, które wyrzucają atomy metalu z ich położenia w sieci krystalicznej, tworząc w ten sposób wakansy i międzywęzłowe położenie wytrąconych atomów. Korozja Równoczesne oddziaływanie środowiska korozyjnego i naprężeń może przyspieszyć proces korozji lub też wywołać pęknięcie korozyjne. Pęknięcie to może być inicjatorem kruchego pękania. Zależy to od stanu metalurgicznego materiału i temperatury pracy. Pękanie korozyjne jest to złożony proces niszczenia materiału, w warunkach równoczesnego działania naprężeń rozciągających i korozji elektrochemicznej. Wspólne oddziaływanie naprężeń i środowiska korozyjnego jest bardziej niebezpieczne niż naprężenia i korozja występująca niezależnie od siebie. Pod wpływem działania naprężeń w materiale pracującym w środowisku korozyjnym powstają pęknięcia, rozwijające się prostopadle do kierunku działania naprężeń. Pęknięcia te mogą mieć charakter międzykrystaliczny lub wewnątrzkrystaliczny — czasami mieszany. Na pojawienie się pęknięć korozyjnych w wyniku naprężeń mają wpływ wyłącznie naprężenia rozciągające. Czas pojawienia się pęknięć korozyjnych zależy od wielkości naprężenia. Krzywe określające powstanie pęknięć korozyjnych naprężeniowych przypominają krzywe zmęczeniowe, w których występuje próg minimalnych naprężeń, pod wpływem których proces tworzenia się pęknięć przebiega bardzo powoli. Kruchość wodorowa Jeżeli materiał pracuje w środowisku, w którym jest wodór, może nastąpić jego przenikanie do stali. Pewne nasycenie stali wodorem następuje np. w czasie procesu trawienia blach. Wodór atomowy ulatnia się jednak szybko ze stali przy wyjęciu jej ze środowiska korozyjnego, może jednak częściowo powstawać w porach i innych wadach w postaci dwuatomowej cząsteczki H2. Kruchość kaustyczna Kruchość kaustyczna występuje w wyniku działania węglanu sodu i wodorotlenku sodu, przy ich występowaniu w większym stężeniu i należy do zjawisk korozji naprężeniowej. Działaniu tego zjawiska podlegają szczególnie płaszcze i nity kotłowe w przypadkach, gdy woda jest zmiękczana tym składnikiem. Pęknięcia korozyjne pojawiają się przede wszystkim w miejscach nieszczelności, gdzie przeciekająca woda odparowuje i stopniowo wzrasta stężenie roztworu. Kruchość wywołania działaniem podwyższonych temperatur Kruchość stali wywołana działaniem niskiej temperatury nie wywołuje trwałych zmian własności. Po nagrzaniu stali do temperatur wyższych od temperatury przejścia w stan kruchy, w danych warunkach obciążenia, stal odzyskuje swoje pierwotne, dobre własności plastyczne. Oddziaływanie podwyższonej i wysokiej temperatury może natomiast wywołać trwałe zmiany struktury i własności. Pierwotne własności można w takim przypadku odzyskać dopiero po odpowiedniej obróbce cieplnej. Do niekorzystnych zjawisk występujących w podwyższonych temperaturach należy również pełzanie. Możemy rozróżnić kilka zakresów podwyższonych temperatur, które mogą wywołać obniżenie własności plastycznych materiału. Zakresy te nazywamy odpowiednio:
Kruchość na niebiesko i kruchość cieplna są niebezpieczne dla urządzeń pracujących w podwyższonych temperaturach, szczególnie gdy urządzenia te pracują w warunkach obciążeń, kiedy może występować również zjawisko pełzania. Czas wygrzewania, w którym występuje kruchość cieplna, jest dosyć długi i w zależności od gatunku stali i temperatury może wynosić ok. 700 godzin. Tak wygrzane stale wykazują obniżoną udarność w temperaturze otoczenia. Kruchość wtórnej krystalizacji Jest to zjawisko wywołujące spadek plastyczności stali wygrzewanych w zakresie temperatur Acl-Ac3. Kruchość wtórnej krystalizacji uwidacznia się przy badaniach statycznych i dynamicznych i występuje między innymi w strefie wpływu ciepła. Kruchość odpuszczania Zjawisko kruchości odpuszczania występuje w stalach hartowanych, nagrzanych do temperatur poniżej Acl. Celem tego zabiegu jest podwyższenie własności plastycznych zahartowanej stali. Odpuszczanie w temperaturze 250 - 400 [°C] wywołuje spadek plastyczności, zarówno w danej temperaturze odpuszczania, jak i po ochłodzeniu stali z tej temperatury do temperatury pokojowej. Szybkość chłodzenia po odpuszczeniu nie ma w tym zakresie wpływu na tę kruchość. Przy powtórnym nagrzaniu do tego samego zakresu temperatury odpuszczania nie następuje podwyższenie plastyczności. Drugim zakresem temperatur odpuszczania, wywołującym kruchość, są temperatury 500 - 550 [°C]. Zjawisko występujące w tym zakresie temperatur jest podobne do zjawiska kruchości na niebiesko. Dla niektórych gatunków stali stopień kruchości, wywołany odpuszczaniem w zakresie temperatur 450 - 600 [°C], zależy od szybkości chłodzenia po odpuszczeniu. Przy szybkim chłodzeniu, np. w wodzie; odpuszczona stal wykazuje dużą udarność, natomiast przy wolnym — znacznie niższą. Zwiększona kruchość stali może wystąpić nie tylko przy odpuszczaniu stali hartowanej, lecz również w stalach normalizowanych i wyżarzanych, jeżeli nie zachowano właściwych szybkości chłodzenia w tym zakresie temperatur. Zjawisko to ma istotne znaczenie przy odprężaniu konstrukcji spawanych. Zwiększona szybkość chłodzenia po odprężaniu jest korzystniejsza, z punktu widzenia plastyczności materiału, niż powolne chłodzenie. Nie oznacza to, że wszystkie odprężane elementy należy szybko chłodzić. O szybkości chłodzenia decyduje tu równomierność przekrojów materiału odprężanego elementu. |
Wokół stali nierdzenwej
Main
Tematy
korozja obróbka obróbka plastyczna obróbka stali odporność na korozję spawanie stal stal austenityczna stal ferrytyczna stal nierdzewna
You are here :
Home 
Baza Wiedzy Wokół stali nierdzewnej Czynniki wpływające na kruchość materiału
Baza Wiedzy Wokół stali nierdzewnej Czynniki wpływające na kruchość materiału
stalnierdzewna.com
Jeśli posiadasz wiedze na temat stali nierdzewnej, która chciałbyś się podzielić z innymi, skontaktuj się z nami!Zapraszamy do współtworzenia portalu.
Nowe tematy na forum
- 17/05/2012 15:27 kruchość blachy ze stopu aluminium (wlodkurow)
- 17/05/2012 14:57 plastyczność stali nierdzewnej (aciemska)
- 16/05/2012 08:38 kruchość blachy ze stopu aluminium (melonmelon)
- 15/05/2012 16:45 stal Nierdzewna Inox 18/8 (salcia)
- 15/05/2012 15:48 stal Nierdzewna Inox 18/8 (Dr Jan Żelazny)
Twórz stalnierdzewna.com
razem z nami
Czytaj więcej >>