Odporność stali na kruche pękanie, w określonych warunkach eksploatacyjnych, w dużym stopniu zależy od wielu czynników metalurgicznych, np. od:
- stopnia odtlenienia i odgazowania,
- składu chemicznego stali,
- wielkości ziarna,
- rodzaju obróbki cieplnej.
Wpływ stopnia odtlenienia i odgazowania:
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:
- stale nieuspokojone,
- stale półuspokojone,
- stale uspokojone za pomocą Si i Mn,
- stale drobnoziarniste, uspokojone za pomocą Si, Mn i Al.
Największą wrażliwość na kruche pękanie wykazują stale niskowęglowe nieuspokojone (najbardziej odporne na pękanie są stale niskowęglowe drobnoziarniste uspokojone Si, Mn wpływ i Al. Stale drobnoziarniste z dodatkiem aluminium wykazują podwyższoną odporność na starzenie, natomiast proces starzenia w przypadku stali nieuspokojonych wyjątkowo silnie „uwrażliwia” materiał na kruche pękanie. Stale nieuspokojone i półuspokojone należą do najtańszych materiałów w danej klasie wytrzymałościowej i dlatego chętnie są stosowane w praktyce, jednak problem kruchego pękania znacznie ogranicza te możliwości. Stosowanie stali nieuspokojonych, z punktu widzenia kruchego pękania, jest bardzo niebezpieczne w tych przypadkach, gdy przed spawaniem stal podlegała odkształceniu plastycznemu na zimno lub też w temperaturach podwyższonych do ok. 300 [°C].
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:
- azotu,
- niobu,
- wanadu,
- tytanu.
Składniki te rozdrabniają ziarna ferrytu, a tym samym wpływają na własności mechaniczne i odporność na pękanie. Azot w stali jest, jak wiadomo, składnikiem szkodliwym, jeżeli występuje w postaci roztworu lub w postaci dużych wydzieleń azotków. Jeżeli jednak azot tworzy azotki, np. AlN, które znajdują się w stanie bardzo drobnej dyspersji, wówczas uzyskuje się efekt rozdrobnienia ziarna ferrytu, podwyższenie granicy plastyczności oraz polepszenie odporności na pękanie.
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:
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.
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.
Wpływ warunków eksploatacji na pękanie kruche