13a- Saldabilità Acciai Microlegati (2011)

Metallurgia e saldabilità

Mercoledì 09 marzo 2011

Metallurgia e saldabilità degliacciai a grano fine (microlegati)

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Saldabilità degli acciai microlegati

Introduzione

• Si tratta di materiali prodotti (dagli anni ‘70) per superare i limiti nelle prestazioni e nella saldabilità degli acciai al C

• Le caratteristiche sono ottenute con il bilanciamento della composizione chimica ed il ciclo di fabbricazione

• I microleganti sono piccoli tenori di elementi di lega (quali V, Nb, Ti, Al, B) per un totale non superiore allo 0,15%

• Tali elementi non operano come elementi di lega (in soluzione) quanto creando carburi, nitruri e carbonitruri con C ed N finemente precipitati nel grano ferritico

• In fase austenitica, l’effetto è limitato al contenimento della dimensione del grano

• Il contenuto di perlite può essere controllato, favorendo la saldabilità

• La modalità di fabbricazione attualmente favorita è il processo termomeccanico (in alternativa allo stato normalizzato)

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Introduzione

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Effetto degli elementi di lega

Niobio

• Aumenta la T di ricristallizzazione in fase austenitica

• Forma carbonitruri stabili oltre a 1200°C (con affinamento del grano austenitico durante il raffreddamento)

• Tende ad indurire la matrice, per precipitazione fine

Vanadio

• Agisce come il Nb nei confronti della T di ricristallizzazione

• Tende alla formazione di carbonitruri come di nitruri (è sempre necessario, quindi, un certo tenore di N)

• La solubilità di carbonitruri e nitruri in fase austenitica avviene a T inferiori rispetto al Nb (più limitato effetto di contenimento delle dimensioni del grano)

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Effetto degli elementi di lega

Titanio

• Ha effetto (moderato) sia sull’affinamento del grano che sull’indurimento per precipitazione (precipitation hardening) in forma di carbonitruri di Ti

• La limitazione della crescita (effetto ritardante) del grano austenitico èutile nel miglioramento della tenacità in ZTA utilizzando apporti termici elevati

• Favorisce (nitruri, ossidi fini) la formazione di ferrite aciculare

Boro

• E’ aggiunto in proporzione al tenore di C

• Riduce la velocità di nucleazione e sviluppo dei grani ferritici

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Struttura metallurgica

• La riduzione del tenore di C è dovuta alle esigenze di tenacità, duttilità e saldabilità

• La microstruttura ferritico - perlitica è sostituita da strutture miste:– ferrite poligonale

– ferrite aciculare (è una bainite inferiore, senza cementite)

– componente M - A (martensite ad alto C, con isole di A residua)

• L’elevata densità delle dislocazioni per le strutture a ferrite aciculare consente gli incrementi della resistenza meccanica

• Le dimensioni dei grani bainitici (F aciculare) consentono, invece, l’incremento dei livelli di tenacità

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Laminazione di normalizzazione e termomeccanica

• A seguito dell’energia termica e di deformazione resa disponibile durante le operazioni di laminazione, si possono verificare fenomeni di ricristallizzazione:

– Ricristallizzazione dinamica

– Ricristallizzazione statica

– Nessuna ricristallizzazione

• Il parametro fondamentale risulta essere la temperatura di non ricristallizzazione (TR), al di sotto della quale sono inibiti fenomeni di ricristallizzazione.

• Scegliendo opportunamente la temperatura delle passate di finitura, si possono ottenere strutture metallurgiche mirate

DIM. GRANO

T

tT

tT

t

A3

TR

TLAM

A3

TRTLAM

A3

TR

TLAM

LAMINAZIONE ORDINARIA

(+ NORMALIZZAZIONE)

LAMINAZIONE DI NORMALIZZAZIONE

LAMINAZIONE TERMOMECCANICA

RAFFR: ACCELERATO

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Normativa di riferimento

• Acciai a grano fine per impieghi strutturali (precedente norma di riferimento)

– UNI EN 10113 - 2 “Prodotti laminati a caldo di acciai saldabili a grano fine, per impieghi strutturali. Condizioni di fornitura degli acciai allo stato normalizzato”.UNI EN 10113 - 3 “Prodotti laminati a caldo di acciai saldabili a grano fine, per impieghi strutturali. Condizioni di fornitura degli acciai ottenuti mediante laminazione termomeccanica”.

• Acciai a grano fine per recipienti in pressione– UNI EN 10028 - 3 “Prodotti piani di acciai per

recipienti a pressione. Acciai a grano fine normalizzati idonei saldatura”.

– UNI EN 10028 - 5 “Acciai a grano fine ottenuti mediante lavorazione termomeccanica idonei alla saldatura”.

Ponte saldato (storebaelt bridge)

Apparecchio in pressione

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Composizioni chimiche - norma UNI EN 10025-3*

Sostituisce la EN 10113-2

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Resistenza meccanica - norma UNI EN 10025-3

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Resilienza - norma UNI EN 10025-3

Struttura off-shore

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Composizioni chimiche - norma UNI EN 10025-4*

* Sostituisce la EN 10113-3

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Resilienza - norma UNI EN 10025-4

Una fase della fabbricazione di un ponte metallico

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Carbonio equivalente UNI EN 10025 – 3 e – 4 (2005)

NOTA: il carbonio equivalente calcolato in accordo alla UNI EN 10025-1 (formula IIW) non fornisce risultati significativi in termini di saldabilità, poiché non èapplicabile qualora l’acciaio contenga elementi microleganti.

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Composizioni chimiche - norma UNI EN 10028-3

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Tenacità - norma UNI EN 10028-3

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Composizioni chimiche - norma UNI EN 10028-5

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Resistenza meccanica e tenacità - norma UNI EN 10028-5

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Classificazione ASTM acciai microlegati - Strutturali

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Classificazione ASTM acciai microlegati – App. pressione

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Normativa di riferimento (settore PIPELINE)

• I riferimenti applicabili per gli acciai per tubazione trasporto fluidi sono:– API 5L “Specification for line pipe”

– UNI EN ISO 10208 “Tubi in acciaio per condotte di fluidi combustibili”

• Le norme stabiliscono i requisiti per i metodi di fabbricazione, le caratteristiche meccaniche e di composizione chimica, l’accettabilità di difetti di fabbricazione

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API 5L: Product Specification Level

• Sono definiti due livelli di requisiti (Product SpecificationLevel)

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API 5 L: Caratteristiche meccaniche

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API 5 L: Composizione chimica (PSL1)

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API 5 L: Composizione chimica (PSL2)

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UNI EN 10208 – 1: Composizione chimica

• In corrispondenza a quanto visto per la normativa API, anche la normativa europea prevede due livelli di fornitura:– Tubi della classe di prescrizione A (UNI EN 10208 – 1)

– Tubi della classe di prescrizione B (UNI EN 102808 – 2)

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UNI EN 10208 -1: Caratteristiche meccaniche

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UNI EN 10208 – 2: Composizione chimica

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UNI EN 10208 – 2: Caratteristiche meccaniche

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Corrispondenza tra i gradi

• E’ possibile identificare una corrispondenza di principio, anche se i requisiti previsti possono presentare leggeri differenze nei valori e nei metodi di prova.

• L’effettiva corrispondenza deve essere indicato sul certificato del materiale, che deve riportare entrambe le designazioni.

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Introduzione alla saldabilità• Il problema principale sono le variazioni microstrutturali in ZTA, in

funzione della T raggiunta localmente e della T di soluzione dei precipitati (in realtà, un ∆T)

• Accanto alla linea di fusione (T tra 1150°C e 1350°C) i carburi di Nb e V entrano in soluzione, peraltro senza effetti sulla durezza:– con apporti termici moderati (processi manuali, semiautomatici), i carburi non

riprecipitano– con apporti maggiori (processi

automatici) è possibile una riprecipitazione

• Nella fascia a T max attornoa 1000° C tendea verificarsi solo una certacoalescenza dei precipitatiper elevati Q (e bassevelocità di raffreddamento)

DUREZZA (HV10)

ZONA FUSA ZTA MB

APPORTO

TERMICO (kJ/mm)

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Introduzione alla saldabilità

• Nella fascia di T inferiori ad Ac1 si hanno fenomeni metallurgici vari:– ridistribuzione delle dislocazioni

– poligonalizzazione della ferrite

– formazione di soluzioni sovrassature di C ed N

• A T ancora inferiori (tra 100° e 400°C) si possono verificare fenomeni di invecchiamento (coalescenza dei precipitati), con conseguenze sulla tenacità

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Acciai termomeccanici• Gli acciai caratterizzati da questo stato di fornitura risultano particolarmente

sensibili alle variazioni microstrutturali in ZTA.• I risultati sperimentali mostrano infatti una netta perdita di caratteristiche

meccaniche, a seguito dell’addolcimento della Zona Termicamente Alterata (ZTA softening)

50 µµµµm 50 µµµµm 50 µµµµm50 µµµµm50 µµµµm50 µµµµm

50 µµµµm

[mm]0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10MATERIALE BASE

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ZF nella saldatura degli acciai termomeccanici• Il problema principale può essere ilNb proveniente (per diluizione) dalmateriale base: si verifica una suaprecipitazione nella matrice ferritica,con scadimenti della tenacità(limitarne, per quanto possibile,il tenore)

• Positivo, invece, l’effetto del V sullatenacità (bainite fine)

• In ogni caso le caratteristichemeccaniche finali del giunto sonoinfluenzate dalla composizione delmateriale d’apporto:– carichi di rottura variabili tra 485 ed 830 N/mm2

– ha in aggiunta elementi di lega quali Cr, Mo, e Ni in tenori superiori al materiale base

– può avere comportamento maggiormente temprante rispetto al materiale base

ZONA FUSA MATERIALE BASE

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Criccabilità a caldo

• La sensibilità di questi acciai non è diversa da quella caratteristica degli acciai al C - Mn

• I microleganti non sembrano avere influenza (la dimensione del grano ha un’importanza secondaria sul fenomeno)

• Un effetto può averlo il livello di calmatura del materiale base (presenza di Al, in particolare):– la limitazione di O2 nel bagno favorisce la solubilità dei solfuri nella

matrice, limitando la duttilità in ZF

• Per gli acciai a maggiore resistenza (tenore di Mn nei consumabili):– limitare il rapporto Mn/Si a 3,5 per evirate l’insorgere di cricche a caldo

in ZF (silicati di Fe e Mn in fase liquida, interdendritici): chevron cracks

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Criccabilità a freddo

• E’ legata principalmente alla composizione chimica del materiale base ed alla sua correlazione con il materiale d’apporto:– Uso di consumabili con Rm variabile tra 485 ed 830 N/mm2 (Ni, Cr, Mo)

– Le cricche si possono trovare sia in zona fusa sia in zona termicamente alterata

• Fattori che influenzano il fenomeno per questi acciai:– il limite elastico (che determina incrementi dei livelli delle tensioni residue)

– lo spessore (con i procedimenti multipass in uso, determina velocità di raffreddamento più severe)

– il carbonio equivalente

– la velocità di raffreddamento (espressa mediante il ∆T8/5)

• Il controllo del ∆T8/5 è effettuato mediante l’applicazione del preriscaldo

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Effetto della T di preriscaldo sulla velocità di raffreddamento, in funzione dell’apporto termico specifico

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Criccabilità a freddo [UNI EN 1011-2]

• La norma UNI EN 1011-2 fornisce un metodo per il calcolo della temperatura di preriscaldo, applicabile agli acciai microlegati:– Per considerare l’effetto di alcuni elementi che tendono a formare

composti (carburi e carbonitruri), è stata elaborata una formula del carbonio equivalente

specifica (CET)

– Si fa riferimento al cosiddetto “spessore equivalente” (valutatocome somma degli spessori deglielementi costituenti il giunto saldato)

– Si considera l’idrogeno diffusibiledepositato dal processo disaldatura (Hdm [ml/100g])

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VALIDITA’ DEL DIAGRAMMA

TEMPERATURA

DI PRERISCALDO

TEMPERATURA

DI PRERISCALDO

SPESSORE COMBINATO

SPESSORE COMBINATO

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• Valutazione della temperatura di preriscaldo in modo numerico:

• Questa formula è valida per gli acciai con carico di snervamento fino a 1.000 MPa, e se sono verificate le seguenti condizioni:

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• Un approccio integrato al problema, oltre a quello della vigente UNI EN 1011-2, tiene conto anche del grado di vincolo, per quanto possibile

• La composizione chimica ed livello di Hdpossono essere riassunti in un unico parametro detto Susceptivity Index:

SI = 12 SI = 12 PcmPcm + log(+ log(HdHd))

essendo:Pcm= C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B

• L’indice viene categorizzato in settegruppi, da A a G

• Le condizioni di vincolo sono suddivise in tre livelli (basso, medio ed alto)

SI Gruppo

0-3,0 A

3,10-3,15 B

3,60-4,00 C

4,10-4,50 D

4,60-5,00 E

5,10-5,50 F

5,60-7,00 G

Basso Giunti saldati con apprezzabilepossibilità di movimento

Medio Giunti saldati con ridotte possibilitàdi movimento (ad esempio, insiemisaldati collegati alla strutturaprincipale)

Alto Giunti saldati senza possibilità dimovimento (ad esempio, spessorielevati o riprazioni)

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• In questo modo, è possibile dare indicazioni sulla minima temperatura di preriscaldo in funzione dello spessore

Livello di vincolo Spessore Minima T di prerisaldo in funzione dell'indice SI[mm] A B C D E F G0-9,50 20 20 20 20 60 140 150

9,50-19,10 20 20 20 60 100 140 150Basso 19,10-38,10 20 20 20 80 110 140 150

38,10-76,00 20 20 40 95 120 140 150> 76.00 20 20 40 95 120 140 1500-9,50 20 20 20 20 70 140 160

9,50-19,10 20 20 20 80 115 145 160Medio 19,10-38,10 20 20 75 110 135 150 160

38,10-76,00 40 80 110 130 150 150 160> 76.00 95 121 140 150 160 160 1600-9,50 18 18 20 40 110 150 160

9,50-19,10 18 18 65 105 140 160 160Alto 19,10-38,10 18 85 115 140 150 160 160

38,10-76,00 115 130 150 150 160 160 160> 76.00 115 130 150 150 160 160 160

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Effetto dei trattamenti termici sugli acciai microlegati

• Il trattamento termico può provocare alterazioni microstrutturali, legate al particolare trattamento di fornitura.

• Si possono verificare:– diminuzione del carico di snervamento ed aumento della duttilità

(coalescenza dei precipitati)

– diminuzione della tenacità (stessa ragione) come anche suoi aumenti, per ricristallizzazione anche parziale

Rif: UNI EN 10025 – 1: 2004

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Effetto dei trattamenti termici sul materiale base• Gli acciai termomeccanici risultano particolarmente sensibili alle condizioni di trattamento termico, essendo le loro caratteristiche legate alle dimensioni dei precipitati:

– Se ne sconsiglia l’applicazione– Se necessario, è opportuno un

controllo adeguato di tempi e temperature, ed eventualmente una qualifica della procedura di trattamento termico.

MATERIALE BASE (TERMOMECC.)

PWHT (550°C – 2h)

PWHT (600°C – 2h)

-7224929563455As welded

-7024536540449PWHT

600°C 2h

-6724435551468PWHT

550°C – 2h

T *KV-20°CARmRsSTATO

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Processi di saldatura

• In generale, occorre impiegare consumabili a basso H(classe H5 EN)

• Di norma, si adottano preriscaldi per spessori superiori a 25 mm (in funzione del Ceq)

• Vanno evitati processi ad elevato apporto termico specifico (SAW a forte penetrazione, ESW):

– decadimenti del limite elastico e a rottura

– tenacità

• Processi ad energia concentrata (EBW, LBW, PW)

• Uso di consumabili con Rm variabile tra 485 ed 830 N/mm2

(Ni, Cr, Mo)

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• Il trattamento di distensione (PWHT) èsconsigliato a meno di casi specifici (es. formazione di strutture fragili per eccessive velocità di raffreddamento, tensocorrosione, ecc.)

• In ogni caso non si verificano variazioni delle caratteristiche meccaniche particolarmente significative per il giunto saldato rispetto a quanto avviene in materiale base.

• Pertanto Quando necessario il PWHT – È condotto a T variabili tra 550° e 600°C

in funzione dell’acciaio, per evitare eccessive perdite di caratteristiche

– Può essere applicato anche in modo localizzato, per limitarne l’effetto negativo.

Trattamenti termici sui giunti saldatiCOME SALDATO

PWHT 550°C – 2h

PWHT 600°C – 2h

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Acciai al carbonio e microlegati: preriscaldo e PWHT

• EN 13445-4:2009

• ASME VIII- DIV 1

In accordo alla normativa EN 1011-2

Tp

Acciai normalizzati a grano fine (1.2-1.3)

40 + 0,5en

en -5

>90mm

> 35mm, ≤90mm

550÷60030≤35mmAcciai non legati (Gruppo 1.1-1.2)

Temperatura di

trattamento °C

Tempo di

mantenimento

minuti

Spessore

nominale en mm

Tipo o grado

PWHTAcciai

Tempo minimo di

mantenimento alla

temperatura di

trattamento

T minima di

trattamento °C

Spessore

nominale mm

>5 pollici (125 mm)

>2 pollici (50 mm), ≤5 pollici (125 mm)

Fino a 2 pollici (50 mm)

PWHT

2ora/pollice, più 15 min per ciascun pollice ulteriore ai primi due

2ora/pollice, più 15 min per ciascun pollice ulteriore ai primi due

1ora/pollice, minimo 15 min

79

79

10

T di

preriscaldo

raccomanda

ta °C

595

tutti

≥25

<25Acciai al carbonio

P-No 1

Spessore

nominale mm

Tipologi

a di

acciai

Materiale

base (P-

Num)

51


52


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