Badania wrażliwości stali na spajanie oraz system wskaźników spawalności stali

Ocena wrażliwości stali na spajanie oraz wybór optymalnych warunków spajania jest bardzo trudnym zadaniem zwłaszcza, że przy obecnym stanie wiedzy nie istnieje jakaś jedna wielkość opisująca wrażliwość stali na spajanie w sposób jednoznaczny i pomimo wielu badań prowadzonych w tym zakresie nic nie wskazuje na to aby można było wyznaczyć taką wielkość. Dlatego też przyjęte obecnie podejście polega na tym, że wrażliwość na spajanie wyrażana jest przez podanie wrażliwości na pękanie gorące, pękanie zimne, pękania lamelarne, pękanie pod wpływem powtórnego nagrzewania, kruchości w wyniku zachodzących przemian, kruchości w wyniku starzenia oraz charakterystyki zmian struktury i właściwości w funkcji czasu t8/5.

1. Badania wrażliwości stali na spajanie Istnieje obecnie wiele prób technologicznych i laboratoryjnych pozwalających badać

poszczególne składowe wrażliwości na spajanie. Niestety większość tych prób w sposób bardzo przybliżony odtwarza warunki panujące w konkretnych, rzeczywistych połączeniach spawanych. Jest to przyczyną ograniczonego zakresu przenoszenia wyników prób technologicznych na złącza rzeczywiste i zmusza do prowadzenia badań na modelowych połączeniach spawanych. Przyczynia się to do znacznego wydłużenia cyklu badań oraz ponoszenia wysokich nakładów finansowych. Prowadzenie zaś badań struktury i właściwości SWC na próbkach spawanych jest bardzo trudne i uciążliwe. Wynika to między innymi z ograniczonych rozmiarów strefy wpływu ciepła. Dla przykładu w złączu doczołowym o grubości 15 mm spawanym łukowo ręcznie z niską energią liniową łuku szerokość SWC nie powinna przekroczyć ok. 0,3 mm. W tych trzech dziesiątych milimetra temperatura maksymalna zmienia się podczas spawania od ok. 900°C do ok. 1500°C. Uwzględniając dodatkowo, że obszar ten jest nierównomierny i najczęściej nie jest położony prostopadle do powierzchni blachy, pobranie próbki np. do badań udarności obszaru przegrzanego jest praktycznie niemożliwe, nie wspominając już o badaniach wytrzymałościowych poszczególnych obszarów SWC.

Problem ten został częściowo rozwiązany poprzez zastosowanie w badaniach spawalności stali fizycznej symulacji procesu spawania , czyli innymi słowy odtworzenie procesu technologicznego w próbce materiału o stosunkowo małych wymiarach (w porównaniu z płytą próbną). Proces symulacji fizycznej obszarów SWC musi zapewniać odtworzenie w próbce warunków cieplnych i odkształceniowo - naprężeniowych panujących w SWC podczas rzeczywistego procesu spawania określonego typu złącza spawanego [6,14,34,67]. Symulacje fizyczne procesu spawania realizowane są na urządzeniach zwanych symulatorami cykli cieplnych i cieplno - odkształceniowych spawania.

Symulatory cykli cieplnych i odkształceniowych spawania są urządzeniami wyposażonymi w dynamiczny układ nagrzewania i chłodzenia próbki oraz mechaniczny układ jej obciążania. W zależności od typu symulatora, nagrzewanie może odbywać się oporowo lub indukcyjnie, zaś obciążenie próbki realizowane może być poprzez siłowniki hydrauliczne, hydrauliczno - pneumatyczne lub magnetyczne. W kraju stosowane są symulatory produkowane przez Instytut Spawalnictwa w Gliwicach [77,79]. Symulatory te umożliwiają [79]: - kontrolowane nagrzewanie (do temperatury Tmax T top) próbek o przekroju okrągłym 10

mm oraz kwadratowym 10 x 10 x 100 mm ciepłem Joule'a w wyniku przepływu przez próbkę prądu przemiennego o częstotliwości 50 Hz,

- kontrolowane chłodzenie, - wytworzenie stanu naprężenia w zadanym punkcie cyklu cieplnego.

Przy pomocy tych urządzeń możliwa jest symulacja zarówno cykli prostych jak i również cykli złożonych. Na rys.2.1 przedstawiono schemat blokowy symulatora cykli cieplno - odkształceniowych spawania.

Symulatory cykli cieplnych i cieplno - odkształceniowych spawania znajdują zastosowanie w badaniach: - właściwości plastycznych (HV, KV, A5, Z) i mechanicznych (Re, Rm) strefy wpływu

ciepła, - pękania gorącego, - pękania zimnego, - pękania lamelarnego, - pękania pod wpływem powtórnego nagrzewania, - kruchości w wyniku starzenia, - kruchości w wyniku zachodzących przemian.

Rys.2.1. Schemat blokowy symulatora cykli cieplno-odkształceniowych spawania

produkcji Instytutu Spawalnictwa w Gliwicach [79]: 1- próbka, 2 - szczęka nieruchoma, 3 - szczęka ruchoma, 4 - prowadnica szczęka, 5 - cylinder pneumatyczny, 6 - czujnik pomiaru przemieszczenia szczęki ruchomej, 7 - czujnik pomiaru siły, 8 - transformator nagrzewający próbkę, 9 - układ sterowania zaworami, 10 - sterownik mikroprocesorowy, 11 - klawiatura sterownika, 12 - termopara kontrolna.

Zaprogramowanie procesu symulacji na symulatorach cykli cieplnych i cieplno - odkształceniowych spawania wymaga wcześniejszego wyznaczenia cykli cieplnych spawania w trakcie wykonywania rzeczywistego złącza spawanego oraz naprężeń własnych i odkształceń pozostających występujących w SWC wykonywanego złącza spawanego. Można tego dokonać na podstawie pomiarów lub metodami analitycznymi. Na rys.2.2 przedstawiono modelowe przebiegi cykli cieplnych, naprężeniowych i odkształceniowych stosowanych w badaniach symulacyjnych. Szczegółowy opis metodyki badań symulacyjnych przedstawiono w pracy [79].

Rys.20. Modelowe przebiegi cykli cieplnych, naprężeniowych i odkształceniowych stosowane w badaniach symulacyjnych: a. pękania gorącego, b. pękania zimnego, c. pękania kruchego w warunkach utwierdzenia, d. pękania pod wpływem powtórnego nagrzewania.

Generalnie więc można stwierdzić, że badania wrażliwości stali na spajanie prowadzone są z zastosowaniem różnych metod, takich jak: - badania rzeczywistych połączeń spawanych, - badania symulacyjne, - badania dylatometryczne, - testy spawalności takie jak np. próba implantacyjna, próba LTP-1, itp.

Ze względu na wielość metod i prób stosowanych w badaniach istotnym zagadnieniem stało się opracowanie systemu oceny wrażliwości stali na spajanie, który na podstawie ściśle zdefiniowanych kryteriów jednoznacznie charakteryzowałyby zachowanie się materiału podczas spawania. Jedną z propozycji takiego systemu jest opracowany przez Instytut Spawalnictwa w Bratysławie system wskaźników spawalności stali [19].

2. System wskaźników spawalności stali System wskaźników spawalności stali składa się z trzech grup wskaźników. Pierwsza

grupa obejmuje wskaźniki wyliczane na podstawie składu chemicznego stali: Cemax i Pcm max. Równoważnik węgla C obliczany z zależności:

C CMn Cr Mo V Ni Cu

e = + ++ +

++

6 5 15 % (2.1)

charakteryzuje skłonność do utwardzenia SWC. Wytwórca stali powinien zagwarantować nie przekraczanie jego maksymalnej wartości, przy czym wartość ta powinna być różna dla różnych grubości wyrobów.

Równoważnik Pcm charakteryzuje skłonność do powstawania pęknięć zimnych i należy go podawać w przypadku stali niskostopowych:

P CSi Mn Cr Cu Ni Mo V

Bcm = + ++ +

+ + + +30 20 60 15 10

5 % (2.2)

Druga i trzecia grupa obejmuje wskaźniki, które wyznacza się doświadczalnie w oparciu o odpowiednie próby.

Grupa druga obejmuje wskaźniki skłonności do pęknięć: - gorących, - zimnych, - lamelarnych, - pod wpływem obróbki cieplnej.

Trzecia grupa obejmuje wskaźniki właściwości strefy wpływu ciepła: - kruchość w wyniku zachodzących przemian, - kruchość w wyniku starzenia.

Pękanie gorące. Zaproponowano trzy klasy skłonności stali do tworzenia pęknięć gorących:

1. Stal odporna na gorące pękanie. 2. Stal częściowo skłonna do powstawania gorących pęknięć wymagająca stosowania

podczas spawania pewnych środków ostrożności (np. stosowania kontrolowanej energii liniowej łuku, niewysokiego podgrzewania przed spawaniem w celu obniżenia gradientu naprężeń i odkształceń).

3. Stal skłonna do powstawania gorących pęknięć (równocześnie występuje zwiększona skłonność do gorącego pękania spoin).

Do oceny skłonności stali do gorącego pękania mogą być stosowane próby technologiczne samoutwierdzone (np. wg PN-79/M-69710) oraz próby maszynowe ze zmianą szybkości odkształcenia (np. Varestraint, LTP-1-6). Szczególnie przydatnymi do oceny skłonności do pęknięć gorących SWC są próby z imitowaniem cieplno-odkształceniowych cykli spawania za pomocą symulatorów.

Pękanie zimne.

Zaproponowano trzy klasy skłonności do pękania zimnego: 1. Stale odporne na powstawanie zimnych pęknięć nie wymagające kontrolowania

zawartości wodoru w spoinie i cieplnych warunków spawania. 2. Stale częściowo skłonne do pękania zimnego, wymagające kontrolowania zawartości

wodoru w spoinie. 3. Stale skłonne do pękania zimnego wymagające kontrolowania zawartości wodoru w

spoinie i cieplnych warunków spawania. Ocenę skłonności stali do zimnego pękania należy prowadzić za pomocą próby

implantacyjnej (PN-90/M-69760). Spośród prób technologicznych samoutwierdzonych zalecana jest próba Tekken.

Pękanie lamelarne. Miarą skłonności do pękania lamelarnego jest wartość przewężenia Z próbki na

rozciąganie pobranej wzdłuż grubości blachy. Wprowadzono podział stali na trzy klasy w zależności od wartości przewężenia Z i zawartości siarki: 1. Stal jest odporna na pękanie gdy Z > 25% i S < 0,012%. 2. Stal jest częściowo skłonna do pękania lamelarnego gdy 10% < Z < 25% 3. Stal jest skłonna do pękania lamelarnego gdy Z < 10% i S > 0,022%.

Pękanie pod wpływem obróbki cieplnej (pod wpływem powtórnego nagrzewania). Do oceny skłonności stali do tworzenia się tego typu pęknięć zaleca się próbę

Vinckiera. Cylindryczne próbki o średnicy 10 mm poddane uprzednio oddziaływaniu symulowanego cyklu cieplnego spawania, poddaje się próbie rozciągania w temperaturze 600°C (prędkość rozciągania 0,1 mm/min) aż do zerwania, określając przewężenie próbki Z. Według tego kryterium stale podzielono na trzy grupy: 1. Stal jest odporna na tworzenie pęknięć pod wpływem obróbki cieplnej gdy Z > 20%. 2. Stal jest częściowo skłonna do pękania gdy 5% < Z < 20%. 3. Stal jest skłonna do pękania gdy Z < 5%.

Kruchość w wyniku zachodzących przemian. Ocenę kruchości w wyniku zachodzących przemian prowadzi się na podstawie badań

udarnościowych na próbkach z karbem ISO - Charpy V pobranych z przyspoinowego obszaru SWC. Określa się wzrost temperatury przejścia plastyczno - kruchego SWC w stosunku do temperatury przejścia plastyczno - kruchego materiału rodzimego.

Przyjęto następujące stopnie wzrostu kruchości strefy wpływu ciepła (SWC) w wyniku zachodzących przemian: 0 - jeżeli przy praktycznie stosowanych energiach liniowych łuku (t8/5 =15-200 s) temperatura

przejścia plastyczno-kruchego dla SWC nie jest wyższa od temperatury przejścia plastyczno-kruchego dla materiału rodzimego,

1 - jeżeli wytwórca gwarantuje, że dla pewnych czasów stygnięcia z zakresu t8/5=15-120 s temperatura przejścia dla SWC nie będzie wyższa od temperatury przejścia plastyczno-kruchego materiału rodzimego,

2 - dopuszcza wzrost temperatury przejścia plastyczno - kruchego dla SWC w porównaniu z materiałem rodzimym o 20°C,

3 - dopuszcza wzrost temperatury przejścia plastyczno - kruchego dla SWC w porównaniu z materiałem rodzimym powyżej 20°C.

Kruchość w wyniku starzenia.

Podatność na kruchość w wyniku starzenia określa się w skali trójstopniowej: 1 - w stanie starzonym temperatura przejścia SWC w stan kruchości nie jest wyższa od

temperatury przejścia plastyczno-kruchego dla materiału rodzimego, 2 - w stanie starzonym temperatura przejścia SWC w stan kruchości nie jest wyższa od

temperatury przejścia plastyczno-kruchego dla materiału rodzimego o więcej niż 20°C, 3 - w stanie starzonym temperatura przejścia SWC w stan kruchości jest wyższa od

temperatury przejścia plastyczno-kruchego dla materiału rodzimego o więcej niż 20°C. Skłonność stali do starzenia ocenia się w oparciu o PN-69/M-69734.

W celu pełnej oceny wrażliwości stali na spajanie wskaźniki spawalności winny być uzupełnione wykresem CTPc-S oraz wynikami badań utwardzenia i kruchości SWC a także przebiegami zmian Rm, Re, A5 i Z w funkcji czasu t8/5.

Badania wrażliwości na spajanie prowadzone wg. przedstawionego powyżej systemu są badaniami żmudnymi i długotrwałymi, niemniej jednak każdy nowy gatunek stali powinien przejść pełny zakres badań spawalności [8].

3. Programy komputerowe wspomagające ocenę spawalności stali Badania wrażliwości stali na spajanie już obecnie z powodzeniem mogą być

wspomagane przez analityczne metody oceny spawalności stali. W ostatnim dziesięcioleciu opracowano w tym celu wiele programów komputerowych [9,36,45,46,59,73,]. Przeważająca

część oprogramowania to programy przeznaczone do pracy na sprzęcie mikrokomputerowym zgodnym ze standardem IBM PC.

Programy różnią się strukturą, stosowanymi zależnościami oraz zakresem zastosowania. Zależności wykorzystywane w tych programach bazują na analizie regresji danych eksperymentalnych a programy stosowane są najczęściej do określania temperatury podgrzewania wstępnego, twardości SWC, skłonności do pękania, składu struktury SWC, przebiegów cykli cieplnych spawania itp.

W tablicy 2.1. zestawiono przegląd najbardziej popularnego oprogramowania do oceny spawalności stali (z wyłączeniem oprogramowania krajowego) [9].

Tablica. 2.1. Najbardziej popularne programy komputerowe do oceny spawalności stali.

Nazwa Autor lub dystrybutor Opis H.Thier, Niemcy Rozkład temperatur w SWC stali niskostopowych H.Thier, Niemcy Wykresy CTPc-S., okreslenie udziałów składników

struktury oraz twardości w funkcji t8/5 Prehaet TWI, Wielka Brytania Wyznaczenie temperatury podgrzewania wstępnego

Fatiguecalc TWI, Wielka Brytania Program do analizy zmęczeniowej Weld H.Gut, Szwajcaria Spawalność stali niskostopowych

Weldware Seyffarth, Niemcy Spawalność stali niskostopowych Schaeffler -

DeLong ESAB, Szwecja Wybór spoiwa do spawania stali austenityczno-

ferrytycznych, obliczanie mikrostruktury spoiwa SZTU Frank, Niemcy Obliczanie i graficzna prezentacja wykresów CTPc-S.

oraz właściwości stali Schweissplan SVEJSE Centralen, Dania Pakiet ułatwiający prace nadzoru spawalniczego,

między innymi umożliwia analizę: odkształceń, rozpływu ciepła w złączu, twardość SWC i temperaturę podgrzewania wstępnego

Schweisst Computer Partner, Niemcy System planowania prac spawalniczych. Między innymi bada spawalność stali.

HAZ - Kalkulator

MAT WELD SOFT, Graz, Niemcy

Przewidywanie mikrostruktury, twardości, właściwości wytrzymałościowych, skłonności do pękania, rozkłady temperatury.

Jeżeli chodzi o rynek krajowy, to niestety jest on niezwykle ubogi. Stwierdzenie to dotyczy nie tylko oprogramowania do oceny spawalności stali ale również całości oprogramowania spawalniczego [59].

W grupie spawalniczych baz danych na rynku krajowym dostępne są następujące programy:

SPAWACZE - komputerowa baza danych uprawnień spawalniczych. Baza służy do prowadzenia komputerowej ewidencji spawaczy z uprawnieniami dozorowymi. (Firma JAKO Sp. z o.o.).

STALE - komputerowa baza danych stali. Baza danych na temat ok. 250 gatunków stali produkcji krajowej, zgodnych z aktualnie obowiązującymi normami PN. (Autorzy: J.Siudek, K.Warsz, S.Zaremba).

ELEKTRODY- komputerowa baza danych elektrod otulonych. Zawiera informację o składach chemicznych, właściwościach wytrzymałościowych oraz wymiarach charakterystycznych elektrod. (Autorzy: J.Siudek, K.Warsz, S.Zaremba).

Programy wspomagające projektowanie konstrukcji i technologii spawania: SPAWANIE I - Program przeznaczony do opracowywania kart technologicznych dla technologii spawania ręcznego. Program umożliwia automatyczny dobór danych technologicznych do spawania ręcznego w opraciu o następujące dane wejściowe: gatunek materiału podstawowego i dodatkowego, rodzaj i grubość spoiny, pozycja spawania, długość spoiny. (Autorzy: P.Sędek i inni).

SPAWANIE II - Program przeznaczony do opracowywania technologii półautomatycznego spawania w osłonie CO2.

W oparciu o dane wejściowe (jak w programie SPAWANIE I) program określa materiał dodatkowy, wymiary rowka spawalniczego i parametry spawania oraz optymalny układ warstw i ściegów wraz z kolejnością ich wykonywania, zużycie materiałów spawalniczych, czasy główne spawania oraz parametry niezbędnej obróbki cieplnej. (Autorzy: P.Sędek i inni). SPAWALNICZY SYSTEM CAD/CAM - Program wspomaga swoim działaniem konstruktora konstrukcji spawanej, technologa spawalnika oraz projektanta spawalniczego stanowiska zrobotyzowanego.

System składa się z: - bazy danych stali, - programu generującego symbole i oznaczenia spoin wg. PN-89/M-01134, - biblioteki znormalizowanych arkuszy rysunkowych, - programu generującego symbol spoiny w przestrzeni trójwymiarowej, - biblioteki sposobów przygotowania krawędzi przed spawaniem, - programu generującego instrukcję technologiczną wg. EN-288-2, - programu badającego kolizyjność na stanowisku zrobotyzowanym, - ekspertowego systemu wspomagania technologicznego, - biblioteki elementów stanowisk zrobotyzowanych. (Autorzy: J.Siudek, K.Warsz, S.Zaremba).

Jedynym krajowym programem do oceny spawalności stali jest program SPAW EXPERT [40,42,71]. Pierwsza wersja tego programu pod nazwą SPAWALNOŚĆ opracowana została w 1988 roku na Politechnice Krakowskiej (autorzy: L.Wojnar, J.Mikuła). Program prezentuje wykresy CTPc-S różnych stali, skład struktury SWC oraz rozkłady temperatur w procesie spawania. Jego kontynuacją i rozszerzeniem jest program SPAW EXPERT. Głównym celem tego programu jest umożliwienie przeprowadzenia teoretycznej analizy spawalności stali oraz wstępnego doboru parametrów spawania tak, aby otrzymać założone właściwości i strukturę strefy wpływu ciepła. Program może być także stosowany do: - oceny wpływu pierwiastków stopowych na wykresy CTPc-S, - oceny wpływu prędkości chłodzenia na strukturę i właściwości SWC, - oceny skłonności materiału spawanego do pęknięć spawalniczych, - badanie wpływu zmian parametrów spawania łukowego ręcznego, w osłonie CO2 lub

łukiem krytym na strukturę i właściwości SWC, - dobór parametrów spawania dla różnych geometrii złącza spawanego i podstawowych

metod spawania, - obliczanie rozkładów temperatur w pobliżu spoiny.

Program SPAW EXPERT może być stosowany w celu wspomagania doboru technologii spawania [72], jak również w dydaktyce. Do celów dydaktycznych program ten stosowany jest w Katedrze Spawalnictwa Politechniki Szczecińskiej, w Instytucie Spawalnictwa w Gliwicach, w Zakładzie Spawalnictwa Politechniki Krakowskiej [37,71].

Zestawienie zależności umożliwiających analizę wrażliwości stali na spawanie

Poniżej zestawiono zależności umożliwiające obliczanie wskaźników skłonności do pęknięć spawalniczych, charakterystycznych temperatur i krytycznych czasów przemian rozkładu austenitu w warunkach spawalniczych oraz właściwości strefy wpływu ciepła w funkcji składu chemicznego stali i parametrów cyklu cieplnego spawania.

1. Wskaźniki skłonności do pęknięć spawalniczych Wskaźniki spawalności zaprezentowane poniżej uwzględniają w analizie głównie skład

chemiczny stali, do rzadkości należą wskaźniki umożliwiające ocenę skłonności do pękania w funkcji warunków termicznych spawania. Wyjątek stanowią wzory na naprężenia krytyczne próby implantacyjnej. Dlatego też, przeprowadzona na podstawie tych zależności ocena skłonności do pękania ma jedynie charakter jakościowy. Należy także zaznaczyć, że nie istnieją obecnie zależności umożliwiające wyznaczenie wskaźników kruchości SWC w wyniku starzenia. Pomimo tych ograniczeń teoretyczna analiza wskaźników spawalności stali jest wygodnym i przydatnym narzędziem w ocenie spawalności stali.

1.1. Ocena skłonności do pękania gorącego: Wzór [4]:

158,0

1512128,0

104,0

32 −

+++−

+−

++⋅+=CrCuNiMnSiPSCCekw (3.1)

Zastosowanie: stale niskowęglowe

Kryterium oceny: Cekw > 0,45 - stal skłonna, Cekw < 0,15 - stal odporna, 0,15 < Cekw < 0,45 - stal częściowo skłonna.

Wzór [70]:

HCSC S P

Si Ni

Mn Cr Mo V=

⋅ + +⎛⎝⎜

⎞⎠⎟ ⋅

⋅ + + +25 100

10

3

3

(3.2)

Zastosowanie: a) stale niskowęglowe o Re ≤ 700 MPa b) stale niskostopowe o Re > 700 MPa

Kryterium oceny: a) HCS ≥ 4 - stal skłonna,

HCS < 4 - stal odporna, b) HCS ≥ 2 - stal skłonna,

HCS < 2 - stal odporna.

Wzór [2]: UCS1 = 184C + 970S + 188P - 18,1Mn - 4760CS - 1240SP +501PMn + 32600SP (3.3)

UCS2 = 223C + 197S + 100P + 48Nb - 14,3Si - 6Mn -16Al -1 (3.4)

USC3 = 230C + 190S + 75P + 45Nb - 12,3Si - 5,4Mn -1 (3.5)

Zastosowanie: UCS1 - stale CMn, UCS2 - stale niskostopowe, UCS3 - stale z niobem.

Kryterium oceny: UCS1, UCS2 - wraz ze wzrostem wartości parametru wzrasta skłonność do pękania, USC3 < 10 - stal odporna, USC3 ≥ 30 - stal skłonna, 10 ≤ USC3 < 30 - stal częściowo skłonna.

Wzór [11]: CSF1 = [P(C + 0,142Ni + 0,282Mn + 0,2Cr - 0,14Mo - 0,224V) + 0,193S

+ 0,00216Cu]104 (3.6)

CSF2 = 36C + 12Mn + 5Si + 540S + 812P + 5Ni + 3,5Cr - 20V - 13 (3.7)

Zastosowanie: stale niskostopowe wysokowytrzymałe

Kryterium oceny: czym wyższe wartości parametrów CSF, tym wyższa skłonność stali do pękania gorącego.

Wzór: vkr1 = 43 - 3,5(TIT) + 0,084(TIT)2 [m/min] (3.8)

TIT = 238S + 56,7C - 3,6Mn

vkr2 = 19 - 42C - 411S - 3,3Si + 5,6Mn + 6,7Mo [m/min] (3.9)

Zastosowanie: vkr1 - stale węglowe vkr2 - stale niskostopowe

Kryterium oceny: czym wyższa wartość parametru v, tym niższa skłonność stali do pękania gorącego.

1.2. Ocena skłonności do pękania zimnego: Wzór [64]:

C CMn Cr Mo V Ni Cu

e = + ++ +

++

6 5 15 (3.10)

Zastosowanie: stale o zawartości C < 0,2%

Kryterium oceny: h - grubość łączonych elementów w mm; dla h < 25:

Ce ≤ 0,45 - stal odporna, Ce > 0,45 - stal skłonna,

dla 25 < h < 37: Ce ≤ 0,41 - stal odporna,

Ce > 0,41 - stal skłonna.

Wzór [25,26]:

T Pw0 1440 392= ⋅ − (3.11)

gdzie: T0 - temperatura podgrzewania wstępnego, h - grubość łączonych elementów w mm, R hFy = 70 dla h ≤40 mm i RFy = 2800 dla h> 40 mm,

P CSi Mn Cu Cr Ni Mo V

Bcm = + ++ +

+ + + +30 20 60 15 10

5

HD - zawartość wodoru w ml na 100 g stopiwa,

P PH R

W cmD Fy

= + +60 40000

Zastosowanie: 0,07-0,22% C, 0-0,6% Si, 0,4-1,4%Mn, 0-0,5% Cu, 0-1,2% Ni, 0-1,2%Cr, 0-0,7%Mo, 0-0,12% V, 0-0,05% Ti, 0-0,04% Nb, 0-0,005% B, HD = 1-5 ml/100 g, h = 19-50 mm, RFy = 500-3300, EL = 17-30 kJ/cm (energia liniowa łuku)

Kryterium oceny: T0 ≤ 20 - stal odporna, T0 ≥ 100 - stal skłonna, 20 < T0 < 100 - stal częściowo skłonna.

Wzór [65]:

Tp = T0 + (100 - T0)exp[(8,17 + 700/h)10-5 t100 ] - 14180

100

qh t

(3.12)

gdzie: Tp - temperatura podgrzewania wstępnego, T0 - temperatura otoczenia w C, h - grubość blachy w mm, q - energia liniowa łuku w kJ/mm.

Wzór [66]: (t100)kr = -2776 - 0,372Re + (3048 + 5,61Re) CEN + 1884logHD (3.13)

gdzie: (t100)kr - krytyczny czas chłodzenia od temperatury maksymalnej do temperatury

1000C powyżej którego nie występuje skłonność do pękania zimnego, K - intensywność utwierdzenia , K = Re/0,040, HD - zawartość wodoru dyfundującego wyznaczona metodą glicerynową, Re - granica plastyczności materiału rodzimego, CEN = C + A(C)[Si/24 + Mn/6 + Cu/15 + Ni/20 + (Cr + Mo + Nb + V)/5 + 5B]

A(C) = 0,75 + 0,25 tanh 20(C - 0,12)

Wzór [54]:

25,0][350 −= CTP (3.14)

gdzie: TP - temperatura podgrzewania wstępnego, [C] = [C]C(1 + 0,005h) 360[C]C = 360C + 40(Mn + Cr) + 20Ni + 28 Mo

Zastosowanie: ferrytyczne stale niskostopowe.

Wzór [65]:

( ) ( )σ kr imp cm DP H t t= ⋅ − − ⋅ + + ⋅ + ⋅ ⋅−9 81 68 9 121 24 1 1 75 1 65 108 52

100, ( , lg , , )/ (3.15)

gdzie: ( )σ kr imp

- wielkość naprężeń krytycznych w próbie implantacyjnej, wyrażona w MPa,

t100 - czas chłodzenia do temperatury 100°C, t8/5 - czas chłodzenia w zakresie 800-500°C, w sekundach, inne wielkości zdefiniowano we wzorze na T0 (poprzednim).

Zastosowanie: Pcm = 0,16-0,282, HD = 1-21 ml / 100g, t8/5 = 5-20 s, t100 = 58,5-1409 (czas chłodzenia do temp. 1000C, w sekundach),

Kryterium oceny:

ασ

= kr

eR

α > 1 - stal odporna, α < 0,6 - stal skłonna, 0 6 1, ≤ ≤α - stal częściowo skłonna.

Wzór [15]:

HV = 283,3 +668,1( C + Mn/42 - V/4 + Mo/24 ) (3.16)

HV - Krytyczna twardość SWC, powyżej której możliwe jest występowanie pęknięć zimnych przy zawartości wodoru dyfundującego 10ml/100g.

t8/5(kr) = 3,7(C+Mn/13 +V/6 +Ni/40 + Mo/10) - 0,31 (3.17)

t8/5(kr) - krytyczny czas chłodzenia dla którego struktura SWC uzyskuje twardość krytyczną.

Zakres zastosowania: stale konstrukcyjne zawierające: 0,07 - 0,17%C, 1 - 2,0 %Mn, 0 - 0,8 %Ni, 0 - 0,5 %Mo, 0 - 0,14 %V

1.3. Ocena skłonności do pękania lamelarnego: Wzór [31]:

P PH

SI cmD= + +

606 (3.18)

gdzie: odpowiednie wielkości oblicza się analogicznie, jak w poprzednich wzorach (3.11)

Zastosowanie: nie podano ograniczeń

Kryterium oceny: PI ≤ 0,40 - stal odporna, PI > 0,40 - stal skłonna.

Wzór [31]:

P PH L

L cmD= + +

60 7000 (3.19)

gdzie: L - całkowita długość matowych wtrąceń w mm/mm2

Zastosowanie: nie podano ograniczeń

Kryterium oceny: PL ≤ 0,35 - stal odporna, PL > 0,35 - stal skłonna.

1.4. Ocena skłonności do pękania pod wpływem powtórnego nagrzewania: Wzór [44]:

ΔG Cr Mo V= + + −3 3 8 1 2, , (3.20)

ΔG Cr Mo V C1 3 3 8 1 10 2= + + + −, , (3.21)

Zastosowanie: %C < 0,18, %Cr < 1,5

Kryterium oceny: Δ ΔG G, 1 1≥ - stal skłon Δ ΔG G, 1< 1 - stal odporna

Wzór [24]:

P Cr Cu Mo V Nb TiSR = + + + + + −2 10 7 5 2 (3.22)

Zastosowanie: 0,1-0,25% C, 0-1,5% Cr, 0-0,2% Mo, 0-0,1% Cu, 0-0,15% V, 0-0,15% Nb, 0-0,15% Ti

Kryterium oceny: PRS ≥ - stal skłonna, PRS < - stal odporna.

Wzór [20]:

Z = 113,96 - 8731,8P - 108,6Mo - 284,22V + 19,051P2

+ 1545,3PCr - 677,6SCr + 5237,3SMo + 102,9Mo

2 + 373,9V

2 (3.23)

Zastosowanie:

0,003-0,02 %P, 0,005-0,02 %S, 1,7-3,2 %Cr, 0,4-1,0 %Mo, 0,005-0,4 %V

Kryterium oceny: Z > 20 - stal odporna, Z ≤ 5 - stal skłonna, 5 < Z ≤ 20 - stal częściowo skłonna.