61

5 NASTANEK ZVARA

Za varjenje potrebujemo energijo, ponavadi v obliki toplote ali mehanskega dela. Pogosto koristimo oboje hkrati259.

Za možnost gradnje velikih konstrukcij z velikimi preseki zvarov, ki so mehansko zelo močno obremenjeni, je posebno pomembno talilno varjenje. Pri talilnem varjenju je pogosto potreben zvarni žleb. Brez njega namreč konstrukcijskih elementov večjih debelin z običajnimi varilnimi stroji ne bi mogli spojiti. Pri tem je potreben tudi dodajni material. Pri varjenju ga stalimo in z njim zapolnimo zvarni žleb.

Pri varjenju je dovajanje toplote ali mehanskega dela izrazito lokalno. Rezultat lokalnega dovajanja toplote je določen toplotni vpliv na material varjenih elementov260. Vpliv varjenja je najbolj opazen na tistih mestih, kjer se material med varjenjem najbolj segreje.

− Na sliki 5.1a je prikazano, koliko se material segreje v primeru šivnega varjenja na različnih oddaljenostih od črte, po kateri potuje vir toplote261. Spodaj je prikazan zvar, ki nastane pri tem.

Material, ki je bolj oddaljen od vara, se zaradi zakasnitve pri prevajanju toplote segreje do maksimalne temperature Tp kasneje kot material, ki je manj oddaljen. Za posledice toplotnega vpliva na material ta zakasnitev ni pomembna.

− Na sliki 5.1b je na delu Fe-Fe3C diagrama prikazano, katere vrednosti dosežene temperature omejujejo posamezna področja zvara pri varjenju ogljikovih konstrukcijskih jekel.

T>TtT<Tt T<Tt

TVP TVP II II I I

var

Tp

x

Tt

Ac4

Ac1

Ac3

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 1 2Ogljik

talina

A

F+P

a b a dosežena maksimalna temperatura prečno na zvar; b kje nastane var in kje TVP

Slika 5.1: Nastanek zvara pri šivnem varjenju jekla z 0,2% ogljika

259 Če vnesemo toploto, da se del materiala stali, gre za talilno varjenje. Pogosto služi toplota le za segrevanje

in zmehčanje materiala, spoj pa nastane šele pri uporabi dovolj velike mehanske sile, ki material zgnete. 260 O temu vplivu bomo podrobneje govorili v poglavju 5.2 261 če se temperatura materiala za določen čas zviša nad temperaturo tališča, se material stali

62

5.1 Področja zvarov

Pri zvarih, ki med seboj spajajo dva ali več konstrukcijskih elementov, narejeni pa so s taljenjem materiala ali z zmehčanjem materiala in njegovim zgnetenjem, razlikujemo dve področji (slika 5.2). Nastanek obeh je rezultat toplotnega vpliva varjenja262.

1. Določen del varjenih elementov stalimo ali pa jih zgnetemo. Talina se strdi s kristalizacijo (slika 5.2a), segret in z zunanjo silo zgneten material pa rekristalizira (slika 5.2b). Ko se ta material hladi, se lahko njegova mikrostruktura še spremeni. Na koncu je to področje, ki ga poznamo kot var.

2. Določen del varjenih elementov za kratek čas samo segrejemo. Temperatura je prenizka, da bi se material stalil ali pa da bi se zaradi zunanje sile plastično deformiral, četudi je segret in precej zmehčan. Ko se ta material hladi, se lahko njegova mikrostruktura še spremeni. Na koncu je to področje, ki ga poznamo kot TVP (sliki 5.2a in 5.2b)263.

TVP toplotni vpliv v varu

osnovni material

var

var

TVP

TVP

črta taljenja črta zlitja var

osnovnimaterialosnovni

material osnovni material

a b

a dvovarkovni soležni V-zvar, ki je narejen v dveh potezah a; b točkovni zvar, ki je narejen brez dodajnega materiala

Slika 5.2: Var in TVP

TVP in var razmejuje črta taljenja oziroma črta zlitja materiala. Področji nastalega TVP in nespremenjenega osnovnega materiala razmejuje doseg temperature, kjer se mikrostruktura ne spremeni. Višina potrebne temperature za spremembo mikrostrukture materiala je odvisna od vrste materiala264.

Mikrostruktura TVP in mikrostruktura vara se tako močno razlikujeta od mikrostrukture osnovnega materiala, da se to celo s prostim očesom zlahka opazi (slika 5.3a). Na metalografskih obrusih je razlika med posameznimi področji še bolj očitna. Vidi se celo, da gre za različno obliko zrn in obstoj popolnoma drugih faz (slika 5.3b).

Tako kot pri vseh polikristalnih kovinah velja tudi pri zvarih, da je njihova mikrostruktura funkcija kemične sestave, izhodnega stanja in termične zgodovine:

− TVP nastane iz osnovnega materiala. Po ohladitvi je njegova mikrostruktura odvisna od kemične sestave osnovnega materiala, od stanja osnovnega materiala pred varjenjem ter od celotnega toplotnega vpliva izdelave zvara.

− Var lahko nastane samo iz osnovnega materiala, pogosto pa je večinoma iz dodajnega materiala. Po ohladitvi je njegova mikrostruktura odvisna od kemične sestave ter od pogojev pri rekristalizaciji ali strjevanju, kakor tudi od načina, kako se je shladil.

262 prvi zvar na sliki je narejen pri šivnem, drugi pa pri stacionarnem varjenju 263 kratice TVP pomenijo toplotno vplivano področje zvara 264 Pri ogljikovih konstrukcijskih jeklih je to navadno temperatura Ac1 (723°C), čeprav je v določenih primerih

lahko ta temperatura tudi nižja (npr temperatura popuščanja, rekristalizacijska temperatura ali temperatura umetnega staranje jekel; poglavje 6.3).

63

a b a makro posnetek X-zvara debeline 19 mm; b dva mikro posnetka: zgoraj meja med varom in TVP, spodaj nespremenjeni osnovni material, ki je feritno-perlitno jeklo

Slika 5.3: Področji zvara, ki se izoblikujeta pri talilnem varjenju

Za mikrostrukturo vara in TVP večvarkovnih zvarov so pomembni tudi kasnejši toplotni vplivi, ki so povezani z izdelavo zvara265.

Var, TVP in osnovni material imajo različno mikrostrukturo, zato so njihove lastnosti različne. Za uporabnike varjenih konstrukcij je zelo pomembno, da je zvar primerne kakovosti. Ker osnovni material za varjene konstrukcije zmeraj izberemo na osnovi njegovih lastnosti, je treba v primerih, ko gre za varjenje z uporabo dodajnega materiala, s pravilno izbiro le-tega in z izvedbo primerne tehnologije varjenja zagotoviti, da so lastnosti vara in TVP enakovredne uporabljenemu osnovnemu materialu266. To je važno za zanesljivo in varno uporabo varjenih konstrukcij267.

5.2 Razmere pri izdelavi zvarov

Najnovejša termična zgodovina materiala vseh področij zvara, ki so v varjenem stanju, je povezana le z varjenjem268. Varjenje je navadno zadnja delovna faza izdelave varjenih konstrukcij. Zato so lastnosti zvarov v varjenem stanju odvisne od varilnih parametrov. Mikrostruktura zvarov se izoblikuje med varilnim ciklom269. Oblika spojev in zvarjenih elementov sta v naprej predvideni270.

265 izdelava vsakega sledečega varka vpliva na najbližje dele že obstoječega dela zvara 266 obstajajo tudi izjeme, ko je potrebno, da so mehanske lastnosti zvara nižje ali višje od mehanskih lastnosti

osnovnega materiala 267 največkrat so za uporabnost varjenih konstrukcij pomembne mehanske lastnosti 268 Pri zvaru v "varjenem stanju" je mikrostruktura v vsaki točki odvisna izključno od varjenja. Isto velja tudi za

zaostale napetosti, ki so posledica izdelave spojev z varjenjem. 269 značilni časovni potek temperature med varjenjem poznamo kot varilni cikel (pri večvarkovnem varjenju gre

za več zaporednih varilnih ciklov) 270 razen varilnih parametrov so za izoblikovanje mikrostrukture zvarov pomembne tudi oblika in dimenzije

zvarov ter varjenih elementov, prav tako pa tudi temperatura varjenega materiala

64

Včasih izdelke, ki so narejeni z varjenem, obdelamo tudi toplotno. V takšnih primerih je najnovejša termična zgodovina vseh delov zvara povezana z zadnjim toplotnim vplivom in ne več z že davno pred tem zaključenimi vplivi izdelave zvara z varjenjem271.

Na sliki 5.4 sta za primer šivnega talilnega varjenja nekega ogljikovega konstrukcijskega jekla skicirana poteka najnovejše termične zgodovine materiala iz dela TVP tik ob varu272 in materiala, ki spada k varu.

1500°C

t

T

800°C

500°C

1500°C

t

T

800°C

500°C

Tp

Δt8/5 Δt8/5

a b

a temperaturne razmere med varjenjem v osnovnem materialu tik ob črti taljenja (TVP); b temperaturne razmere med varjenjem v varu

Slika 5.4: Oblika varilnih ciklov pri nastanku TVP in vara

Podrobneje poglejmo potek temperaturnega cikla, ki je posledica toplotnega vpliva varjenja na mestu, kjer nastane TVP, in na mestu, kjer nastane var:

1. Termična zgodovina materiala v določeni točki TVP se začne s segrevanjem izhodnega osnovnega materiala.

− Na sliki 5.4 je med segrevanjem pri 800°C prikazan določen temperaturni zastoj. To je posledica porabe toplote za premeno jekla pri segrevanju273.

− Po doseženi najvišji temperaturi varilnega cikla Tp se material prične ohlajati274. Med ohlajanjem je pri 600°C prikazan določen temperaturni zastoj. To je posledica sproščanja toplote pri premeni jekla275.

2. Termična zgodovina materiala v varu se začne z začetkom ohlajanja zvarne kopeli.

− Kljub veliki razliki med temperaturo zvarne kopeli in okolice je na sliki 5.4b do približno 1500°C ohlajanje delno strjene taline dokaj počasno. To je posledica

271 vpliv opravljenega varjenja se na zvarih, ki so normalizirani, poboljšani, žarjeni, kovani ali so v kakšnem

drugačnem stanju, odraža v izhodnem stanju vara in TVP pred izvedbo takšne mehanske ali toplotne obdelave

272 to se vidi iz maksimalne temperature varilnega cikla, ki skoraj doseže temperaturo tališča jekla 273 Temperatura zastoja je višja od temperature Ac1. Odvisna je od kemične sestave osnovnega materiala (pri

ogljikovih konstrukcijskih jeklih predvsem od vsebnosti ogljika) in od hitrosti segrevanja. 274 kako hitro je ohlajanje bo podrobneje pojasnjeno v nadaljevanju tega poglavja 275 Temperatura zastoja je tako kot pri segrevanju odvisna od materiala (pri ogljikovih konstrukcijskih jeklih

predvsem od vsebnosti ogljika), pa tudi od hitrosti ohlajanja. Zaradi hitrega ohlajanja začetek premene kasni, zato je zastoj znatno nižji od temperature Ac1 (pri kateri temperaturi so formalno izpolnjeni pogoji za transformacijo avstenita pri nekem določenem jeklu, je mogoče razbrati iz CCT diagrama, kar se vidi na sliki 4.16).

65

velike količine toplote, ki se v določenem temperaturnem intervalu sprošča pri strjevanju taline (poglavje 4.6.1).

− Označeni temperaturni zastoj med ohlajanjem že strjenega vara pri približno 700°C je posledica sproščanja toplote pri premeni jekla. Ker pri talilnem varjenju z uporabo dodajnega materiala kemični sestavi TVP in vara nista enaki, je temperaturni zastoj v varu ponavadi pri višji temperaturi kot v TVP276.

Pri varjenju so posamezne točke različnih delov TVP in vara skoraj v kontaktu. Obe področji zvara nista kaj prida obsežni277. Zaradi dobre toplotne prevodnosti kovin se poraba ali sproščanje toplote pri strjevanju in premenah opazi tudi v najbližji okolici. Temperaturni zastoji pri premenah med segrevanjem in ohlajanjem so zato navadno neopazni, med drugim tudi zato, ker se toplota pri zlitinah, razen v nekaj izjemah, sprošča in porablja v določenih temperaturnih intervalih. Izvori in ponori toplote pri premeni so prostorsko porazdeljeni, kar še dodatno zabriše njihovo sled. Temperatura namreč v istem času ni enaka po celotnem zvaru (slika 5.1).

Ohlajanje vara in celotnega TVP je v bistvu enako hitro. Temperatura se s prevajanjem toplote po zvaru hitro izenači. Tako so pri višjih temperaturah v zvarih sicer še določene razlike v hitrosti ohlajanja278, pri nižjih temperaturah, ki so pomembne za izoblikovanje končne mikrostrukture zvarov, pa večjih razlik v hitrosti ohlajanja med varom in TVP v resnici sploh ni279.

Tako kot pri vseh kovinah je tudi pri ogljikovih jeklih za mikrostrukturo TVP in vara odločilna najnovejša termična zgodovina varjenja. Pri tem je poleg maksimalne temperature varilnega cikla pomembna hitrost ohlajanja v času, ko poteka premena. Zato pri teh jeklih uporabljamo za merilo hitrosti ohlajanja pri varjenju čas trajanja temperature med 800 in 500°C. Označimo ga kot čas Δt8/5 (slika 5.4)280. Hitrost ohlajanja in čas Δt8/5 sta diametralno nasprotna pojma281. Pri šivnem varjenju je čas Δt8/5 v glavnem odvisen od specifičnega vnosa toplote na enoto dolžine vara, pri stacionarnem varjenju pa od specifičnega vnosa toplote na enoto volumna vara. Pri hitrosti ohlajanja imajo veliko vlogo tudi toplotne lastnosti materiala in dimenzije varjenih elementov ter oblika varjenih komponent in zvarov pa tudi temperatura materiala pred, oziroma med varjenjem282.

Za hitrost odtekanja toplote iz zvara so pomembni temperaturni gradienti okoli najbolj segretega dela materiala, iz katerega nastane zvar. Od česa je odvisna hitrosti ohlajanja, ki je odločilna za termično zgodovino zvarov, je skicirano na sliki 5.5:

276 razlog za zastoj pri nižji temperaturi je nižja vsebnost ogljika v dodajnem materialu v primerjavi z osnovnim 277 prostorska omejenost vara in TVP je posledica omejenih moči izvorov toplote, ki jih uporabljamo pri

varjenju 278 material vara je segret nad tališče jekla, nekateri deli TVP pa le malo čez temperaturo Ac1 279 To dejstvo omogoča enostavno določitev hitrosti ohlajanja zvarov. Termočlen, ki je obstojen na temperaturi

taline, je treba vstaviti v zvarno kopel in po kristalizaciji taline beležiti časovni potek temperature, ki postane hitro enaka po vsem zvaru (tudi v TVP).

280 pri varjenju s klasičnimi postopki je čas Δt8/5 dolg od nekaj sekund do nekaj deset sekund, izjemoma tudi preko sto sekund (pri varjenju z elektronskim snopom, laserjem in mikroplazmo je ohlajanje bistveno hitrejše, zato je čas Δt8/5 lahko tudi krajši od ene sekunde).

281 če se hitrost ohlajanja zveča, se čas Δt8/5 skrajša, in obratno 282 Pri večvarkovnem šivnem varjenju je temperatura materiala na začetku varjenja vsakega varka odvisna

tudi od vnešene toplote pri varjenju predhodnega varka. To temperaturo imenujemo medvarkovna temperatura (seveda je popolnoma drugače, če mine med varjenjem varkov veliko časa in se delno izdelan zvar popolnoma ohladi).

66

hitrost ohlajanja zvara oziroma čas Δt8/5

vnos toplote temperatura materiala debelina mat.

najnovejša termična zgodovina zvara

Slika 5.5: Shematski prikaz odvisnosti najnovejše termične zgodovine materiala zvarov

− Če je vnos toplote velik, mora za ohladitev zvara odteči mnogo toplote. Ker se je segrelo tudi več materiala, so vzpostavljeni temperaturni gradienti manjši. Toplota odteka zato počasneje. Čas ohlajanja Δt8/5 pa je daljši.

− Če je temperatura materiala ob začetku varjenja višja, so vzpostavljeni temperaturni gradienti proti hladni okolici manjši. Toplota zato odteka počasneje, čas ohlajanja Δt8/5 pa je daljši.

− Če je material debel, je v okolici zvara več materiala, v katerega lahko odteka toplota. Vzpostavijo se večji temperaturni gradienti, zato je ohlajanje hitrejše. Čas ohlajanja Δt8/5 je zaradi tega krajši.

5.3 Toplotno vplivano področje zvara

Neposredni vzrok za nastanek TVP zvarov je dovajanje energije za spajanje. Pri talilnem varjenju je to toplota, s katero material lokalno segrejemo in stalimo. Pri netalilnem varjenju je del te energije toplota, del pa mehansko delo. Mehansko delo se porabi za plastično deformiranje segretega materiala pri gnetenju. V primeru večvarkovnega varjenja toplotni vpliv varjenja ni opazen samo na osnovnem materialu, ampak tudi na predhodnih varkih (slika 5.2a)283. Ker se osnovni material v TVP ne stali, ostane kemična sestava materiala v njem takšna, kot je bila prej284.

Pri šivnem varjenju je neposredna posledica vnašanja energije za spajanje varilni cikel. Za potek temperature med varilnim ciklom so značilne tri časovne sekvence:

1. relativno hitro segrevanje

2. kratek čas zadržanja na maksimalni temperaturi varilnega cikla

3. ohlajanje

Potek vsake sekvence je odvisen od zunanjih vplivov. To so varilni parametri, oblika zvara in lastnosti materiala ter pogoji v okolici zvara, ki vplivajo na odvajanje toplote285.

283 te dele zvara ne prištevamo k TVP (TVP zvara je posledica toplotnega vpliva varjenja na osnovni material) 284 V vsaki točki TVP je kemična sestava materiala enaka sestavi varjenega materiala. Vendar pa je

mikrostruktura TVP zmeraj drugačna od mikrostrukture osnovnega materiala (v delu TVP, ki je bolj oddaljen od vara, je termična zgodovina zaradi nižje maksimalne temperature varilnega cikla drugačna kot v delu TVP, ki je bližje vara)

285 razsežnost in temperatura varjenih elementov

67

5.3.1 Segrevanje

V tej sekvenci varilnega cikla je pomembna hitrost segrevanja materiala in višina dosežene maksimalne temperature Tp (slika 5.4a).

Pri šivnem varjenju je hitrost segrevanja odvisna od količine vnešene toplote na enoto dolžine zvara, od oblike zvara in termičnih lastnosti materiala ter od varilnih pogojev286.

Kaj se zgodi v fazi segrevanja z ogljikovim jeklom (npr jeklo z 0,2% ogljika) vidimo na sliki 5.1b287:

− Dokler ni presežena temperatura Ac1, se mikrostruktura izhodnega osnovnega materiala bistveno ne spremeni.

− Pri perlitnih jeklih so pri temperaturi Ac1 izpolnjeni pogoji za neposredno premeno perlita v avstenit z evtektoidno sestavo (0,8% ogljika) z reakcijo:

α + Fe3C → γ 5.1

Ker so razdalje med cementitnimi lamelami v perlitu majhne, je hitrost difuzije ogljika pri temperaturi Ac1 dovolj velika, da se koncentracija ogljika v celotnem zrnu izenači skoraj v trenutku288. Če pa hitrost difuzije le ni zadostna za takojšnjo premeno v avstenit, se perlit zaradi hitrega segrevanja pregreje. Hitrost difuzije ogljika je pri temperaturah nad Ac1 večja, hitrost premene pa tudi.

Na isti način se premenijo v avstenit z evtektoidno sestavo tudi vsa perlitna zrna v feritno-perlitnih jeklih. Podobno je tudi v jeklih z "α"-fazo, kjer so drobni cementitni delci porazdeljeni v feritu289. Pri temperaturi Ac1 se cementitni delci hkrati s feritom, ki se nahaja v njihovi neposredni bližini, premenijo v avstenit z evtektoidno sestavo290.

− Pri feritno-perlitnih jeklih, feritno-bainitnih, čisto bainitnih, bainitno-martenzitnih ali popuščenih martenzitnih jeklih so med temperaturo Ac1 in Ac3 v feritu oziroma v "α"-fazi dlje od cementitnih delcev izpolnjeni pogoji za reakcijo:

α → γ 5.2

Zaradi manjšanja topnosti ogljika v feritu nad temperaturo Ac1 se iz njega izloča avstenit z bistveno več ogljika. Pri višjih temperaturah je ogljika v izločenem avstenitu vse manj291. Zaradi hitrega segrevanja in omejene hitrosti difuzije ogljika pri izločanju

286 a) Če vnos toplote povečamo, je hitrost segrevanja materiala manjša.

b) Če je število elementov, ki jih spajamo na enem mestu večje ali pa je večja debelina elementov, je zaradi večje mase hitrost segrevanja manjša.

c) Večja toplotna prevodnost materiala omogoča, da je odtekanje toplote hitrejše, zato je hitrost segrevanja manjša.

d) Pri večji specifični toploti materiala je potrebno več toplote za zvišanje notranje energije materiala. Hitrost segrevanja je zato manjša.

e) Nizka temperatura materiala ter prepih ali veter med varjenjem in temperatura zraka so vzrok za hitrejše odvajanje toplote. Hitrost segrevanja je zato manjša.

287 pri varjenju poteka segrevanje dokaj hitro (npr pri obločnem varjenju tudi 200 − 300 Ks −1, pri laserskem

varjenju in pri varjenju z elektronskim snopom pa je segrevanje zaradi velike intenzitete energijskega snopa še veliko hitrejše)

288 perlit tvorijo feritne in cementitne lamele debeline nekaj 0,1 μm 289 z "α" označimo fazo, ki je glede na kristalno mrežo ena oblika ferita (npr bainit ali popuščeni martenzit) 290 na površini cementitnega delca, ki meji na ferit, so razmere podobne kot na mejnih ploskvah med lamelami

cementita in ferita v perlitnih zrnih 291 potek temperature Ac3 v odvisnosti od koncentracije ogljika je razviden s slike 4.14 (izločanje avstenita iz

ferita poteka z vzvodnim pravilom)

68

avstenita se ferit pregreje. Razdalje, do katerih mora ogljik difundirati za izločanje avstenita, so namreč velike. Če je segrevanje zelo hitro, se avstenitizacija zaključi šele veliko nad temperaturo Ac3

292.

− Zaradi potrebnega časa za difuzijo se pretvorba kristalne mreže med varilnim ciklom konča nad temperaturo Ac3. Nastali avstenit takrat ni homogen, saj v njem koncentracija legirnih elemenov še ni izenačena293. V okolici le malo pred tem popolnoma raztopljenih cementitnih delcev je koncentracija ogljika višja kot drugod. Isto je s sestavinami drugih izločkov. Temperaturno bolj obstojni izločki se še niso raztopili. Razlog za večjo nehomogenost avstenita je tudi velika hitrost segrevanja in ponekod nizka maksimalna temperatura varilnih ciklov. Pri nižjih maksimalnih temperaturah je avstenit praviloma bolj nehomogen kot pri višjih294.

− Šele tik pod tališčem jekla pride do reakcije:

γ → δ 5.3 Pri varjenju poteka ta reakcija tik ob črti taljenja, zato se tega na obrusih ponavadi sploh ne da opaziti. Raztapljanje temperaturno najbolj stabilnih izločkov je pri teh temperaturah seveda najhitrejše.

− Pri temperaturah nad 1200°C pričnejo avstenitna zrna rasti zaradi vse večje hitrosti difuzije osnovnih kristalnih gradnikov. Z manjšanjem deleža gradnikov na kristalnih mejah polikristalni materiali svojo energijo znižajo295. Hitrost rasti kristalov omejuje prisotnost fino dispergiranih izločkov ali vključkov296.

5.3.2 Čas maksimalne temperature

V tej sekvenci varilnega cikla je pomembna višina maksimalne temperature Tp in čas trajanja najvišjih temperatur.

Na sliki 5.1a vidimo, da je dosežena maksimalna temperatura v varjenem materialu tem višja, čim bližje je varu. Višina dosežene maksimalne temperature varilnega cikla v določeni točki TVP je torej odvisna od tega, kolikšna je oddaljenost te točke od črte taljenja.

Pri šivnem varjenju je čas zadrževanja na najvišjih temperaturah varilnega cikla odvisen od razmerja med velikostjo zvarne kopeli297 in hitrostjo gibanja vira toplote, pri stacionarnem varjenju pa od obsega segretega materiala in celotne količine dovedene energije.

292 proces avstenitizacije se začne z začetkom pretvorbe kristalne mreže 293 homogenizacija avstenita je izenačevanje koncentracije kemijski elementov v trdni raztopini (avstenit je

trdna raztopina z ogljikom, v kateri so poleg železa po malem prisotni tudi drugi kemični elementi) 294 poglavitni vzrok za nehomogenost je omejena hitrost difuzije ogljika in ostalih legirnih elementov v jeklu ter

premene, ki potekajo v določenih temperaturnih intervalih, ter raztapljanje nekaterih faz, ki se začne šele pri visokih temperaturah

295 Kristalna zrna težijo h krogelni obliki (krogla je telo z najmanjšim razmerjem med površino in volumnom). Manjše število velikih zrn vsebuje na mejah manj atomov kot večje število majhnih zrn z enakim skupnim volumnom. Energija množice drobnih zrn je tako višja.

296 Ti delci so nekakšna sidra za položaj kristalnih mej. Zaradi njihove prisotnosti zrna pri visokih temperaturah počasneje rastejo, če je le njihova gostota v kristalih dovolj velika (zato morajo biti fino dispergirani). Višja kot je temperatura, manj je neraztopljenih izločkov v matici. Zato je zelo pomembno, da so izločki takšne vrste, da pri maksimalni temperaturi varilnega cikla tik ob črti taljenja niso popolnoma raztopljeni. Zagotavljanje prisotnosti fino dispergiranih izločkov v jeklu je zelo pomembna naloga proizvajalcev kakovostnih konstrukcijskih jekel.

297 velikost zvarne kopeli je odvisna od vnešene toplote (to je vnešena energija na enoto dolžine zvara)

69

Če maksimalna temperatura varilnega cikla ni bistveno višja od temperature Ac3, homogenizacija avstenita takrat gotovo še ni dokončana. Avstenit lahko postane v tako kratkem času homogen le pri zelo visokih maksimalnih temperaturah. Če je hitrost segrevanja večja, je tudi zakasnitev homogenizacije avstenita večja.

Homogenizacija avstenita najhitreje poteka prav pri maksimalni temperaturi varilnega cikla. Takrat se izločki, ki so bili pri malo nižji temperaturi še stabilni, najhitreje raztapljajo298. Zato so legirni elemeni, ki tvorijo te izločke, za homogenizacijo avstenita na voljo šele pri najvišjih temperaturah, pri malo nižjih maksimalnih temperaturah pa ne.

Kristalna zrna v tej sekvenci varilnega cikla najhitreje rastejo. To je posebno izrazito na področju, ki se nahaja tik ob črti taljenja, kjer je maksimalna temperatura blizu temperature taljenja jekla. Dodatni razlog za rast zrn je odsotnost delcev, ki rast zrn lahko ovirajo. Pri temperaturah čisto blizu tališča jekla so izločki, ki imajo to funkcijo, ponavadi raztopljeni299. Zaradi nastalega grobega zrna so lastnosti materiala TVP navadno najslabše prav ob črti taljenja300.

Če je najvišja temperatura varilnega cikla nižja od temperature Ac3, vendar višja od temperature Ac1, avstenitizacija osnovnega materiala gotovo ni zaključena. Med varilnim ciklom se premeni samo določen delež varjenega materiala301. To se pozna na lastnostih TVP.

5.3.3 Ohlajanje

V tej sekvenci varilnega cikla je pomembna hitrost ohlajanja v temperaturnem intervalu, kjer teče premena302. Hitrost ohlajanja je odvisna od količine vnešene toplote na enoto dolžine zvara, od oblike zvara, od termičnih lastnosti varjenega materiala in od pogojev pri varjenju303.

Kaj se dogaja pri varjenju ogljikovih jekel med ohlajanjem ni mogoče razbrati iz Fe-Fe3C diagrama. Ta diagram velja le za zelo počasno ohlajanje. Zaradi znatne hitrosti ohlajanja se avstenit podhladi in reakciji

γ → α ter γ → α+Fe3C 5.4

se lahko začneta zelo pozno.

Hitrost difuzije kristalnih gradnikov, ki je nujno potrebna za premeno, je pri nižjih temperaturah mnogo manjša kot prej, ko je bila temperatura še višja. Premena, do katere

298 hitreje se raztopijo tisti izločki, katerih topnost je večja, in med enakovrstnimi izločki tisti izločki, ki so manjši 299 izjema so konstrukcijska jekla najvišje kakovosti, ki so zato seveda znatno dražja 300 predvsem žilavost in duktilnost 301 perlitna zrna, majhni cementitni izločki s feritom iz neposredne okolice izločkov itd 302 to velja v primerih, ko gre za transformabilne kovine 303 a) Če vnos toplote povečamo, je hitrost ohlajanja manjša. S prevajanjem mora namreč pri manjših temperaturnih

gradientih odteči več toplote. b) Če je število elementov, ki jih spajamo večje ali pa je večja debelina elementov, je zaradi večjih presekov

odtekanje toplote lažje, ohlajanje pa hitrejše. c) Večja toplotna prevodnost materiala omogoča hitrejše odvajanje toplote. d) Pri večji specifični toploti materiala se v zvaru akumulirano več toplote, ki mora kasneje odteči. Ohlajanje je

zato počasnejše. e) Nizka temperatura materiala ter prepih ali veter med varjenjem in temperatura zraka so vzrok za hitrejše

odvajanje toplote. Ohlajanje je zato bolj hitro (ri varjenju predgretega materiala je ohlajanje počasnejše, kot če je material hladen, prav tako je pri varjenju v vodoravni legi ali na steni ohlajanje s konvekcijo hitrejše kot pri varjenju v nadglavni legi).

70

pride z določeno zakasnitvijo, poteka zaradi omejene difuzivnosti drugače kot premena v ravnotežnih pogojih. Če gre za ogljikova jekla, govorimo o kaljenju.

Zmožnost kaljenja ogljikovih konstrukcijskih jekel pri varjenju se da izračunati iz ogljikovega ekvivalenta (CE) jekla304. Večji kot je ekvivalent CE, bolj kaljivo je jeklo.

5515

CuNi5

VMoCrCCE .++

+++=

Vsebnost kemičnih elementov je treba izraziti v [%].

Ko se med varilnim ciklom prične sekvenca ohlajanja, se do temperature Ar3305 z

avstenitom ne dogaja nič posebnega. V tem času homogenizacija pravzaprav še poteka, vendar zmeraj bolj počasi, saj se hitrost difuzije s temperaturo hitro zmanjšuje. Pod temperaturo Ac3 je avstenit podhlajen:

− Kadar gre za hitro ohlajanje, je dosežena podhlajenost lahko zelo velika. V primeru, da pred tem avstenit ni bil homogen, je koncentracija raztopljenih kemičnih elementov, med katerimi je posebno pomemben ogljik, ponekod bistveno večja kot drugod. Zaradi tega je temperatura Ac3 lokalno nižja od tiste, ki velja za jeklo.

− Kadar gre za počasno ohlajanje, se med temperaturo Ar3 in Ar1 na kristalnih mejah ter na mejam med vključki in izločki iz avstenita začne izločati ferit (slika 5.6). Zaradi vse večje prisotnosti z ogljikom manj legiranega ferita se z ogljikom bogati preostali avstenit306 (slika 4.14 in enačba 4.22). Pri zelo počasnem ohlajanju bi iz avstenita, ki ima evtektoidno sestavo, nastal perlit.

A

F

Slika 5.6: Izločanje ferita (F) iz avstenita (A)

Pri varjenju je ohlajanje redko tako počasno, da bi se lahko v zvaru izoblikovala feritno-perlitna mikrostruktura. Zato uporaba Fe−Fe3C-diagrama ni primerna za napovedovanje mikrostrukture zvarov na ogljikovih konstrukcijskih jeklih. Koristiti je treba ustrezne CCT-diagrame, v katerih je upoštevana tudi hitrost ohlajanja in sposobnost kaljenja jekel.

304 Če je avstenit med ohlajanje zvara močno nehomogen, ponekod nastane izredno trd martenzit, možen pa

je celo obstoj zaostalega avstenita. Takrat govorimo o martenzitno-avstenitnih fazah. Nehomogenost avstenita je posledica dejstva, da so se ponekod raztopili večji delci cementita ali drugih karbidov (cementit je železov karbid), ni pa bilo dovolj časa, da bi se koncentracije raztopljenih kemijskih elementov izenačile. Zaradi tega je ponekod lahko vsebnost ogljika in drugih elementov v obstoječem avstenitu nenormalno visoka. Omenjena situacija je najbolj verjetna v tistem delu TVP, kjer je v trenutku, ko se je končalo raztapljanje delcev, ravno dosežena maksimalna temperatura varilnega cikla. Takrat ni možnosti, da bi se lokalno povečana koncentracija elementov z difuzijo lahko izenačila, saj se že začne sekvenca ohlajanja (hitrost difuzije se zaradi nižanja temperature hitro manjša).

305 Ar3 ≅ Ac3306 ferit je trdna raztopina z ogljikom, v kateri so poleg železa v manjših količinah prisotni tudi drugi kemični

elementi (v tabeli 4.3 vidimo, da je topnost ogljika v feritu mnogo manjša od topnosti ogljika v avstenitu)

71

5.4 Mikrostruktura TVP

Varilni CCT-diagram je shematski prikaz izoblikovanih faz v nekem delu TVP med enovarkovnim varjenjem določene kovinske zlitine. Z njim so opredeljene vse faze, ki so prisotne v ohlajenih zvarih, v točkah, kjer je dosežena enaka maksimalna temperatura varilnih ciklov.

Posamezni deli TVP se razlikujejo po maksimalni temperaturi varilnih ciklov. Dosežena maksimalna temperatura pa na vseh oddaljenostih od črte taljenja ni enaka. Pri varjenju z majhnimi vnosi toplote doseg zelo visokih temperatur ni velik, večji je pri varjenju z velikimi vnosi toplote.

Na sliki 5.7 so prikazani CCT-diagrami materiala treh delov TVP. Skonstruirani so pri izvedbi simulacije varjenja. Veljajo izključno za visoko trdno ogljikovo konstrukcijsko jeklo Nionicral 70307 in sicer za grobozrnati del, finozrnati del in delno prekristalizirani del TVP. Značilnost teh delov TVP so tri maksimalne temperature varilnega cikla in to okoli 1350°C (slika 5.7a), 960°C (slika 5.7b) in 780°C (slika 5.7c). Lastnosti materiala TVP so v CCT diagramih predstavljene kar s trdoto merjeno v enotah HV10.

1000

800

600

400

200

T [°

C]

0 10

0 10 1 10

2 10 3 10

4

t – t 800 [s]

Nionicral 70 Tp ≅ 1350 °C

0

0

0

0

0

0 10

0 10

1 10

2 10

3 10

4

t – t

800 [s]

Nionicral 70 Tp ≅ 960 °C

0

0

0 10

0 10 1 10

2 10 3 10

4

t – t 800 [s]

Nionicral 70 Tp ≅ 780 °C

a b c

a grobozrnati del TVP: material se med varjenjem segreje skoraj do tališča; b finozrnati del TVP: material se med varjenjem segreje nad temperaturo Ac3; c delno prekristalizirani del TVP: material se med varjenjem segreje med temperaturo Ac1 in Ac3

Slika 5.7: Varilni CCT diagrami za tri dele TVP na jeklu Nionicral 70

5.4.1 Grobozrnati del TVP

Ko se tik ob črti taljenja med varilnim ciklom prične ohlajanje, so avstenitna zrna že povečana. Temperatura tega dela materiala je takrat skoraj enaka temperaturi tališča jekla.

Rezultat reakcije γ→"α" je odvisen od prekaljivosti jekel. Ogljikova jekla niso prekaljiva. Kljub temu na sliki 5.7a vidimo, da pri varjenju jekla Nionicral 70 ob črti taljenja, kjer je Tp ≥ 1350°C, pri najhitrejšem ohlajanju, ko je čas ∆t8/5 ≅ 5 s, nastane martenzitna mikrostruktura. Trdota tega martenzita je 382 HV.

307 Nionicral 70 je varivo visoko trdno ogljikovo konstrukcijsko jeklo. Njegova trdnost (Rp0,2 ≥ 790 MPa) je

dosežena s poboljšanjem jekla po valjanju. Ker so v jeklu prisotni določeni legirni elementi v mikro količinah, spada med mikrolegirana jekla.

72

Grobozrnatost začetne avstenitne mikrostrukture poveča sposobnost kaljenja jekla. Zato v grobozrnatem delu TVP pri enakih hitrostih ohlajanja kot v drugih delih TVP prej naletimo na kalilne mikrostrukture. Zaradi takšne mikrostrukture je jeklo na tem mestu trdo in krhko. Prav izoblikovanje martenzitne mikrostrukture v grobozrnatem delu TVP je vzrok, da upravičeno obravnavamo ta del TVP vedno kot potencialno šibko točko zvara.

V grobozrnatem delu TVP zvarov, ki so narejeni na jeklih z nekoliko višjo vsebnostjo ogljika, pogosto nekaj avstenita med ohlajanjem ne razpade308. Ta takoimenovani zaostali avstenit se lahko kasneje pod vplivom različnih dejavnikov transformira v martenzit ali druge bolj ali manj krhke faze.

Rezultat kaljenja ogljikovih konstrukcijskih jekel z nizko vsebnostjo ogljika z varilnih temperatur je nizkoogljični martenzit309. Tak martenzit ima v primerjavi z visokoogljičnim martenzitom dokaj dobro žilavost. Njegovo trdoto se da izraziti z vsebnostjo ogljika:

65305C[%]802HV .+×=

V sarži jekla Nionicral 70, katerega varilni CCT diagrami so prikazani na sliki 5.7, je 0,09 do 0,1% ogljika. Trdota nizkoogljičnega martenzita s takšno vsebnostjo ogljika je po enačbi 5.6 377-385 HV. Izmerjena trdota martenzitnega vzorca na sliki 5.7a ustreza izračunanim vrednostim. To je dokaz, da je pri ohlajanju s časom ∆t8/5 = 5 s, grobozrnati del TVP res popolnoma martenziten.

Ko hitrost ohlajanja pri varjenju jekla Nionicral 70 ni zadostna za nastanek martenzita, se izoblikuje bainitno-martenzitna mikrostruktura. Delež bainita pri daljših časih ∆t8/5 raste, delež martenzita pa pada. Zato se trdota materiala grobozrnatega dela TVP pri večjih časih ∆t8/5 zmanjšuje. To vidimo na CCT diagramu na sliki 5.7a iz izmerjenih vrednosti trdote (362 in 315 HV). Žilavost materiala s takšno mikrostrukturo bi morala biti večja od žilavosti martenzitnega TVP, ki ima enako kemično sestavo310.

Ko je ohlajanje še počasnejše, se izoblikuje v grobozrnatem delu TVP bainitna mikrostruktura, ko je pa še počasnejše, je del izoblikovane mikrostrukture na koncu celo feritno-bainiten. Posledica je vse manjša trdota TVP. To iz CCT diagrama na sliki 5.7a vidimo iz izmerjenih vrednosti trdote (271 in 247 HV). Če je ohlajanje tako počasno, da se pojavi ferit, se ta izloča na mejah avstenitnih zrn311.

Zaradi relativno hitrega ohlajanja pri varjenju se z ogljikom iz izločenega ferita obogati samo ozek pas avstenita (glej sliko 5.6). Tako postaja preostali avstenit vse bolj nehomogen. Z ogljikom obogateni avstenit se lahko zaradi tega še bolj podhladi312. Rezultat premene je še trši in še bolj krhek martenzit.

Žilavost jekla z mikrostrukturo, v kateri je tudi ferit, ne narašča sorazmerno z deležem ferita313. Preostanek bainitne ali bainitno-martenzitne mikrostrukture z višjim deležem ogljika, ki se iz preostalega zelo nehomogenega avstenita izoblikuje pri še nekoliko nižjih temperaturah, je namreč bolj trd in temu ustrezno manj žilav. Za trdoto in žilavost materiala so pomembne vse prisotne faze v tem delu TVP in tudi njihova porazdelitev.

308 temperatura Mf (indeks f pomeni zaključek – ang. finish) je v takšnem primeru nižja od normalne temperature 309 mikrolegirana ogljikova konstrukcijska jekla imajo navadno še manj ogljika od navadnih ogljikovih

konstrukcijskih jekel 310 iz izmerjenih vrednosti žilavosti tega dela TVP, ki bodo prikazane na sliki 6.4b, vidimo, da je res tako 311 zato ga imenujemo tudi ferit na kristalnih mejah (ang. grain boundary ferrit) 312 Ms temperatura je odvisna od vsebnosti ogljika v jeklu (višja kot je vsebnost ogljika, nižja je Ms temperatura) 313 ferit je mehak in žilav

73

Lastnosti materiala TVP s preveč grobazrnato mikrostrukturo niso optimalne. Zato obravnavamo jekla, ki so občutljiva na rast zrna pri varjenju, kot slabo variva. Najboljši proizvajalci konstrukcijskih jekel poskrbijo z ustreznimi tehnološkimi postopki izdelave jekla, da se iz trdne raztopine avstenita pravočasno izločijo določene drobne, fino dispergirane temperaturno stabilne faze314, ali pa, da so v jeklu prisotni določeni drobni, fino dispergirani vključki315:

− ti delci imajo pri najvišjih temperaturah varilnega cikla za kristalne meje vlogo sider316.

− ti in podobni delci so pri premeni zasnova drobnozrnate mikrostrukture317.

5.4.2 Finozrnati del TVP

Dlje od črte taljenja je maksimalna temperatura varilnega cikla nižja kot ob njej. Nekaj 100K pod temperaturo tališča jekla zrna zaradi toplotnega vpliva varjenja še ne rastejo.

Za rezultat reakcije γ→"α" je pomembna prekaljivost jekla. Ta je pri jeklu, ki je v stanju finozrnatega avstenita manjša kot pri grobozrnatem. Pri premeni se zrna lahko drobijo. Pri ohlajanju s tako nizke temperature se izoblikuje dokaj homogena in stabilna drobnozrnata mikrostruktura, saj so pogoji med premeno podobni tistim pri normalizaciji318. Zaradi finozrnate mikrostrukture je žilavost tega dela TVP navadno dokaj velika319.

"Normalizirani" del TVP je finozrnat tudi zato, ker proizvajalci bolj kakovostnih konstrukcijskih jekel poskrbijo da so v jeklu pred premeno prisotni primerni drobni in fino dispergirani izločki. Z njimi zagotovijo izoblikovanje fine sekundarne mikrostrukture320. Ti izločki so pri premeni kali za izoblikovanje bolj finega sekundarnega zrna.

Možnost da bi v finozrnatem delu TVP naleteli na martenzit je torej manjša kot v grobozrnatem delu TVP. Če pa martenzit vseeno nastane, je enako trd kot grobozrnati martenzit. Na slikah 5.7a in 5.7b vidimo, da se pri ohlajanju s temperature 960°C nahaja bainitni "nos" pri krajšem času kot pri ohlajanju s temperature 1350°C321. Izmerjena trdota martenzita, ki je posledica ohlajanja s časom ∆t8/5 = 5s, je 383 HV (slika 5.7b). To je toliko kot se za to jeklo predvideva z enačbo 5.6. Enako trdoto smo izmerili tudi v grobozrnatem delu TVP pri istem času ∆t8/5.

Ko hitrost ohlajanja pri varjenju jekla Nionicral 70 ni zadostna za nastanek samega martenzita v finozrnatem delu TVP, se izoblikuje mikrostruktura, ki je bainitno-martenzitna. Izmerjena trdota je 347 in 322 HV. Ko je ohlajanje pri varjenju tega jekla še počasnejše in se izoblikuje bainitna mikrostruktura, je bainit mehkejši od bainita v

314 to so izločki, ki se pri varjenju raztapljajo šele tik pod tališčem jekla 315 V talino je treba dodati natančen odmerek določenega kemijskega elementa, ki tvori npr s kisikom v talini

oksid, ki je trden, ko je jeklo še staljeno. Nastali delci morajo biti pred strjevanjem enakomerno porazdeljeni v talini. Preprečiti je treba nastanek drugih kemičnih spojin, ki bi bile brez ustreznega učinka.

316 takšna jekla je mogoče variti bolj ekonomično (hitreje), saj se sme pri varjenju uporabljati večje vnose toplote 317 to je pomembno za proizvodnjo normaliziranih mikrolegiranih visoko trdnih konstrukcijskih jekel, saj so ti

delci kali za izoblikovanje drobnega sekundarnega zrna 318 jeklo pri normalizaciji za določen čas segrejemo nad temperaturo Ac3, da postane avstenit homogen, nato

pa pustimo, da se počasi ohladi (hitrost ohlajanja pri varjenju ni tolikšna kot pri termičnem postopku normalizacije, do določene stopnje drobljenja zrn pa vseeno pride)

319 če izdelava jekla ni izvedena optimalno, so lahko lastnosti finozrnatega dela TVP celo boljše od osnovnega materiala

320 Ti delci se izločajo zato, ker je koncentracija elementov, ki jih tvorijo, takrat v avstenitu prevelika (topnost je funkcija temperature).

321 na CCT diagramih je abscisna os logaritemska, zato razlike niso tako majhne kot izgledajo

74

grobozrnatem delu TVP. Njegova trdota je 265 HV. Zaradi manjše trdote je žilavost materiala tega dela TVP večja od žilavosti grobozrnatega dela TVP z enako mikrostrukturo, ki se izoblikuje pri ohlajanju z višjih temperatur.

Zaradi bolj finega avstenitnega zrna v trenutku, ko se začne ohlajanje, se ferit prične izločati prej322. Izločanje ferita je na sliki 5.7b zabeleženo pri času ∆t8/5 = 100 s, na sliki 5.7a pa pri času ∆t8/5 = 400 s. Pri času ∆t8/5 = 400 s je v finozrnatem delu TVP delež ferita že dokaj velik, preostali avstenit pa je zato močno obogaten z ogljikom.

5.4.3 Popolnoma prekristalizirani del TVP

Nekoliko dlje od finozrnatega dela TVP je maksimalna temperatura varilnega cikla že tako nizka, da je reakcija γ→"α" pri tej temperaturi ravno končana. Jeklo je segreto le malo nad temperaturo Ac3. Zaradi zelo kratkega časa trajanja maksimalne temperature varilnega cikla avstenit ni mogel postati homogen323.

Iz nehomogenega avstenita se seveda ne izoblikuje enakomerna mikrostruktura. Zato so lastnosti popolnoma prekristaliziranega dela TVP po premeni in ohladitvi slabše od lastnosti finozrnatega dela TVP, pa čeprav je tudi tu material popolnoma prekristaliziran. Zaradi nehomogenega avstenita se določen delež materiala premeni v bolj trde in manj žilave faze. Delež materiala z boljšimi lastnostmi zaradi vpliva deleža materiala s slabšimi lastnostmi ne pride dovolj do izraza, prej je obratno.

5.4.4 Delno prekristalizirani del TVP

Če je maksimalna temperatura varilnega cikla nižja od temperature Ac3 in višja od temperature Ac1, je avstenitiziran samo določen delež varjenega materiala. To področje je na sliki 5.1 označeno z II324. Nastali avstenit je zelo nehomogen, saj za homogenizacijo avstenita ni prave možnosti. Po varjenju je neavstenitizirani delež materiala neprekristaliziran, vendar pa je zaradi kratkotrajnega ogretja na maksimalno temperaturo varilnega cikla do neke mere popuščen.

Med ohlajanjem se premeni samo tisti delež materiala, ki je bil avstenitiziran. Za izoblikovano mikrostrukturo prekristaliziranega dela TVP je merodajen poseben CCT-diagram (slika 5.7c)325. Ta CCT diagram se močno razlikuje od CCT diagramov, ki veljajo za popolnoma avstenitizirano jeklo (sliki 5.7a in 5.7b). V tem delu TVP opazimo nastajanje bainita in izločanje ferita pri mnogo večjih hitrostih ohlajanja kot na CCT-diagramih, ki ustrezajo ohlajanju z višjih temperatur. Dejansko gre tu za jeklo, ki ima večjo vsebnost ogljika326.

Zaradi več ogljika v avstenitiziranem deležu jekla so martenzitne in različne bainitne faze trše od enakih v drugih delih TVP327. Delež jekla, ki ni bil avstenitiziran, je zaradi "popuščanja" mehkejši. To se lahko pozitivno odrazi na žilavosti materiala.

322 glede na celoten volumen materiala je v finozrnatem avstenitu več kristalnih mej kot v grobozrnatem, zato

je tudi več potencialnih mest za izločanje ferita 323 od premene v avstenit preteče premalo časa, pa tudi maksimalna temperatura varilnega cikla je prenizka,

da bi difuzija raztopljenih kemičnih elementov lahko potekala dovolj hitro 324 vse ostale dele TVP najdemo na področju, ki je označeno z I 325 ta delež materiala nima enake kemične sestave kot jeklo pa tudi maksimalna temperatura varilnega cikla, s

katere se prične ohlajanje, je zelo nizka 326 povprečna koncentracija ogljika v vseh delih mikrostrukture je zmeraj enaka vsebnosti ogljika v jeklu

(primer feritnih in perlitnih zrn v feritno-perlitnih jeklih, ko je v prvih manj kot 0,02% C, v drugih pa 0,8% C) 327 izjema je ferit (vsebnost ogljika v feritu ne more preseči 0,02%)

75

5.5 Var

Var nastane s strjevanjem zvarne taline oziroma z rekristalizacijo zgnetenega materiala. Po končanem segrevanju in taljenju oziroma segrevanju in mehanskem gnetenju materiala si segreta snov zvečano notranjo energijo zniža z odvajanjem toplote na okolico. Var se tako ohladi. Če gre za transformabilni material se tudi premeni. Ker je material vara lahko zlit oziroma zgneten iz več materialov, je njegova kemična sestava odvisna od kemične sestave vseh materialov, ki so vključeni v proces spajanja, in seveda od njihovih deležev v njem.

Rezultat lokalnega vnašanja mehanskega dela in/ali toplote za spajanje materiala je varilni cikel, ki mu je podvržen material, iz katerega nastane var. Za primer talilnega varjenja je varilni cikel prikazan na sliki 5.4b. Ni pa pomembno po kakšni poti in kako hitro se je material segrel do točke taljenja oziroma do temperature gnetenja. Za potek temperature med varilnim ciklom sta tako značilni samo dve časovni sekvenci:

1. strjevanje/rekristalizacija

2. ohlajanje

Potek obeh sekvenc je tako kot pri TVP odvisen od zunanjih vplivov. To so varilni parametri, oblika zvara in lastnosti materiala ter pogoji v bližnji okolici zvara, ki vplivajo na odvajanje toplote.

Za obliko in usmerjenost kristalnih zrn pri strjevanju staljene kovine v zvarni kopeli so pomembni pogoji pri kristalizaciji, za izoblikovanje faz pri premenah pa potek varilnega cikla, ki ga kvantitativno opredelimo s hitrostjo ohlajanja.

5.5.1 Kemična sestava zvarne kopeli

Pri talilnem varjenju je izhodno stanje materiala za izoblikovanje mikrostrukture vara staljena kovina v zvarni kopeli.

Kemična sestava taline je posledica hkratnega taljenja dodajnega in osnovnega materiala ali samo osnovnega materiala328 ter kemičnih reakcij, ki potekajo med segrevanjem in taljenjem materiala ter kemičnih reakcij v času, ko je material staljen. Tu so pomembni:

− plini iz atmosfere (kisik, dušik)

− plini, ki predstavljajo aktivno ali nevtralno zaščito obloka pri varjenju (argon, helij, ogljikov dioksid, kisik, vodik, ...)

− druge snovi (npr zaščitni praški, oplaščenje in stržen ipd)

− prisotne nečistoče (voda, olja, barve, ...).

Uporabniki segajo po najcenejšem osnovnem materialu, ki ima zadovoljive lastnosti.

Da je material poceni, morajo biti njegovi proizvodni stroški nizki. Specializirani proizvajalci (npr železarne) razpolagajo z opremo za masovno izdelavo konstrukcijskih materialov. Stremijo za tem, da potrebne mehanske lastnosti materiala zagotovijo s premišljenim in natančno vodenim tehnološkim postopkom izdelave materiala, ne pa z dragimi legirnimi elementi. Edino tako proizvedeni osnovni material je lahko dovolj poceni, da lahko konkurira na trgu enakim ali podobnim materialom drugih proizvajalcev.

328 to je odvisno od tega ali gre za postopek, pri katerem je za izgradnjo vara potreben dodajni material, ali pa

za postopek, pri katerem dodajni material ni potreben (možno je tudi, da se spaja konstrukcijske elemente iz različnih materialov)

76

Masovne proizvodnje osnovnega materiala, ki ponavadi predstavlja večino mase varjenih konstrukcij, ni mogoče vpeljati brez izredno velikih investicijskih vlaganj v opremo329 in v znanje ljudi330. Finančni vložek se lastnikom proizvodnih sredstev izplača z velikoserijsko produkcijo, ki jo je treba v celoti hitro realizirati tudi na trgu.

Razmere pri varjenju so od primera do primera različne. Varjenja namreč ne izvajamo samo v urejenih delavnicah, ampak tudi na terenu, na prepihu, v dežju, mrazu, vročini, in to v različnih legah varjenja. Zaradi tega so pogoji, pri katerih se izoblikuje mikrostruktura varov, zelo različni. Poleg tega poteka pri varjenju segrevanje in taljenje materiala ter strjevanje in ohlajanje varov bistveno hitreje kot pri proizvodnji osnovnih materialov, zato je popoln nadzor nad različnimi metalurškimi procesi praktično nemogoč. V nekaterih legah varjenja kakovostnih zvarov sploh ni mogoče izdelati.

Vendar pa je treba tudi pri raznolikih in včasih za varjenje celo neugodnih pogojih za varjenje izdelovati zvare s primernimi mehanskimi lastnostmi, ki zagotavljajo varno uporabo varjenih izdelkov331. Da je to mogoče, je v dodajnih materialih za varjenje vsebnost ogljika praviloma nižja kot v osnovnih materialih332. Ker je v izdelavo dodajnih materialov vloženo tudi bistveno več dela, so na enoto mase mnogo dražji od trdnostno sicer enakovrednih osnovnih materialov333.

Na vare odpade le majhen del celotne mase varjenih konstrukcij334. Morebitna višja cena dodajnega materiala zato ni bistvena za končno vrednost konstrukcije. Tudi ko uporabimo dražji dodajni material, se zaradi bolj zanesljivega varjenja dodatni stroški poplačajo z zmanjšanjem drugih stroškov, kot so npr stroški varjenja, nadzora, nepotrebnih popravil, servisiranja ipd.

Na sliki 5.8 sta skicirana dva spoja, ki sta narejena s talilnim varjenjem (soležni in kotni zvar). V obeh se je v zvarni kopeli, iz katere nastane var, dodajni material zmešal z osnovnim. Zmeraj gre za namešanje vsaj dveh različnih materialov, zato se kemična sestava varov razlikuje tako od kemične sestave osnovnih kot dodajnih materialov.

Če je znana kemična sestava dodajnega (DM) in obeh osnovnih materialov (OM1 in OM2) na sliki 5.8, je mogoče kemično sestavo vara izračunati iz oblike prereza zvarnega žleba in prereza izdelanega zvara. Predpostavimo, da je v osnovnem materialu vsebnost ogljika COM1 in COM2, v dodajnem materialu pa CDM. Na sliki 5.8 so deleži staljenega osnovnih in dodajnih materialov označeni kot A1, A2 in A3. To se po premešanju vseh delov staljenega materiala pozna na vsebnosti ogljika v talini, iz katere nastane var (Cvar).

751321

22121

.)CACACA(AAA

C DMOMOMvar ++++

≅

Predpostavili smo, da med varjenjem ni izginilo nič ogljika. Ta predpostavka ne drži popolnoma, saj pri temperaturah, ki so potrebne za taljenje jekla, poznamo tako pojem prigora kot odgora kemičnih elementov.

329 sem spadajo peči, naprave za vakumiranje, valjanje, poboljšanje itd 330 tu gre za visoko in višje izobražen strokovni kader 331 najbolj pogosto morajo mehanske lastnosti vara ustrezati lastnostim vgrajenega materiala 332 Zaradi nižje vsebnosti ogljika je material vara manj kaljiv, zato so problemi z nezadostno žilavostjo

materiala pri hitrem ohlajanju manjši. Primerno trdnost vara zagotovijo z drugimi legirnimi elementi. Nekateri od teh so zelo dragi, zato se vsak dodani promil (‰)npr niklja (Ni) v jeklu močno pozna na končni ceni jekla (‰ = 0,1%).

333 elektrode, varilne žice, varilni trakovi ipd v primerjavi s pločevino, profili itd 334 navadno nekoliko odstotkov (odvisno je tudi od vrste konstrukcije)

77

Za mikrostrukturo ter trdnost in žilavost vara je vsebnost ogljika zelo pomembna. Pogosto je pri varjenju prav ogljik vzrok za nastanek razpok v varu, zato lahko rečemo, da vsebnost ogljika pravzaprav zmanjšuje varivost jekel335.

OM1 OM2

A2

A3

A1

DM

OM1

OM2

DM A1

A2

A3

a b

a priprava elementov za varjenje; b oblika vara in velikost uvara pri soležnem in kotnem zvaru

Slika 5.8: Nastanek vara pri talilnem varjenju z uporabo dodajnega materiala

Podobno kot pri ogljiku, je mogoče na osnovi znane kemične sestave osnovnega in dodajnega materiala izračunati tudi vsebnost drugih legirnih elementov v varu336.

5.5.2 Strjevanje kovinske taline

Taljenje in strjevanje čistih kovin in zlitin z evtektično sestavo poteka pri določenem tlaku na konstantni temperaturi337. Na sliki 4.14 vidimo, da je pri tlaku 1 bar tališče kemično čistega železa 1536°C, zlitine železa s 4,3% ogljika pa 1147°C.

Potek strjevanja zlitin, ki nimajo evtektične sestave, je odvisen od njihove kemične sestave. Temperatura začetka strjevanja zlitine železa z ogljikom se do vsebnosti 4,3% ogljika znižuje. Širina temperaturnega intervala strjevanja se do vsebnosti 2,1% povečuje, nato se pa zmanjšuje (slika 4.14a).

Staljena kovina se strjuje le, če je podhlajena pod temperaturo tališča. Pri spremembi agregatnega stanja talina → trdna snov se toplota sprošča. Sproščena toplota iz dela strjene kovine vpliva na temperaturo preostale taline. Hitrost ohlajanja taline se zaradi sproščanja toplote pri strjevanju zmanjša, kar proces strjevanja upočasni ali pa celo zavre. Zato je na sliki 5.4b hitrost ohlajanja med potekom strjevanja manjša kot po končanem strjevanju338.

335 prav zato je vsebnost ogljika v nelegiranih konstrukcijskih jeklih omejena z 0,23% 336 primerna stopnja namešanosti osnovnega in dodajnega materiala je posebno pomembna pri varjenju

avstenitnih nerjavnih jekel, kjer je za odpornost zvara proti vroči pokljivosti potrebna dvofazna feritno-avstenitna mikrostruktura

337 Podobno je pri vodi. Pri tlaku 1 bar se led tali, voda pa zmrzuje pri 0°C. Če je tlak večji, se led tali pri nižji temperaturi (zato se zaradi teže drsalca med drsalko in ledom pojavi sloj vode, ki omogoča, da drsalka drsi po ledu).

338 Temperatura taline v zvarni kopeli je prilično visoka. Temperaturni gradienti so zato veliki. Takšne razmere zagotavljajo hitro odvajanje toplote (poglavje 4.5.2). Zato bi tudi ohlajanje moralo biti hitro. Ker se pri kristalizaciji taline sprosti veliko toplote, je hitrost ohlajanja pravzaprav manjša kot bi pričakovali. Po končanem strjevanju je temperatura strjenega vara že nekoliko nižja od temperature taline. Temperaturni gradienti so zato manjši. Tako se hitrost odvajanja toplote zmanjša. Pričakovali bi, da bo ohlajanje potekalo počasneje kot pri strjevanju taline v zvarni kopeli. Vendar ni tako. Ohlajanje poteka hitreje.

78

Za začetek strjevanja morajo v podhlajeni talini obstajati kali. Potrebne so za nadaljevanje procesa strjevanja s kristalizacijo taline. Kali so ali že obstoječi trdni delci v talini ali pa delci, ki pri dovolj nizki temperaturi taline sami od sebe nastanejo. Tako ločimo med umetnimi in naravnimi kalmi za kristalizacijo.

Za proces kristalizacije je potrebno, da je talina podhlajena. Če v talini ni na razpolago umetnih kali, se zaradi termičnega gibanja delcev (poglavje 3.6) tu pa tam nahaja manjše število atomov na medsebojni oddaljenosti, ki je enaka medatomskim razdaljam v kristalu. Urejenost gradnikov pri tej temperaturi zagotavlja nižjo notranjo energijo od notranje energije taline. Ta navidezni drobec kristala v talini predstavlja naravno kal za nadaljnjo kristalizacijo.

Naravne kali za kristalizacijo, ki spontano nastajajo z določeno hitrostjo, so seveda s preostalo talino v toplotnem kontaktu, zato se z enako hitrostjo tudi razkrajajo339. Če so izpolnjeni pogoji, da se na kaleh kristalizacija nadaljuje, kristali rastejo okoli obstoječih kali. Če se že pred tem kal razkroji, proces kristalizacije ne steče.

Na sliki 5.9 je krivulja hitrosti nastajanja kali (dN/dt) prikazana v odvisnosti od stopnje podhladitve taline (ΔT). Dokler podhladitev ne doseže potrebne stopnje, kali ne nastajajo. Z večanjem podhladitve, hitrost nastajanja kali raste, nato pa doseže maksimum340. Obstoj kali v podhlajeni kovini je shematsko prikazan na sliki 5.10a. Usmerjenost vsake od teh štirih kali je naključna.

velika zrna

vk

dN/dt

− ΔT

majhna zrna

dN/dt vk

Slika 5.9: Hitrost nastajanja kali in hitrost kristalizacije pri strjevanju kovinske taline

Tudi za proces kristalizacije je potrebna določena podhladitev, ki ni tolikšna kot je potrebna podhladitev za nastajanje kali. Na sliki 5.9 je krivulja hitrosti kristalizacije vk prikazana v odvisnosti od stopnje podhladitve taline ΔT. Pri kristalizaciji se sprošča toplota. Z večanjem podhladitve, hitrost kristalizacije nekaj časa raste in doseže maksimum341. Rast kristalov v podhlajeni talini je shematsko prikazana na slikah 5.10b, 5.10c in 5.10d.

Kot vidimo se potek hitrosti kristalizacije in potek hitrosti nastajanja kali na sliki 5.9 delno prekrivata. Tako poznamo tri področja strjevanja kovinske taline s kristalizacijo:

339 Povprečna kinetična energija delcev (atomov) je odvisna od temperature taline.

Ker imajo zaradi spektralne porazdelitve kinetične energije (enačba 3.34) posamezni delci v talini večjo energijo kot drugi, lahko rečemo, da imajo hitrejši delci višjo temperaturo.

340 Vzrok za pojemanje hitrosti spontanega nastajanja kali je, da se z velikostjo podhladitve povprečna kinetična energija delcev v talini manjša. Zaradi tega je nižja tudi njihova povprečna hitrost. Delci se v talini počasneje gibljejo, zato je verjetnost za slučajni nastanek kali manjša.

341 Pri kristalizaciji je potrebno, da delec iz taline pride na mesto, kjer se vgradi v kristal. Za to je potrebna difuzija (enačba 3.31). Ker je povprečna kinetična energija delcev v talini pri večji podhladitvi manjša, je manjša tudi hitrost difuzije. Kristalizacija pri nižjih temperaturah zaradi tega poteka vse bolj počasi.

79

− Če je podhladitev taline majhna, kristalizacija poteka le na povšini že obstoječih kristalov342. Če v talini kristalov ni, kristalizacija ne poteka.

− Pri malce večji podhladitvi, ko je gostota nastajajočih kali še majhna, je hitrost kristalizacije velika. Kristalizacija je hitra, vendar poteka le na majhnem številu kali. Končni rezultat strjevanja taline je majhno število velikih zrn, zato je strjeni material grobozrnat.

− Če je podhladitev večja, je nastajanje kali hitrejše, hitrost kristalizacije pa se že zmanjšuje. Kristalizacija poteka počasneje, vendar na velikem številu kali. Končni rezultat strjevanja taline je veliko število majhnih zrn, zato je strjeni material finozrnat.

Vendar pa večja ali manjša hitrost kristalizacije pri različnih podhladitvah nima vpliva na hitrost strjevanja vara kot celote343. V istem času je lahko rezultat manjše hitrosti kristalizacije na površinah večjega števila kristalov enak volumen strjenega materiala kot rezultat večje hitrosti kristalizacije na površinah manjšega števila kristalov. Odvisnost hitrosti kristalizacije od podhladitve ne vpliva na dejansko hitrost strjevanja taline. Odločilna je zmožnost odvajanja toplote, ki se sprošča pri kristalizaciji, od česar je posredno odvisna tudi podhladitev taline.

Za smer rasti kristalov344 je pomembna trenutna usmerjenost kristalov in smer odtekanja toplote:

− Če je talina enakomerno podhlajena, poteka kristalizacije v vse smeri enako hitro. Usmerjenost nastalih kristalnih zrn je odvisna od začetne usmerjenosti kali in od kasnejših vplivov mešanja taline ali termičnega gibanja delcev snovi (poglavje 3.6)345. Enakomerna kristalizacija je shematsko prikazana na slikah 5.10b-d.

− Če je talina neenakomerno podhlajena, poteka kristalizacija v smeri od večje proti manjši podhladitvi. To je smer, ki je nasprotna smeri odvajanja toplote.

a b c d

a nastanek kali v podhlajeni talini; b začetek kristalizacije na obstoječih kaleh; c kristali rasteje, taline pa je vse manj; d kristalizacija se konča, ko zmanjka taline, in se kristalna zrna staknejo

Slika 5.10: Začetek in konec strjevanja taline s kristalizacijo

Če v talini ni izrazitega temperaturnega gradienta, rastejo pri kristalizaciji okoli kali poligonalna zrna, ki težijo k obliki krogle. Kristalizacija je končana, ko je porabljena vsa okoliška talina. Različno usmerjena zrna se takrat staknejo. Stične ploskve so meje

342 tak primer je epitaksialna rast kristalov na meji z nataljenimi zrni osnovnega materiala, ki je že spremenjen

v groboznato TVP 343 tu gre za volumen strjene snovi na enoto časa 344 to je smer kristalizacije 345 zaradi gibalne količine najhitrejših delcev taline, ki se termično gibljejo, in njihovih trkov v te drobne kristale,

se med procesom kristalizacije ti premikajo in rotirajo

80

kristalnih zrn. Raven energije atomov na kristalnih mejah je višja kot v notranjosti zrn, zato je pri kristalizaciji težnja k tvorbi poligonalnih zrn logična. Glede na celotno število atomov v zrnih, ki je sorazmerno z volumnom zrn, je na ta način število atomov, ki se nahajajo na površini kristalov, najmanjše.

Mikrostruktura, ki se izoblikuje po ulivanju kovinske taline v kokilo oziroma velikost in oblika nastalih zrn, so odvisne od hitrosti ohlajanja, stopnje podhlajenosti taline, prisotnosti nečistoč in od smeri odvajanja toplote. Na sliki 5.11 si to oglejmo na kokili v prerezu:

Področje I Področje II Področje III

toplotni tok smer rasti kristalov

Slika 5.11: Področja strjene kovine v kokili

− Ohladitev ulite kovinske taline na stiku s hladno steno je hitra. Posledica je velika podhladitev taline tik ob steni. Gostota naravnih kali je tu zato velika. Kristali rastejo na kaleh z neusmerjeno kristalizacijo346. Tako ob steni kokile na področju I nastane mnogo drobnih poligonalnih zrn.

Pri kristalizaciji te zunanje, najbolj podhlajene plasti taline, se sprošča kristalizacijska toplota, ki zviša temperaturo kovinske taline, ki je nekaj dlje od stene. Podhladitev tega dela taline je zato manjša.

− Toplota lahko iz taline, ki je nekoliko dlje od hladne stene kokile, odteka le v smeri najbližje stene. To je smer, ki je nasprotna vzpostavljenemu temperaturnemu gradientu. Zaradi usmerjenega odvajanja toplote na področju II, ki sledi finozrnatemu delu materiala na področju I, je rast kristalov usmerjena proti sredini kokile. Rast posameznih zrn poteka v točno določeni kristalografski smeri347.

Pri strjevanju zlitin je pogosto takoimenovano izcejanje na mikro in makro nivoju. Nečistoče so razne spojine, ki so v talini že prisotne ali pa v njej nastanejo z različnimi kemičnimi reakcijami. Pogosto so te reakcije posledica potrebnih metalurških procesov348. Usmerjeni kristali na področju II, ki rastejo proti sredini kokile, nečistoč in izcej ne vključujejo, ampak jih odrivajo. Koncentracija nečistoč in izcej v delu kokile s talino zato ves čas raste.

Med kristalizacijo ima toplota, ki se sprošča, nasprotni učinek kot odvajanje toplote. Plast strjene kovine v kokili je vse bolj debela, odvajanje toplote pa zato težje. Oboje znižuje hitrost strjevanja taline, ki je še v kokili.

346 toplota odteka kar v okoliško podhlajeno talino 347 pri kristalih s kubično kristalno mrežo je to smer <100> 348 tako kemično vežemo nezaželjeno snov, ki bi pokvarila lastnosti strjene kovine (npr pri dezoksidaciji taline)

81

− V sredini kokile je zaradi počasnejšega ohlajanja podhladitev taline zelo majhna. Prav tako je količina taline že močno omejena. Tudi število razpoložljivih naravnih kali za nastanek kristalov je zaradi majhne podhladitve manjše.

Vključki, ki so sestavine nečistoč, so umetne kali za začetek kristalizacije. Ker je iz sredine kokile do vseh štirih sten približno enako daleč, odvajanje toplote v sredini kokile ni usmerjeno. Zato na področju III nastanejo velika poligonalna zrna, z vključenimi nečistočami in izcejami. Te se nahajajo večinoma na kristalnih mejah.

5.5.3 Strjevanje taline v zvarne kopeli

Ko je vir toplote toliko oddaljen, da toplota več ne doteka, se začne segreti material ohlajati. Talina v zvarni kopeli se zato prične strjevati. Zvarna kopel je v primerjavi z nestaljenim delom osnovnega materiala majhna, zato se vzpostavijo zelo veliki temperaturni gradienti. Zaradi usmerjenega odvajanja toplote so nastali kristali strjenega vara redko poligonalni. Navadno gre pri strjevanju taline v zvarni kopeli za izrazito usmerjeno kristalizacijo. Usmerjeni kristali so vzrok za določeno stopnjo anizotropnosti lastnosti materiala varov.

Tehnične kovine so zlitine. Pri zlitinah je ravnotežje posameznih faz odvisno od temperature (poglavje 4.6). To vpliva na način strjevanja taline v zvarni kopeli.

Na sliki 5.12 so skicirane razmere med strjevanjem taline v zvarni kopeli, ko gre za ogljikovo jeklo z 0,6% ogljika349. Kristalizacija je usmerjena. Strjevalna fronta potuje s hitrostjo vk v smeri osi x (glej sliko 5.9). Z isto hitrostjo se v tej smeri giblje tudi koordinatno izhodišče na sliki 5.12a. Tako je pri x < 0 kovina že strjena, pri x > 0 pa obstaja talina.

čelo fronte

Tt

Ttaline

C1> C0

C<C0

C0

Tvara

T

x

C2> C1

1000

1200

1400

1600

2+5+6

C1

Tt (C1)

0 1 2 Ogljik

C2 C0

Tt (C2)

Tt (C0)

Temperatura

CA0

CA2

CA1

talina

avstenit

a b

a potek temperature, koncentracije ogljika in tališča taline v ravnotežnih pogojih kristalizacije pred strjevalno fronto in za njo; b bogatenje jeklene taline z ogljikom od C0, C1 do C2 med izločanjem avstenita s koncentracijo ogljika CA0, CA1 do CA2 in zniževanje temperature tališča taline od Tt(C0), Tt(C1) do Tt(C2)

Slika 5.12: Razmere med usmerjeno kristalizacijo taline na strjevalni fronti

Na sliki 5.12b vidimo, da je koncentracija ogljika v avstenitu, ki nastaja s kristalizacijo taline pri temperaturi Tt(C0) enaka CA0. To je manj od povprečne vsebnosti ogljika v zvarni

349 tolikšna vsebnost ogljika je izbrana zato, da je mogoče pojav strjevanja zvara enostavneje razložiti (pri

kristalizaciji se iz taline izloča kar avstenit in ne δ-ferit, tako kot pri jeklih z 0,2% ogljika)

82

kopeli C0. Avstenit pri temperaturi malo pod 1500°C sploh ne more vsebovati 0,6% ogljika (morda le 0,4%). Zato se preostala talina bogati s presežkom ogljika iz izločenega avstenita, tako da se vsebnost ogljika v talini poveča na C1.

Temperatura tališča kovine s koncentracijo ogljika C1 je Tt(C1). Ta temperatura je nižja od temperature tališča kovine s koncentracijo ogljika C0. Koncentracija ogljika v avstenitu, ki nastaja s kristalizacijo obogatene taline, je CA1.

Tik pred strjevalno fronto je tako koncentracija ogljika v talini C2, njeno tališče pa Tt(C2). Takrat taline zmanjka.

Na večji razdalji pred strjevalno fronto talina z ogljikom ni obogatena. Doseg difuzije v talini je namreč omejen, saj hitrost rasti kristalov pri kristalizaciji sploh ni majhna350. Na sliki 5.12a je prikazano, da potek koncentracije ogljika pred strjevalno fronto vpliva na temperaturo tališča taline Tt.

Vzpostavljena temperaturna gradienta na sliki 5.12a pred (Ttaline) in za strjevalno fronto (Tvara) omogočata zveznost toplotnega toka preko strjevalne fronte351. V varu daleč za strjevalno fronto je vsebnost ogljika v avstenitu tolikšna kot v talini352. Presežek ogljika v talini pred strjevalno fronto je enak primanjkljaju ogljika za strjevalno fronto.

Povsod pred strjevalno fronto, kjer je temperatura taline nižja od temperature tališča, je talina podhlajena. Na sliki 5.13b vidimo, da talina na sami strjevalni fronti, kjer je temperatura taline najnižja, ni podhlajena. Dlje od strjevalne fronte se podhladitev veča, doseže maksimum, nato pa se manjša. Na sredini podhlajenega področja je podhladitev taline največja.

Področje podhlajene taline obstaja povsod, kjer krivulja Tt poteka nad črto Ttaline. Potek krivulje Tt je funkcija zmožnosti izenačevanja koncentracije ogljika in drugih legirnih elementov v talini neposredno pred strjevalno fronto ter hitrosti kristalizacije. Potek črte Ttaline je odvisen od prevodnosti materiala in količine odtekajoče toplote353.

T

T

T

1. ravninsko strjevanje

3. dendritsko strjevanje

2. stebričasto strjevanje

x

Ttaline Tt

Tt Ttaline

Tt Ttaline

x

x

a b c d

a tipični načini strjevanja zvarne kopeli; b potek temperature taline in temperature tališča kovine pred strjevalno fronto; c vzdolžni prerez kristalov; d prečni prerez kistalov

Slika 5.13: Trije načini strjevanja zvarne kopeli

350 velikostni razred 10− 3 m s− 1

351 temperaturni gradient v varu je manjši kot v talini, zato ker je toplotna prevodnost kovine večja (enačba 4.6) 352 koncentracija ogljika se izenači z difuzijo, za kar je potreben določen čas 353 količina toplote, ki mora odteči v okolico, je v glavnem odvisna od velikosti zvarne kopeli

83

Oblika nastalih kristalov pri strjevanju taline v zvarni kopeli je odvisna od obsega podhlajenega področja pred strjevalni fronto in od stopnje podhladitve. Tipični primeri strjevanja so skicirani na sliki 5.13.

Način strjevanja je lahko ravninski, stebričasti ali dendritski:

1. Če je temperaturni gradient zelo velik, je temperatura na strjevalni fronti praktično enaka temperaturi začetka kristalizacije354. Nastanejo poligonalna kristalna zrna. Ravninsko strjevanje je prikazano na sliki 5.13 zgoraj.

2. Če je največja podhladitev taline blizu strjevalne fronte, področje podhlajenosti ne sega daleč v zvarno kopel. Vzpostavljen je velik temperaturni gradient. Hitrost rasti kristalov je tako velika, da se podhlajena talina pred fronto takoj vključi v proces kristalizacije. Pred strjevalno fronto se v talini ne poraja veliko število kali. Zato nastanejo usmerjena zrna, ki rastejo po celotni ploskvi strjevalne fronte z enako hitrostjo. Stebričasto strjevanje je prikazano na sliki 5.13 v sredini.

3. Če je največja podhladitev taline bolj oddaljena od strjevalne fronte, področje podhlajenosti sega zelo daleč v zvarno kopel. Vzpostavljen je majhen temperaturni gradient. Na mestu z največjo podhladitvijo taline se poraja veliko število kali. Na njih rastejo majhni kristali, ki se gibljejo tako, kot se giblje tok taline pred strjevalno fronto. Ko se tem kristalom približajo rastoči dendriti, se ti vključijo v njihovo rast kot celota355. Nastanejo usmerjena zrna, ki rastejo najhitreje le na določenih mestih. Zaostala področja, z nestrjeno talino med njimi, kristalizirajo kasneje. Dendritsko strjevanje je prikazano na sliki 5.13 spodaj.

5.5.4 Smer kristalizacije

Vir toplote pri talilnem varjenju se navadno giblje. Njegovo gibanje vpliva na obliko zvarne kopeli. Oblika zvarne kopeli je odvisna od hitrosti taljenja materiala in od hitrosti strjevanja taline ter od hitrosti varjenja. Pomembna je potrebna količina toplote za taljenje kovine, ki se pri kristalizaciji kasneje sprosti.

Ko gre ves čas za isti material in isto obliko varjenca ter za vir toplote s stalno močjo, ki se giblje s konstantno hitrostjo premočrtno, se oblika in velikost zvarne kopeli s časom ne spreminjata356. Da nastane primerno velika zvarna kopel, poskrbimo s potrebno količino dovedene toplote. Tako je zagotovljeno zanesljivo in kvalitetno povezovanje materiala varjenih elementov s staljenim materialom.

Na sliki 5.14 je prikazan tloris takšne kvazistacionarne oblike zvarne kopeli. Potujoč koordinatni sistem ima izhodišče v točki, v kateri vnašamo jedro toplotnega toka za taljenje materiala. Vir toplote in zvarna kopel se gibljeta premočrtno s hitrostjo varjenja v. Ker toplota povsod odteka v hladno okolico pravokotno na strjevalno fronto, kristalizacija taline poteka v nasprotni smeri. Smer strjevanja v vsaki točki na konturi zvarne kopeli opredelimo s kotom ϕ med smerjo varjenja in pravokotnico na strjevalno fronto:

A) Točka A je na črti, po kateri se giblje vir toplote. Hitrost strjevanja taline je enaka hitrosti varjenja, sicer oblika kopeli ne bi bila ves čas enaka (vk = v). Zaradi velike

354 v resnici mora obstajati neka minimalna podhladitev taline, saj sicer proces kristalizacije ne bi mogel

potekati (slika 5.9) 355 prav zaradi tega imajo dendriti svojo značilno drevesasto zgradbo 356 Gre za kvazistacionarne razmere (v koordinatnem sistemu, ki potuje z isto hitrostjo kot vir toplote sta oblika

in velikost zvarne kopeli konstantni). Nastala oblika omogoča, da med strjevanjem taline vsa dovedena toplota, ki se je porabila za taljenje materiala, lahko iz zvarne kopeli tudi odteče.

84

hitrosti kristalizacije se sprošča veliko toplote, ki mora biti odvedena iz zvara. V točki A je temperaturni gradient zelo velik.

B) V točki B smer kristalizacije določa kot ϕ. Hitrost strjevanja je manjša kot v točki A (vk = v cosϕ). Kot ϕ je odvisen od položaja točke B na konturi zvarne kopeli357. Temperaturni gradient v točki B je manjši kot v točki A358.

C) V točki C se toplota za taljenje materiala ne porablja in ne sprošča, saj se material niti ne tali niti ne strjuje. Pravokotnica na konturo zvarne kopeli je pravokotna na smer varjenja (ϕ = 90°, cos ϕ = 0, vk = 0). Toplota na tem mestu iz zvarne kopeli ne odteka, zato je temperaturni gradient v točki C nič.

D) V točki D, ki je na črti, po kateri se giblje vir toplote, se material tali s hitrostjo v.

E) V točki E se material tali z nekoliko manjšo hitrostjo kot je hitrost gibanja vira toplote (vt < v). Hitrost taljenja je odvisna od kota ϕ.

vk = v, A

B vk = v cosϕ < v

ϕ

C, vk = 0

D, vt = v

v E, vt = v cosϕ < v

o

o

o

o

o

strjeni var talina

element I

element II

zvarni žleb

Slika 5.14: Hitrost in smer spreminjanja agregatnega stanja snovi ob konturi zvarne kopeli

Iz smeri strjevanja zvarne kopeli, ki so prikazane na sliki 5.14, je mogoče zaključiti, da smer dendritov med strjevanjem taline v zvarni kopeli ni stalna. Vzrok je nenehno spreminjanje kota ϕ na konceh dendritov, ki rastejo v zvarno kopel. Na boku zvarne kopeli je ta 90°, na začelju pa 0°. Vmes se prilagaja trenutnemu položaju zvarne kopeli:

− Strjevanje taline v zvarni kopeli se začne s kristalizacijo na nataljenih kristalih osnovnega materiala. Ta takoimenovana epitaksialna rast kristalov potrebuje minimalno podhladitev taline. Nataljeni kristali na črti taljenja so usmerjeni naključno, zato imajo pri kristalizaciji prednost tisti, ki so za rast kristalov v zvarno kopel bolj ugodno usmerjeni359. Zrna osnovnega materiala so v predhodnih sekvencah varilnega cikla tik ob črti taljenja že zrasla. Zaradi tega so lahko dokaj velika. Ko je zaradi spreminjanja kota ϕ rast kristalov v prednostni kristalni smeri že močno ovirana, se kristalizacija nadaljuje na kaleh tik ob predhodnih kristalih.

− Novi kristali nadaljujejo rast v zvarno kopel v prednostni kristalni smeri. Njihova oblika je odvisna od podhladitve pred strjevalno fronto (slika 5.13). Tudi ti kristali morajo biti več ali manj pravokotni na trenutni položaj strjevalne fronte, ki je odvisen

357 kristalizacija poteka pravokotno na črto, ki ponazarja obliko zvarne kopeli 358 ker kristalizacija poteka počasneje, se sprošča v enoti časa manj toplote, zato mora manj toplote tudi

odteči (to pomeni pri predpostavki o konstantni prevodnosti kovine, da je zaradi tega temperaturni gradient ustrezno manjši).

359 prednostna kristalna smer za rast kristalov je pri kubičnih kristalih stranica osnovne kristalne celice (<100>)

85

od konture zvarne kopeli. Ko je rast kristalov v prednostni kristalni smeri zaradi spreminjanja kota ϕ spet ovirana, se kristalizacija nadaljuje na novih kaleh.

− Če so izpolnjeni pogoji za usmerjeno kristalizacijo (slika 5.13), stebričasti in dendritski kristali odrivajo obstoječe nečistoče oziroma izceje, ki se težko vgradijo v kristale. Te snovi izvirajo iz nečistega ali izcejenega osnovnega materiala ter iz dodajnega materiala ali varilnega okolja. Posledice usmerjenega strjevanja onečiščene zvarne kopeli so odvisne od oblike zvarne kopeli. Oblika zvarne kopeli pa je funkcija hitrosti varjenja in največje možne hitrosti kristalizacije.

Na sliki 5.15a je prikazana oblika zvarne kopeli, ki nastane pri varjenju, ko je največja možna hitrost kristalizacije med strjevanjem večja ali vsaj enaka hitrosti varjenja. Rastoči kristali nečistoče in izceje ves čas odrivajo v zvarno kopel. Ta se čisti s kemičnimi reakcijami, v katerih nastaja žlindra. Žlindra zaradi manjše specifične teže izplava iz taline360.

v zvarna kopel

smer kristalizacije

o strjeni var

v zvarna kopel

smer kristalizacije

o

strjeni var

plast nečistoč

a b

a hitrost varjenja je manjša od hitrosti kristalizacije (kristali odrivajo nečistoče v zvarno kopel, talina pa se očisti s kemičnimi reakcijami); b hitrost varjenja je večja od hitrosti kristalizacije (odrinjene nečistoče se kopičijo v osi vara)

Slika 5.15: Oblika zvarne kopeli pri dveh hitrostih varjenja

Na sliki 5.15b je prikazana oblika zvarne kopeli, ki nastane, ko je hitrost varjenja večja od možne hitrosti kristalizacije. Nečistoče, ki so pri kristalizaciji taline odrinjane, ne končajo v zvarni kopeli, ki bi se lahko očistila s kemičnimi reakcijami. Deloma se te nečistoče kopičijo v osi varka, deloma pa v vmesnem prostoru med rastočimi dendriti. Nastala plast nečistoč med dendriti in v osi zvara nima tako dobrih mehanskih lastnosti kot čisti kovinski material361.

Ko se zvar po končani kristalizaciji ohlaja, se krči (enačba 4.3). Najbolj se skrči najbolj segreti del zvara. To je var. Okolica vara, ki med varjenjem ni bila toliko segreta362, se temu zoperstavi. Posledica oviranega krčenja je pojav nateznih napetosti363, ki so usmerjene prečno na os zvara. Te napetosti so lahko celo večje od trdnosti vara. V takšnih primerih var poči na mestih z vgrajenimi nečistočami. Do nastanka razpoke pride v času, ko je zvar vroč, saj se je tik pred tem material vara šele strdil. Zato te razpoke imenujemo vroče razpoke, sam pojav pa poznamo kot vročo pokljivost zvarov.

Na sliki 5.16 je prikazan prerez enovarkovnega soležnega V-zvara prečno na smer varjenja z dobro vidno smerjo rasti kristalov pri strjevanju zvarne taline.

360 žlindro navadno s površine ohlajenega vara mehansko odstranimo (kladivo, žična krtača itd) 361 zaradi vgrajene plasti nečistoč so lahko mehanske lastnosti takšnega vara slabe 362 pri varjenju gre za lokalno segrevanje materiala 363 varilne zaostale napetosti

86

Slika 5.16: Prečni prerez vara

Kristali na sliki 5.16 so rasli v nasprotni smeri od smeri odtekanja toplote proti varjenemu materialu. V ta material odteče iz zvarne kopeli večina toplote. Nečistoče, ki so po strditvi vzrok za pojav vroče pokljivosti, bi se nahajale v osi vara, po vsej debelini zvara.

5.5.5 Ohlajanje strjenega vara

Pri strjevanju nelegiranih jekel z malo ogljika, kamor spadajo navadna ogljikova konstrukcijska jekla in večina varov na teh jeklih, se iz taline najprej izločajo primarna δ-feritna zrna. Pri strjevanju nelegiranih jekel z več ogljika se iz taline najprej izločajo primarna avstenitna zrna (glej poglavje 4.6.1). Če je podhladitev pred kristalizacijsko fronto dovolj velika, je strjevanje usmerjeno364.

S kristalizacijo taline nastala kristalna zrna se pri ogljikovih konstrukcijskih jeklih med ohlajanjem varov še vsaj enkrat premenijo. Iz primarne mikrostrukture se v določenem temperaturnem intervalu izoblikuje sekundarna in v določenih primerih tudi tercialna mikrostruktura365. Mehanske lastnosti varov so funkcija končne mikrostrukture jekla oziroma faz, ki so obstojne v ohlajenem jeklu.

Za končno mikrostrukturo varov sta pomembni kemična sestava taline v zvarni kopeli in hitrost ohlajanja zvarov366.

− Hitrost ohlajanja celotnih zvarov je odvisna od količine toplote, ki smo jo vnesli med varjenjem za taljenje materiala vsakega varka, ter od toplotne prevodnosti materialov367 in oblike spojev. Toplota je bila za kratek čas vskladiščena v segretem in ponekod tudi staljenem materialu varkov, nato pa je odtekla v bolj hladno okolico. S tem sta material vara in njegova neposredna okolica, kjer nastane TVP, bili podvrženi značilnemu toplotnemu vplivu varjenja, ki mu pravimo varilni cikel.

− Pri ohlajanju transformabilnih ogljikovih jekel je za potek termične zgodovine pomembna hitrost ohlajanja skozi temperaturni interval med 800 in 500°C368. V tem intervalu poteka zaključna premena, ko se izoblikuje mikrostruktura, ki v zvaru obstaja pri normalni temperaturi369.

364 zrna v strjenem varu so redko poligonalna, zato je material vara zmeraj do neke mere anizotropen 365 sekundarna mikrostruktura je posledica premene kristalnih zrn, ki so nastala neposredno iz taline, tercialna

mikrostruktura pa je posledica premene enkrat že prekristaliziranih kristalnih zrn 366 isto velja tudi povsod tam, kjer je bil osnovni material segret nad temperaturo Ac3, tudi za TVP 367 pri varjenju tankih elementov sta pomembni tudi specifična toplota ter gostota zvara in varjenega materiala 368 merilo za hitrost ohlajanja zvara je čas ∆t8/5369 so tudi izjeme, kot npr jekla obstojna pri visokih temperaturah in ognjeodporna jekla (njihova mikrostruktura

oziroma lastnosti so pomembne pri temperaturi, ko se konstrukcijo uporablja)

87

Na sliki 5.17 je skicirana mikrostruktura strjenega vara pri treh različnih temperaturah. Gre za jekleni var, ki ima manj kot 0,1 % ogljika (glej poglavje 4.6.1).

− Primarna mikrostruktura vara, ki nastane s kristalizacijo taline, je δ-feritna (slika 5.17a). Zaradi načina kristalizacije je ta mikrostruktura usmerjena.

− Pri temperaturi Ac4 se prične izoblikovanje sekundarne avstenitne mikrostrukture vara (slika 5.17b). Zrna niso usmerjena, saj je smer nastalih sekundarnih kristalov naključna.

− Pri temperaturi Ac3 se prične izoblikovanje tercialne feritno-perlitne mikrostrukture vara (slika 5.17c)370. Tudi ta zrna niso usmerjena. Takšno mikrostrukturo ima jeklo pri normalni temperaturi.

a b c

a primarna dendritska mikrostruktura jekla; b sekundarna avstenitna mikrostruktura z mejami zrn primarne mikrostrukture; c tercialna mikrostruktura z mejami zrn primarne in sekundarne mikrostrukture

Slika 5.17: Prekristalizacija vara pri ohlajanju transformabilnega jekla z manj kot 0,1% ogljika

Če je v jekleni talini, iz katere nastane var, več kot 0,5 % ogljika (glej poglavje 4.6.1) nastane s kristalizacijo taline primarna avstenitna mikrostruktura, ki je zaradi načina kristalizacije usmerjena. Ko se pri temperaturi Ac3 prične izoblikovanje sekundarne feritno-perlitne ali kakšne druge mikrostrukture, ki je obstojna pri normalni temperaturi (slika 5.17b), ta ni usmerjena.

Če je v jekleni talini, iz katere nastane var, med 0,1 in 0,5 % ogljika, je strjevanje taline nekoliko bolj zapleteno. Najprej se izloča δ-ferit, ki bogati talino z ogljikom. Iz izločenega δ-ferita se kasneje izloča avstenit, ki preostali δ-ferit siromaši na ogljiku.

Velikost zrn končne mikrostrukture (sekundarne oziroma tercialne) je odvisna od gostote kali za premeno. Gostota teh kali je v veliki meri odvisne od velikosti predhodnih zrn in dispergiranosti različnih vključkov in izločkov. V avstenitu so nukleacijska mesta za α-fazo predvsem proste površine, vogali in meje zrn, vključki, dislokacije in skupki praznih mest. Nečistoče, ki so se pri strjevanju taline nabirale na mejah kristalnih zrn primarne mikrostrukture, se nahajajo na istih mestih tudi v sekundarni ali tercialni mikrostrukturi. Zato so lahko lastnosti takšne kovine še zmeraj do določene stopnje anizotropne.

Dodajni materiali za varjenje ogljikovih konstrukcijskih jekel vsebujejo ponavadi manj ogljika kot osnovni materiali. Za doseganje potrebne trdnosti varov je zato potrebnih več

370 navadno v varih ne zasledimo feritno-perlitne mikrostrukture, ampak druge, takoimenovane vmesne

mikrostrukture kot so martenzitno-bainitna, bainitna ali feritno-bainitna mikrostruktura

88

drugih legirnih elementov. Zaradi prisotnosti teh elementov je prekaljivost varov navadno večja od prekaljivosti osnovnih materialov. Zaradi namešanja dodajnega in osnovnega materiala pa je v varu tudi ogljika več kot v dodajnem materialu. Zaradi večje prekaljivosti in povečane vsebnosti ogljika je izoblikovanje nezaželjenega martenzita v varu bolj verjetno kot bi pričakovali glede na kemijsko sestavo dodajnega materiala371.

Zaradi večje prekaljivosti je pri ohlajanju varov izločanje ferita vzdolž kristalnih mej manj verjetno kot v manj prekaljivem TVP372. Zato pride v varih do izločanja ferita le v manjšem obsegu. Dokaj grobozrnata avstenitna mikrostruktura varov pa ima v celoti tudi manj kristalnih mej, ki bi omogočale izločanje ferita.

Kadar pa se v varu izloča ferit, se preostali podhlajeni avstenit bogati z ogljikom. Iz obogatenega avstenita se pri nižjih temperaturah izoblikujejo krhke avstenitno-martenzitne faze tudi takrat, ko je povprečna vsebnost ogljika v jeklu dokaj nizka373. Avstenitno-martenzitne faze so za varno uporabo zvarov velik problem374, zato se jim pri varjenju skušamo na vsak način izogniti375.

Vsaj delno izoblikovanje bainitne mikrostrukture v varu376, zagotavlja dobro varivost in bolj zanesljivo in varno uporabo varjenih konstrukcijskih komponent. Temu proizvajalci dodajnih materialov posvečajo veliko pozornost377.

371 vendar pa je martenzit v varu z manj ogljika manj trd ter bolj duktilen in žilav, kot tisti, ki morebiti nastane v

TVP, kjer je ogljika več 372 poznamo ga tudi kot ferit na mejah avstenitnega zrna (ang - grain boundary ferrit) 373 Ms temperatura jekla je odvisna od vsebnosti ogljika 374 z ogljikom lokalno zelo močno obogatena področja avstenita omogočajo v posebnih primerih po ohladitvi

obstoj zaostalega avstenita v varih 375 Razkroj avstenitno-martenzitnih faz v varu in TVP pospeši toplota, ki je potrebna za varjenje sledečih

varkov. Področja z avstenitno-martenzitnimi fazami se morajo pri tem dovolj močno segreti. Možnost za izoblikovane avstenitno-martenzitnih faz pa je še večja pri ponovnem segrevanju grobozrnate mikrostrukture vara ali TVP med varjenjem sledečih varkov v temperaturni interval Ac1 − Ac3. Seveda je pomembna tudi hitrost ohlajanja.

376 Bainit ima neke značilnosti perlita in martenzita. Je dejansko zmes ferita in cementita, vendar ne v takšni obliki kot je to perlit. Tako poznamo zgornji in spodnji bainit. Zaradi dobre žilavosti je v varu posebno zaželena ena vrsta "bainita", takoimenovani acikularni ferit.

377 Potrebna je ustrezna kemična sestava dodajnega materiala in prisotnost fino dispergiranih delcev v talini (vključki) ali v avstenitnem varu (izločki), ki pospešijo tvorbo bainita. Ker pri varjenju pride do namešanja dodajnega materiala z osnovnim, so določeni dodajni materiali primerni le za varjenje nekaterih jekel.