zavarivanje i termicka obrada

DŽAFER KUDUMOVIĆ ZAVARIVANJE I TERMIČKA OBRADA

1. ZNAČAJ I ULOGA ZAVARIVANJA U MAŠINSTVU 1

PREDGOVOR Obzirom da je zavarivanje jedna od tehnologija u oblikovanju metalnih

konstrukcija svih vrsta počev od mostogradnje, industrijskih hala, brodogradnje, mašinogradnje, visokih peći i drugih metalurških postrojenja, procesna industrije pa do atomskih centrala, reaktivnih motora, svemirskih letilica itd. ovim udžbenikom su se željele dati osnovne upute u zavarivanju i pojavama koje prate ovu tehnologiju. Širina primjene i značaj radova koji se zavarivanjem ostvaruju su razlozi zbog kojih se osjećala veoma jaka potreba za ovakvom knjigom, koja će dati osnove pojmova pri zavarivanju i njegovim posljedicama u slučaju primjene raznovrsnih čelika koji su u upotrebi - od konstrukcionih niskougljičnih pa preko niskolegiranih do visokolegiranih : nehrđajućih, vatrootpornih i drugih čelika. S druge strane veoma velika primjena je i konstrukcija obojenih metala i njihovih legura, pa je i tu trebalo dati osnovne smjernice i karakteristike ovih materijala. U knjizi ZAVARIVANJE I TERMIČKA OBRADA prikazane su termičke karakteris - tike procesa zavarivanja, karakteristike gasnog i elektro postupaka zavarivanja te pojave koje prate zavarivanje kao deformacije i sl. i otklanjanje istih. Značajno je napomenuti da je ovdje dato posebno mjesto termičkoj obradi, a posebno onoj koja prati tehnologiju zavarivanja. Prikazan je i uvod u nove tehnologije (automatizira - nog i robotiziranog) karaktera. Na kraju je data jedna od mogućih organizacija zava- rivačke proizvodnje. Knjiga je rađena uglavnom prema nastavnom planu i programu FAKULTETA ELEKTROTEHNIKE I MAŠINSTVA, odsjeka ENERGETSKO MAŠINSTVO na trećoj godini studija UNIVERZITETA U TUZLI.

Dakle knjiga je namijenjena studentima, inženjerima u proizvodnji u različitim granama privrede, tehničarima i svim onim koji se bave zavarivanjem. Knjiga obuhvata i dio standarda kroz koji se provlači tehnologija zavarivanja. Korišteni su dijelovi postojećeg standarda koji nadomješta BAS, zatim su korišteni DIN i EN.

Naša privreda je na takvom nivou da joj ova knjiga treba, i ona je tu, da dade skroman doprinos u revitalizaciji industrije, postojećoj proizvodnji kao i korištenju novih tehnologija .

Na kraju autor se želi zahvaliti racenzentima, te posebice tehničkom uredništvu Mr. Kemalu Mujkiću, dipl. inž. maš., asistentu Jasminu Smajiću , dipl. inž. el., studentima Eldinu Huremoviću i Admiru Avdiću, koji su uložili dosta truda na koncipiranju teksta, crteža itd. Autor je zahvalan kolegama profesorima i asistentima: Muhamedu Mehmedoviću, Emiru Šariću, Sandiri Alagić i Izetu Aliću, te privrednicima i TPK-u koji su na bilo koji način pomogli da ova knjiga bude dostupna javnosti.

Posebno je zahvalan svojoj porodici na strpljenju pri radu na ovoj knjizi . Takođe je zahvalan svima onima koji na korektan način budu dali primjed

- be na uočene greške .

DŽAFER KUDUMOVIĆ



Ovu knjigu posvećujem svojim rahmetli roditeljima

Džafer Kudumović



Tablica 1. Označavanje žica za elektrolučno zavarivanje pod zaštitom plina nelegiranih i mikrolegiranih čelika – DIN 8559



Tablica 2. Označavanje žice za TIG zavarivanje nelegiranih i

mikrolegiranih čelika – DIN 8559



Tablica 3. Označavanje punjenih žica za elektrolučno zavarivanje pod

zaštitom i bez zaštite plina - DIN 8559 (priprema za EN)



Tablica 4. Dodatni materijali za elektrolučno zavarivanje čelika otpornih

na povišenim temperaturama – DIN 8575



Tablica 5. Označavanje dodatnih materijala za zavarivanje nehrđajućih i

vatrootpornih čelika – DIN 8556



Tablica 6. Označavanje dodatnih materijala za zavarivanje aluminijuma i

aluminijskih legura – DIN 1732



Tablica 7. Označavanje dodatnih materijala za zavarivanje bakra i



bakarnih legura – 1733



Tablica 8. Pregled najčešće primjenjivanih nehrđajućih, hemijski

otpornih i vatrootpornih čelika uz preporuku žica za zavarivanje



Tablica 9. Pregled sitnozrnatih čelika uz preporuke žica za MAG

zavarivanje



Tablica 10. Pregled najčešće primjenjivanih čelika za povišene temperature

uz preporuke za izbor žice za MAG i TIG zavarivanje



Tablica 11. Pregled općih konstrukcijskih čelika I, uz preporuku, za izbor

žice za MAG i TIG zavarivanje



Tablica 12. Pregled Al i Al-legura uz preporuku žica za MIG zavarivanje



Tablica 13. Uvjeti MIG zavarivanja Al i Al-legura

Tablica 14. Orijentacijski podaci za ručno TIG zavarivanje aluminija

izmjeničnom strujom



Tablica 15. Pregled Cu i Cu-legura uz preporuku žica za MIG i TIG

zavarivanje



Tablica 16. Orijentacijski parametri za MIG zavarivanje bakra

Tablica 17. Orjentacijski podaci za TIG zavarivanje bakra i legura



Tablica 18. Označavanje dodatnih materijala za navarivanje – DIN 8555



Tablica 19. Podjela zaštitnih plinova po DIN/EN 439

Tablica 20. Prednosti i nedostaci utjecaja pojedinih zaštitnih plinova



Tablica 21. Dimenzije kolutova i masa namotane žice (DIN 8559)

Tablica 22. Kriteriji ocjene pogreške plinskih uključaka i šupljina u zavara

(EN 25817/92)



Tablica 23. Kriteriji ocjene pogreške čvrstih uključaka u metalu zavara

(EN 25817/92)



Recenzenti :

Dr Azra Imamović, vanredni profesor Dr Džemo Tufekčić, vanredni profesor

Štampa : DJL OFF-SET Tuzla Za štampariju : Sadika Murić, direktor Tehnička obrada :

Kemal Mujkić, diplomirani inženjer mašinstva Avdić Admir, student Huremović Eldin, student

Sadržaj 1. Značaj i uloga zavarivanja u mašinstvu -------------------------------------------- 1

2. Osnovni pojmovi iz fizike metala i klasifikacija postupaka

zavarivanja ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 4

2.1. Fizika elektrolučnog zavarivanja ------------------------------------------------ 6 2.2. Klasifikacija postupaka zavarivanja ------------------------------------------ 16

3. Toplinski procesi pri zavarivanju -------------------------------------------------- 18

3.1. Toplinski osnovi ------------------------------------------------------------------ 18 3.2. Izvori topline pri zavarivanju -------------------------------------------------- 20 3.2.1. Trenutni nepokretni izvori topline ------------------------------------ 20 3.2.2. Pokretni izvori topline neprekidnog dejstva ------------------------ 23 3.2.3. Snažni brzopokretni izvori topline ----------------------------------- 27 3.3. Period toplinskog zasićivanja i izjednačavanja temperature pri zagrijavanju tijela pokretnim izvorima topline ----------------------------- 29 3.4. Utjecaj ivice tijela na prostiranje topline ------------------------------------ 31 3.5. Zagrijavanje i taljenje metala pri zavarivanju ------------------------------ 35 3.5.1. Termički ciklus pri jednoprolazanom zavarivanju ---------------- 38 3.5.2. Termički ciklus pri višeslojnom zavarivanju ----------------------- 42 3.6. Zagrijavanje metala gasnim plamenom -------------------------------------- 47

4. Metalurgija zavarivanja -------------------------------------------------------------- 53

4.1. Struktura zavarenih spojeva ---------------------------------------------------- 53 4.2. Apsorpcija gasova u šavovima ------------------------------------------------ 60 4.2.1. Apsorpcija oksigena u šavovima ------------------------------------- 61 4.2.2. Apsorpcija azota u šavovima ------------------------------------------ 62



4.2.3. Apsorpcija vodika u šavovima ---------------------------------------- 64 4.3. Prsline u zavarenim spojevima ------------------------------------------------ 66 4.3.1. Hladne prsline pri zavarivanju ---------------------------------------- 70 4.3.2. Postupci za sprečavanje obrazovanja prslina ----------------------- 71 4.4. Određivanje temperature predgrijavanja prema metodi BWRA -------- 72 4.5. Kristalizacija i procesi u zoni utjecaja topline ------------------------------ 75 4.5.1. Struktura materijala šava ----------------------------------------------- 75 4.5.2. Transformacije u osnovnom materijalu ----------------------------- 77 4.5.3. Fizikalno - hemijske promjene ---------------------------------------- 79 4.5.4. Praktične posljedice ----------------------------------------------------- 80

5. Zavarivački materijali ----------------------------------------------------------------- 82

5.1. Željezo ------------------------------------------------------------------------------ 85 5.1.1. Čelik ------------------------------------------------------------------------ 87 5.1.1.1. Ugljični čelici ------------------------------------------------- 90 5.1.1.2. Utjecaj ugljika na osobine čelika -------------------------- 91 5.1.1.3. Čelik različitih postupaka proizvodnje ------------------- 94 5.1.1.4. Ugljični čelik opće namjene -------------------------------- 95 5.1.1.5. Deformaciono ojačan čelik --------------------------------- 96 5.1.1.6. Legirani čelici ------------------------------------------------- 97 5.1.2. Podjela čelika ------------------------------------------------------------ 103 5.1.3. Označavanje čelika ----------------------------------------------------- 108 5.1.3.1. Čelici sa negarantiranim sastavom ---------------------- 109 5.1.3.2. Čelici sa garantiranim sastavom ------------------------- 109 5.2. Nikal i njegove legure ---------------------------------------------------------- 111 5.2.1. Zavarljivost nikla i njegovih legura --------------------------------- 113 5.2.2. Određene specifičnosti tehnologije zavarivanja nikla i njegovih legura ------------------------------------------------------- 115 5.3. Aluminij i njegove legure ------------------------------------------------------ 116 5.3.1. Zavarljivost aluminija i njegovih legura --------------------------- 119 5.3.2. Struktura i osobine zavarenog spoja -------------------------------- 122 5.3.3. Određene specifičnosti tehnologije zavarivanja aluminija i njegovih legura ------------------------------------------ 124 5.4. Zavarivanje magnezija i njegovih legura ----------------------------------- 127 5.4.1. Osobine magnezija i njegovih legura ------------------------------- 127 5.4.2. Zavarljivost magnezija i njegovih legura -------------------------- 129 5.4.3. Specifičnosti tehnologije zavarivanja magnezija i njegovih legura ------------------------------------------------------- 131 5.5. Zavarivanje bakra i njegovih legura ----------------------------------------- 131 5.5.1. Osnovna znanja o osobinama bakra i njegovim legurama ------ 131 5.5.2. Zavarljivost bakra i njegovih legura -------------------------------- 134 5.5.3. Specifičnosti tehnologije zavarivanja bakra i njegovih legura ------------------------------------------------------- 136 5.6. Primjer zavarivanja cijevi od bakarnih legura ----------------------------- 138



6. Dodatni materijali --------------------------------------------------------------------- 140

6.1. Elektrode i žice za zavarivanje ----------------------------------------------- 140 6.1.1. Obložene elektrode ----------------------------------------------------- 140 6.1.2. Podjela obloženih elektroda ------------------------------------------ 142 6.1.3. Označavanje obloženih elektroda ----------------------------------- 143 6.1.4. Karakteristike pojedinih vrsta obloge ------------------------------- 146 6.1.5. Osnovna pravila u izboru elektroda --------------------------------- 148 6.1.6. Osnovna pravila u rukovanju elektrodama ------------------------ 150 6.2. Žice za MIG/MAG zavarivanje ---------------------------------------------- 151 6.3. Netopiva elektroda -------------------------------------------------------------- 151 6.4. Zaštitni plinovi pri zavarivanju ----------------------------------------------- 152 6.4.1. Plinovi i žica za plinsko zavarivanje -------------------------------- 155 6.4.2. Uloga plinova pri zavarivanju ---------------------------------------- 156 6.4.3. Tehnološki činitelji pri automatiziranom i robotiziranom zavarivanju ------------------------------------------- 160 6.5. Karakteristike i zavarivanje pod zaštitom praška EPP) ------------------ 164 6.5.1. Prašak za zavarivanje u zaštiti praška (EPP) ---------------------- 164 6.5.2. Karakteristike primjene i razvoja MIG/MAG impulsnog zavarivanja ------------------------------------------------ 165 6.6. Podloge pri zavarivanju prvog sloja ----------------------------------------- 166 6.6.1. Metalne podloge -------------------------------------------------------- 170 6.6.2. Keramičke podloge ----------------------------------------------------- 171 6.6.3. Podloge iz stakla -------------------------------------------------------- 171 6.6.4. Načini pričvršćivanja podloga --------------------------------------- 172 6.7. Žičane elektrode za zavarivanje niskougljičnih, mikrolegiranih

i niskolegiranih čelika ---------------------------------------------------------------------------------------------- 174

7. Postupci zavarivanja ------------------------------------------------------------------ 182

7.1. Ručno elektrolučno zavarivanje ---------------------------------------------- 182 7.1.1. Definicije pojmova i nazivi ------------------------------------------- 182 7.1.2. Ručno zavarivanje obloženom elektrodom ------------------------ 185 7.1.3. Režimi ručnog zavarivanja ------------------------------------------- 186 7.1.4. Zavarivanje položenom elektrodom -------------------------------- 199 7.1.5. Gravitaciono zavarivanje ---------------------------------------------- 200 7.1.6. Zavarivanje pod vodom ----------------------------------------------- 201 7.2. Zavarivanje u zaštiti praška --------------------------------------------------- 202 7.2.1. Automatsko zavarivanje pod praškom------------------------------ 204 7.2.2. Režimi automatskog i poluautomatskog zavarivanja pod praškom ------------------------------------------------------------- 206 7.2.3. Proračun režima zavarivanja prema zadanim dimenzijama šava ------------------------------------------------------- 211 7.2.4. Utjecaj promjena mrežnog napona na oblik i dimenzije šava pri automatskom i poluautomatskom zavarivanju pod praškom --------------------------------------------- 219



7.2.5. Zavarivanje sučeljenih spojeva -------------------------------------- 221 7.2.6. Zavarivanje preklopnih i T-spojeva --------------------------------- 223 7.2.7. Zavarivanje kružnih šavova ------------------------------------------ 225 7.2.8. Montaža spojeva prije zavarivanja ---------------------------------- 228 7.2.9. Poluautomatsko zavarivanje pod praškom ------------------------- 228 7.3. Teorijske osnove elektrolučnog zavarivanja taljivom žičanom elektrodom u zaštiti plina ------------------------------------------------------ 229 7.3.1. Podjela postupka -------------------------------------------------------- 230 7.3.2. Električni luk u zaštiti plina i polaritet žičane elektrode -------- 231 7.3.3. Elektrolučno zavarivanje taljivom žičanom elektrodom u zaštiti inertnog plina (varijanta MIG) ---------------------------- 232 7.3.4. Elektrolučno zavarivanje taljivom žičanom elektrodom

u zaštiti aktivnog plina (varijanta MAG) --------------------------------------------------------------- 233

7.3.5. Prenos dodatnog metala kroz električni luk ----------------------- 234 7.3.6. Utjecaj jačine struje ---------------------------------------------------- 235 7.3.7. Kratkospojeni prenos -------------------------------------------------- 236 7.3.7.1. Krupnokapljičasti prenos ---------------------------------- 237 7.3.7.2. Prenos u mlazu ----------------------------------------------- 238 7.3.7.3. Pulsirajući prenos ------------------------------------------- 240 7.3.7.4. Oblasti prenosa dodatnog metala pri zavarivanju varijantom MAG --------------------------------------------- 241 7.3.8. Specijalne varijante GMAW (MSG) postupka zavarivanja --------------------------------------------------------------- 242 7.3.9. Zaštitni plinovi ---------------------------------------------------------- 242 7.3.9.1. Argon ----------------------------------------------------------- 243 7.3.9.2. Ugljičnidioksid ----------------------------------------------- 245 7.3.9.3. Skladištenje i distribucija ugljičnogdioksida ----------- 245 7.3.9.4. Plinske smješe ------------------------------------------------ 247 7.3.10. Uređaji i pribor -------------------------------------------------------- 251 7.3.10.1. Sastavni dijelovi i opis ------------------------------------ 251 7.3.10.2. Izvor struje zavarivanja ----------------------------------- 253 7.3.10.3. Pištolj za zavarivanje sa crijevima i kablovima ---------------------------------------------------- 254 7.3.10.4. Uređaj za dovođenje žičane elektrode ----------------- 256 7.3.10.5. Komandni ormar ------------------------------------------- 257 7.3.10.6. Pomoćna oprema------------------------------------------- 258 7.3.11. Priprema osnovnog metala za zavarivanje ----------------------- 258 7.3.12. Tehnologija izvođenja operacije zavarivanja -------------------- 264 7.3.12.1. Podešavanje promijenjivih veličina -------------------- 264 7.3.12.2. Uspostavljanje i prekidanje električnog luka --------- 264 7.3.12.3. Pripajanje sastavnih dijelova radnog komada ------- 265 7.3.12.4. Plan zavarivanja ------------------------------------------- 266 7.3.13. Greške pri zavarivanju varijantama MIG/MAG ---------------- 266 7.4. Zavarivanje netaljivom (volframovom) elektrodom u zaštiti



argona (TIG) ---------------------------------------------------------------------- 268 7.5. Plinsko zavarivanje ------------------------------------------------------------- 271 7.5.1. Zavarivački plamen ---------------------------------------------------- 272 7.5.2. Tehnologija plinskog zavarivanja ----------------------------------- 273 7.5.3. Razvijači acetilena ------------------------------------------------------ 275 7.5.3.1. Oprema razvijača acetilena ------------------------------- 277 7.5.3.2. Centrale za acetilen ----------------------------------------- 280

8. Specijalni postupci zavarivanja ---------------------------------------------------- 281

8.1. Elektrootporno zavarivanje (EO) --------------------------------------------- 281 8.1.1. Uređaji za zavarivanje električnim otporom ---------------------- 282 8.1.2. Sučeljeno zavarivanje električnim otporom ----------------------- 285 8.1.2.1. Sučeljeno zavarivanje zbijanjem -------------------------- 285 8.1.2.2. Elektrootporno tačkasto zavarivanje -------------------- 287 8.1.2.3. Bradavičasto elektrootporno zavarivanje--------------- 289 8.1.2.4. Elektrootporno šavno zavarivanje ----------------------- 289 8.1.2.5. Visokofrekventno zavarivanje ----------------------------- 290 8.1.2.6. Elektrootporno zavarivanje iskrenjem (varničenjem) ------------------------------------------------- 290 8.1.2.7. Preklopno zavarivanje električnim otporom -----------297 8.2. Zavarivanje pod troskom ------------------------------------------------------ 301 8.3. Aluminotermijsko zavarivanje ------------------------------------------------ 302 8.4. Lijevačko zavarivanje ---------------------------------------------------------- 303 8.5. Zavarivanje elektronskim snopom ------------------------------------------- 303 8.6. Zavarivanje plazmom ----------------------------------------------------------- 305 8.7. Zavarivanje laserom ------------------------------------------------------------ 305 8.8. Kovačko zavarivanje ----------------------------------------------------------- 309 8.9. Zavarivanje trenjem ------------------------------------------------------------- 309 8.10. Zavarivanje ultrazvukom ------------------------------------------------------ 309 8.11. Difuzijsko zavarivanje---------------------------------------------------------- 311 8.12. Zavarivanje eksplozijom ------------------------------------------------------- 311 8.13. Hladno zavarivanje -------------------------------------------------------------- 313

9. Toplinsko rezanje ---------------------------------------------------------------------- 314

9.1. Plinsko rezanje ------------------------------------------------------------------- 314 9.2. Rezanje šupljom obloženom elektrodom i kisikom (oxy - arc) -------- 316 9.3. Rezanje ugljenom elektrodom i stlačenim zrakom (arc - air) ----------- 317 9.4. Rezanje plazmom---------------------------------------------------------------- 317

10. Primjena robota u tehnologiji zavarivanja ------------------------------------- 320

10.1. Razvitak ostalih područja ------------------------------------------------------ 321 10.2. Strukture vođenja robota i fleksibilnih sistema ---------------------------- 323 10.3. Kompjutersko vođenje robota i fleksibilnih proizvodnih sistema ----- 329 10.4. Ekonomska opravdanost primjene robota za zavarivanje --------------- 330



11. Zavarljivost metala -------------------------------------------------------------------- 333

11.1. Zavarljivost ugljičnih konstrukcionih čelika ------------------------------- 335 11.1.1. Zavarljivost niskougljičnih konstrukcionih čelika -------------- 335 11.1.2. Zavarljivost srednje i visokougljičnih konstrukcijskih čelika -------------------------------------------------------------------- 336 11.2. Zavarljivost niskolegiranih konstrukcijskih čelika ----------------------- 336 11.3. Zavarljivost zakaljivih čelika ------------------------------------------------- 338 11.4. Zavarljivost nehrđajućih čelika ----------------------------------------------- 342 11.4.1. Zavarljivost martenzitnih hromovih čelika ---------------------- 344 11.4.2. Zavarljivost feritnih hromovih čelika ----------------------------- 345 11.4.3. Zavarljivost austenitnih hrom - niklovih čelika ----------------- 346 11.4.4. Tehnologija zavarivanja austenitnih hrom-niklovih čelika --- 349 11.5. Zavarljivost lijevanog gvožđa ------------------------------------------------ 350 11.6. Zavarljivost bakra i njegovih legura ----------------------------------------- 352 11.6.1. Zavarivanje bakra ----------------------------------------------------- 353 11.6.2. Zavarivanje mesinga-------------------------------------------------- 354 11.6.3. Zavarivanje bronze --------------------------------------------------- 355 11.7. Zavarljivost aluminija i njegovih legura ------------------------------------ 355 11.8. Zavarivanje pri niskim temperaturama -------------------------------------- 358 11.9. Navarivanje tvrdih legura ------------------------------------------------------ 359

142. Toplinska obrada zavarenih spojeva ------------------------------------------- 362

12.1. Predgrijavanje pri zavarivanju ------------------------------------------------ 362 1412.2. Odžarivanje -------------------------------------------------------------------- 366 1412.3. Poboljšanje -------------------------------------------------------------------- 368 1412.4. Normalizacija zavarenih spojeva ------------------------------------------ 369 1412.5. Oprema za toplinsku obradu ----------------------------------------------- 370 1412.6. Karakteristike toplinskih obrada materijala ----------------------------- 371 1412.6.1. Postupci žarenja ---------------------------------------------------- 371 12.6.2. Stabilizacionao žarenje ------------------------------------------------------------- 372 1412.6.3. MEHKO ŽARENJEehko žarenje ------------------------------- 378 1412.6.4. NORMALIZACIJAormalizacija-------------------------------- 378 12.6.5. OSTALI PROCESI ŽARENJAstali procesi žarenja ------------------------- 381 1412.6.6. Temperature i proces termičke obrade za pojedine materijale383EMPERATURE I PROCES TERMIČKE OBRADE ZA POJED 12.6.7. Plinski plamenici za toplinsku obradu zavarenih spojeva ------------------- 385 1412.6.8. Postupci zagrijavanja kod žarenja -------------------------------------------- 386 1412.7. KALJENJEaljenje ------------------------------------------------------------ 386 1412.7.1. Kaljenje sa kontinualnim hlađenjem (obično kaljenje) ------------------- 387



1412.7.1.1. Kaljenje u dvije sredine ------------------------------- 387 1412.7.1.2. Stepenasto kaljenje ------------------------------------------------------------ 388 1412.7.2. Izotermno kaljenje --------------------------------------------------------------- 389 1412.7.3. Kaljenje strujom fluida ---------------------------------------------------------- 389 1412.8. ZAGRIJAVANJEagrijavanje ---------------------------------------------------- 390 1412.9. HLAĐENJE I SREDSTVA ZA HLAĐENJElađenje i sredstva za hlađenje392 1412.10. CEMENTACIJAementacija ----------------------------------------------- 393 1412.11. NITRIRANJEitriranje ------------------------------------------------------ 395 1412.12. Karbonitriranje ------------------------------------ 395ARBONITRIRANJE

13. Naponi i deformacije u zavarenim spojevima ---------------------------------- 397

13.1. Nastajanje deformacija i zaostalih napetosti ------------------------------- 397 13.2. Sprečavanje nastajanja trajnih deformacija -------------------------------- 399 13.3. Ravnanje deformiranih dijelova ---------------------------------------------- 402 13.4. Primjeri toplinskog ravnanja -------------------------------------------------- 405 13.5. Osnovne smjernice za toplinsko ravnanje pojedinih materijala -------- 407 13.5.1. Nelegirani čelici ------------------------------------------------------- 407 13.5.2. Niskolegirani čelici --------------------------------------------------- 408 13.5.3. Visokolegirani čelici-------------------------------------------------- 408 13.5.4. Lijevani čelici ---------------------------------------------------------- 409 13.5.5. Aluminij i legure aluminija ----------------------------------------- 409 13.5.6. Bakar i legure bakra -------------------------------------------------- 410 13.6. Mjerenje napona i deformAcija ---------------------------------------------- 410 13.6.1. Mehanički deformometri -------------------------------------------- 410 13.6.1.1. Deformometar sa indikatorima satnog tipa ---------- 411 13.6.1.2. Deformometri sa optičkim preobražajem ------------- 411 13.6.1.3. Deformometri sa kapacitativnim preobražajem ----- 412 13.6.1.4. Deformometar sa induktivnim preobražajima -------- 412 13.6.2. Pneumatski pretvarači ------------------------------------------------ 413 13.6.3. Elektro tenzometrija -------------------------------------------------- 414 13.6.4. Žičani tenzoregistri --------------------------------------------------- 414 13.6.5. Folijski tenzoregistri ------------------------------------------------- 415 13.6.6. Određivanje napona u dubini metala ------------------------------ 416 13.7. Inženjerski postupak računskog određivanja deformacija i napona pri zavarivanju -------------------------------------------------------- 421 13.7.1. Postupak računskog određivanja deformacija i napona pri zavarivanju --------------------------------------------- 421



13.7.2. Određivanje površine plastične deformacije --------------------- 424 13.7.3. Računsko određivanje općih deformacija pri zavarivanju ---- 427 13.7.4. Računsko određivanje lokalnih deformacija pri zavarivanju ------------------------------------------------------------- 429 13.7.5. Određivanje kutnih deformacija pri navarivanju na površinu lima ------------------------------------------------------ 430 13.7.6. Određivanje kutnih deformacija pri zavarivanju T – spojeva ------------------------------------------------------------ 433 13.8. Određivanje deformacija zavarenih okvira --------------------------------- 435 13.9. Svođenje napona i deformacija u dopuštene granice --------------------- 438

14. Proračun zavarenih spojeva -------------------------------------------------------- 440

14.1. Prikazivanje šavova spojeva -------------------------------------------------- 440 14.2. Raspodjela napona u šavovima ----------------------------------------------- 443 14.3. Proračun statički opterećenih zavarenih spojeva -------------------------- 446 14.3.1. Definiranje napona u kutnim šavovima --------------------------- 447 14.3.2. Proračun šavova sučeljenih spojeva ------------------------------- 448 14.3.3. Proračun kutnih šavova ---------------------------------------------- 448 14.3.3.1. Aksijalno napregnuti zavareni spojevi ---------------- 450 14.3.3.2. Zavareni spojevi izloženi normalnim i smičućim naponima ------------------------------------- 453 14.3.3.3. Spojevi napregnuti smičućim naponima uslijed torzije ----------------------------------------------- 455 14.4. Pregled jednadžbi za proračun zavara --------------------------------------- 460 14.5. Proračun dinamički opterećenih zavarenih spojeva ---------------------- 464

15. Kontrola i ispitivanje zavarenih spojeva ---------------------------------------- 467

15.1. Kontrola bez razaranja --------------------------------------------------------- 467 15.2. Ispitivanje bez razaranja ------------------------------------------------------- 469 15.3. Ispitivanje razaranjem ---------------------------------------------------------- 470

16. Organizacija zavarivačke proizvodnje ------------------------------------------- 472

16.1. Proizvodnja profila -------------------------------------------------------------- 472 16.2. Način izrade zavarenih profila ------------------------------------------------ 473 16.3. Linija za izradu zavarenih profila u horizontalnom položaju ----------- 477 16.4. Transporteri linije izrade lamela ---------------------------------------------- 478 16.5. Autogena rezačica za poprečno odrezivanje ------------------------------- 479 16.6. Uređaj za poprečno zavarivanje limova ------------------------------------- 480 16.7. Uređaj za brušenje nadvišenja zavara --------------------------------------- 481 16.8. Uređaj za formiranje profila --------------------------------------------------- 482 16.9. Uređaj za zavarivanje profila ------------------------------------------------- 483 16.10. Uređaj za prekretanje profila ------------------------------------------------- 484 16.11. Postrojenje za proizvodnju cijevi sa uzdužnim šavom ------------------ 484 16.12. Uvođenje robotiziranih linija u zavarivačkoj proizvodnji -------------- 486



17. Prilozi

18. Literatura

1. ZNAČAJ I ULOGA ZAVARIVANJA U MAŠINSTVU

Značajno mjesto u razvoju metalne industrije zauzima način spajanja metala i njihovih legura (materijala). Od prvih spajanja materijala, u nekoj vezi, do danas, došlo je do velikog razvoja postupaka i tehnologija, a naravno uočene su i bitne razlike u razvoju pojedinih tehnologija. Razvojem metalne industrije došlo je do čitavog niza novih načina dobijanja metala, obrade, spajanja kao i upotrebe metala.

Zavarivanje spada u moderniji način spajanja materijala koji omogućava nastajanje materijalnog kontinuiteta između spojenih materijala. Ovim postupkom, u odnosu na prethodne postupke spajanja, izbjegnuto je slabljenje materijala kao kod zakivanja ili spajanja zavrtnjima, nosivost se pove - ćava do nosivosti osnovnih materijala, konstrukcija je lakša i ljepša itd. sl.1. Zavarivanje, dakle, predstavlja spajanje dva elementa u jedinstvenu cjelinu. Ono je veoma primjenjivo u proizvodnji metalnih konstrukcija u reparaci - jama metalnih proizvoda. Savremena industrija ne može se zamisliti bez zavari - vanja konstrukcija:

− mostogradnja , automobilska industrija , interkontinentalne rakete , nuklearna i konvencionalna energetika, cjevovodi, prekookeanski brodovi, zgrade, strojevi itd..

Slika 1. a) Zavareni spoj b) Zakovani spoj

Zavarivanje spada u najekonomičnije načine spajanja materijala. Uštede materijala i obezbjeđivanje materijalnog kontinuiteta su osnovne prednosti koje zavarivanje pruža u konstruktivnom smislu. Zavarivanjem je omogućeno da se potisnu neke livene konstitucije koje su i teže i komplikovanije u izradi. Zavarivanje predstavlja najjednostavniji i najjeftiniji način nanošenja slojeva metala na osnovnu masu drugog metala.



Prednosti zavarivanja u odnosu na druge postupke spajanja materijala jesu slijedeće : − Zavarivanjem se postiže bolje iskorištenje materijala i lakša konstitucija. − Zavarivanje se može primjeniti za sve konstrukcije. − Zavarivanje se primjenjuje u svim područjima metaloprerađivačke industrije i

konstruktorima daje gotovo neograničene mogućnosti. − Spada u red najjeftinijih postupaka spajanja metala.

Kao tehnološki postupak zavarivanje ima i svojih ograničavajućih faktora, a to su :

− Utjecaj čovjeka na kvalitet. − Postojanje strukturnih nehomogenosti. − Mogućnosti prisustva grešaka materijalne nehomogenosti. − Mogućnost prisustva unutrašnjih napetosti. Sva ova ograničenja dovela su do nastanka niza standarda i propisa kojima podliježu zavarene konstrukcije.

Razvoj zavarivačkih postupaka kroz historiju Tragovi zavarivanja su vidljivi još u brončanom dobu, gdje je na nekim proizvodima ostvareno zavarivanje tlakom. U Britanskom muzeju nalazi se neko - liko željeznih alata iz starog Egipta i Sirije izvedenih kovačkim zavarivanjem i tlakom. U srednjem vijeku značajan broj oružja je izveden u zavarivačkoj izvedbi. Moderan zavarivački proces počeo se odvijati pojavom dva faktora u zavarivačkoj tehnologiji i to : otkrićem acetilena i otkrićem električnog luka.

Električni luk je otkriven prvi put između ugljičnih elektroda, otkrio ga je Nikolaj Bernados, te se prvi put pojavio u tehnici zavarivanja 1881 god.

Godine 1885. postupak je prvi put patentiran u Engleskoj, a 1887. god. u SAD-u.

Godine 1892. javljaju se ideje o primjeni metalnih elektroda, dok se do tada koristila uglavnom ugljična elektroda.

Od 1907. do 1914. god. Šveđanin Kjelberg intenzivno radi na usavršavanju metalnih elektroda sa mineralnom oblogom na bazi silikata, karbonata i drugih minerala.

Od 1885. do 1900. god. prof. Elih Thompson prijavljuje čitav niz patenata iz područja elektrootpornog zavarivanja kao što su tačkasto, šavno i sučeljeno elektrootporno zavarivanje.Lindeovim otkrićem dobijanja kisika plinsko zavari - vanje dolazi do izražaja.

U periodu od 1900. do 1918. god. plinsko zavarivanje i zavarivanje oblo - ženom elektrodom čine glavne zavarivačke postupke u svijetu.

Prvi svjetski rat dovodi do nagle ekspanzije potrošnje materijala, ali i do razvoja tehnike zavarivanja.

Godine 1914. Englezi prave prvi brod u potpuno zavarivačkoj izvedbi. Sanacija sabotažom oštećenog broda u Njujorškoj luci, primjenom teh -

nike zavarivanja imala je presudan značaj na primjenu zavarivanja u brodogradnji. Tokom prvog svjetskog rata u SAD-u je formiran Ratni komitet za zavari -

vanje koji je 1919. godine prerastao u Američko društvo za zavarivanje AWS, sa osnovnim zadatkom, da se bavi razvojem zavarivanja i srodnih postupaka.



1920. godine se pojavljuje zavarivanje topljivom elektrodom. To je bilo otkriće P.O.Nobela koje se odmah počelo primjenjivati u Američkoj automobil - skoj industriji. Ovo zavarivanje vršeno je u atmosferi azota i kisika da bi H.M.Hobart 1926. god. prvi put upotrijebio inertni plin i plinsku mlaznicu.

Hobort, upotrebom helijuma 1920 god., stvara preduvjete da bi 1941. god. nastao TIG postupak namijenjen prije svega vazduhoplovnoj industriji za zavari - vanje lahkih legura.

Izraziti porast proizvodnje zavarenih konstrukcija od lahkih legura doveo je 1948. god. do pojave MIG postupka koji je kasnije našao široku primjenu u visokolegiranim i ostalim čeličnim zavarenim konstrukcijama.

1953. god. Ljubovski i Novošilov, istražujući zavarivačke postupke uspje - šno su primjenili kao zaštitni plin CO2 , te su željeli MIG postupak uvesti u masov- nu proizvodnju. Time je nastao CO2 postupak koji je kasnije doživio različite modifikacije. Primjena pulsirajućih struja počinje 1960. godine a korištena je uglavnom kod TIG i MIG/MAG postupaka.

Otkrićem CO2 postupka dolazi do razvoja specijalnih dodatnih materijala sa unutrašnjom mineralnom oblogom, tako da spoljna zaštita nije više neophodna.

Godine 1930. Američka kompanija za cjevovode je razvila postupak za zavarivanje cijevi električnim lukom pod pritiskom. Ova tehnologija je prodana i afirmisana kod firme Linde koja ga je usavršila, tako da je ovaj postupak odigrao važnu ulogu u brodogradnji u drugom svjetskom ratu. Ova tehnologija je danas veoma produktivna i ima široku primjenu.

Na svjetskoj izložbi u Briselu 1958. godine prvi put je prezentiran postu - pak zavarivanja pod elektrošljakom osvojen i razvijen u Institutu Patona.

Postupak je razvijen za debele i srednje debele materijale i doživio je čitav niz modifikacija od kojih je svakako najznačajnija ona iz 1961. god. izvršena od strane ARCOS-a.

Godine 1957. Robert Gage je razvio proces sličan TIG-u gdje je primje - nom plazme postigao mnogo veću konstrukciju topline i temperature u električ - nom luku. Postupak je poznat pod imenom plazma, a naročito efikasan pokazao se za termičko sječenje metala.

Elektronsko zavarivanje, koje kao izvor topline koristi fokusirani snop elektrona u vakumu, te se paralelno razvijao u Njemačkoj i Francuskoj a naročito za potrebe u nuklearnoj industriji. Danas taj postupak ima široku primjenu.

Posljednja riječ zavarivanja je zavarivanje laserom.Za sada cijena opreme limitira njenu primjenu, ali ona je sve eklatantnija.

Danas, svi proizvodi ili su proizvedeni tehnologijom zavarivanja ili opre - mom i postrojenjima koja su zavarena.

Zavarivanje je tehnologija jakih, jer se zavarivanjem pored potrošenih dobara proizvode i proizvodna dobra, čime se nesumnjivo jača reproduktivna moć države. 2. OSNOVNI POJMOVI IZ FIZIKE METALA I KLASIFIKACIJA POSTUPAKA ZAVARIVANJA Metali i njihove legure u čvrstom stanju imaju kristalnu strukturu. U čvo - rovima

prostorno formirane kristalne rešetke smješteni su po određenom rasporedu atomi, koji osciliraju oko svog ravnotežnog položaja.



Porastom temperature atoma povećava se srednja amplituda njihovog oscilovanja. Uzajamni utjecaj atoma određuje rastojanje između čvorova kristalne rešetke.

Na slici 2.1. prikazan je karakter uzajamnog utjecaja dvije pozitivno naele - ktrisane čestice, koje se nalaze u polju pokretnih elektrona.

Kao dvije mase čestice se privlače, ali se isto tako kao dvije pozitivno na- elektrisane čestice odbijaju. Uzajamni utjecaj dva atoma nastao kao rezultat djelo - vanja sile privlačenja Fpr i sile odbijanja Fod , prikazan je punom linijom (rezul - tantna sila u ovisnosti od rastojanja). Parametar kristalne rešetke metala pri određenoj temperaturi, koji za većinu metala iznosi (3-5) 10-8

Slika 2.1. Dejstvo atoma (Ovisnost sila privlaćenja i odbijanja) prema njihovom rastojanju

Za spajanje dva čvrsta tijela neophodno je dovesti atome na površinu spoja na

navedeno rastojanje. To se može postići pritiskom. Približno dovođenje zrna strukture vrši se sa difuzijom i prekristalizacijom spoja.

Svojstva metala na mjestu spoja biće slična svojstvima metala u tačkama izvan spoja, ako se vrši proces difuzije i prekristalizacije.

cm, dat je na slici kao rastojanje (a) i predstavlja ravnotežno rastojanje između atoma.

Slika 2.2. a) Stanje prije obrade b) Dejstvo pritiska c) Struktura poslije difuzije i prekristalizacije Moguće je također prikazati zavisnost temperature i pritiska pri zavariva - nju

čistog željeza iz kojih se vidi da je sa porastom temperature potreban manji



pritisak za izvršenje zavarivanja (sl. 2.2). Veće temperature omogućavaju lakšu difuziju i bržu prekristalizaciju (sl. 2.3.). To znači da veće temperature omogu - ćavaju kvalitetnije zavarivanje.

Slika 2.3. Zavisnost između temperature i pritiska za zavarivanje tehnički čistog željeza

1 - Oblast u kojoj je moguće zavarivanje 2 - Oblast djelimično mogućeg zavarivanja 3 - Oblast zavarivanja pritiskom 4 - Oblast zavarivanja topljenjem

Zavarivanje topljenjem kod metala vrši se na taj način što mu se dva segmenta

postave sučeljno, te se mjesto njihovog dodira rastopi podesnim izvorom topline (sl. 2.4.).

Slika 2.4. Zavarivanje metala topljenjem

a) lokalno rastapanje dijela metala b) kristaliziranje tečnog metala

Pri zavarivanju u fazi topljenja segmenata metala uspostavlja se veza između njih, a osim toga postoji proces difuzije između čvrstog i tečnog, kao i između čvrstog i upravo čvrstog metala. Poslije očvršćavanja se dobija kompletan zavaren spoj bez upotrebe spoljašnjeg pritiska.

Dakle, može se reći da je zavarivanje tehnološki proces dobivanja neraz - dvojenih spojeva, ostvarenih uspostavljanjem međuatomskih veza između eleme - nata uz postojanje difuzije, pri čemu je kod ovih spojeva karakteristika neprekid - nost strukture.

2.1. FIZIKA ELEKTROLUČNOG ZAVARIVANJA Električni luk je jedan od osnovnih izvora topline pri zavarivanju topljenjem.



Slika 2.5. Vrste zavarivačkog luka

Na sl.2.5.a električni luk se uspostavlja između elektrode i osnovnog materijala,

dok se na sl.2.5.b luk uspostavlja između dvije elektrode (nezavistan luk). Na sl.2.5.c je prikazana shema trofaznog luka. Ovdje se luk uspostavlja između dvije elektrode, kao i između osnovnog materijala i svake elektrode i to u ritmu promjena trofazne struje.

Pošto u svakom momentu gori najmanje po jedan luk, to su ovdje uvjeti za jonizaciju pri zavarivanju naizmjeničnom strujom najpovoljniji.

Slika 2.6. Elektrolučno zavarivanje

a) zavarivanje topljivom elektrodom; b) zavarivanje netopljivom elektrodom; 1) osnovni materijal; 2) topljiva elektroda; 3) Volframova elektroda; 4) dodatni materijal. Na sl.2.6.a prikazana je shema elektrolučnog zavarivanja topljivom elektro -

dom, dok je na sl.2.6.b prikazana shema elektrolučnog zavarivanja netopljivom (Volframovom) elektrodom, gdje se dodatni materijal dodaje sa strane.

Za zavarivački luk se upotrebljava istosmjerna ili naizmjenična struja, jednofazna ili višefazna, sa mrežnom ili povećanom učestalošću. Kao izvor naiz –

mjenične struje služi transformator za zavarivanje, dok kao izvor istosmjerne struje služi generator ili ispravljač za zavarivanje pri pravoj polarnosti (minus pol na elektrodi) ili pri obratnoj polarnosti (plus pol na elektrodi).

Zavarivački luk

Zavarivački luk predstavlja vrstu stabilnog električnog pražnjenja kroz gasni

prostor između elektroda. Karakteristika ovakvog pražnjenja su mali napon između elektroda, velika gustina struje i visoke temperature gasa.

Pri zavarivanju istosmjernom strujom elektroda vezana na pozitivan pol izvora struje zove se anoda, a elektroda vezana za negativan pol katoda. Međutim, pri zavarivanju naizmjeničnom strujom polarnost elektroda se u toku vremena mijenja u skladu sa učestanošću naizmjenične struje. Razmak između elektrode i osnovnog materijala nazivamo dužina luka. Pri zavarivanju sa malim strujama (kod ručnog zavarivanja) dužina luka je približno jednaka razmaku između vrha elektrode i površine osnovnog materijala. Međutim, pri zavarivanju sa velikim strujama (kod automatskog zavarivanja pod praškom) dužina luka je jednaka raz - maku između vrha elektrode i površine rastopa na osnovnom materijalu.



Na slici 2.7. data je shema zavarivačkog luka, na kojoj oznake predstavljaju sljedeće:

Ul - napon luka, u V; Uk- katodni pad napona, u V; UA- anodni pad napona, u V; Us

- pad napona u stubu luka, u V; 1- katodna mrlja; 2- katodna oblast; 3- stub luka; 4- anodna oblast; 5- anodna mrlja: l- dužina luka, u mm.

Slika 2.7. Shema zavarivačkog luka

Iz dijagrama pada napona na sl.2.7. proizilazi: Ul=UK + Us + UA

Na površini anode i katode nalaze se anodna i katodna mrlja. To su užareni dijelovi anode i katode kroz koje prolazi sva struja luka. Postojanje užarene katodne mrlje je neophodan uvjet uspostavljanja i održavanja zavarivačkog luka. U normalnim uvjetima gasovi se sastoje iz neutralnih atoma i molekula, ne sadrže slobodne elektrone i ne posjeduju električnu provodnost tj. izolatori su. Da bi neki gas postao provodnik električne struje neophodno je da se u njemu nalaze slobodni elektroni i joni. Atom iz koga se izdvojio elektron (ima manjak elektrona) postaje pozitivan jon, dok atom koji ima višak elektrona postaje negativan jon. Kretanje elektrona i pozitivnih i negativnih jona nazivamo električnom strujom. Proces obrazovanja jona iz atoma i molekula gasa zove se jonizacija. Emisijom elektrona sa površine katode se vrši jonizacija gasa u prostoru između elektroda.

Emisija elektrona sa površine katode se vrši pod utjecajem sljedećih faktora: Termoelektronska emisija nastaje usljed sposobnosti užarene katodne mrlje da

emituje elektrone. Kod teško topljivih materijala, kao što su volfram i grafit, termoelektronska emisija igra važnu ulogu, dok je kod elektroda od željeza ta uloga znatno manja.



Autoelektronska emisija nastaje pod utjecajem spoljnjeg električnog polja, koje izaziva emisiju elektrona sa površine katode. Električno polje stvara izvor struje za zavarivanje. Značaj autoelektronske emisije opada sa porastom temperature, pa je ova emisija primarna kod nižih temperatura katode.

Emisija elektrona kao rezultat udara jona u katodu. Zbog udaranja pozitivnih jona u katodu dolazi do izbacivanja elektrona sa katode. Odnos broja izbačenih elektrona prema broju jona iznosi od 0.3 do 1. Potencijalna i kinetička energija pozitivnih jona se, usljed udara u katodu, pretvara u toplinu povećavajući brzinu topljenja elektrode.

Jonizacija gasa u luku. Da bi se elektron odvojio od atoma, pri čemu se dobija slobodan elektron i pozitivan jon, potrebno je utrošiti izvjesnu količinu energije, koja se zove potencijal jonizacije (brojčano je izražen u voltima). Za svaki elemenat je potrebna određena energija za njegovu jonizaciju. Veličina potencijala jonizacije za neke elemente je data u narednoj tablici.

Tabela 2.1. Elemenat K Na Ca Fe C H O2 N2 2 Potencijal jonizacije

(V) 4.3 5.11 6.11 7.83 11.22 13.5 13.6 14.5

Ukoliko je niži potencijal jonizacije nekog elementa, utoliko je njegov utjecaj povoljniji na stabilnost zavarivačkog luka.

Početna jonizacija se vrši energijom dobijenom kao rezultat neelastičnog sudaranja atoma i molekula gasa koji se nalazi u prostoru između elektroda i elektrona emitovanih sa površine katode. Takva jonizacija gasa se vrši prema shemi:

usporenbrzi eAAe 20 ++ +←→

gdje je: ebrzi - brzi elektron (emitovan sa katode i ubrzan električnim poljem);

A0 i A+ - neutralni atom gasa i pozitivni jon; 2eusporen - usporen elektron.

Dopunska jonizacija gasa u prostoru između elektroda vrši se usljed termičke jonizacije i jonizacije zračenjem.

Termička jonizacija postaje značajna tek kod 17500C. Njena suština se sastoji u tome da kod povišenih temperatura raste broj sudaranja elektrona sa atomima i molekulama gasa i na taj način se povećava mogućnost obrazovanja jona.

Jonizacija zračenjem (fotojonizacija) se sastoji u sposobnosti ultraljubi - častih zrakova da jonizuju gasove sa malim potencijalom jonizacije.

Stepen jonizacije gasa predstavlja odnos broja jonizovanih prema broju neutralnih čestica. Pri atmosferskom pritisku stupanj jonizacije se mijenja sa temperaturom i potencijalom jonizacije, odnosno vrstom materije (Sl.2.8.).



Slika 2.8. Zavisnost između temperature gasa u stubu luka i stupnja jonizacije

za razne materije x- stupanj jonizacije Uspostavljanje zavarivačkog luka pri zavarivanju topljivom elektrodom vrši se na

taj način što se sa elektrodom dodirne osnovni materijal. Struja kratkog spoja trenutno rastapa vrh elektrode i osnovni materijal na mjestu dodira, na kome se obrazuje tečni sloj. Kod odmicanja elektrode tečni sloj se rasteže i isparava poslije čega se uspostavlja električni luk.

Pri zavarivanju netopljivom elektrodom odvija se isti proces sa tom razlikom što se tečni sloj obrazuje samo na osnovnom materijalu. Uspostavljanje luka pri zavarivanju netopljivom elektrodom može se izvršiti i bez dodira elektrode sa osnovnim materijalom. To se vrši na taj način što se jonizacija započinje probijanjem gasnog prostora između elektrode i osnovnog materijala upotrebom oscilatora, koji predstavlja izvor moćne naizmjenične struje napona 2000-3000 volti i učestalosti 100-300 kHz.

Zavarivački luk se poslije uspostavljanja održava između vrha elektrode i rastopa osnovnog materijala. Pod utjecajem mehaničkih i elektromagnetnih sila, koje stvara luk, na površini rastopa na osnovnom materijalu se pojavljuje udub - ljenje (krater). Razmak između vrha elektrode i osnovnog materijala se dijeli na katodnu oblast, anodnu oblast i stub luka.

Katodna oblast jeste područje luka oko katode čija je dimenzija reda 10-4 - 10-5

cm, što odgovara dužini slobodnog pređenog puta elektrona u gasu koji se nalazi oko katode. Emisija elektrona se vrši sa površine na vrh katode, koja se zove katodna mrlja. Gustina struje na katodnoj mrlji je veoma velika. Poslije odvajanja sa katodne mrlje a pod utjecajem snažnog električnog polja elektroni dobijaju brzinu dovoljnu da se izvrši jonizacija. Pozitivni joni pod utjecajem električnog polja svoje kretanje usmjeravaju prema katodi i udarajući u nju predaju joj svoju energiju, održavajući na taj način visoku temperaturu katodne mrlje. Prema tome, u katodnoj oblasti imamo struju elektrona i pozitivnih jona. U blizini katode je koncentracija jona znatno veća od koncetracije elektrona, zbog velike razlike u njihovoj brzini kretanja.

Anodna oblast ima veličinu reda od 10-3-10-4 cm. U njoj imamo praktično samo struju elektrona, jer je struja jona veoma mala.



Stub luka čini najveći dio dužine luka. Atmosfera stuba luka se sastoji iz elektrona, pozitivnih jona i neutralnih atoma. Zbog odvođenja topline u okolnu sredinu, temperatura u stubu luka je najveća u osi luka.

Valovi stabilnog gorenja zavarivačkog luka. Da bi se dobio kvalitetno zavareni spoj neophodno je da zavarivački luk stabilno gori pri zadanoj struji zavarivanja i napona luka. Na stabilnost gorenja zavarivačkog luka utiču :

− režim zavarivanja, vrsta struje, karakter prenosa metala sa elektrode na osnovni materijal, sastav i svojstva atmosfere luka i spoljna karakteristika izvora struje.

Struja i napon zavarivačkog luka nalaze se u međusobnoj zavisnosti. Na sl.2.9.a prikazana je zavisnost napona od struje u luku. Ovako dobivena zavisnost zove se statička karakteristika luka. Krivom 1 na sl.2.9.a prikazana je statička karakteristika luka pri konstantnoj dužini luka l1. Pri smanjivanju dužine luka na vrijednost l2, kriva karakteristike luka će se pomjeriti prema donjem dijelu dijag - rama (kriva 2), dok će se pri povećanju dužine luka na vrijednost l3

Slika 2.9. Statička karakteristika luka i spoljna karakteristika izvora struje

a - statička karakteristika luka; b - spoljna karakteristika izvora struje;

pomjeriti prema gornjem dijelu dijagrama (kriva 3).Prečnik elektrode i ostali uvjeti su isti za sve tri dužine luka.

Na sl.2.9.b prikazana je zavisnost napona od struje kod zavarivačkih izvora struje.



c - sistem luka - izvor struje; Ul - napon luka; Il - struja luka; Ik

Pri promjeni prečnika elektrode uz konstantnu dužinu luka, statička karakteristika luka će imati izgled prema slici 2.10.

- struja kratkog spoja. Ovako dobivena zavisnost zove se spoljna karakteristika izvora struje. Pri

ručnom zavarivanju obloženom elektrodom, automatskom zavarivanju pod praš - kom sa regulacijom brzine dodavanja elektrodne žice prema naponu luka i ručnom zavarivanju netopljivom elektrodom u zaštiti argona koristi se strmo padajuća spoljna karakteristika izvora struje (kriva 4 na sl.2.9.b.). Za lahko uspostavljanje i stabilno održavanje luka napon praznog hoda izvora struje Uo treba da iznosi 55-75 V za ručno zavarivanje pri radnom naponu od 30 V, a 60-80 V za automatsko zavarivanje pod praškom pri radnom naponu od 30-40 V. Pri automatskom zavarivanju pod praškom sa konstantnom brzinom dodavanja elektrodne žice i automatskog zavarivanja topljivom elektrodom u zaštiti argona i ugljendioksida koristi se horizontalna (kriva 5.) ili rastuća (kriva 6) spoljna karakteristika izvora struje. Napon praznog hoda izvora struje Uo kod krivih 5 i 6 bio bi jednak odnosno manji od radnog napona (napona luka), što bi praktično onemogućilo uspostav - ljanje luka u početku zavarivanja.

Na slici 2.9.c prikazan je sistem luk - izvor struje. Da bi luk mogao da se stabilizuje, radne tačke sistema moraju se nalaziti u presjecima karakteristika luka i izvora struje. U presjecima krivih na lijevom dijelu dijagrama (tacke A, C i D) nije moguće stabilno gorenje luka zbog suviše malih struja zavarivanja. Zavarivanje se izvodi u radnim tačkama B i E na desnom dijelu dijagrama, pošto vrijednosti struje u luku (struje zavarivanja) omogućavaju stabilno gorenje luka.

Slika 2.10. Statička karakteristika luka na vazduhu između čeličnih elektroda i ploče

Upotreba naizmjenične struje pri elektrolučnom zavarivanju utiče na električne i

toplinske procese u luku, kao i na njegovu stabilnost. Naime, kod zavarivačkog luka naizmjenične struje dolazi do periodične promjene polarnosti elektrode i osnovnog materijala (sl.2.11.). Pri svakom prolasku struje kroz nulu i promjene polarnosti luk se gasi, što dovodi do pada temperature gasa u stubu luka i njegove dejonizacije, kao i do pada temperature anode i katodne mrlje.

Da bi se luk mogao ponovo uspostaviti poslije svakog prolaska struje kroz nulu, na krivoj napona luka se nalaze vrhovi napona koji to omogućavaju. Iz navedenog proizilazi da naizmjenična struja za zavarivanje ima mnoge prednosti kao što su: jednostavnost uređaja za zavarivanje i praktično odsustvo utjecaja magnetnog polja i feromagnetnih masa na skretanje luka.



Slika 2.11. Promjena struje zavarivanja i napona luka kod naizmjenične struje

Prenos metala u luku pri zavarivanju topljivom elektrodom vrši se kapima tečnog

metala. Pri zavarivanju sa kratkim lukom prenos metala u luku vrši se prema slici 2.12. Pod utjecajem topline luka na vrhu elektrode se obrazuje kap tečnog metala, koja se izvjesno vrijeme ne odvaja od elektrode pod utjecajem sila površinskog napona (pozicija 1 i 2 na sl.2.12.). Sa povećanjem veličine kapi utjecaj sile teže i drugih sila raste što dovodi do njenog približavanja rastopu osnovnog materijala (pozicija 3). Usljed djelovanja sila površinskog napona, kap se pri dodiru sa rastopom odvaja od vrha elektrode (pozicija 4). Kap je u jednom trenutku prije odvajanja izdužujući se kratko spojila elektrodu i rastop. Poslije prelaska kapi u rastop luk se ponovo uspostavlja (pozicija 5).

Prenos metala u luku pri zavarivanju u zaštiti ugljendioksida vrši se prema sl.2.12. Međutim, ukoliko gustina struje zavarivanja prelazi kritičnu vrijednost, tada se prenos metala vrši u vidu krupnih kapi tečnog metala.

Prenos metala u luku pri zavarivanju tankih limova u zaštiti argona vrši se prema slici 2.12. U ostalim slučajevima prenos metala se vrši u vidu krupnih kapi, odnosno u vidu mlaza sitnih kapi ukoliko gustina struje zavarivanja prelazi kritičnu vrijednost.

Prenos metala u luku u vidu sitnih kapi tečnog metala vrši se pri zavarivanju sa debelo obloženim elektrodama i pri zavarivanju pod praškom. Ovdje je većina kapi obložena opnom od rastopljene obloge, odnosno praška.

Slika 2.12. Prenos metala u luku u vidu sitnih kapi

Pri zavarivanju sa debelo obloženim elektrodama (Sl.2.13), pod

utjecajem topline luka topi se metalno jezgro elektrode i obloga (obloga nešto sporije od jezgra). Topljenje obloge je intenzivnije u unutrašnjem dijelu, zbog čega se na vrhu elektrode obrazuje znatna količina gasova koji se kreću u vidu mlaza u pravcu rastopa osnovnog materijala. Ovaj mlaz, stvarajući pojavu duhanja luka, odbacuje kapi metala prema rastopu. Opna od rastopljene obloge ili praška, koja se nalazi oko većine kapi tečnog metala, štiti metal od utjecaja kiseonika i azota iz okolnog vazduha.

Na proces prenosa metala u luku utiču i slijedeći faktori: u toku zavari - vanja se na vrhu elektrode stvara znatna količina gasova (CO, CO2, H2 i dr.). Sa povećanjem temperature ovi gasovi se naglo šire odbacujući kap tečnog metala sa vrha elektrode. Pri tome se jedan dio metala gubi prštanjem a drugi dio se odbacuje u rastop pod utjecajem električnog polja i duhanja luka.



Gustina struje u elektrodi je veća nego u osnovnom materijalu što dovodi do obrazovanja većeg napona električnog polja u zoni elektrode. Zbog toga se pojavljuje uzdužna sila koja utiče na kretanje rastopljenog metala od elektrode prema rastopu osnovnog materijala.

Prijenos metala u luku u vidu kapi može se pratiti pomoću oscilograma (sl.2.13.).

Slika 2.13. Oscilogrami struje i napona luka

a - pri ručnom zavarivanju tanko obloženom elektrodom (u vidu krupnih kapi); b - pri zavarivanju pod praškom (u vidu sitnih kapi). Sopstveno magnetno polje stvoreno istosmjernom strujom, pri zavarivanju vrši

skretanje luka u zavisnosti od mjesta vezivanja osnovnog materijala za izvor struje (sl.2.14.). Skretanje luka postaje znatno pri zavarivanju istosmjernom strujom iznad 300 A. Pri ručnom zavarivanju skretanje luka se može smanjiti ako se elektroda nagne na istu stranu na koju skreće luk.

Slika 2.14. Utjecaj sopstvenog magnetnog polja na skretanje zavarivačkog luka

Pri zavarivanju u blizini feromagnetnih masa što dovodi do skretanja luka prema

tim masama (sl.2.15). Pri zavarivanju naizmjeničnom strujom skretanje luka je znatno manje nego pri zavarivanju istosmjernom strujom, zbog stvaranja promjenjivog magnetnog polja.



Slika 2.15. Utjecaj feromagnetnih masa na skretanje luka

a - pri zavarivanju ugaonog šava; b - pri zavarivanju V-šava; c - utjecaj ivice lima na skretanje luka. Zavarivački luk kao izvor topline. Zavarivački luk predstavlja koncentri - sani

izvor topline u kome se električna energija pretvara u toplinsku. Izdvajanje topline se vrši na anodnoj i katodnoj mrlji i na cijeloj dužini luka. Najveća toplina se izdvaja na sredini anodne i katodne mrlje, dok se prema krajevima smanjuje prema sljedećem zakonu:

2

maxkr

r eqq −⋅=

gdje je: qr- specifični toplinski fluks na rastojanju r od centra izvora topline, u W/cm2 ; qmax- najveći specifični toplinski fluks u centru izvora topline, u W/cm2; k- koeficijent koncetracije toplinskog fluksa, u cm-2

Slika 2.16. Raspodjela topline dovedene na površinu osnovnog materijala

a - pri zavarivanju ugljenom elektrodom (I

; r- rastojanje od ose izvora topline u cm. Na sl.2.16. je prikazana raspodjela topline dovedene na površinu osnovnog

materijala različitim postupcima zavarivanja (Gausove krive prema jednadžbi). Iz sl.2.16. se vidi da je toplinski fluks znatno veći kod zavarivanja pod praškom nego kod ručnog zavarivanja.

z=900 A ; Ul=36 V; k=1,1); b - pri zavarivanju obloženom elektrodom (Iz=1100 A; Ul=37,5 V ; k =1,26); c - pri zavarivanju pod praškom (Iz=900 A ; Ul=37 V; k=6); qr - specifični toplinski fluks, u W/cm2.

Ukupna toplinska moć

ZIUq ⋅= 11

zavarivačkog luka predstavlja količinu topline koja se izdvoji u luku u jedinici vremena :

(W)

gdje je: Ul - napon luka, u V



Iz

efZ nIUq ⋅⋅= 1

- struja zavarivanja ,u A. Jedan dio ukupne toplinske moći luka se troši na zagrijavanje i topljenje

osnovnog i dodatnog materijala, dok se drugi dio troši na odvođenje topline u okolnu sredinu i na gubitke usljed isparavanja i prštanja tečnog metala. Dio ukupne toplinske moći luka koji se troši na zagrijavanje i topljenje osnovnog i dodatnog materijala, zove se efektivna toplinska moć zavarivačkog luka i iznosi:

gdje je: nef -efektivni koeficijent korisnog dejstva zavarivačkog luka;

q = q1 ⋅ nef

Vrijednost koeficijenata nef

− Zavarivanje netopljivom elektrodom u zaštiti argona: n

za razne postupke zavarivanja:

ef

− Zavarivanje topljivom elektrodom u zaštiti ugljendioksida: n = 0.50 -0.60

ef

− Zavarivanje topljivom elektrodom u zaštiti argona: n = 0.58 -0.72

ef

− Zavarivanje topljivom elektrodom sa debelom oblogom: n = 0.70 -0.80

ef

− Zavarivanje pod praškom: n = 0.70 -0.85

ef

Toplinski bilans zavarivačkog luka prikazuje raspodjelu ukupne toplinske moći na zagrijavanje i topljenje osnovnog i dodatnog materijala i na razne gubitke. Na slici 2.17. je prikazan toplinski bilans zavarivačkog luka za dva postupka zavarivanja. Iz navedenih podataka se vidi da se toplina izdvojena u luku najraci - onalnije koristi pri automatskom zavarivanju pod praškom.

= 0.80 -0.95

Slika 2.17 Toplinski bilans zavarivačkog luka

a - Za ručno zavarivanje obloženom elektrodom; b - Za automatsko zavarivanje pod praškom.

2.2. KLASIFIKACIJA POSTUPKA ZAVARIVANJA



Zavarivački postupci se mogu dijeliti na nekoliko grupa, zavisno od toga šta se uzima kao osnova podjele. Najčešća podijela je prema vrsti energije koja se koristi pri zavarivanju i prema stanju metala u području spoja u trenutku zavarivanja.

Podjela postupka prema vrsti energije

Pri zavarivanju kod topljenja metala učestvuje nekoliko vrsta energije, a koja je

energija dominantna u procesu topljenja, zavarivanje nosi naziv prema toj vrsti energije. Tako postoje grupe postupaka prema sljedećim energijama:

1. Mehanička energija (npr. hladno zavarivanje, zavarivanje trenjem). 2. Hemijska energija(npr. gasno zavarivanje, aluminotermijsko zavarivanje). 3. Električna energija (npr. elektrolučno zavarivanje, zavarivanje pod troskom). 4. Elektromehanička energija (npr.zavarivanje električnim otporom). 5. Hemijsko mehanička energija (npr. kovačko zavarivanje, gasno zavarivanje

pritiskom itd.). Podjela postupaka zavarivanja prema stanju metala

U području spoja, prema stanju metala prilikom zavarivanja, postupci zavarivanja

se dijele na slijedeće grupe: A) Zavarivanje pritiskom koje može biti :

1. Gasno zavarivanje pritiskom 2. Zavarivanje električnim otporom :

a) sučeljno zavarivanje (pritiskom i razmicanjem) b) preklopno zavarivanje (točkasto, bradavičasto i šavno)

3. Zavarivanje indukciono 4. Zavarivanje trenjem 5. Koračno zavarivanje 6. Hladno zavarivanje 7. Zavarivanje ultrazvukom 8. Zavarivanje difuzijom 9. Aluminotermijsko zavarivanje pritiskom.

B) Zavarivanje topljenjem 1. Gasno zavarivanje 2. Elektrolučno zavarivanje:

a) zavarivanje obloženom elektrodom b) zavarivanje položenom elektrodom c) gravitaciono zavarivanje d) zavarivanje pod praškom e) zavarivanje u zaštitnom gasu f) zavarivanje ugljenom elektrodom

3. Zavarivanje pod troskom 4. Aluminotermijsko zavarivanje topljenjem 5. Livačko zavarivanje 6. Zavarivanje elektronskim snopom 7. Zavarivanje plazmom 8. Zavarivanje laserom.



Pri zavarivanju pritiskom je potrebna primjena velikog pritiska sa odgova - rajućim uređajima. To ograničava veličinu dijelova koji se zavaruju.

Pri zavarivanju topljenjem je potreban samo dovoljno jak izvor topline. Uređaj za zavarivanje se kreće po objektu koji se zavaruje , pa je moguće zavariti i veoma velike konstrukcije. Zbog toga se postupci zavarivanja topljenjem masovno koriste za izradu metalnih konstrukcija, koje mogu imati praktično neograničene dimenzije.

3. TOPLINSKI PROCESI PRI ZAVARIVANJU Većina postupaka zavarivanja se zasniva na zagrijavanju materijala do plastičnog

stanja ili do topljenja. Pri tome dolazi do promjene stanja i svojstava materijala koji se zavaruje. Naime, zagrijavanje i hlađenje izaziva u materijalu topljenje, kristalizaciju, strukturne promjene, pojavu sopstvinih napona i deformacija. Da bi se mogle predvidjeti navedene promjene potrebno je poznavati temperaturu materijala koji se zavaruje i njene promjene u toku vremena.

3.1. TOPLINSKI OSNOVI

Sheme zagrijavanog tijela pri zavarivanju. Prostiranje topline zavisi od oblika i

dimenzija tijela. Kod zavarivanja elementi mogu biti vrlo složenog oblika, što proračune o prostiranju topline čini veoma otežanim. Zbog toga se kod proračuna koriste računske sheme zagrijavanog tijela (sl.3.1.).

Beskonačno tijelo (sl.3.1.a) ima tako velike dimenzije u pravcu osa xx, yy i zz da nijedna njegova površina ne utječe na prostiranje topline u njemu. Izvor topline se nalazi u tački 0. Ova shema se koristi samo kod teorijskih razmatranja

Polubeskonačno tijelo (sl.3.1.b) ima samo jednu graničnu površinu z=0 na kojoj djeluje izvor topline. Ostale površine ne utječu na prostiranje topline u tijelu jer se nalaze na znatnoj udaljenosti od izvora topline. Ova shema se koristi pri navarivanju na površinu masivnog tijela ili debele ploče.

Ploča srednje debljine jeste tijelo ograničeno paralelnim ravnima z=0 i z=d (sl.3.1.c). Ravan z=d utječe na prostiranje topline u tijelu. Ova shema se koristi pri navarivanju na ploču srednje debljine.

Tanka ploča ima malu debljinu d (sl.3.1.d). Ovdje se temperatura po debljini ploče može smatrati praktično izjednačenom. Ova shema se koristi kod sučeonog zavarivanja dvije tanke ploče sa potpunim provarivanjem (u jednom prolazu zavarivanja) po čitavoj njihovoj debljini.

Štap (sl.3.1.e) jeste tijelo cilindričnog oblika kod koga se smatra da je temperatura na poprečnim presjecima ravnomjerna. Ova shema se koristi pri suče - ljenom zavarivanju električnim otporom.



Slika 3.1. Računske sheme zagrijavanog tijela

a - beskonačno tijelo ; b - polubeskonačno tijelo (masivno tijelo ili debela ploča); c - ploča srednje debljine ; d - tanka ploča ; e - štap.

Toplinskofizičke karakteristike metala. Kod toplinskih proračuna javljaju se slije -

deće toplinskofizičke karakteristike metala : Količina topline Q, sadržana u tijelu ili dobijena od izvora topline, u J. Toplina q, dobijena od izvora topline, u W. Specificna toplina c, u J/kgK. Koeficijent provođenja topline λ , u W/m K. Zapreminski toplinski kapacitet cρ, u J/m3K . Koeficijent temperaturne provodljivosti a= λ / cρ, u m2/s. Koeficijent površinskog odavanja topline (zračenjem i konvekcijom) α ,u

W/m2K. U narednoj tablici date su numeričke vrijednosti navedenih toplinskofizi - čkih

karakteristika za razne metale u zavisnosti od karakterističnih srednjih tempe - ratura.



Tablica 3.1

Metal Tsr (o

λ (W/cmK) C)

cρ (J/cm3

a (cmK) 2/s)

Niskougljični i niskolegirani čelik 500 - 600 0.38 - 0.42 4.9 - 5.2 0.075 - 0.09 Nehrđajući austenitni Cr-Ni čelik 600 0.25 - 0.33 4.7 - 4.8 0.053 - 0.07 Bakar 400 3.7 - 3.8 3.85 - 4.0 0.95 - 0,96 Mesing 350 - 400 1.17 3.45 0.34 Aliminij 300 2.7 2.7 1.0 Tehnički titan 700 0.17 2.8 0.06

Temperaturu neke tačke tijela pri zavarivanju moguće je izračunati pod uslovom

da je u svakom momentu zadovoljena diferencijalna jednadžba provođe - nja topline, koja je data u slijedećem obliku:

∂∂

λρ

∂∂

∂∂

∂∂

Tt c

Tx

Ty

Tz

a T= + +

= ∇

2

2

2

2

2

22

gdje je: ∇2

a) prema vrsti raspodjele: koncentrisan i raspodjeljen (po nekom zakonu) izvor topline;

T - Laplasov operator; a = α /c ρ - koeficijent temparaturske provodljivosti.

Osim toga, potrebno je poznavati početnu temperaturu tijela i uvjete prenosa topline sa granica tijela u okolnu sredinu.

3.2. IZVORI TOPLINE PRI ZAVARIVANJU

Zagrijavanje tijela pri zavarivanju možemo vršiti različitim izvorima topline, koje

dijelimo:

b) prema dužini djelovanja: trenutnog i neprekidnog djelovanja; c) prema položaju u odnosu na neku tačku u toku vremena: nepokretan, pokretan i

brzopokretan izvor topline. 3.2.1. Trenutni nepokretni izvori topline Trenutni tačkasti izvor topline postoji u slučaju kada se u vrlo malu zapreminu

tijela za veoma mali vremenski interval dovede izvjesna količina topline Q. U sljedećem momentu toplina će se raširiti po tijelu na osnovu diferencijalne jednadžbe provođenja topline. Ako navedene uvjete uzmemo u obzir pri rješavanju jednadžbe , onda će proces provođenja topline u beskonačnom tijelu sl.3.1.a. biti izražen sljedećom jednadžbom (prema N.N.Rikalinu)

)]4()[(

23

2

)4(aRe

atc

QT −⋅=πρ



T - temperatura posmatrane tačke sa kordinatama x, y, z, u 0C t - vrijeme mjereno od trenutka dovođenja topline, u s; R = (x2+y2+z2 )1/2

∞

- rastojanje od posmatrane tačke do početka koordinatnog sistema gdje je bila dovedena toplina Q, u cm, a - karakteristike temperaturne provodljivosti.

Pri t=0 u svim tačkama gdje R≠0 imamo d a je T=0. U tački R=0 p ri t=0 temperatura T → .

U ovom slučaju izoterme imaju oblik površine lopte sa centrom u tački 0, a najviša temperatura je uvijek u toj tački.

Za proces provođenja topline u polubeskonačnom tijelu (sl.3.2.a) vrijedi sve što je rečeno za beskonačno tijelo, samo se u jednačini umjesto Q stavlja 2Q. To je zbog toga što se toplina kod polubeskonačnog tijela prostire samo na jednu stranu od ravni x0y, uz pretpostavku da nema odvođenja topline u okolnu sredinu sa te ravni (jer je mala u odnosu na toplinu koja se odvodi u dubinu tijela, pa se može zanemariti).

Tada će za polubeskonačno tijelo jednadžba dobiti sljedeći oblik:

)]4()[(

23

2

)4(

2 atReatc

QT −⋅=πρ

U ovom slučaju izoterme imaju oblik površine polulopte sa centrom u tački 0.

Slika 3.2.

Oblici izotermi a - polubeskonacno tijelo (debela ploča); b - tanka ploča; c - štap.

Trenutni linijski izvor topline predstavlja niz trenutnih tačkastih izvora topline,

razmještenih po nekoj liniji, koja djeluje istovremeno (slika 3.2.b, debela linija 00´). Temperaturno polje kod tanke ploče od trenutskog linijskog izvora topline (pod predpostavkom da nema odvođenja topline sa površina z=0 i z=d) dobija se



putem integriranja temperaturnih polja od trenutnih tačkastih izvora topline, što je izraženao sljedećom jednadžbom:

−⋅= atr

eatdc

QT 42

4πρ

gdje je: r = (x2+y2)1/2

( )[ ]btatreatdc

QT +−⋅=42

4πρ

- rastojanje posmatrane tačke od izvora topline; d - debljina ploče.

U ovom slučaju izoterme imaju oblik cilindara sa zajedničkom osom 0z. Međutim, ako se odvođenje topline u okolnu sredinu ne može zanemariti (što je

obično kod tankih ploča) onda jednadžba dobija sljedeći oblik:

gdje je:

b = 2α / cqd - koeficijent, koji uzima u obzir brzinu pada temperature zbog

površinskog odvajanja topline u okolnu sredinu. Koeficijent 2 ukazuje na to da se toplina odvodi sa dvije površine ploče : z=0 i

z=d. Trenutni površinski izvor topline predstavlja niz trenutnih tačkastih izvora

topline, razmještenih po nekoj površini, koji djeluju istovremeno (sl.3.2.c, šrafirana površina). Temparaturno polje od trenutnog površinskog izvora topline u štapu (pod predpostavkom da nema odvođenja topline sa površine štapa u okolnu sredinu) dato je jednadžbom:

)]4()[(21

2

)4(atxe

atAcQT −⋅=πρ

gdje je: x - rastojanje posmatranog presjeka od presjeka u kome se dovodi

toplina, A - površina poprečnog presjeka štapa.

U ovom slučaju temparaturno polje je linijsko, pošto temperatura zavisi samo od rastojanja x i vremena t.

Ukoliko je odvođenje topline sa površine štapa u okolnu sredinu znatno, to će temperatura na poprečnom presjeku štapa biti neravnomjerna. Tada ćemo imati:

( ))()4()(

21

2

)4(btatxe

atAcQT +−⋅=πρ

gdje je: b = α.O/cqA O - obim poprečnog presjeka štapa.



3.2.2. Pokretni izvori topline neprekidnog dejstva Određivanje jednadžbe temperaturnog polja kod prostiranja topline od pokretnog

izvora topline konstantne snage vrši se po principu superpozicije. Naime, čitav period dejstva izvora topline se dijeli na beskonačno male odsječke vremena dt. Dejstvo izvora topline u toku vremena dt predstavlja se kao dejstvo trenutnog izvora topline. Integriranjem se dobija tražena jednadžba temperaturnog polja. Na osnovu iznešenog biti će razmotreno nekoliko karakterističnih primjera pokretnih izvora topline.

Pokretni tačkasti izvor topline na površini polubeskonačnog tijela. Neka se tačkasti izvor topline konstantne snage q kreće konstantnom brzinom v pravo - linijski po osi x počev od tačke 0o (3.3.a).

Slika 3.3.

Shema kretanja izvora topline neprekidnog dejstva a - tačkasti izvor topline na površini polubeskonačnog tijela; b - linijski izvor topline u tankoj ploči; c - površinski izvor topline u štapu.

Koordinatni sistem se nalazi u tački 0 i kreće se zajedno sa izvorom topline koji

je u tu tačku stigao poslije vremena th. Da bi smo odredili temperaturu u tački A (x,y,z), moramo odrediti promjenu temperature u toj tački od trenutnog izvora topline, koji je djelovao u tački 0´ u toku vremena dt. Od momenta dovođenja topline u tačku 0´ prošlo je vrijeme t. Ako u jednadžbu stavimo da je Q = qdt a rastojanje R=0´A =((x+vt)2 +y2+z2)1/2

23

)]4()))(())(())(([(

)4(2

atcedtqdT

atzzyyvtxvtx

πρ

++++−⋅⋅=

, to ćemo dobiti sljedeće:

Smatraćemo promjenu temperature od svih elementarnih izvora topline na liniji 0o0, vršeći integriranje u vremenskom području od 0 do th:



( ) ( ) ( )[ ]

23

23

0

)4())(()4())((2

)4(

)]()[(21

ac

tdteeqT

tatRRatvvavx

πρ

⋅⋅⋅

=∫

−−−

gdje je: R2=x2+y2+z2

Jednadžba definiše temperaturno polje u polubeskonačnom tijelu u počet - nom periodu zagrijavanja, tj. kada se temperatura pojedinih tačaka tijela nepre - kidno povećava. Poslije izvjesnog vremena od početka dovođenja topline, dostiže se tzv. granično stanje, kada temperatura tačaka u odnosu na pokretni koordinatni sistem prestaje da se mijenja u toku vremena. Ovo stanje se postiže pri th ∞→ , pa ga nazivamo kvazistacionarno stanje.

Za granično stanje jednadžba poslije integriranja dobija oblik:

[ ]R

eqTaxRv

gs πλ2

)2()]([ +−⋅=

Temperaturno polje graničnog stanja za polubeskonačno tijelo u slučaju pokretnog tačkastog izvora topline prikazano je na slici 3.4.

Pokretni linijski izvor topline u tankoj ploči. Na sl 3.3.b prikazan je linijski izvor topline snage q, ravnomjerno raspodijeljen po debljini tanke ploče koji se kreće konstantnom brzinom v. Površine ploče z=0 i z=d odaju toplinu u okolnu sredinu.

Jednadžbu, koja definiše temperaturno polje u tankoj ploči, dobiti ćemo analogno kao kod tačkastog izvora topline na površini polubeskonačnog tijela. Promjena temperature u tački A od trenutnog izvora topline, koji djeluje u tački 0′, na osnovu jednadžbe i sl.3.3b

23

)()4()])(())(([

)4( atcqedtqdT

btatyyvtxvtx

π

−+++−⋅⋅=

iznosi:

Poslije integriranja od 0 do th

Tq e e dt t

d

vx a v v t a b t R R atth

=

⋅ ⋅ ⋅

− − + −∫( ) [ ( )( ) ( )] ( )( ) ( ) ( / )2 4 4

0

4πλ

dobijamo sljedeću jednadžbu:

gdje je: r2=x2+y2



Slika 3.4.

Temperaturno polje graničnog stanja pri kretanju tačkastog izvora topline po površini polubeskonačnog tijela (debele ploče iz niskougljičnog čelika).

Režim zavarivanja: q=4,2 kW; v=0,1 cm/s a) izoterme na površini x0y (isprekidana linija označava tačke sa

maksimalnim temperaturama); b) izoterme na poprečnom presjeku kroz tačku 0 (u ravni y0z); c) promjena temperature po pravama paralelnim osi x na površini

polubeskonačnog tijela; d) promjena temperature po pravama paralelnim osi y u poprečnom

presjeku y0z; e) šema položaja koordinatnih osa.

Jednadžba definira temperaturno polje u tankoj ploči u periodu zagrijava - nja, dok za granično stanje dobija oblik:

Tq e K r v a b a

dgs

vx a

=⋅ ⋅ +−[ ] [( ) ( )] ( )2

02 2 1 24

2πλ

gdje je: K0r[(v2/4a2)+(b/a)]1/2=Ko(u) - Beselova funkcija imaginarnog argumenta

druge vrste nultog reda. b=2α/cρd.

Pri zagrijavanju tanke ploče linijskim izvorom topline smatra se da se temperatura po njenoj debljini ne mijenja. Na slici 3.5 prikazano je temperaturno polje graničnog stanja kod tanke ploče.



Slika 3.5.

Temperatursko polje graničnog stanja pri kretanju linijskog izvora topline u tankoj ploči iz niskougljičnog čelika debljine 1 cm.

Režim zavarivanja : q=4,2 kW; v=0,1 cm/s. a) shema položaja koordinatnih osa; b) izoterme na površini ploče (isprekidana linija označava tačke sa

maksimalnim temperaturama); c) promjena temperature u produžecima paralelnim osi x; d) promjena temperature u presjecima paralelnim osi y.

Pokretni površinski izvor topline u štapu. Na sl.3.3.c je prikazan površinski izvor

topline snage q, ravnomjerno raspodjeljen po poprečnom presjeku štapa A, koji se kreće konstantnom brzinom v u pravcu ose štapa. Površina štapa odaje toplinu u okolnu sredinu. Promjena temperature u tački A od trenutnog površin - skog izvora topline, koji je djelovao na tački 0´ iznosi:

21

)()4()])([(

)4( atcpAedtqdT

btatvtxvtx

π

−++−⋅⋅=

Integriranjem promjene temperature od svih trenutnih izvora topline u granicama od 0 do th

d

tdteeqT

htatRRtbatvvavx

πλ4

)/(0

)4())((])4())(([)2(

⋅⋅⋅

=∫ −+−−

dobijamo:

Jednadžba važi za period porasta temperature u štapu. U slučaju graničnog stanja jednadžb

[ ]

])()4()([2 22

)()4)(4()(()2()(

abavAeqT

abaavvxavx

gs+⋅

⋅=

+⋅−−

λ

Kod graničnog stanja, pri zagrijavanju štapa površinskim izvorom topline, usvaja se pretpostavka



Slika 3.6

Promjena temperature graničnog stanja pri kretanju površinskog izvora topline duž štapa iz nisko ugljičnog čelika A=1 cm2 ;q=0.34kW;v=1.75 cm/s.

3.2.4. Snažni brzopokretni izvori topline Za zavarivanje se sve više koriste snažni izvori topline, koji se kreću velikim

brzinama. U graničnom slučaju ćemo imati :

q → ∞ ; v → ∞ ; q / v = qp = const. gdje je:

qp

dxvqdtqdQ ⋅=⋅= )(

- pogonska energija, u J/cm. Razmotrićemo dva karakteristična slučaja: Tačkasti izvor topline na površini polubeskonačnog tijela. Ako se izvor topline

kreće velikom brzinom, ispred i iza njega praktično neće biti prostiranja topline, pošto je toplinski fluks u pravcu ose xx vrlo mali. Zbog toga se smatra da se toplina prostire samo u pravcu normalnim na osu xx. Izdvojimo iz polubesko - načnog tijela (sl.3.7.a) sloj debljine dx i pretpostavimo da njegove granične povr - šine K´L´M´N´i K″L″M″N″ ne provode toplinu.

Tačkasti izvor topline, pri prolazu preko sloja debljine dx, izdvaja u vremenu dt=dx/v količinu topline :

Slika 3.7

Shema izdvajanja sloja debljine dx iz polubeskonačnog tijela i tanke ploče. Toplina dQ se prostire u sloju debljine d=dx. Na osnovu svega navedenog

proizilazi da se problem svodi na djelovanje trenutnog linijskog izvora topline na polubeskonačnu tanku ploču bez odvođenja topline u okolnu sredinu. Zbog toga je količina unešene topline u sloj debljine dx jednaka:



vq

dxdQ

⋅= 2

Zamjenjujući gornje vrijednosti u jednadžbi dobivamo slijedeće:

[ ]T

q evtgs

r r at

=⋅ −[( )( ) ( )]4

2πλ

gdje je : r2=y2+z2 t - vrijeme, računato od momenta kada izvor topline prođe ravan u kojoj se nalazi posmatrana tačka.

Promjena temperature za razmatrani slučaj prikazana je na slici 3.8.

Slika 3.8.

Promjena temperature pri kretanju snažnog brzopokretnog tačkastog izvora topline po površini masivnog tijela (debele ploče iz niskougljičnog čelika)

Režim zavarivanja: q =20,9 kW ; v =1 cm/s. a - izoterme na površini tijela;

b - promjena temperature po linijama paralelnim osi x. Linijski izvor topline u tankoj ploči. Izdvojimo na slici 3.7.b (analogno

predhodnom slučaju) sloj debljine dx i predpostavimo da ne provodi toplinu na svojim bokovima. Toplina dQ = (q/v) dx, koju je izvor topline izdvojio u sloju debljine dx, prostire se samo u smjeru ose y u skladu sa jednadžbom za trenutni površinski izvor topline u štapu.

Površina sloja je: dA = d⋅dx. Jednadžbu provođenja topline za granično stanje za slučaj na slici 3.7.b dobijamo

ako zamijenimo snagu izvora topline

dvq

dxddQ

⋅=

⋅

a koordinatu x sa koordinatom y, uzimajući pri tome u obzir površinsko odvođenje topline u okolni prostor:



( )tcdveqT

btatyy

gs ρπλ4

)()]4())(([

⋅⋅⋅

=−−

gdje je: b=2α/cρd. Ako zagrijavano tijelo ima početnu temperaturu, to će jednadžba i imati slijedeći

oblik:

0

)4())(([

2T

vteqT

atrr

gs +

⋅

=−

λπ

0

)()]4())(([

)4(T

tcdveqT

btatyy

gs +

⋅⋅⋅

=−−

ρπλ

gdje je : To - početna temperatura ili temperatura predgrijevanja tijela. 3.3. PERIOD TOPLINSKOG ZASIĆIVANJA I IZJEDNAČAVANJA TEMPERATURE PRI ZAGRIJAVANJU TIJELA POKRETNIM IZVORIMA TOPLINE Period toplinskog zasićivanja. Od početka djelovanja izvora topline temperatura

pojedinih tačaka tijela, u odnosu na pokretni koordinatni sistem, neprekidno se povećava sve do trenutka postizanja graničnog stanja. Tada temperatura pojedi - nih tačaka tijela, u odnosu na pokretni koordinatni sistem, prestaje da se mijenja sa vremenom. Taj period povećavanja temperature naziva se period toplinskog zasićavanja. Zbog složenosti jednadžbe, temperature u tijelu u periodu toplinskog zasićavanja se izračunavaju pomoću nomograma. Izrazimo temperaturu T u perio - du toplinskog zasićivanja kao proizvod između temperature graničnog stanja i koeficijenta toplinskog zasićavanja ψ:

gsTT ⋅=ψ Koeficijenti toplinskog zasićavanja su prikazani na slici 3.9 u zavisnosti od

bezdimenzijalnog kriterijuma vremena τ i bezdimenzijalnog rastojanja ρ od izvora topline do posmatrane tačke.

Nomogram za određivanja ψ3

)2()(

3 avR

=ρ

(slika 3.9.a) za tačkasti izvor topline konstruiran je u zavisnosti od :

i )4(

)( 2

3 atv h⋅

=τ

Nomogram za određivanje ψ2

+

⋅=

ab

avr 2

2

2 4ρ

(slika 3.9.b) za linijski izvor topline konstruiran je u zavisnosti od:

i [ ]bavth +⋅= )4( 22τ



Nomogram za određivanje ψ1

[ ])()4( 221 abavx +⋅=ρ

(sl.3.9.c) za površinski izvor topline konstruiran je u zavisnosti od :

i [ ]bavth +⋅= )4( 21τ

Iz slike 3.9.se vidi da, ukoliko je posmatrana tačka bliže izvoru topline utoliko u njoj ranije i b periodu njenog izjednačavanja koristimo se metodom fiktivnog izvora i fiktivnog ponora topline (slika 3.10.). Pretpostavimo da poslije prestanka djelovanja izvora topline q (slika 3.10.a), nastavljaju istovre - meno da djeluju u istoj tački fiktivni izvor topline q i fiktivni ponor topline q, krećući se brzinom v. Pod ponorom topline podrazumijevamo takav izvor topline, čije djelovanje izaziva negativnu temperaturu. Fiktivni izvor i fiktivni ponor topli - ne se međusobno poništavaju, tj. u vremenu t = tK je stvarno prestalo dovođenje topline u tijelo. Ako navedeno primijenimo kod tanke ploče (slika 3.10.b), imaćemo da je pokretni izvor topline, krećući se konstantnom brzinom v, prestao da djeluje u tački 0K a fiktivni izvor i fiktivni ponor topline iste snage q nastavili su da se kreću istom brzinom v (početak njihovog djelovanja je u tački 0K). Temperatura u momentu M se određuje kao razlika između temperature od izvora topline (koji je djelovao u toku vremena t) i temperature od ponora topline (koji je djelovao u toku vremena t - tK

T) :

M =T (t)-T(t-tK

Slika 3.9. Nomogrami za određivanje koeficijenta toplinskog zasićavanja a - ψ

)

3 - za tačkasti izvor topline na polubeskonačnom tijelu; b - ψ2 - za linijski izvor topline u tankoj ploči; c -ψ1 - za površinski izvor topline u štapu.



Slika 3.10

)]()([)()( 2222 kgskgsgsM tttTttTtTT −−⋅=−⋅−⋅= ψψψψ

. Shema djelovanja fiktivnog izvora i fiktivnog ponora topline

Jednadžbu možemo izraziti uz pomoć jednadžbe na slijedeći način:

Temperaturu graničnog stanja i koeficijente toplinskog zasićavanja nalazi- mo prema odgovarajućim formulama i nomogramima. Ukoliko je izvor topline djelovao dovoljno dugo (pa je tk veliko) da je bilo dostignuto granično stanje u trenutku prestanka njegovog djelovanja, t postaje također veliko a ψ2

)](1[ 2 kgsM ttTT −−= ψ

(t ) = 1 Tada ćemo imati :

3.4. UTJECAJ IVICE TIJELA NA PROSTIRANJE TOPLINE Zavarivani elementi su ograničenih dimenzija. Iako se u mnogim slučaje - vima utjecaj ograničen Zavarivanje tanke ploče pri kretanju izvora topline u blizini njene ivice. Neka se

izvor topline kreće na rastojanju yo od ivice ploče (slika 3.11). Pri rješavanju ovog problema primijenit ćemo metod fiktivnog izvora topline. Ako ivicu I-I smatramo ne prolaznom za toplinu, tada će se toplina od nje reflektovati. Zatim, pretpostavimo da je ploča beskonačna i da se u njoj kreću u isto vrijeme istom brzinom dva izvora topline jednake snage. Promjena temperature u toj beskonačnoj ploči prikazana je na slici 3.11.a isprekidanom linijom 1 od stvarnog izvora topline a isprekidanom linijom 1´ od fiktivnog izvora topline. Punom linijom prikazan je zbir temperatura od stvarnog i fiktivnog izvora topline, što daje stvarnu promjenu temperature ( koja uzima u obzir refleksiju topline od ivice I-I ).



Temperatura u nekoj tački A tanke ploče na slici 3.11.b određuje se slijedećo

+

⋅⋅+

+

⋅⋅⋅

⋅

=−

ab

avrK

ab

avrK

deqT

avx

gs 2

2

202

2

10

)2()[(

442πλ

gdje je:

221 yxr +=

20

22 )2( yyxr −+=

Slika 3.11. Shema uvođenja fiktivnog pokretnog izvora topline q´1

a) promjena temperature 1 i 1´ od izvora topline q

zbog uzimanja u obzir refleksije topline od ivice I-I

1 i q1

b) shema kretanja izvora topline q

´ i stvarna promjena temperature, koja uzima u obzir refleksiju topline od ivice I-I (puna linija);

1 i q1´ Zavarivanje dvije uske tanke ploče. Pri zavarivanju dvije uske ploče refleksiju

topline od njihovih ivica možemo uzeti u obzir uvođenjem dva dopun - ska fiktivna izvora topline q

u ploči.

1´ = q1″ = q1

Slika 3.12. Shema uvođenja fiktivnih izvora topline radi uzimanja u obzir

refleksije topline od ivice ploče

(slika 3.12.a). Temperatura tačke A se određuje kao zbir temperatura od tri izvora topline, koji djeluju u tankoj ploči.

a) pri zavarivanju dvije uske ploče; b) pri zavarivanju počev od ivice ploče.

Zavarivanje počev od ivice tanke ploče. Ovdje postoji utjecaj perioda toplinskog zasićavanja i refleksije topline od ivice I-I (slika3.12.b). Utjecaj refle - ksije topline se uzima u obzir uvođenjem fiktivnog izvora topline, koji počinje da se kreće iz tačke 0 istovremeno sa stvarnim izvorom topline, ali u suprotnom pravcu. Temperatura u tački A se određuje kao zbir temperatura od stvarnog i fiktivnog izvora topline, koji djeluju u tankoj ploči beskonačnih dimenzija.



Zagrijavanje ploče srednje debljine tačkastim izvorom topline, koji se kreće na njenoj površini To u stvari predstavlja navarivanje na ploču srednje debljine. Određivanje

temperature usljed navarivanja na ploču srednje debljine vrši se na slijedeći način (3.11):

⋅⋅

⋅=

−

avrK

deqmT

avx

gs 22 0

])2()[(

πλ

gdje je : r2=x2+y2

Na slici 3.14. prikazano je temperaturno polje za slučaj navarivanja na ploču srednje debljine. Promjena temperature u zoni I je slična promjeni tempera - ture u polubeskonačnom tijelu (od tačkastog izvora topline), dok je u zoni III slična promjeni temperature u tankoj ploči (od linijskog izvora topline). Zona II je prelazna zona. Odnos između zona se mijenja u zavisnosti od režima zavarivanja.

; m - koeficijent, određuje se prema slici 3.13.

Slika 3.13. Koeficijent m, koji daje odnos između temperature na površini ploče

srednje debljine (zagrijavane tačkastim izvorom topline) i temperature tanke ploče (zagrijavane linijskim izvorom topline).

Za z = 0 m > 1 ; za z = d m < 1.



Slika 3.14. Temperaturno polje graničnog stanja pri navarivanju na lim

iz niskougljičnog čelika debljine 2 cm

Režim zavarivanja: q = 4,2 kW; v = 0,1 cm/s. a) izoterme i krive maksimalnih temperatura na gornjoj (z=0) i donjoj

(z=d) površini lima; b) izoterme u uzdužnom presjeku x0z; c) izoterme i linije toplinskog fluksa u poprečnom presjeka y0z.

Brzopokretni tačkasti izvor topline na površini ploče srednje debljine

U ovom slučaju prostiranja topline u pravcu kretanja izvora topline prak - tično

nema, već postoji samo u pravcu osa 0y i 0z

( )at

etzFqTbtatyy

gs 4),( )(])4())(([ −−⋅⋅

=

. Određivanje temperature u ploči se vrši prema jednadžbi:

gdje funkcija F(z,t) izražava proces prostiranja topline duž ose 0z, uzimajući u obzir refleksiju topline od donje površine ploče (z=d). Funkcija F(z,t) je prikazana na slici 3.15.



Slika 3.15. Nomogram za određivanje F(z,t)

τ = at/d2 pri at/d2

a) pri elektrolučnom navarivanju na površinu masivnog tijela ili debele ploče, treba primjeniti računsku šemu za pokretni tačkasti izvor topline na površini polubeskonačnog tijela.

> 0,5 ; F(z,t) ≈ 1 Iz svega navedenog proizilazi sljedeće:

b) pri elektrolučnom sučeljenom zavarivanju dvije tanke ploče u jednom prolazu zavarivanja, treba primijeniti računsku shemu za pokretni linijski izvor topline u tankoj ploči sa odvođenjem topline u okolnu sredinu.

c) pri sučeljenom zavarivanju električnim otporom, treba primijeniti računsku šemu za pokretni površinski izvor topline u štapu.

Pri svemu navedenom treba imati u vidu da se izoterme, dobijene računskim putem pri elektrolučnom zavarivanju čelika, za temperature ispod 700-800 0C dosta dobro slažu sa izotermama dobijenim eksperimentalnim putem, dok kod viših temperatura (1200-1500) 0C odstupaju od njih. Ova odstupanja nastaju kao rezultat niza uprošćavanja pri dobijanju računskih formula, kako proračuni temperaturnih polja zbog složenih formula nebi bili suviše komplikovani.

3.5. ZAGRIJAVANJE I TALJENJE METALA PRI ZAVARIVANJU

Utjecaj režima zavarivanja i toplinskofizikalnih karakteristika metala na

temperaturno polje. Utjecaj brzine zavarivanja vz, efektivne toplinske moći izvora topline q i

pogonske energije qp na temperaturno polje prikazan je na sl.3.16. Na sl.3.16. se vidi kako promjena režima zavarivanja utječe na dužinu i širinu izoterme.

Utjecaj toplinskofizikalnih karakteristika metala na temperaturno polje prikazan je na sl.3.17. Utjecaj brzine zavarivanja na promjenu temperature prikazan je na sl.3.18. Na sl.3.18. se vidi da promjena temperature u području iza izvora topline ne zavisi od brzine zavarivanja. Međutim, povećanje brzine zavarivanja dovodi do zgušnjavanja izotermi u području ispred izvora topline.



Slika 3.16. Utjecaj režima zavarivanja na temperaturno polje graničnog stanja

u ploči debljine 1 cm od niskougljičnog čelika a) promjena brzine zavarivanja vzb) promjena efektivne toplinske moći izvora topline q pri v

pri q = const; z

c) promjena efektivne toplinske moći q i brzine zavarivanja v= const;

z pri qp

=const.

Slika 3.17 Utjecaj toplinskofizikalnih karakteristika metala na temperaturno polje

graničnog stanja u ploči debljine 1cm (q=4,2 kw; vza) niskougljični čelik;

=0,2 cm/s)

b) Cr-Ni čelik; c) aluminij ; d) bakar.



Slika 3.18. Utjecaj brzine kretanja tačkastog izvora topline po površini polubeskonačnog tijela

na promjenu temperature duž ose 0x ( q = 4,2 kw ) Dužina rastopa Na sl.3.19. prikazan je izgled rastopa i njegove dimenzije.Rastop ima oblik

izoterme koja odgovara temperaturi topljenja Ttop

osnovnog materijala. Parametri rastopa su dužina, širina i dubina(sl.3.19).

Slika 3.19. Izgled i dimenzije rastopa

Pri određivanju dužine rastopa, obrazovanog pri navarivanju na masivno tijelo

brzopokretnim izvorom topline imamo :

[ ]tv

eqTz

atrr

gs πλ2

)]4())([(−⋅=

gdje je: r2=y2+z2

Pošto nas interesuje samo maksimalna dužina rastopa, to ćemo u gornju jednadžbu staviti da je r=0. Tada ćemo imati :



tvqT

zλπ2=

Iz gornje jednadžbe možemo odrediti vrijeme zadržavanja u tečnom stanju svake tačke rastopa na osi x. Zamjenjujući t sa t rastopa i T sa Ttop

topzrastopa Tv

qtπλ2

=

, pri čemu je t rastopa vrijeme prolaska luka od tačke A do tačke B (slika 3.19.), dobijamo slijedeći izraz:

Dužina rastopa L se određuje na slijedeći način:

toprastopaz T

qtvLπλ2

=⋅=

3.5.1. Termički ciklus pri jednoprolazanom zavarivanju

Pri zavarivanju se temperaturno polje kreće zajedno sa izvorom topline. Zbog

toga se temperatura pojedinih tačaka tijela u toku vremena neprekidno mijenja (slika 3.20.). Promjena temperature u toku vremena u datoj tački tijela naziva se termički ciklus. Temperatura u početku raste, zatim dostiže maksimum i na kraju opada. Oblik krive termičkog ciklusa zavisi od postupka zavarivanja.

Slika 3.20. Promjena temperature pri zavarivanju u tačkama tijela A, B i C u toku vremena

Termičkim ciklusom je definisana maksimalna temperatura do koje se zagrijao metal u datoj tački, vrijeme zadržavanja metala iznad date temperature i brzina zagrijavanja i hlađenja u procesu zavarivanja. Navedeni parametri termi - čkog ciklusa zavarivanja vrše bitan utjecaj na strukturu i svojstva šavova i zone utjecaja topline.

Maksimalna temperatura. Ukoliko je poznato temperaturno polje, maksimalna temperatura se određuje na slijedeći način:

Maksimalna temperatura će biti postignuta pri

0=∂∂

tT

ili 0=∂∂

xT

Pri navarivanju na masivno tijelo brzopokretnim izvorom topline, dobijamo slijedeći izraz za određivanje maksimalne temperature:



220max 234,02rvc

qrvec

qTTzz ⋅⋅

=⋅⋅

=−ρρπ

gdje je: r2 = y2 + z

−

⋅⋅⋅=

−

⋅⋅⋅⋅=−

aby

ydvcq

aby

ydvceqTT

zz 21242,0

21

2

22

0max ρρπ

2 Analogno tome, za sučeljeno zavarivanje dvije tanke ploče (u jednom prolazu

zavarivanja) imaćemo slijedeće:

Slika 3.21.

Određivanje maksimalne temperature a - tačkasti izvor topline na površini polubesko Drugi postupak za određivanje maksimalne temperature može se izvesti uz

pomoć dijagrama na slici 3.21. Prvo se izračuna vrijednost za vz . l /2a (gdje je l = y) a zatim se nalazi vrijednost na ordinati. Iz izraza na ordinati (gdje je T = Tmax

tTvhl ∂

∂=

) lahko se izračuna maksimalna temperatura. Kriva na slici 3.21.b. ne uzima u obzir odvođenje topline u okolnu sredinu.

Brzina hlađenja. Brzina hlađenja se izračunava diferenciranjem izraza za temperaturu po vremenu:

Pri navarivanju na površinu masivnog tijela i sučeljenom zavarivanju dvije tanke ploče (uzevši u obzir početnu temperaturu) koristimo izraze. Pošto je brzina hlađenja za tačke u blizini šava skoro ista kao za tačke na njegovoj osi, to u izraze stavljamo da je r = 0, odnosno y = 0. Tada ćemo imati:

tvqTT

z ⋅⋅=−

πλ20



tcdvqTT

z ρπλ40

⋅⋅=−

Diferenciranjem gornjih izraza po vremenu dobićemo slijedeće:

22 tvq

dtdT

z ⋅⋅−=

πλ

342 tcdv

qdtdT

z ⋅⋅⋅⋅⋅⋅−=

ρλπ

Ako u jednadžbama unesemo vrijednosti za t , dobićemo izraze za odre - đivanje brzine hlađenja:

)()(

22

0

zhl vq

TTv

−−= πλ

2

30

)]([)(

2dvq

TTcv

zhl ⋅

−⋅⋅⋅−= ρλπ

Znak minus u jednadžbama označava hlađenje metala, a iz njih proizilazi da brzina hlađenja zavisi od oblika zavarivanog elementa (masivno tijelo ili tanka ploča), pogonske energije q/vz i temperature predgrijavanja To. Sa temperaturom predgrijavanja To se može više utjecati na promjenu brzine hlađenja nego sa pogonskom energijom q/vz

Pri navarivanju na ploču srednje debljine, brzina hlađenja se takođe određuje za tačke na osi šava (y = 0; z = 0). Određivanje brzine hlađenja se vrši pomoću dijagrama na slici 3.22.

.

Slika 3.22. Dijagram za određivanje brzine hlađenja pri navarivanju na površinu lima

Prvo se izračuna bezdimenzionalni kriterijum 1/θ prema slijedećem

izrazu:



)()2(1

02 TTcd

vq z

−⋅⋅⋅⋅=

ρπθ

Zatim se iz dijagrama na slici 3.22. odredi bezdimenzionalni kriterijum 1/θ. Na kraju se brzina hlađenja pri navarivanju na ploču srednje debljine odredi prema slijedećem izrazu:

)()(

22

0

zhl vq

TTv

−⋅⋅−= λπω

Vrijeme zadržavanja metala iznad date temperature. Na slici 3.23. prikazana je promjena temperature date tačke u toku procesa zavarivanja (termički ciklus).

Slika 3.23. Termički ciklus zavarivanja

Na slici 3.23. znače: tzadrž - vrijeme zadržavanja date tačke iznad temperature T; Tmax - maksimalna temperatura koju je dostigla data tačka; To

)()(

0max3 TT

vqft zzadrž −⋅

=λ

- početna tempertura. Vrijeme zadržavanja metala iznad date temperature biće jednako: Pri navarivanju na površinu masivnog tijela:

Pri sučeljenom zavarivanju dvije tanke ploče (u jednom prolazu zavarivanja):

( )[ ]( )2

0max

2

2 TTcdvqft z

zadrž −⋅⋅⋅⋅

=ρλ



gdje su f2 i f3 koeficijenti koji zavise od θ = (T - To) / (Tmax - To). Koeficijenti f2 i f3

Slika 3.24. Nomogram za određivanje koeficijenata f

se određuju prema slici 3.24.

2 i f3

Brzina hlađenja. Pri višeslojnom zavarivanju sa dugačkim slojevima, najveću brzinu hlađenja ima prvi sloj zbog hladnog osnovnog materijala. Na slici 3.25. prikazana je promjena temperature za date tačke osnovnog materijala pri višeslojnom zavarivanju sa dugačkim slojevima.

.

3.5.2. Termički ciklus pri višeslojnom zavarivanju Pri višeslojnom zavarivanju, toplinski utjecaj na metal zavisi od toga da li se zavarivanje izvodi s Višeslojno zavarivanje sa dugačkim slojevima. Pod zavarivanjem sa dugačkim

slojevima podrazumijeva se izvođenje jednog sloja po čitavoj dužini zavarenog spoja većoj od 0,5 - 1 m.

Slika 3.25. Termički ciklus pri višeslojnom zavarivanju sa dugačkim slojevima

Određivanje brzine hlađenja prvog sloja vrši se prema izrazu na strani 42, tj. kao za navarivanje na ploču srednje debljine. Pri tome se uvodi koeficijent korekcije za određivanje računske pogonske energije (q/vz) rač i računske debljine d rač (slika 3.26.).



Slika 3.26. Vrijednosti za drač i (q/vz )rač

Brzina hlađenja prvog sloja se smanjuje: sa povećanjem presjeka sloja (tj. sa

povećanjem pogonske energije), sa povećanjem temperature predgrijavanja i sa smanjivanjem debljine osnovnog materijala. Najveći utjecaj na brzinu hlađenja ima temperatura predgrijavanja To.

Brzina hlađenja prvog sloja određuje se na taj način što se na strani 42 umjesto q/vz i d stavlja (q/vz) rač i drač

Na slici 3.27. prikazan je termički ciklus pri višeslojnom zavarivanju sa kratkim slojevima.

određenih prema slici 3.26. Višeslojno zavarivanje sa kratkim slojevima. Višeslojno zavarivanje sa

kratkim slojevima koristi se kada se želi osnovni materijal zadržati iznad određene temperature i kada se želi spriječiti njegovo brzo hlađenje ispod te temperature. Zavarivanjem sa kratkim slojevima vrši se ustvari autopredgrijavanje i na taj način smanjuje brzina hlađenja ranije izvedenih slojeva. Pri višeslojnom zavarivanju sa kratkim slojevima, toplina dovedena pri izvođenju drugog i slijedećih slojeva ne dozvoljava zoni utjecaja topline oko prvog sloja da se ohladi ispod određene temperature.

Slika 3.27. Termički ciklus pri višeslojnom zavarivanju sa kratkim slojevima

a - u tački 1 u blizini b - u tački 2 u blizini

Pri izvođenju prvog sloja (slika 3.27.a.), temperatura tačke 1 naglo raste

do iznad temperature AC3, a zatim naglo opada. Vrijeme zadržavanja metala u tački 1 iznad temperature AC3 označeno je sa tAC3. Toplina dobijena pri izvođenju drugog sloja ponovo zagrijava zonu utjecaja topline oko prvog sloja i to u trenutku kada temperatura tačke 1 padne do Tdozv (Tdozv > TMs). Pri zavarivanju trećeg sloja, temperatura tačke 1 ponovo raste. To se dešava i pri izvođenju ostalih slojeva. Poslije izvođenja svih slojeva, zona utjecaja topline prvog sloja se sporo hladi pošto temperatura u njoj nije nikad pala ispod temperature Tdozv.

Temperatura u tački 2 (slika 3.27.b.) raste pri izvođenju svakog slijedećeg sloja sve do maksimuma a zatim opada. Da bi se produžilo vrijeme zadržavanja metala u tački 2 na temperaturama iznad tačke martenzitne transformacije, to se izvodi još jedan dodatni sloj. Ivice dodatnog sloja ne prelaze ivice šava, pa zato i ne zagrijavaju zonu utjecaja topline iznad temperature TAC3. Zbog toplinskog utjecaja ovog dodatnog sloja, vrijeme tdozv se poveća na t'dozv

Da bi se obezbijedilo da temperatura zone utjecaja topline prvog sloja ne padne ispod dozvoljene vrijednosti (T

.

dozv > TMs), kao i da bi vrijeme zadržavanja



metala te zone iznad temperature Tdozv

( )20

2

22

4 TTvdcqkl

dozvz −⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅

=ρλπ

odgovaralo uslovima završetka raspada austenita, neophodno je odrediti dozvoljenu dužinu prvog sloja l. Pri određivanju dozvoljene dužine sloja l, usvaja se pretpostavka da se toplina izdvaja ravnomjerno po debljini osnovnog materijala i da se prostire samo u pravcu normalno na šav. Odvođenje topline u okolnu sredinu se zanemaruje. Ovako usvojene pretpostavke odgovaraju uvjetima prostiranja topline kod linijskog brzopokretnog izvora topline u tankoj ploči. Dobijamo jednačinu za izračunavanje dozvoljene dužine sloja l:

( cm )

Ukoliko se odstupanje računske sheme (brzopokretni linijski izvor topline u tankoj ploči bez odvođenja topline) od stvarnog procesa pri zavarivanju uzme u obzir koeficijentom k3

( )20

2

22

2304,0

TTvdqkkl

dozvz −⋅⋅⋅⋅

=

i ukoliko se unesu vrijednosti za niskougljični čelik, to jednadžba dobiti će slijedeći oblik:

( cm )

gdje je:

− k2 - koeficijent gorenja luka (vrijeme zavarivanja tz = tgl + tpr se sastoji iz vremena čistog gorenja luka tgl i prekida tpr; za ručno višeslojno zavarivanje k2 = tgl /tz

− T = 0,6 - 0,8);

dozv - dozvoljena temperatura hlađenja (50 - 100 0C iznad temperature početka martenzitne transformacije TMs

− k);

3 - koeficijent, dobijen upoređivanjem računski i eksperimentalno određenih temperatura hlađenja prvog sloja; za sučeljene spojeve k3 = 1,5; za preklopne i T-spojeve k3 = 0,9; za ukrsne (križne) spojeve k3

Sa dužinom sloja, zadržava se temperatura prvog sloja iznad T = 0,8.

dozv

Slika 3.28. Shema za određivanje vremena zadržavanja zone utjecaja topline iznad

sve do trenutka kada se počinje izvoditi drugi sloj.

Vrijeme zadržavanja zone utjecaja topline iznad date temperature pri višeslojnom zavarivanju, sa kratkim slojevima. Ovdje se pretpostavlja da u toku izvođenja slojeva djeluje nepokretni površinski izvor topline u presjeku y = 0 (slika 3.28.) pri čemu se odvođenje topline u okolnu sredinu uzima u obzir.



date temperature pri višeslojnom zavarivanju sa kratkim slojevima. Računska toplinska moć luka iznosi:

qkkq qrač ⋅⋅= 2

gdje je:

− q - efektivna toplinska moć zavarivačkog luka, u W; − k2

− k - koeficijent gorenja luka (0,6 . 0,8);

q - koeficijent dovođenja topline luka, koji uzima u obzir oblik spoja (za sučeljeni spoj kq = 1; za preklopni i T-spoj kq = 0,67; za križni spoj kq

Vrijeme zadržavanja t = 0,6).

dozv zone utjecaja topline prvog sloja iznad tempe - rature Tdozv

Slika 3.29. Nomogrami za određivanje vremena zadržavanja t

izračunava se pomoću slike 3.29.

dozv.

Pri proračunu zadržavanja tdozv zone utjecaja topline iznad temperature Tdozv

( )abTT

qld

dozvrač

⋅−⋅⋅

= 012λθ

, uvode se bezdimenzionalne veličine za odvođenje topline u slučaju djelo - vanja nepokretnog površinskog izvora topline u štapu:

Bezdimenzionalna temperatura posmatrane tačke :

gdje je: d - debljina osnovnog materijala, u ( cm ); l - dužina sloja, u ( cm ); b = 2α/c⋅ρ⋅drač

( )2OAdrač =

- koeficijent, u ( 1/s );

- računski prečnik štapa , u ( cm )

A = d⋅l - površina poprečnog presjeka štapa, u ( cm2 ); O/2 - polovina obima štapa, u ( cm ).



Bezdimenzionalno rastojanje zone utjecaja topline od ravni u kojoj se nalazi izvor topline:

aby ⋅=1ρ

gdje je: − y - računsko rastojanje zone utjecaja topline od površinskog izvora topline

koje je jednako polovini širine razmaka na vrhu žlijeba kod sučeljenih spojeva, odnosno polovini katete šava kod T - spojeva.

Bezdimenzionalno vrijeme zavarivanja u toku potpunog izvođenja dijela višeslojnog šava uključujući i prekide:

+

−⋅⋅=⋅ 1)1(

2kn

vlbtbz

z

gdje je: vz - brzina zavarivanja sloja, u cm/;

n - broj slojeva.

Pošto se odrede vrijednosti za θ1, ρ1 i b⋅tz, iz dijagrama na slici 3.29. dobije se veličina b⋅tdozv.

Dozvoljeno vrijeme zadržavanja zone utjecaja topline prvog sloja iznad Tdozv

( )btbt z

dozv⋅

=1

iznosi:

Dozvoljeno vrijeme zadržavanja zone utjecaja topline posljednjeg sloja (na površini šava) iznad Tdozv

( ) ( ) zz

dozvpovršdozv tkv

ltt −⋅

+=2

1

iznosi:

3.6. ZAGRIJAVANJE METALA GASNIM PLAMENOM Pri zagrijavanju metala gasnim plamenom koriste se obični gorionici (sa jednim

plamenom) i linijski gorionici (sa više plamenova u jednom redu). Postoje i gorionici sa više plamenova raspoređenih u više redova. Na slici 3.30. prikazan je izgled gorionika i raspodjele specifičnog toplinskog fluksa.



Slika 3.30. Izgled gorionika i raspodjele specifičnog toplinskog fluksa

a) izgled običnog gorionika; b) raspodjela specifičnog toplinskog fluksa običnog gorionika; c) izgled linijskog gorionika; d) raspodjela specifičnog toplinskog fluksa linijskog gorionika.

Računske sheme pri zagrijavanju metala gasnim plamenom

I kod zagrijavanja metala gasnim plamenom koriste se računske sheme kako bi

proračuni o prostiranju topline bili što jednostavniji. Trenutni normalno - kružni izvor topline u tankoj ploči. Na slici 3.31. prikazana

je shema zagrijavanja tanke ploče normalno - kružnim izvorom topline (tj. običnim gorionikom sa jednim plamenom).

Slika 3.31. Shema zagrijavanja tanke ploče normalno-trakastim izvorom topline

Može se smatrati da je specifični toplinski fluks gasnog plamena običnog

gorionika q2

2

max22kr

r eqq −⋅=

(indeks 2 označava dvodimenzionalnu raspodjelu) raspodijeljen prema krajevima prema slijedećem zakonu:

gdje je:

− q2r površine, u ( W/cm

- specifični toplinski fluks gasnog plamena u nekoj tački A zagrijavane 2

− q );

2max -najveći specifični toplinski fluks gasnog plamena u tački C, u (W/cm2

− k - koeficijent koncentracije toplinskog fluksa, u ( cm);

-2

− r - rastojanje posmatrane tačke A od ose gasnog plamena, u ( cm ). );

U toku vremena dt površina ploče dA na rastojanju r od centra plamena C primiće količinu topline q2r

2max2 kredcdtqdT −⋅

⋅⋅⋅

=ρ

⋅dA ⋅ dt. Porast temperture elementarne prizme ploče u tom slučaju će iznositi:

Ukoliko se zamijeni vrijednost za q2r , tada ćemo imati:



2max2 kredcdtqdT −⋅

⋅⋅⋅

=ρ

Može se izabrati takav fiktivan koncentriran izvor topline koji će dovesti do iste promjene temperature koju izaziva normalno - kružni izvor topline. Takvom fiktivnom izvoru topline odgovara linijski izvor topline koji prolazi kroz centar C normalno- kružnog izvora topline po osi Cz, a čija je toplina dovedena za to

( )( )[ ] 0

2 4

04ttare

ttadcdtqT +⋅−⋅

+⋅⋅⋅⋅⋅⋅

=πρ

ranije.

Tada ćemo imati:

gdje je: q = Q/dt; q u W; to

Trenutni normalno - trakasti izvor topline u tankoj ploči. Na slici 3.32. prikazana je shema zagrijavanja tanke ploče normalno - trakastim izvorom topline (tj. linijskim gorionikom sa više plamenova u jednom redu).

= 1/4ak.

Slika 3.32. Shema zagrijavanja tanke ploče normalno - trakastim izvorom topline

Promjena specifičnog toplinskog fluksa plamena linijskog gorionika definirana je slijedećim zakonom:

2

max2,2kv

yx eqq −⋅=

gdje je: − q2x,y

− q

- specifični toplinski fluks u nekoj tački sa koordinatama x,y u granicama radne dužine gorionika (tj. pri 0 ≤ x ≤ l ), u ( W/cm );

2max - najveći specifični toplinski fluks (koji je jednak po čitavoj dužini ose gorionika), u ( W/cm2

− k - koeficijent koncentracije specifičnog toplinskog fluksa plamena linijskog gorionika, u ( cm

);

-2

Toplina q )

2y.dA.dt dovedena kroz elementarnu površinu dA, trenutno se širi po debljini ploče, ravnomjerno zagrijavajući elementarnu prizmu dA.d. Ukoliko se primijeni analogan način razmatranja kao u prethodnom slučaju, može se zaključiti da se promjena temperature u tankoj ploči izazvane trenutnim dejstvom normalno - trakastog izvora topline može posmatrati kao rezultat djelovanja



trenutnog fiktiv - nog površinskog izvora topline, koji je doveo istu količinu topline u ravan x0z za to

( )( )[ ] 0

2 4

0

1

4ttaye

ttadcdtqT +⋅−⋅

+⋅⋅⋅⋅⋅⋅

=πρ

ranije. Proces prostiranja topline u tankoj ploči od trenutnog normalno -

trakastog izvora topline biće izražen slijedećom jednadžbom:

gdje je: q1 = Q . d/dt; q1 u ( W/cm ); to

Pokretni normalno - kružni izvor topline u tankoj ploči. Neka se plamen običnog gorion Slika 3.33

Shema zagrijavanja tanke ploče normalno - kružnim izvorom topline

= 1/4ak.

Centar izvora topline u momentu th nalazi se u tački C na rastojanju v.th od tačke

Oo. Pokretni koordinantni sistem nalazi se u tački O na rastojanju v.to

( ) ( )[ ] ( )[ ] ( )[ ] ( )

⋅⋅+⋅

⋅⋅= ∫

+⋅+−⋅⋅−⋅−

0

0

22 )4(40

2

4

tt

t

tbavtaraxvh

tdtetbe

dqTλπ

od centra izvora topline C. Temperatura neke tačke A u periodu toplinskog zasići - vanja određuje se na slijedeći način:

Pošto prethodni izraz definiše proces u periodu toplinskog zasićivanja, to ćemo imati slijedeće (uz korištenje koeficijenta toplinskog zasićivanja):

( ) [ ]);();()(4 02202220

)2( 0 τρψττρψρλπ

−+⋅⋅⋅⋅⋅

= +⋅− Ked

qT btaxv

gdje je:

ab

avr +⋅= 2

2

2 4ρ ; htb

av

⋅

+=

4

2

τ 0

2

0 4tb

av

⋅

+=τ

Prema tome, temperatura u nekoj tački A nastala dejstvom pokretnog normalno - kružnog izvora topline, jednaka je temperaturi nastaloj kao pri zagrijavanju pokretnim linijskim izvorom topline koji djeluje za to ranije.

Temperatura tačke O fiktivnog izvora topline za granično stanje određuje se slijedećom jednadžbom:



( )[ ]00

4τ

λπ−⋅−⋅

⋅⋅= i

bt Eed

qT

gdje je:

duu

euEu

u

i ⋅=− ∫∞ −

)( - eksponencijalno - integralna funkcija

Snažni brzopokretni normalno - trakasti izvor topline u tankoj ploči. Neka se plamen linijskog gorionika konstantne snage q1

Slika 3.34 Shema zagrijavanja uzdužnog šava cijevi iz tankog lima plamenom

brzopokretnog linijskog gorionika Možemo usvojiti da se toplina u cijevi prostire kao u ploči, jer je njena

krivina mala. Pošto je izvor topline brzopokretan, to se smatra da se toplina pros - tire samo u pravcu ose Oy. U tom slučaju toplina se u svakom elementarnom štapu širine dx prostire nezavisno. Zagrijavanje takvog štapa brzopokretnim normalno-trakastim izvorom topline ekvivalentno je njegovom zagrijavanju sa nepokretnim normalno-trakastim izvorom linijske snage q

kreće konstantnom brzinom v pravolinijski duž šava tanke cijevi (slika 3.34.).

1

( )( )[ ] ( )[ ] 00

21

1 0

2tbttbe

dqT bt ⋅−+⋅⋅Φ⋅⋅

⋅⋅+=

λαα

. Na osnovu toga, temperatura tačaka cijevi duž ose Ox u periodu toplinskog zasićivanja određuje se slijedećim izrazom:

gdje je:

α1 - koeficijent prenosa topline između plamena i zagrijavane površine cijevi; α2 - koeficijent prenosa topline između unutrašnje površine cijevi i vazduha;

Φ - funkcija integrala vjerovatnoće Gausa: ∫ ⋅⋅=Φ −u

u dueu0

22)(π



Trenutni normalno - kružni izvor topline na površini polubeskonačnog tijela. Na slici 3.35. prikazana je shema zagrijavanja površine polubeskonačnog tijela trenutnim normalno - kružnim izvorom topline.

Slika 3.35. Shema zagrijavanja površine polubeskonačnog tijela trenutnim

normalno - kružnim izvorom topline Ovaj proces prostiranja topline može se prikazati slijedećom jednadžbom:

( )[ ] ( )[ ]

( )0

44

442 0

22

ttae

tae

cdtqT

ttartaz

+⋅⋅⋅

⋅⋅⋅

⋅⋅

=+⋅−⋅−

ππρ

U jednadžbi drugi množilac predstavlja trenutni fiktivni površinski izvor topline čije dejstvo počinje u momentu t = 0 a čija se toplina prostire u dubinu tijela paralelno osi Oz.

Treći množilac jednadžbe predstavlja fiktivni linijski izvor topline koji se poklapa sa osom Oz. Ovaj izvor topline počinje da djeluje za to ranije.

Snažni brzopokretni normalno - kružni izvor topline na površini polubes - konačnog tijela. Na slici 3.36. prikazana je shema zagrijavanja površine polubes - konačnog tijela snažnim brzopokretnim normalno - kružnim izvorom topline.

Pri zagrijavanju površine debele ploče plamenom gorionika koji se brzo kreće, proces prostiranja topline može se izraziti slijedećom jednačinom:

( )[ ] ( )[ ]

( )0

44

442 0

22

ttae

tae

vcqT

ttaytaz

+⋅⋅⋅

⋅⋅⋅

⋅⋅=

+⋅−⋅−

ππρ



Slika 3.36 Shema zagrijavanja površine polubeskonačnog tijela snažnim

brzopokretnim normalno - kružnim izvorom topline 4. METALURGIJA ZAVARIVANJA

4.1. STRUKTURA ZAVARENIH SPOJEVA

Proces obrazovanja šava, pri zavarivanju topljenjem vrši na slijedeći način

(uz kretanje elektrode u smjeru zavarivanja): Prvo se rastopi osnovni materijal do dubine uvara i rastop potisne

suprotno od smjera zavarivanja (sl. 4.1.). Zatim se tako obrazovano udubljenje popuni smje - šom rastopljenog osnovnog i dodatnog materijala. Na kraju dolazi do kristalizacije šava.

Primarna kristalizacija šava, tj. obrazovanje primarne strukture šava, izvo - di se u uvjetima istovremenog zagrijavanja rastopa zavarivačkim izvorom topline i njegovog hlađenja okolnom masom osnovnog materijala. Pri tome se front kristalizacije kreće sa izvorom topline a promjena temperature u tačkama rastopa je neravnomjerna. Zbog toga ne postoje uvjeti da se u rastopu obrazuju centri (jezgra) kristalizacije.

Slika 4.1. Uzdužni presjek rastopa

Zato kristalizacija počinje od postojećih centara kristalizacije, tj. od zrna

osnovnog materijala koja se nalaze oko rastopa. Kristaliti u šavu rastu normalno na površinu hlađenja u smjeru suprotnom od smjera odvođenja topline, tj. u dubinu rastopa. Rastući kristaliti imaju stubičasti oblik (sl.

4.2.). Slika 4.2.

Shema rasta kristalita od granice topljenja prema dubini rastopa Prema teoriji periodične kristalizacije, kristalizacija rastopa se vrši sa

zastojima, koji nastaju zbog periodičnog izdvajanja latentne topline kristalizacije. To utječe da kristaliti rastu u slojevima, pri čemu kao centri kristalizacije za svaki slijedeći spoj služe neravnine na površini prethodnog



sloja. Periodičnost kristaliza - cije rastopa utječe na pojavu slojevitosti šava. Na slici 4.3. prikazana je stubičasta i slojevita struktura šava.

Slika 4.3. Shema stubičaste (-----) i slojevite ( ___ ) strukture šava

Šavovi malog poprečnog presjeka imaju jasno izraženu stubičastu i sloje -

vitu strukturu. Međutim, šavovi većeg poprečnog presjeka imaju slojevitu strukturu samo u blizini linije topljenja, dok je na ostalom dijelu šava takva struktura slabo izražena. Primarna struktura stubičastog kristalita je dendritna. Svaki stubičasti kristalit sastoji se iz grupe isto orijentisanih dendrita. Ovi dendriti rastu počev od kristalita osnovnog materijala na liniji topljenja. Ukoliko je krupniji stubičasti kristalit, utoliko su razvijeniji i njegovi dendriti. U korijenu šava, tj. u prvom kristalizacionim sloju, nalaze se najmanji dendriti. U gornjem dijelu šava, dendriti su više razvijeni. Ova pojava, koja se naziva dendritna nejednakost, utječe da centralni dio šava i njegova periferija mogu imati različit sastav.

Segregacija u šavu. Segregacijom se naziva neravnomjerna raspodjela elemenata i hemijskih spojeva u metalu. Segregaciji su veoma skloni ugljik, sumpor i fosfor, dok su bakar, silicijum i molibden srednje skloni segregaciji. U šavu se pojavljuju unutarkristalitna, međukristalitna i lokalna segregacija.

Unutarkristalitna segregacija nastaje kao posljedica postojanja intervala kritalizacije i različitog obogaćivanja segregacionim primjesama centralnog i peri - fernog dijela kristalita (sl. 4.4.).

Kristalizacija legure sastava A-A počinje pri temperaturi Ttop

Slika 4.4. Shema nastajanja unutarkristalisane segregacije i.k. - interval kristalizacije

(sl. 4.4.). Kristalizacija metala vrši se prvenstveno duž osa budućih kristalita.

Ovdje je sadržaj primjesa minimalan. Sa padom temperature i porastom kristalita, rastop se obogaćuje primjesama. Količina primjesa u rastopu je



najveća u tački E. Centralni dijelovi kristalita imaju sastav sličan čistom metalu, dok su periferni dijelovi obogaćeni primjesama.

Međukristalitna segregacija nastaje kao posljedica obrazovanja na grani - cama rastućih kristalita, lahkotopljivih eutektikuma i primjesa u obliku međukri - stalitnog sloja. Ovdje naročitu opasnost predstavlja lahkotopljiv eutektikum sum - pornog tipa.

Lokalna segregacija nastaje zbog toga što se kristalizacija perifernih i centralnih dijelova šava ne odvija istovremeno. Zajedno sa rastom kristalita, preostali rastop se potiskuje u centralni dio šava. Ovaj dio rastopa sadrži u većem procentu razne štetne primjese. Zbog toga se u ovom dijelu šava mogu pojaviti prsline. Lokalna segregacija je veoma uočljiva kod jednoprolaznih šavova većeg poprečnog presjeka.

Segregacija (naročito lokalna i međukristalitna) izaziva opadanje mehani - čkih karakteristika šav Postupci regulacije primarne kristalizacije šavova. Da bi se smanjila neho-

mogenost šava i povećala njegova postojanost prema obrazovanju kristalizacionih prslina, neophodno je izvršiti pravilan izbor koeficijenta oblika uvara ψu

Slika 4.5. Utjecaj oblika šava na položaj segregacionih primjesa

Na slici 4.5.a. prikazan je šav koji ima mali koeficijent oblika uvara i nepovoljnu kristalizaciju. Kod ovakvog šava kristaliti rastu pod uglom od oko 180

. Koefici - jent oblika uvara zavisi od postupka zavarivanja, režima zavarivanja i sastava osnovnog i dodatnog materijala. Na slici 4.5. prikazana su dva karakteristična oblika šava.

0 i sučeljavaju se u sredini šava. Ovdje je sa linije sučeljavanja kristalita otežano udaljavanje štetnih primjesa iz rastopa. Zbog toga su ovakvi šavovi skloni ka obrazovanju kristalizacionih prslina, šavovi sa većim koeficijentom oblika uvara prikazani na slici 4.5.b. imaju znatno povoljniju kristalizaciju. To omogućava rastućim kristalitima da štetne primjese lahko izguraju na površinu šava u trosku. Ovakvi šavovi su postojani protiv obrazovanja kristalizacionih prslina i imaju dobre mehaničke karakteristike.

Šav visoke čvrstoće i plastičnosti, koji je postojan protiv obrazovanja kristalizacionih prslina, mo ili mehaničkim vibracijama. Utjecaj višeslojnosti šavova na njihovu strukturu. Jednoprolazni šav ima

karakterističnu stubičastu strukturu. Kod višeprolaznih, odnosno višeslojnih šavo - va, dolazi do promjene takve strukture. Svaki slijedeći sloj vrši toplinski utjecaj na prethodni sloj. Ustvari, vrši se termička obrada prethodnog sloja. To dovodi do nestajanja stubičaste i obrazovanja sitnozrnaste strukture prethodnog sloja. Na taj način se postiže usitnjavanje zrna svih prethodnih slojeva, pri čemu će samo površinski sloj zadržati stubičastu strukturu.



Vidmanštetenova struktura Vidmanštetenova struktura ima tri ili četiri pravca orijentacije. Bitno utječe

na mehaničke karakteristike zavarenog spoja. Zbog izrazito krupnih zrna, ova struktura izaziva povećanje krtosti i znatan pad udarne žilavosti čelika. Na slici 4.6. prikazana je potpuna Vidmanštetonova struktura.

Slika 4.6. Potpuna Vidmanštetonova struktura u gasno zavarenom šavu

čelika sa 0,15% C (uvećanje 100 x)

Na obrazovanje Vidmanštetenove strukture utječu slijedeći faktori : 1. Hemijski sastav čelika. Pri sadržaju ugljika u čeliku od 0,2 - 0,4% (za slaba

pregrijavanja), dolazi do obrazovanja Vidmanštetenove strukture. Kada temperatura pregrijavanja raste, obrazovanje ove strukture se proširuje u oblast nižih koncentracija ugljika. Legira jući elementi mangan, hrom i molibden olakša - vaju obrazovanje Vidmanštetenove strukture.

2. Temperatura pregrijavanja u γ - oblasti. Ukoliko su više temperature pregrija - vanja u γ - oblasti (tj. ako se polazi od krupnozrnastog austenita), utoliko lakše dolazi do obrazovanja Vidmanštetenove strukture.

3. Brzina hlađenja, počev od temperature pregrijavanja u γ - oblasti. Ukoliko su brzine hlađenja manje, utoliko je lakše obrazovanje Vidmanštetenove struk - ture.

Iz svega navedenog proizilazi da pregrijavanje ima presudan utjecaj na obrazovanje Vidmanštetenove strukture. Vidmanštetenova struktura može se obra - zovati kako u šavu, tako i u pregrijanom dijelu osnovnog materijala. Takođe se ova struktura može obrazovati i pri oksiacetilenskom rezanju velikih masa metala. Pri gasnom zavarivanju postoje najpovoljniji uvjeti za obrazovanje Vidmanštetenove strukture. Ukoliko svi uvjeti potrebni za njeno obrazovanje nisu ispunjeni, Vid - manštetenova struktura može biti nepotpuno formirana. Vidmenštetenova struktura se može ukloniti termičkom obradom (normalizacijom) ili se izvođenjem korjenog zavara može poboljšati.

Utjecaj zavarivanja na zonu utjecaja topline



Između šava i nepromijenjenog osnovnog materijala nalazi se prelazna zona. Ova zona se naziva zona utjecaja topline (skraćeno ZUT) i ne može se izbjeći pri zavarivanju (sl. 4.7.). U zoni utjecaja topline nalazi se osnovni materijal, koji se pri zavarivanju nije istopio niti je promjenio svoj

hemijski sastav. Slika 4.7.

Zona utjecaja topline Međutim, u zoni utjecaja topline došlo je do promjene strukture i mehaničkih

karakteristika osnovnog materijala, zbog termičke obrade koja je izvršena u toku procesa zavarivanja. U tablici 4.1. navedene su širine zone utjecaja topline u zavisnosti od postupaka zavarivanja.

Tablica 4.1.

Postupak zavarivanja

Širina dijelova zone utjecaja topline Ukupna širina zone

utjecaja topline ( mm )

Dio pregrijavanja

( mm )

Dio normalizacije

( mm )

Dio nepotpun

e ( mm )

Ručno zavarivanje obloženom elektrodom 2,2 1,6 2,2 6

Zavarivanje pod praškom 0,8 – 1,2 0,8 – 1,7 0,7 – 0,8 2,3 – 3,7

Gasno zavarivanje 21 4 2 27

Na slici 4.8. prikazana je promjena temperature u zoni utjecaja topline u zavisnosti od vremena za neku tačku. Maksimalna temperatura na granici topljenja jednaka je temperaturi topljenja osnovnog materijala. Oblik krive na slici 4.8. zavisi od postupka zavarivanja. Na strukturu neke tačke u zoni utjecaja topline utječu: maksimalna temperatura (Tmax) do koje se zagrijala data tačka, vrijeme koje je provela data tačka na maksimalnoj temperaturi, brzina njenog zagrijavanja i hlađenja i postupak zavarivanja.

Na slici 4.9. prikazana je promjena temperature u toku vremena za razne tačke u zoni utjecaja topline. Struktura i mehanička svojstva zone utjecaja topline mogu biti promijenjena uslijed toplinskog dejstva procesa zavarivanja.



Slika 4.8. Promjena temperature Slika 4.9. Promjena temperature u zoni utjecaja topline u zoni utjecaja topline

Pri tome, može doći kako do otpuštanja zone utjecaja topline (pad čvrtoće), tako i do njenog zakaljivanja (obrazovanje tvrdih i krtih struktura i prslina). U tom slučaju, zona utjecaja topline postaje slabo mjesto u zavarenom spoju.

Na slici 4.10. prikazana je struktura zone utjecaja topline pri zavarivanju niskougljičnog čelika.

Slika 4.10. Struktura zone utjecaja topline pri zavarivanju niskougljičnog čelika

Dio nepotpunog rastapanja 1 predstavlja usko prelazno područje između šava i osnovnog materijala. Temperaturni interval likvidus-solidus kod niskouglji - čnih čelika iznosi oko 30 - 40 0C. Zbog toga, dio nepotpunog rastapanja ima malu širinu (pri gasnom zavarivanju iznosi 0,15 do 0,20 mm; pri elektrolučnom zavari - vanju iznosi 0,08 - 0,1 mm). U ovom dijelu se istovremeno nalaze tečna i čvrsta faza, što olakšava razvoj krupnih zrna. Opaža se neposredno srašćivanje kristalita šava sa zrnima osnovnog materijala. Dio pregrijavanja 2 nalazi se u području između temperature solidusa i 1100 0C. U ovim uvjetima zrna se ukrupnjavaju, dok kasnija prekristalizacija u toku hlađenja ne uspijeva da ih znatnije usitni. Zbog toga je osnovni materijal u dijelu pregrijavanja krupnozrnast, pa čvrstoća i plasti - čnost opadaju. U ovom dijelu se može obrazovati Vidmanštetenova



struktura. Dio normalizacije ili kaljenja 3 nalazi se u području između AC3 i 1000 0C. U ovom dijelu zrno austenita ne uspijeva znatnije da poraste zbog kratkotrajnog zadrža - vanja osnovnog materijala pri ovim temperaturama. Kasnija prekristalizacija pri hlađenju dovodi do usitnjavanja zrna. Ovaj dio osnovnog materijala ima visoka mehanička svojstva (čvrstoću, plastičnost, žilavost). Dio nepotpune normalizacije 4 nalazi se u području između AC1 i AC3. Ovdje dio ferita ne uspijeva da se transformiše u austenit već zadržava stare dimenzije zrna. Dio ferita koji se uspio transformisati u austenit, izdvaja se iz austenita pri kasnijem hlađenju i obrazuje nova zrna ferita. Iz ostatka austenita obrazuje se perlit. Prema tome, struktura ovog dijela sastoji se iz krupnih zrna ferita (koja se nisu transformisala) i razmještenih oko njih sitnih zrna ferita i perlita (koja su nastala kao rezultat transformacije). Mehanička svojstva ovog dijela osnovnog materijala su lošija nego dijela norma - lizacije. Dio rekristalizacije 5 pojavljuje se pri zavarivanju niskougljičnih čelika prethodno izloženih deformaciji na hladno. Ovaj dio nalazi se u području između 500 0C i AC1. Rekristalizacija čelika ovdje se vrši izrastanjem novih zrna strukture u strukturi nastaloj pri plastičnoj deformaciji na hladno. Kod vruće valjanih niskougljičnih čelika, pri zavarivanju se u ovom dijelu struktura ne mora mijenjati. Dio plave krtosti 6 nalazi se u području između 200 i 500 0

Slika 4.11. Promjena tvrdoće zavarenog spoja

Faktori koji utječu na građu zrna u zavarenom spoju

C. Ovdje dolazi do pada plastičnih svojstava osnovnog materijala bez vidljive promjene strukture. Pojava plave krtosti se objašnjava izdvajanjem submikroskopskih čestica karbida iz čvrstog rastvora α- željeza. Granice između navedenih dijelova zone utjecaja topline nisu oštre, nego je prelaz od jedne strukture ka drugoj postepen. Čelici osjetljivi na termičku obradu imaju karakterističnu promjenu tvrdoće u zoni utjecaja topline (sl. 4.11.) Dijagram na slici 4.11. prikazuje stanje poslije zavarivanja (bez termičke obrade zavarenog spoja). Porast tvrdoće dovodi do povećanja krtosti i pada plastičnosti čelika. Zbog toga, dozvoljena tvrdoća zavarenih spojeva iznosi 300 do 350 HB.

Gasno zavarivanje. Kod ovog postupka zavarivanja, količina istovremeno rastopljenog metala je veća nego kod elektrolučnog zavarivanja a zadržava



se u tečnom stanju relativno dugo. Brzina hlađenja šava pri temperaturi topljenja iznosi do 350 0

Dobijena struktura šava je krupnozrna sa nepravilnim oblicima kristalita i bez određene orijentacije. Međutim, na ivicama žlijeba kristalizacija se vrši u pravcima upravnim na izoterme odvođenja topline tj. struktura šava na granici top - ljenja je orijentisana. U osnovnom materijalu pored šava, nalazi se dio pregrija - vanja sa vrlo krupnim zrnima.

C/min.

Slika 4.12. Utjecaj termičkog ciklusa zavarivanja na veličinu zrna u zoni utjecaja topline U ovom dijelu se često obrazuje Vidmanštetenova struktura. Zrna se sma -

njuju sa udaljavanjem od ose šava (sl. 4.12.). Elektrolučno zavarivanje. Ovdje je količina istovremeno rastopljenog metala

veoma mala, dok je brzina hlađenja veoma velika i u zavisnosti od debljine osnovnog materijala može da dostigne pri temperaturi topljenja 1500 - 1600 0C/min. Dobijena struktura šava je stubičasta dendritna, sa jasnom orijentacijom a naziva se bazaltna struktura. Ova struktura se može usitniti žarenjem šava na temperaturi iznad AC3. Zbog toga, u višeprolaznom šavu samo površinski zavar ima bazaltnu strukturu, dok svi ostali zavari imaju sitnozrnastu strukturu. To znači da toplinsko dejstvo gornjih zavara normalizuje strukturu donjih zavara, pa dolazi do ustinjavanja strukture. Dio pregrijavanja u osnovnom materijalu je znatno uži nego kod gasnog zavarivanja (sl. 4.12.).

4.2. APSORPCIJA GASOVA U ŠAVOVIMA

Apsorpcija gasova se vrši ne samo u rastopu nego i u kapima tečnog elektrodnog metala. Proc temperature metala povećava se i rastvorljivost gasova u njemu. Međutim, prelaskom metala u stanje ključanja rastvorljivost gasova naglo opada i postaje jednaka nuli. Proces rastvaranja gasova u tečnom metalu počinje sa prijanjanjem atoma gasa na površinu metala (absorpcija). Zatim, absorbovani gas obrazuje sa površinskim slojem metala rastvor i hemijske spojeve (hemisorpcija).

Na kraju, proizvodi hemisorpcije prodiru u dubinu tečnog metala. Procesi adsorpcije i hemisorpcije odvijaju se praktično trenutno. Prodriranje proizvoda hemisorpcije u dubinu tečnog metala vrši se sporije. Pri tome, veliku ulogu igra mehaničko miješanje rastopa, uz najčešće burno izdvajanje gasova.



4.2.1. Apsorpcija oksigena u šavovima Željezo sa oksigenom obrazuje tri oksida : 2Fe + O2 2FeO (fero - oksid sa 22,7 % O2 4Fe

); 3O4 + O2 6Fe2O3 (feri - oksid ili hematit sa 30,06 % O2

6FeO + O);

2 2Fe3O4 (fero - feri oksid ili magnetit sa 27,64% O2). Fero - oksid FeO najviše utječe na svojstva željeza, zato što je od svih gore

navedenih oksida samo on rastvorljiv u željezu. Ostali oksidi se ne rastvaraju u željezu, već se u njemu nalaze kao posebni uključci. Pri temperaturi topljenja željeza, granična rastvorljivost kisika u željezu iznosi 0,16 %, dok je pri sobnoj temperaturi vrlo mala (sl. 4.13.). Pri 572 0

4FeO

C se FeO, koji se nalazi u željezu izvan čvrstog rastvora, razlaže prema slijedećoj reakciji:

Pri sobnoj temperaturi, Fe3O4

Slika 4.13. Dijagram stanja željezo - kisik

Istovremeno sa oksidacijom željeza, oksigen izaziva oksidaciju niza legirajućih elementa:

ostaje u željezu kao uključak. Ugljik i silicij znatno snižavaju rastvorljivost oksigena u željezu.

Mn Si + Paralelno sa navedenom oksidacijom mogu se odvijati reakcije između

legirajućih elemenata i fero - oksida: FeO + C FeO + Mn



2FeO + Si Pri ručnom zavarivanju obloženom elektrodom, sadržaj oksigena u šavu zavisi od vrste ob - kod golih elektrod - kod elektroda oksidnog tip - kod elektroda kiselog i rutilnog tip - kod elektroda bazičnog tip Prisustvo oksigena u čeliku dovodi do pogoršavanja njegovih mehaničkih karakterist

Slika 4.14.

Utjecaj sadržaja oksigena na mehaničke karakteristike niskougljičnog čelika 4.2.2. Apsorpcija azota u šavovima Azot u atomnom stanju se rastvara u metalima sa kojima obrazuje nitride. U

čeliku azot obrazuje nitride sa željezom i sa većinom primjesa. Azot sa željezom obrazuje dva tipa nitrida:

2Fe +0, 4Fe + 0, Fe2N sadrži 11,1 % N2, dok Fe4N sadrži 5,88% N2. Za zavarivanje ima veći

značaj nitrid željeza Fe4N. Na slici 4.15. prikazan je dijagram stanja željezo - azot. Azot se u željezu u čvrstom rastvoru α - željeza i u obliku uključaka nitrida Fe4N. Ispod 590 0C postoji mehanička smješa ferita i nitrida željeza

Fe4N. Slika 4.15.

Dijagram stanja željezo - azot Granična rastvorljivost azota u željezu na 590 0C iznosi 0,13%, dok

pri sobnoj temperaturi iznosi 0,001%. Pri zavarivanju, sadržaj azota može biti uvećan zbog pregrijavanja metala.



Azot obrazuje nitride i sa legirajućim elementima u čeliku. Među naročito postojane na visokim temperaturama spadaju nitridi silicijuma i titana. Rastvor - ljivost azota u željezu znatno zavisi od temperature (sl. 4.16.). Na dijagramu se vidi da se, pri prelazu željeza iz čvrstog u tečno stanje, rastvorljivost azota znatno povećava.

Slika 4.16. Rastvorljivost azota i vodika u željezu u zavisnosti od temperature

Pri ručnom zavarivanju obloženom elektrodom, sadržaj azota u šavu zavisi

od vrste obloge i iznosi: - kod elektroda oksidnog tip - kod elektroda kiselog tip - kod elektroda celuloznog tipa

Slika 4.17. Utjecaj sadržaja azota na mehaničke karakteristike niskougljičnog čelika

Prisustvo azota u željezu veoma utiče na njegova svojstva. Na slici 4.17. prikazan je utjecaj azota 4.2.3. Apsorpcija vodika u šavovima Granična rastvorljivost vodika u čvrstom željezu pri 1530 0C iznosi 8

cm3/100 g metala, dok u tečnom željezu iznosi 28 cm3/100 g metala. Na slici 4.16. prikazana je rastvorljivost vodika u željezu u zavisnosti od temperature.



Vodik se u željezu ili čeliku nalazi u molekularnom H2

2H

stanju kao međukristalitni gasni uključak, često pod visokim tlakom ili u atomnom H stanju u međuprostorima kristalne rešetke. Vodik ima sposobnost da lahko difunduje u kristalnu rešetku željeza čak i pri sobnim temperaturama. Brzina difuzije vodika je znatno manja u martenzitnoj nego u perlitnoj strukturi, dok legirajući elementi usporavaju oslobađanje vodika (naročito hrom i silicijum).

Pri ručnom zavarivanju obloženom elektrodom, sadržaj vodika u šavu zavisi od vrste obloge i iznosi:

- kod elektroda sa celuloznom oblogom: do - kod elektroda sa oksidnom i rutilnom oblogom; do - kod elektroda sa bazičnom oblogom: do Ukoliko se vodik nađe u oksidisanom tečnom metalu, doći će do slijedeće

reakcije:

H Iz ovih jednadžbi proizilazi da prisustvo oksigena u tečnom metalu ograni-

čava koncentraciju vodika u njemu. Utjecaj vodika na osobine šavova. Prisustvo vodika u šavu dovodi do

obrazovanja slijedećih grešaka: 1. Prštanje metala. Razlika rastvorljivosti vodika u tečnom i čvrstom metalu

dovodi do njegovog burnog izdvajanja iz rastopa. Ovo izaziva gubitke uslijed prštanja metala.

2. Obrazovanje mjehurova. Prekomjerna zasićenost rastopa gasovima ili njegovo suviše brzo očvršćavanje dovodi do obrazovanja mjehurova, u kojima se gaso - vi nalaze pod tlakom. Ovi gasovi su najčešće jedinjenje vodika H2O, H2S i CH4

FeO + 2H

, čije se obrazovanje odvija prema slijedećim reakcijama:

H Fe3C + 2H2

3. Obrazovanje “ribljih očiju”. “Riblje oči” se pojavljuju u prelomima šavova. Imaju oblik bijelih kružnih mrlja prečnika od 1 - 10 mm i teže da se obrazuju oko uključaka. “Riblje oči” obično prate mikroprsline. Na slici 4.18. prikazan je izgled “ribljeg oka” na prelomu epruvete za ispitivanje zatezne čvrstoće.

Pojava mjehurova je naročito izražena pri zavarivanju sa vlažnim elektrodama ili ako je okolina zasićena vlagom.



Slika 4.18. Izgled “ribljeg oka”

Ukoliko se zavaruje elektrodama sa vlažnom oblogom, šav će

apsorbovati veliku količinu vodika. Pošto je vodik osnovni uzrok obrazovanja “ribljih očiju”, to će se na prelomu takvog šava pojaviti “riblje oči”. Obrazovanje “ribljih očiju” moguće je samo na prelomima šavova pri ispitivanju zatezanjem na kidalici, tj. samo pri malim brzinama deformacije. Pri ispitivanju epruvete na udarnu žilavost, nikada se ne pojavljuju “riblje oči” (zbog velikih brzina deformacije). “Riblje oči” se obrazuju samo u procesu razaranja čelika i to poslije granice razvlačenja (sl. 4.19.). Prema tome, ukoliko u šavu nisu obrazovane prsline pri hlađenju, “riblje oči” ne mogu imati nepovoljno dejstvo u oblasti elastičnih deformacija.

Slika 4.19. Obrazovanje “ribljih očiju” (praćeno ultrazvukom) u

procesu razaranja čelika na kidalici.

Faktori koji utječu na odstranjivanje vodika iz šavova. Navodimo slijedeće faktore :

1. Zavarivanje sa dobro osušenim elektrodama i to sa niskovodičnim elektrodama (kao što su bazične elektrode);

2. Neprekidnim zavarivanjem šava, bez međuhlađenja; 3. Zavarivanje elektrodama velikog prečnika sa povećanom jačinom struje; 4. Termička obrada zavarenih spojeva pri temperaturama ispod γ - oblasti

(pri 600-650 0

Utjecaj vodika na mehaničke karakteristike šavova. Taj utjecaj se sastoji u slijedećem:

C).

1. Vodik izaziva povećanje osjetljivosti osnovnog materijala prema obrazovanju prslina. Poslije očvršćavanja, vodik se u čeliku nalazi u atomnom stanju. Pošto je atomni vodik nestabilan, ukoliko se nađe u zoni pogodnoj za svoje rekom - binovanje (uključci, mjehurovi, međukristalitne praznine), to će doći do njegove transformacije u molekularni vodik. Ovaj proces izaziva



jako lokalno povećanje tlaka u čeliku. Do pojave prslina dolazi ukoliko zona utjecaja topline nije u stanju da izdrži plastičnu deformaciju koja je potrebna da apsorbuje nastale sopstvene napone.

2. Vodik izaziva smanjivanje izduženja zavarene epruvete kod probe na zatezanje. Ovdje se u prelomu uvijek nalaze “riblje oči”.

3. Vodik izaziva pad žilavosti materijala šava za 20 - 25%.

4.3. PRSLINE U ZAVARENIM SPOJEVIMA Razlikujemo nekoliko naziva za prsline u zavarenim spojevima. Pod

mikroprslinama podrazumijevaju se prsline koje se mogu otkriti pod mikroskopom. Zatim, imamo prsline koje se mogu otkriti vizuelnim pregledom ili pomoću lupe. Na kraju, imamo pukotine koje predstavljaju velike prsline. Pod terminima lom ili prelom podrazumijeva se potpuno razaranje zavarenog spoja.

Na slici 4.20. prikazan je položaj prslina u sučeljenom spoju.

Slika 4.20. Položaj prslina u sučeljenom spoju

Vruće prsline pri zavarivanju Pod vrućim prslinama podrazumijevaju se kristalizacione prsline, čije

obrazovanje počinje u procesu primarne kristalizacije šava, a mogu se dalje razvijati u čvrstom stanju u toku hlađenja. To su prsline međukristalitnog tipa. Vruće prsline mogu biti u odnosu na šav uzdužne i poprečne, a mogu da se pojave i na površini šava. Šav pri očvršćavanju prolazi kroz efektivni interval kristalizacije u kome se nalazi u čvrsto -tečnom stanju. Ovaj interval se još naziva temperaturski interval krtosti, pošto u čvrsto - tečnom stanju metal ima povećanu krtost. Veličina temperaturnog intervala krtosti zavisi od hemijskog sastava šava. Pri zavarivanju dolazi do neravnomjernog zagrijavanja i hlađenja osnovnog materijala, kao i do ukliještenja zavarivanih elemenata. To otežava skraćenje šava u toku hlađenja, pa se njegovo očvršćavanje izvodi u uvjetima zatežućih napona. Zatežući naponi izazivaju plastičnu deformaciju šava, koja se povećava sa opadanjem temperature. Ukoliko u temperaturskom intervalu krtosti skraćenje šava prelazi deformacionu sposobnost metala na datoj temperaturi, doći će do obrazovanja vrućih prslina. Uvjeti za obrazovanje vrućih prslina nastaju kada se pojavi bitna razlika između stvarne deformacije i toplinske deformacije, koja bi nastala ako bi se šav skratio proporcionalno padu temperature u procesu hlađenja (sl. 4.21.).



Slika 4.21. Shema promjena deformacije u toku kristalizacije i hlađenja šava

a - početna stvarna deformacija veća od toplinske b - početna stvarna deformacija manja od toplinske

1- stvarna 2 - toplinska U toku hlađenja šav bi trebao da se skrati proporcionalno temperaturi, tj. za

α⋅T (sl. 4.21.a.). Pošto je šav okružen osnovnim materijalom, čija se temperatura stalno mijenja pod utjecajem pokretnog zavarivačkog izvora topline, to stvarna deformacija šava neće biti jednaka α⋅T.

U toku izvođenja šava, neki dijelovi osnovnog materijala će se u datom momentu skraćivati zbog hlađenja, dok će se drugi dijelovi zbog zagrijavanja širiti. Pošto je šav povezan sa osnovnim materijalom, njegova stvarna deformacija se može znatno razlikovati od toplinske deformacije α⋅T. Ukoliko je stvarna deformacija veća od toplinske deformacije α⋅T, to će šav biti izložen tlaku od strane okolnog osnovnog materijala (sl. 4.21.a.). U tom slučaju neće doći do obrazovanja vrućih prslina. Međutim, ukoliko kroz izvjesno vrijeme stvarna deformacija postane manja od toplinske deformacije α⋅T, to će šav biti izložen zatezanju od strane okolnog materijala. Vruće prsline će se ovdje obrazovati ako u šavu postoji međukristalitni sloj sa niskom granicom razvlačenja, čija je deformaciona sposob - nost manja od stvarne deformacije. Međutim, ukoliko je stvarna deformacija u početku manja od toplinske deformacije α⋅T, to će šav od strane osnovnog materijala od samog početka biti izložen zatezanju (sl. 4.21.b.). U takvoj situaciji biće moguće obrazovanje vrućih prslina u šavu. Pri zavarivanju nije moguće izbjeći pojavu zatežućih napona, ali se raznim mjerama mogu smanjiti. Na primjer, predgrijavanjem osnovnog materijala može se pomjeriti trenutak pojave zatežućih napona i smanjiti brzina njihovog povećanja i na taj način povećati postojanost šava prema obrazovanju vrćih prslina. Temperatura predgrijavanja iznosi od 150 - 500 0C a najviše zavisi od hemijskog sastava šava i debljine osnovnog materijala. Na slici 4.22. prikazana je zavisnost između kritičnog sadržaja ugljika u šavu i temperature predgrijavanja. Zatim, suviše veliko ukliještenje zavarivanih elemena - ta može se izbjeći redoslijedom izvođenja šavova, smanjivanjem broja i koncen - tracije šavova, kao i racionalnom konstrukcijom čvorova i elemenata. Na taj način postiže se smanjivanje zatežućih napona, pa samim tim i povećanje postojanosti šava prema obrazovanju vrućih prslina.



Slika 4.22. Zavisnost između kritičnog sadržaja ugljika u šavu i temperature

predgrijavanja To ( ψu

Hemijski sastav šava bitno utječe na sastav međukristalnog sloja, pa samim tim i na postojanost šava prema obrazovanju vrućih prslina. Sumpor u obliku sulfida željeza (FeS) obrazuje po granicama zrna lahkotopljiv eutektikum Fe + FeS, čija je temperatura topljenja 985

= 4)

0C. To povećava sklonost šava ka obrazova - nju vrućih prslina. Mangan, koji ima veći afinitet prema sumporu nego prema željezu, vezuje sumpor u teškotopljiv sulfid mangana (MnS) globularnog oblika, pa na taj način povećava postojanost šava prema obrazovanju vrućih prslina. Na slici 4.23. prikazan je utjecaj sumpora na pojavu vrućih prslina u zavisnosti od sadržaja ugljika i mangana u čeliku (Pogodin - ov dijagram). Iz slike 4.23. se vidi da se pri zavarivanju čelika sa 0,10% ugljika, može dopustiti koncentracija sumpora do 0,08% pri 0,6% mangana a da ne dođe do obrazovanja vrućih prslina. Međutim, za čelik sa 0,14% ugljika, maksimalno dozvoljena koncentracija sumpora iznosit 0,05%. Iz slike 4.23. proizilazi da porast sadržaja sumpora i ugljika u čeliku povećava, dok porast sadržaja mangana smanjuje sklonost ka obrazovanju vrućih prslina. Na obrazovanje vrućih prslina utječe i silicijum, mada u manjoj mjeri nego ugljik i sumpor. Vruće prsline se mogu obrazovati i u zoni utjecaja topline. I ovdje je uzrok obrazovanja prslina lahkotopljiv sloj po granicama zrna. Pri tome je sitnozrnasta struktura postojanija prema obrazovanju vrućih prslina nego krupno - zrnasta

struktura, zbog veće ukupne površine zrna. Slika 4.23.



Utjecaj sumpora na pojavu vrućih prslina u zavisnosti od sadržaja ugljika i mangana u čeliku.

Na pojavu vrućih prslina utječe i oblik šava odnosno pravac rasta stubiča - stih kristalita. Povećanje koeficijenta oblika uvara do određene veličine (oko 5) dovodi do povećanja postojanosti šava prema obrazovanju vrućih prslina, dok dalje njegovo povećanje dovodi do opadanja te postojanosti. Na slici 4.24. prikazana je zavisnost između kritičnog sadržaja ugljika u šavu i koeficijenta oblika uvara ψu

Pri izvođenju prvog sloja kod višeslojnih šavova i K - šava, dolazi do obrazovanja šavova sa malim koeficijentom oblika uvara (sl. 4.25.). Ovakvi šavovi imaju malu postojanost prema obrazovanju vrućih prslina.

pri zavarivanju pod praškom ugljičnih konstukcijskih čelika.

Slika 4.24. Zavisnost između kritičnog sadržaja ugljika u šavu i koeficijenta oblika uvara

ψu

Postojanost šava prema obrazovanju vrućih prslina može se povećati usitnjavanjem primarne strukture. Na taj način se, zbog povećanja ukupne površine zrna, smanjuje koncentracija štetnih primjesa po njihovim granicama. Najpodesniji način za usitnjavanje primarne strukture predstavlja unošenje modifikatora (npr. titana) u rastop preko obloge

elektrode ili keramičkog praška. Slika 4.25.

Prvi sloj kod višeslojnih šavova i K - šava.

.

Poboljšanje uvjeta izvođenja prvog sloja može se postići povećanjem ugla otvora žlijeba α i smanjivanjem zatupljenja korijena žlijeba h.

Prsline u završnom krateru. Na slici 4.26. prikazana je shema obrazovanja prslina u završnom krateru šava. Kada se pri ručnom zavarivanju obloženom elektrodom elektroda naglo ukloni, obrazuje se udubljenje



nazvano završni krater. Ukoliko je razmak između limova S1 (sl. 4.26.) veći od 4 - 5 mm, postoji velika opasnost da se obrazuje prslina u završnom krateru. Najefikasniji način za spreča - vanje pojave prslina u završnom krateru sastoji se u smanjivanju razmaka S1

Slika 4.26. Shema obrazovanja prslina u završnom krateru.

4.3.1. Hladne prsline pri zavarivanju Hladne prsline se obrazuju u zavarenim spojevima pri hlađenju ispod 200

i u popunjavanju kratera dodatnim materijalom vraćenjem elektrode.

0

Obrazovanje sopstvenih napona. Pri zavarivanju dolazi do obrazovanja sopstvenih napona, koji se ne mogu izbjeći. Zatim, strukturne transformacije dovode do obrazovanja lokalnih napona. U prisustvu vodika,

C, dok se njihovo širenje može nastaviti dugo poslije zavarivanja. Pojavljuju se u šavu a najčešće u zoni utjecaja topline. Prema svom položaju u odnosu na šav, dijele se na uzdužne i poprečne. Hladne prsline počinju da se obrazuju po granicama zrna a zatim se šire kroz zrna ili po granicama zrna. Mogu se širiti sporo ili trenutno. Na obrazovanje hladnih prslina utječu: zakaljivanje zone utjecaja topline, prisustvo vodika i sopstveni naponi.

Zakaljivanje zone utjecaja topline. Pri velikim brzinama hlađenja u toku procesa zavarivanja, dolazi do obrazovanja martenzita u zoni utjecaja topline zakaljivih čelika. Tada će, zbog naglog smanjivanja rastvorljivosti, vodik ostati zarobljen u martenzitnoj rešetki. To će povećati krtost martenzita. Zatim, trans - formacija austenita u martenzit praćena je povećanjem volumena zrna, što izaziva pojavu lokalnih naprezanja materijala. Naponsko stanje se komplikuje obrazova - njem sopstvenih napona nastalih kao posljedica zavarivanja. Svi navedeni faktori dovode do obrazovanja hladnih prslina.

Prisustvo vodika. Vodik dospijeva u šav u toku procesa zavarivanja, a zatim iz šava difunduje u zonu utjecaja topline. Skupljajući se u mikrošupljinama, atomarni vodik prelazi u molekularni, stvarajući veliki lokalni tlak. Ukoliko tako nastali naponi prelaze čvrstoću osnovnog materijala, dolazi do obrazovanja prslina. Prema tome, porast sadržaja vodika u šavu dovodi do smanjivanja postojanosti zone utjecaja topline prema obrazovanju hladnih prslina.



navedeni naponi povećavaju krtost zone utjecaja topline. Zona utjecaja topline je već pri kraju strukturnih transformacija izložena složenom naponskom stanju (sl. 4.27.). U zoni utjecaja topline po dužini šava djeluje tlačni napon σ1, dok poprečno na šav djeluje zatežući napon σ2. Pri takvim uvjetima se na granici zrna, pod kutem od 450

Slika 4.27. Shema nastajanja prsline po granicama zrna u zoni utjecaja topline

4.3.2. Postupci za sprečavanje obrazovanja prslina

Za sprečavanje obrazovanja prslina u zavarenim spojevima koriste se slije

prema uzdužnoj osi šava, pojavljuju znatni smičući naponi. Takvo naponsko stanje dovodi do obrazovanja početne prsline, koja zatim nastavlja da se širi. Po pravilu, početak obrazovanja hladnih prslina povezan je sa granicama krupnih zrna.

1. Upotreba niskovodičnih elektroda (npr. Bazičnih elektroda) i to sa većim prečnikom elektrode. Najbolje je koristiti elektrode koje su osušene pri 300 - 400 0

2. Upotreba austenitnih elektroda tipa 18% Cr - 8% Ni. Pri zavarivanju sa ovim elektrodama, veća rastvorljivost vodika u austenitnom materijalu šava zadržava vodik da ne difunduje u zonu utjecaja topline.

C.

3. Predgrijavanje osnovnog materijala smanjuje brzinu hlađenja. To je najefikas - niji postupak za sprečavanje obrazovanja prslina u zoni utjecaja topline. Pred - grijavanjem osnovnog materijala postiže se slijedeće: strukturna transformacija se pomjera ka ravnotežnim strukturama; smanjuju se lokalna naprezanja izazvana strukturnim transformacijama; olakšava se difuzija vodika iz šava. Na slici 4.28. prikazana je veza između tvrdoće u zoni utjecaja topline (odn. obrazovanja martenzita) i predgrijavanja. Ukoliko je veći sadržaj ugljika u čeliku, odnosno ukoliko je čelik više legiran, utoliko je potrebno osnovni materijal predgrijati na višu temperaturu, kako bi se izbjeglo zakaljivanje i obrazovanje prslina u zoni utjecaja topline.

Slika 4.28. Promjena tvrdoće u zoni utjecaja topline



1 - bez predgrijavanja; 2 - sa predgrijavanjem do 200 0

Sklonost osnovnog materijala ka obrazovanju prslina ne zavisi samo od brzine hlađenja. Brzina prolaska kroz temperaturni interval između 150 i 120

C. Kod kratkih šavova (pri montažnom pripajanju elemenata) postoji velika

opasnost od obrazovanja prslina. Ovdje mala količina unijete topline dovodi do velikih brzina hlađenja. Zbog toga, kratki šavovi treba da imaju dužinu najmanje 2 - 3 cm.

0

Slika 4.29. Utjecaj brzine hlađenja na obrazovanje prslina.

Krive na slici 4.29. prikazuju slijedeće:

1 - φ 3,2 mm (ima prslina); 2 - φ 5 mm (ima prslina); 3 - φ 5 mm sa predgrijavanjem do 100

C takođe utječe na obrazovanje prslina u osnovnom materijalu. Na slici 4.29. prikazan je utjecaj brzine hlađenja na obrazovanje prslina.

0C (nema prslina); 4 - φ 6 mm (ima prslina).

Pošto debljina osnovnog materijala bitno utječe na brzinu hlađenja, to ona

utječe i na obrazovanje strukture kaljenja u zoni utjecaja topline. Kako je

već navedeno, struktura kaljenja može da dovede do obrazovanja prslina

u zoni utjecaja topline.



4.4. ODREĐIVANJE TEMPERATURE PREDGRIJAVANJA PREMA METODI BWRA

Britansko naučno - istraživačko društvo za izučavanje tehnike zavarivanja

(British Welding Research Assotiation) razvilo je postupak za određivanje tempe - rature predgrijavanja pri ručnom zavarivanju obloženom elektrodom ugljičnih i niskolegiranih čelika. Postupak određivanja temperature predgrijavanja je slijedeći:

1. Hemijski sastav čelika izražava se ekvivalentnim ugljikom:

101520

VMoCrNiMnCCekv++

+++= %

Ovom ekvivalentnom ugljiku odgovara pokazatelj zavarljivosti čelika označen slovima A, B, C, D, E, F i G, koji je prikazan u tablici 4.2.

2. Oblik spoja i debljina osnovnog materijala označavaju se sa brojem termičke strogosti (BTS), koji je prikazan u tablici 4.3. Broj termičke strogosti (BTS) dobija se množenjem broja pravaca odvođenja topline sa srednjom debljinom osnovnog materijala podijeljenom sa 6. U tablici 4.3. za osnov je uzeta debljina osnovnog materijala od 6 mm.

Tablica 4.2. Pokazatelji zavarljivosti čelika Ekvivalentni ugljik C

Pokazatelj zavarljivosti čelika ekv

Pri zavarivanju rutilnim elektrodama

Pri zavarivanju bazičnim elektrodama

do 0.20 0.21 do 0.23 0.24 do 0.27 0.28 do 0.32 0.33 do 0.38 0.39 do 0.45 iznad 0.45

do 0.25 0.26 do 0.30 0.31 do 0.35 0.36 do 0.40 0.41 do 0.45 0.46 do 0.50 iznad 0.50

A B C D E F G

U tablici 4.4. navedene su minimalne temperature predgrijavanja osnovnog

materijala u zavisnosti od broja termičke strogosti, pokazatelja zavarljivosti čelika i prečnika elektrode koja će biti korišćena pri zavarivanju.

Tablica 4.3. Funkcionalna zavisnost termičke strogosti (BTS) u ovisnosti od debljine materijala



Tablica 4.4. Minimalne temperature predgrijavanja u fukciji (BTS)

Broj termičke strogosti (BTS)

Pokazatelj zavarljivosti

čelika

Minimalna temperatura predgrijavanja osnovnog materijala u ( oC ) Prečnik elektrode u ( mm )

3.2 4 5 6 8

2 D 0 E 50 F 125 25

3 C 0 D 75 E 100 25 F 150 100 25

4 C 50 D 100 25 E 125 75 F 175 125 75

6

B 50 C 100 25 D 150 100 25 E 175 125 75 F 225 175 125 75

8

A 25 B 75 25 C 125 75 25 D 175 125 75 E 200 150 125 50 25 F 225 200 175 125 50

12

A 75 25 B 125 75 25 C 150 125 75 D 200 175 125 75 E 225 200 175 100 50 F 250 225 200 150 125

16

A 75 25 B 125 75 50 C 175 150 125 50 25 D 200 175 175 125 50 E 225 200 200 150 100 F 250 250 225 200 150

24 A 75 25 B 125 75 50 25 C 175 150 125 75 25



D 200 175 175 125 100 E 225 200 200 175 150 F 250 250 225 200 200

4.5. KRISTALIZACIJA I PROCESI U ZONI UTJECAJA TOPLINE Ovdje su prikazane strukturne transformacije u različitim zonama zavare -

nog spoja iz više vrsta čelika: promjene veličina zrna i vrste novih struktura koje nastaju pri fizičko - hemijskim transformacijama.

U ovom poglavlju ćemo razmotriti promjene struktura zavarenih spojeva u cjelini i definirati ćemo procese obrazovanja struktura koje kristališu pri hlađenju počev od tečnog metala (materijal šava) ili struktura prekristalizacije u čvrstom stanju (osnovni materijal).

4.5.1. Struktura materijala šava

Posmatrajmo u Fe-C dijagramu (slika 4.30.) dva čelika, jedan podeutekto -

idni ( C = 0 , 6 0 %, o zna čen sa I ), a drug i nadeutekto idni ( C = 1 % ), dovedena u tečno stanje (Tt < 1500 0

Pri temperaturi razlaganja austenita u podeutektoidnom čeliku I u tački c prvo se izlučuje ferit ili α - željezo, čime se stvaraju zrna ferita; poslije toga se izlučuje cementit po liniji ES, obrazujući perlitni agregat.

C) i pustimo ih da se lagano hlade. Pri prelasku krive likvidusa u tačkama d i e, prve klice kristalizacije se pojavljuju pri koncentraciji ugljika od 0,25 % za čelik I (tačka a) i 0,40 % C za nadeutektoidni čelik. Broj obrazovanih klica saglasno zakonu Tammann-a određen je, s jedne strane, brojem klica koje se obrazuju pri datoj temperaturi, a s druge strane, brzinom rasta γ - kristala koja zavisi od date brzine hlađenja. U oblasti tečna faza + γ - čvrsti rastvor, povećanjem količine γ - čvrstog rastvora po linijama dd’ i ee’ koncentracija ugljika se povećava. U tačkama d’ i e’ na krivoj solidusa, sadržaj ugljika u čvrstoj fazi iznosi 0,60 % za čelik I i 1% za nadeutektoidni čelik.

Obrazovanje primarnih γ - kristala u oblasti likvidus - solidus (tečno - čvrsto stanje) karakteriše se dendritnim poretkom, pri čemu se svaki dendrit može posmatrati kao kristalografska cjelina. Ako prihvatimo prema Beljajevu, nastajanje obrazovanja primarnih kristala u oblasti iznad područja γ - čvrstog rastvora, onda se za vrijeme hlađenja, oko svakog dentrita javlja veliki broj zrna γ, ili zrna austenita.



Slika 4.30. Dijagram stanja ugljičnih čelika

U podeutektoidnom čeliku, veoma sporo hlađenom do sobne temperature, zapažaju se dva sastojka: α - ferit u obliku polja ili mreže, i perlit (Feα - Fe3

Vidi se da između dimenzija γ i α zrna postoji određena uzajamna zavisnost: krupno γ- zrno daje krupno α- zrno, a ako je zrno γ - željeza sitno, onda se obrazuje sitnozrno α - željezo. Ako postoji uzajamni odnos ne postoji sličnost, tj. α - zrno ne predstavlja tačnu sliku γ - zrna. Nasuprot tome, cementitna mreža u nadeutektoidnim čelicima potpuno tačno karakteriše veličinu γ - zrna. Za određiva- nje veličine austenitnog zrna neophodno je potrebno prisustvo cementitne mreže po granicama zrna; u ovom cilju, čelik se podvrgava cementaciji na temperaturama austenitnizacije (proba Mak Kejd - En

C). Razlaganje austenita u nadeutektoidnom čeliku započinje u tački f sa

izlučivanjem cementita; proces obrazovanja perlita koji sleduje ovom izlučivanju analogan je prethodnom slučaju. Poslije hlađenja, posmatranjem pod mikrosko - pom, poslije odgovarajućeg nagrizanja izbruska, vidi se cementitna mreža po granicama perlitnih zrna.

U tako ohlađenom čeliku sa razvijenim zrnima ferita struktura će biti gruba i pri određenoj kristalnoj orijentaciji takvu strukturu nazivamo Vidmanštetenovom. Ovu strukturu ćemo kasnije detaljnije proučiti. Ako se sada ova livena struktura ponovnim zagrijavanjem prevede u oblast γ - čvrstog rastvora pri prelazu linije transformacije GS javiće se mnoštvo sitnih γ zrna, pa ćemo pri hlađenju do sobne temperature, pošto je transformacija γ → α reverzibilna, - ponovo naći strukturu sitnozrnog ferita združenu sa perlitnim agregatom.

1). Razmotrimo sada proces očvršćavanja čelika III čiji je sadržaj ugljika oko

0,10 %, što je često slučaj pri upotrebi zavarljivih čelika spajanih plinskim ili elektrolučnim zavarivanjem (slika 4.30.)

Pri prelazu likvidusa u g, izlučene klice su kristali δ - željeza, sa veoma niskom koncentracijom ugljika (C < 0,05%); klice se obogaćuju ugljikom do 0,07% pri temperaturi od 1 490 0C. Peritektična transformacija, do koje dolazi pri ovoj temperaturi, javlja se kao rezultat uzajamnog dejstva δ - željeza sa tečnom fazom B sa 0,55% ugljika, kojom prilikom se obrazuje čvrst rastvor γ - željeza. Između 1 490 0C i tačke g’ (1 450 0C) jednovremeno su prisutne dvije faze δ + γ, koje pri prelazu linije NJ obrazuju jednofaznu austenitnu strukturu, ili zrna γ.

Proces kristalizacije koji slijedi identičan je procesu u slučaju podeutektoidnog čelika, to jest, u tački k na liniji GS pri temperaturi od oko 870 0

U čvrstom stanju, pri prelazu linije GP, dolazi do izlučivanja tercijarnog cementita. Takvu strukturu možemo često sresti u šavovima, kako u stanju neposredno poslije zavarivanja, tako i u termički obrađenom stanju. Strukture šavova, dobijene plinskim i elektrolučnim zavarivanjem, su

C, takođe nastupa izlučivanje feritne faze a iz nje zrna ferita α. Ako je sadržaj ugljika u čeliku manji od 0,05 %, onda tečna faza neposredno prelazi u δ - željezo, a transformacija δ → γ se odvija po liniji NJ.

1 Mc Quaid Ehn; ova je proba standardizovana u SAD ( prim.Prev. )



različite. Pri elektro - lučnom zavarivanju količina metala jednovremeno dovedena u tečno stanje, veoma je mala, brzina hlađenja je veoma velika i, u zavisnosti od debljine metala, ona može da dostigne 1500 0C do 1600 0C/min. Primarna struktura je krupnozrna, dendritna, sa jasnom orijentacijom i naziva se bazaltnom strukturom. Ova struktura se ne mijenja zagrijavanjem ispod tačke A3, ali se ona može usitniti žarenjem prelaskom u stanje γ. Usljed toga u zoni rastapanja elektrolučno zavarenog šava, prvi korijeni zavari i središni zavari imaju sitnozrnu, pravilnu strukturu bilo sa obrazovanjem perlita po granicama zrna, bilo sa izlučivanjem tercijarnog cemen - tita, samo površinski sloj ima bazaltnu strukturu.

U zoni rastapanja (materijala šava), pri oksiacetilenskom zavarivanju, koje se obično vrši u jednom sloju, količina jednovremeno rastaljenog materijala je mnogo veća, brzine hlađenja su znatno manje (Vm = 350 0

Termički ciklus zavarivanja stvara u svakoj tački osnovnog materijala stacionarno toplinsko stanje, koje je određeno maksimalnom dostignutom temperaturom T

C/min), dobijena struktura je krupnozrna, bez neke određene orijentacije sa kristalima nepravilnog oblika po cijelom presjeku šava.

4.5.2. Transformacije u osnovnom materijalu

m i brzinom hlađenja Vm

Raspored temperaturnih zona u zavarenom spoju iz čeličnog lima debljine 10 mm

pri oksiacetilenskom zavarivanju. T

(slika 4.31.). Slika 4.31.

m: minimalno dostignuta temperatura; Vm:

minimalna brzina hlađenja u 0C/min. Transformacije u datom osnovnom materijalu zavise od ova dva faktora

(Tm, Vm) i zbog toga treba razmatrati različite zone: Zona pregrijavanja - neposredno uz granicu rastapanja (T > 1100 0C), u kojoj

dolazi do pretjeranog porasta zrna. Zona žarenja - temperature između 900 0C i 1000 0C, u kojoj dolazi do

usitnjenja strukture.



Zona transformacije (zona pod utjecajem topline) između A1 i A3 (720 0C do 910 0

Slika 4.32. Utjecaj temperature na porast zrna

U ovoj zoni mogu doći do izražaja sekundarni procesi: obrazovanje

tercijarnog cementita, izlučivanje nitrida gvožđa (Fe

C) - koja se karakteriše temperaturama nižim od temperatura u zoni žarenja.

4N), itd. Najzad osnovni materijal koji nije izmijenjen, za temperature ispod A1 (720

0C). Razmotrimo sada detaljnije strukturne transformacije u ovim zonama.

Kada se čelik lagano zagrije od sobne temperature do temperature iznad tačke A3, neće se zapaziti nikakva vidna promjena u sitnozrnoj strukturi sve do izvjesne temperature Ti (slika 4.32.) a zatim neka zrna počinju da rastu pa dolazi do obrazovanja mješovite strukture sa krupnim i sitnim zrnima. Počev od ovog momenta, pri daljem povišenju temperature krupna zrna počinju da apsorbuju sitna i procentualna količina krupnih zrna se ravnomjerno povećava. Temperatura Ts, pri kojoj se struktura sastoji samo iz krupnih zrna, naziva se temperaturom pregrija - vanja.

Temperatura uostalom nije jedini faktor koji utječe na porast zrna. Počev od temperature Ti

Združeni utjecaj ova dva faktora, za jedan sasvim niskougljični čelik, prikazan je na dijagramu na slici 4.33. Vidi se da se za temperaturu od 1200

, pri konstantnoj temperaturi, veličina zrna raste s vremenom, a ovaj porast je utoliko brži ukoliko se više približavamo temperaturi pregrijavanja.

0C potpuno pregrijavanje dostiže tek poslije osam sahata, dok je pri temperaturi od 1300 0C potrebno dva sahata.



Slika 4.33. Utjecaj temperature i vremena zagrijavanja na porast zrna

Pri temperaturama ispod 1200 0

a) U zoni rastapanja (materijal šava) temperatura dostiže tačku topljenja a brzine hlađenja su reda 350 - 400

C, pri bilo kojoj dužini vremena zagrija - vanja, obrazuju se samo mješovite strukture, koje se sastoje kako iz krupnih, tako i iz sitnih zrna.

4.5.3. Fizikalno - hemijske promjene 1. Oksiacetilensko zavarivanje Očevidno je da priroda obrazovnih struktura pri oksiacetilenskom zavari -

vanju za datu vrstu čelika, zavisi na prvom mjestu od debljine limova; toplinski ciklus zavarivanja je uglavnom određen ovim parametrom. Razmotrimo šta se dešava u raznim zonama zavarenog spoja (slika 4.31.) za slučaj kada je debljina lima 10 mm:

0

b) U zoni pregrijavanja osnovnog materijala, koja se nalazi na nekoliko milimetara od ose šava, dostignute temperature su još uvijek vrlo visoke (1100 do 1500

C/min. To je oblast maksimalnog kaljenja; ali problem se komplikuje superpozicijom hemijskih transformacija, naročito za obične čelike usljed gubitka korisnih elemenata: ugljika, mangana, silicija. Zbog toga je ova zona često manje zakaljena nego susjedne zone osnovnog materijala.

0C) a hlađenje veoma brzo (brzina hlađenja 200 do 300 0

c) U zoni zagrijavanja, podvrgnutoj dejstvu temperatura nešto iznad 900

C/min). Toplinsko, neminovno dolazi do porasta zrna i znatne strukturne transfor - macije uslijed kaljenja, čija priroda zavisi od vrste čelika. U ovoj zoni nema hemijskih promjena.

0C, koja se zove još i zona žarenja, metal teži normalizovanoj strukturi, sa usitnjenim zrnom, ali ova transformacija ne može biti potpuna obzirom da je brzina hlađenja još uvijek velika (170 do 200 0

d) U zoni pod utjecajem topline, koja se prostire u temperaturnom intervalu A

C/min).

1 - A3 (720 do 900 0

2. Elektrolučno zavarivanje Dostignute temperature u različitim zonama transformacije, uvjetuju, u

slučaju elektrolučnog zavarivanja, znatno veće brzine hlađenja, što izaziva energič- nije kaljenje metala.

Praktično, različite zone su skoncentrirane u veoma maloj zapremini i prostiru se na 4-5 mm od ivice žlijeba, nezavisno od debljine limova. Ovo proizilazi iz samog postupka elektrolučnog zavarivanja koji se izvodi u više malih zavara koji teže da normalizuju strukturu donjih slojeva (usitnjenje zrna).

Nanošenje slijedećih zavara utječe, u izvjesnoj mjeri, na strukture zona transformacije osnovnog materijala.

C), promjene mogu imati različit vid, najčešće može nastupiti globulizacija lamelarnih agregata sa tendencijom ka koagulaciji bez bitne promjene feritnih zrna. Ova oblast zone pod utjecajem topline se proteže na rastojanju 20 - 25 mm od ose šava.



3. Zavarivanje električnim otporom Ako, u postupcima spajanja taljenjem, pri jednoj te istoj debljini metala,

izvjesni faktori ostaju u znatnoj mjeri konstantni, pri zavarivanju otporom parametri mogu da variraju u mnogo širim granicama.

S druge strane, mašine za zavarivanje otporom u stanju su da ostvare vrlo različite režime, sa predgrijavanjem i termičkom obradom poslije zavarivanja.

Makrostruktura zavarene tačke u srednjem presjeku, upravnom na zavare - ne limove, karakteriše se, prije svega, oblikom tačke, tj. više ili manje deformisa - nom elipsom. U najprostijem slučaju, zavarena tačka u obliku “sočiva” ima dvije ose simetrije: veliku osu koja se poklapa sa linijom dodira dva lima i malu osu, koja se poklapa sa osom elektroda upravnom na površinu limova (4.34.).

Ovaj eliptični oblik javlja se kao posljedica karaktera raspodjele topline pri tačkastom zavarivanju.

Slika 4.34. Shematski prikaz termičke raspodjele pri tačkastom zavarivanju,

koja objašnjava sočivasti oblik zavarene tačke 4.5.4. PRAKTIČNE POSLJEDICE Karakter kristalizacije i priroda transforamcija bitno utječu na mehaničke

osobine zavarenih spojeva; na primjer, pojava Vidmanštetenove strukture je poka - zatelj krtosti čelika; vrlo sitnozrna struktura elektrolučno zavarenih šavova poveća- va deformacionu sposobnost čelika (izduženje, udarna žilavost, suženje).

Kao druga praktična posljedica primarne kristalizacije javlja se obrazova - nje usahlina, koje je često praćeno, u većoj ili manjoj mjeri, razvijanjem prslina u završnom krateru šava. Ova pogreška se naročito često javlja pri



ručnom elektro - lučnom zavarivanju kratkim zavarima, kada rastojanje u korijenu šavova prelazi jednu određenu vrijednost.

Izučavanje raspodjele topline u zavarenim spojevima, koje je izvršeno sa profesorom Portvenom omogućilo je postavljanje grafičke zavisnosti Tm = ψ (Vm

Slika 4.35. Združene krive raspodjele topline (oksiacetilenski i elektrolučno zavareni spojevi) sa “karakterističnim krivama kaljenja” nikl - hrom kaljivog čelika.

Razgraničenje zona pod utjecajem topline osnovnog materijala.

5. ZAVARIVAČKI MATERIJALI

OSNOVE O METALIMA

), koja određuje maksimalnu brzinu hlađenja i temperature dostignute u svakoj tački zavarenog spoja pri plinskom ili električnom zavarivanju (slika 4.35.).



U stručnoj literaturi postoji mnogo definicija pojma metal, mada se u suštini sve te definicije svode na isto. Tako se u hemiji pod metalima podra - zumijeva određena grupa elemenata, raspoređena u lijevom dijelu Mendeljejevog sistema. Elementi te grupe, stupajući u hemijsku reakciju sa elementima, poznatim pod nazivom kao nemetali, odaju pomenutim svoje spoljašnje, takozvane valentne elektrone. To se događa zbog toga što u metalu spoljašnji elektroni nisu čvrsto povezani sa jezgrom. Osim toga, na spoljašnjim elektronskim ljuskama metala nalazi se malo elektrona (svega 1 do 2), dok u nemetala ih ima daleko više (5 do 8). Svi elementi raspoređeni u Mendeljejevom sistemu lijevo od galijuma, indijuma i talijuma su metali, a oni, raspoređeni desno od arsena, antimona i bizmuta su nemetali.

Elementi raspoređeni u prelaznim grupama mogu pripadati metalima (olovo, kalaj, antimon, indij, talij, bizmut), nemetalima (ugljik, azot, fosfor, arsen, kisik, sumpor), ili zauzimati središnji (prelazni) položaj (galij, silicij, germanij, selen, telur).

U tehnici se pod metalom podrazumijevaju materije koje posjeduju karak - terističan metalni sjaj, u određenoj mjeri prisutan kod svih metala, i plastičnost. Prema tom obilježju metali se lahko razlikuju od nemetala, npr. Drveta, kamena, stakla ili porculana.

V.M. Lomonosov je definirao metale kao svijetla tijela, koja je moguće kovati. Tim osobinama raspolažu ne samo čisti elementi (npr. željezo, bakar, aluminijum i dr.), već i složenije materije, u čiji sastav može ulaziti više metala, često sa primjesama znatnih količina nemetala. Takve supstance nose naziv metal - ne legure.

Prema tome, u širem tumačenju, metalne legure se mogu takođe nazvati metalima.Osim metalnog sjaja i plastičnosti, svi metali posjeduju visoku električnu i toplinsku provodljivost.

Na osnovu prethodno izloženog, može se zaključiti da postoji određena razlika u shvatanjima metala kao čistog hemijskog elementa i metala kao supstan - ce, ali i jedna i druga definicija uslovljene su specifičnostima unutrašnje građe atoma metalnih supstanci, koja je ista u čistim metalima i njihovim legurama.

Specifičnost građe metalnih supstanci sastoji se u tome, da su sve one, uglavnom, sastavljene od takvih atoma, u kojima su spoljašnji elektroni slabo povezani sa jezgrom. To uslovljava i posebni karakter hemijskog uzajamnog djelovanja atoma metala, kao i metalne osobine. Elektroni imaju negativno punjenje, pa je dovoljno da se stvori mala razlika potencijala da bi došlo do premještanja elektrona u smjeru prema pozitivno napunjenom polu. Tako se obrazuje električna struja. Zbog toga se metali pojavljuju kao dobri provodnici električne struje, a nemetali kao loši.

Karakteristična električna osobina metala je i ta, što sa povećanjem tempe - rature kod svih (bez izuzetaka) električna provodljivost se umanjuje.

Pri hemijskom uzajamnom djelovanju između metala i nemetala spoljašnji elektroni atoma metala prelaze prema atomima nemetala. Atom metala se pri tome preobražava u pozitivni jon, a atom nemetala u negativni jon.

Prema tome, slaba veza spoljašnjih elektrona sa jezgrom uslovljava hemij - ske i fizičke osobine metala.

Na osnovu prethodno pobrojanih specifičnosti metala i njihovih legura, može se zaključiti da isti imaju karakterističnu kristalnu strukturu. U određenim mjestima kristalne rešetke raspoređuju se pozitivno napunjeni joni, a spoljašnji slobodni elektroni obrazuju lahko tečljivu tečnost (elektronski gas), koja se kreće u svim



pravcima bez određenog reda. Pri određenim uvjetima, npr., pri stvaranju razlike potencijala, kretanje elektrona dobija određeni smjer i pojavljuje se elektri - čna struja.

U teoriji metalnog stanja metal se razmatra kao supstanca, sastavljena od pozitivno napunjenih jona, okruženih negativno napunjenim česticama-elektroni - ma, slabo povezanim sa jezgrom. Ti elektroni se neprekidno premještaju unutra metala i ne pripadaju ni jednom atomu, već cjelokupnosti atoma.

Na taj način, kao karakteristična specifičnost kristalne strukture metala pojavljuje se prisustvo elektronskog gasa unutra metala, slabo povezanog s poziti - vno napunjenim jonima. Lahko premještanje tih elektrona unutra metala i slaba njihova veza sa atomima daju metalima određene metalne osobine (visoka elektri - čna i toplinska provodljivost, metalni sjaj, plastičnost i dr.).

PODJELA METALA

Metali se međusobno razlikuju prema strukturi i osobinama. Pored toga, metale je

moguće po određenim obilježjima objediniti u grupe (tabela 5.1.).

Tabela 5.1. Podjela metala Napominje se da se data podjela (prema A.P. Guljaevu) ne slaže sa uobičajenom,

prema kojoj se pod crnim metalima podrazumijevaju željezo i njegove legure, a pod obojenim svi ostali metali.

Shodno podjeli po A.P. Guljaevu, svi metali se mogu podijeliti na dvije



Crni metali imaju tamnosivu boju, veliku zapreminsku masu (osim alkal - nozemnih), visoku temperaturu topljenja, relativno visoku tvrdoću i, u mnogim slučajevima, posjeduju polimorfizam. Kao najtipičniji metal te grupe pojavljuje se željezo.

Obojeni metali, prije svega, imaju karakterističnu boju: crvenu, žutu, bijelu. Posjeduju veliku pla Crni metali se sa svoje strane mogu podijeliti na s 1. Željezni metali, gdje spadaju željezo, kobalt, nikal (takozvani feromagnetici) i

mangan, koji je blizak prethodnim po osobinama. Kobalt, nikal i mangan se često primjenjuju kao dodaci legurama željeza, a takođe u ulozi osnove za odgovarajuće legure, slične po osobinama visokolegiranim čelicima.

2. Teško topljivi metali, čija je temperatura topljenja viša nego željeza tj. iznad 1539 0

3. Uranovi metali (aktinoidi) prvenstveno se primjenjuju u legurama za atomsku energetiku.

C), primjenjuju se kao dodaci legiranim čelicima, a takođe u ulozi osnove za odgovarajuće legure.

4. Rijetko zemni metali obuhvataju lantan, cerij, neodij, prazeodij i dr., objedi - njene pod nazivom lantanoida, i, sa njima po osobinama, intrij i skandij. Ti metali imaju vrlo bliske hemijske osobine, ali dosta različite fizičke (tempera - tura taljenja i dr.). Oni se primjenjuju kao dodaci legurama drugih elemenata. U prirodnim uvjetima susreću se zajedno i, zbog teškoća razdvajanja na zaseb - ne elemente, za dodavanje se obično koristi legura koja sadrži 40 do 45% cerija i 45 do 50% svih drugih rijetkozemnih elemenata.

5. Alkalno zemni metali u slobodnom metalnom stanju se ne primjenjuju, izuzev u specijalnim slučajevima (npr., u ulozi toplonoša u atomskim reaktorima).

Obojeni metali se dijele na: 1. Lahki metali (berilij, magnezij, aluminij), koji posjeduju malu zapreminsku

masu. 2. Plemeniti metali, u koje spadaju: srebro, zlato i metali platinske grupe (platina,

paladij, iridij, radij, osmij i rutenij). U njih može da spada i “poluplemeniti” bakar. Posjeduju visoku otpornost prema koroziji.

3. Lahko topljivi metali obuhvataju: cink, kadmij, živu, olovo, kalaj, bizmut, talij, antimon i elemente sa oslabljenim metalnim osobinama (galij, germanij).

Primjena metala određena je njihovom rasprostranjenošću u prirodi, a sa istorijskog aspekta razvojem tehnike.

U stvarnosti, glavni udio po proizvodnji i primjeni ima željezo legure čelika. To je povezano sa nizom razloga: mala cijena, najbolje mehaničke osobine, mogućnost masovne proizvodnje i velika rasprostranjenost njegovih ruda u prirodi.

Bez obezbjeđenja čelika u potrebnoj količini ne može se razvijati ni jedna industrijska grana. Zato se obim proizvodnje čelika uzima kao važan pokazatelj tehničke i ekonomske moći zemlje.

5.1. ŽELJEZO

Željezo i legure na njegovoj osnovi, a među njima i čelik, odlikuju se kristalnom

strukturom, koja se karakteriše određenim, zakonskim rasporedom atoma u porastu. Kristalna struktura se može predstaviti u obliku prostorne rešetke, u čijim



čvorovima su raspoređeni atomi. Ustvari, u čvorovima kristalne rešetke nijesu raspoređeni atomi, već pozitivno naelektrisani joni, a između njih se kreću slobodni elektroni. Međutim, uobičajeno je da se govori da se u čvorovima kristalne rešetke nalaze atomi. Svaki atom (jon) ima isti broj susjednih atoma, koji su raspoređeni na podjednakom rastojanju od njega.

Obično željezo, kao i svaki drugi metal, nikada nije apsolutno čisto, već uvijek sadrži primjese. Danas se najčešće koristi takozvano tehničko željezo, koje se proizvodi u velikim količinama u martinovskim pećima. Ono sadrži približno 99,8 do 99,9% željeza i 0,1 do 0,2% primjesa, kojih može da bude desetak i više elemenata. U stotim dijelovima procenta, u njemu se nalaze ugljik (približno 0,02%) i bakar (približno 0,1%), a ostali elementi u hiljaditim i desetohiljaditim dijelovima procenta.

U nastavku se navode određeni podaci za željezo tehničke čistoće. Osobine željeza, a takođe i drugih metala visoke čistoće, mogu se bitno razlikovati od metala obične ili visoke tehničke čistoće.

Temperatura topljenja željeza je 1539 0C (+5 0C). Za razliku od mnogih drugih metala, željezo se u čvrstom stanju može nalaziti u

obliku dvije alotropske modifikacije:

Kristalna rešetka α željeza je kubna prostorno centrirana, a γ željeza kubična površinski centrirana. Pri temperaturi ispod 911 0C i od 1392 do 1539 0C željezo se javlja kao α, a u intervalu od 911 do 1392 0C kao γ. Pri zagrijavanju na 911 0C dolazi do α → γ preobražaja, a na 1392 0C do γ → α preobražaja. Tempera- ture faznih preobražaja određene su na vrlo čistom željezu, pa je u praksi dozvo - ljeno da se za tehničko željezo koriste zaokružene vrijednosti 1535, 1400, 910 0C umjesto 1539, 1392, 911 0

Osobine

C.

Visokotemperaturna modifikacija željeza (poznata kao δ željezo) ne pred - stavlja novi alotropski oblik.

Postojanje nekog metala (materije) u više kristalnih oblika poznato je kao polimorfizam ili alotropija. Različiti kristalni oblici određene materije nazivaju se polimorfnim ili alotropskim modifikacijama.

Mehaničke osobine tehničkog željeza karakterišu se slijedećim vrijedno – stima dati Tabela 5.2. Mehaničke osobine tehničkog željeza

Vrijednosti Zatezna čvrstoća 250⋅106 Pa (25 dN/mm2); Granica tečenja (razvlačenja) 120⋅106 Pa (12 dN/mm2); Izduženje 50 % Sušenje 85% Tvrdoća 80 HB

Navedeni pokazatelji mogu se mijenjati u određenim granicama, pošto osobine željeza zavise od niza faktora (npr. Povećanje dimenzija zrna smanjuje tvrdoću).



Na 768 0C željezo doživljava magnetni preobražaj. Iznad 768 0C željezo postaje nemagnetično.

Željezo obrazuje sa mnogim elementima rastvore. Sa metalima obrazuje supstitucijske, a sa ugljikom, azotom i vodikom interstikcijske rastvore.

Posebno je važno obrazovanje rastvora ugljika u željezu. Rastvorivost ugljika u željezu. Rastvorivost ugljika u željezu bitno zavisi od toga u kakvom kristalnom obliku se nalazi željezo. Rastvorivost ugljika u α željezu je neznatna (manje od 0.02%) i sto puta veća (do 2%) u γ željezu.

U čisto geometrijskim rasuđivanjima, smatra se da α željezo ne rastvara a γ željezo rastvara ugljik. Međutim, u stvarnosti α željezo rastvara ugljik u vrlo maloj količini. Prema podacima različitih naučnika, vrijednost maksimalne rastvorivosti ugljika u α željezu se razlikuje. Najčešće pominjana vrijednost je 0.02%, pa se ona najčešće u razmatranjima i usvaja kao maksimalna vrijednost rastvorivosti ugljika u α željezu.

Čvrsti rastvor ugljika i drugih elemenata u α željzu naziva se ferit, a u γ željezu austenit.

Definicija ferita kao čvrstog rastvora ugljika u α željezu opravdana je samo pri razmatranju dijagrama stanja Fe-C. Čistije željezo, koje sadrži tragove ugljika, a takođe i različite legure željeza bez ugljika, sa kubnom prostornom rešet- kom, ima takođe strukturu ferita.

Kristalna struktura austenita može se predstaviti kao površinski centrirana kubna rešetka, koja se sastoji od atoma željeza, a u koju su uvedeni atomi ugljika manjeg prečnika.

Parametar rešetke α željeza, bez ugljika, na sobnoj temperaturi jednak je 2,86 , a γ željeza 3.56 . Posljednja veličina je uslovna, pošto γ željezo bez ugljika na sobnoj temperaturi ne postoji.

Ugljik se u austenitu nalazi u obliku jona. Hemijsko jedinjenje ugljika sa željezom (kabrid željeza Fe3C) naziva se cementit.

Pošto je rastvorivost ugljika u α željezu mala, to, pri normalnim temperaturama, u većini slučajeva u strukturu čelika se uvode visokougljične faze u obliku cementita ili drugog karbida.

Temperatura topljenja cementita je oko 1250 0C. Cementit ne doživljava alotropske preobražaje, ali pri niskim temperaturama on je slabo feromagnetičan. Magnetne osobine gubi na 217 0C. Odlikuje se velikom tvrdoćom (> 800 HB, lahko grebe staklo), ali vrlo malom, praktično nultom, plastičnošću. Te su osobine, vjerovatno, posljedica složene građe kristalne rešetke cementita.

Cementit može da obrazuje supstitucijske čvrste rastvore. Atomi ugljika mogu se zamijeniti atomima nemetala (azot, kisik), a atomi željeza drugim meta - lima (mangan, hrom, volfram i dr.). Takav čvrsti rastvor, sa osnovom rešetke cementita, naziva se legirani cementit.

Cementit je nepostojano jedinjenje i pri određenim uvjetima se raspada sa obrazovanjem slobodnog ugljika u obliku grafita. Taj proces ima praktični značaj kod livenog gvožđa.

5.1.1. Čelik

Opšti podaci



Čelik je legura željeza (Fe) sa sadržajem ugljika (C) do 1,7% (masenih), mada ima literaturnih podataka da se taj sadržaj kreće i do 2%. Pored željeza, kao osnove, i ugljika, koji se uvodi namjerno, jer jako utiče na osobine čelika, čak i pri neznatnoj promjeni njegovog sadržaja, u čeliku se nalazi mnogo drugih elemenata. Njihovo prisustvo prouzrokovano je tehnološkim uvjetima proizvodnje, nemoguć - nošću potpunog njihovog udaljavanja iz metala, ili usljed slučajnih okolnosti, a mogu se i specijalno uvoditi, kao ugljik, sa ciljem promjene strukture i osobina čelika. Prema klasifikaciji N.T. Gudcova, svi hemijski elementi (primjese), koje sadrži čelik, mogu se podijeliti na četiri grupe :

a) Stalne ili uobičajene primjese. U tu grupu spadaju mangan (Mn) i silicij (Si), a takođe i aluminij (Al), koji se,

kao silicijum i mangan, primjenjuje u ulozi dezoksidatora. Ovi elementi se moraju uvoditi u metal pri proizvodnji čelika da bi se dobio dobro dezoksi - disani čelik.U neumirenim čelicima sadržaj silicija i aluminija je mali. U stalne primjese spadaju sumpor (S) i fosfor (P), zbog toga što se od njih nemoguće osloboditi pri masovnoj proizvodnji čelika. Iako se u izvjesnim čelicima namjerno ostavljaju, oni se uvijek smatraju kao nečistoće.

b) Skrivene primjese. Tu spadaju kisik (O), vodik (H) i azot (N), koji su prisutni u bilo kom

čeliku u vrlo malim količinama. Metode njihovog hemijskog određivanja su složene, pa se zato sadržaj tih elemenata u običnim tehničkim uvjetima ne navodi.

c) Slučajne primjese. U tu grupu spadaju primjese koje dolaze iz šarže ili slučajno u tehnološ -

kom procesu proizvodnje, kao što su: olovo (Pb), cink (Zn), antimon (Sb), kalaj (Sn), arsen (As) itd.

d) Legirajući elementi. U te elemente spadaju elementi koje se namjerno uvode u čelik u određe -

nim količinama, u cilju promjene strukture i osobina čelika. U tu grupu spada – ju : hrom (Cr), nikal (Ni), volfram (W), molibden (Mo), vanadij (W), kobalt (Co), titan (Ti), niobij (Nb), bakar (Cu), cirkonij (Zr), magnezij (Mg) bor (B), aluminij (Al) i drugi.

U čeliku prisutni elementi se mogu nalaziti u slijede 1. U slobodnom stanju. Olovo, srebro i bakar, zbog prevelike atomske zapremine

ne obrazuju hemijska jedinjenja sa željezom. Osim toga, srebro i olovo se ne rastvaraju u čvrstom željezu, a rastvorljivost bakra iznosi približno oko 1%. Zato pri prisustvu u čeliku vrlo malih količina olova, srebra ili bakra (bakra iznad 1%) oni se nalaze u slobodnom stanju u obliku metalnih uključaka.

2. Obrazuju intermetalna jedinjenja. Tu osobinu ima većina legirajućih elemena - ta, ali samo pri takvim njihovim sadržajima, koji se praktično ne sreću u običnim industrijskim čelicima. Zato se može smatrati da se u običnim masov - nim čelicima ne sreću intermetalna jedinjenja legirajućih elemenata.U visoko - legiranim čelicima obrazuju se intermetalna jedinjenja, što ima veliki značaj za te čelike.



3. Obrazuju okside i druga nemetalna jedinjenja. U tu grupu spadaju elementi koji imaju veću srodnost (afinitet) u odnosu na kisik nego željezo. Zato u procesu proizvodnje čelika takvi elementi, uvedeni u zadnjoj fazi topljenja, dezoksidišu čelik, oduzimajući kisik od željeza.

FeO + M → MO + Fe U ovoj shematskoj formuli reakcije pod M se podrazumijevaju bilo koji

legirajući element - dezoksidator. Kao rezultat dezoksidacije obrazuju se oksidi Al2O3, TiO2, V2O5 i dr. U posljednje vrijeme primjenjuje se dezoksidacija pomoću ugljika. U tom slučaju produkti dezoksidacije su u gasnom stanju (2FeO + C = 2Fe + CO2

4. Rastvaraju se u cementitu ili obrazuju samostalne karbidne faze. Tom osobi - nom odlikuju se elementi koji imaju afinitet prema ugljiku. Kao elementi koji su skloni prema obrazovanju karbida pojavljuju se samo oni koji su raspore - đeni u periodičnom sistemu elemenata lijevo od željeza (Cr, Ti, Nb, Zr i dr.).

) i udaljavaju se iz metala potpuno pri vakumiranju. Pored velikog afiniteta prema kisiku, određeni elementi imaju veći afinitet prema

sumporu od željeza, pa se pri njihovom uvođenju obrazuju sulfidi. Količina oksida, sulfida i drugih nemetalnih uključaka u običnim industrijskim čelicima je mala i zavisi od metode topljenja. Najviše nemetalnih uključaka ima u neumirenom martinovskom čeliku, a posebno u besemerovskom, dok ih u umirenom čeliku ima manje i u elektročeliku još manje. Čelik dobijen topljenjem u vakumu (a takođe čelik pretopljen pod troskom) sadrži samo neznatne količine nemetalnih uključaka.

Dotični elementi se, pored toga što obrazuju karbide, rastvaraju u željezu. Prema tome, oni se u izvjesnoj razmjeri, uglavnom u zavisnosti od njihovog sadržaja i sadržaja ugljika, raspoređuju između tih dviju faza.

5. U željezu se u značajnim količinama može rastvarati većina legirajućih eleme - nata, osim ugljika, azota, kisika i bora i metaloida, koji su udaljeni od željeza u periodičnom sistemu. Elementi, raspoređeni od željeza lijevo raspoređuju se između željeza (osnove) i karbida, a elementi raspoređeni desno od željeza (kobalt, nikal, bakar i drugi), obrazuju samo rastvore sa željezom i ne ulaze u karbide.

Na taj način, kao zaključak se može konstatirati da se legirajući elementi prvenstveno rastvaraju u osnovnim fazama čelika (ferit, austenit, cementit) ili obrazuju specijalne karbide. Pod specijalnim karbidima podrazumijevaju se karbidi obrazovani sa sudjelovanjem elemenata sklonih obrazovanju karbida, a imaju različitu formulu i kristalnu rešetku od cementita.

Osnovni fazni preobražaji u čeliku Čelik, kao legura željeza, takođe se odlikuje odgovarajućim faznim preo -

bražajima. Do njih dolazi, kao i kod željeza, pri promjeni uvjeta (npr. Tempera - ture), uslijed čega jedno stanje postaje manje stabilno (ima veću vrijednost slobo - dne energije) od drugog.

Kao osnovne alotropske modifikacije čelika - - m



Austenit je čvrsti rastvor ugljika u γ željezu. Martenzit je prezasićeni čvrsti rastvor ugljika u α željezu (ista koncentra - cija

ugljika kao u polaznom austenitu). Perlit je autektoidna smješa od ferita i karbida (cementita), koji su se obrazovali

istovremeno (vrlo mala ravnotežna rastvorljivost ugljika u feritu se zanemaruje). U čeliku se pri termičkoj obradi, a i pri zavarivanju, uočavaju četiri osnov - na

fazna preobražaja: 1) Preobražaj perlita u austenit, do koga dolazi pri zagrijavanju iznad tačke A1

(temperatura stabilne ravnoteže austenit-perlit). Na tim temperaturama, od tri osnovne faze najmanju slobodnu energiju posjeduje austenit (prema Fe3

2) Preobražaj austenita u perlit, koji se događa ispod tačke A1.

C dijagramu).

3) Preobražaj austenita u martenzit. Taj preobražaj se događa ispod temperature metastabilne ravnoteže austenit-martenzit (TM). Pri TM kao stabilnija faza pojavljuje se perlit, ali je rad, potreban za obrazovanje martenzita od austenita, manji, nego za obrazovanje perlita.Zbog toga, ispod TM

Na taj način, austenitno-martenzitni preobražaj javlja se kao neki međupre- obražaj u procesu prelaza austenita u perlit.

obrazovanje perlita (feritno.karbidne smješe) od austenita može se dogoditi samo preobražajem martenzita koji prethodno nastaje od austenita.

4) Preobražaj martenzita u perlit, odnosno u feritno-karbidnu smješu. Do njega dolazi pri svim temperaturama, pošto je slobodna energija martenzita veća od slobodne energije perlita pri bilo kojoj temperaturi.

Promjene slobodnih energija osnovnih struktura pokazuje da je moguć preobražaj martenzita u austenit iznad temperature TM. Međutim, taj preobražaj nije zapažen eksperimentalno. To je, očigledno, zbog toga što prvo dolazi do preobražaja martenzit-perlit (raspadanje martenzita).

Preobražaj perlita u martenzit je nemoguć, pošto pri svim temperaturama martenzit posjeduju već Prethodno razmotreni fazni preobražaji su prouzrokovani temperaturom. Promjenom pritiska, drugog termodinamičkog faktora, može doći do strukturnih

preobražaja, do kojih ne dolazi pri nepromijenjenom (9,81⋅104

Dijagram fazne ravnoteže pri temperaturi i pritisku, kao nezavisno promje- nljivim, dat je na slici 5.1.

Pa=1 at) pritisku.

Slika 5.1.



Oblast α, γ i ε faze željeza zavisnosti od temperature i pritiska Pri visokim pritiscima moguće je obrazovanje željeza sa heksagonalnom gusto

složenom rešetkom (takozvano ε željezo). Trojna tačka ravnoteže nalazi se kod T = 527 0C i P = 130 . 108 Pa (130 kbar). Iznad 527 0C, pri povećanju pritiska moguće je α → γ → ε prelaz, a ispod direktan α → ε prelaz.

Pritisak se još ne koristi za obrazovanje struktura u čeliku zbog tehnološke složenosti. Takođe, je nedovoljno jasno koliko je efektivno u pogledu dobijanja posebnih osobina. Određeni elementi utječu slično pritisku. Tako, npr., pri viso - kom sadržaju mangana, uz normalan pritisak, obrazuje se ε faza.

5.1.1.1. Ugljični čelici

Ugljični čelik je osnovni metalurški materijal u industriji. U crnoj metalur - giji se

proizvodi približno 90% ugljičnog čelika i 10% legiranog. Ugljični čelik industrijske proizvodnje je složena legura po hemijskom sastavu.

Osim željeza, kao osnove, čiji sadržaj se može mijenjati od 97,0 do 99,5%, u njemu postoji još mnogo elemenata. Prisustvo tih elemenata uslovljeno je tehno - loškim karakteristikama proizvodnje (mangan, silicij) ili nemogućnošću potpunog njihovog udaljavanja iz metala (sumpor, fosfor, kisik, azot, vodik), a takođe i drugim okolnostima (krom, nikal, bakar i dr.).

Čelici različite proizvodnje (martinovski, basemerovski itd.) uglavnom se razlikuju po sadržaju navedenih primjesa.

Međutim, jedan elemenat specijalno se uvodi u prosti ugljični čelik. To je ugljik, te je on osnovni elemenat, pomoću koga se mijenjaju osobine legure željeza. Prirodno je što se te legure (pri C < 1,7 %) nazivaju ugljični čelici.

Struktura i osobine čelika mogu se mijenjati u širokim granicama pomoću termičke obrade. Takva je većina osobina i one se mijenjaju pri termičkoj obradi. Druge, strukturno neosjetljive osobine, praktično ne zavise od strukture. U njih spadaju krutost (modul elastičnosti E i modul smicanja G).

Tvrdoća i čvrstoća čelika mogu se povećati termičkom obradom za dva do pet puta (u poređenju sa odžarenim stanjem, lagano ohlađenim), a modul elastično- sti pri tome se mijenja manje od 5%.

U većini slučajeva, od datog komada se traži krutost. Za davanje neophod - ne krutosti radnom komadu, konstruktor bira odgovarajuću površinu i oblik po - prečnog presjeka elemenata radnog komada. Pri tome se obično pokazuje da su stvarna naprezanja u elementima znatno manja od granice tečenja. Prirodno je da u tom slučaju ojačavanje toplinskom obradom otpada, pošto su dovoljne osobine čvrstoće metala u sirovom, toplinski neobrađenom stanju.

U onim slučajevima, kada je čvrstoća čelika u sirovom stanju nedovoljna, primjenjuje se termička obrada. Pred čelike, koji se podvrgavaju termičkoj obradi postavljaju se određeni povišeni zahtjevi (npr., uže granice u pogledu sadržaja ugljika i dr.). Takav čelik je često poznat kao čelik povišenog kvaliteta.

5.1.1.2. Utjecaj ugljika na osobine čelika Sa povećanjem sadržaja ugljika mijenja se struktura čelika. Čelik, koji sadrži

0,8% C, sastoji se samo od perlita, a čelik, koji sadrži više od 0,8% C, osim perlita, sadrži i sekundarni cementit, dok, pri sadržaju ugljika ispod 0,8% struktura čelika se sastoji od ferita i perlita.



Povećanje sadržaja ugljika u čeliku dovodi do povećanja čvrstoće i smanjenja plastičnosti (sl. 5.2.).

Slika 5.2. Utjecaj ugljika na mehaničke osobine čelika

Slika 5.3. Utjecaj ugljika na temperaturu prelaza u krto stanje željeza.

Navedene mehaničke osobine odnose se na toplovaljane radne komade bez termičke obrade, tj. Pri strukturi perlit + ferit (ili perlit + cementit). Brojke su srednje vrijednosti i mogu se mijenjati u granicama ± 10% u zavisnosti od sadržaja primjesa, uvjeta hlađenja poslije valjanja itd. Ako se čelik primjenjuje u obliku odlivka, tada grublja ljevena struktura posjeduje lošije osobine od onih na slici 5.2. (uglavnom se smanjuju osobine plastičnosti).

Bitan utjecaj pokazuje ugljik na osobine žilavosti. Kao što se vidi sa slike 5.3. povećanje sadržaja ugljika dovodi do povišenja temperature prelaza u krto stanje i umanjenja udarne žilavosti u oblasti žilavog loma na temperaturama iznad temperature prelaza u krto stanje.

Utjecaj stalnih primjesa na osobine čelika

Kao stalne primjese u ugljičnom čeliku smatraju se mangan, silicij, fosfor,

sumpor, a takođe i gasovi (vodik, kisik, azot), u različitim količinama stalno prisutni u tehničkim vrstama čelika.

Obično se sadržaj tih elemenata ograničava slijedećim gornjim granicama (u %); 0,8 Mn; 0,6 Si; 0,05 P; 0,05 S.

Pri većem njihovom sadržaju, čelik pripada legiranim čelicima, kod kojih se ti elementi specijalno uvode, pa je otuda i došao naziv legirani čelici.

U nastavku je razmotren utjecaj sta Mangan se uvodi u bilo koji čelik radi dezoksidacije:



FeO + Mn → MnO + Fe tj. radi odstranjenja štetnih primjesa oksida željeza. Mangan takođe udaljava

štetna jedinjenja sumpora sa željezom, rastvara se u feritu i cementitu. Mangan znatno utječe na osobine čelika, povećavajući čvrstoću u toplo - valjanim

radnim komadima, mijenjajući, uz to, i neke druge osobine. Pošto je sadržaj mangana u svim čelicima približno podjednak, to njegov utjecaj na čelik različitog sastava ostaje približno isti.

Utjecaj silicija u početnim dodacima sličan je utjecaju mangana. On dezoksidiše čelik prema reakciji:

2FeO + Si → 2Fe + SiO2 Silicij se strukturno ne zapaža, pošto je potpuno rastvoren u feritu, osim onog

dijela, koji u obliku oksida silicija nije uspio da izroni u trosku, već je ostao u metalu u obliku silikatnih uključaka.

Rude željeza, a takođe topitelj i gorivo, sadrže određenu količinu fosfora, koji u procesu proizvodnje livenog gvožđa ostaje u njemu u različitom stepenu i zatim prelazi u čelik.

Rastvorljivost fosfora u α željezu 1,2%. Prisustvo fosfora iznad te količine (koja se umanjuje sa povećanjem sadržaja ugljika) dovodi do obrazovanja fosfida željeza (Fe3

P faze), koja se sreće u sivim livenim gvožđima. Rastvarajući se u feritu, fosfor oštro povećava temperaturu prelaza u krto

stanje (sl. 5.4.).

Slika 5.4. Utjecaj fosfora na temperaturu prelaza u krto stanje čelika (0,2% C; 1% Mn).

Treba istaći da je fosfor u određenim slučajevima poželjan. Tako, npr., on

olakšava obradu čelika rezanjem, a u prisustvu bakra povećava otpornost prema koroziji.

Kao i fosfor, sumpor dospijeva u metal iz ruda, a takođe iz gasova peći (kao produkt gorenja goriva javlja se SO2). Najveći sadržaj sumpora je u besemer - ovskom čeliku (do 0,06%).

Obično sadržaj sumpora u visokokvalitetnom čeliku ne prelazi 0,02 do 0,03%. U čelicima običnog kvaliteta dozvoljava se sadržaj sumpora 0,03 do 0,05%.

Sumpor se ne rastvara u željezu i bilo koja njegova količina obrazuje sa željezom jedinjenje poznato pod nazivom sulfid željeza (FeS), koji ulazi u sastav eutektikuma, obrazovanog pri 988 0C.



Za razliku od drugih štetnih primjesa, sumpor ne povećava, već čak snižava temperaturu prelaza u krto stanje, premda povećava i udarnu žilavost pri žilavom lomu (sl. 5.5.).

Slika 5.5. Utjecaj sumpora na osobine žilavosti čelika.

Drugim riječima, sumpor povećava otpornost prema žilavom lomu, a prema

krtom smanjuje. Gasovi vodik, azot i kisik nalaze se u čeliku u malim količinama, koje zavise od

načina proizvodnje. Vodik, azot i kisik mogu se nalaziti u slijedećim oblicima : - u gasovitom stanju u različitim nesavršentsvima strukture; - u α čvrstom rastvoru; - u obliku različitih jedinjenja, takozvanih nemetalnih uključaka (nitridi, oksidi).

5.1.1.3. Čelik različitih postupaka proizvodnje U zavisnosti od usvojenog postupka proizvodnje, čelici se razlikuju po

osobinama. Ko što je poznato, čelik se proizvodi (topi) u različitim pećima, pa se, shodno

tome, može podijeliti na besemerovski, martinovski, kiseonično-konver - torski i elektročelik.

U Besemerovom konvertoru tečno lijevano gvožđe se produhava vazdu - hom. Kisik iz vazduha jedini se sa primjesama u lijevenom gvožđu (tu spada i ugljik) i lijeveno gvožđe se transformiše u čelik. Taj postupak proizvodnje je vrlo produktivan, ali se sumpor i fosfor ne udaljavaju u dovoljnom stepenu, a metal se zasićava gasovima, naročito azotom.

Besemerovski čelik, zbog povećanog sadržaja plinova, u prvom redu azota, razlikuje se od martinovskog većom čvrstoćom, ali manjon plastičnošću, zatim sklonošću prema starenju, većom zaprljanošću nemetalnim uključcima. Zbog toga što je kvalitet besemerovskog čelika nizak, taj proces postaje zastario i zamje - njuje ga takozvani kisično-konvertorski postupak, kod koga se umjesto vazduha upotrebljava tehnički čisti kisik sa vrlo malom zaprljanošću azotom (produhavanje se obično izvodi odozgo pod kutom prema površini rastopljenog metala). Zahva - ljujući tome, sadržaj azota u metalu je nizak. Takav metal naziva se konvertorski, a po osobinama on se praktično ne razlikuje od martinovskog.



Premda se glavna masa metala običnog kvaliteta radi u Simens-Martino - vim pećima, ipak, polazeći od tehničko-ekonomskih rasuđivanja, cjelishodno je većinu čelika proizvoditi konvertorskim postupkom i on će, vjerovatno, postepeno potisnuti postupak proizvodnje čelika u Simens-Martinovim pećima.

Pri proizvodnji u Simens-Martinovim pećima i kisično-konvertorskim postupkom, izborom odgovarajućih troski i režima vođenja topljenja, moguće je u znatnom stupnju udaljiti sumpor i fosfor. Troske, pomoću kojih se čisti rastopljeni metal od primjesa, sastoje se od bazičnih (CaO i MgO) i kiselih (SiO2) oksida. U zavisnosti od sastava troski, obloga peći treba da bude ili bazična (magnezit ili kromomagnezit), ili kisela (silikoopeka), da bi se izbjegle reakcije između obloge i troske. Ako troska ima bazičnu reakciju (tj. nalaze se u višku bazični oksidi MgO i CaO), tada ona udaljava iz metala veći dio fosfora i dio sumpora. Znači, pri relativno nečistoj šarži, dobija se dovoljno čist metal u pogledu sadržaja sumpora i fosfora, mada dobija se dovoljno čist metal u pogledu sadržaja sumpora i fosfora, mada i zasićeniji kisikom. Pri kiselom procesu proizvodnje u troski postoji višak SiO2

Tako se čelik jedne iste oznake može razlikovati po primjesama, koje se često ne uzimaju u obzir standardima i tehničkim uvjetima, a to može jako da utječe na osobine. Posebno jak utjecaj imaju intersticijske primjese (vodik, azot, kisik i

, u prisustvu koga se sumpor i fosfor ne udaljavaju iz metala, ali je zasićenje metala kisikom u manjem stupnju. Zato su za kiseli postupak u Simens-Martinovoj peći potrebni čistiji polazni materijali u pogledu sadržaja sumpora i fosfora (skuplji materijali). Ako je to obezbjeđeno, tada se dobija metal boljeg kvaliteta, pošto sadrži manje kisika.

Martinovski čelik se u većini slučajeva proizvodi bazičnim procesom, a samo za određene namjene, kada se traži velika čistoća u pogledu nemetalnih uključaka (oksida) i manja zasićenost kisikom, izrađuje se skuplji kiseli marti - novski čelik.

Udaljavanje sumpora, fosfora i kisika iz metala postiže se u najvećem stupnju u elektropećima (lučnim ili indukcionim). Uz to što je skuplji, elektročelik je i kvalitetniji, pa se zato taj postupak upotrebljava, prvenstveno, za proizvodnju legiranih i visokolegiranih čelika (vatrootpornih čelika, alatnih čelika i dr.).

U zavisnosti od načina dezoksidacije, čelik može da bude umiren (dezoksidisan pomoću mangana, silicijuma i aluminijuma) i neumiren (dezoksidan samo pomoću mangana). Prema tome, neumireni čelik se razlikuje od umirenog po hemijskom sastavu. Prvi skoro ne sadrži silicijuma (Si < 0,05%), a drugi ga sadrži u normalnoj količini (0,12 do 0,3%). Pošto neumireni čelik, kao lošije dezoksidisan, sadrži više kisika, on zaostaje u pogledu kvaliteta iza umirenog.

Međupoložaj po kvalitetu zauzima takozvani poluumireni čelik, dezoksi - disan manganom i aluminijem, koji počinje da se primjenjuje umjesto neumirenog i umirenog čelika. Čelik, dezoksidisan pomoću aluminija, odlikuje se finozrnastom strukturom i većom žilavošću, čak i pri niskim temperaturama. Utjecaj starenja kod tog čelika daleko je manji. Poluumi- reni čelik sadrži obično 0,05 do 0,10% Si.

Čelici, pored uobičajenih primjesa, mogu da sadrže različite slučajne primjese. U staro gvožđe dospijevaju komadi legiranih krom-nikal čelika, pa čelik, dobijen topljenjem starog gvožđa, obično sadrži u određenoj količini elemente kojima se obično legira čelik (krom, nikal i dr.). Određene rude sadrže primjese koje se teško odstranjuju (npr. Arsen), pa čelik, koji se dobija topljenjem tih ruda, sadrži te primjese. Suprotno, određene rude praktično nemaju onečišćenja drugim elemen - tima, pa je čelik, dobijen od tih ruda, vrlo čist.



ugljik), a tipične primjese, koje onečišćavaju metal su fosfor i sumpor. Mnogi obojeni metali su takođe štetni.

Kao zaključak se može navesti da osobine čelika zavise od postupka njegove proizvodnje, jer od posljednjeg zavisi sadržaj raznih primjesa u metalu i njihov raspored.

5.1.1.4. Ugljični čelik opće namjene

Toplovaljani čelik, koji dolazi iz željezara u obliku valjanih proizvoda (šipke

različitog presjeka, grede, profili, limovi, cijevi itd.) najrasprostranjeniji je materijal u primjeni pri proizvodnji mašina, metalnih konstrukcija, predmeta široke upotrebe itd. U saglasnosti sa odgovarajućim standardima, taj čelik treba da ispunjava određene zahtjeve. Ti zahtjevi su propisani u standardima zemalja npr. DIN (St 52; St 45.8.; 19 Mn5; StE47 itd.).

Ako se čelik koristi za radne komade koji se ne podvrgavaju toplinskoj obradi, tada se struktura i osobine, koje je čelik dobio po izlasku iz pogona valjanja željezare, zadržavaju i kod korisnika. U tom slučaju čelik se isporučuje korisniku samo prema mehaničkim osobinama.

Ako se čelik kod korisnika podvrgava toplinskoj obradi (zavarivanje, kovanje, presovanje u toplom itd.) tada se polazna struktura i mehaničke osobine ne zadržavaju. U dotičnom slučaju za korisnika glavni značaj dobija sastav čelika, pošto isti određuje režim toplinske obrade i konačne mehaničke osobine, čeličnih radnih komada. U tom slučaju čelik se isporučuje korisniku prema hemijskom sastavu i mehaničkim osobinama istovremeno.

To posebno dolazi do izražaja kada se čelik podvrgava zavarivanju, pošto se u zoni utjecaja topline zavarenog spoja mijenjaju osobine metala, pa je veoma važno znati hemijski sastav, jer zapravo on određuje osobine čelika u pomenutoj zoni.

5.1.1.5. Deformaciono ojačan čelik Ako metal opteretimo do nivoa granice tečenja, tada, poslije odstranjenja istog, u

metalu neće doći do promjena. Ako opterećenje pređe granicu tečenja, tada u metalu dođe do određene plastične deformacije.

Pri ponovnom opterećenju metala, njegova sposobnost plastične deforma - cije se umanjuje, a granica tečenja povećava. Da bi se dovelo do plastične defor - macije, treba primjeniti veće naprezanje, što znači da je metal čvršći (jači).

Oblici proizvoda izrađuju se u željezarama valjanjem, presovanjem i vuče- njem u hladnom stanju. Kao posljedica takve obrade, dolazi do deformacionog ojačavanja metala, koje može biti ukinuto docnijim rekristalizacionim žarenjem. Nabrojani proizvodi mogu se od strane željezara isporučivati u odžarenom ili deformaciono ojačanom stanju.

Za odžareno stanje mehaničke osobine su određene, uglavnom, sastavom čelika, a, u prvom redu, sadržajem ugljika.



Za deformaciono ojačano stanje osobine jako zavise od stupnja deforma - cijskog ojačavanja kao što se vidi sa slike 5.6.

Slika 5.6. Utjecaj stupnja deformacije na granicu čvrstoće žice s različitim sadržajem ugljika Pri maksimalnom deformacijskom ojačavanju (deformacija 96 do 97%)

visokougljičnog čelika (1,2% C) postiže se čvrstoća koja prelazi 3924.106 Pa (400 dN/mm2). Očigledno je da se poslije takvog stupnja deformacije dobija veoma tanka žica. Stvarno, maksimalne vrijednosti čvrstoće (4709 do 4905).106 Pa (480 do 500 dN/mm2) dobijene su samo na žici prečnika 0,1 mm od visokugljičnog čelika poslije značajnih deformacija (98%).

Deformaciono ojačana žica tankih presjeka poslije značajnih stupnjeva deformacije upotrebljava se za izradu užadi. Obično se za tu svrhu upotrebljava čelik sa 0,6 do 0,8% C, koji poslije deformacije 80 do 90% dobija čvrstoću (1766 do 2943) . 106 Pa (180 do 300 dN/mm2).

Konkretnim tehničkim uvjetima i standardima određuju se osobine, sastav, tolerancije dimenzija, stanje površine i drugi zahtjevi za žice različite polufabrikate (cijevi, limove, trake), dobijene metodom hladne plastične deformacije.

Posebne grupe ugljičnog čelika su čelik za limove za hladno presovanje i čelik za obradu rezanjem na automatima. Međutim, pošto pomenuti čelici nijesu interesantni sa stanovišta zavarivanja, to o njima neće biti govora.

5.1.1.6. Legirani čelici Pod legiranim čelikom podrazumijeva se čelik kod koga na osobine odlučujuću

ulogu imaju legirajući elementi, tj. Oni elementi koji se namjerno ostavljaju ili uvode u čelik, kako bi se dobile potrebne osobine.

Prema postojećim standardima DIN 8856 kao legirani čelik smatra se svaki čelik koji sadrži jedan ili više legirajućih elemenata u količini većoj od navedene (u %) :



Prema postojećim standardima legirani čelici se dijele na niskolegirane i visokolegirane.

Niskolegirani čelik je onaj čelik u kome je ukupni sadržaj legirajućih elemenata manji ili jednak 5%.

Visokolegirani čelik je onaj čelik u kome je ukupni sadržaj legirajućih elemenata veći od 5%.

Prema podacima iz stručne literature, legirani čeli

− niskolegirani; − srednjelegirani i − visokolegirani.

U novije vrijeme razvijen je takozvani mikrolegirani čelik. Pod niskolegiranim čelikom podrazumijeva se čelik u kome ukupni sadržaj

legirajućih elemenata ne prelazi 5% (izuzimajući ugljik). Pod srednjelegiranim čelikom podrazumijeva se čelik sa ukupnim sadrža - jem

legirajućih elemenata od 5 do 10% (izuzimajući ugljik). Kao visokolegirani čelik smatra se čelik sa ukupnim sadržajem legirajućih

elemenata preko 10 % (izuzimajući ugljik). U slučaju dodavanja legirajućih elemenata u minimalnom iznosu kaže se da se

radi o mikrolegiranju, a takav čelik poznat je kao mikrolegirani. Legirajući elementi, koji su dodati u minimalnim količinama, svojim izlučivajućim efektima i utjecajem dovode do finozrnaste strukture čelika, pa čelik dobija povećanu granicu tečenja i otpornost prema krtom lomu, čak i kod nižih temperatura. Zbog toga, ovaj čelik nalazi sve veću primjenu u mašinogradnji i građevinarstvu.

Napominje se da je ova podjela legiranih čelika na: mikro-, nisko-, srednje- i visokolegirane najpodesnije sa stanovišta izučavanja zavarivanja istih.

Utjecaj elemenata na polimorfizam željeza Svi elementi koji se rastvaraju u željezu utječu na temperaturni interval postojanja

njegovih alotropskih modifikacija, tj. pomjeraju tačke A3 i A4 po temperaturnoj skali.

Određeni broj elemenata (Mn, Ni, C, N, Cu, B i dr.) pomjeraju tačku A4 prema višim temperaturama, a tačku A3

Druga grupa elemenata (Si, Al, Mo, Cr, Ti, Nb, W, V i dr.) pomjera tačku A4 prema nižim temperaturama, a tačku A

prema nižim i, na taj način, proširuju oblast postojanja γ modifikacije. Jedino kobalt (Co) pomjera obje tačke prema višim temperaturama, ali, ipak, širi oblast γ. Ovi elementi poznati su pod nazivom kao austenizatori.

3 prema višim temperaturama, sužavajući γ oblast, a proširujući α oblast. Oni su poznati pod nazivom kao feritizatori. To je shematski prikazano na slici 5.7.



Slika 5.7. Shematski dijagrami stanja željeza - legirajući elemenat

Iz shematskih dijagrama stanja željezo - legirajući elemenat, datih na slici 5.7.

očigledno je da iznad određenog sadržaja mangana, nikla i drugih austeniti - zatora (sl. 5.7. a) γ modifikacija postoji kao stabilna od sobne temperature do temperature topljenja. Takve legure, sa osnovom željeza, nazivaju se austenit - nim. Pri sadržaju silicija, vanadija, molibdena i drugih feritizatora iznad određene granice, kao postojana, pri svim temperaturama, pojavljuje se α modifikacija (sl. 5.7. b.). Takve legure, sa osnovom željeza, poznate su kao feritne.

Za razliku od drugih legura sa osnovom željeza, austenitne i feritne legure nemaju preobražaja pri zagrijavanju i hlađenju, tj. kod njih ne postoji polimorfizam (naravno u normalnim okolnostima).

Utjecaj elemenata na ferit Rastvaranje legirajućih elemenata u željezu događa se kao posljedica zamjene

atoma željeza atomima tih elemenata. Atomi legirajućih elemenata, razli - kujući se od atoma željeza po dimenzijama i građi, stvaraju u rešetki naprezanja koja izazivaju promjenu njenog parametra. Svi elementi, rastvarajući se u feritu, mijenjaju parametar rešetke ferita u većem stupnju što se više razlikuju atomske dimenzije željeza i legirajućih elemenata. Elementi sa manjim atomskim prečni - kom od željeza umanjuju parametar rešetke, a sa većim povećavaju. Izuzetak je nikal, koji, iako ima manji atomski prečnik od željeza, povećava parametar rešetke čvrstog rastvora u određenoj mjeri.

Normalno je da promjena dimenzija rešetke dovodi do promjene osobina ferita (povećava se čvrstoća, a plastičnost smanjuje).

Na slici 5.8. prikazana je promjena tvrdoće ferita, a na slici 5.9. promjene njegove udarne žilavosti pri rastvaranju u njemu različitih elemenata.

Kao što se vidi iz dijagrama na slici 5.8. krom, molibden i volfram manje ojačavaju ferit od nikla, silicijuma i mangana.

Molibden, volfram, a, takođe, mangan i silicij (pri prisustvu posljednja dva iznad 1%) smanjuju žilavost ferita. Krom umanjuje žilavost znatno slabije od nabrojanih elemenata, a nikal ne smanjuje žilavost ferita.

Slika 5.8. Utjecaj elemenata na tvrdoću ferita (prema A.P. Guljaevu)



Slika 5.9. Utjecaj elemenata na udarnu žilavost (prema A.P. Guljaevu)

Dati podaci na slikama 5.7. i 5.8. odnose se na slučaj laganog hlađenja legura.

Osobine ferita, koji sadrži silicij, molibden ili volfram, praktično ne zavise od brzine hlađenja legure, dok je tvrdoća ferita, legiranog kromom, manganom i niklom poslije brzog hlađenja veća, nego poslije laganog hlađenja.

Važan značaj ima utjecaj elemenata na prag žilavosti čime se određuje sklonost čelika prema krtom lomu. Prisustvo kroma u željezu dovodi do određenog povišenja temperature prelaze u krto stanje, dok nikal jako pomjera temperaturu prelaza u krto stanje prema nižim temperaturama, umanjujući na taj način sklonost željeza prema krtom lomu. Zato se nikal pojavljuje kao posebno važan legirajući elemenat. Nikal, uz dosta intezivno ojačavanje ferita, ne smanjuje njegovu žilavost, a snižava temperaturu prelaza u krto stanje. Međutim, drugi elementi, ako i ne smanjuju žilavost, slabo ojačavaju ferit (krom), ili, jako ojačajavući ferit, oštro smanjuju njegovu žilavost (mangan, silicij). Sličan utjecaj mangana i slicija zapaža se pri prisustvu mangana iznad 1,5 % i silicija iznad 0,5 % (sl. 5.9.)

Karbidna faza u legiranim čelicima U čelicima karbide obrazuju samo metali raspoređeni u Mendeljejevom

periodičnom sistemu elemenata lijevo od željeza. Tu spadaju: titan,

vanadij, krom, mangan, cirkonij, niobij, molibden, hafnij, tantal i volfram.

Ti metali, kao i željezo, pripadaju elementima takozvanih prelaznih grupa i

imaju manje dograđenu d-elektronsku putanju. Što je više raspoređen

lijevo u periodičnom sistemu, time elemenat, sklon prema obrazovanju

karbida, ima manje dograđenu d-elektronsku putanju.

Smatra se da, u procesu obrazovanja karbida, ugljik odaje svoje valentne elektrone na popunjavanje d-elektronske putanje atoma metala, dok u metalu valentni elektroni obrazuju metalnu vezu, koja uslovljava metalne osobine karbida. Samo metali čija je d-elektronska putanja manje popunjena nego u željeza pojavljuju se kao elementi skloni prema obrazovanju karbida. Njihov afinitet prema obrazovanju karbida time je jači (i postojanost obrazovnih karbida time veća) što je manje dograđena d-putanja u metalnom atomu.

Saglasno s prethodnim, aktivnost obrazovanja karbida i postojanost

karbid- nih faza u legiranim čelicima će rasti pri prelazu od elemenata



mangana i kroma prema elementima: molibden, vanadij, volfram, titan i

dr., koji imaju manje dogra - đene d-putanje, nego mangan i krom. To

znači, npr., da pri prisustvu u čeliku istovremeno kroma i niobija, treba

očekivati u prvom redu obrazovanje karbida niobija (u ravnotežnim

uvjetima).

Utjecaj legirajućih elemenata na kinetiku raspadanja austenita

Utjecaj legirajućih elemenata na kinetiku raspadanja austenita je vrlo veliki. Elementi, koji se rastvaraju samo u feritu, ili cementitu, ne obrazujući specijalne

karbide, pokazuju samo kvantitativni utjecaj na procese preobražaja. Oni mogu da ubrzavaju preobražaj (samo kobalt), ili da ga usporavaju (većina elemenata, kao što su: mangan, nikal, bakar i dr.).

Elementi, skloni prema obrazovanju karbida izazivaju, ne samo kvantita - tivne, već i kvalitativne promjene u kinetici izotermičkog preobražaja. Tako, legi - rajući elementi koji obrazuju karbide rastvorljive u austenitu, na različitim tempe - raturama različito utječu na brzinu raspadanja austenita:

- Od 700 do 500 0C (obrazovanje perlita) usporava - Od 500 do 400 0C vrlo značajno usporava - Od 400 do 300 0

Shematski prikaz dijagrama izotermičkog preobražaja (prikazan je samo početak preobražaja) da

C (obrazovanje beinita) ubrzava Na taj način, u čelicima legiranim elementima koji su skloni prema obra -

zovanju karbida (krom, molibden, volfram) uočavaju se dva maksimuma brzine izotermičkog raspadanja austenita, odvojena oblašću visoke postojanosti pothla - đenog austenita.

Izotermičko raspadanje austenita ima dva jasno izražena intervala preobražaja: - preobražaj u pločaste strukture (perlitni preobražaj) i - preobražaj u igličaste struke (beinitni preobražaj).



Slika 5.10. Shematski dijagram izotermičkog raspadanja austenita:

a) 1 - ugljični čelik 2 - čelik, legiran elementima koji nisu skloni prema obrazovanju karbida. b) 1 - ugljični čelik 2 - čelik, legiran elementima, koji su skloni prema obrazo Praktično, kao najvažnija, javlja se sposobnost legirajućih elemenata da

usporavaju brzinu raspadanja austenita u oblasti perlitnog preobražaja, što se izražava u pomjeranju linije u desno na dijagramu izotermičkog raspadanja austenita. Usporavanje raspadanja austenita objašnjava se nizom faktora. Međutim, glavni uzrok usporavanja brzine raspadanja austenita je taj što je pri perlitnom preobražaju u legiranom čeliku, potrebna difuzija legirajućih elemenata za obrazo - vanje karbida, dok je u ugljičnom čeliku potrebna samo difuzija ugljika za obrazovanje cementita (Fe3C).

Beinitni preobražaj nije praćen preraspodjelom legirajućih elemenata, već samo preraspodjelom ugljika. Zbog toga je utjecaj legirajućih elemenata na brzinu beinitnog preobražaja mali (ako se i pojavi, tada dolazi do povećanja brzine preobražaja, mada ne uvijek).

Usporavanje brzine raspadanja austenita u oblasti perlitnog preobražaja pogoduje povećanju prokaljivosti i pothlađenju austenita do intervala martenzitnog preobražaja pri sporijem hlađenju (npr. Pri hlađenju u ulju, ili na vazduhu), što je povezano sa umanjenjem kritične brzine kaljenja.

Najjače povećavaju prokaljivost krom, nikal, molibden i mangan, pa zato oni ulaze u sastav većine konstrukcionih legiranih čelika.

Prokaljivost čelika se naročito povećava pri zajedničkom legiranju sa nekoliko elemenata. Takvo, npr. Djelovanje imaju nikal i krom, kada se zajedno dodaju.

Vrlo efikasno djeluje molibden, pri njegovom uvođenju u krom - nikal čelik. Specifično utječu na kinetiku raspadanja austenita elementi vanadij, titan, niobij i

djelimično volfram, kao elementi koji su jako skloni prema obrazovanju karbida. Pošto ti elementi obrazuju teškorastvorive karbide, to, pri uobičajenim temperaturama kaljenja (800 do 900 0

Optimalni sadržaj bora u čeliku koji obezbjeđuje najbolju prokaljivost

iznosi svega 0.002 do 0.006 %. Pri većem sadržaju bora njegova

koncentracija na granicama zrna austenita prelazi granicu zasićenja, pa se

C), oni ostaju vezani u karbidima i ne prelaze u austenit. Kao posljedica toga, prokaljivost čelika se umanjuje, pošto karbidi djeluju kao gotovi centri kristalizacije perlita.

Pri visokoj temperaturi zagrijavanja za kaljenje ti karbidi se rastvaraju, pa austenit sadrži te elemente u rastvoru, što povećava prokaljivost.

Opiti su pokazali da mali dodaci određenih elemenata efikasno utječu na prokaljivost, dok veliki njihov sadržaj ne pokazuje takvo djelovanje. U te elemente, u prvom redu, spada bor (B). Hiljaditi dijelovi procenta tog elementa potpomažu povećanje prokaljivosti, pošto se sav bor, nalazeći se u rastvoru, koncentriše u tankim pograničnim slojevima zrna austenita i umanjuje brzinu nastanka centara kristalizacije perlita.



pojavljuju suvišne faze bara (boridi), koje djeluju kao centri kristalizacije

perlita, te se prokaljivost umanjuje.

Utjecaj legirajućih elemenata na martenzitni preobražaj

Legirajući elementi ne utječu na kinetiku martenzitnog preobražaja, koja je,

očigledno, slična za sve čelike. Njihov utjecaj se ovdje pokazuje isključivo na položaj temperaturnog intervala martenzitnog preobražaja. To se sa svoje strane odražava i na količinu zaostalog austenita, koja se fiksira u zakaljenom čeliku. Određeni elementi povišuju martenzitnu tačku i umanjuju količinu zaostalog austenita (aluminij, kobalt), drugi ne utječu na nju (silicij), a većina snižava martenzitnu tačku i povećava količinu zaostalog austenita (sl. 5.11.). Iz dija - grama je očigledno da 5% mangana snižava martenzitnu tačku do 0 0

Slika 5.11. Utjecaj legirajućih elemenata na temperaturu martenzitnog preobražaja (a) i količinu zaostalog austenita (b). Čelik sadrži 1% C (prema V.D. Sadovskom)

Utjecaj legirajućih elemenata na rast zrna austenita

Skoro svi legirajući elementi umanjuju sklonost austenitnog zrna prema rastu.

Izuzetak čine mangan i bor, koji potpomažu rast zrna. Nikal, kobalt silicij i bakar (elementi koji ne obrazuju karbide) relativno

slabo utječu na rast zrna.

Krom, molibden, volfram, vanadij i titan jako sitno zrno (elementi su nabrojani po redoslijedu rasta sile njihovog djelovanja). Ta razlika se pojavljuje kao direktna posljedica različite postojanosti karbida (i nitrida) tih elemenata. Suvišni karbidi, nerastvoreni u austenitu, koče rast austenitnog zrna. Zato čelik, u prisustvu i male količine nerastvorenih karbida, zadržava sitnozrnastu strukturu do vrlo visokih temperatura zagrijavanja.

Utjecaj legirajućih elemenata na preobražaje pri otpuštanju

C. Prema tome, pri takvom (ili većem) sadržaju mangana moguće je fiksirati austetnitno stanje.



Legirajući elementi usporavaju proces raspadanja martenzita. Određeni elementi, kao nikal i mangan, utječu neznatno, dok većina (krom, molibden, silicij i dr.) utječe vrlo upadljivo.

To je povezano sa time što procesi pri otpuštanju imaju difuzioni karakter i većina legirajućih elemenata usporava karbidni preobražaj, naročito na stadijumu koagulacije.

Na početnom stadijuju raspadanja martenzita u legiranim čelicima se obrazuje karbid, koji ima isti sastav (u pogledu legirajućih elemenata), kao i martenzit. Na tom stadijumu otpuštanja utjecaj legirajućih elemenata na smanjenje čvrstoće martenzita je mali. Na višoj temperaturi dolazi do kidanja koherentnosti i preobražaja ε karbida u cementit ili specijalni karbid. Na tom stadijumu otpuštanja dolazi do smanjenja čvrstoće. Većina legirajućih elemenata pomjera te procese prema višim temperaturama.

Za dobijanje istih rezultata čelik legiran takvim elementima, kao što su krom, molibden, silicij i dr., treba zagrijavati pri otpuštanju do viših temperatura ili povećavati trajanja otpuštanja u poređenju sa ugljičnim čelikom.

5.1.2. Podjela čelika

Svi čelici se mogu po - hemij - m - načinu

Podjela čelika prema hemisjkom sastavu Prema hemijskom sastavu, čeli Kao što je već ranije iznešeno, u ugljičnom čeliku ugljik se javlja kao osnovni

legirajući elemenat, koji određuje mehaničke osobine čelika. Prema sadržaju ugljika, ovaj čelik se mož - niskougljični ( - srednjeugljični (od 0,25 d - visokougljični (od 0,4 Legirani čelici se mogu - m - - sre - v

Podjela čelika prema mikrostrukturi



Uzimajući u obzir strukturu, dobijenu poslije hlađenja uzoraka male debljine na mirnom vazduhu, mogu se izdvojiti slijedeće grupe čelika :

Pored ove podjele na osnovne grupe, postoje i - fe - feritno - martenzitno -

Čelici perlitne grupe odlikuju se relativno malim sadržajem legirajućih

elemenata, dok martenzitni imaju značajni sadržaj, a austenitni visok

sadržaj legirajućih elemenata.

Dobijanje ovih grupa čelika povezano je sa kinetikom raspadanja austenita. Sa povećanjem sadržaja legirajućih elemenata postojanost austenita u feritnoj i perlitnoj oblasti povećava, a temperaturna oblast martenzitnog preobražaja se sni - žava, što se odražava na dijagramima izotermičkog raspadanja austenita (sl.

5.12.). Slika 5.12.

Dijagram izotermičkog raspadanja austenita za čelike tri grupe (shematski prikaz): a) perlitna grupa; b) martenzitna grupa i c) austenitna grupa

Za legirane čelike perlitne grupe, kao i za ugljične, kriva brzine hlađenja na

vazduhu presijeca oblast perlitnog raspadanja i dobijaće se strukture perlit, sorbit, trustit.

U čelicima martenzitne grupe oblast perlitnog raspadanja već je značajno pomjerena udesno. Zato hlađenje na vazduhu ne dovodi do preobražaja u perlitnoj oblasti. Austenit se ovdje pothlađuje, bez raspadanja, do temperature martenzitnog preobražaja (MN), gdje dolazi do obrazovanja martenzita.

Dalje povećanje sadržaja ugljika i legirajućeg elementa, ne samo što pom - jera udesno oblast perlitnog raspadanja, već i snižava martenzitnu tačku, dovodeći je u oblast temperatura ispod 0 0C. U tom slučaju, čelik, ohlađen na vazduhu do sobne temperature, zadržava stanje austenita.



Naglašava se da je razmotrena podjela uvjeta i odnosi se na slučaj hlađenja uzoraka relativno malih dimenzija na zraku. Mijenjajući uvjete hlađenja, moguće je dobiti i različite strukture. Tako, pri kaljenju perlitnog čelika može se dobiti martenzitna struktura, a pri laganom hlađenju čelik martenzitne grupe doživljava preobražaj u perlitnoj oblasti. Hlađenje austenitnog čelika ispod nule može izazvati u njemu martenzitni preobražaj.

Podjela čelika prema načinu proizvodnje

Prema načinu proizvodnje mogu se razlikovati :

- čelik običnog kvalite - čelik povišenog kvaliteta - čelik visokog kval

Podjela čelika prema namjeni Prema namjeni mogu se razlikovati slijedeće klase čelika:

I - čelik za noseće konstrukcije (građ II - konstrukcioni čeli III IV - čelik sa posebnim fizičkim

I. Čelik za noseće konstrukcije se koristi u građevinarstvu za izradu hala, mostova, rezervoara itd. Po hemijskom sastavu ovaj čelik je, uglavnom, niskougljični, a po načinu proizvodnje čelik običnog kvaliteta. Obično se ne podvrgava termičkoj obradi i koristi se u stanju isporuke. Isporučuje se u toplovaljanom stanju, mada postoji mogućnost poboljšavanja njegovih mehaničkih osobina pomoću odgovarajuće termičke obrade (normali - zacija). Isporučuje se, uglavnom, prema mehaničkim osobinama. Na zahtjev potrošača, mogu da se garantuju:

- sadržaj ugljika, mangana i silicija; - sadržaj sumpora i fosfora; - sadržaj hroma

Pored navedenog, može da se garantuje žilavost, ugao savijanja i zavarljivost. Ovi dopunski zahtjevi se utvrđuju sporazumno između proiz - vođača i potrošača.

Neumireni čelik se rijetko primjenjuje za izradu zavarenih konstruk - cija, a poluumireni ima određenu primjenu, posebno ako je dezoksidisan pomoću aluminija.

Srednjeugljični i legirani čelici se ne primjenjuju široko u građevinar - stvu kao niskougljični, pošto njihova primjena dovodi do usložavanja tehnologije zavarivanja (primjena predgrijavanja, otpuštanja, ili žarenja zavarenog komada, a ponekad, za dobijanje optimalnih mehaničkih osob - ina, je potrebna i potpuna termička obrada poslije zavarivanja).



Međutim, u posljednje vrijeme naglo se povećala primjena finozrnastih mikrolegiranih čelika povećane granice tečenja (razvlačenja).

II. Konstrukcioni čelik za strojogradnju je, po hemijskom sastavu, ugljični ili legirani, a po načinu proizvodnje, čelik povišenog i visokog kvaliteta.

Ovaj čelik, prema osobinama koje određuju njegovu primjenu, može se podijeliti na:

II.1 - čelik opće namjene i II.2 - čelik posebne namjene.

II.1 Čelik opće namjene koristi se za izradu različitih dijelova u raznim granama mašinske industrije (automobilska, vazduhoplovna, bro - dogradnja, mašine alatke i dr.). Namijenjen je za elemente, čija je izrada vezana za zavarivanje (razni zavareni podsklopovi i sklopovi) i dijelove, čija je izrada vezana za posebnu termičku obradu. Čelik namijenjen za elemente čija je izrada povezana sa zavarivanjem, uglavnom, je nisko - ugljični, mikro- i niskolegirani čelik, povišenog kvaliteta.

Čelik namijenjen za dijelove, čija je izrada povezana za posebnu termičku obradu, uglavnom, je srednjeugljični, nisko - i srednjelegirani čelik, povišenog i visokog kvaliteta, koji se uglavnom odabira prema mehaničkim osobinama. Ovaj čelik može imati, pri istom sadržaju ugljika, ali različitom sadržaju legirajućih elemenata, slične mehaničke osobine pri maloj debljini ili malom prečniku uzorka, a znatno da se razlikuje u pog - ledu mehaničkih osobina pri velikim dimenzijama uzorka. Zbog toga je neophodno da se čelik, namijenjen za dijelove, čija je izrada vezana za posebnu termičku obradu, bira uzimanjem u obzir i debljine dijelova, odnosno njihovih prečnika, pa, prema tome, i prokaljivost.

Povezano sa tim, dotični čelik se može podijeliti na:

− čelik male prokaljivosti (potpuno se kali u uzorcima prečnika 10 do 15 mm);

− čelik srednje prokaljivosti (potpuno se kali u uzorcima prečnika 25 do 35 mm);

− čelik povećane prokaljivosti (potpuno se kali u uzorcima prečnika 50 do 75 mm);

− čelik velike prokaljivosti (potpuno se kali u uzorcima prečnika 75 do 100 mm). Ovaj čelik treba da ima veliku čvrstoću i žilavost poslije termičke obrade.

II.2. Čelik posebne namjene primjenjuje se: − za izradu različitih dijelova u željeznič kom transportu; DIN (100 Cr2;

105Cr4; 100 CrMn6 itd.). − za opruge; DIN (38Si6; 46Si7; 51Si7; 60SiMn5; 38 Si7; Ck67;

51MnV7; 52MnCrB3; 51CrMoV4; 50CrV4 itd.). − kao čelik za obradu na automatima (povećana obradivost); DIN (9S20;

9SMn28; 10SMnPb28; 9SMn36; 9SMnPb36 itd.). − kao čelik otporan prema habanju; − kao čelik otporan prema koroziji; − za rad pod opterećenjem na povišenim temperaturama; DIN (19 Mn5;

Ck 35; X20 CrMoV 121; 28 Ni Cr Mo4; 14 MoV63 itd.).



− kao čelik velike čvrstoće. III. Alatni čelik je, po hemijskom sastavu, visokougljični, nisko - i srednje -

legirani, a po načinu proizvodnje, čelik povišenog i visokog kvaliteta, izuzev, u rijetkim slučajevima (npr., za najmanje odgovorni bravarski alat, može biti običnog kvaliteta).

Prema sadržaju ugljika, ovaj čelik je obično nadeutektoidni (C > 0,8 %), po čemu se on bitno razlikuje od čelika za noseće konstrukcije i konstrukcionog čelika za mašinogradnju. Samo u posebnim slučajevima, alatni čelik se primjenjuje kao konstrukcioni čelik u mašinogradnji (kuglični ležajevi, opruge).

Alatni čelik se može podijel

− rezni alat; − alat za obradu deformacijom u hladnom i toplom stanju; − kovačke kalupe i − mjerne instrumente.

IV. Čelik sa posebnim fizičkim osobinama je, po hemijskom sastavu, visokolegirani čelik, a po načinu proizvodnje, čelik povišenog i visokog kvaliteta, koji, u pojedinim slučajevima, zahtijeva ispunjavanje specijalnih mjera livenja (u vakuumu, pod troskom, ili u atmosferi inertnih gasova) i docnije termičku obradu. U ove čelike mogu se svrstati čelici:

− sa određenim koeficijentom toplinskog širenja; − sa modulom elastičnosti koji ne zavisi od temperature; − magnetni; − nemagnetni; − sa velikom električnom otpornošću.

Dakle, u ovu klasu čelika svrstani su samo oni čelici, čije su fizičke osobine, u uvjetima primjene, najbitnije, dok mehaničke osobine imaju podređen značaj, dok su čelici, koji se ocjenjuju i po mehaničkim i po fizičko-hemijskim osobinama (npr. za rad pod opterećenjem, na povišenim temperaturama i dr.) svrstani u klasu II (konstrukcioni čelici za mašino - gradnju).

Potrebno je naglasiti da se ni jednom podjelom čelika ne mogu okarak- terisati sve njihove osobine. Tako se, npr. Na osnovu podjele prema namjeni ne mogu oštro razdvojiti klase čelika I, II i III, pošto se međusobno preklapaju u određenim oblastima primjene. Međutim, ova podjela čelika je najprihvatljivija sa stanovišta zavarivanja.

Radi preglednosti i daljeg sistematskog izlaganja materije o zavarivanju čelika daje se tabela 5.3.

Tabela 5.3. Podjela čelika I Čelik za noseće

konstrukcije (građevinski

čelik)

U GRAĐEVINARSTVU : - HALE - MOSTOVI - REZERVOARI I DRUGO

NISKOUGLJIČNI I MIKRO - I NISKOLEGIRANI,

OBIČNOG I POVIŠENOG KVALITETA



II K

ON

STR

UK

CIO

NI Č

EL

IK Z

A

MA

ŠIN

OG

RA

DN

JU

II.1

ČELIK OPĆE

NAMJENE

ZA ELEMENTE U MAŠINOGRADNJI

ČIJA JE IZRADA VEZANA ZA ZAVARIVANJE


OBIČNOGI POVIŠENOG KVALITETA

ZA DIJELOVE U MAŠINOGRADNJI , ČIJA JE IZRADA VEZANA ZA POSEBNU TERMIČKU OBRADU

(KALJENJE , CEMENTACIJA I DR. )

SREDNJEUGLJIČNI I NISKO-

I SREDNJELEGIRANI , POVIŠENOG I VISOKOG KVALITETA

II.2 ČELIK POSEBN

E NAMJEN

E

U MAŠINOGRADNJI : - ZA IZRADU DIJELOVA U ŽELJEZNIČKOM TRANSPORTU , OPRUGA , DIJELOVA OTPORNIH NA HABANJE , DIJELOVA OTPORNIH NA KOROZIJU ; - ZA OBRADU NA AUTOMATIMA ; - ZA RAD NA POVIŠENIM TEMPERATURAMA POD OPTEREĆENJEM ; - KAO ČELIK VELIKE ČVRSTOĆE

NISKO-SREDNJE I VISOKO - UGLJIČNI , NISKO-SREDNJE

I VISOKO - LEGIRANI , POVIŠENOG I VISOKOG KVALITETA.

III ALATNI ČELIK

ZA : - REZNI ALAT - ALAT ZA OBRADU

DEFORMACIJOM U HLADNOG I TOPLOM STANJU ; - KOVAČKE KALUPE ; - MIJERNE INSTRUMENTE.

VISOKOUGLJIČNI , NISKO - I SREDNJELEGIRANI ,

POVIŠENOG I VISOKOG KVALITETA

IV ČELIK SA POSEBNIM

FIZIKALNIM SOBINAMA

U : - PRECIZNOJ MEHANICI ; - ELEKTROTEHNICI ; - MIJERNO - REGULACIONOJ TEHNICI.

VISOKOLEGIRANI , POVIŠENOG I VISOKOG KVALITETA ( ČESTO SA POSEBNIM ZAHTJEVIMA PRI LIVENJU )

5.1.3. Označavanje čelika

Postojećim standardom koji se primjenjuje propisano je označavanje čelika. Oznaka se sasto

− slovnog simbola “Č”, kojim se označava čelik; − osnovne oznake, koja se sastoji od četiri brojčana simbola, kojima se

označava vrsta čelika i − dopunske oznake, koja se sastoji od jednog ili dva brojčana simbola,

kojima se označava stanje čelika. Dijelovi oznake odvajaju se međusobno tačkama, a redaju se po prethodno

navedenom redoslijedu. Prema potrebi, slovni simbol “Č” i dopunska oznaka mogu Osnovna oznaka označava osobine čelika pomoću odgovarajućih brojčanih

simbola. Pri tome je izvršena podjela čelika na čelike sa negarantiranim sastavom i čelike sa garantiranim sastavom.

5.1.3.1. Čelici sa negarantiranim sastavom

U ovu grupu svrstavaju se ugljični čelici trgovačkog kvaliteta, ugljični čelici sa

propisanim mehaničkim osobinama, a bez propisanog hemijskog sastava, ili sa



propisanom čistoćom u pogledu sadržaja S i P, ili, za određene svrhe, sa propisanim sadržajem nekog elementa.

Simbol na prvom mjestu, iza slova “Č”, je “O” i označava pripadnost čelika ovoj grupi.

Simbol na drugom mjestu označava grupu minimalne zatezne čvrstoće, i to kod toplovaljanih čelika u stanju isporuke, odnosno u normalizovanom stanju (ako je taj vid termičke obrade izveden), a kod hladno deformacionih čelika u stanju koje je prethodilo hladnoj deformaciji.

Minimalna zatezna čvrstoća (nosi naziv nazivna čvrstoća) gradirana je odgovarajućim simbolima, i to na slijedeći način:

− simbol o, bez propisanih osobina (trgovački kvalitet); − simbol 1, u iznosu od 324 . 106 Pa (33 dN/mm2

− simbol 2, (334 do 353) . 10);

6 Pa (34 do 36 dN/mm2

− simbol 3, (363 do 383) . 10);

6 Pa (37 do 39 dN/mm2

− simbol 4, (392 do 481) . 10);

6 Pa (40 do 49 dN/mm2

− simbol 5, (491 do 579) . 10);

6 Pa (50 do 59 dN/mm2

− simbol 6, (585 do 677) . 10);

6 Pa (60 do 69 dN/mm2

− simbol 7, u iznosu od 687 . 10);

6 Pa (70 dN/mm2

Simbol na trećem i četvrtom mjestu označava redni br ).

− od 0 do 44 su ugljični čelici sa negarantiranom čistoćom i čelici trgovač - kog kvaliteta;

− od 45 do 80 su ugljični čelici sa garantiranom čistoćom i (ili), za određene svrhe, sa garantiranim sadržajem pojedinih elemenata i

− od 90 do 99 je slobodno.

5.1.3.2. Čelici sa garantiranim sastavom U ovu grupu spadaju ugljični čelici sa propisanim hemijskim sastavom i legirani

čelici. Simbol na prvom mjestu, iza slova “Č”, može biti:

− Kod ugljičnih čelika, sa propisanim sastavom, taj simbol je 1; − Kod legiranih čelika on označava brojčani simbol najutjecajnijeg

legirajućeg elementa prema : Pod najutjecajnijim legirajućim elementom podrazumijeva se onaj eleme - nat čiji

srednji sadržaj u čeliku, izražen u procentima, pomnožen sa faktorom vrijednosti, daje najveću cifru. Kao drugi utjecajni legirajući elemenat smatra se onaj elemant, kod koga pomenuti proizvod daje prvu manju cifru u odnosu na prethodnu. Faktori vrijednosti pojedinih legirajućih eleemenata su:



Ako u višestruko legiranim čelicima više legirajućih elemenata ima isti proizvod procentualnog srednjeg sadržaja i faktora vrijednosti, kao najutjecajniji će se smatrati onaj legirajući elemenat, koji ima najveći faktor vrijednosti, a kao drugi utjecajni elemenat onaj koji ima prvi manji faktor vrijednosti.

Simbol na drug

− kod ugljičnih čelika, sa propisanim sastavom, desetostruka vrijednost maksi - malnog procenta ugljika, zaokruženog na desetine. Ako je, npr. U čeliku 0,90 % i više ugljika, brojčani simbol na drugom mjestu je 9;

− kod legiranih čelika drugi po redu utjecajni legirajući elemenat; − kod jednostruko legiranih čelika on je uvijek 1. Simbol na trećem i četvrtom mjestu predstavlja redni br

− od 0 do 19 su ugljični čelici sa propisanim sastavom i legirani čelici koji nisu namijenjeni termičkoj obradi;

− od 20 do 29 su ugljični i legirani čelici za cementaciju; − od 30 do 39 su ugljični i legirani čelici za poboljšanje; − od 40 do 49 su ugljični i legirani čelici za alate; − od 50 do 59 su visokolegirani čelici za alate; − od 60 do 69 su čelici sa naročitim fizičkim osobinama; − od 70 do 79 su čelici hemijski postojani i vatrootporni; − od 80 do 89 je slobodno i − od 90 do 99 su čelici za automate i ostali čelici. Dopunskom oznakom označava se stan

− Bez termičke obrade “0”; − žareno “1”; − žareno na najbolju obradivost “2”; − normalizovano “3”; − poboljšano “4”; − hladno deformisano “5”; − ljušteno, ili brušeno “6”; − podešeno po naročitim uputstvima “9”.

Dopunska oznaka odnosi se isključivo na proizvode (valjani i vučeni čelik) u isporučenom stanju. Ona se ne odnosi na gotove ugrađene dijelove, pa zato je ne treba upotrebljavati kao oznaku materijala na crtežima. Koristi se u standardima i drugoj dokumentaciji, koja se odnosi na porudžbine, odnosno isporuku.

Posebne oznake mogu se dodati u posebnim slučajevima, kao, npr. garan - tirana zavarljivost označava se slovom “V”.

Označavanje čelika bojom u skladištima definisano je posebnim dopunama standarda.

Tehnički uvjeti za izradu i isporuku konstrukcionih čelika definirani su također standardima.

5.2. NIKAL I NJEGOVE LEGURE

Osnovna znanja o osobinama i primjeni



Nikal i legure sa njegovom osnovom spadaju u grupu teških metala. U tabeli 5.4. date su najvažnije fizičke osobine čistog nikla i nekih metala.

Tabela 5.4.Fizikalne osobine određenih čistih metala

Metal Zapreminska

masa ( kg / m3

Tačka topljenja

( ) 0

Električna provodljivost

( S ) C )

Toplinska provodljivo

st ( W / m0

Modul elastičnosti

( Pa N / mmK ) 2 )

Nikal 8900 1450 11⋅10 69 6 2,1⋅1010 2,1⋅104

Željezo 7850 1540 10⋅10 63 6 2,1⋅1010

2,1⋅104

Aluminij 2700 660 36⋅10 210 6 0,7⋅1010 0,7⋅104

Magnezij 1800 650 22⋅10 170 6 0,45⋅1010

0,45⋅104

Bakar 8900 1080 57⋅10 378 6 1,2⋅1010

1,2⋅104 Dobre osobine u pogledu korozione otpornosti u mnogim agresivnim sredinama,

vatrootpornost, zatim veliki omski otpor, kao određene druge posebne osobine, omogućavaju dosta široku primjenu nikla i njegovih legura u hemijskoj i elektrohemijskoj industriji, proizvodnji aparata i instrumenata i drugim granama industrije.

Nikal i njegove legure odlikuju se i visokom vatrostalnošću, što proširuje još više oblast njihove primjene.

U tehničkom niklu procentualni sadržaj nikla obično iznosi od 99,0% do 99,98%, dok se sadržaj primjesa ograničava na maksimum 2,4%.

Zatezna čvrstoća nikla i njegovih legura, u zavisnosti od toplinske obrade i stupnja deformacije, kreće se u granicama od 300⋅106 do 770⋅106 Pa (300 do 770 N/mm2

Slika 5.13. Promjena zatezne čvrstoće (σ

). U tehničkom niklu najveće čistoće sadržaj primjesa se kreće u granicama

hiljaditih dijelova svake od njih, da bi se u niklu najmanje čistoće dozvoljeni sadržaj ugljika povećao na 0,15 do 0,20 %, a silicija i bakra do 0,15 %. Sadržaj sumpora i fosfora u svim kvalitetima tehničkog nikla ograničava se na 0,001 % svakog od njih.

Na slici 5.13. prikazane su promjene vrijednosti zatezne čvrstoće i plas - tičnosti tehničkog nikla pri povećanju temperature, tj. pri zavarivanju.

m) i plastičnosti (δ) tehničkog nikla u zavisnosti od temperature



Relativno niske mehaničke osobine čistog i tehničkog nikla, kao i niska vatrootpornost, ograničavaju njihovu primjenu u izradi konstrukcija. U konstruk - cijama su daleko širu primjenu dobile legure sa osnovom nikla, koje se mogu podijeliti na tri osnovne grupe:

- korozio - Koroziono postojane legure nikla upotrebljavaju se za izradu radnih komada,

koji su u procesu eksploatacije izloženi dejstvu agresivne sredine (npr. kiselina), pri normalnim i povišenim temperaturama. Naročito su poznate tako - zvane legure monel metal i inkonel.

Monel metal je legura nikla koja, pored nikla, sadrži 27 do 29% Cu, 2 do 3% Fe i 1,2 do 4,8 % Mn. Po strukturi, pripada legurama tipa čvrstih rastvora, jer bakar i nikal posjeduju neograničenu rastvorivost. Ova legura je otporna prema fluorovodoničnoj kiselini, rastvorima sumporne kiseline, morskoj vodi i koncen - trovanim bazama.

Inkonel je legura nikla koja, pored nikla, sadrži 15 do 27% Cr i 6 do 10% Fe. Primjenjuje se za izradu dijelova povećane čvrstoće, a odlikuje se i visokom korozionom postojanošću. Za razliku od monel metala, inkonel je otporan i u uvjetima oksidacione sredine i na visokim temperaturama (posjeduje vatrostal - nost).

Kao koroziono postojane, poznate su i legure sa molibdenom (u granicama 16 do 30 % Mo), pri čemu one istovremeno mogu da sadrže i dodatke volframa (do 5,5 %) i hroma (do 18%). Ove legure se odlikuju otpornošću prema solnoj kiselini na normalnoj i povišenim temperaturama (do blizu temperature ključanja), zavisno od tipa legure i to pri svim koncentracijama pomenute kiseline. Postoje legure ovog tipa koje su otporne i prema razblaženoj sumpornoj kiselini, i to na tempe - raturama do blizu temperature ključanja.

Legure nikla sa dodacima Mo, Cr i W mogu biti otporne i prema oksidi - rajućim sredinama, pri srednjim radnim temperaturama, kao i na vazduhu do oko 1090 0C.

Vatrootporne legure sa osnovom nikla dijele se na deformišuće (namijenjene za obradu deformacijom) i livene (namijenjene za obradu livenjem).

Većina vatrootpornih legura sadrži krom (u koncentracijama 13 do 16% ili 19 do 22%), a takođe i dodatke ti, Al, Mo, W, Nb, C, B, Zr i dr. Štetne primjese u ovim legurama su lahkotopljivi metali (Pb, Sn, Sb, Bi), koji smanjuju vatro - otpornost.

Vatrostalne legure (otporne prema hemijskoj koroziji površine u gasnoj sredini, odnosno u suhoj vazdušnoj atmosferi na povišenim temperaturama) sa osnovom nikla upotrebljavaju se za izradu grejnih elemenata peći, kao i za druge radne komade, koji su izloženi temperaturama 700 do 1100 0C.Povećanje vatro - stalnosti postiže se uvođenjem kroma u sastav nikla (u sadržaju 15 do 35 %). Dopunsko povećanje vatrostalnosti legura nikla, koje sadrže krom, postiže se uvo - đenjem aluminija i malih dodataka cerija, kalcija, torija i silicija u njihov sastav.

5.2.1. Zavarljivost nikla i njegovih legura

Pri zavarivanju nikla i njegovih legura nailazi se na slijed



1. Velika sklonost prema obrazovanju pora u šavovima, čiji je nastanak povezan sa promjenom rastvorljivosti kisika, vodika i azota pri prelazu metala iz tečnog u čvrsto stanje.U dodiru sa kisikom, na površini nikla se obrazuje oksidna naslaga nikla (NiO). Rastvorljivost ovog oksida u tečnom metalu je znatna, dok je njegova rastvorljivost u čvrstom metalu neznatna. Na temperaturi 1438 0

Rastvorljivost vodika u niklu mijenja se sa promjenom temperature, što se vidi iz dijagrama na slici 5.14.

C oksid nikla obrazuje se niklom eutektikum, u kome se sadrži do 1,1% NiO.

Slika 5.14. Promjena rastvorljivosti vodika u niklu u zavisnosti od temperature

Pri prelazu nikla iz čvrstog u tečno stanje, rastvorljivost vodika u istom se

skokovito povećava, tako da u blizini temperature topljenja (1450 0C) iznosi oko 41 cm3/100 g. Pri daljem povišenju temperature rastvorljivost vodonika u niklu se i dalje povećava.

Azot se, praktično, ne rastvara u čvrstom niklu do temperature topljenja. U tečnom niklu, naročito u uvjetima kada je električni luk uspostavljen, rastvor - ljivost azota može dostići znatne vrijednosti. Azot, dospijevajući u rastop, djelimično obrazuje nepostojane nitride tipa Ni3N, a djelimično gasovitu fazu, koja, takođe, potpomaže obrazovanje pora.

Prema tome, pri dospijevanju navedenih plinova u rastop, dolazi do odvi - janja određenih reakcija, a, kao rezultat tih reakcija, obrazuju se produkti koji, zbog nerastvorljivosti u čvrstom stanju, pogoduju obrazovanju pora. Drugim riječima, umanjenje rastvorljivosti vodika i azota pri prelazu metala iz tečnog u čvrsto stanje u procesu kristalizacije dovodi do obrazovanja pora, kao poslje - dica izdvajanja gasova, odnosno produkta njihovih reakcija.

Zahvaljujući velikoj rastvorljivosti vodika u tečnom niklu, pojava poroz - nosti uslijed vodika pri zavarivanju nikla visoke čistoće malo je vjerovatna, pošto se kritična koncentracija vodika (40 % i više) u stvarnim uvjetima zavarivanja teško dostiže.

Osnovni i najopasniji izvor pora pri zavarivanju nikla visoke čistoće je azot. Pri elektrolučnom zavarivanju u zaštiti argona, prisustvo azota u zoni zavari - vanja iznad 0,05 % već dovodi do poroznosti u metalu šava.

Pri zavarivanju tehničkog nikla, koji sadrži ugljik u granicama 0,15 do 0,20%, obrazovanje pora u metalu šava je povezano sa reakcijom:

NiO + C = Ni + CO gdje je ugljenmonoksid uzrok poroznosti. Pri zavarivanju nikla sa visokim sadržajem kisika u atmosferi koja sadrži

vodik, može da dođe do reakcije:



NiO + 2H = Ni + H2O Reakcija dezoksidacije Ni naročito je moguća pri hlađenju, kada se NiO,

zbog umanjene rastvorljivosti, izdvaja u obliku samostalne faze. Povezano sa tim, reakcije dezoksidacije mogu biti uzročnik, ne samo pojava pora, već i krtosti nikla, zbog obrazovanja mikropukotina, do kojih dolazi uslijed obrazovnih gasovitih produkata (H2

2. Velika je sklonost metala prema obrazovanju toplih (kristalizacionih) pukotina. Ta sklonost povezana je za obrazovanje, po granicama krupnih zrna, lahko - topljivih eutektikuma Ni

O). Pošto pri zavarivanju nije isključena oksidacija nikla, to je za dobijanje

šavova sa dovoljno visokim osobinama, oslobođenih od pora i pukotina, neophodno obezbijediti dobru zaštitu zone zavarivanja od atmosferskog vazduha, kao i dobru dezoksidaciju i prečišćavanje rastopa. Taj problem može biti djelimično riješen primjenom odgovarajućih topitelja, koji su sposobni da vezuju okside nikla, ili uvođenjem u rastop jakih dezoksidanata (aluminij, titan i dr.). Kao efikasna mjera za spriječavanje poroznosti primjenjuje se zavariva - nje kratkim električnim lukom (do 1,5 mm), čime se jako smanjuje usisavanje gasova iz atmosfere.

3S + Ni (Tt = 645 0C) i Ni3P + Ni (Tt = 880 0

Rast kristalnog zrna moguće je ograničiti primjenom režima zavarivanja sa malom pogonskom energijom, kao i uvođenje, u malim količinama, u metal šava odgovarajućih modifikatora (titan, aluminij, molibden), koji usitnjavaju kristalnu strukturu.

Pri zavarivanju legura nikla najveću opasnost predstavlja obrazovanje kristalizacionih pukotina, pri kristalizaciji metala šava. Osnovni način spre - čavanja njihove pojave jeste primjena dodatnih metala visoke čistoće, oslobo - đenih od primjesa, koje imaju sposobnost likviranja i obrazovanja lahko - topljivih uključaka pri kristalizaciji.

C), koji imaju transkristalnu strukturu. Zbog toga je neophodno ograničavati sadržaj sumpora i fosfora na 0,001 % svakog od njih i to u svim kvalitetima tehničkog nikla, a takođe i u dodatnim metalima za njegovo zavarivanje. Dodavanjem određenih elemenata (do 5% Mn i do 0,1% Mo), moguće je vezati sumpor u jedinjenja sa višom temperaturom topljenja.

3. Manja tečljivost metala rastopa. Pri zavarivanju nikla i njegovih legura metal rastopa manje je tečljiv nego pri zavarivanju čelika, a dubina uvarivanja je manja, pa je zato neophodno povećati kut otvora žlijeba.

5.2.2. Određene specifičnosti tehnologije zavarivanja nikla i njegovih legura

U pogledu tehnologije zavarivanja, nikal i njegove legure su najbliži

visokolegirani austenitnim koroziono postojanim čelicima. Pri izboru postupka i razradi tehnologije zavarivanja, pored vođenja računa o sprečavanju greša osobinama (koroziono postojane, vatro - otporne i vatrostalne), šavovi imaju iste ili slične osobine sa osnovnim metalom. Međutim, nije uvijek neophodno da se dobije isti sastav metala šava i osnovnog

metala, a često je to i neizvodljivo, jer se ne mogu da izbjegnu pore, pukotine i druge greške pri istom sastavu metala šava i osnovnog metala. Zato se radi izbjegavanja tih grešaka metalurškog karaktera i na taj način dobijanja potrebnih osobina zavarenog spoja, pribjegava u tim slučajevima kompleksnom legiranju.



Shodno tome, često je potrebno za jednu istu leguru nikla primjeniti različitu tehnologiju zavarivanja.

Elektrolučno zavarivanje topljivom žičanom elektrodom u zaštiti gasa obično se primjenjuje za debljine iznad 4 (5) mm, i to u prvom redu pri zavarivanju legura nikal - krom.

Kao zaštitni gas pretežno se koristi argon (čistoće 99,99%). Potrebno je imati na umu da je neophodno obezbijediti sigurnu zaštitu rastopa od zraka, kako sa strane izvođenja zavarivanja, tako i sa suprotne (korijene) strane. Pri nedovolj - noj zaštiti postoji mogućnost stvaranja pora. Sa korijene strane može se upotrijebiti i odgovarajući topitelj.

Posebnu pažnju treba posvetiti čistoći površina osnovnog i dodatnog metala. Površine u zoni zavarivanja moraju biti metalno sjajne. U tom smislu je potrebno odstraniti sve nečistoće prije zavarivanja, pomoću četke od krom - nikal čelika i odgovarajućeg rastopa (npr. Aceton i špiritus). Oksidisani slojevi na površini radnog komada mogu se odstraniti 10 %-nom sonom ili sumpornom kise - linom, nakon čega se vrši temeljno ispiranje vodom. Oksidisani slojevi, nastali kao posljedica zavarivanja, mogu se odstraniti pjeskarenjem ili brušenjem pomoću neželjeznih brusnih ploča.

Poslije polaganja svakog zavara, a prije nanošenja slijedećeg, treba odstra - niti trosku i okside sa njihove površine.

Legure na bazi nikla imaju manju provodljivost topline od čistog nikla, što olakšava zavarivanje.

Zbog velikog električnog otpora, izvučeni dio žičane elektrode je za 1,5 do 2 puta manji nego pri zavarivanju niskolegiranom čeličnom žičanom elektrodom.

Izvođenjem zavara malog poprečnog presjeka sprečava se rast kristalnog zrna. Primjenom pulsirajućeg (MIGp) i kratkospojenog (MIGk) prenosa dodat - nog

metala uspješno se zavaruju i metali manje debljine, analogno zavarivanju visokolegiranih krom-nikal čelika. Pomenuti oblici prenosa dodatnog metala se primjenjuju i pri plakiranju čelika legurama na bazi nikla (vatrootpornim i otpor - nim prema koroziji).

U tabeli 5.5. dati su okvirni podaci za MIGs zavarivanje nikla i njegovih legura, a u tabeli Tabela 5.5. Okvirni podaci za MIGs zavarivanja nikla i njegovih legura

Osnovni metal

Vrsta zavarivan

ja

Struja zavarivanja (za prečnik žičane elektrode 1,2 mm)


Kapacitet topljenja

NiCu30Fe

Spajanje 130 2 Spajanje 160 1801 3 Spajanje 195 240 4 Nanošenje 235 310 5 Nanošenje 380 6

NiCr15Fe

Spajanje 140 2 Spajanje 170 170 3 1

Spajanje 200 250 4 Nanošenje 240 320 5 Nanošenje 300 375 6

1 Tehnički moguće, ali nije uobičajeno



Tabela 5.6. Okvirni podaci za MIGk zavarivanje nikla i njegovih legura (sučeljeni spoj:V-žlijeb,ugao otvora žlijeba 750,otvor grla žlijeba 1,5 mm,visina grla žlijeba 0,8 mm)

Osnovni metal

Prečnik žičane

eletrode ( 0,88 mm )

Napon praznog

hoda ( V )

Napon električnog

luka ( V )

Jačina struje ( A )

Broj kratkih spojeva

( 1 / sec )

Brzina dovođenja

žičane elektrode ( m / min )

Kapacitet topljenja

( kg / h )

LC-Ni99 S-NiTi4 32 21 190 140 10,5 2,9 NiCu30Fe S-NiCu32Ti 28 20 170 150 12 3,3 NiCr15Fe S-NiCr20 32 20 110 15 6,3 1,8

5.3. ALUMINIJ I NJEGOVE LEGURE

Osobine aluminija i njegovih legura

Aluminij i njegove legure spadaju u grupu lahkih metala. Oni su pogodni za

izradu različitih konstrukcija zahvaljujući maloj zapreminskoj masi, koja je približno tri puta manja u odnosu na čelik, relativno velikoj čvrstoći, dobroj obradljivosti i sposobnosti deformiranja, povišenoj postojanosti na niskim temperaturama, kao i korozionoj postojanosti prema vazduhu i različitim oksidirajućim sredinama. Zahvaljujući nabrojanim osobinama, poluproizvodi od aluminija i nje - govih legura (limovi, profili, cijevi) se primjenjuju u mnogim granama industrije (mašinogradnja, brodogradnja, avioindustrija, građevinarstvo, saobraćaj, hemijska industrija, industrija prehrambenih proizvoda, elektrotehnika itd.).

Visoka koroziona postojanost i dobra toplinska i električna provodljivost čine legure aluminija u mnogim slučajevima teško zamjenljivim konstrukcionim metalom. U tabeli 5.4. date su određene fizičke osobine čistog aluminija.

Čist aluminij ima malu zateznu čvrstoću, pa o tome treba voditi računa. Zatezna čvrstoća (σm) čistog aluminija je manja od 100 ⋅ 106 Pa (100 N/mm2

Kao teoretska granica, koja dijeli legure u dvije navedene grupe, služi oblast rastvorljivosti eleme Slika 5.15.

). Kao čist, aluminij se uglavnom koristi za izradu proizvoda od kojih se zahtijeva koroziona otpornost prema odgovarajućoj sredini, u prvom redu prema vazduhu i različitim oksidirajućim sredinama.

Aluminij i njegove legure posjeduju nisku temperaturu topljenja i malu vrijednost modula elastičnosti, pa o tome treba voditi računa pri izradi određenih radnih komada.

Legure aluminja mogu se podijeliti u dvije os - deformišuće, namijenjene za preradu plastičnom deformacijom i - livene, namijenjene za izradu polufabri



Podjela legura aluminija prema binarnom sistemu: 1. - Deformišuće legure, 2. - Livene legure,

I - legure koje ne ojačavaju termički, II - legure koje termički ojačavaju. Deformišuće legure imaju koncentraciju legirajućih elemanta ispod granice

rastvorljivosti i one se pri zagrijavanju mogu prevesti u jednofazno stanje, koje obezbjeđuje njihovu visoku sposobnost deformiranja. Upotrebljavaju se za izradu proizvoda plastičnom deformacijom.

Livene legure sadrže legirajuće elemente iznad granice rastvorljivosti i imaju u strukturi eutektik Većina elemenata, kojima se vrši legiranje aluminija, ima ograničenu

rastvorljivost u istom. Rastvorljivost legirajućih elemenata u aluminiju mijenja se sa promjenom temperature. To daje legurama aluminija sposobnost da ojačavaju odgovarajućom toplinskom obradom (toplinsko taloženje). U suštini, jačanje top - linskim taloženjem treba da je svojstveno za sve legure koje imaju koncentraciju legirajućih elemenata iznad granice rastvorljivosti istih na sobnoj temperaturi.

Shodno prethodnom, legure aluminij

− legure koje se ojačavaju toplinskom obradom, gdje spadaju čvrsti rastvori sa koncentracijom legirajućih elemenata ispod granice rastvorljivosti elemenata na sobnoj temperaturi i

− legure koje se ojačavaju toplinskom obradom, u koje spadaju legure sa koncentracijom legirajućih elemenata iznad granice rastvorljivosti istih na sobnoj temperaturi.

Između livenih i deformišućih legura, koje imaju sposobnost ojačavanja, mogu se nalaziti legure sa malim efektom ojačavanja.

Prisustvo legirajućih elemenata u sastavu legure iznad granice njihove rastvorljivosti na sobnoj temperaturi treba posmatrati kao neophodan, ali ne i siguran uslov sposobnosti legura da ojačavaju toplinskim taloženjem.

U deformišuće legure koje se toplinski ne ojačavaju spadaju uglavnom tehnički aluminij i njegove legure sa manganom i magnezijom, a u legure koje se toplinski ojačavaju spadaju legure aluminija sa cinkom, bakrom i drugim elemen - tima.

U livene legure spadaju legure sa značajnim sadržajem silicija ili bakra. Zavarene konstrukcije uglavnom se izvode od deformišućih legura alumi - nija,

koje se toplinski ne ojačavaju, a koje se koriste u deformaciono ojačanom stanju (hladnom plastičnom deformacijom). Posljednjih godina se za izradu zava - renih konstrukcija primjenjuju sve više deformišuće legure aluminija koje se ojačavaju toplinskom obradom.

Pri zavarivanju legura aluminija koje se toplinski ne ojačavaju, utjecaj toplinskog ciklusa zavarivanja ne dovodi do bitnog smanjenja čvrstoće u zoni utjecaja topline. Međutim, pri zavarivanju legura koje toplinski ojačavaju veliku teškoću izaziva smanjenje čvrstoće metala u zoni utjecaja tiopline, do čega dolazi usljed izdvajanja intermetalida pod dejstvom toplinskog ciklusa zavarivanja, tako da čvrstoća u pomenutoj zoni iznosi 60 do 70 % čvrstoće osnovnog metala. Primjenom potpune toplinske obrade (kaljenja i vještačko toplinsko taloženje) poslije zavarivanja uspostavljaju se polazne osobine metala u toplinski neojačanom stanju, dok je efekat prirodnog taloženja (starenja) nedovoljan za potpuno uspostavljanje polaznih osobina metala u zoni utjecaja topline.

Livene legure aluminija nalaze ograničenu primjenu u izradi zavarenih konstrukcija. Zavarivanje na ovim legurama prvenstveno se primjenjuje u cilju



otklanjanja grešaka na odlivcima, a može se primjenjivati i pri spajanju lijevanih dijelova sa dijelovima od deformišućih legura.

Kao stalne primjese u tehničkom aluminiju i njegovim legurama pojavljuju se željezo i silicijum.

U tabeli 5.7. dati su kvaliteti aluminija i njegovih legura prema DIN 1725.

Tabela 5.7. Aluminij i njegove legure za izradu zavarenih konstrukcija (prema DIN 1725)

Oznaka Legirajući elementi ( % ) Mn Mg Si Zn Cu

Čisti aluminij Al 99,8 Al 99,5

Legura tipa Al - Mn ( neojačavajuća ) AlMn 0,9 do 1,4

Legura tipa Al - Mg ( neojačavajuća ) AlMg3 2,6 do 3,0 AlMg5 4,3 do 5,5

Legura tipa Al - Mg - Mn ( neojačavajuća ) AlMgMn 0,5 do 1,1 1,6 do 2,5 AlMg4,5Mn 0,6 do 1,0 4,0 do 4,9

Legura tipa Al - Mg - Si ( ojačavajuća ) AlMgSi0,5 0,4 do 0,8 0,35 do 0,70 AlMgSi1 0,4 do 1,0 0,6 do 1,2 0,75 do 1,3

Legura tipa Al - Zn Mg ( ojačavajuća , bez dodatka bakra ) AlZnMg1 0,1 do 0,5 1,0 do 1,4 4,5 do 5,0

Livene legure tipa : G-AlSi , G-AlSiMg , G-AlSiCu G-AlSi12 0 do 0,5 11 do 13,5 G-AlSi10Mg 0 do 0,5 0,2 do 0,4 9 do 11 G-AlSi6Cu4 0,3 do 0,6 0,1 do 0,3 5 do 7 3 do 5

5.3.1. Zavarljivost aluminija i njegovih legura

Osnovne teškoće do kojih dolazi pri zavarivanju aluminija i njegovih legura 1. Prisustvo i mogućnost brzog obrazovanja teškotopljivog oksida Al2O3 (tačka

topljenja Tt = 2050 0C) na očišćenoj površini. Pošto je zapreminska masa dotičnog oksida veća od zapreminske mase aluminija, on otežava rastapanje stranica žlijeba i potpomaže prljanje metala šava česticama oksidne naslage u obliku nemetalnih uključaka. Zato je neophodno očistiti stranice žlijeba i ostale površine u zoni zavarivanja od oksidne srame. Takođe je potrebno očistiti i površinu dodatnog metala od oksidne naslage. Čišćenje površina od oksidne naslage izvodi se mehaničkim putem i nagrizanjem. Razaranje oksidne naslage pri elektrolučnom zavarivanju postiže se djelovanjem struje pri održavanju električnog luka ili utjecajem komponenata iz elektrode na oksid aluminija.



Pri zavarivanju jednosmjernom strujom obrnutog (+) polariteta struja ima “čisteće” djelovanje za svo vrijeme zavarivanja, dok pri zavarivanju naizmje - ničnom strujom to djelovanje uglavnom ima u poluperiodu kada se radni komad pojavljuje kao katoda (-). Ova sposobnost raspršujućeg djelovanja katode koristi se pri elektrolučnom zavarivanju topljivom žičanom elektrodom u zaštiti gasa. Najvjerovatniji mehanizam djelovanja električne struje sastoji se u tome što pokretni joni, dospijevajući velikom brzinom do površine metala, udaraju u istu, razaraju oksidnu naslagu i tako, kao posljedica tog katodnog raspršavanja, dolazi do odstranjenja naslage. Djelovanjem struje može biti razorena samo relativno tanka oksidna naslaga, dok se naslaga veće debljine mora odstraniti mehaničkim ili hemijskim putem neposredno prije zavarivanja.

2. Veliko i dosta naglo smanjenje čvrstoće na visokim temperaturama pri zavari - vanju može da dovede do odvajanja čvrstog metala na nerastopljenom dijelu stranice žlijeba pod dejstvom težine rastopa.

Promjene određenih mehaničkih osobina čistog aluminija u zavisnosti od

temperature date su na slici 5.16. Slika 5.16.

Promjena zatezne čvrstoće (σm

3. Velika sklonost prema pojavi deformacija pri zavarivanju uslijed velike vrije - dnosti koeficijenta toplinskog širenja i malog modula elastičnosti aluminija. Da bi se deformacije smanjile na što manju vrijednost, potrebno je izvršiti stezanje limova, koji se zavaruju, mehanički (stegama), pneumatski ili hidraulično i specijalnim alatima. Zbog visoke toplinske provodljivosti aluminija, naprave i pribore za stezanje treba izrađivati od metala koji imaju malu toplinsku provodljivost (visokolegirani nehrđajući čelici).

), relativnog izduženja ( δ ) i suženja poprečnog presjeka ( ψ ) aluminija u zavisnosti od temperature

Kada dođe do odvajanja određenog dijela čvrstog metala sa stranica žlije - ba,

rastopljeni aluminij, pošto posjeduje visoku tečljivost, može da isteče kroz otvor grla žlijeba. Dimenzije rastopa teško je kontrolisati, jer aluminij, praktič - no, ne mijenja boju pri zagrijavanju. Pri jednoslojnom zavarivanju, uz korišće - nje velike pogonske energije, neophodno je, radi sprečavanja progorijevanja ili odvajanja dijelova čvrstog metala sa stranica žlijeba, primjenjivati odgovara - juće podložne ploče od nehrđajućeg čelika, a ponekad i od grafita.

4. Obrazovanje pora u metalu šava. Za razliku od čelika, pore u aluminiju prven - stveno se raspoređuju u unutrašnjosti šava, a mogu se sresti i u blizini njegove granice stapanja sa osnovnim metalom. Kao osnovni uzročnik pojave pora u



šavovima na aluminiju smatra se vodik, čija je rastvorljivost u aluminiju u zavisnosti od temperature prikazana na slici 5.17.

Slika 5.17.

Promjena rastvorljivosti vodika u aluminiju u zavisnosti od temperature

Vodik, rastvoren u tečnom metalu (rastopu) obavezno se, u količini 90 do 95% svoje zapremine, izdvaja iz metala u momentu njegovog očvršćivanja. To izdvajanje otežava oksidna naslaga i mali koeficijent difuzije vodika u alumi - niju, pa vodik ostaje zarobljen u očvrsnutom metalu, što dovodi do poroznosti.

Najveću sklonost prema obrazovanju pora posjeduju legure tipa Al - Mg. Borba protiv poroznosti pri zavarivanju aluminija i njegovih legura je

prvostepeni zadatak, koji stoji pred tehnolozima. Potrebno je prije zavarivanja odstraniti oksidnu naslagu i masnoće, kako sa stranica žlijeba, tako i sa ostalih površina osnovnog metala u zoni zavarivanja. Odstranjivanje masnoće vrši se ispiranjem toplom vodom ili organskim rastvorima. Pri odmašćivanju pomoću trihloretilena dolazi do stvaranja fozgena u procesu zavarivanja pod utjecajem infracrvenih zraka iz električnog luka. O tome se posebno mora viditi računa, jer fozgen može biti vrlo opasan za izvršioca.

Pri zavarivanju limova većih debljina primjenjuje se predgrijavanje pri čemu je važno održavati temperaturu predgrijavanja u toku zavarivanja u intervalu od 100 do 400 0C (zavisno od tipa legure). Predgrijavanjem se usporava kristalizacija metala rastopa i potpomaže brže odstranjivanje gasova (u prvom redu vodika), te se tako umanjuje poroznost.

Pri zavarivanju debelih limova od legura tipa Al - Mg dovoljno je predgrijavanje u intervalu od 100 do 150 0

5. Obrazovanje toplih (kristalizacionih) i hladnih pukotina. Metal šava je sklon prema obrazovanju pukotina zbog nastajanja grube stubičaste strukture i izdvajanja lahkotopljivih eutektikuma po granicama zrna, a i zbog pojave znatnih napona zatezanja nastalih uslijed skupljanja aluminija.

C. Mehaničke osobine zavarenog spoja pri primjeni predgrijavanja su vrlo niske.

Azot se, praktično, ne rastvara u aluminiju, a gradi nitrid aluminija, koji prelazi u trosku, te zato ne izaziva pojavu poroznosti pri zavarivanju.

Obrazovanje kristalizacionih pukotina pri zavarivanju tehnički čistog aluminija i legura Al - Mn zavisi od sadržaja željeza i silicija u metalu šava.



Povećanje sadržaja silicija do 0,6 % dovodi do smanjenja otpornosti prema obrazovanju kristalizacionih pukotina u šavu. Lahkotopljivi eutektikum (Tt = 577 0C) dovodi do pojave pukotina. Pri sadržaju silicija iznad 5%, obrazovani eutektikum “zaliječuje” pukotine. Pri uobičajenom sadržaju silicija (0,2 do 0,5%), u metal šava se uvodi željezo (Fe>Si), što dovodi do vezivanja silicija u stabilno jedinjenje Fe-Si-Al, koje ulazi u sastav teškotopljivog peritektikuma, pa se na taj način povećava otpornost metala šava prema obrazovanju kristali - zacionih pukotina. Sadržaj silicija od 0,1% već je dovoljan za obrazovanje pukotina u šavu, a sadržaj željeza od 0,1 % je nedovoljan za njihovo spreča - vanje. Zbog toga aluminij i legure Al - Mn, sa sadržajem željeza i silicija po 0,05 do 0,15 %, imaju malu otpornost prema obrazovanju kristalizacionih pukotina. Među legurama aluminija najmanju otpornost prema obrazovanju kristalizacionih pukotina posjeduje legura AlMg2. Magnezij ovdje ima sličnu ulogu kao željezo u prethodnom slučaju. Veću otpornost prema obrazovanju pomenutih pukotina posjeduju legure AlMg5 i AlMg6 koje sadrže 5 do 6 % Mg.

Predgrijavanje (naročito lokalno) nekih legura aluminija do temperature 200 (250)0C, za razliku od čelika, ne potpomaže sprečavanje kristalizacionih pukotina, pošto dovodi do znatnog povećanja dimenzija kristala, napona i pojave deformacije.

Dopunske teškoće pri zavarivanju legura aluminija dolaze uslijed obrazo - vanja hladnih pukotina, koje se pojavljuju u zavarenim spojevima zakaljivih (Al-Zn-Mg) legura. Dotične pukotine se pojavljuju usporeno, kroz određeni period vremena poslije zavarivanja i dovode do usporenog razaranja zavarenog spoja. Kao sredstvo za sprečavanje nastajanja hladnih pukotina primjenjuje se predgrijavanje u intervalu temperatura 200 do 250 0

6. Zbog velike toplinske provodljivosti aluminija, pri predgrijavanju treba kori - stiti jake izvore topline sa koncentrisanim zagrijavanjem. U nizu slučajeva je dovoljno zagrijavanje samo početnih dijelova žlijeba do temperature od 120 do 150

C. Pri tome dolazi do blagovremenog djelimičnog izdvajanja intermetalidnih faza iz čvrstog rastvora i do koagulacije, smanjuju se naponi zavarivanja i strukturni naponi, tj. eliminišu se uzročnici nastanka hladnih pukotina. Pokazatelji mehaničke čvr - stoće se pri tome neznatno smanjuju.

0

5.3.2. Struktura i osobine zavarenog spoja

Pri kristalizaciji metala rastopa od čistog aluminija obrazuje se gruba kristalna

struktura (stubičasti kristali). Poprečne dimenzije kristala su mnogo veće nego pri zavarivanju čelika, pa se zato lakše obrazuju pukotine. Finija struktura metala šava, pri zavarivanju aluminija i njegovih legura, dobija se modificiranjem i magnetnim miješanjem metala rastopa u procesu zavarivanja. Kao modifikatori mogu se koristiti titan, cirkonij, bor i drugi elementi.

C prije zavarivanja. Međutim, u određenim slučajevima je potrebno pred - grijavanje čitavom dužinom, kao i održavanje temperature u predviđenim granicama u toku zavarivanja.

Bez obzira na postupak zavarivanja, pri zavarivanju aluminija i njegovih legura dolazi do velikih brzina hlađenja metala šava i usmjerenog odvođenja topline. To dovodi do dendritske likvacije i pojave eutektikuma u strukturi metala šava, a time i do smanjenja plastičnosti i čvrstoće istog, kao i pojave pukotina. Pravilnim



izborom postupka zavarivanja, dodatnog metala i režima zavarivanja može se regulirati količina obrazovanog eutektikuma u metalu šava, a time se omogućuje dobijanje zavarenog spoja zadovoljavajućih osobina, bez pukotina.

Pri zavarivanju aluminija i njegovih legura u zoni utjecaja topline dolazi do rekristalizacije, prvenstveno u pravcu valjanja.

U zoni utjecaja topline čistog aluminijuma i legura koje toplinski ne ojača - vaju dolazi do rasta zrna i smanjenja čvrstoće (ako je radni komad prethodno bio hladno deformiran) izazvanog otpuštanjem. Intezitet rasta i smanjenja čvrstoće pri zavarivanju zavise od postupka i režima zavarivanja, kao i od temperature predgrijavanja. Praksa pokazuje da, pri zavarivanju aluminija, metal šava ima približno istu čvrstoću kao osnovni metal u odžarenom stanju, a ona se kreće u granicama (60 do 80) 106 Pa (60 do 80 N/mm2).

Pri zavarivanju legura Al - Mn, koje toplinski ne ojačavaju, makrostruktura metala šava je finija. Još finija je struktura metala šava legura Al - Mg, koje takođe toplinski ne ojačavaju. Vrlo fina je i struktura metala šava legura koje sadrže veliku količinu legirajućih elemenata, što je povezano sa utjecajem tih legirajućih dodataka.

Metal šava legure Al - Mn ima približno iste mehaničke osobine kao i osnovni metal.

Pri zavarivanju legura Al - Mg teško je dobiti metal šava mehaničkih osobina jednakih sa osobinama osnovnog metala. Naime, zavarljivost ovih legura, iako one pripadaju legurama koje toplinski ne ojačavaju, pogoršava se zbog njiho - ve povećane osjetljivosti prema toplinskom ciklusu zavarivanja i sklonosti dijela osnovnog metala neposredno uz šav prema ispupčavanju (bubrenju), što dovodi do određenih grešaka, praktično do prekida u šavu. Kao osnovni uzrok pomenute pojave bubrenja smatra se reakcija magnezija sa vodenom parom, kao i nagomila - vanje vodika u mikrošupljinama, čime se povećava pritisak. Sa povećanjem sadržaja magnezija usložava se tehnologija zavarivanja legura Al - Mg.

Smanjenje čvrstoće metala šava legura Al - Mg zapaža se naročito pri usporenom hlađenju u procesu kristalizacije, što je povezano sa osiromašenjem čvrstog rastvora u pogledu sadržaja magnezija.

Pri zavarivanju legura aluminija koje toplinski ojačavaju teško je dobiti zavareni spoj iste čvrstoće kao osnovni metal, ako se ne primjeni docnija toplinska obrada (kaljenje i otpuštanje). Do smanjenja čvrstoće dolazi u zoni utjecaja topline uslijed izdvajanja intermetalida, pa čvrstoća zavarenog spoja iznosi svega 60 do 70 % čvrstoće osnovnog metala.

Kao najopasnija pojava, koja dovodi do jakog smanjenja osobina čvrstoće i obrazovanja pukotina, smatra se otapanje granica zrna. Tečni međuslojevi između zrna smanjuju mehaničke osobine metala u zagrijanom stanju, a, uz to, često dovode i do pojave pukotina. U dijelovima zavarenog spoja u kojima je došlo do otapanja granica zrna često dolazi do krtog razaranja.

U pogledu otpornosti prema koroziji u atmosferskim uvjetima, zavareni spojevi aluminija i njegovih legura neznatno zaostaju za osnovnim metalom. Međutim, drugačije je ponašanje spojeva u različitim agresivnim sredinama. Npr. zavareni spoj, izveden na aluminiju visoke čistoće, ima u azotnoj kiselini približno jednaku korozionu otpornost sa osnovnim metalom. Sa povećanjem sadržaja željeza i silicija koroziona otpornost metala šava opada u većem stupnju nego osnovnog metala. Koroziona otpornost metala šava koji sadrži primjese može se povećati plastičnom obradom u toplom stanju (kao posljedica žarenja zavarenog spoja).



Izučavanje strukturnih promjena do kojih dolazi u zoni utjecaja topline industrijskih legura aluminija, kompleksno legiranih, povezano je sa određenim teškoćama usljed prisustva velikih količina faza složenog sastava.

U preradi i zavarivanju aluminija i njegovih legura treba se do detalja upoznati sa svim specifičnostima osnovnog metala. Dodatni metal se mora prilago- diti osnovnom metalu da bi se, uz zadovoljenje i ostalih uvjeta, zavarivanje moglo uspješno izvesti. 5.3.3. Određene specifičnosti tehnologije zavarivanja aluminija i njegovih legura

Aluminij i njegove legure uglavnom se zavaruju postupcima elektrolučnog zavarivanja u za Navode se slijedeći :

− Pri upotrebi argona ili smješe argona i helija nije potrebna primjena praška (topitelja). To znatno pojednostavljuje operacije poslije zavarivanja, posebno za spojeve kod kojih postoji opasnost od korozije, koja može početi ako se ne uklone ostaci topitelja.Osim toga, pri zavarivanju varijantom MIG sa žičanom elektrodom na plus (+) polu, zahvaljujući katodnom raspršivanju (bombar - dovanju površine metala pozitivnim inima i izlasku elektrona iz obrazovane toplinske mrlje), dolazi do razaranja oksidne naslage, a pod zaštitom argona oksid aluminija se ne može ponovo obrazovati;

− zahvaljujući koncentrisanom dovođenju topline pri zaštiti pomoću argona, omogućuju se velike brzine zavarivanja;

− primjenom, zavarivanja u zaštiti argona (MIG varijanta) uža je zona utjecaja topline čime se omogućuje, i pored dvostruko veće vrijednosti koeficijenta toplinskog širenja aluminija u odnosu na čelik, svođenje deformacija na mini - mum;

− uža zona utjecaja topline dovodi do smanjenja oblasti u kojima, kao posljedica zagrijavanja, dolazi do smanjenja čvrstoće metala;

− kontrola rastopa za vrijeme zavarivanja pruža zavarivaču veliku sigurnost pri radu tako da on, poslije relativno kraćeg vremena obuke, može izvoditi kvali - tetne šavove.

Postupak zavarivanja metalnom žičanom elektrodom u zaštiti inertnog gasa (varijanta MIG) primjenjuje se uglavnom za debljine metala iznad 3 mm. Pri zavarivanju aluminija i njegovih legura debljina ispod 3 mm električni luk nije stabilan, naročito pri prenosu u mlazu na manjim vrijednostima jačine struje. Varijantom MIG može se zavarivati poluautomatski i automatski. Najpogodniji je horizontalni položaj zavarivanja, mada se zavarivanje može izvoditi vrlo uspješno i u prinudnim položajima.

Zavarivanje žičanim elektrodama prečnika ispod 1,2 (1,5) mm je otežano zbog nedovoljne čvrstoće aluminija. Stabilnost električnog luka, pri primjeni žičanih elektroda prethodno navedenih u mlazu, pri jačinama struje iznad 130 A, čime se omogućuje zavarivanje metala debljina iznad 4 (5) mm. Uobičajeni pre - čnik žičane elektrode je 1,6 mm. Žičanim elektrodama ovog prečnika omogućuje se dobro zavarivanje i u prinudnim položajima.

U normalnim uvjetima rada, za čiste aluminijske limove debljine do 10 mm i legure aluminija debljine do 15 mm ne treba primjenjivati predgrijavanje. Ovo ne treba uzeti kao pravilo jer primjena predgrijavanja zavisi još od niza utjecajnih faktora (toplinska provodljivost, spoljna temperatura, uvjeti zavarivanja i dr.).



Zavarivanje varijantom MIG sa prenosom dodatnog metala u mlazu (MIGs) primjenjuje se na metale veće debljine. Preimućstvo ovog oblika prenosa dodatnog metala ogleda se u boljem miješanju rastopa, pa je manja vjerovatnoća dobijanja krupnih nemetalnih (oksidnih) uključaka u metalu šava. Kao problem se pojavljuje mogućnost obrazovanja pora. Međutim, poroznost u manjoj mjeri, najčešće, nije opasna, pošto se u, najgorem, slučaju može odraziti jedino na malo smanjenje mehaničkih osobina. Pri automatskom (MIGs) zavarivanju primjenjuju se podmetači sa odgovarajućim žljebom za oblikovanje korijene strane šava. Jedna od teškoća pri primjeni prenosa dodatnog metala u mlazu je otežano upravljanje procesom topljenja žičane elektrode, kao i teže obezbjeđenje sigurne zaštite zone zavarivanja od utjecaja vazduha.

Primjenom pulsirajućeg prenosa dodatnog metala (MIGp) proširuje se oblast primjene zavarivanj prinudnim položajima. Na slici 5.18. prikazana su područja struja zavarivanja pri primjeni pulsi - rajućeg (MIGp) i preno

Slika 5.18. Područja opterećenja raznih prečnika žičane elektrode pri MIGs i MIGp

zavarivanju aluminija U tabeli 5.8. dati su okvirni podaci za MIGs zavarivanje aluminija i njegovu legura

Tabela 5.8.



Okvirni podaci za MIGs zavarivanje aluminija (Al 99,5; jednosmjerna struja; zaštita argonom)

Horizontalni položaj zavarivanja; Vertikalni (odozdo naviše) položaj zavarivanja; Nadglavni položaj zavarivanja; Za legure aluminijuma, kao ALMgSi i AlMg, struja zavarivanja iznosi 75 do 85%

od navedenih vrijednosti u tabeli; Navedene brzine zavarivanja odnose se na zavarivanje sučeljenih spojeva u

horizontalnom položaju. Pri zavarivanju u vertikalnom i nadglavnom položaju brzina zavarivanja je znatno manja. U ovim položajima zavarivanja potrebno je smanjiti jačinu struje i birati žičanu elektrodu manjeg prečnika.



Pri zavarivanju aluminija i njegovih legura treba imati na umu slijedeće prak

− potrebno je prije zavarivanja ukloniti slojeve oksida sa površina stranica žli - jeba i sa ostalih površina u zoni zavarivanja. Prije polaganja svakog slijedećeg zavara neophodno je očistiti površinu prethodnog zavara;

− čišćenje treba izvoditi isključivo četkom od nehrđajućeg čelika, sa žicama malog prečnika, naročito u fazi zavarivanja, izuzev ako se dijelovi nagrizaju neposredno prije zavarivanja. Ako se dijelovi nagrizaju, oni se moraju naknad- no neutralisati (pasivizirati). Pri tome je potrebna konsultacija sa isporučiocem;

− na površinama radnog komada ne smiju se praviti duboki zarezi pri čišćenju, pošto oni mogu kasnije postati žarišta korozije;

− pri pripremi “I” spojeva (za debljine do 5 mm) ivice lima na korijenoj strani moraju biti malo oborene (1 mm/450

− pripoje treba izvoditi u propisanom redoslijedu i na propisanom rastojanju. Treba imati na umu visoku toplinsku provodljivost i veliki koeficijent toplinskog širenja aluminija i njegovih legura. Pripoji ne smiju biti suviše kratki jer treba da izdrže napone uslijed zavarivanja, a da se pri tome u njima ne pojave pukotine. Radi predostrožnosti, pripoje treba ukloniti brušenjem.

), pošto oksidni sloj u donjem dijelu čeonih strana nije obuhvaćen potpuno električnim lukom, pa ostaje kao jedan razdvojeni sloj u šavu. Obaranjem ivica sa korijene strane postiže se potiski - vanje ovog sloja na donju stranu šava, zahvaljujući propadanju tečnog metala rastopa;

5.4. ZAVARIVANJE MAGNEZIJUMA I NJEGOVIH LEGURA 5.4.1. Osobine magnezija i njegovih legura

Čisti magnezij zbog male korozione postojanosti i male čvrstoće (80⋅106 do 110⋅106 Pa, odnosno 80 do 110 N/mm2), kao i male plastičnosti, nije pogodan kao konstrukcioni metal za izradu zavarenih konstrukcija. Relativno mala čvrstoća i plastičnost čistog magnezija objašnjavaju se time što magnezij ima heksagonalnu rešetku koja, na normalnoj temperaturi, ima samo jednu ravan klizanja. Na tempe - raturi 200 do 300 0

Najčešće se koriste aluminij i cink kao legirajući elementi koji ojačavaju čvrsti rastvor legura magnezija. Međutim, njihovo ojačavajuće djelovanje ispoljava se do temperatura 150 (200)

C plastičnost magnezija se povećava uslijed pojave novih ravni klizanja.

U tehnici se kao konstrukcioni metali upotrebljavaju, uglavnom, legure magnezija, koje imaju veću čvrstoću, uz zadržavanje male mase, kojom se odlikuje magnezij. Kao osnovni legirajući elementi, za dobijanje legure magnezija koriste se mangan, aluminij, cink, cerij, i cirkonij.

Od svih konstrukcionih metala legure magnezija se odlikuju najmanjom zapreminskom masom (oko četiri puta manja nego u željeza, a oko jedan i po put manja nego u aluminija). Ovako mala zapreminska masa omogućuje primjenu ovih legura u konstrukcijama koje, iz tehnoloških razloga, treba da budu vrlo lahke. Zahvaljujući vrlo maloj zapreminskoj masi, specifični pokazatelji osobina mnogih legura sa osnovom magnezija, nadmašuju analogne pokazatelje osobina čelika povećane čvrstoće, aluminijskih legura velike čvrstoće, pa čak i nekih legura sa osnovom titana.

0C. Na ovim temperaturama vatrootporne osobine magnezija posebno povećavaju neodijum (Nd) i (u manjem iznosu) torijum (Th).



Ojačavajuće djelovanje torijuma ispoljava se u velikoj mjeri na temperaturama 250 do 300 0

− deformišuće, namijenjene za dobijanje proizvoda plastičnom deformacijom i

C. Povećana osjetljivost magnezija i njegovih legura prema koroziji u mnogim sredstvima objašnj najbolja metoda zaštite magnezija i njegovih legura od korozije. Vrlo efikasna mjera zaštite od korozije su kromne prevlake (na bazi soli kromne kiseline). Za zgušnjavanje oksidnih naslaga, u sastav legura magnezija često se uvode dodaci berilija. Pri kristalizaciji magnezij je sklon obrazovanju grube kristalne strukture. Za usitnjavanje zrna i p Analogno legurama aluminija, magnezijeve legure se mogu

− livene, namijenjene za dobijanje odlivaka. Prema utjecaju toplinske obrade legure magnezij

− ojačavajuće (povećavaju osobine čvrstoće pri toplinskoj obradi) i − neojačavajuće (ne povećavaju osobine čvrstoće pri toplinskoj obradi). U pogledu primjene, legure magnezija se mogu podijeliti u tri osnovne grupe :

− za opštu upotrebu; − legure velike čvrstoće i − vatrootporne Legure magnezija uglavnom, nalaze primjenu u avioindustriji, proizvodnji raketa,

brodogradnji, za izradu posuda za petrolej, mineralna ulja, foto kaseta itd. Prema sistemu legiranja može se izdvojiti nekoliko grupa deformišućih legura magnezija :

− legure tipa Mg - Mn, u kojima se mijenja sadržaj mangana, uz to se vrši dopunsko legiranje cerijem, u cilju usitnjenja strukture i povećanja mehaničkih osobina. Legure ovog tipa toplinski ne ojačavaju i relativno se dobro zavaruju;

− legure tipa Mg - Al - Zn, sa ograničenim sadržajem legirajućih elemenata. Pri ograničenom sadržaju legirajućih elemenata (npr. Do 8% Al), one ne ojačavaju toplinskom obradom;

− legure tipa Mg - Zn - Zr, u kojima cink ima ulogu elementa za ojačavanje, a cirkonij ulogu modifikatora. Ove legure ojačavaju toplinskom obradom (stare - nje na 160 do 170 0

U vatrootporne legure spadaju i legure tipa Mg - Th - Mn, Mg - Al - C Livene legure magnezija upotrebljavaju se, uglavnom, za dobijanje odlivaka.

Ove legure imaju povećanu sklonost prema obrazovanju toplih pukotina u šavovima, prema pojavi pora, kao i pukotina uslijed skupljanja. Zavaruju se, uglavnom, u cilju otklanjanja grešaka livenja.

5.4.2. Zavarljivost magnezija i njegovih legura

C u trajanju 24 časa), odlikuju se velikom vatrootpornošću i lošom zavarljivošću.

Teškoće do kojih dolazi pri zavarivanju magnezija i njegovih legura pove -

zane su sa specifičnim osobinama istih i uglavnom se svode na slijedeće:



− magnezij posjeduje veliki afinitet prema kisiku. Kao rezultat toga pojavljuje se oksid MgO koji prekriva površinu metala u obliku naslage.Temperatura topljenja oksida magnezija je oko 2800 0C, a zapreminska masa oko 3650 kg/m3

Prije početka zavarivanja, potrebno je legure magnezija očistiti od sopstvene oksidne naslage i vještački nanijetih prevlaka, a nanijeti zaštitnu prevlaku na površine zavarenog spoja poslije zavarivanja.

Poslije mehaničkog čišćenja površina legura magnezija treba pristupiti odmah zavarivanju, jer u roku od 2 do 3 sahata dolazi do ponovne oksidacije, koja otežava zavarivanje i pogoršava kvalitet šava;

. Oksidna naslaga na površini legura magnezija otežava proces zava - rivanja zbog visoke temperature topljenja, pa zbog toga ona mora biti odstranjena ili razorena u procesu zavarivanja. Odstranjivanje se može vršiti mehaničkim putem prije početka zavarivanja, a za razaranje se može koristiti efekat katodnog raspršivanja ili odgovarajući topitelji. Sopstvena oksidna naslaga na površini legura magnezija slabo štiti metal od utjecaja atmosfere i vlage, čak i na sobnoj temperaturi. Prodirući kroz rastresitu naslagu, kisik neprekidno uzajamno djeluje sa unutrašnjim slojevima metala, te tako izaziva njegovu dalju oksidaciju. Pri povišenju temperature, oksidacija magnezija se naglo povećava, a to otežava proces zavarivanja. Oksidna naslaga na površini legura magnezija ima i sposobnost apsorbovanja velike količine vlage.

− pored kisika, u atmosferi oko rastopa mogu biti prisutni CO, CO2

Na temperaturama 600 do 700

, vodena para, azot i vodik. Magnezij reaguje sa svim tim gasovitim materijama, obrazuje karbide, nitride i okside.

0C i višim magnezij reaguje sa azotom i obrazuje nitrid Mg3N2. Nitridi, ne samo da služe kao žarišta korozije, već nepovoljno utječu i na mehaničke osobine legure magnezija, čiji šavovi inače imaju slabije osobine plastičnosti u odnosu na šavove legura aluminija.

Za razliku od drugih gasova, vodik se može rastvoriti u magneziju. Rastvorljivost vodika u magneziju u zavisnosti od temperature pri PH2 = 9,81 . 104

Slika 5.19. Promjena rastvorljivosti vodika u magneziju u zavisnosti

od temperature pri pH

Pa (1 at) prikazana je na slici 5.19.

2 = 9,81 . 104 Pa (1 at).



Zbog smanjenja rastvorljivosti vodika pri kristalizaciji postoji mogućnost njegovog izdvajanja u obliku mjehurova, što dovodi do obrazovanja pora. U slučaju zavarivanja, uz normalan spoljašnji pritisak, kritična koncentracija vodika koja može dovesti do obrazovanja pora iznosi ≥ 50 cm3/100 grama.

U prisustvu elemenata koji imaju veliki afinitet prema vodiku (npr. cirkonij), kritična koncentracija vodika u tečnom metalu može se povećati.

U realnim uvjetima zavarivanja, kritične vrijednosti koncentracije vodika i vlage u atmosferi zaštitnog plina, koje mogu izazvati poroznost pri zavarivanju legura magnezija, dosta su velike i praktično nedostižne.

Osnovni realni uzrok pojave poroznosti pri zavarivanju magnezijevih legura je vodik, obrazovan pri razlaganju ostataka vlage, sadržane u česticama oksidne naslage koje su pomiješane sa rastopom. Vodik se u ovom slučaju izdvaja u molekularnom obliku, mimoilazeći stadijum rastvaranja. Pored zaštite zone zavarivanja od vazduha, za spriječavanje pojave poroznosti potrebno je čišćenje oksidne naslage (da ne dospije u rastop) sa površina osnovnog i dodatnog metala, kao i pravilna obrada stranica žlijeba:

Sklonost prema obrazovanju toplih (kristalizacionih) pukotina. Magnezij i mnoge njegove legure (prvenstveno one koje ne sadrže modifikatore) pri krista - lizaciji obrazuju grubozrnastu strukturu. Osim toga, većina elemenata posjeduje ograničenu rastvorljivost u magneziju, pa zato obrazuju sa njim sisteme sa eutektikumom. Pri tome se uglavnom obrazuju lahkotopljivi eutektikumi kao što su: MgCu (Tt = 485 0C), MgAl (Tt = 436 0C) i Mg Ni (Tt = 508 0

− sklonost legura magnezija, naročito onih koje sadrže mangan, prema rastu zrna u zoni utjecaja topline. Zato treba izbjegavati veliko pregrijavanje metala (npr. Nagomilavanje šavova na jednom mjestu, višeslojno zavarivanje bez prekida za hlađenje itd.);

C). Ti lahkotopljivi eutektikumi, u obliku tankih neprekidnih međuslojeva po granicama zrna, često dovode do obrazovanja toplih (kristalizacionih) pukotina.

Kao tehnološka mjera predostrožnosti preporučuje se postavljanje odgova- rajućih podmetača na početku i kraju zavarenih spojeva za odvođenje topline, kao i izvođenje kraćih šavova i šavova manjeg poprečnog presjeka poslije izvođenja dugačkih šavova velikog poprečnog presjeka;

− veliki koeficijent toplinskog širenja magnezija dovodi do znatnih deformacija radnog komada, pa o tome treba voditi računa.

5.4.3. Specifičnosti tehnologije zavarivanja magnezija i njegovih legura Zavarivanje magnezija i njegovih legura uspješno se realizuje primjenom

varijante MIG, uz primjenu argona kao zaštitnog gasa, u prvom redu. Primjenom ove varijante isključuje se opasnost od pojave korozije spoja (ne primjenjuju se topitelji i nema obrazovanja troske), pa otpada neophodnost specijalne obrade zavarenih spojeva u cilju odstranjenja topitelja i troske kao uzročnika korozije. Zavarivanje metalnom žičanom elektrodom u zaštiti argana uglavnom se primje – njuje za debljine metala iznad 5 mm, pri čemu se veće debljine zavaruju primje - nom prenosa dodatnog metala. Varijanta MIG može se primjenjivati u poluauto - matskom i automatskom obliku. U oba slučaja zavaruje se primjenom jednosmjer - ne struje, sa žičanom elektrodom na plus (+) polu.



Zahvaljujući dobrom miješanju rastopa, umanjuje se opasnost od pojav - ljivanja oksidnih uključaka u metalu šava.

Sučeljno, bez skošavanja stranica žlijeba, u jednom prolazu mogu se zava - rivati limovi debljine 5 do 10 mm.

Vrlo je perspektivna varijanta MIG sa pulsirajućim prenosom dodatnog metala (MIGp), pogotovo za zavarivanje manjih debljina i u težim položajevima zavarivanja.

Pri zavarivanju varijantom MIG potrebno je održavati što je moguće kraći električni luk, kako bi se obezbijedila sigurna zaštita zone zavarivanja i realizovale prednosti ove varijante (odstranjivanje oksidne, naslage efektom katodnog rasprši - vanja). U cilju smanjenja pregrijavanja, zavarivanje treba izvoditi sa povećanim brzinama.

Čvrstoća zavarenih spojeva, zavisno od kvaliteta zavarivanja, iznosi 60 do 90% čvrstoće osnovnog metala.

Varijanta MIG može se upotrebljavati i za popravljanje grešaka na odlivcima legura magnezija.

Za spriječavanje nastanka hladnih pukotina zavareni sklopovi se obično podvrgavaju žarenju na oko 250 0

Sa povećanjem temperature osobine čvrstoće i plastičnosti bakra mijenjaju se u dosta širokim granicama, što se vidi na slici 5.20.

C, u trajanju 0,5 do 1 sahat. Neposredno pred početak zavarivanja treba površine oko žljeba (u širini 30 mm)

očistiti mehanički (grebačem i četkama od nehrđajućeg čelika) ili hemijskim sredstvima od sopstvene oksidne naslage, vještački nanesenih prevlaka i nečistoća. Očišćene radne komade treba odmah zavarivati da ne bi došlo do ponovne oksida - cije. Ako dođe do ponovne oksidacije, postupak čišćenja treba ponoviti neposredno prije zavarivanja. Po završetku zavarivanja, potrebno je nanijeti zaštitnu prevlaku na površinu zavarenog spoja.

Osnovni i najpoželjniji tip spoja za zavarivanje legura megnezija je sučeljni spoj.

5.5. ZAVARIVANJE BAKRA I NJEGOVIH LEGURA

5.5.1. Osnovna znanja o osobinama bakra i njegovih legura Bakar i njegove legure spadaju u grupu teških metala. U tabeli 5.4. nave - dene su

najvažnije fizičke osobine čistog bakra. Čist bakar, zahvaljujući svojoj dobroj električnoj i toplinskoj provod - ljivosti,

kao i korozionoj postojanosti, zauzima značajno mjesto u elektrotehničkoj i hemijskoj industriji, a posebno u izradi pribora i alata. Dobro se obrađuje plastičnom deformacijom u hladnom i toplom stanju, a posjeduje i dovoljnu otpornost prema prelazu u krto stanje na niskim temperaturama. Zadržava visoke hemijske osobine u uvjetima niskih temperatura.

Sadržaj primjesa u najčistijem bakru iznosi do 0,01 %, a u bakru najmanje čistoće do 1 %. Kao primjese u bakru mogu biti: Bi, Sb, As, Fe, Ni, Pb, Sn, S, Zn, P, O.



Slika 5.20. Promjena zatezne čvrstoće (σm

− mesinge;

), jediničnog izduženja (δ) i suženja (ψ) bakra u zavisnosti od temperature

Legure bakra, zahvaljujući boljim mehaničkim osobinama od čistog bakra, često

se primjenjuju u mašinogradnji. One posjeduju i otpornost prema habanju i koroziji (naročito u morskoj vodi). U zavisnosti od sadržaja legirajućih elemenat, mogu se podijeliti na:

− bronze i − bakar - nikal legure.

Mesinzi su legure bakra sa cinkom. Mogu se podijeliti u dvije grupe :

− jednofazni (prosti) i − višefazni (složeni)

Jednofazni mesing sadrži cink, kao legirajući dodatak, u sadržaju do 42%. Ima α strukturu, pa je poznat i kao α mesing. Zahvaljujući dobroj plastičnosti dobro se obrađuje plstičnom deformacijom u toplom i hladnom stanju.

Višefazni mesinzi, pored cinka, sadrže i druge legirajuće elemente (Al, Fe, Ni, Si). U njima sadržaj cinka iznosi iznad 42%. Struktura im je ( α + β ) i β, a posjeduju veću čvrstoću i tvrdoću u odnosu na α mesing.

Uopšte uzevši, mesinzi posjeduju veću čvrstoću u odnosu na čisti bakar ( σm se kreće do 500 . 106 Pa, odnosno 500 N/mm2

Osnovni metal

). Pri sadržaju cinka u leguri iznad 20%, pojavljuje se sklonost prema korozionom

razaranju i obrazovanju pukotina pri lokalnom zagrijavanju. Mesinzi se primjenjuju široko kao konstrukcioni metali tamo gdje se zahtijeva

veća čvrstoća i veća koroziona postojanost u odnosu na čisti bakar. Bronze su legure sa osnovnom bakra u kojima se cink ne pojavljuje kao osnovni

legirajući elemenat, već kalaj, aluminij, silicij, mangan, berilij, hrom, željezo i drugi. Naziv dobijaju u zavisnosti od osnovnog legirajućeg elementa. Tako su široku primjenu našle kalajne (2 do 10% Sn), aluminijske (4 do 12% Al), silicijske (0,5 do 3,5% Si), manganske (4,5 do 5,5% Mn), berilijske (1,9 do 2,5% Be) i hromne bronze (0,4 do 1% Cr).

Bakar - nikal legure mogu da sadrže do 30 % Ni, a takođe i željezo i mangan. Legura bakra i nikla, sa sadržajem 30% Ni, poznata je kao monel. Bakar - nikal legure odlikuju se, uglavnom, velikom čvrstoćom i korozionom postojanošću. Široko se primjenjuju kao konstrukcioni metali za izradu cjevovoda i posuda za rad u agresivnim sredinama (morska voda, rastvori soli, organske kisjeline).

U tabeli 5.9. date su vrijednosti zatezne čvrstoće za bakar i neke njegove legure. Podaci su uzeti iz DIN normi.

Tabela 5.9. Bakar i njegove legure (prema DIN normama)

Oznaka Zatezna čvrstoća Pa ( N/mm2 )

Dezoksidisani bakar ( DIN 1787 )

SD – Cu SF – Cu SE – Cu

( 200 do 370 ) ⋅ 106 200 do 370



Silicijska bronza ( 2 do 5 % Si ) ( DIN 17666 ) CuSi3Mn ( 350 do 600 ) ⋅ 106

350 do 600

Aluminijska bronza ( 5 do 14 % Al ) ( DIN 17665 )

AlBz5(CuAl5) ( 320 do 450 ) ⋅ 106

320 do 450

AlBz8(CuAl8) ( 350 do 550 ) ⋅ 106 350 do 550

Kalajna bronza ( do 2 % Sn ) ( DIN 17662 )

SnBz6(CuSn6) ( 360 do 650 ) ⋅ 106 360 do 650

SnBz8(CuSn8) ( 400 do 700 ) ⋅ 106 400 do 700

Mesing ( 5 do 45 % Zn ) ( DIN 17660 ) Ms58(CuZn39Pb3) ( 370 do 680 ) ⋅ 106

370 do 680 Bakar–nikal legure ( 5 do 40 % Ni ) ( DIN 17664 ) CuNi30Fe ( 350 do 480 ) ⋅ 106

350 do 480 Za zavarivanje u zaštiti gasa koristi se uglavnom dezoksidisani bakar. Bakar kvaliteta SECu ugla Od legura bakra u zaštiti gasa uglavnom se zavaruju one navedne u tabeli 5.9.

kod kojih su od posebnog značaja velika čvrstoća, postojanost prema koroziji i habanju.

Nečistoće i neznatni dodaci primjesa znatno mogu izmijeniti osobine bakra i njegovih legura. Pri povećanju sadržaja nečistoća opadaju toplinska i električna provodljivost, kao i istezanje, a čvrstoća se povećava.

5.5.2. Zavarljivost bakra i njegovih legura Složeni sastav legura sa osnovnom bakra prouzrokuje određene teškoće pri

zavarivanju istih. Pri ocjeni zavarljivosti bakra i njegovih legura, neophodno je uzimati u obzir

razliku ovih metala od veličine drugih konstrukcionih metala (čelika, aluminija, titana i dr.). Tako, npr. Bakar ima 6 puta veću toplinsku provodljivost od željeza, koeficijent toplinskog širenja 1,5 puta veći od čelika, a skupljanje pri očvršćavanju 2 puta veće nego kod čelika. Sve ovo stvara velike teškoće pri zavarivanju radnih komada od bakra i njegovih legura.

Pri zavarivanju bakra i njegovih legura treba voditi računa o slijedećim spe

− brza oksidacija metala u rastopljenom stanju. Kisik se slabo rastvara u čvrstom bakru. Pri povišenju temperature, bakar se aktivno oksidiše, obrazujući pri tome oksid Cu2

Pri očvršćavanju oksid bakra obrazujue sa bakrom lahkotopljivi eutekti - kum Cu - Cu

O. Ovaj oksid se rastvara u tečnom metalu, a u čvrstom metalu vrlo ograničeno.

2O (temperatura topljenja 1064 0C), koji se raspoređuje po grani - cama zrna, smanjujući plastičnost metala, što može dovesti do obrazovanja toplih (kristalizacionih) pukotina. Pored toga, on može biti i uzročnik smanje - nja korozione otpornosti bakra. Mala koncentracija kisika već utječe na sniže - nje temperature topljenja bakra, a pri sadržaju kisika od 0,38% (što odgovara 3,4% Cu2O) obrazuje se lahkotopljivi eutektikum. Shodno prethodnom, a usli -



jed vremenske ograničenosti mogućnosti metalurške obrade metala rastopa (kratko vrijeme boravka u rastopljenom stanju zbog velike toplinske provod - ljivosti bakra), neophodno je uvođenje jakih dezoksidanata (fosfora, mangana, silicija i dr.), uz ograničenje sadržaja kisika do 0,03 %. U naročito odgovornim konstrukcijama (npr. Brodski cjevovodi, posude itd.), sadržaj kisika se ne dozvoljava iznad 0,01 %. Potrebno je imati na umu da se pri primjeni fosfora, u cilju dezoksidacije, njegov sadržaj mora ograničavati, pošto on takođe obrazuje lahkotopljive eutektikume.

Dezoksidant, učestvujući u metalurškom procesu zavarivanja, pored dezoksidacije, istovremeno legira metal, pa to može smanjiti korozionu posto - janost i električnu provodljivost metala:

- prisustvo određenih primjesa pogoduje sklonosti metala šavova prema obrazo - vanju pukotina. Kao opasne primjese u tom pogledu smatraju se bizmut i olovo. Bizmut, obrazujući niz oksida, daje lahkotopljivi eutektikum (Tt = 270 0C), a olovo, obrazujući takođe okside, daje lahkotopljivi eutektikum sa temperaturom topljenja 326 0

Pri zavarivanju aluminijskih bronzi lahko se obrazuje teškotopljivi oksid Al

C. Zato se sadržaj bizmuta ograničava ispod 0,002%, a olova ispod 0,005%, ili se oni vezuju u teškotopljiva jedinjenja pomoću uvođenja u rastop cerija i cirkonija, koji istovremeno imaju ulogu modifikatora.

2O3

- bakar i njegove legure u rastopljenom stanju aktivno apsorbuju gasove, naro - čito kisik i vodik, koji štetno utječu na tehnološke osobine i osobine čvrstoće. U čvrstom stanju bakar neznatno rastvara vodik. Na slici 5.21. prikazana je promjena rastvorljivosti vodika u bakru sa temperaturom.

koji prlja rastop, pogoršava topljenje metala i osobine zavarenog spoja. Za njegovo razaranje primjenjuju se topitelji na bazi fluorida, alkalnih i drugih metala;

Slika 5.21. Promjena rastvorivosti vodika u bakru sa temperaturom

pri pH2 = 9,81 . 104 Pa (1 at) Pri kristalizaciji metala rastopa, koja se odigrava vrlo brzo, zbog velike toplinske

provodljivosti bakra, dolazi do naglog smanjenja rastvorljivosti vodika u metalu, pa atomarni vodik ne uspijeva da napusti metal. Oksid bakra se redukuje pomoću vodika, pri tome se obrazuje vodena para, pa to dovodi do pojave pora i pukotina u šavu. Dakle, kao uzročnici poroznosti mogu biti vodik, koji nije uspio da se izdvoji iz metala rastopa pri kristalizaciji, i vodena para, koja se pojavljuje kao rezultat reakcije vodika sa kisikom iz oksida bakra (Cu2

Nagomilana vodena para u mikrošupljinama metala šava stvara pritisak, što dovodi do značajnih naprezanja i obrazovanja velikog broja mikropukotina. Ta pojava je poznata kao vodena bolest bakra. Kao mjera za spriječavanje vodene

O).



bolesti bakra koristi se smanjenje količine vodika u zoni zavarivanja (primjena suhih zaštitnih gasova).

Bakar i njegove legure u tečnom stanju mogu reagovati i sa ugljenmono - ksidom (CO) i sa ugljendioksidom (CO2

- pri zavarivanju bakra i njegovih legura dolazi do obrazovanja toplih (kristalizacionih) pukotina. To je preuzrokovano velikim koeficijentom toplinskog šire - nja, provodljivošću, kao i prisustvom štetnih primjesa (kisika, antimona, bizmuta, arsena, sumpora, olova), koje sa bakrom obrazuju lahkotopljive eute - ktikume. Za obezbjeđenje odgovarajućih osobina čvrstoće metala šava potre - bno je ograničiti sadržaj štetnih primjesa;

), pri čemu može dolaziti do dezoksidacije bakra, što takođe pogoduje obrazovanju pora.

Afinitet bakra prema azotu je vrlo mali. Azot je nerastvorljiv u bakru, pa se on ne pojavljuje kao uzročnik poroznosti, te se može koristiti kao zaštitni gas pri zavarivanju bakra.

U pogledu otpornosti prema pojavi pora prednost se daje jednostranim sučeljenim spojevima sa potpunim provarivanjem, dok je zavarivanje unakrsnih i preklopnih spojeva znatno otežano zbog pojave pora.

Pojava pora i mikoropukotina može biti povezana sa pojavama skupljanja u procesu kristalizacije

- u šavovima bakra i njegovih legura dolazi do obrazovanja krupnozrnaste strukture. To je povezano sa dobrom toplinskom provodljivošću bakra i njego - vih legura, što potpomaže intezivno provođenje topline od šava u osnovni metal. Pri tome dolazi do stvaranja povoljnih uvjeta za usmjerenu kristalizaciju od zone stapanja prema sredini rastopa. Pošto se ne obrazuju novi centri kristalizacije, u šavu se obrazuje zona sa kristalima selektivne orijentacije. Kristali se izdužuju i obrazuju stubičastu strukturu u šavu;

− dobra toplinska provodljivost bakra otežava lokalno zagrijavanje, pa su za zavarivanje potrebni jaki, sa koncentrisanim dovođenje, izvori topline. Usitnje- ne krupnozrnaste strukture metala šava, pri zavarivanju višeslojnih šavova, moguće je iskivanjem svakog prethodno položenog zavara dok se nalazi na temperaturi iznad 600 0

− veliki koeficijent toplinskog širenja bakra i njegovih legura zahtijeva primjenu dopunskih mjera u cilju smanjenja deformacija zavarene konstrukcije;

C;

− izražena tečljivost bakra i njegovih legura u rastopljenom stanju (naročito bronze) otežava njihovo zavarivnje u vertikalnom, a posebno u nadglavnom položaju. Za obrazovanje korijenog zavara bez grešaka neophodna je primjena podložnih ploča (podmetača) od grafita;

− pri zavarivanju mesinga pojavljuju se posebne teškoće. U procesu zavarivanja cink jako isparava i sagorijeva (temperatura ključanja cinka je 907 0C, što je znatno ispod temperature topljenja bakra), pa to smanjuje njegov sadržaj u metalu šava i pogoršava kvalitet šava (pojavljuje se poroznost, smanjuje se čvrstoća). Pri tome se zagađuje i okolna atmosfera parama cinka i njegovih legura, koje su štetne po zdravlje zavarivača. Ova teškoća može se donekle ublažiti predgrijavanjem radnog komada u intervalu temperatura od 300 do 350 0C i povećanjem brzine zavarivanja, čime se umanjuje realizovanje tečnog metala i isparavanja cinka. Predgrijavanje je neophodno samo pri zavarivanju



mesinga debljine iznad 10 mm i pri zavarivanju dijelova koji se jako razlikuju po debljini (u ovom slučaju se predgrijava dio veće debljine).

5.5.3. Specifičnosti tehnologije zavarivanja bakra i njegovih legura

Odabrani postupak zavarivanja treba da omogući maksimalno koncentri - sano zagrijavanje radn sa dobrim osobinama (mehaničkim, korozio - nim itd).

Ona obezbjeđuje dobijanje metala šava sa minimalnom količinom štetnih primjesa. Koriste se izvori jednosmjerne struje, sa žičanom elektrodom na plus (+) polu.

Zavarivanje varijantom MIG sa prenosom dodatnog metala u mlazu (MIGs) je pogodno za radne komade većih debljina (iznad 4 mm), a primjenjuje se vrlo uspješno i pri zavarivanju sučeljenih spojeva u kombinaciji sa TIG postup - kom. Postupkom TIG se izvodi korijeni zavar, a pomoću MIGs zavari popune. Varijanta MIGs je pogodna za izvođenje i ugaonih šavova bakra i njegovih legura. Takođe se uspješno primjenjuje pri zavarivanju bakarnih polucijevi na rezervoare ili dna rezervoara.

Zavarivanje varijantom MIG sa pulsirajućim prenosom dodatnog metala (MIGp) vrlo se uspješno primjenjuje umjesto TIG postupka zavarivanja bakra i njegovih legura. Odlikuje se većim brzinama zavarivanja, a i mogućnošću primjene u prinudnim položajima zavarivanja.

Metal debljine do 5 mm zavaruje se sa predgrijavanjem do 350 0C, a sa povećanjem debljine temperatura predgrijavanja se povećava na 600 do 800 0C. Vrlo je važno temperaturu predgrijavanja održavati u toku čitavog procesa zavarivanja, što se postiže dodatnim zagrijavanjem radnog komada.

U nizu slučajeva, naročito pri zavarivanju u zaštiti azota, primjenjuju se topitelji na bazi bora, sa dodacima odgovarajućih dezoksidatora (aluminijumov prašak, ferofosfor, feromangan i dr.), čime se poboljšava kvalitet šava.

Stranice žljeba i površinu žičane elektrode treba temeljno očistiti prije zavarivanja. Čišćenje se izvodi mehaničkim putem (metalna četka, grebač, brusni papir i dr.) i nagrizanjem odgovarajućim sredstvom (rastvori azotne, sone i sum - porne kisjeline), a zatim se vrši ispiranje u vodi ili alkaliji sa sušenjem u toplom vazduhu.

Pri zavarivanju bakra i njegovih legura, naročito pri prenosu dodatnog metala u mlazu (MIGs), koji se primjenjuje za debele limove, dolazi do razvijanja metalnih para, od kojih treba zaštiti zavarivača (prema potrebi treba da koristi i gas masku).

Za zaštitu se najčešće koristi argon (čistoće 99,96 do 99,99% Ar), dok je upotreba helijuma ograničena zbog deficitarnosti i visoke cijene.

Kao zaštitni gas može se koristiti i azot (sa dopunskim njegovim sušenjem i prečišćavanjem silikagelom), zahvaljući tome što se azot ne rastvara u bakru i ne stupa sa njim u reakciju. Upotrebom azota postiže se, pored ekonomskog efekta (velika razlika u cijeni u odnosu na argon i helij), još jedan značajan efekat, u suštini ekonomskog karaktera.

Cjelishodna je upotreba smješe sa 70 do 80% Ar i 20 do 30% N2 radi uštede argona ipovećanja produktivnosti (povećava se dubina uvarivanja).

Moguće je zavarivanje bakra i u zaštiti vodika. Uređaji i oprema za zavarivanje bakra i njegovih legura su isti kao i za

zavarivanje drugih metala.



Preporučuje se upotreba prečnika žičane elektrode od 1,6 mm i zavarivanje u nagnutom položaju pod uglom od 450

Osnovni metal

kako bi se smanjila opasnost od nastajanja “ulegnutih” šavova.

U tabeli 5.10. dati su okvirni podaci za zavarivanje bakra i njegovih legura varijantom MIG sa prenosom dodatnog metala u mlazu (MIGs).

Tabela 5.10. Okvirni podaci za MIGs zavarivanje bakra i njegovih legura

Debljina osnovnog

metala ( mm )

Prečnik žičane

elektrode ( mm )

Jačina struje

zavarivanja ( A )

Potrošnja čistog

argona ( l/min )

Napomena

SD – Cu Čisti bakar SF - Cu

≤ 6 1.6 250 do 300 18 do 20 Zavariv i sa prečnikom 2,4 mm 6 do 10 1.6 250 do 300 18 do 20

10 do 20 2.4 380 do 420 18 do 20 Predgrijavanje na 300 do 600 oC 10 2.4 400 do 420 18 do 20

Aluminijske bronze CuAl5 i CuAl8

≤ 6 1.6 225 do 270 18 do 20 6 do 10 1.6 225 do 270 18 do 20

Kalajne bronze CuSn4 i CuSn8

≤ 6 1.2 200 do 210 18 do 20 6 do 10 1.6 210 do 240 18 do 20

Legure bakar – nikl CuNi5Fe i CuNi30Fe

≤ 6 1.2 190 do 210 18 do 20 Ne zavarivati suviše pregrijan radni komad

6 do 12 1.6 210 do 300 18 do 20 > 12 1.6 210 do 300 18 do 20

Legure bakar – cink CuZn40 i CuZn39Pb

≤ 6 1.2 200 do 210 18 do 20 12 do 30 1.6 210 do 240 18 do 20

Silicijska bronza CuSi2Mn

≤ 6 1.6 280 do 320 18 do 20 6 do 12 1.6 300 do 350 18 do 20

20 1.6 320 do 360 18 do 20 2.4 400 do 460 18 do 20

5.6. PRIMJER ZAVARIVANJA CIJEVI OD BAKARNIH LEGURA

Cijevni sklop primarnog dijela izmjenjivača sastavljen je od 502 cijevi dimenzija

φ22 / φ19 x 6200 mm (debljina stijenke 1,5 mm) u kvaliteti Č.1212. Zbog nedostatka projektom predviđenih cijevi, ugrađene su mesingane

cijevi dimenzija φ20 / φ17,5 x 6180 mm. Pošto ni mesingane cijevi nisu imale potrebnu dužinu, iste su nastavljene plinskim zavarivanjen kao što je prikazano na slici 5.22.

Nastavljanje mesinganih cijevi zavarivanjem



Po izvršenom nastavljanju krajevi cijevi na dužini od po 80 mm su plinski žareni sa obje strane. Pošto u procesu hladne deformacije stijenka mesingane cijevi dobija kovnu strukturu, mora se izvršiti rekristalizaciono žarenje na temperaturi od 600-700 0

Slika 5.22. a) Nastavljanje mesinganih cijevi zavarivanjem, b) Montažna skica cijevnog snopa

5. ZAVARIVAČKI MATERIJALI

OSNOVE O METALIMA

C u trajanju od 120 sekundi. Ovo žarenje nam je potrebno zbog plastične deformacije prilikom valjanja i pertlovanja krajeva cijevi u cijevne zidove.

U stručnoj literaturi postoji mnogo definicija pojma metal, mada se u suštini sve te definicije svode na isto. Tako se u hemiji pod metalima podra - zumijeva određena grupa elemenata, raspoređena u lijevom dijelu Mendeljejevog sistema. Elementi te grupe, stupajući u hemijsku reakciju sa elementima, poznatim pod nazivom kao nemetali, odaju pomenutim svoje spoljašnje, takozvane valentne elektrone. To se događa zbog toga što u metalu spoljašnji elektroni nisu čvrsto povezani sa jezgrom. Osim toga, na spoljašnjim elektronskim ljuskama metala nalazi se malo elektrona (svega 1 do 2), dok u nemetala ih ima daleko više (5 do 8). Svi elementi raspoređeni u Mendeljejevom sistemu lijevo od galijuma,



indijuma i talijuma su metali, a oni, raspoređeni desno od arsena, antimona i bizmuta su nemetali.

Elementi raspoređeni u prelaznim grupama mogu pripadati metalima (olovo, kalaj, antimon, indij, talij, bizmut), nemetalima (ugljik, azot, fosfor, arsen, kisik, sumpor), ili zauzimati središnji (prelazni) položaj (galij, silicij, germanij, selen, telur).

U tehnici se pod metalom podrazumijevaju materije koje posjeduju karak - terističan metalni sjaj, u određenoj mjeri prisutan kod svih metala, i plastičnost. Prema tom obilježju metali se lahko razlikuju od nemetala, npr. Drveta, kamena, stakla ili porculana.

V.M. Lomonosov je definirao metale kao svijetla tijela, koja je moguće kovati. Tim osobinama raspolažu ne samo čisti elementi (npr. željezo, bakar, aluminijum i dr.), već i složenije materije, u čiji sastav može ulaziti više metala, često sa primjesama znatnih količina nemetala. Takve supstance nose naziv metal - ne legure.

Prema tome, u širem tumačenju, metalne legure se mogu takođe nazvati metalima.Osim metalnog sjaja i plastičnosti, svi metali posjeduju visoku električnu i toplinsku provodljivost.

Na osnovu prethodno izloženog, može se zaključiti da postoji određena razlika u shvatanjima metala kao čistog hemijskog elementa i metala kao supstan - ce, ali i jedna i druga definicija uslovljene su specifičnostima unutrašnje građe atoma metalnih supstanci, koja je ista u čistim metalima i njihovim legurama.

Specifičnost građe metalnih supstanci sastoji se u tome, da su sve one, uglavnom, sastavljene od takvih atoma, u kojima su spoljašnji elektroni slabo povezani sa jezgrom. To uslovljava i posebni karakter hemijskog uzajamnog djelovanja atoma metala, kao i metalne osobine. Elektroni imaju negativno punjenje, pa je dovoljno da se stvori mala razlika potencijala da bi došlo do premještanja elektrona u smjeru prema pozitivno napunjenom polu. Tako se obrazuje električna struja. Zbog toga se metali pojavljuju kao dobri provodnici električne struje, a nemetali kao loši.

Karakteristična električna osobina metala je i ta, što sa povećanjem tempe - rature kod svih (bez izuzetaka) električna provodljivost se umanjuje.

Pri hemijskom uzajamnom djelovanju između metala i nemetala spoljašnji elektroni atoma metala prelaze prema atomima nemetala. Atom metala se pri tome preobražava u pozitivni jon, a atom nemetala u negativni jon.

Prema tome, slaba veza spoljašnjih elektrona sa jezgrom uslovljava hemij - ske i fizičke osobine metala.

Na osnovu prethodno pobrojanih specifičnosti metala i njihovih legura, može se zaključiti da isti imaju karakterističnu kristalnu strukturu. U određenim mjestima kristalne rešetke raspoređuju se pozitivno napunjeni joni, a spoljašnji slobodni elektroni obrazuju lahko tečljivu tečnost (elektronski gas), koja se kreće u svim pravcima bez određenog reda. Pri određenim uvjetima, npr., pri stvaranju razlike potencijala, kretanje elektrona dobija određeni smjer i pojavljuje se elektri - čna struja.

U teoriji metalnog stanja metal se razmatra kao supstanca, sastavljena od pozitivno napunjenih jona, okruženih negativno napunjenim česticama-elektroni - ma, slabo povezanim sa jezgrom. Ti elektroni se neprekidno premještaju unutra metala i ne pripadaju ni jednom atomu, već cjelokupnosti atoma.

Na taj način, kao karakteristična specifičnost kristalne strukture metala pojavljuje se prisustvo elektronskog gasa unutra metala, slabo povezanog s poziti - vno



napunjenim jonima. Lahko premještanje tih elektrona unutra metala i slaba njihova veza sa atomima daju metalima određene metalne osobine (visoka elektri - čna i toplinska provodljivost, metalni sjaj, plastičnost i dr.).

PODJELA METALA

Metali se međusobno razlikuju prema strukturi i osobinama. Pored toga, metale je

moguće po određenim obilježjima objediniti u grupe (tabela 5.1.).

Tabela 5.1. Podjela metala Napominje se da se data podjela (prema A.P. Guljaevu) ne slaže sa uobičajenom,

prema kojoj se pod crnim metalima podrazumijevaju željezo i njegove legure, a pod obojenim svi ostali metali.

Shodno podjeli po A.P. Guljaevu, svi metali se mogu podijeliti na dvije Crni metali imaju tamnosivu boju, veliku zapreminsku masu (osim alkal -

nozemnih), visoku temperaturu topljenja, relativno visoku tvrdoću i, u mnogim slučajevima, posjeduju polimorfizam. Kao najtipičniji metal te grupe pojavljuje se željezo.

Obojeni metali, prije svega, imaju karakterističnu boju: crvenu, žutu, bijelu. Posjeduju veliku pla Crni metali se sa svoje strane mogu podijeliti na s 6. Željezni metali, gdje spadaju željezo, kobalt, nikal (takozvani feromagnetici) i

mangan, koji je blizak prethodnim po osobinama. Kobalt, nikal i mangan se



često primjenjuju kao dodaci legurama željeza, a takođe u ulozi osnove za odgovarajuće legure, slične po osobinama visokolegiranim čelicima.

7. Teško topljivi metali, čija je temperatura topljenja viša nego željeza tj. iznad 1539 0

8. Uranovi metali (aktinoidi) prvenstveno se primjenjuju u legurama za atomsku energetiku.

C), primjenjuju se kao dodaci legiranim čelicima, a takođe u ulozi osnove za odgovarajuće legure.

9. Rijetko zemni metali obuhvataju lantan, cerij, neodij, prazeodij i dr., objedi - njene pod nazivom lantanoida, i, sa njima po osobinama, intrij i skandij. Ti metali imaju vrlo bliske hemijske osobine, ali dosta različite fizičke (tempera - tura taljenja i dr.). Oni se primjenjuju kao dodaci legurama drugih elemenata. U prirodnim uvjetima susreću se zajedno i, zbog teškoća razdvajanja na zaseb - ne elemente, za dodavanje se obično koristi legura koja sadrži 40 do 45% cerija i 45 do 50% svih drugih rijetkozemnih elemenata.

10. Alkalno zemni metali u slobodnom metalnom stanju se ne primjenjuju, izuzev u specijalnim slučajevima (npr., u ulozi toplonoša u atomskim reaktorima).

Obojeni metali se dijele na: 4. Lahki metali (berilij, magnezij, aluminij), koji posjeduju malu zapreminsku

masu. 5. Plemeniti metali, u koje spadaju: srebro, zlato i metali platinske grupe (platina,

paladij, iridij, radij, osmij i rutenij). U njih može da spada i “poluplemeniti” bakar. Posjeduju visoku otpornost prema koroziji.

6. Lahko topljivi metali obuhvataju: cink, kadmij, živu, olovo, kalaj, bizmut, talij, antimon i elemente sa oslabljenim metalnim osobinama (galij, germanij).

Primjena metala određena je njihovom rasprostranjenošću u prirodi, a sa istorijskog aspekta razvojem tehnike.

U stvarnosti, glavni udio po proizvodnji i primjeni ima željezo legure čelika. To je povezano sa nizom razloga: mala cijena, najbolje mehaničke osobine, mogućnost masovne proizvodnje i velika rasprostranjenost njegovih ruda u prirodi.

Bez obezbjeđenja čelika u potrebnoj količini ne može se razvijati ni jedna industrijska grana. Zato se obim proizvodnje čelika uzima kao važan pokazatelj tehničke i ekonomske moći zemlje.

5.1. ŽELJEZO

Željezo i legure na njegovoj osnovi, a među njima i čelik, odlikuju se kristalnom

strukturom, koja se karakteriše određenim, zakonskim rasporedom atoma u porastu. Kristalna struktura se može predstaviti u obliku prostorne rešetke, u čijim čvorovima su raspoređeni atomi. Ustvari, u čvorovima kristalne rešetke nijesu raspoređeni atomi, već pozitivno naelektrisani joni, a između njih se kreću slobodni elektroni. Međutim, uobičajeno je da se govori da se u čvorovima kristalne rešetke nalaze atomi. Svaki atom (jon) ima isti broj susjednih atoma, koji su raspoređeni na podjednakom rastojanju od njega.

Obično željezo, kao i svaki drugi metal, nikada nije apsolutno čisto, već uvijek sadrži primjese. Danas se najčešće koristi takozvano tehničko željezo, koje se proizvodi u velikim količinama u martinovskim pećima. Ono sadrži približno 99,8 do 99,9% željeza i 0,1 do 0,2% primjesa, kojih može da bude desetak i više



elemenata. U stotim dijelovima procenta, u njemu se nalaze ugljik (približno 0,02%) i bakar (približno 0,1%), a ostali elementi u hiljaditim i desetohiljaditim dijelovima procenta.

U nastavku se navode određeni podaci za željezo tehničke čistoće. Osobine željeza, a takođe i drugih metala visoke čistoće, mogu se bitno razlikovati od metala obične ili visoke tehničke čistoće.

Temperatura topljenja željeza je 1539 0C (+5 0C). Za razliku od mnogih drugih metala, željezo se u čvrstom stanju može nalaziti u

obliku dvije alotropske modifikacije:

Kristalna rešetka α željeza je kubna prostorno centrirana, a γ željeza kubična površinski centrirana. Pri temperaturi ispod 911 0C i od 1392 do 1539 0C željezo se javlja kao α, a u intervalu od 911 do 1392 0C kao γ. Pri zagrijavanju na 911 0C dolazi do α → γ preobražaja, a na 1392 0C do γ → α preobražaja. Tempera- ture faznih preobražaja određene su na vrlo čistom željezu, pa je u praksi dozvo - ljeno da se za tehničko željezo koriste zaokružene vrijednosti 1535, 1400, 910 0C umjesto 1539, 1392, 911 0

Osobine

C. Visokotemperaturna modifikacija željeza (poznata kao δ željezo) ne pred - stavlja

novi alotropski oblik. Postojanje nekog metala (materije) u više kristalnih oblika poznato je kao

polimorfizam ili alotropija. Različiti kristalni oblici određene materije nazivaju se polimorfnim ili alotropskim modifikacijama.

Mehaničke osobine tehničkog željeza karakterišu se slijedećim vrijedno – stima dati Tabela 5.2. Mehaničke osobine tehničkog željeza

Vrijednosti Zatezna čvrstoća 250⋅106 Pa (25 dN/mm2); Granica tečenja (razvlačenja) 120⋅106 Pa (12 dN/mm2); Izduženje 50 % Sušenje 85% Tvrdoća 80 HB

Navedeni pokazatelji mogu se mijenjati u određenim granicama, pošto osobine željeza zavise od niza faktora (npr. Povećanje dimenzija zrna smanjuje tvrdoću).

Na 768 0C željezo doživljava magnetni preobražaj. Iznad 768 0

U čisto geometrijskim rasuđivanjima, smatra se da α željezo ne rastvara a γ željezo rastvara ugljik. Međutim, u stvarnosti α željezo rastvara ugljik u vrlo

C željezo postaje nemagnetično.

Željezo obrazuje sa mnogim elementima rastvore. Sa metalima obrazuje supstitucijske, a sa ugljikom, azotom i vodikom interstikcijske rastvore.

Posebno je važno obrazovanje rastvora ugljika u željezu. Rastvorivost ugljika u željezu. Rastvorivost ugljika u željezu bitno zavisi od toga u kakvom kristalnom obliku se nalazi željezo. Rastvorivost ugljika u α željezu je neznatna (manje od 0.02%) i sto puta veća (do 2%) u γ željezu.



maloj količini. Prema podacima različitih naučnika, vrijednost maksimalne rastvorivosti ugljika u α željezu se razlikuje. Najčešće pominjana vrijednost je 0.02%, pa se ona najčešće u razmatranjima i usvaja kao maksimalna vrijednost rastvorivosti ugljika u α željezu.

Čvrsti rastvor ugljika i drugih elemenata u α željzu naziva se ferit, a u γ željezu austenit.

Definicija ferita kao čvrstog rastvora ugljika u α željezu opravdana je samo pri razmatranju dijagrama stanja Fe-C. Čistije željezo, koje sadrži tragove ugljika, a takođe i različite legure željeza bez ugljika, sa kubnom prostornom rešet- kom, ima takođe strukturu ferita.

Kristalna struktura austenita može se predstaviti kao površinski centrirana kubna rešetka, koja se sastoji od atoma željeza, a u koju su uvedeni atomi ugljika manjeg prečnika.

Parametar rešetke α željeza, bez ugljika, na sobnoj temperaturi jednak je 2,86 , a γ željeza 3.56 . Posljednja veličina je uslovna, pošto γ željezo bez ugljika na sobnoj temperaturi ne postoji.

Ugljik se u austenitu nalazi u obliku jona. Hemijsko jedinjenje ugljika sa željezom (kabrid željeza Fe3C) naziva se cementit.

Pošto je rastvorivost ugljika u α željezu mala, to, pri normalnim temperaturama, u većini slučajeva u strukturu čelika se uvode visokougljične faze u obliku cementita ili drugog karbida.

Temperatura topljenja cementita je oko 1250 0C. Cementit ne doživljava alotropske preobražaje, ali pri niskim temperaturama on je slabo feromagnetičan. Magnetne osobine gubi na 217 0

e) Stalne ili uobičajene primjese.

C. Odlikuje se velikom tvrdoćom (> 800 HB, lahko grebe staklo), ali vrlo malom, praktično nultom, plastičnošću. Te su osobine, vjerovatno, posljedica složene građe kristalne rešetke cementita.

Cementit može da obrazuje supstitucijske čvrste rastvore. Atomi ugljika mogu se zamijeniti atomima nemetala (azot, kisik), a atomi željeza drugim meta - lima (mangan, hrom, volfram i dr.). Takav čvrsti rastvor, sa osnovom rešetke cementita, naziva se legirani cementit.

Cementit je nepostojano jedinjenje i pri određenim uvjetima se raspada sa obrazovanjem slobodnog ugljika u obliku grafita. Taj proces ima praktični značaj kod livenog gvožđa.

5.1.1. Čelik

Opšti podaci Čelik je legura željeza (Fe) sa sadržajem ugljika (C) do 1,7% (masenih), mada

ima literaturnih podataka da se taj sadržaj kreće i do 2%. Pored željeza, kao osnove, i ugljika, koji se uvodi namjerno, jer jako utiče na osobine čelika, čak i pri neznatnoj promjeni njegovog sadržaja, u čeliku se nalazi mnogo drugih elemenata. Njihovo prisustvo prouzrokovano je tehnološkim uvjetima proizvodnje, nemoguć - nošću potpunog njihovog udaljavanja iz metala, ili usljed slučajnih okolnosti, a mogu se i specijalno uvoditi, kao ugljik, sa ciljem promjene strukture i osobina čelika. Prema klasifikaciji N.T. Gudcova, svi hemijski elementi (primjese), koje sadrži čelik, mogu se podijeliti na četiri grupe :



U tu grupu spadaju mangan (Mn) i silicij (Si), a takođe i aluminij (Al), koji se, kao silicijum i mangan, primjenjuje u ulozi dezoksidatora. Ovi elementi se moraju uvoditi u metal pri proizvodnji čelika da bi se dobio dobro dezoksi - disani čelik.U neumirenim čelicima sadržaj silicija i aluminija je mali. U stalne primjese spadaju sumpor (S) i fosfor (P), zbog toga što se od njih nemoguće osloboditi pri masovnoj proizvodnji čelika. Iako se u izvjesnim čelicima namjerno ostavljaju, oni se uvijek smatraju kao nečistoće.

f) Skrivene primjese. Tu spadaju kisik (O), vodik (H) i azot (N), koji su prisutni u bilo kom

čeliku u vrlo malim količinama. Metode njihovog hemijskog određivanja su složene, pa se zato sadržaj tih elemenata u običnim tehničkim uvjetima ne navodi.

g) Slučajne primjese. U tu grupu spadaju primjese koje dolaze iz šarže ili slučajno u tehnološ -

kom procesu proizvodnje, kao što su: olovo (Pb), cink (Zn), antimon (Sb), kalaj (Sn), arsen (As) itd.

h) Legirajući elementi. U te elemente spadaju elementi koje se namjerno uvode u čelik u određe -

nim količinama, u cilju promjene strukture i osobina čelika. U tu grupu spada – ju : hrom (Cr), nikal (Ni), volfram (W), molibden (Mo), vanadij (W), kobalt (Co), titan (Ti), niobij (Nb), bakar (Cu), cirkonij (Zr), magnezij (Mg) bor (B), aluminij (Al) i drugi.

U čeliku prisutni elementi se mogu nalaziti u slijede 4. U slobodnom stanju. Olovo, srebro i bakar, zbog prevelike atomske zapremine

ne obrazuju hemijska jedinjenja sa željezom. Osim toga, srebro i olovo se ne rastvaraju u čvrstom željezu, a rastvorljivost bakra iznosi približno oko 1%. Zato pri prisustvu u čeliku vrlo malih količina olova, srebra ili bakra (bakra iznad 1%) oni se nalaze u slobodnom stanju u obliku metalnih uključaka.

5. Obrazuju intermetalna jedinjenja. Tu osobinu ima većina legirajućih elemena - ta, ali samo pri takvim njihovim sadržajima, koji se praktično ne sreću u običnim industrijskim čelicima. Zato se može smatrati da se u običnim masov - nim čelicima ne sreću intermetalna jedinjenja legirajućih elemenata.U visoko - legiranim čelicima obrazuju se intermetalna jedinjenja, što ima veliki značaj za te čelike.

6. Obrazuju okside i druga nemetalna jedinjenja. U tu grupu spadaju elementi koji imaju veću srodnost (afinitet) u odnosu na kisik nego željezo. Zato u procesu proizvodnje čelika takvi elementi, uvedeni u zadnjoj fazi topljenja, dezoksidišu čelik, oduzimajući kisik od željeza.

FeO + M → MO + Fe U ovoj shematskoj formuli reakcije pod M se podrazumijevaju bilo koji

legirajući element - dezoksidator. Kao rezultat dezoksidacije obrazuju se oksidi Al2O3, TiO2, V2O5 i dr. U posljednje vrijeme primjenjuje se dezoksidacija



pomoću ugljika. U tom slučaju produkti dezoksidacije su u gasnom stanju (2FeO + C = 2Fe + CO2

6. Rastvaraju se u cementitu ili obrazuju samostalne karbidne faze. Tom osobi - nom odlikuju se elementi koji imaju afinitet prema ugljiku. Kao elementi koji su skloni prema obrazovanju karbida pojavljuju se samo oni koji su raspore - đeni u periodičnom sistemu elemenata lijevo od željeza (Cr, Ti, Nb, Zr i dr.).

) i udaljavaju se iz metala potpuno pri vakumiranju. Pored velikog afiniteta prema kisiku, određeni elementi imaju veći afinitet prema

sumporu od željeza, pa se pri njihovom uvođenju obrazuju sulfidi. Količina oksida, sulfida i drugih nemetalnih uključaka u običnim industrijskim čelicima je mala i zavisi od metode topljenja. Najviše nemetalnih uključaka ima u neumirenom martinovskom čeliku, a posebno u besemerovskom, dok ih u umirenom čeliku ima manje i u elektročeliku još manje. Čelik dobijen topljenjem u vakumu (a takođe čelik pretopljen pod troskom) sadrži samo neznatne količine nemetalnih uključaka.

Dotični elementi se, pored toga što obrazuju karbide, rastvaraju u željezu. Prema tome, oni se u izvjesnoj razmjeri, uglavnom u zavisnosti od njihovog sadržaja i sadržaja ugljika, raspoređuju između tih dviju faza.

7. U željezu se u značajnim količinama može rastvarati većina legirajućih eleme - nata, osim ugljika, azota, kisika i bora i metaloida, koji su udaljeni od željeza u periodičnom sistemu. Elementi, raspoređeni od željeza lijevo raspoređuju se između željeza (osnove) i karbida, a elementi raspoređeni desno od željeza (kobalt, nikal, bakar i drugi), obrazuju samo rastvore sa željezom i ne ulaze u karbide.

Na taj način, kao zaključak se može konstatirati da se legirajući elementi prvenstveno rastvaraju u osnovnim fazama čelika (ferit, austenit, cementit) ili obrazuju specijalne karbide. Pod specijalnim karbidima podrazumijevaju se karbidi obrazovani sa sudjelovanjem elemenata sklonih obrazovanju karbida, a imaju različitu formulu i kristalnu rešetku od cementita.

Osnovni fazni preobražaji u čeliku Čelik, kao legura željeza, takođe se odlikuje odgovarajućim faznim preo -

bražajima. Do njih dolazi, kao i kod željeza, pri promjeni uvjeta (npr. Tempera - ture), uslijed čega jedno stanje postaje manje stabilno (ima veću vrijednost slobo - dne energije) od drugog.

Kao osnovne alotropske modifikacije čelika - - m

Austenit je čvrsti rastvor ugljika u γ željezu. Martenzit je prezasićeni čvrsti rastvor ugljika u α željezu (ista koncentra - cija

ugljika kao u polaznom austenitu). Perlit je autektoidna smješa od ferita i karbida (cementita), koji su se obrazovali

istovremeno (vrlo mala ravnotežna rastvorljivost ugljika u feritu se zanemaruje). U čeliku se pri termičkoj obradi, a i pri zavarivanju, uočavaju četiri osnov - na

fazna preobražaja:



4) Preobražaj perlita u austenit, do koga dolazi pri zagrijavanju iznad tačke A1 (temperatura stabilne ravnoteže austenit-perlit). Na tim temperaturama, od tri osnovne faze najmanju slobodnu energiju posjeduje austenit (prema Fe3

5) Preobražaj austenita u perlit, koji se događa ispod tačke A1.

C dijagramu).

6) Preobražaj austenita u martenzit. Taj preobražaj se događa ispod temperature metastabilne ravnoteže austenit-martenzit (TM). Pri TM kao stabilnija faza pojavljuje se perlit, ali je rad, potreban za obrazovanje martenzita od austenita, manji, nego za obrazovanje perlita.Zbog toga, ispod TM

Na taj način, austenitno-martenzitni preobražaj javlja se kao neki međupre- obražaj u procesu prelaza austenita u perlit.

obrazovanje perlita (feritno.karbidne smješe) od austenita može se dogoditi samo preobražajem martenzita koji prethodno nastaje od austenita.

5) Preobražaj martenzita u perlit, odnosno u feritno-karbidnu smješu. Do njega dolazi pri svim temperaturama, pošto je slobodna energija martenzita veća od slobodne energije perlita pri bilo kojoj temperaturi.

Promjene slobodnih energija osnovnih struktura pokazuje da je moguć preobražaj martenzita u austenit iznad temperature TM. Međutim, taj preobražaj nije zapažen eksperimentalno. To je, očigledno, zbog toga što prvo dolazi do preobražaja martenzit-perlit (raspadanje martenzita).

Preobražaj perlita u martenzit je nemoguć, pošto pri svim temperaturama martenzit posjeduju već Prethodno razmotreni fazni preobražaji su prouzrokovani temperaturom. Promjenom pritiska, drugog termodinamičkog faktora, može doći do strukturnih

preobražaja, do kojih ne dolazi pri nepromijenjenom (9,81⋅104

Dijagram fazne ravnoteže pri temperaturi i pritisku, kao nezavisno promje- nljivim, dat je na slici 5.1.

Pa=1 at) pritisku.

Slika 5.1. Oblast α, γ i ε faze željeza zavisnosti od temperature i pritiska

Pri visokim pritiscima moguće je obrazovanje željeza sa heksagonalnom gusto

složenom rešetkom (takozvano ε željezo). Trojna tačka ravnoteže nalazi se kod T = 527 0C i P = 130 . 108 Pa (130 kbar). Iznad 527 0

Pritisak se još ne koristi za obrazovanje struktura u čeliku zbog tehnološke složenosti. Takođe, je nedovoljno jasno koliko je efektivno u pogledu dobijanja

C, pri povećanju pritiska moguće je α → γ → ε prelaz, a ispod direktan α → ε prelaz.



posebnih osobina. Određeni elementi utječu slično pritisku. Tako, npr., pri viso - kom sadržaju mangana, uz normalan pritisak, obrazuje se ε faza.

5.1.1.1. Ugljični čelici

Ugljični čelik je osnovni metalurški materijal u industriji. U crnoj metalur - giji se

proizvodi približno 90% ugljičnog čelika i 10% legiranog. Ugljični čelik industrijske proizvodnje je složena legura po hemijskom sastavu.

Osim željeza, kao osnove, čiji sadržaj se može mijenjati od 97,0 do 99,5%, u njemu postoji još mnogo elemenata. Prisustvo tih elemenata uslovljeno je tehno - loškim karakteristikama proizvodnje (mangan, silicij) ili nemogućnošću potpunog njihovog udaljavanja iz metala (sumpor, fosfor, kisik, azot, vodik), a takođe i drugim okolnostima (krom, nikal, bakar i dr.).

Čelici različite proizvodnje (martinovski, basemerovski itd.) uglavnom se razlikuju po sadržaju navedenih primjesa.

Međutim, jedan elemenat specijalno se uvodi u prosti ugljični čelik. To je ugljik, te je on osnovni elemenat, pomoću koga se mijenjaju osobine legure željeza. Prirodno je što se te legure (pri C < 1,7 %) nazivaju ugljični čelici.

Struktura i osobine čelika mogu se mijenjati u širokim granicama pomoću termičke obrade. Takva je većina osobina i one se mijenjaju pri termičkoj obradi. Druge, strukturno neosjetljive osobine, praktično ne zavise od strukture. U njih spadaju krutost (modul elastičnosti E i modul smicanja G).

Tvrdoća i čvrstoća čelika mogu se povećati termičkom obradom za dva do pet puta (u poređenju sa odžarenim stanjem, lagano ohlađenim), a modul elastično- sti pri tome se mijenja manje od 5%.

U većini slučajeva, od datog komada se traži krutost. Za davanje neophod - ne krutosti radnom komadu, konstruktor bira odgovarajuću površinu i oblik po - prečnog presjeka elemenata radnog komada. Pri tome se obično pokazuje da su stvarna naprezanja u elementima znatno manja od granice tečenja. Prirodno je da u tom slučaju ojačavanje toplinskom obradom otpada, pošto su dovoljne osobine čvrstoće metala u sirovom, toplinski neobrađenom stanju.

U onim slučajevima, kada je čvrstoća čelika u sirovom stanju nedovoljna, primjenjuje se termička obrada. Pred čelike, koji se podvrgavaju termičkoj obradi postavljaju se određeni povišeni zahtjevi (npr., uže granice u pogledu sadržaja ugljika i dr.). Takav čelik je često poznat kao čelik povišenog kvaliteta.

5.1.1.2. Utjecaj ugljika na osobine čelika Sa povećanjem sadržaja ugljika mijenja se struktura čelika. Čelik, koji sadrži

0,8% C, sastoji se samo od perlita, a čelik, koji sadrži više od 0,8% C, osim perlita, sadrži i sekundarni cementit, dok, pri sadržaju ugljika ispod 0,8% struktura čelika se sastoji od ferita i perlita.

Povećanje sadržaja ugljika u čeliku dovodi do povećanja čvrstoće i smanjenja plastičnosti (sl. 5.2.).



Slika 5.2. Utjecaj ugljika na mehaničke osobine čelika

Slika 5.3. Utjecaj ugljika na temperaturu prelaza u krto stanje željeza.

Navedene mehaničke osobine odnose se na toplovaljane radne komade bez termičke obrade, tj. Pri strukturi perlit + ferit (ili perlit + cementit). Brojke su srednje vrijednosti i mogu se mijenjati u granicama ± 10% u zavisnosti od sadržaja primjesa, uvjeta hlađenja poslije valjanja itd. Ako se čelik primjenjuje u obliku odlivka, tada grublja ljevena struktura posjeduje lošije osobine od onih na slici 5.2. (uglavnom se smanjuju osobine plastičnosti).

Bitan utjecaj pokazuje ugljik na osobine žilavosti. Kao što se vidi sa slike 5.3. povećanje sadržaja ugljika dovodi do povišenja temperature prelaza u krto stanje i umanjenja udarne žilavosti u oblasti žilavog loma na temperaturama iznad temperature prelaza u krto stanje.

Utjecaj stalnih primjesa na osobine čelika

Kao stalne primjese u ugljičnom čeliku smatraju se mangan, silicij, fosfor,

sumpor, a takođe i gasovi (vodik, kisik, azot), u različitim količinama stalno prisutni u tehničkim vrstama čelika.

Obično se sadržaj tih elemenata ograničava slijedećim gornjim granicama (u %); 0,8 Mn; 0,6 Si; 0,05 P; 0,05 S.

Pri većem njihovom sadržaju, čelik pripada legiranim čelicima, kod kojih se ti elementi specijalno uvode, pa je otuda i došao naziv legirani čelici.

U nastavku je razmotren utjecaj sta Mangan se uvodi u bilo koji čelik radi dezoksidacije:

FeO + Mn → MnO + Fe tj. radi odstranjenja štetnih primjesa oksida željeza. Mangan takođe udaljava

štetna jedinjenja sumpora sa željezom, rastvara se u feritu i cementitu. Mangan znatno utječe na osobine čelika, povećavajući čvrstoću u toplo - valjanim

radnim komadima, mijenjajući, uz to, i neke druge osobine. Pošto je sadržaj mangana u svim čelicima približno podjednak, to njegov utjecaj na čelik različitog sastava ostaje približno isti.

Utjecaj silicija u početnim dodacima sličan je utjecaju mangana. On dezoksidiše čelik prema reakciji:

2FeO + Si → 2Fe + SiO2



Silicij se strukturno ne zapaža, pošto je potpuno rastvoren u feritu, osim onog dijela, koji u obliku oksida silicija nije uspio da izroni u trosku, već je ostao u metalu u obliku silikatnih uključaka.

Rude željeza, a takođe topitelj i gorivo, sadrže određenu količinu fosfora, koji u procesu proizvodnje livenog gvožđa ostaje u njemu u različitom stepenu i zatim prelazi u čelik.

Rastvorljivost fosfora u α željezu 1,2%. Prisustvo fosfora iznad te količine (koja se umanjuje sa povećanjem sadržaja ugljika) dovodi do obrazovanja fosfida željeza (Fe3

P faze), koja se sreće u sivim livenim gvožđima. Rastvarajući se u feritu, fosfor oštro povećava temperaturu prelaza u krto

stanje (sl. 5.4.).

Slika 5.4. Utjecaj fosfora na temperaturu prelaza u krto stanje čelika (0,2% C; 1% Mn).

Treba istaći da je fosfor u određenim slučajevima poželjan. Tako, npr., on

olakšava obradu čelika rezanjem, a u prisustvu bakra povećava otpornost prema koroziji.

Kao i fosfor, sumpor dospijeva u metal iz ruda, a takođe iz gasova peći (kao produkt gorenja goriva javlja se SO2). Najveći sadržaj sumpora je u besemer - ovskom čeliku (do 0,06%).

Obično sadržaj sumpora u visokokvalitetnom čeliku ne prelazi 0,02 do 0,03%. U čelicima običnog kvaliteta dozvoljava se sadržaj sumpora 0,03 do 0,05%.

Sumpor se ne rastvara u željezu i bilo koja njegova količina obrazuje sa željezom jedinjenje poznato pod nazivom sulfid željeza (FeS), koji ulazi u sastav eutektikuma, obrazovanog pri 988 0

Za razliku od drugih štetnih primjesa, sumpor ne povećava, već čak snižava temperaturu prelaza u krto stanje, premda povećava i udarnu žilavost pri žilavom lomu (sl. 5.5.).

C.



Slika 5.5. Utjecaj sumpora na osobine žilavosti čelika.

Drugim riječima, sumpor povećava otpornost prema žilavom lomu, a prema

krtom smanjuje. Gasovi vodik, azot i kisik nalaze se u čeliku u malim količinama, koje zavise od

načina proizvodnje. Vodik, azot i kisik mogu se nalaziti u slijedećim oblicima : - u gasovitom stanju u različitim nesavršentsvima strukture; - u α čvrstom rastvoru; - u obliku različitih jedinjenja, takozvanih nemetalnih uključaka (nitridi, oksidi).

5.1.1.3. Čelik različitih postupaka proizvodnje U zavisnosti od usvojenog postupka proizvodnje, čelici se razlikuju po

osobinama. Ko što je poznato, čelik se proizvodi (topi) u različitim pećima, pa se, shodno

tome, može podijeliti na besemerovski, martinovski, kiseonično-konver - torski i elektročelik.

U Besemerovom konvertoru tečno lijevano gvožđe se produhava vazdu - hom. Kisik iz vazduha jedini se sa primjesama u lijevenom gvožđu (tu spada i ugljik) i lijeveno gvožđe se transformiše u čelik. Taj postupak proizvodnje je vrlo produktivan, ali se sumpor i fosfor ne udaljavaju u dovoljnom stepenu, a metal se zasićava gasovima, naročito azotom.

Besemerovski čelik, zbog povećanog sadržaja plinova, u prvom redu azota, razlikuje se od martinovskog većom čvrstoćom, ali manjon plastičnošću, zatim sklonošću prema starenju, većom zaprljanošću nemetalnim uključcima. Zbog toga što je kvalitet besemerovskog čelika nizak, taj proces postaje zastario i zamje - njuje ga takozvani kisično-konvertorski postupak, kod koga se umjesto vazduha upotrebljava tehnički čisti kisik sa vrlo malom zaprljanošću azotom (produhavanje se obično izvodi odozgo pod kutom prema površini rastopljenog metala). Zahva - ljujući tome, sadržaj azota u metalu je nizak. Takav metal naziva se konvertorski, a po osobinama on se praktično ne razlikuje od martinovskog.

Premda se glavna masa metala običnog kvaliteta radi u Simens-Martino - vim pećima, ipak, polazeći od tehničko-ekonomskih rasuđivanja, cjelishodno je većinu čelika proizvoditi konvertorskim postupkom i on će, vjerovatno, postepeno potisnuti postupak proizvodnje čelika u Simens-Martinovim pećima.

Pri proizvodnji u Simens-Martinovim pećima i kisično-konvertorskim postupkom, izborom odgovarajućih troski i režima vođenja topljenja, moguće je u znatnom stupnju udaljiti sumpor i fosfor. Troske, pomoću kojih se čisti rastopljeni metal od primjesa, sastoje se od bazičnih (CaO i MgO) i kiselih (SiO2) oksida. U zavisnosti od sastava troski, obloga peći treba da bude ili bazična (magnezit ili kromomagnezit), ili kisela (silikoopeka), da bi se izbjegle reakcije između obloge i troske. Ako troska ima bazičnu reakciju (tj. nalaze se u višku bazični oksidi MgO i CaO), tada ona udaljava iz metala veći dio fosfora i dio sumpora. Znači, pri relativno nečistoj šarži, dobija se dovoljno čist metal u pogledu sadržaja sumpora i fosfora, mada dobija se dovoljno čist metal u pogledu sadržaja sumpora i fosfora, mada i zasićeniji kisikom. Pri kiselom procesu proizvodnje u troski postoji višak SiO2, u prisustvu koga se sumpor i fosfor ne



udaljavaju iz metala, ali je zasićenje metala kisikom u manjem stupnju. Zato su za kiseli postupak u Simens-Martinovoj peći potrebni čistiji polazni materijali u pogledu sadržaja sumpora i fosfora (skuplji materijali). Ako je to obezbjeđeno, tada se dobija metal boljeg kvaliteta, pošto sadrži manje kisika.

Martinovski čelik se u većini slučajeva proizvodi bazičnim procesom, a samo za određene namjene, kada se traži velika čistoća u pogledu nemetalnih uključaka (oksida) i manja zasićenost kisikom, izrađuje se skuplji kiseli marti - novski čelik.

Udaljavanje sumpora, fosfora i kisika iz metala postiže se u najvećem stupnju u elektropećima (lučnim ili indukcionim). Uz to što je skuplji, elektročelik je i kvalitetniji, pa se zato taj postupak upotrebljava, prvenstveno, za proizvodnju legiranih i visokolegiranih čelika (vatrootpornih čelika, alatnih čelika i dr.).

U zavisnosti od načina dezoksidacije, čelik može da bude umiren (dezoksidisan pomoću mangana, silicijuma i aluminijuma) i neumiren (dezoksidan samo pomoću mangana). Prema tome, neumireni čelik se razlikuje od umirenog po hemijskom sastavu. Prvi skoro ne sadrži silicijuma (Si < 0,05%), a drugi ga sadrži u normalnoj količini (0,12 do 0,3%). Pošto neumireni čelik, kao lošije dezoksidisan, sadrži više kisika, on zaostaje u pogledu kvaliteta iza umirenog.

Međupoložaj po kvalitetu zauzima takozvani poluumireni čelik, dezoksi - disan manganom i aluminijem, koji počinje da se primjenjuje umjesto neumirenog i umirenog čelika. Čelik, dezoksidisan pomoću aluminija, odlikuje se finozrnastom strukturom i većom žilavošću, čak i pri niskim temperaturama. Utjecaj starenja kod tog čelika daleko je manji. Poluumi- reni čelik sadrži obično 0,05 do 0,10% Si.

Čelici, pored uobičajenih primjesa, mogu da sadrže različite slučajne primjese. U staro gvožđe dospijevaju komadi legiranih krom-nikal čelika, pa čelik, dobijen topljenjem starog gvožđa, obično sadrži u određenoj količini elemente kojima se obično legira čelik (krom, nikal i dr.). Određene rude sadrže primjese koje se teško odstranjuju (npr. Arsen), pa čelik, koji se dobija topljenjem tih ruda, sadrži te primjese. Suprotno, određene rude praktično nemaju onečišćenja drugim elemen - tima, pa je čelik, dobijen od tih ruda, vrlo čist.

Tako se čelik jedne iste oznake može razlikovati po primjesama, koje se često ne uzimaju u obzir standardima i tehničkim uvjetima, a to može jako da utječe na osobine. Posebno jak utjecaj imaju intersticijske primjese (vodik, azot, kisik i ugljik), a tipične primjese, koje onečišćavaju metal su fosfor i sumpor. Mnogi obojeni metali su takođe štetni.

Kao zaključak se može navesti da osobine čelika zavise od postupka njegove proizvodnje, jer od posljednjeg zavisi sadržaj raznih primjesa u metalu i njihov raspored.

5.1.1.4. Ugljični čelik opće namjene

Toplovaljani čelik, koji dolazi iz željezara u obliku valjanih proizvoda (šipke

različitog presjeka, grede, profili, limovi, cijevi itd.) najrasprostranjeniji je materijal u primjeni pri proizvodnji mašina, metalnih konstrukcija, predmeta široke upotrebe itd. U saglasnosti sa odgovarajućim standardima, taj čelik treba da ispunjava određene zahtjeve. Ti zahtjevi su propisani u standardima zemalja npr. DIN (St 52; St 45.8.; 19 Mn5; StE47 itd.).

Ako se čelik koristi za radne komade koji se ne podvrgavaju toplinskoj obradi, tada se struktura i osobine, koje je čelik dobio po izlasku iz pogona valjanja



željezare, zadržavaju i kod korisnika. U tom slučaju čelik se isporučuje korisniku samo prema mehaničkim osobinama.

Ako se čelik kod korisnika podvrgava toplinskoj obradi (zavarivanje, kovanje, presovanje u toplom itd.) tada se polazna struktura i mehaničke osobine ne zadržavaju. U dotičnom slučaju za korisnika glavni značaj dobija sastav čelika, pošto isti određuje režim toplinske obrade i konačne mehaničke osobine, čeličnih radnih komada. U tom slučaju čelik se isporučuje korisniku prema hemijskom sastavu i mehaničkim osobinama istovremeno.

To posebno dolazi do izražaja kada se čelik podvrgava zavarivanju, pošto se u zoni utjecaja topline zavarenog spoja mijenjaju osobine metala, pa je veoma važno znati hemijski sastav, jer zapravo on određuje osobine čelika u pomenutoj zoni.

5.1.1.5. Deformaciono ojačan čelik Ako metal opteretimo do nivoa granice tečenja, tada, poslije odstranjenja istog, u

metalu neće doći do promjena. Ako opterećenje pređe granicu tečenja, tada u metalu dođe do određene plastične deformacije.

Pri ponovnom opterećenju metala, njegova sposobnost plastične deforma - cije se umanjuje, a granica tečenja povećava. Da bi se dovelo do plastične defor - macije, treba primjeniti veće naprezanje, što znači da je metal čvršći (jači).

Oblici proizvoda izrađuju se u željezarama valjanjem, presovanjem i vuče- njem u hladnom stanju. Kao posljedica takve obrade, dolazi do deformacionog ojačavanja metala, koje može biti ukinuto docnijim rekristalizacionim žarenjem. Nabrojani proizvodi mogu se od strane željezara isporučivati u odžarenom ili deformaciono ojačanom stanju.

Za odžareno stanje mehaničke osobine su određene, uglavnom, sastavom čelika, a, u prvom redu, sadržajem ugljika.

Za deformaciono ojačano stanje osobine jako zavise od stupnja deforma - cijskog ojačavanja kao što se vidi sa slike 5.6.

Slika 5.6. Utjecaj stupnja deformacije na granicu čvrstoće žice s različitim sadržajem ugljika



Pri maksimalnom deformacijskom ojačavanju (deformacija 96 do 97%) visokougljičnog čelika (1,2% C) postiže se čvrstoća koja prelazi 3924.106 Pa (400 dN/mm2). Očigledno je da se poslije takvog stupnja deformacije dobija veoma tanka žica. Stvarno, maksimalne vrijednosti čvrstoće (4709 do 4905).106 Pa (480 do 500 dN/mm2) dobijene su samo na žici prečnika 0,1 mm od visokugljičnog čelika poslije značajnih deformacija (98%).

Deformaciono ojačana žica tankih presjeka poslije značajnih stupnjeva deformacije upotrebljava se za izradu užadi. Obično se za tu svrhu upotrebljava čelik sa 0,6 do 0,8% C, koji poslije deformacije 80 do 90% dobija čvrstoću (1766 do 2943) . 106 Pa (180 do 300 dN/mm2

− niskolegirani;

). Konkretnim tehničkim uvjetima i standardima određuju se osobine, sastav,

tolerancije dimenzija, stanje površine i drugi zahtjevi za žice različite polufabrikate (cijevi, limove, trake), dobijene metodom hladne plastične deformacije.

Posebne grupe ugljičnog čelika su čelik za limove za hladno presovanje i čelik za obradu rezanjem na automatima. Međutim, pošto pomenuti čelici nijesu interesantni sa stanovišta zavarivanja, to o njima neće biti govora.

5.1.1.6. Legirani čelici Pod legiranim čelikom podrazumijeva se čelik kod koga na osobine odlučujuću

ulogu imaju legirajući elementi, tj. Oni elementi koji se namjerno ostavljaju ili uvode u čelik, kako bi se dobile potrebne osobine.

Prema postojećim standardima DIN 8856 kao legirani čelik smatra se svaki čelik koji sadrži jedan ili više legirajućih elemenata u količini većoj od navedene (u %) :

Prema postojećim standardima legirani čelici se dijele na niskolegirane i visokolegirane.

Niskolegirani čelik je onaj čelik u kome je ukupni sadržaj legirajućih elemenata manji ili jednak 5%.

Visokolegirani čelik je onaj čelik u kome je ukupni sadržaj legirajućih elemenata veći od 5%.

Prema podacima iz stručne literature, legirani čeli

− srednjelegirani i − visokolegirani.

U novije vrijeme razvijen je takozvani mikrolegirani čelik. Pod niskolegiranim čelikom podrazumijeva se čelik u kome ukupni sadržaj

legirajućih elemenata ne prelazi 5% (izuzimajući ugljik). Pod srednjelegiranim čelikom podrazumijeva se čelik sa ukupnim sadrža - jem

legirajućih elemenata od 5 do 10% (izuzimajući ugljik). Kao visokolegirani čelik smatra se čelik sa ukupnim sadržajem legirajućih

elemenata preko 10 % (izuzimajući ugljik).



U slučaju dodavanja legirajućih elemenata u minimalnom iznosu kaže se da se radi o mikrolegiranju, a takav čelik poznat je kao mikrolegirani. Legirajući elementi, koji su dodati u minimalnim količinama, svojim izlučivajućim efektima i utjecajem dovode do finozrnaste strukture čelika, pa čelik dobija povećanu granicu tečenja i otpornost prema krtom lomu, čak i kod nižih temperatura. Zbog toga, ovaj čelik nalazi sve veću primjenu u mašinogradnji i građevinarstvu.

Napominje se da je ova podjela legiranih čelika na: mikro-, nisko-, srednje- i visokolegirane najpodesnije sa stanovišta izučavanja zavarivanja istih.

Utjecaj elemenata na polimorfizam željeza Svi elementi koji se rastvaraju u željezu utječu na temperaturni interval postojanja

njegovih alotropskih modifikacija, tj. pomjeraju tačke A3 i A4 po temperaturnoj skali.

Određeni broj elemenata (Mn, Ni, C, N, Cu, B i dr.) pomjeraju tačku A4 prema višim temperaturama, a tačku A3

Druga grupa elemenata (Si, Al, Mo, Cr, Ti, Nb, W, V i dr.) pomjera tačku A4 prema nižim temperaturama, a tačku A

prema nižim i, na taj način, proširuju oblast postojanja γ modifikacije. Jedino kobalt (Co) pomjera obje tačke prema višim temperaturama, ali, ipak, širi oblast γ. Ovi elementi poznati su pod nazivom kao austenizatori.

3

Slika 5.7. Shematski dijagrami stanja željeza - legirajući elemenat

Iz shematskih dijagrama stanja željezo - legirajući elemenat, datih na slici 5.7.

očigledno je da iznad određenog sadržaja mangana, nikla i drugih austeniti - zatora (sl. 5.7. a) γ modifikacija postoji kao stabilna od sobne temperature do temperature topljenja. Takve legure, sa osnovom željeza, nazivaju se austenit - nim. Pri sadržaju silicija, vanadija, molibdena i drugih feritizatora iznad određene granice, kao postojana, pri svim temperaturama, pojavljuje se α modifikacija (sl. 5.7. b.). Takve legure, sa osnovom željeza, poznate su kao feritne.

Za razliku od drugih legura sa osnovom željeza, austenitne i feritne legure nemaju preobražaja pri zagrijavanju i hlađenju, tj. kod njih ne postoji polimorfizam (naravno u normalnim okolnostima).

Utjecaj elemenata na ferit

prema višim temperaturama, sužavajući γ oblast, a proširujući α oblast. Oni su poznati pod nazivom kao feritizatori. To je shematski prikazano na slici 5.7.

Rastvaranje legirajućih elemenata u željezu događa se kao posljedica zamjene atoma željeza atomima tih elemenata. Atomi legirajućih elemenata, razli - kujući se od atoma željeza po dimenzijama i građi, stvaraju u rešetki naprezanja koja izazivaju promjenu njenog parametra. Svi elementi, rastvarajući se u feritu, mijenjaju parametar rešetke ferita u većem stupnju što se više razlikuju atomske



dimenzije željeza i legirajućih elemenata. Elementi sa manjim atomskim prečni - kom od željeza umanjuju parametar rešetke, a sa većim povećavaju. Izuzetak je nikal, koji, iako ima manji atomski prečnik od željeza, povećava parametar rešetke čvrstog rastvora u određenoj mjeri.

Normalno je da promjena dimenzija rešetke dovodi do promjene osobina ferita (povećava se čvrstoća, a plastičnost smanjuje).

Na slici 5.8. prikazana je promjena tvrdoće ferita, a na slici 5.9. promjene njegove udarne žilavosti pri rastvaranju u njemu različitih elemenata.

Kao što se vidi iz dijagrama na slici 5.8. krom, molibden i volfram manje ojačavaju ferit od nikla, silicijuma i mangana.

Molibden, volfram, a, takođe, mangan i silicij (pri prisustvu posljednja dva iznad 1%) smanjuju žilavost ferita. Krom umanjuje žilavost znatno slabije od nabrojanih elemenata, a nikal ne smanjuje žilavost ferita.

Slika 5.8. Utjecaj elemenata na tvrdoću ferita (prema A.P. Guljaevu)

Slika 5.9.

Utjecaj elemenata na udarnu žilavost (prema A.P. Guljaevu) Dati podaci na slikama 5.7. i 5.8. odnose se na slučaj laganog hlađenja legura.

Osobine ferita, koji sadrži silicij, molibden ili volfram, praktično ne zavise od brzine hlađenja legure, dok je tvrdoća ferita, legiranog kromom, manganom i niklom poslije brzog hlađenja veća, nego poslije laganog hlađenja.

Važan značaj ima utjecaj elemenata na prag žilavosti čime se određuje sklonost čelika prema krtom lomu. Prisustvo kroma u željezu dovodi do određenog povišenja temperature prelaze u krto stanje, dok nikal jako pomjera temperaturu prelaza u krto stanje prema nižim temperaturama, umanjujući na taj način sklonost željeza prema krtom lomu. Zato se nikal pojavljuje kao posebno važan legirajući elemenat. Nikal, uz dosta intezivno ojačavanje ferita, ne smanjuje njegovu žilavost, a snižava temperaturu prelaza u krto stanje. Međutim, drugi



elementi, ako i ne smanjuju žilavost, slabo ojačavaju ferit (krom), ili, jako ojačajavući ferit, oštro smanjuju njegovu žilavost (mangan, silicij). Sličan utjecaj mangana i slicija zapaža se pri prisustvu mangana iznad 1,5 % i silicija iznad 0,5 % (sl. 5.9.)

Karbidna faza u legiranim čelicima U čelicima karbide obrazuju samo metali raspoređeni u Mendeljejevom

periodičnom sistemu elemenata lijevo od željeza. Tu spadaju: titan,

vanadij, krom, mangan, cirkonij, niobij, molibden, hafnij, tantal i volfram.

Ti metali, kao i željezo, pripadaju elementima takozvanih prelaznih grupa i

imaju manje dograđenu d-elektronsku putanju. Što je više raspoređen

lijevo u periodičnom sistemu, time elemenat, sklon prema obrazovanju

karbida, ima manje dograđenu d-elektronsku putanju.

Smatra se da, u procesu obrazovanja karbida, ugljik odaje svoje valentne elektrone na popunjavanje d-elektronske putanje atoma metala, dok u metalu valentni elektroni obrazuju metalnu vezu, koja uslovljava metalne osobine karbida. Samo metali čija je d-elektronska putanja manje popunjena nego u željeza pojavljuju se kao elementi skloni prema obrazovanju karbida. Njihov afinitet prema obrazovanju karbida time je jači (i postojanost obrazovnih karbida time veća) što je manje dograđena d-putanja u metalnom atomu.

Saglasno s prethodnim, aktivnost obrazovanja karbida i postojanost

karbid- nih faza u legiranim čelicima će rasti pri prelazu od elemenata

mangana i kroma prema elementima: molibden, vanadij, volfram, titan i

dr., koji imaju manje dogra - đene d-putanje, nego mangan i krom. To

znači, npr., da pri prisustvu u čeliku istovremeno kroma i niobija, treba

očekivati u prvom redu obrazovanje karbida niobija (u ravnotežnim

uvjetima).

Utjecaj legirajućih elemenata na kinetiku raspadanja austenita



Utjecaj legirajućih elemenata na kinetiku raspadanja austenita je vrlo veliki. Elementi, koji se rastvaraju samo u feritu, ili cementitu, ne obrazujući specijalne

karbide, pokazuju samo kvantitativni utjecaj na procese preobražaja. Oni mogu da ubrzavaju preobražaj (samo kobalt), ili da ga usporavaju (većina elemenata, kao što su: mangan, nikal, bakar i dr.).

Elementi, skloni prema obrazovanju karbida izazivaju, ne samo kvantita - tivne, već i kvalitativne promjene u kinetici izotermičkog preobražaja. Tako, legi - rajući elementi koji obrazuju karbide rastvorljive u austenitu, na različitim tempe - raturama različito utječu na brzinu raspadanja austenita:

- Od 700 do 500 0C (obrazovanje perlita) usporava - Od 500 do 400 0C vrlo značajno usporava - Od 400 do 300 0

Shematski prikaz dijagrama izotermičkog preobražaja (prikazan je samo početak preobražaja) da

C (obrazovanje beinita) ubrzava Na taj način, u čelicima legiranim elementima koji su skloni prema obra -

zovanju karbida (krom, molibden, volfram) uočavaju se dva maksimuma brzine izotermičkog raspadanja austenita, odvojena oblašću visoke postojanosti pothla - đenog austenita.

Izotermičko raspadanje austenita ima dva jasno izražena intervala preobražaja: - preobražaj u pločaste strukture (perlitni preobražaj) i - preobražaj u igličaste struke (beinitni preobražaj).

Slika 5.10. Shematski dijagram izotermičkog raspadanja austenita:

a) 1 - ugljični čelik 2 - čelik, legiran elementima koji nisu skloni prema obrazovanju karbida. b) 1 - ugljični čelik 2 - čelik, legiran elementima, koji su skloni prema obrazo Praktično, kao najvažnija, javlja se sposobnost legirajućih elemenata da

usporavaju brzinu raspadanja austenita u oblasti perlitnog preobražaja, što se izražava u pomjeranju linije u desno na dijagramu izotermičkog raspadanja austenita. Usporavanje raspadanja austenita objašnjava se nizom faktora. Međutim, glavni uzrok usporavanja brzine raspadanja austenita je taj što je pri perlitnom preobražaju u legiranom čeliku, potrebna difuzija legirajućih elemenata



za obrazo - vanje karbida, dok je u ugljičnom čeliku potrebna samo difuzija ugljika za obrazovanje cementita (Fe3C).

Beinitni preobražaj nije praćen preraspodjelom legirajućih elemenata, već samo preraspodjelom ugljika. Zbog toga je utjecaj legirajućih elemenata na brzinu beinitnog preobražaja mali (ako se i pojavi, tada dolazi do povećanja brzine preobražaja, mada ne uvijek).

Usporavanje brzine raspadanja austenita u oblasti perlitnog preobražaja pogoduje povećanju prokaljivosti i pothlađenju austenita do intervala martenzitnog preobražaja pri sporijem hlađenju (npr. Pri hlađenju u ulju, ili na vazduhu), što je povezano sa umanjenjem kritične brzine kaljenja.

Najjače povećavaju prokaljivost krom, nikal, molibden i mangan, pa zato oni ulaze u sastav većine konstrukcionih legiranih čelika.

Prokaljivost čelika se naročito povećava pri zajedničkom legiranju sa nekoliko elemenata. Takvo, npr. Djelovanje imaju nikal i krom, kada se zajedno dodaju.

Vrlo efikasno djeluje molibden, pri njegovom uvođenju u krom - nikal čelik. Specifično utječu na kinetiku raspadanja austenita elementi vanadij, titan, niobij i

djelimično volfram, kao elementi koji su jako skloni prema obrazovanju karbida. Pošto ti elementi obrazuju teškorastvorive karbide, to, pri uobičajenim temperaturama kaljenja (800 do 900 0

Legirajući elementi ne utječu na kinetiku martenzitnog preobražaja, koja je, očigledno, slična za sve čelike. Njihov utjecaj se ovdje pokazuje isključivo na položaj temperaturnog intervala martenzitnog preobražaja. To se sa svoje strane odražava i na količinu zaostalog austenita, koja se fiksira u zakaljenom čeliku.

C), oni ostaju vezani u karbidima i ne prelaze u austenit. Kao posljedica toga, prokaljivost čelika se umanjuje, pošto karbidi djeluju kao gotovi centri kristalizacije perlita.

Pri visokoj temperaturi zagrijavanja za kaljenje ti karbidi se rastvaraju, pa austenit sadrži te elemente u rastvoru, što povećava prokaljivost.

Opiti su pokazali da mali dodaci određenih elemenata efikasno utječu na prokaljivost, dok veliki njihov sadržaj ne pokazuje takvo djelovanje. U te elemente, u prvom redu, spada bor (B). Hiljaditi dijelovi procenta tog elementa potpomažu povećanje prokaljivosti, pošto se sav bor, nalazeći se u rastvoru, koncentriše u tankim pograničnim slojevima zrna austenita i umanjuje brzinu nastanka centara kristalizacije perlita.

Optimalni sadržaj bora u čeliku koji obezbjeđuje najbolju prokaljivost

iznosi svega 0.002 do 0.006 %. Pri većem sadržaju bora njegova

koncentracija na granicama zrna austenita prelazi granicu zasićenja, pa se

pojavljuju suvišne faze bara (boridi), koje djeluju kao centri kristalizacije

perlita, te se prokaljivost umanjuje.

Utjecaj legirajućih elemenata na martenzitni preobražaj



Određeni elementi povišuju martenzitnu tačku i umanjuju količinu zaostalog austenita (aluminij, kobalt), drugi ne utječu na nju (silicij), a većina snižava martenzitnu tačku i povećava količinu zaostalog austenita (sl. 5.11.). Iz dija - grama je očigledno da 5% mangana snižava martenzitnu tačku do 0 0C. Prema tome, pri takvom (ili većem) sadržaju mangana moguće je fiksirati austetnitno stanje.

Slika 5.11. Utjecaj legirajućih elemenata na temperaturu martenzitnog preobražaja (a) i količinu zaostalog austenita (b). Čelik sadrži 1% C (prema V.D. Sadovskom)

Utjecaj legirajućih elemenata na rast zrna austenita

Skoro svi legirajući elementi umanjuju sklonost austenitnog zrna prema rastu.

Izuzetak čine mangan i bor, koji potpomažu rast zrna. Nikal, kobalt silicij i bakar (elementi koji ne obrazuju karbide) relativno

slabo utječu na rast zrna.

Krom, molibden, volfram, vanadij i titan jako sitno zrno (elementi su nabrojani po redoslijedu rasta sile njihovog djelovanja). Ta razlika se pojavljuje kao direktna posljedica različite postojanosti karbida (i nitrida) tih elemenata. Suvišni karbidi, nerastvoreni u austenitu, koče rast austenitnog zrna. Zato čelik, u prisustvu i male količine nerastvorenih karbida, zadržava sitnozrnastu strukturu do vrlo visokih temperatura zagrijavanja.

Utjecaj legirajućih elemenata na preobražaje pri otpuštanju

Legirajući elementi usporavaju proces raspadanja martenzita. Određeni elementi,

kao nikal i mangan, utječu neznatno, dok većina (krom, molibden, silicij i dr.) utječe vrlo upadljivo.

To je povezano sa time što procesi pri otpuštanju imaju difuzioni karakter i većina legirajućih elemenata usporava karbidni preobražaj, naročito na stadijumu koagulacije.

Na početnom stadijuju raspadanja martenzita u legiranim čelicima se obrazuje karbid, koji ima isti sastav (u pogledu legirajućih elemenata), kao i martenzit. Na tom stadijumu otpuštanja utjecaj legirajućih elemenata na smanjenje čvrstoće martenzita je mali. Na višoj temperaturi dolazi do kidanja koherentnosti i preobražaja ε karbida u cementit ili specijalni karbid. Na tom stadijumu otpuštanja dolazi do smanjenja čvrstoće. Većina legirajućih elemenata pomjera te procese prema višim temperaturama.

Za dobijanje istih rezultata čelik legiran takvim elementima, kao što su krom, molibden, silicij i dr., treba zagrijavati pri otpuštanju do viših temperatura ili povećavati trajanja otpuštanja u poređenju sa ugljičnim čelikom.

5.1.2. Podjela čelika

Svi čelici se mogu po



- hemij - m - načinu

Podjela čelika prema hemisjkom sastavu Prema hemijskom sastavu, čeli Kao što je već ranije iznešeno, u ugljičnom čeliku ugljik se javlja kao osnovni

legirajući elemenat, koji određuje mehaničke osobine čelika. Prema sadržaju ugljika, ovaj čelik se mož - niskougljični ( - srednjeugljični (od 0,25 d - visokougljični (od 0,4 Legirani čelici se mogu - m - - sre - v

Podjela čelika prema mikrostrukturi Uzimajući u obzir strukturu, dobijenu poslije hlađenja uzoraka male debljine na

mirnom vazduhu, mogu se izdvojiti slijedeće grupe čelika : Pored ove podjele na osnovne grupe, postoje i - fe - feritno - martenzitno -

Čelici perlitne grupe odlikuju se relativno malim sadržajem legirajućih

elemenata, dok martenzitni imaju značajni sadržaj, a austenitni visok

sadržaj legirajućih elemenata.



Dobijanje ovih grupa čelika povezano je sa kinetikom raspadanja austenita. Sa povećanjem sadržaja legirajućih elemenata postojanost austenita u feritnoj i perlitnoj oblasti povećava, a temperaturna oblast martenzitnog preobražaja se sni - žava, što se odražava na dijagramima izotermičkog raspadanja austenita (sl.

5.12.). Slika 5.12.

Dijagram izotermičkog raspadanja austenita za čelike tri grupe (shematski prikaz): d) perlitna grupa; e) martenzitna grupa i f) austenitna grupa

Za legirane čelike perlitne grupe, kao i za ugljične, kriva brzine hlađenja na

vazduhu presijeca oblast perlitnog raspadanja i dobijaće se strukture perlit, sorbit, trustit.

U čelicima martenzitne grupe oblast perlitnog raspadanja već je značajno pomjerena udesno. Zato hlađenje na vazduhu ne dovodi do preobražaja u perlitnoj oblasti. Austenit se ovdje pothlađuje, bez raspadanja, do temperature martenzitnog preobražaja (MN), gdje dolazi do obrazovanja martenzita.

Dalje povećanje sadržaja ugljika i legirajućeg elementa, ne samo što pom - jera udesno oblast perlitnog raspadanja, već i snižava martenzitnu tačku, dovodeći je u oblast temperatura ispod 0 0

Prema namjeni mogu se razlikovati slijedeće klase čelika:

C. U tom slučaju, čelik, ohlađen na vazduhu do sobne temperature, zadržava stanje austenita.

Naglašava se da je razmotrena podjela uvjeta i odnosi se na slučaj hlađenja uzoraka relativno malih dimenzija na zraku. Mijenjajući uvjete hlađenja, moguće je dobiti i različite strukture. Tako, pri kaljenju perlitnog čelika može se dobiti martenzitna struktura, a pri laganom hlađenju čelik martenzitne grupe doživljava preobražaj u perlitnoj oblasti. Hlađenje austenitnog čelika ispod nule može izazvati u njemu martenzitni preobražaj.

Podjela čelika prema načinu proizvodnje

Prema načinu proizvodnje mogu se razlikovati :

- čelik običnog kvalite - čelik povišenog kvaliteta - čelik visokog kval

Podjela čelika prema namjeni



I - čelik za noseće konstrukcije (građ II - konstrukcioni čeli III IV - čelik sa posebnim fizičkim

II. Čelik za noseće konstrukcije se koristi u građevinarstvu za izradu hala, mostova, rezervoara itd. Po hemijskom sastavu ovaj čelik je, uglavnom, niskougljični, a po načinu proizvodnje čelik običnog kvaliteta. Obično se ne podvrgava termičkoj obradi i koristi se u stanju isporuke. Isporučuje se u toplovaljanom stanju, mada postoji mogućnost poboljšavanja njegovih mehaničkih osobina pomoću odgovarajuće termičke obrade (normali - zacija). Isporučuje se, uglavnom, prema mehaničkim osobinama. Na zahtjev potrošača, mogu da se garantuju:

- sadržaj ugljika, mangana i silicija; - sadržaj sumpora i fosfora; - sadržaj hroma

Pored navedenog, može da se garantuje žilavost, ugao savijanja i zavarljivost. Ovi dopunski zahtjevi se utvrđuju sporazumno između proiz - vođača i potrošača.

Neumireni čelik se rijetko primjenjuje za izradu zavarenih konstruk - cija, a poluumireni ima određenu primjenu, posebno ako je dezoksidisan pomoću aluminija.

Srednjeugljični i legirani čelici se ne primjenjuju široko u građevinar - stvu kao niskougljični, pošto njihova primjena dovodi do usložavanja tehnologije zavarivanja (primjena predgrijavanja, otpuštanja, ili žarenja zavarenog komada, a ponekad, za dobijanje optimalnih mehaničkih osob - ina, je potrebna i potpuna termička obrada poslije zavarivanja).

Međutim, u posljednje vrijeme naglo se povećala primjena finozrnastih mikrolegiranih čelika povećane granice tečenja (razvlačenja).

V. Konstrukcioni čelik za strojogradnju je, po hemijskom sastavu, ugljični ili legirani, a po načinu proizvodnje, čelik povišenog i visokog kvaliteta.

Ovaj čelik, prema osobinama koje određuju njegovu primjenu, može se podijeliti na:

II.1 - čelik opće namjene i II.2 - čelik posebne namjene.

II.1 Čelik opće namjene koristi se za izradu različitih dijelova u raznim granama mašinske industrije (automobilska, vazduhoplovna, bro - dogradnja, mašine alatke i dr.). Namijenjen je za elemente, čija je izrada vezana za zavarivanje (razni zavareni podsklopovi i sklopovi) i dijelove, čija je izrada vezana za posebnu termičku obradu. Čelik namijenjen za elemente čija je izrada povezana sa zavarivanjem, uglavnom, je nisko - ugljični, mikro- i niskolegirani čelik, povišenog kvaliteta.

Čelik namijenjen za dijelove, čija je izrada povezana za posebnu termičku obradu, uglavnom, je srednjeugljični, nisko - i srednjelegirani čelik, povišenog i visokog kvaliteta, koji se uglavnom odabira prema mehaničkim osobinama. Ovaj čelik može imati, pri istom sadržaju ugljika, ali različitom sadržaju legirajućih elemenata, slične mehaničke osobine pri



maloj debljini ili malom prečniku uzorka, a znatno da se razlikuje u pog - ledu mehaničkih osobina pri velikim dimenzijama uzorka. Zbog toga je neophodno da se čelik, namijenjen za dijelove, čija je izrada vezana za posebnu termičku obradu, bira uzimanjem u obzir i debljine dijelova, odnosno njihovih prečnika, pa, prema tome, i prokaljivost.

Povezano sa tim, dotični čelik se može podijeliti na:

− čelik male prokaljivosti (potpuno se kali u uzorcima prečnika 10 do 15 mm);

− čelik srednje prokaljivosti (potpuno se kali u uzorcima prečnika 25 do 35 mm);

− čelik povećane prokaljivosti (potpuno se kali u uzorcima prečnika 50 do 75 mm);

− čelik velike prokaljivosti (potpuno se kali u uzorcima prečnika 75 do 100 mm). Ovaj čelik treba da ima veliku čvrstoću i žilavost poslije termičke obrade.

II.2. Čelik posebne namjene primjenjuje se: − za izradu različitih dijelova u željeznič kom transportu; DIN (100 Cr2;

105Cr4; 100 CrMn6 itd.). − za opruge; DIN (38Si6; 46Si7; 51Si7; 60SiMn5; 38 Si7; Ck67;

51MnV7; 52MnCrB3; 51CrMoV4; 50CrV4 itd.). − kao čelik za obradu na automatima (povećana obradivost); DIN (9S20;

9SMn28; 10SMnPb28; 9SMn36; 9SMnPb36 itd.). − kao čelik otporan prema habanju; − kao čelik otporan prema koroziji; − za rad pod opterećenjem na povišenim temperaturama; DIN (19 Mn5;

Ck 35; X20 CrMoV 121; 28 Ni Cr Mo4; 14 MoV63 itd.). − kao čelik velike čvrstoće.

VI. Alatni čelik je, po hemijskom sastavu, visokougljični, nisko - i srednje - legirani, a po načinu proizvodnje, čelik povišenog i visokog kvaliteta, izuzev, u rijetkim slučajevima (npr., za najmanje odgovorni bravarski alat, može biti običnog kvaliteta).

Prema sadržaju ugljika, ovaj čelik je obično nadeutektoidni (C > 0,8 %), po čemu se on bitno razlikuje od čelika za noseće konstrukcije i konstrukcionog čelika za mašinogradnju. Samo u posebnim slučajevima, alatni čelik se primjenjuje kao konstrukcioni čelik u mašinogradnji (kuglični ležajevi, opruge).

Alatni čelik se može podijel

− rezni alat; − alat za obradu deformacijom u hladnom i toplom stanju; − kovačke kalupe i − mjerne instrumente.

VII. Čelik sa posebnim fizičkim osobinama je, po hemijskom sastavu, visokolegirani čelik, a po načinu proizvodnje, čelik povišenog i visokog kvaliteta, koji, u pojedinim slučajevima, zahtijeva ispunjavanje specijalnih mjera livenja (u vakuumu, pod troskom, ili u atmosferi inertnih gasova) i docnije termičku obradu. U ove čelike mogu se svrstati čelici:



− sa određenim koeficijentom toplinskog širenja; − sa modulom elastičnosti koji ne zavisi od temperature; − magnetni; − nemagnetni; − sa velikom električnom otpornošću.

Dakle, u ovu klasu čelika svrstani su samo oni čelici, čije su fizičke osobine, u uvjetima primjene, najbitnije, dok mehaničke osobine imaju podređen značaj, dok su čelici, koji se ocjenjuju i po mehaničkim i po fizičko-hemijskim osobinama (npr. za rad pod opterećenjem, na povišenim temperaturama i dr.) svrstani u klasu II (konstrukcioni čelici za mašino - gradnju).

Potrebno je naglasiti da se ni jednom podjelom čelika ne mogu okarak- terisati sve njihove osobine. Tako se, npr. Na osnovu podjele prema namjeni ne mogu oštro razdvojiti klase čelika I, II i III, pošto se međusobno preklapaju u određenim oblastima primjene. Međutim, ova podjela čelika je najprihvatljivija sa stanovišta zavarivanja.

Radi preglednosti i daljeg sistematskog izlaganja materije o zavarivanju čelika daje se tabela 5.3.

Tabela 5.3. Podjela čelika I Čelik za noseće

konstrukcije (građevinski

čelik)

U GRAĐEVINARSTVU : - HALE - MOSTOVI - REZERVOARI I DRUGO


OBIČNOG I POVIŠENOG KVALITETA

II K

ON

STR

UK

CIO

NI Č

EL

IK Z

A

MA

ŠIN

OG

RA

DN

JU

II.1

ČELIK OPĆE

NAMJENE

ZA ELEMENTE U MAŠINOGRADNJI

ČIJA JE IZRADA VEZANA ZA ZAVARIVANJE


OBIČNOGI POVIŠENOG KVALITETA

ZA DIJELOVE U MAŠINOGRADNJI , ČIJA JE IZRADA VEZANA ZA POSEBNU TERMIČKU OBRADU

(KALJENJE , CEMENTACIJA I DR. )

SREDNJEUGLJIČNI I NISKO-

I SREDNJELEGIRANI , POVIŠENOG I VISOKOG KVALITETA

II.2 ČELIK POSEBN

E NAMJEN

E

U MAŠINOGRADNJI : - ZA IZRADU DIJELOVA U ŽELJEZNIČKOM TRANSPORTU , OPRUGA , DIJELOVA OTPORNIH NA HABANJE , DIJELOVA OTPORNIH NA KOROZIJU ; - ZA OBRADU NA AUTOMATIMA ; - ZA RAD NA POVIŠENIM TEMPERATURAMA POD OPTEREĆENJEM ; - KAO ČELIK VELIKE ČVRSTOĆE

NISKO-SREDNJE I VISOKO - UGLJIČNI , NISKO-SREDNJE

I VISOKO - LEGIRANI , POVIŠENOG I VISOKOG KVALITETA.

III ALATNI ČELIK

ZA : - REZNI ALAT - ALAT ZA OBRADU

DEFORMACIJOM U HLADNOG I TOPLOM STANJU ; - KOVAČKE KALUPE ; - MIJERNE INSTRUMENTE.

VISOKOUGLJIČNI , NISKO - I SREDNJELEGIRANI ,

POVIŠENOG I VISOKOG KVALITETA



IV ČELIK SA POSEBNIM

FIZIKALNIM SOBINAMA

U : - PRECIZNOJ MEHANICI ; - ELEKTROTEHNICI ; - MIJERNO - REGULACIONOJ TEHNICI.

VISOKOLEGIRANI , POVIŠENOG I VISOKOG KVALITETA ( ČESTO SA POSEBNIM ZAHTJEVIMA PRI LIVENJU )

5.1.3. Označavanje čelika

Postojećim standardom koji se primjenjuje propisano je označavanje čelika. Oznaka se sasto

− slovnog simbola “Č”, kojim se označava čelik; − osnovne oznake, koja se sastoji od četiri brojčana simbola, kojima se

označava vrsta čelika i − dopunske oznake, koja se sastoji od jednog ili dva brojčana simbola,

kojima se označava stanje čelika. Dijelovi oznake odvajaju se međusobno tačkama, a redaju se po prethodno

navedenom redoslijedu. Prema potrebi, slovni simbol “Č” i dopunska oznaka mogu Osnovna oznaka označava osobine čelika pomoću odgovarajućih brojčanih

simbola. Pri tome je izvršena podjela čelika na čelike sa negarantiranim sastavom i čelike sa garantiranim sastavom.

5.1.3.1. Čelici sa negarantiranim sastavom

U ovu grupu svrstavaju se ugljični čelici trgovačkog kvaliteta, ugljični čelici sa

propisanim mehaničkim osobinama, a bez propisanog hemijskog sastava, ili sa propisanom čistoćom u pogledu sadržaja S i P, ili, za određene svrhe, sa propisanim sadržajem nekog elementa.

Simbol na prvom mjestu, iza slova “Č”, je “O” i označava pripadnost čelika ovoj grupi.

Simbol na drugom mjestu označava grupu minimalne zatezne čvrstoće, i to kod toplovaljanih čelika u stanju isporuke, odnosno u normalizovanom stanju (ako je taj vid termičke obrade izveden), a kod hladno deformacionih čelika u stanju koje je prethodilo hladnoj deformaciji.

Minimalna zatezna čvrstoća (nosi naziv nazivna čvrstoća) gradirana je odgovarajućim simbolima, i to na slijedeći način:

− simbol o, bez propisanih osobina (trgovački kvalitet); − simbol 1, u iznosu od 324 . 106 Pa (33 dN/mm2

− simbol 2, (334 do 353) . 10);

6 Pa (34 do 36 dN/mm2

− simbol 3, (363 do 383) . 10);

6 Pa (37 do 39 dN/mm2

− simbol 4, (392 do 481) . 10);

6 Pa (40 do 49 dN/mm2

− simbol 5, (491 do 579) . 10);

6 Pa (50 do 59 dN/mm2

− simbol 6, (585 do 677) . 10);

6 Pa (60 do 69 dN/mm2

− simbol 7, u iznosu od 687 . 10);

6 Pa (70 dN/mm2

Simbol na trećem i četvrtom mjestu označava redni br ).

− od 0 do 44 su ugljični čelici sa negarantiranom čistoćom i čelici trgovač - kog kvaliteta;



− od 45 do 80 su ugljični čelici sa garantiranom čistoćom i (ili), za određene svrhe, sa garantiranim sadržajem pojedinih elemenata i

− od 90 do 99 je slobodno.

5.1.3.2. Čelici sa garantiranim sastavom U ovu grupu spadaju ugljični čelici sa propisanim hemijskim sastavom i legirani

čelici. Simbol na prvom mjestu, iza slova “Č”, može biti:

− Kod ugljičnih čelika, sa propisanim sastavom, taj simbol je 1; − Kod legiranih čelika on označava brojčani simbol najutjecajnijeg

legirajućeg elementa prema : Pod najutjecajnijim legirajućim elementom podrazumijeva se onaj eleme - nat čiji

srednji sadržaj u čeliku, izražen u procentima, pomnožen sa faktorom vrijednosti, daje najveću cifru. Kao drugi utjecajni legirajući elemenat smatra se onaj elemant, kod koga pomenuti proizvod daje prvu manju cifru u odnosu na prethodnu. Faktori vrijednosti pojedinih legirajućih eleemenata su:

Ako u višestruko legiranim čelicima više legirajućih elemenata ima isti proizvod

procentualnog srednjeg sadržaja i faktora vrijednosti, kao najutjecajniji će se smatrati onaj legirajući elemenat, koji ima najveći faktor vrijednosti, a kao drugi utjecajni elemenat onaj koji ima prvi manji faktor vrijednosti.

Simbol na drug

− kod ugljičnih čelika, sa propisanim sastavom, desetostruka vrijednost maksi - malnog procenta ugljika, zaokruženog na desetine. Ako je, npr. U čeliku 0,90 % i više ugljika, brojčani simbol na drugom mjestu je 9;

− kod legiranih čelika drugi po redu utjecajni legirajući elemenat; − kod jednostruko legiranih čelika on je uvijek 1. Simbol na trećem i četvrtom mjestu predstavlja redni br

− od 0 do 19 su ugljični čelici sa propisanim sastavom i legirani čelici koji nisu namijenjeni termičkoj obradi;

− od 20 do 29 su ugljični i legirani čelici za cementaciju; − od 30 do 39 su ugljični i legirani čelici za poboljšanje; − od 40 do 49 su ugljični i legirani čelici za alate; − od 50 do 59 su visokolegirani čelici za alate; − od 60 do 69 su čelici sa naročitim fizičkim osobinama; − od 70 do 79 su čelici hemijski postojani i vatrootporni; − od 80 do 89 je slobodno i



− od 90 do 99 su čelici za automate i ostali čelici. Dopunskom oznakom označava se stan

− Bez termičke obrade “0”; − žareno “1”; − žareno na najbolju obradivost “2”; − normalizovano “3”; − poboljšano “4”; − hladno deformisano “5”; − ljušteno, ili brušeno “6”; − podešeno po naročitim uputstvima “9”.

Dopunska oznaka odnosi se isključivo na proizvode (valjani i vučeni čelik) u isporučenom stanju. Ona se ne odnosi na gotove ugrađene dijelove, pa zato je ne treba upotrebljavati kao oznaku materijala na crtežima. Koristi se u standardima i drugoj dokumentaciji, koja se odnosi na porudžbine, odnosno isporuku.

Posebne oznake mogu se dodati u posebnim slučajevima, kao, npr. garan - tirana zavarljivost označava se slovom “V”.

Označavanje čelika bojom u skladištima definisano je posebnim dopunama standarda.

Tehnički uvjeti za izradu i isporuku konstrukcionih čelika definirani su također standardima.

5.2. NIKAL I NJEGOVE LEGURE

Osnovna znanja o osobinama i primjeni

Nikal i legure sa njegovom osnovom spadaju u grupu teških metala. U tabeli 5.4. date su najvažnije fizičke osobine čistog nikla i nekih metala.

Tabela 5.4.Fizikalne osobine određenih čistih metala

Metal Zapreminska

masa ( kg / m3

Tačka topljenja

( ) 0

Električna provodljivost

( S ) C )

Toplinska provodljivo

st ( W / m0

Modul elastičnosti

( Pa N / mmK ) 2 )

Nikal 8900 1450 11⋅10 69 6 2,1⋅1010 2,1⋅104

Željezo 7850 1540 10⋅10 63 6 2,1⋅1010

2,1⋅104

Aluminij 2700 660 36⋅10 210 6 0,7⋅1010 0,7⋅104

Magnezij 1800 650 22⋅10 170 6 0,45⋅1010

0,45⋅104

Bakar 8900 1080 57⋅10 378 6 1,2⋅1010

1,2⋅104 Dobre osobine u pogledu korozione otpornosti u mnogim agresivnim sredinama,

vatrootpornost, zatim veliki omski otpor, kao određene druge posebne osobine, omogućavaju dosta široku primjenu nikla i njegovih legura u hemijskoj i



elektrohemijskoj industriji, proizvodnji aparata i instrumenata i drugim granama industrije.

Nikal i njegove legure odlikuju se i visokom vatrostalnošću, što proširuje još više oblast njihove primjene.

U tehničkom niklu procentualni sadržaj nikla obično iznosi od 99,0% do 99,98%, dok se sadržaj primjesa ograničava na maksimum 2,4%.

Zatezna čvrstoća nikla i njegovih legura, u zavisnosti od toplinske obrade i stupnja deformacije, kreće se u granicama od 300⋅106 do 770⋅106 Pa (300 do 770 N/mm2

Slika 5.13. Promjena zatezne čvrstoće (σ

). U tehničkom niklu najveće čistoće sadržaj primjesa se kreće u granicama

hiljaditih dijelova svake od njih, da bi se u niklu najmanje čistoće dozvoljeni sadržaj ugljika povećao na 0,15 do 0,20 %, a silicija i bakra do 0,15 %. Sadržaj sumpora i fosfora u svim kvalitetima tehničkog nikla ograničava se na 0,001 % svakog od njih.

Na slici 5.13. prikazane su promjene vrijednosti zatezne čvrstoće i plas - tičnosti tehničkog nikla pri povećanju temperature, tj. pri zavarivanju.

m

Inkonel je legura nikla koja, pored nikla, sadrži 15 do 27% Cr i 6 do 10% Fe. Primjenjuje se za izradu dijelova povećane čvrstoće, a odlikuje se i visokom korozionom postojanošću. Za razliku od monel metala, inkonel je otporan i u

) i plastičnosti (δ) tehničkog nikla u zavisnosti od temperature

Relativno niske mehaničke osobine čistog i tehničkog nikla, kao i niska

vatrootpornost, ograničavaju njihovu primjenu u izradi konstrukcija. U konstruk - cijama su daleko širu primjenu dobile legure sa osnovom nikla, koje se mogu podijeliti na tri osnovne grupe:

- korozio - Koroziono postojane legure nikla upotrebljavaju se za izradu radnih komada,

koji su u procesu eksploatacije izloženi dejstvu agresivne sredine (npr. kiselina), pri normalnim i povišenim temperaturama. Naročito su poznate tako - zvane legure monel metal i inkonel.

Monel metal je legura nikla koja, pored nikla, sadrži 27 do 29% Cu, 2 do 3% Fe i 1,2 do 4,8 % Mn. Po strukturi, pripada legurama tipa čvrstih rastvora, jer bakar i nikal posjeduju neograničenu rastvorivost. Ova legura je otporna prema fluorovodoničnoj kiselini, rastvorima sumporne kiseline, morskoj vodi i koncen - trovanim bazama.



uvjetima oksidacione sredine i na visokim temperaturama (posjeduje vatrostal - nost).

Kao koroziono postojane, poznate su i legure sa molibdenom (u granicama 16 do 30 % Mo), pri čemu one istovremeno mogu da sadrže i dodatke volframa (do 5,5 %) i hroma (do 18%). Ove legure se odlikuju otpornošću prema solnoj kiselini na normalnoj i povišenim temperaturama (do blizu temperature ključanja), zavisno od tipa legure i to pri svim koncentracijama pomenute kiseline. Postoje legure ovog tipa koje su otporne i prema razblaženoj sumpornoj kiselini, i to na tempe - raturama do blizu temperature ključanja.

Legure nikla sa dodacima Mo, Cr i W mogu biti otporne i prema oksidi - rajućim sredinama, pri srednjim radnim temperaturama, kao i na vazduhu do oko 1090 0C.

Vatrootporne legure sa osnovom nikla dijele se na deformišuće (namijenjene za obradu deformacijom) i livene (namijenjene za obradu livenjem).

Većina vatrootpornih legura sadrži krom (u koncentracijama 13 do 16% ili 19 do 22%), a takođe i dodatke ti, Al, Mo, W, Nb, C, B, Zr i dr. Štetne primjese u ovim legurama su lahkotopljivi metali (Pb, Sn, Sb, Bi), koji smanjuju vatro - otpornost.

Vatrostalne legure (otporne prema hemijskoj koroziji površine u gasnoj sredini, odnosno u suhoj vazdušnoj atmosferi na povišenim temperaturama) sa osnovom nikla upotrebljavaju se za izradu grejnih elemenata peći, kao i za druge radne komade, koji su izloženi temperaturama 700 do 1100 0

4. Velika sklonost prema obrazovanju pora u šavovima, čiji je nastanak povezan sa promjenom rastvorljivosti kisika, vodika i azota pri prelazu metala iz tečnog u čvrsto stanje.U dodiru sa kisikom, na površini nikla se obrazuje oksidna naslaga nikla (NiO). Rastvorljivost ovog oksida u tečnom metalu je znatna, dok je njegova rastvorljivost u čvrstom metalu neznatna. Na temperaturi 1438

C.Povećanje vatro - stalnosti postiže se uvođenjem kroma u sastav nikla (u sadržaju 15 do 35 %). Dopunsko povećanje vatrostalnosti legura nikla, koje sadrže krom, postiže se uvo - đenjem aluminija i malih dodataka cerija, kalcija, torija i silicija u njihov sastav.

5.2.1. Zavarljivost nikla i njegovih legura

Pri zavarivanju nikla i njegovih legura nailazi se na slijed

0

Rastvorljivost vodika u niklu mijenja se sa promjenom temperature, što se vidi iz dijagrama na slici 5.14.

C oksid nikla obrazuje se niklom eutektikum, u kome se sadrži do 1,1% NiO.

Slika 5.14. Promjena rastvorljivosti vodika u niklu u zavisnosti od temperature



Pri prelazu nikla iz čvrstog u tečno stanje, rastvorljivost vodika u istom se skokovito povećava, tako da u blizini temperature topljenja (1450 0C) iznosi oko 41 cm3/100 g. Pri daljem povišenju temperature rastvorljivost vodonika u niklu se i dalje povećava.

Azot se, praktično, ne rastvara u čvrstom niklu do temperature topljenja. U tečnom niklu, naročito u uvjetima kada je električni luk uspostavljen, rastvor - ljivost azota može dostići znatne vrijednosti. Azot, dospijevajući u rastop, djelimično obrazuje nepostojane nitride tipa Ni3N, a djelimično gasovitu fazu, koja, takođe, potpomaže obrazovanje pora.

Prema tome, pri dospijevanju navedenih plinova u rastop, dolazi do odvi - janja određenih reakcija, a, kao rezultat tih reakcija, obrazuju se produkti koji, zbog nerastvorljivosti u čvrstom stanju, pogoduju obrazovanju pora. Drugim riječima, umanjenje rastvorljivosti vodika i azota pri prelazu metala iz tečnog u čvrsto stanje u procesu kristalizacije dovodi do obrazovanja pora, kao poslje - dica izdvajanja gasova, odnosno produkta njihovih reakcija.

Zahvaljujući velikoj rastvorljivosti vodika u tečnom niklu, pojava poroz - nosti uslijed vodika pri zavarivanju nikla visoke čistoće malo je vjerovatna, pošto se kritična koncentracija vodika (40 % i više) u stvarnim uvjetima zavarivanja teško dostiže.

Osnovni i najopasniji izvor pora pri zavarivanju nikla visoke čistoće je azot. Pri elektrolučnom zavarivanju u zaštiti argona, prisustvo azota u zoni zavari - vanja iznad 0,05 % već dovodi do poroznosti u metalu šava.

Pri zavarivanju tehničkog nikla, koji sadrži ugljik u granicama 0,15 do 0,20%, obrazovanje pora u metalu šava je povezano sa reakcijom:

NiO + C = Ni + CO gdje je ugljenmonoksid uzrok poroznosti. Pri zavarivanju nikla sa visokim sadržajem kisika u atmosferi koja sadrži

vodik, može da dođe do reakcije: NiO + 2H = Ni + H2O

Reakcija dezoksidacije Ni naročito je moguća pri hlađenju, kada se NiO, zbog umanjene rastvorljivosti, izdvaja u obliku samostalne faze. Povezano sa tim, reakcije dezoksidacije mogu biti uzročnik, ne samo pojava pora, već i krtosti nikla, zbog obrazovanja mikropukotina, do kojih dolazi uslijed obrazovnih gasovitih produkata (H2

5. Velika je sklonost metala prema obrazovanju toplih (kristalizacionih) pukotina. Ta sklonost povezana je za obrazovanje, po granicama krupnih zrna, lahko - topljivih eutektikuma Ni

O). Pošto pri zavarivanju nije isključena oksidacija nikla, to je za dobijanje

šavova sa dovoljno visokim osobinama, oslobođenih od pora i pukotina, neophodno obezbijediti dobru zaštitu zone zavarivanja od atmosferskog vazduha, kao i dobru dezoksidaciju i prečišćavanje rastopa. Taj problem može biti djelimično riješen primjenom odgovarajućih topitelja, koji su sposobni da vezuju okside nikla, ili uvođenjem u rastop jakih dezoksidanata (aluminij, titan i dr.). Kao efikasna mjera za spriječavanje poroznosti primjenjuje se zavariva - nje kratkim električnim lukom (do 1,5 mm), čime se jako smanjuje usisavanje gasova iz atmosfere.

3S + Ni (Tt = 645 0C) i Ni3P + Ni (Tt = 880 0C), koji imaju transkristalnu strukturu. Zbog toga je neophodno ograničavati sadržaj



sumpora i fosfora na 0,001 % svakog od njih i to u svim kvalitetima tehničkog nikla, a takođe i u dodatnim metalima za njegovo zavarivanje. Dodavanjem određenih elemenata (do 5% Mn i do 0,1% Mo), moguće je vezati sumpor u jedinjenja sa višom temperaturom topljenja.

Rast kristalnog zrna moguće je ograničiti primjenom režima zavarivanja sa malom pogonskom energijom, kao i uvođenje, u malim količinama, u metal šava odgovarajućih modifikatora (titan, aluminij, molibden), koji usitnjavaju kristalnu strukturu.

Pri zavarivanju legura nikla najveću opasnost predstavlja obrazovanje kristalizacionih pukotina, pri kristalizaciji metala šava. Osnovni način spre - čavanja njihove pojave jeste primjena dodatnih metala visoke čistoće, oslobo - đenih od primjesa, koje imaju sposobnost likviranja i obrazovanja lahko - topljivih uključaka pri kristalizaciji.

6. Manja tečljivost metala rastopa. Pri zavarivanju nikla i njegovih legura metal rastopa manje je tečljiv nego pri zavarivanju čelika, a dubina uvarivanja je manja, pa je zato neophodno povećati kut otvora žlijeba.

5.2.2. Određene specifičnosti tehnologije zavarivanja nikla i njegovih legura

U pogledu tehnologije zavarivanja, nikal i njegove legure su najbliži

visokolegirani austenitnim koroziono postojanim čelicima. Pri izboru postupka i razradi tehnologije zavarivanja, pored vođenja računa o sprečavanju greša osobinama (koroziono postojane, vatro - otporne i vatrostalne), šavovi imaju iste ili slične osobine sa osnovnim metalom. Međutim, nije uvijek neophodno da se dobije isti sastav metala šava i osnovnog

metala, a često je to i neizvodljivo, jer se ne mogu da izbjegnu pore, pukotine i druge greške pri istom sastavu metala šava i osnovnog metala. Zato se radi izbjegavanja tih grešaka metalurškog karaktera i na taj način dobijanja potrebnih osobina zavarenog spoja, pribjegava u tim slučajevima kompleksnom legiranju. Shodno tome, često je potrebno za jednu istu leguru nikla primjeniti različitu tehnologiju zavarivanja.

Elektrolučno zavarivanje topljivom žičanom elektrodom u zaštiti gasa obično se primjenjuje za debljine iznad 4 (5) mm, i to u prvom redu pri zavarivanju legura nikal - krom.

Kao zaštitni gas pretežno se koristi argon (čistoće 99,99%). Potrebno je imati na umu da je neophodno obezbijediti sigurnu zaštitu rastopa od zraka, kako sa strane izvođenja zavarivanja, tako i sa suprotne (korijene) strane. Pri nedovolj - noj zaštiti postoji mogućnost stvaranja pora. Sa korijene strane može se upotrijebiti i odgovarajući topitelj.

Posebnu pažnju treba posvetiti čistoći površina osnovnog i dodatnog metala. Površine u zoni zavarivanja moraju biti metalno sjajne. U tom smislu je potrebno odstraniti sve nečistoće prije zavarivanja, pomoću četke od krom - nikal čelika i odgovarajućeg rastopa (npr. Aceton i špiritus). Oksidisani slojevi na površini radnog komada mogu se odstraniti 10 %-nom sonom ili sumpornom kise - linom, nakon čega se vrši temeljno ispiranje vodom. Oksidisani slojevi, nastali kao posljedica zavarivanja, mogu se odstraniti pjeskarenjem ili brušenjem pomoću neželjeznih brusnih ploča.

Poslije polaganja svakog zavara, a prije nanošenja slijedećeg, treba odstra - niti trosku i okside sa njihove površine.



Legure na bazi nikla imaju manju provodljivost topline od čistog nikla, što olakšava zavarivanje.

Zbog velikog električnog otpora, izvučeni dio žičane elektrode je za 1,5 do 2 puta manji nego pri zavarivanju niskolegiranom čeličnom žičanom elektrodom.

Izvođenjem zavara malog poprečnog presjeka sprečava se rast kristalnog zrna. Primjenom pulsirajućeg (MIGp) i kratkospojenog (MIGk) prenosa dodat - nog

metala uspješno se zavaruju i metali manje debljine, analogno zavarivanju visokolegiranih krom-nikal čelika. Pomenuti oblici prenosa dodatnog metala se primjenjuju i pri plakiranju čelika legurama na bazi nikla (vatrootpornim i otpor - nim prema koroziji).

U tabeli 5.5. dati su okvirni podaci za MIGs zavarivanje nikla i njegovih legura, a u tabeli Tabela 5.5. Okvirni podaci za MIGs zavarivanja nikla i njegovih legura

Osnovni metal

Vrsta zavarivan

ja



Kapacitet topljenja

NiCu30Fe

Spajanje 130 2 Spajanje 160 1801 3 Spajanje 195 240 4 Nanošenje 235 310 5 Nanošenje 380 6

NiCr15Fe

Spajanje 140 2 Spajanje 170 170 3 1

Spajanje 200 250 4 Nanošenje 240 320 5 Nanošenje 300 375 6

Tabela 5.6. Okvirni podaci za MIGk zavarivanje nikla i njegovih legura (sučeljeni spoj:V-žlijeb,ugao otvora žlijeba 750,otvor grla žlijeba 1,5 mm,visina grla žlijeba 0,8 mm)

Osnovni metal

Prečnik žičane

eletrode ( 0,88 mm )

Napon praznog

hoda ( V )

Napon električnog

luka ( V )

Jačina struje ( A )

Broj kratkih spojeva

( 1 / sec )

Brzina dovođenja

žičane elektrode ( m / min )

Kapacitet topljenja

( kg / h )

LC-Ni99 S-NiTi4 32 21 190 140 10,5 2,9 NiCu30Fe S-NiCu32Ti 28 20 170 150 12 3,3 NiCr15Fe S-NiCr20 32 20 110 15 6,3 1,8

5.3. ALUMINIJ I NJEGOVE LEGURE

Osobine aluminija i njegovih legura

Aluminij i njegove legure spadaju u grupu lahkih metala. Oni su pogodni za

izradu različitih konstrukcija zahvaljujući maloj zapreminskoj masi, koja je približno tri puta manja u odnosu na čelik, relativno velikoj čvrstoći, dobroj obradljivosti i sposobnosti deformiranja, povišenoj postojanosti na niskim temperaturama, kao i korozionoj postojanosti prema vazduhu i različitim oksidirajućim sredinama. Zahvaljujući nabrojanim osobinama, poluproizvodi od

1 Tehnički moguće, ali nije uobičajeno



aluminija i nje - govih legura (limovi, profili, cijevi) se primjenjuju u mnogim granama industrije (mašinogradnja, brodogradnja, avioindustrija, građevinarstvo, saobraćaj, hemijska industrija, industrija prehrambenih proizvoda, elektrotehnika itd.).

Visoka koroziona postojanost i dobra toplinska i električna provodljivost čine legure aluminija u mnogim slučajevima teško zamjenljivim konstrukcionim metalom. U tabeli 5.4. date su određene fizičke osobine čistog aluminija.

Čist aluminij ima malu zateznu čvrstoću, pa o tome treba voditi računa. Zatezna čvrstoća (σm) čistog aluminija je manja od 100 ⋅ 106 Pa (100 N/mm2

Kao teoretska granica, koja dijeli legure u dvije navedene grupe, služi oblast rastvorljivosti eleme Slika 5.15.

). Kao čist, aluminij se uglavnom koristi za izradu proizvoda od kojih se zahtijeva koroziona otpornost prema odgovarajućoj sredini, u prvom redu prema vazduhu i različitim oksidirajućim sredinama.

Aluminij i njegove legure posjeduju nisku temperaturu topljenja i malu vrijednost modula elastičnosti, pa o tome treba voditi računa pri izradi određenih radnih komada.

Legure aluminja mogu se podijeliti u dvije os - deformišuće, namijenjene za preradu plastičnom deformacijom i - livene, namijenjene za izradu polufabri

Podjela legura aluminija prema binarnom sistemu: 1. - Deformišuće legure, 2. - Livene legure,

I - legure koje ne ojačavaju termički, II - legure koje termički ojačavaju. Deformišuće legure imaju koncentraciju legirajućih elemanta ispod granice

rastvorljivosti i one se pri zagrijavanju mogu prevesti u jednofazno stanje, koje obezbjeđuje njihovu visoku sposobnost deformiranja. Upotrebljavaju se za izradu proizvoda plastičnom deformacijom.

Livene legure sadrže legirajuće elemente iznad granice rastvorljivosti i imaju u strukturi eutektik Većina elemenata, kojima se vrši legiranje aluminija, ima ograničenu

rastvorljivost u istom. Rastvorljivost legirajućih elemenata u aluminiju mijenja se sa promjenom temperature. To daje legurama aluminija sposobnost da ojačavaju odgovarajućom toplinskom obradom (toplinsko taloženje). U suštini, jačanje top - linskim taloženjem treba da je svojstveno za sve legure koje imaju koncentraciju legirajućih elemenata iznad granice rastvorljivosti istih na sobnoj temperaturi.

Shodno prethodnom, legure aluminij



− legure koje se ojačavaju toplinskom obradom, gdje spadaju čvrsti rastvori sa koncentracijom legirajućih elemenata ispod granice rastvorljivosti elemenata na sobnoj temperaturi i

− legure koje se ojačavaju toplinskom obradom, u koje spadaju legure sa koncentracijom legirajućih elemenata iznad granice rastvorljivosti istih na sobnoj temperaturi.

Između livenih i deformišućih legura, koje imaju sposobnost ojačavanja, mogu se nalaziti legure sa malim efektom ojačavanja.

Prisustvo legirajućih elemenata u sastavu legure iznad granice njihove rastvorljivosti na sobnoj temperaturi treba posmatrati kao neophodan, ali ne i siguran uslov sposobnosti legura da ojačavaju toplinskim taloženjem.

U deformišuće legure koje se toplinski ne ojačavaju spadaju uglavnom tehnički aluminij i njegove legure sa manganom i magnezijom, a u legure koje se toplinski ojačavaju spadaju legure aluminija sa cinkom, bakrom i drugim elemen - tima.

U livene legure spadaju legure sa značajnim sadržajem silicija ili bakra. Zavarene konstrukcije uglavnom se izvode od deformišućih legura alumi - nija,

koje se toplinski ne ojačavaju, a koje se koriste u deformaciono ojačanom stanju (hladnom plastičnom deformacijom). Posljednjih godina se za izradu zava - renih konstrukcija primjenjuju sve više deformišuće legure aluminija koje se ojačavaju toplinskom obradom.

Pri zavarivanju legura aluminija koje se toplinski ne ojačavaju, utjecaj toplinskog ciklusa zavarivanja ne dovodi do bitnog smanjenja čvrstoće u zoni utjecaja topline. Međutim, pri zavarivanju legura koje toplinski ojačavaju veliku teškoću izaziva smanjenje čvrstoće metala u zoni utjecaja tiopline, do čega dolazi usljed izdvajanja intermetalida pod dejstvom toplinskog ciklusa zavarivanja, tako da čvrstoća u pomenutoj zoni iznosi 60 do 70 % čvrstoće osnovnog metala. Primjenom potpune toplinske obrade (kaljenja i vještačko toplinsko taloženje) poslije zavarivanja uspostavljaju se polazne osobine metala u toplinski neojačanom stanju, dok je efekat prirodnog taloženja (starenja) nedovoljan za potpuno uspostavljanje polaznih osobina metala u zoni utjecaja topline.

Livene legure aluminija nalaze ograničenu primjenu u izradi zavarenih konstrukcija. Zavarivanje na ovim legurama prvenstveno se primjenjuje u cilju otklanjanja grešaka na odlivcima, a može se primjenjivati i pri spajanju lijevanih dijelova sa dijelovima od deformišućih legura.

Kao stalne primjese u tehničkom aluminiju i njegovim legurama pojavljuju se željezo i silicijum.

U tabeli 5.7. dati su kvaliteti aluminija i njegovih legura prema DIN 1725.

Tabela 5.7. Aluminij i njegove legure za izradu zavarenih konstrukcija (prema DIN 1725)

Oznaka Legirajući elementi ( % ) Mn Mg Si Zn Cu

Čisti aluminij Al 99,8 Al 99,5



Legura tipa Al - Mn ( neojačavajuća ) AlMn 0,9 do 1,4

Legura tipa Al - Mg ( neojačavajuća ) AlMg3 2,6 do 3,0 AlMg5 4,3 do 5,5

Legura tipa Al - Mg - Mn ( neojačavajuća ) AlMgMn 0,5 do 1,1 1,6 do 2,5 AlMg4,5Mn 0,6 do 1,0 4,0 do 4,9

Legura tipa Al - Mg - Si ( ojačavajuća ) AlMgSi0,5 0,4 do 0,8 0,35 do 0,70 AlMgSi1 0,4 do 1,0 0,6 do 1,2 0,75 do 1,3

Legura tipa Al - Zn Mg ( ojačavajuća , bez dodatka bakra ) AlZnMg1 0,1 do 0,5 1,0 do 1,4 4,5 do 5,0

Livene legure tipa : G-AlSi , G-AlSiMg , G-AlSiCu G-AlSi12 0 do 0,5 11 do 13,5 G-AlSi10Mg 0 do 0,5 0,2 do 0,4 9 do 11 G-AlSi6Cu4 0,3 do 0,6 0,1 do 0,3 5 do 7 3 do 5

5.3.1. Zavarljivost aluminija i njegovih legura

Osnovne teškoće do kojih dolazi pri zavarivanju aluminija i njegovih legura 3. Prisustvo i mogućnost brzog obrazovanja teškotopljivog oksida Al2O3 (tačka

topljenja Tt = 2050 0

Pri zavarivanju jednosmjernom strujom obrnutog (+) polariteta struja ima “čisteće” djelovanje za svo vrijeme zavarivanja, dok pri zavarivanju naizmje - ničnom strujom to djelovanje uglavnom ima u poluperiodu kada se radni komad pojavljuje kao katoda (-). Ova sposobnost raspršujućeg djelovanja katode koristi se pri elektrolučnom zavarivanju topljivom žičanom elektrodom u zaštiti gasa. Najvjerovatniji mehanizam djelovanja električne struje sastoji se u tome što pokretni joni, dospijevajući velikom brzinom do površine metala, udaraju u istu, razaraju oksidnu naslagu i tako, kao posljedica tog katodnog raspršavanja, dolazi do odstranjenja naslage. Djelovanjem struje može biti razorena samo relativno tanka oksidna naslaga, dok se naslaga veće debljine mora odstraniti mehaničkim ili hemijskim putem neposredno prije zavarivanja.

C) na očišćenoj površini. Pošto je zapreminska masa dotičnog oksida veća od zapreminske mase aluminija, on otežava rastapanje stranica žlijeba i potpomaže prljanje metala šava česticama oksidne naslage u obliku nemetalnih uključaka. Zato je neophodno očistiti stranice žlijeba i ostale površine u zoni zavarivanja od oksidne srame. Takođe je potrebno očistiti i površinu dodatnog metala od oksidne naslage. Čišćenje površina od oksidne naslage izvodi se mehaničkim putem i nagrizanjem. Razaranje oksidne naslage pri elektrolučnom zavarivanju postiže se djelovanjem struje pri održavanju električnog luka ili utjecajem komponenata iz elektrode na oksid aluminija.

4. Veliko i dosta naglo smanjenje čvrstoće na visokim temperaturama pri zavari - vanju može da dovede do odvajanja čvrstog metala na nerastopljenom dijelu stranice žlijeba pod dejstvom težine rastopa.



Promjene određenih mehaničkih osobina čistog aluminija u zavisnosti od

temperature date su na slici 5.16. Slika 5.16.

Promjena zatezne čvrstoće (σm

5. Velika sklonost prema pojavi deformacija pri zavarivanju uslijed velike vrije - dnosti koeficijenta toplinskog širenja i malog modula elastičnosti aluminija. Da bi se deformacije smanjile na što manju vrijednost, potrebno je izvršiti stezanje limova, koji se zavaruju, mehanički (stegama), pneumatski ili hidraulično i specijalnim alatima. Zbog visoke toplinske provodljivosti aluminija, naprave i pribore za stezanje treba izrađivati od metala koji imaju malu toplinsku provodljivost (visokolegirani nehrđajući čelici).

), relativnog izduženja ( δ ) i suženja poprečnog presjeka ( ψ ) aluminija u zavisnosti od temperature

Kada dođe do odvajanja određenog dijela čvrstog metala sa stranica žlije - ba,

rastopljeni aluminij, pošto posjeduje visoku tečljivost, može da isteče kroz otvor grla žlijeba. Dimenzije rastopa teško je kontrolisati, jer aluminij, praktič - no, ne mijenja boju pri zagrijavanju. Pri jednoslojnom zavarivanju, uz korišće - nje velike pogonske energije, neophodno je, radi sprečavanja progorijevanja ili odvajanja dijelova čvrstog metala sa stranica žlijeba, primjenjivati odgovara - juće podložne ploče od nehrđajućeg čelika, a ponekad i od grafita.

6. Obrazovanje pora u metalu šava. Za razliku od čelika, pore u aluminiju prven - stveno se raspoređuju u unutrašnjosti šava, a mogu se sresti i u blizini njegove granice stapanja sa osnovnim metalom. Kao osnovni uzročnik pojave pora u šavovima na aluminiju smatra se vodik, čija je rastvorljivost u aluminiju u zavisnosti od temperature prikazana na slici 5.17.



Slika 5.17. Promjena rastvorljivosti vodika u aluminiju u zavisnosti od temperature

Vodik, rastvoren u tečnom metalu (rastopu) obavezno se, u količini 90 do 95%

svoje zapremine, izdvaja iz metala u momentu njegovog očvršćivanja. To izdvajanje otežava oksidna naslaga i mali koeficijent difuzije vodika u alumi - niju, pa vodik ostaje zarobljen u očvrsnutom metalu, što dovodi do poroznosti.

Najveću sklonost prema obrazovanju pora posjeduju legure tipa Al - Mg. Borba protiv poroznosti pri zavarivanju aluminija i njegovih legura je

prvostepeni zadatak, koji stoji pred tehnolozima. Potrebno je prije zavarivanja odstraniti oksidnu naslagu i masnoće, kako sa stranica žlijeba, tako i sa ostalih površina osnovnog metala u zoni zavarivanja. Odstranjivanje masnoće vrši se ispiranjem toplom vodom ili organskim rastvorima. Pri odmašćivanju pomoću trihloretilena dolazi do stvaranja fozgena u procesu zavarivanja pod utjecajem infracrvenih zraka iz električnog luka. O tome se posebno mora viditi računa, jer fozgen može biti vrlo opasan za izvršioca.

Pri zavarivanju limova većih debljina primjenjuje se predgrijavanje pri čemu je važno održavati temperaturu predgrijavanja u toku zavarivanja u intervalu od 100 do 400 0C (zavisno od tipa legure). Predgrijavanjem se usporava kristalizacija metala rastopa i potpomaže brže odstranjivanje gasova (u prvom redu vodika), te se tako umanjuje poroznost.

Pri zavarivanju debelih limova od legura tipa Al - Mg dovoljno je predgrijavanje u intervalu od 100 do 150 0

6. Obrazovanje toplih (kristalizacionih) i hladnih pukotina. Metal šava je sklon prema obrazovanju pukotina zbog nastajanja grube stubičaste strukture i izdvajanja lahkotopljivih eutektikuma po granicama zrna, a i zbog pojave znatnih napona zatezanja nastalih uslijed skupljanja aluminija.

C. Mehaničke osobine zavarenog spoja pri primjeni predgrijavanja su vrlo niske.

Azot se, praktično, ne rastvara u aluminiju, a gradi nitrid aluminija, koji prelazi u trosku, te zato ne izaziva pojavu poroznosti pri zavarivanju.

Obrazovanje kristalizacionih pukotina pri zavarivanju tehnički čistog aluminija i legura Al - Mn zavisi od sadržaja željeza i silicija u metalu šava. Povećanje sadržaja silicija do 0,6 % dovodi do smanjenja otpornosti prema obrazovanju kristalizacionih pukotina u šavu. Lahkotopljivi eutektikum (Tt = 577 0C) dovodi do pojave pukotina. Pri sadržaju silicija iznad 5%, obrazovani eutektikum “zaliječuje” pukotine. Pri uobičajenom sadržaju silicija (0,2 do 0,5%), u metal šava se uvodi željezo (Fe>Si), što dovodi do vezivanja silicija u stabilno jedinjenje Fe-Si-Al, koje ulazi u sastav teškotopljivog peritektikuma, pa se na taj način povećava otpornost metala šava prema obrazovanju kristali -



zacionih pukotina. Sadržaj silicija od 0,1% već je dovoljan za obrazovanje pukotina u šavu, a sadržaj željeza od 0,1 % je nedovoljan za njihovo spreča - vanje. Zbog toga aluminij i legure Al - Mn, sa sadržajem željeza i silicija po 0,05 do 0,15 %, imaju malu otpornost prema obrazovanju kristalizacionih pukotina. Među legurama aluminija najmanju otpornost prema obrazovanju kristalizacionih pukotina posjeduje legura AlMg2. Magnezij ovdje ima sličnu ulogu kao željezo u prethodnom slučaju. Veću otpornost prema obrazovanju pomenutih pukotina posjeduju legure AlMg5 i AlMg6 koje sadrže 5 do 6 % Mg.

Predgrijavanje (naročito lokalno) nekih legura aluminija do temperature 200 (250)0C, za razliku od čelika, ne potpomaže sprečavanje kristalizacionih pukotina, pošto dovodi do znatnog povećanja dimenzija kristala, napona i pojave deformacije.

Dopunske teškoće pri zavarivanju legura aluminija dolaze uslijed obrazo - vanja hladnih pukotina, koje se pojavljuju u zavarenim spojevima zakaljivih (Al-Zn-Mg) legura. Dotične pukotine se pojavljuju usporeno, kroz određeni period vremena poslije zavarivanja i dovode do usporenog razaranja zavarenog spoja. Kao sredstvo za sprečavanje nastajanja hladnih pukotina primjenjuje se predgrijavanje u intervalu temperatura 200 do 250 0

7. Zbog velike toplinske provodljivosti aluminija, pri predgrijavanju treba kori - stiti jake izvore topline sa koncentrisanim zagrijavanjem. U nizu slučajeva je dovoljno zagrijavanje samo početnih dijelova žlijeba do temperature od 120 do 150

C. Pri tome dolazi do blagovremenog djelimičnog izdvajanja intermetalidnih faza iz čvrstog rastvora i do koagulacije, smanjuju se naponi zavarivanja i strukturni naponi, tj. eliminišu se uzročnici nastanka hladnih pukotina. Pokazatelji mehaničke čvr - stoće se pri tome neznatno smanjuju.

0

5.3.2. Struktura i osobine zavarenog spoja

Pri kristalizaciji metala rastopa od čistog aluminija obrazuje se gruba kristalna

struktura (stubičasti kristali). Poprečne dimenzije kristala su mnogo veće nego pri zavarivanju čelika, pa se zato lakše obrazuju pukotine. Finija struktura metala šava, pri zavarivanju aluminija i njegovih legura, dobija se modificiranjem i magnetnim miješanjem metala rastopa u procesu zavarivanja. Kao modifikatori mogu se koristiti titan, cirkonij, bor i drugi elementi.

Bez obzira na postupak zavarivanja, pri zavarivanju aluminija i njegovih legura dolazi do velikih brzina hlađenja metala šava i usmjerenog odvođenja topline. To dovodi do dendritske likvacije i pojave eutektikuma u strukturi metala šava, a time i do smanjenja plastičnosti i čvrstoće istog, kao i pojave pukotina. Pravilnim izborom postupka zavarivanja, dodatnog metala i režima zavarivanja može se regulirati količina obrazovanog eutektikuma u metalu šava, a time se omogućuje dobijanje zavarenog spoja zadovoljavajućih osobina, bez pukotina.

Pri zavarivanju aluminija i njegovih legura u zoni utjecaja topline dolazi do rekristalizacije, prvenstveno u pravcu valjanja.

C prije zavarivanja. Međutim, u određenim slučajevima je potrebno pred - grijavanje čitavom dužinom, kao i održavanje temperature u predviđenim granicama u toku zavarivanja.

U zoni utjecaja topline čistog aluminijuma i legura koje toplinski ne ojača - vaju dolazi do rasta zrna i smanjenja čvrstoće (ako je radni komad prethodno bio



hladno deformiran) izazvanog otpuštanjem. Intezitet rasta i smanjenja čvrstoće pri zavarivanju zavise od postupka i režima zavarivanja, kao i od temperature predgrijavanja. Praksa pokazuje da, pri zavarivanju aluminija, metal šava ima približno istu čvrstoću kao osnovni metal u odžarenom stanju, a ona se kreće u granicama (60 do 80) 106 Pa (60 do 80 N/mm2).

Pri zavarivanju legura Al - Mn, koje toplinski ne ojačavaju, makrostruktura metala šava je finija. Još finija je struktura metala šava legura Al - Mg, koje takođe toplinski ne ojačavaju. Vrlo fina je i struktura metala šava legura koje sadrže veliku količinu legirajućih elemenata, što je povezano sa utjecajem tih legirajućih dodataka.

Metal šava legure Al - Mn ima približno iste mehaničke osobine kao i osnovni metal.

Pri zavarivanju legura Al - Mg teško je dobiti metal šava mehaničkih osobina jednakih sa osobinama osnovnog metala. Naime, zavarljivost ovih legura, iako one pripadaju legurama koje toplinski ne ojačavaju, pogoršava se zbog njiho - ve povećane osjetljivosti prema toplinskom ciklusu zavarivanja i sklonosti dijela osnovnog metala neposredno uz šav prema ispupčavanju (bubrenju), što dovodi do određenih grešaka, praktično do prekida u šavu. Kao osnovni uzrok pomenute pojave bubrenja smatra se reakcija magnezija sa vodenom parom, kao i nagomila - vanje vodika u mikrošupljinama, čime se povećava pritisak. Sa povećanjem sadržaja magnezija usložava se tehnologija zavarivanja legura Al - Mg.

Smanjenje čvrstoće metala šava legura Al - Mg zapaža se naročito pri usporenom hlađenju u procesu kristalizacije, što je povezano sa osiromašenjem čvrstog rastvora u pogledu sadržaja magnezija.

Pri zavarivanju legura aluminija koje toplinski ojačavaju teško je dobiti zavareni spoj iste čvrstoće kao osnovni metal, ako se ne primjeni docnija toplinska obrada (kaljenje i otpuštanje). Do smanjenja čvrstoće dolazi u zoni utjecaja topline uslijed izdvajanja intermetalida, pa čvrstoća zavarenog spoja iznosi svega 60 do 70 % čvrstoće osnovnog metala.

Kao najopasnija pojava, koja dovodi do jakog smanjenja osobina čvrstoće i obrazovanja pukotina, smatra se otapanje granica zrna. Tečni međuslojevi između zrna smanjuju mehaničke osobine metala u zagrijanom stanju, a, uz to, često dovode i do pojave pukotina. U dijelovima zavarenog spoja u kojima je došlo do otapanja granica zrna često dolazi do krtog razaranja.

U pogledu otpornosti prema koroziji u atmosferskim uvjetima, zavareni spojevi aluminija i njegovih legura neznatno zaostaju za osnovnim metalom. Međutim, drugačije je ponašanje spojeva u različitim agresivnim sredinama. Npr. zavareni spoj, izveden na aluminiju visoke čistoće, ima u azotnoj kiselini približno jednaku korozionu otpornost sa osnovnim metalom. Sa povećanjem sadržaja željeza i silicija koroziona otpornost metala šava opada u većem stupnju nego osnovnog metala. Koroziona otpornost metala šava koji sadrži primjese može se povećati plastičnom obradom u toplom stanju (kao posljedica žarenja zavarenog spoja).

Izučavanje strukturnih promjena do kojih dolazi u zoni utjecaja topline industrijskih legura aluminija, kompleksno legiranih, povezano je sa određenim teškoćama usljed prisustva velikih količina faza složenog sastava.

U preradi i zavarivanju aluminija i njegovih legura treba se do detalja upoznati sa svim specifičnostima osnovnog metala. Dodatni metal se mora prilago- diti osnovnom metalu da bi se, uz zadovoljenje i ostalih uvjeta, zavarivanje moglo uspješno izvesti.



5.3.3. Određene specifičnosti tehnologije zavarivanja aluminija i njegovih legura Aluminij i njegove legure uglavnom se zavaruju postupcima elektrolučnog zavarivanja u za Navode se slijedeći :

− Pri upotrebi argona ili smješe argona i helija nije potrebna primjena praška (topitelja). To znatno pojednostavljuje operacije poslije zavarivanja, posebno za spojeve kod kojih postoji opasnost od korozije, koja može početi ako se ne uklone ostaci topitelja.Osim toga, pri zavarivanju varijantom MIG sa žičanom elektrodom na plus (+) polu, zahvaljujući katodnom raspršivanju (bombar - dovanju površine metala pozitivnim inima i izlasku elektrona iz obrazovane toplinske mrlje), dolazi do razaranja oksidne naslage, a pod zaštitom argona oksid aluminija se ne može ponovo obrazovati;

− zahvaljujući koncentrisanom dovođenju topline pri zaštiti pomoću argona, omogućuju se velike brzine zavarivanja;

− primjenom, zavarivanja u zaštiti argona (MIG varijanta) uža je zona utjecaja topline čime se omogućuje, i pored dvostruko veće vrijednosti koeficijenta toplinskog širenja aluminija u odnosu na čelik, svođenje deformacija na mini - mum;

− uža zona utjecaja topline dovodi do smanjenja oblasti u kojima, kao posljedica zagrijavanja, dolazi do smanjenja čvrstoće metala;

− kontrola rastopa za vrijeme zavarivanja pruža zavarivaču veliku sigurnost pri radu tako da on, poslije relativno kraćeg vremena obuke, može izvoditi kvali - tetne šavove.

Postupak zavarivanja metalnom žičanom elektrodom u zaštiti inertnog gasa (varijanta MIG) primjenjuje se uglavnom za debljine metala iznad 3 mm. Pri zavarivanju aluminija i njegovih legura debljina ispod 3 mm električni luk nije stabilan, naročito pri prenosu u mlazu na manjim vrijednostima jačine struje. Varijantom MIG može se zavarivati poluautomatski i automatski. Najpogodniji je horizontalni položaj zavarivanja, mada se zavarivanje može izvoditi vrlo uspješno i u prinudnim položajima.

Zavarivanje žičanim elektrodama prečnika ispod 1,2 (1,5) mm je otežano zbog nedovoljne čvrstoće aluminija. Stabilnost električnog luka, pri primjeni žičanih elektroda prethodno navedenih u mlazu, pri jačinama struje iznad 130 A, čime se omogućuje zavarivanje metala debljina iznad 4 (5) mm. Uobičajeni pre - čnik žičane elektrode je 1,6 mm. Žičanim elektrodama ovog prečnika omogućuje se dobro zavarivanje i u prinudnim položajima.

U normalnim uvjetima rada, za čiste aluminijske limove debljine do 10 mm i legure aluminija debljine do 15 mm ne treba primjenjivati predgrijavanje. Ovo ne treba uzeti kao pravilo jer primjena predgrijavanja zavisi još od niza utjecajnih faktora (toplinska provodljivost, spoljna temperatura, uvjeti zavarivanja i dr.).

Zavarivanje varijantom MIG sa prenosom dodatnog metala u mlazu (MIGs) primjenjuje se na metale veće debljine. Preimućstvo ovog oblika prenosa dodatnog metala ogleda se u boljem miješanju rastopa, pa je manja vjerovatnoća dobijanja krupnih nemetalnih (oksidnih) uključaka u metalu šava. Kao problem se pojavljuje mogućnost obrazovanja pora. Međutim, poroznost u manjoj mjeri, najčešće, nije opasna, pošto se u, najgorem, slučaju može odraziti jedino na malo smanjenje mehaničkih osobina. Pri automatskom (MIGs) zavarivanju primjenjuju se podmetači sa odgovarajućim žljebom za oblikovanje korijene strane šava.



Jedna od teškoća pri primjeni prenosa dodatnog metala u mlazu je otežano upravljanje procesom topljenja žičane elektrode, kao i teže obezbjeđenje sigurne zaštite zone zavarivanja od utjecaja vazduha.

Primjenom pulsirajućeg prenosa dodatnog metala (MIGp) proširuje se oblast primjene zavarivanj prinudnim položajima. Na slici 5.18. prikazana su područja struja zavarivanja pri primjeni pulsi - rajućeg (MIGp) i preno

Slika 5.18. Područja opterećenja raznih prečnika žičane elektrode pri MIGs i MIGp

zavarivanju aluminija U tabeli 5.8. dati su okvirni podaci za MIGs zavarivanje aluminija i njegovu legura

Tabela 5.8.