Zone zavara za čelik s 0,2 % C

Čelik s 0,2 % C zavaren taljenjem sastoji se os ZT i ZUT-a. ZUT teorijski obuhvaća područje OM, u kojem se OM nije talio za zavarivanja, ali u kojem je došlo do promjene mikrostrukture, mehaničkih, korozijskih ili drugih svojstava zbog unošenja topline zavarivanjem, lemljenjem ili termičkim rezanjem.

Izrazite promjene strukture kod dovoljno sporog hlađenja za nelegirani čelik su iznad A1 (723 oC) pa ćemo na makro izbrusku lako uočiti ZUT (temperature između Ac1 i tališta). Ova zona će dati drugačiji refleks svjetlosti u odnosu na osnovni materijal, jer je u toj zoni došlo do promjene veličine zrna, usmjerenja zrna i strukture.

Za one poboljšane čelike, koji se kale i popuštaju pri relativno niskim temperaturama, napr. na 300 oC, bilo kakovo grijanje iznad 300 oC će uzrokovati bitne promjene svojstava OM (dobit će se niža čvrstoću), pa će ZUT obuhvatiti zonu zagrijavanu na temperature 300 do 1500 oC. Širina ZUT ovisi o toplinskom inputu i iznosi najčešće 2 - 8 mm.

Za Al - legure, koje se toplinski obrađuju na 120 oC, ZUT će obuhvatiti područje, koje je bilo zagrijavano na temperature 120 oC do tališta.

tii113.jpg (52740 bytes)                  

Utjecaj unosa topline na strukturu zavarenog spoja za ugljični čelik s 0.2 % C

Zone unutar ZUT zavarenog spoja nelegiranog niskougljičnog feritno-perlitnog čelika s 0.2 % C

Zona taljenja obuhvaća točke zavarenog spoja, koje su bile iznad likvidus linije, tj. koje su pri zavarivanju bile potpuno rastaljene. Za ohlađivanja dolazi do kristalizacije, koja će dati strukturu različitu od strukture osnovnog materijala. Pojava klica i rast kristala ovisit će o pothlađivanju rastaljenog metala. Obično kristali rastu okomito na rubove spoja, a sukobljavaju se u sredini, stvarajući zonu segregacija nečistoća s nižim talištem, koja može uzrokovati vruće pukotine ili biti slabo mjesto pri opterećenju.

Djelomično rastaljena zona (između solidusa i likvidusa). Bogata je legirnim elementima i nečistoćama, jer imaju nižu točku taljenja, a sadrži i plinove. Lokalno povišen sadržaj nečistoća kod brzog hlađenja nakon zavarivanja ne može se difuzijom izjednačiti sa okolinom, pa ostaje mreža otvrdnutih segregiranih nečistoća (submikroskopskih dimenzija).

Pri ovako visokim temperaturama dolazi i do taljenja ostalih nemetalnih faza (sulfidi, fosfidi, oksidi), čime metalna veza slabi i omogućuje pojavu vrućih pukotina.

Zona pregrijanja se nalazi ispod solidus točke i dosta iznad Ac3 (1100-1150 oC). Dolazi do porasta - pogrubljenja zrna austenita, koja pri brzom hlađenju prelaze u Widmannstaettenovu strukturu, koja je nešto tvrđa i krhkija nego što je poželjno. U slučaju da se pojavi Widmannstaettenova struktura u čeliku, tada možemo ponovo postići fino zrno i žilavu feritno-perlitnu strukturu normalizacijom, tj. zagrijavanjem nešto iznad Ac3 i relativno sporim hlađenjem. Na taj način usitnjavamo zrna pri zagrijavanju, pri prelasku granica transformacija (Ac1 i Ac3) i ponovo pri hlađenju (Ar3 i Ar1).

Zona normalizacije se nalazi nešto iznad Ac3. Struktura je finozrnata, normalizirana i obično posjeduje bolja svojstva od osnovnog materijala. Ovdje je zagrijavanjem došlo do pune transformacije ferita i perlita u austenit, a za hlađenja dolazi ponovno do transformacije u perlit i ferit stvaranjem klica i njihovim rastom u vrlo finu feritno-perlitnu strukturu.

Ako je čelik zakaljiv, tada u ovoj zoni kao i u ostalim zonama zagrijanim iznad Ac3 može doći do zakaljivanja, a u krajnjem slučaju do 100% strukture martenzita, što ovisi o brzini hlađenja i sastavu čelika. Izbjegavanje zakaljivanja se može postići podgrijavanjem ili unošenjem veće količine topline zavarivanjem (većim inputom). Kod višeslojnog zavarivanja svaki naredni sloj odžari-normalizira, bar djelomično sloj ispod, što povoljno djeluje na nosivost spoja. Zavari u jednom prolazu imaju relativno grubu kristalnu strukturu.

Zona djelomične prekristalizacije

U područjima gdje je maksimalna temperatura bila između Ac1 i Ac3 (preko 723 oC i preko 875 oC za čelik s 0,2% C) dolazi do strukturnih promjena. Originalna strukturu osnovnog materijala je feritno-perlitna. Feritna zrna su označena s F, a perlitna s P.

Kada se metal zagrijava iznad Ac3, perlitna zrna se pretvaraju u austenitna, sa istim sadržajem ugljika, kako je to prikazano na doljnjoj slici b, gdje je austenit označen slovom A.

Daljnjim povišenjem temperature ometamo stanje ravnoteže između ferita i austenita. Austenitna zrna rastu na račun feritnih, a sadržaj ugljika u austenitu se smanjuje. Isprekidana linija na doljnjoj slici b prikazuje način na koji austenitna zrna rastu na račun feritnih. U ovoj zoni gdje maksimalna temperatura nije dosegla temperaturu A3, samo dio ferita se transformira. Nastala zrna austenita su veća nego početna perlitna zrna.

tii115.jpg (47461 bytes)

Za vrijeme ohlađivanja ponovo se ometa ravnoteža između ferita i austenita. Kao rezultat toga dolazi do stvaranja klica ferita unutar austenita, ponajviše na granicama zrna, ali također i unutar austenitnih zrna (slika c). Kako se nastavlja sa hlađenjem, ove klice nastavljaju rastom, pa ostali austenit postaje zbog toga obogaćen ugljikom. Kada temperatura padne na Ar1 temperaturu, preostali austenit se pretvara u perlit pojavom klica perlita i daljim porastom zrna perlita.

tii116.jpg (48182 bytes)                    

Struktura zone djelomične prekristalizacije: a i b - pri zagrijavanju c i d - pri sporom hlađenju

Kao rezultat kompletnog temperaturnog ciklusa zagrijavanja i dovoljno sporog hlađenja originalna feritna zrna su se smanjila, a originalna perlitna zrna su zamijenjena novim kolonijama, koje su veće, a sastoje se od malih feritnih i perlitnih zrna, (slika d). Ovakova heterogena struktura sastavljena od jako sitnih i relativno krupnih zrna nema dobra mehanička svojstva. Kod većih brzina hlađenja u ovoj zoni se mogu javiti vrlo tvrda mjesta vrlo visoke tvrdoće (napr. 847 HV), kako je objašnjeno na sljedećoj slici koja prikazuje strukturne promjene koje se događaju u ovom dijelu prelazne zone, ako se ona brzo hladi. Razmatran je obični ugljični čelik s niskim sadržajem ugljika, x% C.

Struktura zone djelomične prekristalizacije pri brzom hlađenju. Nastala austenitna zrna s koncentracijom “y” oko 0,7 %C, ako se brzo hlade, pretvorit će se u martenzit, iako je sadržaj C vrlo nizak, oko 0.15 %.

Pri sobnoj temperaturi, prije zavarivanja prisutna je uglavnom feritna struktura s malo perlita. Kada se zagrijava na Ac1 perlit se transformira u austenit istog sadržaja ugljika, kakav ima perlit (0,8%).

Tamo gdje je maksimalna temperatura nešto iznad Ac1 temperature, samo mali dio ferita se transformira i sadržaj ugljika u austenitu biva visok. Sadržaj ugljika (y) austenita može se očitavati direktno iz ravnotežnog dijagrama za različite maksimalne temperature.

Na prethodnoj slici prikazan je nastali austenit, koji ima tendenciju da se širi uzduž granica zrna ferita. Austenit s velikim sadržajem ugljika ima nižu kritičnu brzinu hlađenja od austenita s nižim sadržajem ugljika, koji se nalazi u zoni gdje je došlo do potpune transformacije austenita. Ako se brzo hladi, tada austenit između feritnih zrna može biti pretvoren u martenzit, a može se naći i rasprostranjen uzduž granica zrna kao mreža visokougljičnog martenzita između feritnih zrna.

Ovaj martenzit, zbog visokog sadržaja ugljika, bit će veoma tvrd i krhak, a stoga će i struktura u cijelosti biti krhka, čak i onda ako je ukupni sadržaj ugljika u čeliku veoma nizak.

Područja ispod A1- obuhvaćaju zonu rekristalizacije i zonu plavog loma. Osnovna feritno-perlitna struktura se ovdje ne mijenja, no dolazi do pojava izlučivanja nekih faza ili popuštanja kod poboljšanih ili zakaljenih čelika. Također je moguća koagulacija nekih faza uključujući i perlit.

Ako je područje zavarenog spoja bilo prethodno hladno deformirano, može doći u ovoj zoni do rekristalizacije s pojavom grubog zrna.

Ispod 400 oC može doći do starenja, ako je prethodno bilo hladnih deformacija, a i pri samom zavarivanju dolazi do plastičnih deformacija, pa starenje može uzrokovati krhkost. Kod čelika sklonih starenju, u zoni 200 - 400 oC doći će do znatnog pada udarne žilavosti.

Povratak na početnu stranicu - povratak na popis pitanja iz Tehnologije zavarivanja !!