Naziv predmeta: MATERIJALI I NJIHOVO

PONAANJE PRI ZAVARIVANJU

Broj dok.: 2.16. Datum:oktobar, 2004.

Autor:

Visokokolegirani (nerajui) elici

Revizija: 0

PROGRAM

Uticaj legirajuih elemenata, Sistemi Fe-Cr, Fe- Ni, Fe- Cr- Ni, Gamageni i alfageni elementi, Uticaj azota, Cr i Ni ekvivalent, eflerov i Delongov dijagram, Merenje sadraja ferita, Pregled nerajuih elika (potpuno austenitni, feritno- austenitni, feritni, martenzitni, dupleks, hemisjki otporni, otproni na puzanje, vatrootporni), Tvrdoa na 475 0C,Primenljivi postupci zavarivanja, Vrste dodatnih materijala, Zatitni gasovi, Zavarivanje nerajuih elika, Detalji oblika spoja, Termika obrada, Termika obrada posle zavarivanja, Standardi.

Naziv dokumenta:

Visokokolegirani (nerajui) elici

Broj dok.: 2.16.

Strana 1 od 23

Visokolegiranim ~elicimaVisokolegiranim ~elicimaVisokolegiranim ~elicimaVisokolegiranim ~elicima smatraju se oni koji sadr`e vi{e od 45% Fe, s tim da zbir svih legiraju}ih elemenata nije manji od 10% i da sadr`aj jednog od legiraju}ih elemenata nije manji od 8%. Osnovni legiraju}i element u ner|aju}im ~elicima je hrom (Cr). On ~elicima daje otpornost prema koroziji i oksidaciji na povi{enim temperaturama. Za{titnu ulogu hroma u ~eliku posti`e se stvaranjem tanke opne oksida hroma, kada sadr`aj hroma pre|e 12%. Ovaj sloj oksida hroma deluje tako da pasivizira povr{inu i spre~ava dalje koroziono delovanje. ^elik sa sadr`ajem hroma preko 12% ima dobru otpornost prema sredinama koje deluju oskidiraju}e (npr. azotna kiselina). U redukuju}im sredinama otpornost ovog ~elika je lo{a zbog redukcije oksida hroma. Dodavanjem legiraju}ih elemenata (npr. Ni, Mo) pove}ava se otpornost prema redukuju}im sredinama.

KLASIFIKACIJA NER\AJU]IH ^ELIKA

Ner|aju}i ~elici mogu da se svrstaju u dve osnovne grupe: ner|aju}e ~elike na bazi hroma i ner|aju}e ~elike na bazi hroma i nikla. Na sl. 1 i 2 prikazan je okvirni sadr`aj legiraju}ih elemenata u ove dve gupe ~elika i njihove najva`nije osobine. U zavisnosti od osnovnih svojstava i namene, ner|aju}i ~elici se dele u tri grupe: aaaa) Grupa ~elika otpornih prema koroziji) Grupa ~elika otpornih prema koroziji) Grupa ~elika otpornih prema koroziji) Grupa ~elika otpornih prema koroziji U ovu grupu spadaju ~elici otporni prema elektrohemijskoj koroziji. Otporni su prema pojavi korozije pod optere}enjem, kao i prema pojavi ta~kaste korozije. Namenjeni su za ugradnju u konstrukcije koje rade u vla`noj atmosferi, morskoj vodi, slanim rastvorima, kiselinama i sli~nim sredinama. b) Grupa vatrootpornih ~elika za rad bez spoljnih optere}enjab) Grupa vatrootpornih ~elika za rad bez spoljnih optere}enjab) Grupa vatrootpornih ~elika za rad bez spoljnih optere}enjab) Grupa vatrootpornih ~elika za rad bez spoljnih optere}enja U ovu grupu spadaju ~elici otporni prema stvaranju kovarine i korozije u suvoj atmosferi pri tempe-raturama iznad 550oC, bez optere}enja ili sa neznatnim optere}enjem. c) Grupa vatrootpornih ~elika za rad pod optere}enjemc) Grupa vatrootpornih ~elika za rad pod optere}enjemc) Grupa vatrootpornih ~elika za rad pod optere}enjemc) Grupa vatrootpornih ~elika za rad pod optere}enjem U ovu grupu spadaju ~elici koji pod optere}enjem na visokim temperaturama imaju zadovoljavaju}u ot-pornost u garantovanom vremenu eksploatacije, uklju~uju}i dobru otpornost na koroziju. U posebnu grupu spadaju ner|aju}i ~elici namenjeni za rad na niskim temepraturama pod optere-}enjem. Namenjeni su za izradu posuda za te~ne gasove ~ije temperature dosti`u i do -269oC. ^ak i na tako niskim temperaturama ovi ~elici zadr`avaju plasti~nost i `ilavost. Druga podela ner|aju}ih ~elika mo`e se bude prema strukturi. Naime pri zagrevanju ovih ~elika u temperaturnom intervalu od 600-1150 oC i hla|enju na vazduhu, zavisno od hemijskog sastava dobijaju se strukture prema kojima se ovi ~elici dela na feritne, martenzitne i austenitne. Kod pojedinih ~elika postoji me{avina struktura, pa je podela slede}a: 1. Martenzitni ~elici, kod kojih je struktura martenzit (sl. 3a) 2. Martenzitno-feritni ~elici, kod kojih je osnovna struktura martenzit uz prisustvo ferita >5% (sl. 3b) 3. Feritni ~elici, kod kojih je osnovna struktura ferit (sl. 3c) i nema transformacije ferita u austenit. 4. Austenitno-martenzitni ~elici, kod kojih je me{ana struktura austenita i martenzita (sl. 3d). 5. Austenitno-feritni ~elici, kod kojih je me{ana struktura austenita i ferita (sl. 3e), sa >10% ferita. 6. Austenitni ~elici kod kojih je ~ista austenitna struktura (sl 3f).

U tab. 1 prikazan je okvirni hemijski sastav ner|aju}ih ~elika prema ovoj klasifikaciji i njihove me-hani~ke osobine.

Tabela 1. Klasifikacija ner|aju}ih ~elika prema strukturi, sadr`aj legiraju}ih elemenata i okvirne mehani~ke osobine Hemijski sastav (%) Mehani~ke osobine

C Cr Ni Mo Struktura Vrsta ~elika Rp02(N/mm2

) Rm (N/mm2) A5 (%)

0.2-1.0 12-17 0-4 0-2 Martenzitna Hromni 800 1000 15 01.-0.2 12-17 0-4 0-2 Martenzitno-feritna ~elici 600 800 20

0.05-0.25 14-30 - 0-2 Feritna Hrom- nikal 350 600 25 0.02-0.1 18-30 4-10 0-2 Feritno-austenitna ~elici 500 700 30 0.02-0.12 12-30 8-25 0-5 Austenitna 250 600 60

Za procenu strukture ner|aju}ih ~elika koristi se [eflerov dijagram, sl. 4, koji relativizira uticaj pojedinih legiraju}ih elemenata i primesa na strukturu ner|aju}ih ~elika preko tzv. Creq i Nieq.

Naziv dokumenta:

Visokokolegirani (nerajui) elici

Broj dok.: 2.16.

Strana 2 od 23

Slika 1. Feritni i martenzitni ~elici Slika 2. Austenitni ~elici

Naziv dokumenta:

Visokokolegirani (nerajui) elici

Broj dok.: 2.16.

Strana 3 od 23

a) b) c)

d) e) f)

Slika 3. Primeri tipi~nih struktura ner|aju}ih ~elika: martenzitna (a), martenzitno-feritna (b), feritna (c), austenitno-feritna (d), austenitno-martenzitna, ostvarena hladnom deformacijom (e) i austenitna (f)

Naziv dokumenta:

Visokokolegirani (nerajui) elici

Broj dok.: 2.16.

Strana 4 od 23

Slika 4. [eflrov dijagram

UTICAJ LEGIRAJU]IH EUTICAJ LEGIRAJU]IH EUTICAJ LEGIRAJU]IH EUTICAJ LEGIRAJU]IH ELEMENLEMENLEMENLEMENATA I PRIMESAATA I PRIMESAATA I PRIMESAATA I PRIMESA

Elementi koji pored `eleza i ugljenika ulaze u sastav ~elika mogu da se podele u ~etiri grupe: A - Legiraju}i elementiLegiraju}i elementiLegiraju}i elementiLegiraju}i elementi (Ni, Mo, V i dr.) koji se namerno uvode u ~elik u odre|enim koli~inama radi pro-

mene strukture i osobina ~elika; B - Uobi~Uobi~Uobi~Uobi~ajene primeseajene primeseajene primeseajene primese, hemijske elemente koji se dodaju radi dezoksidacije ~elika (Mn, Si, Al) ili

elemente kojih se nije mogu}e osloboditi pri masovnoj proizvodnji ~elika (P, S); C - Skrivene primeseSkrivene primeseSkrivene primeseSkrivene primese (O, N, H), koje se nalaze u ~eliku u manjim koli~inama; D - SluSluSluSlu~ajne primese~ajne primese~ajne primese~ajne primese (Pb, Zn, Sn i dr.), unete u ~elik u toku tehnolo{kog procesa proizvodnje ~elika. Prema delovanju na {irinu oblasti -~vrstog rastvora legiraju}i elementi se dele na dve grupe: Prvu grupu obrazuju elementi koi pro{irujupro{irujupro{irujupro{iruju oblast -~vstog rastvora. To su tzv. gamagenigamagenigamagenigamageni elementi ili austenizatoriaustenizatoriaustenizatoriaustenizatori. Ovu grupu obrazuju elementi koji sa `elezom obrazuju neograni~eno ~vrste rastvore (Ni, Mn, Co) i oni koji su ograni~eno rastvorljivi u `elezu (C, N, Cu, Zn). Drugu grupu ~ine elementi koji su`avaju oblast -~vrstog rastvora uz jednovremeno {irenje oblasti -~vrstog rastvora. To su alfageni alfageni alfageni alfageni elementi ili feritizatoriferitizatoriferitizatoriferitizatori. U ovoj grupi su Si, Ti, V, Cr, Mo, W. Dodavanjem legiraju}ih elemenata posti`e se promena svojstava austenitna i ferita, razvijanje nove faze, promena mo}i difuzije, razvijanje nove faze, pomeranje granica alotropskih i drugih modifikacija (u pogledu temperature i koncentracije), promena prokaljivosti i fizi~kih svojstava ~elika. HromHromHromHrom (Cr) ima, od ta~ke topljenja, 1849oC, do sobne temperature, kubnu prostornu centriranu re{etku, koja je izomorfna sa re{etkom -`eleza. Zbog toga se legiranjem `eleza hromom su`ava oblast -~vrstih rastvora, koja se prostire od 1400 do 900oC, sl. 5. Hrom je, bez prisustva ugljenika, neograni~eno rastvorljiv u feritu i delimi~no u austenitu. U odnosu na kiseonik hrom ima ne{to ve}i afinitet nego `elezo i obrazuje oksid Cr2O3 sa visokom tem-peraturom topljenja. Hrom ima ve}i afinitet prema ugljeniku od `eleza i pojavljuje se kao element sklon obrazovanju karbida (vidi "obrazovanje karbida"). Karbidi hroma su termi~ki postojaniji od karbida `eleza, a rastvaraju se usporenije i pri vi{im temperaturama. Zbog toga je za homogenizaciju ~vrstih rastvora Fe-Cr-C potrebna vi{a temperatura i du`e zadr`avanje. Prisustvo hroma pobolj{ava vatrootpornost legura. Ovo se manifestuje kako pobolj{anjem ~vrsto}e i ot-pornosti prema puzanju tako i pove}anjem otpornosti prema oksidaciji na povi{enim temperaturama, kao {to je na sl. 6 prikazano u slu~aju legure `elezo-hrom sa 0,7 do 1,0% Si i 0,15%C, `arene 120 h.

Naziv dokumenta:

Visokokolegirani (nerajui) elici

Broj dok.: 2.16.

Strana 5 od 23

Sadr`aj hroma uti~e na mehani~ke osobine legura na slede}i na~in:

Slika 5. Dijagram stanja sistema `elezo-hrom Slika 6. Uticaj hroma na otpornost prema oksidaciji

- sa sadr`ajem do 5% Cr pove}ava se zatezna ~vrsto}a i ~vrsto}a popu{tanja (napon na granici te~enja), a iznad tog sadr`aja ove karakteristi~ne veli~ine se smenjuju;

- sa sadr`ajem od 6% Cr pove}ava se sposobnost deformisanja, daljim pove}anjem do 12% Cr se smanjuje, a iznad tog sadr`aja uticaj na izdu`enje je neznatan;

- sadr`aj Cr iznad 1% smanjuje udarnu `ilavost.

Obrazovanje sigmaObrazovanje sigmaObrazovanje sigmaObrazovanje sigma----fazefazefazefaze

Sigma (-faza je naziv za tvrdo i krto intermetalno jedinjenje, koje se formira u ner|aju}im ~elicima na-kon du`eg ili kra}eg zadr`avanja na temperaturama ispod 900 oC i izdvaja po granicama zrna (sl. 7). Izdva-janje -faze smanjuje `ilavost i pove}ava krtost ~elika, {to prikazuje sl. 8 za ~elike hemijskog sastava iz tab. 1.

Tabela 1. Hemijski sastav ~elika sa sl. 8.

^elik C Si Mn Cr Ni Mo Nb/Ta N A B C D

0.07 0.09 0.10 0.12

0.49 0.64 0.50 0.78

1.61 0.61 0.41 1.41

13.98 16.08 17.84 18.46

9.53 11.95 9.50 12.13

0.05 0.05 0.05 0.17

1.06 1.12 1.22 1.33

0.044 0.060 0.038 0.053

Naziv dokumenta:

Visokokolegirani (nerajui) elici

Broj dok.: 2.16.

Strana 6 od 23

a) b)

Slika 7. Izdvajanje -faze po granicama austenitnog zrna pri `arenju 100 ~asova na temperaturi 850 oC ~elika: a) 18Cr-13Ni-3Mo-0,02C b) 18-Cr-13Ni-3Mo-0,01C-0,1N

Slika 8. Udarna `ilavost austenitnih CrNi ~elika stabilizo-

vanih Nb nakon `arenja na 650 oC

Slika 9. Dijagram stanja sistema `elezo-hrom u oblasti -faze

Na proces obrazovanja faze najvi{e uti~u: - sadr`aj alfagenih elemenata (Si, Sl, Ti, Mo, Nb), koji doprinose obrazovanju -faze oboga}ene hromom, i olak{avaju transformaciju -faze usled prisustva ferita;

- sadr`aj elemenata koji obrazuju karbide (Ti, Nb, Zr) zbog pomeranja ta~ke na dijagramu ka strani sa pove}anom koncentracijom hroma, {to olak{ava obrazovanje -faze;

- zagrevanje u oblasti kriti~nih temepratura; - intenzivna hladna deformacija metala (olak{ava izlu~ivanje -faze). Najpouzdanije sredstvo za spre~avanje obrazovanja -faze je pove}anje koncentracije nikla (npr. kori{}enje ~elika tipa 23Cr-28Ni umesto ~elika 25Cr-20Ni). Uticaj ugljenikaUticaj ugljenikaUticaj ugljenikaUticaj ugljenika

UgljenikUgljenikUgljenikUgljenik (C) je gamageni element jer {iri -oblast (sl. 10). Ugljenik sa ostalim sastojcima legure Fe-Cr stvara vi{e slo`enih karbida (vidi "obrazovanje karbida). Od posebnog zna~aja je me|usobno dejstvo ugljenika i hroma. Dijagram na sl. 11 omogu}ava pra}enje izmena linije transformacije dijagrama stanja sistema `elezo-ugljenik u zavisnosti od sadr`aja hroma. Ta~ke G i N se pribli`avaju, zatvaraju}i -oblasti i

Naziv dokumenta:

Visokokolegirani (nerajui) elici

Broj dok.: 2.16.

Strana 7 od 23

{ire}i oblasti i +. Iznad sadr`aja 6% Cr pojavljuje se trofazna oblast ++karbidi, koja se {iri sa pove}anjem sadr`aja hroma.

Slika 10. Uticaj ugljenika na {irenje -petlje

Slika 11. Uticaj hroma na pomeranje linija dijagrama stanja sistema `elezo-ugljenik (Cm-karbid)

Izlu~ivanje karbidaIzlu~ivanje karbidaIzlu~ivanje karbidaIzlu~ivanje karbida

Ugljenik se u austenitnim i feritno-austenitnim ~elicima, na temperaturi iznad SE linije, nalazi u ~vrstom rastvoru. Lagano hla|enje ~elika dovodi do izlu~ivaja ugljenika u obliku karbida hroma, koji se razme{ta po granicama zrna. Shematski prikaz izlu~ivanja karbida hroma dat je na sl. 12. Rentgenskom analizom izlu~enih karbida u ~eliku tipa 18Cr-10Ni utvr|eno je da oni odgovaraju obliku Cr23C6. Na sl. 13 prikazan je snimak, granice zrna i okoline dobijen elektronskom mikroskopijom.

Naziv dokumenta:

Visokokolegirani (nerajui) elici

Broj dok.: 2.16.

Strana 8 od 23

a) 18Cr-8Ni ~elik ga{en sa 1150 oC

b) karbidi hroma du` grani-ce zrna nakon zagrevanja u intervalu 500-900 oC c) detalj: izlu~eni karbidi hroma i hromom osiroma{ena zona

Slika 12. Shematski prikaz izlu~ivanja krbida hroma

a) uve}anje x1200 b) x40000 tamna mesta: karbidi Cr; svetla mesta: oblast osiroma{ena Cr

Slika 13. Struktura austenitnog ~elika sa 0,09%C `arenog 1 ~as na temperaturi 680 oC

Pri brzom hla|enju (ga{enju) austenitnih ~elika raspadanje ~vrstog rastvora ne uspeva da se potpuno zavr{i, pa se austenit fiksira u prezasi}enom i nestabilnom stanju. Koli~ina izdvojenih karbida zavisi, pored brzine hla|enja, i od sadr`aja ugljenika u ~eliku. Pri sadr`aju ispod 0,03% (granica rastvorljivost ugljenika u austenitu) sav ugljenik ostaje u ~vrstom rastvoru. Ako se ~elik u kome nije do{lo do izdvajanja karbida zagreva, pokretljivost i difuziona sposobnost ato-ma se pove}ava, a time i sposobnost ponovnog uspostavljanja ravnote`e u ~vrstom rastvoru, u kome je aus-tenit fiksiran u prezasi}enom i nestabilnom stanju. To dovodi do obrazovanja i izdvajanja karbida iz preza-si}enog ~vrstog rastvora. Taj proces po~inje na temperaturama 400-500 oC, ali se, usled male brzine difuzije, proces obrazovanja karbida odvija lagano. S obzirom da je brzina difuzije hroma manja od brzine difuzije ugljenika, hrom koji se vezuje u karbid, izvla~i se iz najbli`ih oblasti do granice zrna, {to dovodi do lokalnog osiroma{enja rastvora hromom (sl. 14). Debljina osiroma{enog sloja je nekoliko stotina m, a sadr`aj hroma mo`e da opadne i do 7 do 8%, {to bitno smanjuje otpornost ~elika prema koroziji. U kontaktu sa korozionim mediumom dolazi do pojave me|ukristalne korozije i razaranja po granicama zrna (sl. 15). Sa porastom temperatura (600-700 oC) brzina difuzije je ve}a pa je i obrazovanja karbida br`e a karbidi su krupniji. Na temperaturama 800-900oC karbidi se veoma brzo obrazuju i koaguliraju. Zahvaljuju}i velikoj brzini difuzije, hrom koji se vezuje u karbide, izvla~i se iz dubljih oblasti zrna, pa je i lokalno osiro-ma{enje hromom ne{to manje. Osim karbida hroma Cr23C6, koji je karakteristi~an za austenitne i austenitno-feritne ~elike, u ner|aju-}im ~elicima mogu da se obrazuju i karbidi hroma tipa Cr7C3, Cr3C2. Koji }e se tip karbida hroma obrazovati, odnosno koji }e tip karbida preovla|ivati zavisi prvenstveno od sadr`aja hroma i ugljenika.

Naziv dokumenta:

Visokokolegirani (nerajui) elici

Broj dok.: 2.16.

Strana 9 od 23

Slika 14. Shematski prikaz promene sadr`aja hroma pri

izlu~ivanju karbida Cr23C6

Slika 15. Primer me|ukristalne korozije

~elika 18Cr-10Ni

Izlu~ivanje karbida hroma iz ~vrstog rastvora zavisi od hemijskog sastava, vremena zadr`avanja u oblasti kriti~nih temperatura, prisustva stabiliziraju}ih elemenata i strukture. Uticaj hemijUticaj hemijUticaj hemijUticaj hemijskog sastavaskog sastavaskog sastavaskog sastava Ugljenik ima dominantan uticaj na obrzovanje karbida, pa se zato te`i da se njegov sadr`aj odr`i ispod granice rastvorljivosti. Za ~elike tipa 18Cr-8Ni sadr`aj C treba da bude ispod 0,02%. Za procese prerade ~elika koji se odlikuju velikim brzinama (npr. zavarivanje) maksimalna koncentracija mo`e da bude do 0,05% (sl. 16).

Sadr`aj hroma mora biti uskla|en sa sadr`ajem ugljenika. Za austentine ~elike sa pribli`no 10% Ni odnos izme|u najvi{e koncentracije hroma i ugljenika dat je izrazom Cr80C+16,8. To zna~i da kod ~elika sa 18%Cr koncentracija ugljenika mo`e da bude najvi{e 0,015%. Dodavanjem molibdena usporava se proces obrazovanja karbida hroma. Ukoliko se u ~elik tipa 18Cr-10Ni uvede 3%Mo mo`e da se dopusti i sadr`aj ugljenika do 0,036%. Nikal pospe{uje obrazovanje karbida hroma pa sa pove}anjem njegove koncentracije treba smanjivati sadr`aj ugljenika (npr. najvi{i sadr`aj od 0,05%C je u ~eliku 18Cr-8Ni a u ~eliku 18Cr-12Ni mora se smanjiti na najvi{e 0,021%. Sa pove}anjem vremena zadr`avanja ~elika u kriti~nom temperaturnom intervalu ova oblast se neznat-no pomera ka strani ni`ih temperatura (vidi sl. 16). Za prakti~nu primenu neophodno je poznavanje brzine obrazovanja karbida hroma u intervalu kriti~nih temperatura.

Slika 16. Shematski prikaz oblasti obrazovanja karbida i pojave me|ukristalne korozije kod ~elika tipa 19Cr-10Ni

Naziv dokumenta:

Visokokolegirani (nerajui) elici

Broj dok.: 2.16.

Strana 10 od 23

Uvo|enjem u austenitne ner|aju}e ~elike stabiliziraju}ih elemenata (npr. Ti, Nb), koji imaju ve}i afinitet prema ugljeniku od hroma, dovodi do izlu~ivanja njihovih karbida (TiC, NbC) i zaustavljanje procesa obrazovanja karbida hroma i osiroma{enja hromom ~vrstog rastvora na granicama zrna. Za sadr`aj stabiliziraju}ih lemenata va`e odnosi: Ti/C=4; Nb/C=8. Prisustvo -ferita sni`ava kriti~nu temperaturu. Tako npr. kod ~elika sa 0,05%C, koji ima kriti~nu tem-peraturu 750oC, pri pove}avanju koli~ine ferita u njegovoj strukturi do 25%, kriti~na temperatura se sni`ava na 500oC.

Uticaj ostalih legiraju}ih elemenata i primesaUticaj ostalih legiraju}ih elemenata i primesaUticaj ostalih legiraju}ih elemenata i primesaUticaj ostalih legiraju}ih elemenata i primesa

Nikal Nikal Nikal Nikal je gamageni element, tj. stabilizator faze, delimi~no rastvorljiv u feritu i neograni~eno u austenitu, ne gradi karbide i naglo spu{ta ta~ke A1 i A3 i delimi~no Ms i Mf. Uvo|enjem nikla u sistem `elezo-hrom pri 18%Cr {iri se -oblast i nestaje oblast i +karbidi, pomeraju}i eutektoidnu ta~ku nani`e (sl. 17).

Slika 17. Uticaj nikla na {irenje -oblasti kod ~elika sa 18% Cr

^elici sa 18%Cr i 2%Ni osetljivi su prema kaljenju. Pripadaju ~elicima martenzitnog tipa, isto kao ~elici koji sadr`e 13%Cr, ali bez nikla. ^elici sa 4%Ni posle kaljenja sa 900oC imaju martenzitnu strukturu. Ukoliko temperatura kaljenja nije manja od 1100 oC ovi ~elici imaju austenitnu strukturu, koja je nestabilna i razla`e se pri otpu{tanju. Po~ev od koncentracije nikla iznad 5% oblasti i +karbidi nestaju, a pri sadr`aju 8% Ni prakti~no se zapa`a samo struktura austenita i +karbidi. ^elici sa 18%Cr i 8%Ni, koji su najrasprostranjeniji, pri niskim sadr`ajima ugljenika imaju stabilnu jedno-faznu austenitnu strukturu. Austenitna oblast se {iri sa povi{enjem sadr`aja nikla, naro~ito na temperaturama iznad 1000 oC, {to svedo~i o pove}anju rastvorljivosti ugljenika sa povi{enjem koncentracije nikla (npr. iznad temperature do 1200oC rastorljivost ugljenika je 0,4% za ~elike 18Cr-8Ni a 0,6% za ~elike 18Cr-12Ni). Nikal pobolj{ava osobine ~elika na niskim temperaturama. Ova osobina se povezuje s ~injenicom da kriti~na ta~ka martenzitne transformacije opada sa pove}anjem sadr`aja nikla. Nikal do sadr`aja od 10% povi{uje napon te~enja i zateznu ~vrsto}u. Nikal se koristi u koli~inama 0,3 do 30%. MolibdenMolibdenMolibdenMolibden (Mo) je alfageni element, stabilizuje -fazu i znatno su`ava austenitno podru~je. Molibden podi`e granice A1, A3 i Acm i solidus liniju, a spu{ta Ms. Rastvorljiv je delimi~no u feritu i neznatno u austenitu. Gradi karbide i rastvorljiv je u mnogim karbidima. Pove}ava postojanost karbida. Molibden uti~e ne samo kao legiraju}i element koji odre|uje strukturno stanje ~elika, ve} i kao element koji doprinosti hemijskoj pos-tojanosti ~elika u nekim korozionim sredinama (npr. u nekim kiselinama ili sredinama zasi}enim jonima Cl+), prema kojima je postojanost hroma nedovoljna. ManganManganManganMangan (Mn) je gamageni element, pove}ava stabilnost austenita u austenitnim CrNi ~elicima. Naglo spu{ta A1 i A3, a i Ms i Mf. Mangan je ograni~eno rastvorljiv u feritu i neograni~eno u austenitu (dok je mali sadr`aj ugljenika). Pri vi{im sadr`ajima ugljenika gradi karbide. Vezuje sumpor (S) u MnS i na taj na~in neutrali{e negativno dejstvo sumpora. Mangan mo`e delimi~no ili potpuno da zameni nikal. Postoje hrom-

Naziv dokumenta:

Visokokolegirani (nerajui) elici

Broj dok.: 2.16.

Strana 11 od 23

manganski i hrom-nikal-manganski ~elici, koji u najve}em broju slu~ajeva imaju dvofaznu strukturu. Iznad sadr`aja od 11% Mangana daje tzv. manganski ~elik koji se odlikuje dobrom otporno{}u na udar, koja poti~e od austenita. Sa povi{enjem sadr`aja mangana pove}ava se i zatezna ~vrsto}a (do 3% Mn raste propor-cionalno 100 N/mm2 za svaki 1% Mn) i ~vrsto}a popu{tanja, a smanjuje se udarna `ilavost. SilicijumSilicijumSilicijumSilicijum (Si) je alfageni element. Neznatno podi`e A1, A3 i Acm. Ne uti~e na Ms i Mf. Sa pove}anjem sadr`aja siliciuma povi{uje se zatezna ~vrsto}a (oko 100N/mm2 po 1% Si) i napon te~enja, a smanjuje udarna `ilavost i sposobnost deformisanja. Silicijum deluje dezoksidiraju}e. Silicium povi{ava postojanost prema oksidaciji austenitnih CrNi ~elika pri delovanju agresivnih gasova u uslovima povi{enih temperatura. Otpornost prema oksidaciji posti`e se stvaranjem SiO2. AluminijumAluminijumAluminijumAluminijum (Al) je alfageni element. Podi`e A1, A3, Acm, a i Ms granicu. Delimi~no je rastvorljiv u feritu i neznatno u austenitu. Ne stvara karbide, niti je rastvorljiv u njima. Aluminijum ima jako dezoksidiraju}e dejstvo. Stvaranjem Al2O3 usporava oksidaciju na visokim temperaturama. TitanTitanTitanTitan (Ti) je alfageni element, ~iji se sadr`aj u ner|aju}im ~elicima kre}e u granicama 0,4 do 0,5%, tj, ~etiri puta vi{e od sadr`aja ugljenika. Titan se uvodi u ~elik da bi suzbio {tetan uticaj ugljenika. Ima ve}i afinitet prema ugljeniku od hroma i obrazuje karbide titana koji prethode obrazovanju karbida hroma pri zadr`avanju ~elika na temperaturama oko 700 oC. Titan gradi TiO2 koji spre~ava rast zrna. Ubraja se me|u elemente koji najefikasnije usitnjavaju zrno. Ova osobina, koja je jako izra`ena kod niskolegiranih ~elika, kod austenitnih ~elika je slabije izra`ena. NiobijumNiobijumNiobijumNiobijum (Nb) je alfageni element. Pokazuje pozitivan uticaj na osobine vatrostalnih legura sa visokim sadr`ajem hroma i nikla (npr.: legure 25Cr-20Ni, 25Cr-12Ni), poma`u}i {irenje oblasti feritne faze. Kao ititan i niobium ima ve}i afinitet prema ugljeniku od hroma i gradi br`e karbide od hroma. Dopu{teni sadr`aj nio-biuma u ner|aju}im ~elicima je deset puta ve}i od sadr`aja ugljenika, me|utim u austenitnim ~elicima tipa 18Cr-8Ni se ne preporu~uje ve}a koncentracija niobiuma od 1%. VolframVolframVolframVolfram (W) je alfageni element. Znatno su`ava podru~je austenita i podi`e granice A1, A2, Acm i solidus liniju. Rastvorljiv je delimi~no u feritu i veoma malo u austenitu. Rastvorljiv je u mnogim karbidima i pove}ava postojanost. Pri vi{im sadr`ajima volframa gradi veoma tvrde karbide i pove}ava tvrdo}u ~elika koja se zadr`ava i pri vi{im temperaturama. Pri pove}anju sadr`aja volframa pove}ava se zatezna ~vrsto}a, ~vrsto}a popu{tanja i tvrdo}a na sobnoj i povi{enim temperaturama. VanadijumVanadijumVanadijumVanadijum (V) je alfageni element pa su`ava austenitno podru~je. Neograni~eno je rasvorljiv u feritu i neznatno u austenitu. Stvara veoma tvrde karbide ~ime se zapre~ava rast zrna, te se ubraja u elemente koji efikasno usitnjavaju zrno. Sa povi{enjem sadr`aja vanadiuma iznad 0,05% pove}ava se otpornost prema starenju. Sa povi{enjem sadr`aja vanadiuma pove}ava se otpornost prema oksidaciji na povi{enim tem-peraturama. AzotAzotAzotAzot (N) je sna`an gamageni element koji {iri -petlju. Azot obrazuje tvrde i krte nitride. Kao primesa azot izaziva starenje ~elika, a time smanjuje udarnu `ilavost i pove}ava krtost i tvrdo}u. Azot u prisustvu Al, Nb i V pozitivno deluje na usitnjavanje zrna ~elika. BakarBakarBakarBakar (Cu) je gamageni element koji lagano spu{ta A1, A3, Ms granice. Iako je gamageni element bakar ne pokazuje primetan uticaj na strukturu ner|aju}eg ~elika, kome se dodaje prvenstveno radi pobolj{anja hemijske postojanosti u nekim agresivnim sredinama.

Naziv dokumenta:

Visokokolegirani (nerajui) elici

Broj dok.: 2.16.

Strana 12 od 23

Hemijski sastav ner|ajHemijski sastav ner|ajHemijski sastav ner|ajHemijski sastav ner|aju}ih ~elikau}ih ~elikau}ih ~elikau}ih ~elika

Kod standardizovanih ~elika utvr|ene su granice sadr`aja legiraju}ih elemenata i primesa, odnosno gornja ili donja granica sadr`aja, tab. 5.

Tabela 5. Vrste ner|aju}ih ~elika i njihov hemijski sastav

HROMNI NERHROMNI NERHROMNI NERHROMNI NER\\\\AJU]I ^ELICIAJU]I ^ELICIAJU]I ^ELICIAJU]I ^ELICI

Naziv dokumenta:

Visokokolegirani (nerajui) elici

Broj dok.: 2.16.

Strana 13 od 23

Prema uticaju hroma na polo`aj -oblasti u legurama Fe-Cr a tako|e i u hromnim ~elicima, koji sadr`e ugljenik, uslovno se mogu izdvojiti u tri oblasti: legure sa transformacijom, legure bez transformacije i legure sa delimi~nom transformacijom.

Temperaturna oblast postojanja ~vrstih rastvora u hromnim ~elicima znatno se menja u zavisnosti od sadr`aja hroma i ugljenika u njima, mada ona zavisi, u manjem obimu, i do sadr`aja drugih legiraju}ih elemenata (Ni, Mo). Prisustvo hroma u ~elicima znatno sni`ava kriti~ne brzine hla|enja, {to je povezano sa usporavanjem procesa transformacije . Zbog toga se u hromnim ~elicima martenzit, kao posledica bezdifuzionog preobra`aja austenita, mo`e dobiti pri znatno manjim sadr`ajima ugljenika i manjim brzinama hla|enja nego kod ugljeni~nih kostrukcionih ~elika (sl. 18).

Pri vi{im sadr`ajima hroma (sl. 18c), postojanost austenita je toliko velika da, ~ak pri temperaturi najmanje postojanosti (~700oC) za njegovo raspadanje je potrebno oko 300 sek. Pri neprekidnom hla|enju (npr. kao kod zavarivanja), brzina hla|enja u oblasti temperatura 800 do 650oC od ~0,2oC/sek. dovodi do dobijanja potpune martenzitne strukture.

Slika 18. Dijagram izotermi~kog preobra`aja hromnih ~elika sa razli~itm sadr`ajima hroma

(a) 0,4%C i 0%Cr; (b) 0,4% C i ~3,5%Cr; (c) 0,11% C i 12,2%Cr.

Prema sadr`aju hroma i ugljenika, pri uobi~ajenom sadr`aju primesa, i njihovom uticaju na kristalnu re{etku, odnosno prema strukturi na sobnoj temperaturi hromni ~elici mogu da se podele na martenzitne, martenzitno-feritne i feritne. Martenzitni ~eliciMartenzitni ~eliciMartenzitni ~eliciMartenzitni ~elici

Kod ~elika sa visokim sadr`ajem hroma uvo|enje gamagenih elemenata kao {to su ugljenik, azot i nikal, dovodi do {irenja austenitne oblasti. Ovi ~elici imaju oblast austenita pri visokim temperaturama, a posle hla|enja, ~ak i sa umerenim brzinama, na sobnoj temperaturi dobijaju martenzitnu strukturu. Fizi~ke karakteristike ovih ~elika prikazne su u tab. 7.

Tabela 7. Fizi~ke osobine martenzitnih ~elika

~elika Gustina (g/cm3)

E-modul na 20oC

Koeficijent toplotnog {irenja (10-6m/moC) izme|u 20oC

Koef. topl. prov. na 20oC

(W/mK)

Spec. topl. na 20oC (KJ/kgK)

Specifi~na otpornost (mm2/m)

^ 41701 0.60 ^ 4171 216 11.5 30 ^ 4172 10.5 11 12 12 ^ 4173 7.7 220 11 29 0.46 0.55 ^ 4175 11.5 30 ^ 4570 216 10 10.5 11 11 25 0.70 ^ 4790 10.5

Ukoliko ne do|e do potpune transformacije pri zagrevanju, pri hla|enju }e se dobiti me{ana martenzitno-feritna struktura, pri ~emu povi{enje sadr`aja hroma, uz konstantan sadr`aj ugljenika, pogoduje pove}anju feritne faze u strukturi. Potpuna transformacija posti`e se visokim sadr`ajem ugljenika i/ili nikla.

Naziv dokumenta:

Visokokolegirani (nerajui) elici

Broj dok.: 2.16.

Strana 14 od 23

Martenzitni ~elici se razlikuju od drugih ner|aju}ih ~elika po visokoj tvrdo}i i zateznoj ~vrsto}i. . . . Opti-malne mehani~ke osobine (velika ~vrsto}a uz dovoljno veliku plasti~nost) posti`e se posle dvostruke ter-mi~ke obrade (kaljenje i visoko otpu{tanje). Zavisno od primenjene termi~ke obrade dobija se struktura otpu{tenog martenzita i izlu~enih karbida. Termi~ka obrada martenzitnih ner|aju}ih ~elika sastoji se od kaljenja sa temperaturama od 980 do 1100 oC (zavisno od sadr`aja ugljenika u ~eliku) u ulju ili vazduhu, i visokog otpu{tanja sa temperaturama iznad 600oC. Brzina hla|enja kod kaljenja se bira tako da se postigne potpuna transformacija u martenzit. U pore|enju sa niskolegiranim ~elicima za pobolj{anje kod hromnih martenzitnih ~elika transformacija je direktno u martenzit, odnosno pri usporenom hla|enju u perlit (sl. 19). Pri opu{tanju martentiznih hromnih ~elika sa temperaturama iznad 500oC smanjuju se zatezna ~vrsto}a i ~vrsto}a popu{tanja, a raste plasti~nost. Otpu{tanje sa temperatura izme|u 500 i 600oC se ne preporu~uje zbog pada korozione otpornosti usled izlu~ivanja karbida.

a) ^ 4170 - temperatura austenitnizacije: 1010 oC; b) ^ 4570 - temperatura austenitizacije: 1020 oC

Slika 19. CCT dijagram razli~itih ner|aju}ih martenzitnih ~elika pri kontinualnom hla|enju

Negativan uticaj otpu{tanja na temperaturama ispod 600 oC usled izlu~ivanja karbida ne ose}a se kod nikal-martenzitnih ~elika, kod kojih je ulogu ugljenika preuzeo nikal. Osobine ovih ~elika se pobolj{avaju analogno hromnim martenzitnim ~elicima. "Kaljenje" se obavlja sa temperature razloganja izme|u 950 i 1050oC. Pri temperaturi otpu{tanja izme|u 500-600 oC smanjuje se ~vrsto}a usled izlu~ivanja stabilnog aus-tenita u fino dispergovanim ~isticama. Pri vi{im temperaturama otpu{tanja opada stabilnost novostvorenog austenita i on se transformi{e pri hla|enju u martenzit. Mehani~ke karakteristike standardizovanih marten-zitnih ~elika prikazne su u tab. 8.

Tabela 8. Mehani~ka svojstva martenzitnih ~elika na sobnoj temperaturi

Naziv dokumenta:

Visokokolegirani (nerajui) elici

Broj dok.: 2.16.

Strana 15 od 23

FERITNI ^ELICIFERITNI ^ELICIFERITNI ^ELICIFERITNI ^ELICI

Ner|aju}i hromni ~elici sa visokim sadr`ajem Cr i niskim sadr`ajem C zadr`avaju feritnu strukturu na bilo kojoj temperaturi. Visok sadr`aj Cr i prisustvo drugih alfagenih elemenata (Ti, Si, Al, Nb) tako su`ava austenitno podru~je da prakti~no nema nikakve transformacije. Fizi~ke osobine ovih ~elika prikazane su u tab. 9. Nakon zavr{ne termi~ke obrade, namenjenoj rekristalizaciji strukture kao i rastvarnju ili stabilizaciji izlu~enih faza, ovi ~elici dobijaju mehani~ke osobine prikazane u tab. 10.

Tabela 9. Fizi~ke osobine feritnih ~elika

Vrsta ~elika po JUS

C.BO.600

Gustina (g/cm3)

E-modul na 20oC

(103N/mm2)

Koeficijent toplotnog {irenja (10-6m/moC) izme|u 20oC i

Koef. toplotne prov. na 20oC

(W/mK)

Specifi~na toplota na 20oC

(KJ/kgK)

Specifi~na otpornost (mm2/m)

100oC 200oC 300oC 400oC 500oC ^ 4170 216 11.5 12 12 0.60 ^ 49762 10.5 11 30 ^ 4174 7.7 210 11 11.5 0.46 0.55 ^ 49701 220 10 10 10.5 10.5 11 25 0.70 ^ 47701

Tabela 10. Mehani~ka svojstva i otpornost prema me|ukristalnoj koroziji feritnih ~elika

Naziv dokumenta:

Visokokolegirani (nerajui) elici

Broj dok.: 2.16.

Strana 16 od 23

Temperatura `arenja se prilago|ava vrsti rastvorenih izlu~enih faza. Po{to je difuzija rastvorenih legira-ju}ih elemenata i primesa pri bilo kojoj temperaturi 100 do 1000 puta ve}a u prostorno centriranoj kubnoj re{etki -`eleza (ferita) nego kod povr{inski centrirane kubne re{etke -`eleza (austenita), i kako su termi~ki aktivni procesi (rast zrna, izlu~ivanje faza) mnogo br`i u feritnim nego u austenitnim ~elicima, mora se obazrivo pristupiti termi~koj obradi feritnih ~elika. Kod ~elika sa 13 do 18% Cr uobi~ajena zavr{na termi~ka obrada obavlja se u temperaturnom podru~ju 750-850oC. Struktura u takvom stanju sastoji se iz globularno formiranih zrna srednje veli~ine sa ve}im ili manjim udelom izlu~enih karbida i/ili nitrida. Izborom temperature i vremena trajanja zavr{ne termi~ke obrade mo`e se upravljati procesom rekristalizacije tako da se ostvare potrebne mehani~ke osobine feritnih ~elika. Hromni feritni ~elici na temperaturama iznad 900 oC pokazuju sklonost prema brzom rastu zrna (sl. 20). Ova pojava je posebno ubrzna na temperaturama iznad 1050 oC. Pove}anje zrna umanjuje ~vrsto}u ovih ~elika ali jo{ vi{e udarnu `ilavost na vi{im i ni`im temperaturama. (sl. 21). Legiranje hromom i drugim alfagenim elementima (npr. Mo) uti~e da se kod feritnih javlja 475 oC krtost. Dodaci titana i niobiuma ubrzavaju proces prelaza u krto stanje. Pove}anje sadr`aja hroma u feritnim ~elicima pove}ava sklonost ka obrazovanju -faze. . . . Pove}anje sadr`aja elemenata koji pove}avaju otpornost prema oksidaciji (Al i Si) povi{ava temperaturu i skra}uje inkubaciono vreme za po~etak obrazovanja -faze. Pove}anje sadr`aja ugljenika i uvo|enje azota (pribli`no 1/100 od sadr`aja hroma) sni`ava temperaturni interval prelaza u krto stanje. Takvi dodaci umanjuju sklonost prema brzom rastu zrna na visokim tem-peraturama. Da bi se feritni ~elik mogao koristiti u toplotnim preradama, npr. zavarivanju, potrebno je ograni~iti sadr`aj ugljenika i azota na najvi{e 0,03% i dodatno ga stabilizovati niobiumom, titanom i/ili cirkoniumom. Ograni~enje sadr`aja ugljenika u feritnim ~elicima potrebno je i kada se od ~elika zahteva garantovana udarna `ilavost na niskim temperaturama. Smanjenjem sadr`aja ugljenika na vrednost od 0,002% osigurava se nepromenjena `ilavost u {irokom rasponu temperatura.

Naziv dokumenta:

Visokokolegirani (nerajui) elici

Broj dok.: 2.16.

Strana 17 od 23

Slika 20. Rast zrna kod feritnih i austenitnih ~elika Slika 21. Uticaj veli~ine zrna na prelaznu temperaturu feritnog ~elika

HROMHROMHROMHROM----NIKAL NERNIKAL NERNIKAL NERNIKAL NER\\\\AJUAJUAJUAJU]I ^ELICI]I ^ELICI]I ^ELICI]I ^ELICI

Nikal bitno pro{iruje oblast austenita (sl. 22). Austenizatorsko delovanje nikla u hromnim ~elicima je sna`nije no u ~istom `elezu tako da je u ~eliku sa vi{e od 15%Cr i 8%Ni austenitna oblast pro{irena do sobne temperature. Ovi ~elici imaju specifi~nu austenitnu strukturu i nemagneti~ni su. Fizi~ke osobine su prikazane u tab. 11.

Slika 22. Dijagram stanja legure sistema `elezo-nikal

Delovanje hroma u prisustvu nikla je druga~ije. Hrom su`ava -oblast, ali u prisustvu nikla istovremeno pove}ava stabilnost austenita. Hrom, pri odre|enom sadr`aju, zadr`ava raspadanje austenita pri hla|enju, su`avaju}i temperaturu martnezitne transfiormacije i pomeraju}i udesno perlitnu oblast raspadanja austenita. Stepen delovanja svakog od ovih elemenata na polo`aj granica -oblasti kod austenitnih CrNi ~elika je razli~it. Ako se uticaj hroma i nikla uzme za jedinicu, tada se uticaj ostalih legiraju}ih elemenata i primesa mo`e izraziti preko odgovaraju}ih koeficijenata ekvivalentnosti u odnosu na hrom, odnosno nikal, [efler. Pri sadr`aju nikla ispod 1,5% legura se pona{a kao potpuno feritni ~elik u toku hla|enja sa visokih temperatura. Iznad ovog sadr`aja nikla javlja se temperaturni opseg sa dve faze (+) koji se {iri sa pove}a-njem sadr`aja nikla. Legura se pona{a kao poluferitni ~elik. Iznad koncentracije 3,5%Ni javlja se odre|eni temperaturni opseg u koje je legura ~isto austenitna. Taj temperaturni opseg se {iri sa daljim povi{enjem sadr`aja nikla. Sve do sadr`aja od 10%Ni legura o~vr{}ava u ferit ili sa vrlo velikim sadr`ajem ove faze. Iznad ovog sadr`aja nikla pojavljuje se peritekti~ka reakcija i dolazi do o~vr{}avanja -ferita i austenita.

Tabela 11. Fizi~ke osobine austenitnih ~elika

~elik Gustina (g/cm3)

E modul (103N/mm2) na Koeficijent toplotnog {irenja (10-6m/m oC) izme|u 20 oC i

Koef. topl. prov. na 20

Spec. top. na 20 oC

Specifi~na otpornost

Naziv dokumenta:

Visokokolegirani (nerajui) elici

Broj dok.: 2.16.

Strana 18 od 23

oC (W/mK) (KJ/kgK) (mm2/m) 20oC 100 oC 200 oC 300 oC 400 oC 500 oC 100 oC 200 oC 300 oC 400 oC 500 oC

^ 45701 7.90 16 17 17 18 18 ^ 45702 ^ 45703 7.95 18.5 0.85 ^ 45704 ^ 45705 8.0 16.5 17.5 17.5 18.5 19 ^ 45706 7.95 18.5 0.75 ^ 45707 7.90 16 17 17 18 18 0.73 ^ 45708 7.95 200 194 186 179 172 165 16.5 17.5 17.5 18.5 18.5 15 0.50 0.75 ^ 45709 ^ 4572 7.90 16 17 17 18 18 0.73 ^ 4573 7.95 16.5 17.5 17.5 18.5 18.5 0.75 ^ 4574 18.5 ^ 4580 7.90 16 17 17 18 19 0.73 ^ 4582 18 ^ 4583 7.95 16.5 17.5 18.5 18.5 19 0.75 ^ 4590 16 17 17 18 18 0.73

Sadr`aj ugljenika u austenitnim CrNi ~elicima se kre}e oko 0,15%. Pri tom sadr`aju ugljenik je potpuno rastvorljiv u ~eliku kada je temperatura iznad 1000oC. Me|utim pri sporom hla|enju ili kratkotrajnom zadr`avanju izme|u 500 i 900 oC mogu da se obrazuju karbidi hroma iz ~vrstog rastvora, {to smanjuje plasti~nost i otpornost prema me|ukristalnoj koroziji. Zato se austenitni CrNi ~elici kale u vodi ili vazduhu, sa visokih temperatura (1100 do 1150 oC). Ovaj postupak je poznat kao ga{enje. Dr`anje na tako visokoj temperaturi omogu}ava rekristalizaciju metala posle operacije plasti~nog oblikovanja i rastvaranje ugljeneika, a brzo hla|enje spre~va izdvajanje karbida. Time se obezbe|uju austenitna struktura za koju su vezane njegove optimalne osobine plasti~nosti i otpornosti prema koroziji. Do obrazovanja krabida mo`e do}i pri ponovnom zagrevanju ~elika do odgovaraju}ih temperatura. Austenitni CrNi ~elici imaju manje vrednosti ~vrsto}e od feritnih, martenzitnih i nikl-martenzitnih ~elika. ^vrsto}a popu{tanja (Rr0,2) na sobnoj temperaturi kod ovih ~elika se kre}e u granicama 200-250 N/mm2 dok zatezna ~vrsto}a (Rm) dosti`e i 600 N/mm2. Istezanje kod ovih ~elika dosti`e ~ak 40-50%, {to je skoro dvostruka vrednost od one koja se posti`e kod feritnih, martenzitnih ili feritno-austenitnih ~elika. Mehani~ke osobine standardnih austenitnih ~elika prikazane su u tab. 12. Pri ni`im sadr`ajima Cr i Ni ner|aju}i austenitni ~elici se nalaze blizu granice martenztino-austenitne oblasti, to zna~i da je austent trermodinami~ki nestabilan i da se mo`e hla|enjem na ni`e temperature ili hladnim deformisanjem na sobnoj temperaturi delimi~no ili potpuno preobraziti u tzv. '-martenzit. Nasuprot nemagneti~nom austenitu '-martenzit je magneti~an kao ferit. Za martenzitni preobra`aj izazvan hladnim oblikovanjem karakteristi~na je temperatura oblikovanja Md30. To je temperatura pri kojoj hladno oblikovanje od 30% izaziva pojavu 50% martenzita. [to je vi{a Ms i Md30 to je manja stabilnost austenita i ve}e oja~anje hladnim oblikovanjem usled obrazovanja martenzita. U mnogim slu~ajevima potrebno je da ner|aju}i austenitni ~elik ima bolje mehani~ke osobine, pre svega ~vrsto}u popu{tanja, no {to su izlazne karakteristike tih ~elika. Oja~anje hladnim oblikovanjem je jedan od ~estih na~ina postizanja ovog cilja. Dalja mogu}nost za povi{enje ~vrsto}e austenitnih ~elika je oja~anje me{anih kristala austenitna legiranjem. To se posti`e supstitucijskim ali i intersticijskim ugra|ivanjem atoma legiraju}ih elemenata. Najja~i uticaj pokazuju ugljenik i azot. Povi{enje ~vrsto}e dodavanjem ugljenika u austenitne ~elike ograni~eno je padom korozione otpornosti. Azot ima ina~e ograni~enu rastvorljivost u austenitu. Pri hla|enju ili izotermi~kom dr`anju on obrazuje samostalne nitride ili ulazi u sastav izdvojenih karbida, pri ~emu zamenjuje ugljenik. Sadr`aj azota u standardnim ~elicima ne prelazi stoga granicu 0,05%. Dopunsko dodavanje iznad 0,2% pobolj{ava ~vrsto}u popu{tanja i zateznu ~vrsto}u. Dodavanjem 0,4% N austenitnom CrNi ~eliku mo`e se povisiti ~vrsto}a popu{tanja i do 600 N/mm2. Pored navedenog na~ina oja~anja me{anih kristala vi{i sadr`aj ugljenika i azota pove}ava ~vsto}u i kroz izlu~ivanje karbida i/ili nitrida.

Tabela 12. Mehani~ke osobine austenitnih ~elika na sobnoj temperaturi i njihova otpornost prema redukcionoj koroziji

Naziv dokumenta:

Visokokolegirani (nerajui) elici

Broj dok.: 2.16.

Strana 19 od 23

Naknadnim toplotnim procesima, npr, zavarivanjem, pri zadr`avanju austenitnih ~elika na temperaturama iznad 500oC, odnosno ispod 900 oC do}i }e do izlu~ivanja karbida odnosno obrazovanja -faze Legiranje molibdenom pospe{uje obrazovanje -faze, skra}uju}i inkubacioni period i pomeraju}i oblast nastajanja -faze ka vi{im temperaturama (sl. 23). Kod austenitnih CrNi ~elika sa sadr`ajem vi{e od 2,5% Mo pojavi}e se i druga intermetalna jedinjenja, posebno -faza koja kao i -faza smanjuje plasti~nost. Uvo|enje azota u ner|aju}e ~elike legirane sa molibdenom smanjuje sklonost ka stvaranju izlu~enih faza i brzinu njihovog izlu~ivanja. Ovi ~elici tako|e poseduju bolju otpornost prema rupi~astoj koroziji, kod delovanja agresivnog medijuma koji sadr`i hloride.

FeritnoFeritnoFeritnoFeritno----austenitni ~eliciaustenitni ~eliciaustenitni ~eliciaustenitni ~elici

Naziv dokumenta:

Visokokolegirani (nerajui) elici

Broj dok.: 2.16.

Strana 20 od 23

Osnova za nastajanje feritno-austenitne strukture kao i mogu}nost za promenu odnosa izme|u ova dva strukturna udela prikazan je na sl. 24, koja predstavlja pseudobinarni dijagram legura sistema Fe-Cr-Ni sa 75%Fe. O~igledno je da legure bogate niklom (desna strana dijagrama sa sl. 24) o~vr{}avaju direktno u austenit. Legura bogate hromom (leva strana dijagarama) o~vr{}avaju u ferit, koji je stabilan do sobne temperature. Kod srednjih sastava oko linije L1 (~elici 18Cr-10Ni) o~vr{}avanje }e biti feritno ali sa sni`avanjem temperature do}i }e u ~vrstom stanju do transformacije u austenit.

Slika 23. Obrazovanje -faze kod 18Cr-10Ni ~elika i i/ili -faze kod 18Cr-13Ni-3Mo i 17Cr-14Ni-4Mo ~elika Slika 24. Presek pseudobinarnog dijagrama

* legura sistema Fe-Cr-Ni sa 75%Fe

^elici sa sadr`ajem hroma 22 do 28% i nikla 4 do 8% le`e pri niskim temperaturama u heterogenoj faznoj oblasti: austenit+ferit. Termi~kom obradom sa temperatura ispod 1000 oC nije mogu}e ili nije mogu}e znatnije promeniti strukturni odnos u~e{}a ferita i austenita. Za razliku od ~isto feritnih odnosno ~isto austenitnih ~elika termi~ka obrada ne slu`i kod feritno-austenitnih ~elika samo za rastvaranje izlu~enih faza ve} i za preraspodelu u~e{}a strukturnih komponenata. Osobine feritno-austenitnih ~elika zavise prevashodno od raspodele u~e{}a obe strukturne komponenta kao i od hemijskog sastava. Termi~kom obradom se rekristalizuje struktura i izlu~ene faze rastvaraju. Termi~kom obradom se smanjuje zatezna ~vrsto}a a raste `ilavost. @arenjem na temperaturama iznad 1000 do 1050 oC menja se odnos strukturnih komponenata u korist feritna i zatezna ~vrsto}a raste. Zatezna ~vrsto}a i ~vrsto}a popu{tanja feritno-austenitnih ~elika je vi{a no kod austenitnih odnosno feritnih ~elika. ^vrsto}a popu{tanja dosti`e vrednost od oko 500 N/mm2. Ova prednost u odnosu na austenitne i feritne ~elike ostaje i pri visokim temperaturama. @ilavost feritno-austenitnih ~elika sli~na je kao kod feritnih ~elika, to zna~i da postoji nagli pad udarne `ilavosti sa promenom temperaturnog opsega ispitivanja od visokih do niskih temperatura. Ovakva `ilavost posleda je sklonosti ovih ~elika ka krtosti, koja je vezana za brzinu hla|enja nakon zavr{ne termi~ke obrade. Kod feritno-austenitnih ~elika susre}emo se sa svim oblastima obrazovanja izlu~enih faza, o ~emu se mora voditi ra~una pri preradi ovih ~elika (sl. 25).

Naziv dokumenta:

Visokokolegirani (nerajui) elici

Broj dok.: 2.16.

Strana 21 od 23

Slika 25. TT dijagram ~elika tipa x2CrNiMoN 22 5 3 (Rastvaraju}e `arenje: 1050 oC/30min/voda) ZAVARIVANJE MARTENZITNIH NERZAVARIVANJE MARTENZITNIH NERZAVARIVANJE MARTENZITNIH NERZAVARIVANJE MARTENZITNIH NER\\\\AJU]IH ^ELIKAAJU]IH ^ELIKAAJU]IH ^ELIKAAJU]IH ^ELIKA

^elici martenzitnog tipa u uslovima termi~kog ciklusa zavarivanja kale se do martenzita. Visoka tvrdo}a i

niska plasti~nost ~elika sa martenzitnom strukturom, uzi ve}u krutost konstrukcije pri zavarivanju dovode do obrazovanja hladnih prslina. Prsline se naj~e{}e javljaju na temperaturi hla|enja ispod 1200C. Ova pojava je posebno izra`ena pri pove}anom sadr`aju vodonika. Pri zavarivanju martenzitnih ~elika osnovni materijal se predgreva, kako bi se spre~ilo nastajanje hladnih prslina u {avu i ZUT. U zavisnosri od sadr`aja hroma i ugljenika u osnovnom materijalu, za ru~no elektrolu~no zavarivanje oblo`enim elektrodama primenjuju se temperature predgrevanja od 250 do 450oC. Za vreme zavarivanja, temperatura predgrevanja osnovnog metala pri lokalnom zagrevanju u zoni {ava, ne sme da se spusti ispod temperature po~etka martenzitnog preobra`aja, karakteristi~ne za svaki ~elik. Za vreme predgrevanja i zavarivanja moraju da se osiguraju uslovi za spre~avanje naglog hla|enja (npr. usled promaje), jer se na taj na~in pove}ava mogu}nost nastajanja prslina. Potrebno je da metal {ava ima pribli`no iste osobine kao osnovni metal. Stoga se koriste elektrode sa metalnim jezgrom pribli`no istog hemijskog sastava sa osnovnim metalom. Metal {ava se preko elektrode legira neznatnim koli~inama titana (Ti), radi dobijanja sitnozrnije strukture i spre~avanja stubi~aste usmerenosti kristala u {avu. Nakon zavarivanja treba sprovesti naknadnu termi~ku obradu (otpu{tanje), ali `arenje neposredno nakon zavarivanja nije dozvoljeno jer se dobija krupnozrnasta struktura. Naknadna termi~ka obrada mo`e da se izbegne ako se za zavarivanje koristi elektroda ~ijom se upotebom dobija austenitni {av. Zona oko linije topljenja ima ve}u tvrdo}u od tvrdo}e {ava i osnovnog materijala zbog pove}anog sadr`aja ugljenika i hroma. Ovako zavareni spojevi ne smeju da se koriste za odgovorne konstrukcije. Ovakav na~in rada najve}u primenu nalazi u reparaturnim radovima ili slu~ajevima kada nakon zavarivanja ne mo`e da se izvede termi~ku obrada.

ZAVARIVANJE FERITNIH NERZAVARIVANJE FERITNIH NERZAVARIVANJE FERITNIH NERZAVARIVANJE FERITNIH NER\\\\AJU]IH ^ELIKAAJU]IH ^ELIKAAJU]IH ^ELIKAAJU]IH ^ELIKA

Najve}i nedostatak ove grupe ~elika je njihova sklonost prema rastu zrna pri visokotemperaturnoj obradi, {to je upravo slu~aj pri zavarivanju. Kod zavarivanja pojava rasta zrna uo~ava se u ZUT i metalu {ava, usled ~ega se plasti~nosti i `ilavost pri sobnim i sni`enim temperaturama smanjuju. Zagrevanjem feritnih ~elika iznad 9500C i brzim hla|enjem, posebno pri malom sadr`aju Ti, pogor{ava se njihova koroziona otpornost i javlja sklonost prema me|ukristalnoj koroziji. Uno{enje elemenata koji spre~avaju stvaranje karbida (Ti i Nb) u metal {ava, npr. elektrodom, smanjuje se opasnost od nastajanja me|ukristalne korozije. Smanjenje sadr`aja ugljenika i otpu{tanje na tamperaturama 760 do 7800C pove}ava se plasti~nost i otpornost prema koroziji osnovnog materijala i zavarenih spojeva. Zavarivanje mo`e da se izvede takvim elektrodama da metal {ava dobije strukturu: - feritnu sli~no osnovnom metalu. U ovim slu~ajevima neophodno je predgrevanje osnovnog materijala i naknadna termi~ka obrada.

- feritno-austenitnu, upotrebom hrom-nikl ili hrom-nikl-manganskih elektroda. Primenom ovog na~ina zavarivanja smanjuje se sklonost prema porastu zrna.

- austenitnu, primenom elektroda koje daju metal {ava tipa 25-20 (25%Cr-20%Ni). Primenom ovog na~ina zava-rivanja izbegava se naknadna termi~ka obrada, mada ostaje ukrupljeno zrno u ZUT.

Poslednja dva na~ina zavarivanja imaju svojih nedostataka. U uslovima eksploatacije sa naizmeni~nim zagrevanjem i hla|enjem ovi spojevi pokazuju lo{ija svojstva, usled znatne razlike u toplotnom {irenju feritnog osnovnog metala i metala sava.

ZAVARIVANJE AUSTENITNIH NERZAVARIVANJE AUSTENITNIH NERZAVARIVANJE AUSTENITNIH NERZAVARIVANJE AUSTENITNIH NER\\\\AJU]IH ^AJU]IH ^AJU]IH ^AJU]IH ^ELIKAELIKAELIKAELIKA

Ovi ~elici imaju veliki koeficijent termi~kog {irenja (1,5 put ve}i od niskougljeni~nog ~elika) i malu toplotnu provodnost. Ove osobine prouzrokuju neke te{ko}e, jer uslovljavaju ve}e deformacije pri zavarivanju. Kod nekih austenitnih ner|aju}ih ~elika stvaraju se karbidi pri zagrevanju u temperaturnom intervalu od 450 do 8500C. Ovi karbidi se izdvajaju po granicama zrna. Po{to karbidi hroma sadr`e 90%Cr, to zna~i da i mali sadr`aj ugljenika mo`e znatno da smanji sadr`aj hroma na granicama zrna. Posledica ove pojave je slabljenje korozlone otpornosti ~elika. Pri zavarivanju uvek postoji zona materijala u neposrednoj blizini {ava, koja je izlo`ena temperaturi 450 do 8500C i na tim mestima }e se pojaviti me|ukristalna korozija. Izlu~ivanje karbida zavisi od sadr`aja ugljenika u ~eliku, temperature i vremena izlaganja kriti~noj temperaturi. Postoji izvesno vreme pre po~etka izlu~ivanja karbida, tzv. vreme inkubacije. Ni`i sadr`aj ugljenika u ~eliku daje du`e inkubaciono vreme, a time i manju opasnost od nastajanja me|ukristalne korozije. Na temperaturi iznad 9000C ugljenik se osloba|a iz karbida, a naglo hla|enje mo`e da spre~i naknadno stvaranje karbida hroma. Opasnost od nastajanja me|ukristalne korozije mo`e da se smanji na vi{e na~ina:

Naziv dokumenta:

Visokokolegirani (nerajui) elici

Broj dok.: 2.16.

Strana 22 od 23

- Upotrebom ~elika sa niskim sadr`ajem ugljenika (ispod 0,03%), ~ime se smanjuje koli~ina izdvojenih karbida hroma i neznatno pove}ava opasnost od me|ukristalne korozije.

- Upotrebom stabiliziraju}ih elemenata (Ti, Nb, Ta) koji sa ugljenikom stvaraju svoje karbide tako|e mo`e da smanji opasnost od me|ukristalne korozije. Ovi elementi se dobijaju u odre|enim koli~inama zavisno od sadr`aja ugljenika (Ti=5x%C, Nb=10x%C).

Pri du`em zadr`avanju austenitnih ner|aju}ih ~elika u eksploataciji na temperaturi u granicama od 550 do 8750C smanjuje se `ilavost {ava usled izdvajanja -faze. Zagrevanjem zavarenog spoja na temperaturi 1000 do 1050 0C u toku jednog ~asa i naglim hla|enjem (ga{enjem) elimini{e se ova pojava. Sadr`aj fosfora, sumpora, silicijuma ili niubijuma iznad dozvoljene granice kod austentnih ner|aju}ih ~elika uslovljava pojavu njihovih segregacija u {avu. Ove segregacije, koje karakteri{e i niska temperatura topljenja, raspore|uje se u otvaranju {ava izme|u kristala. Usled ve}ih sila zatezanja pri o~vr{}avanju {ava mogu da nastanu prsline u zadnjem stadijumu o~vr{}avanja. Prisustvo manjeg sadr`aja -ferita u metalu {ava, smanjuje sklonost prema stvaranju kristalizacionih prslina. Elektrolu~nim postupkom zavarivanja oblo`enom elektrodom mogu da se zavaruju ner|aju}i austentni ~elici bilo kojih debljina. Neke specifi~nosti zavarivanja ovih materijala su: - koristi se mala pogonska energija; - primenjuju se kad god je to mogu}e elektrode sa bazi~nom oblogom; - koristi se jednosmerna struja sa +polom na elektrodi; - koristi se kratki luk bez njhianja elektrode; - zavaruje se velikim brzinama.

ZAVARIVANJE RAZNOVRSNIH ^ELIKA ZAVARIVANJE RAZNOVRSNIH ^ELIKA ZAVARIVANJE RAZNOVRSNIH ^ELIKA ZAVARIVANJE RAZNOVRSNIH ^ELIKA

Zavarivanje ~elika iste strukture obi~no ne predstavlja ve}i problem i nema posebnih zahteva kod odre|ivanja re`ima zavarivanja. Osobine {ava se obi~no ne razlikuju bitnije od istopljenog metala. Nasuprot tome zavarivanje ~elika razli~itih struktura zahteva takav izbor re`ima zavarivanja, kojim se ostvaruje najmanje me{anje itopljenog i osnovnog materijala. Bitan element zavarivanja raznovrsnih ~elika predstavlja izbor elektroda. Sa stanovita ~vrsto}e, {av treba da odgovara ~eliku manje ~vrsto}e, pa se dodatni materijal odabira po sastavu bli`e onm koji je manje legiranom. Ovaj princip se naj~e{}e po{tuje pri zavarivanju perlitnih ~elika sa ~elicima sa visokim sadr`ajem hroma. Nasuprot tome pri zavarivanju prelitnih ~elika sa austentnim ~elicima upotrebljava se visokolegirani dodatni materijal. [eflerov ima veoma veliki zna~aj pri zavarivanju hrom-nikl ~elika po{to omogu}ava da se razgrani~e uslovi za zavarivanje raznovrsnih i istovrsnih {avova elektrodama koje daju austentni {av. Ovim dijagramom mogu da se predvide strukture za poznat hemijski sastav osnovnog materijala i elektroda. Odre|ivanjem ekvivalentnog nikla i hroma za osnovni materijal (npr. Niek=9 i Crek=5) i elektrodu (npr. Niek=13,5 i Crek=24,5) odre|uju se ta~e X i Y koje ozna~avaju strukturne stanje osnovnog materijala odnosno ~istog metala {ava. Brojevi na liniji X-Y ozna~avaju u~e{}e (%) osnovnog materijala u metalu {ava, koje se reguli{e re`imom zavarivanja.

Sl. 64 Schaeffler-ov dijagram

Kod zavarivanja raznovrsnih ~elika koje se mo`e re{iti jednostavnim izborom dodatnog materijala i re`ima zavarivanja (npr. nestabilizirani perlitni ~elik zavaren za austentni ~elik)) primenjuju se dopunske mere kao {to je prethodno oblaganje u jednom ili vi{e me|uslojeva (sl. 65 a) ili oblaganjem u toku zavarivanja (sl. 65 b) i upotreba me|uelementa.

Naziv dokumenta:

Visokokolegirani (nerajui) elici

Broj dok.: 2.16.

Strana 23 od 23

Sl. 65 Oblaganje ivica: a-prethodno; b-u toku zavarivanja

Sadraj2.12.22.32.42.52.62.72.82.92.102.112.122.132.142.152.162.172.182.192.202.212.222.232.242.252.26

+P+S+P