---
title: "Metalurgia strefy wpływu ciepła podczas spawania stali"
description: "Strefa wpływu ciepła (HAZ) to zróżnicowana mapa historii cieplnych, a nie jednolity pas."
canonical: https://steelequivalents.com/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/metalurgia-strefy-wp%C5%82ywu-ciep%C5%82a-podczas-spawania-stali
language: pl
robots: index, follow
og_type: article
type: wiki-article
language_alternates:
  en: https://steelequivalents.com/wiki/heat-treatment/steel-weld-heat-affected-zone-metallurgy.md
  cs: https://steelequivalents.com/cs/wiki/tepelné-zpracování/metalurgie-tepelně-ovlivněné-oblasti-ocelového-svaru.md
  de: https://steelequivalents.com/de/wiki/wärmebehandlung/metallurgie-der-wärmeeinflusszone-beim-stahlschweißen.md
  es: https://steelequivalents.com/es/wiki/tratamiento-térmico/metalurgia-de-la-zona-afectada-por-el-calor-en-soldaduras-de-acero.md
  fr: https://steelequivalents.com/fr/wiki/traitement-thermique/métallurgie-de-la-zone-affectée-par-la-chaleur-lors-du-soudage-de-l-acier.md
  hu: https://steelequivalents.com/hu/wiki/hőkezelés/a-hegesztett-acél-hőhatásövezetének-metallurgiája.md
  it: https://steelequivalents.com/it/wiki/trattamento-termico/metallurgia-della-zona-termicamente-alterata-nella-saldatura-dell-acciaio.md
  nl: https://steelequivalents.com/nl/wiki/warmtebehandeling/metallurgie-van-de-warmte-beïnvloede-zone-bij-het-lassen-van-staal.md
  pl: https://steelequivalents.com/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/metalurgia-strefy-wp%C5%82ywu-ciep%C5%82a-podczas-spawania-stali.md
  pt: https://steelequivalents.com/pt/wiki/tratamento-térmico/metalurgia-da-zona-afetada-pelo-calor-da-soldadura-do-aço.md
  ru: https://steelequivalents.com/ru/вики/термическая-обработка/металлургия-зоны-термического-влияния-при-сварке-стали.md
  tr: https://steelequivalents.com/tr/wiki/ısıl-işlem/çelik-kaynağında-isıdan-etkilenen-bölgenin-metalurjisi.md
  zh: https://steelequivalents.com/zh/维基/热处理/钢焊缝热影响区冶金学.md
  ja: https://steelequivalents.com/ja/ウィキ/熱処理/鋼材溶接熱影響部の冶金学.md
  ar: https://steelequivalents.com/ar/ويكي/المعالجة-الحرارية/علم-معادن-المنطقة-المتأثرة-بالحرارة-في-لحام-الفولاذ.md
  ko: https://steelequivalents.com/ko/위키/열처리/강재-용접-열영향부-야금.md
  pt-br: https://steelequivalents.com/pt-br/wiki/tratamento-térmico/metalurgia-da-zona-afetada-pelo-calor-na-soldagem-do-aço.md
  hi: https://steelequivalents.com/hi/विकी/ऊष्मा-उपचार/इस्पात-वेल्ड-के-ऊष्मा-प्रभावित-क्षेत्र-का-धातुकर्म.md
content_hash: sha256:30dd4bf50f2b3eacb982e2872c142761bc7b87a4abf8393f4bb7c08d93288940
generated: 2026-09-26
---

> **Machine-readable Markdown rendering.** This is a Markdown representation of a web page,
> served for AI agents and crawlers as a token-efficient alternative to the full HTML.
> Full interactive HTML version: https://steelequivalents.com/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/metalurgia-strefy-wp%C5%82ywu-ciep%C5%82a-podczas-spawania-stali
> Canonical URL: https://steelequivalents.com/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/metalurgia-strefy-wp%C5%82ywu-ciep%C5%82a-podczas-spawania-stali
> Available languages: en, cs, de, es, fr, hu, it, nl, pl, pt, ru, tr, zh, ja, ar, ko, pt-br, hi
> Change detection: `content_hash` is the SHA-256 of this document's Markdown body — everything
> below this block, whitespace-trimmed, excluding the front-matter. Compare it to detect a real
> content change; `generated` moves on every render and is not a change signal.

![Metalurgia strefy wpływu ciepła podczas spawania stali](/images/uploads/796b2138-93f3-4df9-8f62-9924a1238e85/wiki-hero-a-transverse-steel-weld-cross-section-showing-the-fusion-zone-fusion-boundary-co-1920x823.jpg)

Obróbka cieplna

# Metalurgia strefy wpływu ciepła podczas spawania stali

Strefa wpływu ciepła (HAZ) to zróżnicowana mapa historii cieplnych, a nie jednolity pas.

![Portret Andersa Bergströma, reportera branży stalowej](/images/uploads/a7d8e5bc-7cdf-409b-913b-211e63e8c441/anders-bergstr-m-1920x1920.jpg)

 **[Anders Bergström](/pl/aktualnosci/autor/anders-bergstrom "Anders Bergström")** Obróbka cieplna 60+ min czytania Zaktualizowano 15 sie 2026 Zweryfikowano naukowo

  Na tej stronieNa tej stronie

- [1. Czym jest strefa wpływu ciepła — i czym nie jest](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/metalurgia-strefy-wp%C5%82ywu-ciep%C5%82a-podczas-spawania-stali#1-czym-jest-strefa-wpływu-ciepła-i-czym-nie-jest "1. Czym jest strefa wpływu ciepła — i czym nie jest")
- [2. Cykle cieplne: temperatura szczytowa, szybkość nagrzewania i czas chłodzenia](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/metalurgia-strefy-wp%C5%82ywu-ciep%C5%82a-podczas-spawania-stali#2-cykle-cieplne-temperatura-szczytowa-szybkość-nagrzewania-i-czas-chłodzenia "2. Cykle cieplne: temperatura szczytowa, szybkość nagrzewania i czas chłodzenia")
- [3. Austenityzacja i konwencjonalne podstrefy SWC](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/metalurgia-strefy-wp%C5%82ywu-ciep%C5%82a-podczas-spawania-stali#3-austenityzacja-i-konwencjonalne-podstrefy-swc "3. Austenityzacja i konwencjonalne podstrefy SWC")
- [4. Produkty przemian i mikrostruktura HAZ](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/metalurgia-strefy-wp%C5%82ywu-ciep%C5%82a-podczas-spawania-stali#4-produkty-przemian-i-mikrostruktura-haz "4. Produkty przemian i mikrostruktura HAZ")
- [5. Twardość, ciągliwość i wytrzymałość w całej SWC](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/metalurgia-strefy-wp%C5%82ywu-ciep%C5%82a-podczas-spawania-stali#5-twardość-ciągliwość-i-wytrzymałość-w-całej-swc "5. Twardość, ciągliwość i wytrzymałość w całej SWC")
- [6. Mechanizmy pękania SWC w stalach węglowych i niskostopowych](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/metalurgia-strefy-wp%C5%82ywu-ciep%C5%82a-podczas-spawania-stali#6-mechanizmy-pękania-swc-w-stalach-węglowych-i-niskostopowych "6. Mechanizmy pękania SWC w stalach węglowych i niskostopowych")
- [7. Podgrzewanie wstępne, kontrola temperatury międzyściegowej i zmienne procesu spawania](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/metalurgia-strefy-wp%C5%82ywu-ciep%C5%82a-podczas-spawania-stali#7-podgrzewanie-wstępne-kontrola-temperatury-międzyściegowej-i-zmienne-procesu-spawania "7. Podgrzewanie wstępne, kontrola temperatury międzyściegowej i zmienne procesu spawania")
- [8. Spawanie wielościegowe: ponowne nagrzewanie, odpuszczanie i nakładanie się stref wpływu ciepła](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/metalurgia-strefy-wp%C5%82ywu-ciep%C5%82a-podczas-spawania-stali#8-spawanie-wielościegowe-ponowne-nagrzewanie-odpuszczanie-i-nakładanie-się-stref-wpływu-ciepła "8. Spawanie wielościegowe: ponowne nagrzewanie, odpuszczanie i nakładanie się stref wpływu ciepła")
- [9. Pękanie typu IV w stali Grade 91](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/metalurgia-strefy-wp%C5%82ywu-ciep%C5%82a-podczas-spawania-stali#9-pękanie-typu-iv-w-stali-grade-91 "9. Pękanie typu IV w stali Grade 91")
- [10. Korozja w strefie wpływu ciepła (HAZ) i pękanie wspomagane przez środowisko](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/metalurgia-strefy-wp%C5%82ywu-ciep%C5%82a-podczas-spawania-stali#10-korozja-w-strefie-wpływu-ciepła-haz-i-pękanie-wspomagane-przez-środowisko "10. Korozja w strefie wpływu ciepła (HAZ) i pękanie wspomagane przez środowisko")
- [11. Badanie strefy wpływu ciepła (HAZ) i charakterystyka właściwości](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/metalurgia-strefy-wp%C5%82ywu-ciep%C5%82a-podczas-spawania-stali#11-badanie-strefy-wpływu-ciepła-haz-i-charakterystyka-właściwości "11. Badanie strefy wpływu ciepła (HAZ) i charakterystyka właściwości")
- [12. Czytanie Norm Spawalniczych i Kwalifikowanie Technologii Spawania](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/metalurgia-strefy-wp%C5%82ywu-ciep%C5%82a-podczas-spawania-stali#12-czytanie-norm-spawalniczych-i-kwalifikowanie-technologii-spawania "12. Czytanie Norm Spawalniczych i Kwalifikowanie Technologii Spawania")
- [13. Praktyczne ramy metalurgiczne diagnostyki HAZ](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/metalurgia-strefy-wp%C5%82ywu-ciep%C5%82a-podczas-spawania-stali#13-praktyczne-ramy-metalurgiczne-diagnostyki-haz "13. Praktyczne ramy metalurgiczne diagnostyki HAZ")
- [14. Synteza: dlaczego metalurgia SWC decyduje o właściwościach stali spawanej](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/metalurgia-strefy-wp%C5%82ywu-ciep%C5%82a-podczas-spawania-stali#14-synteza-dlaczego-metalurgia-swc-decyduje-o-właściwościach-stali-spawanej "14. Synteza: dlaczego metalurgia SWC decyduje o właściwościach stali spawanej")

## 1. Czym jest strefa wpływu ciepła — i czym nie jest

### Definicja w odniesieniu do strefy wtopienia i niezmienionego materiału rodzimego

Strefa wpływu ciepła (SWC) to część materiału rodzimego, której mikrostruktura, właściwości lub jedno i drugie zostały zmienione przez ciepło spawania, lecz która nie uległa stopieniu. Znajduje się ona między granicą wtopienia a niezmienionym materiałem rodzimym. Strefa wtopienia jest czymś innym: jest to metal spoiny, który stał się ciekły, wymieszał się z ewentualnie stopionym materiałem rodzimym, a następnie zakrzepł. Jej struktura zależy głównie od warunków krzepnięcia, stopnia wymieszania, składu metalu spoiny i późniejszego chłodzenia.

Granica ta ma charakter metalurgiczny, a nie wyłącznie wizualny. Trawienie może ujawnić linię wtopienia, lecz SWC sięga poza nią, ponieważ ciepło przenika w głąb blachy, rury lub kształtownika. Metal znajdujący się bezpośrednio poza granicą wtopienia mógł osiągnąć temperaturę wyższą od górnego zakresu krytycznego i przed chłodzeniem całkowicie przekształcić się w austenit. W większej odległości temperatura szczytowa mogła być wystarczająca jedynie do rozdrobnienia istniejących ziaren, częściowej przemiany struktury, odpuszczenia martenzytu lub spowodowania rozrostu węglików. Jeszcze dalej temperatura mogła być zbyt niska, aby wywołać mierzalną zmianę.

![Metalurgia strefy wpływu ciepła podczas spawania stali](/images/uploads/8fb86a13-d1d2-4bec-93e6-674197b88553/wiki-inline-a-steel-plate-beside-a-weld-showing-nested-peak-temperature-contours-and-corresp-1920x1094.jpg)[](/images/uploads/8fb86a13-d1d2-4bec-93e6-674197b88553/wiki-inline-a-steel-plate-beside-a-weld-showing-nested-peak-temperature-contours-and-corresp-1920x1094.avif "Powiększ obraz — Metalurgia strefy wpływu ciepła podczas spawania stali")Distance from the weld corresponds to falling peak temperature, but the boundaries shift with the procedure.

SWC nie jest zatem ani metalem spoiny, ani niezmienionym materiałem rodzimym. Jest to termicznie zmieniony materiał rodzimy, pozostający w swoim pierwotnym położeniu. Jego skład chemiczny na ogół pozostaje składem stali rodzimej, choć opis ten może być bardziej złożony w pobliżu granicy wtopienia ze względu na miejscowe topienie, segregację, utlenianie, migrację węgla lub oddziaływanie z powłoką.

#### Zmienne cyklu cieplnego

Temperatura szczytowa

Określa, czy może wystąpić topienie, pełna austenityzacja, przemiana częściowa lub odpuszczanie.

Szybkość nagrzewania

Zmienia czas dostępny na dyfuzję, rozpuszczanie węglików i tworzenie austenitu.

Szybkość chłodzenia

Kontroluje konkurencję między tworzeniem ferrytu, perlitu, bainitu i martenzytu.

Historia ponownego nagrzewania

Podczas kolejnych przejść wprowadza odpuszczanie, rozdrobnienie, częściową re­austenityzację lub przeodpuszczanie.

### Dlaczego SWC jest mapą historii cieplnej, a nie pojedynczym materiałem

Powiązana terminologia stosowana do opisu podobszarów SWC konwencjonalnych stali ferrytycznych.
| Terminologia TWI | Terminologia NIST dotycząca stali rurociągowych | Definiująca ekspozycja cieplna |
|---|---|---|
| Rozrost ziaren | Gruboziarnista | Powyżej Ac3, przy znacznym rozroście ziaren austenitu |
| Rozdrobnienie ziaren | Drobnoziarnista | Powyżej Ac3, bez takiego samego stopnia rozrostu ziaren |
| Częściowo przemieniona lub międzykrytyczna | Międzykrytyczna | Między Ac1 a Ac3; częściowa austenityzacja |
| Odpuszczona | Przeodpuszczona | Poniżej Ac1; zmiękczenie lub rozrost wydzieleń i węglików |

Popularny schemat często przedstawia SWC jako wąski, jednorodny pas obok spoiny. Takie przedstawienie jest przydatne do jej zlokalizowania, lecz wprowadza w błąd jako opis jej budowy metalurgicznej. Każde położenie w SWC odwzorowuje inny cykl temperatura–czas. O tym, jakie reakcje mogą zajść, decydują temperatura szczytowa, czas przebywania w podwyższonej temperaturze, szybkość nagrzewania, szybkość chłodzenia oraz liczba cykli cieplnych.

TWI opisuje obszary SWC stali konwencjonalnych jako strefę rozrostu ziaren, strefę rozdrobnienia ziaren, strefę częściowej przemiany oraz strefę odpuszczoną, klasyfikowane na podstawie temperatury szczytowej i odległości od spoiny. W klasyfikacji stali rurociągowych przedstawionej w raporcie National Institute of Standards and Technology stosuje się blisko spokrewnione określenia: strefa gruboziarnista, drobnoziarnista, międzykrytyczna i nadmiernie odpuszczona. Nie są to odrębne stopy nanoszone warstwami. Są to gradienty właściwości w obrębie tej samej pierwotnej stali.

W strefie gruboziarnistej SWC temperatura szczytowa jest wystarczająco wysoka, aby ziarna austenitu znacznie się rozrosły. Podczas chłodzenia te duże ziarna wcześniejszego austenitu mogą prowadzić do powstania gruboziarnistej struktury przemiany o zmniejszonej odporności na pękanie kruche przez rozszczepienie, zależnie od składu i warunków chłodzenia. Strefa rozdrobnienia ziaren, nazywana także strefą drobnoziarnistą, osiąga zakres austenitu, lecz przy niższej temperaturze szczytowej lub przez krótszy efektywny czas; zachodzi rekrystalizacja lub tworzenie austenitu, ale bez tak znacznego rozrostu ziaren.

Mikrostruktura i twardość SWC stali ferrytycznych zależą przede wszystkim od szybkości chłodzenia w zakresie przemian, składu chemicznego i hartowności stali oraz wielkości wcześniejszych ziaren austenitu. Strong evidence

#### Nie należy wnioskować o strukturze SWC wyłącznie na podstawie temperatury szczytowej

Szybkość chłodzenia, skład chemiczny, hartowność, wielkość wcześniejszych ziaren austenitu i cykle ponownego nagrzewania mogą prowadzić do powstania różnych struktur w miejscach o podobnych temperaturach szczytowych.

Strefa częściowej przemiany, czyli strefa międzykrytyczna, osiąga temperaturę między dolną a górną temperaturą krytyczną przemiany. Tylko część pierwotnej struktury przekształca się w austenit. Podczas chłodzenia austenit ten może utworzyć nowy ferryt, bainit lub martenzyt, podczas gdy obszary nieprzekształcone zachowują swój wcześniejszy stan i mogą go modyfikować. W strefie odpuszczonej lub nadmiernie odpuszczonej temperatura szczytowa pozostaje niższa od temperatury pełnej austenityzacji, lecz jest wystarczająco wysoka, aby zmiękczyć lub spowodować rozrost wydzieleń umacniających i węglików. Obszar ten ma szczególne znaczenie w przypadku stali ulepszanych cieplnie oraz stopów odpornych na pełzanie.

Istotną zmienną nie jest wyłącznie temperatura szczytowa. TWI stwierdza, że mikrostruktura i twardość SWC stali ferrytycznych zależą przede wszystkim od szybkości chłodzenia w zakresie przemiany, składu stali i jej hartowności oraz wielkości ziaren wcześniejszego austenitu. Stal niskostopowa o odpowiedniej zawartości węgla i hartowności może podczas szybkiego chłodzenia utworzyć twardy bainit lub martenzyt, podczas gdy stal o mniejszej hartowności poddana temu samemu cyklowi cieplnemu może utworzyć ferryt i perlit. Gatunek nominalny nie uległ zmianie, lecz zmieniły się lokalna struktura i właściwości.

Uproszczona sekwencja historii cieplnej przedstawiająca etapy kształtujące SWC.

Δt8/5 **Δt8/5** Czas, w którym określone miejsce złącza spawanego stygnie od 800 °C do 500 °C; jest użytecznym parametrem zakresu przemian, ale nie przedstawia pełnej historii cieplnej.

Dlatego twardości, udarności, naprężenia resztkowego i podatności SWC na pękanie nie można określić na podstawie samego oznaczenia gatunku stali. Natężenie prądu spawania, napięcie łuku, prędkość spawania, geometria złącza, grubość blachy, podgrzewanie wstępne, temperatura międzyściegowa, stopień utwierdzenia oraz kolejność wykonywania ściegów wielościegowych zmieniają cykl cieplny. EN 1011-2 zawiera wytyczne dotyczące spawania łukowego stali ferrytycznych, z wyłączeniem ferrytycznych stali nierdzewnych, ponieważ takie zmienne należy kontrolować w odniesieniu do składu stali i jej spawalności, a nie traktować ich jako przypadkowych ustawień.

![Metalurgia strefy wpływu ciepła podczas spawania stali](/images/uploads/8fb86a13-d1d2-4bec-93e6-674197b88553/wiki-inline-a-steel-plate-beside-a-weld-showing-nested-peak-temperature-contours-and-corresp-1920x1094.jpg)[](/images/uploads/8fb86a13-d1d2-4bec-93e6-674197b88553/wiki-inline-a-steel-plate-beside-a-weld-showing-nested-peak-temperature-contours-and-corresp-1920x1094.avif "Powiększ obraz — Metalurgia strefy wpływu ciepła podczas spawania stali")Distance from the weld corresponds to falling peak temperature, but the boundaries shift with the procedure.

Chłodzenie często opisuje się za pomocą Δt8/5 — czasu potrzebnego do ochłodzenia danego miejsca od 800 °C do 500 °C. Dla wielu stali ferrytycznych przedział ten stanowi praktyczną miarę, ponieważ obejmuje znaczną część zakresu przemiany austenitu w ferryt, bainit lub martenzyt. Raport NIST dotyczący stali rurociągowych wiąże Δt8/5 z energią liniową, składem chemicznym, odległością od spoiny i grubością ścianki. Jest to użyteczny opis, lecz nie pełna karta identyfikacyjna SWC: dwa punkty mogą mieć zbliżone wartości Δt8/5, a jednocześnie różnić się temperaturą szczytową, wielkością ziaren wcześniejszego austenitu lub liczbą cykli ponownego nagrzewania.

### Jak temperatura szczytowa i odległość od spoiny wyznaczają strefy

Zmienne spawania zmieniają lokalny cykl cieplny SWC, a nie tylko jej widoczną szerokość.
| Zmienna procesu | Typowy efekt cieplny | Możliwy skutek w SWC |
|---|---|---|
| Większa energia liniowa spawania | Szersze pole cieplne i dłuższa ekspozycja | Większy rozrost ziaren i dłuższy czas chłodzenia |
| Podgrzewanie wstępne | Wyższa temperatura początkowa i mniejszy gradient | Zwykle dłuższy czas chłodzenia i większe odprowadzanie wodoru |
| Większa grubość | Inny trójwymiarowy przepływ ciepła | Zmieniona szybkość chłodzenia w porównaniu z cienkim materiałem |
| Sekwencja spawania wielościegowego | Dodatkowe nakładające się cykle cieplne | Odpuszczanie, rozdrobnienie, częściowa re­austenityzacja lub przeodpuszczanie |

Temperatura spada wraz z odległością od źródła ciepła, lecz spadek ten nie jest ani natychmiastowy, ani idealnie jednorodny. Granica wtopienia wyznacza miejsce, w którym lokalna temperatura szczytowa osiągnęła temperaturę likwidusu. Bezpośrednio poza nią temperatura szczytowa pozostaje wystarczająco wysoka, aby utworzyć gruboziarnistą SWC. W miarę oddalania się od spoiny temperatury szczytowe przechodzą przez zakres rozdrobnienia ziaren i zakres międzykrytyczny, a następnie osiągają zakres odpuszczania, zanim staną się zbyt niskie, aby wywołać wykrywalną zmianę w stali.

#### Mechanizmy uszkodzeń w zależności od lokalizacji

- **Pękanie wodorowe** Zwykle dotyczy podatnej na pękanie, twardej SWC w obecności wodoru dyfundującego i naprężeń rozciągających.
- **Pękanie likwacyjne** Powstaje w miejscowo stopionych granicach ziaren SWC lub w obszarach segregacji.
- **Pękanie krzepnięciowe** Powstaje przede wszystkim w krzepnącym metalu spoiny, a nie w niestopionej SWC.
- **Rozwarstwienie lamelarne** Jest związane z odkształceniem w kierunku grubości oraz z blachą podatną na działanie wtrąceń.
- **Pękanie podczas ponownego nagrzewania** Rozwija się podczas późniejszego nagrzewania lub eksploatacji w podwyższonej temperaturze w podatnych stopach.

\[1\] \[1\] [**Grade 91 Type IV cracking and simulated HAZ thermal cycles**](https://www.asminternational.org/). ASM International, Electric Power Research Institute. ASM International and EPRI proceedings, 2016.Granice tych stref przesuwają się wraz ze zmianą technologii spawania. Większa energia liniowa na ogół rozszerza pole cieplne i wydłuża czas dostępny na rozrost ziaren oraz przemiany. Podgrzewanie wstępne podnosi temperaturę początkową i zwykle wydłuża czas chłodzenia. Przekrój o dużej grubości odprowadza ciepło inaczej niż przekrój cienki. Kolejny ścieg może ponownie nagrzać wcześniej utworzoną SWC, powodując powstanie nowej strefy drobnoziarnistej lub międzykrytycznej wewnątrz pierwszego cyklu cieplnego albo obok niego. Następna obróbka cieplna po spawaniu (PWHT) może odpuścić martenzyt, zmniejszyć naprężenia i zmienić wydzielenia jednocześnie w kilku strefach.

Skutki mogą być poważne, choć nie muszą być jednakowe w całym obszarze. Stal gatunku 91, będąca martenzytycznym stopem odpornym na pełzanie, jest podatna na pękanie typu IV w SWC materiału rodzimego, szczególnie w strefach drobnoziarnistej i międzykrytycznej. ASM International i EPRI opisały tę podatność w 2016 roku; symulowane cykle cieplne wykazały również, że tworzenie się ferrytu w międzykrytycznej SWC może zmniejszać wytrzymałość na rozciąganie w wysokiej temperaturze. Miejscem podatnym na uszkodzenie nie jest zatem po prostu „spoina”, lecz określona, przekształcona część materiału rodzimego. \[2\] \[2\] [**Supermartensitic stainless-steel weld HAZ microstructures and environmental cracking**](https://www.twi-global.com/). TWI. TWI study, 2002.

Metalurgia SWC wpływa także na mechanizmy degradacji inne niż pękanie. Pękanie indukowane wodorem, pękanie likwacyjne, rozwarstwienie lamelarne i pękanie po ponownym nagrzaniu mają różne przyczyny i występują w różnych miejscach; pękanie krzepnięciowe dotyczy przede wszystkim krzepnącej strefy wtopienia, a nie automatycznie SWC. ESDEP wskazuje pękanie likwacyjne w SWC, pękanie indukowane wodorem i pękanie po ponownym nagrzaniu jako jedne z głównych problemów spawalności stali konstrukcyjnych. Nazywanie każdej nieciągłości spawalniczej „pękaniem SWC” zaciera jej mechanizm.

Zachowanie korozyjne podlega tej samej logice przestrzennej. W badaniu TWI z 2002 roku dotyczącym spoin z supermartenzytycznej stali nierdzewnej analizowano mikrostruktury SWC w odniesieniu do korozji, pękania korozyjnego naprężeniowego, pękania naprężeniowego w obecności siarczków, ponownego nagrzewania przez kolejne ściegi oraz PWHT. Miejscowe odpuszczanie, świeży martenzyt, zmiany wydzieleń i wpływ składu mogą sprawiać, że sąsiadujące obszary SWC będą odmiennie reagować podczas eksploatacji. ISO 13916:2025 określa pomiar temperatur podgrzewania wstępnego, temperatur międzyściegowych i temperatury utrzymania podgrzania wstępnego podczas spawania przetopowego, lecz wyłącza pomiar temperatury PWHT. Rozróżnienie to ma znaczenie, ponieważ zarówno spawanie, jak i późniejsze ponowne nagrzewanie przyczyniają się do powstania mapy historii cieplnej SWC.

## 2. Cykle cieplne: temperatura szczytowa, szybkość nagrzewania i czas chłodzenia

Historia cieplna stanowi zasadę organizującą metalurgię strefy wpływu ciepła (HAZ). Spoina nie wystawia całego sąsiadującego metalu podstawowego na działanie jednej temperatury przez taki sam czas. Każdy punkt podlega własnemu cyklowi: szybkiemu nagrzewaniu, osiągnięciu temperatury szczytowej, przebywaniu powyżej krytycznych temperatur przemian oraz chłodzeniu z szybkością, która stale zmienia się w czasie. HAZ jest zatem przestrzennie zróżnicowanym obszarem, a nie jednorodnym pasem. Jej lokalna struktura zależy od łącznego wpływu temperatury szczytowej, szybkości nagrzewania, szybkości chłodzenia, składu chemicznego stali, wielkości ziarna byłego austenitu, utwierdzenia oraz późniejszego ponownego nagrzewania.

W przypadku stali konwencjonalnych TWI wyróżnia, w zależności od temperatury szczytowej i odległości od spoiny, strefy rozrostu ziarna, rozdrobnionego ziarna, częściowo przekształconą lub interkrytyczną oraz odpuszczoną. W raporcie NIST dotyczącym stali rurociągowych stosuje się powiązane określenia: strefa grubego ziarna, drobnego ziarna, interkrytyczna oraz przeodpuszczona. Granice te są opisami metalurgicznymi, a nie stałymi odległościami mającymi zastosowanie do każdej spoiny. Zmiana energii łuku, geometrii złącza, grubości blachy lub prędkości spawania powoduje ich przesunięcie.

### Gradienty temperatury szczytowej w poprzek HAZ

Najwyższa temperatura szczytowa występuje bezpośrednio poza granicą wtopienia. W strefie rozrostu ziarna metal osiąga temperaturę wystarczającą do utworzenia austenitu i znacznego rozrostu jego ziaren przed przemianą podczas chłodzenia. Gruboziarnista struktura byłego austenitu może zmieniać produkty powstające podczas chłodzenia i obniżać lokalną udarność, nawet gdy sam metal spoiny spełnia określone wymagania.

W większej odległości od granicy wtopienia temperatura szczytowa spada. Strefa rozdrobnionego ziarna jest nagrzewana powyżej zakresu przemiany austenitycznej, ale nie przez taki sam czas ani do takiej samej temperatury jak obszar gruboziarnisty, dlatego zrekrystalizowane ziarna austenitu pozostają mniejsze. W strefie interkrytycznej tylko część pierwotnej struktury ferrytyczno-perlitycznej, bainitycznej lub odpuszczonej przekształca się w austenit. Obszary nieprzekształcone sąsiadują z nowo powstałym austenitem, a podczas chłodzenia uzyskują następnie inne składniki struktury. Jeszcze dalej temperatura szczytowa może pozostawać poniżej dolnej krytycznej temperatury przemiany. Metal ulega wówczas odpuszczaniu lub przeodpuszczaniu, a nie przemianie, co może obniżyć twardość i wytrzymałość stali ulepszanych cieplnie.

Gradient temperatury jest również gradientem czasowym. Punkt położony blisko granicy wtopienia szybko osiąga wyższą temperaturę szczytową i może pozostawać powyżej temperatury początku lub końca przemiany austenitycznej dłużej niż punkt położony dalej. Szybkość nagrzewania ma znaczenie, ponieważ kinetyka przemian nie zależy wyłącznie od temperatury szczytowej. Szybkie nagrzewanie może opóźniać reakcje kontrolowane dyfuzyjnie i zmieniać ilość materiału, która ulega przemianie podczas krótkotrwałego oddziaływania cieplnego. Wolniejszy cykl pozwala na dalszy przebieg redystrybucji węgla, rozpuszczania węglików i rozrostu ziaren.

Dlatego dwie lokalizacje o podobnych temperaturach szczytowych mogą mimo wszystko rozwinąć różne mikrostruktury. TWI stwierdza, że mikrostruktura i twardość HAZ zależą przede wszystkim od szybkości chłodzenia w zakresie przemian, składu chemicznego i hartowności stali oraz wielkości ziarna byłego austenitu. Twardość może wzrastać w miejscach, w których szybkie chłodzenie prowadzi do powstania martenzytu lub twardego bainitu, natomiast udarność może się obniżać wskutek grubych ziaren, kruchych składników struktury lub lokalnego wzbogacenia w węgiel. Z kolei wolny cykl może prowadzić do powstania bardziej miękkich struktur ferrytyczno-perlitycznych lub odpuszczonych, lecz nadmierne zmiękczenie może powodować minimum wytrzymałości obok obszarów twardszych.

### Znaczenie i ograniczenia Δt8/5

Symbol Δt8/5, często zapisywany jako Δt8/5 lub t8/5, oznacza czas chłodzenia upływający między temperaturą 800 °C a 500 °C. Jest to praktyczny parametr spawalniczy, ponieważ przedział ten często obejmuje ważne reakcje rozpadu austenitu w stalach ferrytycznych. Krótki czas Δt8/5 na ogół wskazuje na szybkie chłodzenie i zwiększa możliwość powstania martenzytu lub twardych składników bainitycznych w przypadku składu podatnego na hartowanie. Długi czas Δt8/5 na ogół umożliwia intensywniejszą przemianę dyfuzyjną i sprzyja powstawaniu bardziej miękkich struktur ferrytycznych lub bainitycznych. Rzeczywisty wynik nadal zależy jednak od rodzaju stali.

Raport NIST dotyczący stali rurociągowych bezpośrednio wiąże Δt8/5 z energią liniową, składem chemicznym, odległością od spoiny i grubością ścianki. Zależność ta ma kluczowe znaczenie: energia liniowa zmienia pole cieplne, skład chemiczny zmienia kinetykę przemian, odległość zmienia lokalną temperaturę szczytową i przepływ ciepła, a grubość ścianki zmienia drogi odprowadzania ciepła ze złącza. Grubszy element może odprowadzać ciepło inaczej niż cienka blacha, natomiast złącze utwierdzone, układ podkładki lub pobliska ścieg spoiny mogą zmieniać warunki brzegowe wymiany ciepła.

Δt8/5 nie stanowi pełnej historii cieplnej. Sprowadza krzywą chłodzenia do jednego przedziału czasowego i niewiele mówi o szybkości nagrzewania, dokładnej temperaturze szczytowej, czasie przebywania powyżej temperatury końca przemiany austenitycznej ani o chłodzeniu przed osiągnięciem 800 °C. Dwa cykle mogą mieć takie samo Δt8/5, lecz różne temperatury szczytowe i różne wielkości ziaren byłego austenitu. Mogą zatem prowadzić do powstania różnych udziałów martenzytu, bainitu, ferrytu lub perlitu. Parametr ten ma również ograniczone znaczenie dla obszarów, które nigdy nie osiągają temperatury austenityzacji, dla niektórych stali nierdzewnych, w których przemiany różnią się od przemian zachodzących w stalach węglowo-manganowych, oraz dla obszarów ponownie nagrzewanych, których wcześniejsza struktura została już zmieniona.

Z tego względu Δt8/5 powinien wspierać, a nie zastępować, badania metalograficzne, mapowanie twardości oraz odpowiedni wykres ciągłego chłodzenia lub symulację cieplną spawania. Jest to zmienna sterująca, a nie uniwersalny predyktor mikrostruktury.

### Energia liniowa, grubość blachy, utwierdzenie i ponowne nagrzewanie podczas spawania wielościegowego

Nominalną energię liniową oblicza się zwykle na podstawie natężenia prądu spawania, napięcia i prędkości spawania, z uwzględnieniem współczynnika sprawności, gdy jest to właściwe. Opisuje ona energię dostarczaną na jednostkę długości, lecz nie określa jednoznacznie lokalnego cyklu cieplnego HAZ. Ta sama wartość nominalna może generować różne pola temperatury w grubym utwierdzonym złączu, cienkiej blasze, rurze z dużym odpływem ciepła lub złączu podgrzewanym wstępnie. Znaczenie mają również kształt ściegu, sprawność łuku, temperatura międzyściegowa, przygotowanie złącza oraz odprowadzanie ciepła do zacisków lub podkładki.

Skład chemiczny zmienia reakcję na dany cykl. Równoważnik węgla, dodatki stopowe i hartowność określają, jak łatwo austenit przekształca się w martenzyt lub bainit podczas chłodzenia. Stal niskostopowa o takim samym zmierzonym Δt8/5 jak stal o mniejszej hartowności może utworzyć twardszą HAZ. Znaczenie ma również wcześniejsze oddziaływanie cieplne. Odpuszczony martenzyt, znormalizowana struktura ferrytyczno-perlityczna i bainityczna stal rurociągowa nie rozpoczynają nowego cyklu z takiego samego stanu mikrostrukturalnego.

Grubość blachy lub ścianki zmienia przepływ ciepła w trzech wymiarach. Cienki materiał może szybko tracić ciepło przez swoje powierzchnie, podczas gdy gruby element gromadzi więcej ciepła i może chłodzić się inaczej w miarę postępu spawania. Podgrzewanie wstępne zmniejsza gradient temperatury i zwykle wydłuża czas chłodzenia. Utwierdzenie nie zmienia wyłącznie temperatury; zwiększa również naprężenia działające podczas skurczu HAZ oraz dyfuzji wodoru przez twardy i potencjalnie kruchy obszar. Pękanie wodorowe różni się zatem od pękania krzepnięciowego w metalu spoiny, pękania lamelarnego związanego z odkształceniem w kierunku grubości i wtrąceniami, pękania likwacyjnego w pobliżu częściowo stopionych granic ziaren oraz pękania po podgrzewaniu podczas późniejszego nagrzewania. ESDEP wskazuje pękanie likwacyjne HAZ, pękanie wodorowe i pękanie po podgrzewaniu jako jedne z głównych problemów spawalności stali konstrukcyjnych.

ISO 13916:2025 obejmuje pomiar temperatur podgrzewania wstępnego, międzyściegowej i utrzymania podgrzewania wstępnego podczas spawania metodami stapiającymi, ale wyklucza pomiar temperatury obróbki cieplnej po spawaniu. Strong evidence

![Metalurgia strefy wpływu ciepła podczas spawania stali](/images/uploads/3493078c-aebe-4e73-b398-1d30ba71f2d1/wiki-inline-a-multipass-steel-weld-showing-overlapping-thermal-cycles-that-reheat-and-modify-1920x1288.jpg)[](/images/uploads/3493078c-aebe-4e73-b398-1d30ba71f2d1/wiki-inline-a-multipass-steel-weld-showing-overlapping-thermal-cycles-that-reheat-and-modify-1920x1288.avif "Powiększ obraz — Metalurgia strefy wpływu ciepła podczas spawania stali")Later passes can temper, refine or partially reaustenitize material altered by earlier passes.

Spawanie wielościegowe wprowadza nowe cykle cieplne, zanim złącze ostygnie do stanu końcowego. Późniejszy ścieg może odpuszczać, rozdrabniać ziarno, częściowo ponownie austenityzować lub przeodpuszczać HAZ utworzoną przez wcześniejszy ścieg. Jego temperatura szczytowa zmienia się w poprzek poprzedniego ściegu i HAZ, dlatego w jednym miejscu może dojść do zmiękczenia, podczas gdy w innym zachodzi ponowny rozrost ziaren lub przemiana interkrytyczna. Stal Grade 91 ilustruje to następstwo: ASM International i EPRI poinformowały w 2016 roku, że pękanie typu IV jest związane z HAZ metalu podstawowego, zwłaszcza z obszarami drobnoziarnistym i interkrytycznym. Symulowane cykle wykazały również, że powstawanie ferrytu w interkrytycznej HAZ może obniżać wytrzymałość na rozciąganie w wysokiej temperaturze.

Różnice metalurgiczne między głównymi obszarami SWC stali ferrytycznych.
| Podobszar SWC | Warunki austenityzacji | Prawdopodobna przemiana lub wpływ na właściwości |
|---|---|---|
| SWC gruboziarnista | Powyżej Ac3, przy temperaturze szczytowej wystarczająco wysokiej do rozrostu ziaren | Grube wcześniejsze ziarna austenitu; możliwe obniżenie udarności |
| SWC drobnoziarnista | Powyżej Ac3, bez wyraźnego rozrostu ziaren | Drobniejsza struktura po przemianie, lecz twardość nadal zależna od składu chemicznego |
| SWC międzykrytyczna | Między Ac1 a Ac3 | Mieszana struktura przemieniona i nieprzemieniona; możliwe miejscowe zmiękczenie |
| SWC przeodpuszczona | Poniżej Ac1 | Odpuszczanie, rozrost węglików oraz obniżenie twardości lub wytrzymałości |

Ta sama zasada wykracza poza zagadnienia wytrzymałości i pękania. W badaniu TWI z 2002 roku dotyczącym spoin ze stali nierdzewnej supermartenzytycznej analizowano strukturę HAZ w odniesieniu do korozji, pękania korozyjnego naprężeniowego, pękania naprężeniowego wywołanego siarczkami, ponownego nagrzewania przez kolejne ściegi oraz obróbki cieplnej po spawaniu (PWHT). Dlatego kontrolę temperatury należy mierzyć, a nie zakładać. Norma ISO 13916:2025 określa pomiar temperatury podgrzewania wstępnego, temperatury międzyściegowej i temperatury podtrzymania podgrzewania wstępnego podczas spawania metodami stapiającymi, lecz wyłącza pomiar temperatury PWHT. Norma EN 1011-2 obejmuje spawanie łukowe stali ferrytycznych, z wyłączeniem ferrytycznych stali nierdzewnych. Łącznie to cykl cieplny — a nie sama nominalna energia liniowa — stanowi istotne ogniwo łączące procedurę spawania, lokalną strukturę i zachowanie podczas eksploatacji.

## 3. Austenityzacja i konwencjonalne podstrefy SWC

Austenityzacja **Austenityzacja** Przemiana ferrytu, perlitu, bainitu lub odpuszczonego martenzytu w austenit podczas nagrzewania przez zakres temperatur krytycznych.

Konwencjonalny podział strefy wpływu ciepła (SWC) w stali ferrytycznej opiera się na maksymalnej temperaturze osiągniętej podczas spawania, a nie na stałej odległości mierzonej od granicy wtopienia. Punkt znajdujący się blisko spoiny może zostać nagrzany powyżej górnej temperatury krytycznej Ac3 i przed chłodzeniem całkowicie przekształcić się w austenit. Punkt położony dalej może przejść tylko przez zakres międzykrytyczny między Ac1 a Ac3, podczas gdy inny punkt może pozostać poniżej Ac1 i przejść jedynie cykl odpuszczania. Granice te są zatem konturami cieplnymi, a nie ostrymi liniami metalurgicznymi.

TWI opisuje SWC stali konwencjonalnych jako strefy gruboziarnistą, drobnoziarnistą, częściowo przekształconą i odpuszczoną, klasyfikowane na podstawie temperatury szczytowej oraz odległości od spoiny. NIST stosuje zbliżone określenia w odniesieniu do stali rurociągowych: strefy gruboziarnistą, drobnoziarnistą, międzykrytyczną i przeodpuszczoną. Ta sama spoina może zawierać wszystkie te obszary, jednak ich szerokość zmienia się w zależności od energii liniowej łuku, prędkości spawania, grubości ścianki blachy lub rury, geometrii złącza, temperatury podgrzewania wstępnego oraz przewodności cieplnej stali.

![Metalurgia strefy wpływu ciepła podczas spawania stali](/images/uploads/8c840b4a-254c-4391-a640-acaff84e8269/wiki-inline-a-polished-and-etched-steel-haz-microstructure-showing-adjacent-ferrite-pearlite-1520x1920.jpg)[](/images/uploads/8c840b4a-254c-4391-a640-acaff84e8269/wiki-inline-a-polished-and-etched-steel-haz-microstructure-showing-adjacent-ferrite-pearlite-2027x2560.avif "Powiększ obraz — Metalurgia strefy wpływu ciepła podczas spawania stali")Cooling rate and steel chemistry determine which transformation products form from austenite.

Austenityzacja jest zasadniczym zjawiskiem w cieplejszej części SWC. Podczas nagrzewania przez Ac1 ferryt oraz wszelki perlit, bainit lub odpuszczony martenzyt zaczynają przekształcać się w austenit. Powyżej Ac3 stal niskowęglowa podeutektoidalna jest nominalnie austenityczna, choć szybkość nagrzewania, segregacja składników stopowych, nierozpuszczone węgliki i wcześniejsza mikrostruktura wpływają na stopień całkowitości tego przekształcenia. Wzrost ziaren zależy następnie zarówno od temperatury, jak i od czasu. Krótki cykl spawania może spowodować znaczne rozrost ziaren, ponieważ temperatury w pobliżu granicy wtopienia są wyjątkowo wysokie, mimo że czas oddziaływania wynosi zaledwie kilka sekund.

Grube wcześniejsze ziarna austenitu mogą obniżać udarność, natomiast warunki chłodzenia określają, czy powstaną twardsze produkty bainityczne lub martenzytyczne. Strong evidence

### SWC gruboziarnista lub z rozrostem ziaren

SWC gruboziarnista (CGHAZ) leży bezpośrednio poza granicą wtopienia w konwencjonalnych stalach ferrytycznych. Jej temperatura szczytowa przekracza Ac3 i jest wystarczająco wysoka, aby uruchomić szybki wzrost ziaren austenitu; w wielu opisach strefa ta sięga zakresu zbliżonego do temperatury solidusu, jednak pozostaje w stanie stałym i nie należy do strefy wtopienia. Austenit powstaje w całej pierwotnej osnowie ferrytycznej, a pierwotne granice ziaren ferrytu przestają wyznaczać strukturę po przekształceniu. Podczas chłodzenia w obrębie powiększonych ziaren pierwotnego austenitu powstają ferryt, perlit, bainit lub martenzyt, zależnie od składu chemicznego i szybkości chłodzenia.

Duże ziarna pierwotnego austenitu zmniejszają całkowitą powierzchnię granic dostępną do zarodkowania podczas przemiany. Może to opóźniać dyfuzyjne powstawanie ferrytu i zwiększać hartowność w ramach lokalnego cyklu cieplnego. Przy dostatecznie szybkim chłodzeniu w stali niskostopowej może zatem powstać bainit lub martenzyt w CGHAZ, nawet jeśli niezmieniona płyta ma strukturę ferrytyczno-perlityczną. Na tę reakcję wpływają zawartość węgla, manganu, chromu, molibdenu i niklu, dodatki mikrostopy oraz bor. Węglikoazotki tytanu, niobu i wanadu mogą ograniczać wzrost austenitu, jeśli pozostają stabilne, jednak nadmierne rozpuszczanie w wysokiej temperaturze usuwa ten efekt blokowania.

Rezultatem nie jest po prostu „twardsza SWC”. Grube ziarna pierwotnego austenitu mogą obniżać udarność przez zwiększenie efektywnego rozmiaru płaszczyzn przełomu łupliwego oraz przez umożliwienie powstawania niekorzystnych produktów przemiany. Twarda CGHAZ może być również podatna na pękanie wywołane wodorem, gdy jednocześnie występują wodór dyfundujący, rozciągające naprężenia własne i mikrostruktura o dostatecznej podatności na pękanie. Szybkość chłodzenia pozostaje czynnikiem decydującym. TWI wskazuje szybkość chłodzenia w zakresie przemiany, skład chemiczny i hartowność oraz wielkość ziaren pierwotnego austenitu jako główne czynniki kontrolujące mikrostrukturę i twardość SWC.

W przypadku stali rurociągowych praktycznym parametrem chłodzenia jest często Δt8/5, czyli czas wymagany do ochłodzenia danego miejsca od 800 °C do 500 °C. Krótki Δt8/5 zasadniczo oznacza szybsze chłodzenie i większą skłonność do powstawania produktów bainitycznych lub martenzytycznych; długa wartość umożliwia intensywniejszą przemianę dyfuzyjną i odpuszczanie. Zależność ta nie jest uniwersalna ani jednowymiarowa. W raporcie NIST dotyczącym stali rurociągowych stwierdzono, że Δt8/5 zależy od energii liniowej, składu chemicznego, odległości od spoiny i grubości ścianki. W konsekwencji dwa punkty znajdujące się w tej samej nominalnej odległości od spoiny mogą mieć różne historie chłodzenia w przypadku różnych geometrii rur lub procedur spawania.

### SWC drobnoziarnista lub z rozdrobnieniem ziaren

SWC drobnoziarnista (FGHAZ) osiąga temperaturę szczytową powyżej Ac3, dlatego jej struktura ulega znacznemu lub całkowitemu austenityzowaniu, lecz temperatura szczytowa pozostaje poniżej zakresu powodującego wyraźny rozrost ziaren austenitu. Ziarna austenitu pozostają mniejsze niż w CGHAZ. Podczas chłodzenia ta drobniejsza struktura pierwotnego austenitu zapewnia większą liczbę miejsc zarodkowania i zazwyczaj sprzyja powstaniu drobniejszej struktury ferrytyczno-bainitycznej lub martenzytycznej.

Określenie „drobnoziarnista” nie gwarantuje małej twardości ani wysokiej udarności. Szybki cykl cieplny w stali o wysokiej hartowności może nadal prowadzić do powstania twardego bainitu lub martenzytu. Z kolei powolny cykl może skutkować powstaniem bardziej miękkiego ferrytu i perlitu. W porównaniu z CGHAZ FGHAZ jest często korzystniejsza pod względem właściwości mechanicznych, ponieważ jej składniki po przemianie są drobniejsze, jednak lokalna udarność zależy od rzeczywistego produktu przemiany, zawartości węgla, wtrąceń, segregacji i historii ponownego nagrzewania.

Wiele ściegów spoiny komplikuje ten obraz. Kolejny ścieg może nagrzać część wcześniej utworzonej CGHAZ do zakresu austenitycznego charakterystycznego dla drobnych ziaren lub do zakresu międzykrytycznego, tworząc wąskie pasmo o strukturze odmiennej zarówno od pierwotnej CGHAZ, jak i od niezmienionego materiału podstawowego. Nazewnictwo SWC opisuje zatem konkretny cykl cieplny, a nie trwałą etykietę przypisaną określonemu fragmentowi stali.

### Strefy międzykrytyczne, częściowo przekształcone i przeodpuszczone

SWC międzykrytyczna (ICHAZ) osiąga temperaturę szczytową między Ac1 a Ac3. Tylko część pierwotnej mikrostruktury przekształca się w austenit. W stali ferrytyczno-perlitycznej preferencyjnemu przekształceniu ulegają składniki perlityczne lub wzbogacone w węgiel oraz wybrane obszary ferrytu, podczas gdy część ferrytu pozostaje nieprzekształcona. Podczas chłodzenia nowo powstały austenit może przekształcić się w ferryt, bainit lub martenzyt, natomiast nieprzekształcony ferryt zachowuje odrębną historię cieplną. Ta mieszana struktura może powodować wyraźne lokalne różnice twardości i odporności na odkształcenie na bardzo małych odległościach.

ICHAZ ma szczególne znaczenie w żarowytrzymałej stali Grade 91, nominalnie oznaczanej jako X10CrWMoVNb9-2 zgodnie z EN 10088-1 i powszechnie określanej w praktyce inżynierskiej jako Grade 91 lub P91. ASM International i EPRI podały w 2016 roku, że stal Grade 91 jest podatna na pękanie typu IV w SWC materiału podstawowego, szczególnie w strefach drobnoziarnistych i międzykrytycznych. Symulacje cykli cieplnych wykazały również, że powstawanie ferrytu w międzykrytycznej SWC może obniżać wytrzymałość na rozciąganie w wysokiej temperaturze. Pękanie typu IV nie jest zatem równoznaczne ze zwykłym pękaniem wodorowym: jest problemem uszkodzeń pełzaniowych związanym ze zmiękczoną, zmienioną mikrostrukturalnie SWC podczas długotrwałej eksploatacji.

Poniżej Ac1 nie zachodzi objętościowa austenityzacja, jednak nadal mogą wystąpić istotne zmiany. W normalizowanej stali ferrytycznej strefę tę można określić jako podkrytyczną SWC. W stali ulepszanej cieplnie, hartowanej i odpuszczanej, cykl cieplny spawania może odpuszczać martenzyt, powodować rozrost węglików i obniżać twardość. Jeśli temperatura szczytowa i czas wygrzewania są dostatecznie wysokie, strefę określa się jako odpuszczoną lub przeodpuszczoną. Jej wytrzymałość może się zmniejszyć, mimo że nie powstaje nowy austenit. W gatunkach umacnianych wydzieleniowo lub żarowytrzymałych rozpuszczanie, rozrost bądź redystrybucja faz umacniających mogą mieć większe znaczenie niż przemiana ferrytu.

Ponowne nagrzewanie przez kolejne ściegi dodatkowo zwiększa złożoność tego obrazu. Wcześniej zahartowany obszar może zostać odpuszczony przez kolejny ścieg; wcześniej odpuszczony obszar może ulec częściowej reaustenityzacji, a pasmo międzykrytyczne może zostać ponownie nagrzane do innego zakresu przemiany. Spoiny stali nierdzewnych supermartenzytycznych pokazują, dlaczego SWC nie można traktować wyłącznie jako gradientu wytrzymałości. W badaniu TWI z 2002 roku analizowano ich mikrostrukturę SWC w odniesieniu do korozji, pękania korozyjnego naprężeniowego, pękania naprężeniowego w obecności siarczków, ponownego nagrzewania przez kolejne ściegi oraz obróbki cieplnej po spawaniu (PWHT). Cykl cieplny może zmieniać rozkład chromu, odpuszczanie martenzytu i udział austenitu szczątkowego, wpływając zarówno na właściwości mechaniczne, jak i na zachowanie korozyjne.

EN 1011-2 zawiera wytyczne dotyczące spawania łukowego stali ferrytycznych, z wyłączeniem ferrytycznych stali nierdzewnych, natomiast ISO 13916:2025 określa sposób pomiaru temperatury podgrzewania wstępnego, temperatury międzyściegowej i temperatury utrzymania podgrzewania wstępnego podczas spawania metodami stapiania; norma ta nie obejmuje pomiaru temperatury podczas PWHT. Kontrola tych parametrów ma znaczenie, ponieważ konwencjonalne strefy są konsekwencją historii cieplnej. Nie można ich wiarygodnie definiować wyłącznie na podstawie odległości.

![Metalurgia strefy wpływu ciepła podczas spawania stali](/images/uploads/8c840b4a-254c-4391-a640-acaff84e8269/wiki-inline-a-polished-and-etched-steel-haz-microstructure-showing-adjacent-ferrite-pearlite-1520x1920.jpg)[](/images/uploads/8c840b4a-254c-4391-a640-acaff84e8269/wiki-inline-a-polished-and-etched-steel-haz-microstructure-showing-adjacent-ferrite-pearlite-2027x2560.avif "Powiększ obraz — Metalurgia strefy wpływu ciepła podczas spawania stali")Cooling rate and steel chemistry determine which transformation products form from austenite.

## 4. Produkty przemian i mikrostruktura HAZ

Strefa wpływu ciepła (HAZ) nie uzyskuje jednej, jednolitej struktury. Każde miejsce obok granicy wtopienia doświadcza innej temperatury maksymalnej, innego czasu przebywania powyżej temperatur krytycznych oraz innej drogi chłodzenia w zakresie przemiany austenitu w ferryt. W stalach konwencjonalnych TWI dzieli HAZ na strefy rozrostu ziaren, rozdrobnienia ziaren, przemiany częściowej oraz odpuszczania, zgodnie z temperaturą maksymalną i odległością od spoiny. W opisach dotyczących rurociągów często stosuje się dla tej samej progresji przestrzennej określenia: strefa gruboziarnista, drobnoziarnista, międzykrytyczna i przeodpuszczona.

Możliwe produkty przemian przy różnych warunkach chłodzenia i ponownego nagrzewania.
| Warunki chłodzenia | Możliwe produkty dominujące | Typowa tendencja właściwości |
|---|---|---|
| Stosunkowo wolne | Ferryt poligonalny i perlit | Mniejsza twardość; możliwe zmiękczenie |
| Pośrednie | Bainit górny, dolny lub ziarnisty | Twardość od pośredniej do wysokiej, zależnie od morfologii i składu chemicznego |
| Szybkie | Martenzyt, często z bainitem lub ferrytem | Większa twardość i większe zagrożenie pękaniem wodorowym |
| Ponowne nagrzewanie poniżej temperatury krytycznej | Odpuszczony martenzyt lub bainit | Obniżenie twardości i wytrzymałości wskutek odpuszczania |

Określenia te opisują oddziaływanie cieplne, a nie gwarantowane właściwości. Region drobnoziarnisty może być bardziej ciągliwy niż sąsiadujący region gruboziarnisty, jednak jego twardość nadal zależy od składu chemicznego i szybkości chłodzenia. Region określany jako martenzytyczny może mieć wysoką twardość, lecz jego podatność na pękanie zależy od zawartości węgla, wodoru, stopnia skrępowania, stanu odpuszczenia i naprężeń lokalnych. Nazwy faz są niezbędne, ale nie pozwalają przewidywać właściwości.

### Powstawanie ferrytu, perlitu, bainitu i martenzytu

Po podgrzaniu stali ferrytycznej powyżej górnej temperatury krytycznej pierwotny ferryt i perlit przemieniają się w austenit. Temperatura maksymalna decyduje o ilości powstającego austenitu oraz o stopniu rozrostu jego ziaren. Podczas późniejszego chłodzenia austenit ulega rozpadowi w wyniku konkurujących ze sobą reakcji przemiany. Szybkość chłodzenia często opisuje się za pomocą Δt8/5 — czasu, w którym materiał stygnie od 800 °C do 500 °C. Jest to praktyczny parametr spawalniczy, ponieważ znaczna część przemiany austenitu w stalach węglowych i niskostopowych zachodzi w tym zakresie lub w jego pobliżu.

Przy stosunkowo wolnym chłodzeniu przemiana dyfuzyjna prowadzi do powstania ferrytu poligonalnego, po którym często tworzy się perlit. Węgiel odrzucany przez rosnący ferryt wzbogaca pozostały austenit, umożliwiając wspólne powstawanie ferrytu i cementytu w postaci perlitu. W HAZ ferryt może jednak mieć ukierunkowane ułożenie, strukturę Widmanstättena lub inną morfologię nieizometryczną, ponieważ granice ziaren austenitu i gradient temperatury wpływają na zarodkowanie oraz wzrost. Powstała morfologia ma znaczenie. Dwa regiony mogą być określone jako ferrytyczno-perlityczne, a mimo to znacznie różnić się wielkością ziaren, rozmieszczeniem cementytu i udarnością.

Przy pośrednich szybkościach chłodzenia przemiana bainityczna może zastąpić znaczną część reakcji ferrytyczno-perlitycznej. Bainit tworzy się poniżej zakresu temperatur, w którym dominuje zwykły ferryt poligonalny i perlit, ale powyżej zakresu, w którym powstaje martenzyt w wyniku bezdyfuzyjnego ścinania. Bainit górny i bainit dolny nie są określeniami zamiennymi: różnią się morfologią ferrytu oraz układem węglików, przy czym bainit dolny na ogół charakteryzuje się drobniejszym rozproszeniem węglików. W badaniach metalograficznych spoin można również wyróżnić bainit ziarnisty lub ferryt bainityczny — terminy te odnoszą się do morfologii i reakcji na trawienie, a nie do jednej, uniwersalnej struktury.

Szybkie chłodzenie hamuje dyfuzyjny ruch węgla i może prowadzić do przemiany austenitu w martenzyt. Martenzyt jest przesyconą i odkształconą postacią ferrytu, powstającą w wyniku przemiany bezdyfuzyjnej. W niskowęglowych stalach konstrukcyjnych może występować jako martenzyt listwowy, często wymieszany z bainitem lub ferrytem; materiał o większej zawartości węgla może tworzyć twardsze i bardziej kruche regiony martenzytyczne. Świeży, nieodpuszczony martenzyt ma szczególne znaczenie w przypadku pękania wywołanego wodorem, ponieważ wysoka twardość, rozciągające naprężenia własne i wodór dyfundujący mogą działać łącznie. Podgrzewanie wstępne i kontrolowany dopływ ciepła wydłużają czas chłodzenia, lecz same w sobie nie dowodzą, że uniknięto powstania martenzytu.

Kolejne przejście spawalnicze może zmienić każdy z tych produktów przemiany. Podgrzewanie wtórne może odpuszczać martenzyt, rozdrabniać poprzednią HAZ lub powodować jej częściową ponowną austenityzację, a także wytwarzać region międzykrytyczny zawierający nowo powstały austenit obok nieprzemienionego ferrytu. Obróbka cieplna po spawaniu może odpuszczać martenzyt i zmniejszać naprężenia własne, natomiast nadmierne oddziaływanie cieplne może zmiękczać odpuszczone regiony i zmieniać rozmieszczenie węglików. Ostateczny przekrój jest zatem zapisem nakładających się cykli cieplnych, a nie tylko efektu chłodzenia po pierwszym przejściu.

Hartowność **Hartowność** Zdolność stali do tworzenia martenzytu w całym przekroju w określonych warunkach chłodzenia; różni się od maksymalnej osiągalnej twardości.

NIST podaje, że wartość Δt8/5 w stalach rurociągowych zależy od energii liniowej, składu chemicznego, odległości od spoiny i grubości ścianki. Zależność ta ma istotne znaczenie: ta sama nominalna procedura spawania może prowadzić do powstania różnych struktur przy granicy wtopienia, na krawędzi gruboziarnistej HAZ oraz dalej w głąb blachy. Energia liniowa nie stanowi pełnej historii cieplnej, ponieważ na lokalny cykl wpływają również sprawność łuku, geometria złącza, stopień skrępowania i temperatura międzyściegowa.

### Wielkość ziaren pierwotnego austenitu i hartowność

Wielkość ziaren pierwotnego austenitu oznacza wielkość ziaren austenitu obecnych bezpośrednio przed przemianą podczas chłodzenia. Nie jest ona tym samym co końcowa wielkość ziaren ferrytu. W gruboziarnistej HAZ wysokie temperatury maksymalne i długotrwałe przebywanie powyżej zakresu rozrostu ziaren austenitu umożliwiają ich wzrost. Granice ziaren zapewniają wówczas mniej miejsc zarodkowania dyfuzyjnego ferrytu, dlatego przemiana może zostać opóźniona do niższych temperatur. Niższe temperatury przemiany i ograniczone zarodkowanie mogą sprzyjać powstawaniu bainitu lub martenzytu, szczególnie gdy stal ma znaczną hartowność.

Hartowność opisuje głębokość lub zakres, w jakim stal może tworzyć martenzyt przy określonych warunkach chłodzenia; nie jest tym samym co maksymalna możliwa do uzyskania twardość. Pierwiastki stopowe, takie jak mangan, chrom, molibden i nikiel, na ogół opóźniają przemiany ferrytu i perlitu, przesuwając przemianę ku dłuższym czasom na wykresie przemian przy chłodzeniu ciągłym. Bor może znacznie zwiększać hartowność, jeżeli jest zachowany w odpowiednim stanie na granicach ziaren austenitu. Węgiel zwiększa twardość martenzytu i wpływa również na hartowność, lecz jego oddziaływania nie można rozpatrywać w oderwaniu od pozostałego składu chemicznego.

Wielkość ziaren zmienia tę równowagę. Duże ziarna pierwotnego austenitu często zwiększają hartowność, ponieważ zmniejszają całkowitą powierzchnię granic ziaren dostępną do zarodkowania ferrytu i perlitu. Mogą również obniżać ciągliwość wskutek powstawania większych pakietów końcowej przemiany lub jednostek skutecznych dla przełomu łupliwego. Drobne ziarna pierwotnego austenitu zwykle sprzyjają wcześniejszej przemianie dyfuzyjnej i zapewniają drobniejszą strukturę po przemianie, chociaż region drobnoziarnisty nadal może stać się twardy, jeśli szybkość chłodzenia i zawartość pierwiastków stopowych są wystarczające.

**Równoważnik węgla IIW**

Wzór

CEIIW = C + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15

Podstawa

Udziały masowe

Interpretacja

Wyższe wartości na ogół wskazują na większą hartowność i ryzyko zahartowania SWC

Ograniczenie

Parametr do wstępnej oceny, a nie zamiennik analizy cyklu cieplnego

Z tego powodu TWI wskazuje szybkość chłodzenia, skład chemiczny stali i hartowność oraz wielkość ziaren pierwotnego austenitu jako główne czynniki kontrolujące mikrostrukturę i twardość HAZ. Ta sama wartość twardości może wynikać z różnych udziałów martenzytu, bainitu i ferrytu, którym towarzyszą różne mechanizmy pękania. Odwrotnie, jednakowe udziały martenzytu nie gwarantują jednakowej ciągliwości, ponieważ mogą różnić się wielkością pakietów, zawartością węgla, ilością wtrąceń i stanem odpuszczenia.

Gatunek 91 pokazuje, jak niebezpieczne jest traktowanie HAZ jako jednego pasma martenzytycznego. Gatunek 91 jest podatny na pękanie typu IV w HAZ metalu rodzimego, szczególnie w regionach drobnoziarnistych i międzykrytycznych, jak podali ASM International i EPRI w 2016 roku. Regiony te nie są po prostu najtwardszą częścią spoiny. Długotrwałe uszkodzenia pełzaniowe koncentrują się w miejscach, w których cykl cieplny, a następnie odpuszczanie lub częściowa przemiana prowadzą do powstania lokalnej mikrostruktury o mniejszej wytrzymałości. Symulowane cykle cieplne wykazały również, że powstawanie ferrytu w międzykrytycznej HAZ może obniżać wytrzymałość na rozciąganie w wysokiej temperaturze.

### Równoważniki węgla i przemiany zależne od składu chemicznego

Wzory na równoważnik węgla sprowadzają wpływ kilku pierwiastków stopowych do jednego wskaźnika spawalności. Równoważnik węgla IIW, powszechnie zapisywany jako:

CEIIW=C+Mn6+Cr+Mo+V5+Ni+Cu15

wykorzystuje udziały masowe wyrażone w procentach. Wyższa wartość na ogół wskazuje na większą hartowność i większe prawdopodobieństwo powstawania twardych składników HAZ w określonym cyklu chłodzenia. Wzory CET i Pcm są alternatywnymi systemami równoważnika węgla, stosowanymi dla określonych zakresów stali niskostopowych i ocen spawalniczych. Nie można ich stosować zamiennie bez uwzględnienia normy lub procedury, w której zostały określone.

Równoważnik węgla jest zatem parametrem przesiewowym, a nie zamiennikiem analizy cyklu cieplnego. Dwie stale o podobnej wartości CEIIW mogą wykazywać różne zachowanie podczas przemiany, ponieważ ich pierwiastki stopowe w różny sposób wpływają na reakcje ferrytu, bainitu i martenzytu. Ni, Cr, Mo, Mn, V, Nb, Ti i B wpływają również na wydzielanie faz, rozrost ziaren austenitu oraz reakcję na odpuszczanie. Rzeczywista HAZ zależy od temperatury maksymalnej, Δt8/5, wielkości ziaren pierwotnego austenitu i historii ponownego nagrzewania, a także od składu chemicznego materiału rodzimego.

EN 1011-2 dotyczy spawania łukowego stali ferrytycznych, z wyłączeniem ferrytycznych stali nierdzewnych, i wykorzystuje skład chemiczny oraz warunki spawania do wspomagania kontroli ryzyka pękania wodorowego. Pomiary temperatury wymagają odrębnego podejścia: ISO 13916:2025 określa pomiar temperatury podgrzewania wstępnego, temperatury międzyściegowej i temperatury utrzymania podgrzania podczas spawania metodą stapiania, lecz nie obejmuje pomiaru temperatury obróbki cieplnej po spawaniu. Ani wartość równoważnika węgla, ani odczyt temperatury międzyściegowej nie identyfikują samodzielnie końcowego składu fazowego.

Zasada zależności przemian od składu chemicznego wykracza poza stale konstrukcyjne węglowe i niskostopowe. Omówienie spoin supermartenzytycznych stali nierdzewnych przedstawione przez TWI w 2002 roku wiąże mikrostruktury HAZ z korozją, korozją naprężeniową, pękaniem naprężeniowym w obecności siarczków, ponownym nagrzewaniem przez kolejne przejścia oraz obróbką cieplną po spawaniu (PWHT). W takich stalach odtwarzanie austenitu, odpuszczanie martenzytu oraz obecność austenitu zatrzymanego lub odtworzonego mogą zmieniać zarówno odporność korozyjną, jak i wytrzymałość. Metalurgia HAZ określa zatem więcej niż tylko twardość: może kontrolować lokalną ciągliwość, wytrzymałość na pełzanie, reakcję na wodór i zachowanie korozyjne.

## 5. Twardość, ciągliwość i wytrzymałość w całej SWC

Strefa wpływu ciepła (SWC; HAZ) nie ma jednej wartości twardości ani jednej odpowiedzi mechanicznej. Obejmuje sekwencję obszarów uformowanych przez różne temperatury maksymalne i przebiegi chłodzenia: strefy z rozrostem ziaren, rozdrobnieniem ziaren, częściową transformacją lub przemianą międzykrytyczną oraz strefy odpuszczone lub przeodpuszczone. TWI opisuje te obszary jako podobszary konwencjonalnych stali, wyznaczone na podstawie temperatury maksymalnej i odległości od linii wtopienia. W opisie stali rurociągowych opracowanym przez National Institute of Standards and Technology (NIST) stosuje się blisko spokrewnione określenia: SWC z ziarnem grubym, ziarnem drobnym, międzykrytyczna oraz przeodpuszczona.

Każdy obszar ma własną wielkość ziaren byłego austenitu, produkty przemian, naprężenia własne i odpowiedź na kolejne cykle cieplne. Pomiar twardości wzdłuż przekroju rejestruje zatem gradient przestrzenny, a nie pojedynczą właściwość „SWC”. Twardość może wzrosnąć w pobliżu linii wtopienia, zmniejszyć się w obszarze międzykrytycznym i ponownie się zmienić tam, gdzie metal rodzimy został odpuszczony bez pełnej reautentytyzacji. Wytrzymałość na rozciąganie, udarność i ciągliwość wykazują powiązane, lecz nieidentyczne tendencje.

### Dlaczego twardość zmienia się wraz z szybkością chłodzenia

Zasadnicza zależność wskazywana przez TWI zachodzi między szybkością chłodzenia, składem chemicznym stali, hartownością oraz wielkością ziaren byłego austenitu. Zmienne te określają, jakie przemiany wystąpią podczas chłodzenia austenitu w zakresie przemian. Szybki cykl cieplny może zahamować dyfuzyjne powstawanie ferrytu i perlitu, pozostawiając bainit lub martenzyt. Wolniejszy cykl zapewnia węglowi i dodatkom stopowym więcej czasu na dyfuzję, często prowadząc do powstania bardziej miękkich struktur ferrytycznych lub perlitycznych. Rezultatem jest wyższa albo niższa twardość, nie jest ona jednak prostą miarą wszystkich pozostałych właściwości mechanicznych.

Cykle cieplne spawania często opisuje się za pomocą Δt8/5, czyli czasu chłodzenia od 800 °C do 500 °C. Przedział ten jest praktycznym wskaźnikiem dla stali ferrytycznych, ponieważ znaczna część przemiany austenitu zachodzi w tym zakresie lub w jego pobliżu. NIST podaje, że Δt8/5 zależy od energii liniowej, składu chemicznego, odległości od spoiny i grubości ścianki. Nie jest to uniwersalna stała materiałowa. Przekrój gruby może zatrzymywać ciepło i chłodzić się wolniej niż przekrój cienki przy pozostałych podobnych warunkach spawania; podobny wpływ mają podgrzewanie wstępne i temperatura międzyściegowa.

Skład chemiczny zmienia reakcję materiału na dany czas chłodzenia. Węgiel zwiększa zdolność do tworzenia martenzytu, natomiast dodatki stopowe, takie jak mangan, chrom, molibden i nikiel, zmieniają hartowność oraz kinetykę przemian. Znaczenie ma również wielkość ziaren byłego austenitu. Grube ziarna austenitu zapewniają mniej miejsc zarodkowania dla produktów przemian dyfuzyjnych i mogą sprzyjać powstawaniu twardszych produktów przemian przy określonym cyklu chłodzenia. Taka sama nominalna wartość Δt8/5 może zatem prowadzić do różnej twardości w dwóch gatunkach stali albo w dwóch obszarach SWC tego samego elementu, jeśli różnią się temperaturami maksymalnymi i strukturą ziaren.

Twarda SWC zwykle wskazuje na obecność martenzytu, bainitu lub innej struktury umocnionej przemianowo. Obserwacja ta jest istotna, ale sama twardość nie dowodzi obecności określonej fazy. Do takiej interpretacji potrzebne są badania metalograficzne, znajomość zawartości węgla, procedury spawania i historii chłodzenia. Wysoka twardość może współwystępować ze zmniejszoną udarnością i zwiększoną podatnością na pękanie indukowane wodorem, gdy obecne są również wodór dyfuzyjny i naprężenia rozciągające wynikające z więzów. Nieprawidłowe jest określanie każdego twardego obszaru jako pęknięcia ani każdego pęknięcia obok spoiny jako „pęknięcia SWC”. ESDEP wyróżnia pękanie likwacyjne SWC, pękanie indukowane wodorem i pękanie podczas wyżarzania odprężającego jako odrębne problemy spawalności; pękanie krzepnięciowe i rozwarstwienie blaszkowe są z kolei odrębnymi mechanizmami.

Kontrola podgrzewania wstępnego i temperatury międzyściegowej wpływa na przebieg chłodzenia oraz wydzielanie się wodoru. EN 1011-2 obejmuje spawanie łukowe stali ferrytycznych, z wyłączeniem ferrytycznych stali nierdzewnych, i zawiera wytyczne dotyczące kontroli warunków cieplnych spawania oraz ryzyka pękania. ISO 13916:2025 określa pomiar temperatur podgrzewania wstępnego, temperatury międzyściegowej i temperatury utrzymania podgrzania podczas spawania poprzez stapianie, lecz nie obejmuje pomiaru temperatury podczas obróbki cieplnej po spawaniu. Rozróżnienia te mają znaczenie, gdy wynik pomiaru twardości porównuje się z kwalifikowaną procedurą spawania.

### Utrata udarności w obszarach z ziarnem grubym

SWC z ziarnem grubym (CGHAZ) osiąga temperaturę wystarczającą do ponownej austenityzacji stali i rozrostu ziaren byłego austenitu. Rozrost ziaren zmniejsza liczbę skutecznych barier dla kruchego pękania przez rozszczepienie i może prowadzić do powstawania dużych pakietów bainitycznych lub martenzytycznych, zależnie od składu chemicznego i szybkości chłodzenia. W związku z tym CGHAZ może wykazywać niższą energię udarności Charpy’ego lub wyższą temperaturę przejścia ciągliwość–kruchość, nawet gdy jej wytrzymałość na rozciąganie jest wysoka.

Twardości i udarności nie należy traktować jako właściwości wymiennych. Twardsza struktura może mieć większą granicę plastyczności i wytrzymałość na rozciąganie, jednocześnie pochłaniając mniej energii udarowej przed pęknięciem. Z drugiej strony obszar o umiarkowanej twardości może charakteryzować się niską udarnością, jeśli jego wielkość ziaren, wtrącenia, lokalna segregacja lub składniki martenzytyczno-austenityczne tworzą łatwe drogi propagacji pęknięcia. Obszar z ziarnem grubym często stanowi krytyczne miejsce w ocenie pękania w niskiej temperaturze, lecz dokładne położenie strefy najsłabszej zależy od gatunku stali i cyklu cieplnego.

Drugi ścieg spawalniczy może częściowo przekształcić lub odpuścić materiał nagrzany przez pierwszy ścieg. To ponowne nagrzanie może rozdrobnąć lub odpuścić niektóre struktury, pozostawiając sąsiednie grube ziarna bez zmian. W spoinach wielościegowych SWC jest zatem nałożeniem wielu historii cieplnych, a nie granicą utworzoną przez pojedynczy ścieg. Obróbka cieplna po spawaniu może zmniejszyć naprężenia własne i odpuścić składniki martenzytyczne, lecz nie odtwarza pierwotnej drobnoziarnistej struktury metalu rodzimego.

Gatunek 91 pokazuje, dlaczego należy osobno analizować lokalną udarność i wytrzymałość w wysokiej temperaturze. W opracowaniu ASM International i EPRI z 2016 r. opisano podatność na pękanie typu IV w SWC metalu rodzimego, szczególnie w obszarach drobnoziarnistych i międzykrytycznych. Symulowane cykle cieplne wykazały, że powstawanie ferrytu w międzykrytycznej SWC może zmniejszać wytrzymałość na rozciąganie w wysokiej temperaturze. Obszar podatny na uszkodzenie nie musi zatem być najtwardszą ani najbardziej gruboziarnistą częścią złącza. W warunkach pełzania stosunkowo miękkie pasmo drobnoziarniste może gromadzić odkształcenie i uszkodzenia obok materiału o większej wytrzymałości.

### Zmiękczenie, lokalna ciągliwość i gradienty właściwości

Międzykrytyczna SWC jest nagrzewana powyżej dolnej krytycznej temperatury przemiany, lecz niewystarczająco wysoko, aby cała mikrostruktura przekształciła się w austenit. Ponownej austenityzacji ulega tylko część struktury. Podczas chłodzenia nowo powstałe produkty przemian rozwijają się obok ferrytu lub odpuszczonych składników, które przetrwały cykl. Powstała mieszanina może mieć niższą twardość niż sąsiadująca CGHAZ, szczególnie gdy pierwotna stal była hartowana i odpuszczana albo umacniana wydzieleniowo.

Strefa przeodpuszczona doświadcza podkrytycznego cyklu cieplnego. Nie ulega ponownej austenityzacji, lecz węgliki mogą się rozrastać, wydzielenia mogą tracić działanie umacniające, a wcześniej umocnione składniki mogą ulec dalszemu odpuszczaniu. Lokalna twardość i granica plastyczności mogą się zmniejszyć. To zmiękczone pasmo może stać się preferowanym miejscem odkształcenia podczas rozciągania, zginania lub pełzania eksploatacyjnego. Większa lokalna ciągliwość nie czyni automatycznie złącza bezpieczniejszym: odkształcenie koncentruje się w tym miejscu, ponieważ sąsiednie obszary pozostają mocniejsze, a narastające odkształcenie może sprzyjać uszkodzeniom typu IV, inicjacji zmęczeniowej lub zniszczeniu na granicy metalurgicznej.

Wytrzymałość na rozciąganie opisuje maksymalne naprężenie nominalne osiągnięte podczas próby rozciągania. Granica plastyczności opisuje początek znacznego odkształcenia plastycznego. Twardość jest lokalną odpornością na wciskanie i często służy jako szybki wskaźnik wytrzymałości, lecz nie może zastąpić próby rozciągania. Ciągliwość opisuje odkształcenie plastyczne lub wydłużenie przed pęknięciem. Udarność opisuje pochłanianie energii i odporność na propagację pęknięcia w określonych warunkach badania. Właściwości te mogą zmieniać się w różnych kierunkach w obrębie tej samej SWC.

Minimum twardości obok spoiny może wskazywać na przeodpuszczenie lub zmiękczenie międzykrytyczne, natomiast maksimum twardości może wskazywać na przemianę martenzytyczną i ryzyko pękania wodorowego. Żaden z tych wyników sam w sobie nie określa lokalnej odporności na pękanie, trwałości zmęczeniowej ani wytrzymałości eksploatacyjnej. Profil twardości należy interpretować wraz z makrostrukturą, mikrostrukturą, badaniami rozciągania lub zginania, badaniami udarności, jeśli są wymagane, oraz z uwzględnieniem przewidywanej temperatury eksploatacji i rodzaju obciążenia.

Ponowne nagrzewanie przez kolejne ściegi i PWHT dodatkowo modyfikują te gradienty. W badaniu TWI z 2002 r. dotyczącym spoin z supermartenzytycznej stali nierdzewnej analizowano mikrostruktury SWC w odniesieniu do korozji, pękania korozyjnego naprężeniowego, pękania naprężeniowego w obecności siarczków, ponownego nagrzewania przez kolejne ściegi oraz PWHT. Przykład ten pokazuje, że mapowania właściwości mechanicznych nie można oddzielić od oceny zachowania w środowisku: zmiękczone lub przekształcone pasmo może również różnić się potencjałem korozyjnym, stabilnością warstwy pasywnej i absorpcją wodoru. SWC jest zatem zróżnicowanym obszarem mechanicznym i chemicznym, a ryzyko decydujące o zniszczeniu określają lokalna struktura oraz działające warunki eksploatacji.

## 6. Mechanizmy pękania SWC w stalach węglowych i niskostopowych

Pękanie w pobliżu spoiny nie jest pojedynczym zdarzeniem metalurgicznym. ASM International i European Steel Design Education Programme (ESDEP) klasyfikują pęknięcia spawalnicze według ich położenia, czasu powstania i siły napędowej: niektóre tworzą się w stanie stałym w SWC po spawaniu, inne powstają podczas krzepnięcia metalu spoiny lub miejscowo stopionego metalu rodzimego, a jeszcze inne pojawiają się dopiero podczas ponownego nagrzewania lub eksploatacji. Rozróżnienie to ma znaczenie, ponieważ pęknięcie obok linii wtopienia może być spowodowane przez wodór, likwację na granicach ziaren, skurcz krzepnięcia, uszkodzenia pełzaniowe albo utratę ciągliwości w kierunku przez grubość.

Strefa wpływu ciepła (HAZ) ma gradient cieplny, a nie jedną, jednolitą strukturę. Obszary stali konwencjonalnej są zwykle opisywane jako strefy o rozroście ziaren, rozdrobnieniu ziaren, częściowej przemianie lub międzykrytyczne oraz odpuszczone lub przeodpuszczone. Klasyfikacja NIST dla stali rurociągowych obejmuje strefy gruboziarniste, drobnoziarniste, międzykrytyczne i przeodpuszczone. Każde miejsce doświadcza innej temperatury maksymalnej i innego przebiegu chłodzenia. Praktyczny parametr chłodzenia Δt8/5 — czas chłodzenia od 800 °C do 500 °C — pomaga powiązać cykle cieplne z produktami przemian, chociaż jego zastosowanie zależy od gatunku stali i procesu spawania. W raporcie NIST dotyczącym rurociągów wskazano energię liniową spawania, skład chemiczny, odległość od spoiny i grubość ścianki jako czynniki wpływające na Δt8/5.

Szybkość chłodzenia, skład chemiczny, hartowność i wielkość ziaren wcześniejszego austenitu kontrolują powstającą mikrostrukturę i twardość HAZ. Krótki czas chłodzenia może prowadzić do powstania martenzytu lub bainitu w hartowalnej stali węglowej albo niskostopowej; dłuższy czas może umożliwić powstanie ferrytu, perlitu lub odpuszczonych produktów przemian. Powstała struktura decyduje o tym, czy może zainicjować się pęknięcie, czy może się ono propagować oraz czy naprężenia wynikające z utwierdzenia są wystarczające, aby utrzymać je w stanie otwartym. Podgrzewanie wstępne i kontrola temperatury międzyściegowej zmieniają cykl cieplny, ale nie eliminują potrzeby oceny składu chemicznego stali, utwierdzenia złącza i kontroli wodoru. EN 1011-2 obejmuje spawanie łukowe stali ferrytycznych, z wyłączeniem ferrytycznych stali nierdzewnych. ISO 13916:2025 określa pomiar temperatur podgrzewania wstępnego, temperatur międzyściegowych i temperatur utrzymania podgrzewania wstępnego podczas spawania metodami stapiającymi; nie określa pomiaru temperatury obróbki cieplnej po spawaniu.

### Pękanie wodorowe lub pękanie na zimno

Pękanie wodorowe, nazywane także pękaniem na zimno lub pękaniem opóźnionym, występuje po zakrzepnięciu spoiny i ochłodzeniu przyległej HAZ. Jego charakterystyczny czas wystąpienia różni się zatem od czasu wystąpienia pękania na gorąco, chociaż pęknięcie może zostać wykryte dopiero kilka godzin po spawaniu. W opracowaniach ASM mechanizm ten jest na ogół wiązany z trzema współdziałającymi warunkami: obecnością wodoru dyfundującego, podatną na pękanie twardą lub kruchą mikrostrukturą oraz naprężeniami rozciągającymi. Utwierdzenie i naprężenia związane z przemianami w spoinie tworzą lokalne pole naprężeń; naprężenia własne mogą pozostawać wysokie nawet wtedy, gdy zewnętrznie przyłożone obciążenie wynosi zero.

Wodór przedostaje się do jeziorka spawalniczego z wilgoci, zanieczyszczeń, otulin topnikowych, środków smarnych lub innych źródeł związanych z procesem. Po zakrzepnięciu wodór atomowy dyfunduje przez spoinę i HAZ. Może gromadzić się przy wtrąceniach, granicach ziaren wcześniejszego austenitu, granicach martenzytu, dyslokacjach i innych obszarach o wysokich lokalnych naprężeniach. Dokładny mechanizm pękania zależy od gatunku stali, mikrostruktury i sposobu obciążenia, dlatego nie należy przyjmować jednej uniwersalnej wartości progowej dla wodoru. Wodór zmniejsza odporność twardej, naprężonej mikrostruktury na pękanie; nie działa niezależnie od utwierdzenia ani podatności metalurgicznej.

Najbardziej podatną na pękanie HAZ jest często strefa gruboziarnista lub inna strefa, w której podczas szybkiego chłodzenia powstaje nieodpuszczony martenzyt albo twarda struktura bainityczna. Duże ziarna wcześniejszego austenitu mogą obniżać udarność i zapewniać łatwiejszą drogę propagacji pęknięcia. Strefy drobnoziarnista i międzykrytyczna również mogą ulegać uszkodzeniom, szczególnie gdy lokalna twardość, naprężenia własne lub obciążenie eksploatacyjne są niekorzystne. W jednej spoinie może zatem występować różne ryzyko pękania wodorowego w różnych odległościach od granicy wtopienia.

Orientacja pęknięcia odzwierciedla pole naprężeń i geometrię złącza. Wzdłużne lub poprzeczne pęknięcia mogą występować w metalu spoiny, natomiast pęknięcia w HAZ mogą przebiegać równolegle do granicy wtopienia albo rozciągać się od lica spoiny w głąb zahartowanego metalu rodzimego. Obszary początku i zakończenia spawania, podtopienia oraz nagłe zmiany utwierdzenia złącza powodują koncentrację naprężeń. Opóźniona kontrola nie stanowi dowodu na mechanizm wodorowy, ale opóźnione pojawienie się pęknięcia jest użytecznym sygnałem ostrzegawczym.

Kontrola powinna przebiegać zgodnie z łańcuchem przyczynowym: należy zmniejszyć zawartość wodoru dyfundującego, unikać nadmiernej twardości HAZ oraz ograniczyć lub kontrolować rozciągające utwierdzenie i naprężenia własne. Suche materiały dodatkowe i czyste powierzchnie złącza ograniczają dopływ wodoru. Podgrzewanie wstępne spowalnia chłodzenie i umożliwia wydostanie się wodoru, zanim HAZ osiągnie stan niskiej temperatury i wysokich naprężeń. Wygrzewanie po spawaniu może wspomagać usuwanie wodoru, jeżeli przewiduje je instrukcja technologiczna spawania, natomiast obróbka cieplna po spawaniu może odpuszczać podatne struktury i zmniejszać naprężenia własne. Środki te należy dobierać do gatunku i grubości materiału; nie można ich zastępować ogólną regułą dotyczącą temperatury.

### Pękanie likwacyjne, krzepnięciowe i przy powtórnym nagrzewaniu

Pękanie likwacyjne jest pękaniem na gorąco w HAZ, zwykle wzdłuż granic ziaren, które zostały miejscowo stopione przez cykl cieplny spawania, ale znajdują się poza główną strefą wtopienia. Pęknięcie powstaje, gdy podczas chłodzenia i skurczu ta cienka warstwa cieczy zostaje rozciągnięta. Segregujące zanieczyszczenia, składniki eutektyczne o niskiej temperaturze topnienia, wtrącenia lub obszary granic ziaren wzbogacone w składniki stopowe mogą obniżać lokalną temperaturę topnienia. HAZ może zatem pękać, mimo że zasadnicza część metalu rodzimego nie uległa stopieniu.

Mechanizm ten różni się od pękania krzepnięciowego w strefie wtopienia. W przypadku pękania krzepnięciowego ciekły metal spoiny w strefie wtopienia krzepnie między rosnącymi dendrytami. Segregacja składników i ograniczone zasilanie pozostawiają słabą sieć granic zawierających ciecz; następnie skurcz metalu spoiny otwiera obszar międzydendrytyczny. Pęknięcie znajduje się w osadzonym lub stopionym metalu spoiny, a nie w niestopionej HAZ. Pęknięcie przebiegające wzdłuż granicy wtopienia wymaga rozważenia obu możliwości: miejscowo stopiony materiał HAZ wskazuje na pękanie likwacyjne, natomiast przebieg międzydendrytyczny przez metal spoiny wskazuje na pękanie krzepnięciowe. W miejscach nakładania się granicy wtopienia i pola cieplnego HAZ mogą występować pęknięcia mieszane.

ESDEP wymienia pękanie likwacyjne HAZ, pękanie wodorowe i pękanie przy powtórnym nagrzewaniu wśród głównych problemów spawalności stali konstrukcyjnych. Podatność na pękanie likwacyjne zależy od składu chemicznego metalu rodzimego, segregacji, wielkości ziaren, temperatury maksymalnej i odkształcenia cieplnego. Duże ziarna zapewniają długie drogi wzdłuż granic ziaren, natomiast powtarzające się cykle cieplne mogą ponownie stopić lub osłabić wcześniej nagrzane obszary. Istotną siłą napędową jest odkształcenie rozciągające podczas chłodzenia w wysokiej temperaturze, a nie wodór dyfundujący nagromadzony po zakrzepnięciu.

Pękanie przy powtórnym nagrzewaniu występuje podczas późniejszego oddziaływania cieplnego, zazwyczaj w trakcie obróbki cieplnej odprężającej lub eksploatacji w podwyższonej temperaturze. Jest to pękanie w stanie stałym, często międzykrystaliczne, w uprzednio spawanej HAZ lub strefie spoiny. Wydzielanie faz i zdrowienie mogą wzmacniać wnętrza ziaren, pozostawiając granice ziaren względnie słabe; następnie relaksacja naprężeń własnych i odkształcenie pełzaniowe koncentrują odkształcenie na tych granicach. Podatność jest związana z określonymi układami stopowymi oraz warunkami występowania zanieczyszczeń lub wydzieleń, dlatego nie można jej wnioskować wyłącznie na podstawie obecności spoiny ani twardości w temperaturze pokojowej.

Gatunek Grade 91 pokazuje, dlaczego HAZ należy traktować jako zespół kilku obszarów mikrostrukturalnych. ASM International i EPRI poinformowały w 2016 roku, że Grade 91 jest podatna na pękanie typu IV w HAZ metalu rodzimego, szczególnie w strefach drobnoziarnistej i międzykrytycznej. Uszkodzenie typu IV jest pełzaniowym pękaniem w temperaturze eksploatacji, a nie typowym wodorowym pękaniem na zimno. Symulowane cykle cieplne wykazały, że powstawanie ferrytu w międzykrytycznej HAZ może obniżać wytrzymałość na rozciąganie w wysokiej temperaturze. Ponowne nagrzewanie przez kolejne ściegi i PWHT dodatkowo zmieniają wydzielenia, stan odpuszczenia oraz lokalną wytrzymałość, dlatego ostateczna podatność na pękanie zależy od pełnej historii cieplnej spawania.

### Pękanie lamelarne i podatność w kierunku grubości

Pękanie lamelarne jest mechanizmem pękania metalu rodzimego związanym z odkształceniem rozciągającym prostopadłym do powierzchni walcowanej blachy. Zwykle rozwija się pod utwierdzoną spoiną, szczególnie wokół złącza teowego, złącza narożnego lub dużego elementu mocowanego, gdy skurcz spoiny przeciąga blachę w kierunku jej grubości. Droga pęknięcia ma na ogół charakter schodkowy lub tarasowy: pęknięcie propaguje przez wydłużone wtrącenia i łączy je obszarami ciągliwego ścinania.

Decydującą właściwością materiału jest ciągliwość w kierunku grubości, a nie wyłącznie poprzeczna wytrzymałość na rozciąganie lub twardość HAZ. Walcowana blacha zawiera wtrącenia niemetaliczne — historycznie głównie siarczek manganu, a także wtrącenia tlenkowe lub krzemianowe zależnie od technologii wytwarzania stali — które podczas walcowania ulegają spłaszczeniu i ukierunkowaniu. Wtrącenia te działają jako miejsca zarodkowania pustek, gdy blacha jest odkształcana w kierunku krótkim poprzecznym. Czysta stal, zawierająca mniej pasm wtrąceń lub pasma o mniejszym nasileniu, wykazuje mniejszą podatność, natomiast duże utwierdzenie, gruba blacha, duża objętość metalu spoiny i niekorzystna konstrukcja złącza zwiększają przyłożone odkształcenie w kierunku grubości.

Pękanie lamelarne może zainicjować się w metalu rodzimym pod HAZ i zostać pomylone z pęknięciem HAZ, ponieważ pęknięcie znajduje się blisko spoiny. Jego siłą napędową są odkształcenia skurczowe spoiny i ograniczenie odkształceń działające przez grubość blachy; wodór nie jest warunkiem definiującym ten mechanizm. Nie jest również konieczna twarda martenzytyczna HAZ. Położenie metalograficzne, morfologia pęknięcia, ukierunkowanie wtrąceń i kierunek przyłożonego odkształcenia pozwalają odróżnić je od pękania wodorowego i likwacyjnego.

#### Podgrzewanie wstępne zależy od procedury

Nie należy traktować podgrzewania wstępnego jako uniwersalnego rozwiązania. Nadmierne podgrzewanie może powiększać obszar nagrzany, sprzyjać rozrostowi ziaren lub zmiękczeniu oraz zakłócać działanie stali umacnianych wydzieleniowo albo ulepszanych cieplnie.

Zmiany konstrukcji i technologii mogą ograniczyć odkształcenie: należy tak orientować złącza, aby unikać przeciągania przez grubość blachy, ograniczać nadmierną objętość spoiny, stosować odpowiednie rozwiązania konstrukcyjne złącza, kontrolować utwierdzenie oraz, jeżeli jest to wymagane, dobierać blachę o zweryfikowanych właściwościach w kierunku grubości. Naprawa spoiny polegająca wyłącznie na usunięciu widocznej oznaki na powierzchni może nie ujawnić podpowierzchniowego pęknięcia powiązanego z wtrąceniami. Badanie musi obejmować objętość blachy wokół elementu mocowanego, a nie tylko linię wtopienia.

## 7. Podgrzewanie wstępne, kontrola temperatury międzyściegowej i zmienne procesu spawania

### Cel metalurgiczny podgrzewania wstępnego

Podgrzewanie wstępne jest środkiem kontroli cieplnej, a nie uniwersalnym rozwiązaniem problemów dotyczących SWC. Podnosi temperaturę złącza przed doprowadzeniem ciepła łuku, zmniejszając gradient temperatury między jeziorkiem spawalniczym a otaczającą stalą. Bezpośrednim skutkiem jest wolniejsze chłodzenie w zakresie przemian. W stalach ferrytycznych taka zmiana może zapobiec powstaniu nadmiernie twardej martenzytycznej lub bainitycznej SWC, zależnie od składu chemicznego, hartowności, wielkości ziarna wcześniejszego austenitu oraz rzeczywistego cyklu cieplnego.

Przydatnym opisem jest Δt8/5: czas wymagany do ochłodzenia punktu w złączu spawanym od 800 °C do 500 °C. Przedział ten obejmuje istotną część rozkładu austenitu w wielu stalach, chociaż nie stanowi pełnego opisu każdego stopu ani każdych warunków spawania. Krótki Δt8/5 na ogół wskazuje na szybkie chłodzenie i większe ryzyko powstania twardych, kruchych produktów przemiany; dłuższy przedział umożliwia w większym stopniu przemianę dyfuzyjną i oddziaływanie odpuszczające. National Institute of Standards and Technology (NIST) podaje, że wartość Δt8/5 dla stali rurociągowych zależy od energii liniowej spawania, składu chemicznego, odległości od spoiny oraz grubości ścianki. Podgrzewanie wstępne zmienia tę zależność, modyfikując temperaturę początkową i przepływ ciepła do metalu rodzimego.

Podgrzewanie wstępne pomaga również w kontroli wodoru. Wodór wprowadzony przez wilgoć, zanieczyszczenia powierzchni, materiały dodatkowe lub problemy z gazem osłonowym może dyfundować z obszarów austenitycznych lub twardych SWC, zanim stal osiągnie niską temperaturę. Zmniejsza to stężenie wodoru dostępnego do połączenia z rozciągającymi naprężeniami własnymi i podatną mikrostrukturą. Skutek ten jest jednak warunkowy. Podgrzewanie wstępne nie może zrekompensować mokrych elektrod, zanieczyszczonych powierzchni złącza, nadmiernego utwierdzenia ani zastosowania stali, dla której dana technologia spawania prowadzi do niedopuszczalnej twardości. Pękanie indukowane wodorem jest odrębnym mechanizmem, a nie określeniem każdego pęknięcia występującego w pobliżu spoiny.

Określenia temperatury, których nie należy traktować jako wymiennych.
| Określenie temperatury | Kiedy ma zastosowanie | Cel |
|---|---|---|
| Temperatura podgrzewania wstępnego | Przed rozpoczęciem spawania lub określonego odcinka spoiny | Ustala początkowy stan cieplny |
| Temperatura międzyściegowa | Bezpośrednio przed ułożeniem kolejnego ściegu | Kontroluje kumulację ciepła między ściegami |
| Temperatura utrzymania podgrzewania wstępnego | Podczas przerwy lub między operacjami | Zapobiega spadkowi temperatury złącza poniżej określonego minimum |
| Temperatura obróbki cieplnej po spawaniu | Podczas późniejszej obróbki cieplnej po spawaniu | Wymaga odrębnego pomiaru i kontroli |

Wymaganą temperaturę dobiera się zatem na podstawie składu chemicznego stali, grubości wyrobu, stopnia utwierdzenia, kontroli wodoru, procesu spawania oraz kwalifikowania technologii. Nadmierne podgrzewanie wstępne ma również własne wady. Może wydłużyć czas chłodzenia na tyle, że dojdzie do rozrostu ziaren, zmniejszenia miejscowej wytrzymałości, nadmiernego zmiękczenia stali odpuszczanych oraz powiększenia obszaru narażonego na działanie podwyższonej temperatury. W stalach ulepszanych cieplnie zbyt wysoka temperatura cyklu może odpuścić SWC metalu rodzimego. W gatunkach umacnianych wydzieleniowo lub odpornych na pełzanie może zakłócić zamierzony rozkład wydzieleń.

SWC pozostaje przestrzennie zróżnicowana mimo określenia jednej wartości temperatury podgrzewania wstępnego. Bezpośrednio przy granicy wtopienia w konwencjonalnej stali może powstać obszar gruboziarnisty po zadziałaniu wysokich temperatur maksymalnych. W większej odległości obszary drobnoziarnisty, międzykrytyczny oraz odpuszczony lub przeodpuszczony doświadczają innych temperatur maksymalnych i przebiegów przemian. TWI wyróżnia te cztery podobszary w stalach konwencjonalnych na podstawie temperatury maksymalnej i odległości od spoiny. Podgrzewanie wstępne zmienia ich historię chłodzenia, ale nie czyni ich metalurgicznie identycznymi.

### Temperatura międzyściegowa i akumulacja ciepła

Temperatura podgrzewania wstępnego jest minimalną temperaturą ustaloną w złączu przed rozpoczęciem spawania lub przed rozpoczęciem wykonywania określonego odcinka spoiny. Temperatura międzyściegowa jest temperaturą obszaru spoiny bezpośrednio przed ułożeniem kolejnego ściegu. Temperatura utrzymania podgrzewania wstępnego jest minimalną temperaturą, którą należy utrzymywać w przypadku przerwania spawania lub gdy złącze musi pozostać nagrzane między operacjami. Terminów tych nie należy traktować jako wzajemnie zamiennych.

Kontrola temperatury międzyściegowej reguluje akumulację ciepła. W spoinie wielościegowej drugi i kolejne ściegi ponownie nagrzewają wcześniej ułożony metal spoiny oraz przyległą SWC. Wysoka temperatura międzyściegowa oznacza, że kolejny cykl cieplny rozpoczyna się z wyższego poziomu temperatury wyjściowej, co zwykle spowalnia chłodzenie i zmniejsza Δt8/5. Może również narażać wcześniejsze ściegi na wielokrotne odpuszczanie lub częściową reaustenityzację. Powstała mikrostruktura może zawierać wąskie pasma o różnej twardości i udarności, oddalone od siebie zaledwie o kilka milimetrów.

Maksymalne ograniczenie temperatury międzyściegowej jest często równie ważne jak wymaganie dotyczące minimalnej temperatury podgrzewania wstępnego. Jeżeli zostanie przekroczone, zakumulowane ciepło może spowodować nadmierny rozrost ziaren, zmiękczenie lub zmniejszenie udarności, szczególnie w stalach ulepszanych cieplnie i stalach odpornych na pełzanie. Jeżeli temperatura spadnie poniżej określonego minimum, może ponownie wystąpić szybkie chłodzenie i ryzyko pękania wodorowego. Prawidłowa wartość jest zależna od technologii, a nie jest stałą właściwością procesu spawania.

Gatunek Grade 91 pokazuje, dlaczego proste reguły temperaturowe zawodzą. W badaniu ASM International i EPRI z 2016 roku opisano pękanie typu IV w SWC metalu rodzimego, szczególnie w obszarach drobnoziarnistych i międzykrytycznych. Obszary te nie są pasmem gruboziarnistym często przedstawianym na uproszczonych schematach. Symulowane cykle cieplne wykazały również, że powstawanie ferrytu w międzykrytycznej SWC może zmniejszać wytrzymałość na rozciąganie w wysokiej temperaturze. Wielokrotne ponowne nagrzewanie podczas układania kolejnych ściegów może odpuszczać część martenzytu, a jednocześnie tworzyć świeży materiał międzykrytyczny w innych miejscach, dlatego zgodny z wymaganiami pomiar temperatury międzyściegowej nie może sam w sobie potwierdzać odporności na uszkodzenia typu IV.

Ta sama zasada dotyczy stali nierdzewnych. W badaniu TWI z 2002 roku dotyczącym spoin ze stali nierdzewnej supermartenzytycznej analizowano mikrostruktury SWC w kontekście korozji, pękania korozyjnego naprężeniowego i pękania naprężeniowego powodowanego przez siarczki, a także ponownego nagrzewania przez kolejne ściegi oraz obróbki cieplnej po spawaniu (PWHT). Miejscowe ponowne nagrzewanie może zmieniać rozkład chromu, odpuszczanie martenzytu i zachowanie korozyjne. Kontrola SWC dotyczy zatem zarówno degradacji w warunkach eksploatacji, jak i twardości oraz pękania.

### EN 1011-2 i ISO 13916:2025

EN 1011-2 zawiera zalecenia dotyczące spawania łukowego stali ferrytycznych. Zakres dokumentu obejmuje stale ferrytyczne i wyklucza ferrytyczne stale nierdzewne. Dokument omawia czynniki związane z technologią spawania, takie jak kontrola wodoru, energia liniowa spawania, podgrzewanie wstępne i warunki chłodzenia, pomagając inżynierowi ocenić twardość SWC oraz ryzyko pękania zimnego. Jest to wytyczna dotycząca doboru i kontroli technologii spawania, a nie zastępstwo dowodów kwalifikacyjnych ani wymagań właściwych dla danego gatunku.

ISO 13916:2025 dotyczy pomiaru, a nie pełnego metalurgicznego projektowania technologii. Norma określa wymagania dotyczące pomiaru temperatury podgrzewania wstępnego, temperatury międzyściegowej oraz temperatury utrzymania podgrzewania wstępnego podczas spawania metodami stapiającymi. Nie obejmuje pomiaru temperatury obróbki cieplnej po spawaniu (PWHT). To wyłączenie ma znaczenie: temperatura zarejestrowana przed ułożeniem ściegu nie jest dowodem, że późniejsza obróbka odprężająca lub odpuszczanie osiągnęły określoną temperaturę ani wymaganą równomierność.

Miejsce i czas pomiaru muszą reprezentować materiał, który decyduje o cyklu cieplnym spoiny, a nie jedynie najgorętszą łatwo dostępną powierzchnię. Temperatura może różnić się w przekroju grubości i wokół złącza, szczególnie w elementach o dużym stopniu utwierdzenia, przy przyspawanych elementach oraz w komponentach o grubych ściankach. Technologia powinna określać, kiedy i gdzie wykonuje się pomiar oraz jakie są dopuszczalne wartości minimalne lub maksymalne.

Energia liniowa spawania i kolejność układania ściegów wprowadzają dodatkową warstwę kontroli. Energia łuku jest zwykle powiązana z natężeniem prądu, napięciem i prędkością spawania, przy czym sprawność procesu i geometria ściegu wpływają na ilość ciepła rzeczywiście przekazywanego do przedmiotu spawanego. Wyższa energia liniowa na ogół poszerza strefę nagrzewaną i wydłuża czas chłodzenia, jednak geometria złącza, grubość blachy i stopień utwierdzenia mogą odwrócić prostą zależność. Układanie ściegów prostych, szerokie zakosowanie, naprzemienne spawanie po obu stronach lub zaplanowane przerwy międzyściegowe zmieniają to, które obszary są ponownie nagrzewane i w jakim momencie. W konsekwencji dwie spoiny o tej samej nominalnej temperaturze podgrzewania wstępnego mogą różnić się wielkością ziaren SWC, twardością, udarnością i podatnością na pękanie. Technologia spawania musi kontrolować pełną historię cieplną, a nie tylko jeden odczyt temperatury.

![Metalurgia strefy wpływu ciepła podczas spawania stali](/images/uploads/3493078c-aebe-4e73-b398-1d30ba71f2d1/wiki-inline-a-multipass-steel-weld-showing-overlapping-thermal-cycles-that-reheat-and-modify-1920x1288.jpg)[](/images/uploads/3493078c-aebe-4e73-b398-1d30ba71f2d1/wiki-inline-a-multipass-steel-weld-showing-overlapping-thermal-cycles-that-reheat-and-modify-1920x1288.avif "Powiększ obraz — Metalurgia strefy wpływu ciepła podczas spawania stali")Later passes can temper, refine or partially reaustenitize material altered by earlier passes.

## 8. Spawanie wielościegowe: ponowne nagrzewanie, odpuszczanie i nakładanie się stref wpływu ciepła

#### Skutki ponownego nagrzewania podczas kolejnego przejścia

- **Odpuszczanie** Cykl w niższej temperaturze może zmniejszyć twardość martenzytyczną i naprężenia własne.
- **Rozdrobnienie** Późniejszy cykl austenityczny może utworzyć nowe, drobniejsze ziarna austenitu.
- **Częściowa re­austenityzacja** Cykl międzykrytyczny przekształca tylko część wcześniejszej struktury.
- **Przeodpuszczanie** Powtarzająca się ekspozycja poniżej temperatury krytycznej może powodować rozrost węglików lub wydzieleń i zmniejszać wytrzymałość.

Spawanie wielościegowe nie powoduje powstania jednej, niezmiennej strefy wpływu ciepła (HAZ) obok granicy wtopienia. Każdy ścieg wprowadza nowy cykl cieplny, a pole temperatury związane z tym ściegiem nakłada się na materiał zmieniony przez wcześniejsze ściegi. Obszar, który wcześniej stanowił gruboziarnistą strefę wpływu ciepła, może później zostać ponownie nagrzany poniżej dolnej temperatury krytycznej i odpuszczony; inny obszar może zostać nagrzany do zakresu międzykrytycznego, w którym część ferrytu przekształca się w austenit; materiał położony bliżej późniejszej granicy wtopienia może ulec całkowitej ponownej austenityzacji i ponownej przemianie podczas chłodzenia.

Końcowy przekrój poprzeczny odzwierciedla zatem sekwencję zdarzeń, a nie pojedyncze zdarzenie. Znaczenie mają temperatura maksymalna, czas przebywania w danej temperaturze, chłodzenie w zakresie przemian oraz liczba i rozstaw cykli ponownego nagrzewania. TWI opisuje strefy wpływu ciepła w stalach konwencjonalnych jako strefy rozrostu ziaren, rozdrobnienia ziaren, częściowej przemiany i odpuszczania, zależnie od temperatury maksymalnej i odległości od spoiny. W złączu wielościegowym określenia te opisują lokalne reakcje na kilka ściegów, a niekoniecznie cztery trwałe, równoległe pasma.

### Ponowne nagrzewanie wcześniejszych stref wpływu ciepła przez kolejne ściegi

Kolejny ścieg ponownie nagrzewa wcześniej wykonany metal spoiny oraz część wcześniejszej strefy wpływu ciepła. Zakres tego oddziaływania zależy od wymiarów ściegu, prędkości spawania, energii łuku, geometrii złącza, grubości blachy lub ścianki, temperatury międzyściegowej oraz położenia ściegu. Energia cieplna i przewodność cieplna decydują o tym, jak szybko otaczający metal osiąga daną temperaturę, natomiast odległość od nowej granicy wtopienia określa temperaturę maksymalną. Ten sam punkt może podczas jednego ściegu podlegać cyklowi wysokotemperaturowemu, a podczas następnego — niższotemperaturowemu cyklowi odpuszczania.

Praktyczny parametr chłodzenia Δt8/5 opisuje czas upływający podczas chłodzenia materiału od 800 °C do 500 °C. Jest użyteczny tam, gdzie stal ulega w tym zakresie rozkładowi austenitu, ale nie stanowi pełnego opisu historii cieplnej spawania wielościegowego. Raport National Institute of Standards and Technology dotyczący rurociągów wiąże Δt8/5 z energią cieplną, składem chemicznym, odległością od spoiny i grubością ścianki. Nie oznacza to, że każdy punkt złącza ma ten sam czas chłodzenia. Sąsiednie punkty mogą doświadczać znacznie różniących się cykli, a kolejne ściegi mogą zmieniać strukturę utworzoną podczas pierwszego cyklu.

W przypadku niskostopowej stali ferrytycznej pierwszy ścieg może wytworzyć w pobliżu granicy wtopienia gruboziarniste ziarna byłego austenitu. Kolejny ścieg, którego temperatura maksymalna mieści się w zakresie austenitu, może rozdrobnąć tę strukturę przez utworzenie nowych ziaren austenitu, zależnie od lokalnej temperatury maksymalnej i czasu trwania cyklu. Jeżeli temperatura maksymalna kolejnego ściegu osiąga jedynie zakres międzykrytyczny, część pierwotnego ferrytu przekształca się w austenit. Podczas chłodzenia ta część może przekształcić się w świeży bainit, martenzyt lub inny produkt przemiany, podczas gdy nieprzekształcona osnowa zachowuje niektóre wcześniejsze cechy. Cykl o niższej temperaturze może w ogóle nie powodować ponownej austenityzacji stali, lecz może odpuszczać martenzyt lub zmiękczać wcześniej zahartowany obszar.

Dlatego kontrola technologii spawania nie może ograniczać się do nominalnej energii łuku. Temperatura międzyściegowa zmienia temperaturę początkową każdego ściegu i może skracać efektywny czas chłodzenia. ISO 13916:2025 określa sposób pomiaru temperatur podgrzewania wstępnego, międzyściegowych i utrzymania podgrzewania wstępnego podczas spawania metodami wykorzystującymi stapianie; norma ta wyraźnie wyklucza pomiar temperatury obróbki cieplnej po spawaniu. EN 1011-2 dotyczy spawania łukowego stali ferrytycznych, z wyłączeniem ferrytycznych stali nierdzewnych, i zawiera wytyczne dotyczące kontroli warunków spawania dla odpowiednich gatunków stali ferrytycznych.

### Struktury odpuszczone i przeodpuszczone

Ponowne nagrzewanie poniżej dolnej temperatury przemiany krytycznej może odpuszczać martenzytyczną lub bainityczną strefę wpływu ciepła bez tworzenia nowego obszaru austenitu. Węgiel ulega redystrybucji, węgliki przejściowe mogą się tworzyć lub zmieniać, naprężenia własne maleją, a twardość zazwyczaj się obniża. Powstała struktura może wykazywać większą odporność na pękanie wywołane wodorem niż hartowany martenzytyczny obszar, ale zmiana ta może również zmniejszyć wytrzymałość. Wynik zależy od pierwotnego składnika struktury, temperatury ponownego nagrzewania, czasu wygrzewania oraz liczby cykli.

„Odpuszczona strefa wpływu ciepła” nie oznacza zatem jednej mikrostruktury. Krótki, stosunkowo chłodny cykl może powodować ograniczone odpuszczanie, natomiast wyższa temperatura lub wielokrotne cykle mogą prowadzić do znacznego rozrostu węglików i utraty umocnienia wydzieleniowego. Termin „przeodpuszczona” wskazuje, że oddziaływanie cieplne obniżyło właściwości poniżej zamierzonego stanu odpuszczenia. W stalach ulepszanych cieplnie strefa ta może stać się lokalnym minimum wytrzymałości. W stalach odpornych na pełzanie ponowne nagrzewanie może zaburzać starannie kontrolowany rozkład wydzieleń, który zapewnia wytrzymałość długotrwałą.

Stal Grade 91 pokazuje, jak niebezpieczne jest automatyczne uznawanie zmiękczenia za korzystne. ASM International i EPRI podały w 2016 roku, że stal Grade 91 jest podatna na pękanie typu IV w strefie wpływu ciepła materiału podstawowego, szczególnie w obszarach drobnoziarnistych i międzykrytycznych. Symulacje cykli cieplnych wykazały, że powstawanie ferrytu w międzykrytycznej strefie wpływu ciepła może zmniejszać wytrzymałość na rozciąganie w wysokiej temperaturze. Obszarem krytycznym nie jest wyłącznie widoczna strefa gruboziarnista: powtarzające się przejścia przez zakres międzykrytyczny mogą wytworzyć drobnoziarnistą, częściowo przekształconą strukturę o niekorzystnym zachowaniu podczas odkształcenia pełzaniowego i uszkodzenia. Kolejne ściegi spoiny mogą odpuszczać część martenzytu, a jednocześnie tworzyć lub powiększać ten podatny obszar.

Obróbka cieplna po spawaniu wprowadza kolejny kontrolowany cykl cieplny w całym złączu. Może odpuszczać twarde produkty przemiany i zmniejszać naprężenia własne, ale może również sprzyjać zmianom węglików lub wydzieleń, zmieniać gradienty twardości oraz narażać ponownie nagrzane obszary na dalszą degradację. Obróbkę cieplną po spawaniu należy zatem określać w odniesieniu do gatunku stali, grubości, technologii spawania i warunków eksploatacji, a nie zakładać, że usuwa ona różnice między strefami wpływu ciepła.

Supermartenzytyczne stale nierdzewne ilustrują tę samą zależność, uwzględniając dodatkowo oddziaływanie korozji. W badaniu TWI z 2002 roku analizowano mikrostruktury ich stref wpływu ciepła w odniesieniu do korozji, pękania korozyjnego naprężeniowego, pękania naprężeniowego w obecności siarczków, ponownego nagrzewania przez kolejne ściegi oraz obróbki cieplnej po spawaniu. Kolejny ścieg może odpuszczać świeży martenzyt, częściowo ponownie austenityzować wcześniejszy obszar lub wytworzyć mieszaną strukturę w wąskim paśmie ponownie nagrzanym. Zmiany te wpływają na rozmieszczenie chromu, tworzenie węglików, twardość, naprężenia własne i elektrochemiczne zachowanie powierzchni. Mniejsza twardość może ograniczać jedną ze skłonności do pękania, natomiast lokalne zmiany składu lub faz mogą pogarszać odporność na korozję albo tworzyć podatną ścieżkę w warunkach eksploatacji zawierających wodór.

### Dlaczego przekrój spoiny zawiera nakładające się historie cieplne

Przekrój poprzeczny złącza wielościegowego należy odczytywać jako mapę maksimów temperatury i dróg chłodzenia. W pobliżu ściegu metal mógł ulec stopieniu lub całkowitej ponownej austenityzacji. W większej odległości mógł osiągnąć zakres rozrostu ziaren, zakres rozdrobnienia ziaren, zakres międzykrytyczny albo jedynie temperaturę odpuszczania. Następny ścieg przesuwa te granice i nakłada na nie kolejny układ stref. Strefy te są zakrzywione, przesunięte i częściowo współbieżne, a nie ułożone w sposób regularny, warstwa na warstwie.

Obszary SWC stali gatunku 91 i ich główne zagadnienia metalurgiczne.
| Obszar SWC stali gatunku 91 | Historia cieplna | Zgłaszane zagrożenie |
|---|---|---|
| Gruboziarnisty | Wysokotemperaturowa pełna austenityzacja z rozrostem ziaren | Gruboziarnista struktura po przemianie i możliwe obniżenie udarności |
| Drobnoziarnisty | Pełna lub znaczna austenityzacja bez wyraźnego rozrostu ziaren | Część SWC metalu rodzimego podatna na pękanie typu IV |
| Międzykrytyczny | Częściowa przemiana między Ac1 a Ac3 | Tworzenie ferrytu i obniżona wytrzymałość na rozciąganie w wysokiej temperaturze |
| Przeodpuszczony | Ponowne nagrzewanie poniżej temperatury krytycznej | Zmiękczenie i zmieniony stan wydzieleń |

Nakładanie się cykli powoduje niejednorodność właściwości w kilku skalach. Twardość może wzrastać tam, gdzie szybkie chłodzenie prowadzi do powstania martenzytu, spadać tam, gdzie martenzyt ulega odpuszczaniu, a następnie ponownie się zmieniać w miejscu, w którym późniejszy cykl tworzy świeże, nieodpuszczone produkty przemiany. Udarność zależy od wielkości ziaren, udziału faz, zawartości węgla w przekształconej frakcji oraz lokalnych naprężeń własnych; nie można jej określać wyłącznie na podstawie odległości od spoiny. Podatność na pękanie również zmienia się z punktu na punkt. ESDEP wskazuje pękanie likwacyjne w strefie wpływu ciepła, pękanie wywołane wodorem i pękanie podczas ponownego nagrzewania jako odrębne problemy spawalności konstrukcyjnych stali, podczas gdy pękanie krzepnięciowe występuje w metalu spoiny, a rozwarstwienie płatkowe wiąże się z ciągliwością w kierunku grubości. Ponowne nagrzewanie nie czyni tych mechanizmów wzajemnie wymiennymi.

Ta sama zmienność przestrzenna wpływa na korozję i pękanie eksploatacyjne w spoinach stali nierdzewnych. Pasmo ponownie nagrzane może różnić się od sąsiedniego metalu twardością, stabilnością warstwy pasywnej, udziałem wydzieleń i naprężeniem rozciągającym. Dlatego badania metalograficzne i pomiary twardości wzdłuż przekroju należy planować z uwzględnieniem rzeczywistej sekwencji ściegów. Pojedynczy pomiar przy granicy wtopienia może nie ujawnić zmiękczonego pasma międzykrytycznego, ponownie nagrzanego pasma martenzytycznego ani obszaru przeodpuszczonego, który decyduje o uszkodzeniu.

## 9. Pękanie typu IV w stali Grade 91

![Metalurgia strefy wpływu ciepła podczas spawania stali](/images/uploads/fcab1c5a-16d2-4ad0-85d5-4ef82134a82e/wiki-inline-a-grade-91-steel-haz-microstructure-contrasting-coarse-grained-fine-grained-and-1920x1434.jpg)[](/images/uploads/fcab1c5a-16d2-4ad0-85d5-4ef82134a82e/wiki-inline-a-grade-91-steel-haz-microstructure-contrasting-coarse-grained-fine-grained-and-1920x1434.avif "Powiększ obraz — Metalurgia strefy wpływu ciepła podczas spawania stali")In Grade 91, Type IV damage is associated especially with fine-grained and intercritical base-metal HAZ regions.

Stal Grade 91 stanowi użyteczny przypadek do analizy, ponieważ problem jej spawalności nie ogranicza się do widocznej granicy wtopienia. Jest to żaroodporny stop o martenzytycznej strukturze odpuszczonej, powszechnie oznaczany jako **Grade 91**, **P91** w przypadku rur oraz **T91** w przypadku rur kotłowych, zawierający około 9% chromu oraz dodatki takie jak molibden, wanad, niob i azot. Jej wytrzymałość w podwyższonej temperaturze zależy od drobnoziarnistej, odpuszczonej struktury martenzytycznej zawierającej stabilne wydzielenia, zwłaszcza węglikoazotki oraz populację węglików bogatych w chrom, związaną z długotrwałym odpuszczaniem.

Spawanie zastępuje tę starannie ukształtowaną strukturę sekwencją lokalnych cykli cieplnych. Obszar bezpośrednio przy linii wtopienia może zostać całkowicie austenityzowany i przekształcony w gruby martenzyt. Nieco dalej temperatura maksymalna może doprowadzić do rozdrobnienia austenitu, bez wywołania tak intensywnego rozrostu ziaren. Jeszcze dalej może przekształcić się tylko część pierwotnej mikrostruktury. W rezultacie powstaje strefa wpływu ciepła (HAZ) o stopniowo zmieniających się właściwościach, a nie jednolity pas.

**Badanie ASM-EPRI dotyczące stali Grade 91, opublikowane w 2016 roku**, wykazało podatność na pękanie typu IV w HAZ materiału rodzimego, szczególnie w obszarach drobnoziarnistym i międzykrytycznym. To rozróżnienie ma znaczenie. Powierzchnia przełomu może znajdować się w pobliżu spoiny, lecz sama bliskość spoiny nie oznacza, że granica wtopienia jest decydującą lokalizacją z punktu widzenia metalurgii.

### Drobnoziarniste i międzykrytyczne obszary HAZ w stali Grade 91

Drobnoziarnisty obszar HAZ powstaje tam, gdzie temperatura maksymalna przekracza zakres przemiany austenitycznej, lecz nie jest wystarczająco wysoka lub nie utrzymuje się wystarczająco długo, aby doprowadzić do rozrostu ziaren byłego austenitu obserwowanego w gruboziarnistym obszarze HAZ. Spawanie powoduje rozpuszczenie lub redystrybucję części wydzieleń, a następnie szybkie chłodzenie prowadzi do powstania świeżego martenzytu. Ponieważ ziarna byłego austenitu są mniejsze niż w obszarze gruboziarnistym, różnią się również struktura pakietowa i blokowa po przemianie. Odpuszczanie podczas wytwarzania i eksploatacji oddziałuje następnie na obszar, w którym pierwotny rozkład wydzieleń i geometria ziaren zostały już zaburzone.

Międzykrytyczny obszar HAZ znajduje się w zakresie niższych temperatur maksymalnych. Podczas cyklu cieplnego spawania tylko część materiału wchodzi w obszar austenityczny; pozostała część zachowuje odpuszczoną strukturę stali Grade 91. Podczas chłodzenia nowo powstały austenit przekształca się obok materiału nieprzekształconego lub częściowo odpuszczonego. Powstaje w ten sposób mikrostruktura mieszana, w której występują lokalne różnice twardości, rozkładu węgla, stanu wydzieleń i odporności na pełzanie. Strefa międzykrytyczna może zatem być mechanicznie słabsza, nawet jeśli jej twardość nie wskazuje, że jest ona najbardziej wyróżniającą się częścią HAZ.

TWI opisuje podobszary HAZ w stalach konwencjonalnych jako strefy rozrostu ziaren, rozdrobnienia ziaren, częściowej przemiany i odpuszczania, klasyfikowane na podstawie temperatury maksymalnej oraz odległości od spoiny. NIST stosuje pokrewne określenia: strefy gruboziarniste, drobnoziarniste, międzykrytyczne i przeodpuszczone w HAZ stali rurociągowych. Określenia te nie są wymienne w każdym systemie stopowym, lecz zasadniczy wniosek ma zastosowanie do stali Grade 91: każda lokalizacja odzwierciedla inną historię cieplną.

Równie istotne jest chłodzenie. Praktyczny parametr **Δt8/5** opisuje czas potrzebny do schłodzenia obszaru spoiny z 800°C do 500°C. Opracowanie NIST wiąże Δt8/5 z energią liniową spawania, składem chemicznym stali, odległością od spoiny i grubością ścianki. Zmienne te wpływają na kinetykę przemian oraz zakres odpuszczania wywołanego przez spawanie. HAZ stali Grade 91 nie można oceniać wyłącznie na podstawie temperatury maksymalnej.

TWI stwierdza, że mikrostruktura i twardość HAZ zależą przede wszystkim od szybkości chłodzenia w zakresie przemian, składu chemicznego i hartowności oraz wielkości ziaren byłego austenitu. W przypadku stali Grade 91 te same zmienne decydują o tym, czy w danym obszarze powstanie twardy świeży martenzyt, nastąpi dodatkowe odpuszczanie, czy też rozwinie się mieszana struktura międzykrytyczna. Pomiar twardości wzdłuż przekroju jest użyteczny, lecz nie stanowi kompletnej mapy uszkodzeń pełzaniowych ani podatności na pękanie typu IV.

### Powstawanie ferrytu i wytrzymałość w wysokiej temperaturze

W badaniu ASM-EPRI przeanalizowano również symulowane cykle cieplne spawania stali Grade 91 i stwierdzono, że **powstawanie ferrytu w międzykrytycznym obszarze HAZ może zmniejszać wytrzymałość na rozciąganie w wysokiej temperaturze**. Obserwacja ta nadaje problemowi pękania typu IV bardziej konkretną podstawę metalurgiczną niż ogólne stwierdzenie, że spawanie „osłabia HAZ”.

Ferryt jest bardziej miękki i mniej odporny na pełzanie niż odpuszczona osnowa martenzytyczna, która zapewnia stali Grade 91 wytrzymałość w podwyższonej temperaturze. Jego powstawaniu może towarzyszyć lokalna redystrybucja węgla i pierwiastków stopowych, zmiany stabilności wydzieleń oraz utrata precyzyjnie ukształtowanej struktury martenzytu listwowego. Pod wpływem długotrwałego obciążenia odkształcenie może koncentrować się w tym zmienionym obszarze. Sąsiedni metal spoiny, niezmieniony materiał rodzimy i twardsze obszary HAZ ograniczają wówczas odkształcenie, zwiększając lokalne zapotrzebowanie na naprężenie i odkształcenie w materiale drobnoziarnistym lub międzykrytycznym.

Rezultat nie sprowadza się jedynie do różnicy twardości. Zachowanie materiału podczas rozciągania w wysokiej temperaturze zależy od odporności mikrostruktury na płynięcie plastyczne i pełzanie, ewolucji wydzieleń, struktury ziaren i podziaren oraz rozkładu odkształcenia w całym złączu spawanym. Obszar o umiarkowanej zmierzonej twardości może nadal charakteryzować się niską wytrzymałością długotrwałą, jeśli jego odporność na pełzanie została zmniejszona wskutek częściowej przemiany lub powstania ferrytu.

Pękanie typu IV **Pękanie typu IV** Awaria wskutek pełzania w temperaturze eksploatacji, związana z osłabionymi obszarami drobnoziarnistymi i międzykrytycznymi SWC metalu rodzimego, szczególnie w stali gatunku 91.

Ustalenia tego nie należy przekształcać w uniwersalne oszacowanie trwałości. Zachowanie spawanego elementu ze stali Grade 91 zależy od naprężenia, temperatury, geometrii, technologii spawania, stopnia skrępowania, obróbki cieplnej po spawaniu, historii eksploatacji oraz rzeczywistego rozkładu mikrostruktur w HAZ. Symulacje cykli cieplnych ustalają mechanizm i wskazują obszar podatny na uszkodzenia; same w sobie nie określają, kiedy ulegnie uszkodzeniu konkretny zbiornik, rura kotłowa lub rurociąg.

Temperatura podgrzewania wstępnego, kontrola temperatury międzyściegowej i energia liniowa spawania pozostają istotne, ponieważ wpływają na cykle cieplne i przebieg przemian. **ISO 13916:2025** określa sposób pomiaru temperatur podgrzewania wstępnego, temperatury międzyściegowej oraz temperatury utrzymania podgrzania podczas spawania metodami wykorzystującymi stapianie, lecz wyraźnie wyłącza pomiar temperatury obróbki cieplnej po spawaniu. Rozróżnienie to ma znaczenie w przypadku prac ze stalą Grade 91: kontrola temperatury podczas spawania i PWHT są powiązanymi operacjami, lecz nie stanowią jednego wymagania pomiarowego.

### Dlaczego pękanie typu IV jest problemem HAZ materiału rodzimego

![Metalurgia strefy wpływu ciepła podczas spawania stali](/images/uploads/fcab1c5a-16d2-4ad0-85d5-4ef82134a82e/wiki-inline-a-grade-91-steel-haz-microstructure-contrasting-coarse-grained-fine-grained-and-1920x1434.jpg)[](/images/uploads/fcab1c5a-16d2-4ad0-85d5-4ef82134a82e/wiki-inline-a-grade-91-steel-haz-microstructure-contrasting-coarse-grained-fine-grained-and-1920x1434.avif "Powiększ obraz — Metalurgia strefy wpływu ciepła podczas spawania stali")In Grade 91, Type IV damage is associated especially with fine-grained and intercritical base-metal HAZ regions.

Pękanie typu IV jest na ogół związane z uszkodzeniami pełzaniowymi w drobnoziarnistym i międzykrytycznym **HAZ materiału rodzimego**. Dlatego mylące jest opisywanie go jako ogólnego zjawiska „pękania spoiny” lub automatyczne lokalizowanie jego przyczyny na granicy wtopienia. Spoina może zapewniać zaburzenie cieplne i geometrię złącza, lecz podatna mikrostruktura jest zwykle wytwarzana w sąsiadującym materiale rodzimym.

Podczas długotrwałej eksploatacji w osłabionym HAZ na granicach ziaren mogą zarodkować i rozwijać się pustki. Do rozwoju uszkodzeń przyczyniają się lokalna akumulacja odkształceń, poślizg po granicach ziaren oraz zmiany wydzieleń. Pęknięcie może rozwijać się w przybliżeniu wzdłuż granicy między zmienionym materiałem HAZ a silniejszymi obszarami sąsiednimi, choć jego dokładna ścieżka zależy od stanu naprężenia, mikrostruktury i historii wytwarzania. Kontrola powinna zatem obejmować HAZ materiału rodzimego, a nie tylko metal spoiny i linię wtopienia.

Mechanizm ten różni się od pękania indukowanego wodorem, pękania krzepnięciowego, rozwarstwienia lamelarnego, pękania likwacyjnego i pękania po podgrzewaniu. ESDEP wymienia pękanie likwacyjne w HAZ, pękanie indukowane wodorem i pękanie po podgrzewaniu wśród głównych problemów spawalności stali konstrukcyjnych, lecz mechanizmy te występują w odmiennych warunkach metalurgicznych i obciążeniowych. Uszkodzenia typu IV są przede wszystkim problemem pełzania w temperaturze eksploatacji, występującym w podatnym HAZ stali Grade 91.

Wiarygodna ocena powinna zatem łączyć dokumentację technologii spawania, historię PWHT, informacje o cyklach cieplnych, wyniki pomiarów twardości i badań mikrostruktury z danymi dotyczącymi naprężeń i temperatury eksploatacji. Ustalenie ASM-EPRI dotyczące ferrytu i zmniejszonej wytrzymałości na rozciąganie w wysokiej temperaturze pomaga wyjaśnić, dlaczego obszary drobnoziarnisty i międzykrytyczny wymagają szczególnej uwagi. Nie uzasadnia ono jednak traktowania każdej spoiny ze stali Grade 91 jako jednakowo podatnej na uszkodzenia ani przyjmowania stałego dopuszczalnego czasu eksploatacji bez dowodów dotyczących konkretnego elementu.

Ponowne nagrzewanie wprowadza dodatkowy aspekt. Kolejny ścieg spoiny może odpuszczać, częściowo przekształcać lub w inny sposób modyfikować wcześniejszy HAZ, a PWHT może zmniejszać twardość, jednocześnie zmieniając stan wydzieleń i podstruktury. Podobne efekty przestrzenne występują w innych stopach: omówienie TWI z 2002 roku dotyczące spoin ze stali nierdzewnej supermartenzytycznej wiąże mikrostruktury HAZ z korozją, pękaniem korozyjnym naprężeniowym, pękaniem naprężeniowym wywołanym przez siarczki, ponownym nagrzewaniem przez kolejne ściegi oraz PWHT. Mechanizm uszkodzenia zależy od materiału, lecz zasada nadrzędna pozostaje taka sama: HAZ stanowi zbiór lokalnych historii cieplnych, a jego zachowanie podczas eksploatacji należy oceniać dla poszczególnych obszarów.

## 10. Korozja w strefie wpływu ciepła (HAZ) i pękanie wspomagane przez środowisko

Strefa wpływu ciepła (HAZ) jest również zmienną korozji. Badanie twardości może wykazać obecność silnie utwardzonego pasma, ale nie pokazuje, czy powstały wydzielenia bogate w chrom, czy ochronne pierwiastki stopowe uległy segregacji, czy lokalne udziały ferrytu i martenzytu są zrównoważone ani czy spawanie pozostawiło rozciągające naprężenia własne. To właśnie te czynniki decydują o korozji i pękaniu wspomaganym przez środowisko.

Dlatego HAZ wymaga oceny w odniesieniu do środowiska eksploatacji. Woda zawierająca chlorki, dwutlenek węgla, siarkowodór, tlen rozpuszczony, kwaśny kondensat i para wodna o wysokiej temperaturze stawiają różne wymagania. Ten sam cykl cieplny może być dopuszczalny w suchym środowisku atmosferycznym, ale niebezpieczny w kwaśnym środowisku eksploatacji, gdzie absorpcja wodoru i naprężenia rozciągające mogą współwystępować z podatną mikrostrukturą.

### Mikrostruktura jako zmienna korozji

Mikrostruktura HAZ zmienia się w sposób ciągły wraz z odległością od linii wtopienia, a nie na jednej wyraźnej granicy. TWI opisuje obszary w stalach konwencjonalnych jako strefę rozrostu ziaren, strefę rozdrobnienia ziaren, strefę częściowej przemiany oraz strefę odpuszczania, klasyfikowane na podstawie temperatury maksymalnej i odległości od spoiny. W opracowaniu dotyczącym stali rurociągowych, przygotowanym przez National Institute of Standards and Technology (NIST), stosuje się blisko powiązane określenia: strefa ziaren grubych, strefa ziaren drobnych, strefa międzykrytyczna oraz strefa przeodpuszczona.

Każdy z tych obszarów może wykazywać inną odpowiedź korozyjną. Rozrost ziaren zmienia gęstość i charakter granic ziaren; nagrzewanie międzykrytyczne częściowo przekształca pierwotną strukturę i po chłodzeniu może prowadzić do powstania wysp twardego, wzbogaconego w węgiel martenzytu; odpuszczanie może rozpuszczać lub powodować rozrost faz umacniających oraz zmieniać lokalne zachowanie elektrochemiczne. W stalach nierdzewnych istotne zmiany mogą obejmować zubożenie w chrom w sąsiedztwie węglików bogatych w chrom, wydzielanie faz międzymetalicznych, powstawanie lub rozpuszczanie ferrytu delta oraz zmiany udziału i składu chemicznego martenzytu i austenitu.

Decydujący opis cieplny nie sprowadza się po prostu do „temperatury spawania”. Znaczenie ma chłodzenie w zakresie przemiany, a Δt8/5 — czas chłodzenia od 800°C do 500°C — jest użytecznym parametrem spawalniczym, gdy temperatury te opisują właściwy przedział przemiany. NIST stwierdza, że Δt8/5 zależy od energii liniowej, składu chemicznego, odległości od spoiny i grubości ścianki. W konsekwencji dwa miejsca znajdujące się w tej samej nominalnej odległości od spoiny mogą uzyskać inną strukturę, jeżeli różnią się stopniem utwierdzenia, grubością lub przepływem ciepła.

W stalach ferrytycznych TWI wskazuje szybkość chłodzenia w zakresie przemiany, skład chemiczny i hartowność oraz wielkość wcześniejszych ziaren austenitu jako główne czynniki kontrolujące mikrostrukturę i twardość HAZ. Ocena korozji musi uzupełniać tę listę o lokalny skład chemiczny, rozkład faz i stan wydzieleń. Twardy obszar martenzytyczny może być podatny na pękanie wspomagane przez wodór, natomiast bardziej miękka strefa przeodpuszczona może zawierać składnik o innym charakterze galwanicznym lub utracić odporność korozyjną wskutek powstawania wydzieleń. Żadnego z tych stanów nie można wiarygodnie wywnioskować wyłącznie na podstawie twardości.

Ważne jest rozróżnienie między korozją a pękaniem. Ogólne ubytki metalu, korozja wżerowa, korozja międzykrystaliczna i korozja galwaniczna mogą inicjować się na różnych cechach mikrostruktury. Lico spoiny, grań spoiny, podtopienie lub szczelina mogą również koncentrować elektrolit niezależnie od średniej twardości HAZ. Dlatego badaniu metalurgicznemu powinny towarzyszyć ocena stanu powierzchni, warstw tlenkowych, usunięcia żużla spawalniczego oraz czyszczenia po spawaniu.

### Pękanie korozyjne naprężeniowe i pękanie naprężeniowe wywołane siarczkami

Pękanie korozyjne naprężeniowe (SCC) wymaga podatnego materiału, odpowiedniego środowiska i naprężeń rozciągających. Spawanie może zapewnić ten ostatni warunek poprzez naprężenia własne, natomiast lokalne produkty przemian i wydzielenia — pierwszy. Duże obciążenie zewnętrzne nie jest konieczne: uwięzione naprężenia rozciągające w pobliżu spoiny mogą pozostać znaczne po tym, jak element pozornie osiągnie stabilność wymiarową.

SCC wywołane przez chlorki jest szczególnie wrażliwe na temperaturę, aktywność chlorków, potencjał elektrochemiczny i lokalną stabilność warstwy pasywnej. HAZ w stali nierdzewnej z obszarami zubożonymi w chrom może mniej skutecznie ulegać repasywacji na określonych granicach, umożliwiając lokalnej korozji przekształcenie się w miejsce inicjacji pęknięcia. Oddziaływanie to ma charakter przestrzennie selektywny, dlatego wypolerowany przekrój poprzeczny ukazujący pozornie jednolitą HAZ może skrywać wyraźnie różną podatność w obrębie gradientu cieplnego.

Pękanie naprężeniowe wywołane siarczkami (SSC) jest mechanizmem uszkodzenia wspomaganym przez wodór, związanym z eksploatacją w środowisku wodnym zawierającym siarkowodór. Wodór powstający podczas korozji wnika do stali, a naprężenia rozciągające sprzyjają następnie inicjacji i propagacji pęknięć w podatnej mikrostrukturze. Wysoka twardość jest uznanym sygnałem ostrzegawczym w wielu ocenach dotyczących pracy w środowisku kwaśnym, ale twardość jest wskaźnikiem przesiewowym, a nie pełnym opisem mechanizmu. Podatność na pękanie zależy również od wytrzymałości, wtrąceń, struktury wcześniejszych ziaren austenitu, produktów przemian, naprężeń własnych oraz rzeczywistego środowiska zawierającego H₂S.

Opublikowane przez TWI w 2002 roku badanie supermartenzytycznej stali nierdzewnej jest użyteczne, ponieważ traktuje metalurgię HAZ jako połączony problem korozji i pękania. Zakres badania łączy mikrostruktury HAZ z korozją, SCC, SSC, ponownym nagrzewaniem przez kolejne ściegi spoiny oraz obróbką cieplną po spawaniu (PWHT). Gatunki supermartenzytyczne są projektowane na osnowie martenzytycznej o niskiej zawartości węgla, z dodatkiem chromu i innych pierwiastków stopowych, jednak spawanie może powodować lokalne różnice w odpuszczaniu martenzytu, udziale austenitu zachowanego lub odtworzonego, ferrycie i populacji wydzieleń. Różnice te zmieniają zarówno zachowanie pasywne podczas korozji, jak i podatność na pękanie wspomagane przez wodór.

W związku z tym przed zatwierdzeniem technologii spawania należy określić mechanizm środowiskowy istotny dla eksploatacji. Norma ISO 15156, w zakresie mającym zastosowanie do wydobycia ropy naftowej i gazu w środowiskach zawierających H₂S, dotyczy doboru materiałów i odporności na pękanie; ocena spoiny produkcyjnej może również wymagać badań w rzeczywistym medium eksploatacyjnym. Sama mapa twardości nie może potwierdzić odporności na SSC, a badanie korozyjne wykonane na niezmienionym materiale rodzimym nie może reprezentować HAZ.

Gatunek Grade 91 ilustruje tę samą zasadę w podwyższonej temperaturze, choć głównym zagrożeniem jest w jego przypadku uszkodzenie pełzaniowe, a nie wodne SSC. ASM International i EPRI podały w 2016 roku, że Grade 91 jest podatny na pękanie typu IV w HAZ materiału rodzimego, szczególnie w strefach drobnoziarnistej i międzykrytycznej. Symulowane cykle cieplne wykazały, że powstawanie ferrytu w międzykrytycznej HAZ może obniżać wytrzymałość na rozciąganie w wysokiej temperaturze. Przykład ten potwierdza szerszą zasadę: wąski, mechanicznie słabszy podobszar może decydować o uszkodzeniu, nawet gdy spoina i niezmieniony materiał rodzimy spełniają indywidualne wymagania.

### Wpływ ponownego nagrzewania i PWHT w stalach nierdzewnych

Kolejny ścieg spoiny nie tylko dodaje metal; jego cykl cieplny ponownie nagrzewa wcześniejszą HAZ. Strefa ponownie nagrzana może zostać odpuszczona, częściowo poddana re austenityzacji, przesycona lub wystawiona na zakres temperatur sprzyjający wydzielaniu węglików, azotków albo faz międzymetalicznych. Jej stan końcowy zależy od temperatury maksymalnej, czasu wygrzewania, szybkości chłodzenia oraz liczby i rozstawu kolejnych ściegów.

Uzupełniające metody charakteryzowania przestrzennie zróżnicowanej SWC.
| Metoda badania | Co można ustalić | Istotne ograniczenie |
|---|---|---|
| Trawienie makroskopowe | Geometrię spoiny, granicę wtopienia i przybliżone obszary cieplne | Nie jest metodą identyfikacji faz |
| Mikroskopia optyczna | Ferryt, perlit, bainit, martenzyt i zmiany wielkości ziaren | Może nie rozróżniać drobnych wydzieleń |
| Mapowanie twardości | Miejscowe utwardzenie, zmiękczenie i gradienty właściwości | Nie pozwala ustalić udarności ani trwałości eksploatacyjnej |
| SEM lub EBSD | Drobnoziarnistą morfologię, cechy przełomu i informacje krystalograficzne | Wymaga ukierunkowanego pobierania próbek i interpretacji |
| Badania pełzania lub oddziaływania środowiska | Odpowiedź na uszkodzenia istotna dla warunków eksploatacji | Muszą odpowiadać rzeczywistemu mechanizmowi i środowisku |

W supermartenzytycznych stalach nierdzewnych ponowne nagrzewanie może odpuszczać twardy martenzyt i prowadzić do powstania lokalnie miększego obszaru, natomiast wyższa temperatura ponownego nagrzewania może podczas chłodzenia powodować powstawanie świeżego, nieodpuszczonego martenzytu. Powstałe pasmo może różnić się potencjałem korozyjnym, twardością i wrażliwością na wodór zarówno od HAZ pierwszego ściegu, jak i od materiału rodzimego. Wielokrotne ściegi mogą również zmieniać stabilność austenitu i równowagę fazową, dlatego końcowej mikrostruktury nie można przewidzieć wyłącznie na podstawie pierwszego cyklu cieplnego.

#### Sekwencja diagnozowania SWC

1. **Udokumentuj** Zapisz gatunek, grubość, geometrię spoiny, sekwencję ściegów, podgrzewanie wstępne, temperaturę międzyściegową, energię liniową spawania i obróbkę cieplną po spawaniu.
2. **Uwidocznij** Zastosuj reprezentatywny przekrój poprzeczny i trawienie makroskopowe, aby zlokalizować granicę wtopienia i zmienione obszary.
3. **Zidentyfikuj** Określ fazy, wielkość ziaren, wydzielenia i morfologię pęknięć za pomocą odpowiedniej mikroskopii.
4. **Zmapuj** Wykonaj pomiary twardości w poprzek niezmienionego metalu rodzimego, SWC, granicy wtopienia i metalu spoiny.
5. **Zbadaj** Dobierz badania udarności, rozciągania, pełzania, zmęczenia, korozji lub pękania na podstawie podejrzewanego mechanizmu uszkodzenia.

PWHT wprowadza dodatkową, celową historię cieplną. Odpuszczanie może zmniejszać naprężenia własne i zmiękczać nieodpuszczony martenzyt, ograniczając jedno ze źródeł podatności na pękanie. Może również sprzyjać wydzielaniu lub redystrybucji chromu, co zmienia pasywność i zachowanie podczas korozji lokalnej. Nadmierna albo niewłaściwie kontrolowana obróbka może zatem zamienić jedno zagrożenie na inne. Właściwy cykl jest zależny od gatunku i musi zostać zweryfikowany poprzez kwalifikowanie technologii, badania metalograficzne oraz badania środowiskowe, jeżeli wymagają tego warunki eksploatacji.

![Metalurgia strefy wpływu ciepła podczas spawania stali](/images/uploads/eab64129-4309-4479-8f11-03ad413a7bf9/wiki-inline-a-metallurgical-laboratory-examining-an-etched-steel-weld-cross-section-with-a-m-1920x1094.jpg)[](/images/uploads/eab64129-4309-4479-8f11-03ad413a7bf9/wiki-inline-a-metallurgical-laboratory-examining-an-etched-steel-weld-cross-section-with-a-m-1920x1094.avif "Powiększ obraz — Metalurgia strefy wpływu ciepła podczas spawania stali")HAZ diagnosis combines cross-sectional structure, hardness mapping and tests matched to the suspected failure.

Wymagań dotyczących pomiaru temperatury nie należy mylić z kontrolą PWHT. Norma ISO 13916:2025 określa pomiar temperatury podgrzewania wstępnego, temperatury międzyściegowej oraz temperatury utrzymania podgrzania wstępnego podczas spawania łukowego, ale wyłącza pomiar temperatury obróbki cieplnej po spawaniu. PWHT wymaga własnego oprzyrządowania, rejestrów temperatury i kryteriów akceptacji. W przypadku oceny HAZ w stali nierdzewnej dowody powinny łączyć te zapisy z równowagą fazową, wydzieleniami, naprężeniami własnymi oraz właściwym badaniem korozyjnym lub badaniem pękania — a nie kończyć się na pomiarze twardości.

## 11. Badanie strefy wpływu ciepła (HAZ) i charakterystyka właściwości

Rzetelne badanie strefy wpływu ciepła (HAZ) należy rozpocząć od przekroju poprzecznego spoiny, a nie od pojedynczej wartości twardości. HAZ to materiał rodzimy zmieniony przez ciepło spawania bez stopienia, dlatego jej granice rzadko tworzą jedną wyraźną linię. Temperatura maksymalna maleje wraz z odległością od granicy wtopienia, a szybkość chłodzenia również zmienia się w zależności od położenia, grubości blachy, sztywności zamocowania złącza, energii liniowej oraz temperatury międzyściegowej. Powstała struktura ma charakter przestrzennie zmienny.

Badanie powinno zatem przebiegać w określonej kolejności: udokumentować geometrię spoiny i warunki spawania; ujawnić granicę wtopienia oraz obszary cieplne; zidentyfikować fazy, wielkość ziaren i produkty przemian; wykonać mapę twardości w poprzek spoiny; a następnie dobrać badania mechaniczne lub badania pękania odpowiadające podejrzewanemu uszkodzeniu eksploatacyjnemu. Pęknięcie, wyciek lub przedwczesne wyłączenie z eksploatacji może być związane z HAZ, jednak nie należy określać go jako „pękanie HAZ”, dopóki nie zostaną ustalone przebieg pęknięcia i jego mechanizm.

### Trawienie makroskopowe, metalografia i identyfikacja stref

Należy rozpocząć od reprezentatywnego przekroju poprzecznego spoiny, obejmującego niezmieniony materiał rodzimy po obu stronach. Trzeba odnotować grubość blachy lub elementu, geometrię ukosowania, liczbę i kolejność ściegów, wymiary spoiny, kierunek prowadzenia, podgrzewanie wstępne, temperaturę międzyściegową, energię liniową oraz wszelką obróbkę cieplną po spawaniu (PWHT). Dane te zapewniają kontekst cieplny niezbędny do interpretacji przekroju. Norma ISO 13916:2025 określa pomiar temperatury podgrzewania wstępnego, temperatury międzyściegowej oraz temperatury podtrzymywania podgrzewania wstępnego podczas spawania metodami stapiającymi; nie obejmuje pomiaru temperatury PWHT.

Po wycięciu próbki, zatopieniu i szlifowaniu trawienie makroskopowe może ujawnić metal spoiny, granicę wtopienia, profil wtopienia, brak wtopienia, ślady zajarzenia łuku oraz przybliżoną szerokość materiału zmienionego cieplnie. Odczynnik trawiący należy dobrać do stopu i celu badania. Makrografia jest mapą, a nie metodą identyfikacji faz. Kontrast trawienia może powiększać optycznie lub ukrywać wąskie obszary, a pojedynczy przekrój może nie ujawnić asymetrii spowodowanej kątem ustawienia palnika, ponownym nagrzewaniem podczas spawania wielościegowego lub bliskim sztywnym zamocowaniem geometrycznym.

Stale konwencjonalne dzieli się zwykle — zgodnie z opisem TWI — na strefę ziaren grubych, strefę ziaren drobnych, strefę częściowo przemienioną lub międzykrytyczną oraz strefę odpuszczoną lub przeodpuszczoną, zależnie od temperatury maksymalnej i odległości od spoiny. W opisach stali rurociągowych opracowanych przez NIST stosuje się określenia: strefa ziaren grubych, strefa ziaren drobnych, strefa międzykrytyczna oraz strefa przeodpuszczona. Oznaczenia te są użyteczne, lecz nie wyznaczają uniwersalnych granic fizycznych. W strefie ziaren grubych przekroczono górny zakres przemiany w stopniu wystarczającym do umożliwienia rozrostu ziaren austenitu; w strefie ziaren drobnych austenityzacja zachodziła w niższej temperaturze; strefa międzykrytyczna uległa częściowej przemianie; natomiast strefa przeodpuszczona pozostawała poniżej zakresu przemiany, podczas gdy istniejący martenzyt lub bainit uległ zmiękczeniu.

Badanie metalograficzne należy następnie prowadzić od granicy wtopienia na zewnątrz, w znanych odległościach. Mikroskopia optyczna może umożliwić identyfikację ferrytu, perlitu, bainitu, martenzytu, martenzytu odpuszczonego, wtrąceń oraz widocznych zmian wielkości ziaren. Mikroskopia elektronowa skaningowa jest często potrzebna do oceny cech powierzchni przełomu, rozmieszczenia węglików i drobnych wydzieleń. Dyfrakcja elektronów wstecznie rozproszonych może służyć do pomiaru tekstury krystalograficznej, rekonstrukcji wcześniejszego austenitu w odpowiednich stopach oraz lokalnej dezorientacji związanej z odkształceniem lub przemianą. Mikroskopia elektronowa transmisyjna może być konieczna, gdy rozrost wydzieleń decyduje o wytrzymałości, jak w przypadku stali Grade 91.

Historia cieplna ma większe znaczenie niż sama nazwa strefy. Jak podaje TWI, mikrostruktura i twardość HAZ stali ferrytycznych zależą przede wszystkim od szybkości chłodzenia w zakresie przemian, składu chemicznego i hartowności oraz wielkości wcześniejszych ziaren austenitu. Δt8/5, czyli czas chłodzenia od 800 °C do 500 °C, jest praktycznym parametrem opisowym, gdy odpowiednie są te temperatury. W raporcie NIST dotyczącym stali rurociągowych powiązano Δt8/5 z energią liniową, składem chemicznym, odległością od spoiny i grubością ścianki. Parametr ten nie jest uniwersalną stałą materiałową. Dwa punkty przypisane do tej samej nazwanej strefy mogą zawierać różne produkty przemian, jeśli ich ścieżki chłodzenia były odmienne.

Badanie powinno również rozróżniać mechanizmy uszkodzeń. Pękanie indukowane wodorem rozwija się często w podatnych, twardych mikrostrukturach HAZ, przy działaniu naprężeń rozciągających i obecności wodoru dyfundującego. Pękanie krystalizacyjne występuje w metalu spoiny podczas jego krzepnięcia. Pękanie lamelarne przebiega w podatnej strukturze materiału rodzimego w kierunku przez grubość, z udziałem wtrąceń, natomiast pękanie likwacyjne wiąże się z miejscowym topieniem w pobliżu granic ziaren lub wtrąceń. Pękanie po obróbce cieplnej rozwija się podczas odprężania lub eksploatacji w podatnych stopach. ESDEP wymienia likwacyjne pękanie HAZ, pękanie indukowane wodorem i pękanie po obróbce cieplnej wśród głównych problemów spawalności stali konstrukcyjnych, lecz lista ta nie oznacza, że każda nieciągłość spawalnicza jest pęknięciem HAZ.

### Mapowanie twardości i badania mechaniczne

Mapowanie twardości łączy widoczną strukturę z lokalną odpowiedzią materiału, pod warunkiem że podane zostaną metoda i odstępy pomiarowe. Wykonuje się odciski, zaczynając w niezmienionym materiale rodzimym, a następnie przechodząc przez HAZ, granicę wtopienia i metal spoiny; w przypadku asymetrii spoiny lub spawania wielościegowego należy wykonać dodatkowe szeregi pomiarowe. Należy stosować dostatecznie małe obciążenie i odstępy, aby rozdzielić wąskie strefy ziaren drobnych lub strefy międzykrytyczne, jednocześnie unikając wzajemnego oddziaływania sąsiednich odcisków oraz wpływu krawędzi. Pomiary Vickersa HV0.5 lub HV1 często nadają się do laboratoryjnego mapowania; wybraną skalę należy podać, ponieważ wartości uzyskane przy różnych obciążeniach nie są automatycznie porównywalne.

Profil twardości może wskazać miękkie pasmo przeodpuszczone, twardy obszar martenzytyczny, zmiękczoną strefę międzykrytyczną lub nietypowe lokalne maksimum. Może także ujawnić różnice między HAZ pierwszego ściegu a obszarami ponownie nagrzanymi przez kolejne ściegi. Twardość jest jednak wskaźnikiem, a nie pełną oceną właściwości. Twarda HAZ może wykazywać małą odporność na pękanie wodorowe, lecz sama twardość nie pozwala określić odporności na pękanie, udarności Charpy’ego, szybkości wzrostu pęknięć zmęczeniowych, odporności na pękanie korozyjne naprężeniowe ani trwałości eksploatacyjnej. Z kolei zmiękczony obszar może utracić wytrzymałość pełzania, nie stając się przy tym prawdopodobnym źródłem pękania wodorowego.

Badania mechaniczne muszą wynikać z rodzaju rozpatrywanego uszkodzenia. Próby udarności Charpy’ego z karbem V oceniają udarność w określonych temperaturach, lecz pochłonięta energia nie jest równoznaczna z odpornością na pękanie w warunkach płaskiego stanu odkształcenia. Próbki do badań odporności na pękanie typu CT lub SEN(B) mogą służyć do oceny inicjacji i wzrostu pęknięcia przy określonym poziomie więzi. Próbki rozciągane ujawniają granicę plastyczności, ciągliwość i niedopasowanie wytrzymałości, chociaż konwencjonalna próbka może uśredniać właściwości kilku stref HAZ. Próby zginania ujawniają rozległy brak wtopienia, pękanie i problemy z ciągliwością. Próby zmęczeniowe, pełzania i pękania pod obciążeniem stałym są niezbędne, gdy o właściwościach decydują obciążenia cykliczne, długotrwała praca w wysokiej temperaturze lub pękanie środowiskowe.

W przypadku stali Grade 91, czyli odpuszczonej martenzytycznej stali żarowytrzymałej przeznaczonej do pracy pełzaniowej, pękanie typu IV wiąże się z HAZ materiału rodzimego, szczególnie ze strefami ziaren drobnych i strefami międzykrytycznymi. W opracowaniu ASM International i EPRI z 2016 r. wskazano tę podatność. Lokalna słabość może nie zostać wykryta w próbie rozciągania materiału objętościowego ani w pomiarach twardości, które nie rozdzielają wąskiej zmiękczonej strefy. Badanie powinno obejmować strukturę wcześniejszych ziaren austenitu, stan listew martenzytu, populację węglików i wydzieleń MX, stan PWHT oraz lokalizację pustek pełzaniowych lub pęknięć.

Ocena korozyjna również wymaga czegoś więcej niż pomiaru twardości. W opracowaniu TWI z 2002 r. dotyczącym spoin ze stali nierdzewnych supermartenzytycznych analizuje się mikrostruktury HAZ w odniesieniu do korozji, pękania korozyjnego naprężeniowego i pękania naprężeniowego w obecności siarczków, w tym ponownego nagrzewania przez kolejne ściegi oraz PWHT. W przypadku takich stopów o właściwościach mogą decydować lokalny udział faz, stabilność bogatej w chrom warstwy pasywnej, naprężenia własne, narażenie na wodór oraz historia odpuszczania.

### Interpretacja doświadczeń z symulowanymi cyklami cieplnymi HAZ

Próbki symulujące HAZ wytwarza się przez narzucenie kontrolowanego cyklu cieplnego na oddzielne kawałki stali, często z użyciem symulatora termomechanicznego typu Gleeble. Umożliwiają one badanie pojedynczej zmiennej — temperatury maksymalnej, szybkości nagrzewania, Δt8/5, ponownego nagrzewania przez kolejne ściegi lub przyłożonego odkształcenia — bez przestrzennego nakładania się oddziaływań występującego w rzeczywistej spoinie. Powstałe mikrostruktury można oceniać za pomocą mikroskopii, pomiarów twardości, prób rozciągania, udarności, pełzania lub pękania.

Ich wartość zależy od stopnia odwzorowania rzeczywistej spoiny. Pojedyncza temperatura maksymalna i Δt8/5 nie odtwarzają pełnego gradientu cieplnego, wieloosiowego skrępowania, rozkładu wodoru, rozcieńczenia metalu spoiny ani sekwencji cykli ponownego nagrzewania. Wymiary próbki również zmieniają przepływ ciepła. Symulowany materiał może zatem reprezentować jeden punkt w obrębie HAZ, a nie całą HAZ.

Stal Grade 91 wyraźnie ilustruje to ograniczenie. Symulowane cykle wykazały, że powstawanie ferrytu w międzykrytycznej HAZ może zmniejszać wytrzymałość na rozciąganie w wysokiej temperaturze, pomagając wyjaśnić, dlaczego uszkodzenia typu IV koncentrują się w tym obszarze. Wynik ten potwierdza określony mechanizm, lecz sam w sobie nie pozwala przewidzieć trwałości eksploatacyjnej spawanego elementu ciśnieniowego. Rzeczywiste spoiny dodatkowo uwzględniają naprężenia własne, lokalną geometrię, segregację chemiczną, wcześniejsze oddziaływanie cieplne oraz zmienność PWHT.

Najbardziej wiarygodna interpretacja porównuje wyniki symulacji z dowodami uzyskanymi dla rzeczywistej spoiny: odtwarza zmierzony lub obliczony cykl cieplny, potwierdza mikrostrukturę i twardość, a następnie bada właściwość istotną dla podejrzewanego uszkodzenia. Zgodność twardości stanowi użyteczne potwierdzenie. Nie dowodzi jednak, że zgodne będą również udarność, odporność na pękanie, zachowanie korozyjne lub długotrwałe właściwości eksploatacyjne.

## 12. Czytanie Norm Spawalniczych i Kwalifikowanie Technologii Spawania

Normy spawalnicze nie odpowiadają na to samo pytanie. Dokument zawierający wytyczne techniczne może zalecać podgrzewanie wstępne, temperaturę międzyściegową, ciepło wprowadzone lub środki kontroli wodoru. Norma dotycząca pomiaru temperatury może określać sposób uzyskiwania i rejestrowania tych temperatur. Norma dotycząca kwalifikowania technologii określa, czy proponowana technologia spawania wykazała uzyskanie akceptowalnych właściwości w określonych granicach. Mylenie tych funkcji prowadzi do częstego błędu: traktowania zalecanej kontroli cieplnej lub zmierzonej temperatury jako dowodu wystąpienia jednej, konkretnej mikrostruktury HAZ.

HAZ jest obszarem o przestrzennie zmiennych właściwościach, a nie jednorodnym pasem. TWI opisuje podobszary HAZ w stalach konwencjonalnych jako strefę gruboziarnistą, strefę drobnoziarnistą, strefę częściowo przemienioną oraz strefę odpuszczoną, sklasyfikowane na podstawie temperatury szczytowej i odległości od granicy wtopienia. W opracowaniu NIST dotyczącym stali rurociągowych stosowane są powiązane określenia: strefa gruboziarnista, strefa drobnoziarnista, strefa międzykrytyczna oraz strefa przeodpuszczona. Każda lokalizacja może doświadczać innej temperatury szczytowej, maksymalnej wielkości ziarna austenitu, drogi przemiany oraz szybkości chłodzenia.

### Co określa EN 1011-2

EN 1011-2, *Spawanie — Zalecenia dotyczące spawania materiałów metalowych — Część 2: Spawanie łukowe stali ferrytycznych*, jest dokumentem zawierającym wytyczne dotyczące kontroli zagrożeń związanych ze spawalnością stali ferrytycznych. Zakres normy należy odczytywać dosłownie: obejmuje ona spawanie łukowe stali ferrytycznych i wyłącza ferrytyczne stale nierdzewne. Nie jest uniwersalnym zbiorem zasad dla każdego gatunku stali, procesu spawania ani HAZ stali nierdzewnych.

Dokument łączy skład chemiczny stali, grubość, utwierdzenie, stan zawartości wodoru, ciepło wprowadzone i podgrzewanie wstępne z ryzykiem wystąpienia niepożądanych stanów spoiny i HAZ. Metody opisane w dokumencie wspierają podejmowanie decyzji dotyczących podgrzewania wstępnego i temperatury międzyściegowej, a także kontroli przebiegu chłodzenia istotnego z punktu widzenia pękania wywołanego wodorem. Podejścia oparte na równoważniku węgla mogą wskazywać hartowność i podatność na pękanie, lecz nie zastępują kwalifikowanej technologii ani bezpośredniego badania złącza spawanego. Dwie stale o podobnych wartościach równoważnika węgla mogą mimo to tworzyć różne struktury HAZ, ponieważ różnią się bilansem dodatków stopowych, wcześniejszą obróbką, wielkością ziarna i kinetyką przemian.

Praktyczna wartość EN 1011-2 polega na przekładaniu metalurgii na środki kontroli procesu spawania. Wyższa temperatura podgrzewania wstępnego na ogół spowalnia chłodzenie; zmiana ciepła wprowadzonego modyfikuje cykl cieplny; kontrola wodoru zmniejsza ilość wodoru dyfundującego dostępnego do udziału w procesie pękania. Żadne z tych stwierdzeń nie przewiduje każdego lokalnego składnika struktury. To samo nominalne ciepło wprowadzone może prowadzić do różnych wartości Δt8/5, gdy zmieniają się grubość blachy, geometria złącza, sprawność łuku, pozycja spawania lub odległość od spoiny.

Δt8/5 jest czasem chłodzenia między 800 °C a 500 °C, gdy taki przedział ma zastosowanie do rozpatrywanej stali i przemiany. Raport NIST dotyczący rurociągów wiąże go z ciepłem wprowadzonym, składem chemicznym, odległością od spoiny i grubością ścianki. Zależność ta stanowi użyteczne połączenie między zmienną WPS a metalurgią HAZ, lecz nie jest uniwersalnym przelicznikiem. Zmierzony lub obliczony czas chłodzenia należy interpretować z uwzględnieniem gatunku stali i cyklu cieplnego.

Wytycznych tych nie można również odczytywać jako bezpośredniego badania akceptacyjnego udarności, twardości lub trwałości eksploatacyjnej. Jak wyjaśnia TWI, mikrostruktura i twardość HAZ stali ferrytycznych zależą przede wszystkim od szybkości chłodzenia w zakresie przemian, składu chemicznego stali i jej hartowności oraz wielkości wcześniejszego ziarna austenitu. Szybsze chłodzenie może zwiększać udział twardych produktów martenzytycznych lub bainitycznych w stali o dużej hartowności; wolniejsze chłodzenie może sprzyjać powstawaniu miększych produktów przemiany, ale może również powodować rozrost ziaren lub zmianę wytrzymałości. Dopuszczalna równowaga zależy od specyfikacji projektowej i warunków eksploatacji.

### Co mierzy ISO 13916:2025

Różne dokumenty kwalifikacyjne i badania dostarczają różnych rodzajów dowodów dotyczących SWC.
| Rodzaj dowodu | Pytanie, na które odpowiada | Czego sam w sobie nie potwierdza |
|---|---|---|
| Dokumentacja technologii spawania | Jakie zastosowano czynniki cieplne i zmienne istotne? | Dokładnego składu fazowego w każdym miejscu SWC |
| Zapis temperatury | Czy przestrzegano ograniczeń dotyczących podgrzewania wstępnego i temperatury międzyściegowej? | Spełnienia wymagań dotyczących obróbki cieplnej po spawaniu |
| Pomiar twardości w poprzek złącza | Gdzie znajdują się pasma twarde i miękkie? | Udarności, trwałości zmęczeniowej w warunkach pełzania ani odporności na korozję |
| Badanie makro- i mikroskopowe | Jakie strefy, fazy i wady występują? | Długoterminowych właściwości eksploatacyjnych |
| Badanie mechaniczne lub środowiskowe | Czy złącze spełnia wymaganie dotyczące odpowiedniej właściwości? | Zapanowania nad wszystkimi pozostałymi mechanizmami uszkodzeń eksploatacyjnych |

ISO 13916:2025 ma węższą i bardziej precyzyjną funkcję. Norma określa wymagania dotyczące pomiaru temperatur podgrzewania wstępnego, temperatur międzyściegowych oraz temperatury utrzymania podgrzania wstępnego podczas spawania stapianiem. Nie obejmuje pomiaru temperatury obróbki cieplnej po spawaniu. To wyłączenie ma znaczenie: układ termopar lub odczyt podczerwieni zaakceptowany do kontroli podgrzewania wstępnego nie może automatycznie potwierdzać, że cykl PWHT spełnił wymaganą temperaturę, czas wygrzewania lub równomierność w kierunku grubości.

Norma pomaga zapewnić porównywalność zapisów temperatury, określając, jaka temperatura jest mierzona i w jaki sposób należy prowadzić pomiar podczas spawania. W kwalifikowaniu technologii wspiera to dowód, że spawacz lub operator spawania przestrzegał określonych zasad kontroli cieplnej. Norma nie mierzy twardości HAZ, nie identyfikuje strefy gruboziarnistej, nie określa bezpośrednio Δt8/5 w każdym złączu ani nie ujawnia, czy podczas eksploatacji wystąpi pękanie typu IV.

Lokalizacja pomiaru jest zatem częścią oceny inżynierskiej. Temperatura powierzchni zmierzona w pewnej odległości od granicy wtopienia może nie odzwierciedlać historii cieplnej wąskiego obszaru HAZ. Podobnie pomiar temperatury międzyściegowej rejestruje stan przed wykonaniem następnego ściegu, a nie pełną historię temperatury szczytowej wytworzoną przez ten ścieg. Ponowne nagrzewanie przez kolejne ściegi może odpuszczać, rozdrabniać lub częściowo przemieniać materiał wcześniejszej HAZ. W spoinach supermartenzytycznych stali nierdzewnych w badaniu TWI z 2002 r. analizowano mikrostruktury HAZ w odniesieniu do korozji, pękania korozyjnego pod naprężeniem, pękania pod wpływem naprężeń siarczkowych, ponownego nagrzewania przez kolejne ściegi oraz PWHT. Zapis cieplny i wynik metalograficzny są ze sobą powiązane, lecz nie są wzajemnie wymienne.

### Powiązanie zmiennych technologii z akceptacją HAZ

Kwalifikowanie technologii łączy zmienne podlegające kontroli z wykazanymi właściwościami złącza. WPS określa gatunek, zakres grubości, konfigurację złącza, proces, materiały dodatkowe, podgrzewanie wstępne, temperaturę międzyściegową, granice ciepła wprowadzonego lub prędkości spawania, warunki osłony oraz ewentualne PWHT. Protokół kwalifikowania dokumentuje następnie rzeczywiste zastosowane wartości i wykonane badania. W ramach właściwego systemu kwalifikowania, takiego jak ISO 15614-1 dotycząca badań technologii spawania, zmiany wykraczające poza dopuszczalne zakresy mogą wymagać ponownego kwalifikowania, zamiast nieformalnego założenia, że HAZ pozostanie równoważna.

Kryteria akceptacji muszą być powiązane z kontrolowanym mechanizmem uszkodzenia. Badanie twardości może wykazać nadmierną twardość HAZ i wspierać kontrolę pękania wodorowego, lecz sama twardość nie potwierdza odpowiedniej odporności na pękanie. Próby rozciągania i zginania oceniają różne aspekty właściwości złącza. Badanie udarności Charpy’ego obejmuje określoną lokalizację i temperaturę; nie reprezentuje każdego podobszaru HAZ. Badanie makroskopowe może ujawnić wtopienie, geometrię i widoczne wady, natomiast badania nieniszczące dotyczą nieciągłości, które mogą nie być widoczne metalograficznie.

Rozróżnienie mechanizmów pękania ma zasadnicze znaczenie. ESDEP wymienia pękanie likwacyjne HAZ, pękanie wywołane wodorem i pękanie wtórne wśród głównych problemów spawalności stali konstrukcyjnych, podczas gdy pękanie krzepnięciowe występuje w metalu spoiny, a rozwarstwienie lamelarne jest związane z odkształceniem w kierunku grubości oraz metalem rodzimym wrażliwym na obecność wtrąceń. Określanie każdej nieciągłości mianem „pękania HAZ” zaciemnia właściwy sposób kontroli. Pękanie wywołane wodorem wymaga zwrócenia uwagi na wodór, hartowność, utwierdzenie i chłodzenie. Pękanie wtórne dotyczy podatnych mikrostruktur podczas odprężania lub eksploatacji. Pękanie likwacyjne obejmuje miejscowe topienie w HAZ.

Gatunek Grade 91 pokazuje, dlaczego kwalifikowanie nie może kończyć się na nominalnej wartości podgrzewania wstępnego. ASM International i EPRI podały w 2016 r., że Grade 91 jest podatny na pękanie typu IV w HAZ metalu rodzimego, szczególnie w strefach drobnoziarnistej i międzykrytycznej. Symulowane cykle cieplne wykazały również, że powstawanie ferrytu w międzykrytycznej HAZ może zmniejszać wytrzymałość na rozciąganie w wysokiej temperaturze. Technologia może spełniać wymagania dotyczące temperatury i oględzin, a mimo to wymagać ukierunkowanej oceny twardości, udarności, metalograficznej lub pełzaniowej, gdy specyfikacja nadrzędna wskazuje takie zagrożenie.

Prawidłowa interpretacja jest zatem wielowarstwowa: EN 1011-2 dostarcza zaleceń dotyczących spawania stali ferrytycznych, ISO 13916:2025 reguluje określony pomiar temperatury podczas spawania stapianiem, a norma kwalifikowania określa wykazaną akceptację w zakresie zmiennych istotnych. Żadnej z tych norm nie należy przywoływać poza zakresem jej stosowania. Prawidłowe kwalifikowanie wykorzystuje zmierzone parametry kontroli cieplnej jako dowód, a następnie bada właściwości istotne dla rzeczywistej HAZ, procesu wytwarzania i warunków eksploatacji.

## 13. Praktyczne ramy metalurgiczne diagnostyki HAZ

### Zacznij od materiału, procesu spawania i historii cieplnej

Rzetelna diagnostyka HAZ rozpoczyna się jeszcze przed badaniem mikroskopowym. Najpierw należy określić specyfikację wyrobu, gatunek, numer wytopu, grubość, stan dostawy oraz wszelkie wcześniejsze operacje spawania lub obróbki cieplnej. Określenie „stal węglowa” nie dostarcza wystarczających informacji: ASTM A516 Grade 70, API 5L X65, EN 10025-2 S355J2, ASTM A387 Grade 91 oraz stal stopowa hartowana i odpuszczana mogą tworzyć zupełnie różne struktury HAZ pod wpływem tego samego łuku. Należy odnotować orientację blachy lub rury, obszary wrażliwe na segregację, historię kształtowania oraz informację, czy materiał wyjściowy był normalizowany, hartowany i odpuszczany, obrabiany cieplno-mechanicznie lub odpuszczany po wytworzeniu.

Następnie należy odtworzyć dokumentację spawania. Trzeba określić proces — SMAW, GMAW, FCAW, GTAW, SAW lub inny — a także klasyfikację materiału dodatkowego, biegunowość, natężenie prądu, napięcie, prędkość spawania, wielkość ściegu, sprawność łuku, geometrię złącza, kolejność układania ściegów oraz temperaturę międzyściegową. Podgrzewanie wstępne, obróbka cieplna między ściegami, utwierdzenie i narażenie środowiskowe powinny zostać ujęte w tej samej dokumentacji. Norma EN 1011-2 zawiera wytyczne dotyczące spawania łukowego stali ferrytycznych; jej zakres nie obejmuje ferrytycznych stali nierdzewnych, dlatego jej zaleceń nie należy przenosić na te materiały bez sprawdzenia ich zastosowalności. Norma ISO 13916:2025 określa pomiar temperatur podgrzewania wstępnego, temperatur międzyściegowych i temperatury utrzymania podgrzania wstępnego podczas spawania metodami stapiającymi, ale nie określa pomiaru temperatury obróbki cieplnej po spawaniu.

Kluczowe pytanie nie brzmi po prostu, jak wysoką temperaturę osiągnęło złącze spawane, lecz jaki cykl cieplny wystąpił w każdym miejscu. HAZ jest obszarem litego metalu zmienionym przez ciepło spawania, ale nieulegającym stopieniu. W pobliżu granicy wtopienia temperatura maksymalna może doprowadzić do powstania gruboziarnistej struktury byłego austenitu; w większej odległości niższe temperatury maksymalne mogą powodować rozdrobnienie ziaren, częściową przemianę struktury wyjściowej albo odpuszczanie stanu uprzednio zahartowanego lub hartowanego i odpuszczanego. TWI opisuje podobszary HAZ w stalach konwencjonalnych jako strefy rozrostu ziaren, rozdrobnienia ziaren, przemiany częściowej lub międzykrytycznej oraz odpuszczania, zależnie od temperatury maksymalnej i odległości od spoiny. NIST stosuje blisko spokrewnione określenia: strefa gruboziarnista, drobnoziarnista, międzykrytyczna i przeodpuszczona — w odniesieniu do obszarów HAZ w stalach rurociągowych.

Należy oszacować historię chłodzenia, zamiast wnioskować o niej wyłącznie na podstawie odległości. W stosownych przypadkach Δt8/5 — czas chłodzenia od 800 °C do 500 °C — zapewnia praktyczną możliwość porównywania złączy i poszczególnych miejsc. Raport NIST dotyczący rurociągów wiąże Δt8/5 z energią liniową spawania, składem chemicznym stali, odległością od spoiny oraz grubością ścianki. Krótki czas chłodzenia może sprzyjać powstawaniu martenzytu lub bainitu w stali o dużej hartowności; dłuższy czas może umożliwiać przemiany w ferryt, perlit lub przemiany odpuszczania. Dlatego ta sama nominalna energia liniowa może prowadzić do powstania różnych struktur w cienkiej blasze, rurze o grubej ściance i złączach utwierdzonych.

### Oddziel dowody pękania, zmiękczenia, zahartowania i korozji

Przed przypisaniem mechanizmu uszkodzenia należy sporządzić mapę obszaru objętego zmianami. Za pomocą przekroju trawionego makroskopowo należy zlokalizować granicę wtopienia i przybliżoną szerokość HAZ, a następnie zbadać zgłady wypolerowane i wytrawione, obejmujące pęknięcie, sąsiadujący niezmieniony metal rodzimy, metal spoiny oraz — w odpowiednich przypadkach — kilka ściegów. Pomiary twardości należy wykonywać w poprzek granicy wtopienia, w wielu odległościach i kierunkach. Maksimum twardości może wskazywać na obszar martenzytyczny lub bainityczny, ale nie dowodzi pękania wodorowego. Z kolei pasmo o obniżonej twardości może wskazywać na przemianę międzykrytyczną, odpuszczanie lub przeodpuszczenie, nie będąc źródłem uszkodzenia.

TWI podaje, że mikrostruktura i twardość HAZ zależą przede wszystkim od szybkości chłodzenia w zakresie przemian, składu chemicznego i hartowności oraz wielkości ziaren byłego austenitu. Zmienne te należy interpretować łącznie. Obszar gruboziarnisty może charakteryzować się niską udarnością, nawet gdy jego twardość jest umiarkowana. Obszar drobnoziarnisty lub międzykrytyczny może być bardziej miękki, a jednocześnie podatny na uszkodzenia w warunkach pełzania. W przypadku Grade 91 badanie ASM International i EPRI opublikowane w 2016 roku identyfikuje pękanie typu IV w HAZ metalu rodzimego, szczególnie w obszarach drobnoziarnistych i międzykrytycznych. Symulowane cykle cieplne wykazały, że powstawanie ferrytu w międzykrytycznej HAZ może obniżać wytrzymałość na rozciąganie w wysokiej temperaturze. Sam profil twardości nie pozwoliłby wykryć tego mechanizmu.

Pęknięcia należy klasyfikować według lokalizacji, morfologii, czasu powstania i rodzaju obciążenia. Pękanie krystalizacyjne występuje w metalu spoiny podczas krzepnięcia ostatniej cieczy; nie jest automatycznie pęknięciem HAZ. Pękanie likwacyjne powstaje, gdy lokalne składniki na granicy wtopienia lub w jej pobliżu ulegają częściowemu stopieniu podczas spawania lub ponownego nagrzewania. Pękanie wodorowe zwykle wymaga obecności wodoru dyfundującego, podatnej na pękanie twardej mikrostruktury oraz naprężeń rozciągających lub utwierdzenia, a często także opóźnionego powstawania pęknięć. Rozwarstwienie lamelarne wiąże się z odkształceniem w kierunku przez grubość oraz niską ciągliwością wynikającą z wydłużonych wtrąceń w blasze rodzimej, a nie z ogólnie rozumianą „twardą HAZ”. Pękanie po ponownym nagrzaniu rozwija się podczas nagrzewania po spawaniu lub eksploatacji w podatnych stalach stopowych. ESDEP wymienia pękanie likwacyjne HAZ, pękanie wodorowe i pękanie po ponownym nagrzaniu wśród głównych problemów spawalności stali konstrukcyjnych.

Dowody korozji wymagają odrębnego badania. Należy określić elektrolit, temperaturę, potencjał, zanieczyszczenia, stan ochrony katodowej oraz naprężenia resztkowe lub przyłożone. Wąskie pasmo HAZ może różnić się od metalu spoiny i metalu rodzimego równowagą faz, rozmieszczeniem węglików, twardością lub reakcją warstwy pasywnej. W spoinach supermartenzytycznych stali nierdzewnych badanie TWI z 2002 roku analizowało mikrostruktury HAZ w odniesieniu do korozji, korozji naprężeniowej, pękania naprężeniowego w obecności siarczków, ponownego nagrzewania przez kolejne ściegi oraz PWHT. Cykle cieplne wywołane przez kolejne ściegi mogą odpuszczać, powodować ponowną austenityzację lub w inny sposób zmieniać wcześniej powstałą HAZ; PWHT może obniżać twardość, jednocześnie zmieniając wydzielanie węglików i lokalną reakcję korozyjną.

### Od zaobserwowanego obszaru do dającego się obronić mechanizmu

Należy przechodzić od obserwacji do mechanizmu w jasno określonych etapach. Po pierwsze, trzeba zaznaczyć pęknięcie, wżer, pasmo zmiękczenia lub początek pękania na zmierzonym przekroju. Po drugie, należy skorelować jego położenie z podobszarem odpowiadającym temperaturze maksymalnej oraz z twardością. Po trzecie, trzeba zidentyfikować fazy za pomocą mikroskopii optycznej, SEM oraz, w razie potrzeby, EBSD, dyfrakcji rentgenowskiej lub transmisyjnej mikroskopii elektronowej. Do analizy węglików w Grade 91 i innych stalach odpornych na pełzanie mogą być potrzebne repliki ekstrakcyjne węglików lub metody analityczne. Fraktografia powinna ustalić, czy przełom ma charakter łupliwy, quasi-łupliwy, ciągliwy z koalescencją mikroporów, międzykrystaliczny czy wspomagany oddziaływaniem środowiska.

Następnie należy sprawdzić istotne warunki współwystępujące. W przypadku hipotezy wodorowej należy zmierzyć lub udokumentować suszenie materiału dodatkowego, zawartość wodoru dyfundującego, podgrzewanie wstępne, czas do wystąpienia pęknięcia opóźnionego, utwierdzenie i twardość; pomocne porównanie mogą zapewnić nawodorowanie lub kontrolowane badania pękania opóźnionego. W przypadku pękania likwacyjnego lub krystalizacyjnego należy zbadać częściowo stopione granice ziaren i składniki segregacji. W przypadku rozwarstwienia lamelarnego należy ocenić morfologię wtrąceń i ciągliwość w kierunku przez grubość. W przypadku pękania po ponownym nagrzaniu lub pękania typu IV należy odtworzyć oddziaływanie cieplne i naprężenia eksploatacyjne, a następnie porównać zachowanie podczas pełzania lub próby na pełzanie przy zerwaniu z materiałem niezmienionym.

Na koniec należy zastosować badanie, które mogłoby obalić proponowane wyjaśnienie. Można ponownie wykonać mapowanie twardości, przeprowadzić analizę mikrochemiczną, poddać porównywalne próbki działaniu środowiska eksploatacyjnego albo odtworzyć cykl cieplny spawania przy kontrolowanym Δt8/5 i ponownym nagrzewaniu. Widoczne pęknięcie dowodzi nieciągłości, a nie jej przyczyny. Maksimum twardości dowodzi lokalnej reakcji materiału, a nie mechanizmu uszkodzenia. Dająca się obronić diagnoza to taka, która łączy stan materiału, historię cieplną, przestrzenną mikrostrukturę, obciążenie i środowisko, a następnie przechodzi pomyślnie ukierunkowane badanie.

## 14. Synteza: dlaczego metalurgia SWC decyduje o właściwościach stali spawanej

### SWC jako materiał o przestrzennie zmiennych właściwościach

Strefa wpływu ciepła (SWC, HAZ) nie jest pojedynczym pasmem materiału o jednej, przewidywalnej strukturze. Jest to część metalu rodzimego zmieniona przez ciepło spawania bez stopienia, a jej stan zmienia się w sposób ciągły wraz z odległością od granicy wtopienia. Temperatura maksymalna, czas przebywania w danej temperaturze, szybkość chłodzenia, wcześniejsza mikrostruktura oraz ponowne nagrzewanie decydują o tym, jakich oddziaływań doświadcza każda mała objętość materiału. Dlatego dwa miejsca oddalone od siebie zaledwie o kilka milimetrów mogą zawierać różne fazy, wielkości ziaren i naprężenia własne.

W przypadku konwencjonalnych stali TWI dzieli SWC na strefy o rozroście ziaren, rozdrobnieniu ziaren, przemianie częściowej oraz odpuszczaniu, zgodnie z temperaturą maksymalną i odległością od spoiny. Strefa o rozroście ziaren leży najbliżej granicy wtopienia i osiąga temperatury wystarczająco wysokie, aby wywołać rozrost ziaren austenitu. Jej gruboziarniste ziarna wcześniejszego austenitu mogą sprzyjać powstawaniu niekorzystnych produktów przemiany i obniżać udarność, szczególnie gdy chłodzenie jest wystarczająco szybkie, aby utworzyć twardy bainit lub martenzyt. Dalej położona strefa rozdrobnienia ziaren ulega austenityzacji przy niższej temperaturze maksymalnej i zazwyczaj rozwija mniejsze ziarna wcześniejszego austenitu. Takie rozdrobnienie może poprawiać udarność, ale nie eliminuje wpływu składu chemicznego ani szybkości chłodzenia.

Strefa międzykrytyczna, czyli strefa przemiany częściowej, jest nagrzewana do temperatury między dolną a górną temperaturą krytyczną. Tylko część jej pierwotnej struktury przekształca się w austenit. Podczas chłodzenia przekształcona część może stać się twardsza od otaczającego materiału, podczas gdy nieprzekształcony ferryt lub składniki odpuszczone zachowują inną wytrzymałość i ciągliwość. Jeszcze dalej od spoiny może występować strefa odpuszczona lub przeodpuszczona, w której dochodzi do zmiękczenia, rozrostu wydzieleń lub utraty umocnienia wydzieleniowego bez całkowitej austenityzacji.

W opisach stali rurociągowych opracowanych przez National Institute of Standards and Technology stosuje się pokrewne określenia: strefy gruboziarnista, drobnoziarnista, międzykrytyczna i przeodpuszczona. Określenia te pomagają umiejscowić historie cieplne, ale nie są klasyfikacjami właściwości użytkowych. Zmienną decydującą jest pełny cykl cieplny, a zwłaszcza chłodzenie w zakresie przemian. TWI podaje, że mikrostruktura i twardość SWC zależą przede wszystkim od szybkości chłodzenia w tym zakresie, składu chemicznego stali i jej hartowności oraz wielkości ziaren wcześniejszego austenitu. Praktyczny parametr Δt8/5 — czas wymagany do ochłodzenia od 800 °C do 500 °C — często opisuje tę część cyklu w przypadku stali ferrytycznych. NIST zwraca uwagę, że Δt8/5 zależy od energii liniowej, składu chemicznego, odległości od spoiny i grubości ścianki. Jest użytecznym parametrem opisowym, ale nie stanowi uniwersalnego zamiennika pomiaru cyklu cieplnego.

### Kompromisy między wytrzymałością, udarnością, ciągliwością i odpornością korozyjną

Złącze spawane może spełniać wymagania dotyczące wytrzymałości na rozciąganie, a jednocześnie zawierać SWC, która decyduje o zniszczeniu. Szybkie chłodzenie może prowadzić do wysokiej twardości wskutek powstania martenzytu lub twardych struktur bainitycznych, zwiększając miejscową wytrzymałość, ale także podatność na pękanie wodorowe, gdy obecne są wodór dyfundujący i utwierdzenie. Wolniejsze chłodzenie może zmniejszyć twardość i ryzyko pękania wodorowego, jednak nadmierna energia liniowa lub długotrwałe przebywanie w wysokiej temperaturze może powodować rozrost ziaren, zmiękczenie SWC albo obniżenie udarności. Podgrzewanie wstępne zmienia cykl chłodzenia, ale samo w sobie nie gwarantuje bezpiecznej mikrostruktury.

Wytrzymałość i udarność konkurują ze sobą również poprzez wielkość ziaren i produkty przemiany. Drobne ziarna zazwyczaj sprzyjają większej odporności na kruche pękanie, natomiast grube ziarna mogą podnosić temperaturę przejścia plastyczno-kruchego. Miękka strefa międzykrytyczna lub przeodpuszczona może kompensować odkształcenie dzięki większej miejscowej ciągliwości, ale podczas obciążenia rozciągającego lub odkształcenia cyklicznego może stać się najsłabszym przekrojem. W stalach odpornych na pełzanie problem jest poważniejszy, ponieważ niewielkie zmiany rozkładu wydzieleń i struktury podziarnowej mogą decydować o wytrzymałości długotrwałej.

Gatunek 91 pokazuje, dlaczego ogólne stwierdzenie, że „SWC jest twardsza”, jest niewystarczające. Materiały konferencyjne ASM International i EPRI z 2016 r. wskazują na pękanie typu IV w SWC metalu rodzimego, szczególnie w strefach drobnoziarnistej i międzykrytycznej. Symulowane cykle cieplne wykazały, że powstawanie ferrytu w międzykrytycznej SWC może obniżać wytrzymałość na rozciąganie w wysokiej temperaturze. Miejsce zniszczenia jest zatem związane nie tylko z najgorętszą strefą, lecz z określoną kombinacją częściowej przemiany, osłabionej struktury pełzaniowej, naprężenia i temperatury pracy.

Mechanizmy pękania również należy rozróżniać. ESDEP wymienia pękanie likwacyjne w SWC, pękanie wodorowe i pękanie podczas ponownego nagrzewania wśród głównych problemów spawalności stali konstrukcyjnych. Pękanie krzepnięciowe występuje w metalu spoiny podczas jego krzepnięcia, chociaż sąsiednia likwacja SWC może obejmować składniki niskotopliwe lub granice wzbogacone w wydzielenia. Rozwarstwienie lamelarne wynika głównie z odkształcenia w kierunku grubości w podatnej na to blasze zawierającej wydłużone wtrącenia; nie jest ono równoznaczne z pękaniem wodorowym. Pękanie podczas ponownego nagrzewania rozwija się w trakcie odprężania lub eksploatacji, gdy podatne mikrostruktury i naprężenia własne wzajemnie na siebie oddziałują. Nazywanie każdej nieciągłości spawalniczej „pękaniem SWC” zaciemnia dobór właściwej metody zapobiegania.

Korozja stanowi kolejną warstwę problemu. Przemiany w SWC mogą powodować miejscowe różnice galwaniczne, obszary zubożone w chrom lub zmienione wskutek oddziaływania wydzieleń, gradienty twardości oraz resztkowe naprężenia rozciągające. W spoinach z supermartenzytycznej stali nierdzewnej w badaniu TWI z 2002 r. analizowano mikrostruktury SWC w odniesieniu do korozji, pękania korozyjnego naprężeniowego, pękania naprężeniowego wywołanego siarczkami, ponownego nagrzewania przez kolejne ściegi oraz obróbki cieplnej po spawaniu (PWHT). Kolejny ścieg spoiny może odpuszczać jeden obszar, a inny ponownie nagrzewać do stanu międzykrytycznego. PWHT może zmniejszać naprężenia własne i odpuszczać twarde składniki, ale może również zmieniać wydzielanie oraz reakcję korozyjną. To środowisko pracy — chlorki, kwaśny płyn wydobywczy, wodór, temperatura i przyłożone naprężenie — decyduje o tym, która słabość stanie się kluczowa.

### Pytania, na które musi odpowiadać rzetelna ocena SWC

Wiarygodna ocena powinna rozpoczynać się od rzeczywistej technologii spawania, a nie od ogólnej szerokości SWC. Norma EN 1011-2 dotyczy spawania łukowego stali ferrytycznych, z wyłączeniem ferrytycznych stali nierdzewnych, i zawiera wytyczne dotyczące energii liniowej, podgrzewania wstępnego oraz kontroli wodoru. Norma ISO 13916:2025 określa pomiar temperatury podgrzewania wstępnego, temperatury międzyściegowej i temperatury utrzymania podgrzania podczas spawania metodami stapiającymi; nie obejmuje pomiaru temperatury PWHT. Ograniczenia te mają znaczenie, ponieważ udokumentowana kontrola temperatury i rzeczywista PWHT stanowią odrębne elementy potwierdzające.

Badanie metalograficzne powinno lokalizować granicę wtopienia oraz identyfikować każdy podobszar cieplny, wielkość ziaren i produkt przemiany. Pomiary twardości wzdłuż przekroju powinny obejmować metal spoiny, obszary gruboziarnisty, drobnoziarnisty, międzykrytyczny i przeodpuszczony, zamiast podawać jedną wartość dla SWC. Badanie udarności musi reprezentować krytyczne miejsce i temperaturę pracy, natomiast badania rozciągania, pełzania lub zginania powinny uwzględniać strefy zmiękczone i anizotropowe właściwości blachy. Szacunki cyklu cieplnego powinny określać założenia dotyczące energii liniowej, grubości, składu chemicznego, utwierdzenia i Δt8/5.

Końcowa ocena musi łączyć strukturę z mechanizmem zniszczenia i środowiskiem pracy. Należy zadać następujące pytania:

- Która strefa SWC jest oceniana i gdzie znajduje się względem granicy wtopienia?
- Jaka przemiana zaszła podczas pierwszego cyklu cieplnego i podczas ponownego nagrzewania?
- Czy profil twardości wskazuje na martenzyt, bainit, odpuszczanie, zmiękczenie czy miejscowe niedopasowanie?
- Czy udarność jest wystarczająca w określonej temperaturze pracy i przy określonej szybkości obciążania?
- Który mechanizm pękania jest wiarygodny: wodorowy, likwacyjny, krzepnięciowy, rozwarstwienie lamelarne, pękanie podczas ponownego nagrzewania czy pękanie typu IV?
- Jakie oddziaływanie korozji, wodoru, chlorków lub siarczków będzie występować w SWC?
- Która mająca zastosowanie norma, kwalifikacja technologii i metoda pomiaru określa kryteria odbioru?

Zachowanie SWC jest łącznym rezultatem składu chemicznego, wcześniejszej mikrostruktury, cyklu cieplnego, utwierdzenia, ponownego nagrzewania i środowiska pracy. Żadne pojedyncze określenie SWC nie pozwala przewidzieć właściwości użytkowych stali spawanej.

## Źródła

1. \[1\] ASM International, Electric Power Research Institute. [Grade 91 Type IV cracking and simulated HAZ thermal cycles](https://www.asminternational.org/). ASM International and EPRI proceedings, 2016. [](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/metalurgia-strefy-wp%C5%82ywu-ciep%C5%82a-podczas-spawania-stali#wiki-cite-ref-1) https://www.asminternational.org/
2. \[2\] TWI. [Supermartensitic stainless-steel weld HAZ microstructures and environmental cracking](https://www.twi-global.com/). TWI study, 2002. [](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/metalurgia-strefy-wp%C5%82ywu-ciep%C5%82a-podczas-spawania-stali#wiki-cite-ref-2) https://www.twi-global.com/

 **SWC w skrócie**

Lokalizacja

Między granicą wtopienia a niezmienionym metalem rodzimym

Stan materiału

Metal rodzimy zmieniony pod wpływem ciepła spawania, bez stopienia

Kluczowy parametr cieplny

Δt8/5: czas chłodzenia od 800 °C do 500 °C

Główne czynniki

Temperatura szczytowa, szybkość chłodzenia, skład chemiczny, hartowność i wielkość ziarna

 [Powrót do Obróbka cieplna](/pl/wiki/obróbka-cieplna "Obróbka cieplna — Steel Wiki")