I. Pojęcie stali.

Stal jest plastycznie i cieplnie obrabialnym stopem żelaza w węglem i innymi pierwiastkami, otrzymywanym w procesach stalowniczych ze stanu ciekłego. Za stężenie węgla graniczne, oddzielające stale od żeliw, przyjmuje się 2% ( jedynie nieliczne stale wysokochromowe mogą zawierać więcej niż 2%C ). Klasyfikacji stali można dokonać na wiele różnych sposobów. Ze względów praktycznych najczęściej operuje się klasyfikacją stali opierając się na składzie chemicznym lub zastosowaniu.

II. Podziały stali:

1. W zależności od składu chemicznego:

Dokonując podziału stali według tego kryterium ( zgadnie z normą PN-EN 10020:2002U ) możemy wyróżnić następujące klasy stali:

- stale niestopowe, w których stężenie każdego z pierwiastków jest mniejsze od wartości granicznych,

- stale nierdzewne, zawierające ≥ 10,5% chromu i ≤ 1,2% węgla,

- inne stale stopowe, w których stężenie co najmniej jednego z pierwiastków jest równe lub większe od wartości granicznej.

Ze względu na sumaryczne stężenie pierwiastków, stale stopowe dzieli się umownie na następujące grupy:

- niskostopowe, w których stężenie jednego pierwiastka ( oprócz węgla ) nie przekracza 2%,

a suma pierwiastków łącznie nie przekracza 3,5%,

- średniostopowe, w których stężenie jednego pierwiastka ( oprócz węgla ) przekracza 2% lecz nie przekracza 8%, lub suma pierwiastków łącznie nie przekracza 12%,

- wysokostopowe, w których stężenie jednego pierwiastka przekracza 8%, a suma pierwiastków łącznie nie przekracza 55%.

W zależności od głównego pierwiastka lub kilku pierwiastków występujących w stalach stopowych, można wydzielić następujące ich podgrupy: stale manganowe, stale krzemowe, stale manganowo-krzemowe, stale niklowe, stale chromowe, stale chromowo-niklowe, stale chromowo-molibdenowe, stale chromowo-manganowo-krzemowe, stale chromowo-niklowo-molibdenowe i inne.

1. W zależności od zastosowania:

- Konstrukcyjne (do ok. 0,85%C)

- Narzędziowe (0,6-1,3%C)

- O szczególnych właściwościach

1. W zależności od zawartości zanieczyszczeń (siarki i fosforu):

- Zwykłej jakości, P = 0,050% masy max., S = 0,050% masy max.

- Wyższej jakości, P = 0,040% masy max., S = 0,040% masy max.

- O określonym przeznaczeniu, w którym dopuszczalne zawartości zanieczyszczeń określają normy

III. Składniki struktur:

Austenit jest roztworem stałym, międzywęzłowym węgla w Fe-g o maksymalnej rozpuszczalności węgla 2,11%.

Większa rozpuszczalność węgla wiąże się z kulistym kształtem luk oktaedrycznych. Ze względu na typ sieci A1 ma największą gęstość spośród wszystkich faz układu. W warunkach równowagi nie może istnieć poniżej temperatury A1 (727° C). Wprowadzenie pierwiastków austeniotwórczych (np. Mn, Ni) obniża zakres istnienia austenitu do temperatury pokojowej. Własności mechaniczne austenitu w temperaturze pokojowej są następujące:

- Rm=ok.700¸ 800 MPa,

- Re=ok.250 Mpa, 200 HB,

- KC=ok.200¸300 J/cm2.

W próbie rozciągania odkształca się równomiernie (nie tworzy się szyjka). Na zgładach metalograficznych występuje jako składnik z charakterystycznymi, prostoliniowymi granicami bliźniaczymi.

Cementyt jest węglikiem żelaza (Fe3C) o strukturze rombowej. Ze względu na znaczny udział wiązania metalicznego ma własności metaliczne.

Punkt Curie cementytu występuje w temperaturze 210° C. Jego gęstość jest mniejsza niż żelaza i wynosi 7,68 Mg/m. Temperatura topnienia wynosi 1227° C.

Atomy żelaza mogą być zastępowane w cementycie atomami Cr, Mn i Mo, a atomy węgla atomami azotu. W ten sposób powstaje tzw. cementyt stopowy lub azotowy. Cementyt jest składnikiem bardzo twardym-może rysować szkło (700 HB), ale zrazem kruchym. W stopach żelaza z węglem może występować w różnych składnikach strukturalnych, albo w postaci oddzielnych wydzieleń, niekiedy trudno odróżnialnych od ferrytu. Zasadowy pikrynian sodowy barwi cementyt na kolor ciemny.

W czasie wyżarzania w wysokich temperaturach cementyt ulega rozkładowi na ferryt + grafit według rekcji Fe3C -> 3Fe+C.

Ferryt jest roztworem stałym, międzywęzłowym węgla w żelazie. Powstaje przez wchodzenie atomów węgla do luk oktaedrycznych, które są spłaszczone, i tetraedrycznych. Fakt, że średnica atomu węgla jest większa od średnicy luk powoduje, że rozpuszczalność węgla jest mała i nie przekracza 0,022%.

Ferryt jako oddzielny składnik strukturalny występuje w stalach podeutektoidalnych - tzw. ferryt podeutektoidalny, ale wchodzi również w skład perlitu i ledeburytu przemienionego. Ze względu na małą zawartość węgla własności ferrytu niewiele różnią się od własności czystego żelaza a i tak:

- Rm=ok.300Mpa,

- 80HB,A10=40%,

- KC=ok. 180 J/cm2.

Na zgładach metalograficznych jest widoczny jako jasny składnik. Ferryt podeutektoidalny występuje w postaci oddzielnych ziarenek na przemian z ziarnami perlitu (struktura komórkowa) lub na granicach ziarna perlitu.

Perlit – jest to eutektoidalna mieszanina ferrytu i cementytu, zawierająca 0,8 % węgla (tj. 87 % ferrytu i 13 % cementytu). Powstaje z rozkładu austenitu w temperaturze 727°C. W stalach wolno chłodzonych ma on budowę pasemkową w postaci na przemian ułożonych płytek ferrytu i cementytu;

Dyspersja perlitu (tzn. odległość między płytkami) jest odwrotnie proporcjonalna do wielkości przechłodzenia względem temperatury. Własności mechaniczne perlitu zależą od jego dyspersji tzn. wytrzymałość i twardość rosną ze wzrostem stopnia dyspersji i wynoszą:

- Rm= ok. 700¸ 800 Mpa

- Re= ok.400MPa, ok. 180¸ 220 HB,

- KC= ok.40 J/cm2.

Perlit jest składnikiem strukturalnym stali i surówek podeutektycznych białych i surówek szarych perlitycznych.

Niekiedy perlitem kulkowym nazywa się strukturę złożoną ze sferoidalnych wydzieleń cementytu na tle ferrytu. Struktura taką uzyskuje się w wyniku długotrwałego wyżarzania stali eutektoidalnych lub nadeutektoidalnych. Ostatnio częściej stosowana jest nazwa cementytu kulkowego lub sferoidytu.

IV. Stal ARMCO

1. Oznaczenie: ”ARMCO” – technicznie czyste żelazo , tzn. że dopiero na trzecim miejscu po przecinku może się znaleźć jakiś składnik domieszkowy w składzie procentowym ), otrzymywanego metodą metalurgiczną lub hutniczą. Charakteryzuje się dużą plastycznością i znaczną odpornością na korozję. Ma korzystne własności magnetyczne - dużą przenikalność magnetyczną.

2. Skład: 0,012 % C, 0,05 % Mn, 0,004 % P, 0,002 % Si, 0,018 % S

3. Rm = 260 – 300 MPa , Re = 140 – 180 MPa, HB = 85

4. Zastosowanie: w przemyśle elektrotechnicznym (magnetowody transformatorów, rdzenie elektromagnesów) podobny skład chemiczny i właściwości mają żelazo karboksylowe i elektrolityczne