LABORATORIUM MATERIAŁY KONSTRUKCYJNE W BUDOWIE MASZYN	ĆWICZENIE NR 13	Temat ćwiczenia: STRUKTURA I WŁASNOŚCI STALI SPECJALNYCH
Imię i Nazwisko:	Grupa: M23	Ocena ze sprawdzianu	Ocena końcowa

1. Część teoretyczna

Do stali specjalnych zaliczamy stale o szczególnych własnościach chemicznych i fizycznych. Są to materiały odporne na korozje. zarówno chemiczna (elektrochemiczna), jak i gazowa, przy wysokich temperaturach, dalej stale i stopy magnetyczne miękkie oraz magnetyczne twarde, wreszcie stale niemagnetyczne oraz stale i stopy o szczególnych współczynnikach rozszerzalności. Są to przeważnie stale stopowe, przy czym w niektórych przypadkach zawartość składników stopowych przekracza 50%, tak że należy raczej mówić o stopach, a nie o stalach.

1.2. Podział stali specjalnych

1.2.l. Stale nierdzewne;

Stale nierdzewne są odporne na działanie korozji atmosferycznej. wody, produktów spożywczych a także roztworów kwasu azotowego przy temperaturze otoczenia. Zawierają one powyżej 12% Cr. Należą do nich stale typu H13 i H17. W zależności od zawartości chromu i węgla (13-18%Cr; 0.08-0.44%C) mogą one posiadać struktura ferrytyczną. ferrytyczno-martenzytyczną lub martenzytyczną.

1.2.2. Stale kwasoodporne;

Stale kwasoodporne należą do materiałów konstrukcyjnych odpornych na działanie wielu środowisk agresywnych w tym także licznych kwasów. Miarą ich kwasoodporności jest zachowanie przez nie stałej masy mimo działania kwaśnego ośrodka. Zawierają one oprócz chromu zawsze nikiel, czysto z manganem, molibdenem i tytanem. Przy małej zawartości węgla już 8%Ni pozwala uzyskać struktura austenityczną w stalach zawierających 18%Cr. Stąd stale typu 18-8, zyskały ogromne znaczenie praktyczne i większość stosowanych dziś gatunków stanowi modyfikacje, tego podstawowego składu. Struktura stali kwasoodpornych może być austenityczna lub austenityczno-ferrytyczna.

1.2.3. Stale żaroodporne;

Przez żaroodporność stali rozumie się jej odporność na korozyjne działanie gorących gazów o temperaturze powyżej 550°C (tzn. powyżej temperatury czerwonego żaru). Głównymi składnikami stopowymi stali żaroodpornych są chrom, krzem i glin. Czasami ze względów technologicznych (spawalność) do stali tych dodaje się, nikiel w ilości nie przekraczającej 4%. Stąd stale te posiadają najczęściej strukturę, ferrytyczną, a w przypadku występowania niklu mogą wykazywać strukturą ferrytyczno-austenityczną.

1.2.4. Stale żarowytrzymałe;

Stale żarowytrzymałe są to stale żaroodporne, które dodatkowo w wysokiej temperaturze pod wpływem stałego obciążenia w ciągu długiego czasu nie wykazują odkształceń lub tylko w stopniu  minimalnym, czyli są odporne na pełzanie. W porównaniu do stali ferrytycznych wyższą wytrzymałość na pełzanie wykazują stale austenityczne. Dlatego oprócz dodatków stopowych podwyższających żaroodporność Cr, Si. Al wprowadza się Ni. Mn, Cu w celu uzyskania struktury austenitycznej. Dalszy wzrost wytrzymałości na pełzanie stali austenitycznych zapewniają pierwiastki Mo, W, V, które w austenitycznej osnowie tworzą wągliki stopowe o dużym stopniu dyspersji. Najczęściej stosowane stale żarowytrzymałe to: chromowo-niklowe z dodatkiem krzemu przy zwiększonej zawartości manganu (np: H18N9S. H25N20S2). zawartość węgla w tych stalach nie przekracza 0.2%.

1.2.5. Stale zaworowe;

Stale zaworowe należą do grupy stali żarowytrzymałych z przeznaczeniem na zawory wylotowe silników spalinowych. Są to stale chromowo-krzemowo-molibdenowe, oraz stale chromowo-niklowo-wolfra-mowo-molibdenowe z dodatkiem do 0,5% azotu przeznaczone na najsil­niej obciążone zawory wylotowe i wlotowe silników lotniczych i samochodowych. W zależności od składu chemicznego struktura tych stali może być ferrytyczna H10S2M lub austenityczna 4H14N14W2M z wydzieleniami wąglików.

1.2.6. Stale i stopy na opory grzewcze;

Powyższe materiały stosowane są w grzejnictwie elektrycznym w postaci drutów i taśm. Zakres używanych materiałów obejmuje stopy niklu z chromem, stale austenityczne podobne do  stosowanych jako żaroodporne i stale ferrytyczne chromowo-aluminiowe. o większej zawartości Al niż żaroodporne. Przykładem stali na opory grzewcze może być gatunek Cr25Ni20 natomiast stopu Ni80Cr20.

1.2.7. Stale utwardzane wydzieleniowo;

Stale utwardzane wydzieleniowo należą do grupy stali odpornych na korozją, którym nadaje się stosunkowo wysoką wytrzymałość przez odpowiednią obróbkę, cieplną, polegającą na kombinacji przemiany martenzytycznej i utwardzania wydzieleniowego miękkiego, niskowęglowego martenzytu. Przykładem takiej stali jest 17-4-PH o następującym składzie chemicznym: 16%Cr. 4%Ni . 3.2%Cu, 0.6%Si, 0.25%Mn, O.04%C.

1.2.8. Stale o szczególnych własnościach magnetycznych;

1.2.8.1 .Stopy magnetyczne miękkie

Do grupy materiałów magnetycznie miękkich zaliczane są, oprócz metali ferromagnetycznych, żelaza i stali krzemowych, stopy o dużej przenikalności początkowej, o dużej indukcji nasycenia, o stałej przenikalności i wreszcie stopy termomagnetyczne.

Stopy magnetycznie miękkie o dużej przenikalności początkowej oraz o stałej przenikalności - to stopy niklu z żelazem o zawartości 35-80%Ni, przy czym większość z nich zawiera od 2.7-5.2%Mo. W stopach tych stosowany jest dodatek 4.7-5.2%Cu, resztą stanowi żelazo. Jedynym produkowanym stopem o dużej indukcji nasycenia jest stop kobaltowo-żelazowy o zawartości 47-51%Co i 2.0-2.2%V.

1.2.8.2. Stopy magnetyczne twarde

Materiały magnetycznie twarde powinny posiadać szeroką pętlę histerezy. a więc wysoką magnetyzacją nasycenia, ale w odróżnieniu od magnetycznie miękkich zanikanie magnetyzacji powinno zachodzić dopiero pod działaniem silnych przeciwnie skierowanych pól zewnętrznych. Najważniejsza grupa materiałów metalicznych magnetycznie twardych są stopy tzw. "Alnico" (Al-Ni-Co). oraz stopy doskonalsze typu Fe-Ni-Co-Al-Cu, często zawierające również Ti. Stopy Al-Ni-Fe o najlepszych własnościach magnetycznych mają skład zbliżony do FeaNiAl, przy czym granice zawartości Ni wynoszą 2030%. Al odpowiednio 10 do 15%. Stopy te praktycznie nie zawierają węgla.

12.8.3. Stale niemagnetyczne

Do grupy tej zaliczamy stale, które w polu magnetycznym zachowują się możliwie obojętnie. W zasadzie stale austenityczne (z wyjątkiem stopów Fe-Ni zawierających ponad 30%Ni) są niemagnetyczne. Najczęściej stosowane gatunki to G18H3, H12N11G6.

1.3. 0krślanie struktury stali specjalnych na podstawie składu chemicznego (wykres Schaefflera);

Do określania składu fazowego stali wysokostopowych opracowano szereg kryteriów, spośród których największe praktycznie znaczenie posiada kryterium Schaefflera. Na podstawie składu chemicznego z odpowiednich wzorów empirycznych oblicza się równoważnik chromu (główny składnik ferrytotwórczy) oraz równoważnik niklu (główny składnik austenitotwórczy);

 

R_Cr = (%Cr) + (%Mo) + 1.5(%Si) + 0.5(%Nb) + 2(%Ti),

R_Ni = (%Ni) + 30(%C + %N) + 0.5(%Mn),

 

Następnie na odpowiednim wykresie (Schaefflera. rys.l) wyznacza się punkt, który znajduje się w obszarze o określonym składzie fazowym

Rys.l. Wykres struktur stali chromowo-niklowych w temp. otoczenia, gdzie:

R_Cr - równoważnik chromu.

R_Ni - równoważnik niklu (wykres Schaeffiera).

 

2. Przebieg ćwiczenia

W czasie ćwiczeń obserwowałem za pomocą mikroskopu próbki ( rys.1, rys.2, rys.3, rys.4 ) próbując naszkicować zaobserwowaną strukturę stali.

3. Wyniki badań

4. Omówienie wyników badań

Rysunek 1 - Mikrostruktura stali ferrytycznej H25T

Skład chemiczny:

Chrom	24-27
Fosfor	<=0,045
Krzem	<=1
Mangan	<=0,8
Milibden
nikiel	<=0,6
siarka	<=0,04
węgiel	<=0,15
tytan	<=0,8

Zastosowanie: płyty denne, szyny, ruszty, mufle, naczynia do wyżarzania, elementy palników, gazogeneratorów, aparatury do destylacji, osłony termopar.

Stal żaroodporna.

Rysunek 2 - Mikrostruktura stali austenitycznej 00H17N14M2

Skład chemiczny:

Chrom	16-18
Fosfor	<=0,045
Krzem	<=0,8
Mangan	2-2,5
Milibden	2-2,5
nikiel	12-15
siarka	<=0,03
węgiel	0,03

Zastosowanie: zbiorniki, rurociągi, aparaty ciśnieniowe, wymienniki ciepła, reaktory, pompy, kadzie, płuczki, mieszadła w przemyśle chemicznym, farmaceutycznym.

Stal odporna na korozję.

Rysunek 3 - Mikrostruktura stali żarowytrzymałej po eksploatacji w piecu prolitycznym

Rysunek 4 - Mikrostruktura staliwa  żarowytrzymałego HK40

5. Wnioski

Ogólną ocenę jakości materiału rozpoczynamy zawsze od badania makroskopowego, a dopiero później przechodzimy do badań przy użyciu mikroskopu--badań mikroskopowych. W niektórych przypadkach do oceny pęknięć czy niejednorodności chemicznych wystarczają obserwacje gołym, nieuzbrojonym okiem lub pod niewielkim powiększeniem.

Natomiast przy określaniu wielkości i kształtu ziaren, lub wykrywaniu wtrąceń niemetalicznych i wad wewnętrznych należy posłużyć się mikroskopem metalograficznym. Obserwacje mikroskopowe przeprowadzamy najpierw na najmniejszym powiększeniu, jakim dysponujemy,a następnie zwiększamy krotność powiększenia w celu uzyskania jak najdokładniejszego obrazu.

---