Stale stopowe

oprac. Krzysztof Krzysztofowicz

Definicje

• Stal – plastycznie przerobiony i cieplnie obrabialny stop żelaza

z węglem oraz innymi pierwiastkami o zawartości węgla do 2%

• Stal stopowa – stal zawierająca dodatkowe pierwiastki, tzw.

stopowe, wprowadzone w celu zmiany właściwości w
określonym kierunku

• Hartowność - zdolność stali do tworzenia struktury

martenzytycznej w procesie hartowania

• Spawalność

stali

-

spawalność

jest

właściwością

technologiczną określającą zdolność materiału do uzyskania
założonych właściwości mechanicznych po spawaniu

• Stal stopowa – stal zawierająca dodatkowe

pierwiastki, tzw. stopowe, wprowadzone w celu

zmiany właściwości w określonym kierunku.

Najczęściej stosuje się: mangan, krzem, chrom,

nikiel, wolfram, molibden, wanad. Rzadziej

stosuje się aluminium, kobalt, miedź, tytan,

tantal, niob, a w niektórych przypadkach i azot.

Przykłady oznaczania stali wg ich składu

chemicznego

Grupa stali

Składniki symbolu głównego znaku

stali

Stale stopowe ( bez stali
szybkotnących) o stężeniu
przynajmniej jednego
pierwiastka stopowego >5%

X liczba oznaczająca średnie stężenie
węgla w stali w setnych częściach %,
symbole chemiczne pierwiastków
stopowych i na końcu liczby (rozdzielone
kreskami), podające średnie stężenie
głównych pierwiastków stopowych w %
(np. X8CrNiMoAl 15-7-2)

Stale szybkotnące

HS i liczby (rozdzielone kreskami),
podające średnie stężenie (w %)
pierwiastków w kolejności: W, Mo, V,
Co (np. HS2-9-1-8)

Rola pierwiastków stopowych

• Spowodowanie określonych zmian strukturalnych
• Wzrost własności
• Wzrost hartowności
• Ułatwienie obróbki cieplnej
• Źródła: tworzenie roztworów stałych i faz

międzymetalicznych oraz międzywęzłowych, zmiany
krzywych CTP, zmiany punktów charakterystycznych
wykresu Fe-C

Hartowność

6

Hartownością

nazywamy zdolność stali do tworzenia

struktury martenzytycznej w procesie hartowania

Wszystkie pierwiastki
stopowe przesuwają
wykresy CTP w prawo

Wyjątek: Co

Więcej pierwiastków stopowych

lepsza hartowność

Najmniejszą szybkość chłodzenia,
przy której nie tworzą się jeszcze
dyfuzyjne produkty przemiany
austenitu, nazywa się

krytyczną

szybkością chłodzenia

T(

°C)

10

-1

10

10

3

10

5

0

200

400

600

800

czas (s)

M(start)

M(90%)

przesunięcie

od A do B

B

A

T

E

Za: Dymek,

wykł. AGH

7

Hartowność - Próba Jominy'ego

24

°C woda

próbka

(nagrzana do

g

)

zeszlifowanie

Pomiar twardości
(Rockwell C)

Za praktyczną miarę
hartowności przyjmuje się
największą średnicę, nazywaną

średnicą krytyczną

,

pręta

D

k

,

w którego osi jest nie mniej niż
50% martenzytu.

Odległość od czoła (mm)

Zależność twardości
od odl. od czoła próbki

Za: Dymek,

wykł. AGH

8

Dlaczego twardość zmienia się z odległością?

0

20

40

2

60

1

3

T

w

a

rdo

ść

,

HR

C

odległość od czoła

600

400

200

A



M

0.1

1

10

100

1000

T(

°C)

M(s)

czas (s)

0

0%

100%

M(f)

Odległość od czoła (mm)

Znając twardość struktury
półmartenzytycznej dla danej stali,
można określić, w jakiej odległości
od czoła otrzymamy
strukturę półmartenzytyczną

Za: Dymek,

wykł. AGH

©2003

B

ro

oks

/C

ol

e,

a

di

vi

si

on

o

f

T

ho

m

so

n

L

ea

rn

in

g,

I

nc

.

T

ho

m

so

n

L

ea

rn

in

g

™

i

s

a

tr

ade

m

ar

k

us

ed

h

er

ei

n

un

de

r

li

ce

n

se

.

Krzywe hartowności

dla różnych

gatunków stali

Odległość od czoła próbki (1/16 cala)

T

w

ard

ość

Ro

ckw

el

la

The Science and Engineering of Materials, 4

th

ed

Donald R. Askeland

– Pradeep P. Phulé

©2003

B

ro

oks

/C

ol

e,

a

di

vi

si

on

o

f

T

ho

m

so

n

L

ea

rn

in

g,

I

nc

.

T

ho

m

so

n

L

ea

rn

in

g

™

i

s

a

tr

ade

m

ar

k

us

ed

h

er

ei

n

un

de

r

li

ce

n

se

.

Wpływ dodatku 6%

manganu na zakres

stabilności faz w

części eutektoidalnej

układu fazowego Fe-

Fe

3

C

The Science and Engineering of Materials, 4

th

ed

Donald R. Askeland

– Pradeep P. Phulé

Procentowa zawartość węgla

Wpływ dodatków stopowych na położenie punktów
charakterystycznych układu równowagi Fe-Fe3C

T

emp

era

tura

(

°C)

Wpływ pierwiastków stopowych na własności mechaniczne

Stale stopowe – wpływ pierwiastków na własności

Stale stopowe - podział

• Ze względu na sumaryczne stężenie pierwiastków

stale stopowe dzielimy na następujące grupy:

• Niskostopowe – stężenie jednego pierwiastka

(oprócz węgla) nie przekracza 2%, a suma
pierwiastków łącznie nie przekracza 3,5%

• Średniostopowe – stężenie jednego pierwiastka

(oprócz węgla) przekracza 2%, lecz nie przekracza 8%
lub suma pierwiastków łącznie nie przekracza 12%

• Wysokostopowe – stężenie jednego pierwiastka

przekracza 8% a suma pierwiastków łącznie nie
przekracza 55%.

Klasy jakości stali stopowych

Ze względu na klasy jakości stale stopowe

dzielimy na:

• Stale stopowe jakościowe,
• Stale stopowe specjalne – obejmują one

wszystkie gatunki stali, które nie zostały ujęte
w klasie stali nierdzewnych oraz stopach
jakościowych.

Stale stopowe jakościowe

Wyróżnia się następujące grupy:
• Stale konstrukcyjne spawalne,
• Stale stopowe na szyny, grodzice, kształtowniki na

obudowy górnicze,

• Stale stopowe na produkty płaskie walcowane na

zimno lub na gorąco przeznaczone do dalszej
obróbki plastycznej na zimno,

• Stale elektrotechniczne,
• Stale stopowe z miedzią.

Do grupy stali stopowych jakościowych należą:
stale konstrukcyjne drobnoziarniste spawalne, w tym stale
przeznaczone do produkcji:
• zbiorników i rurociągów pracujących pod ciśnieniem, spełniające

następujące warunki:

a) wymagana minimalna granica plastyczności dotycząca wyrobów o
grubości do 16 mm - poniżej 380 N/mm,
b) wymagana praca łamania próbek wzdłużnych ISO z karbem V w
temperaturze -50°C – do 27 J;
stale elektrotechniczne zawierające jako pierwiastki stopowe tylko
krzem lub krzem i aluminium w celu uzyskania wymaganych własności
w zakresie stratności magnetycznej, minimalnej wartości indukcji
magnetycznej, polaryzacji lub przenikalności magnetycznej;

• stale stopowe przeznaczone do produkcji szyn i grodzic oraz

kształtowników na obudowy górnicze;

stale stopowe przeznaczone do produkcji wyrobów płaskich
walcowanych na gorąco lub na zimno do dalszej trudniejszej
przeróbki plastycznej na zimno (wyłączając stale przeznaczone
do produkcji zbiorników ciśnieniowych lub rur), zawierające
pierwiastki rozdrabniające ziarno, takie jak B, Ti, Nb, V i/lub Zr, -
albo „stale dwufazowe" (struktura wyrobów płaskich ze stali
dwufazowych składa się z ferrytu i 10 ÷ 35% martenzytu
wysepkowego);
stale, w których miedź jest jedynym wymaganym pierwiastkiem
stopowym.

Stale konstrukcyjne jakościowe - stale konstrukcyjne

spawalne

Spawalność jest właściwością technologiczną określającą zdolność

materiału do uzyskania założonych właściwości mechanicznych
po spawaniu.

O spawalności elementu konstrukcji współdecydują trzy główne

czynniki

• spawalność metalurgiczna - charakteryzująca zachowanie się

materiału podczas spawania i wpływu spawania na właściwości
spawanego materiału i złącza,

• spawalność technologiczna, związana z technologią spawania i

jej wpływem na właściwości złącza,

• spawalność konstrukcyjna, ujmująca znaczenie rozwiązania

konstrukcyjnego elementu oraz wpływ grubości materiału na
jakość i właściwości złącza

Równoważnik węgla Ce

• C

e

- wskaźnik hartowności i spawalności stali

• C

e

< 0,40 - 0,50 [%]

• Wysoka wartość C

e

- ryzyko pęknięć zimnych w SWC

Stale typu C-Mn

Stale podwyższonej wytrzymałości

Stale niskostopowe ulepszone cieplnie

Mikrostruktura złącza spawanego

20

mikrostruktura podczas
spawania – najwyższa
temperatura

mikrostruktura po
schłodzeniu stali o małej
hartowności

mikrostruktura po
schłodzeniu stali o dużej
hartowności

The Science and Engineering of Materials, 4

th

ed

Donald R. Askeland

– Pradeep P. Phulé

Stale stopowe specjalne

Stale stopowe specjalne dzielą się na podklasy:
• Stale maszynowe (do budowy maszyn),
• Stale na urządzenia ciśnieniowe,
• Stale konstrukcyjne,
• Stale szybkotnące,
• Stale narzędziowe stopowe,
• Stale na łożyska toczne,
• Stale o szczególnych własnościach fizycznych.

Stale stopowe nierdzewne

Do klasy stali nierdzewnych należą stale zawierające

co najmniej 10,5% Cr oraz co najwyżej 1,2% C.

Stale nierdzewne dzielone są na:
• Stale odporne na korozję,
• Stale żaroodporne,
• Stale odporne na pełzanie ( żarowytrzymałe)

Oznaczanie stali

Obowiązują dwa systemy oznaczania stali:
• Znakowy (wg PN-EN 10027-1:2007); znak

składa się z symboli literowych i cyfr,

• Cyfrowy (wg PN-EN 10027-2: 1994), numer

stali składa się tylko z cyfr.

Przykłady symboli oznaczających stan obróbki cieplnej

Symbol

Znaczenie

+ A

wyżarzanie zmiękczające

+ AC

wyżarzanie dla uzyskania węglików sferoidalnych

+ AT

przesycanie

+ C

utwardzanie na zimno

+ Cnnn

utwardzanie na zimno przy minimalnej wytrzymałości na rozciąganie nnn N/mm

2

+ CR

walcowany na zimno

+ HC

walcowany na gorąco, a następnie utwardzany na zimno

+ LC

utwardzany powierzchniowo (walcowany lub ciągniony na zimno)

+ M

walcowany termomechanicznie

+ N

normalizowany lub walcowany normalizująco

+ Q

ulepszany cieplnie

+ S

obróbka umożliwiająca cięcie na zimno

+ U

nieobrobiony

Uwaga – symbole oddziela się od symboli poprzedzających znakiem plus (+).
Dla uniknięcie pomylenia z innymi symbolami można użyć litery T, jako symbol poprzedzający np. +TA

Przykłady symboli oznaczających stan obróbki

cieplnej

Oznaczanie stali wg numeru

Zgodnie z PN-EN 10027-2:1994 każdy gatunek

stali jest oznaczony także numerem, który
można podać zamiast znaku stali. Numer stali
zawiera 5 cyfr. (np. 1.4507)

• Materiały narzędziowe

• Podlegają działaniu...

– Wysokich temperatur
– Naprężeń stykowych
– ścierania

• Muszą posiadać odpowiednią...

– Twardość zapobiegającą

odkształceniu

– ciągliwość
– odporność na zużycie
– Stabilność chemiczną
– Stabilność wymiarów

Materiały na narzędzia skrawające

Kategorie materiałów:

Stale węglowe i

średniostopowe

Stale szybkotnące (HSS)

Stopy odlewnicze kobaltu
węgliki
Narzędzia powlekane

Ceramika na bazie AlO

Regularny azotek boru

Ceramika na bazie SiN

Diament
Materiały wzmacniane

wiskerami

Materiały narzędziowe

Ciągliwość

Odporność

n

a

zuży

cie

Idealny materiał

narzędziowy

ceramika

Stale

narzędziowe

(HSS)

Powlekane niepowlekane

Węgliki spiekane

(twardy metal)

powlekane

niepowlekane

Stale

wysokowęglowe

Diament

poly

crystalline

boron nitride
(PKB), cubic

boring nitride

(CBN)

Twardość materiałów narzędziowych

30

Stale szybkotnące

Podstawowe Wymagania:

• Duża twardość

• Odporność na mięknięcie w podwyższonej

temperaturze

• Odporność na pękanie (udarność)

• Odporność na ścieranie

Oznaczanie:

litery HS i liczby (rozdzielone kreskami), oznaczające średnie stężenie
pierwiastków w kolejności: W, Mo, V i Co.

np. HS18-0-1 (jest to odpowiednik dawnej stali SW18),

odpowiedni skład
chemiczny i obróbka
cieplna

cel obróbki cieplnej

– uzyskanie

twardości

wtórnej

Za: Dymek,

wykł. AGH

Skład Chemiczny

31

Skład Chemiczny

C

0.7 - 1.6%

W

0 - 20%

Mo

0 - 10%

V

1 - 5%

Cr

4 - 5%

Co

0 - 15%

W

M

6

C, MC, M

2

C

Mo

M

6

C, MC

V

MC

gł.

hartowność

, także w

węglikach (M

32

C

6

)

węgliki

działanie złożone

W i Mo mają niemal identyczne działanie i
mogą zastępować się wzajemnie

Za: Dymek,

wykł. AGH

Działanie kobaltu

32

• Zwiększa szybkość zarodkowania, a zmniejsza szybkość wzrostu

wydzieleń węglików tworzących się podczas odpuszczania.

• Zwiększa twardość na gorąco i efekt twardości wtórnej

• Zwiększa przewodność cieplną stali

• Podwyższa temperaturę M

s

zmniejszając zawartość austenitu

szczątkowego.

• Ujemny wpływ kobaltu jest spowodowany zmniejszeniem

udarności, zwiększeniem skłonności do odwęglania, a w
przypadku dużej zawartości Co tworzeniem się kruchych faz
międzymetalicznych.

Za: Dymek,

wykł. AGH

33

Stale Szybkotnące II

Pseudopodwójny układ Fe-C ilustrujący
przesunięcia linii równowag fazowych

Mikrostruktura w stanie wyżarzonym:
ferryt + węgliki (

ok. 30% obj.

)

Mikrostruktura przed zahartowaniem:
austenit + węgliki (

ok. 10% obj.

)

W odlewach obecna jest eutektyka!!!

Nierozpuszczone węgliki hamują rozrost
ziarna oraz nadają stali

odporność na

ścieranie

Za: Dymek,

wykł. AGH

Obróbka cieplna stali szybkotnących

• Wysoka temperatura austenityzowania – tuż poniżej solidusu, ale

krótki czas: < 5 min

• 2/3 węglików rozpuszcza się
• hartowanie w powietrzu (duża hartowność ze względu na znaczną

zawartość pierwiastków stopowych)

• mikrostruktura po hartowaniu:

• węgliki pierwotne
• martenzyt

• austenit resztkowy (do 30%)

• odpuszczanie I

• mikrostruktura po odpuszczaniu I:

• węgliki pierwotne i wtórne
• martenzyt odpuszczony

• martenzyt (z austenitu resztkowego)

• odpuszczanie II

• mikrostruktura po odpuszczaniu II

• węgliki pierwotne i wtórne
• martenzyt odpuszczony

Za: Dymek,

wykł. AGH

Obróbka cieplna stali szybkotnących

Dobrzański

Za: Dymek,

wykł. AGH

Twardość wtórna w stalach szybkotnących

36

Dobrzański

Za: Dymek,

wykł. AGH

Narzędzia powlekane

• Własności powłok

– Niższe tarcie
– Wyższa adhezja
– Większa odporność na

zużycie i pękanie

– Działają jako bariera dla

dyfuzji

– Wyższa twardość na

gorąco i odporność na
uderzenia

Materiały powłok

• Azotek tytanu

– Niższe tarcie i większa

twardość

• Węglik tytanu

– Poprawa odporności na

zużycie na WC

• Ceramika
• Diament

– Dziesięciokrotne

wydłużenie trwałości
narzędzia w porównaniu do
innych powłok

Stale na łożyska toczne

• Wymagania：

（1）wysoka twardość i odporność na zużycie

（2）wysoka odporność na zużycie stykowe

（3）wysoka ciągliwość i odporność na korozję

（4）wysoka czystość

Elementy łożysk tocznych są wykonywane z różnych gatunków stali. Stale
łożyskowe ujęte w normie PN-EN ISO 683-17:2004 podzielone są na 5 grup:
a) stale łożyskowe do hartowania na wskroś – o dużej zawartości węgla,
b) stale łożyskowe do nawęglania,
c) stale łożyskowe hartowane indukcyjnie,
d) stale łożyskowe odporne na korozję,
e) stale łożyskowe do pracy w wysokich temperaturach.

Stale grup a), b), c) są stosowane w normalnych warunkach tzn. jeżeli
temperatura pracy mieści się w granicach od -50 do 150



C, powierzchnie

styków elementów łożyska są smarowane, środowisko nie jest agresywne
chemicznie.

Znak stali

Średnia zawartość pierwiastków

1)

, %

C

Si

Mn

Cr

Mo

Ni

inne

stale hartowane na wskroś

100Cr6

1,00

0,60

0,35

1,50



0,10

-

-

100CrMnSi4-4

1,05

1,05

100CrMnSi6-4

1,10

1,55

100CrMnSi6-6

1,55

100CrMo7

0,25

0,35

1,80

0,25

100CrMo7-3

0,70

0,30

100CrMo7-4

0,45

100CrMnMoSi8-4-6

0,50

0,95

1,95

0,55

Stale do nawęglania

20Cr4

0,20



0,40

0,75

1,05

-

-

-

20MnCr4-2

0,90

0,60

-

-

-

19MnCr5

0,19

1,25

1,15

-

-

-

18CrNiMo7-6

0,18

0,70

1,45

0,30

1,55

-

16NiCrMo16-5

0,16

0,40

1,20

0,25

4,05

-

Stale do hartowania powierzchniowego

56Mn4

0,56



0,40

1,05

-

-

-

-

70Mn4

0,70



0,40

0,95

-

-

-

-

Stale odporne na korozję

X65Cr14

0,65



1,00



1,00

13,5



0,75

-

-

X108CrMo17

0,08



1,00



1,00

17,0

0,60

-

V - 0,10

Stale do pracy w wysokiej temperaturze

80MoCrV42-16

0,81



0,40

0,25

4,10

4,25

-

V – 1,0 W



0,25

X75WCrV18-4-1

0,75



0,40



0,40

4,10



0,60

-

V – 1,15 W – 18,3

1)

Zawartość P



0,15 – 0,25%; S



0,10 – 0,15%

Skład chemiczny wybranych stali łożyskowych wg PN-EN ISO 683-17:2004

Stale odporne na korozję

KOROZJA

– DEFINICJE

Degradacja środowiskowa materiałów –

degradacja mikrostruktury

i właściwości materiałów w wyniku działania agresywnych
chemicznie środowisk, naprężeń, temperatury i czasu.

Korozja metali

– niszczenie metali pod wpływem chemicznego lub

elektrochemicznego działania środowiska.

Korozja chemiczna

–

korozja w suchych gazach i nieelektrolitach

Korozja elektrochemiczna -

korozja w wilgotnych gazach i

elektrolitach

Korozja elektrochemiczna

-

niszczenie metalu w wyniku procesów

elektrodowych zachodzących na granicy faz metal – elektrolit.

Metal ulega rozpuszczaniu przechodząc do elektrolitu w postaci

jonów:

Fe



Fe

+2

+ 2e

-

Za: Dymek,

wykł. AGH

Reakcje towarzyszące korozji

Redukcja (katoda)

Utlenianie (anoda)

jony
przechodzą
do roztworu
(elektrolitu)

powstaje
potencjał
ektryczny

wydziela
się gaz

• miejsce dla reakcji utleniania
• miejsce dla reakcji redukcji
• ścieżka przepływu elektronów
• ścieżka przepływu jonów

Ogniwo korozyjne

Za: Dymek,

wykł. AGH

Potencjały elektrodowe

• Skłonność metalu do korozji elektrochemicznej może

być wyrażona za pomocą siły elektromotorycznej (SEM)
ogniwa korozyjnego

• Im większa wartość (SEM) tym większa skłonność do

korozji

• Potencjały elektrodowe metali w roztworach ich jonów o

aktywności 1 nazywa się normalnymi lub
standardowymi;

• Potencjały mierzy się zwykle względem elektrody

wodorowej (0 V)

Za: Dymek,

wykł. AGH

Szereg napięciowy i galwaniczny

Szereg napięciowy
normalnych
potencjałów względem
elektrody wodorowej

Szereg galwaniczny
potencjałów w 3%
roztworze NaCl

Pt/Pt2+

Ag/Ag+

Cu/Cu2+

H2/H+

Pb/Pb2+

Ni/Ni2+

Fe/Fe2+

Zn/Zn2+

Ti/Ti2+

Al/Al3+

+1,2

+0,8

+0,34

0,00

-0,13

-0,25

-0,44

-0,76

-1,63

-1,67

Pt

Ti

Ag

Cu

Ni

Pb

Fe

Al

Zn

+0,47

+0,37

+0,30

+0,04

-0,03

-0,27

-0,40

-0,53

-0,76

Normalny potencjał
elektrodowy

określa odporność metalu na
korozję.
Im więcej jonów metalu
przechodzi do elektrolitu, tym
mniejsza jest odporność
metalu na korozję i bardziej
ujemny potencjał.

Zestawienie według malejących
potencjałów nazywa się
szeregiem napięciowym metali.

Elektrolit rzadko jest roztworem jonów metalu korodującego

Szereg napięciowy w określonym roztworze – szereg galwaniczny

Za: Dymek,

wykł. AGH

Korozja galwaniczna

Połączenia kabla
miedzianego z
aluminiowum

Al : -0,85 V

Cu: -0,20 V

Przy zetknięciu różnych metali tworzą się lokalne ogniwa

Za: Dymek,

wykł. AGH

Korozja wżerowa - pitting

Ten typ korozji jest

szczególnie

aktywny

w obecności chlorków

100x

Korozji wżerowej towarzyszy
często korozja międzykrystaliczna

Za: Dymek,

wykł. AGH

Korozja szczelinowa

Powstaje w szczelinach przy
złączeniach części metalowych;
miejsca takie są często nieuniknione

Przyczyna:

zawartość tlenu w wodzie
(elektrolicie) w szczelinie jest
mniejsza niż na brzegu szczeliny -
powstaje lokalne ogniwo, w którym
elektrodami są: woda z

nadmiarem

i woda z

niedoborem

tlenu.
Korozja zachodzi na styku tych
dwóch stref.

Za: Dymek,

wykł. AGH

Korozja międzykrystaliczna

odlew

przeróbka
plastyczna

rekrystalizacja

Mechanizm
elektrochemiczny

Ogniwa tworzą się
pomiędzy osnową
stopu i wydzieleniami
lub pomiędzy osnową a
zubożoną strefą w
pobliżu granicy

Wśród stopów Al najbardziej podatne stopy umacniane wydzieleniowo

Za: Dymek,

wykł. AGH

Korozja międzykrystaliczna

Schemat
granicy ziarn
w stopie 2xxx

Wydzielenia bogate w Cu na granicy ziarn
powodują zubożenie przyległych obszarów w
miedź.

Powstaje lokalne ogniwo elektrochemiczne
pomiędzy obszarami o różnej koncentracji Cu o
różnicy potencjałów ok. 0,12 V

Strefy ubogie w Cu szybko korodują

stop 2519 T8

Zapobieganie:

Unikanie tworzenia
stref wolnych od
wydzieleń

Za: Dymek,

wykł. AGH

Strefy wolne od wydzieleń

stop 2519 T8

Za: Dymek,

wykł. AGH

Korozja warstwowa

– stopy Al

Forma korozji międzykrystalicznej

. Zachodzi równolegle do powierzchni

metalu, wzdłuż wydłużonych w wyniku przeróbki plastycznej granic ziarn

materiał "puchnie"

stopy

1xxx

i

3xxx

są odporne

stopy

7xxx

i

2xxx

są wrażliwe

Przestarzenie i rekrystalizacja usuwa wrażliwość

Struktura stopów wrażliwych na
korozję warstwową

Stop 2195 T8

Stop 7150 T8

Za: Dymek,

wykł. AGH

Pękanie naprężeniowo-korozyjne

Stress corrosion cracking

Kruche pękanie stopu, uważanego za plastyczny w normalnych
warunkach, poddanego

jednoczesnemu

działaniu

naprężeń

rozciągających

oraz

środowiska korozyjnego

, przy czym

żaden z tych czynników działając samodzielnie nie powoduje
zniszczenia

Warunkiem koniecznym pękania naprężeniowo-korozyjnego jest
czułość na korozję międzykrystaliczną

W

śród stopów Al wrażliwe są stopy

2xxx

,

7xxx

oraz

czasami

6xxx

Zniszczenie nastepuje przy
naprężeniu znacznie mniejszym
od granicy plastyczności

Za: Dymek,

wykł. AGH

Pękanie naprężeniowo korozyjne

przyczyny mikrostrukturalne

• Strefy wolne od wydzieleń przy

granicach ziarn

• Natura wydzieleń

umacniajacych - najbardziej
podatne s

ą stopy ze strefami

GP

• Rozmieszczenie wydzieleń na

granicach ziarn

• Zmiany stężenia składników

rozpuszczonych

• Adsorpcja atomów

zanieczyszczeń na powierzchni

pęknięcia

rozpuszczanie
obszaru przy
granicy (anodowe)

pękanie z
udziałem wodoru

przerwanie
ochronnej
warstwy tlenku

Za: Dymek,

wykł. AGH

S

zybkość korozji - czynniki

Metalurgiczne:

– skład chemiczny
– obróbka cieplna
– przeróbka plastyczna

• Obróbka cieplna:

sytuacja idealna - dodatki
stopowe całkowicie
rozpuszczone, szybkość
chłodzenia duża, jednorodna
mikrostruktura

• Przeróbka plastyczna:

niejednorodności
odkształcenia, kierunkowa
mikrostruktura

Środowiskowe:

• woda
• pH

• czystość stopu (obecność

metali ciężkich)

• wodór

• temperatura

Za: Dymek,

wykł. AGH

S

zybkość korozji - czynniki

Miejsca odkształcone
(zgniecione) i nie wyżarzone
szybciej korodują niż
pozostała część.

Mechanizm korozji

– ogniwo

naprężeniowe, np. szybko
korodują okolice spoiny
(miejsce występowania
naprężeń spawalniczych)

Za: Dymek,

wykł. AGH

Ochrona przed korozją –

powłoki

58

Powłoki izolujące (katodowe)

: powłoki z metalu bardziej

szlachetnego

– metalu o wyższym niż metal chroniony potencjale

standardowym.
Dla stali -

powłoki z Cu, Ni, Cr

Powłoki ekranujące (protektorowe lub anodowe)

: powłoki z metalu

mniej szlachetnego. Dla stali - cynkowanie.

Pokrywanie chronionego metalu warstwą metalu bardziej lub mniej szlachetnego

Stal - katoda

Powłoka anodowa

Powłoka katodowa

Stal - anoda

Sn

Zn

Za: Dymek,

wykł. AGH

Stale odporne na korozję

59

%
Cr

0

5

10

15

10,5%

Przy tej zawartości Cr w
stopie warstwa pasywna
jest zbudowana głównie z
jego tlenków

Podstawowym pierwiastkiem stali odpornych na korozję jest

chrom

, w

ilości co najmniej

10,5%,

który tworzy pasywną warstwę tlenku chromu

(Cr

2

O

3

)

na powierzchni stali

Warunki pasywności:

–

Maksymalna zawartość węgla 1,2% C

–

Pasywność się poprawia gdy: zawartość
chromu wynosi ~17%

–

Większość stali wysokostopowych zawiera
17-19% Cr

Sz

ybko

ść

korozji

(mm/

rok

)

0,2

0,1

Za: Dymek,

wykł. AGH

Stale odporne na korozję

60

Podział ze względu na strukturę

:

• ferrytyczne,
• austenityczne,
• martenzytyczne,
• ferrytyczno-austenityczne

(dwufazowe),

• umacniane wydzieleniowo.

Stale

austenityczne

stanowią ponad 2/3

wszystkich produkowanych stali
odpornych na korozję

stale odporne na korozję stanowią ok. 2% wszystkich
produkowanych stali na świecie.

Podział ze względu na skład

chemiczny:



Cr,



Cr-Ni



Cr-Ni-Mo



Cr-Mn-Ni

Podział ze względu na główne

własności



Nierdzewne



Żaroodporne



Żarowytrzymałe

Za: Dymek,

wykł. AGH

Układ dwuskładnikowy Fe – Cr

61

Chrom (Cr)
•

Zwiększa odporność

korozyjną

•

Zwiększa hartowność

•

Zwiększa wytrzymałość

w podwyższonej
temperaturze

•

Minimalna zawartość –
10.5% Cr



Cr

(RPC)

(RSC)

(RPC)



-Fe

g

-Fe

δ-Fe

Stale ferrytyczne

rozszerzenie pola ferrytu

δ

(do temperatury pokojowej)

Za: Dymek,

wykł. AGH

Układ dwuskładnikowy Fe – Ni

62

Nikiel (Ni)
•

Sprzyja tworzeniu

austenitu (działa

odwrotnie niż Cr, który
stabilizuje ferryt)

•

Zwiększa hartowność

•

Zwiększa odporność

na pękanie

Ni

(RSC)

(RPC)



-Fe

g

-Fe

δ-Fe

t

(RPC)

g



rozszerzenie pola austenitu
(do temperatury pokojowej)

Stale austenityczne

12%

Za: Dymek,

wykł. AGH

Pierwiastkiw stopowe

64

Za: Dymek,

wykł. AGH

Rola pierwiastków stopowych

65

•

Chrom (Cr)

• Zwiększa odporność korozyjną
• Zwiększa wytrzymałość w podwyższonej temperaturze
• Minimalna zawartość – 10.5% Cr

•

Nikiel (Ni)

• Sprzyja tworzeniu austenitu (działa odwrotnie niż Cr i Mo, które stabilizują

ferryt)

• Zwiększa odporność na pękanie

•

Molibden (Mo)

• Sprzyja rozdrobnieniu ziarna
• Zwiększa odporność korozyjną w roztworach soli (wodzie morskiej)

•

Węgiel (C)

• Zwiększa wytrzymałość stali martenzytycznych
• Poza wyjątkiem stali martenzytycznych i stali do zastosowań w wysokiej

temperaturze jest szkodliwy

•

Azot (N)

• stabilizuje i umacnia austenit
• zwiększa odporność na korozję

•

Tytan i niob (Ti, Nb)

• dodawane w celu związania C i N w trwałe związki, aby ograniczyć lub

wyeliminować skłonność stali do korozji międzykrystalicznej

Za: Dymek,

wykł. AGH

Wpływ składu chemicznego na mikrostrukturę

stali (wykres Schafflera)

0

4

8

12

16

20

24

28

0

4

8

12 16 20 24 28 32 36 40

Martenzyt

M

M+F

Ferryt F

100% ferrytu

80%

40%

20%

10%

5%

A+M+F

A+M

Austenit A

Cr

E

=%Cr+1,4%Mo+1,5%Si+0,5%Nb+2%Ti

Ni

E

=%Ni

+30%

C+0,5%

Mn+30

%N

A+F

Wykres Schaefflera nie jest wykresem równowagi

równoważnik chromu

ró

w

no

w

ażni

k

nikl

u

Za: Dymek,

wykł. AGH

Stale ferrytyczne

67

węgliki

Struktura stali ferrytycznej X3CrTi25 : gruboziarnisty ferryt
stopowy z wydzieleniami węglików

• Są magnetyczne,
• mogą mieć dobrą ciągliwość i

podatność do obróbki
plastycznej na zimno,

• wytrzymałość nie przekracza

600 MPa

• nie mogą być umacniane przez

hartowanie,

• nie są także umacniane przez

odkształcenie,

• Stale ferrytyczne są tańsze od stali

austenitycznych (nie zawierają
drogiego niklu).

• Ich odporność na korozję równomierną

jest mniejsza niż stali austenitycznych.

• Są

nieczułe na korozję

naprężeniową

.

Wadą stali ferrytycznych jest zbyt

wysoka

temperatura przejścia w stan kruchy

Główne zastosowanie: stal

X2CrTi12

na układy wydechowe samochodów

Stale ferrytyczne

68

Norma obejmująca stale nierdzewne - PN-EN 10088-1

Stale ferrytyczne

69

Stale ferrytyczne - własności
i zastosowanie

70

Stale martenzytyczne

71

Struktura stali nierdzewnej martenzytycznej
X20Cr13 hartowanej z 950

0

C w powietrzu;

martenzyt stopowy

Stal odporna na korozję ma w pełni martenzytyczną mikrostrukturę jeżeli:

• w temperaturze wyżarzania, tj. ok. 1050

o

C, jej mikrostruktura jest

austenityczna,

• zakres temperatury

M

s

- M

f

jest powyżej temperatury pokojowej.

Hartowane i odpuszczane stale
martenzytyczne mają granicę
plastyczności od 450 do 1850 MPa

Stale martenzytyczne

72

Stale odporne na korozję martenzytyczne różnią się od stali
ferrytycznych głównie większą zawartością węgla; zawierają
od 0,05 do 1,2% C i od 12 do 18% Cr
Najczęściej stosowaną stalą martenzytyczną odporną na
korozję jest stal

X12Cr13

Własności i zastosowanie

73

Elementy o wymaganej wysokiej wytrzymałości i twardości:
ostrza noży, żyletki, narzędzia chirurgiczne, sprężyny itp.

Stale martenzytyczne

74

Korozja międzykrystaliczna

75

Zawa

rt

ość

Cr

12%

Granica ziarna

Węglik Cr

23

C

6

Stężenie Cr
zapewniające odporność
korozyjną

Stężenie średnie
w stali 18% Cr

Stale martenzytyczne

76

Obróbka cieplna i własności mechaniczne

Stale austenityczne

77

Struktura stali austenitycznej X10CrNi18-8
przesyconej z 1059

o

C w wodzie; równoosiowe,

jasne ziarna austenitu o prostoliniowych
granicach z charakterystycznymi bliźniakami
wyżarzaniaczymi

Nikiel - konieczny do uzyskania struktury austenitycznej
Nikiel może być częściowo zastąpiony przez Mn i N



Standardowe gatunki stali austenitycznych



Stale Cr-Ni, Cr-Ni-Mo (Stale serii 300 wg AISI)



Stale Cr-Ni-Mn (Stale serii 200 wg AISI)



Wysokostopowe gatunki stali
austenitycznych (super austenityczne)

– wysokie stężenie Cr, Mo, N



Stale o wysokiej odporności
korozyjnej



Stale żaroodporne



Żarowytrzymałe

Częściowe zastąpienie Ni przez Mn i N pozwala na
uzyskanie tańszych gatunków stali austenitycznych
o korzystnych niektórych własnościach
mechanicznych

Oznaczenia stali austenitycznych

78

Stale austenityczne

79

Stale austenityczne

80

Stale Cr-Ni-Mo

Stale Cr-Mn-Ni

Molibden poprawia odporność korozyjną,
jednak wymaga stosowania większej
ilość niklu do stabilizacji austenitu

Stale austenityczne - Obróbka cieplna i własności

mechaniczne

81

Struktura austenitu bez węglików i faz międzymetalicznych w wyniku przesycania
w wodzie z zakresu temperatury 1000 - 1200

°

C

(chłodzenie na powietrzu lub w

wodzie). Czas wygrzewania 1 -3

min./mm grubości).

Unikać wygrzewania w zakresie 500 – 800°C

(korozja międzykrystaliczna)

Zastosowanie

82



Elementy wyposażenia kuchennego - garnki,
miski, widelce, itd..



Zastosowania budowlane, okucia, elementy
elewacji, balustrady



Meble gastronomiczne, przemysł spożywczy,
obróbka pożywienia w tym mięsa, wina,
piwamięsa, wina, piwa



Środki transportu, zbiorniki okrętowe do
magazynowania skroplonych

gazów (LNG)



Zbiorniki i urządzenia procesowe dla
przemysłu chemicznego, petrochemicznego,
naftowego, wydobywczego i celulozowo-
papierniczego

Stale ferrytyczno-austenityczne (Duplex)

83

Połączenie własności stali
austenitycznych i ferrytycznych

• Kombinacja wysokiej wytrzymałości i

odporności korozyjnej

• Faza austenityczna – ciągliwość, udarność,

odporność korozyjna

• Faza ferrytyczna – wytrzymałość na

rozciąganie, granica plastyczności, twardość;
udział ferrytu od 30 do 50%

Stale ferrytyczno-austenityczne

84

Zalety:

• dobra odporność na pękanie naprężeniowo-korozyjne, korozję wżerową i

szczelinową oraz dobra spawalność

• nie występuje korozja międzykrystaliczna
• obecność ferrytu w stalach austenitycznych poprawia odporność na korozję

naprężeniową

Stale ferrytyczno-austenityczne – obróbka

cieplna i własności

85

Zastosowanie

86

Jedną z głównych przyczyn stosowania stali ferrytyczno-austenitycznych jest ich
wspaniała

odporność na pękanie naprężeniowo-korozyjne

w obecności jonów

Cl

-

(w porównaniu z konwencjonalnymi stalami austenitycznymi wyraźnie lepsza)



Przemysł stoczniowy - chemikaliowce,



Elementy i urządzenia pracujące w środowisku
wody morskiej, pomp i

zaworów na platformach

wiertniczych, instalacje odsalania,



Elementy wymienników ciepła,



Zbiorniki dla przemysłu celulozowo-papierniczego,



Przemysł spożywczy – przetwórstwo wysoko
solonych produktów takich jak sos pomidorowy i
sojowy.

Stale umacniane wydzieleniowo

87

Wydzieleniowo umacnia się stale martenzytyczne i austenityczne

Do tego celu są stosowane następujące pierwiastki: Cu, Al, Ti i Nb, a fazami
umacniającymi są cząstki: Cu, Ni

3

(Al,Ti), NiAl, Cr

2

N, węglików, azotków i innych

faz międzymetalicznych

Stale umacniane wydzieleniowo

88

Stale umacniane wydzieleniowo w stosunku do stali
martenzytycznych:

• mają lepszą kombinację wytrzymałości, ciągliwości i odporności na pękanie,
• przy tej samej ciągliwości mają większą wytrzymałość,
• przy tej samej wytrzymałości mają zwykle większą odporność na korozję,
• ze względu na sposób umocnienia mają większą podatność do kształtowania

przez obróbkę plastyczną na zimno

Stale umacniane wydzieleniowo

89

Porównanie własności

90

Austenitiyczne

Ferrytyczne

Martenzytyczne

Skład chemiczny

18% Cr; >8% Ni;
0.1% C (% mas.)

15-30% Cr; >1% Mo;

<1% C (% mas.)

12-17% Cr; 0.1-1%C

(% mas.)

Odporność korozyjna

Bardzo dobra

Dobra

Średnia

Odporność na
utlenianie

Dobra

Dobra

Średnia

Wytrzymałość

Średnia

Słaba/Średnia

Wysoka

Odporność na
pękanie

Bardzo dobra

Średnia

Średnia

Formowalność

Dobra

Średnia

Średnia

Spawalność

Dobra

Słaba/Średnia

Słaba/Średnia

Koszt

Wysoki

Średni

Średni

Porównanie własności mechanicznych

91

wydłużenie (%)

napręż

enie

20

30

40

Własności

92

Porównanie własności

93