1

Stal stopowa

Stal stopowa

2

Stal stopowa

Oddziaływanie dodatków stopowych

⇒

⇒

⇒

⇒

zmiana składu fazowego i zakresów występowania
poszczególnych faz (charakter wykresu równowagi
ż

elazo-węgiel);

⇒

⇒

⇒

⇒

zmiana kinetyki przemian austenitu przechłodzonego
(charakter wykresów CTP);

⇒

⇒

⇒

⇒

zmiana kinetyki procesu odpuszczania martenzytu;

⇒

⇒

⇒

⇒

rozpuszczają się w roztworach stałych (ferryt, austenit);

⇒

⇒

⇒

⇒

wchodzą w skład cementytu, zastępując część atomów
ż

elaza;

⇒

⇒

⇒

⇒

tworzą samodzielnie węgliki różnych typów;

Pierwiastki stopowe

3

Stal stopowa

Charakter wykresu Fe-Fe

3

C

⇒

⇒

⇒

⇒

zwiększenie udziału perlitu w stali podeutektoidalnej,

⇒

⇒

⇒

⇒

pojawienie się ledeburytu przy zawartości węgla 1,0-1,5%,

⇒

⇒

⇒

⇒

zwiększenie temperatury austenityzowania;

4

Stal stopowa

Pierwiastki stabilizujące Feα

α

α

α

⇒

⇒

⇒

⇒

np. chrom, aluminium, krzem, molibden, tytan, wolfram, wanad;

⇒

⇒

⇒

⇒

stal ledeburytyczna → np. stal narzędziowa szybkotnąca;

⇒

⇒

⇒

⇒

stal ferrytyczna → np. stal chromowa, odporna na korozję;

5

Stal stopowa

Pierwiastki stabilizujące Feγγγγ

⇒

⇒

⇒

⇒

np. nikiel, mangan, kobalt;

⇒

⇒

⇒

⇒

stal austenityczna → stal chromowo-niklowa, odporna na
korozję;

6

Stal stopowa

Pierwiastki międzywęzłowe

⇒

⇒

⇒

⇒

rozpuszczalność w ferrycie jest minimalna (w setnych %),
znacznie większa w austenicie (do 2%) – powodują
umocnienie roztworowe,

⇒

⇒

⇒

⇒

tworzą węgliki, azotki lub węglikoazotki,
np.: TiC, TiN, Ti(C,N);

7

Stal stopowa

Pierwiastki substytucyjne

⇒

⇒

⇒

⇒

pierwiastki nie tworzące w stopach żelaza węglików –
Si, Al, Ni, P – powodują umocnienie roztworowe;

⇒

⇒

⇒

⇒

pierwiastki tworzące w stopach żelaza węgliki (pierwiastki
węglikotwórcze) – Cr, W, Mo, V, Ti, Nb, Zr … – mogą także
rozpuszczać się w ferrycie lub austenicie powodując
umocnienie roztworowe;

8

Stal stopowa

Umocnienie roztworowe

9

Stal stopowa

Pierwiastki węglikotwórcze

10

Stal stopowa

Pierwiastki węglikotwórcze

Ti ← V ← Cr ← Mn ← Fe
Zr ← Nb ← Mo
Hf ← Ta ← W

⇒

⇒

⇒

⇒

tworzą w stali samodzielne węgliki typu MC,

⇒

⇒

⇒

⇒

sieć regularna typu NaCl,

⇒

⇒

⇒

⇒

bardzo twarde, całkowicie kruche,

⇒

⇒

⇒

⇒

wysoka temperatura topnienia (2000-3500°C), prawie
nie rozpuszczają się w austenicie – nie biorą udziału
w procesach obróbki cieplnej,

⇒

⇒

⇒

⇒

w stali wiążą nadmiar węgla lub azotu, a ich dyspersyjne
cząstki blokują rozrost ziarn austenitu;

11

Stal stopowa

Pierwiastki węglikotwórcze

⇒

⇒

⇒

⇒

mogą tworzyć heksagonalne węgliki typu M

2

C,

⇒

⇒

⇒

⇒

mniejsza stabilność termodynamiczna niż poprzednie oraz
mniejsza twardość,

⇒

⇒

⇒

⇒

w stalach występują najczęściej w początkowych stadiach
procesów wydzieleniowych;

Ti ← V ← Cr ← Mn ← Fe
Zr ← Nb ← Mo
Hf ← Ta ← W

12

Stal stopowa

Pierwiastki węglikotwórcze

⇒

⇒

⇒

⇒

w stalach występuje węglik Cr

23

C

6

, a niekiedy Cr

7

C

3

;

⇒

⇒

⇒

⇒

Cr

23

C

6

dysocjuje w zakresie temperatury 950-1050°C –

jego wydzielanie się w stali odpornej na korozję może
zwiększyć jej podatność na korozję międzykrystaliczną;

Ti ← V ← Cr ← Mn ← Fe
Zr ← Nb ← Mo
Hf ← Ta ← W

⇒

⇒

⇒

⇒

tworzy węglik Mn

3

C, lub łącznie z żelazem (Mn,Fe)

3

C –

cementyt manganowy (stale manganowe łatwo przegrzewają
się);

13

Stal stopowa

Wpływ na kinetykę przemian austenitu

⇒

⇒

⇒

⇒

warunkiem przedstawionego oddziaływania jest całkowite
rozpuszczenie się pierwiastków stopowych w austenicie;

14

Stal stopowa

Wpływ na kinetykę przemian austenitu

15

Stal stopowa

Wpływ na proces odpuszczania

⇒

⇒

⇒

⇒

zmniejszenie szybkości dyfuzji → opóźnienie procesu
wydzielania węglików → wolniejszy spadek twardości stali
podczas odpuszczania;

⇒

⇒

⇒

⇒

stal stopowa ma większą twardość od stali węglowej o takiej
samej zawartości węgla po odpuszczaniu w danej
temperaturze;

⇒

⇒

⇒

⇒

do ok. 450°C mechanizm odpuszczania jest analogiczny jak
w stalach węglowych;

⇒

⇒

⇒

⇒

powyżej 450°C zwiększająca się szybkość dyfuzji
pierwiastków stopowych umożliwia tworzenie przez nie
węglików czemu towarzyszy rozpuszczanie cementytu;

16

Stal stopowa

Kruchość odpuszczania

⇒

⇒

⇒

⇒

występuje w niektórych gatunkach stali stopowej –
Cr, CrMnSi, CrNi;

⇒

⇒

⇒

⇒

zakres 450-650°C – szybkie chłodzenie lub dodatek Mo i W;

17

Stal stopowa

Twardość wtórna

⇒

⇒

⇒

⇒

stopień utwardzenia zależy od rodzaju i ilości pierwiastków
węglikotwórczych rozpuszczonych w austenicie;

⇒

⇒

⇒

⇒

narzędziowa stal stopowa → duża zawartość węgla
i węglikotwórczych pierwiastków stopowych;

18

Stal stopowa

Stal ledeburytyczna

⇒

⇒

⇒

⇒

stal narzędziowa do pracy na zimno – wysokochromowa
(11% Cr, 1,5-2,0% C);

⇒

⇒

⇒

⇒

stal narzędziowa szybkotnąca (0,8-1,3% C);

⇒

⇒

⇒

⇒

krystalizuje z wydzieleniem eutektyki ledeburytycznej,

⇒

⇒

⇒

⇒

po kuciu lub walcowaniu występuje segregacja pasmowa
węglików – stopień segregacji zależy od intensywności
odkształcenia plastycznego;

19

Stal stopowa

Segregacja węglików

prawidłowa mikrostruktura

segregacja siatkowa

segregacja pasmowa

20

Stal stopowa

Obróbka cieplna stali szybkotnącej

21

Stal stopowa

Twardość wtórna

⇒

⇒

⇒

⇒

wpływ temperatury hartowania na zawartość austenitu
szczątkowego i twardość stali po odpuszczaniu;

22

Stal stopowa

Obróbka cieplna stali szybkotnącej

HARTOWANIE

1. ODPUSZCZANIE

2. ODPUSZCZANIE

3. ODPUSZCZANIE

węgliki pierwotne

martenzyt
nieodpuszczony

austenit szczątkowy
martenzyt
odpuszczony

stale szybkotnące bezkobaltowe

stale szybkotnące kobaltowe

23

Stal stopowa

Stal odporna na korozję

⇒

⇒

⇒

⇒

stal wykazuje odporność na korozję, gdy min. 13% chromu
znajduje się w roztworze stałym,

⇒

⇒

⇒

⇒

chrom związany w węglikach nie wpływa na odporność na
korozję;

24

Stal stopowa

Mikrostruktura stali chromowej

⇒

⇒

⇒

⇒

<0,05% C – stal ferrytyczna;

⇒

⇒

⇒

⇒

0,05-0,2% C – stal półferrytyczna;

⇒

⇒

⇒

⇒

>0,2% C – stal martenzytyczna;

25

Stal stopowa

Stal chromowo-niklowa

⇒

⇒

⇒

⇒

podstawowy gatunek zawiera 18% Cr i 8% Ni;

⇒

⇒

⇒

⇒

struktura austenityczna w całym zakresie temperatury;

⇒

⇒

⇒

⇒

przesycanie z temp. 1050-1150°C w wodzie
(R

m

∼550-650 MPa, R

e

∼200-350 MPa);

⇒

⇒

⇒

⇒

wyżarzanie rekrystalizujące w temp. ok. 850°C/woda

26

Stal stopowa

Korozja międzykrystaliczna – przyczyny

~

~

~

~

18

12

~60

%Cr

γγγγ

γγγγ

Cr

23

C

6

Cr

Cr

Cr

Cr

C

C

C

C

granica ziarn

t

= 500-550°C

V

d

Cr

<< V

d

C

27

Stal stopowa

Korozja międzykrystaliczna

⇒

⇒

⇒

⇒

ponowne przesycanie (rozwiązanie czasowe);

⇒

⇒

⇒

⇒

zmniejszenie zawartości węgla (0,03-0,07%);

⇒

⇒

⇒

⇒

stabilizowanie przy pomocy Ti lub Nb;

Sposoby zapobiegania:

28

Stal stopowa

ś

aroodporność

⇒

⇒

⇒

⇒

zgorzelina – warstwa złożona głównie z tlenków oraz
ewentualnie z innych związków, która hamuje dyfuzję tlenu
z powietrza do przedmiotu jak i żelaza z przedmiotu na
zewnątrz;

⇒

⇒

⇒

⇒

odporność na korozyjne działanie gorących gazów lub
powietrza o temperaturze wyższej od 550°C;

29

Stal stopowa

ś

aroodporność

⇒

⇒

⇒

⇒

mikrostruktura nie jest istotna – nie powinny zachodzić w stali
przemiany alotropowe połączone ze zmianą objętości;

⇒

⇒

⇒

⇒

głównym czynnikiem wpływającym na żaroodporność jest
skład chemiczny – zawartość chromu, krzemu i aluminium;

⇒

⇒

⇒

⇒

np., stop: 70%Fe, 25%Cr, 5%Al –
zgorzelina: 90% Al

2

O

3

, 4%CrO

2

, 1%FeO;

30

Stal stopowa

ś

arowytrzymałość

⇒

⇒

⇒

⇒

zdolność do przenoszenia w wysokiej temperaturze
znacznych obciążeń przez długi okres czasu przy możliwie
najmniejszych odkształceniach (odporność stali na pełzanie);

⇒

⇒

⇒

⇒

pełzaniem nazywane jest zjawisko powolnego, ciągłego,
trwałego odkształcania materiału przy stałym obciążeniu
(nawet poniżej granicy plastyczności przy temperaturze
zwykle wyższej od 0,4T

t

);

ε

t

, h

I

II

III

dε
dt

––– = const

×

×

×

×

31

Stal stopowa

ś

arowytrzymałość

⇒

⇒

⇒

⇒

wolfram, molibden, wanad i kobalt − podnoszą energię
wiązań atomów w roztworze stałym oraz temperaturę
rekrystalizacji;

⇒

⇒

⇒

⇒

nikiel i mangan – stabilizują strukturę austenityczną
o większej żarowytrzymałości (wolniejsza dyfuzja);

⇒

⇒

⇒

⇒

rozmiar ziarna – większy rozmiar ziarna ogranicza dyfuzję
i poślizg po granicach ziarn;