Katedra Metaloznawstwa i Technologii
Materiałowych
Zakład Metaloznawstwa i Obróbki Cieplnej
Wykład 6:
STOPY ŻELAZA Z
WĘGLEM
Katedra Metaloznawstwa i Technologii
Materiałowych
Zakład Metaloznawstwa i Obróbki Cieplnej
Wykład 6:
STOPY ŻELAZA Z
WĘGLEM
Fe
3
C
Fe
912
1394
1538
Fe
(A2)
Fe
(A1)
Fe
(A2)
1227
0,77
2,11
4,3
%C
6,67
727
1148
1495
L
L+
L+ Fe
3
C
+ Fe
3
C
+
+ Fe
3
C
+
L+
Układ żelazo-cementyt
(opis fazowy)
0,0218
(ferryt)
- roztwór stały węgla w
żelazie , o maksymalnej
rozpuszczalności
węgla
wynoszącej
0,0218% w temperaturze 727
0
C. Ma
sieć krystalograficzną A2.
Własności:
R
m
= 300MPa, 70HB, A
10
= 40%, KC=
180J/cm
2
(ferryt wysokotemperaturowy)
-
roztwór stały węgla w żelazie , o
maksymalnej rozpuszczalności węgla
wynoszącej 0,09% w temperaturze
1495
0
C.
Ferryt
ma
sieć
krystalograficzną A2.
Fe
3
C
(cementyt)
-
węglik
żelaza,
zawierający
6,67%
węgla.
Ma
skomplikowaną,
ortorombową
sieć
krystalograficzną.
Twardość
cementytu
wynosi ok. 700HB, gęstość = 7,68 g/cm
3
770
210
Temperatura Curie
Fe (żelazo - ferrum)
- metal stanowiący ok.
5% skorupy ziemskiej. Własności żelaza:
R
m
= 250MPa, R
e
= 150MPa, twardość -
54HB, wydłużenie A
10
= 50%, przewężenie
Z= 85%, udarność - KC= 250 J/cm
2
,
gęstość = 7,86 g/cm
3
. Ma
odmiany alotropowe.
(austenit)
- roztwór stały węgla w
żelazie , o maksymalnej
rozpuszczalności
węgla
wynoszącej
2,11% w temperaturze 1148
0
C.
Austenit ma sieć krystalograficzną A1.
Własności: R
m
= 800MPa, R
e
= 250MPa,
250HB, A
10
= 4060%, KC= 250J/cm
2
Fe
3
C
912
1394
1538
1227
0,77
2,11
4,3
%C
6,67
Fe
0,0218
1148
727
1495
Układ żelazo-cementyt
(opis strukturalny)
L+
+
+
L+
L+ cm’
L
A
B
C
D
E
G
H
J
N
P
S
Q
Temperatury i zawartości węgla w poszczególnych punktach:
A
- 1538
0
- 0%
B
- 1495
0
- 0,53%
C
- 1148
0
- 4,3%
D
- 1227
0
- 6,67%
E
- 1148
0
- 2,11%
G
- 912
0
- 0%
H
- 1495
0
- 0,09%
J
- 1495
0
- 0,17%
N
- 1394
0
- 0%
P
- 727
0
- 0,0218%
S
- 727
0
- 0,77%
Q
- 20
0
- 0,008%
przemiana
perytektyczna
H
+
L
B
J
przemiana
eutektyczna
L
C
E
+Fe
3
C
przemiana
eutektoidalna
S
P
+Fe
3
C
ledeburyt
ledeburyt
- mieszanina eutektyczna powstająca
z cieczy o składzie punktu C i składająca się
z austenitu o składzie punktu E i cementytu.
Twardość ok. 450HB, kruchy.
perlit
perlit
-
mieszanina
eutektoidalna
powstająca z austenitu o składzie punktu
S i składająca się z ferrytu o składzie
punktu P i cementytu o stosunku
grubości 7:1. Własności: R
m
= 800MPa,
R
e
= 400MPa, twardość 200HB, A
10
= 8%,
udarność KC= 40J/cm
2
le
d
e
b
u
r
yt
p
e
rl
it
le
d
e
b
u
ry
t
p
rz
e
m
ie
n
io
n
y
ledeb. + cm’
ledeb. przem.+ cm’
+ cm’’
+ cm’’ + ledeb.
p + cm’’ + ledeb. przem.
p + cm’’
+ p
+ cm’’’
F
K
Podział stali według układu Fe-Fe
3
C oraz
ich struktury
stale podeutektoidalne - leżące na lewo od punktu S ( do
0,77% C )
- mają strukturę ferrytyczno-perlityczną
stale eutektoidalne - o składzie punktu S ( 0,77% C )
- mają strukturę czysto perlityczną
stale nadeutektoidalne - leżące na prawo od punktu S ( od
0,77% do 2,11% C )
- mają strukturę składającą się z perlitu i cementytu
wtórnego
Stal
węglowa
-
stop żelaza
z węglem
zawie-
rający
poniżej
2,11% C
Podział stali według układu Fe-Fe
3
C oraz
ich struktury
Podział surówek wg
układu
Fe-Fe
3
C oraz ich
struktury
surówki podeutektyczne -
leżące na lewo od punktu C
( do 4,3 % C )
surówki eutektyczne - o
składzie punktu C ( 4,3 %
C )
surówki nadeutektyczne -
leżące na prawo od punktu
C (ponad 4,3 % C )
Stale
węglowe
Podział stali według zawartości węgla:
- niskowęglowe ( poniżej 0,25% C) - na blachy tłoczne,
konstrukcje spawane,
- średniowęglowe ( 0,25 - 0,6% C) - konstrukcyjne,
- wysokowęglowe ( powyżej 0,6% C) - narzędziowe.
Wpływ domieszek na własności stali
węglowych
Stosowane w praktyce stale węglowe nie są czystymi stopami
żelaza z węglem, lecz zawierają pewne ilości dodatków,
uwarunkowanych względami technologicznymi ( np. Mn, Si,
Al ), które są wprowadzane w celu lepszego odtlenienia lub
odsiarczenia stali. Inne pierwiastki, jak:
S
,
P
,
O
,
N
i
H
pozostają w stali w nieznacznych ilościach -
jako domieszki
.
Siarka
- przedostaje się do stali z rud. Normalna zawartość
siarki wynosi poniżej 0,05%, a w stalach o wysokiej jakości w
granicach 0,02-0,03%. Wydzielający się FeS powoduje tzw.
kruchość na gorąco
. W celu zmniejszenia szkodliwego
działania siarki wprowadza się do stali mangan w ilości do
0,8%, który tworzy nieszkodliwy MnS.
Fosfor
-przedostaje się do stali z rud. Zawartość fosforu w
stalach wynosi poniżej 0,05%. Fosfor rozpuszczony w ferrycie
silnie go utwardza, a jednocześnie zmniejsza plastyczność,
wywołując zjawisko
kruchości na zimno
.
Tlen
- bardzo szkodliwy, obecność ponad 0,003% silnie
zmniejsza
plastyczność
żelaza.
Stal
odtlenia
się
wprowadzając: Si, Mn i Al.
Azot
-
powoduje
występowanie
wyraźnej
granicy
plastyczności - co jest szkodliwe w stalach do tłoczenia. Po
dodaniu Al jest wiązany jako AlN.
Podział stali węglowych według
przeznaczenia ( wg PN )
Stale węglowe
stale konstrukcyjne
- zawierające do ok.
0,6% C
stale narzędziowe
- zawierające
0,651,4% C
zwykłej jakości ogólnego
przeznaczenia
( PN-88/H-84020 )
wyższej jakości ( niestopowe
do utwardzania
powierzchniowego
i ulepszania cieplnego)
( PN-93/H-84019 )
płytko hartujące
się
( PN-84/H-85020 )
głęboko
hartujące się
( PN-84/H-85020 )
automatowe
( PN-73/H-84026 )
Stale konstrukcyjne zwykłej jakości ogólnego
przeznaczenia
Znakowanie: litery
St
i liczby porządkowe od
0
do
7
( bez 1 i 2 )
Stale konstrukcyjne wyższej jakości ( do
utwardzania powierzchniowego i ulepszania
cieplnego )
Znakowanie: liczba dwucyfrowa określająca
zawartość węgla
w setnych procenta np.
20
,
45
Stale konstrukcyjne
automatowe
Przeznaczone do toczenia na automatach przy wytwarzaniu
masowych elementów ( śrub, wkrętów sworzni itp. ).
Polepszenie skrawalności uzyskuje się przez wytworzenie
kruchego wióra, drogą zwiększenia zawartości
fosforu
(do
0,15% ) i
siarki
( do 0,35% ). Stale te znakuje się literą
A
umieszczoną na początku symbolu np.:
A10
( 0,12% C, 0,08% P, 0,34% S )
A45
( 0,45% C, 0,06% P, 0,25% S )
Polepszenie skrawalności można również uzyskać przez
wprowadzenie do stali 0,1-0,2% ołowiu.
Stale do głębokiego
tłoczenia
Są to stale o szczególnie małej zawartości węgla ( mniejszej
niż
0,08% C
) oraz obniżonej zawartości fosforu i siarki, z
dodatkiem aluminium w celu zapobieżenia występowaniu
zjawiska starzenia po zgniocie.
Stale
narzędziowe
Znakowanie: litera
N
i liczba podająca zawartość węgla w
dziesiętnych częściach procentu ( stal płytko hartująca się
ma dodatkowo na końcu literę E ).
Żeliwa
Żeliwo
- stop odlewniczy na osnowie żelaza o zawartości
węgla w granicach 2,113,8%.
Zalety żeliw:
- łatwość odlewania nawet skomplikowanych
kształtów,
- możliwość ograniczenia obróbki skrawaniem
do minimum,
- dobra skrawalność,
-
dobra
wytrzymałość
(
bliska
stali
średniowęglowych ),
- duża zdolność tłumienia drgań,
- dobra odporność na ścieranie,
- mała rozszerzalność cieplna,
- niski koszt wytwarzania.
Wady żeliw:
- mała ciągliwość i udarność,
- mała wytrzymałość na rozciąganie w porównaniu z
wytrzymałością na ściskanie.
Żeliwa
Podział żeliw:
- żeliwo białe
( nazwa pochodzi od jasnego przełomu ) - w
którym cały węgiel jest związany w postaci cementytu
( zawiera w strukturze ledeburyt przemieniony, cementyt
wtórny i perlit ). Bardzo twarde, ale zarazem kruche.
Stosowane
jako
półprodukt
do
wytwarzania
żeliwa
ciągliwego.
- żeliwo szare
( nazwa pochodzi od ciemnego przełomu
spowodowanego obecnością grafitu ). Symbol żeliwa szarego
składa się z liter EN-GJL (lub GJS) oraz liczby trzycyfrowej
oznaczającej minimalną wytrzymałość na rozciąganie np.
EN-GJL-200
lub dodatkowo jeszcze liczby oznaczającej
minimalne wydłużenie np.
EN-GJS-700-5
perlit
ledeburyt
przemieniony
Klasyfikacja żeliw
szarych
Własności żeliw szarych zależą od struktury osnowy metalicznej
(
ferrytyczna
,
ferrytyczno-perlityczna
,
perlityczna
) oraz od postaci
wydzieleń grafitu (
płatkowe
,
kulkowe
).
grafit
Staliwo
Staliwo
- stal odlana do formy i stosowana w tym stanie bez
obróbki plastycznej. Własności staliw są niższe niż stali o
analogicznym składzie chemicznym, co jest wynikiem
znacznej niejednorodności chemicznej i strukturalnej
staliwa, a także porowatości.
Znakowanie: litera
L
i dwucyfrowa liczba oznaczająca
zawartość węgla w setnych częściach procentu, po czym
literami określa się zawarte pierwiastki stopowe np.
L20G
Struktura Widmanstättena w staliwie
podeutektoidalnym
( występuje w staliwach a także w
meteorytach )
ferryt
perlit