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

= 4060%, 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

0,651,4% 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 2,113,8%.

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