Akademia Morska w Szczecinie

Instytut Inżynierii Transportu

Zakład Techniki Transportu

Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotów

Materiałoznawstwo

i

Nauka o materiałach

Identyfikacja materiałów konstrukcyjnych żelaznych - stale i staliwa

Opracowali: mgr inż. Joanna Tuleja

Dr inż. Jarosław Chmiel

Zatwierdził: dr inż. Jarosław Chmiel

Szczecin 2008

2

3

1.

Wprowadzenie

Stopy żelaza należą do najważniejszej grupy materiałów konstrukcyjnych

stosowanych przez człowieka. Wykorzystywane są od ok. 2000 roku p.n.e. i prawdopodobnie
jeszcze długo ten stan się nie zmieni. Przyczyny popularności tej grupy materiałów wynikają
z:

-

powszechności występowania w skorupie ziemskiej żelaza (ok. 4,5%) najczęściej w
postaci tlenków z których we względnie łatwy sposób można odzyskać żelazo;

-

względnie niska temperatura topnienia żelaza 1583°C umożliwia jego otrzymywanie w
stanie ciekłym co jest szczególnie istotne przy formowaniu i kształtowaniu, niemożność
wystąpienia dyfuzji w stanie stałym co powoduje, że właściwości stopów żelaza w
temperaturze otoczenia pozostają niezmienne;

-

stopy żelaza charakteryzują się występowaniem przemian fazowych, efektem tego jest
możliwość uzyskania materiałów konstrukcyjnych o bardzo różnorodnych
właściwościach, które możemy dostosować do naszych potrzeb.

Na dzień dzisiejszy ponad 90% materiałów metalicznych stosowanych przez człowieka

stanowią stopy żelaza.

2.

Podstawowe pojęcia

Podstawowymi składnikami materiałów metalicznych żelaznych są: żelazo; węgiel.

Stopy żelaza ze względu na zawartość węgla dzielimy na: staliwa i stale; żeliwa i surówki.
Stalą wg normy PN-EN 10020 przyjęto nazywać materiał zawierający wagowo więcej

ż

elaza niż jakiegokolwiek innego pierwiastka, w zasadzie mniej niż 2% węgla i inne

pierwiastki. Dotychczas analizowano stopy żelaza z węglem jako stopy materiały
dwuskładnikowe. Na podstawie zawartości węgla przyjęty jest zwyczajowy podział stali na
nisko, średnio i wysokowęglowe (tablica 1)
Staliwo - jest to stop żelaza z węglem o zakresie składów takim samym jak stale ale
stosowany w w stanie lanym.

Tablica 1

Podział stali ze względu na zawartość węgla

Stale

Zawartość węgla %

Przykłady zastosowań

Niskowęglowe

< 0,25

Stale

na

konstrukcje

spawane,

stale

automatowe, stale do nawęglania, stale dla
budownictwa

Ś

redniowęglowe

0,25 ÷ 0,60

Stale konstrukcyjne, stale sprężynowe, stale
na narzędzia obciążone dynamicznie

Wysokowęglowe

> 0,60

Stale narzędziowe, stale na łożyska toczne

Wiadomo z praktyki, że oprócz żelaza i węgla, stale zawierają też i inne pierwiastki. Należy
zatem przeanalizować wpływ różnych grup pierwiastków na strukturę i właściwości stopów

4

ż

elaza z węglem. Najważniejsze grupy tych pierwiastków to zanieczyszczenia, domieszki

metalurgiczne i pierwiastki stopowe.

Zanieczyszczenia

Jako zanieczyszczenia się pierwiastki pochodzące z rud metali bądź wprowadzone do

stopu w trakcie procesu metalurgicznego lub innych zbiegów technologicznych,
oddziaływujące szkodliwie na właściwości użytkowe stopu. Główne zanieczyszczenia
występujące w stopach żelaza to

-

Siarka występująca w rudach żelaza i materiałach wsadowych,

-

fosfor występujący w rudach żelaza i materiałach wsadowych,

-

tlen wprowadzany w trakcie świeżenia surówki,

-

wodór wprowadzony w trakcie trawienia stali w roztworach kwasów.

Najważniejszym skutkiem obecności zanieczyszczeń jest pogorszenie plastyczności stali
i odporności na kruche pękanie.

Zawartość zanieczyszczeń a zwłaszcza siarki i fosforu stanowi kryterium podziału stali na

klasy jakościowe. Norma PN-EN 10020 „Stal – klasyfikacja” wyróżnia

-

stale podstawowe - gatunki stali o takich wymaganiach jakościowych, które można
osiągnąć w ogólnie stosowanym procesie stalowniczym, bez dodatkowych zabiegów
technologicznych.

-

stale jakościowe - gatunki stali dla których w zasadzie nie określa się właściwości
w stanie obrobionym cieplnie i czystości metalurgicznej wyrażonej stopniem
zanieczyszczenia wtrąceniami niemetalicznymi; ze względu na warunki zastosowania
wyrobów ze stali jakościowych, wymagania jakościowe są wyższe niż dla stali
podstawowych, co wymaga większej staranności podczas produkcji.

-

stale specjalne - gatunki stali, które charakteryzują się wyższym niż gatunki stali jako-

ś

ciowych stopniem czystości metalurgicznej, szczególnie w zakresie zawartości

wtrąceń niemetalicznych; są one przeważnie przeznaczone do ulepszania cieplnego
lub hartowania powierzchniowego i są one podatne na taką obróbkę cieplną; przez
dokładny dobór składu chemicznego oraz przestrzeganie specjalnych warunków
produkcji stali i kontroli przebiegu procesów technologicznych uzyskuje się
różnorodne własności przetwórcze i użytkowe stali często równocześnie
i w zawężonych granicach np. wysoką wytrzymałość lub hartowność z równocześnie
dobrą podatnością na kształtowanie, spawanie, ciągliwością itp.

Domieszki metalurgiczne

Do tej kategorii zalicza się pierwiastki wprowadzone celowo dla przeprowadzenia

określonych reakcji metalurgicznych, w szczególności dla związania zanieczyszczeń.
Najważniejsze z tych pierwiastków to:

•

mangan – stosowany do odsiarczania stali,

•

wapń – w postaci wapna palonego stosowany do wiązania fosforu,

•

krzem – do odtleniania,

•

aluminium – do odtleniania końcowego.

5

Pierwiastki powyższe wprowadzane są do ciekłego stopu w nieznacznym nadmiarze, tak by
doprowadzić do całkowitego związania zanieczyszczeń. Należy zwrócić uwagę, że niektóre
z domieszek (Mn, Si, Al) mogą występować jako pierwiastki stopowe. Jako domieszki
traktować należy również wiele pierwiastków, których zawartość nie przekracza granic
określonych w normie, a które nie mają szkodliwego wpływu na właściwości stali.
Pierwiastki te najczęściej dostają się do stopu podczas procesu stalowniczego, wraz ze
złomem stosowanym jako materiał wsadowy. Graniczne wartości pierwiastków podano
w tablicy 2. Jeśli zawartość pierwiastków jest niższa od granicznej to stal nazywamy stalą
niestopową, jeżeli zaś wyższa – stalą stopową.

Tablica 2

Graniczne wartości pierwiastków stopowych wg PN-EN 10020

Pierwiastek

Zawartość graniczna (% wagowy)

Al Aluminium

0,10

B Bor

0,0008

Bi Bizmut

0,10

Co Kobalt

0,10

Cr Chrom

0,30

Cu Miedź

0,40

La i inne lantanowce, każdy

0,05

Mn Mangan

1,65

Mo Molibden

0,08

Nb Niob2

0,06

Ni Nikiel

0,30

Pb Ołów

0,40

Se Selen

0,10

Si Krzem

0,50

Te Tellur

0,10

Ti Tytan

0,05

V Wanad

0,10

W Wolfram

0,10

Zr Cyrkon

0,05

Inne (oprócz węgla, siarki, fosforu, azotu), każdy

0,05

Pierwiastki stopowe

Jeśli stal zawiera pierwiastki wprowadzone celowo, w ilościach większych niż podano

w tablicy 2, dla nadania jej określonych właściwości użytkowych i technologicznych, to stal
taką nazywamy stalą stopową zaś pierwiastki – stopowymi.
Najważniejsze pierwiastki stopowe w stalach to mangan, krzem, nikiel, chrom, molibden,
wolfram, wanad, miedź.

Przyjmuje się, że jeżeli sumaryczna zawartość pierwiastków stopowych jest niższa od

5% , to stal jest stalą niskostopową, jeżeli zaś wyższa to jest to stal wysokostopowa. W
praktyce, ilości pierwiastków stopowych w stalach wysokostopowych są znacznie wyższe od
5%. Specyficznym rodzajem pierwiastków stopowych są tzw. mikrododatki (np. bor),
wprowadzane w ilościach rzędu 0,001 do 0,1%.

6

Układ równowagi żelazo – węgiel

Wg. Chipmana w K.Przybyłowicz „Metaloznawstwo”

7

Składniki fazowe

Ferryt - jest międzywęzłowym roztworem stałym węgla w Fe a o strukturze A2 (RPC). Na
obrazie mikroskopowym ferryt ma wygląd równoosiowych ziaren o wyraźnych granicach.
Rozpuszczalność węgla w ferrycie niskotemperaturowym jest minimalna, w temp. otoczenia
0,008% do 0,02% w temp. 723°C, w ferrycie wysokotemperaturowym od 0% w temp.
1390°Cdo 0,1% w temp. perytektycznej 1493°C.
Własności; ferryt jest fazą bardzo miękką i plastyczną o małej wytrzymałości na rozciąganie,
dzięki temu stopy ferrytyczne nadają się do obróbki plastycznej, ok. 80 HB.

Austenit - jest międzywęzłowym roztworem stałym węgla w Fe y o strukturze A l (RSC). Na
obrazie mikroskopowym austenit ma wygląd równoosiowych ziaren o charakterystycznych
prostoliniowych granicach, zazwyczaj z licznymi bliźniakami.
Rozpuszczalność węgla w austenicie jest większa niż w ferrycie od 0,8% przy temp 723°C,
do 2,06% przy temp. eutektycznej 1147°C. W czystych stopach żelaza z węglem w temp.
poniżej 723°C austenit jest nietrwały -O ulega eutektoidalnemu rozpadowi na
mieszaninę ferrytu i cementytu.
Własności: austenit jest fazą stosunkowo twardą, o znacznej wytrzymałości na rozciąganie, a
przy tym bardzo ciągliwą. Dzięki temu stopy austenityczne podatne są do obróbki
plastycznej, ale odznaczają się złą skrawalnością, ok. 200 HB.
Węgiel w stopach żelaza występuje w trzech odmianach: w stanie wolnym jako grafit; w
stanie związanym jako węglik żelaza FeiC; w postaci roztworu.

Cementyt jest fazą międzywęzłową o strukturze złożonej układu rombowego, zawierającą
ciężarowe 6,67% C.
Własności: odznacza się dużą kruchością i twardością (HB - 700) oraz nieznacznie mniejszą
niż żelazo gęstością oraz dużą odpornością chemiczną. Cementyt do temp. 210°C jest
ferromagnetyczny, a w wyższych temperaturach paramagnetyczny. Ze względu na znaczny
udział wiązania metalicznego obok kowalencyjnego cementyt wykazuje własności
metaliczne. Cementyt jest fazą nietrwałą, ulegającą w podwyższonych temperaturach
rozkładowi (grafityzacji):

Fe

3

C —» 3Fe + C

grafit

,

z tego powodu rozróżnia się odpowiednio dwa układy równowagi.
Z roztworu ciekłego może krystalizować zarówno grafit, jak i cementyt, zależnie od
warunków odprowadzania ciepła, składu chemicznego i innych czynników. Wyróżniamy:

-

cementyt pierwotny - krystalizuje z roztworu ciekłego, w postaci dużych, grubych
igieł;

-

cementyt wtórny - wydziela się z austenitu w wyniku zmniejszania rozpuszczalności
węgla przy obniżaniu temperatury w zakresie 1147 - 723°C oraz powstaje z
eutektoidalnego rozpadu austenitu w temp. 723°C. W pierwszym przypadku ma na
obrazie mikroskopowym najczęściej postać siatki otaczającej ziarna (rzadziej igieł), w
drugim - najczęściej płytek rozmieszczonych na przemian z płytkami ferrytu, rzadziej
kulek w osnowie ferrytu;

-

cementyt trzeciorzędowy - wydziela się z ferrytu przy zmniejszaniu rozpuszczalności

8

przy obniżaniu temp. poniżej 723°C, na obrazie mikroskopowym ma najczęściej
wygląd małych wydzieleń na granicach lub w obrębie ziaren ferrytu.

Składniki strukturalne

Perlit jest mieszaniną eutektoidalną nasyconego ferrytu i cementytu wtórnego o zawartości
węgla 0,8% powstającą jako produkt rozpadu austenitu w temp. 723°C. Na obrazie
mikroskopowym perlit przy dostatecznym powiększeniu ma wygląd równoosiowych ziaren,
w których występują pęki różnie zorientowane równoległych płytek ferrytu i cementytu.
Perlit ma budowę płytkową (na przemian rozłożone płytki ferrytu i cementytu) o dyspersji
zależnej od szybkości chłodzenia podczas przemiany.
Własności: jest składnikiem strukturalnym o dobrej wytrzymałości i niezłej ciągliwości
(twardość HB= 180 - 280, zależnie od grubości płytek).

Perlit

Ledeburyt jest mieszaniną eutektyczną nasyconego austenitu i cementytu pierwotnego o
zawartości węgla 4,3% krystalizującą w temp. 1147°C. W temp. eutektoidalnej austenit
podlega rozpadowi na ferryt i cementyt wtórny, poniżej 723°C ledeburyt nosi nazwę
przemienionego i składa się z cementytu wtórnego i' pierwotnego oraz perlitu, ponadto
pojawiają się w ledeburycie przemienionym wydzielenia cementytu trzeciorzędowego. Na
obrazie mikroskopowym ledeburyt przemieniony ma wygląd ciemnych nieregularnych pól
(perlit) rozłożonych na jasnym tle cementytu pierwotnego.
Własności; ledeburyt jest składnikiem strukturalnym twardym i kruchym, w związku z tym
trudno skrawalnym, ok.450 HB

Technologiczny podział stali
Ze względu na zastosowany końcowy zabieg technologiczny wyróżnia się stale:

-

kute;

-

walcowane;

-

ciągnione.

Ze względu na zastosowaną obróbkę cieplną stale dzielimy na:

-

ujednorodnione;

-

normalizowane;

-

zmiękczane;

-

odprężone;

9

-

ulepszone cieplnie;

-

hartowane;

-

przesycone;

-

surowe.

Ze względu na zastosowanie rozróżniamy m.in. stale:

-

konstrukcyjne;

-

narzędziowe (do pracy na zimno, do pracy na gorąco i stale szybkotnące);

-

odporne na korozję,

-

ż

aroodporne,

-

ż

arowytrzymałe,

-

o specjalnych właściwościach fizycznych, elektrycznych, magnetycznych).

3. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się ze strukturami różnych rodzajów stali i staliw,

ich własnościami, zastosowaniem i oznaczeniami..

4.

Przebieg ćwiczenia

Ć

wiczenie polega na dokładnej obserwacji struktur różnych rodzajów stali i staliw.

Wykonujący ćwiczenie ma za zadanie zidentyfikować badane materiały i wskazać
poszczególne elementy struktury analizowanych stopów

5.

Sprawozdanie

Sprawozdanie powinno zawierać:

-

definicje stali i staliwa;

-

podstawowe sposoby klasyfikacji stali i staliw,

-

rysunki mikrostruktur identyfikowanych stali i staliw wraz z dokładnymi

-

opisami poszczególnych składników fazowych i strukturalnych;

-

wytyczne dotyczące oznaczania analizowanych grup materiałów;

-

przykłady zastosowania poszczególnych grup stali, staliw.

6.

Wymagania

-

Podstawowe pojęcia charakteryzujące stale, staliwa.

-

Sposoby klasyfikacji stali i staliw.

-

Definicje składników fazowych i strukturalnych s"tali i staliw.

10

-

Właściwości stali i staliw.

-

Przykłady zastosowania stali i staliw.

7.

Literatura

1.

Prowans St.: Materiałoznawstwo", PWN, Warszawa 1986 (str. 104 - 114 i 218 -
284).

2.

Blicharski M.: „Wstęp do inżynierii materiałowe/', WNT, Warszawa 2001 (str.
226 - 263).

3.

Dobrzański L.A.: Metaloznawstwo z podstawami nauki o materiałach", WNT,

4.

Warszawa 1999 (str. 379 - 486).

5.

Topoliński T.: Materiałoznawstwo", WUATR, Bydgoszcz 1999 (str. 49 - 77).

6.

Domke W.: „Vademecum materiałoznawstwa", WNT, Warszawa 1989 (str. 69 - 171).

7.

Przybyłowicz K. Metaloznawstwo

8.

Norma PN-EN 10020 Stal. Klasyfikacja

9.

Norma PN – EN 10027 Stal.Znakowanie