Akademia Morska w Szczecinie. Wszelkie prawa autorskie zastrzeżone.

AKADEMIA MORSKA W SZCZECINIE

WYDZIAŁ INZYNIERYJNO – EKONOMICZNY TRANSPORTU

Instytut Inżynierii Transportu

Zakład Techniki Transportu

INSTRUKCJA

Żelazo i jego stopy cz. I : Stale i staliwa

MATERIAŁOZNAWSTWO I NAUKA O MATERIAŁACH

LABOTATORIUM

Opracował:

dr inż. Jarosław Chmiel

mgr inż. Joanna Tuleja

Zatwierdził:

dr inż. Jarosław Chmiel

Obowiązuje od: wrzesień 2012

Akademia Morska w Szczecinie. Wszelkie prawa autorskie zastrzeżone.

Akademia Morska w Szczecinie. Wszelkie prawa autorskie zastrzeżone.

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 żelaza 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)

Akademia Morska w Szczecinie. Wszelkie prawa autorskie zastrzeżone.

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

Średniowęglowe

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 żelaza 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.

Akademia Morska w Szczecinie. Wszelkie prawa autorskie zastrzeżone.

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 jakościowych 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.

Akademia Morska w Szczecinie. Wszelkie prawa autorskie zastrzeżone.

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

Akademia Morska w Szczecinie. Wszelkie prawa autorskie zastrzeżone.

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%.

Akademia Morska w Szczecinie. Wszelkie prawa autorskie zastrzeżone.

Układ równowagi żelazo – węgiel

Wg. Chipmana w K.Przybyłowicz „Metaloznawstwo”

Akademia Morska w Szczecinie. Wszelkie prawa autorskie zastrzeżone.

Składniki fazowe

Ferryt - jest międzywęzłowym roztworem stałym węgla w Fe

α

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

γ

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 Fe

3

C; 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

Akademia Morska w Szczecinie. Wszelkie prawa autorskie zastrzeżone.

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 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.

Akademia Morska w Szczecinie. Wszelkie prawa autorskie zastrzeżone.

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;

Akademia Morska w Szczecinie. Wszelkie prawa autorskie zastrzeżone.

-

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,

-

żaroodporne,

-

żarowytrzymałe,

-

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

Ćwiczenie 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.

Akademia Morska w Szczecinie. Wszelkie prawa autorskie zastrzeżone.

6.

Wymagania

-

Podstawowe pojęcia charakteryzujące stale, staliwa.

-

Sposoby klasyfikacji stali i staliw.

-

Definicje składników fazowych i strukturalnych s"tali i staliw.

-

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