POLITECHNIKA SZCZECIC
SKA
INSTYTUT INŻYNIERII MATERIAA
OWEJ
ZAKA
AD METALOZNAWSTWA I ODLEWNICTWA
PRZEDMIOT: PODSTAWY NAUKI O MATERIAA
ACH II
(TWORZYWA METALICZNE)
ĆWICZENIA LABORATORYJNE
Temat ćwiczenia:
STRUKTURY STOPÓW ŻELAZA O SPECJALNYCH WA
AÅšCIWOÅšCIACH
Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową, właściwościami i zastosowaniem
stopów żelaza o specjalnych właściwościach
I. Stopy odporne na korozjÄ™
Stopy odporne na korozjÄ™ obejmujÄ… dwie grupy:
" Stopy ferrytyczne (Cr) odporne na korozjÄ™ chemicznÄ… tj. na utlenianie w
atmosferze powietrza, wody, pary oraz na działanie ropy naftowej,
paliw i olejów, alkoholi, środków spożywczych, mało agresywnych
kwasów i soli.
" Stopy austenityczne (Cr-Ni) odporne na korozjÄ™ elektrochemicznÄ…
(kwasoodporne), w środowisku agresywnych kwasów nieorganicznych i
organicznych, alkoholi, związków azotu, agresywnych roztworów soli.
Stale ferrytyczne nierdzewne
Podstawowym dodatkiem stopowym w
stalach odpornych na korozjÄ™ jest chrom.
Wprowadzenie do stali ok. 13% Cr zmienia
skokowo potencjał elektrodowy stali z  0,6 do
+0,2V (rys. 1), co powoduje pasywacjÄ™ i
odporność korozyjną w środowisku
utleniajÄ…cym.
Rys. 1. Zależność potencjału elektro-
Stale chromowe nierdzewne o zawartości 13
dowego stali od zawartości Cr
albo 17%Cr zalicza siÄ™ do ferrytycznych przy
zawartości mniej niż 0,15%C (węgliki w osnowie ferrytu chromowego) albo do
martenzytycznych przy Å›redniej (0,25 ÷ 0,45%) i dużej (ok. 1%) zawartoÅ›ci C.
Pierwsze odznaczają się lepszą odpornością na korozję, drugie  większą
wytrzymałością.
Stale o małej zawartości węgla (do 0,15%) w czasie nagrzewania nie podlegają
żadnym przemianom, zachowując strukturę ferrytyczną aż do temperatury topnienia,
stąd nazywa się je stalami ferrytycznymi. W stalach o zawartości węgla powyżej
0,3% podczas nagrzewania struktura ferrytyczna całkowicie przemienia się w
austenit, dzięki czemu stosując odpowiednio szybkie chłodzenie z temperatury
1
STRUKTURY STOPÓW ŻELAZA O SPECJALNYCH WA
AŚCIWOŚCIACH  ćwiczenia laboratoryjne
austenityzowania można je zahartować na martenzyt. Takie stale nazywa się
martenzytycznymi. Stale o pośredniej zawartości węgla w czasie nagrzewania ulegają
częściowej austenityzacji, a więc po hartowaniu mają strukturę częściowo
martenzytyczną, częściowo ferrytyczną. Nazywa się je więc stalami martenzytyczno-
ferrytycznymi lub półmartenzytycznymi.
Stale austenityczne kwasoodporne
Dodatek niklu do niskowęglowych stali chromowych silnie powiększa odporność
na korozję elektrochemiczną oraz wytrzymałość i ciągliwość. Typowe stale
austenityczne zawierajÄ… 18% Cr i 8% Ni. Stale o
strukturze austenitycznej mają większą odporność
na korozję i mniejszą skłonność do rozrostu ziarn
niż stale o strukturze ferrytycznej. W stalach Cr-Ni
typu 18-8 rozpuszczalność węgla w austenicie
zmniejsza się wraz z obniżeniem temperatury i w
temperaturze pokojowej wynosi ok. 0,04% (rys.2).
Zmniejszającej się rozpuszczalności węgla w
Rys. 2. Zależność granicznej rozpu-
austenicie towarzyszy wydzielanie się węglików
szczalności węgla w austenicie stali
(Fe,Cr)23C6. Taki niestabilny austenit jest
18-8 od temperatury
dostatecznie trwały w temperaturze niższej od
400°C (pomijalna dyfuzja), a w temperaturze wyższej od 500°C wydzielajÄ… siÄ™ z
niego węgliki M23C6, zarodkujące na granicach ziarn (drogi łatwej dyfuzji). Wobec
dużej różnicy szybkości dyfuzji C i Cr, zubożenie austenitu w C sięga w głąb ziarn, a
w Cr  tylko cienkiej warstwy przygranicznej. W rezultacie w tej warstwie zawartość
Cr często zmniejsza się poniżej 13% (rys. 3).
Wydzielenia węglików M23C6 na granicach
ziarn austenitu powodują pod wpływem
działania środowiska groz
nÄ… w skutkach korozjÄ™
międzykrystaliczną, szczególnie intensywną w
obciążonych elementach w temperaturach
wyższych od 550°C.
W celu skutecznego przeciwdziałania
korozji międzykrystalicznej nie można dopuścić
do wydzielenia węglików chromu. Osiąga się to
Rys. 3. Rozkład stężenia C i Cr na granicy
ziarna austenitu stali 18-8 w obecności
poprzez:
węglików M23C6
" ponowne przesycanie stali, co może być
stosowane tylko do elementów o niewielkich wymiarach
" zmniejszenie stężenia C poniżej 0,03%; w niektórych gatunkach dopuszcza się
stężenie C nie większe niż 0,07%; sposób ten należy uznać za najbardziej
skuteczny, choć kosztowny
" tzw. stabilizowanie stali przez wprowadzenie pierwiastków węglikotwórczych o
większym od Cr powinowactwie chemicznym do węgla, najczęściej Ti lub Nb;
pierwiastki te tworzą trwałe węgliki typu MX, nie przechodzące do roztworu
stałego podczas przesycania; ich stężenie jest dobierane tak, aby związać cały
węgiel: %Ti e" 4x %C, %Nb e" 8x %C.
2
STRUKTURY STOPÓW ŻELAZA O SPECJALNYCH WA
AŚCIWOŚCIACH  ćwiczenia laboratoryjne
Austenityczno-ferrytyczne stale odporne na korozjÄ™ (stale typu duplex)
Stale dwufazowe o strukturze austenityczno-ferrytycznej, zwane potocznie
stalami typu duplex, stanowiÄ… alternatywÄ™ w stosunku do klasycznych
jednofazowych stali austenitycznych i ferrytycznych.
Stale duplex charakteryzują się dużą odpornością na korozję ogólną, korozję
międzykrystaliczną, korozję naprężeniową oraz korozję wżerową. Ponadto stale tego
typu w porównaniu z klasycznymi stalami austenitycznymi wykazują wyższą
wytrzymałość na rozciąganie.
Zasadniczą wadą stali typu duplex jest ich skłonność do wydzielania kruchych faz
w podwyższonych temperaturach (kruchość 475ºC, faza sigma). Wydzielenia faz
wpływają na pogorszenie odporności na korozję oraz obniżenie własności
plastycznych.
Staliwa
Wysokostopowe staliwa odporne na korozjÄ™ stanowiÄ… odpowiedniki stali. SÄ… to
stopy spawalne o zawartości mniej niż 0,25% C. Staliwa ferrytyczne chromowe (15%
Cr) są odporne na działanie wody i pary (LH14). Staliwa austenityczne chromowo-
niklowe (18% Cr, 10% Ni) są odporne na działanie kwasów organicznych i
nieorganicznych. Dodatek Mo powiększa odporność korozyjną, zwłaszcza na kwas
siarkowy (LH18N9, LH18N9M). Dla powiększenia odporności na korozje
międzykrystaliczną staliwa Cr-Ni i Cr-Ni-Mn poddaje się przesycaniu od
1050÷1100°C z chÅ‚odzeniem w wodzie.
Żeliwa
Wysokostopowe żeliwa odporne na korozję reprezentowane są przez cztery typy:
" żeliwa chromowe (0,5÷2% C i 28÷34% Cr), ferrytyczne z udziaÅ‚em wÄ™glików
" żeliwa niklowe (2÷3% C, 15÷35% Ni), austenityczne z grafitem pÅ‚atkowym
" żeliwa manganowe (3÷3,5% C, 8÷15% Mn, czÄ™sto z dodatkami Al. i Cu),
austenityczne są zastępczymi dla żeliw niklowych
" żeliwa krzemowe (0,5÷1% C, 15% Si), ferrytyczne z grafitem pÅ‚atkowym
II. Stopy o specjalnych właściwościach mechanicznych
Stopy odporne na ścieranie
Odporne na ścieranie przy dużych naciskach powierzchniowych są staliwa
manganowe:
" Å›redniowÄ™glowe (0,10÷0,45% C) z dodatkiem 2% Mn i ewentualnie Cr, Ni
(poniżej 3%) oraz Mo, V, Ti po ok. 0,25%, o strukturze ferrytyczno-
perlitycznej. Stopy te stosuje siÄ™ w stanie normalizowanym (890÷900ºC), albo
ulepszonym cieplnie (hartowanie od 830÷890ºC w oleju, odpuszczanie w
400÷600ºC).
" wysokowÄ™glowe (1÷1,5% C) zawierajÄ…ce 12÷14% Mn, tzw. staliwo Hadfielda,
o strukturze austenitycznej z wydzieleniami węglików.
3
STRUKTURY STOPÓW ŻELAZA O SPECJALNYCH WA
AŚCIWOŚCIACH  ćwiczenia laboratoryjne
Staliwo Hadfielda dla stabilizacji austenitu powinno mieć stosunek zawartości
C:Mn = 1:10. Przesycanie (1050÷1100ºC) zapewniajÄ…ce rozpuszczenie wÄ™glików,
nadaje najlepsze cechy mechaniczne: wytrzymałość rzędu 1000 MPa przy dobrej
plastyczności. Przeróbka plastyczna na zimno powoduje znaczne umocnienie
wywołane tworzeniem się ogromnej liczby bliz
niaków i częściową przemiana
martenzytyczną. Dlatego niewielka twardość (200 HB) w warstwie wierzchniej
powiększa się w czasie obróbki skrawaniem (500 HB), co powoduje wyjątkowo złą
skrawalność.
Do żeliw odpornych na ścieranie zalicza się również żeliwa: białe zwykłe (3% C,
1,5% Si, 0,6% Mn), niskostopowe z dodatkami 4% Ni i 2% Cr (typu Ni-Hard) oraz
wysokostopowe chromowe ferrytyczne (18÷34% Cr) i manganowe austenityczne
(8÷10% Mn).
Stopy do pracy w niskich temperaturach
O zastosowaniu stali do pracy w temperaturze poniżej 0ºC decyduje głównie
temperatura kruchości. Wyraz
ną temperaturę kruchości wykazują stale ferrytyczne,
natomiast austenityczne praktycznie są jej pozbawione, pod warunkiem, że obniżenie
temperatury nie wywołuje przemiany martenzytycznej. Temperaturę kruchości
efektywnie obniżają Mn, a zwłaszcza Ni (rys. 4).
Drobnoziarniste stale
niskowęglowe oraz
średniowęglowe ulepszone
cieplnie maja temperaturÄ™
kruchości w zakresie od 0 do -
25ºC. Stale niskowÄ™glowe z
podwyższona do 1%
zawartością Mn i ewentualnie
dodatkiem majÄ… temperaturÄ™
kruchoÅ›ci ok. -60ºC. Do
najniższych temperatur stosuje
się niskowęglowe stale z
Rys. 4. Zależność temperatury kruchości stali niskowęglowej od
dodatkiem Ni ulepszone
zawartości: a) Mn, b) Ni
cieplnie. Ich temperatura
kruchoÅ›ci przy 2÷3% Ni wynosi ok. -100ºC, a przy 8÷10% Ni  ok. -200ºC.
Do temperatur kriogenicznych stosuje się niskowęglowe stale austenityczne Cr-
Ni lub Cr-Ni-Mn-N. Na odlewy elementów do urzÄ…dzeÅ„ chÅ‚odniczych (do -200ºC)
używa się żeliwa sferoidalnego ZsNi23Mn4 o dużej udarności.
Stopy o bardzo dużej wytrzymałości
Stale martenzytyczne starzone tzw. maraging o wytrzymałości rzędu 2000 MPa
należą do niskowÄ™glowych (poniżej 0,05% C), zawierajÄ…cych Ni (10÷25%), Co albo
Cr (8÷12%), Mo (2÷5%), Ti, Al (po mniej niż 2%), ewentualnie dodatki Nb i V.
Nikiel nadaje stali wytrzymałość i ciągliwość, a zmniejszając rozpuszczalność w
4
STRUKTURY STOPÓW ŻELAZA O SPECJALNYCH WA
AŚCIWOŚCIACH  ćwiczenia laboratoryjne
żelazie Mo, Ti, Al ułatwia wydzielanie faz międzymetalicznych podczas starzenia.
Kobalt podwyższa temperaturę Ms, czyli zmniejsza ilość austenitu szczątkowego po
hartowaniu. Chrom powiększa odporność korozyjną i umacnia martenzyt. Molibden
zapewnia równomierne zarodkowanie wydzieleń podczas starzenia, powiększając
ciągliwość. Tytan jako główny składnik faz międzymetalicznych powoduje
największe umocnienie.
Wobec bardzo małej szybkości krytycznej chłodzenia, przemiana martenzytyczna po
austenityzowaniu (800÷850ºC przez 0,5h) nastÄ™puje podczas chÅ‚odzenia na
powietrzu. Dzięki minimalnej zawartości węgla martenzyt jest tak plastyczny, że stal
zahartowaną można poddawać obróbce plastycznej na zimno. Fazy międzymetaliczne
rozpuszczone w austenicie podczas austenityzowania, po zahartowaniu pozostajÄ… w
roztworze (w martenzycie). Starzenie stali od 480÷520ºC dziÄ™ki uprzedniemu
odkształceniu plastycznemu przebiega szybko i polega na wydzielaniu się z
martenzytu bardzo drobnodyspersyjnych (Å‚4÷8 nm) równomiernie rozÅ‚ożonych faz
międzymetalicznych. Stal podlega wydatnemu umocnieniu, zachowując dobrą
ciągliwość. Cechą stali martenzytycznie starzonych jest bardzo wysoki stosunek
Re/Rm  ok. 0,95.
Stopy żaroodporne
Żaroodporność to odporność na działanie czynników chemicznych, głównie
powietrza oraz spalin i ich agresywnych składników w temperaturze wyższej niż
600°C. Å»aroodporność jest Å›ciÅ›le zwiÄ…zana ze skÅ‚onnoÅ›ciÄ… stali do tworzenia
zgorzeliny. Zgorzelina powinna stanowić
ciągłą warstwę, dokładnie przylegającą do
metalicznego rdzenia, co utrudnia dyfuzjÄ™
utleniacza i jonów metalu.
TworzÄ…ca siÄ™ warstwa tlenkowa
(zgorzelina) złożona głównie z Fe3O4 i
Fe2O3, wydłuża drogę dyfuzji tak, że po
osiągnięciu określonej grubości hamuje
utlenianie. W temperaturze powyżej
570°C, jak wynika z ukÅ‚adu Fe-O (rys. 5),
Fe3O4 przechodzi w FeO o silnie
zdefektowanej strukturze, w wyniku
Rys. 5. Fragment układu Fe-O
czego utlenianie postępuje dalej.
Odporność na utlenianie powyżej 500°C zapewnia pasywacja metalu, tj.
utworzenie cienkiej warstewki tlenków Cr2O3, Al2O3, SiO2, hamującej dyfuzję.
Wymagania te spełniają niskowęglowe stale o jednofazowej strukturze ferrytu lub
austenitu, o dużej zawartości chromu i niklu oraz dodatkowo krzemu i aluminium.
Do stali żaroodpornych zaliczamy:
" stale Cr (5÷25%) z dodatkiem Al i Si majÄ… strukturÄ™ ferrytycznÄ… z niewielkÄ…
ilością węglików,
" stale Cr-Ni (16÷26% Cr, 5÷36% Ni) z dodatkiem krzemu i manganu majÄ…
strukturÄ™ austenitycznÄ…
5
STRUKTURY STOPÓW ŻELAZA O SPECJALNYCH WA
AŚCIWOŚCIACH  ćwiczenia laboratoryjne
Jako materiały żaroodporne stosuje się również stopy odlewnicze:
" staliwa żaroodporne stanowią odpowiedniki stali; odznaczają się większą
zawartością węgla i brakiem Al., aby uniknąć grafityzacji węglików.
" żeliwa żaroodporne odznaczające się odpornością na bezpośrednie działanie
płomienia i spalin zawierających związki siarki. Są to żeliwa chromowe
(7÷34%), czasem z dodatkiem Ni, żeliwa krzemowe (5÷8%) oraz żeliwa
aluminiowe (10÷30%)
Stopy żarowytrzymałe
Żarowytrzymałością nazywa się zdolność przenoszenia długotrwałych naprężeń,
w temperaturach powyżej 500÷600ºC, której towarzyszy żaroodporność. Z definicji
wynika, iż najważniejszymi cechami materiałów tego typu są: wytrzymałość na
pełzanie i odporność na utlenianie w wysokich temperaturach. Dużą
żarowytrzymałość wykazują więc stale o strukturze austenitycznej  ze względu na
mniejsze współczynniki dyfuzji niż w ferrycie, o znacznej wielkości ziarn i z
dyspersyjnymi wydzieleniami faz, głównie na granicach ziarn.
Stopy żarowytrzymaÅ‚e zawierajÄ… Cr (15÷30%), zapewniajÄ…cy żaroodporność, Ni,
Co, W, Mo podwyższające temperaturę rekrystalizacji oraz działające umacniająco
niewielki dodatki Nb, Zr, Ti, Al, N. Wśród stopów żarowytrzymałych wyróżnia się:
" austenityczne stale i staliwa Cr-Ni, z dodatkiem Si, czasem Mo, stosowane w
stanie przesyconym
" nadstopy  stopy Fe-Ni-Cr z dodatkami Mo, Ti, Al, N.
III. Stopy o specjalnych właściwościach fizycznych
Stale o szczególnych właściwościach magnetycznych
W elektrotechnice i elektronice szerokie zastosowanie znajdujÄ… stale o
szczególnych właściwościach magnetycznych. W zależności od kształtu pętli
histerezy (rys. 6) materiały te dzieli się na:
" magnetycznie miękkie (m)  o dużej pozostałości magnetycznej Br i małym
natężeniu koercji Hc
" magnetycznie twarde (t)  o mniejszej pozostałości magnetycznej i znacznie
większym natężeniu koercji
Stale magnetycznie miękkie stosowane w postaci blach elektrotechnicznych
prÄ…dnicowych zawierajÄ… poniżej 0,08% C i 0,4÷3,4% Si. Blachy transformatorowe
zawierajÄ… 2,8÷4,3% Si.
Materiały magnetycznie twarde stosowane na magnesy trwałe charakteryzuje
moc właściwa (BH)max (rys. 7),która powinna osiągać możliwie największe wartości.
Wymagania te spełniają stale węglowe eutektoidalne zahartowane na martenzyt oraz
stale stopowe zawierające W, Cr i Co, silnie zwiększające koercję.
6
STRUKTURY STOPÓW ŻELAZA O SPECJALNYCH WA
AŚCIWOŚCIACH  ćwiczenia laboratoryjne
Rys.6. Schemat pętli histerezy magnetycznej Rys. 7. Charakterystyka magnesu trwałego
materiałów magnetycznie: a) miękkich  m,
b) twardych  t; B  indukcja magnetyczna,
H  natężenie pola magnetycznego
Wykonanie ćwiczenia.
Ćwiczenie obejmuje identyfikację, narysowanie i opisanie mikrostruktury próbek.
Na rysunkach mikrostruktur należy zaznaczać składniki strukturalne.
Pytania kontrolne:
" Budowa i właściwości stali nierdzewnych
" Wpływ zawartości chromu na odporność korozyjną stali
" Budowa i właściwości stali kwasoodpornych
" Korozja międzykrystaliczna i mechanizm jej powstawania
" Metody zapobiegania korozji międzykrystalicznej
" Co to są stale duplex i jakie posiadają właściwości?
" Budowa i właściwości stopów odpornych na ścieranie
" Jakiej obróbce cieplnej poddaje się stopy Fe odporne na ścieranie?
" Jaki czynnik decyduje o zastosowaniu stali do pracy w niskiej temperaturze?
" Co to jest żaroodporność?
" Co to jest żarowytrzymałość?
Literatura:
1. S. Prowans:  Metaloznawstwo PWN; Warszawa 1988
2. L. A. Dobrzański:  Metaloznawstwo z podstawami nauki o materiałach
Wydawnictwo Naukowo-Techniczne; Warszawa 1996
3. K. Przybyłowicz:  Metaloznawstwo Wydawnictwo Naukowo-Techniczne;
Warszawa 1994
4. S. Rudnik:  Metaloznawstwo PWN; Warszawa 1986
5. A. Barbacki:  Metaloznawstwo dla mechaników Wydawnictwo Politechniki
Poznańskiej; Poznań 1998
6. A. Szummer, A. Ciszewski, T. Radomski:  Badania własności i mikrostruktury
materiałów . Oficyna wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2000
7. Poradnik inżyniera; 1  Spawalnictwo; Wydawnictwo Naukowo-Techniczne;
Warszawa
7
STRUKTURY STOPÓW ŻELAZA O SPECJALNYCH WA
AŚCIWOŚCIACH  ćwiczenia laboratoryjne
Załącznik
1H13
1H18N9T - przesycana 1100ºC/6h
8
STRUKTURY STOPÓW ŻELAZA O SPECJALNYCH WA
AŚCIWOŚCIACH  ćwiczenia laboratoryjne
1H18N9T - przesycana 1100ºC/6h
1H18N9  korozja międzykrystaliczna
X3CrNiMoN 27-5-2  stal duplex
9
STRUKTURY STOPÓW ŻELAZA O SPECJALNYCH WA
AŚCIWOŚCIACH  ćwiczenia laboratoryjne
11G12
11G12
10
STRUKTURY STOPÓW ŻELAZA O SPECJALNYCH WA
AŚCIWOŚCIACH  ćwiczenia laboratoryjne