sprawozdanie 5

1. Wstęp
1.1. Cel ćwiczenia

„Zapoznanie się z podziałem stali konstrukcyjnych, właściwościami, składem chemicznym, stanami
dostawy oraz budową strukturalną stali konstrukcyjnych niestopowych oraz ich obróbką cieplną.”

1.2. Definicje

Stal to plastycznie przerobiony i obrabiany cieplnie stop żelaza z węglem (do zawartości węgla
teoretycznie do 2,0 %, a praktycznie 1,3% C) i innymi pierwiastkami metalurgicznymi (np. z
niklem)

Ferryt to stały roztwór węgla w Feα. (Znane są dwie odmiany Feα: odmiana nisko temperaturowa
0-910oC   i   odmiana   wysoko   temperaturowa   Feα(δ)   1398oC   do   1539oC   –   sieć   regularna
przestrzennie centrowana o K8 i Feγ: 910-1398oC – sieć regularna ściennie centrowana o K12. W
temperaturze 768oC żelazo przechodzi przemianę magnetyczną z ferromagnetycznego staje się para
magnetyczne   tj.   traci   własności   magnetyczne).   Ferryt   jest   charakterystyczny   dla   stali
podeutektoidalnych.   Rozpuszczalność   graniczna   w   temperaturze   eutektoidalnej   727oC   wynosi
0,025%. Ze spadkiem temperatury maleje do 0,008%.

Cementyt to faza między metaliczna Fe3C typu M3C (o zawartości węgla do 6,67%). Cementyt ma
sieć rombową złożoną. Jest składnikiem kruchym i twardym. Rozróżnić można cementyt pierwotny
(wydziela się przy krzepnięciu stopów o zawartości węgla 4,3%-6,67% C, w postaci grubych igieł),
wtórny (wydziela się z austenitu wskutek obniżania się w nim rozpuszczalności węgla przy
zmianach temperatury), trzeciorzędowy (wydziela się z ferrytu niskotemperaturowego wskutek
obniżania się temperatury). Cementyt odporny jest na środowisko chemiczne.

Perlit jest to mieszanina ferrytu i cementytu powstająca z austenitu wskutek przemiany
eutektoidalnej poniżej temperatury 727oC. Grubość(dyspersja) i odległość między płytkami ferrytu
i cementytu zależy od szybkości ochładzania.

2. Metodyka badań
2.1. Próbki

Przygotowanie próbek do badań można podzielić na cztery etapy: wycinanie, szlifowanie,
polerowanie, trawienie.

Najczęściej stosowane do trawienia stali środki chemiczne to: Mi

Fe (nital) - uniwersalny, Mi

(pikral) - uniwersalny, Mi

Fe (pikrynian sodu) – ujawnia cementyt i azotki żelaza, Mi

Fe – trawi

stale austenityczne. Wszystkie próbki w ćwiczeniu były polerowane i trawione. Próbki użyte w
ćwiczeniu pochodzą z różnych ekspertyz wykonywanych przez laboratoria Politechniki Gdańskiej.
Są to próbki stopów i wyrobów stalowych.

2.2. Mikroskop metalograficzny

Mikroskop świetlny składa się z obiektywu, okularu, oświetlacza, stolika, korpusu. Schemat
mikroskopu świetlnego w Załączniku 1.

Obiektyw jest układem optycznym składającym się z kilku soczewek w jednej metalowej
obudowie. Jakość obrazu zależy od występowania szeregu wad np. aberracji sferycznej czy
chromatycznej.

Apertura numeryczna obiektywu to:

A = n sin (β/2)

A- apertura numeryczna
n – współczynnik załamania światła
β – kąt rozwarcia obiektywu.

Zdolność rozdzielcza obiektywu to:

d = λ / A

d – zdolność rozdzielcza
λ - długość fali.

Okular   również   jest   układem   optycznym.   Powiększa   on   obraz   utworzony   przez   obiektyw   i
przekazuje do obserwatora. W zależności od budowy ma możliwość korygowania niektórych wad
oka   ludzkiego.     Głównym   celem   oświetlacza,   na   co   wskazuje   sama   nazwa,   jest   dostarczenie
odpowiedniego światła, tak by próbki stały się widoczne. Oświetlacz składa się z
silnego punktowego źródła światła. Promienie przechodzą przez przesłony i kondensor, po czym
padają   na  oświetlacz   właściwy  czyli   płytkę,   pryzmat   lub   pierścień,   który  zmienia   ich   kierunek.
Powstaje obraz w polu jasnym, lub jego negatyw obraz w ciemnym polu.

2.3. Wady mikroskopu metalograficznego

Aberracja chromatyczna – wada powodująca zniekształcenie obrazu utworzonego przez obiektyw.
Zjawisko różnego załamywania promieni o różnych długościach fal.

Aberracja sferyczna - wada powodująca zniekształcenie obrazu utworzonego przez obiektyw.
Zjawisko polegające na tym, że promienie przechodzące przez różne miejsca soczewki dochodzą do
różnych ognisk (promienie bliżej osi są mniej załamywane).

2.4 Metody wyznaczania przybliżonej zawartości węgla w stali

1. Stop zawierający perlit i ferryt

x=Qp/Qpf
y=1-x

Przyjmując iż perlit ma 0,8% C, a ferryt 0% C. Można wyznaczyć zawartość węgla z jako:

z=x*0,8

x – udział ilościowy perlitu
y – udział ilościowy ferrytu
z – zawartość węgla
Qp – masa perlitu
Qpf – masa stopu

2. Stop zawierający cementyt wtórny i perlit

m=Qc/Qpc

k=1-m

Można wyznaczyć zawartość węgla z jako:

z = 0,8 + m*(6,67 - 0,8)

m – udział ilościowy cementytu
k – udział ilościowy perlitu
z – zawartość węgla
Qc – masa cementytu
Qpc – masa stopu

2.5.Oznakowanie (PN-EN 10250-2002 i PN-EN 10083-1:2008

Według normy PN-EN 10250-2002 („Wyroby walcowane na gorąco z niestopowych stali
konstrukcyjnych - Warunki techniczne dostawy”) stale konstrukcyjne oznacza się literą S i liczbą
odpowiadającą minimalnej granicy plastyczności (MPa). Następujące litery oznaczają różną
wymaganą jakość, wartość pracy łamania i innych właściwości technologicznych.

Stale maszynowe oznacza się literą S i liczbą odpowiadającą minimalnej granicy plastyczności
(MPa). Następujące litery oznaczają różną wymaganą jakość, wartość pracy łamania i innych
właściwości technologicznych.

Według normy PN-EN 10083-1:2008 („Stale do ulepszania cieplnego - Część 1: Ogólne warunki
techniczne   dostawy”)   stale   niestopowe   do   ulepszania   cieplnego   oznacza   się   literą   C   i   liczbą
oznaczającą setną część % zawartości węgla. Dodatkowo: litera E oznacza stal z wymaganym max.
stężeniem   Siarki,   litera   R   -   z   wymaganym   zakresem   stężenia   siarki.   Stale   z   zawartością   Mn,
oznaczane są liczbą wyrażającą setną część % średniego stężenia węgla, symbolem Mn i liczbą
będącą stężeniem tego pierwiastka pomnożoną przez 4. Oznakowanie stali może być uzupełnione o
wymaganą   hartowność,   stan   obróbki   cieplnej,   stan   powierzchni,   stan   końcowy   prętów   o   pow.
jasnej.

3. Wyniki badań i analiza

Wyniki badań opracowano na podstawie norm:
PN-65/H-04505 „Mikrostruktura stalowych wyrobów hutniczych”
PN-54/H-04507/01 „Mikroskopowe metody określania wielkości ziarna"
PN-63/H-04504 „Cementyt trzeciorzędowy. Pasmowość. Struktura Widmannstattena”

Rysunki próbek widziane w powiększeniu znajdują się w Załączniku 1.

3.1. Próbka 1.
Powiększenie:100
Trawienie: TAK
Opis struktury: ferrytyczno-perlityczna
Zawartość: perlit 20%; ferryt 80 %
Wielkość ziarna: 4 (sk A)
Pasmowość: nie zaobserwowano
Wtrącenia niemetaliczne: nie zaobserwowano
Cementyt: nie zaobserwowano
Zawartość węgla: 0,16%

Próbka przedstawia białe pola ferrytu, na przemian z mniejszymi ciemnymi polami ferrytu.
Prawdopodobnie jest to stal o oznaczeniu St 3 (wg PN-88/H-84020).

3.2. Próbka 2.
Powiększenie:100
Trawienie: TAK
Opis struktury: ferrytyczno-perlityczna
Zawartość: perlit 35%; ferryt 65 %
Wielkość ziarna: 8 (sk A)
Pasmowość: B5 (sk 2)
Wtrącenia niemetaliczne: TP C2
Cementyt: nie zaobserwowano

Zawartość węgla: 0,28%

Próbka przedstawia białe pola ferrytu na przemian z ciemnymi polami perlitu, okładającymi się w
wyraźne pasy. Przy czym zawartość ferrytu jest znacząca. Widoczne również tlenki. Zawartość
węgla w stopie jest dość niska. Rodzaj oglądanej stali to zapewne St 3, poddana walcowaniu w za
niskiej temperaturze.

3.3. Próbka 3.
Powiększenie:100
Trawienie: TAK
Opis struktury: ferrytyczno-perlityczna
Zawartość: perlit 5%; ferryt 95 %
Wielkość ziarna: 7 (sk A)
Pasmowość: niezaobserwowano
Wtrącenia niemetaliczne: TP C4
Cementyt: niezaobserwowano

Zawartość węgla: 0,04%

Pod mikroskopem, w powiększeniu 100 widać małe ziarna ferrytu otoczone cienką siatką perlitu.
Widoczne gęste i wyraźne wtrącenia niemetaliczne. Stal o oznaczeniu St 1.

3.4. Próbka 4.
Powiększenie:100
Trawienie: TAK
Opis struktury: Ferrytyczno-perlityczna
Zawartość: perlit 75%; ferryt 25 %
Wielkość ziarna: 10 (sk B)
Pasmowość: niezaobserwowano
Wtrącenia niemetaliczne: niezaobserwowano
Cementyt: niezaobserwowano

Zawartość węgla: 0,60%

Bardzo m,ałe, bardzo regularne ziarna ferrytu i perlitu. Zawartość węgla wskazuje na to iż może to
być stal średniowęglowa St 7.

3.5. Próbka 5.
Powiększenie:100
Trawienie: TAK
Opis struktury: Ferrytyczno-perlityczna
Zawartość: perlit 65%; ferryt 45 %
Wielkość ziarna: 6 (sk B)
Pasmowość: niezaobserwowano
Wtrącenia niemetaliczne: niezaobserwowano
Cementyt: niezaobserwowano

Zawartość węgla: 0,40%

Ciemne duże ziarna perlitu, otoczone grubą siatką jasnego ferrytu. Widoczne różne zabarwienia faz
uzyskane podczas trawienia próbki. Zawartość węgla i wygląd próbki wskazują na to, iż może to
być stal niestopowa konstrukcyjna o oznakowaniu St 7.

3.6. Zastosowanie stali niestopowych

Stale   niestopowe  można   podzielić  na  jakościowe  i   specjalne.   Pod   względem   zastosowania   stale
niestopowe to stale konstrukcyjne, narzędziowe i stale o szczególnych własnościach. Z tego stale
konstrukcyjne niestopowe dzielą się na stale zwykłej jakości ( tu zaś następuje kolejny podział się
na: do ogólnego zastosowania, do utwardzania powierzchniowego i ulepszania cieplnego) i wyższej
jakości   (określonego   zastosowania,   na   blachy   i   taśmy,   zwykłej   jakości,   wyższej   jakości,   do
zbrojenia betonu, na rury, na łańcuchy ogniskowe, dla kolejnictwa, do produkcji drutu). Wśród stali
narzędziowych niestopowych  wyróżnić można płytko hartujące się i głęboko  hartujące.   Stale o
szczególnych własnościach to automatowa i magnetycznie miękka.

Ze  stali  konstrukcyjnych   wytwarza  się  mało wymagające  elementy  konstrukcji, łączone poprzez
nitowanie, skręcanie, spawanie. Ze stali maszynowych wytwarza się różne elementy maszyn. Stale
niestopowe   są   również   wykorzystywane  do   produkowania   różnego   rodzaju   rur   ze   szwem   i   bez
szwu, kształtowników (ze szwem i bez szwu), grodzi stosowanych w budownictwie, prętów, Stale
drobnoziarniste służą do konstrukcji spawanych bardzo obciążonych. Stale do ulepszania ciepłego
sprawdzają   się   przy   produkcji   elementów   trudniejszych:   kątowników,   prętów   etc.   Stale
niskostopowe   są   również   używane   do   produkcji   urządzeń   wysoko   ciśnieniowych   np.   rur   do
transportu cieczy. Ze stali sprężynowych tworzy się resory i sprężyny jak również druty patentowe.
Stal do nawęglania i stal automatową stosuje się przy produkcji drobnych elementów maszyn. Stale
do   obróbki   na   zimno   i   do   powlekania   stosowane   są   przede   wszystkim   w   przemyśle
motoryzacyjnym. Ze stali narzędziowych wytwarza się między innymi różne narzędzia.

4. Wnioski.

1. Próbki do badań mikroskopowych muszą być starannie przygotowane, kolejne fazy

przygotowania próbek ujawniają coraz to nowe możliwości przyjrzenia się próbce.

2. Z samego wyglądu próbki odczytać można rodzaj stopu z jakiego została wykonana.

Porównując uzyskany obraz z wzorcami znajdującymi się w odpowiednich normach ustalić
można rodzaj stali.

3. Stal o różnej strukturze wewnętrznej ma różne właściwości. Wraz ze wzrostem zawartości

węgla w stopie rośnie wytrzymałość materiału, maleje plastyczność, zwiększa się kruchość i
twardość. Przy małej i bardzo dużej zawartości węgla stale wykazują mniejszą podatność na
skrawalność. Stal o różnej strukturze wewnętrznej spełnia różne funkcje. Normy określają
jaki ma być skład i struktura stali, aby została ona zaliczona do konkretnej kategorii.

4. Zawartość perlitu w stopie jest wprost proporcjonalna do zawartości węgla.
5. Pod mikroskopem świetlny, przy powiększeniu 100 X, zauważyć można rodzaj struktury,

określić da się zawartość procentową, perlitu, ferrytu, cementytu (wg normy), co pozwala na
wyznaczenie zawartości węgla. Dodatkowo zaobserwować można wielkość ziarna (wg.
normy, opisuje się podając numer wzorca i skalę), pasmowość (przy powiększeniu 500 X),
jak również zawartość wtrąceń niemetalicznych. Powyższe dane pozwalają na określenie
rodzaju badanej stali.

6. Stale niestopowe mają wiele różnorodnych zastosowań.

Literatura:
1. „Badania stali konstrukcyjnych niestopowych” - skrypt do laboratorium
2. K. Cudny. Metaloznawstwo okrętowe. Gdańsk 2001
3. PN-88/H-84020 „Stal niestopowa konstrukcyjna ogólnego przeznaczenia. Gatunki.”
6. PN-65/H-04505 „Mikrostruktura stalowych wyrobów hutniczych”
7. PN-54/H-04507/01 „Mikroskopowe metody określania wielkości ziarna"
8. PN-63/H-04504 „Cementyt trzeciorzędowy. Pasmowość. Struktura Widmannstattena”