148

Opracowa³: Stanis³aw Rudnik

Æwiczenie 17

BADANIA MIKROSKOPOWE

STALI NIESTOPOWYCH

1. CEL ÆWICZENIA

Celem æwiczenia jest zapoznanie siê z mikrostrukturami stali niestopowych w sta-

nie równowagi (wy¿arzonym).

2. WIADOMOŒCI PODSTAWOWE

2.1. Sk³ad chemiczny stali niestopowych

Stal jest stopem ¿elaza z wêglem oraz ewentualnie z innymi pierwiastkami, zawie-

raj¹cymi do oko³o 2% wêgla, obrabianym plastycznie, otrzymywanym w procesie

stalowniczym po przejœciu przez stan ciek³y. Do zasadniczych domieszek zawsze

wystêpuj¹cych w stalach niestopowych w mniejszej lub wiêkszej iloœci nale¿¹: man-

gan, krzem, fosfor i siarka. Wed³ug normy PN-EN 10020 za niestopow¹ uwa¿a siê

stal w której zawartoœæ pierwiastków jest mniejsza od ni¿ej podanych wartoœci gra-

nicznych.

Pierwiastek

ZawartoϾ [%]

Pierwiastek

ZawartoϾ [%]

aluminium

-0,10

nikiel

-0,30

bor

-0,0008

o³ów

-0,40

bizmut

-0,10

selen

-0,10

kobalt

-0,10

krzem

-0,50

chrom

-0,30

tellur

-0,10

miedŸ

-0,40

tytan

-0,05

lantanowce, ka¿dy

-0,05

wanad

-0,10

mangan

-1,65

wolfram

-0,10

molidben

-0,08

cyrkon

-0,05

niob

-0,06

inne (oprócz wêgla,

fosforu, siarki i azotu)

ka¿dy

-0,05

149

2.2. Struktury stali niestopowych w stanie równowagi

Ze wzglêdu na strukturê po wolnym ch³odzeniu (studzeniu), stale wêglowe mo¿na

podzieliæ na trzy zasadnicze grupy, a to:
1) stale podeutektoidalne zawieraj¹ce do 0,8% wêgla, zbudowane z ferrytu i perlitu,

2) stale eutektoidalne, zawieraj¹ce 0,8% wêgla, posiadaj¹ce strukturê perlityczn¹,

3) stale nadeutektoidalne o zawartoœci 0,8 - 2,0% wêgla, zbudowane z perlitu i ce-

mentytu wtórnego.

Przy bardzo niskiej zawartoœci wêgla, praktycznie poni¿ej 0,1%, stal ma strukturê

prawie czysto ferrytyczn¹, po czym w miarê wzrostu zawartoœci wêgla iloœæ perlitu

w strukturze zaczyna wzrastaæ i przy zawartoœci oko³o 0,4% wêgla iloœci perlitu i fer-

rytu w strukturze stali s¹ prawie równe. W stalach powy¿ej 0,6 - 0,7% wêgla iloœæ

ferrytu jest ju¿ tak ma³a, ¿e nie tworzy on ca³ych pól, lecz zwykle wystêpuje w postaci

siatki na granicach ziarn perlitu. W miarê zbli¿ania siê do sk³adu eutektoidalnego fer-

ryt zanika i przy zawartoœci 0,8% wêgla w stali otrzymujemy czysto perlityczn¹ struk-

turê. Przy dalszym wzroœcie zawartoœci wêgla pojawia siê na granicach ziarn perlitu

cementyt wtórny w postaci siatki, która pogrubia siê w miarê wzrostu zawartoœci

wêgla do 2,0%. Czasem cementyt wtórny mo¿e wystêpowaæ w stalach nadeutekto-

idalnych w postaci iglastej.

Stale przegrzane i odlewy posiadaj¹ tzw. strukturê Widmannst(ttena; powstaje ona

przy powolnym stygniêciu stali podeutektoidalnej od wysokich temperatur, a¿ do tem-

peratur krytycznych (Ar

3

– Ar

1

) z nastêpnym nieco szybszym ostyganiem, wskutek

czego ferryt wykrystalizowuje wewn¹trz ziarn austenitu wzd³u¿ œcian oœmioœcianów.

Pod mikroskopem struktura Widmannst(ttena wygl¹da jak uk³ad trójk¹tów, kwadra-

tów, wzglêdnie szeœciok¹tów. Stale o takiej budowie wykazuj¹ du¿¹ kruchoœæ. Podob-

ny uk³ad mo¿e przyj¹æ wydzielaj¹cy siê z austenitu cementyt wtórny w przegrzanych

stalach nadeutektoidalnych.

2.3. Sk³adniki strukturalne stali niestopowych w stanie równowagi

1. Ferryt jest roztworem sta³ym wêgla w ¿elazie

α

. Rozpuszczalnoœæ wêgla w ¿elazie

( przy temperaturze eutektoidalnej (727°C) wynosi 0,02%, zaœ przy temperaturach

normalnych zaledwie 0,008%. Ferryt ma nisk¹ wytrzyma³oœæ i twardoœæ

(HB = ok. 80, R

m

= ok. 300 MPa), natomiast du¿¹ plastycznoœæ i udarnoœæ

(A

5

 = ok. 50%, KM = ok. 200 J/cm

2

).

2. Cementyt jest to zwi¹zek chemiczny ¿elaza z wêglem, zawieraj¹cy 6,67% wêgla,

krystalizuj¹cy w uk³adzie rombowym. Cementyt jest sk³adnikiem twardym (ok.

820 HB) o du¿ej kruchoœci. W stalach nadeutektoidalnych cementyt wystêpuje

jako oddzielny sk³adnik strukturalny, zazwyczaj w postaci siatki na granicach ziarn

perlitu.

150

3. Perlit jest eutektoidaln¹ mieszanin¹ ferrytu i cementytu, zawieraj¹c¹ 0,8% wêgla.

Perlit sk³ada siê z 87% ferrytu i 13% cementytu. Powstaje on z rozk³adu austenitu

przy temperaturze 727°C. W stalach wolno ch³odzonych perlit posiada budowê

pasemkow¹, tj. zbudowany jest z na przemian u³o¿onych p³ytek ferrytu i cementy-

tu. Cienkie p³ytki kruchego cementytu w miêkkim i plastycznym ferrycie nadaj¹

perlitowi wiêksz¹ twardoœæ i wytrzyma³oœæ przy gorszych w³aœciwoœciach plastycz-

nych, wszelako bez objawów kruchoœci. Stal eutektoidalna o strukturze czysto per-

litycznej wykazuje nastêpuj¹ce w³asnoœci: HB = ok. 240, R

m

= ok. 850 MPa, A

5 

= ok.

10%; dane te dotycz¹ perlitu grubopasemkowego. Ze zmniejszaj¹c¹ siê gruboœci¹

pasemek ferrytu i cementytu, tj. ze wzrastaj¹cym stopniem dyspersji perlitu, wzra-

sta jego twardoœæ i wytrzyma³oœæ przy obni¿eniu w³aœciwoœciach plastycznych.

Na drodze odpowiedniej obróbki cieplnej (wy¿arzania zmiêkczaj¹cego) mo¿na uzy-

skaæ sferoidyzacjê cementytu i otrzymuje siê wówczas perlit z cementytem kulko-

wym o strukturze globularnych wêglików na tle osnowy ferrytycznej. Tego rodzaju

perlit posiada nisk¹ twardoœæ i dobre w³aœciwoœci plastyczne.

2.4. Okreœlenie zawartoœci wêgla na podstawie struktury

Z iloœci perlitu i ferrytu w strukturze stali podeutektoidalnych w stanie wolno ch³o-

dzonym mo¿na wnosiæ o zawartoœci wêgla w stali. Bior¹c pod uwagê, ¿e przy zawar-

toœci 0,8% stal posiada strukturê czysto perlityczn¹, a przy 0% wêgla – czysto ferry-

tyczn¹, oceniaj¹c pod mikroskopem procentowy udzia³ perlitu w strukturze stali, mo¿na

obliczyæ zawartoœæ wêgla w stali ze wzoru:

8

,

0

100

⋅

=

P

x

(1)

gdzie: x – zawartoœæ wêgla w %,

P – powierzchnia zajêta przez perlit w %.

Ocena ta jest oczywiœcie tylko przybli¿ona, niemniej daje w praktyce cenne us³ugi.

Pos³uguj¹c siê tym wzorem nale¿y pamiêtaæ, ¿e odnosi siê on tylko do stali wêglo-

wych i to tylko w stanie wolno ch³odzonym. Równie¿ i w stalach nadeutektoidanych

z iloœciowego udzia³u cementytu w strukturze mo¿na oceniæ zawartoœæ wêgla w stali,

jednak ocena ta jest bardzo ma³o dok³adna i dlatego rzadko stosowana w praktyce.

2.5. Wp³yw sk³adników chemicznych na w³asnoœci stali

Wêgiel jest g³ównym sk³adnikiem stopowym stali wêglowych, silnie wp³ywaj¹-

cym na jej w³aœciwoœci nawet przy niewielkich zmianach zawartoœci. Wzrost zawar-

toœci wêgla podwy¿sza w³aœciwoœci wytrzyma³oœciowe stali przy obni¿eniu w³aœci-

woœci plastycznych, jak to przedstawia rys. 17.1. Wytrzyma³oœæ i granica plastycznoœci

151

wzrastaj¹ jedynie do zawartoœci 0,8% wêgla, poniewa¿ obecnoœæ cementytu wtórne-

go w postaci siatki powoduje kruchoϾ stali.

Mangan wystêpuje w stali w postaci roztworu sta³ego w ferrycie. Podwy¿sza on

w³aœciwoœci wytrzyma³oœciowe stali nie obni¿aj¹c jej w³aœciwoœci plastycznych oraz

wp³ywa korzystnie na kujnoœæ i zgrzewalnoœæ stali. Krzem wystêpuje w stali równie¿ w

postaci roztworu sta³ego i podnosi w³aœciwoœci wytrzyma³oœciowe stali, a zw³aszcza

granicê sprê¿ystoœci, pogarszaj¹c jej zgrzewalnoœæ.

Rys. 17.1.

Wp³yw zawartoœci wêgla na w³aœciwoœci

mechaniczne stali: Rm – wytrzyma³oœæ na

rozci¹ganie, HB – twardoœæ Brinella, A –

wyd³u¿enie, Z – udarnoœæ

Z

HB

Rm

R

m,

MP

a

A

KM

1400

1200

60

240

200

160

120

80

40

50

40

30

20

10

1000

600

400

200

100

0

200

300

tw

ar

do

Ͼ H

B

Z, %

A, %

K

C

U

2,

J/

cm

2

C, %

0,4

0

0,8

1,2

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

te

m

pe

ratu

ra

, °

C

5

10

15

20

25

01,2

P, %

ciecz

Fe2P

Fe3P

Fe2P+

ciecz

Fe2P+

ciecz

Fe2P+X

Fe3P+

ciecz

α

+Fe3P

α

γ

α+γ

α

+ciecz

Rys. 17.2. Uk³ad równowagi fazowej Fe-P

152

Fosfor jest domieszk¹ szkodliw¹. Jak to wynika z podanego na rys. 17.2. uk³adu

równowagi Fe-P, fosfor wystêpuje w stali w postaci roztworu sta³ego. Fosfor zmniej-

sza bardzo znacznie plastycznoœæ stali i podwy¿sza temperaturê, przy której stal staje

siê krucha, wywo³uj¹c kruchoœæ stali na zimno.

Rys. 17.3.

Uk³ad równowagi fazowej Fe-S

L

1000

800

910

1200

1400

1600

te

m

pe

ra

tu

ra

, °

C

20

7,3

0

0

40

14,6

60

21,9

80

29,2

100

36,5

FeS, %

S, %

985

1190

FeS+L

Fe +FeS

α

Fe +FeS

γ

Fe +L

γ

Siarka jest równie¿ domieszk¹ szkodliw¹. Jak z przedstawionego na rys. 17.3 uk³adu

równowagi Fe-S wynika, siarka nie rozpuszcza siê praktycznie w normalnych tempera-

turach w ¿elazie

α

i wystêpuje w stali w postaci siarczku ¿elaza FeS, a tak¿e siarczku

manganu MnS. Siarczek ¿elazawy FeS jest ³atwo topliwy (1193°C) oraz tworzy z ¿ela-

zem ³atwo topliw¹ eutektykê (985°C), co powoduje kruchoœæ stali na gor¹co.

MiedŸ wystêpuje w stali w postaci roztworu sta³ego w ferrycie i podwy¿sza jej

odpornoœæ na korozjê atmosferyczn¹.

2.6. Podzia³ stali niestopowych

Stal niestopowa na odkuwki i prêty kute dla urz¹dzeñ ciœnieniowych PN-92/H84009:

15, 20, 20G, 25, 35, 45, K10, K18, St36K, St41K, St44K,

Stal niestopowa na zwyk³e zbiorniki ciœnieniowe PN-EN 10207:1998: P235S, P265S,

P275SI,

Stal konstrukcyjna niestopowa na butle do gazów technicznych i ciœnieniowe zbiorniki

sta³e PN-H-93011:1998: 35,

Stal konstrukcyjna niestopowa jakoœciowa drobnoziarnista spawalna PN-EN 10113-

2:1998: S275N, S275NL, S355N, S355NL,

Stal niestopowa jakoœciowa spawalna drobnoziarnista normalizowana na urz¹dzenia

ciœnieniowe PN-EN 10028-3:1996: P275N, P275NH, P275NL1, P275NL2, P355N,

P355NM, P355NL1, P355NL2,

153

Stal niestopowa automatowa PN-73/H-84026: A10X, A10XN, A11, A11X, A35, A45,
Stal niestopowa jakoœciowa do ulepszania cieplnego PN-EN 10083-1:1999: 28Mn6,

2C22, 2C35, 2C40, 2C45, 2C50, 2C55, 2C60, 1C22, 1C25, 1C30, 1C35,1C40,

1C45, 1C50, 1C55, 1C60,

Stal niestopowa jakoœciowa do pracy w podwy¿szonej temperaturze PN-EN 10028-

2:1996: P235GH, P265GH, P295GH, P355GH,

Stal niestopowa sprê¿ynowa PN-74/H-84032: 65, 65G, 75, 85
Stal narzêdziowa niestopowa (wêglowa) PN-84/H-85020: g³êboko hartuj¹ca siê N10,

N11, N12, N5, N6, N7, N8, N9, p³ytko hartuj¹ca siê N10E, N11E, N12E, N7E,

N8E, N9E.

Nale¿y zaznaczyæ, ¿e nadal u¿ywana jest w praktyce ogólna klasyfikacja stali nie-

stopowych wg PN-57/H-01000, przedstawia siê ona nastêpuj¹co:
1. Stale konstrukcyjne:

a) zwyk³ej jakoœci:

ogólnego przeznaczenia

o szczególnym przeznaczeniu

b) wy¿szej jakoœci:

ogólnego przeznaczenia

o szczególnym przeznaczeniu

c) najwy¿szej jakoœci: ogólnego przeznaczenia

o szczególnym przeznaczeniu

2. Stale narzêdziowe:

a) p³ytkie hartuj¹ce siê,

b) g³êboko hartuj¹ce siê.

3. Stale o szczególnych w³asnoœciach:

a) magnetycznie miêkkie,

b) ³atwo obrabialne mechanicznie.

2.7. Konstrukcyjne stale niestopowe

Zawartoœæ fosforu i siarki w poszczególnych grupach jakoœciowych stali przedsta-

wia siê nastêpuj¹co:

Tablica 17.1

Maksymalne zawartoœci

fosfor P%

siarka S%

P + S %

zwyk³ej jakoœci

0,05

0,055

0,10

wy¿szej jakoœci

0,04

0,040

0,07

najwy¿szej jakoœci

0,03

0,03

0,05

Rodzaj stali

154

Stale wêglowe konstrukcyjne zwyk³ej jakoœci ogólnego przeznaczenia wg

PN-88/H-84020 obejmuj¹ w zale¿noœci od sk³adu chemicznego i wymaganych w³a-

snoœci mechanicznych 6 podstawowych gatunków stali o nastêpuj¹cych oznaczeniach:

St0S, St3S, St4S (przeznaczone na konstrukcje spawane) oraz St5, St6, St7.

Znak stali zwyk³ej jakoœci sk³ada siê wiêc z liter St i liczby porz¹dkowej. Najni¿sz¹

wytrzyma³oœæ ma stal St0S (280-570 MPa) przy wyd³u¿eniu A

5

= 17-20%, po czym

w kolejnych gatunkach stali wytrzyma³oœæ wzrasta, osi¹gaj¹c wartoœæ maksymaln¹

dla stali St7 (650-870 MPa), przy wyd³u¿eniu A

5

= 8-11%.

W gatunkach stali St3S St4S rozró¿nia siê nastêpuj¹ce odmiany:

a) z ograniczon¹ zawartoœci¹ wêgla (oznaczon¹ liter¹ V),

b) z ograniczon¹ zawartoœci¹ wêgla oraz fosforu i siarki (oznaczone liter¹ W).

Stale objête wymienion¹ norm¹ mod¹ byæ produkowane jako nieuspokojone (na

koñcu znaku litera X – np. St3SX), pó³uspokojone (na koñcu znaku litera Y – np.

St3SY), uspokojone oraz specjalnie uspokojone (drobnoziarniste). Ró¿nica w sposo-

bie odtleniania stali zaznacza siê przede wszystkim w zawartoœci krzemu, i tak:

stale uspokojone zawieraj¹

0,15 - 0,37% Si,

stale pó³uspokojone zawieraj¹ 0,07 - 0,15%Si,

stale nieuspokojone zawieraj¹

≤

0,07% Si.

Stale St3S i St4S o wymaganej udarnoœci przy temperaturze normalnej oznacza siê

liter¹ U (np. St3SU), o wymaganej udarnoœci po starzeniu – liter¹ J (np. St3SJ), a o wy-

maganej udarnoœci przy temperaturze -20°C – liter¹ M (pn. St3SM).

Stale zwyk³ej jakoœci nie s¹ zasadniczo przeznaczone do obróbki cieplnej.

Stale wêglowe konstrukcyjne wy¿szej jakoœci ogólnego przeznaczenia wg

PN-93/H-84019 maj¹ okreœlony zarówno sk³ad chemiczny, jak i w³aœciwoœci mecha-

niczne.

Znak stali jest liczb¹ dwucyfrow¹, okreœlaj¹c¹ œredni¹ zawartoœæ wêgla w setnych

procenta. W razie potrzeby dodaje siê na koñcu znaku litery: C (przy podwy¿szonej

zawartoœci manganu), X (dla stali nieuspokojonych), Y (dla stali pó³uspokojonych).

Stale w gatunku 10, 15, 20 przeznaczone s¹ g³ównie do nawêglania, zaœ stale o wy-

¿szej zawartoœci wêgla (25-65) do ulepszania cieplnego na elementy o gruboœci 25-40

mm z uwagi na ich ma³¹ hartownoœæ. Poza stalami u¿ywanymi ogólnie do celów

konstrukcyjnych stosuje siê równie¿ dla celów szczególnych inne stale wêglowe kon-

strukcyjne o nieco odmiennych sk³adach chemicznych i w³aœciwoœciach, które s¹ ujê-

te w odpowiednich normach.

2.8. Narzêdziowe stale wêglowe

Narzêdziowe stale wêglowe zawieraj¹ od 0,50 do 1,40% wêgla; dziel¹ siê one wg

PN-84/H-85020 na dwie grupy:

grupa I – p³ytko hartuj¹ce siê o znakach N7E, N8E do N13E,

grupa II – g³êboko hartuj¹ce siê o znakach N5, N6 do N13.

155

Liczby w znakach stali podaj¹ zawartoœæ wêgla w dziesi¹tych procenta. Stale

p³ytko i g³êboko hartuj¹ce siê maj¹ tê sam¹ zawartoœæ wêgla, a ró¿ni¹ siê jedynie

zawartoœci¹ domieszek i zanieczyszczeñ, która jest w stalach g³êboko hartuj¹cych siê

wy¿sza, co jest przyczyn¹ ich wiêkszej hartownoœci. Znak stali sk³ada siê z litery N

oznaczaj¹cej stal narzêdziow¹ oraz liczby po literze N, oznaczaj¹cej przybli¿on¹ za-

wartoœæ wêgla w dziesi¹tych czêœciach procenta; stale p³ytko hartuj¹ce maj¹ dodat-

kowo literê E.

3. MATERIA£Y I URZ¥DZENIA

Mikroskopy metalograficzne, komplet zg³adów metalograficznych, atlas metalo-

graficzny, zestaw norm.

4. PRZEBIEG ÆWICZENIA

Æwiczenie polega na dok³adnej obserwacji zg³adów stali wêglowych pod mikro-

skopem. Ogl¹dane struktury nale¿y starannie przerysowaæ na arkusz bia³ego papieru,

zwracaj¹c uwagê na poprawne pokazanie charakterystycznych cech danej struktury.

Na rysunkach nale¿y zaznaczyæ strza³kami poszczególne sk³adniki strukturalne, po-

nadto podaæ powiêkszenie mikroskopu, przy którym ogl¹dano strukturê i odczynnik,

którym próbka zosta³a wytrawiona.

5. WYTYCZNE DO OPRACOWANIA SPRAWOZDANIA

W sprawozdaniu z æwiczenia nale¿y zamieœciæ:

1) Podzia³ stali wêglowych zarówno konstrukcyjnych, jak i narzêdziowych wed³ug PN.

2) Rysunki mikrostruktur ogl¹danych stali wêglowych wraz z podaniem do jakiej gru-

py mo¿na ka¿d¹ z nich zaliczyæ, jej oznaczenia wg PN, w³aœciwoœci mechaniczne

oraz kilka konkretnych przyk³adów zastosowania.

3) Dla stali podeutektoidalnych okreœlenie zawartoœci wêgla na podstawie iloœci perlitu.

6. LITERATURA UZUPE£NIAJ¥CA

[1] Dobrzañski L.: Metaloznawstwo i obróbka cieplna stopów metali. WPŒl., Gli-

wice 1993.

[2] Gulajew A.: Metaloznawstwo. „Œl¹sk”, Katowice 1967.

[3] Rudnik S.: Metaloznawstwo. PWN 1986.

[4] Staub F.: Metaloznawstwo. Œl.W.T., Katowice 1994.

[5] Wendorff Z.: Metaloznawstwo. WNT, Warszawa 1971.

[6] Weso³owski K.: Metaloznawstwo. T. 2. WNT, Warszawa 1969.