Stale stopowe
oprac. Krzysztof Krzysztofowicz
Definicje
" Stal  plastycznie przerobiony i cieplnie obrabialny stop żelaza
z węglem oraz innymi pierwiastkami o zawartości węgla do 2%
" Stal stopowa  stal zawierająca dodatkowe pierwiastki, tzw.
stopowe, wprowadzone w celu zmiany właściwości w
określonym kierunku
" Hartowność - zdolność stali do tworzenia struktury
martenzytycznej w procesie hartowania
" Spawalność stali - spawalność jest właściwością
technologiczną określającą zdolność materiału do uzyskania
założonych właściwości mechanicznych po spawaniu
" Stal stopowa  stal zawierająca dodatkowe
pierwiastki, tzw. stopowe, wprowadzone w celu
zmiany właściwości w określonym kierunku.
Najczęściej stosuje się: mangan, krzem, chrom,
nikiel, wolfram, molibden, wanad. Rzadziej
stosuje się aluminium, kobalt, miedz
, tytan,
tantal, niob, a w niektórych przypadkach i azot.
Przykłady oznaczania stali wg ich składu
chemicznego
Grupa stali Składniki symbolu głównego znaku
stali
Stale stopowe ( bez stali X liczba oznaczająca średnie stężenie
szybkotnących) o stężeniu węgla w stali w setnych częściach %,
przynajmniej jednego symbole chemiczne pierwiastków
pierwiastka stopowego >5% stopowych i na końcu liczby (rozdzielone
kreskami), podające średnie stężenie
głównych pierwiastków stopowych w %
(np. X8CrNiMoAl 15-7-2)
Stale szybkotnące HS i liczby (rozdzielone kreskami),
podające średnie stężenie (w %)
pierwiastków w kolejności: W, Mo, V,
Co (np. HS2-9-1-8)
Rola pierwiastków stopowych
" Spowodowanie określonych zmian strukturalnych
" Wzrost własności
" Wzrost hartowności
" Ułatwienie obróbki cieplnej
" y
ródła: tworzenie roztworów stałych i faz
międzymetalicznych oraz międzywęzłowych, zmiany
krzywych CTP, zmiany punktów charakterystycznych
wykresu Fe-C
Hartowność
Hartownością nazywamy zdolność stali do tworzenia
struktury martenzytycznej w procesie hartowania
800
Najmniejszą szybkość chłodzenia,
TE
przy której nie tworzą się jeszcze
T(�C)
dyfuzyjne produkty przemiany
600
przesunięcie
austenitu, nazywa się krytyczną
A
B
szybkością chłodzenia
od A do B
400
Wszystkie pierwiastki
M(start)
stopowe przesuwają
200
wykresy CTP w prawo
M(90%)
Wyjątek: Co
0
-1 3 5
10 10 10 10
czas (s)
Więcej pierwiastków stopowych lepsza hartowność
6
Za: Dymek, wykł. AGH
Hartowność - Próba Jominy'ego
Za praktyczną miarę
hartowności przyjmuje się
największą średnicę, nazywaną
średnicą krytyczną, pręta Dk,
w którego osi jest nie mniej niż
50% martenzytu.
Zależność twardości
od odl. od czoła próbki
zeszlifowanie
próbka
(nagrzana do g )
Pomiar twardości
(Rockwell C)
24�C woda
Odległość od czoła (mm)
7
Za: Dymek, wykł. AGH
Dlaczego twardość zmienia się z odległością?
60
40
20
odległość od czoła
0 1 2 3
0%
T(�C)
100%
600
400
Odległość od czoła (mm)
M(s)
200
�� �
A M
Znając twardość struktury
M(f)
0
półmartenzytycznej dla danej stali,
można określić, w jakiej odległości
od czoła otrzymamy
0.1 1 10 100 1000
strukturę półmartenzytyczną
czas (s)
8
Za: Dymek, wykł. AGH
Twardość
, HRC
Krzywe hartowności
dla różnych
gatunków stali
Odległość od czoła próbki (1/16 cala)
The Science and Engineering of Materials, 4th ed
Donald R. Askeland  Pradeep P. Phul�
"!
Twardość Rockwella
�2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning
is a trademark used herein under license.
Wpływ dodatków stopowych na położenie punktów
charakterystycznych układu równowagi Fe-Fe3C
Wpływ dodatku 6%
manganu na zakres
stabilności faz w
części eutektoidalnej
układu fazowego Fe-
Fe3C
Procentowa zawartość węgla
The Science and Engineering of Materials, 4th ed
Donald R. Askeland  Pradeep P. Phul�
"!
Temperatura (
�
C)
�2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning
is a trademark used herein under license.
Wpływ pierwiastków stopowych na własności mechaniczne
Stale stopowe  wpływ pierwiastków na własności
Stale stopowe - podział
" Ze względu na sumaryczne stężenie pierwiastków
stale stopowe dzielimy na następujące grupy:
" Niskostopowe  stężenie jednego pierwiastka
(oprócz węgla) nie przekracza 2%, a suma
pierwiastków łącznie nie przekracza 3,5%
" Średniostopowe  stężenie jednego pierwiastka
(oprócz węgla) przekracza 2%, lecz nie przekracza 8%
lub suma pierwiastków łącznie nie przekracza 12%
" Wysokostopowe  stężenie jednego pierwiastka
przekracza 8% a suma pierwiastków łącznie nie
przekracza 55%.
Klasy jakości stali stopowych
Ze względu na klasy jakości stale stopowe
dzielimy na:
" Stale stopowe jakościowe,
" Stale stopowe specjalne  obejmują one
wszystkie gatunki stali, które nie zostały ujęte
w klasie stali nierdzewnych oraz stopach
jakościowych.
Stale stopowe jakościowe
Wyróżnia się następujące grupy:
" Stale konstrukcyjne spawalne,
" Stale stopowe na szyny, grodzice, kształtowniki na
obudowy górnicze,
" Stale stopowe na produkty płaskie walcowane na
zimno lub na gorąco przeznaczone do dalszej
obróbki plastycznej na zimno,
" Stale elektrotechniczne,
" Stale stopowe z miedzią.
Do grupy stali stopowych jakościowych należą:
stale konstrukcyjne drobnoziarniste spawalne, w tym stale
przeznaczone do produkcji:
" zbiorników i rurociągów pracujących pod ciśnieniem, spełniające
następujące warunki:
a) wymagana minimalna granica plastyczności dotycząca wyrobów o
grubości do 16 mm - poniżej 380 N/mm,
b) wymagana praca łamania próbek wzdłużnych ISO z karbem V w
temperaturze -50�C  do 27 J;
stale elektrotechniczne zawierające jako pierwiastki stopowe tylko
krzem lub krzem i aluminium w celu uzyskania wymaganych własności
w zakresie stratności magnetycznej, minimalnej wartości indukcji
magnetycznej, polaryzacji lub przenikalności magnetycznej;
" stale stopowe przeznaczone do produkcji szyn i grodzic oraz
kształtowników na obudowy górnicze;
stale stopowe przeznaczone do produkcji wyrobów płaskich
walcowanych na gorąco lub na zimno do dalszej trudniejszej
przeróbki plastycznej na zimno (wyłączając stale przeznaczone
do produkcji zbiorników ciśnieniowych lub rur), zawierające
pierwiastki rozdrabniające ziarno, takie jak B, Ti, Nb, V i/lub Zr, -
albo  stale dwufazowe" (struktura wyrobów płaskich ze stali
dwufazowych składa się z ferrytu i 10 � 35% martenzytu
wysepkowego);
stale, w których miedz
jest jedynym wymaganym pierwiastkiem
stopowym.
Stale konstrukcyjne jakościowe - stale konstrukcyjne
spawalne
Spawalność jest właściwością technologiczną określającą zdolność
materiału do uzyskania założonych właściwości mechanicznych
po spawaniu.
O spawalności elementu konstrukcji współdecydują trzy główne
czynniki
" spawalność metalurgiczna - charakteryzująca zachowanie się
materiału podczas spawania i wpływu spawania na właściwości
spawanego materiału i złącza,
" spawalność technologiczna, związana z technologią spawania i
jej wpływem na właściwości złącza,
" spawalność konstrukcyjna, ujmująca znaczenie rozwiązania
konstrukcyjnego elementu oraz wpływ grubości materiału na
jakość i właściwości złącza
Równoważnik węgla Ce
" Ce - wskaz
nik hartowności i spawalności stali
" Ce < 0,40 - 0,50 [%]
" Wysoka wartość Ce - ryzyko pęknięć zimnych w SWC
Stale typu C-Mn
Stale podwyższonej wytrzymałości
Stale niskostopowe ulepszone cieplnie
Mikrostruktura złącza spawanego
mikrostruktura podczas
spawania  najwyższa
temperatura
mikrostruktura po
schłodzeniu stali o małej
hartowności
mikrostruktura po
schłodzeniu stali o dużej
hartowności
The Science and Engineering of Materials, 4th ed
Donald R. Askeland  Pradeep P. Phul�
20
Stale stopowe specjalne
Stale stopowe specjalne dzielą się na podklasy:
" Stale maszynowe (do budowy maszyn),
" Stale na urządzenia ciśnieniowe,
" Stale konstrukcyjne,
" Stale szybkotnące,
" Stale narzędziowe stopowe,
" Stale na łożyska toczne,
" Stale o szczególnych własnościach fizycznych.
Stale stopowe nierdzewne
Do klasy stali nierdzewnych należą stale zawierające
co najmniej 10,5% Cr oraz co najwyżej 1,2% C.
Stale nierdzewne dzielone są na:
" Stale odporne na korozję,
" Stale żaroodporne,
" Stale odporne na pełzanie ( żarowytrzymałe)
Oznaczanie stali
Obowiązują dwa systemy oznaczania stali:
" Znakowy (wg PN-EN 10027-1:2007); znak
składa się z symboli literowych i cyfr,
" Cyfrowy (wg PN-EN 10027-2: 1994), numer
stali składa się tylko z cyfr.
Przykłady symboli oznaczających stan obróbki
cieplnej
Przykłady symboli oznaczających stan obróbki cieplnej
Symbol Znaczenie
+ A wyżarzanie zmiękczające
+ AC wyżarzanie dla uzyskania węglików sferoidalnych
+ AT przesycanie
+ C utwardzanie na zimno
+ Cnnn utwardzanie na zimno przy minimalnej wytrzymałości na rozciąganie nnn N/mm2
+ CR walcowany na zimno
+ HC walcowany na gorąco, a następnie utwardzany na zimno
+ LC utwardzany powierzchniowo (walcowany lub ciągniony na zimno)
+ M walcowany termomechanicznie
+ N normalizowany lub walcowany normalizująco
+ Q ulepszany cieplnie
+ S obróbka umożliwiająca cięcie na zimno
+ U nieobrobiony
Uwaga  symbole oddziela się od symboli poprzedzających znakiem plus (+).
Dla uniknięcie pomylenia z innymi symbolami można użyć litery T, jako symbol poprzedzający np. +TA
 Oznaczanie stali wg numeru
Zgodnie z PN-EN 10027-2:1994 każdy gatunek
stali jest oznaczony także numerem, który
można podać zamiast znaku stali. Numer stali
zawiera 5 cyfr. (np. 1.4507)
Materiały na narzędzia skrawające
Kategorie materiałów:
" Materiały narzędziowe
Stale węglowe i
" Podlegają działaniu...
średniostopowe
 Wysokich temperatur
Stale szybkotnące (HSS)
 Naprężeń stykowych
Stopy odlewnicze kobaltu
 ścierania
węgliki
" Muszą posiadać odpowiednią...
Narzędzia powlekane
 Twardość zapobiegającą
odkształceniu Ceramika na bazie AlO
 ciągliwość
Regularny azotek boru
 odporność na zużycie
Ceramika na bazie SiN
 Stabilność chemiczną
Diament
 Stabilność wymiarów
Materiały wzmacniane
wiskerami
poly
Idealny materiał
Diament
crystalline
narzędziowy
boron nitride
(PKB), cubic
Węgliki spiekane
boring nitride
(twardy metal)
(CBN)
powlekane
ceramika
Stale
narzędziowe
(HSS)
Powlekane niepowlekane
niepowlekane
Stale
wysokowęglowe
Ciągliwość
Materiały narzędziowe
Odporność na zużycie
Twardość materiałów narzędziowych
Stale szybkotnące
Podstawowe Wymagania:
" Duża twardość
" Odporność na mięknięcie w podwyższonej
temperaturze
odpowiedni skład
" Odporność na pękanie (udarność)
chemiczny i obróbka
cieplna
" Odporność na ścieranie
cel obróbki cieplnej
 uzyskanie twardości
wtórnej
Oznaczanie:
litery HS i liczby (rozdzielone kreskami), oznaczające średnie stężenie
pierwiastków w kolejności: W, Mo, V i Co.
np. HS18-0-1 (jest to odpowiednik dawnej stali SW18),
Za: Dymek, wykł. AGH
30
Skład Chemiczny
Skład Chemiczny
węgliki
C 0.7 - 1.6%
W 0 - 20%
W M6C, MC, M2C
Mo M6C, MC
Mo 0 - 10%
V MC
V 1 - 5%
gł. hartowność, także w
Cr 4 - 5%
węglikach (M32C6)
działanie złożone
Co 0 - 15%
W i Mo mają niemal identyczne działanie i
mogą zastępować się wzajemnie
31
Za: Dymek, wykł. AGH
Działanie kobaltu
" Zwiększa szybkość zarodkowania, a zmniejsza szybkość wzrostu
wydzieleń węglików tworzących się podczas odpuszczania.
" Zwiększa twardość na gorąco i efekt twardości wtórnej
" Zwiększa przewodność cieplną stali
" Podwyższa temperaturę Ms zmniejszając zawartość austenitu
szczątkowego.
" Ujemny wpływ kobaltu jest spowodowany zmniejszeniem
udarności, zwiększeniem skłonności do odwęglania, a w
przypadku dużej zawartości Co tworzeniem się kruchych faz
międzymetalicznych.
32
Za: Dymek, wykł. AGH
Stale Szybkotnące II
Pseudopodwójny układ Fe-C ilustrujący
przesunięcia linii równowag fazowych
W odlewach obecna jest eutektyka!!!
Mikrostruktura przed zahartowaniem:
austenit + węgliki (ok. 10% obj.)
Nierozpuszczone węgliki hamują rozrost
ziarna oraz nadają stali odporność na
ścieranie
Mikrostruktura w stanie wyżarzonym:
ferryt + węgliki (ok. 30% obj.)
33
Za: Dymek, wykł. AGH
Obróbka cieplna stali szybkotnących
" Wysoka temperatura austenityzowania  tuż poniżej solidusu, ale
krótki czas: < 5 min
" 2/3 węglików rozpuszcza się
" hartowanie w powietrzu (duża hartowność ze względu na znaczną
zawartość pierwiastków stopowych)
" mikrostruktura po hartowaniu:
" węgliki pierwotne
" martenzyt
" austenit resztkowy (do 30%)
" odpuszczanie I
" mikrostruktura po odpuszczaniu I:
" węgliki pierwotne i wtórne
" martenzyt odpuszczony
" martenzyt (z austenitu resztkowego)
" odpuszczanie II
" mikrostruktura po odpuszczaniu II
" węgliki pierwotne i wtórne
" martenzyt odpuszczony
Za: Dymek, wykł. AGH
Obróbka cieplna stali szybkotnących
Dobrzański
Za: Dymek, wykł. AGH
Twardość wtórna w stalach szybkotnących
36
Dobrzański
Za: Dymek, wykł. AGH
Narzędzia powlekane
" Własności powłok
 Niższe tarcie
 Wyższa adhezja
 Większa odporność na
zużycie i pękanie
 Działają jako bariera dla
dyfuzji
 Wyższa twardość na
gorąco i odporność na
uderzenia
Materiały powłok
" Azotek tytanu
 Niższe tarcie i większa
twardość
" Węglik tytanu
 Poprawa odporności na
zużycie na WC
" Ceramika
" Diament
 Dziesięciokrotne
wydłużenie trwałości
narzędzia w porównaniu do
innych powłok
Stale na łożyska toczne
" Wymagania�
�1 �wysoka twardość i odporność na zużycie
�2 �wysoka odporność na zużycie stykowe
�3 �wysoka ciągliwość i odporność na korozję
�4 �wysoka czystość
Elementy łożysk tocznych są wykonywane z różnych gatunków stali. Stale
łożyskowe ujęte w normie PN-EN ISO 683-17:2004 podzielone są na 5 grup:
a) stale łożyskowe do hartowania na wskroś  o dużej zawartości węgla,
b) stale łożyskowe do nawęglania,
c) stale łożyskowe hartowane indukcyjnie,
d) stale łożyskowe odporne na korozję,
e) stale łożyskowe do pracy w wysokich temperaturach.
Stale grup a), b), c) są stosowane w normalnych warunkach tzn. jeżeli
temperatura pracy mieści się w granicach od -50 do 150��C, powierzchnie
styków elementów łożyska są smarowane, środowisko nie jest agresywne
chemicznie.
Skład chemiczny wybranych stali łożyskowych wg PN-EN ISO 683-17:2004
Znak stali Średnia zawartość pierwiastków1), %
C Si Mn Cr Mo Ni inne
stale hartowane na wskroś
100Cr6 0,35 1,50
0,60 Ł�0,10
100CrMnSi4-4 1,05 1,05
100CrMnSi6-4 1,10 1,55
100CrMnSi6-6 1,55
1,00 - -
100CrMo7 0,25 0,35 0,25
1,80
100CrMo7-3 0,70 0,30
100CrMo7-4 0,45
100CrMnMoSi8-4-6 0,50 0,95 1,95 0,55
Stale do nawęglania
20Cr4 0,20 0,75 1,05 - - -
20MnCr4-2 0,90 0,60 - - -
Ł�0,40
19MnCr5 0,19 1,25 1,15 - - -
18CrNiMo7-6 0,18 0,70 1,45 0,30 1,55 -
16NiCrMo16-5 0,16 0,40 1,20 0,25 4,05 -
Stale do hartowania powierzchniowego
56Mn4 0,56 Ł�0,40 1,05 - - - -
70Mn4 0,70 Ł�0,40 0,95 - - - -
Stale odporne na korozję
X65Cr14 0,65 Ł�1,00 Ł�1,00 13,5 Ł�0,75 - -
X108CrMo17 0,08 Ł�1,00 Ł�1,00 17,0 0,60 - V - 0,10
Stale do pracy w wysokiej temperaturze
80MoCrV42-16 0,81 Ł�0,40 0,25 4,10 4,25 - V  1,0 W Ł�0,25
X75WCrV18-4-1 0,75 Ł�0,40 Ł�0,40 4,10 Ł�0,60 - V  1,15 W  18,3
1)
Zawartość P Ł�0,15  0,25%; S Ł�0,10  0,15%
Stale odporne na korozję
KOROZJA  DEFINICJE
Degradacja środowiskowa materiałów  degradacja mikrostruktury
i właściwości materiałów w wyniku działania agresywnych
chemicznie środowisk, naprężeń, temperatury i czasu.
Korozja metali  niszczenie metali pod wpływem chemicznego lub
elektrochemicznego działania środowiska.
Korozja chemiczna  korozja w suchych gazach i nieelektrolitach
Korozja elektrochemiczna - korozja w wilgotnych gazach i
elektrolitach
Korozja elektrochemiczna - niszczenie metalu w wyniku procesów
elektrodowych zachodzących na granicy faz metal  elektrolit.
Metal ulega rozpuszczaniu przechodząc do elektrolitu w postaci
jonów:
Fe �� Fe+2 + 2e-
Za: Dymek, wykł. AGH
Reakcje towarzyszące korozji
Redukcja (katoda)
Utlenianie (anoda)
jony
przechodzą
do roztworu
(elektrolitu)
powstaje
potencjał
wydziela
ektryczny
się gaz
" miejsce dla reakcji utleniania
" miejsce dla reakcji redukcji
Ogniwo korozyjne
" ścieżka przepływu elektronów
" ścieżka przepływu jonów
Za: Dymek, wykł. AGH
Potencjały elektrodowe
" Skłonność metalu do korozji elektrochemicznej może
być wyrażona za pomocą siły elektromotorycznej (SEM)
ogniwa korozyjnego
" Im większa wartość (SEM) tym większa skłonność do
korozji
" Potencjały elektrodowe metali w roztworach ich jonów o
aktywności 1 nazywa się normalnymi lub
standardowymi;
" Potencjały mierzy się zwykle względem elektrody
wodorowej (0 V)
Za: Dymek, wykł. AGH
Szereg napięciowy i galwaniczny
Szereg napięciowy Szereg galwaniczny
Normalny potencjał
normalnych potencjałów w 3%
elektrodowy
potencjałów względem roztworze NaCl
elektrody wodorowej
określa odporność metalu na
Pt/Pt2+ +1,2 Pt +0,47
korozję.
Ag/Ag+ +0,8 Ti +0,37
Im więcej jonów metalu
Cu/Cu2+ +0,34 Ag +0,30
przechodzi do elektrolitu, tym
H2/H+ 0,00 Cu +0,04
mniejsza jest odporność
Pb/Pb2+ -0,13 Ni -0,03
metalu na korozję i bardziej
Ni/Ni2+ -0,25 Pb -0,27
ujemny potencjał.
Fe/Fe2+ -0,44 Fe -0,40
Zn/Zn2+ -0,76 Al -0,53
Zestawienie według malejących
Ti/Ti2+ -1,63 Zn -0,76
potencjałów nazywa się
Al/Al3+ -1,67
szeregiem napięciowym metali.
Elektrolit rzadko jest roztworem jonów metalu korodującego
Szereg napięciowy w określonym roztworze  szereg galwaniczny
Za: Dymek, wykł. AGH
Korozja galwaniczna
Przy zetknięciu różnych metali tworzą się lokalne ogniwa
Połączenia kabla
miedzianego z
aluminiowum
Al : -0,85 V
Cu: -0,20 V
Za: Dymek, wykł. AGH
Korozja wżerowa - pitting
Ten typ korozji jest szczególnie
aktywny w obecności chlorków
Korozji wżerowej towarzyszy
często korozja międzykrystaliczna
100x
Za: Dymek, wykł. AGH
Korozja szczelinowa
Powstaje w szczelinach przy
złączeniach części metalowych;
miejsca takie są często nieuniknione
Przyczyna:
zawartość tlenu w wodzie
(elektrolicie) w szczelinie jest
mniejsza niż na brzegu szczeliny -
powstaje lokalne ogniwo, w którym
elektrodami są: woda z
nadmiarem i woda z niedoborem
tlenu.
Korozja zachodzi na styku tych
dwóch stref.
Za: Dymek, wykł. AGH
Korozja międzykrystaliczna
Mechanizm
elektrochemiczny
odlew
Ogniwa tworzą się
pomiędzy osnową
przeróbka
stopu i wydzieleniami
plastyczna
lub pomiędzy osnową a
zubożoną strefą w
pobliżu granicy
rekrystalizacja
Wśród stopów Al najbardziej podatne stopy umacniane wydzieleniowo
Za: Dymek, wykł. AGH
Korozja międzykrystaliczna
Schemat
granicy ziarn
stop 2519 T8
w stopie 2xxx
Zapobieganie:
Unikanie tworzenia
stref wolnych od
wydzieleń
Wydzielenia bogate w Cu na granicy ziarn
powodują zubożenie przyległych obszarów w
miedz
.
Powstaje lokalne ogniwo elektrochemiczne
pomiędzy obszarami o różnej koncentracji Cu o
różnicy potencjałów ok. 0,12 V
Strefy ubogie w Cu szybko korodują
Za: Dymek, wykł. AGH
Strefy wolne od wydzieleń
stop 2519 T8
Za: Dymek, wykł. AGH
Korozja warstwowa  stopy Al
Forma korozji międzykrystalicznej. Zachodzi równolegle do powierzchni
metalu, wzdłuż wydłużonych w wyniku przeróbki plastycznej granic ziarn
Struktura stopów wrażliwych na
korozję warstwową
Stop 2195 T8 Stop 7150 T8
materiał "puchnie"
stopy 1xxx i 3xxx są odporne
stopy 7xxx i 2xxx są wrażliwe
Przestarzenie i rekrystalizacja usuwa wrażliwość
Za: Dymek, wykł. AGH
Pękanie naprężeniowo-korozyjne
Stress corrosion cracking
Kruche pękanie stopu, uważanego za plastyczny w normalnych
warunkach, poddanego jednoczesnemu działaniu naprężeń
rozciągających oraz środowiska korozyjnego, przy czym
żaden z tych czynników działając samodzielnie nie powoduje
zniszczenia
Warunkiem koniecznym pękania naprężeniowo-korozyjnego jest
czułość na korozję międzykrystaliczną
Wśród stopów Al wrażliwe są stopy 2xxx, 7xxx oraz
czasami 6xxx
Zniszczenie nastepuje przy
naprężeniu znacznie mniejszym
od granicy plastyczności
Za: Dymek, wykł. AGH
Pękanie naprężeniowo korozyjne
przyczyny mikrostrukturalne
" Strefy wolne od wydzieleń przy
granicach ziarn
rozpuszczanie
obszaru przy
" Natura wydzieleń
granicy (anodowe)
umacniajacych - najbardziej
podatne są stopy ze strefami
GP
pękanie z
" Rozmieszczenie wydzieleń na
udziałem wodoru
granicach ziarn
" Zmiany stężenia składników
rozpuszczonych
przerwanie
" Adsorpcja atomów
ochronnej
zanieczyszczeń na powierzchni
warstwy tlenku
pęknięcia
Za: Dymek, wykł. AGH
Szybkość korozji - czynniki
Metalurgiczne:
 skład chemiczny
" Obróbka cieplna:
 obróbka cieplna sytuacja idealna - dodatki
stopowe całkowicie
 przeróbka plastyczna
rozpuszczone, szybkość
chłodzenia duża, jednorodna
mikrostruktura
Środowiskowe:
" Przeróbka plastyczna:
" woda
niejednorodności
" pH
odkształcenia, kierunkowa
" czystość stopu (obecność
mikrostruktura
metali ciężkich)
" wodór
" temperatura
Za: Dymek, wykł. AGH
Szybkość korozji - czynniki
Miejsca odkształcone
(zgniecione) i nie wyżarzone
szybciej korodują niż
pozostała część.
Mechanizm korozji  ogniwo
naprężeniowe, np. szybko
korodują okolice spoiny
(miejsce występowania
naprężeń spawalniczych)
Za: Dymek, wykł. AGH
Ochrona przed korozją 
powłoki
Pokrywanie chronionego metalu warstwą metalu bardziej lub mniej szlachetnego
Sn Zn
Powłoka katodowa Powłoka anodowa
Stal - anoda Stal - katoda
Powłoki izolujące (katodowe): powłoki z metalu bardziej
szlachetnego  metalu o wyższym niż metal chroniony potencjale
standardowym.
Dla stali - powłoki z Cu, Ni, Cr
Powłoki ekranujące (protektorowe lub anodowe): powłoki z metalu
mniej szlachetnego. Dla stali - cynkowanie.
58
Za: Dymek, wykł. AGH
Stale odporne na korozję
Podstawowym pierwiastkiem stali odpornych na korozję jest chrom, w
ilości co najmniej 10,5%, który tworzy pasywną warstwę tlenku chromu
(Cr2O3 ) na powierzchni stali
Warunki pasywności:
 Maksymalna zawartość węgla 1,2% C
 Pasywność się poprawia gdy: zawartość
0,2
chromu wynosi ~17%
 Większość stali wysokostopowych zawiera
17-19% Cr
Przy tej zawartości Cr w
0,1
stopie warstwa pasywna
10,5%
jest zbudowana głównie z
jego tlenków
%
0 5 10 15
Cr
59
Za: Dymek, wykł. AGH
Szybkość korozji
(mm/rok)
Stale odporne na korozję
stale odporne na korozję stanowią ok. 2% wszystkich
produkowanych stali na świecie.
Podział ze względu na skład
Podział ze względu na strukturę:
chemiczny:
" ferrytyczne,
�� Cr,
" austenityczne,
�� Cr-Ni
" martenzytyczne,
�� Cr-Ni-Mo
" ferrytyczno-austenityczne
�� Cr-Mn-Ni
(dwufazowe),
" umacniane wydzieleniowo.
Podział ze względu na główne
własności
�� Nierdzewne
Stale austenityczne stanowią ponad 2/3
wszystkich produkowanych stali
�� Żaroodporne
odpornych na korozję
�� Żarowytrzymałe
60
Za: Dymek, wykł. AGH
Układ dwuskładnikowy Fe  Cr
Chrom (Cr)
�-Fe
" Zwiększa odporność
(RPC)
korozyjną
" Zwiększa hartowność
g-Fe
" Zwiększa wytrzymałość
(RSC)
w podwyższonej
temperaturze
" Minimalna zawartość 
rozszerzenie pola ferrytu �
10.5% Cr
(do temperatury pokojowej)
a�-Fe
(RPC)
Stale ferrytyczne
a�
Cr
61
Za: Dymek, wykł. AGH
Układ dwuskładnikowy Fe  Ni
t
Nikiel (Ni)
�-Fe
" Sprzyja tworzeniu
(RPC)
austenitu (działa
odwrotnie niż Cr, który
stabilizuje ferryt)
g-Fe
(RSC) " Zwiększa hartowność
" Zwiększa odporność
g
na pękanie
rozszerzenie pola austenitu
a�-Fe
(do temperatury pokojowej)
(RPC)
a�
Stale austenityczne
Ni
62
12%
Za: Dymek, wykł. AGH
Pierwiastkiw stopowe
64
Za: Dymek, wykł. AGH
Rola pierwiastków stopowych
" Chrom (Cr)
" Zwiększa odporność korozyjną
" Zwiększa wytrzymałość w podwyższonej temperaturze
" Minimalna zawartość  10.5% Cr
" Nikiel (Ni)
" Sprzyja tworzeniu austenitu (działa odwrotnie niż Cr i Mo, które stabilizują
ferryt)
" Zwiększa odporność na pękanie
" Molibden (Mo)
" Sprzyja rozdrobnieniu ziarna
" Zwiększa odporność korozyjną w roztworach soli (wodzie morskiej)
" Węgiel (C)
" Zwiększa wytrzymałość stali martenzytycznych
" Poza wyjątkiem stali martenzytycznych i stali do zastosowań w wysokiej
temperaturze jest szkodliwy
" Azot (N)
" stabilizuje i umacnia austenit
" zwiększa odporność na korozję
" Tytan i niob (Ti, Nb)
" dodawane w celu związania C i N w trwałe związki, aby ograniczyć lub
65
wyeliminować skłonność stali do korozji międzykrystalicznej
Za: Dymek, wykł. AGH
Wpływ składu chemicznego na mikrostrukturę
stali (wykres Schafflera)
Wykres Schaefflera nie jest wykresem równowagi
5%
28
10%
24
20%
Austenit A
20
40%
16
A+F
80%
A+M
12
100% ferrytu
8
Martenzyt
A+M+F
4
M
M+F Ferryt F
0
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40
CrE=%Cr+1,4%Mo+1,5%Si+0,5%Nb+2%Ti
równoważnik chromu
Za: Dymek, wykł. AGH
równoważnik niklu
E
Ni =%Ni+30%C+0,5%Mn+30%N
Stale ferrytyczne
" Stale ferrytyczne są tańsze od stali
" Są magnetyczne,
austenitycznych (nie zawierają
" mogą mieć dobrą ciągliwość i
drogiego niklu).
podatność do obróbki
" Ich odporność na korozję równomierną
plastycznej na zimno,
jest mniejsza niż stali austenitycznych.
" wytrzymałość nie przekracza
" Są nieczułe na korozję
600 MPa
naprężeniową.
" nie mogą być umacniane przez
hartowanie,
" nie są także umacniane przez
odkształcenie,
węgliki
Główne zastosowanie: stal X2CrTi12
na układy wydechowe samochodów
Struktura stali ferrytycznej X3CrTi25 : gruboziarnisty ferryt
stopowy z wydzieleniami węglików
Wadą stali ferrytycznych jest zbyt wysoka
temperatura przejścia w stan kruchy
67
Stale ferrytyczne
Norma obejmująca stale nierdzewne - PN-EN 10088-1
68
Stale ferrytyczne
69
Stale ferrytyczne - własności
i zastosowanie
70
Stale martenzytyczne
Stal odporna na korozję ma w pełni martenzytyczną mikrostrukturę jeżeli:
" w temperaturze wyżarzania, tj. ok. 1050oC, jej mikrostruktura jest
austenityczna,
" zakres temperatury Ms - Mf jest powyżej temperatury pokojowej.
Hartowane i odpuszczane stale
martenzytyczne mają granicę
plastyczności od 450 do 1850 MPa
Struktura stali nierdzewnej martenzytycznej
X20Cr13 hartowanej z 9500C w powietrzu;
martenzyt stopowy
71
Stale martenzytyczne
Stale odporne na korozję martenzytyczne różnią się od stali
ferrytycznych głównie większą zawartością węgla; zawierają
od 0,05 do 1,2% C i od 12 do 18% Cr
Najczęściej stosowaną stalą martenzytyczną odporną na
korozję jest stal X12Cr13
72
Własności i zastosowanie
Elementy o wymaganej wysokiej wytrzymałości i twardości:
ostrza noży, żyletki, narzędzia chirurgiczne, sprężyny itp.
73
Stale martenzytyczne
74
Korozja międzykrystaliczna
Węglik Cr23C6
Stężenie średnie
w stali 18% Cr
12%
Stężenie Cr
zapewniające odporność
Granica ziarna
korozyjną
75
Zawartość Cr
Stale martenzytyczne
Obróbka cieplna i własności mechaniczne
76
Stale austenityczne
Nikiel - konieczny do uzyskania struktury austenitycznej
Nikiel może być częściowo zastąpiony przez Mn i N
�� Standardowe gatunki stali austenitycznych
�� Stale Cr-Ni, Cr-Ni-Mo (Stale serii 300 wg AISI)
�� Stale Cr-Ni-Mn (Stale serii 200 wg AISI)
�� Wysokostopowe gatunki stali
austenitycznych (super austenityczne)
 wysokie stężenie Cr, Mo, N
�� Stale o wysokiej odporności
korozyjnej
�� Stale żaroodporne
�� Żarowytrzymałe
Struktura stali austenitycznej X10CrNi18-8
przesyconej z 1059oC w wodzie; równoosiowe,
Częściowe zastąpienie Ni przez Mn i N pozwala na
uzyskanie tańszych gatunków stali austenitycznych
jasne ziarna austenitu o prostoliniowych
o korzystnych niektórych własnościach
granicach z charakterystycznymi bliz
niakami
mechanicznych
wyżarzaniaczymi
77
Oznaczenia stali austenitycznych
78
Stale austenityczne
79
Stale austenityczne
Stale Cr-Ni-Mo
Molibden poprawia odporność korozyjną,
jednak wymaga stosowania większej
ilość niklu do stabilizacji austenitu
Stale Cr-Mn-Ni
80
Stale austenityczne - Obróbka cieplna i własności
mechaniczne
Struktura austenitu bez węglików i faz międzymetalicznych w wyniku przesycania
w wodzie z zakresu temperatury 1000 - 1200�C (chłodzenie na powietrzu lub w
wodzie). Czas wygrzewania 1 -3 min./mm grubości).
Unikać wygrzewania w zakresie 500  800�C
(korozja międzykrystaliczna)
81
�� Elementy wyposażenia kuchennego - garnki,
miski, widelce, itd..
Zastosowanie
�� Zastosowania budowlane, okucia, elementy
elewacji, balustrady
�� Meble gastronomiczne, przemysł spożywczy,
obróbka pożywienia w tym mięsa, wina,
piwamięsa, wina, piwa
�� Środki transportu, zbiorniki okrętowe do
magazynowania skroplonych gazów (LNG)
�� Zbiorniki i urządzenia procesowe dla
przemysłu chemicznego, petrochemicznego,
naftowego, wydobywczego i celulozowo-
papierniczego
82
Stale ferrytyczno-austenityczne (Duplex)
Połączenie własności stali
austenitycznych i ferrytycznych
" Kombinacja wysokiej wytrzymałości i
odporności korozyjnej
" Faza austenityczna  ciągliwość, udarność,
odporność korozyjna
" Faza ferrytyczna  wytrzymałość na
rozciąganie, granica plastyczności, twardość;
udział ferrytu od 30 do 50%
83
Stale ferrytyczno-austenityczne
Zalety:
" dobra odporność na pękanie naprężeniowo-korozyjne, korozję wżerową i
szczelinową oraz dobra spawalność
" nie występuje korozja międzykrystaliczna
" obecność ferrytu w stalach austenitycznych poprawia odporność na korozję
naprężeniową
84
Stale ferrytyczno-austenityczne  obróbka
cieplna i własności
85
Zastosowanie
Jedną z głównych przyczyn stosowania stali ferrytyczno-austenitycznych jest ich
wspaniała odporność na pękanie naprężeniowo-korozyjne w obecności jonów
Cl- (w porównaniu z konwencjonalnymi stalami austenitycznymi wyraz
nie lepsza)
�� Przemysł stoczniowy - chemikaliowce,
�� Elementy i urządzenia pracujące w środowisku
wody morskiej, pomp i zaworów na platformach
wiertniczych, instalacje odsalania,
�� Elementy wymienników ciepła,
�� Zbiorniki dla przemysłu celulozowo-papierniczego,
�� Przemysł spożywczy  przetwórstwo wysoko
solonych produktów takich jak sos pomidorowy i
sojowy.
86
Stale umacniane wydzieleniowo
Wydzieleniowo umacnia się stale martenzytyczne i austenityczne
Do tego celu są stosowane następujące pierwiastki: Cu, Al, Ti i Nb, a fazami
umacniającymi są cząstki: Cu, Ni3(Al,Ti), NiAl, Cr2N, węglików, azotków i innych
faz międzymetalicznych
87
Stale umacniane wydzieleniowo
Stale umacniane wydzieleniowo w stosunku do stali
martenzytycznych:
" mają lepszą kombinację wytrzymałości, ciągliwości i odporności na pękanie,
" przy tej samej ciągliwości mają większą wytrzymałość,
" przy tej samej wytrzymałości mają zwykle większą odporność na korozję,
" ze względu na sposób umocnienia mają większą podatność do kształtowania
przez obróbkę plastyczną na zimno
88
Stale umacniane wydzieleniowo
89
Porównanie własności
Austenitiyczne Ferrytyczne Martenzytyczne
18% Cr; >8% Ni; 15-30% Cr; >1% Mo; 12-17% Cr; 0.1-1%C
Skład chemiczny
0.1% C (% mas.) <1% C (% mas.) (% mas.)
Odporność korozyjna Bardzo dobra Dobra Średnia
Odporność na
Dobra Dobra Średnia
utlenianie
Wytrzymałość Średnia Słaba/Średnia Wysoka
Odporność na
Bardzo dobra Średnia Średnia
pękanie
Formowalność Dobra Średnia Średnia
Spawalność Dobra Słaba/Średnia Słaba/Średnia
Koszt Wysoki Średni Średni
90
Porównanie własności mechanicznych
20 30 40 wydłużenie (%)
91
naprężenie
Własności
92
Porównanie własności
93