Æwiczenie 17
BADANIA MIKROSKOPOWE
STALI NIESTOPOWYCH
1. CEL ÆWICZENIA
Celem æwiczenia jest zapoznanie siê z mikrostrukturami stali niestopowych w stanie równowagi (wy¿arzonym).
2. WIADOMOCI PODSTAWOWE
2.1. Sk³ad chemiczny stali niestopowych Stal jest stopem ¿elaza z wêglem oraz ewentualnie z innymi pierwiastkami, zawieraj¹cymi do oko³o 2% wêgla, obrabianym plastycznie, otrzymywanym w procesie stalowniczym po przejciu przez stan ciek³y. Do zasadniczych domieszek zawsze wystêpuj¹cych w stalach niestopowych w mniejszej lub wiêkszej iloci nale¿¹: mangan, krzem, fosfor i siarka. Wed³ug normy PN-EN 10020 za niestopow¹ uwa¿a siê stal w której zawartoæ pierwiastków jest mniejsza od ni¿ej podanych wartoci gra-nicznych.
Pierwiastek
Zawartoæ [%]
Pierwiastek
Zawartoæ [%]
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
mied
-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
Opracowa³: Stanis³aw Rudnik
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 zawartoci 0,8 - 2,0% wêgla, zbudowane z perlitu i cementytu wtórnego.
Przy bardzo niskiej zawartoci wêgla, praktycznie poni¿ej 0,1%, stal ma strukturê prawie czysto ferrytyczn¹, po czym w miarê wzrostu zawartoci wêgla iloæ perlitu w strukturze zaczyna wzrastaæ i przy zawartoci oko³o 0,4% wêgla iloci perlitu i ferrytu w strukturze stali s¹ prawie równe. W stalach powy¿ej 0,6 - 0,7% wêgla iloæ 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 ferryt zanika i przy zawartoci 0,8% wêgla w stali otrzymujemy czysto perlityczn¹ strukturê. Przy dalszym wzrocie zawartoci wêgla pojawia siê na granicach ziarn perlitu cementyt wtórny w postaci siatki, która pogrubia siê w miarê wzrostu zawartoci wêgla do 2,0%. Czasem cementyt wtórny mo¿e wystêpowaæ w stalach nadeutektoidalnych w postaci iglastej.
Stale przegrzane i odlewy posiadaj¹ tzw. strukturê Widmannst(ttena; powstaje ona przy powolnym stygniêciu stali podeutektoidalnej od wysokich temperatur, a¿ do temperatur krytycznych (Ar3 Ar1) z nastêpnym nieco szybszym ostyganiem, wskutek czego ferryt wykrystalizowuje wewn¹trz ziarn austenitu wzd³u¿ cian omiocianów.
Pod mikroskopem struktura Widmannst(ttena wygl¹da jak uk³ad trójk¹tów, kwadra-tów, wzglêdnie szeciok¹tów. Stale o takiej budowie wykazuj¹ du¿¹ kruchoæ. 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. Rozpuszczalnoæ wêgla w ¿elazie ( przy temperaturze eutektoidalnej (727°C) wynosi 0,02%, za przy temperaturach normalnych zaledwie 0,008%. Ferryt ma nisk¹ wytrzyma³oæ i twardoæ (HB = ok. 80, Rm = ok. 300 MPa), natomiast du¿¹ plastycznoæ i udarnoæ (A5 = ok. 50%, KM = ok. 200 J/cm2).
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 kruchoci. W stalach nadeutektoidalnych cementyt wystêpuje jako oddzielny sk³adnik strukturalny, zazwyczaj w postaci siatki na granicach ziarn perlitu.
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 cementytu. Cienkie p³ytki kruchego cementytu w miêkkim i plastycznym ferrycie nadaj¹
perlitowi wiêksz¹ twardoæ i wytrzyma³oæ przy gorszych w³aciwociach plastycznych, wszelako bez objawów kruchoci. Stal eutektoidalna o strukturze czysto per-litycznej wykazuje nastêpuj¹ce w³asnoci: HB = ok. 240, Rm = ok. 850 MPa, A5 = ok.
10%; dane te dotycz¹ perlitu grubopasemkowego. Ze zmniejszaj¹c¹ siê gruboci¹
pasemek ferrytu i cementytu, tj. ze wzrastaj¹cym stopniem dyspersji perlitu, wzrasta jego twardoæ i wytrzyma³oæ przy obni¿eniu w³aciwociach 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 twardoæ i dobre w³aciwoci plastyczne.
2.4. Okrelenie zawartoci wêgla na podstawie struktury Z iloci perlitu i ferrytu w strukturze stali podeutektoidalnych w stanie wolno ch³odzonym mo¿na wnosiæ o zawartoci wêgla w stali. Bior¹c pod uwagê, ¿e przy zawartoci 0,8% stal posiada strukturê czysto perlityczn¹, a przy 0% wêgla czysto ferrytyczn¹, oceniaj¹c pod mikroskopem procentowy udzia³ perlitu w strukturze stali, mo¿na obliczyæ zawartoæ wêgla w stali ze wzoru:
= P
x
⋅ 8
,
0
100
(1)
gdzie: x zawartoæ wêgla w %,
P powierzchnia zajêta przez perlit w %.
Ocena ta jest oczywicie tylko przybli¿ona, niemniej daje w praktyce cenne us³ugi.
Pos³uguj¹c siê tym wzorem nale¿y pamiêtaæ, ¿e odnosi siê on tylko do stali wêglowych i to tylko w stanie wolno ch³odzonym. Równie¿ i w stalach nadeutektoidanych z ilociowego udzia³u cementytu w strukturze mo¿na oceniæ zawartoæ wêgla w stali, jednak ocena ta jest bardzo ma³o dok³adna i dlatego rzadko stosowana w praktyce.
2.5. Wp³yw sk³adników chemicznych na w³asnoci stali Wêgiel jest g³ównym sk³adnikiem stopowym stali wêglowych, silnie wp³ywaj¹-
cym na jej w³aciwoci nawet przy niewielkich zmianach zawartoci. Wzrost zawartoci wêgla podwy¿sza w³aciwoci wytrzyma³ociowe stali przy obni¿eniu w³aci-woci plastycznych, jak to przedstawia rys. 17.1. Wytrzyma³oæ i granica plastycznoci
1400
Z, %
A, %
HB
300
1200
60
240
Z
1000
50
200
a
B
Rm
2
MP
200
40
160
cm
m, R
2, J/
ardoæ H
600
30
120
U
tw
CK
100
400
20
80
A
Rys. 17.1.
200
10
40
Wp³yw zawartoci wêgla na w³aciwoci KM
mechaniczne stali: Rm wytrzyma³oæ na 0
0
0,4
0,8
1,2
rozci¹ganie, HB twardoæ Brinella, A
wyd³u¿enie, Z udarnoæ
C, %
wzrastaj¹ jedynie do zawartoci 0,8% wêgla, poniewa¿ obecnoæ cementytu wtórnego w postaci siatki powoduje kruchoæ stali.
Mangan wystêpuje w stali w postaci roztworu sta³ego w ferrycie. Podwy¿sza on w³aciwoci wytrzyma³ociowe stali nie obni¿aj¹c jej w³aciwoci plastycznych oraz wp³ywa korzystnie na kujnoæ i zgrzewalnoæ stali. Krzem wystêpuje w stali równie¿ w postaci roztworu sta³ego i podnosi w³aciwoci wytrzyma³ociowe stali, a zw³aszcza granicê sprê¿ystoci, pogarszaj¹c jej zgrzewalnoæ.
1600
1500
ciecz
Fe2P
1400
1300
Fe3P
α+ciecz
1200
α+γ
1100
Fe2P+
C
γ
ciecz
1000
Fe2P+
Fe
ciecz
ra, ° 900
3P+
ciecz
800 α
α+Fe
peratu 700
3P
m 600
te 500
Fe2P+X
400
300
200
100
01,2
5
10
15
20
25
P, %
Rys. 17.2. Uk³ad równowagi fazowej Fe-P
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 zmniejsza bardzo znacznie plastycznoæ stali i podwy¿sza temperaturê, przy której stal staje siê krucha, wywo³uj¹c kruchoæ stali na zimno.
1600
L
1400
C
1200
1190
Fe +L
γ
FeS+L
peratura, °mte 1000
985
Fe +Fe
γ
S
910
Fe +F
α eS
8000
20
40
60
80
100
FeS, %
Rys. 17.3.
0
7,3
14,6
21,9
29,2
36,5
S, %
Uk³ad równowagi fazowej Fe-S
Siarka jest równie¿ domieszk¹ szkodliw¹. Jak z przedstawionego na rys. 17.3 uk³adu równowagi Fe-S wynika, siarka nie rozpuszcza siê praktycznie w normalnych temperaturach 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 kruchoæ stali na gor¹co.
Mied wystêpuje w stali w postaci roztworu sta³ego w ferrycie i podwy¿sza jej odpornoæ na korozjê atmosferyczn¹.
2.6. Podzia³ stali niestopowych
Stal niestopowa na odkuwki i prêty kute dla urz¹dzeñ cinieniowych PN-92/H84009: 15, 20, 20G, 25, 35, 45, K10, K18, St36K, St41K, St44K, Stal niestopowa na zwyk³e zbiorniki cinieniowe PN-EN 10207:1998: P235S, P265S, P275SI,
Stal konstrukcyjna niestopowa na butle do gazów technicznych i cinieniowe zbiorniki sta³e PN-H-93011:1998: 35,
Stal konstrukcyjna niestopowa jakociowa drobnoziarnista spawalna PN-EN 10113-2:1998: S275N, S275NL, S355N, S355NL, Stal niestopowa jakociowa spawalna drobnoziarnista normalizowana na urz¹dzenia cinieniowe PN-EN 10028-3:1996: P275N, P275NH, P275NL1, P275NL2, P355N, P355NM, P355NL1, P355NL2,
Stal niestopowa automatowa PN-73/H-84026: A10X, A10XN, A11, A11X, A35, A45, Stal niestopowa jakociowa 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 jakociowa 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 niestopowych wg PN-57/H-01000, przedstawia siê ona nastêpuj¹co: 1. Stale konstrukcyjne:
a) zwyk³ej jakoci:
ogólnego przeznaczenia
o szczególnym przeznaczeniu
b) wy¿szej jakoci:
ogólnego przeznaczenia
o szczególnym przeznaczeniu
c) najwy¿szej jakoci: ogólnego przeznaczenia o szczególnym przeznaczeniu
2. Stale narzêdziowe:
a) p³ytkie hartuj¹ce siê,
b) g³êboko hartuj¹ce siê.
3. Stale o szczególnych w³asnociach: a) magnetycznie miêkkie,
b) ³atwo obrabialne mechanicznie.
2.7. Konstrukcyjne stale niestopowe Zawartoæ fosforu i siarki w poszczególnych grupach jakociowych stali przedstawia siê nastêpuj¹co:
Tablica 17.1
Maksymalne zawartoci
Rodzaj stali
fosfor P%
siarka S%
P + S %
zwyk³ej jakoci
0,05
0,055
0,10
wy¿szej jakoci
0,04
0,040
0,07
najwy¿szej jakoci
0,03
0,03
0,05
Stale wêglowe konstrukcyjne zwyk³ej jakoci ogólnego przeznaczenia wg PN-88/H-84020 obejmuj¹ w zale¿noci od sk³adu chemicznego i wymaganych w³asnoci mechanicznych 6 podstawowych gatunków stali o nastêpuj¹cych oznaczeniach: St0S, St3S, St4S (przeznaczone na konstrukcje spawane) oraz St5, St6, St7.
Znak stali zwyk³ej jakoci sk³ada siê wiêc z liter St i liczby porz¹dkowej. Najni¿sz¹
wytrzyma³oæ ma stal St0S (280-570 MPa) przy wyd³u¿eniu A5 = 17-20%, po czym w kolejnych gatunkach stali wytrzyma³oæ wzrasta, osi¹gaj¹c wartoæ maksymaln¹
dla stali St7 (650-870 MPa), przy wyd³u¿eniu A5 = 8-11%.
W gatunkach stali St3S St4S rozró¿nia siê nastêpuj¹ce odmiany: a) z ograniczon¹ zawartoci¹ wêgla (oznaczon¹ liter¹ V), b) z ograniczon¹ zawartoci¹ 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 zawartoci 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 udarnoci przy temperaturze normalnej oznacza siê liter¹ U (np. St3SU), o wymaganej udarnoci po starzeniu liter¹ J (np. St3SJ), a o wymaganej udarnoci przy temperaturze -20°C liter¹ M (pn. St3SM).
Stale zwyk³ej jakoci nie s¹ zasadniczo przeznaczone do obróbki cieplnej.
Stale wêglowe konstrukcyjne wy¿szej jakoci ogólnego przeznaczenia wg PN-93/H-84019 maj¹ okrelony zarówno sk³ad chemiczny, jak i w³aciwoci mechaniczne.
Znak stali jest liczb¹ dwucyfrow¹, okrelaj¹c¹ redni¹ zawartoæ wêgla w setnych procenta. W razie potrzeby dodaje siê na koñcu znaku litery: C (przy podwy¿szonej zawartoci manganu), X (dla stali nieuspokojonych), Y (dla stali pó³uspokojonych).
Stale w gatunku 10, 15, 20 przeznaczone s¹ g³ównie do nawêglania, za stale o wy-
¿szej zawartoci wêgla (25-65) do ulepszania cieplnego na elementy o gruboci 25-40
mm z uwagi na ich ma³¹ hartownoæ. Poza stalami u¿ywanymi ogólnie do celów konstrukcyjnych stosuje siê równie¿ dla celów szczególnych inne stale wêglowe konstrukcyjne o nieco odmiennych sk³adach chemicznych i w³aciwociach, 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.
Liczby w znakach stali podaj¹ zawartoæ wêgla w dziesi¹tych procenta. Stale p³ytko i g³êboko hartuj¹ce siê maj¹ tê sam¹ zawartoæ wêgla, a ró¿ni¹ siê jedynie zawartoci¹ domieszek i zanieczyszczeñ, która jest w stalach g³êboko hartuj¹cych siê wy¿sza, co jest przyczyn¹ ich wiêkszej hartownoci. Znak stali sk³ada siê z litery N
oznaczaj¹cej stal narzêdziow¹ oraz liczby po literze N, oznaczaj¹cej przybli¿on¹ zawartoæ wêgla w dziesi¹tych czêciach procenta; stale p³ytko hartuj¹ce maj¹ dodat-kowo literê E.
3. MATERIA£Y I URZ¥DZENIA
Mikroskopy metalograficzne, komplet zg³adów metalograficznych, atlas metalograficzny, zestaw norm.
4. PRZEBIEG ÆWICZENIA
Æwiczenie polega na dok³adnej obserwacji zg³adów stali wêglowych pod mikroskopem. 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 zamieciæ: 1) Podzia³ stali wêglowych zarówno konstrukcyjnych, jak i narzêdziowych wed³ug PN.
2) Rysunki mikrostruktur ogl¹danych stali wêglowych wraz z podaniem do jakiej grupy mo¿na ka¿d¹ z nich zaliczyæ, jej oznaczenia wg PN, w³aciwoci mechaniczne oraz kilka konkretnych przyk³adów zastosowania.
3) Dla stali podeutektoidalnych okrelenie zawartoci wêgla na podstawie iloci perlitu.
6. LITERATURA UZUPE£NIAJ¥CA
[1] Dobrzañski L.: Metaloznawstwo i obróbka cieplna stopów metali. WPl., Gli-wice 1993.
[2] Gulajew A.: Metaloznawstwo. l¹sk, Katowice 1967.
[3] Rudnik S.: Metaloznawstwo. PWN 1986.
[4] Staub F.: Metaloznawstwo. l.W.T., Katowice 1994.
[5] Wendorff Z.: Metaloznawstwo. WNT, Warszawa 1971.
[6] Weso³owski K.: Metaloznawstwo. T. 2. WNT, Warszawa 1969.