Materiały metalowe
 Wpływ składu chemicznego na strukturę i własności stali
Wpływ składu chemicznego na strukturę
stali niestopowych i niskostopowych
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice
Materiały metalowe
Prezentacja ta ma na celu zaprezentowanie oraz przybliżenie
wiadomości o wpływie pierwiastków stopowych na strukturę stali,
przygotowaniu zgładów metalograficznych oraz obserwacji struktur
stali na mikroskopie świetlnym.
Wpływ składu chemicznego na strukturę
stali niestopowych i niskostopowych
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice
Materiały metalowe
Ogólna klasyfikacja stali
Stal jest plastycznie i cieplnie obrabialnym stopem żelaza z węglem,
wraz z innymi pierwiastkami, wytwarzanym w procesach stalowniczych ze
stanu ciekłego gdzie zawartości węgla nie przekracza 2%.
Klasyfikacji stali można dokonać między innymi na podstawie kryteriów:
skład chemiczny,
jakość,
zastosowanie,
sposób wytwarzania
Sposób odtlenienia
Rodzaj produktów
Postać
Stan kwalifikacyjny
Wpływ składu chemicznego na strukturę
stali niestopowych i niskostopowych
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice
Materiały metalowe
Klasyfikacja stali wg składu chemicznego
Zgodnie z normą PN-EN 10020:2003 wyróżnia się następujące klasy
stale niestopowe ( stężenie pierwiastków stopowych jest mniejsze od
wartości granicznych)
stale nierdzewne ( ponad 10,5% Cr i poniżej 1,2% C)
inne stale stopowe ( stężenie co najmniej jednego pierwiastka jest
>= od wartości granicznej
Wpływ składu chemicznego na strukturę
stali niestopowych i niskostopowych
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice
Materiały metalowe
Klasyfikacja stali ze względu na sumaryczne stężenie
pierwiastków
stale niskostopowe (stężenie jednego pierwiastka < 2%, a suma
pierwiastków <= 3,5%)
stale średniostopowe (stężenie jednego pierwiastka pomiędzy 2%,
a 8%, a suma pierwiastków <= 12%)
stale wysokostopowe (stężenie jednego pierwiastka > 8%, a suma
pierwiastków < 55%)
Wpływ składu chemicznego na strukturę
stali niestopowych i niskostopowych
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice
Materiały metalowe
Klasyfikacja stali ze względu na jakość
Stale jakościowe
Stale specjalne
Wpływ składu chemicznego na strukturę
stali niestopowych i niskostopowych
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice
Materiały metalowe
Klasyfikacja stali ze względu na podstawowe
zastosowanie
Stal konstrukcyjna
Stal maszynowa
Stal narzędziowa
Stal o szczególnych własnościach
Wpływ składu chemicznego na strukturę
stali niestopowych i niskostopowych
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice
Materiały metalowe
Klasyfikacja stali ze względu na sposób wytwarzania
Stal martenowska
Stal elektryczna
Stal konwertorowa
Inne stale
Wpływ składu chemicznego na strukturę
stali niestopowych i niskostopowych
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice
Materiały metalowe
Klasyfikacja stali ze względu na rodzaj produktów
Blachy
Pręty
Druty
Rury
Odkuwki
Inne
Wpływ składu chemicznego na strukturę
stali niestopowych i niskostopowych
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice
Materiały metalowe
Klasyfikacja stali według stopnia odtlenienia
stal nieuspokojona
stal półuspokojona
stale uspokojona
Wpływ składu chemicznego na strukturę
stali niestopowych i niskostopowych
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice
Materiały metalowe
Struktura stali węglowych
Struktura ferrytu (stężenia węgla około 0,1%),
Struktura ferrytyczno-perlityczna (stężenie węgla do 0,7%),
Struktura perlityczna (stężenie węgla dokładnie 0,77%),
Struktura perlitu i cementu (stężenie węgla powyżej 0,77%),
Wpływ składu chemicznego na strukturę
stali niestopowych i niskostopowych
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice
Materiały metalowe
Wpływ węgla na własności stali węglowych
Zwiększenie stężenia węgla powoduje zwiększenie:
twardości, wytrzymałości na rozciąganie, granicy plastyczności,
współczynnika liniowej rozszerzalności cieplnej,
Zwiększenie stężenia węgla powoduje zmniejszenie:
własności plastycznych, ciągliwości, przewodności cieplnej.
Wpływ składu chemicznego na strukturę
stali niestopowych i niskostopowych
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice
Materiały metalowe
Rola pierwiastków stopowych w stalach
Pierwiastki wprowadzane do stali celowo w ilości przekraczającej
minimalne stężenie nazywa się dodatkami stopowymi. Dodatki stopowe
wprowadza siÄ™ do stali w celu:
zwiększenia własności wytrzymałościowych, chemicznych lub fizycznych,
otrzymania określonej struktury,
ułatwienia obróbki cieplnej
zwiększenia hartowności
Najpowszechniej stosowanymi pierwiastkami stopowymi sÄ…: mangan,
krzem,nikiel, wolfram, molibden, wanad, tytan, aluminium, kobalt i chrom. Zawartość
pierwiastka stopowego w stalach może zawierać się w szerokich granicach od 0,01%
do kilkudziesięciu procent. O zawartości pierwiastka decyduje wpływ tego dodatku na
odpowiednie własności stali.
Wpływ składu chemicznego na strukturę
stali niestopowych i niskostopowych
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice
Materiały metalowe
Wpływ pierwiastków na niektóre własności stali
Na zwiększenie twardości wpływają: Cr, Si, Mnp, Nip, W, V, Co, Mo, Cu, P
Na zmniejszenie twardości wpływają: Mna, Nia,
Na zwiększenie wytrzymałości wpływają: Cr, Si, Mnp, Nip, W, V, Co, Mo,
Cu, P, Mna, Nia
Na zwiększenie granicy plastyczności wpływają: Cr, Si, Mnp, Nip, W, V,
Co, Mo, Cu, P, Mna, Nia
Na zmniejszenie granicy plastyczności wpływają: Mna, Nia
a
- w stalach austenitycznych; p  w stalach perlitycznych.
Wpływ składu chemicznego na strukturę
stali niestopowych i niskostopowych
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice
Materiały metalowe
Wpływ pierwiastków na niektóre własności stali
Na zwiększenie wydłużenia wpływają: Mna, Nia
Na zmniejszenie wydłużenia wpływają: Si, Cr, W, Co, Mo, S, P
Na zwiększenie żarowytrzymałości wpływają: Cr, Si, Mnp, Nip, Nia, W, V,
Co, Mo, Cu
Na zwiększenie przewężenia wpływają: Nia
Na zmniejszenie przewężenia wpływają: Cr, Al, W, Co, Mo, S, P
a
- w stalach austenitycznych; p  w stalach perlitycznych.
Wpływ składu chemicznego na strukturę
stali niestopowych i niskostopowych
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice
Materiały metalowe
Wpływ pierwiastków na niektóre własności stali
Na zwiększenie sprężystości wpływają: Si, Mnp, Cr, V
Na zwiększenie udarności wpływają: Nia, V, Mo
Na zmniejszenie udarności wpływają: Si, Cr, Al, Co, S, P
Na zwiększenie odporności na korozje wpływają: Cr , Nia, V, Cu
Na zmniejszenie odporności na korozje wpływają: S
a
- w stalach austenitycznych; p  w stalach perlitycznych.
Wpływ składu chemicznego na strukturę
stali niestopowych i niskostopowych
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice
Materiały metalowe
Wpływ pierwiastków na własności stali
Na zwiększenie krytycznej szybkości chłodzenia wpływa: Cu
Na zmniejszenie krytycznej szybkości chłodzenia wpływają : Cr, Nip,
Mna, Nia, W, V, Mo, Si, Mnp
Na zwiększenie węglikotwórczośći wpływają: V, Mo, W, Cr
Na zmniejszenie węglikotwórczośći wpływa: Si
Na zwiększenie odporności na zużycie wpływają: W, Co, V, Mo, Cr
Na zmniejszenie odporności na zużycie wpływają: Si, Mnp, Nip
a
- w stalach austenitycznych; p  w stalach perlitycznych.
Wpływ składu chemicznego na strukturę
stali niestopowych i niskostopowych
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice
Materiały metalowe
Wpływ pierwiastków na własności stali
Na zwiększenie podatności na obróbkę plastyczną wpływają: Mnp, V
Na zmniejszenie podatności na obróbkę plastyczną wpływają:
Mna, Nia, Cu, S, Al, W, Si, Cr, Nip, Co, Mo, P
Na zwiększenie skrawalności wpływają: S, P
Na zmniejszenie skrawalności wpływają:
Mna, Nia, W, Si, Mnp, Nip, Mo
a
- w stalach austenitycznych; p  w stalach perlitycznych.
Wpływ składu chemicznego na strukturę
stali niestopowych i niskostopowych
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice
Materiały metalowe
Wpływ pierwiastków na własności
magnetyczne stali
Polepszają własności magnetyczne: W, Co, Nip, Al, Cr, Mo
a
- w stalach austenitycznych; p  w stalach perlitycznych.
Wpływ składu chemicznego na strukturę
stali niestopowych i niskostopowych
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice
Materiały metalowe
Wpływ pierwiastków stopowych na strukturę roztworu stałego
Pierwiastki austenitotwórcze:
Co
Mn
Ni
Wpływ składu chemicznego na strukturę
stali niestopowych i niskostopowych
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice
Materiały metalowe
Wpływ pierwiastków stopowych na strukturę roztworu stałego
Pierwiastki ferrytotwórcze:
Al
Si
V
Cr
Mo
W
Ti
Wpływ składu chemicznego na strukturę
stali niestopowych i niskostopowych
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice
Materiały metalowe
Wpływ pierwiastków stopowych na strukturę roztworu stałego
Pierwiastki sprzyjajÄ…ce przemianie eutektoidalnej:
C
N
Cu
Wpływ składu chemicznego na strukturę
stali niestopowych i niskostopowych
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice
Materiały metalowe
Oznaczenie stali według norm europejskich
Zgodnie z normami europejskimi obowiÄ…zujÄ… dwa systemy oznaczania stali:
Znakowy (według PN-EN 10027-1:1994); znak stali składa się z
symboli literowych i cyfr,
Cyfrowy (według PN-EN 10027-2:1994); numer stali składa się tylko z
cyfr.
Wpływ składu chemicznego na strukturę
stali niestopowych i niskostopowych
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice
Materiały metalowe
Znak stali
Znaki stali dzielą się na dwie główne grupy:
Znaki z symbolami wskazującymi na zastosowanie oraz własności
mechaniczne lub fizyczne stali (np. S235  stal konstrukcyjna z
minimalna granicą plastyczności 235 Mpa)
Znaki z symbolami wskazującymi na skład chemiczny stali (np. C35 
stal niestopowa o średnim stężeniu węgla w setnych częściach % i
średnim stężeniu Mn < 1%)
Wpływ składu chemicznego na strukturę
stali niestopowych i niskostopowych
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice
Materiały metalowe
Numer stali
Numer stali zawiera 5 cyfr: 1.xxnn, gdzie:
1 oznacza stal
xx  dwie cyfry oznaczajÄ…ce grupÄ™ stali (np. stale odporne na korozje i
żaroodporne  od 40 do 49)
nn  dwie cyfry wyróżniające konkretny gatunek w grupie
Wpływ składu chemicznego na strukturę
stali niestopowych i niskostopowych
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice
Materiały metalowe
Badania metalograficzne na mikroskopie świetlnym
Celem badań metalograficznych na mikroskopie świetlnym jest
ujawnienie struktury stali oraz wad. Pozwalają one na rozróżnianie
składników strukturalnych i określanie ich morfologii, ilości, wymiarów i
rozmieszczenia. W ograniczonym zakresie możliwa jest także identyfikacja
faz, badanie kinetyki przemian przy nagrzewaniu i chłodzeniu, badania
przemian towarzyszących dyfuzji, korozji, zmęczeniu, pełzaniu, oraz innym
zjawiskom i procesom. Badania te prowadzi się przy użyciu mikroskopu
świetlnego w zakresie powiększeń od 50 do 2000 x na odpowiednio
przygotowanych próbkach.
Wpływ składu chemicznego na strukturę
stali niestopowych i niskostopowych
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice
Materiały metalowe
Do badań wykorzystano następujące gatunki stali:
50HS,
100Cr6,
C45,
42CrMo4,
S235JRG2.
Wpływ składu chemicznego na strukturę
stali niestopowych i niskostopowych
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice
Materiały metalowe
Rys.1. Struktura stali C45, hartowanej Rys.2. Struktura stali 42CrMo4, hartowanej
z 840°C, chÅ‚odzonej w wodzie i odpuszczanej z 840°C, chÅ‚odzonej w wodzie i odpuszczanej
w temp. 560°C: sorbit, pow. 1000 x w temp. 560°C: sorbit, pow. 1000 x
Skład chemiczny wytopu (stężenie masowe pierwiastków %) dla stali C45:
C Mn Si P S Cr Ni Cu Mo Al
0,44 0,65 0,22 0,017 0,02 0,08 0,09 0,28 0,02 0,015
Skład chemiczny wytopu (stężenie masowe pierwiastków %) dla stali 42CrMo4:
C Mn Si P S Cr Ni Cu Mo Al
0,42 0,63 0,21 0,01 0,004 0,96 0,09 0,27 0,15 0,024
Wpływ składu chemicznego na strukturę
stali niestopowych i niskostopowych
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice
Materiały metalowe
Rys.3. Struktura stali C45, wyżarzanej Rys.4. Struktura stali 100Cr6, wyżarzanej
zmiÄ™kczajÄ…co w temperaturze 680°C: ferryt zmiÄ™kczajÄ…co w temperaturze 800°C: sferoidyt
i perlit, pow. 200 x i perlit, pow. 200 x
Skład chemiczny wytopu (stężenie masowe pierwiastków %) dla stali C45 :
C Mn Si P S Cr Ni Cu Mo Al
0,44 0,65 0,22 0,017 0,02 0,08 0,09 0,28 0,02 0,015
Skład chemiczny wytopu (stężenie masowe pierwiastków %) dla stali 100Cr6 :
C Mn Si P S Cr Ni Cu Mo Al
0,99 0,3 0,22 0,006 0,002 1,46 0,08 0,17 0,02 0,015
Wpływ składu chemicznego na strukturę
stali niestopowych i niskostopowych
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice
Materiały metalowe
Rys.5. Struktura stali C45, wyżarzanej Rys.6. Struktura stali 100Cr6, wyżarzanej
zmiÄ™kczajÄ…co w temperaturze 680°C: ferryt zmiÄ™kczajÄ…co w temperaturze 800°C: sferoidyt
i perlit, pow. 500 x i perlit, pow. 500 x
Skład chemiczny wytopu (stężenie masowe pierwiastków %) dla stali C45 :
C Mn Si P S Cr Ni Cu Mo Al
0,44 0,65 0,22 0,017 0,02 0,08 0,09 0,28 0,02 0,015
Skład chemiczny wytopu (stężenie masowe pierwiastków %) dla stali 100Cr6 :
C Mn Si P S Cr Ni Cu Mo Al
0,99 0,3 0,22 0,006 0,002 1,46 0,08 0,17 0,02 0,015
Wpływ składu chemicznego na strukturę
stali niestopowych i niskostopowych
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice
Materiały metalowe
Rys.7. Struktura stali C45, wyżarzanej Rys.8. Struktura stali 100Cr6, wyżarzanej
zmiÄ™kczajÄ…co w temperaturze 680°C: ferryt zmiÄ™kczajÄ…co w temperaturze 800°C: sferoidyt
i perlit, pow. 1000 x i perlit, pow. 1000 x
Skład chemiczny wytopu (stężenie masowe pierwiastków %) dla stali C45 :
C Mn Si P S Cr Ni Cu Mo Al
0,44 0,65 0,22 0,017 0,02 0,08 0,09 0,28 0,02 0,015
Skład chemiczny wytopu (stężenie masowe pierwiastków %) dla stali 100Cr6 :
C Mn Si P S Cr Ni Cu Mo Al
0,99 0,3 0,22 0,006 0,002 1,46 0,08 0,17 0,02 0,015
Wpływ składu chemicznego na strukturę
stali niestopowych i niskostopowych
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice
Materiały metalowe
Rys.9. Struktura stali 50HS, wyżarzanej Rys.10. Struktura stali 50HS, hartowanej
zmiÄ™kczajÄ…co w temperaturze 680°C: perlit z 800°C i chÅ‚odzonej w oleju: martenzyt, pow.
i ferryt, pow. 200 x 200 x
Skład chemiczny wytopu (stężenie masowe pierwiastków %) dla stali 50HS :
C Mn Si P S Cr Ni Cu Mo Al
0,51 0,54 1,06 0,009 0,005 1,04 0,08 0,2 0,03 0,023
Wpływ składu chemicznego na strukturę
stali niestopowych i niskostopowych
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice
Materiały metalowe
Rys.11. Struktura stali 50HS, wyżarzanej Rys.12. Struktura stali 50HS, hartowanej
zmiÄ™kczajÄ…co w temperaturze 680°C: perlit z 800°C i chÅ‚odzonej w oleju: martenzyt, pow.
i ferryt, pow. 500 x 500 x
Skład chemiczny wytopu (stężenie masowe pierwiastków %) dla stali 50HS :
C Mn Si P S Cr Ni Cu Mo Al
0,51 0,54 1,06 0,009 0,005 1,04 0,08 0,2 0,03 0,023
Wpływ składu chemicznego na strukturę
stali niestopowych i niskostopowych
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice
Materiały metalowe
Rys.13. Struktura stali 50HS, wyżarzanej Rys.14. Struktura stali 50HS, hartowanej
zmiÄ™kczajÄ…co w temperaturze 680°C: perlit z 800°C i chÅ‚odzonej w oleju: martenzyt, pow.
i ferryt, pow. 1000 x 1000 x
Skład chemiczny wytopu (stężenie masowe pierwiastków %) dla stali 50HS :
C Mn Si P S Cr Ni Cu Mo Al
0,51 0,54 1,06 0,009 0,005 1,04 0,08 0,2 0,03 0,023
Wpływ składu chemicznego na strukturę
stali niestopowych i niskostopowych
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice
Materiały metalowe
Rys.15. Struktura stali S235JRG2 : ferryt Rys.16. Struktura stali S235JRG2 : ferryt
i perlit, pow. 200 x i perlit, pow. 500 x
Skład chemiczny wytopu (stężenie masowe pierwiastków %) dla stali S235JRG2 :
C Mn Si P S Cr Ni Cu N
0,11 0,4 0,07 0,011 0,01 0,03 0,01 0,02 0,005
Wpływ składu chemicznego na strukturę
stali niestopowych i niskostopowych
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice