148
Ćwiczenie 17
BADANIA MIKROSKOPOWE
STALI NIESTOPOWYCH
1. CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z mikrostrukturami stali niestopowych w sta-
nie równowagi (wyżarzonym).
2. WIADOMORCI PODSTAWOWE
2.1. Skład chemiczny stali niestopowych
Stal jest stopem żelaza z węglem oraz ewentualnie z innymi pierwiastkami, zawie-
rającymi do około 2% węgla, obrabianym plastycznie, otrzymywanym w procesie
stalowniczym po przejSciu przez stan ciekły. Do zasadniczych domieszek zawsze
występujących w stalach niestopowych w mniejszej lub większej iloSci należą: man-
gan, krzem, fosfor i siarka. Według normy PN-EN 10020 za niestopową uważa się
stal w której zawartoSć pierwiastków jest mniejsza od niżej podanych wartoSci gra-
nicznych.
Pierwiastek Zawartość [%] Pierwiastek Zawartość [%]
aluminium -0,10 nikiel -0,30
bor -0,0008 ołów -0,40
bizmut -0,10 selen -0,10
kobalt -0,10 krzem -0,50
chrom -0,30 tellur -0,10
miedx -0,40 tytan -0,05
lantanowce, każdy -0,05 wanad -0,10
mangan -1,65 wolfram -0,10
molidben -0,08 cyrkon -0,05
niob -0,06 inne (oprócz węgla,
fosforu, siarki i azotu)
każdy -0,05
Opracował: Stanisław Rudnik
149
2.2. Struktury stali niestopowych w stanie równowagi
Ze względu na strukturę po wolnym chłodzeniu (studzeniu), stale węglowe można
podzielić na trzy zasadnicze grupy, a to:
1) stale podeutektoidalne zawierające do 0,8% węgla, zbudowane z ferrytu i perlitu,
2) stale eutektoidalne, zawierające 0,8% węgla, posiadające strukturę perlityczną,
3) stale nadeutektoidalne o zawartoSci 0,8 - 2,0% węgla, zbudowane z perlitu i ce-
mentytu wtórnego.
Przy bardzo niskiej zawartoSci węgla, praktycznie poniżej 0,1%, stal ma strukturę
prawie czysto ferrytyczną, po czym w miarę wzrostu zawartoSci węgla iloSć perlitu
w strukturze zaczyna wzrastać i przy zawartoSci około 0,4% węgla iloSci perlitu i fer-
rytu w strukturze stali są prawie równe. W stalach powyżej 0,6 - 0,7% węgla iloSć
ferrytu jest już tak mała, że nie tworzy on całych pól, lecz zwykle występuje w postaci
siatki na granicach ziarn perlitu. W miarę zbliżania się do składu eutektoidalnego fer-
ryt zanika i przy zawartoSci 0,8% węgla w stali otrzymujemy czysto perlityczną struk-
turę. Przy dalszym wzroScie zawartoSci węgla pojawia się na granicach ziarn perlitu
cementyt wtórny w postaci siatki, która pogrubia się w miarę wzrostu zawartoSci
węgla do 2,0%. Czasem cementyt wtórny może występować w stalach nadeutekto-
idalnych w postaci iglastej.
Stale przegrzane i odlewy posiadają tzw. strukturę Widmannst(ttena; powstaje ona
przy powolnym stygnięciu stali podeutektoidalnej od wysokich temperatur, aż do tem-
peratur krytycznych (Ar3 Ar1) z następnym nieco szybszym ostyganiem, wskutek
czego ferryt wykrystalizowuje wewnątrz ziarn austenitu wzdłuż Scian oSmioScianów.
Pod mikroskopem struktura Widmannst(ttena wygląda jak układ trójkątów, kwadra-
tów, względnie szeSciokątów. Stale o takiej budowie wykazują dużą kruchoSć. Podob-
ny układ może przyjąć wydzielający się z austenitu cementyt wtórny w przegrzanych
stalach nadeutektoidalnych.
2.3. Składniki strukturalne stali niestopowych w stanie równowagi
1. Ferryt jest roztworem stałym węgla w żelazie ą. RozpuszczalnoSć węgla w żelazie
( przy temperaturze eutektoidalnej (727C) wynosi 0,02%, zaS przy temperaturach
normalnych zaledwie 0,008%. Ferryt ma niską wytrzymałoSć i twardoSć
(HB = ok. 80, Rm = ok. 300 MPa), natomiast dużą plastycznoSć i udarnoSć
(A5 = ok. 50%, KM = ok. 200 J/cm2).
2. Cementyt jest to związek chemiczny żelaza z węglem, zawierający 6,67% węgla,
krystalizujący w układzie rombowym. Cementyt jest składnikiem twardym (ok.
820 HB) o dużej kruchoSci. W stalach nadeutektoidalnych cementyt występuje
jako oddzielny składnik strukturalny, zazwyczaj w postaci siatki na granicach ziarn
perlitu.
150
3. Perlit jest eutektoidalną mieszaniną ferrytu i cementytu, zawierającą 0,8% węgla.
Perlit składa się z 87% ferrytu i 13% cementytu. Powstaje on z rozkładu austenitu
przy temperaturze 727C. W stalach wolno chłodzonych perlit posiada budowę
pasemkową, tj. zbudowany jest z na przemian ułożonych płytek ferrytu i cementy-
tu. Cienkie płytki kruchego cementytu w miękkim i plastycznym ferrycie nadają
perlitowi większą twardoSć i wytrzymałoSć przy gorszych właSciwoSciach plastycz-
nych, wszelako bez objawów kruchoSci. Stal eutektoidalna o strukturze czysto per-
litycznej wykazuje następujące własnoSci: HB = ok. 240, Rm = ok. 850 MPa, A5 = ok.
10%; dane te dotyczą perlitu grubopasemkowego. Ze zmniejszającą się gruboScią
pasemek ferrytu i cementytu, tj. ze wzrastającym stopniem dyspersji perlitu, wzra-
sta jego twardoSć i wytrzymałoSć przy obniżeniu właSciwoSciach plastycznych.
Na drodze odpowiedniej obróbki cieplnej (wyżarzania zmiękczającego) można uzy-
skać sferoidyzację cementytu i otrzymuje się wówczas perlit z cementytem kulko-
wym o strukturze globularnych węglików na tle osnowy ferrytycznej. Tego rodzaju
perlit posiada niską twardoSć i dobre właSciwoSci plastyczne.
2.4. Określenie zawartości węgla na podstawie struktury
Z iloSci perlitu i ferrytu w strukturze stali podeutektoidalnych w stanie wolno chło-
dzonym można wnosić o zawartoSci węgla w stali. Biorąc pod uwagę, że przy zawar-
toSci 0,8% stal posiada strukturę czysto perlityczną, a przy 0% węgla czysto ferry-
tyczną, oceniając pod mikroskopem procentowy udział perlitu w strukturze stali, można
obliczyć zawartoSć węgla w stali ze wzoru:
P
x = " 0,8
(1)
100
gdzie: x zawartoSć węgla w %,
P powierzchnia zajęta przez perlit w %.
Ocena ta jest oczywiScie tylko przybliżona, niemniej daje w praktyce cenne usługi.
Posługując się tym wzorem należy pamiętać, że odnosi się on tylko do stali węglo-
wych i to tylko w stanie wolno chłodzonym. Również i w stalach nadeutektoidanych
z iloSciowego udziału cementytu w strukturze można ocenić zawartoSć węgla w stali,
jednak ocena ta jest bardzo mało dokładna i dlatego rzadko stosowana w praktyce.
2.5. Wpływ składników chemicznych na własności stali
Węgiel jest głównym składnikiem stopowym stali węglowych, silnie wpływają-
cym na jej właSciwoSci nawet przy niewielkich zmianach zawartoSci. Wzrost zawar-
toSci węgla podwyższa właSciwoSci wytrzymałoSciowe stali przy obniżeniu właSci-
woSci plastycznych, jak to przedstawia rys. 17.1. WytrzymałoSć i granica plastycznoSci
151
,
4
,
B
4
4
4
Rys. 17.1.
4
Wpływ zawartoSci węgla na właSciwoSci
mechaniczne stali: Rm wytrzymałoSć na
rozciąganie, HB twardoSć Brinella, A
,4 , ,
wydłużenie, Z udarnoSć
,
wzrastają jedynie do zawartoSci 0,8% węgla, ponieważ obecnoSć cementytu wtórne-
go w postaci siatki powoduje kruchoSć stali.
Mangan występuje w stali w postaci roztworu stałego w ferrycie. Podwyższa on
właSciwoSci wytrzymałoSciowe stali nie obniżając jej właSciwoSci plastycznych oraz
wpływa korzystnie na kujnoSć i zgrzewalnoSć stali. Krzem występuje w stali również w
postaci roztworu stałego i podnosi właSciwoSci wytrzymałoSciowe stali, a zwłaszcza
granicę sprężystoSci, pogarszając jej zgrzewalnoSć.
4
ą
ą+ł
ł
ą ą
4
,
Rys. 17.2. Układ równowagi fazowej Fe-P
,
,
,
/
t rd ć
B
r t
,
t
r
152
Fosfor jest domieszką szkodliwą. Jak to wynika z podanego na rys. 17.2. układu
równowagi Fe-P, fosfor występuje w stali w postaci roztworu stałego. Fosfor zmniej-
sza bardzo znacznie plastycznoSć stali i podwyższa temperaturę, przy której stal staje
się krucha, wywołując kruchoSć stali na zimno.
L
4
L
ł L
ł
ą
4
,
Rys. 17.3.
, 4, , , ,
Układ równowagi fazowej Fe-S
,
Siarka jest również domieszką szkodliwą. Jak z przedstawionego na rys. 17.3 układu
równowagi Fe-S wynika, siarka nie rozpuszcza się praktycznie w normalnych tempera-
turach w żelazie ą i występuje w stali w postaci siarczku żelaza FeS, a także siarczku
manganu MnS. Siarczek żelazawy FeS jest łatwo topliwy (1193C) oraz tworzy z żela-
zem łatwo topliwą eutektykę (985C), co powoduje kruchoSć stali na gorąco.
Miedx występuje w stali w postaci roztworu stałego w ferrycie i podwyższa jej
odpornoSć na korozję atmosferyczną.
2.6. Podział stali niestopowych
Stal niestopowa na odkuwki i pręty kute dla urządzeń ciSnieniowych PN-92/H84009:
15, 20, 20G, 25, 35, 45, K10, K18, St36K, St41K, St44K,
Stal niestopowa na zwykłe zbiorniki ciSnieniowe PN-EN 10207:1998: P235S, P265S,
P275SI,
Stal konstrukcyjna niestopowa na butle do gazów technicznych i ciSnieniowe zbiorniki
stałe PN-H-93011:1998: 35,
Stal konstrukcyjna niestopowa jakoSciowa drobnoziarnista spawalna PN-EN 10113-
2:1998: S275N, S275NL, S355N, S355NL,
Stal niestopowa jakoSciowa spawalna drobnoziarnista normalizowana na urządzenia
ciSnieniowe PN-EN 10028-3:1996: P275N, P275NH, P275NL1, P275NL2, P355N,
P355NM, P355NL1, P355NL2,
r t
,
t r
153
Stal niestopowa automatowa PN-73/H-84026: A10X, A10XN, A11, A11X, A35, A45,
Stal niestopowa jakoSciowa 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 jakoSciowa do pracy w podwyższonej temperaturze PN-EN 10028-
2:1996: P235GH, P265GH, P295GH, P355GH,
Stal niestopowa sprężynowa PN-74/H-84032: 65, 65G, 75, 85
Stal narzędziowa niestopowa (węglowa) PN-84/H-85020: głęboko hartująca się N10,
N11, N12, N5, N6, N7, N8, N9, płytko hartująca się N10E, N11E, N12E, N7E,
N8E, N9E.
Należy zaznaczyć, że nadal używana jest w praktyce ogólna klasyfikacja stali nie-
stopowych wg PN-57/H-01000, przedstawia się ona następująco:
1. Stale konstrukcyjne:
a) zwykłej jakoSci: ogólnego przeznaczenia
o szczególnym przeznaczeniu
b) wyższej jakoSci: ogólnego przeznaczenia
o szczególnym przeznaczeniu
c) najwyższej jakoSci: ogólnego przeznaczenia
o szczególnym przeznaczeniu
2. Stale narzędziowe:
a) płytkie hartujące się,
b) głęboko hartujące się.
3. Stale o szczególnych własnoSciach:
a) magnetycznie miękkie,
b) łatwo obrabialne mechanicznie.
2.7. Konstrukcyjne stale niestopowe
ZawartoSć fosforu i siarki w poszczególnych grupach jakoSciowych stali przedsta-
wia się następująco:
Tablica 17.1
Maksymalne zawartości
Rodzaj stali
fosfor P% siarka S% P + S %
zwykłej jakoSci 0,05 0,055 0,10
wyższej jakoSci 0,04 0,040 0,07
najwyższej jakoSci 0,03 0,03 0,05
154
Stale węglowe konstrukcyjne zwykłej jakoSci ogólnego przeznaczenia wg
PN-88/H-84020 obejmują w zależnoSci od składu chemicznego i wymaganych wła-
snoSci mechanicznych 6 podstawowych gatunków stali o następujących oznaczeniach:
St0S, St3S, St4S (przeznaczone na konstrukcje spawane) oraz St5, St6, St7.
Znak stali zwykłej jakoSci składa się więc z liter St i liczby porządkowej. Najniższą
wytrzymałoSć ma stal St0S (280-570 MPa) przy wydłużeniu A5 = 17-20%, po czym
w kolejnych gatunkach stali wytrzymałoSć wzrasta, osiągając wartoSć maksymalną
dla stali St7 (650-870 MPa), przy wydłużeniu A5 = 8-11%.
W gatunkach stali St3S St4S rozróżnia się następujące odmiany:
a) z ograniczoną zawartoScią węgla (oznaczoną literą V),
b) z ograniczoną zawartoScią węgla oraz fosforu i siarki (oznaczone literą W).
Stale objęte wymienioną normą modą być produkowane jako nieuspokojone (na
końcu znaku litera X np. St3SX), półuspokojone (na końcu znaku litera Y np.
St3SY), uspokojone oraz specjalnie uspokojone (drobnoziarniste). Różnica w sposo-
bie odtleniania stali zaznacza się przede wszystkim w zawartoSci krzemu, i tak:
stale uspokojone zawierają 0,15 - 0,37% Si,
stale półuspokojone zawierają 0,07 - 0,15%Si,
stale nieuspokojone zawierają d" 0,07% Si.
Stale St3S i St4S o wymaganej udarnoSci przy temperaturze normalnej oznacza się
literą U (np. St3SU), o wymaganej udarnoSci po starzeniu literą J (np. St3SJ), a o wy-
maganej udarnoSci przy temperaturze -20C literą M (pn. St3SM).
Stale zwykłej jakoSci nie są zasadniczo przeznaczone do obróbki cieplnej.
Stale węglowe konstrukcyjne wyższej jakoSci ogólnego przeznaczenia wg
PN-93/H-84019 mają okreSlony zarówno skład chemiczny, jak i właSciwoSci mecha-
niczne.
Znak stali jest liczbą dwucyfrową, okreSlającą Srednią zawartoSć węgla w setnych
procenta. W razie potrzeby dodaje się na końcu znaku litery: C (przy podwyższonej
zawartoSci manganu), X (dla stali nieuspokojonych), Y (dla stali półuspokojonych).
Stale w gatunku 10, 15, 20 przeznaczone są głównie do nawęglania, zaS stale o wy-
ższej zawartoSci węgla (25-65) do ulepszania cieplnego na elementy o gruboSci 25-40
mm z uwagi na ich małą hartownoSć. Poza stalami używanymi ogólnie do celów
konstrukcyjnych stosuje się również dla celów szczególnych inne stale węglowe kon-
strukcyjne o nieco odmiennych składach chemicznych i właSciwoSciach, które są uję-
te w odpowiednich normach.
2.8. Narzędziowe stale węglowe
Narzędziowe stale węglowe zawierają od 0,50 do 1,40% węgla; dzielą się one wg
PN-84/H-85020 na dwie grupy:
grupa I płytko hartujące się o znakach N7E, N8E do N13E,
grupa II głęboko hartujące się o znakach N5, N6 do N13.
155
Liczby w znakach stali podają zawartoSć węgla w dziesiątych procenta. Stale
płytko i głęboko hartujące się mają tę samą zawartoSć węgla, a różnią się jedynie
zawartoScią domieszek i zanieczyszczeń, która jest w stalach głęboko hartujących się
wyższa, co jest przyczyną ich większej hartownoSci. Znak stali składa się z litery N
oznaczającej stal narzędziową oraz liczby po literze N, oznaczającej przybliżoną za-
wartoSć węgla w dziesiątych częSciach procenta; stale płytko hartujące mają dodat-
kowo literę E.
3. MATERIAŁY I URZĄDZENIA
Mikroskopy metalograficzne, komplet zgładów metalograficznych, atlas metalo-
graficzny, zestaw norm.
4. PRZEBIEG ĆWICZENIA
Ćwiczenie polega na dokładnej obserwacji zgładów stali węglowych pod mikro-
skopem. Oglądane struktury należy starannie przerysować na arkusz białego papieru,
zwracając uwagę na poprawne pokazanie charakterystycznych cech danej struktury.
Na rysunkach należy zaznaczyć strzałkami poszczególne składniki strukturalne, po-
nadto podać powiększenie mikroskopu, przy którym oglądano strukturę i odczynnik,
którym próbka została wytrawiona.
5. WYTYCZNE DO OPRACOWANIA SPRAWOZDANIA
W sprawozdaniu z ćwiczenia należy zamieScić:
1) Podział stali węglowych zarówno konstrukcyjnych, jak i narzędziowych według PN.
2) Rysunki mikrostruktur oglądanych stali węglowych wraz z podaniem do jakiej gru-
py można każdą z nich zaliczyć, jej oznaczenia wg PN, właSciwoSci mechaniczne
oraz kilka konkretnych przykładów zastosowania.
3) Dla stali podeutektoidalnych okreSlenie zawartoSci węgla na podstawie iloSci perlitu.
6. LITERATURA UZUPEŁNIAJĄCA
[1] Dobrzański L.: Metaloznawstwo i obróbka cieplna stopów metali. WPRl., Gli-
wice 1993.
[2] Gulajew A.: Metaloznawstwo. Rląsk , Katowice 1967.
[3] Rudnik S.: Metaloznawstwo. PWN 1986.
[4] Staub F.: Metaloznawstwo. Rl.W.T., Katowice 1994.
[5] Wendorff Z.: Metaloznawstwo. WNT, Warszawa 1971.
[6] Wesołowski K.: Metaloznawstwo. T. 2. WNT, Warszawa 1969.
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
badania mikrospokowe stali stopowych konstrukcyjnych27 BADANIA MIKROSKOPOWE STALI I STOPÓW SPECJALNYCHBadania mikroskopowestopów aluminium i magnezuwstępne badania mikroskopowe 20159 BADANIA MIKROSKOPOWE ŻELIW BIAŁYCH, SZARYCH I CIĄGLIWYCHTERMOGRAFICZNE BADANIA MIKROSKOPOWE ELEMENTÓW LASERÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCHBadania wrażliwości stali na spajanie oraz system wskaźników spawalności staliBadanie wpływu ciagliwosci stali zbrojeniowej na scinanie elementow zelbetowychBadania w zakresie obróbki skrawaniem stali austenitycznychMetody mikroskopowe w badaniach struktury produktów żywnościowychMikroskopia świetlna i elektronowa w badaniach naukowychwięcej podobnych podstron