Akademia Morska w Szczecinie
Instytut In\
ynierii Transportu
Zakład Techniki Transportu
Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotów
Materiałoznawstwo
i
Nauka o materiałach
Identyfikacja materiałów konstrukcyjnych \
elaznych - stale i staliwa
Opracowali: mgr in\
. Joanna Tuleja
Dr in\
. Jarosław Chmiel
Zatwierdził: dr in\
. Jarosław Chmiel
Szczecin 2008
2
1. Wprowadzenie
Stopy \
elaza nale\
Ä… do najwa\
niejszej grupy materiałów konstrukcyjnych
stosowanych przez człowieka. Wykorzystywane są od ok. 2000 roku p.n.e. i prawdopodobnie
jeszcze długo ten stan się nie zmieni. Przyczyny popularności tej grupy materiałów wynikają
z:
- powszechności występowania w skorupie ziemskiej \
elaza (ok. 4,5%) najczęściej w
postaci tlenków z których we względnie łatwy sposób mo\
na odzyskać \
elazo;
- względnie niska temperatura topnienia \
elaza 1583°C umo\
liwia jego otrzymywanie w
stanie ciekłym co jest szczególnie istotne przy formowaniu i kształtowaniu, niemo\
ność
wystąpienia dyfuzji w stanie stałym co powoduje, \
e właściwości stopów \
elaza w
temperaturze otoczenia pozostajÄ… niezmienne;
- stopy \
elaza charakteryzują się występowaniem przemian fazowych, efektem tego jest
mo\
liwość uzyskania materiałów konstrukcyjnych o bardzo ró\
norodnych
właściwościach, które mo\
emy dostosować do naszych potrzeb.
Na dzień dzisiejszy ponad 90% materiałów metalicznych stosowanych przez człowieka
stanowiÄ… stopy \
elaza.
2. Podstawowe pojęcia
Podstawowymi składnikami materiałów metalicznych \
elaznych sÄ…: \
elazo; węgiel.
Stopy \
elaza ze względu na zawartość węgla dzielimy na: staliwa i stale; \
eliwa i surówki.
Stalą wg normy PN-EN 10020 przyjęto nazywać materiał zawierający wagowo więcej
\
elaza ni\
jakiegokolwiek innego pierwiastka, w zasadzie mniej ni\
2% węgla i inne
pierwiastki. Dotychczas analizowano stopy \
elaza z węglem jako stopy materiały
dwuskładnikowe. Na podstawie zawartości węgla przyjęty jest zwyczajowy podział stali na
nisko, średnio i wysokowęglowe (tablica 1)
Staliwo - jest to stop \
elaza z węglem o zakresie składów takim samym jak stale ale
stosowany w w stanie lanym.
Tablica 1
Podział stali ze względu na zawartość węgla
Stale Zawartość węgla % Przykłady zastosowań
Niskowęglowe < 0,25 Stale na konstrukcje spawane, stale
automatowe, stale do nawęglania, stale dla
budownictwa
ÅšredniowÄ™glowe 0,25 ÷ 0,60 Stale konstrukcyjne, stale sprÄ™\
ynowe, stale
na narzędzia obcią\
one dynamicznie
Wysokowęglowe > 0,60 Stale narzędziowe, stale na ło\
yska toczne
Wiadomo z praktyki, \
e oprócz \
elaza i węgla, stale zawierają te\
i inne pierwiastki. Nale\
y
zatem przeanalizować wpływ ró\
nych grup pierwiastków na strukturę i właściwości stopów
3
\
elaza z węglem. Najwa\
niejsze grupy tych pierwiastków to zanieczyszczenia, domieszki
metalurgiczne i pierwiastki stopowe.
Zanieczyszczenia
Jako zanieczyszczenia siÄ™ pierwiastki pochodzÄ…ce z rud metali bÄ…dz
wprowadzone do
stopu w trakcie procesu metalurgicznego lub innych zbiegów technologicznych,
oddziaływujące szkodliwie na właściwości u\
ytkowe stopu. Główne zanieczyszczenia
występujące w stopach \
elaza to
- Siarka występująca w rudach \
elaza i materiałach wsadowych,
- fosfor występujący w rudach \
elaza i materiałach wsadowych,
- tlen wprowadzany w trakcie świe\
enia surówki,
- wodór wprowadzony w trakcie trawienia stali w roztworach kwasów.
Najwa\
niejszym skutkiem obecności zanieczyszczeń jest pogorszenie plastyczności stali
i odporności na kruche pękanie.
Zawartość zanieczyszczeń a zwłaszcza siarki i fosforu stanowi kryterium podziału stali na
klasy jakościowe. Norma PN-EN 10020  Stal  klasyfikacja wyró\
nia
- stale podstawowe - gatunki stali o takich wymaganiach jakościowych, które mo\
na
osiągnąć w ogólnie stosowanym procesie stalowniczym, bez dodatkowych zabiegów
technologicznych.
- stale jakościowe - gatunki stali dla których w zasadzie nie określa się właściwości
w stanie obrobionym cieplnie i czystości metalurgicznej wyra\
onej stopniem
zanieczyszczenia wtrąceniami niemetalicznymi; ze względu na warunki zastosowania
wyrobów ze stali jakościowych, wymagania jakościowe są wy\
sze ni\
dla stali
podstawowych, co wymaga większej staranności podczas produkcji.
- stale specjalne - gatunki stali, które charakteryzują się wy\
szym ni\
gatunki stali jako-
ściowych stopniem czystości metalurgicznej, szczególnie w zakresie zawartości
wtrąceń niemetalicznych; są one przewa\
nie przeznaczone do ulepszania cieplnego
lub hartowania powierzchniowego i są one podatne na taką obróbkę cieplną; przez
dokładny dobór składu chemicznego oraz przestrzeganie specjalnych warunków
produkcji stali i kontroli przebiegu procesów technologicznych uzyskuje się
ró\
norodne własności przetwórcze i u\
ytkowe stali często równocześnie
i w zawÄ™\
onych granicach np. wysoką wytrzymałość lub hartowność z równocześnie
dobrą podatnością na kształtowanie, spawanie, ciągliwością itp.
Domieszki metalurgiczne
Do tej kategorii zalicza siÄ™ pierwiastki wprowadzone celowo dla przeprowadzenia
określonych reakcji metalurgicznych, w szczególności dla związania zanieczyszczeń.
Najwa\
niejsze z tych pierwiastków to:
" mangan  stosowany do odsiarczania stali,
" wapń  w postaci wapna palonego stosowany do wiązania fosforu,
" krzem  do odtleniania,
" aluminium  do odtleniania końcowego.
4
Pierwiastki powy\
sze wprowadzane są do ciekłego stopu w nieznacznym nadmiarze, tak by
doprowadzić do całkowitego związania zanieczyszczeń. Nale\
y zwrócić uwagę, \
e niektóre
z domieszek (Mn, Si, Al) mogą występować jako pierwiastki stopowe. Jako domieszki
traktować nale\
y równie\
wiele pierwiastków, których zawartość nie przekracza granic
określonych w normie, a które nie mają szkodliwego wpływu na właściwości stali.
Pierwiastki te najczęściej dostają się do stopu podczas procesu stalowniczego, wraz ze
złomem stosowanym jako materiał wsadowy. Graniczne wartości pierwiastków podano
w tablicy 2. Jeśli zawartość pierwiastków jest ni\
sza od granicznej to stal nazywamy stalÄ…
niestopowÄ…, je\
eli zaÅ› wy\
sza  stalÄ… stopowÄ….
Tablica 2
Graniczne wartości pierwiastków stopowych wg PN-EN 10020
Pierwiastek Zawartość graniczna (% wagowy)
Al Aluminium 0,10
B Bor 0,0008
Bi Bizmut 0,10
Co Kobalt 0,10
Cr Chrom 0,30
Cu Miedz
0,40
La i inne lantanowce, ka\
dy 0,05
Mn Mangan 1,65
Mo Molibden 0,08
Nb Niob2 0,06
Ni Nikiel 0,30
Pb Ołów 0,40
Se Selen 0,10
Si Krzem 0,50
Te Tellur 0,10
Ti Tytan 0,05
V Wanad 0,10
W Wolfram 0,10
Zr Cyrkon 0,05
Inne (oprócz węgla, siarki, fosforu, azotu), ka\
dy 0,05
Pierwiastki stopowe
Jeśli stal zawiera pierwiastki wprowadzone celowo, w ilościach większych ni\
podano
w tablicy 2, dla nadania jej określonych właściwości u\
ytkowych i technologicznych, to stal
takÄ… nazywamy stalÄ… stopowÄ… zaÅ› pierwiastki  stopowymi.
Najwa\
niejsze pierwiastki stopowe w stalach to mangan, krzem, nikiel, chrom, molibden,
wolfram, wanad, miedz
.
Przyjmuje siÄ™, \
e je\
eli sumaryczna zawartość pierwiastków stopowych jest ni\
sza od
5% , to stal jest stalÄ… niskostopowÄ…, je\
eli zaÅ› wy\
sza to jest to stal wysokostopowa. W
praktyce, ilości pierwiastków stopowych w stalach wysokostopowych są znacznie wy\
sze od
5%. Specyficznym rodzajem pierwiastków stopowych są tzw. mikrododatki (np. bor),
wprowadzane w ilościach rzędu 0,001 do 0,1%.
5
Układ równowagi \
elazo  węgiel
Wg. Chipmana w K.Przybyłowicz  Metaloznawstwo
6
Składniki fazowe
Ferryt - jest międzywęzłowym roztworem stałym węgla w Fe a o strukturze A2 (RPC). Na
obrazie mikroskopowym ferryt ma wygląd równoosiowych ziaren o wyraz
nych granicach.
Rozpuszczalność węgla w ferrycie niskotemperaturowym jest minimalna, w temp. otoczenia
0,008% do 0,02% w temp. 723°C, w ferrycie wysokotemperaturowym od 0% w temp.
1390°Cdo 0,1% w temp. perytektycznej 1493°C.
Własności; ferryt jest fazą bardzo miękką i plastyczną o małej wytrzymałości na rozciąganie,
dzięki temu stopy ferrytyczne nadają się do obróbki plastycznej, ok. 80 HB.
Austenit - jest międzywęzłowym roztworem stałym węgla w Fe y o strukturze A l (RSC). Na
obrazie mikroskopowym austenit ma wygląd równoosiowych ziaren o charakterystycznych
prostoliniowych granicach, zazwyczaj z licznymi bliz
niakami.
Rozpuszczalność węgla w austenicie jest większa ni\
w ferrycie od 0,8% przy temp 723°C,
do 2,06% przy temp. eutektycznej 1147°C. W czystych stopach \
elaza z węglem w temp.
poni\
ej 723°C austenit jest nietrwaÅ‚y -O ulega eutektoidalnemu rozpadowi na
mieszaninÄ™ ferrytu i cementytu.
Własności: austenit jest fazą stosunkowo twardą, o znacznej wytrzymałości na rozciąganie, a
przy tym bardzo ciągliwą. Dzięki temu stopy austenityczne podatne są do obróbki
plastycznej, ale odznaczają się złą skrawalnością, ok. 200 HB.
Węgiel w stopach \
elaza występuje w trzech odmianach: w stanie wolnym jako grafit; w
stanie związanym jako węglik \
elaza FeiC; w postaci roztworu.
Cementyt jest fazą międzywęzłową o strukturze zło\
onej układu rombowego, zawierającą
ciÄ™\
arowe 6,67% C.
Własności: odznacza się du\
ą kruchością i twardością (HB - 700) oraz nieznacznie mniejszą
ni\
\
elazo gęstością oraz du\
Ä… odpornoÅ›ciÄ… chemicznÄ…. Cementyt do temp. 210°C jest
ferromagnetyczny, a w wy\
szych temperaturach paramagnetyczny. Ze względu na znaczny
udział wiązania metalicznego obok kowalencyjnego cementyt wykazuje własności
metaliczne. Cementyt jest fazą nietrwałą, ulegającą w podwy\
szonych temperaturach
rozkładowi (grafityzacji):
Fe 3 C  3Fe + Cgrafit,
z tego powodu rozró\
nia się odpowiednio dwa układy równowagi.
Z roztworu ciekłego mo\
e krystalizować zarówno grafit, jak i cementyt, zale\
nie od
warunków odprowadzania ciepła, składu chemicznego i innych czynników. Wyró\
niamy:
- cementyt pierwotny - krystalizuje z roztworu ciekłego, w postaci du\
ych, grubych
igieł;
- cementyt wtórny - wydziela się z austenitu w wyniku zmniejszania rozpuszczalności
węgla przy obni\
aniu temperatury w zakresie 1147 - 723°C oraz powstaje z
eutektoidalnego rozpadu austenitu w temp. 723°C. W pierwszym przypadku ma na
obrazie mikroskopowym najczęściej postać siatki otaczającej ziarna (rzadziej igieł), w
drugim - najczęściej płytek rozmieszczonych na przemian z płytkami ferrytu, rzadziej
kulek w osnowie ferrytu;
- cementyt trzeciorzędowy - wydziela się z ferrytu przy zmniejszaniu rozpuszczalności
7
przy obni\
aniu temp. poni\
ej 723°C, na obrazie mikroskopowym ma najczęściej
wygląd małych wydzieleń na granicach lub w obrębie ziaren ferrytu.
Składniki strukturalne
Perlit jest mieszaniną eutektoidalną nasyconego ferrytu i cementytu wtórnego o zawartości
wÄ™gla 0,8% powstajÄ…cÄ… jako produkt rozpadu austenitu w temp. 723°C. Na obrazie
mikroskopowym perlit przy dostatecznym powiększeniu ma wygląd równoosiowych ziaren,
w których występują pęki ró\
nie zorientowane równoległych płytek ferrytu i cementytu.
Perlit ma budowę płytkową (na przemian rozło\
one płytki ferrytu i cementytu) o dyspersji
zale\
nej od szybkości chłodzenia podczas przemiany.
Własności: jest składnikiem strukturalnym o dobrej wytrzymałości i niezłej ciągliwości
(twardość HB= 180 - 280, zale\
nie od grubości płytek).
Perlit
Ledeburyt jest mieszaninÄ… eutektycznÄ… nasyconego austenitu i cementytu pierwotnego o
zawartoÅ›ci wÄ™gla 4,3% krystalizujÄ…cÄ… w temp. 1147°C. W temp. eutektoidalnej austenit
podlega rozpadowi na ferryt i cementyt wtórny, poni\
ej 723°C ledeburyt nosi nazwÄ™
przemienionego i składa się z cementytu wtórnego i' pierwotnego oraz perlitu, ponadto
pojawiają się w ledeburycie przemienionym wydzielenia cementytu trzeciorzędowego. Na
obrazie mikroskopowym ledeburyt przemieniony ma wygląd ciemnych nieregularnych pól
(perlit) rozło\
onych na jasnym tle cementytu pierwotnego.
Własności; ledeburyt jest składnikiem strukturalnym twardym i kruchym, w związku z tym
trudno skrawalnym, ok.450 HB
Technologiczny podział stali
Ze względu na zastosowany końcowy zabieg technologiczny wyró\
nia siÄ™ stale:
- kute;
- walcowane;
- ciÄ…gnione.
Ze względu na zastosowaną obróbkę cieplną stale dzielimy na:
- ujednorodnione;
- normalizowane;
- zmiękczane;
- odprÄ™\
one;
8
- ulepszone cieplnie;
- hartowane;
- przesycone;
- surowe.
Ze względu na zastosowanie rozró\
niamy m.in. stale:
- konstrukcyjne;
- narzędziowe (do pracy na zimno, do pracy na gorąco i stale szybkotnące);
- odporne na korozjÄ™,
- \
aroodporne,
- \
arowytrzymałe,
- o specjalnych właściwościach fizycznych, elektrycznych, magnetycznych).
3. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się ze strukturami ró\
nych rodzajów stali i staliw,
ich własnościami, zastosowaniem i oznaczeniami..
4. Przebieg ćwiczenia
Ćwiczenie polega na dokładnej obserwacji struktur ró\
nych rodzajów stali i staliw.
Wykonujący ćwiczenie ma za zadanie zidentyfikować badane materiały i wskazać
poszczególne elementy struktury analizowanych stopów
5. Sprawozdanie
Sprawozdanie powinno zawierać:
- definicje stali i staliwa;
- podstawowe sposoby klasyfikacji stali i staliw,
- rysunki mikrostruktur identyfikowanych stali i staliw wraz z dokładnymi
- opisami poszczególnych składników fazowych i strukturalnych;
- wytyczne dotyczące oznaczania analizowanych grup materiałów;
- przykłady zastosowania poszczególnych grup stali, staliw.
6. Wymagania
- Podstawowe pojęcia charakteryzujące stale, staliwa.
- Sposoby klasyfikacji stali i staliw.
- Definicje składników fazowych i strukturalnych s"tali i staliw.
9
- Właściwości stali i staliw.
- Przykłady zastosowania stali i staliw.
7. Literatura
1. Prowans St.: Materiałoznawstwo", PWN, Warszawa 1986 (str. 104 - 114 i 218 -
284).
2. Blicharski M.:  Wstęp do in\
ynierii materiałowe/', WNT, Warszawa 2001 (str.
226 - 263).
3. Dobrzański L.A.: Metaloznawstwo z podstawami nauki o materiałach", WNT,
4. Warszawa 1999 (str. 379 - 486).
5. Topoliński T.: Materiałoznawstwo", WUATR, Bydgoszcz 1999 (str. 49 - 77).
6. Domke W.:  Vademecum materiałoznawstwa", WNT, Warszawa 1989 (str. 69 - 171).
7. Przybyłowicz K. Metaloznawstwo
8. Norma PN-EN 10020 Stal. Klasyfikacja
9. Norma PN  EN 10027 Stal.Znakowanie
10