8. Układy równowagi fazowej
Wprowadzenie
Przebieg zmian zachodzÄ…cych w czystych metalach
podczas analizy termicznej jest prosty tj.
-następują zmiany stanu skupienia,
- przemiany alotropowe.
Tym zjawiskom towarzyszÄ… przystanki temperaturowe.
W przypadku stopów przemiany są bardziej złożone.
Przedstawia się je na wykresach zwanych układami
równowagi fazowej (układach równowagi).
Ilustrują one całokształt przemian zachodzących w
stopach zarówno w stanie ciekłym jak i stałym.
8. Układy równowagi fazowej
Wprowadzenie
Można z ich wykorzystaniem oszacować:
-jakie przemiany zachodzą w stopach o określonym
składzie chemicznym,
- jaką strukturę otrzymuje się w wyniku ochładzania
bÄ…dz
podgrzewania,
- z jakich faz składa się stop o określonym składzie
chemicznym i temperaturze,
Układy równowagi przedstawiają trwałe stany stopów,
odpowiadajÄ…ce w danych warunkach najmniejszej
energii swobodnej analizowanego układu.
8. Układy równowagi fazowej
Pojęcia podstawowe
Układ  wyodrębniona z otoczenia grupa ciał będąca
przedmiotem badań (np. stop metaliczny)
Faza  jednorodna część układu o jednakowych
właściwościach fizycznych i jednakowym składzie
chemicznym, oddzielona powierzchnią rozdziału od
pozostałych części układu (np. stop 2 metali nie
rozpuszczających się w sobie, przykładowo żelazo-
ołów, po zastygnięciu będzie się składał z 2 faz)
Składnik  substancja prosta lub złożona, z której w
określonych warunkach mogą powstać wszystkie fazy
układu (pierwiastki bądz
zwiÄ…zki chemiczne)
8. Układy równowagi fazowej
Wykresy równowagi stopów dwuskładnikowych
Układ równowagi stopów dwuskładnikowych może być
przedstawiony na płaszczyz
nie
skład chemiczny stopu-
Temperatura
odcinek poziomy AB
M  Stop o 60% A oraz
40 % B znajdujÄ…cy
siÄ™ w t1.
Skład chemiczny
N  czysty metal B w temp.
t2.
8. Układy równowagi fazowej
Nieograniczona rozpuszczalność w stanie stałym
(roztwory stałe ciągłe)
solidus
likwidus
8. Układy równowagi fazowej
Nieograniczona rozpuszczalność w stanie stałym
(roztwory stałe ciągłe)
8. Układy równowagi fazowej
Nieograniczona rozpuszczalność w stanie stałym
(roztwory stałe ciągłe)
Skład chemiczny fazy oraz ilościowy stosunek faz 
reguła dz
wigni
8. Układy równowagi fazowej
Nieograniczona rozpuszczalność w stanie stałym
(roztwory stałe ciągłe)
8. Układy równowagi fazowej
Całkowity brak rozpuszczalności w stanie stałym
(eutektyka)
Przystanek na linii chłodzenia trwa tak długo, aż cała nie
ulegnie skrzepnięciu. Mieszanina eutektyczna jest
drobnoziarnista
8. Układy równowagi fazowej
Całkowity brak rozpuszczalności w stanie stałym
(eutektyka)
IV- kryształy A + eutektyka (A+B)
V- kryształy B + eutektyka (A+B)
8. Układy równowagi fazowej
Całkowity brak rozpuszczalności w stanie stałym
(eutektyka)
8. Układy równowagi fazowej
Całkowity brak rozpuszczalności w stanie stałym
(eutektyka)
8. Układy równowagi fazowej
Całkowity brak rozpuszczalności w stanie stałym
(eutektyka)
8. Układy równowagi fazowej
Ograniczona rozpuszczalność w stanie stałym z przemianą
eutektycznÄ…
ą- kryształy roztworu stałego B w A
Ä…
Ä…
Ä…
² - krysztaÅ‚y roztworu staÅ‚ego A w B
2-3 graniczna rozpuszczalność B w A
roztwory nasycone
5-6 graniczna rozpuszczalność A w B
8. Układy równowagi fazowej
Ograniczona rozpuszczalność w stanie stałym
z przemianÄ… perytektycznÄ…
Przemiana perytektyczna stanowi inny rodzaj układu
równowagi fazowej. W tym przypadku przy krzepnięciu
zachodzi przemiana perytektyczna, polegajÄ…ca na reakcji
cieczy L4 z uprzednio wydzielonymi kryształami ą2 w wyniku
Ä…
Ä…
Ä…
Czego powstaje nowy rodzaj kryształów ²3:
²
²
²
8. Układy równowagi fazowej
Ograniczona rozpuszczalność w stanie stałym
z przemianÄ… perytektycznÄ…
Przy chłodzeniu stopów o składzie
między 5-6 wydzielają się z cieczy
o składzie chem. 9-4 kryształy ą
Ä…
Ä…
Ä…
o zmiennym składzie 10-2. Po
osiągnięciu temperatury perytekty-
Cznej otrzymamy kryształy ą2 oraz
Ä…
Ä…
Ä…
Roztwór ciekły L4. Z reguły dz
wigni możemy określić ich
wzajemny stosunek ilościowy:
Następnie w stałej temp. Zachodzi reakcja
Perytektyczna, która trwa aż do wyczerpania cieczy.
8. Układy równowagi fazowej
Ograniczona rozpuszczalność w stanie stałym
z przemianÄ… perytektycznÄ…
Reakcja perytektyczna
Zaczyna się na powierzchni kryształu
Ä…. Atomy metalu B z cieczy przy
Ä…
Ä…
Ä…
styku z atomami metalu A w Ä…
Ä…,
Ä…
Ä…
TworzÄ… nowe krysztaÅ‚y ²
². Dalszy pro-
²
²
ces rozrastania siÄ™ kryształów ²
²
²
²
zachodzi dzięki obustronnej dyfuzji atomów metalu B
z cieczy w kierunku kryształów ą oraz atomów metalu A
Ä…,
Ä…
Ä…
z wnętrza kryształu ą w kierunku cieczy.
Ä…
Ä…
Ä…
Warstwa kryształów ² roÅ›nie kosztem zanikania
²
²
²
kryształów ą
ą. Reakcja perytektyczna trwa aż do całko-
Ä…
Ä…
witego wyczerpania cieczy.
8. Układy równowagi fazowej
Ograniczona rozpuszczalność w stanie stałym
z przemianÄ… perytektycznÄ…
W przypadku I otrzymuje siÄ™ mieszaninÄ™ perytektycznÄ…
Ä…2 + ²3. IloÅ›ciowy stosunek kryształów Ä…2 i ²3 przedstawia
Ä… ² Ä… ²
Ä… ² Ä… ²
Ä… ² Ä… ²
Się następująco:
8. Układy równowagi fazowej
Ograniczona rozpuszczalność w stanie stałym
z przemianÄ… perytektycznÄ…
8. Układy równowagi fazowej
Ograniczona rozpuszczalność w stanie stałym
z przemianÄ… perytektycznÄ…
8. Układy równowagi fazowej
Ograniczona zmienna rozpuszczalność w stanie stałym
z przemianÄ… eutektycznÄ…
W omówionych dotychczas przypadkach maksymalna
wzajemna rozpuszczalność była stała niezależnie od
temperatury. Często jednak tak w rzeczywistości nie jest.
Obserwuje się malenie wzajemnej rozpuszalności wraz
ze spadkiem temperatury.
8. Układy równowagi fazowej
Ograniczona rozpuszczalność w stanie stałym
z przemianÄ… perytektycznÄ…
8. Układy równowagi fazowej
Ograniczona zmienna rozpuszczalność w stanie stałym
z przemianÄ… eutektycznÄ…
8. Układy równowagi fazowej
Ograniczona zmienna rozpuszczalność w stanie stałym
z przemianÄ… eutektycznÄ…
8. Układy równowagi fazowej
Ograniczona zmienna rozpuszczalność w stanie stałym
z przemianÄ… eutektycznÄ…
8. Układy równowagi fazowej
Układy równowagi ze związkiem chemicznym
8. Układy równowagi fazowej
Układy równowagi ze związkiem chemicznym
8. Układy równowagi fazowej
Przemiany w stanie stałym
Jeżeli przynajmniej ze składników stopu jest polimorficzny
(zachodzÄ… w nim przemiany alotropowe), to w
zakrzepniętym stopie przebiegać będą jeszcze procesy
krystalizacji wtórnej.
Na wykresach równowagi fazowej pojawiają się poniżej linii
solidus dodatkowe linie odpowiadajÄ…ce tym przemianom.
8. Układy równowagi fazowej
Przemiany w stanie stałym
Jeżeli składnik A ma dwie
odmiany alotropowe
AÄ…, A²,
Ä…, ²,
Ä…, ²,
Ä…, ²,
oraz trwała w niższych
temperaturach odmiana
Aą tworzy z B roztwór stały
Ä…
Ä…
Ä…
ciągły
to otrzymujemy następujący
wykres równowagi fazowej
8. Układy równowagi fazowej
Przemiany w stanie stałym
Jeżeli trwała w wyższych
temperaturach odmiana
A²,
², tworzy z B roztwór staÅ‚y
²,
²,
ciągły
to otrzymujemy wykres
równowagi fazowej w
następującej postaci
8. Układy równowagi fazowej
Przemiany w stanie stałym
Układ taki przedstawia wykres
Równowagi fazowej dwóch
składników, z których każdy ma
dwie odmiany alotropowe.
W analizowanym przykładzie
Zarówno trwałe w wyższych
temperaturach odmiany A²
²
²
²
oraz B²
², jak też w niższych
²
²
temperaturach AÄ…, BÄ…
Ä…, Ä…
Ä…, Ä…
Ä…, Ä…
rozpuszczajÄ… siÄ™ wzajemnie
w sposób nieograniczony
8. Układy równowagi fazowej
Przemiany w stanie stałym
Jeżeli wysokotemperaturowe
odmiany alotropowe tworzÄ…
roztwór staÅ‚y ciÄ…gÅ‚y (A², B² Å‚,
², ²) Å‚
², ² Å‚
², ² Å‚
natomiast wzajemna
rozpuszczalność
niskotemperaturowych odmian
Aą, Bą jest ograniczona, to układ
Ä…, Ä…
Ä…, Ä…
Ä…, Ä…
może przybrać następującą
postać z przemianą
eutektoidalnÄ… lub
perytektoidalnÄ…
8. Układy równowagi fazowej
Przemiany w stanie stałym
8. Układy równowagi fazowej
Przemiany w stanie stałym
8. Układy równowagi fazowej
Przemiany w stanie stałym
8. Układy równowagi fazowej
Przemiany w stanie stałym
8. Układy równowagi fazowej
Przemiany w stanie stałym
8. Układy równowagi fazowej
Przemiany w stanie stałym
8. Układy równowagi fazowej
Przemiany w stanie stałym
8. Układy równowagi fazowej
Przemiany w stanie stałym
8. Układy równowagi fazowej
Przemiany w stanie stałym
8. Układy równowagi fazowej
Przemiany w stanie stałym
8. Układy równowagi fazowej
Przemiany w stanie stałym
8. Układy równowagi fazowej
Przemiany w stanie stałym
8. Układy równowagi fazowej
Przemiany w stanie stałym
8. Układy równowagi fazowej
Przemiany w stanie stałym
8. Układy równowagi fazowej
Przemiany w stanie stałym
8. Układy równowagi fazowej
Przemiany w stanie stałym
8. Układy równowagi fazowej
Przemiany w stanie stałym
8. Układy równowagi fazowej
Przemiany w stanie stałym
8. Układy równowagi fazowej
Przemiany w stanie stałym
8. Układy równowagi fazowej
Przemiany w stanie stałym
8. Układy równowagi fazowej
Przemiany w stanie stałym
8. Układy równowagi fazowej
Przemiany w stanie stałym
8. Układy równowagi fazowej
Przemiany w stanie stałym
8. Układy równowagi fazowej
Przemiany w stanie stałym
8. Układy równowagi fazowej
Przemiany w stanie stałym
8. Układy równowagi fazowej
Przemiany w stanie stałym
8. Układy równowagi fazowej
Przemiany w stanie stałym
8. Układy równowagi fazowej
Przemiany w stanie stałym
8. Układy równowagi fazowej
Przemiany w stanie stałym
8. Układy równowagi fazowej
Przemiany w stanie stałym
8. Układy równowagi fazowej
Przemiany w stanie stałym
8. Układy równowagi fazowej
Przemiany w stanie stałym
8. Układy równowagi fazowej
Przemiany w stanie stałym
8. Układy równowagi fazowej
Przemiany w stanie stałym
8. Układy równowagi fazowej
Układy równowagi z fazami międzymetalicznymi
8. Układy równowagi fazowej
Przemiany w stanie stałym
8. Układy równowagi fazowej
Przemiany w stanie stałym
8. Układy równowagi fazowej
Przemiany w stanie stałym
8. Układy równowagi fazowej
Przemiany w stanie stałym
8. Układy równowagi fazowej
Przemiany w stanie stałym
8. Układy równowagi fazowej
Przemiany w stanie stałym
8. Układy równowagi fazowej
Przemiany w stanie stałym
8. Układy równowagi fazowej
Przemiany w stanie stałym
8. Układy równowagi fazowej
Przemiany w stanie stałym
9. Stopy żelaza z węglem
9. Stopy żelaza z węglem
9. Stopy żelaza z węglem
9. Stopy żelaza z węglem
9. Stopy żelaza z węglem
9. Stopy żelaza z węglem
Odmiany alotropowe żelaza
9. Stopy żelaza z węglem
Odmiany alotropowe żelaza
9. Stopy żelaza z węglem
Odmiany alotropowe żelaza
9. Stopy żelaza z węglem
9. Stopy żelaza z węglem
Odmiany alotropowe żelaza
9. Stopy żelaza z węglem
Fazy występujące w układzie żelazo-cementyt
9. Stopy żelaza z węglem
Składniki strukturalne w układzie żelazo-cementyt
9. Stopy żelaza z węglem
Składniki strukturalne w układzie żelazo-cementyt
9. Stopy żelaza z węglem
Składniki strukturalne w układzie żelazo-cementyt
9. Stopy żelaza z węglem
Składniki strukturalne w układzie żelazo-cementyt
Składniki strukturalne w układzie żelazo-cementyt
9. Stopy żelaza z węglem
9. Stopy żelaza z węglem
9. Stopy żelaza z węglem
9. Stopy żelaza z węglem
9. Stopy żelaza z węglem
9. Stopy żelaza z węglem
9. Stopy żelaza z węglem
Przemiana perlityczna
Przemiana perlityczna jest przemianą dyfuzyjną, która składa się
z etapu zarodkowania i wzrostu dyfuzyjnego nowej fazy.
Rozpoczyna jÄ… zarodkowanie cementytu na granicach ziaren
austenitu. Zawartość węgla w austenicie zmniejsza się na skutek
rozrastania się zarodków cementytu, aż w końcu austenit
podlega przemianie alotropowej Feł Feą
Å‚ Ä….
Å‚ Ä…
Å‚ Ä…
9. Stopy żelaza z węglem
W przypadku stali podeutektoidalnej (zawierającej mniej niż 0,8% węgla)
po początkowym ochładzaniu austenitu w temperaturze odpowiadającej
punktowi 1 na rysunku zaczyna wydzielać się ferryt z austenitu,
powodując wzrost stężenia węgla w Feł aż do zawartości punktu
Å‚
Å‚
Å‚
eutektoidalnego. Z chwilą osiągnięcia temperatury przemiany
eutektoidalnej, pozostały austenit (zawierający 0,8% węgla) rozpada się
w mieszaninę, ułożonych na przemian, płytek ferrytu i cementytu
drugorzędowego  zwaną perlitem.
9. Stopy żelaza z węglem
W przypadku stali nadeutektoidalnej (zawierającej powyżej 0,8% węgla) po
początkowym ochładzaniu austenitu w temperaturze odpowiadającej punktowi 1 na
rysunku, ze względu na zmniejszającą się wraz ze spadkiem temperatury
rozpuszczalność węgla w austenicie, zaczyna wydzielać się cementyt drugorzędowy
zawierający 6,67% węgla. Wraz z wydzielaniem cementytu następuje spadek
zawartości węgla w austenicie aż do zawartości odpowiadającej punkowi
eutektoidalnemu. Z chwilą osiągnięcia temperatury przemiany eutektoidalnej, austenit
(zawierający 0,8% węgla) podlega przemianie perlitycznej.
9. Stopy żelaza z węglem
Struktury stali węglowych
9. Stopy żelaza z węglem
Z przestawionych danych wynika, że dla dwufazowych stopów żelaza z
węglem (ą +Fe3C) można, w zależności od zawartości węgla, uzyskać
rożne struktury. Poniżej przedstawiono strukturalny układ równowagi Fe
Fe3C.
9. Stopy żelaza z węglem
Struktury stali węglowych
9. Stopy żelaza z węglem
Struktury stali węglowych
9. Stopy żelaza z węglem
Struktury stali węglowych
Struktury stali węglowych
10. Stale węglowe
Wiadomości ogólne
Stale to plastycznie obrobione stopy żelaza z węglem
o zawartości do 2,11% węgla.
Do zasadniczych domieszek zawsze występujących w stalach
węglowych należą: mangan, krzem fosfor i siarka. Zawartość tych
pierwiastków w stalach węglowych nie przekracza zwykle
następujących wartości:
-manganu 0,8%; krzemu 0,4%; fosforu 0,05%; siarki 0,05%.
Dodatkowo stale węglowe mogą zawierać niewielkie ilości miedzi,
chromu i niklu oraz rozpuszczone gazy jak wodór, tlen i azot.
10. Stale węglowe
Wpływ składników chemicznych na właściwości
stali węglowych
Węgiel jest głównym składnikiem stopowym stali węglowych, bardzo
silnie wpływającym na ich właściwości fizyczne (mechaniczne). Wzrost
zawartości węgla podwyższa wytrzymałość stali węglowych na
rozciąganie (Rm), granicę plastyczności (Re) oraz twardość stali.
Jednocześnie wraz ze wzrostem zawartości węgla spadają właściwości
plastyczne stali (wydłużenie A, przewężenie Z oraz udarność KC).
Wytrzymałość stali węglowych wzrasta wraz ze wzrostem zawartości
węgla tylko do granicznej wartości 0,8% węgla. Dzieje się tak za
sprawą zwiększania udziałowego kruchego cementytu w strukturze
omawianych stali
10. Stale węglowe
Wpływ składników chemicznych na właściwości
stali węglowych
10. Stale węglowe
Wpływ składników chemicznych na właściwości
stali węglowych
Mangan występuje w stalach węglowych jako pozostałość z procesu
wytapiania stali (odtleniania i odsiarczania) głównie jako roztwór stały
w ferrycie lub cementycie. Mangan podwyższa wytrzymałość stali oraz
wpływa korzystnie na jej zgrzewalność. Wiąże on siarkę w siarczek
manganu MnS przez co zapobiega powstawaniu szkodliwego siarczku
żelaza FeS, sprzyja powstawaniu struktury gruboziarnistej.
Krzem pochodzi z procesów odtleniania stali. Jest on bardzo dobrym
odtleniaczem hamującym tworzenie się pęcherzy w czasie krzepnięcia
stali. Krzem występuje w postaci roztworu stałego w ferrycie, podnosi
właściwości mechaniczne stali pogarszając w niewielkim stopniu jej
zgrzewalność.
Fosfor w stali należy do domieszek szkodliwych. Fosfor występuje w
postaci roztworu stałego w ferrycie. Choć podwyższa wytrzymałość
stali to jednak w sposób bardzo niekorzystny obniża jej plastyczność.
Powoduje kruchość stali (tzw. Kruchość na zimno). Cechuje się
skłonnością do segregacji. Nawet w stalach najniższej jakości
zawartość fosforu nie powinna przekraczać 0,05%.
10. Stale węglowe
Wpływ składników chemicznych na właściwości
stali węglowych
Siarka w stali należy także do domieszek szkodliwych. Siarka
praktycznie nie rozpuszcza się w żelazie i występuje w stali w postaci
bardzo szkodliwych siarczków (głównie żelaza oraz manganu).
Siarczek żelaza jest łatwo topliwy. Podczas przeróbki plastycznej na
gorąco występuje nadtapianie oczek siarczkowych co prowadzi do
powstawania pęknięć. Jest to tzw. zjawisko pękania na gorąco.
Zachodzi ono już w temperaturze około 800 C. Aby zapobiegać temu
zjawisku zwyczajowo dodaje siÄ™ mangan tworzÄ…cy z siarkÄ…
trudnotopliwy MnS
10. Stale węglowe
Wpływ składników chemicznych na właściwości
stali węglowych
W stanie ciekłym w stali rozpuszczają się także składniki gazowe. Po
zakrzepnięciu mogą w niej pozostać (oczywiście w niewielkich
ilościach). Głównymi składnikami gazowymi wpływającymi na
strukturę stali są tlen, wodór i azot.
Tlen powoduje kruchość stali na gorąco i wpływa na właściwości
mechaniczne w sposób zbliżony do siarki. Jego obecność jest bardzo
szkodliwa (odtlenianie).
Wodór rozpuszczający się w stali powoduje jej kruchość. Wpływa on
na powstawanie tzw. Pęknięć wewnętrznych (płatki śniegu).
Azot powoduje powstawanie w stali kruchych i zarazem twardych
azotków.
Obecność miedzi w stali w ilościach do 0,2% jest korzystna. Miedz

wpływa na polepszenie właściwości antykorozyjnych stali węglowych.
Wpływ innych wtrąceń niemetalicznych na właściwości mechaniczne
(fizyczne) stali zależy od ich ilości, wielkości oraz kształtu. Drobne i
równomiernie rozmieszczone wtrącenia nie wpływają szkodliwie na
właściwości mechaniczne stali. Duże wtrącenia oraz obszary skupisk
drobnych sÄ… niekorzystne.
10. Stale węglowe
Klasyfikacja stali węglowych
Podział stali węglowych opiera się na ich składzie chemicznym,
właściwościach mechanicznych, przewidywanym zastosowaniu, stopniu
czystości (jakości) i przeznaczeniu.
10. Stale węglowe
Klasyfikacja stali węglowych
Do konstrukcyjnych stali węglowych zalicza się stale o zawartości węgla
poniżej 0,65%. Podział stali ze względu na ich jakość (czystość) opiera
się na maksymalnej zawartości w nich fosforu oraz siarki.
Należy pamiętać, że o jakości stali nie decyduje tylko skład jej skład
chemiczny ale także zwartość jej budowy, zawartość wtrąceń
niemetalicznych, obecność wad wewnętrznych, nasycenie gazami a także
wielkość ziarna.
Jakość stali w dużej mierze zależy od staranności przeprowadzenia
procesu jej wytapiania, od przeróbki plastycznej oraz obróbki cieplnej
10. Stale węglowe
Klasyfikacja stali węglowych
Konstrukcyjne stale węglowe zwykłej jakości, ogólnego przeznaczenia, są
najczęściej stosowanym materiałem konstrukcyjnym w budowie maszyn i
wyrobów powszechnego użytku. Są to stale niskowęglowe lub
średniowęglowe, stosowane w stanie surowym, normalizowanym lub
zgniecionym. Stale te sÄ… dostarczane przez huty po walcowaniu na
gorąco w postaci blach,prętów, kształtowników, taśm, rur itp.
W zależności od składu chemicznego i wymagań właściwości
mechanicznych obejmują sześć głównych gatunków o następujących
oznaczeniach (PN-88/H-84020):
St0S, St3S, St4S  na konstrukcje spawane
oraz
St5, St6, St7  w przypadku określonej dodatkowo zawartości węgla,
krzemu i manganu uzupełnia się na początku literą M (np. MSt6).
Znak stali niestopowej konstrukcyjnej ogólnego przeznaczenia składa się
więc z liter St i liczby porządkowej. Najniższą wytrzymałość ma stal St0S
(300-540 MPa), przy czym w kolejnych gatunkach stali wytrzymałość
wzrasta osiągając wartość maksymalną dla stali St7 (670-840 MPa).
10. Stale węglowe
Klasyfikacja stali węglowych
10. Stale węglowe
Klasyfikacja stali węglowych
Stale węglowe wyższej jakości ujęte normą PN-75/H-84019 wyrażone są
symbolami 08, 10, 15 do 65, które odpowiadają średniej zawartości
węgla wyrażonej w setnych częściach procenta.
10. Stale węglowe
Klasyfikacja stali węglowych
Stale węglowe wyższej jakości ogólnego przeznaczenia mają określony
zarówno skład chemiczny jak i właściwości mechaniczne. Wykonuje się z
nich głównie części maszyn, które następnie obrabia się cieplnie.
Stale niskowęglowe (10, 15, 20) ulepsza się cieplnie w procesie
nawęglania.
Ważnym materiałem konstrukcyjnym jest staliwo stosowane w budowie
maszyn i urządzeń w postaci odlewów. Otrzymuje się je na drodze
odlewania stali bezpośrednio do form kształtowych. Znak poszczególnych
gatunków staliwa (wg. PN-86/H-83152) składa się z litery L na początku i
trzycyfrowej liczby określającej minimalną wytrzymałość na rozciąganie
oraz dodatkowo cyfry rzymskiej podajÄ…cej grupÄ™ staliwa.
Rozróżnia się dwie grupy staliwa węglowego konstrukcyjnego:
- grupa I  staliwa węglowe konstrukcyjne zwykłej jakości,
- grupa II  staliwa węglowe konstrukcyjne wyższej jakości.
Kryteria klasyfikacji stali PN-EN 10020:2003
Kryterium podziału Przykładowe rodzaje i grupy stali
Skład chemiczny Niestopwa (węglowa), stopowa
Podstawowe Konstrukcyjna, maszynowa, narzędziowa, o
zastosowanie szczególnych własnościach
Jakość ( m.in. Jakościowa, specjalna
Stężenie S i P)
Sposób wytwarzania Martenowska, elektryczna, konwertorowa itp.
Sposób odtleniania Uspokojona, półuspokojona, nieuspokojona
Rodzaj produktów Blachy, pręty, druty, odkuwki itp.
Postać Lana, kuta, walcowana na gorąco, walcowana na
zimno, ciÄ…gniona.
Stan kwalifikacyjny Surowy, wyżarzony normalizująco, ulepszony
cieplnie i inne
Stale węglowe (niestopowe)
" Na własności stali niestopowych (węglowych)
najistotniejszy wpływ wywiera węgiel, który
decyduje o własnościach mechanicznych.
Pozostałe pierwiastki znajdujące się w tych
stalach pochodzÄ… z przerobu hutniczego
(krzem, mangan, aluminium) lub sÄ…
zanieczyszczeniami (fosfor, siarka,tlen,
wodór, azot, cyna, antymon, arsen).
Rola domieszek
" Mangan: powoduje gruboziarnistość, minimalizuje wpływ
szkodliwej siarki
" Krzem: przeciwdziała segregacji fosforu i siarki
" Fosfor i siarka: powodują kruchość stali
" Wodór: pogarsza własności stali, powoduje powstawanie
pęcherzy i płatków śnieżnych
" Azot: powoduje spadek plastyczności
" Tlen: powoduje spadek własności mechanicznych
Stal stopowa
" Stalami stopowymi nazywa siÄ™ stale, do
których celowo wprowadza się pierwiastki
stopowe, aby nadać im wymagane
własności. Najczęściej stosuje się: mangan,
krzem, chrom, nikiel, wolfram, molibden,
wanad. Rzadziej stosuje siÄ™ aluminium,
kobalt, miedz
, tytan, tantal, niob,
a w niektórych przypadkach i azot.
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
Stale stopowe c.d.
" 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 niestopowych
(węglowych)
Stale niestopowe ze względu na klasy jakości dzielimy na:
" Jakościowe  te wszystkie, które nie zaliczają się do stali
specjalnych
" Specjalne  to takie, które spełniają jeden lub więcej z
podanych warunków:
* wymagana praca Å‚amania w stanie ulepszonym cieplnie,
* wymagana głębokość utwardzania powierzchniowego lub
twardość powierzchni po hartowaniu,
* niski udział wtrąceń niemetalicznych,
d"
* max stężenie fosforu i siarki 0,020%,
*min praca Å‚amania w -50°C: KV 27 J okreÅ›lona na
e"
e"
próbkach wzdłużnych lub 16 J na próbkach
poprzecznych,
* przewodność elektryczna wÅ‚aÅ›ciwa > 9 S·m/mm2.
Klasy jakości stali stopowych
Ze względu na klasy jakości stale stopowe
dzielimy na:
" Stale stopowe jakościowe,
" Stale stopowe specjalne  obejmujÄ… 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 gorÄ…co przeznaczone do
dalszej obróbki plastycznej na zimno,
" Stale elektrotechniczne,
" Stale stopowe z miedziÄ….
Stale stopowe specjalne
Stale stopowe specjalne dzielÄ… siÄ™ na podklasy:
" Stale maszynowe (do budowy maszyn),
" Stale na urządzenia ciśnieniowe,
" Stale konstrukcyjne,
" Stale szybkotnÄ…ce,
" 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 sÄ… na:
" Stale odporne na korozjÄ™,
" Stale żaroodporne,
" Stale odporne na pełzanie ( żarowytrzymałe)
Oznaczanie stali
ObowiÄ…zujÄ… dwa systemy oznaczania stali:
" Znakowy (wg PN-EN 10027-1:1994); znak
składa się z symboli literowych i cyfr,
" Cyfrowy (wg PN-EN 10027-2: 1994),
numer stali składa się tylko z cyfr.
Przykłady oznaczania stali wg ich składu
chemicznego
Grupa stali Składniki symbolu głównego znaku
stali
Stale niestopowe ( bez stali C i liczba oznaczająca średnie stężenie
automatowych) o średnim węgla w stali w setnych częściach % (np.
stężeniu Mn<1% C35)
Stale niestopowe o średnim Liczba oznaczająca średnie stężenie
stężeniu Mn> 1%, stale węgla w stali w setnych częściach %,
niestopowe automatowe i stale symbole chemiczne pierwiastków
stopowe (bez szybkotnących) o stopowych i na końcu liczby (rozdzielone
stężeniu każdego pierwiastka kreskami), podające średnie stężenie
stopowego <5% głównych pierwiastków stopowych (w
%) pomnożone przez odpowiedni
współczynnik (4-dla Cr, Co, Mn, Ni,
Si,W; 10-dla Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta,
Ti, V, Zr; 100- dla Ce, N, P, S, ; 1000-
dla B) (np. 33MnCrB5-2)
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 szybkotnÄ…ce HS i liczby (rozdzielone kreskami),
podające średnie stężenie (w %)
pierwiastków w kolejności: W, Mo, V,
Co (np. HS2-9-1-8)
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)
Odlewnicze stopy żelaza
Staliwa niestopowe
i staliwa stopowe
Staliwa niestopowe
" Ważnym materiałem konstrukcyjnym,
stosowanym w postaci odlewów jest staliwo
niestopowe. Otrzymuje siÄ™ je w wyniku
odlewania do form, w których krzepnie
uzyskując wymagany kształt użytkowy.
Klasyfikacja staliw niestopowych
" Staliwa niestopowe (węglowe) dzieli się na dwie
grupy podlegajÄ…ce odpowiednio odbiorowi:
1. Na podstawie własności mechanicznych
(granica plastyczności Re, granica
wytrzymałości na rozciąganie Rm, udarność KU,
przewężenie Z, wydłużenie A),
2. Na podstawie własności mechanicznych oraz
składu chemicznego
Oznaczanie staliw niestopowych
" Znak staliwa składa się z dwóch liczb
określających wyrażone w MPa wartości
minimalnej granicy plastyczności Re oraz
minimalnej wytrzymałości na rozciąganie
Rm (np. 200-400), po których w przypadku
staliw niestopowych podlegajÄ…cych
odbiorowi także na podstawie składu
chemicznego, umieszczona jest litera W
(np. 270-480W).
Skład chemiczny i własności mechaniczne
staliw niestopowych konstrukcyjnych
Maksymalne stężenie
głównych Minimalne własności mechaniczne
2)
Znak
pierwiastków , %
staliwa
A, Z, KV,
Re, Rm,
C Mn Si
MPa MPa
% % J
200-400W
1 200 400 25 40 45
230-450W 1,2 230 450 22 31 45
0,25 0,6
270-480W 1,2 270 480 18 25 22
340-550W 1,5 340 550 15 21 20
2) Pd"0,035, Ni d"0,4, Cr d"0,35, Cu d"0,4, Mo d"0,15, V d"0,05, Ni+Cr+Cu+Mo+V d"1
Oznaczanie staliw niestopowych
c.d.
" Staliwa niestopowe konstrukcyjne są także
stosowane na odlewy do pracy pod
ciśnieniem. Staliwa te poddaje się
wyżarzaniu normalizującemu (+N) lub
ulepszaniu cieplnemu (+QT). Oznaczenia
tych staliw zaczynajÄ… siÄ™ od litery G, po
czym sÄ… identyczne z oznaczeniami
odpowiadajÄ…cych im stali.
Skład chemiczny i własności mechaniczne
staliw niestopowych do pracy pod ciśnieniem
Maksymalne stężenie
głównych Minimalne własności mechaniczne
Znak staliwa
pierwiastków , %
A, KV,
Re, Rm,
C Mn Si
MPa MPa
% J
GP240GR+N 0,25 1,2 240 420 22 27
GP240GH+QT 0,23 1,2 240 420 22 40
0,6
GP280GH+QT 0,25 1,2 280 480 22 35
G17Mn5+N 0,2 1,6 240 450 24 27
1) Pd"0,03, S d"0,02, Ni d"0,4, Cr d"0,3, Cu d"0,3, Mo d"0,12, V d"0,03, Ni+Cr+Cu+Mo+V d"1
Struktura i własności staliw
niestopowych
" Własności staliw zależą głównie od stężenia
węgla.
" Staliwa szczególnie nisko- i średniowęglowe
cechują się dobrą spawalnością.
" Składnikami strukturalnymi występującymi w
staliwie niestopowym jest ferryt i perlit.
Wpływ stężenia węgla na własności
mechaniczne staliw niestopowych
700 70
Rm
600 60
Z
500 50
400 Re 40
240
300 30
A
160
200 20
KU
100 10 80
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
,
ST
ŻENIE W
GLA [%]
Z,A [%]
Re, Rm [MPa]
KU [J]
Staliwa stopowe
" Staliwa stopowe to takie, do których celowo wprowadza się
pierwiastki stopowe, aby nadać im wymagane własności.
Przeważnie stosowane są staliwa, które zawierają kilka składników
stopowych, w tym głównie Ni, Cr, Si, Mn, często dodatki Mo, V,
W, Ti, Nb, Co i B.
" Gdy łącznie stężenie dodatków nie przekracza 2,5% staliwo
uważane jest za niskostopowe, gdy jest zawarte w przedziale 2,5-
5% - za średniostopowe, a przy stężeniu większym od 5% za
wysokostopowe.
" Oznaczenie staliw stopowych rozpoczyna siÄ™ od litery G lub L, a
następujący po nich znak jest zgodny z systemem oznaczania
odpowiedniej grupy stali.
Klasyfikacja staliw stopowych
" Staliwa stopowe dzieli siÄ™ na:
1. Konstrukcyjne i maszynowe
" staliwa ogólnego przeznaczenia,
" staliwa do pracy pod ciśnieniem
w pokojowej i podwyższonej temperaturze,
" staliwa do pracy pod ciśnieniem w niskiej temperaturze,
" staliwa odporne na ścieranie
2. Staliwa stopowe narzędziowe,
3. Staliwa stopowe żaroodporne i żarowytrzymałe,
4. Staliwa stopowe odporne na korozjÄ™.
Staliwa stopowe konstrukcyjne
i maszynowe
" Staliwa te stosowane są na silnie obciążone
odlewy i cechują się wysoką wytrzymałością na
rozciąganie, przy dużej granicy plastyczności
i dużej ciągliwości.
" Skład chemiczny staliwa powinien być dobrany
tak, aby przy danej grubości ścianki odlewu
umożliwiał zahartowanie odlewu na wskroś oraz
uzyskanie jednolitych i dobrych własności
mechanicznych na całym przekroju odlewu po
ulepszaniu cieplnym.
" Dodatki stopowe w tych staliwach przede
wszystkim podnoszą ich hartowność.
Staliwa stopowe żaroodporne
i żarowytrzymałe
" Głównym składnikiem żaroodpornych staliw stopowych jest
chrom, zapewniający dużą żaroodporność.
" Staliwa żaroodporne i żarowytrzymałe dzielimy na:
1. Wysokochromowe  stosowane na odlewy mało obciążone,
pracujÄ…ce w temperaturze utleniajÄ…cej do 750-1150°C
2. Chromowo-niklowe
- ferrytyczno-austenityczne  stosowane na odlewy pracujÄ…ce w
atmosferze utleniajÄ…cej do 1100°C, odporne na dziaÅ‚anie kÄ…pieli
solnych,
- austenityczne  stosowane na odlewy pracujÄ…ce pod znacznym
obciążeniem w atmosferze utleniajÄ…cej do 900-1150°C, staliwa
wysokoniklowe mało odporne na działanie gazów ze związkami
siarki.
Orientacyjny skład chemiczny
i maksymalna temperatura pracy staliw żaroodpornych
wysokochromowych
Średnie stężenie pierwiastków *, %
Maksymalna
Znak staliwa temperatura
pracy, °C
C Si Mn Cr
GX30CrSi7 0,28 0,75 7 750
GX40CrSi24 0,4 1,8 d"1 24,5 1050
GX160CrSi18 1,6 d"1 18 900
Staliwa stopowe odporne na
korozjÄ™
" Podstawowym dodatkiem stopowym jest chrom e" 12%,
a ponadto nikiel, molibden i miedz
.
" Staliwa stopowe odporne na korozjÄ™ dzielimy na:
1. Martenzytyczne  stosowane na odlewy odporne na
korozjÄ™ atmosferycznÄ…, w parze wodnej i w wodzie
morskiej, w przemyśle chemicznym, na wały turbin
wodnych i parowych, śruby okrętowe, armatura wodna
2. Austenityczne - stosowane na odlewy odporne na
działanie kwasów organicznych, wody morskiej, pompy,
zbiorniki, rurociągi, odlewy do pracy pod ciśnieniem,
elementów kotłów parowych i innych urządzeń,
zaworów o żarowytrzymaÅ‚oÅ›ci do ok..550°C, niektóre
staliwa można stosować do -196 °C.
Staliwa stopowe odporne na korozjÄ™
c.d.
3. Austenityczno-ferrytyczne - stosowane na
odlewy o większej wytrzymałości w porównaniu
ze staliwami austenitycznymi, szczególnie
odporne na korozję naprężeniową, odlewy do
pracy pod ciśnieniem, elementy kotłów
parowych i innych urządzeń, zaworów o dużej
wytrzymałości, odlewy na zbiorniki ciśnieniowe
do ok.250°C, niektóre staliwa można stosować
do - 70 °C.
Orientacyjny skład chemiczny i własności
staliw stopowych odpornych na korozjÄ™
Temperatura
Stężenie pierwiastków, % Minimalne własności
°C
Znak
staliwa
Re, Rm, A, KV
hartowa odpusz
C Cr Ni Mo Inne
nia czania
MPa MPa % , J
950- 650-
GX12Cr12
d"0,5 12,5 d"1 d"0,5 - 450 620 15 20
1050 750
1000- 590-
GX4CrNi13-4
d"0,06 12,8 4,3 d"0,7 N d"0,2 550 760 15 50
1050 620
Odlewnicze stopy żelaza
Żeliwa niestopowe,
Żeliwa stopowe
Żeliwa niestopowe
" Żeliwo należy do materiałów odlewniczych
najpowszechniej stosowanych w budowie
maszyn. DecydujÄ… o tym niski koszt
produktów, niska temperatura topnienia,
dobre własności wytrzymałościowe oraz
dobra skrawalność.
" Żeliwo zawiera ok. 2-4% węgla (do 6,67).
Rodzaje żeliw niestopowych
" W zależności od postaci, w której występuje
węgiel, rozróżnia się żeliwa:
1. Szare, w których węgiel występuje
w postaci grafitu płatkowego,
2. Białe, w których węgiel jest związany
w cementycie,
3. Połowiczne (pstre), w których występuje
zarówno cementyt jak i grafit.
Żeliwa białe
W zależności od zawartości węgla i struktury rozróżniamy:
- żeliwa (surówki) podeutektyczne (2,11-4,3%C),
- żeliwa eutektyczne (4,3%C),
- żeliwa nadeutektyczne 4,3-6,67%C.
Żeliwa białe
Z uwagi na dużą ilość cementytu surówki i żeliwa białe są
bardzo twarde, kruche i praktycznie nieskrawalne. Również
ich właściwości odlewnicze są bardzo złe. Są z tego
powodu stosowane tylko do dalszego przetwarzania na
stale.
Żeliwa białego nie stosuje się w celu wytwarzania z nich
materiałów konstrukcyjnych.
Po obróbce cieplnej żeliwa białego możemy uzyskać tzw,
żeliwo ciągliwe które w niektórych przypadkach
wykorzystywane jest w aplikacjach inżynierskich.
Proces grafityzacji
Zagadnienie powstawania kryształów grafitu w żeliwie jest
procesem złożonym.
Mając na uwadze strukturę i skład chemiczny można
stwierdzić, że istnieje pewne podobieństwo budowy
krystalicznej austenitu oraz cementytu. Oczywistym jest
także, że struktury austenitu i grafitu różnią się w znacznym
stopniu. Różnice są jeszcze bardziej widoczne jeśli
wez
miemy pod uwagę skład chemiczny rozważanych faz
(austenit do 2,11%c; cementyt 6,67%C oraz grafit 100%C).
Mając na względzie w/w cechy można wyrazić ogólną
tendencjÄ™ do Å‚atwiejszego wydzielania siÄ™ z austenitu bÄ…dz

cieczy cementytu niż czystego węgla w postaci grafitu.
Proces grafityzacji
Z drugiej strony grafit jest fazą dużo bardziej trwałą niż
cementyt. Z tego względu mieszanina austenit-grafit ma
zdecydowanie mniejszą energię swobodną niż mieszanin
austenit-cementyt.
Czynniki termodynamiczne sprzyjają więc wydzielaniu się
węgla w układzie żelazo-węgiel w postaci grafitu jako fazy
bardziej trwałej.
W przypadku układu żelazo-węgiel należy więc uwzględnić
ten złożony proces grafityzacji
Proces grafityzacji
Zależność energii swobodnej roztworu ciekłego mieszaniny
austenit+cementyt oraz mieszaniny austenit+grafit od
temperatury
Proces grafityzacji
Poniżej temperatury 1148 C krystalizacja będzie przebiegać z
wydzielaniem siÄ™ cementytu. W zakresie temperatur 1148-
1154 wydzielanie z cieczy mieszaniny austenit+cementyt jest
niemożliwe i zauważamy wydzielanie się mieszaniny
austenit+grafit.
Analogicznie przebiegają procesy rozkładu austenitu na
mieszaninę ferrytu z cementytem lub grafitem. Ponieważ
temperatura równowagi A=F+Fe3C wynosi 727 C, a
temperatura równowagi A=F+Cgrafit wynosi 738 C,
gdzie A-austenit; F-ferryt,
Zatem w zakresie 738-727 C austenit może się rozpaść tylko
na mieszaninÄ™ ferrytu oraz grafitu
Proces grafityzacji
Ogólnie mówiąc szybkie chłodzenie sprzyja tworzeniu się
żeliwa białego (węgla związanego w cementycie) natomiast
powolne powoduje powstawanie grafitu i tym samym żeliwa
szarego. Dzięki zjawisku grafityzacji, w tym samym materiale
możemy zauważyć różnego typu strukturę tj. przy ściankach
odlewu, gdzie ciepło jest bardziej intensywnie odbierane
będziemy mieli strukturę żeliwa białego, a we wnętrzu odlewu
strukturę żeliwa szarego.
Typowe struktury żeliw
perlit
[C] cementyt [Fe3C]
perlit [P]
II
I
IIa
P+C
grafit [G]
P+C+G P+G
ferryt [F]
grafit sferoidalny węgiel żarzenia
IV V
IIb III
perlit ferryt
P+F+
grafit F+G F+Cżarz
P+G
G
.
I- białe, IIa- połowiczne, II- szare perlityczne, IIb- szare ferrytyczno-perlityczne,
III- szare ferrytyczne, IV- sferoidalne, V- ciÄ…gliwe
Struktura żeliwa szarego
W żeliwie szarym rozróżnia się następujące składniki
strukturalne:
-osnowÄ™ metalicznÄ…,
-grafit,
-eutektykÄ™ fosforowÄ…,
-wtrÄ…cenia niemetaliczne.
Struktura żeliwa szarego
W zależności od osnowy metalicznej możemy wyróżnić:
1) Żeliwa ferrytyczne (ferryt i grafit)
2) Żeliwa ferrytyczno-perlityczne (ferryt, perlit i grafit)
3) Żeliwa perlityczne (perlit i grafit)
Osnowa metaliczna żeliw podobna jest do stali. Różnicą jest
występowanie w żeliwie wtrąceń grafitowych co powoduje
zasadnicze różnice we właściwościach mechanicznych stali i
żeliw
Wpływ grafitu
Grafit wpływa zasadniczo na właściwości żeliwa szarego.
Może on występować w trzech podstawowych postaciach:
" Grafitu płatkowego o kształcie żyłek lub pasemek (tego
typu grafit występuje zazwyczaj w klasycznym żeliwie
szarym),
" Grafit sferoidalny o kształcie kulistym, występujący w
żeliwie sferoidalnym,
" Grafit kłaczkowy o kształcie zwartym lecz nie kulistym
(tzw. węgiel żarzenia występujący w żeliwie ciągliwym)
Wpływ grafitu
Kształt różnych postaci grafitu;
płatkowy, kłaczkowy, sferoidalny
Wzorce kształtu grafitu
wg PN-EN ISO 945:1999
Wpływ grafitu
Grafit jest niemetalicznym składnikiem strukturalnym
żeliwa powodującym jego nieciągłości. Jego wpływ na
właściwości mechaniczne żeliwa jest zdecydowanie ujemny.
Wytrzymałość żeliwa jest niższa niż stali a ponadto żeliwo
cechuje się kruchością (niewielką plastycznością)
Wpływ grafitu na właściwości mechaniczne żeliwa jest tym
większy im jest go więcej. W praktyce stosuje się żeliwa o
zawartości węgla do 4% w tym 3% grafitu.
Na właściwości żeliwa wpływ poza zawartością grafitu ma
także jego kształt, wielkość i sposób rozmieszczenia.
Wpływ grafitu
Najlepsze właściwości mechaniczne ma żeliwo, w którym
występuje stosunkowo mało grafitu w postaci drobnych
odosobnionych wtrąceń. Wtedy wytrzymałość takiego
żeliwa zbliżona jest do stali.
Im wtrącenia grafitu są grubsze, tym właściwości żeliwa są
gorsze. Najgorsze jest żeliwo, w którym grafit występuje w
postaci dużych płatków, które stykając się ze sobą tworzą
swoisty kruchy szkielet
Wpływ grafitu
W miarę zaokrąglenia kształtu grafitu jego ujemny wpływ
na właściwości żeliwa zmniejsza się.
Obecność grafitu w postaci kuleczek pozwala na uzyskanie
żeliwa o bardzo dobrych właściwościach mechanicznych i o
pewnych, nienajgorszych właściwościach plastycznych.
Zasadniczą zaletą grafitu jest jego pozytywny wpływ na
właściwości odlewnicze stali.
W procesie grafityzacji występuje wzrost objętości żeliwa,
który pozytywnie wpływa na procesy odlewnicze
(wypełnienie formy odlewniczej).
Wpływ grafitu
Istnienie grafitu, poprzez kruchość wióra polepsza
skrawalność żeliw.
Grafit dodatkowo zwiększa odporność na ścieranie żeliw
szarych. Często stosuje się go jako materiał na łożyska
ślizgowe.
Grafit w postaci płatków pozytywnie wpływa na
właściwości tłumiące żeliw.
Ocenę występowania grafitu przeprowadza się na zgładach
metalograficznych w stanie nie trawionym metodÄ…
porównania wg odpowiedniej normy (np. PN-75/H=04661).
Składniki chemiczne żeliwa szarego
W żeliwie szarym węglowym (niestopowym) oprócz węgla
występują:
krzem (jeden z najważniejszych dodatków - pierwiastek
sprzyjajÄ…cy grafityzacji), siarka mangan i fosfor
Na stopień grafityzacji oraz strukturę osnowy żeliwa
możemy wpływać za pomocą:
-odpowiedniego doboru zawartości węgla,
-odpowiedniego doboru zawartości krzemu,
-odpowiedni dobór prędkości chłodzenia.
Składniki chemiczne żeliwa szarego
Zależność struktury odlewu żeliwnego o grubości ścianki
50mm od zawartości węgla i krzemu
I  żeliwo białe; II  żeliwo szare perlityczne;
III  żeliwo szare perlityczne (wg Maurera)
Składniki chemiczne żeliwa szarego
Zależność struktury odlewu żeliwnego od łącznej zawartości
węgla i krzemu oraz grubości ścianki
I  żeliwo białe; II  żeliwo szare perlityczne;
III  żeliwo szare perlityczne (wg F. Greinera)
Składniki chemiczne żeliwa szarego
Zawartość krzemu w żeliwach odlewniczych waha się od
0,5-3,5 %.
Z jednej strony zwiększanie zawartości krzemu w żeliwie
osłabia wpływ prędkości chłodzenia na proces grafityzacji,
tj. nawet przy większych prędkościach chłodzenia
otrzymamy żeliwo szare, to z drugiej strony krzem sprzyja
grafityzacji w postaci grubopłatkowej, niekorzystnej.
Siarka w żeliwie szarym jest domieszką szkodliwą,
przeciwdziała grafityzacji sprzyjając zabielaniu żeliwa.
Pogarszając jakość żeliwa zwiększa także jego
gęstopłynność (złe wypełnienie formy, zwiększony skurcz i
skłonności do pęknięć). W żeliwie siarki powinno być mało
tj. 0,1-0,12 %.
Składniki chemiczne żeliwa szarego
Mangan, obecność tego pierwiastka jest pożądana ze
względu na minimalizowanie złego wpływu siarki oraz
działania odtleniającego na żeliwo. Z drugiej strony mangan
jest pierwiastkiem węglikotwórczym i przeciwdziała
grafityzacji. Jego zawartość w powszechnie stosowanych
żeliwach szarych waha się w przedziale 0,4-1,2%.
Fosfor w żeliwie szarym jest pożądanym składnikiem.
Obniża on temperaturę topnienia żeliwa i podnosi jego
rzadkopłynność. Zwyczajowo występuje w ilości 0,1-1,5%.
Nie wywiera on istotnego wpływu na proces grafityzacji.
Występuje w żeliwie w formie potrójnej eutektyki
Fe3C-Fe3P-Fe  jest ona krucha i powinna być drobna i
równomiernie rozmieszczona w strukturze żeliwa
Składniki chemiczne żeliwa szarego
Jeżeli żeliwo zawiera inne składniki (dodatki) prócz krzemu,
siarki, manganu lub fosforu, wtedy nazywamy je żeliwem
stopowym.
Oznaczanie żeliw
" Żeliw zgodnie z PN-EN 1560:2001, są oznaczane na
podstawie:
1. symboli  znak składa się liter EN-GJ, litery określającej
postać grafitu lub cementytu i jeśli to konieczne
następnej litery identyfikującej mikro lub
makrostrukturę. Następne części znaku (oddzielone od
siebie kreskami) klasyfikują żeliwo wg własności lub
składu chemicznego,
2. lub numerów  oznaczenie to zaczyna się od liter EN-J,
następnie jest litera określająca strukturę (zwłaszcza
postać grafitu) i czterocyfrowy numer, np. EN-JS1131
" Wg norm krajowych oznaczenia żeliw zaczynają się od
litery Z.
Klasyfikacja żeliwa szarego
" Szare zwykłe
" Modyfikowane za pomocÄ… 0,1-0,5% Fe-
Si,Ca-Si,Al
" Sferoidalne, modyfikowane za pomocÄ… Mg
lub Ce
Klasyfikacja żeliwa szarego
Własności mechaniczne wybranych
żeliw sferoidalnych
Warunki wytwarzania i struktura
żeliw ciągliwych
Wpływ grafitu na własności
żeliw - podsumowanie
" Grafit powoduje zmniejszenie własności
wytrzymałościowych żeliwa i zmianę niektórych innych
własności, a szczególnie:
1. Działa jako karb wewnętrzny, stanowiąc nieciągłości w
metalu, zmniejsza skurcz odlewniczy,
2. Polepsza skrawalność,
3. Zwiększa własności ślizgowe,
4. Sprzyja tłumieniu drgań,
5. Powoduje zmniejszenie wytrzymałości zmęczeniowej.
Wpływ domieszek na proces
grafityzacji - podsumowanie
" GrafityzacjÄ™
1. UÅ‚atwiajÄ…  krzem i fosfor,
2. UtrudniajÄ…  mangan i siarka.
Wpływ szybkości chłodzenia na
strukturę i własności żeliw
" Wraz ze zwiększeniem grubości ścianek odlewu
zwiększa się ilość i grubość płatków
wydzielonego grafitu, co powoduje zmniejszenie
własności wytrzymałościowych.
" Zapobiega siÄ™ temu zjawisku poprzez
zmniejszenie stężenia węgla i krzemu oraz innych
pierwiastków grafityzujących
w żeliwie
Porównanie własności żeliw niestopowych
Główne Rm, Re, Rc, Rg.
Grupa żeliw Struktura A, % HB Cechy eksploatacyjne
składniki MPa MPa MPa MPa
2,75% C
Nisko- 250- 450- 500-
Znaczna kruchość, twardość,
- 0 -
Ledeburyt
węglowe 300 550 700
1% Si
i odporność na ścieranie, zła
przemie-
Białe
obrabialność, używane do
3,25% C
Wysoko- 300- 450- 450-
niony
- 0 -
produkcji żeliwa ciągliwego.
węglowe 450 600 500
0,25% Si
Grafit
płatkowy w 125- 100-
Niewielka wytrzymałość
Ferrytyczne 85-140 0,5-1
osnowie 200 150
i plastyczność, dobra lejność
ferrytycznej
3,25% C
Szare 600- 350- i obrabialność, duża zdolność do
zwykłe 800 450 tłumienia drgań, niski koszt
2% Si
Grafit
wytwarzania, powszechne
płatkowy w 150- 100- 180-
Perlityczne 0,5
zastosowanie
osnowie 250 200 240
perlitycznej
Mała wrażliwość struktury na
Drobne płatki
Szare grubość ścianki odlewu, gorsza
2,75% C
grafitu w 300- 200- 210- 750- 450-
modyfiko Perlityczne 0,5 lejność i obabialnośc oraz wyższy
osnowie 400 275 320 1000 650
2,25% Si
wane koszt wytwarzania niż żeliwa
perlitycznej
szarego zwykłego
Grafit kulisty
400- 200- 130- 750- 900-
Ferrytyczne w osnowie 10-25
450 300 170 900 950
Dobre własności mechaniczne
ferrytycznej
3,5% C
Sferoidal
i plastyczne, ,dobra lejność, liczne
ne
2% Si
Grafit kulisty
zastosowania
600- 300- 240- 1000- 900-
Perlityczne w osnowie 3
750 400 290 1250 1000
perlitycznej
Powierzchniow 350- 280- 120-
Białe 5-10 - --
o odwęglona 450 320 220
Dobra wytrzymałość plastyczność
2,5% C
Ciągliwe i odporność na obciążenia dynamiczne,
Węgile żarzenia
0,8% Si
300- 260- 110- liczne zastosowania
Czarne w osnowie 10-20 - -
400 300 190
ferrytu
Żeliwo szare niestopowe
Żeliwa szare niestopowe możemy podzielić na trzy grupy:
1) Żeliwa zwykłe maszynowe,
2) Żeliwa modyfikowane,
3) Żeliwa sferoidalne
Żeliwa szare ferrytyczne, którego osnowa jest ferrytem ma
niską wytrzymałość, jest łatwo obrabialne i ma małą
odporność na ścieranie.
W miarę wzrostu udziału perlitu jego właściwości
wytrzymałościowe stopniowo rosną
Żeliwo szare niestopowe
Żeliwo perlityczne ma twardość 200-240 HB i wytrzymałość
na rozciąganie około 300MPa.
Oceny jakości żeliwa szarego dokonuje się na podstawie
próby rozciągania.
Według popularnej normy PN-92/H-83101, dotyczącej
żeliwa szarego zwykłego i modyfikowanego, poszczególne
klasy żeliwa oznacza się symbolem Zl oraz trzycyfrową
liczbą określającą minimalną wytrzymałość na rozciąganie.
Zl300 oznacza przykładowo żeliwo szare o minimalnej
wytrzymałości na rozciąganie Rm=300 MPa.
Żeliwo szare niestopowe
- modyfikowane
Podwyższenie właściwości mechanicznych żeliwa można
uzyskać za pomocą wprowadzenia przed odlewaniem do
ciekłego metalu niewielkich ilości modyfikatorów
(żelazokrzemu lub wapniokrzemu w ilości 0,1-0,5%)
Modyfikatory powodują rozdrobnienie struktury żeliwa,
zwłaszcza grafitu oraz umożliwiają otrzymanie jednorodnej
struktury nawet w odlewach o stosunkowo grubej ściance.
Modyfikatory nie wpływają na właściwości plastyczne
żeliwa szarego, które pozostają bardzo złe.
Żeliwo szare niestopowe
- sferoidalne
Żeliwo, w którym wydzielenia grafitu mają postać
regularnych bÄ…dz
nieregularnych sfer nosi nazwę żeliwa
sferoidalnego.
Żeliwo szare niestopowe
- sferoidalne
Tego rodzaju postać grafitu powoduje najmniejsze
pogorszenie właściwości mechanicznych i dlatego żeliwo
sferoidalne ma dobre właściwości wytrzymałościowe oraz
pewne właściwości plastyczne.
SferoidyzajcÄ™ grafitu uzyskuje siÄ™ poprzez dodanie do
ciekłego metalu magnezu i jego stopów.
Właściwości mechaniczne żeliwa sferoidalnego zależą
głównie od jego osnowy metalicznej (ferrytycznej,
ferrytyczno-perlitycznej lub perlitycznej)
Żeliwo szare niestopowe
- sferoidalne
Podstawą klasyfikacji żeliwa sferoidalnego zgodnie z PN-
92/H-83123 są właściwości mechaniczne.
Znak żeliwa składa się z symbolu Zs, wskazującego na
żeliwo sferoidalne oraz liczby gatunku, w której trzy
pierwsze cyfry oznaczają minimalną wytrzymałość na
rozciąganie, jedna lub dwie pozostałe  minimalne
wydłużenie
Zs 400-12  żeliwo sferoidalne o minimalnej wytrzymałości
na rozciąganie 400 MPa i minimalnym wydłużeniu A=12%
Żeliwo szare niestopowe
- sferoidalne
Żeliwo o osnowie ferrytycznej (np. Zs 370-17) cechuje się
lepszą plastycznością i gorszymi właściwościami
wytrzymałościowymi niż żeliwo perlityczne (np. Zs 700-02).
Dzięki bardzo dobrym właściwościom wytrzymałościowym
żeliwo sferoidalne jest popularnym materiałem
konstrukcyjnym. Jest ono atrakcyjne zwłaszcza biorąc pod
uwagÄ™ aspekt ekonomiczny.
Z żeliwa sferoidalnego wykonuje się wiele części
maszynowych m.in. wały korbowe, koła zębate, walce,
pierścienie tłokowe, rury, części aparatury
Żeliwo szare ciągliwe
Żeliwo ciągliwe uzyskuje się poprzez wyżarzanie
grafityzujące odlewów z żeliwa białego, w czasie którego
cementyt ulega rozpadowi z wydzieleniem wolnego węgla
(grafitu), zwanego węglem żarzenia.
Warunki wytwarzania i struktura
żeliw ciągliwych
Fe3C3Fe+C
I stopień graf.
II stopień graf.
czas
temperatura
Żeliwo szare ciągliwe
Osnowa metaliczna żeliwa ciągliwego jest analogiczna jak w
przypadku stali a węgiel żarzenia występuje w postaci
zwartych postrzępionych skupień. Taka struktura jest lepsza
pod względem wytrzymałości mechanicznej niż struktura
zawierająca grafit płytkowy.
Żeliwo ciągliwe ma dobre właściwości mechaniczne i
wykazuje pewną plastyczność.
Z żeliwa ciągliwego wytwarza się wiele części
maszynowych, zwłaszcza samochodowych, rolniczych,
włókienniczych, kolejowych, armatury itp.
Żeliwo szare ciągliwe
Można wyróżnić żeliwo ciągliwe:
- białe,
- czarne,
- perlityczne.
Żeliwo ciągliwe białe otrzymuje się poprzez wyżarzanie
odwęglające gotowych odlewów z żeliwa białego w temp.
950-1000 C przez okres 60-90 godzin z następnym
studzeniem. W wyniku takiej obróbki, wierzchnia warstwa
(ok.. 3-5 mm) zostaje odwęglona i ma strukturę ferrytyczną.
Głębiej występuje struktura ferrytyczno-perlityczna z węglem
żarzenia. Przełom takiego żeliwa jest biały. Gradientowa
struktura jest niekorzystna, więc tego typu materiały stosuje
siÄ™ na przedmioty drobne. Oznaczenie (Zcb)
Żeliwo szare ciągliwe - czarne
Żeliwo ciągliwe czarne otrzymuje się przez wyżarzanie
grafityzujące odlewów z żeliwa białego w atmosferze
obojętnej.
Wyżarzanie składa się z dwóch etapów:
-początkowego wygrzewania odlewów w temp. 900-1050 C w
celu rozłożenia wolnego cementytu, przez około 15 godz.,
-dalszego wygrzewania w temp. niższych przez 40-70 godzin
w czasie którego następuje rozkład cementytu wtórnego i
eutektoidalnego.
Żeliwo takie ma strukturę ferrytyczną z zaokrąglonym węglem
żarzenia. Przełom czarny; oznaczenie Zcc.
Żeliwo szare ciągliwe - perlityczne
Żeliwo ciągliwe perlityczne otrzymuje się podobnie jak żeliwo
czarne, przez wyżarzanie odlewów z żeliwa białego w
atmosferze obojętnej. W tym przypadku nie kończy się jednak
procesu pełnej grafityzacji. Cementyt perlitu nie ulega
grafityzacji i osnowę metaliczną tego typu żeliwa stanowi
perlit.
Proces wyżarzania grafityzującego polega na nagrzaniu
odlewu do temp. 900-1050 C i po kilkunastu godzinach
wygrzewania stosunkowo szybko przeprowadza siÄ™ proces
chłodzenia.
Węgiel żarzenia występuje na tle perlitu. Żeliwo perlityczne
ma dobrą wytrzymałość i odporność na ścieranie (ozn. Zcp).
Żeliwo zabielone
Elementy od których wymagana jest duża odporność na
ścieranie (bębny młynów, części kruszarek), wykonuje się z
żeliwa zabielonego. Warstwa wierzchnia takiego żeliwa jest
żeliwem białym o dużej twardości i odporności na ścieranie.
Rdzeń jest żeliwem szarym.
Zabielenie warstwy wierzchniej otrzymuje siÄ™ przez
kontrolowany przebieg procesu chłodzenia, tj. przez
wstawianie do form odlewniczych specjalnych wkładek
metalowych.
Rośnięcie żeliwa
Elementy żeliwne pracują stabilnie w temp. poniżej 400 C.
Powyżej tych temperatur, zwłaszcza przy cyklicznym
obciążeniu cieplnym następuje stopniowy rozpad cementytu,
któremu towarzyszy zwiększenie objętości materiału i
rozluz
nienie osnowy metalicznej. Powstają w ten sposób
mikroszczeliny. W miejscach mikropęknięć następuje
równocześnie przepływ gorących gazów powodujących
degradację żeliwa na skutek jego utleniania. Zjawisko to
nazywa się rośnięciem żeliwa.
Żeliwa stopowe
" Do żeliw stopowych są wprowadzane dodatki stopowe,
występujące oprócz domieszek.
" Pierwiastki te sÄ… dodawane w celu polepszenia
własności użytkowych żeliwa, a w szczególności:
1. Zwiększenia własności mechanicznych,
2. Zwiększenia odporności na ścieranie,
3. Polepszenia odporności na działanie korozji
elektrochemicznej,
4. Polepszenia odporności na działanie korozji gazowej
w podwyższonej temperaturze,
5. Polepszenia własności fizycznych np. magnetycznych
lub elektrycznych.
Oznaczanie żeliw stopowych
" Zgodnie z PN-88/H-83144 znak żeliwa
stopowego szarego lub połowicznego
rozpoczyna się literami - Zl, białego  Zb,
sferoidalnego  Zs, po czym podane sÄ…
symbole pierwiastków stopowych i liczby
określające średnie stężenie pierwiastka
w żeliwie.
Żeliwa stopowe o podwyższonej
odporności na ścieranie
" Głównymi pierwiastkami stopowymi
znajdującymi się w stopach o podwyższonej
odporności na ścieranie są:
1. Dla żeliw niskostopowych: Ni, Cr, Cu, Mo, V,
Ti, W (Å‚Ä…cznie < 3%),
2. Dla żeliw średniostopowych: Ni, Cr, Al, Si
(A
Ä…cznie 3-20%),
3. Dla żeliw wysokostopowych Ni, Cr, Al, Si, Mn
( Å‚Ä…cznie >20%)
Żeliwa stopowe o podwyższonej
odporności na ścieranie
" Żeliwa niskostopowe stosowane są na elementy maszyn o
dobrej odporności na ścieranie, na działanie podwyższonej
temperatury, a także spalin i wód naturalnych, np.
elementy silników, pomp, sprężarek, koła zębate.
" Żeliwa średnio i wysokostopowe stosuje się na elementy
pracujące w cięższych warunkach, silnie obciążone
elementy maszyn, w przemyśle energetycznym,
transporcie pneumatycznym, części pomp szlamowych,
łopatki turbinowe, odlewy odporne na ścieranie w
warunkach obciążeń udarowych.
Żeliwa stopowe żaroodporne
i żarowytrzymałe
" Wyróżniamy następujące żeliwa stopowe żaroodporne:
1. Chromowe  (0,6-3%) odlewy pracujÄ…ce w
temperaturze do ok. 550-650°C, np. elementy
konstrukcyjne pieców, palenisk, aparatury chemicznej,
niektóre elementy silników,
2. Krzemowe  (4,5-6%) odlewy pracujÄ…ce w temp. do
ok. 700°C, np. retorty, ruszty,
3. Aluminiowe  (3-8%) odlewy pracujÄ…ce w atmosferze
utleniajÄ…cej w temperaturze do ok. 750-800 °C, np.
elementy kotłów, tygle do topienia stopów metali
lekkich, elementy aparatury chemicznej,
Żeliwa stopowe żaroodporne
i żarowytrzymałe c.d.
4. Wysokochromowe - (25-34%) odlewy pracujÄ…ce w
atmosferze utleniajÄ…cej w temperaturze do ok. 1100 °C,
żeliwa odporne na ścieranie oraz działanie niektórych
czynników korozyjnych,
5. Wysokoniklowe  (18-22%) odlewy odporne na
utlenianie i obciążenia mechaniczne w temp. do ok. 800
°C, np. elementy aparatury chemicznej, pomp, elementy
pieców oraz żeliwo odporne na działanie niektórych
czynników korozyjnych.
" Żarowytrzymałość ulega znacznemu zwiększeniu
prze dodatek Mo.
Żeliwa stopowe odporne na
korozjÄ™
" Zwiększenie odporności na korozję w szczególności
powodujÄ… Si, Cr i Ni,
" Wyróżniamy następujące żeliwa stopowe odporne na
korozjÄ™:
1. Krzemowe (14-16%)  odlewy o wysokiej odporności
na korozję w stężonych i rozcieńczonych kwasach oraz
roztworach soli, mało obciążone mechanicznie np.
elementy pomp i armatury chemicznej,
2. Niklowo  miedziowe (13,5-17,5 % Ni, 5,5-7,5%Cu) 
odlewy odporne na działanie kwasu siarkowego,
kwasów organicznych, zasad ( z wyjątkiem amoniaku),
roztworów soli i gazów utleniających w temp. do ok.
700 °C, w przemyÅ›le chemicznym, maszynowym,
naftowym i okrętowym,
Żeliwa stopowe odporne na korozję
c.d.
3. Wysokoniklowe sferoidalne  (18-32%) 
odlewy odporne na działanie zasad,
rozcieńczonych kwasów, roztworów soli i
gazów utleniajÄ…cych w temp. ok. 800 °C, np.
pompy, zawory, obudowy turbo-zespołów,
kolektory spalin,
4. Wysokoniklowe  szare (18-22%) - odlewy
odporne na działanie większości kwasów, zasad
i soli oraz na utlenianie w temp. do ok. 800 °C,
w przemyśle chemicznym, papierniczym,
maszynowym, hutniczym
i spożywczym,
Żeliwa stopowe odporne na korozję
c.d.
5. Wysokochromowe  (25-34%) 
odlewy elementów odpornych na działanie
roztworów kwasów, zasad i soli oraz
czynników utleniających w temp. do ok.
1100 °C, w przemyÅ›le chemicznym
i spożywczym.
Żeliwa stopowe do pracy w niskiej
temperaturze (w zakresie do - 200 °C)
" Do pracy w niskiej temp. stosowane są żeliwa
o strukturze austenitycznej, np.
EN-GJSA-XNiMn23-4, (EN-GJSA - żeliwa sferoidalne)
" Orientacyjny skład chemiczny i własności mechaniczne
żeliw austenitycznych do pracy
w niskiej temperaturze:
Skład chemiczny: C (2,2 -3), Si (1,7-3),
Mn (0,7-4,4), Ni (18-24), Cr (d"4), Cu (d"3,4),
V (d"0,5)
Własności mechaniczne: Rm (380-500 MPa),
A (6-45%), HB (130-250), KCU (20-40 J/cm2)
OBRÓBKA CIEPLNA
Rola i znaczenie obróbki cieplnej
Obróbka cieplna jest połączeniem wielu zabiegów mających
na celu zmianę struktury materiału w stanie stałym i nadanie
mu pożądanych właściwości fizycznych (mechanicznych,
chemicznych).
Jako środek do tego celu stosuje się podnoszenie lub obniżanie
temperatury danego materiału oraz pewne procesy dodatkowe:
cieplno-chemiczne, cieplno-plastyczne i cieplno-magnetyczne.
Stopy żelaza są tak popularne właśnie ze względu na
możliwości zmiany ich właściwości za pomocą odpowiednio
przeprowadzonej obróbki cieplnej
Związek pomiędzy układami równowagi
fazowej a obróbką cieplną
Układy równowagi fazowej nie uwzględniają wpływu czasu
na przebieg przemian. Mimo to dużo mówią nam o
potencjalnych możliwościach zastosowania obróbki cieplnej
dla danego materiału.
Związek pomiędzy układami równowagi
fazowej a obróbką cieplną
W stopach a) gdzie nie zachodzą żadne przemiany w stanie
stałym nie przeprowadza się obróbki cieplnej
W stopach b) występuje zmienna rozpuszczalność w stanie
stałym. Możemy więc nagrzać materiał i szybko następnie go
ochłodzić otrzymując roztwór przesycony
W stopach c) występują przemiany alotropowe
umożliwiające obróbkę cieplną ze zmiennymi prędkościami
chłodzenia
Związek pomiędzy układami równowagi
fazowej a obróbką cieplną
Dla obróbki cieplnej stopów żelaza zasadnicze znaczenie ma
powyższy fragment układu żelazo-cementyt. Po nagrzaniu
powyżej temp. austenityzowania otrzymuje się żelazo ł, co
łączy się ze zmianą sieci krystalicznej żelaza. W zależności
od prędkości chłodzenia otrzymuje się różne struktury.
Pojęcia podstawowe
Zabieg obróbki cieplnej to określony zespół czynności
nagrzewania, wygrzewania i chłodzenia obrabianego stopu.
Nagrzewanie polega na podnoszeniu temperatury do
wysokości przewidzianej dla danej obróbki cieplnej.
Wygrzewanie polega na utrzymywaniu temperatury
odpowiadającej danemu zabiegowi obróbki cieplnej w czasie
potrzebnym do wyrównania temperatury w całym przekroju
przedmiotu obrabianego.
Chłodzenie jest to obniżanie temperatury przedmiotu do
temperatury otoczenia lub innej określonej warunkami
zabiegu.
Pojęcia podstawowe
Pojęcia podstawowe
Pojęcia podstawowe
Zabiegi obróbki cieplnej dzieli się na:
-obróbkę cieplną zwykłą,
-obróbkę cieplno-chemiczną,
-obróbkę cieplno-plastyczną,
-obróbkę cieplno-magnetyczną.
Pojęcia podstawowe
Obróbka cieplna
stali
Wyżarzanie Hartowanie Przesycanie
Z przemianÄ… fazowÄ… Bez przemiany Odpuszczanie Starzenie
Przemiany przy nagrzewaniu
Przy nagrzewaniu stali, po osiągnięciu temp. Przemiany
eutektoidalnej (727 C) zachodzi przemiana perlitu w austenit.
Wprzypadku stali podeutektoidalnych
pozostały ferryt ulega przemianie na
austenit. Proces ten kończy się wraz
Z osiągnięciem temp. Ac3. W stalach
nadeutektoidalnych po przemianie
Perlitu w austenit podczas dalszego
Ogrzewania rozpuszcza siÄ™ cementyt
Wtórny co trwa aż do temp. Ac cm.
W obu przypadkach otrzymuje siÄ™ struktu austenitycznÄ….
Przemiany przy nagrzewaniu
Przemiana perlitu w austenit polega na:
- powstaniu zarodków austenitu na granicy pomiędzy
cementytem a perlitem. Przemiana alotropowa zachodzi
szybciej niż rozpuszczanie węglików, więc po
wyczerpaniu ferrytu pozostajÄ… jeszcze w strukturze stali
resztki węglików, które stopniowo się rozpuszczają w
austenicie,
- ujednorodnieniu austenitu.
Z tego względu proces przemiany perlitu ma trzy etapy:
1) Przemiana perlitu w niejednorodny austenit,
2) Rozpuszczanie się resztek węglików,
3) Ujednoradnianie austenitu.
Powstawanie austenitu podczas
nagrzewania
Przemiany przy nagrzewaniu
Przemiana perlitu w austenit zachodzi w temp. eutektoidalnej
tylko w przypadku bardzo wolnego nagrzewania.
Przemiany przy nagrzewaniu
Nagrzewanie ciągłe (stal 0,7% C
Wygrzewanie izotermiczne
Im wyższa jest szybkość nagrzewania, tym wyższy jest
zakres temperatury w którym zachodzi przemiana perlitu w
austenit i tym większa jest szybkość tej przemiany
Wielkość ziarna w stali
Ziarno występujące we wlewku to ziarno pierwotne. Ulega
ono przemianie na skutek obróbki cieplno-plastycznej i to
ostateczne ziarno nazywa siÄ™ ziarnem rzeczywistym.
Właściwości stali w dużym stopniu zależą od wielkości
ziarna, które to ze względu na aspekt wytrzymałościowy
powinny być małe.
Przemianie perlitu w austenit towarzyszy rozdrobnienie
ziarna. Dopiero w trakcie dalszego nagrzewania następuje
rozrost ziaren spowodowany zmniejszaniem energii
powierzchniowej, która jest tym większa im mniejsze są
ziarna i bardziej rozwinięte są ich granice
Wielkość ziarna w stali
Wielkość ziarna w stali
Po ochłodzeniu stali podeutektoidalnych lub
nadeutektoidalnych na tle perlitu występuje siatka ferrytu lub
cementytu, której przebieg odpowiada granicom ziarn
austenitu.
Skłonność ziarna austenitu do rozrostu pod wpływem
temperatury i czasu określamy pojęciem przegrzewalności.
IstniejÄ… stale drobnoziarniste (stopowe) i stale
gruboziarniste.
Wielkość ziarna w stali
Kinetyka przemiany austenitu
Poniżej temperatury eutektoidalnej austenit staje się fazą
nietrwałą i ulega przemianie w perlit.
Im większy jest stopień przechłodzenia austenitu, tym
większa jest różnica pomiędzy energiami swobodnymi
austenitu i perlitu.
Z obniżeniem temperatury maleje jednak szybkość procesów
dyfuzyjnych co wpływa hamująco na tę przemianę.
W wyniku tych procesów zauważa się, że początkowo
szybkość przemiany austenitu wzrasta wraz ze wzrostem
stopnia przechłodzenia, osiągając maksimum w temp około
550 C, po czym maleje osiągając wartość równą zeru w
temperaturze około 200 C.
Kinetyka przemiany austenitu
Zgodnie z układem żelazo-węgiel, przy chłodzeniu stali
podeutektoidalnych przemianÄ™ poprzedza wydzielanie siÄ™
ferrytu, a nadeutektoidalnych cementytu wtórnego.
Przemiana może zachodzić w warunkach izotermicznych i
ciągłego chłodzenia.
Kinetyka przemiany austenitu  izotermiczna
przemiana austenitu
Zachowanie siÄ™ austenitu w warunkach izotermicznych
obrazujÄ… krzywe: procent przemiany  logarytm czasu
Po przechłodzeniu austenitu do pewnej temperatury występuje
pewien okres inkubacji przemiany  okres trwałości austenitu
lub okres inkubacyjny.
Kinetyka przemiany austenitu  izotermiczna
przemiana austenitu
Kinetyka przemiany austenitu  izotermiczna
przemiana austenitu
Nanosząc punkty początki i końca
przemiany w danej temperaturze
otrzymuje siÄ™ tzw przebiegi linii
wykresu izotermicznego rozkładu
austenitu CTPi.
Kinetyka przemiany austenitu  izotermiczna
przemiana austenitu
Wykres CTPi dla
stali o zawartości
wegla 0,8%.
Czasami na
wykresach nanosi
się także linie
oznaczające stopień
przemiany (25%,
50%, 75%);
Linia przerywana 
50% przemiany
Kinetyka przemiany austenitu  izotermiczna
przemiana austenitu
Z wykresu można wywnioskować:
-blisko temp. 727C trwałość austenitu
jest duża i mała szybkość przemiany,
-ze wzrostem stopnia przechłodzenia
szybkość przemiany znacznie wzrasta
osiÄ…gajÄ…c max. ok. 550-600 C, gdzie
też czas inkubacji jest najkrótszy
-w miarę dalszego obniżania temp.
szybkość przemiany austenitu maleje,
-poniżej poziomu linii oznaczonej Ms
przemiana ma inny charakter
Kinetyka przemiany austenitu  izotermiczna
przemiana austenitu
Ze względu na charakter
zachodzących zmian możemy
wyróżnić 3 następujące zakresy:
1) Od temp. 727 C do 550-600, w
którym zachodzi przemiana
perlityczna
2) Od 550-600 do temp Ms w której
zachodzi przemiana bainityczna
3) Zakres poniżej Ms w którym
zachodzi przemiana
martenzytyczna
Krzywe CTP
Przemiany w stali podczas chłodzenia
" Perlityczna
" Bainityczna
" Martenzytyczna
Przemiana perlityczna
" Zachodzi przy ochłodzeniu austenitu nieznacznie poniżej
temperatury Ar1
" Perlit: mieszanina eutektoidalna złożona z płytek ferrytu
oraz cementytu
" Przemiana dyfuzyjna zwiÄ…zana z przegrupowaniem
atomów węgla, zachodząca przez zarodkowanie i wzrost
zarodków
" Zarodkowanie heterogeniczne na czÄ…stkach cementytu,
płytkach ferrytu, a w austenicie na granicach jego ziarn
" Kolejno tworzenie płytek cementytu i ferrytu
Morfologia perlitu:
" utworzone kolonie perlitu majÄ…
kształt kulisty,
" grubość płytek cementytu jest
siedmiokrotnie mniejsza od
grubości płytek ferrytu,
" grubości płytek są prawie stałe w
stałej temperaturze i nie zależą od
wielkości ziarna,
" obniżaniu temperatury towarzyszy
zmniejszanie się odległości między
płytkami
Przemiana perlityczna
Liniowa szybkość krystalizacji i liczba zarodków
krystalizacyjnych wzrastają ze stopniem przechłodzenia
austenitu osiągając maksymalne wartości w zakresie
odpowiadającym minimalnej trwałości austenitu (550-600 C).
Przemiana perlityczna
Przemiana perlityczna
Wykresy izotermicznych zmian austenitu w stalach
podeutektoidalnych i nadeutektoidalnych przebiegajÄ… w
sposób podobny jak wcześniej omówione wykresy. Róznicą
jest pojawienie siÄ™ dodatkowej linii na wykresie obrazujÄ…cej
poczÄ…tek wydzielania siÄ™ odpowiednio ferrytu oraz cementytu
wtórnego.
Im silniejsze jest przechłodzenie austenitu tym mniej wydziela
się ferrytu i cementytu wtórnego. W zakresach
odpowiadających minimalnej trwałości austenitu wydzielenia
ferrytu oraz cementytu wtórnego praktycznie zanikają.
Przemiana martenzytyczna
Przemiana austenitu poniżej temp. Ms ma zupełnie inny
charakter. Ruchliwość atomów w tej temp. jest bardzo mała i
dyfuzja węgla praktycznie nie zachodzi. Następuje więc tylko
przebudowa sieci przestrzennej żelaza ł na żelazo ą bez
zmiany koncentracji węgla w roztworze stałym.
Tego rodzaju przemianÄ™ bezdyfuzyjnÄ… nazywamy przemianÄ…
martenzytycznÄ… a otrzymanÄ… strukturÄ™ matrenzytem.
Martenzyt to przesycony roztwór stały węgla w żelazie ą.
Obecność nadmiernej ilości atomów węgla powoduje
zniekształcenie sieci żelaza ą, tak że przyjmuje ona postać
tetragonalną. Martenzyt więc cechuje się znaczną twardością
ale też dużą kruchością.
Przemiana martenzytyczna
Martenzyt ma też największą objętość właściwą ze
wszystkich produktów przemiany austenitu. Przemiana
austenitu w martenzyt wymaga zaledwie nieznacznego
przesunięcia atomów żelaza. Istnieje duża zależność
krystalograficzna pomiędzy sieciami przestrzennymi
macierzystego austenitu i powstałego martenzytu.
Przemiana martenzytyczna
Krystalografia przemiany martenzytycznej
Przemiana martenzytyczna
Kryształy martenzytu mają kształt płytek o niewielkiej
grubości. Pod mikroskopem mają kształt charakterystycznych
igieł.
Przemiana martenzytyczna
Przemiana martenzytyczna zachodzi po przechłodzeniu
austenitu poniżej temperaturt Ms, temp. początku przemiany
martenzytycznej.
Przemiana rozpoczyna siÄ™ natychmiast i polega na
powstawaniu ciągle nowych kryształów bez ich dalszego
rozrostu. Wielkość płytek martenzytu zależy od wielkości
ziaren austenitu.
Przemiana martenzytyczna przebiega w warunkach
ciągłego chłodzenia.
Ilość wytworzonego martenzytu jest przede wszystkim
funkcjÄ… temperatury.
Przemiana martenzytyczna
Przemiana martenzytyczna zaczyna się w temp. Ms i każdej
niższej temperaturze odpowiada określony stopień przemiany
austenitu w martenzyt. Kończy się ona w temp. Mf.
Ponieważ objętość właściwa martenzytu jest większa niż
austenitu, austenit podczas przemiany poddany jest
naprężeniom ściskającym, co w końcu prowadzi do
zakończenia przemiany. Pewna ilość austenitu zostaje w ten
sposób nie przemieniona (austenit szczątkowy).
Temperatura początku i końca przemiany austenitycznej
zależy od zawartości węgla i składu chemicznego stali.
Przemiana martenzytyczna
Przemiana martenzytyczna
Przemiana martenzytyczna
Wytrzymywanie stali w stałej temperaturze w zakresie
temperatur (Ms-Mf) nie powoduje dalszej przemiany
austenitu w martenzyt, lecz wpływa ujemnie na tę przemianę
zmniejszając zdolność austenitu do dalszej przemiany przy
póz
niejszym chłodzeniu.
Zjawisko to nosi nazwÄ™ stabilizacji austenitu.
Przemiana martenzytyczna
Przemiana bezdyfuzyjna przy dużym przechłodzeniu austenitu z
szybkoÅ›ciÄ… wiÄ™kszÄ… od krytycznej ½k. Martenzyt  przesycony roztwór
węgla w żelazie Feą. Warunek przemiany  ciągłe obniżanie temperatury
w zakresie Ms do Mf. Wartości Ms i Mf zależą od składu chemicznego
austenitu.
Przemiany przy odpuszczaniu
Martenzyt jest fazą nietrwałą. Jednakże poniżej 80 C nie
stwierdza się żadnych zmian w strukturze zahartowanej stali.
Nagrzewanie zahartowanych przedmiotów powyżej tej
temperatury powoduje zwiększenie ruchliwości atomów i
poczÄ…tkuje pewne zmiany w materiale. Proces ten nosi nazwÄ™
odpuszczania.
Przemiana bainityczna
Po przechłodzeniu austenitu do temperatury odpowiadającej
środkowemu obszarowi na wykresie CTPi (około 550-250 C)
zachodzi przemiana bainityczna.
Zawiera ona elementy przemian perlitycznej i
martenzytycznej różniąc się jednak od tych przemian. W tym
zakresie szybkość dyfuzji węgla jest już stosunkowo mała.
W takich warunkach z austenitu powstają płytki ferrytu
przesyconego węglem. Ponieważ jednak szybkość dyfuzji
węgla w żelazie ą jest znacznie większa niż w żelazie ł, z
powstałych płytek przesyconego ferrytu wydziela się
cementyt.
Przemiana bainityczna
Bainit jest mieszaniną ferrytu przesyconego węglem i
węglików. Im niższa jest temperatura, tym szybkość dyfuzji
węgla jest mniejsza i wydzielenia cementytu są drobniejsze.
Przemiana bainityczna
Morfologia bainitu
" Bainit górny: ziarna przesyconego węglem ferrytu
o nieregularnych kształtach z nieregularnymi
wydzieleniami węglików oraz austenit szczątkowy
" Bainit dolny: przesycony węglem ferryt o postaci
listwowej, zbliżony do martenzytu, płytkowe
węgliki w równoległych rzędach ściśle
zorientowane względem ferrytu oraz austenit
szczÄ…tkowy
Przemiany przy odpuszczaniu
W zakresie 80-200 C zachodzi pierwsze stadium przemiany
martenzytu polegajÄ…ce na wydzieleniu siÄ™ z przesyconego
roztworu wÄ™glika żelaza zwanego wÄ™glikiem µ. StopieÅ„
wydzielenia się węglików zależy od zawartości węgla w stali
i jest tym intensywniejszy im węgla jest więcej.
Po odpuszczaniu stali w temp do 200 C powstaje więc
struktura iglasta będąca mieszaniną ferrytu przesyconego
węglem oraz węglików na tle niezmienionego jeszcze
austenitu szczątkowego. Pozostała twardość stali to około
60-65 HRC.
Przemiany przy odpuszczaniu
Po nagrzaniu zahartowanej stali do temp 200-300 C następuje
drugie stadium odpuszczania.
W dalszym ciągu z roztworu wydzielają się węgliki, co
powoduje zmniejszanie się zawartości węgla w martenzycie.
Równocześnie zachodzi dyfuzyjna przemiana austenitu
szczÄ…tkowego w bainit. W wyniku przemiany otrzymuje siÄ™
strukturę nieznacznie przesyconego węglem ferrytu oraz
wÄ™glików µ. Twardość stali po drugim stadium odpuszczania
to około 50  55 HRC.
W miarę wydzielania się węglików powoli zmieniają się też
wymiary sieci krystalicznej martenzytu (maleje stopień jej
tetragonalności)
Przemiany przy odpuszczaniu
Podczas trzeciego etapu przemian w temperaturach 300-400C
następuje całkowite wydzielenie węgla z roztworu.
Wydzielone wcześniej węgliki ulegają przemianie w
cementyt. Uzyskana więc zostaje równowaga a otrzymana
struktura jest mieszaniną ferrytu i cementytu o twardości 40-
45 HRC.
Struktura powstała przez odpuszczanie zahartowanej stali w
temperaturach 150-400 C nazywa siÄ™ martenzytem
odpuszczonym.
Przemiany przy odpuszczaniu
W zakresie temperatur 400-650 C przebiega czwarte stadium
procesu odpuszczania.
Zachodzi w nim do zaokrÄ…glenia (koagulacji) cementytu
zwiększającej się wraz ze wzrostem temperatury.
Struktura po tym procesie składa się z ferrytu i cementytu o
kształcie globularnym i ma twardość około 30-40 HRC.
Nazywa siÄ™ jÄ… sorbitem.
Na tym etapie odpuszczania następuje całkowite usunięcie
naprężeń wewnętrznych w materiale.
Przemiany przy odpuszczaniu
Przemiany przy odpuszczaniu
Przemiany przy odpuszczaniu
Technologia zwykłej obróbki cieplnej
Nagrzewanie
Nagrzewanie materiału ma na celu podniesienie jego
temperatury do wysokości wymaganej w danym procesie.
W większości przypadków stosuje się niewielkie prędkości
nagrzewania wynoszące około 10-20 C na minutę, w celu
równomiernego nagrzewania objętości przedmiotu.
Dobór czasu grzania
Rodzaje ośrodków grzejnych
" Powietrze
" Ośrodki gazowe
" Złoża fluidalne
" KÄ…piele solne: sole chlorkowe hartownicze (chlorki baru,
sodu, wapnia oraz krzemionka lub tlenek aluminium) lub
saletrzankowe (azotany sodu, potasu, azotyn sodum
chromiany)
" Ciekłe kąpiele metalowe: bizmut, antymon, cyna i ołów
Nagrzewanie  atmosfery ochronne
Przy grzaniu w wyniku oddziaływania atmosfery pieca
zachodzi niekorzystne zjawisko utleniania materiału
obrabianego elementu. Prowadzi to do powstawania na
powierzchni obrabianego cieplnie przedmiotu zgorzeliny.
Drugim negatywnym zjawiskiem występującym w tym
procesie jest odwęglanie. Prowadzi ono do wypalania się
węgla w wierzchnich warstwach elementu i do znacznego
osłabienia jego właściwości mechanicznych.
W tym celu stosuje się zabiegi minimalizujące wpływ
wspomnianych zjawisk
Nagrzewanie  atmosfery ochronne
Do temp. 500 C zjawiska te są właściwie pomijalne.
W wyższych temperaturach obserwuje się jednak mocny
nieliniowy wzrost ich znaczenia i tak w temp. 800 C utlenianie
jest kilkadziesiąt razy większe niż w temp. 700 C.
AtmosferÄ™ nie wchodzÄ…cÄ… w reakcje chemiczne z
nagrzewanym materiałem nazywamy atmosferą ochronną.
Nowoczesne piece grzewcze mają urządzenia wyposażone w
takie atmosfery. Najlepszą atmosferą ochronną mógłby być
jeden z gazów szlachetnych (hel lub argon) jednak ważny jest
tu aspekt ekonomiczny. Stosuje się różne metody np.
nagrzewanie w szczelnych skrzyniach wypełnionych opiłkami
żeliwnymi, stosowanie powłok ochronnych (miedziowanie),
kąpiele solne lub ołowiowe bądz
piece próżniowe
Hartowanie
Hartowanie to zabieg cieplny polegajÄ…cy na nagrzaniu
przedmiotu do temp 30-50 C powyżej temperatury Ac3-Ac1,
wygrzania w tej temperaturze z następnym dostatecznie
szybkim chłodzeniem w celu otrzymania struktury
martenzytycznej lub bainitycznej.
Hartowanie
Wysokość temperatury grzania
zależy od składu chemicznego stali,
zwłaszcza od jej zawartości węgla.
Nagrzewanie stali podeutektoidalnej
powyżej Ac3 jest konieczne do
uzyskania jednorodnego austenitu.
Eliminuje się w ten sposób występowanie w strukturze
miękkiego ferrytu.
Stale nadeutektoidalne nagrzewa się tylko powyżej temp.
Ac1 i to niezależnie od zawartości węgla. Występowanie
cementytu wtórnego w w austenicie jest nawet pożądana
ze względu na fakt, że cementyt jest najtwardszym
składnikiem strukturalnym.
Hartowanie
Temperatura hartowania zależy także w niewielkim stopniu
od objętości przedmiotu obrabianego (większa dla
większych). Czas ogrzewania powinien być tak długi, aby
temp.=const. w całej objetości elementu (zwykle 30% czasu
grzania).
Szybkie chłodzenie przy hartowaniu ma na celu
przechłodzenie austenitu do zakresu temperatur przemiany
martenzytycznej (poniżej Ms).
Hartowanie
PodstawowÄ… zasadÄ… przy hartowaniu jest unikanie szybszego
chłodzenia niż to konieczne. Wraz ze wzrostem prędkości
chłodzenia występują bowiem większe naprężenia
hartownicze.
Duże prędkości chłodzenia są konieczne tylko w zakresie
odpowiadającym minimalnej trwałości austenitu (650-400
C). Zarówno w wyższych temperaturach, jak i niższych
stosuje się powolniejsze chłodzenie.
Również w zakresie przemiany martenzytycznej chłodzenie
nie musi przebiegać gwałtownie (tym niemniej musi być
ciągłe)
Hartowanie
Chłodzenie i ośrodki chłodzące
-Zabieg obróbki cieplnej polegający na odprowadzeniu ciepła
przez ośrodek chłodzący
-Rodzaje ośrodków chłodzących:
" Woda, roztwory wodne soli, zasad, polimerów
" Oleje hartownicze
" KÄ…piele solne i metalowe
" TÅ‚uszcze
" Powietrze i inne gazy
Zdolność chłodząca różnych ośrodków
Hartowanie - hartowność
Hartownością stali nazywamy zdolność do tworzenia
struktury martenzytycznej podczas hartowania. Określa się ją
na podstawie pomiaru grubości warstwy martenzytycznej na
przekroju hartowanego przedmiotu.
Maksymalna średnica, przy której próbka zostaje
zahartowana na wskroś nazywa się średnicą krytyczną.
Hartowanie - hartowność
Hartowanie - hartowność
Na hartowność stali wpływają następujące ważniejsze
czynniki:
-skład chemiczny stali, zwłaszcza zawartość węgla i
składników stopowych; hartowność jest większa dla stali o
większej zawartości węgla,
-dodatki intensyfikatorów, np. dodatke niewielki boru
zwiększa głębokość hartowania około 5 razy
-wielkość ziarna austenitu (gruboziarniste stale mają większą
hartowność),
-jednorodność ziaren austenitu sprzyja wzrostowi
hartowności
Hartowanie - sposoby
Ze względu na sposób chłodzenia rozróżniamy hartowanie:
-zwykłe,
-stopniowe,
-z przemianÄ… izotermicznÄ…
Hartowanie - sposoby
Hartowanie zwykłe polega na ogrzaniu stali powyżej
temperatury hartowania, wygrzaniu i oziębieniu w ośrodku o
temperaturze niższej od początku przemiany
martenzytycznej.
Szybkość chłodzenia powinna być tak duża, aby chociaż w
warstwie wierzchniej obrabianego elementu uzyskać
strukturę martenzytyczną (aby przejść przez zakres
minimalnej trwałości austenitu (500-650 C).
Po hartowaniu zwykłym stosuje się odpuszczanie w celu
zmniejszenia naprężeń i uzyskania odpowiednich
właściwości mechanicznych.
Hartowanie - sposoby
Hartowanie stopniowe polega na nagrzaniu stali do
temperatury odpowiedniej dla procesu hartowania, wygrzaniu
oraz oziębieniu w kąpieli o temperaturze nieznacznie wyższej
od poczÄ…tku przemiany martenzytycznej Ms.
W kÄ…pieli tej wytrzymuje siÄ™ hartowany detal do momentu
ujednorodnienia temperatury w całym przekroju, ale na tyle
krótko, aby nie rozpoczęła się przemiana bainityczna.
Następnie przedmiot studzi się w powietrzu uzyskując
strukturÄ™ martenzytycznÄ… ze znacznie mniejszymi
naprężeniami niż w poprzednim przypadku hartowania
zwykłego.
Hartowanie - sposoby
Hartowanie izotermiczne polega na nagrzaniu przedmiotu do
odpowiedniej temperatury poczÄ…tku procesu hartowania,
wygrzania z następnym oziębieniem do temperatury wyższej
niż Ms.
W kąpieli tej utrzymuje się hartowany element w stałej
temperaturze aż do zakończenia przemiany austenitu na
bainit. Dalsze chłodzenie odbywa się na powietrzu lub w
wodzie.
W wyniku hartowania izotermicznego otrzymuje siÄ™ strukturÄ™
bainityczną z mniejszymi naprężeniami i odkształceniami niż
w przypadku martenzytu. Twardość materiału po takiej
obróbce oscyluje wokół temperatury 48-58 HRC.
Hartowanie - sposoby
Krzywe chłodzenia dla różnych rodzajów hartowania:
a) hartowanie zwykłe; b) hartowanie przerywane;
c) hartowanie stopniowe; d) hartowanie z przemianÄ…
izotermicznÄ…
Hartowanie  naprężenia wewnętrzne
Naprężenia wewnętrzne można podzielić na naprężenia
cieplne oraz naprężenia strukturalne.
Naprężenia cieplne powstają w wyniku nierównomiernego
nagrzewania lub chłodzenia przedmiotów w temperaturach
niższych niż odpowiadających przemianom strukturalnym.
Naprężenia strukturalne powstają w wyniku zmian
objętościowych natury strukturalnej przy przejściu przez
zakres temperatur krytycznych.
Składniki stali mają różną objętość właściwą. Najmniejszą
objętość właściwą ma austenit. Odpowiednio narastająco
występują: perlit, sorbit, bainit oraz martenzyt.
Hartowanie  naprężenia wewnętrzne
Na wartość naprężeń wewnętrznych, a zatem także na
skłonność do pęknięć i odkształceń przy hartowaniu,
wywierają wpływ następujące czynniki:
-rodzaj ośrodka chłodzącego (im szybciej ośrodek chłodzi w
zakresie przemiany martenzytycznej, tym większe powstają
naprężenia),
-skład chemiczny (zawartość węgla, im go więcej i dodatków
stopowych tym większe naprężenia),
-temperatura początku chłodzenia; im wyższa tym większe,
-wielkość ziarna austenitu (gruboziarnistość zwiększa
naprężenia),
-kształt i wielkość przedmiotu; im większy i bardziej złożony
tym naprężenia są większe.
POWODZENIA