Laboratorium

Materiałoznawstwo i Podstawy Obróbki Cieplnej

Jarosław Ciupa

gr. A semestr IV

2007-03-03

TEMAT: Analiza metalograficzna stali

konstrukcyjnych

Żelazo wystepuje w przyrodzie pod postacią związków chemicznych, najczęściej z tlenem. W technice, poza nielicznymi wyjątkami, stosuje się stopy żelaza z różnymi składnikami, z których najważniejszym jest węgiel: oprócz węgla, techniczne stopy żelaza zawierają zawsze pewne ilości krzemu, manganu, siarki i fosforu, przedostające się do stopu w czasie procesów metalurgicznych.
W czasie nagrzewania (lub chłodzenia) stopów żelaza zachodzi w nich szereg przemian, aż do topnienia włącznie; obrazuje je tzw. wykres żelazo-węgiel (rys. 1).

Wykres żelazo - węgiel

Linie ciągłe dotyczą tzw. układu żelazo-cementyt, to znaczy stopów, w których węgiel występuje pod postacią cementytu (węglika żelaza, Fe3C), linie przerywane - układu żelazo-grafit, a więc stopów, wktórych węgiel występuje pod postacią grafitu.
Wykres można podzielić na dwie części: a) część górna (linie ABCD i AHJECF) przedstawia przebieg topnienia przy nagrzewaniu albo krzepnięcia przy stygnięciu, b) część dolna (linie HNJ, GSE, GPSK, PQ) przedstawia przebieg tzw. przemian w stanie stałym.
a) Jeżeli ciekły stop żelaza z węglem zacznie stygnąć, to początek krzepnięcia ( w zależności od zawartości węgla) będzie się znajdował na krzywej ABCD (tzw. linia likwidusu - od łacińskiego słowa liquidus = płynny), a koniec krzepnięcia na linii AHJECF (tzw. linia solidusu od łacińskiego słowa solidus = stały, mocny). W temperaturach powyżej linii likwidusu występuje więc stop w stanie ciekłym, w obszarze między liniami likwidusu i solidusu - stop w stanie częściowo ciekłym (ciecz z wydzielonymi z niej kryształami), poniżej linii solidusu - stop całkowice zestalony.
Na przykład stop o zawartości 3% C zacznie krzepnąć w temp. ok 1280°C, wydzielając kryształy o składzie oznaczonym przez linię JE; pozostała ciecz wzbogaca się przy tym w węgiel i temperatura początku jej krzepnięcia obniża się, przesuwając się w kierunku punktu C; ostatnie krople stopu będą miały skład odpowiadający punktowi C i skrzepną w temp. 1130°C (temperatura eutektyczna). Tę samą temperaturę końca krzepnięcia będą mieć wszystkie stopy żelaza z węglem o zawartości węgla większej niż 2,0%.
Czyste żelazo topi się krzepnie w stałej temperaturze 1539°C. Również w stałej temperaturze (1130°C), a nie w zakresie temperatur topi się i krzepnie stop o zawartości 4,3% węgla (stop eutektyczny), zwany ledeburytem.
Stopy żelaza stosowane w praktyce i określane jako surówki i żeliwa zawierają zazwyczaj węgiel w granicach 2,0-4,3%, a więc jeżeli nie ma oddziaływania dodatków stopowych, to wszystkie one zaczynają się topić w temp. 1130°C (1135°C), akończą się topić różnie, zależnie od zawartości węgla, zgodnie z linią BC wykresu żelazo-węgiel.
W stopach żelaza określanych jako stale, o zawartości do 2,0% C, temperatura początku topnienia przy ogrzewaniu (lub końca krzepnięcia przy chłodzenia) jest zmienna, zależnie od zawartości węgla (krzywa AHJE).
b) Jeżeli skrzepnięty, gorący stop żelazo-węgiel będzie stygnął dalej poniżej temp. 1130°C lub zimny stop będziemy nagrzewać do tej temperatury, to będą w nich zachodzić tzw. przemiany w stanie stałym.
Przemiany te są spowodowane występowaniem odmian alotropowych żelaza, rózniących się budową krystalograficzną, własnościami fizycznymi, chemicznymi i mechanicznymi.
Rozróżnia się odmiany alotropowe żelaza: a, g, d(a), przy czym odmiana a do 768°C jest ferromagnetyczna (ma własności magnetyczne), zaś powyżej 768°C - paramagnetyczna (niemagnetyczna).
Przemiany alotropowe zachodzą w temperaturach :

Poszczególne odmiany odznaczają się różną rozpuszczalnością węgla; żelazo a rozpuszcza węgiel tylko w bardzo niewielkim stopniu, żelazo g odznacza się dużą rozpuszczalnością węgla.
W stopach żelaza z węglem przemiana alotropowa i związane z tym rozpuszczanie lub wydzielanie węgla nie zachodzi w stałej temperaturze, lecz w zakresie temperatur od 723°C do temperatury określonej linią GSE.
Temperaturę początku przemiany oznacza się literą A1 - jest to tzw. punkt A1 stali. Przy stygnięciu następuje pewne przechłodzenie i przemiana następuje poniżej 723°C, przy nagrzewaniu- nieco powyżej 723°C. Dlatego też punkt A1 oznacza się przy nagrzewaniu przez Ac1 (c od chauffage = nagrzewanie), a przy studzeniu przez Ar1 (r od refroidissement = chłodzenie).
Temperaturę końca przemiany oznacza się literą A3 - punkt A3 stali. Rozróżnia się: przy nagrzewaniu Ac3, zaś przy stygnieciu Ar3. Temperaturę tej przemiany, zależnie od zawartości węgla, określa krzywa GSK. Dla stali o zawaratości węgla większej niż 0,8% punkty A1 i A3 pokrywają się.
Temperaturę końca rozpuszczania cementytu dla stali o zawartości powyżej 0,8% C oznacza się literami Acm (linia SE).
Dla stali o zawartości 0,8% C przemiana rozpoczyna się i kończy w tej samej temperaturze 723°C - stal taką nazywa się eutektoidalną (przez analogię do stopów eutektycznych, które topią się i krzepną w stałej temperaturze).

Zasady oznaczania stali wg PN-EN

W normach PN-EN stosowane są dwa systemy

oznaczania stali:

• system literowo-cyfrowy (PN-EN 10027-1:1994)

• system cyfrowy (PN-EN 10027-2:1994)

Każdy gatunek stali ma nadany znak i numer, który

jednoznacznie identyfikuje tylko jeden materiał.

W przypadku systemu literowo cyfrowego symbole

literowe są odpowiednio dobrane tak, że wskazują na główne

cechy stali np. zastosowanie, własności mechaniczne, skład

chemiczny. Umożliwia to identyfikacje poszczególnych

gatunków stali.

W przypadku oznaczania stali w systemie cyfrowym każdy

gatunek stali ma nadany numer składający się z pięciu cyfr,

który można stosować zamiast znaku stali. Numer gatunku stali

nadaje Europejskie biuro rejestracyjne.

Pierwsza cyfra w numerze „1” oznacza, że jest to stal,

dwie następne oznaczają grupę stali, a dwie końcowe

wyróżniają konkretny gatunek w grupie.

Dla przykładu w tabeli powyżej podano grupy gatunków stali odpornych

na korozje i żaroodpornych.

Powyższy schemat pozwala na podstawie 3 pierwszych cyfr

oznaczenia stali, wskazać jej przynależność do odpowiedniej grupy

gatunków. Dwie ostatnie cyfry wskazują konkretny gatunek.

Np. 1.45... - oznacza przynależność do grupy gatunków stali odpornych

na korozję ze specjalnymi dodatkami. (kompletny symbol-1.4541).

Ustalanie znaków stali w systemie literowo cyfrowym

PN-EN 10027-1:1994

Rozróżnia się dwie grupy znaków:

1. zawierające symbole wskazujące na zastosowanie

oraz własności mechaniczne lub fizyczne stali

2. zawierające symbole wskazujące na skład chemiczny

stali.

W obu grupach znaków po symbolach głównych mogą być

dodane symbole dodatkowe ustanowione w normie.

W przypadku staliwa przed znakiem gatunku stawia się literę G.

Budowa znaku stali

Grupa 1. Stale oznaczane wg ich zastosowania i właściwości

mechanicznych i fizycznych

W tym przypadku znak zawiera następujące symbole główne:

• S - stale konstrukcyjne,

• P - stale pracujące pod ciśnieniem,

• L - stale na rury przewodowe,

• E - stale maszynowe

Za tymi symbolami umieszcza się liczbę będąca minimalna granicą

plastyczności w N/mm2 dla najmniejszego zakresu grubości wyrobu.

Kolejne symbole główne to B, Y, R, H, D, T, M. Po tych symbolach

również znajduje się liczba charakteryzująca określone własności tego

typu stali.

Przykład: stal S185 (zastosowanie: konstrukcje nitowane i łączone śrubami pracujące w temperaturze otoczenia)

Grupa 2. Stale oznaczane wg składu chemicznego

Stale niestopowe (bez stali automatowych) o średniej zawartości

manganu <1%.

Znak stali składa się z następujących symboli:

• litery C

• liczby określającej 100-krotną wartość wymaganej zawartości

procentowej węgla,

• symbolu dodatkowego wg normy

Przykład: stal Stal C45U (1.1730) (zastosowanie: proste narzędzia ręczne, młotki zwykłe i kowalskie, kowadła, pomocnicze narzędzia kowalskie itp. )

Stale niestopowe o średniej zawartości manganu 1%,

niestopowe stale automatowe i stale stopowe (z wyłączeniem stali szybkotnących) o zawartości każdego pierwiastka stopowego <5%.

Znak stali składa się z następujących składników:

• liczby określającej 100-krotną wartość wymaganej zawartości

procentowej węgla,

• symboli pierwiastków chemicznych oznaczających składniki

stopowe w stali (w kolejności malejącej zawartości pierwiastków, w

przypadku identycznej zawartości dwóch lub więcej pierwiastków w

kolejności alfabetycznej,

• liczb oznaczających zawartości poszczególnych pierwiastków

stopowych w stali. Każda liczba oznacza średni procent pierwiastka

pomnożony przez współczynnik wg tablicy 1. i zaokrąglony do

najbliższej liczby całkowitej, liczby dotyczące poszczególnych

pierwiastków należy oddzielić pozioma kreską,

• symboli dodatkowych zgodnie z normą.

Pierwiastek	Współczynnik
Cr, Co, Mn, Ni, Si, W	4
Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V,Zr	10
Ce, N, P, S	100
B	1000

Przykład: Stal 28 Mn 6 (zastosowanie: części silnie obciążone, pracujące przy dużych zmiennych obciążeniach zginających i skręcających, np. wały, osie, koła krzywki, korbowody, dźwignie)

Stale stopowe (z wyłączeniem stali szybkotnących) zawierające przynajmniej jeden pierwiastek stopowy.5%

Znak stali składa się z następujących symboli literowych i liczbowych:

• litery X

• liczby określającej 100-krotną wartość wymaganej zawartości

procentowej węgla,

• symboli chemicznych oznaczających składniki stopowe stali, w

kolejności malejącej zawartości pierwiastków, w przypadku

identycznej wartości dwóch lub więcej pierwiastków w kolejności

alfabetycznej,

• liczb oznaczających średni procent zawartości pierwiastków

stopowych, liczy należy oddzielić pozioma kreską,

• symboli dodatkowych zgodnie z normą.

Przykład: stal X5CrNi18-10 (zastosowanie: w przemyśle chemicznym, celulozowo-papierniczym, kriogenicznym, przetwórstwa spożywczego, rafineryjnym na wymienniki ciepła, zbiorniki, pompy, rurociągi, implanty medyczne, naczynia)

Stale szybkotnące

Znak stali zawiera:

• litery HS

• liczby oznaczającą średnie procentowe zawartości pierwiastków

stopowych, zaokrąglone do liczby całkowitej i oddielone kreska

poziomą w następującym porządku: wolfram (W)-molibden (Mo)-

wanad (v)-kobalt (Co)

Przykład: stal HS2-9-2 (1.3348) (zastosowanie: np. wiertła spiralne, frezy, narzynki i gwintowniki, narzędzia do obróbki kół zębatych)

Próbki różnych przykładów stali, trawione nitalem 2-3%

---