Cześć teoretyczna:

Węgiel jest podstawowym pierwiastkiem wprowadzanym do żelaza. Układ żelazo-węgiel opisuje stany równowag fazowych. Te dwa pierwiastki w połączeniu ze sobą tworzą roztwory międzywęzłowe, takie jak: Austenit, ferryt oraz cementyt. Pierwszy jest roztworem stałym międzywęzłowym węgla w żelazie γ(do 2,11%C w temp. 1148°C), ma on strukturę RSC. Zawartość węgla poniżej 2,11% sygnalizuje o występowaniu stali, powyżej zaś-żeliwa. Kolejny jest ferryt-jest on roztworem stałym, międzywęzłowym węgla (lub innego pierwiastka) w żelazie α lub δ (δ-ferryt wysokotemperaturowy). Występuje on przy max. zawartości węgla 0,0218% w temperaturze 727°C. Jego struktura to RPC. Ostatni cementyt-węglik żelaza- Fe₃C to związek wych pierwiastków. Posiada on strukturę rombową. Cechuje się głównie wysoką twardością oraz kruchością.

Wpływ węgla na strukturę stali

Przy zawartości 0,8% C po powolnym chłodzeniu z zakresu austenitu powstaje perlit. Jest on mieszaniną eutektoidalna ferrytu i cementytu w postaci płytek naprzemianległych. Gdy zawartość węgla spada, wydziela się także ferryt- jego zawartość rośnie gdy spada ilość węgla. Stal klasyfikuje się ze względu na strukturę: podeutektoidalna (ferryt-perlit), eutektoidalna (perlit)i nadeutektoidalna (perlit-cementyt). Perlit-cementyt ze względu na to, że powyżej 0,8% C oprócz perlitu pojawia się również cementyt.

Gdy w stali przeważa ferryt czyli faza miękka i bardziej plastyczna zauważa się większe wydłużenie, przewężenie i udarność. Kiedy zaś rośnie udział węgla, pojawia się więcej twardego i kruchego cementytu a co za tym idzie – wzrastają parametry wytrzymałościowe i twardość, ale spada wydłużenie ,przewężenie i udarność.

Węgiel w stali sprzyja przeprowadzaniu procesów obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej. Zmienna rozpuszczalność węgla względem temperatury umożliwia stosowanie zabiegów obróbki cieplnej takich jak przesycanie a w szczególności hartowanie. Zabiegi te polegają nagrzaniu stali powyżej temperatury austenityzowania i szybkim schłodzeniu. W przypadku hartowania następuje przebudowa sieci krystalicznej i powstaje martenzyt czyli przesycony roztwór węgla w żelazie α. Większa zawartość węgla zwiększa hartowność stali poprzez obniżenie temperatury Ms i krytycznej prędkości chłodzenia, a także zwiększa wyjściową twardości stali. Przesycanie podobnie jak hartowanie polega na nagrzaniu powyżej temperatury austenityzowania i szybkim schłodzeniu. Jednak w tym zabiegu unika się zajścia przemiany martenzytycznej, dlatego przesycanie stosuje się tylko do stali których temperatura Ms jest niższa od temperatury otoczenia czyli wysokowęglowych z duża zawartością pierwiastków stopowych. Zastosowanie obróbki cieplno-chemicznej umożliwia wprowadzenie węgla do powierzchniowych warstw. Wyróżnia się dwa procesy: nawęglanie i cyjanowanie . Wprowadzenie węgla do powierzchni przedmiotu (nawęglanie) lub węgla i azotu (cyjanowanie) zwiększa jej twardość a co za tym idzie i odporność na ścieranie przy zachowaniu miękkiego rdzenia.

Pomimo wymienionych zalet węgla nie jest on jedynym pierwiastkiem znajdującym się w stali. W stalach znajdują się także inne pierwiastki. Jedne z nich wprowadzane są do stali specjalnie a inne pozostałością z rud i procesów metalurgicznych. Większość pierwiastków wpływa pozytywnie na własności stali. W zależności od pożądanych własności możemy dodawać odpowiednie pierwiastki. Wszystkie pierwiastki zwiększają własności wytrzymałość na rozciąganie i twardość stali. Chrom, Nikiel i Molibden w pewnych zakresach zwiększa udarność i przewężenie. Z wyjątkiem kobaltu wszystkie pierwiastki zwiększają hartowność stali. Dodatki stopowe mogą też wpływać na własności takie jak odporność na korozję, żaroodporność i żarowytrzymałość oraz własności magnetyczne.

Część praktyczna

Zmiana zawartości węgla w stali:

	silne tło węgiel	stop1	stop1	stop2	stop2	stop3	stop3	stop4	stop4	stop5	stop5
		3̊	0,3̊	3̊	0,3̊	3̊	0,3̊	3̊	0,3̊	3̊	0,3̊
λ		1	11	1	11	1	11	1	11	1	11
Vch		2,99	0,27	2,99	0,27	2,99	0,27	2,99	0,27	2,99	0,27
HV		444	268	612	307	733	426	828	600	923	888
M		39	0	87,7	0	100	0	100	39,3	100	96,6
B		61	34,9	12,3	43,1	0	96,4	0	60,7	0	3,4
P		0	65,1	0	56,9	0	3,6	0	0	0	0
%C		0,3	0,3	0,4	0,4	0,5	0,5	0,6	0,6	0,7	0,7

	silne tło węgiel	stop1	stop1	stop2	stop2	stop3	stop3	stop4	stop4	stop5	stop5
		3̊	0,3̊	3̊	0,3̊	3̊	0,3̊	3̊	0,3̊	3̊	0,3̊
TA		870	870	840	840	820	820	790	790	770	770
tBs350		118	118	151	151	195	195	251	251	322	322
Ms		344	344	302	302	259	259	217	217	175	175
Ac1		723	723	723	723	723	723	723	723	723	723
Ac3		820	820	795	795	769	769	744	744	718	718
Vkr		3,609	3,609	1,018	1,018	0,381	0,381	0,149	0,149	0,056	0,056
tA		30	30	30	30	30	30	30	30	30	30
%C		0,3	0,3	0,4	0,4	0,5	0,5	0,6	0,6	0,7	0,7

	słabe tło węgiel	stop1	stop1	stop2	stop2	stop3	stop3	stop4	stop4	stop5	stop5
		3̊	0,3̊	3̊	0,3̊	3̊	0,3̊	3̊	0,3̊	3̊	0,3̊
λ		1	11	1	11	1	11	1	11	1	11
Vch		2,99	0,27	2,99	0,27	2,99	0,27	2,99	0,27	2,99	0,27
HV		228	179	263	201	329	224	627	246	872	268
M		0	0	0	0	0	0	55,5	0	93,4	0
B		44,3	0	49,3	0	75,1	0	44,5	0	6,6	0
P		55,7	100	50,7	100	24,9	100	0	100	0	100
%C		0,3	0,3	0,4	0,4	0,5	0,5	0,6	0,6	0,7	0,7

	słabe tło węgiel	stop1	stop1	stop2	stop2	stop3	stop3	stop4	stop4	stop5	stop5
		3̊	0,3̊	3̊	0,3̊	3̊	0,3̊	3̊	0,3̊	3̊	0,3̊
TA		860	860	840	840	810	810	790	790	760	760
tBs350		3	3	3	3	4	4	5	5	7	7
Ms		376	376	333	333	291	291	294	294	206	206
Ac1		724	724	724	724	724	724	724	724	724	724
Ac3		813	813	787	787	762	762	736	736	711	711
Vkr		35,11	35,11	13,15	13,15	5,134	5,134	1,924	1,924	0,751	0,751
tA		30	30	30	30	30	30	30	30	30	30
%C		0,3	0,3	0,4	0,4	0,5	0,5	0,6	0,6	0,7	0,7

Wykresy dla węgla:

Zmiana zawartości chromu w stali:

Wnioski:

• Zawartość węgla znacznie wpływa na własności stali. Wraz z wzrostem jego zawartości rośnie hartowność stali. Dzieję się tak na skutek obniżania temperatury M_s i krytycznej szybkości chłodzenia a także wzrostem czasu T_bs. Większa hartowność powoduje wzrost ilości martenzytu i twardości po hartowaniu. Dodatkowo węgiel obniża T_A, i A_C3.

• Wpływ tła ma także zasadnicze znaczenie przy parametrach stali. Mocne tło działa podobnie jak węgiel na M_S , A_C1 i V_kr. Natomiast pozostałe parametry są większe.

• Wpływ węgla i tła ma także odzwierciedlenie w strukturze materiału po chłodzeniu. Mocne tło powodowało hartowanie stali na bainit i perli przy V=3°C/s a wzrost węgla obniżał ilość bainitu kosztem martenzytu. Zmniejszenie prędkości chłodzenia 10x spowodowało występowanie bainitu a wraz z wzrostem węgla obniżała się zawartość perlitu a rosła martenzytu. Przy słabym tle taka szybkość chłodzenia tworzyła tylko perlit a 10x większa powodowała uzyskanie podobnych struktur co mocne tło i szybkość chłodzenia 0,33°C/s

• Rosnąca zawartość Chromu w stali powoduje znaczne obniżenie temperatury Ms i V_kr oraz znaczny wzrost czas T_BS.

• Przy zmianie chromu mocne tło podniosło T_A, M_S, A_C1, A_C3, krytyczną prędkość chłodzenia i czas T_BS

• Słabe tło pierwiastków powoduje powstanie tylko perlitu niezależnie od zawartości chromu przy chłodzeniu 3°C/s a dla 0,3°C/s perlitu, bainitu i martenzytu. Mocne tło powodowało uzyskanie tylko martenzytu dla V=0,3°C/s a dla 3°C/s bainitu i martenzytu.