STAL WĘGLOWA KONSTRUKCYJNA O STRUKTURZE FERRYTYCZNO - PERLITYCZNEJ

1. Obraz mikroskopowy
Przyrząd do obserwacji próbek: Mikroskop metalograficzny MMU-3

2. Opis elementów obrazu mikroskopowego:
Na polerowanym przekroju oglądanym pod mikroskopem daje się zauważyć ziarna ferrytu oddzielone obszarami perlitu. Wraz ze wzrostem zawartości węgla, udział ferrytu maleje, a perlitu wzrasta. Wzrasta także twardość stali, a obniża się jej ciągliwość.

Zwiększenie zawartości węgla zwiększa wytrzymałość na rozciąganie Rm i zmniejsza plastyczność stali. Maksymalną wytrzymałość osiąga stal przy zawartości ok 0,85% węgla. Przy większej zawartości węgla wytrzymałość zmniejsza się na skutek pojawienia się coraz większej ilości cementu wtórnego który wydziela się na granicach ziarn. Zwiększenie zawartości węgla oprócz obniżenia włosności plastycznych pogarsza również własności technologiczne stali węglowej, szczególne naczenie ma pogorszenie spawalności.

Fe₃C – cementyt – stop ferrytu i cementytu nosi nazwę perlitu.

3. Własności mechaniczne:

Własności mechaniczne stali konstrukcyjnych węglowych są podstawowym kryterium doboru tych stali. Czynnikiem decydującym o własnościach wytrzymałościowych jest zawartość węgla. Ponadto własności wytrzymałościowe zależą od obróbki cieplnej względnie — dla wyrobów wykonanych drogą przeróbki plastycznej na zimno — od stopnia zgniotu.

Ze wzrostem zawartości węgla wzrasta wytrzymałość stali, natomiast równocześnie obniża się jej plastyczność.

Stale konstrukcyjne węglowe z uwagi na obróbkę cieplną stosuje się w stanie surowym lub normalizowanym; w stanie ulepszonym można stosować jedynie stale wyższej jakości przeznaczone na rury stalowe, i to do produkcji elementów o wymiarach nie przekraczających 40 mm grubości. Przy większych przekrojach ulepszenie tych stali nie ma technicznego.

FERRYT
Jest to graniczny stały roztwór węgla w żelazie a o maksymalnej rozpuszczalności 0,008%C w temperaturze otoczenia. Ferryt ma własności zbliżone do czystego żelaza. Oznacza się go symbolem Fea(C) lub symbolem a.
Własności mechaniczne ferrytu:
- Twardość w skali Brinella: 50-70 HB
- Wytrzymałość na rozciąganie: Rm = 300 MPa
- Granica sprężystości: Re(R0,2) = 150 MPa
- Wydłużenie A10: ok. 40%[4]

PERLIT
Jest to mieszanina eutektoidalna składająca się z płytek ferrytu i cementytu o zawartości węgla 0,8% powstająca z przemiany austenitu. Perlit charakteryzuje się budową pasemkową, gdyż składa się z płytek ferrytu i cementytu ułożonych na przemian. Odległość między płytkami zmniejsza się wraz ze wzrostem szybkości chłodzenia przy jednoczesnym wzroście twardości struktury. Własności mechaniczne perlitu:
- twardosc : 220-260 HB
- wytrzymalosc na rozciaganie : Rm=700-800Mpa
- wydluzenie : A10 ok 7%

Cementyt III rzędowy- faza krystalizująca z ziaren przesyconego ferrytu, zgodnie z linią PQ. Możemy go zaobserwować na granicach ziaren ferrytu.
Właściwości mechaniczne:
- przewodność elektryczna
- twardość 700 Hb

Właściwości mechaniczne stali węglowej konstrukcyjnej:
Są to parametry charakteryzujące przydatność stali w gospodarce. Ich wielkość uzależniona jest od składu stopu i obróbki. Podane poniżej wartości są charakterystyczne dla stali stosowanych w budownictwie.
Wytrzymałość na rozciąganie określana wielkością naprężenia wywołanego w przekroju próbki przez siłę powodującą jej zerwanie. Badane są także inne parametry określające naprężenia w próbkach stali, takie jak wytrzymałość na ściskanie, zginanie, ścinanie i skręcenie. Podczas badania próbki stali na zerwanie określane są także:
- naprężenie rozrywające
- wydłużenie względne
- przewężenie względne
- Sprężystość rozumiana jako zdolność materiału do odzyskiwania pierwotnej postaci po zaprzestaniu działania na niego sił powodujących odkształcenie. W zakresie naprężeń sprężystych obowiązuje prawo Hooke'a.
- Plastyczność, czyli zdolność materiału do zachowania postaci odkształconej na skutek naprężeń od obciążeń po zaprzestaniu ich działania
- Ciągliwość
- Udarowość, czyli odporność na obciążenia dynamiczne.
- Twardość
- Spawalność, to cecha stali pozwalająca na wykonanie trwałych połączeń przez spawanie

5. Własności:

Ferryt – jest roztworem stałym, międzywęzłowym węgla w żelazie alfa. Powstaje poprzez wchodzenie atomów węgla do luk oktaedrycznych i tetraedrycznych.
Perlit – jest eutektoidem o zawartości 0,77% C. Powstaje w wyniku przemiany eutektoidalnej, która zachodzi w temp. 727°C. Jest zbudowany na przemian z płytek ferrytu i cementytu o stosunku grubości 7:1.

Zastosowanie:
- części maszyn i konstrukcji poddawanych obróbce cieplnej przez normalizowanie i ulepszanie cieplne, a w przypadku stali niskowęglowych- również przez nawęglanie.
- konstrukcje stalowe
- czesci urzadzen
- narzedzia
- elementy przyrzadow pomiarowych
- karoseria samochodów
- pokrycia dachu i elewacji
- puszki do konserw
- konstrukcje budowlane
- kadłuby statków i platformy morskie
- stale żaroodporne pracujące w temperaturach 350-500*C typu stali ferrytyczno-perlitycznych należą stale, które mają zastosowanie na blachy do budowy kotłów wysokoprężnych ( blachy kotłowe), na aparaturę do krakingu ropy naftowej, do syntezy amoniaku i inne urządzenia pracujące w temperaturach podwyższonych. Stale te mają dodatek chromu i molibdenu zwiększający żarowytrzymałość oraz dodatek krzemu zwiększający żaroodporność.

ŻELIWO SFEROIDALNE O OSNOWIE FERRYTYCZNO - PERLITYCZNEJ

1. Obraz mikroskopowy
Przyrząd do obserwacji próbek: Mikroskop metalograficzny MMU-3

2. Opis elementów obrazu mikroskopowego

Struktura żeliwa sferoidalnego składa się z kulek grafitu równomiernie rozłożonych w osnowie ferrytyczno-perlitycznej.

3. Własności mechaniczne:
Żeliwo sferoidalne:
- Wytrzymałość na rozciąganie Rm ≥ 420 MPa,
- Granica plastyczności Rp 0,2 ≥ 270 MPa,
- Wydłużenie względne A0 ≥ 10%

Żeliwa sferoidalne łączą dobre właściwości wytrzymałościowe z minimalnie tylko gorszymi od żeliw szarych właściwościami odlewniczymi. Mogą być poddawane obróbce skrawaniem, są odporne na ścieranie, dobrze powlekają się powłokami metalicznymi, (żeliwa szare są trudne do powlekania), wykazują wyższą odporność na korozję niż żeliwa szare. Odlewy z żeliwa sferoidalnego mogą być konkurencyjne w stosunku do odlewów staliwnych, gdyż wykazują mniejszy skurcz i niższą temperaturę topnienia. Również odkuwki stalowe mogą być czasami wypierane przez odlewy z żeliwa sferoidalnego dzięki możliwości uzyskania bardziej funkcjonalnego kształtu.

Żeliwo z grafitem kulkowym - sferoidalne - wykazuje dużo większą wytrzymałość na rozciąganie niż żeliwo z grafitem płatkowym - szare, a żeliwo z grafitem zwartym lub postrzępionym (węglem żarzenia) - ciągliwe przyjmuje wartości pośrednie.

Wydzielenia grafitu są z jednej strony szkodliwe, a z drugiej nadają żeliwom pewne niezwykle cenne właściwości, których nie posiada stal, czyniąc je lepszym tworzywem do określonych zastosowań.

Grafit nadaje żeliwom następujące, korzystne właściwości technologiczne i użytkowe:

• dobrą skrawalność, gdyż zwiększa łamliwość wióra,

• dobre tłumienie wibracji i drgań, gdyż grafit, szczególnie płatkowy, przeciwdziała odkształceniom sprężystym,

• dobre właściwości odlewnicze - mały skurcz i dobre wypełnianie formy,

• małą wrażliwość na wady powierzchniowe i karby (gwałtowne zmiany przekroju, podcięcia), gdyż żeliwo zawiera karby wewnętrzne w postaci wydzieleń grafitu,

-dobre właściwości przeciwcierne. Wykruszony podczas tarcia dwóch powierzchni grafit miesza się ze smarem, polepszając właściwości smarne, a puste miejsca w osnowie metalicznej, pozostałe po wykruszeniu grafitu, służą za awaryjne zbiorniki smaru, mogące zasilać powierzchnie trące w nieprzewidzianych okolicznościach. Skąd zastosowanie żeliwa szarego na pierścienie tłokowe, tuleje cylindrowe i panewki łożysk ślizgowych.

Własności mechaniczne ferrytu:
- Twardość w skali Brinella: 50-70 HB
- Wytrzymałość na rozciąganie: Rm = 300 MPa
- Granica sprężystości: Re(R0,2) = 150 MPa
- Wydłużenie A10: ok. 40%[4]

Własności mechaniczne perlitu:
- twardosc : 220-260 HB
- wytrzymalosc na rozciaganie : Rm=700-800Mpa
- wydluzenie : A10 ok 7%

4. Proces grafityzacji

Grafit jest odmianą alotropową węgla i krystalizuje, jak to przedstawia rys. 1, w układzie heksagonalnym. Ma on budowę warstwową; atomy węgla w poszczególnych równoległych do siebie warstwach tworzą heksagonalne pierścienie.

Rys.1. Budowa krystaliczna grafitu.

1) W stopach przedeutektycznych grafit powstaje już w czasie krystalizacji austenitu. Zarodki grafitu powstają już wewnątrz ziarn gamma i rozrastają się wraz z tymi ziarnami.

2) Drugim sposobem powstawania grafitu jest proces grafityzacji. Polega on na rozpadzie cementytu na żelazo i grafit o skuteczności tego procesu decyduje:
- mała szybkość chłodzenia

- duża koncentracja cementytu, największa koncentracja cementytu jest w stopach zaeutektycznych gdzie obok ledeburytu przemienionego znajdują się kryształy cementytu pierwotnego.

Proces grafityzacji można zilustrować za pomocą następującego rysunku:

Otrzymane żeliwo szare zbudowane jest z perlitu ferrytu oraz grafitu płatkowego. Aby płatki grafitu były małych wymiarów i równomiernie rozłożone w całej objętości stosuje się modyfikacje żeliwa szarego za pomocą związków krzemu.

Aby zniwelować negatywny wpływ wewnętrznych karbów ( od płatków grafitowych) stosuje się podwójną modyfikacje żeliwa szarego. Obok krzemu dodaje się do żeliwa związki magnezu lub ceru. W efekcie otrzymujemy tzw. Żeliwo sferoidalne w którym wydzielenia grafitu mają kształt kuleczek.

Kulki grafitowe nie generują wewnętrznych karbów w efekcie żeliwa sferoidalne mają wytrzymałość zbliżoną do stali a poza tym dobre własności smarne i zdolność do tłumienia drgań stosowane do wałów, przekładni karbowych.

Przykład żeliwa sferoidalnego:

5. Własności żeliwa sferoidalnego:
Zalety:
-bardzo dobre własności wytrzymałościowe:
-bardzo dobre własność plastyczne
-mniejsza skłonność do koncentracji naprężeń
-dobra lejność (lepsza niż żeliwa szarego)
-wysoka udarność
-dość duża wytrzymałość zmęczeniowa
-dobra szczelność
-duża odporność na wysokie ciśnienia
Wady:
-duża skłonność do powstawania naprężeń własnych i jam skurczowych w odlewach
-mała przewodność cieplna
-duży koszt produkcji

Zastosowanie żeliw sferoidalnych jest następujące:

1. Wały korbowe, korbowody, koła zębate, części silników okrętowych i samochodowych odporne na działanie długotrwałych i zmiennych obciążeń.

2. Koła zębate i inne elementy w budowie obrabiarek.

3. Części maszyn rolniczych: wały maszyn żniwnych, przekładnie zębate, lemiesze pługów.

4. Części maszyn hydraulicznych, duże odlewy korpusów, np. pras hydraulicznych, sprężarek.

5. Części turbin wodnych: łopatki, dźwignie, pierścienie kierownicze.

Żeliwo sferoidalne perlityczne można stosować, w szerokim zakresie na wszystkie części pracujące na ścieranie, zastępując nim stal i odkuwki stalowe, np. waty wykorbione, tłoki silników spalinowych.

Żeliwo sferoidalne ferrytyczno-perlityczne stosuję się np. na pierścienie tłokowe ze względu na połączenie dobrych właściwości ślizgowych ze znaczną odpornością na zużycie.

Żeliwo sferoidalne ferrytyczne stosowane jest gdy wymagana jest szczególnie duża udarność, np. na odlewy korpusów pras hydraulicznych, sprężarek.

Dzięki dobrym własnościom ślizgowym mogą one zastępować stopy miedzi

w niektórych łożyskach.