Wykres fazowy Fe-.

składniki fazowe:

ferryt - roztwór stały międzywęzłowy C w Fe_a

austenit - roztwór stały międzywęzłowy C w Fe_g

cementyt - Fe₃C

Składniki strukturalne

perlit - produkt przemiany eutektoidalnej - mieszanina płytek ferrytu i cementytu

ledeburyt - produkt przemiany eutektycznej - mieszanina austenitu i cementytu

ledeburyt przemieniony - produkt przemiany ledeburytu w temperaturze 727^oC - mieszanina perlitu i cementytu

Siła pędna krystalizacji i przemian fazowych

Siły pędne zmian strukturalnych

W celu uzyskania jakichkolwiek zmian strukturalnych muszą wystąpić odpowiednie czynniki powodujące te zmiany, zwane siłami pędnymi

Aby zaszły zmiany strukturalne, musi istnieć droga, po której proces może zajść (przykład nawęglania)

Szybkość zmian strukturalnych jest funkcją siły pędnej i kinetyki dla danej drogi procesu

Dla zmian strukturalnych zachodzących przy stałych T i p fukcją określającą siłę pędną jest energia swobodna Gibbsa, G: G=H-TS

Zmniejszenie G w wyniku przemiany fazowej jest siłą pędną przemiany

Stan termodynamiczny materiału, podobnie jak stan statycznych układów mechanicznych może być niestabilny, metastabilny lub stabilny

Siła pędna krystalizacji

Przejście ze stanu ciekłego w stan krystaliczny stały jest związane z uwolnieniem energii cieplnej (ciepła topnienia)

uporządkowanie rozmieszczenia atomów ma wpływ na własności zależne od struktury:

• objętość maleje 1-6%,

• przewodność elektryczna rośnie,

• zdolność atomów do migracji maleje

Zmiany energii swobodnej G podczas krzepnięcia

DG=DH-TDS

DS=DH/Tt

DH - ciepło topnienia

Tt - temperatura topnienia

DG=DH.DT/Tt

Wzrost dyfuzyjny podczas krystalizacji-

Siła pędna procesu krystalizacji rośnie prawie liniowo z przechłodzeniem

aby atom przemieścił się od cieczy do kryształu musi posiadać energię do pokonania bariery energetycznej Gm

Wpływ T na szybkość zarodkowania i szybkość wzrostu podczas krystalizacji

Prawdopodobieństwo, że atom ma energię większą, niż Gm

Liczba atomów na jednostkę powierzchni międzyfazowej o energii większej, niż Gm

Liczba atomów przechodzących z cieczy do fazy stałej w ciągu sekundy

Liczba atomów przechodzących z fazy stałej do cieczy w ciągu sekundy

Wypadkowa liczba atomów przechodzących z cieczy do kryształu w ciągu sekundy

Zakładając: nA=nB

Przy małych wartościach x: ex ~ 1+x

Szybkość migracji granicy, v:

szybkość wzrostu

Struktura odlewu

Rodzaje zarodkowania dyfuzyjnego, zarodek krytyczny Zarodkowanie dyfuzyjne

W podwyższonych temperaturach zachodzi dyfuzyjne przemieszczanie atomów W fazie termodynamicznie stabilnej fluktuacje rozmieszczenia atomów i fluktuacje stężenia w fazach wieloskładnikowych istnieją jedynie przejściowoW fazach metastabilnych fluktuacje są potencjalnymi miejscami zarodkowania nowej stabilniejszej fazyPodczas krystalizacji można ciecz znacznie przechłodzić, jeśli nie powstaną zarodki nowej fazyNajczęściej przechłodzenie może być małe, bo ścianki naczynia i cząstki stałe zanieczyszczeń są katalizatorami zarodkowania

Zarodkowanie homogeniczne

Zmiana energii swobodnej

Promień krytyczny i praca zarodkowania

Zarodkowanie homogeniczne jest możliwe przy przechłodzeniach T~0.2Tt

Zarodkowanie heterogeniczne

Zarodkowanie niejednorodne

Przy małym q jest ułatwione zarodkowanie, jest on mały, gdy g_zp jest małe

Wykresy CTP- rodzje

Kinetyka przemian fazowych jest przedstawiana za pomocą krzywych, przedstawiających ułamek objętości fazy w funkcji czasu dla danej temperatury

Na podstawie krzywych kinetycznych tworzy się wykres CTP, (czas temperatura, przemiana)

Poszczególne krzywe dotyczą: początku, 50% i końca przemiany

Kształt krzywych przypomina literę C, jak wynika to z wpływu temperatury na szybkość zarodkowania i wzrostu produktów przemian dyfuzyjnych

Mamy dwa rodzaje wykresów

CTPc – prezentujący zmianę struktury przy ciągłym chłodzeniu materiału,

CTPi – prezentujący zmianę struktury przy chłodzeniu materiału z wytrzymaniem izotermicznym,

Dla celów praktycznych większe znaczenie mają wykresy CTP_c

CTP-podeutektoidalnej, eutektoidalnej, nadeutektoidalnej

Przemiana perlityczna – przemiana fazowa (termiczna) austenitu w perlit zachodząca w wyniku powolnego chłodzenia stali (poniżej temperatury 727 °C) nagrzanej do temperatury austenitu. Zachodzi przy ochłodzeniu austenitu poniżej temperatury Arl (alotropowej). Jest to przemiana dyfuzyjna, związana z przegrupowaniem atomów węgla, zachodząca przez zarodkowanie i wzrost zarodków; zarodkowanie heterogeniczne na cząstkach cementytu, płytkach ferrytu, a w austenicie na granicach jego ziaren; kolejno tworzenie płytek cementytu i ferrytu.

Przemiana bainityczna – przechłodzenie austenitu do temp. odpowiadających środkowemu obszarowi na wykresie CTPi (ok. 550 – 200 °C dla stali węglowej), przemiana ta zawiera w sobie elementy PM i PP, różniąc się jednak w swoisty sposób od obu tych przemian.W tym zakresie temp. szybkość dyfuzji węgla jest bardzo mała. W warunkach tych z austenitu powstają płytki ferrytu przesycone węglem. Z powstałych płytek przesyconego ferrytu wydziela się cementyt. Bainit jest, więc mieszaniną ferrytu przesyconego węglem i węglikami. Rozróżnia się bainit górny powstały z przemiany austenitu w temp. ok. 550 – 350 °C, oraz bainit dolny powstały w zakresie 350 – 250 °C.

Przemiana martenzytyczna zachodzi w warunkach szybkiego chłodzenia nagrzanego materiału, a polega na zmianie symetrii sieci krystalograficznej metalu, zachodzącej bez udziału dyfuzji. Jest to możliwe wskutek uporządkowanego przemieszczenia się grup atomów bez zmiany najbliższych sąsiadów. Martenzyt powstaje w wyniku bezdyfuzyjnych przemian fazowych, które zachodzą w metalach mających odmiany alotropowe oraz w ich stopach, jeżeli roztwory stałe również ulegają przemianom polimorficznym. Przemiany zachodzą wówczas, gdy odmiana alotropowa trwała w wyższej temperaturze zostaje bardzo szybko ochłodzona do temperatury, w której jest trwała druga z odmian. W tych warunkach nie jest możliwe utworzenie zarodków krystalizacji odmiany niskotemperaturowej na powierzchni krystalitów fazy wysokotemperaturowej, ponieważ szybkość dyfuzji jonów do powierzchni kryształów fazy przechłodzonej jest zbyt mała

Stopy Fe – ogólny podział

Stopy Fe dzielimy na 2 grupy:

Stale i staliwa – do 2.11%C

Żeliwa i surówki – powyżej 2.11%C

Pierwiastki w stali

Pierwiastki w stali dzielimy na 3 grupy:

Domieszki zwykłe, konieczne ze względów metalurgicznych (Mn, Si, Al), dodawane w celu odtlenienia stali

Zanieczyszczenia (S, P, N, O, H)

Dodatki stopowe, wprowadzane celowo dla nadania określonych własności (Mn, Si, Cr, Mo, W, V, Cu, B)

Zanieczyszczenia

S – z koksu i rudy. Tworzy wtrącenia niemetaliczne

Górna zaw. do 0.05%. W stalach o dużej udarności <0.02%, w niektórych zastosowaniach do 0.002%

Siarka powoduje kruchość na gorąco, bo eutektyki siarczkowe mają temperaturę topnienia 988oC

Dla zapobieżenia kruchości dodaje się Mn, który tworzy trudno rozpuszczalny MnS

Wywołuje jednak anizotropię własności mechanicznych

Anizotropii zapobiega dodatek ziem rzadkich i Ca, Ti, Zr

S może być dodawana celowo do stali automatowych, do 0.35%

Stale automatowe mogą zawierać do 0.15%C, mogą zawierać do 0.15%P, nie więcej niż 1.2%Mn, mało Si i nie mogą być odtleniane Al

P – z rudy.

Zaw. ograniczona do 0.05%, bo powoduje kruchość na zimno, utwardza ferryt

W stalach wysokiej jakości – do 0.02%

Stosowany w niektórych stalach przeznaczonych na blachy oraz w stalach automatowych

Tlen – w postaci wtrąceń tlenkowych

Zmniejszają one udarność i ciągliwość

Azot – z powietrza. Występuje w wydzieleniach lub w roztworze

Korzystny wpływ na wielkość ziarna

W roztworze niepożądany, bo wywołuje starzenie po zgniocie

Dodawany w stalach odpornych na korozję i do narzędziowych

Wodór – szkodliwy. Dostaje się z pary wodnej. Na defektach struktury krystalicznej atomy łączą się w cząsteczki tworzące gaz o bardzo dużym ciśnieniu

Powoduje to tworzenie mikropęknięć (płatki) i kruchość stali

Zaw. W stali 2 do 8 ppm. Już 1 do 2 ppm powoduje wzrost kruchości

Aby zmniejszyć ilość stosuje się odgazowanie ciekłej stali w próżni lub jej powolne chłodzenie

Pierwiastki stopowe

Występują w stali w postaci Roztworów. Tworzą węgliki i azotki, Tworzą fazy międzymetaliczne. Występują w stanie wolnym – fazy obce. W stanie stałym H, N, C, O, B –tworzą roztwory międzywęzłowe, pozostałe - różnowęzłowe

Pierwiastki stopowe wpływają na zakres występowania pola 

Pierwiastki obniżające A3 i podnoszące A4 – rozszerzają pole austenitu Ni, Mn, Co , C,N,Cu

Pierwiastki podnoszące A3 i obniżające A4 – wykres z zamkniętym lub zwężonym polem większość pierwiastków Al., Si, P, Cr, Mo, W, Ti, V oraz B, S, Zr i Nb, Ta

Podział stali według składu chemicznego i zastosowania

Ze względu na skład chemiczny

Węglowe (niestopowe)- obejmuje wszystkie gatunki stali, w których zawartość określonych pierwiastków jest mniejsza od pewnych wartości granicznych
Stopowe-  stal, w której oprócz węgla występują inne dodatki stopowe o zawartości od kilku do nawet kilkudziesięciu procent, zmieniające w znaczny sposób charakterystyki stali

Ze względu na zastosowanie:

• stal konstrukcyjna

ogólnego przeznaczenia, niskostopowa, wyższej jakości, automatowa, łożyskowa, sprężynowa, do azotowania, do ulepszania cieplnego

• stal narzędziowa:

węglowa,

stopowa:

do pracy na zimno

do pracy na gorąco

szybkotnąca.

• stal specjalna

nierdzewna, kwasoodporna, magnetyczna

odporna na zużycie , Stal Hadfielda, transformatorowa

zaworowa, żaroodporna, stal maragingżarowytrzymała

Stale konstrukcyjne - ogólny podział:

• węglowe,

• Niskostopowe,

• Do obróbki cieplno-chemicznej (C, N),

• Do ulepszania cieplnego,

• Sprężynowe;

• Łożyskowe

W stalach konstrukcyjnych zaw. pierwiastków stopowych do kilku procent. Zazwyczaj niska zaw. C (na ogół do 0.3%) – wyjątek stale łożyskowe Przy łączeniu elementów konstrukcyjnych przez spawanie ważna jest spawalność stali, czyli podatność do tworzenia złącz spawanych o własnościach zbliżonych do materiału rodzimego. Bez problemów związanych z własnościami złącz można spawać stale do 0.22%C, gdy grubość elementów nie przekracza 25 mm

51. Stale narzędziowe Do produkcji narzędzi do kształtowania materiałów przez skrawanie i przeróbkę plastyczną. Wymagane własności: duża twardość odporność na ścieranie w niektórych stalach – wysoka twardość w podwyższonych temperaturach Dobrą twardość i odporność na ścieranie w temperaturze otoczenia wykazują stale niestopowe o dużej zaw. C

Ich własności maleją ze wzrostem temp Przy wzroście temperatury, np. podczas skrawania, narzędzie musi zachowywać wysokie własności zapewniają je dodatki pierwiastków takich jak W, Mo, V, Cr, tworzące MC, M6C i M23C6 Dzielimy je na 3 grupy : do pracy na zimno(Na narzędzia do pracy w T<250oC, Główne pierwiastki: Cr, W, V; Większość stali zawiera ok. 1%C ale są stale zawierające 0.5 lub 2%C, Łączna zaw. Pierwiastków na ogół<3%, choć zdarzają się wyjątki), do pracy na gorąco(Na narzędzia do kształtowania materiałów w wysokich temperaturach (walce, matryce),Narzędzia mogą nagrzewać się nawet do 700C, narażone są na zmęczenie cieplne, Zaw.: C: 0.3-0.55%, Cr: 0.65-5%, V:0.1-1%, Mo: 0.25-3%), szybkotnące.

52. Stale o szczególnych własnościach :

• Odporne na korozję,

• żaroodporne i żarowytrzymałe,

• odporne na ścieranie,

• szczególnych własnościach magnetycznych

Stale odporne na korozję :Na działanie agresywnych środowisk Zawierają powyżej 10.5%Cr bo Cr odznacza się skłonnością do pasywacji i przenosi to na stal przy takiej zaw.

Ze wzrostem zaw. Cr rośnie odporność stali na korozję Podział: Ferrytyczne 10.5-30%Cr, max. 0.08%C i do 4.5%Mo Austenityczne: 17-25%Cr, 8-30%Ni, max. 0.15%C i do 7%Mo Martenzytyczne 11-18%Cr, 0.08-1.2%CFerrytyczno-austenityczne 12-28%Cr, 4-27%Ni, max. 0.15%C i do 3.5%MoW stalach martenzytycznych zaw. C i Cr są tak dobrane, by w temp. 1000-1100C uzyskać austenit. Podczas chłodzenia na powietrzu uzyskuje się martenzyt

Znajdują one zastosowane na wysokiej jakości noże, łożyska toczne i zawory silników

Stale ferrytyczne mają dużą Rm, umiarkowaną ciągliwość i umiarkowanie się umacniają podczas odształcania plastycznego na zimno. Mają dużą odporność na korozję i są względnie tanie Austenityczne stale mają bardzo dobrą ciągliwość, formowalność i odporność na korozję. Można je umocnić przez odkształcenie na plastyczne na zimno

Charakteryzują się bardzo dużą udarnością w niskich temperaturach Są niemagnetyczne. Są drogie W stalach chromowych może występować korozja międzykrystaliczna po granicach ziarn. Dla jej zapobieżenia musi być związany C przez Ti lub Nb

Stale żaroodporne i żarowytrzymałe Żaroodporność – odporność na działanie gazów utleniających w wysokich temperaturach Żarowytrzymałość – zdolność do przenoszenia naprężeń mechanicznych w wysokich temperaturach. Żaroodporność – zapewniają dodatki Cr, Si, Al. Im wyższy zakres temperatur tym większa zawartość dodatków. Do 10%Cr stal żaroodporna do 900C, 20-25%Cr – do 1100C Stale żaroodporne nie mogą doznawać przemian alotropowych w temperaturze pracy, Stale żarowytrzymałe muszą być odporne na pełzanie W zakresie 350-500C – stale stopowe ferrytyczne lub ferrytyczno - perlityczne

500-650C – stale austenityczne 650-900C – stopy na osnowie Ni i Co Powyżej 900C – stopy metali trudnotopliwych (Mo, Cr)

Stale o szczególnych własnościach magnetycznych Zależność natężenia pola magnetycznego B wzbudzonego w materiale od natężenia pola magnesującego H

Materiały magnetycznie miękkie (wąska pętla histerezy)Materiały magnetycznie twarde (szeroka pętla) Pole powierzchni pętli histerezy jest proporcjonalne do energii niezbędnej do przemagnesowania materiału Energia ta jest rozpraszana w postaci ciepła W transformatorach, prądnicach i silnikach elektrycznych stosujemy materiały magnetycznie miękkie Na magnesy trwałe stosuje się materiały magnetycznie twarde Blachy z magnetycznie miękkich stopów Fe – blach elektrotechniczne dzieli się na 2 grupy: Materiały prądnicowe – 0.4-3.4%Si Materiały transformatorowe – 3.5-4.5%Si

Kształt pętli histerezy zależy od tego, w jakim kierunku krystalograficznym jest przykładane pole magnesujące Najwęższą pętlę histerezy wykazuje kierunek <100> -

tekstura Gossa (płaszczyzny {011} są równoległe do płaszczyzny blachy, a kierunki <100> równoległe do kierunku walcowania Stopy magnetycznie twarde: ok.. 1%C. Do 10%Cr, %W i 16%Co

Oznaczenia stali wg PN-EN 10027-1

Dwie grupy znaków

Zawierające symbole wskazujące na skład chemiczny

Wskazujące na zastosowanie oraz własności fizyczne

W staliwach znak gatunku poprzedza G

W oznaczeniach 4 podgrupy:

Stale niestopowe (bez automatowych) o zaw. Mn<1% - C i liczba będąca 100-krotną zaw. C

Stale niestopowe (bez automatowych) o zaw. Mn>1%, automatowe i stopowe (bez szybkotnących), o zaw każdego pierwiastka<5% - 100krotna wymagana zaw. C, symbole pierwiastków składników stopowych w kolejności malejącej oraz liczb oznaczających zaw. Pierwiastka pomnożonych przez współczynnik oddzielone kreską poziomą

Np. 55NiCrMoV6-2-2 – 0.55%C, 1.5%Ni, 0.6%Cr, 0.2%Mo i poniżej0.1%V –tab. 8.3

Stale stopowe (bez szybkotnących) zawierające przynajmniej 1 pierwiastek>5%:

X, liczba 100-krotna zaw. C, symbole pierwiastków i liczby – zawartości pierwiastków oddzielone kreskami, np. X5CrNiMo17-12-2

Stale szybkotnące: HS oraz liczby zaw. Pierwiastków W, Mo, V, Co, np. HS18-0-1, odpowiada SW18 – 0.8%C, 18%W, 1.25%V

Żeliwa – ogólna charakterystyka. Stopy odlewnicze zaw.>2.11%C oraz pierwiastki (Si, Mn, P i S) nazywamy żeliwami Skład żeliw: 2.11-3.8%C, 0.5-3.5%Si, 0.2-1%Mn, 0.05-0.8%P, 0.02-0.15%S

Szare: część węgla występuje w postaci grafitu,

Białe: węgiel związany w postaci Fe₃C

Si – sprzyja grafityzacji, Mn i S – stabilizują cementyt rzadko stosowane ze względu na dużą kruchość i twardość Zazwyczaj są półproduktem do wytwarzania żeliwa ciągliwego

Żeliwa szare Struktura składa się z osnowy metalicznej i fazy grafitowej W zależności od kształtu grafitu rozróżniamy: Żeliwo szare z grafitem płatkowym ,Żeliwa szare z grafitem kulistym (sferoidalne),Żeliwa szare z grafitem kłaczkowym, Najczęściej stosowane żeliwo szare z grafitem płatkowym. Przy stałej szybkości chłodzenia struktura żeliwa szarego zależy od zawartości C i Si Wpływ C i Si (rys) Wpływ grubości ścianki(rys)

Klasyfikacja żeliwa szarego oparta jest na Rm, 6 gatunków żeliwa: 100, 150, 200, 250, 300, 350 Liczby oznaczają minimalną Rm Wytrzymałość na ściskanie jest 4 razy większa

Wydłużenie nie przekracza 1%

Żeliwo szare sferoidalne Powstaje przez dodanie do ciekłego żeliwa 0.03-0.08%Mg lub Ce Osnowę żeliwa może stanowić ferryt lub ferryt+perlit Klasyfikacja oparta na własnościach mechanicznych; 3 cyfry na początku – minimalna Rm Dwie na końcu – minimalne A – np 350-22 Minimalna Rm: 350-950MPa A – 2-22% Ze wzrostem Rm maleje A

Żeliwo ciągliwe Powstaje z żeliwa białego przez obróbkę cieplną. Ze względu na strukturę dzieli się na : Białe, Czarne, Perlityczne.

Białe - Wyżarzanie odlewów z żeliwa białego w atmosferze odwęglającej Oznaczane symbolami: W, B, P i liczbowymi: dwucyfrowa – Rm/10, następne dwie – wydłużenie, np. W35-04 Czarne – w atmosferze obojętnej, przez rozkład cementytu grafit w kształcie prażonej kukurydzy Struktura: ferryt + grafit lub ferryt + grafit + perlit Perlityczne – podobnie jak czarne, grafityzacji ulega cementyt pierwotny i wtórny

Własności żeliw

Zależą od: struktury osnowy, od kształtu ilości i rozmieszczenia grafitu, największy wpływ na własności plastyczne i odporność na pękanie ma grafit jego wydzielenia – podobne do porów i pustek Dlatego najmniejsze własności ma żeliwo z grafitem o ostrych krawędziach (karby)

Najlepsze własności plastyczne ma żeliwo sferoidalne Własności wytrzymałościowe na ściskanie są znacznie lepsze niż na rozciąganie Własności wytrzymałościowe rosną ze wzrostem ilości węgla związanego a plastyczne maleją Twardość i wytrzymałość na ściskanie w małym stopniu zależą od kształtu cząstek grafitu Zalety:Dobra wytrzymałość na ściskanie Zdolność tłumienia drgań Dobra skrawalność (szarych) Dobra odporność na ściskanie Dobre własności odlewniczeNiski koszt wytwarzania Do żeliw można dodawać dodatki stopowe (żeliwa stopowe)