1. Wstęp
1.1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia było poznanie ważniejszych grup gatunków stali nierdzewnych (ferrytyczne, austenityczne, austenityczno- ferrytyczne), ich obróbki cieplnej i plastycznej, struktury i jej związków z właściwościami mechanicznymi i odpornością korozyjną w różnych warunkach użytkowania oraz zastosowania tych stali w okrętownictwie. Zapoznanie się z wykresem Schaefflera, poznanie zależności struktury stali od jej składu chemicznego oraz poznanie rodzajów korozji.
1.2. Definicje
Korozja- stopniowe niszczenie tworzywa pod wpływem chemicznego oddziaływania środowiska. Niszczenie metalu zaczyna się od powierzchni metalu, które w dalszym etapie posuwa się w głąb. Niszczeniu towarzyszy na ogół zmiana wyglądu powierzchni, np. powstawanie rdzy na żelazie będącej produktami jego utleniania (na ogół tlenki, wodorotlenki). Istnieją jednakże takie rodzaje korozji, których nie można rozpoznać gołym okiem, np. cienkiej warstewki tlenku glinu na glinie metalicznym.
Rodzaje korozji:
Korozja równomierna, np. pod wpływem oddziaływania atmosfery
Korozja wżerowa, wywołana jonami chlorowców ośrodku otaczającym konstrukcję
Korozja międzykrystaliczna- niszczenie metalu przebiegające wzdłuż granic ziarn
Korozja naprężeniowa, wywołana jednoczesnym oddziaływaniem naprężeń i środowiska
Korozja selektywna, często elektrolityczna, wywołująca intensywniejsze rozpuszczanie jednego ze składników strukturalnych
Korozja ziemna, spowodowana oddziaływaniem substancji chemicznych lub wilgoci występującej w ziemi
Korozja wywołana działaniem związków siarki zawartych w środowisku pracy konstrukcji
Stal nierdzewna to rodzaj stali odpornej na korozję poprzez wprowadzenie składników stopowych, głównie chromu, zwiększających zdolność stali do pasywacji. Stale nierdzewne zawdzięczają swoje właściwości przeciwkorozyjne zjawisku pasywacji. Jeśli metal ulega korozji w danym ośrodku, wtedy określa się go jako aktywny. Jeśli natomiast wykazuje odporność, wtedy jest pasywny, czyli niereagujący. Jeden i ten sam metal może być w jednych warunkach aktywny, w innych zaś pasywny.
Pasywacja to taki stan powierzchni metalu, który przy danych warunkach składu i temperatury ośrodka praktycznie nie zmienia się przez długi okres czasu. Pomiędzy stanem całkowitej aktywności i pasywacji istnieje dużo stanów pośrednich, choć niekiedy przejście od stanu aktywnego do pasywnego przebiega nagle.
Pierwiastek stopowy, który może zwiększyć odporność korozyjną stopów żelaza w atmosferze tlenu to chrom, nikiel, molibden, mangan, tytan i częściowo miedź. Chrom powoduje zmianę potencjału elektrochemicznego stopów żelaza(stali). Zmiana potencjału elektrochemicznego stali w zależności od zawartości chromu pokazana poniżej na wykresie
Zgodnie z normą PN-71/H- 86020 stale odporne na korozję (nierdzewne i kwasoodporne. Gatunki), można wyróżnić grupy stali w zależności od jej struktury, która z kolei związana jest ze składem chemicznym stopu. Zależność struktury stali od jej składu chemicznego, czyli od tzw. Równoważnika chromu(pierwiastków sprzyjających powstaniu ferrytu) i równoważnika niklu (pierwiastków sprzyjających powstawaniu austenitu) przedstawiono na rysunku poniżej(wykresu Schaefflera). Struktury te występują w stalach po ich przesyceniu z temperatury 1050st C.
wykres Schaefflera
Równoważnik niklu wylicza się z zależności:
Równoważnik chromu wylicza się z zależności:
Stale nierdzewne można dzielić na klasy(według struktury). Wyróżnia się stale:
Ferrytyczne
Ferrytyczno- austenityczne
Austenityczne
Martenzytyczne
Austenityczno- martenzytyczne
Martenzytyczno- ferrytyczne
Stal nierdzewna ferrytyczna jako główny dodatek stopowy zawiera chrom oraz niewielkie domieszki molibdenu, tytanu, niobu oraz innych składników. Stal nazywana jest ferrytyczną, gdyż w swojej budowie strukturalnej posiada ferryt. Ferryt jest to roztwór stały
węgla w żelazie α zawierający niewielkie ilości, mniejsze niż 0,025%, węgla oraz niekiedy inne dodatki stopowe.
Ferrytyczno-austenityczna stal nierdzewna/ Duplex
Struktura tej stali nierdzewnej jest strukturą hybrydową ze stali ferrytycznej i austenitycznej. Wyróżnia się wysoką odpornością na korozję i równomierną mikrostrukturą. Ferrytyczno-austenityczna stal nierdzewna ma większą odporność na zużycie i na rozciąganie niż stal nierdzewna z grupy AMG 2.1 i 2.2. Materiały te używane są do ruszających się części maszyn, jak np. wirniki pompowe, mieszadła, rolki do maszyn papierniczych. Znajdują często zastosowanie w przemyśle chemicznym i petrochemicznym jak i na platformach wiertniczych. Zawierają w sobie relatywnie wysoki udział chromu (18-28 %) i średni udział niklu (4,5- 8%). Stale te są trudne w obróbce.
Austenityczna stal nierdzewna
Stopy metali w tej grupie to najbardziej powszechna stal nierdzewna wynosząca około 70 % produkcji. Stopy te nie utleniają się w temperaturze otoczenia i nie mogą być utwardzane przez obróbkę cieplną. Austenityczna stal wyróżnia się średnią do trudnej skrawalności. Dodatek niklu zmienia strukturę stali z ferrytycznej na austeniczną. Znaną nierdzewną stalą austenityczną jest stal typu 18/8 (18 % chromu, 8 % niklu), która posiada dobrą odporność na korozję. Dzięki dodatkowi molibdenu polepszają się jej właściwości mechaniczne. Wysoko stopowa stal nierdzewna austenityczna, np. z zawartością chromu od 26 % i niklu od 22 %, wyróżnia się lepszą odpornością na korozję. Jednakże stale te przez zwiększony udział składników stopowych są trudne w obróbce.
Ten rodzaj stali nierdzewnych ma bardzo szerokie zastosowanie w środowiskach bardzo narażonych na korozję, przemysł okrętowy przemysł chemiczny itp. Trwałość, niskie wymogi konserwacji a także wygląd stali nierdzewnej mają zastosowanie w budownictwie.
Stabilizacja węgla to proces tworzenia się węglików niobu lub tytanu zamiast węglików chromu, zapobiega ubożeniu przygranicznych stref ziarn austenitu w chrom a więc zapobiega powstawaniu korozji międzykrystalicznej
2. Metodyka badań
2.1. Próbki
Przygotowanie próbek do badań można podzielić na cztery etapy: wycinanie, szlifowanie, polerowanie, trawienie.
Próbki trawione Mi19Fe – trawi stale austenityczne
Próbki użyte w ćwiczeniu pochodzą z różnych ekspertyz wykonywanych przez laboratoria Politechniki Gdańskiej.
2.2. Mikroskop metalograficzny
Mikroskop świetlny składa się z obiektywu, okularu, oświetlacza, stolika, korpusu.
Obiektyw jest układem optycznym składającym się z kilku soczewek w jednej metalowej obudowie. Jakość obrazu zależy od występowania szeregu wad np. aberracji sferycznej czy chromatycznej.
Apertura numeryczna obiektywu to:
A = n sin (β/2)
A- apertura numeryczna
n – współczynnik załamania światła
β – kąt rozwarcia obiektywu.
Zdolność rozdzielcza obiektywu to:
d = λ / A
d – zdolność rozdzielcza
λ - długość fali.
Okular również jest układem optycznym. Powiększa on obraz utworzony przez obiektyw i przekazuje do obserwatora. W zależności od budowy ma możliwość korygowania niektórych wad oka ludzkiego. Głównym celem oświetlacza, na co wskazuje sama nazwa, jest dostarczenie odpowiedniego światła, tak by próbki stały się widoczne. Oświetlacz składa się z
silnego punktowego źródła światła. Promienie przechodzą przez przesłony i kondensor, po czym padają na oświetlacz właściwy czyli płytkę, pryzmat lub pierścień, który zmienia ich kierunek. Powstaje obraz w polu jasnym, lub jego negatyw obraz w ciemnym polu.
2.3. Wady mikroskopu metalograficznego
Aberracja chromatyczna – wada powodująca zniekształcenie obrazu utworzonego przez obiektyw. Zjawisko różnego załamywania promieni o różnych długościach fal.
Aberracja sferyczna - wada powodująca zniekształcenie obrazu utworzonego przez obiektyw. Zjawisko polegające na tym, że promienie przechodzące przez różne miejsca soczewki dochodzą do różnych ognisk (promienie bliżej osi są mniej załamywane).
3. Wyniki badań i analiza
Na załączniku
5. Wnioski
Stale chromowe ferrytyczne i martenzytyczne nie są stosowane na konstrukcje oceanotechniczne, ponieważ podlegają korozji w warunkach oddziaływania elektrolitu(wody morskiej). Ograniczone zastosowanie stali chromowych może mieć miejsce na części konstrukcji nie stykających się z oddziaływaniem elektrolitu, czyli na części maszyn pracujących w warunkach działania atmosfery powietrza, czyli wewnątrz urządzeń oceanotechnicznych.
W celu ochrony przed korozją stosuje się:
powłoki ochronne, które mają na celu odcięcie powierzchni metalu od środowiska korozyjnego
powłoki metaliczne i niemetaliczne
Pasywację
Jedną z najbardziej rozpowszechnionych i skutecznych metod zabezpieczenia antykorozyjnego w życiu codziennym jest cynkowanie (pokrycie powierzchni przedmiotów stalowych cienką powłoką cynku)
Odprężenie materiału (zapobiega korozji naprężeniowej)
Kontrola poziomu węgla
Obniżenie agresywności środowiska
Chrom, nikiel, molibden, mangan, tytan mogą zwiększyć odporność korozyjną stali.
Stale stopowe są od 2 do 3x odporniejsze w tych samych środowiskach niż stale niestopowe.
Stal nierdzewna zawiera 13-18% chromu i do 0,4% węgla. W zależności od zawartości węgla na różne konstrukcje w przemyśle, łopatki turbin czy elementy maszyn o większej twardości i wytrzymałości, np. wały, śruby.
Chrom jest podstawowym dodatkiem stopowym w stalach odpornych na korozję
Nikiel zwiększa odporność na korozję elektrochemiczną, wytrzymałość, ciągliwość.
W celu skutecznego przeciwdziałania korozji międzykrystalicznej nie można dopuścić do wydzielenia węglików chromu.
Wraz ze wzrostem zawartości węgla, gwałtownie maleje plastyczność przy równoczesnym wzroście twardości, wytrzymałości na rozciąganie i granicy plastyczności.