Politechnika Białostocka

WYDZIAŁ MECHANICZNY

Instrukcja do zajęć laboratoryjnych

Temat ćwiczenia: Układ Fe-Fe₃C. Badania struktur stali

Numer ćwiczenia: 4-IB

Laboratorium z przedmiotu:

MATERIAŁY KONSTRUKCYJNE

Kod:

Opracowała:

mgr inż. Anna Mierzejewska

2014

Wydział (Instytut): WYDZIAŁ MECHANICZNY

Katedra (Zakład): KATEDRA INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ I BIOMEDYCZNEJ

KOD:

Zawartość instrukcji

1. Wprowadzenie

2. Cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego

3. Metodyka badań

1. opis stanowiska

2. przebieg realizacji eksperymentu

3. prezentacja i analiza wyników badań

4. Wymagania BHP

5. Sprawozdania studenckie (cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego, przebieg realizacji ćwiczenia, zestawienie i analiza wyników, wnioski)

6. Literatura

1. Wprowadzenie

Układ równowagi fazowej Fe – Fe₃C

Układ żelazo-cementyt jest fragmentem układu żelazo-węgiel. Jest to wykres przedstawiający w sposób graficzny zależności struktury od składu chemicznego stopu i temperatury. Wykres równowagi Fe-Fe₃C stanowi podstawę do podziału stopów żelaza z węglem na grupy według ich przeznaczenia, ponieważ dla dowolnie wybranego składu chemicznego pozwala przewidzieć właściwości mechaniczne stopu. Umożliwia również przewidywanie zmian struktury stopów podczas ich nagrzewania oraz chłodzenia, co pozwala na zaplanowanie procesów obróbki cieplnej danego materiału [1-3].

Stop żelaza z węglem o zawartości ok. 2% C, otrzymany w procesie stalowniczym i poddany obróbce plastycznej nazywany jest stalą [5,6]. W skład każdego technicznego stopu, oprócz żelaza i węgla wchodzą również inne pierwiastki, które mniej lub bardziej korzystnie wpływają na właściwości materiału. Te, które obniżają jego parametry nazywa się zanieczyszczeniami, natomiast pierwiastki wpływające dodatnio na strukturę i parametry stali definiuje się jako domieszki [2]. Z tego względu stale możemy podzielić na niestopowe (węglowe) oraz stopowe.

Stale niestopowe obejmują wszystkie gatunki stali, w których zawartość procentowa pierwiastków jest nieznaczna i nie przekracza określonych wartości granicznych (np. Mb <0,08%, Cr, Al, Co, Ni <0,3%). W zależności od zawartości węgla stale niestopowe możemy podzielić na: niskowęglowe - o zawartości węgla do około 0,3%, stale średniowęglowe - o zawartości od 0,3 do 0,6% oraz stale wysokowęglowe - o zawartości powyżej 0,6% [4].

Natomiast stale stopowe, to takie, w których oprócz węgla występują inne pierwiastki (dodatki stopowe), których zawartość wynosi od kilku do kilkudziesięciu procent, zmieniając w ten sposób właściwości stali. Celem stosowania dodatków stopowych jest zmiana właściwości i parametrów wytrzymałościowych materiału, podwyższenie hartowności, wywołanie pożądanych zmian strukturalnych, uzyskanie specjalnych własności chemicznych lub fizycznych, polepszenie efektów obróbki cieplnej, cieplno – chemicznej bądź plastycznej [4].

W zależności do procentowej zawartości węgla w stali ( w odniesieniu do punktu S) można je podzielić na trzy grupy [1-3]:

• stale podeutektoidalne, zawierające do 0,8% C, o strukturze perlityczno-ferrytycznej

• stale eutektoidalne o strukturze perlitycznej, zawierające około 0,8% C

• stale nadeutektoidalne, zawierające od 0,8 do 2,1% C, o strukturze perlitu i cementytu wtórnego.

  1. Składniki strukturalne [1-5]

Ferryt jest międzywęzłowym roztworem stałym węgla w żelazie lub , krystalizującym w układzie regularnym przestrzennie centrowanym A₂. Występuje w temperaturze do 727°C oraz od 1400–1538^oC w wąskim zakresie stężeń. Rozpuszczalność węgla w jest niewielka i mocno zależna od temperatury. Przy 20^oC wynosi 0,008%, natomiast przy temperaturze eutektoidalnej (727°C w punkcie S) wynosi 0,025%. Zawartość węgla w ferrycie zmienia się wzdłuż linii QP. Ferryt posiada niskie właściwości wytrzymałościowe i twardość (HB= ok. 80, Rm= ok. 300MPa), natomiast jest stopem plastycznym (A­­₅= 50%, U=200J/cm²).

Austenit jest to międzywęzłowy roztwór stały węgla w żelazie γ, krystalizujący w układzie regularnym ściennie (płasko) centrowanym A1, występuje w temperaturach od 727-1195°C, maksymalna rozpuszczalność węgla w austenicie w temperaturze eutektycznej to 2,11%. Jest paramagnetykiem, wykazującym małe przewodnictwo cieplne i elektryczne, stosunkowo twardym (HB = 180-230), o znacznej wytrzymałości (Rm = 750 MPa), a przy tym bardzo ciągliwym (A₁₀ = 40-60 %). W stalach węglowych poniżej temperatury przemiany A₁ ulega eutektoidalnemu rozpadowi na mieszaninę ferrytu i cementytu.

Cementyt jest węglikiem żelaza (Fe₃C) o rombowej strukturze krystalicznej, w którym część atomów Fe może być zastąpiona innymi pierwiastkami (Mn, Ni, Cr). Zawartość węgla jest stała i wynosi 6,67%. Wydzielający się z cieczy w stopach nadeutektycznych cementyt poniżej linii DC jest nazwany pierwotnym, wydzielający się z austenitu na wskutek zmniejszającej się rozpuszczalności węgla w żelazie Fe- wzdłuż linii ES jest nazwany wtórnym, a wydzielający się z ferrytu na wskutek malejącej z obniżeniem temperatury rozpuszczalności węgla w żelazie Fe- wzdłuż linii PQ jest nazwany trzeciorzędowym. Cementyt jest fazą twardą (ok. 800HB), o dużej kruchości.

Perlit to mieszanina eutektoidalna ferrytu oraz cementytu (ferryt stanowi 89% masy perlitu) o zawartości 0,8% węgla. Perlit obserwowany pod dostatecznie dużym powiększeniem charakteryzuje się budową pasemkową, gdyż składa się z płytek ferrytu i cementytu ułożonych na przemiennie. Cienkie płytki twardego cementytu w miękkiej i plastycznej osnowie ferrytu nadają perlitowi większa twardość i wytrzymałość (HB ok. 240, Rm = 700-850 MPa, A₅ ok. 10%).

Ledeburyt jest produktem przemiany eutektycznej. Powstaje z cieczy zawierającej 4,3%C i składa się z nasyconego austenitu i cementytu pierwotnego. Zmniejszająca się w miarę obniżenia temperatury rozpuszczalność węgla w austenicie od 2,11 do 0,77% prowadzi do wydzielania się cementytu wtórnego z austenitu, a przez to do zmniejszenia ilości austenitu w ledeburycie. W temperaturze przemiany A₁ austenit ulega rozpadowi na ferryt i cementyt wtórny. Wtedy poniżej temperatury punktu S ledeburyt składa się z cementytu pierwotnego, wtórnego oraz perlitu i nosi nazwę ledeburytu przemienionego.

Rys. 1. Układ żelazo – cementyt [6]

Cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego

Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów ze strukturami stali węglowych oraz z wpływem struktury na właściwości mechaniczne stali. Zakres ćwiczenia obejmuje:

- zapoznanie się ze strukturami stali w stanie wyżarzonym

- analizę zmian właściwości mechanicznych stali ze wzrostem zawartości węgla

- analizę otrzymanych wyników.

3. Metodyka badań

opis stanowiska badawczego

- mikroskop metalograficzny, próbki metalograficzne: żelazo Armco, stali C15, C45, C80, C120, Normy.

przebieg realizacji eksperymentu

- przeprowadzić obserwacje zgładów trawionych przygotowanych próbek stali,

- wykonać rysunki struktur i opisać je.

prezentacja i analiza wyników badań

- narysować rysunki struktur stali węglowych,

- na podstawie literatury uzupełnić właściwości mechaniczne poszczególnych stali,

- przedstawić wnioski z przeprowadzonego ćwiczenia.

Literatura

[1] Dobrzański L. A.: Materiały inżynierskie i projektowanie materiałowe : podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo, Warszawa, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 2006.

[2]  Ciszewski A., Radomski T., Szummer A.: Materiałoznawstwo. Warszawa, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 2009.

[3] Piekarczyk J.: Skrypt AGH, Kraków 1990, Część B – Stereologia.

[4] Skrypt Politechniki Białostockiej pod redakcją J. Ogrodnika, "Laboratorium Materiałoznawstwa" Wydawnictwo Politechniki Białostockiej, 1990.

[5] Ryś J.: Stereologia materiałów , Fotobit Design, Kraków 1995.

[6] Skrypt Politechniki Lubelskiej pod redakcją A. Weriński: Ćwiczenia laboratoryjne z inżynierii materiałowej, Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej, 1994.