Stal - to stop żelaza z węglem i innymi pierwiastkami, obrabiany plastycznie, gdzie max zawartość węgla w stali wynosi 2%.Stal jest materiałem konstrukcyjnym, jest wysoka wytrzymałość na ściskanie, rozciąganie i zginanie. Właściwości: plastyczność, ciągliwość, spawalność, twardość- umożliwia produkowanie szerokiego asortymentu wyrobów stalowych.
Odtlenienie stali- zawiera pewna ilość tlenku żelaza uzyskuje się poprzez dodanie pierw. zwane odtleniaczami do których zaliczamy mangan, krzem i glin. Proces odtleniania stali tzw. uspokojenie stali zaczyna się w końcowym etapie wytapiania, jest tzw. kadzi odlewniczej. W zależności od stopnia odtlenienia sali, rozróżniamy stale:
Stal nieuspokojona - odtlenione tylko manganem; mangan obniża zawartość tlenku żelaza, w wyniku czego powstają tzw. gazy - dają zjawisko wrzenia. Zlewki te nie wykazują tzw. jamy ustawowej lecz charakteryzują się tzw. strefa segregacji. Stal nieuspokojona produkowana zwykle do zawartości 02.-0,5 manganu.
Stal półuspokojona- odtleniony mangan z niewielkim dodatkiem krzemu 0.15.
Stan uspokojona - odtlenienie krzemem od 0,15-0,35% i częściowo glinem do tego stopnia, że przy krzepnięciu nie zachodzi żadne reakcje z wydzielaniem gazów.
Budowa kryształów i struktura krystaliczna:
Ze względu na sposób rozmieszczenia atomów ciała stałe dzielimy na: krystaliczne i bezpostaciowe. W ciałach krystalicznych cząsteczki SA ustawione w pewnym geometrycznym określonym porządku. Ze względu na to, że w kryształach atomu ustawione są regularnie, mają powtarzający się układ nazywamy siecią przestrzenną. Układ ten obrazuje budowę kryształu gdzie atom tworzą tzw. Płaszczyzny sieciowe, które są dla siebie równoległe i równo od siebie oddalone. Płaszczyzny te z kolei przecinają się wzdłuż krawędzi odpowiadające prostym na których leżą atomy. Podczas krzepnięcia metalu pojawiają się tzw. Ośrodki krystalizacji od tych ośrodków w trzech przecinających się kierunkach, tworzą zgręzie krystaliczne i tzw. dendryty(kryształy). Większość metali krystalizuje się w trzech podstawowych kryształach sieci przestrzennych: +sieć A1 płasko centrowana układu regulowanego; +sieć A2 przestrzennie centrowana układu sieci regularnych; + sieć A3 układ heksagonalnego.
Niektóre metale mogą krystalizować w różnych rodzajach sieci krystalicznych. Zjawisko to nosi nazwę alotropii lub poliformizmu. Różne formy krystalograficzne tego samego metalu nosi nazwę odmian alotropowych, odmiany pisujemy α, β, γ. W wyniku przemian alotropowych następuje całkowita zmiana wszystkich właściwości metali: fizycznych, chemicznych, mechanicznych.
Układ żelazo-węgiel, układ równowagi:
Żelazo czyli metal miękki o dużej plastyczności, znajduje zastosowanie głównie w stopach z węglem które w zależności od zawartości węgla nazywane są: stalą, żeliwem i surówką. Węgiel może występować w postaci wolnej np. grafit, postać wiązana zwana cementytem.
Układ równowagi żelazo-węgiel obejmuje stopy żelaza z węglem o zawartości 6,67% węgla. Na podstawie tego wykresu można określić przebieg krzepnięcia stopu żelaza z węglem i zmiany zachodzące w stopach w stanie stałym przy powolnym ostudzeniu oraz poznać ich strukturą. Składniki strukturalne występuje w poszczególnych polach układu oznaczonego:
A -To ciekły roztwór węgla w żelazie;
B -to ferryt, czyli roztwór stały węgla w żelazie γ, krystalizujący w układzie regularnym przestani centralnym; ferryt jest miękki i plastyczny i stanowi prawie czyste żelazo;
C -austenit- to roztwór stały węgla w żelazie γ, ale krystalizujący w układzie regularnym płasko centrowanym;
D- cementyt- zwany węglikiem, krystalizujący w układzie rombowym występujący jako cementyt pierwotny, krystalizujący z roztworem ciekłego węgla z żelazem, zgodnie ze zmianą rozpuszczalności linii C-D i cementyt;
E- perlit - to mieszanina ferrytu i cementytu zawierającego 0,8% węgla. Perlit powstaje z rozkładu austenitu w temp. 727 st. C. Przechłodzenie austenitu tworzy drobny perlit zwany belinitem. Szybkość chłodzenia umożliwia dyfuzje węgla przemienia się w żelazo α w którym zawarty jest nadmiar węgla. Powstaje nowy składnik strukturalny zwany martenzytem występuje w postaci igieł obróbka cieplna-hartowanie.
F- ledeburyt to mieszanina austenitu i cementytu, tworzy się przy krzepnięciu cieczy o zawartości 4,3% w temp 1148 stop. C. Po ochłodzeniu do 727 stopni C austenit zamienia się w perlit.
Struktura stali:
Stal węglowa - stal przy niskiej zawartości węgla do 0,1% ma strukturę ferrytyczną. Poniżej zawartości 0,1% węgla pojawia się perlit, płytkowy w miarę wzrostu zawartości węgla dość perlitu wzrasta i przy zawartości 0,4% ferryt jest równy. Ale przy stalach o zawartości powyżej 0,6% ilość ferrytu jest mała, a przy 0,8% stal ma strukturę czystą perlity nu.
Stal stopowa- w stalach tych udział pierwiastków stopowych powoduje istnienie zmiany w temp. Przemian, wpływ dodatków stopowych jest różny dla różnych pierw. od ich zawartości i postaci, zależy skłonność do rozrostu ziaren austenitu podczas nagrzewania. Pierwiastki takie jak chrom, molibden, tytan, aluminium i krzem - tworzą w stali trudno rozpuszczalne węgliki, azotki, tlenki o dużym stopniu dyspersji. Stale stopowe mogą mieć od zależności zawartości węgla dodatków stopowych, strukturę perlityczną, austenityczną, martenzytyczną.
Właściwości stali w budowie krystalicznej:
Stosowane w praktyce metale są zwykle ciałami polikrystalicznymi zbudowane z dużej ilości kryształów przy tego rodzaju ciałach kryształów, tylko zewnętrzna budowa kryształów jest prawidłowa, natomiast ich kształt wewnętrzny zależy od warunków krzepnięcia, dlaczego zniekształcone kryształy noszą nazwę krystalitów lub ziaren. Poszczególne ziarna mają różną orientację przestrzenną, a skutek czego właściwości metali są jednakowe we wszystkich kierunkach, pomimo, że pojedynczy kryształ jest anizotropowy. Anizotropia ciał krystalicznych dotyczy właściwości ciał mechanicznych, Moduł sprężystości, granica plastyczności, wytrzymałość na rozciąganie oraz wydłużanie. Cechą charakterystyczną metali jest zdolność do odkształceń, zmiany wymiarów i kształtów. Zjawisko to umożliwia obróbkę metali przez obróbkę plastyczną. Przy odkształceniu metali przy wzroście naprężeń, występują odkształcenia sprężyste, a potem plastyczne. Odkształcenie sprężyste jest to odkształcenie , które znika po odciągnięciu obciążenia oznacza to, że w fazie obciążenie element metalowy powraca do pierwotnego kształtu.
Naprężenie styczne- wywołane siłami ścinającymi, powoduje przemieszczanie warstw atomów względem siebie. W tym przypadku stały stosunek naprężenia stycznego do odkształcenia nosi nazwę modułu sprężystości poprzecznej i oznaczony jest literą G. Moduł sprężystości podłużnej i poprzecznej zależą przede wszystkim od sił międzyatomowych i dlatego maja stałe wartości dla metali różnych gatunków poddawanych obróbce cieplnej.
Odkształcenia plastyczne- to odkształcenie pozostające po usunięcia obciążenia. Odkształcenie plastyczne zachodzi w procesie poślizgu lub bliźniakowania i zmienia postać geometryczną nie naruszając jego spójności, a więc nie powoduje pęknięć, szczelin, rozwarstwień. Odkształcenie przez poślizg polega na tym, że pod wpływem sił zewnętrznych następuje przesunięcie względem siebie części kryształu wzdłuż płaszczyzny krystalograficznymi zwany płaszczyznami poślizgu.
Obróbka cieplna - jest zabiegiem połączenia kilku zabiegów pod wpływem którym zmienia się w stanie stałym strukturę stopów, a tym samym właściwości mechaniczne, fizyczne i chemiczne. 2 punkty widzenia konstrukcji stalowych, do najważniejszych obrót zaliczamy: wyżarzanie, hartowanie, odpuszczanie, przesycanie.
WYŻARZANIE to zabieg cieplny polegający na nagrzewaniu stali do określonej temperatury i wygrzaniu jej w tej temperaturze a następnie studzeniu. Zależnie od temp. wygrzania, sposobu studzenia i celu jaki chcemy osiągnąć wyróżniamy:
Wyżarzanie zupełne- ma na celu rozdrobnienie ziaren stali, uzyskanie jednorodności struktury oraz usunięcie naprężeń. Nagrzania stali do temperatury 30-90 stopni C powyżej linii A3ACM oraz nagrzaniu jej i wolnym studzeniu w zakresie temperatury krystalicznych czyli linia GSE i linii PSK.
Wyżarzanie normalizujące- zwane normalizowaniem, różniące się od zupełnego tylko sposobem studzenia. Ma na celu: uzyskanie jednolitej, drobnoziarnistej struktury stali; polepszenia właściwości plastycznych; usunięcia naprężeń wewnętrznych.
Wyżarzanie rekrystalizujące- ma na celu usunięcie skutków zgniotu, czyli odkształcenie twardej struktury miękką, czyli drobnoziarnistą.
Wyżarzenie odprężające- ma na celu wydatne zmniejszenie naprężeń własnych powstałych przy obróbce technologicznej stali. Tutaj nie ma wyraźnych zmian strukturalnych stali.
HARTOWANIE to proces polegający na nagrzewaniu stali do temperatury nieco wyższej od linii GSK, wygrzaniu jej przez pewien czas aż do otrzymania struktury austenitycznej lub austenityczno-cementowej, a następnie szybkim oziębieniem.
ODPUSZCZANIE temperatury zmienia się wskutek zmian własności mechanicznych co powoduje obniżenie twardości i wytrzymałości na rozciąganie, a zwiększenie wydłużalności i udarności. Połączenie hartowania i odpuszczanie to ulepszanie cieplne.
PRZESYCANIE to rodzaj obróbki cieplnej, polegający na nagrzaniu stali do temperatury której jeden lub więcej składników przechodzi do roztworu stałego, wygrzaniu w tej temperaturze, a następnie szybkim ochłodzeniu. Otrzymana w temperaturze otoczenia wskutek przesycenia struktury roztworem stałego jest strukturą nietrwałą. Wydzielenie się z roztworu składnika pod postacią drobnej drugiej fazy nosi nazwę starzenia. Po procesie starzenia, stal staje się twardsza, bardziej wytrzymała, a jednocześnie mniej ciągliwa i krucha. Przyczyna starzenia leży zmiennej rozpuszczalności pewnych pierwiastków w ferrycie zależy od temperatury.
Naprężenia własne występują w elementach i wyrobach stalowych bez działania obciążeń. Naprężenia własne powstają w wyniku procesów technologicznych, przemian strukturalnych, wpływów montażu, różnych procesów obróbki cieplnej i takich jak : kucie, hartowanie, nitowanie, zmiany temperatury. Naprężenia własne w wyniku walcowania lub spawania, wpływają na konstrukcji: -mogą prowadzić do powstawania rozwoju i zatrzymania kruchych pęknięć; -obniża się krytyczną w prętach ściskanie; - mogą obniżać lub podwyższać wytrzymałość zmęczeniową lub na wielkość odkształceń tych elementów.
Klasyfikacja naprężeń własnych:
*** W zależności od objętości tej części materiału której te naprężenia występują:
+Naprężenie własne I rodzaju równoważące się w objętościach w konstrukcjach spawanych ze stali
+Naprężenie własne II rodzaju działające lub równoważące w granicach kilku ziaren stali;
+Naprężenie własne III rodzaju działające między elementami siatki krystalicznej;
*** W zależności od okresu działania to:
+Naprężenia czasowe powstające podczas nagrzania elementu, po ostygnięciu mogą zniknąć lub przejść w naprężenie pozostające;
+Naprężenia pozostające, czyli istniejące w elemencie po zakończeniu procesu technologicznego;
+W zależności od przyczyn ich powstania;
+Naprężenie cieplne- powstaje w skute zmiany objętości włókien stali;
+Naprężenie strukturalne - powstające podczas zmian temp. pod wpływem zmian objętości kryształów przy przejściu z jednej struktury w inną.
Mechanizm odkształceń i naprężeń własnych:
Stal nagrzewa się tylko w wąskim pasie, powiększenia jego objętości napotyka na silny opór chłodnej stali, które przeciwdziałając rozszerzeniu pasa, wywołują w nim naprężenia cieplne. Naprężenia te naruszają równowagę sił, co z kolei wywołuje nowe naprężenia które starają się ograniczyć, powstanie nowych odkształceń i zrównoważyć naprężenia własne.
Właściwości fizyczne i chemiczne stali:
Wytwarzanie stali jest wynikiem złożonych procesów, które mają istotny wpływ na strukturę tej stali jej skład chemiczny i różno jakie wartości. Nie które właściwości fizyczne stali zależą od jej składu chemicznego, sposobu obróbki i wytrzymałości.
+ Moduł Younga ->współczynnik sprężystości podłużnej E=210 000 MPa; ->współczynnik sprężystości poprzecznej G=81 000 MPa;
+Współczynnik Poissona, który wyraża zależność pomiędzy odkształceniami podłużnymi i poprzecznymi V=0,30;
+Ciężar właściwy C= 78,5 Kn/m3
+Współczynnik rozszerzalności cieplnej Er=0,000012 1/stopnie C
+Współczynnik tarcia kinetycznego: -dla płaskich powierzchni u=0,2; -dla krzywych powierzchni u=0,1; - dla toczenia u=0,03.
Klasyfikacja stali:
Stosujemy stal węglową i stopową:
-Stal węglowa- główny składnik obok żelaza to węgiel poniżej 0.25% dzielimy stal na: wysoko-węglowej, średnio-węglowej, nisko-węglowej.
-Stal stopowa- oprócz żelaza i węgla zawiera inne składniki dodawania w celu uzyskania odpowiednich właściwości. Stal jest stopowa jeżeli zawartość przynajmniej jednego z pierwiastków jest wyższa od 0.8%mangany; 0.4%siarki, 0.3%nikiel, 0.2%chrom,0.2%miedź, 0.2wolfram, 0.05wanad, 0.05tytan, 0.1%glin, 0.1%molibden.
Stal stopową dzielimy na: wysoko-stopową(suma składników stopowych większa od 5%); średnio-stopowa(1,5%-5%); nisko-stopowa(poniżej 1.5%).
Rozróżniamy następujące grupy stali: +nisko-węglowa(konstrukcyjna zwykłej jakości); +nisko-stopowa(konstrukcyjna); +stal węglowa o szczególnym przeznaczeniu; +stal o zwiększonej odporności.
Podstawowy składnik stali:
WĘGIEL wraz ze wzrostem zawartości stali zwiększa swoją wartość granicy wytrzymałości oraz plastyczności. Obniża właściwości plastyczności takie jak: udarność, wydłużenie, prężenie.
MANGAN w stali węglowej jest wprowadzony w celu związania siarczku magnezu oraz tlenu. W stali nisko-węglowej mangan zwiększa wytrzymałość raz hartowność, a stal manganowo wysoko-stopowa jest odporna na ścieranie.
KRZEM w stali węglowej spełnia funkcje odtleniacza. Zwiększa twardość, wytrzymałość na rozciąganie, wpływa nie korzystnie na wydłużanie, przedłużanie i udarność.
ALUMINIUM działa odtleniające wiedząc, gdy zwłaszcza tlen i azot zmniejszają w ten sposób tendencję stali do starzenia się.
CHROM podobnie jak mangan zwiększa twardość stali jej wytrzymałość granic plastyczności oraz sprężystości. Obniżając wydłużanie i przedłużenie. Chrom tworzy z węglem bardzo trwałe węgliki co zwiększa odporność stali na ścieranie.
NIKIEL podobnie jak chrom opóźnia wzrost ziaren austenitu, zwiększają hartowność, twardość i wytrzymałość.
VANAD tworzy bardzo trwałe i liczne węgliki, które umieszczone w płynnej stali zmieniają jako ośrodki krystalizacji. Nadają stali drobnoziarnistą strukturę.
MIEDŹ dostaje się ze złomu. Większa ilość miedzi zwiększa odporność stali na korozje.
MOLIBDEN powoduje zwiększenie hartowności, wytrzymałości, plastyczności i sprężystości(0.2-0.3%).
FOSFOR składnik szkodliwy dostaje się do stali. Tworzy z żelazem fosforki w granicach ziaren. Ograniczenie fosforu w stalach do 0,005% .
SIARKA składnik szkodliwy, siarka w większym stopniu niż fosfor wykazuje dużą skłonność do segregacji. Tworzą z żelazem, siarczek żelaza powodujący krzywość i powstanie pęknięć.
Stal nisko-węglowa konstrukcyjna wysokiej jakości, stosowana jest przeważnie w konstrukcjach stalowych, stali gatunku St3 i St4 dostarczana jest w 3 odmianach:
-w stosunku do odmiany S zawartość węgla to 0,2%
-odmiana V do 0,2% węgla
-odmiana W do 0,17% węgla.
Drugim czynnikiem różniącym stal nisko- węglową jest stopień uspokojenia stali X-stal, nie uspokojona Y-stal, pół uspokojona S-stal
Stal węglowa grupy R- służy do wykonywania rur do podwyższa jej właściwości plastyczne, stosujemy następujące gatunki stali; R35, R, R45
10BX- zastąpiono stalą 12X produkując rury ze szwem lub zgrzewalne. Stal odporna na korozje to stal 08H, 10H, 10HA, 10HAV,10HAVP,nowe gatunki: 12HJA, 12PA, 12HNNB.
Staliwo- znak α oznacza gatunek staliwa oraz dwucyfrową liczbę określającą wytrzymałość na rozciąganie, rozróżniamy następujące gatunki stali
gr I staliwo konstrukcyjne węglowe zwykłej jakości
gr II staliwo węglowe konstrukcyjne wyższej jakości
gr III staliwo konstrukcyjne węglowe najwyższej jakości.
Aluminium- l. At 13, występuje w postaci krzemianu, główny minerał to oksyd, plastyczny, dobry przewodnik ciepła, stopy- głównymi składnikami stopu jest miedź i krzem, jednym z najbardziej znanych jest dural, stop: aluminium, miedzi, magnezu i krzemu, stop zawierający 14% syluminu.
Miedź-l.at.29, temp. Topnienia 1080o, rudy miedzi- kupryt, kalpiryt. Miedź otrzymuje się za pomocą elektrolizy. Stopy- mosiądz-(miedź, cynk 20-45%) przerabiany plastycznie w postaci taśm, rur, prętów i blach; brąz-(stop miedzi i cyny 6-20%) duża odporność na działanie czynników zewnętrznych i ścieranie
Nikiel- temp topnienia 1450o, duża odporność na działanie wody, rozpuszcza się w k. solnym, azotowym i siarkowym. Stopy z miedzią, cynkiem i chromem, stopy Ni to wysoka odporność na korozję. Stop monela- zawierający 67% niklu, 28% miedzi, do 2% manganu i do 2% żelaza, można spotkać w elementach grzejnych
Cynk-l. At 30, temp topnienia 420o, cynk należy do odpornych na działalność powietrza i wilgoci, jest kruchy i
plastyczny. Najbardziej znana jest blenda cynkowa, stosowany do cynkowania wyrobów żelaznych, biel cynkowa- barwnik farb. Stopy z glinem i miedzą stosowany do odlewów, wadą jest to że ulegają starzeniu
Cyna- l. At. 50, temp topnienia 230o. ruda z której się ją wyrabia kasteryt. Cyna stanowi składnik wielu cennych stopów, stosowanych w technice takie jak brązy, stopy łożyskowe i do lutowania. Stopy z zawartością atymonu miedzi
Ołów- l.at 82, temp topnienia 320o. rida z której się wytapia ołów to galena. Pb daje obrabiać się na zimno, wyrabiać cienkie blachy i rury. Stopy Pb służą do lutowania cienkiego
Chrom- l. At. 24, temp topnienia 1800o, stosowany w konstrukcjach nierdzewnych i żaroodpornych
Wolfran- temp topnienia 3350o, występuje powszechnie w stalach stopowych, używany w sprzęcie szybko tnącym i narzędziowym
Molibden- l. At. 42, temp topnienia 2600o, do produkcji rur stalowych i odpornych na wysokie działanie temp.