Najczęściej badanymi materiałami są stale i żeliwa.
Stop żelaza z węglem (zaw. C poniżej 2%) i
żeliwa (zaw. C powyżej 2%)
Żelazo zawdzięcza swoją pozycję min:
Dużej ilości tego pierwiastka w przyrodzie - 5% skorupy ziemskiej.
Właściwościom stopów jakie może tworzyć z węglem, a zwłaszcza możliwości zmiany własności w szerokich granicach przez obróbkę cieplną.
STALE
Czyste żelazo nie znajduje większego zastosowania w technice. Do technicznych odmian czystego żelaza Fe zalicza się:
Żelazo strefowe topione - 0,001% domieszek
Żelazo chemicznie czyste, wytwarzane metodą redukcji tlenków - ok. 0,007% domieszek
Żelazo elektrolityczne - ok. 0,02% domieszek
Żelazo karbonylowe - ok. 0,03% domieszek
Żelazo uzyskiwane na drodze metalurgicznej - typu ARMCO o zawartości 0,1% domieszek
Odmiany alotropowe Fe wykazują zdolność rozpuszczania C zależną od temperatury, przy czym max rozpuszczalność występuje w temp. przemian:
Przemiana perlityczna podczas której powstaje austenit - roztwór stały węgla w żelazie na podczas której powstaje austenit - roztwór staPści C 0,09% - 0,53%
Przemiana eutektyczna podczas której powstaje ledeburyt - mieszanina eutektyczna austenitu i cementytu. Przemiana ta zachodzi tylko w stopach o zawartości C> 2,11%
Przemiana eutektoidalna podczas której perlit - mieszanina eutektoidalna ferrytu i cementytu o zawartości 0,77%C. Przemiana ta zachodzi w stopach o zaw. C.0,0218%.
wykres
- Linia likwidusu układu Fe- Fe3C przebiega między punktami
ABCD
Linia solidusu - AHJECF oznacza to, że:
wzdłuż linii AB wydzielają się z cieczy kryształy ferrytu
wzdłuż linii BC wydzielają się kryształy austenitu
wzdłuż linii CD wydzielają się kryształy cementytu pierwotnego
Linia ES określa zmianę rozpuszczalności C w austenicie pozostającym w równowadze z cementytem i jest oznaczana symbolem Acm . Ponieważ przy chłodzeniu rozpuszczalność C maleje od 2,11% w temp. 1148oC do 0,77% w temp. 727oC ,nadmiar węgla wydziela się w postaci cementytu zwanego wtórnym.
Linia PQ określa zmianę rozpuszczalności C w ferrycie. W temp. 727oC rozpuszcza się 0,0218%C podczas gdy w temp. pokojowej 0,008% C. Stąd przy chłodzeniu nadmiar węgla wydziela się w postaci cementytu zwanego trzeciorzędowym.
Austenit - roztwór stały C w żelazie ż˙˙˙˙LŘb_`J÷ż___ę elementarną w środku której znajduje się jeszcze jeden atom węgla.
Austenit o ile nie zawiera zbyt dużo domieszek stopowych to posiada dość znaczną wytrzymałość na rozciąganie, duże wydłużenie, przewężenie, udarność i odporność na ścieranie, a stosunkowo małą twardość i granicę sprężystości. Jest on składnikiem paramagnetycznym i po ujednorodnieni posiada budowę komórkową.
Cementyt ma strukturę złożoną z Fe i C o zaw. 6,67%C. Cementyt zwany jest także węglikiem krystalizacji w układzie rombowym. Rozmieszczenie atomów Fe w stosunku do siatki utworzonej przez atomy C jest poprzesuwane o różne odległości i z tego powodu Fe3C jest bardzo twardy i kruchy. Rozróżniamy cementyt pierwotny - wydzielany z fazy ciekłej podczas krzepnięcia surówek oraz wtórny wydzielony z roztworu stałego C w Fe tomy C jest poprzesuwane o ę rozpuszczalności C podczas obniżania temp. od 1145-721oC i cementyt trzeciorzędowy wydzielony z roztworu stałego ferrytu na skutek zmniejszenia się rozpuszczalności C w Fe u stałego C w żania temp. od 721oC do temp. otoczenia.
Ferryt to roztwór C w Fe α, posiada on siatkę żelaza α w którejrej znajduje się jeden atom C. Ferryt posiada siatkę przestrzennie centryczną, ma nieznaczną wytrzymałość na rozciąganie, niską granicę sprężystości i niewielką twardość. Stale o budowie czysto ferrytycznej mają zastosowanie głównie w elektronice - duża przenikalność magnetyczna i niska siła koercji.
Perlit to mieszanina eutektoidalna powstała w stałej temp. 721oC na skutek rozpadu austenitu. Jest on składnikiem stali węglowych wyżarzanych.
Ledeburyt to eutektyczna mieszanina austenitu i cementytu, powstała poniżej temp. 723oC przemiany eutektoidalnej występuje ledeburyt przemieniony.
Stale oznaczamy:
Stale niestopowe konstrukcyjne ogólnego przeznaczenia St +(0-7)-gatunki oraz dodatkowych liter np. S- przydatne do spawania, kolejne litery to oznaczenia składnik dodatkowego w% od największego. Literki X dopisujemy dla stali uspokojonej i Y dla pół-uspokojonej, gatunki te nie oznacza się dodatkowo. W przypadku udarności uzupełnia się literką U, a plastyczności B. Np. St3SX, St3Scu.
Stale węglowe konstrukcyjne wyższej jakości ogólnego przeznaczenia- St + X-uspokojona, Y- pół-uspokojona, G- o podwyższonej zawartości Mn, A- o wyższych wymaganiach składu chemicznego, Ż- przetopiona elektrolitycznie, U- z udarnością. A- o podwyższonej czystości w zakresie fosforu i siarki, AA- o zaostrzonych wym. W zakresie składu chemicznego, rs- regularna zawartość siarki, h- o wymaganiach hartowności, H- o podwyższonej dolnej granicy twardości, L- o obniżonej.
ZELIWA
Żeliwa dzielimy na:
Szare - węgiel występuje w postaci grafitu płatkowego
Białe - C w postaci cementytu Fe3C
Połowiczne - węgiel w obu postaciach
Sferoidalne - C w postaci grafitu kulkowego
Ciągliwe - powstające na drodze wyżarzania grafityzującego żeliwa białego
Stopowe
Zawartość węgla (praktyczna 2,5-4,5%), szybkość chłodzenia mają znaczący wpływ na budowę i własności, żeliw. Im szybciej chłodzimy żeliwo tym łatwiej powstaje cementyt.
Żeliwa szare klasyfikujemy wg wytrzymałości na rozciąganie- oznacza się to np. ZL 100, czy ZL 350.gdzie cyfry oznaczają wartość podaną w Mpa. Żeliwa te bardzo dobrze tłumią drgania
Żeliwa sferoidalne to stopy odlewane żelaza i węgla gdzie węgiel występuje w postaci grafitu sferoidalnego. Oznaczmy je w następujący sposób: np. Zs 700-2 , „700” oznacza wytrzymałość na rozciąganie Rm w Mpa, „2” oznacza minimalne wydłużenie w %.
Powinna być też uwzględniona udarność w niskich temp. „L”
Inne oznaczenia to np.: Zs 600-3, Zs 400-18, Zs 350-22
Żeliwa te posiadają odporność na rozciąganie, tłumią drgania i są bardziej plastyczne od żeliw szarych. Twardość HB 280-150.
Z materiału tego wykonujemy części maszyn pracujących w ekstremalnych warunkach i podwyższonych temperaturach. Będą to np.: wały korbione silników.
Żeliwa ciągliwe otrzymujemy na drodze wyżarzania grafityzującego.
wykres
Wykres przebiegu wyżarzania żeliwa białego w celu otrzymania żeliwa szarego.
Żeliwo ciągliwe może być białe , czarne lub perlityczne.
Białe- ciągliwe posiada dla odlewów o małych przekrojach strukturę ferrytu (perlit + C żarzenia). O dużych przekrojach w strefie powierzchniowej występuje ferryt, w pośredniej perlit + C żarzenia, w środkowej perlit lub ferryt + C żarzenia. W mikrostrukturze nie powinien występować grafit płatkowy.
Żeliwo czarne i perlityczne ma osnowę mikrostruktury zbudowaną z ferrytu, perlityczne zaś perlitu lub innego produktu przemiany austenitu. Węgiel ma postać zwartą lub postrzępioną , brak grafitu płatkowego.
Żeliwa ciągliwe oznacza się :
W -białe B -czarne P -perlityczne
Np. W 35 -04 gdzie „35” oznacza wytrzymałość na rozciąganie w Mpa, a „04” min. wydłużenie w %
Żeliwa stopowe oznacza się literami Zl -szare i połowiczne, Zb -białe, Zs -sferoidalne dalej symbole pierwiastków stopowych np.: ZbCr28.
Przebieg doświadczenia
Obserwowaliśmy po dwie próbki stali węglowych i żeliw.
Mikroskopy metalograficzne ustawiliśmy zgodnie z zalecanym powiększeniem tzn. M powiększenie całkowite = pow. Obiektywu x pow. Okularu. Np. dla pierwszej próbki ustaliliśmy powiększenie x200. Kolejno obserwowaliśmy cztery próbki a obserwacje szkicowaliśmy w celu dalszej ich identyfikacji.
Próbka 1.
Z identyfikacji wynika, że badana próbka to STAL 15 WYŻARZANA. Trawiona odczynnikiem NITAL o składzie: 4ml - kwasu azotowego HNO3 ; 96ml alkoholu etylowego C2H5OH. Obserwowane jasne miejsca to ziarna ferrytu zaś ciemne to ziarna perlitu, występują również rysy będące skutkiem zniszczenia próbki bądź też jej niewłaściwego przygotowania.
Próbka ta zawiera takie pierwiastki jak : C-16%; Si-0,25%;
S-0,022%; Ni-0,20%; Mn-0,44%; P-0,03%; Cr-0,10%; Cu-0,18%.
Próbka 2.
Jest to żelazo ARMCO wyżarzane. Na próbce możemy zaobserwować ziarna austenitu (roztwór stały składników stopowych w niklu). Nieregularne kreski - ściany to granice bliźniacze występują na tle związków międzymetalicznych Ni3Ti i Al3Ti.
Żelazo to trawimy odczynnikiem 4g -uwodnionego siarczanu miedzi CuSo4 + 2H2O. Obecność rys jest skutkiem zniszczenia próbki bądź też jej niewłaściwego przygotowania.
Próbka ta zawiera takie pierwiastki jak: C-0,01%; Si-0,02%;
S-0,015%; Mn-0,03%; P-0,001%; O2-0,012%.
Próbka 3.
Jest to żeliwo sferoidalne -ferrytyczne ZsF10 (odlew). Trawimy je odczynnikiem NITAL o składzie: 4ml -kwasu azotowego HNO3; 96ml alkoholu etylowego C2H5OH. Występuje w nim grafit kulkowy na tle ferrytu. Widoczne rysy są skutkiem zniszczenia próbki bądź też jej niewłaściwego przygotowania.
Próbka ta zawiera takie pierwiastki jak: C-3,6%; Si-1,8%;
Mn-0,4%; P-0,15%; S-0,04%;
Próbka 4.
Jest to surówka nadeutektyczna odlewana. Trawimy ją odczynnikiem NITAL o składzie: 4ml -kwasu azotowego HNO3; 96ml alkoholu etylowego C2H5OH. Możemy zaobserwować jasne igły cementytu pierwszorzędowego na tle przemienionego ledeburytu.
Próbka ta zawiera takie pierwiastki jak: C-5,1%; Mn-0,4%; P-0,25%; Si-3,7%;
S-0,02%;
WNIOSKI
Z przeprowadzonych obserwacji możemy dowiedzieć się czy interesujący nas materiał ma taki skład chemiczny jaki jest poprawny i czy nadaje się on do naszych celów. Zauważymy też wszelkiego rodzaju wady procesowe typy rysy czy zła obróbka. Możemy też stwierdzić jak zostały przeprowadzone procesy produkcyjne i czy jakość tego materiału jest odpowiednia. Badania te powinny dać nam informacje także o własnościach tego materiału związanych z obecnościami wszelkich zanieczyszczeń. Jak wiemy obecność niektórych pierwiastków, nawet w małej ilości, może diametralnie zmienić własności np. plastyczne w badanym materiale. Wtrącenia większych atomów pierwiastków może osłabić wytrzymałość stali i w konsekwencji jej nieprzydatność do ściśle określonych celów. Badania takie mogą zaoszczędzić nam dużo czasu jak i ograniczyć ewentualne koszty związane z powtórnym wykonaniem produktu, a nawet ochronić nas przed groźnymi następstwami.
Z obserwacji tych próbek (1,2,3) widać, że były one albo źle obrobione mechanicznie albo zniszczone w czasie badań gdyż obecne są rysy. Mogło to być spowodowane też niestarannością przechowywania próbek i niewłaściwym obchodzeniem się z nimi. Ewentualne przebarwienia na krańcach próbek mogą być spowodowane złym trawieniem lub niedokładnością jej przygotowania.
Zdarza się też, że jest to połączenie dwóch różnych materiałów którego nie jesteśmy w pierwszym momencie zidentyfikować poprawnie.
Dobór odpowiedniego materiału na słup nośny konstrukcji stalowej mostu.
Element ten pracuje w warunkach dużego obciążenia jak też i w środowisku korozyjnym. Należy więc go pomalować farbami podkładowymi a następnie antykorozyjnymi. Wykonanie słupa ze stali z domieszką chromu było by zbyt drogie.
Na tego typu konstrukcje stosuje się stale węglowe zwykłej jakości konstrukcyjne do budownictwa. Stal taką nazywa się stalą na mosty- i oznacza St3M ,gdzie M. oznacza przeznaczenie do budowy mostów, konstrukcje nośne, dodatkowa literka S na końcu oznacza przydatność do spawania. Nie trzeba tej stali poddawać obróbce cieplnej. W stali tej występują takie pierwiastki śladowe jak: C- max 0,2%; Mn- min 0,4%; Si od 0,12-0,3%; występują także P.-0,05%; Cr-0,3%; Ni-0,3%; Al -całkowita 0,02%.
Stal ta ponadto odznacza się właściwościami mechanicznymi:
Rm= 38-47 Kg/mm2 , Re= 24-22 kG/mm2 a max wydłużenie A5>=25%.
Pn-H84023 z 89r. Precyzuje takie oznaczenia dla tej stali;
Re, Rm, A jak wyżej. Własności technologiczne to zginanie o kąt 180o dla materiału do 25mm d=2a , dla materiałów o większej grubości d=3a gdzie d-średnica trzpienia; a-grubość próbki.
Dla stali tej przeprowadza się próbę na udarność przy temp. 40o
KCU2.
3