Metaloznawstwo ściąga zmieniona Semestr IV, Martenzyt listwowy powstaje we wszystkich niemal stopach żelaza z pierwiastkami stopowymi i cechuje się dużą gęstością dysloka


Adsorpcja polega na osadzaniu się wolnych atomów, z fazy gazowej lub ciekłej, na granicy fazy stałej w postaci warstewki o grubości jednego atomu. Przyczyną adsorpcji są siły przyciągania atomów ośrodka gazowego lub ciekłego przez nienasycone rdzenie atomów występujące na powierzchni metalu. Zjawisko to jest nazywane adsorpcją fizyczną.Adsorpcja chemiczna jest związana z tworzeniem warstewki fazy międzymetalicznej złożonej z atomów metalu i ośrodka adsorbowanego.Azotowanie

Azotowanie polega na nasycanu warstwy powierzchniowej stali azotem podczas wygrzewania obrabanego przedmiotu przez określony czas w ośrodku zawierającym wolne atomy azotu. Operacja ta jest wykonywana w temperaturze niższej od Ac1. Azotowanie może być: krótkookresowe, gdy czas jego trwania wynosi od kilkunastu minut do kilku godzin, długookresowe - gdy wynosi kilkadziesiąt godzin. Przy stałej temperaturze azotowania struktura warstw wierzchnich obrabianej stali zależy od czasu tej operacji. Azotowanie przyczynia się do: zwiększenia twardości i odporności na ścieranie, podwyższenia zmęczeniowej wytrzymałości powierzchni, zwiększenia odporności na korozję. Istnieją następujące metody azotowania: w proszkach, gazowe, jonizacyjne i w złożach fluidalnych. Azotowanie jest ostatnią operacją w procesie technologicznym. Dlatego azotowaniu poddaje się przedmioty zahartowane i odpuszczone, najkorzystniej w temperaturze wyższej od temperatury azotowania. W niektórych przypadkach operacja odpuszczania może być połączona z operacją azotowania. Ze względu na małą grubość warstwy azotowanej przedmioty azotowane nie mogą być poddane szlifowaniu.

Azotowanie jest stosowane do elementów ze stali węglowych i stopowych, konstrukcyjnych i narzędziowych narażonych podczas pracy na zużycie ścierne, do elementów narażonych na korozję w środowisku wodnym lub wilgotnej atmosfery, a także do narzędzi skrawających. Azotowaniu poddaje się liczne elementy silników i pomp wytwarzanych w przemyśle lotniczym, okrętowym i motoryzacyjnym, np. wały korbowe, korbowody, koła zębate, wałki, tłoki, cylindry.Brązy aluminioweJednofazowe brązy aluminiowe zawierają do 8% Al i ze względu na duża plastyczność mogą być obrabiane plastycznie na zimno i na gorąco. Brązy o składzie eutektoidalnym można odkształcać plastycznie wyłącznie na gorąco w temperaturze, w której istnieje struktura jednofazowa β. Brązy aluminiowe wykazują dobrą odporność na korozję w środowisku wody morskiej i kwasów utleniających, dzięki pasywacji i tworzeniu się warstewki Al2O3 na ich powierzchni. Charakteryzują się dużymi własnościami mechanicznymi w temperaturze pokojowej i podwyższonej oraz wysoką odpornością na ścieranie. Własności mechaniczne brązów aluminiowych zwiększają dodatki stopowe, głównie Fe, Mn, Ni. Pierwiastki Fe i Ni powodują podwyższenie własności wytrzymałościowych i odporności na ścieranie w wyniku działania modyfikującego i sprzyjania drobnoziarnistości stopów. Mangan rozpuszcza się w roztworze αCu w stężeniu do ok. 10%, powodując znaczne zwiększenie odporności tych stopów na korozję i ścieranie oraz własności mechanicznych.Brązy cynoweTechniczne stopy Cu z Sn mają zazwyczaj strukturę roztworu α. Duży zakres temperatury krystalizacji brązów o strukturze α sprzyja jednak ich skłonności do segregacji. Z tego powodu w stopach chłodzonych w warunkach rzeczywistych, nawet przy niewielkim stężeniu Sn, oprócz niejednorodnej fazy α tworzą się fazy, które w warunkach równowagi występują przy większym stężeniu Sn. Segragacja może być w pewnym stopniu usunięta przez długotrwałe wyżarzanie ujednorodniające w ciągu 24 h w temperaturze 700-750°C. Brązy cynowe wykazują dobrą odporność na korozję, szczególnie w środowisku atmosfery przemysłowej i wody morskiej. Odporność ta ulega polepszeniu wraz ze zwiększeniem stężenia Sn, lecz do wartości nie większej od zapewniającej wystąpienie struktury dwufazowej, decydującej o ułatwieniu korozji. Brązy cynowe o strukturze jednorodnego roztworu α cechuje duża plastyczność i z tego względu mogą być obrabiane na zimno, podobnie jak stopy o niejednorodnej strukturze α, zawierające więcej niż 4% Sn. W praktyce do obróbki plastycznej przeznaczone są brązy cynowe zawierające do 8%Sn, choć obrabia się je źle, przy dużej skłonności do pęknięć. W stanie obrobionym plastycznie na zimno brązy cynowe charakteryzują się dużymi własnościami mechanicznymi, co ułatwia stosowanie ich w przemyśle chemicznym, papierniczym i okrętowym, m.in. na elementy aparatury kontrolno-pomiarowej, siatki, sprężyny, tulejki, łożyska ślizgowe.

W celu polepszenia niektórych własności oraz zaoszczędzenia Sn są produkowane brązy cynowe wieloskładnikowe zawierające oprócz Sn dodatki Zn lub Pb. Dodatek Zn przeciwdziała segregacji brązów cynowych przez zmniejszenie zakresu temperatury krystalizacji fazy α, sprzyjając ujednorodnieniu ich własności mechanicznych i zwiększeniu własności wytrzymałościowych. Cynk jest dobrym odtleniaczem i poprawia lejność tych stopów. Ołów, nie tworzący roztworów, polepsza skrawalność brązu cynowego, zmniejsza współczynnik tarcia i korzystnie wpływa na szczelność odlewów, jednak przy większym stężeniu powoduje pogorszenie własności mechanicznych.Brązy krzemowe

Techniczne stopy Cu z Si wykazują strukturę jednofazową roztworu α, a stężenie Si w brązach krzemowych dwuskładnikowych nie przekracza 3-4%. Jednofazowa struktura zapewnia brązom krzemowym duże własności plastyczne, przy czym Si powoduje zwiększenie ich odporności na korozję . Praktyczne zastosowanie znalazły głównie brązy krzemowe wieloskładnikowe zawierające dodatki Mn, Fe, Zn, Ni, niekiedy także Co i Cr. Pierwiastki Mn, Zn i Ni, występujące w roztworze, silnie zmniejszają rozpuszczalność Si w fazie α, przy czym Mn i Ni zwiększają wytrzymałość i odporność na korozję, natomiast Zn polepsza lejność. Własności mechaniczne najbardziej poprawia Fe. Pierwiastek ten prawie wcale nie rozpuszcza się w roztworze α, wchodząc w skład faz międzymetalicznych FeSi i Fe3Si. Z tego względu Fe jest wprowadzane wyłącznie do brązów krzemowych odlewniczych. Brązy krzemowe charakteryzują się dużymi własnościami mechanicznymi w temperaturze pokojowej i podwyższonej do ok. 300°C, dużą wytrzymałością zmęczeniową i dobrymi własnościami ślizgowymi. Cechuje je ponadto duża odporność na korozję, dobra lejność i skrawalność. Dyfuzja jest aktywowanym cieplnie procesem zachodzącym wskutek ruchu atomów w sieci przestrzennej metalu w kierunku wyrównania stężenia składników. Warunkiem przebiegu dyfuzji jest rozpuszczalność w stanie stałym pierwiastka nasycającego w metalu osnowy. Ogólnie można stwierdzić, że procesy dyfuzji są zależne od temperatury, czasu i gradientu stężenia dyfundujących pierwiastków. Od czynników tych zależy zatem grubość i struktura warstw powierzchniowych otrzymanych w wyniku obróbki cieplno-chemicznej. Prawa Ficka opisują następujące zależności: Pierwsze prawo Ficka określa strumień dyfuzji J składnika nasycającego0x01 graphic
gdzie: D - współczynnik dyfuzji, dc/dx - gradient stężenia pierwiastka dfundującego, Q - energia aktywacji dyfuzji, k - stała Boltzmanna, T - temperat. w skali bezwzględnej, D0 - stała, zależna od struktury krystalicznej metali.

Drugie prawo Ficka opisuje zależność rozkładu stężenia składnika od czasu (τ - czas procesu):0x01 graphic
Dyfuzja w roztworach różnowęzłowych przebiega głównie za pośrednictwem mechanizmu wakansowego, natomiast w roztworach międzywęzłowych - międzywęzłowego. Mechanizm międzywęzłowy jest charakterystyczny dla dyfuzji m.in. C, N, B w stopach żelaza. W zależności od energii aktywacji różne są drogi łatwej dyfuzji, która przebiega: wzdłuż powierzchni metalu (najłatwiej), wzdłuż granic ziarn (trudniej), wewnątrz ziarn (najtrudniej).Hartowanie powierzchnioweHartowanie powierzchniowe polega na szybkim nagrzaniu warstwy wierzchniej przedmiotu do temperatury hartowania i następnie szybkim chłodzeniu. Hartowanie powierzchniowe umożliwia ograniczenie nagrzewania do cienkiej warstwy powierzchniowej i to jedynie w miejscach, które powinny być obrobione cieplnie. Nie wywołuje więc dużych naprężeń i odkształceń cieplnych. Hartowanie powierzchniowe umożliwia automatyzację i mechanzację procesów technologicznych obróbki cieplnej. W zależności od sposobu nagrzewania można wyróżnić następujące rodzaje hartowania powierzchniowego: indukcyjne, płomieniowe, kąpielowe, kontaktowe, elektrolityczne. Podczas hartowania indukcyjnego grzanie odbywa się prądem elektrycznym indukowanym w obrabianym cieplnie przedmiocie przez zmienne pole magnetyczne. Pole magnetyczne jest wytwarzane przez wzbudnik I, tj. cewkę zasilaną prądem wytwarzanym przez generatory prądu zmiennego. Chłodzenie może być wykonywane przez zanurzenie przedmiotu w kąpieli chłodzącej lub natrysk cieczy chłodzącej bezpośrednio we wzbudniku. Indukcyjnie są hartowane zwykle wałki, koła zębate, zawory, rolki, sworznie, prowadnice i inne przedmioty, często b. drobne.Martenzyt listwowy powstaje we wszystkich niemal stopach żelaza z pierwiastkami stopowymi i cechuje się dużą gęstością dyslokacji wewnątrz kryształów wykazujących najczęściej komórkową podstrukturę dyslokacyjną. Pojedynczy kryształ ma kształt listwy o szerokości 0,1-3 μm i w stosunku wymiarów ok. 1:7:30. Listwy tworzące się w kierunku <111〉α martenzytu układają się równolegle względem siebie tworząc tzw. pakiety. Sąsiednie listwy wykazują granice niskokątowe lub bliźniacze, natomiast pakiety między sobą tworzą granice szerokokątowe, nierzadko o wzajemnej orientacji bliźniaczej.Martenzyt płytkowy powstaje w nielicznych stopach żelaza w ściśle określonych zakresach stężeń pierwiastków stopowych. Kryształy martenzytu mają kształt płytek zbliżonych do soczewek o powierzchni w różnym stopniu nieregularnej w zależności od stopnia zbliźniaczenia. Wielkość płytek jest zróżnicowana, gdyż powstają niezależnie. Wzrost płytki kończy się na wadach struktury austenitu lub na sąsiednich, wcześniej utworzonych płytkach martenzytu. Płytki martenzytu mogą być zbliźniaczone całkowicie lub częściowo. W martenzycie częściowo zbliźniaczonym środkowa część płytki powstaje w postaci drobnych, równoległych bliźniaków przemiany zwanych midribem. Zewnętrzna część płytki tworzy się w wyniku poślizgu.Objętość właściwa martenzytu jest o ok. 3% większa od objętości właściwej austenitu, w wyniku czego w nieprzemienionym austenicie powstają silne naprężenia ściskające, hamujące lub całkowicie zatrzymujące dalszą przemianę. Przemiana nie przebiega więc w całej objętości i dlatego po jej zakończeniu w strukturze stali pozostaje pewna ilość austenitu, zwanego austenitem szczątkowym. W wyniku stabilizacji, w przypadku wytrzymania izotermicznego podczas chłodzenia w zakresie między temperaturami Ms i Mf, udział austenitu szczątkowego w stali zwiększa się. Udział austenitu szczątkowego wzrasta również wraz ze zwiększeniem stężenia węgla w stali.Martenzyt średnioodpuszczony cechuje się małym odkształceniem tetragonalnym oraz dyspersyjnymi wydzieleniami cementytu.Martenzyt wysokoodpuszczony nie jest przesycony węglem i charakteryzuje się b. małą gęstością dyslokacji, stając się podobny do ferrytu. Występują w nim natomiast wydzielenia cementytu, w dużej mierze skoagulowane. W stalach stopowych wydzielają się węgliki stopowe, ulegające również koagulacji w wyższych temperaturach odpuszczania. Po wysokim odpuszczaniu w strukturze stali stopowych nie ma już austenitu szczątkowego, lub jego udział jest niewielki.Mosiądze. Mosiądze dwuskładnikowe jako stopy Cu i Zn - ze względu na skład fazowy dzieli się na: 1) jednofazowe - o strukturze roztworu α i stężeniu od 2 do 39% Zn, 2) dwufazowe - o strukturze mieszaniny α+β i stężeniu od 39 do 45% Zn. Mosiądze jednofazowe cechuje b. duża plastyczność, co umożliwia stosowanie ich na wyroby głęboko tłoczone i obrabiane plastycznie na zimno. Duża plastyczność w podwyższonej temperaturze umożliwia ich obróbkę plastyczną na gorąco. Dodatek Zn do 30% zwiększa plastyczność oraz wytrzymałość mosiądzu. Wytrzymałość mosiądzów zawierających ok. 30 do 45% Zn zwiększa się przy znacznym zmniejszeniu plastyczności. Mosiądze w znacznym stopniu umacniają się w wyniku zgniotu. W zależności od stopnia gniotu mogą być dostarczane w różnym stanie. Przy większych stopniach gniotu jest stosowane międzyoperacyjne wyżarzanie rekrystalizujące mosiądzów w temperaturze 500-580°C. Mosiądze charakteryzują się dobrą odpornością na korozję, szczególnie atmosferyczną i w wodzie morskiej. Odporność mosiądzów na korozję zwiększa się wraz ze wzrostem stężenia Cu. Najczęściej spotykanymi rodzajami korozji mosiądzów jest odcynkowanie oraz korozja naprężeniowa, zwana pękaniem sezonowym mosiądzów.

Odcynkowanie zachodzi w mosiądzach dwufazowych o stężeniu Zn przekraczającym 20% zanurzonych w elektrolitach zawierających Cl. W elektrolitach takich Cu oraz Zn przechodza do roztworu, z którego Cu wytrąca się w postaci gąbczastej, co wzmaga korozję. Odcynkowanie nie powoduje zmian kształtu korodującego przedmiotu, lecz wpływa na znaczne obniżenie własności wytrzymałościowych mosiądzu.

Pękanie sezonowe jest międzykrystaliczną korozją naprężeniową mosiądzów jedno- lub dwufazowych, obrobionych plastycznie na zimno i poddanych działaniu ośrodka zawierającego amoniak. Temu rodzajowi korozji można zapobiegać przez wyżarzanie odprężające w temperaturze 200-300°C. Własności mosiądzów dwuskładnikowych są polepszane przez wprowadzenie dalszych dodatków stopowych. Należą do nich Si, Al, Sn, Pb, Fe, Mn, Ni i As, dodawane pojedynczo lub w różnych zestawieniach, zwykle o łącznym stężeniu nie przekraczającym 4%. Dodatki te z wyjątkiem niklu rozpuszczają się w roztworze stałym i zmieniają strukturę mosiądzu podobnie jak cynk. Dodawane pierwiastki stopowe powodują zwiększenie wytrzymałości i odporności mosiądzów na korozję.

Wieloskładnikowe mosiądze odlewnicze zwykle cechuje dobra odporność na korozję i ścieranie oraz dobre własności wytrzymałościowe przy obciążeniach statycznych. Stosuje się je głównie na armaturę, osprzęt, łożyska, śruby okrętowe i elementy maszyn.Naprężenia własne i wady hartowniczeW wyniku procesów technologicznych, głównie obróbki cieplnej, obróbki plastycznej, odlewania lub spawania, w elementach metalowych mogą występować naprężenia własne, niezależnie od przyłożonych naprężeń zewnętrznych. W zależności od zasięgu działania naprężenia własne można podzielić na: naprężenia I rodzaju, obejmujące cały przedmiot i powodujące głównie zmiany wymiarów, a także odkształcenia lub pęknięcia związane z obróbką cieplną, naprężenia II rodzaju, występujące w ziarnach, napr. III rodzaju, istniejące w sieci przestrzennej kryształu. Rozkład i wartość naprężeń własnych zależą m.in. od wielkości i kształtu przedmiotu, szybkości chłodzenia, gatunku, struktury, hartowności, przewodnictwa cieplnego i współczynników rozszerzalności temperaturowej stali.

Ze względu na przyczyny powstawania naprężenia własne i wywołane przez nie odkształcenia możemy podzielić na: naprężenia cieplne, powodowane nierównomiernymi dylatacyjnymi zmianami wymiarów w wyniku gradientu temperatury podczas grzania i chłodzenia oraz naprężenia strukturalne, wywoływane przemianami fazowymi i związanymi z tym zmianami objętości właściwej faz.NawęglanieNawęglanie polega na nasycanu warstwy powierzchniowej stali w węgiel podczas wygrzewania obrabianego przedmiotu w ciągu określonego czasu w ośrodku zawierającym węgiel atomowy. Nawęglanie odbywa się w temperaturze 900-950°C. O grubości warstwy nawęglonej, która zwykle osiąga 0,5-2 mm, decyduje czas nawęglania, który dobiera się tak, aby skład fazowy warstwy powierzchniowej odpowiadał strukturze stali eutekoidalnejIstnieją następujące metody nawęglania: w ośrodkach stałych, w roztopionych solach, gazowe, w złożach fluidalnych, próżniowe oraz jonizacyjne.Twardość stali węglowej i chłodzonej w powietrzu wynosi ok. 250-300 HB, a jej własności mechaniczne są stosunkowo niskie ze względu na rozrost ziarn zachodzący w czasie procesu. W celu poprawienia własności stal nawęgloną poddaje się dalszej obróbce cieplnej; w szczególności dąży się do:

  1. otrzymania struktury drobnolistwowego martenzytu z węglikami w postaci ziarnistej w warstwie powierzchniowej,

  2. zwiększenia twardości stali na powierzchni do ok. 60 HRC,

  3. zapewnienia znacznej ciągliwości, odporności na dynamiczne działanie obciążeń oraz wymaganych własności wytrzymałściowych w nie nawęglonym rdzeniu.

Obecnie stosuje się cztery sposoby obróbki cieplnej przedmiotów nawęglonych:

Nawęglanie z następnym hartowaniem i niskim odpuszczaniem zapewnia dużą twardość powierzchni obrobionych elementów, dużą odporność na ścieranie i naciski powierzchniowe, znaczną wytrzymałość zmęczeniową. Rdzeń stali po takich operacjach obróbki cieplno-chemicznej i cieplnej wykazuje dużą ciągliwość, sprężystość i odporność na dynamiczne działanie obciążeń. W celu zapewnienia wymienionych własności nawęglanie jest stosowane m.in. w procesach technologicznych kół zębatych i z wielowypustami, wałków rozrządu, sworzni tłokowych i kulistych, pierścieni i wałków łożysk tocznych o dużych wymiarach.

Obróbka cieplno-chemiczna staliObróbka cieplno-chemiczna jest dziedziną obróbki cieplnej obejmującą zespół operacji i zabiegów umożliwiających zmianę składu chemicznego i struktury warstwy powierzchniowej stopu (a przez to zmianę własności obrabianych elementów) w wyniku zmian temperatury i chemicznego oddziaływania ośrodka. Obróbka cieplno-chemiczna polega zatem na zamierzonej dyfuzyjnej zmianie składu chemicznego warstwy powierzchniowej elementów metalowych w celu uzyskania odpowiednich ich własności użytkowych. Celem obróbki cieplno-chem. jest wytworzenie warstw powierzchniowych o zwiększonej odporności na ścieranie i zużycie trybologiczne, o zwiększonej odporności korozyjnej i erozyjnej, często zwiększenie odporności elementów na zmęczenie lub poprawa niektórych własności fizycznych powierzchni. Podczas dowolnego sposobu obróbki cieplno-chemicznej przebiegają jednocześnie trzy procesy fizykochemiczne:

1) powstawanie aktywnych atomów w środowisku otaczającym przdmiot obrabiany, 2) adsorpcja zachodząca na styku przedmiotu ze środowiskiem, 3) dyfuzja zachodząca w materiale obrabianego przedmiotu.Aktywne atomy jednego lub kilku pierwiastków nasyconych powstają w wyniku reakcji dysocjacji, wymiany lub redukcji. Ten proces składowy obróbki cieplno-chemicznej jako jedyny może przebiegać w sposób odizolowany od pozostałych. Umożliwia to uzyskanie, np. aktywnych gazów, w specjalnych generatorach, niezależnie od reakcji przebiegających w metalu podczas obróbki cieplno-chemicznej.

OdpuszczanieOdpuszczanie polega na nagrzaniu stali zahartowanej do temperatury niższej od Ac1, wygrzaniu w tej temperaturze i ochłodzeniu do temperatury pokojowej. W zależności od temperatury odpuszczanie może być: niskie, średnie, wysokie.Odpuszczanie niskie jest wykonywane w temperaturze 150-200°C i stosowane głównie do narzędzi, sprężyn, sprawdzianów. Celem tej operacji jest usunięcie naprężeń hartowniczych z zachowaniem dużej twardości, wytrzymałości i odporności na ścieranie.Odpuszczanie średnie, odbywające się w temperaturze 250­-500°C, jest stosowane do sprężyn, resorów, matryc i innych części maszyn. W wyniku tej operacji twardość stali ulega wprawdzie niewielkiemu zmniejszeniu, lecz zostają zachowane duża wytrzymałość i sprężystość.Odpuszczanie wysokie, wykonywane w temperaturze wyższej od 500°C, lecz niższej od Ac1, ma na celu osiągnięcie możliwie dobrych własności plastycznch stali. Stosowane jest między innymi dla elementów maszyn, od których wymagana jest wysoka granica plastyczności Re.Pęknięcia hartownicze

Pęknięcia powstają w wyniku hartowania wtedy, gdy naprężenia rozciągające są większe od wytrzymałości. Pęknięcia hartownicze powstają w temperaturze niższej od M.s, głównie w czasie chłodzenia. Skłonność do pęknięć zwiększa się wraz ze wzrostem stężenia węgla w stali, podwyższeniem temperatury hartowania i zwiększeniem szybkości chłodzenia w zakresie między temperaturami początku i końca przemiany martenzytycznej. Przyczyną pęknięć hartowniczych może być również występowanie karbów, gwałtownej zmiany przekroju lub miejscowych zagłębień i występów. Pęknięcia należą do wad obróbki cieplnej, które nie mogą być usunięte. Przeciwdziałanie tworzeniu tych wad polega na unikaniu karbów, hartowaniu z możliwie najniższej temperatury, łagodnym chłodzeniu w zakresie między temperaturami początku i końca przemiany martenzytycznejPrzemiana bainitycznaPrzemiana bainityczna łączy w sobie cechy przemiany bezdyfuzyjnej i dyfuzyjnego przemieszczania węgla. Zachodzi przy przechłodzeniu stali do temperatury w zakresie ok. 450-200°C. W wyniku przemiany powstaje bainit, będący mieszaniną ferrytu przesyconego węglem i dyspersyjnych węglików. Zarodkowanie bainitu rozpoczyna dyfuzyjne przemieszczanie węgla w austenicie do granic ziarn i dyslokacji. Zarodkami przemiany są miejsca ubogie w węgiel, utworzone w pobliżu granic ziarn i dyslokacji. Zróżnicowanie składu chemicznego austenitu wymaga pewnego czasu inkubacji, niezbędnego do zainicjowania przemiany bainitycznej. W obszarach przechłodzonego austenitu o małym stężeniu węgla i wysokiej temperaturze Ms zachodzi bezdyfuzyjna przemiana martenztenzytyczna. W obszarach austenitu o dużym stężeniu węgla następuje jednocześnie dyfuzyjny proces wydzielania b. drobnych cząstek cementytu o dużej dyspersji. W wyniku tego tworzą się nowe obszary niskowęglowego austenitu, ulegające następnie bezdyfuzyjnej przemianie martenzytyczej, podczas dalszego chłodzenia następuje wydzielanie cementytu oraz węglika ε, a osnowa staje się ferrytem przesyconym węglem. Rozrost bainitu jest kontrolowany szybkością dyfuzji węgla w austenicie, a nie szybkością przemiany martenzytycznej.W zależności od temperatury przechłodzenia rozróżnia się: bainit górny i bainit dolny. Bainit górny składa się z ziarn przesyconego węglem ferrytu o nieregularnych kształtach z nieregularnymi wydzieleniami węglików oraz z austenitu szczątkowego.

Bainit dolny składa się z przesyconego węglem ferrytu o postaci listwowej, zbliżonego do martenzytu, płytkowych węglików w równoległych rzędach, ściśle zorientowanych względem listew ferrytu oraz z austenitu szczątkowego.Przemiana martenzytyczna

Przemiana martenzytyczna jest przemianą bezdyfuzyjną i zachodzi przy dużym przechłodzeniu austenitu do temperatury M.s, początku tej przemiany, w przypadku dużej liczby stali mniejszej nawet od ok. 200°C, przy chłodzeniu z szybkością większą od krytycznej vk­. W wyniku tej przemiany powstaje martenzyt, czyli przesycony roztwór węgla w żelazie α. Przemiana martenzytyczna zachodzi pod warunkiem ciągłego obniżania temperatury w zakresie od temperatury początku przemiany Ms, do temperatury M.f - jej końca. Wartości temperatury M.s i M.f zależą od skladu chemicznego austenitu i obniżają się ze zwiększeniem stężenia węgla w austenicie oraz wszystkich niemal dodatków stopowych z wyjątkiem Al i Co.Przemiana martenzytyczna rozpoczyna się od utworzenia w austenicie embrionów, tj. zarodków pierwotnych, którymi mogą być błędy ułożenia, źródła Franka-Reada, defekty sieciowe w austenicie, w tym pętle dyslokacji i równolegle ułożone dyslokacje śrubowe. Zarodkami przemiany martenztycznej są embriony, które przekraczają wielkość krytyczną. Z upływem czasu przemiany następuje autokataliza polegająca na przyspieszeniu zarodkowania. Tworzące się zarodki odkształcają bowiem otaczającą osnowę i sprzyjają powstawaniu nowych zarodków.Podczas przemiany martenzytycznej następuje skoordynowane przemieszczenie atomów bez zmiany sąsiadujących atomów dziedziczonych z austenitu. Wszystkie atomy podlegają małym przemieszczeniom o ułamek odległości międzyatomowej względem atomów sąsiednich. W wyniku tego następuje charakterystyczny relief powierzchni austenitu, związany z nachyleniem powierzchni odpowiadającym każdej płytce lub listwie martenzytu. Granice ziarn martenzytu są położone wzdłuż nieodkształconej i nie ulegającej obrotowi płaszczyzny austenitu, zwanej płaszczyzną habitus. Płaszczyzna habitus jest zwykle zbliżona do {225}γ - w przypadku powstawania martenzytu listwowego lub {259}γ - w przypadku tworzenia się martenzytu płytkowego.

Przemiana martenzytyczna może przebiegać:

W wyniku przemiany martenzytycznej w stalach mogą utworzyć się dwa rodzaje martnzytu: listwowy i płytkowy.Przemiana perlityczna (austenit-perlit)Przemiana perlityczna zachodzi po ochłodzeniu austenitu nieznacznie Ar1. W jej wyniku z austenitu powstaje mieszanina eutektoidalna złożona z płytek ferrytu i cementytu zawana perlitem. Siłą pędną przemiany perlitycznej jest różnica energii swobodnej austenitu i mieszaniny ferrytu i cementytu. Przemiana perlityczna jest przemianą dyfuzyjną związaną z przegrupowaniem atomów węgla i zachodząca przez zarodkowanie oraz rozrost zarodków. Zarodkowanie perlitu odbywa się heterogenicznie, czyli w sposób uprzywilejowany, na cząstkach cementytu, płytkach ferrytu, a w jednorodnym austenicie - na granicach ziarn tej fazy. Wzrost płytki cementytu bogatej w węgiel powoduje znaczne zmniejszenie stężenia węgla w austenicie do wartości C­α umożliwiającej powstanie płytki ferrytu. W wyniku ograniczonej rozpuszczalności węgla w ferrycie jego nadmiar wzbogaca austenit w pobliżu utworzonej płytki ferrytu, umożliwiając tworzenie kolejnej płytki cementytu. Proces kolejnego dobudowywania płytek trwa aż do wyczerpania się austenitu. Przemiana perlityczna przebiega również przez wzrost czołowy utworzonych wcześniej płytek.

Utworzone kolonie perlitu mają kształt kulisty, gdyż szybkości dobudowania nowych płytek i ich rozrostu czołowego są jednakowe. W wyniku dyfuzji węgla do płytek cementytu następuje zróżnicowanie składu chemicznego austenitu przed frontem przemiany. Grubość płytek cementytu jest ok. siedmiokrotnie mniejsza od grubości płytek ferrytu. Przy stałej temperaturze, grubości płytek każdej z faz perlitu są prawie stałe i nie zależą od wielkości i jednorodności austenitu, z którego powstają. Obniżaniu temperatury przemiany towarzyszy zmniejszanie się odległości między płytkami perlitu.Szybkość przemiany perlitycznej zależy od szybkości zarodkowania i szybkości wzrostu. Funkcja szybkości zarodkowania perlitu od czasu jest nieliniowa i wykazuje okres inkubacyjny. Przy małym przechłodzeniu szybkość zarodkowania jest b. mała, a szybkość rozrostu - duża. W związku z tym w opisanych warunkach tworzą się nieliczne jedynie kolonie perlitu o b. dużych wymiarach.Przemiana perlit-austenitPerlit jest mieszaniną ferrytu i cementytu przeważnie o budowie płytkowej, która przemienia się w austenit podczas grzania w temperaturze A1 - 727°C. Przemiana ta może zajść dopiero po przegrzaniu, a więc w temperaturze Ac1 > A1, gdyż dopiero wtedy wystąpi konieczna do uruchomienia jej różnica energii swobodnych. Im różnica ta będzie większa, tym większa będzie dążność układu do przejścia w stan bardziej trwały, tj. w austenit. Przemiana perlitu w austenit jest przemianą dyfuzyjną zarówno dlatego, że rozpoczyna się od zarodków, które następnie rosną, jak i dlatego, iż jednocześnie zachodzi dyfuzja węgla, którego rozpuszczalność w austenicie jest większa niż w ferrycie. W temperaturach nieco wyższych niż A1 austenit zawiera ok. 0,77% C i prawdopodobieństwo jego powstania wewnątrz płytki ferrytu jest małe. Wymagałoby to zarodkowania jednorodnego oraz znacznej fluktuacji składu chemicznego, gdyż zarodki muszą mieć znacznie więcej węgla niż ferryt. Bardziej prawdopodobne, gdyż wymaga mniejszego nakładu energii, jest zarodkowanie niejednorodne na granicy międzyfazowej ferryt-cementyt, a poza tym w miejscu tym zarodek łatwiej może osiągnąć niezbędną zawartość węgla. Powstałe zarodki austenitu rosną następnie kosztem obu faz, z którymi się stykają, a więc ferrytu i cementytu. Powoduje to jednak inną zawartość węgla w austenicie przylegającym do ferrytu i inną w austenicie przylegającym do cementytu.Wzrost powstałych ziarn austenitu prowadzi do ich wzajemnych zetknięć, ale nawet po całkowitym zaniku ferrytu austenit jest niejednorodny, gdyż w miejscach występowania ferrytu zawartość węgla jest mniejsza niż w miejscach, w których występował uprzednio cementyt. Okazuje się nawet, że resztki cementytu występują w austenicie jeszcze wtedy, gdy ferrytu już nie ma. W miarę wzrostu temperatury lub upływu czasu resztki te rozpuszczają się, a w austenicie zachodzi następnie dyfuzja węgla i wyrównanie jego składu chemicznego. To ujednorodnenie austenitu zachodzi stosunkowo najwolniej. Jako, że od chwili pojawienia się zarodka do powstania jednorodnego austenitu upływa pewien okres, w którym wzrasta temperatura, łatwo wywnioskować, że im większa jest szybkość grzania, tym większa jest różnica temperatur między początkem a końcem przemiany perlitu w austenit.Podczas austenityzowania dąży się zwykle do otrzymania możliwie jednorodnego austenitu, gdyż ma to z kolei duży wpływ na procesy zachodzące podczas chłodzenia. Nie należy jednak przypuszczać, że korzystne jest z tego względu długotrwałe wygrzewanie lub znaczne podwyższanie temperatury ponad temperatury przemian, prowadzi to bowiem do niepożądanego rozrostu ziarn austenitu. Austenit bezpośrednio po powstaniu z perlitu jest drobnoziarnisty, gdyż podczas grzania powstaje duża liczba zarodków, które stają się ziarnami. Liczba tych zarodków jest tym większa, im większa jest szybkość grzania. Rozrost ziarn austenitu przebiega samorzutnie, gdyż powoduje to zmniejszenie energii swobodnej układu. Proces ten hamują nie rozpuszczone cząstki innych faz i dlatego widoczne są one zwykle na granicach ziarn. Wynika to z tego, że cząstki takie utrudniają lokalnie przemieszczanie się atomów z jednego ziarna do drugiego, a poza tym przemieszczenie się granicy poza cząstkę wymaga odtworzenia nowego jej fragmentu. Dlatego stale, w których znajduje się duża ilość b. drobnych, trudno rozpuszczalnych w austenicie cząstek wykazują małą skłonność do rozrostu ziarn. W tych stalach rozrost ziarn może się rozpocząć (często b. szybki) dopiero wtedy, gdy cząstki te rozpuszczą się. Stale o małej skłonności do rozrostu ziarn są nazywane drobnoziarnistymi, w odróżnieniu od stali gruboziarnistych, w których rozrost ziarn rozpoczyna się bezpośrednio po powstaniu austenitu.Stale drobnoziarniste wykazują większą udarność i granicę plastyczności niż stale gruboziarniste.W zwykłych stalach węglowych cząstkami hamującymi rozrost ziarn są rozdrobnione tlenki i azotki aluminium, jakie znajdują się w stalach odtlenianych za pomocą tego pierwiastka. W stalach stopowych rolę cząstek hamujących ruch granic ziarn spełniają trwałe, trudno rozpuszczalne węgliki i azotki, jakie tworzą niektóre pierwiastki stopowe, np. tytan, wanad itp. Przemiany w stali podczas odpuszczaniaPodczas wygrzewania w temperaturze niższej od A1 i studzenia stali uprzednio zahartowanej zachodzą w niej liczne przemiany fazowe. Należą do nich: rozkład martenzytu, przemiana austenitu szczątkowego w fazę α, wydzielanie węglika ε i cementytu, a w stalach stopowych również innych węglików, koagulacja węglików wydzielonych we wcześniejszych stadiach odpuszczania. Siłą pędną przemian podczas odpuszczania jest różnica energii swobodnej między metastabilnym martenzytem a mieszaniną faz złożoną z ferrytu i węglików. W zależności od warunków odpuszczania, głównie zaś temperatury, można wyróżnić kilka stadiów tego procesu, w których przeważa jedna z przemian. Śledzenie przemian podczas odpuszczania umożliwiają badania dylatometryczne. Pierwsze stadium odpuszczania stali węglowych - w zakresie ok. 80-200°C - jest związane z rozkładem martenzytu i wydzielaniem w nim węglika ε są koherentne z osnową. Wydzielanie węglika ε wywołuje zmniejszenie stężenia węgla w martenzycie. Zmniejszenie stopnia przesycenia martenzytu węglem powoduje z kolei zmniejszenie tetragonalności martenzytu i tworzenie się martenzytu o sieci regularnej, zwanego martenzytem odpuszczonym.Odpuszczanie w stadium drugim - w zakresie ok. 200-

300°C - wywołuje przemianę austenitu szczątkowego w martenzyt odpuszczony według mechanizmu zbliżonego do przemiany bainitycznej. Trzecie stadium odpuszczania - w zakresie ok. 300-400°C - polega na rozpuszczaniu się węglika ε w osnowie i niezależnym wydzielaniu się cementytu.W kolejnym stadium odpuszczania zachodzi koagulacja cząstek tej fazy, związana ze zwiększaniem się niektórych cząstek cementytu i rozpuszczaniem cząstek małych. Towarzyszy temu sferoidyzacja, polegająca na przyjmowaniu przez cząstki cementytu kształtu kulistego. W wyniku tego uzyskuje się strukturę martenzytu wysokoodpuszczonego (zwanego niekiedy sorbitem), złożonego z b. drobnych kulistych cząstek cementytu w osnowie ferrytycznej. Odpuszczanie w temperaturze wyższej od ok. 600°C powoduje koagulację cementytu, której towarzyszą procesy zdrowienia i rekrystalizacji osnowy. W wyniku tego uzyskuje się strukturę sferoidytu, tj. cementytu kulkowego w osnowie ferrytu o twardości mniejszej od 300 HB.Rafinacja metodą strefowego topieniaNaturalną skłonność roztworów do segregacji w czasie krystalizacji od dawna wykorzystywano do oczyszczania substancji chemicznych z różnych zanieczyszczeń. Do rafinowania metali i półprzewodników Pfann opracował metodę topienia strefowego, dzięki której możliwe jest otrzymywanie tych materiałów w postaci bardzo czystej. Metoda polega na topieniu wąskiej strefy i przesuwanie jej przez całą długość wlewka. Powtarzając wielokrotnie ten zabieg zwiększamy efekt oczyszczania bez potrzeby przecinania wlewka i odrzucania bardziej zanieczyszczonej części. Po zakończeniu rafinacji odcina i odrzuca się końcową część wlewka, a pozostałą część można ujednorodnić przez przesuwanie strefy stopionego metalu na przemian z jednego końca na drugi. W rezultacie otrzymany materiał jest znacznie mniej zanieczyszczony niż materiał wyjściowy. Metodą tą można otrzymać materiały b. czyste, o czystości większej niż 99,99%.StalWpływ domieszek i zanieczyszczeń na własności staliDomieszki występują w stalach niestopowych jako pozostałość z procesu metalurgicznego wytapiania stali, a także w wyniku przetapiania złomu stalowego. Mangan działa korzystnie, tworząc siarczek MnS o wyższej temperaturze topnienia od siarczku żelaza. Powoduje jednak niekorzystny rozrost ziarn w czasie obróbki cieplnej i plastycznej na gorąco.

Krzem powoduje korzystne obniżenie stężenia gazów w stali lanej i przeciwdziała segregacji fosforu i siarki.Fosfor i siarka stanowią zanieczyszczenia niekorzystne. Stale zawierające fosfor charakteryzują się podwyższoną temperaturą przejścia w stan kruchości, skłonnością do kruchości na niebiesko, gruboziarnistości i segregacji. Siarka tworzy siarczki MnS o temperaturze topnienia 1620°C i FeS, ciekłe już w 1000°C, co powoduje kruchość stali na gorąco, zwłaszcza podczas obróbki plastycznej. Siarka o dużej skłonności do segregacji pogarsza spawalność i wytrzymałość stali na zmęczenie.

Wodór działa zdecydowanie szkodliwie, powodując powstawanie płatków śnieżnych, odwęglenia, pęcherzy gazowych oraz segregacji fosforu.

Azot powoduje zmniejszenie plastyczności i kruchości na niebiesko, a także zwiększenie skłonności stali do starzenia, szczególnie po zgniocie. Tlen powoduje zmniejszenie własności wytrzymałościowych oraz plastycznych stali. Z tego względu jest b. istotne

odtlenianie kąpieli stalowej.Wpływ wtrąceń niemetalicznych

W stalach występują również wtrącenia niemetaliczne, stanowiące nieciągłości w osnowie metalicznej stali, co niekorzystnie wpływa na własności mechaniczne stali. Wtrącenia niemetaliczne mogą być:

Stale konstrukcyjneStale konstrukcjne stopowe są stosowane w budownictwie oraz w budowie maszyn i urządzeń pracujących w zakresie temperatury od ok. 25 do 300°C, w środowiskach o niewielkim działaniu korozyjnym. Kryterium doboru stali stanowią najczęściej podstawowe własności mechaniczne. W przypadku obciążeń statycznych, kryterium stanowi granica plastyczności Re lub granica sprężystości Rsp - gdy niedopuszczalne jest odkształcenie plastyczne konstrukcji. W przypadku obciążeń zmęczeniowych jako kryterium przyjmuje się granicę zmęczenia Zg.

Własności stali konstrukcyjnych stopowych zależą od stężenia węgla i pierwiastków stopowych. Główne znaczenie Cr, Mn, Si, Ni, Mo i innych dodaków stopowych w stalach konstrukcyjnych polega na polepszeniu hartowności stanowiącej podstawowe kryterium doboru tych stali. Uzyskanie struktury martenzytycznej na założonym przekroju elementu zapewnia po obróbce cieplnej wydatne zwiększenie własności mechanicznych. Pierwiastki węglikotwórcze, takie jak np. Cr, V, Mo, W, zwiększają także twardość i odporność na ścieranie w wyniku tworzenia węglików, wpływają na zmniejszenie wielkości ziarn, przeciwdziałają kruchości odpuszczania (Mo, W) oraz powodują polepszenie wielu innych własności technologicznych i użytkowych stali. W celu uzyskania najkorzystniejszych własności stale konstrukcyjne stopowe należy stosować w stanie obrobionym cieplnie lub po innych procesach technologicznych zapewniających wykorzystanie pozytywnego działania pierwiastków stopowych. Stale na łożyska toczneStale konstrukcyjne stosowane do wytwarzania elementów łożysk tocznych powinny cechować się b. dużą twardością, jednorodnością struktury, wysokim stopniem czystości oraz hartownością, zapewniającą uzyskanie struktury martenzytycznej bez austenitu szczątkowego w całym przekroju. Stale te w stanie obrobionym cieplnie są odporne na ścieranie, wykazują dużą wytrzymałość zmęczeniową i statyczną oraz odpowiednią ciągliwość. Dużą twardość i odporność na ścieranie zapewnia stalom łożyskowym węgiel o stężeniu ok. 1%. Wysoka czystość i jednorodna struktura bez skupień i pasmowej segregacji węglików gwarantują dużą wytrzymałość zmęczeniową. Wymaganą hartowność stale te osiągają dzięki dodatkowi ok. 1,5 % Cr. W przypadku dużych wymiarów elementów łożysk są stosowane stale, które oprócz Cr zawierają Si i Mn, zapewniające większą hartowność.Łożyska toczne są wytwrzane, a więc i obrabiane cieplnie, w specjalistycznych zakładach produkcyjnych. Wytwarza się je z półwyrobów hutniczych wyżarzonych zmiękczająco, o jednorodnej strukturze drobnoziarnistego sferoidalnego cementytu w ferrytycznej osnowie. Elementy łożysk tocznych hartuje się z temperatury 820-840°C w oleju, po czym odpuszcza w temperaturze 180°C przez 1-2 h. Po takiej obróbce cieplnej stale łożyskowe mają strukturę niskoodpuszczonego martenzytu drobnolistwowego z równomiernie rozmieszczonymi drobnymi ziarnami cementytu stopowego i wykazują twardość przekraczającą 62 HRC. Przykładowe stale: ŁH15, ŁH15SG.Stale narzędziowe stopowe do pracy na gorąco

Stale narzędziowe stopowe do pracy na gorąco są stosowane na narzędzia pracujące w zakresie temperatury 250-700°C. Skład chemiczny tych stali oraz ich obróbka cieplna zapewniają wysoką wytrzymałość, twardość i odporność na ścieranie w wysokiej temperaturze pracy. W stalach tych stężenie węgla jest ograiczone do ok. 0,3-06%. Wynika to z konieczności zapewnienia tym stalom wymaganej odporności na zmęczenie cieplne i obciążenia dynamiczne. Głównymi pierwiastkami stopowymi są Cr, W, Mo i V, powodujące efekt twardości wtórnej podczas odpuszczania. Powierzchnie narzędzi do pracy na gorąco są narażone na b. częste zmiany temperatury w wyniku cyklicznego kontaktu z odkształcanym materiałem, nagrzanym do wysokiej temperatury w wyniku cyklicznego kontaktu z odkształcanym materiałem, nagrzanym do wysokiej temperatury, i chłodzenia po zakończeniu obróbki plastycznej. Wywołuje to cykliczne zmiany naprężeń w warstwie powierzchniowej i w konsekwencji - zmęczenie cieplne. W wyniku tego zjawiska na powierzchniach długo pracujących narzędzi tworzy się siatka pęknięć. W przypadku nakładania się zjawisk charakterystycznych dla zmęczenia cieplnego i naprężeń zewnętrznych, spowodowanych np. tarciem lub naciskami powierzchniowymi, występuje tzw. zmęczenie cieplno-mechaniczne, przyspieszające zużywanie się narzędzi. Większą odporność na zmęczenie cieplne wykazują stale wysokostopowe otrzymane przez przetapianie elektrożużlowe lub w próżni. Zadawalającą żaroodporność stali narzędziowych stopowych do pracy na gorąco zapewnia Cr i Si. Stale narzędziowe do pracy na grąco dostarcza się w stanie zmiękczonym, zapewniającym dobrą obrabialność i jednorodny rozkład węglików w osnowie ferrytu. Narzędzia wykonane przez obróbkę skrawaniem poddaje się obróbce cieplnej składającej się z hartowania i wysokiego odpuszczania. Przykładowe stale: WCL, WWV, WNLV. Stale narzędziowe stopowe do pracy na zimnoStale narzędziowe stopowe do pracy na zimno są stosowane na narzędzia nie osiągające w czasie pracy temperatury wyższej niż 200°C. Stale stopowe do pracy na zimno w porównaniu ze stalami narzędziowymi niestopowymi wykazują podwyższoną hartowność, powodowaną głównie zwiększonym stężeniem Mn, Cr, a w niektórych gatunkach - także W, V i Ni. Dodatki stopowe, zwłaszcza V, Cr i W, wpływają na tworzenie w stalach narzędziowych węglików stopowych sprzyjających uzyskwaniu dużej odporności stali na ścieranie. Pierwiastki te powodują również wysoką skrawność stali narzędziowych stopowych i opóźniają rozpad martenzytu oraz spadek twardści podczas odpuszczania, w porównaniu do charakterystycznego dla stali niestopowych. W przpadku odpowiednio małego stężenia węgla w obecności takich pierwiastków stopowych, jak Cr, W i Si, niektóre stale narzędziowe stopowe wykazują zwiększoną ciągliwość, co umożliwia ich stosowanie na narzędzia narażone na udarowe działanie obciążeń. Od stali narzędziowych stopowych do pracy na zimno wymaga się przede wszystkim dużej twardości i odporności na ścieranie. Dlatego poddaje się je hartowaniu i niskiemu odpuszczaniu. Stale narzędziowe stopowe do pracy na zimno w stanie zahartowanym wykazują strukturę martenzytu listwowego z austenitem szczątkowym i węglikami nie rozpuszczonymi podczas austenityzowania, równomiernie rozmieszczonymi w osnowie. Natomiast powierzchnia narzędzi wykonywanych ze stali narzędziowych do pracy na zimno w czasie obróbki cieplnej powinna być zabezpieczona przed utlenianiem i odwęglaniem. Przykłady stali: NC4, NCV1, NC11, NZ2. Stale narzędziowe stopowe szybkotnąceStale szybkotnące są stosowane głównie na wieloostrzowe narzędzia skrawające, często narzędzia wykrojnikowe, a także na narzędzia do obróbki plastycznej na zimno i gorąco. Stale te wykazują dużą twardość i odporność na ścieranie w temperaturze do ok. 600°C. Wymagane własności, zwłaszcza b. dużą hartowność oraz efekt twardości wtórnej, uzyskuje się przez odpowiednią kombinację stężenia C i takich pierwiastków stopowych, jak Cr, W, Mo i V, a w wielu gatunkach dodatkowo - Co. Oprócz optymalizacji składu chemicznego, na zwiększenie własności stali szybkotnących obrobionych cieplnie duży wpływ wywierają czynniki metalurgiczne, decydujące o kształcie i położeniu węglików pierwotnych. Ledeburytyczna siatka węglików pierwotnych uzyskana po wykrystalizowaniu wlewka z tych stali jest rozbijana podczas obróbki plastycznej, najkorzystniej kucia, częściej walcowania. Od stopnia przerobu podczas obróbki plastycznej zależy segregacja węglików, która jest głównie uwarunkowna pierwotną strukturą wlewka. Koniecznością jest zatem produkcja wlewków nie zawierających segregatów eutektyki, na co wpływa głównie kształt wlewnic, obniżona temperatura odlewania, chłodzenie wewnętrzne oraz modyfikacja, powodująca rozdrobnienie węglików i równomierne rozmieszczenie eutektyki. Stopień segregacji węglików ulega również zmniejszeniu w wyniku zastosowania rafinacji stali szybkotnących przez przetapianie próżniowe lub elektrożużlowe, związane również ze zwiększeniem czystości stali. Uzyskanie pożądanych własności stali szybkotnących zależy ponadto od prawidłowo wykonanej obróbki cieplnej. Stale szybkotnące są dostarczane w stanie zmiękczonym. Zapewnia to dobrą obrabialność mechaniczną stali. Narzędzia wykonane metodami obróbki skrawaniem poddaje się obróbce cieplnej polegającej na hartowaniu i wysokim odpuszczaniu. Strukturę stali szybkotnących uzyskaną w wyniku hartowania w optymalnych warunkach stanowi martenzyt listwowy i w ok. 20% austenit szczątkowy oraz węgliki nie rozpuszczone w roztworze stałym podczas austenityzowania. Optymalne własności w stanie odpuszczonym wykazują stale szybkotnące zahartowane tak, że wskaźnik wielkości ziarn austenitu mieści się w zakresie od 10 do 14 wg Snydera-Graffa.

Przykładowe stale: sw18, sk5Stale niestopowe narzędzioweStale narzędziowe niestopowe wysokowęglowe znalazły zastosowanie na proste narzędzia tnące do drewna, papieru i tworzyw sztucznych, takie jak pilniki i proste narzędzia rolnicze - np. kosy lub zęby bron. Stale o mniejszym stężeniu węgla są stosowane na proste narzędzia tnące, np. piły, dłuta oraz narzędzia pracujące udarowo, jak młotki, przecinaki i cechowniki. Stale wysokowęglowe, po odpowiedniej obróbce cieplnej, charakteryzują się głównie dużą twardością, a stale o niższym stężeniu węgla - nieco większą ciągliwością. Stale narzędziowe niestopowe cechują się ponadto małą hartownością i małą skłonnością do rozrostu ziarna austenitu. Są produkowane jako głęboko lub płytko hartujące się. Stale płytko hartujące się są stosowane na narzędzia o średnicy mniejszej od 20 mm, a głęboko hartujące się - na narzędzia grubsze.

W celu uzyskania wymaganych własności stale narzędziowe niestopowe poddaje się hartowaniu z temperatury 760-800°C z chłodzeniem w wodzie i odpuszczaniu w temperaturze 180-300°C z wygrzaniem przez 2 h. Temperatura odpuszczania jest dobierana w zależności od wymaganej twardości i ciągliwości narzędzia i zwykle nie przekracza 200°C. Podwyższanie temperatury odpuszczania powoduje szybkie zmniejszanie twardości i odporności na ścieranie stali niestopowych. Przykłady stal: N9E, N11E (płytko), N9, N11 (głęboko).Stale do nawęglaniaStale do nawęglania cechuje dobra skrawalność, odporność na przegrzanie, mała skłonność do odkształceń podczas obróbki cieplnej, hartowność dostosowana do przekroju, obciążeń i cech geometrycznych wykonanych z nich elementów konstrukcyjnych oraz wysokie własności wytrzymałościowe nawęglonej powierzchni i duża ciągliwość rdzenia. Stale stopowe do nawęglania charakterzują się małym stężeniem C, nie przekraczającym 0,25% i zwykle dodatkiem 1-2% Cr. W zależności od gatunku zawierają także Mn, Ni, Mo,niekiedy V, W lub Ti. Dodatki Cr, Mn i Ni w stalach tej grupy zwiększają hartowność, zapewniają wymagane własności wytrzymałościowe rdzenia, a także zmniejszają naprężenia hartownicze w warstwie nawęglonej. Stężenie wymienionych pierwiastków jest ograniczane, gdyż powodują one obniżenie temperatury Ms, co wpływa na zwiększenie udziału austenitu szczątkowego, decydującego o zmniejszeniu twardości warstwy nawęglonej. Najniższe własności wytrzymałościowe rdzenia wykazują stale chromowe i chromowo-manganowe. Mangan powoduje niepożądany rozrost ziarn, czemu przeciwdziała dodatek TiW przypadku gdy są wymagane b. duże własności plastyczne rdzenia i wysokie własności wytrzymałościowe, stosuje się stale chromowo-manganowo-molibdenowe. Molibden sprzyja drobnoziarnistości, natomiast nikiel zwiększa plastyczność rdzenia. Najwyższe własności wytrzymałościowe i wysokie własności plastyczne rdzenia wykazują więc stale chromowo-niklowe, korzystnie z dodatkiem Mo, a szczególnie W. Przykładowe stale: 15H, 16HG, 18HGM, 22HMN.Stale niestopowe to stale w których stężenie każdego z pierwiastków jest mniejsze od poniższych wartości (%):

Al - 0,1; B - 0,0008; Bi - 0,1; Cr - 0,3; Zr - 0,05; Co - 0,1; Si - 0,5; Lantanowce - 0,05; Mn - 1,65; Cu-0,4; Mo - 0,08; Ni - 0,3; Nb - 0,06; Pb - 0,4; Se - 0,1; Te - 0,1; Ti - 0,05; V - 0,1; W - 0,1; inne - 0,05.

Ze względu na sumaryczne stężenie pierwiastków stale stopowe dzieli się na:

Według stopnia odtlenienia można wyróżnić następujące rodzaje stali:

stal uspokojoną, w której przed odlaniem do wlewnicy nie dochodzi do reakcji tlenu z węglem, a stal po wlaniu do wlewnicy zachowuje się spokojnie.Stale odpuszczone

Struktury stali odpuszczonych. W wyniku odpuszczania niskiego uzyskuje się strukturę martenzytu niskoodpuszczonego, który w stalach węglowych jest mieszaniną martenzytu tetragonalnego z dyspersyjnymi węglikami typu ε oraz austenitu szczątkowego.

Stale spawalneWiększość elementów konstrukcyjnych stosowanych do budowy m.in. konstrukcji przemysłowych, mostów, do zbrojenia betonu, na rury do rurociągów, jest łączona przez spawanie lub zgrzewanie. Elementy tych konstrukcji, o ile wymaga się od nich większej wytrzymałości niż uzyskiwana przez stale konstrukcyjne węglowe, wykonuje się z niskostopowych stali konstrukcyjnych spawalnych o podwyższonej wytrzymałości. Stale te powinny charakteryzować się dobrą spawalnością, dużymi wartościami wytrzymałości Rm­, granicy plastyczności Re oraz niską temperaturą przejścia w stan kruchy. Wymagane własności tych stali zapewnia odpowiedni dobór składu chemicznego, a także technologia wytapiania, obróbki plastycznej i obróbki cieplnej.

Skład chemiczny stali spawalnych podlega ograniczeniom i jest dobierany z uwzględnieniem wartości równoważnika węgla obliczanego wg wzoru:

0x01 graphic

gdzie: C, Mn, Cr, Mo, V, Ni, Cu - odpowiadają stężeniu masowemu tych pierwiastków w stali. W przypadku gdy CE ≤ 0,45%, stale są spawalne bez żadnych ograniczeń. Stale o większym równoważniku węgla wymagają podgrzewania przed spawaniem, regulowanego chłodzenia albo wyżarzania po spawaniu.Poza wpływem na spawalność, pierwiastki stopowe oddziałują na własności mechaniczne stali spawalnych o strukturze ferrytycznej. Własności wytrzymałościowe Rm, Re i twardość są podwyższane głównie przez Mn i Si, które jednak obniżają udarność przy stężeniach większych odpowiednio od ok. 1,2 i 0,8%. Nikiel, zwiększając własności wytrzymałościowe, zwiększa także ciągliwość. Dodatki Ni i Mn, nawet przy niewielkich stężeniach powodują znaczne obniżenie temperatury przejścia w stan kruchy. W przeciwieństwie do węgla. Dodatki Cr, W, Mo, polepszając hartowność w stalach ulepszanych cieplnie, powodują znaczne zmniejszenie udarności stali ferrytycznych. W stalach ferrytyczno-perlitycznych podstawowymi pierwiastkiem stopowym jest Mn przy stężeniu ok. 2%, a w stalach ulepszanych cieplnie zawierających po ok. 0,5 do 0,8% Cr, Ni i Mo - mangan jest dodawany w stężeniu ok. 1%. Do stali o podwyższonej wytrzymałości są wprowadzane również mikrododatki Al, V, Nb, Zr, Ti, N, po kilka setnych części procentu. Mikrododatki tworzą dyspersyjne wydzielenia węglików i azotków, hamujące rozrost ziarn austenitu i rekrystalizację podczas obróbki cieplnej, a także - w strefie wpływu ciepła - podczas spawania. Wpływa to na obniżenie temperatry przejścia w stan kruchy i powoduje dodatkowe umocnienie stali. Mikrododatek B przy stężeniu kilku tysięcznych części procentu wpływa głównie na zwiększenie hartowności stali ulepszanych cieplnie.

Przykładowe stale: 09G2, 18G2A, 18G2ACu, 18G2AV.Stale sprężynoweMateriał stosowany na elementy sprężyste powinien cechować się b. dobrymi własnościami sprężystymi, tzn. wysoką granicą sprężystości Rsp oraz dużą wartością stosunków tej wielkości do granicy plastyczności Re i wytrzymałości na rozciąganie Rm. Pożądana jest duża wytrzymałość na zmęczenie przy ograniczonych wymaganiach dotyczących własności plastycznych. Stale sprężynowe zawierają ok. 0,5-07% C, od którego przede wszystkim zależą własności wytrzymałościowe i granica sprężystości. Podstawowym pierwiastkiem stopowym w tych stalach jest Si, najintensywniej zwiększający Rsp, Re i Rm. Stale sprężynowe krzemowe cechują się jednak małą hartownością i z tego względu są stosowane na sprężyny o niewielkich przekrojach. Większą hartownością charakteryzują się stale sprężynowe manganowe. Dodatek Cr jeszcze intensywniej zwiększa hartowność i odporność stali na odpuszczanie, hamując jednocześnie relaksację naprężeń. Podobny wpływ wywiera V, bardziej węglikotwórczy od Cr, zapewniając stalom sprężynowym drobnoziarnistość, zmniejszając szybkość przemian martenzytu i zmian własności wytrzymałościowych podczas odpuszczania oraz ograniczając skłonność stali do odwęglenia. Stale chromowo-wanadowe stosuje się na najsilniej obciążone sprężyny, w tym także o dużych przekrojach. Sprężyny ze stali chromowo-wanadowych, a także ze stali chromowo-krzemowych mogą pracować w temperaturze do ok. 300°C, natomiast z pozostałych - w temperaturze nie przekraczającej 150°C. Obróbka cieplna sprężyn i resorów polega na austenityzowaniu w temperaturze 800-870°C i hartowaniu w oleju lub wodzie zależnie od gatunku zastosowanej stali, a następnie średnim odpuszczaniu w temperaturze 380-520°C. Po takiej obróbce cieplnej sprężyny mają strukturę martenzytu odpuszczonego o wymaganych własnościach mechanicznych. Przykład stali: 45S, 50S2, 65G, 50HF.Stale stopowe i ich obróbka cieplnaStal stopowa to stal do której wprowadzono pierwiastki w celu poprawienia jej własności. Oznaczenia: N - nikiel, H - chrom (stale konstrukcyjne), C - chrom (narzędziowe), W - wolfram, M - molibden, F - wanad (konstrukcyjne), V - wanad (pozostałe), G - mangan, S - krzem, K- kobalt, J - aluminium, T - tytan, Cu - miedź, B - bor.

Dodatki stopowe wprowadzane są do stali w celu:

Pierwiastki: Co, Mn, Ni, zwane austenitotwórczymi, w stopach żelaza powodują rozszerzenie obszaru występowania roztworu stałego γ. Przy odpowiednio dużych stężeniach tych pierwiastków jednofazowa struktura austenityczna występuje w całym zakresie poniżej temperatury solidusu. Pierwiastki zwane ferrytotwórczymi,np. Cr, V, Al, Si, Ti, Mo, W, ograniczają w stopach zelaza występowanie roztworu stałego γ. Przy dostatecznie dużym stężeniu tych pierwiastków w stanie stałym w całym zakresie temperatury (od temperatury pokojowej do solidusu) występuje więc struktura roztworu stałego α. Wszystkie pierwiastki stopowe przesuwają do mniejszego stężenia węgla położenie punktu eutektoidalnego oraz punktu E granicznej rozpuszczalności węgla w austenicie. Przesunięcie linii SE do mniejszego stężenia węgla, powodowane przez wszystkie niemal pierwiastki stopowe, sprzyja wydzielaniu węglików wtórnych przy stężeniach węgla mniejszych niż w stalach węglowych. Niemal wszystkie pierwiastki stopowe rozpuszczone w roztworach stałych w sposób znaczący decydują o przebiegu przemian strukturalnych zachodzących podczas obróbki cieplnej. W szczególności wpływ ten dotyczy procesów tworzenia i ujednorodniania austenitu w czasie nagrzewania stali, kinetyki przemian tej fazy podczas chłodzenia oraz związanej z tym hartowności stali. Pierwiastki przejściowe cechujące się dużym powinowactwem chemicznym do węgla, szczególnie Cr, W, Mo, V, Ti, Nb oraz Fe, tworzą w stalach fazy międzywęzłowe: węgliki o strukturach złożonych, tj. M3C, M23C6, M7C3, M6C, oraz węgliki o strukturach prostych MC i M2C. Podczas obróbki cieplnej węgliki ulegają rozpuszczeniu w austenicie, wpływając na zmianę własności tej fazy, głównie na hartowność i kinetykę przemian austenitu przechłodzonego. Zróżnicowana rozpuszczalność węglików w austenicie decyduje o wielkości ziarna i składzie chemicznym austenitu. Nie rozpuszczone węgliki utrudniają bowiem rozrost ziarn austenitu. Dopiero po nagrzaniu stali do odpowiednio wysokiej temperatury, nierzadko zbliżonej do temperatury solidusu, następuje zwykle rozpuszczenie znacznej liczby węglików, czemu towarzyszy znaczny rozrost ziarn austenitu.

Stale do ulepszania cieplnegoStale konstrukcyjne do ulepszania cieplnego mają średnie stężenie węgla ok. 0,25-0,5% decydujące o własnościach wytrzymałościowych oraz dodatki stopowe, których głównym celem jest nadanie stali określonej hartowności. Większość tych stali jest niskostopowa o łącznym stężeniu pierwiastków stopowych nie przekraczającym 3%, są również stale średniostopowe o łącznym stężeniu dodatków stopowych 3-5% oraz nieliczne o stężeniu pierwiastków stopowych przekraczającym 5%. Najtańsze stale z tej grupy jako główny pierwiastek zwiększający hartowność zawierają Mn, który jednak sprzyja rozrostowi ziarn austenitu podczas hartowania i związanemu z tym obniżeniu ciągliwości stali, zwłaszcza przy stężeniu większym od ok. 1,8%. Mangan może być częściowo zastępowany przez Si, który sprzyjając drobnoziarnistości, wpływa na zwiększenie granicy sprężystości. Stal manganowe są stosowane na wały, osie i śruby, a manganowo-krzemowe - na części narażone na ścieranie. Głównym dodatkiem stopowym w stalach konstrukcyjnych do ulepszania cieplnego jest chrom. Zwiększając hartowność i opóźniając przemiany martenzytu podczas odpuszczania, chrom zapewnia stalom dużą wytrzymałość i ciągliwość. Stale chromowe są stosowane na silnie obciążone wały, osie, korbowody, przekładnie zębate, śruby i inne części maszyn o niedużych przekrojach. Podobne zastosowanie, przy możliwości wykonania elementów o większym przekroju, mają stale Cr-Mn i Cr-Mn-Si, w których chrom znacznie zwiększa hartowność. Stale te po odpuszczaniu wymagają chłodzenia w oleju, ze względu na możliwość wystąpienia kruchości odpuszczania. Nikiel również bardzo intensywnie zwiększa hartowność stali konstrukcyjnych do ulepszania cieplnego, obniżając jednocześnie temperaturę przejścia w stan kruchy i zwiększając ciągliwość. Stale chromowo-niklowe w stanie ulepszonym cieplnie charakteryzują się wysokimi własnościami wytrzymałościwymi oraz dużą udarnością i plastycznością. Wykazują jednak tendencje do kruchości odpuszczania. W celu przeciwdziałania temu zjawisku do stali chromowo-niklowych dodaje się ok. 0,2% Mo, który powoduje dodatkowo zwiększenie hartowności stali. Założone własności elementów konstrukcyjnych ze stali do ulepszania cieplnego uzyskuje się po obróbce cieplnej polegającej na hartowaniu i wysokim odpuszczaniu. Temperatura odpuszczania mieści się w zakresie 500-650° i może być tym wyższa, im większe jest w stali stężenie węgla i pierwiastków węglikotwórczych. Podwyższenie temperatury odpuszczania stali o określonym składzie chemicznym powoduje zmniejszenie własności wytrzymałościowych i zwiększenie własności plastycznych w związku z intensyfikacją procesu rozpadu martenzytu. Po ulepszaniu cieplnym strukturę stali stanowi martenzyt wysokoodpuszczony. Niektóre elementy konstrukcyjne, od którch wymaga się dużej wytrzymałości i dopuszcza się ich obniżoną udarność, można wykonać ze stali o stężeniu węgla 0,4-0,5% i zastosować po zahartowaniu niskie odpuszczanie. Poza ulepszaniem cieplnym, niektóre stale można poddawać hartowaniu izotermicznemu. Przykładowe stale: 30G2, 38HA, 35HGS, 40HM, 45HN2A, 34HNM.Stale węglowe

Wpływ węgla na własności stali węglowychDominujący wpływ na strukturę i własności stali węglowych wywiera węgiel. W miarę podwyższania stężenia tego pierwiastka w stali zmniejszeniu ulega udział miękkiego i plastycznego ferrytu w strukturze stali, a zwiększeniu - udział twardego i kruchego cementytu. Z tego względu stale o większym stężeniu węgla wykazują większą twardość, wytrzymałość na rozciąganie Rm i granicę plastyczności Re. Zwiększenie stężenia węgla powoduje przy tym jednoczesne zmniejszenie własności plastycznych i ciągliwości stali, a w szczególności - wydłużenia A i przewężenia Z określanych w próbie rozciągania, oraz udarności KC określanej w próbie zginania udarowego. Stężenie węgla decyduje również o własnościach technologicznych stali. Przy większych stężeniach węgla stal cechuje się większym współczynnikiem liniowej rozszerzalności cieplnej i mniejszą przewodnością cieplną, co zwiększa naprężenia cieplne i skłonność do pęknięć w trakcie obróbki cieplnej. Zwiększone stężenie węgla pogarsza podatność stali na obróbkę plastyczną na zimno i na gorąco. Węgiel o stężeniu 0,25% zdecydowanie pogarsza również spawalność stali. Stale niskowęglowe o stężeniu węgla mniejszym od 0,25% - ze względu na dużą ciągliwość - wykazują gorszą skrawalność niż stale o strukturze perlitycznej. Stale nadeutektoidalne - ze względu na znaczny udział kruchego i twardego cementytu - charakteryzuje również obniżona skrawalność.

W stalach przedeutektoidalnych stwierdzono doświadczalnie prostą zależność między twardością HB a wytrzymałością na rozciąganie Rm:

0x01 graphic

W zakresie od 0,0 do 0,8% wzrost zawartości węgla w stali powoduje wzrost wytrzymałości na rozciąganie o ok. 500 MPa. Można zatem określić orientacyjną wytrzymałość na rozciąganie stali węglowych w zależności do zawartości węgla z prostego wzoru:

Rm =300 + (600 %C) MPa.Stale zaworoweSzczególną grupę stali żarowytrzymałych, używanych na zawory w slnikach spalinowych, stanowią stale zaworowe. Charakteryzują się one dużą odpornością na korozję w atmosferze spalin, w temperaturze do ok. 750°C. Odporność tę zapewniają główne dodatki Si i Cr, stąd nazwa tych stali - silchromy. Dużą twardość i odporność na ścieranie zapewnia im stosunkowo duże stężenie węgla - 0,4-0,6%. Ponieważ stale o strukturze austenitycznej wykazują większą wytrzymałość w wysokiej temperaturze, niż stale o strukturze perlitycznej, niektóre gatunki mają duże stężenie Cr i Ni. Częściowo Ni może być zastępowany tańszym Mn, również austenitotwórczym. Dodatki W i Mo powodują zwiększenie żarowytrzymałości i rozdrobnienie ziarn. W stalach o strukturze perlitycznej dodatki te powodują zwiększenie odporności na odpuszczanie i przeciwdziałają kruchości odpuszczania. Stale krzemowo-chromowe o strukturze perlitycznej poddaje się hartowaniu z temperatury 1010-1060°C i odpuszczaniu w temperaturze 700-790°C z chłodzeniem w wodzie, co zapobiega kruchości odpuszczania. Strukturę stali obrobionej cieplnie stanowi martenzyt wysokoodpuszczony. Stale o strukturze austenitycznej poddaje się przesycaniu z temperatury 1050-1170°C, z chłodzeniem w wodzie, i starzeniu w temperaturze 700-750°C. W wyniku tej obróbki otrzymuje się strukturę austenitu z dyspersyjnymi wydzieleniami węglików M6C i M23C6 oraz węglikoazotków. Przykłady stali: H9S2, 4H14N14W2M.Stale żaroodporneŻaroodporność to odporność stopu na działanie czynników chemicznych, głównie powietrza oraz spalin i ich agresywnych składników w temperaturze wyższej niż 600°Żaroodporność jest ściśle związana ze skłonnością stali do tworzenia zgorzeliny. Zgorzelina powinna stanowić ciągłą warstwę, dokładnie przylegającą do metalicznego rdzenia, co utrudnia dyfuzję utleniacza i jonów metalu. Wymagania te spełniają niskowęglowe stale o jednofazowej strukturze ferrytu lub austenitu, o dużym stężeniu chromu i niklu oraz dodatkowo krzemu i aluminium. Chrom jest podstawowym pierwiastkiem zwiększającym żaroodporność stali. Dodatek ok. 5% Cr zapewnia odpowiednią żaroodporność w temperaturze 600-650 °C. Zwiększenie stężenia tego pierwiastka powoduje wzrost żaroodporności do ok. 1100° przy stężeniu ok. 30% Cr w stali. Dodatki Si i Al, mimo analogicznego wpływu na żaroodporność, są dodawane w ograniczonym stężeniu - odpowiednio ok. 3 i 2,5% ze względu na niekorzystny wpływ na własności plastyczne stali i obniżanie podatności na obróbkę plastyczną. Dodatki V i Mo wywierają niekorzystny wpływ na żaroodporność stali. Tlenki wanadu bowiem łatwo ulegają stopieniu, natomiast tlenki molibdenu utleniają się. Nikiel nie jest samodzielnie stosowany, gdyż nie zwiększa żaroodporności stali. Przykłady stali: H6S2, 2H17.Stale żarowytrzymałeŻarowytrzymałością jest nazywana odporność stopu na odkształcenia, z czym wiąże się zdolność do wytrzymywania obciążeń mechanicznych w wysokiej temperaturze - powyżej 600°C. Żarowytrzymałość w temperaturze wyższej od 600°C jest uzależniona głównie od odporności na pełzanie. Dużą żarowytrzymałość wykazują stale o strukturze austenitycznej - ze względu na mniejsze współczynniki dyfuzji niż w ferrycie, o znacznej wielkości ziarn i z dyspersyjnymi wydzieleniami faz, głównie na granicach ziarn. Nikiel przy stężeniu 9%, w obecności ok. 18% Cr, powoduje tworzenie trwałej struktury austenitycznej, co decyduje o zwiększeniu żarowytrzymałości stali. Żarowytrzymałość podwyższają pierwiastki stopowe zwiększające energię wiązania atomów sieci roztworu stałego, a więc podwyższające temperaturę topnienia i rekrystalizacji, do których należą Mo, W, V, Co, a także Ti, Cr i Si. Żarowytrzymałość jest ponadto zwiększana w wyniku umocnienia zgniotowego oraz utwardzania dyspersyjnego. Natomiast obniżenie żarowytrzymałości następuje wskutek poligonizacji i rekrystalizacji stali uprzednio odkształconej plastycznie na zimno oraz koagulacji wydzieleń faz. Stężenie węgla w tych stalach - ze względu na zapewnienie odpowiedniej spawalności - jest ograniczone do ok. 0,2%. Przykłady stali: H18N9S, H23N18StaliwoStaliwem nazywamy stal w postaci lanej, nieobrobionej plastycznie. Odlewy staliwne uzyskują ostateczny kształt po skrzepnięciu w formach, przeważnie piaskowych i podlegać mogą różnym operacjom technologicznym z wyjątkiem obróbki plastycznej.

Własności mechaniczne staliw w porównaniu ze stalami obrobionymi plastycznie o takiej samej zawartości węgla są gorsze tylko w zakresie własności charakteryzujących ciągliwość i plastyczność, natomiast wytrzymałość na rozciąganie i twardość jest niemal taka sama. Gorsze własności plastyczne oraz mniejsza udarność staliwa są następstwem zachowania pierwotnej struktury, którą można usunąć tylko przez obróbkę plastyczną. Własności mechaniczne i spawalność staliw są wyższe niż żeliw. W porównaniu z żeliwami staliwa mają jednak gorszą lejność, są wrażliwe na działanie karbu, posiadają skłonność do pęcherzy. Wadą staliw jest także mały uzysk.Składnikami strukturalnymi występującymi w staliwie węglowym są ferryt i perlit. W zależności od sposobu i szybkości chłodzenia odlewu w stanie surowym w staliwie węglowym może wystąpić tzw. struktura globulityczna o okrągłych ziarnach lub struktura Widmannstättena. Struktura Widmanstättena charakteryzuje się iglastą budową ferrytu osnowie perlitu i ma niekorzystny wpływ na własności mechaniczne staliwa. W celu usunięcia niekorzystnych struktur pierwotnych, niejednorodności składu chemicznego, a także naprężeń odlewniczych, odlewy staliwne poddaje się obróbce cieplnej, głównie wyżarzaniu ujednorodniającemu lub normalizującemu, a także wyżarzaniu odprężającemu. Odlewy staliwne można również hartować, a także obrabiać cieplno-chemicznie, stosując zasady podobne jak przy obróbce cieplnej elementów stalowych o zbliżonym składzie chemicznym.Stopy aluminiumStosunkowo niewielkie własności wytrzymałościowe aluminium można zwiększyć - nawet kilkakrotnie - przez wprowadzenie pierwiastków stopowych oraz obróbkę cieplną stopów. W porównaniu ze stalmi stopy aluminiowe charakteryzują się znacznie mniejszą masą, a w niskiej temperaturze - większą udarnością. Najogólniej - ze względu na sposób wytwarzania - stopy aluminium dzieli się na: odlewnicze i do obróbki plastycznej. Niektóre z tych stopów mogą być stosowane zarówno jako odlewnicze jak i przeznaczone do obróbki plastycznej. Odlewnicze stopy aluminium są przeważnie stopami wieloskładnikowymi o dużym stężeniu - od 5 do 25% - pierwiastków stopowych, głównie Cu, Si, Mg i Ni lub ich różnych zestawień. Charakteryzują się dobrą lejnością i często małym skurczem odlewniczym. Stopy do obróbki plastycznej zawierają znacznie mniej, bo ok. 5%, pierwiastków stopowych, zwykle Cu, Mg, Mn, niekiedy także Si, Zn, Ni, Cr, Ti lub Li. Niektóre z tych stopów są stosowane w stanie zgniecionym lub po wyżarzaniu rekrystalizującym, a część jest poddawana obróbce cieplnej polegającej na utwardzaniu wydzielinowym.

Stopy aluminium z krzemem

Aluminium tworzy z krzemem układ z eutektyką, występujący przy stężeniu 12,6% Si i dwoma roztworami stałymi granicznymi o rozpuszczalności składników zmniejszającej się wraz z obniżaniem temperatury. Roztwór α (Si w Al) wykazuje sieć regularną typu A1. Aluminium w temperaturze eutektycznej rozpuszcza się w Si w b. niewielkim stężeniu - ok. 0,07%, a w temperaturze pokojowej nie wykazuje niemal zupełnie rozpuszczalności w Si. Podstawową grupę stopów Al z Si stanowią stopy odlewnicze zwane siluminami o stężeniu 4-30% Si. Krzem, jako podstawowy składnik tych stopów, zapewnia dobrą rzadkopłynność oraz lejność i mały skurcz odlewniczy. Siluminy mogą być również stopami wieloskładnikowymi. Zawierają wówczas dodatki Cu, Mg i Mn, zwiększające wytrzymałość. Dodatek Cu oraz Mg umożliwia utwardzanie wydzielinowe stopów wieloskładnikowych Al z Si, w wyniku wydzielania faz CuAl2 lub Mg2Si. Dodatek Cu pogarsza jednak odporność na korozję, która z kolei poprawia dodatek ok. 1% Ni. Dodatek 0,5% Mn przeciwdziała ujemnemu wpływowi domieszek Fe tworzących wydzielenia Fe­2Si2Al9 oraz Fe3Si2Al12 znacznie zmniejszające ciągliwość stopu. Siluminy eutektyczne i nadeutektyczne wykazujące znaczną żarowytrzymałość są stosowane na wysoko obciążone tłoki silników spalinowych. Z siluminów podeutektycznych wytwarza się silnie obciążone części dla przemysłu okrętowego i elektrycznego, pracujące w podwyższonej temperaturze i w wodzie morskiej. Wieloskładnikowe stopy Al z Si są stosowane m.in. na głowice silników spalinowych oraz inne odlewy w przemyśle maszynowym. Stopy Al z niewielkim dodatkiem - ok. 1% Si - są przeznaczone do obróbki plastycznej, na średnio obciążone elementy konstrukcji lotniczych i pojazdów mechanicznych oraz elementy głębokotłoczne i kute o złożonych kształtach.

Ulepszanie cieplne

Hartowanie i niskie odpuszczanie wykonane łącznie są utwardzaniem cieplnym. Hartowanie wysokie i odpuszczanie stanowią łącznie tzw. ulepszanie cieplne. Miarą ulepszania cieplnego jest stosunek Re : Rm.

Wyżarzanie

Wyżarzanie to operacja zwykłej obróbki cieplnej polegająca na nagrzaniu stali do określonej temperatury, wygrzaniu w tej temperaturze i studzeniu w celu uzyskania struktur zbliżonych do stanu równowagi.

Wyżarzanie izotermiczne, będące odmianą wyżarzania zupełnego, polega na nagrzaniu stali do temperatury o 30-50°C wyżej od Ac1, wygrzanu w tej temperaturze, szybkim ochłodzeniu do temperatury nieco niższej od Ac1, wytrzymaniu izotermicznym w tej temperaturze aż do zakończenia przemiany perlitycznej i następnym chłodzeniu w powietrzu. Wyżarzanie izotermiczne jest stosowane w przypadku obróbki cieplnej stali stopowych, które po wyżarzaniu zupełnym wykazują zbyt dużą twardość. Odmianą wyżarzania izotermicznego jest patentowanie drutów, polegające na wygrzewaniu w temperaturze 900-1100°C, chłodzeniu izotermicznym w 500-550°C i następnie obróbce plastycznej na zimno.

Wyżarzanie normalizujące polega na nagrzaniu stali do temperatury o 30-50°C wyższej od Ac3, wygrzaniu w tej temperaturze i następnym studzeniu w spokojnym powietrzu. Operacja ma na celu uzyskanie jednorodnej struktury drobnoziarnistej, a przez to polepszenie własności mechanicznych stali. Jest stosowana do stali niestopowych konstrukcyjnych i staliwa - często przed dalszą obróbką cieplną - w celu ujednolicenia struktury.

Wyżarzanie odprężające polega na nagrzaniu stali do temperatury niżej od Ac1, wygrzaniu w tej temperaturze i następnym powolnym studzeniu. Celem tej operacji jest usunięcie naprężeń odpowiednio odlewniczych, spawalniczych, cieplnych oraz spowodowanych obróbką plastyczną. Wyżarzanie odprężające prawie nie wiąże się z wprowadzaniem zmian strukturalnych. Zakres temperatury i czasu wyżarzania odprężającego jest szeroki; parametry te zależą od rodzaju materiału oraz przyczyn wywołujących naprężenia. W przypadku odlewów staliwnych temperatura może wynosić ok. 650°C. W temperaturze do 150°C jest wykonywane odprężanie stabilizujące, które ma na celu zapewnienie niezmienności wymiarowej oraz zmniejszenie naprężeń własnych. Odprężanie samorzutne - tzw. sezonowanie - zachodzi w temperaturze pokojowej, w czasie wynoszącym kilka lub kilkanaście miesięcy, a niekiedy nawet kilka lat.

Wyżarzanie rekrystalizujące polega na nagrzaniu metalu uprzednio odkształconego plastycznie na zimno do temperatury wyższej od temperatury rekrystalizacji, wygrzaniu w tej temperaturze i chłodzeniu z dowolną szybkością. Wyżarzanie rekrystalizujące, często stosowane jako międzyoperacyjne podczas walcowania lub ciągnienia metali na zimno, usuwa umocnienie zgniotowe, powodując zmniejszenie twardości i wytrzymałości oraz zwiększenie ciągliwości metalu, co umożliwia dalszą obróbkę plastyczną na zimno.

Wyżarzanie sferoidyzujące (zmiękczanie), polega na nagrzaniu stali do temperatury zbliżonej do Ac1, wygrzaniu w tej temperaturze, b. wolnym chłodzeniu do temperatury ok. 600°C i następnie dowolnym chłodzeniu do temperatury otoczena. Wygrzewanie może się odbywać w temperaturze nieco wyższej lub nieco niższej od Ac1 (przy zmianach temperatury w zakresie ± 20°C wokół Ac1), a także z wytrzymaniem izotermicznym poniżej temperatury Ac1, po uprzednim krótkim wygrzewaniu w temperaturze wyższej od Ac1. W wyniku operacji wyżarzania sferoidyzującego strukturę stali stanowi cementyt kulkowy, tzw. sferoidyt, w osnowie ferrytu. Struktura taka zapewnia niewielką twardość, dobrą skrawalność oraz dobrą podatność na odkształcenie plastyczne w czasie obróbki plastycznej na zimno. Jest także prawidłową strukturą stali nadeutektoidalnych przed następnym hartowaniem.

Wyżarzanie ujednorodniające polega na nagrzaniu stali do temperatury 1050-1200°C o ok. 100-200°C niższej od temperatury solidusu, wygrzaniu długotrwałym w tym zakresie temperatury i następnym studzeniu. Celem tej operacji, stosowanej głównie dla wlewków stalowych, jest ograniczenie niejednorodności składu chemicznego, spowodowanej mikrosegregacją, a w części także likwidacją.

Wyżarzanie zupełne, stosowane do stali stopwych, polega na nagrzaniu stali do temperatury o 30-50°C wyżej od Ac3, ACcm­ (linia GSE), wygrzaniu w tej temperaturze i następnym b.wolnym chłodzeniu w zakresie temperatury między Ac3 i ACcm­, a Ac1. Dalsze studzenie może odbywać się w powietrzu.

Znakowanie: Gatunek stali konstrukcyjnych stopowych jest określany, zgodnie z PN, znakiem stali, składającym się z: 1) liczby 2-cyfrowej na początku znaku, określającej przybliżone stężenie węgla w stali w setnych częściach procentu, 2) litery lub kilku liter określających dodatki stopowe, 3) liczb całkowitych, podawanych po znaku literowym poszczególnych pierwiastków, określających przybliżone stężenie dodatków stopowych w stali w procentach, gdy ich zawartość jest nie mniejsza od ok. 2%.

Dodanie na końcu litery A oznacza wyższą jakość stali. Stale łożyskowe są oznaczane literą Ł, następnie literą H oraz liczbą określającą średnie stężenie chromu w dziesiętnych częściach procentu.

Żeliwa

Żeliwami nazywamy stopy żelaza z węglem zawierające ponad 2% węgla. Od tej zwartości węgla (2%) pojawia się w tych stopach nie spotykany w stalach składnik mikrostruktury - ledeburyt, w którego skład wchodzi cementyt. Węgiel w żeliwie może występować zarówno w postaci wiązanej (cementyt) jak i wolnej (grafit). W zależności od postaci w jakiej występuje węgiel rozróżnia się żeliwa: szare, w których węgiel występuje w postaci grafitu; białe, w których węgiel jest związany w cementycie, połowiczne, w których występuje zarówno grafit, jak i cementyt (powyżej 0,8% ogółu węgla w żeliwie).

Strukturę żeliwa stanowi osnowa metaliczna, którą może być ferryt, perlit lub ich mieszaniny, ewentualnie z cementytem i wtrąceniami niemetalicznymi a także grafit o różnej wielkości i kształcie. Grafit jest b. miękki, a jego wytrzymałość jest bliska zeru. Grafit może się tworzyć przy krzepnięciu z cieczy jako płatkowy na skutek przemiany eutektoidalnej austenitu lub w wyniku rozpadu cementytu w żeliwie białym poddanym długotrwałemu wyżarzaniu w temperaturze nieznacznie niższej od solidusu. W stopach eutektycznych grafit wydziela się z cieczy w postaci b. drobnych płatków w eutektyce grafitowej. Grube płatki grafitu pierwotnego wydzielają się w czasie krzepnięcia żeliw nadeutektycznych.

Grafit powoduje zmniejszenie własności wytrzymałościowych żeliwa i zmianę niektórych innych własności, a szczególnie: działa jako karb wewnętrzny, stanowiąc nieciągłości w metalu; zmniejsza skurcz odlewniczy; polepsza skrawalność; zwiększa własności ślizgowe; sprzyja tłumieniu drgań.

Według Polskich Norm żeliwa dzielimy na:

Żeliwo ciągliwe jest otrzymywane z żeliwa białego w wyniku wyżarzania grafityzującego. Podczas tej operacji cementyt ulega rozpadowi o wydziela się tzw. węgiel żarzenia w postaci kłaczkowatych skupień. Żeliwo ciągliwe charakteryzuje się dobrymi własnościami wytrzymałościowymi i plastycznymi. W zależności od parametrów procesu technologicznego żeliwo ciągliwe można podzielić na: białe (W), czarne (B), perlityczne (P).

Żeliwa szare dzielimy na:

1. zwykłe - charakteryzuje się niską wytrzymałością, dobrą skrawalnością oraz małą odpornością na zużycie ścierne. Twardość i wytrzymałość żeliwa szarego zwiększa się w miarę zwiększania udziału perlitu w strukturze. Żeliwa zwykłe dzielmy na: ferrytyczne 100, ferrytyczno-perlityczne 150, perlityczne 200

2. modyfikowane - bezpośrednio przed odlaniem do kąpieli metalowej o temp. ok. 1400°C, w rynnie spustowej lub kadzi, dodaje się ok. 0,1-0,5% sproszkowanego modyfikatora, najczęściej żelazo-krzemu, wapnio-krzemu lub aluminium. Żeliwa te są perlityczne (250, 300, 350).

Żeliwo sferoidalne wykazuje b. dobre własności - zarówno wytrzymałościowe jak i plastyczne. Uzyskuje się je w wyniku modyfikowania żeliwa o tendencji krzepnięcia jako szare, lecz o b. małym stężeniu siarki i fosforu. Jako modyfikatorów używa się ceru lub magnezu. W wyniku tego zabiegu technologicznego grafit występuje w tych żeliwach w postaci kulistej. Żeliwa sferoidalne można podzielić na: ferrytyczne (350-22, 400-18, 400-15, 450-10), ferrytyczno-perlityczne (508-7), perlityczno-ferrytyczne (600-3), perlityczne (700-2), po obróbce cieplnej (800-2, 900-2).


Wyszukiwarka