5__elazo_w_giel

1. CEL ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z układem równowagi żelaza z węglem oraz zbadanie struktur stali węglowych nie obrobionych cieplnie i strukturami i właściwościami żeliw i surówek przy badaniu próbek z użyciem mikroskopu metalograficznego.

2. CZĘŚĆ TEORETYCZNA

a) Stopy żelaza z węglem są najważniejszymi stopami stosowanymi w technice. Nie wyjaśniono dotychczas czy krzepnięcie tych stopów zachodzi tylko w układzie żelazo - cementyt, czy również w układzie żelazo - grafit.

Przy szybkim chłodzeniu ciekłego roztworu węgla w żelazie (o zawartości od 2,06% do 6,67% węgla) otrzymujemy podczas krzepnięcia surówkę białą, w której węgiel występuje w postaci struktury złożonej Fe₃C, zwanej cementytem, natomiast przy powolnym oziębianiu - surówkę szarą, w której węgiel występuje przeważnie w postaci grafitu.

Układ żelazo - cementyt został opracowany do zawartości 6,67% węgla, co

odpowiada procentowej zawartości węgla w strukturze złożonej cementytu.

Struktura stali węglowych w stanie wyżarzonym może składać się z trzech składników: ferrytu, cementytu i perlitu.

Ferrytem nazywamy roztwór stały węgla w żelazie α . Posiada on sieć elementarną takiego żelaza, w której znajduje się jeden atom węgla. Stal o budowie ferrytycznej posiada nieznaczną wytrzymałość na rozciąganie, niską granicę sprężystości i niewielką twardość. Charakteryzuje się natomiast dużym wydłużeniem, przewężeniem i udarnością.

Cementyt, zwany również węglikiem lub karbidkiem żelaza, krystalizuje w układzie rombowym, przy czym rozmieszczenie atomów żelaza w stosunku do sieci rombowej, utworzonej przez atomy węgla, jest w nim przesuwne o różne odległości i z tego powodu jest on tak bardzo twardy i kruchy. W normalnej temperaturze cementyt jest ferromagnetyczny i dopiero po nagrzaniu do temperatury 210⁰ C staje się paramagnetyczny; takim pozostaje aż do temperatury topnienia.

Mieszanina eutektoidalna powstała w stałej temperaturze 723⁰C na skutek rozpadu austenitu nazywa się perlitem. Nazwa ta pochodzi od barwy otrzymanej próbki po jej wytrawieniu, podobnej do koloru masy perłowej. Perlit jest składnikiem stali wyżarzonych jak

również surówek szarych, w których sam lub łącznie z ferrytem stanowi osnowę, w której

znajduje się grafit. Budowa jego składa się z na przemian ułożonych płytek ferrytu i cementytu. Jest to tzw. perlit płytkowy.

Austenit- jest to stały rozwór węgla w żelazie δ o strukturze A1. Max. Rozpuszczalność C w Fe(δ) w temp. 148°C wynosi 2,11% a z obniżeniem temp. do 727°C wynosi 0,8%.

Ledeburyt - jest to eutektyczna mieszanina austenitu i cementytu tworząca się przy krzepnięciu cieczy w temp. 1148°C o zawartości węgla 4.8%. Poniżej 727°C ledeburyt nosi nazwę przemienionego i składa się z cementytu I i II.

b) Żeliwa :

Surówka, czyli produkt wielkiego pieca, będący stopem żelaza z węglem, krzemem, manganem, fosforem i siarką, w gotowym odlewie użytkowym lub po powtórnym przetopieniu w żeliwiaku czy innych piecach i odlaniu do tworzy żeliwo.

Najważniejszym składnikiem żeliw jest węgiel, od zawartości którego zależy przede wszystkim ich temperatura topnienia, a zatem i lejność. Najczęściej występuje on w ilości 2,5 ÷ 4,5 % C.

Węgiel w surówkach i żeliwach może znajdować się jako wolny, pod postacią grafitu lub związany - pod postacią cementytu. Zależnie od tego wyróżniamy:

• surówki i żeliwa szare, w których węgiel występuje głównie pod postacią grafitu i z tego powodu ich przełom jest szary,

• surówki i żeliwa białe, w których węgiel występuje pod postacią cementytu, dlatego też ich przełom jest jasny,

• surówki i żeliwa pstre (połowiczne), w których węgiel występuje w pewnych skupieniach, przeważnie jako grafit, w innych jako cementyt

i z tego powodu ich przełom jest pstry.

Żeliwa białe są twarde i kruche, żeliwa szare - dość miękkie, lecz również kruche.

3. PRZEBIEG ĆWICZENIA

Otrzymane próbki badane były pod mikroskopem metalograficznym w powiększeniu 250 - ciu krotnym i otrzymano następujące wyniki :

1.

ŻELAZO „ARMCO”

1. 
   ”ARMCO” - technicznie czyste żelazo

2. Powiększenie:250 x

3. R_m = 260 - 300 MPa

R_e = 140 - 180 MPa

A = 40 % , HB = 85

4. Zastosowanie : w przemyśle elektrotechnicznym

2
. STAL KONSTRUKCYJNA WĘGLOWA

wyższej jakości do nawęglania i cyjanowania

1. 15

2. Powiększenie:250 x

3. R_m = 500 ÷ 750 MPa R_{e min}= 300 MPa

U = 60 Nm/cm² HB _min= 143

4. Zastosowanie : na części o twardej

powierzchni odpornej na ścieranie części o prostych kształtach

3. STAL KONSTRUKCYJNA WĘGLOWA

wyższej jakości

1. 45

2. Powiększenie:250 x

3. R_m= 710 ÷ 860 MPa R_{e min}= 490 MPa

U = 25 Nm/cm² HB=241

4. Zastosowanie : średnio obciążone

nie narażone na ścieranie

4. STAL NARZĘDZIOWA do pracy na zimno

1. N8

2. Powiększenie:250 x

• 3. HB_max= 187 HRC_min= 62

4. Zastosowanie : narzędzia miernicze, duża

odporność na ścieranie

5. STAL NARZĘDZIOWA do pracy na zimno

1. N11

2. Powiększenie:250 x

3. HB_max= 207 HRC_min= 62

4. Zastosowanie : frezy, noże krążkowe itp.

6. ŻELIWO 150

1. 150

2. Powiększenie:250 x

3. R_m= 150 MPa HB=212, tłumienie drgań

4. Zastosowanie : łoża obrabiarek,
   płyty fundamentowe maszyn

7. ŻELIWO 300

1. 300

2. Powiększenie:250 x

3. R_m= 300 MPa HB=262

4 .Zastosowanie : analogiczna, jak
żeliwo 150

8. ŻELIWO 600-07

1. 600-07

2. Powiększenie:250 x

3.

4.

9. ŻELIWO B320-08

1. B320-08

2. Powiększenie:250 x

3. R_m= 320 MPa HB=190

4. Zastosowanie : części maszyn
rolniczych

10. ŻELIWO W340-04

1. W340-04

2. Powiększenie:250 x

3.

4.

4. WNIOSKI

Najważniejszym składnikiem wszystkich metali jest węgiel, który wpływa przede wszystkim na jej własności mechaniczne. W miarę wzrostu zawartości węgla w stali podwyższa się jej wytrzymałość na rozciąganie, granica plastyczności i twardość przy równoczesnym obniżaniu się wydłużenia, przewężenia i udarności. W podobny sposób do cech plastycznych, wraz ze wzrostem zawartości węgla następuje w stali również spadek własności technologicznych takich jak: kujność, tłoczność, spawalność i zgrzewalność. W miarę wzrostu zawartości węgla w stali zmieniają się również jej własności magnetyczne.

Stal w stanie wyżarzonym jest mieszaniną dwóch składników: ferrytu (miękkiego i plastycznego) oraz cementytu (twardego i kruchego), dlatego też własności stali będą zależały głównie od stosunku jednego składnika do drugiego. Im więcej cementytu będzie zawierała stal, a tym samym mniej ferrytu, tym będzie bardziej twarda i krucha. Na własności mechaniczne stali ma również kształt i wymiary tych dwóch składników. Im płytki występujące w perlicie są cieńsze lub cementyt kulkowy występujący w osnowie ferrytycznej jest drobniejszy, tym większa jest twardość i wytrzymałość stali, a mniejsze wydłużenie i przewężenie.

Żeliwo szare jest najbardziej rozpowszechnionym odlewniczym stopem żelaza, spowodowane jest to dostatecznie dobrymi właściwościami użytkowymi przy jednocześnie niskich kosztach produkcji. Podczas ćwiczenia zaobserwowaliśmy, że najbardziej charakterystycznym składnikiem struktury żeliwa jest grafit, którego wytrzymałość jest równa zeru, a jego płatki rozczłonkowujące osnowę metaliczną osłabiają jej wytrzymałość. Obecność grafitu powoduje również zupełny brak plastyczności żeliwa, małą udarność, mały moduł sprężystości. Wraz z pojawieniem się w osnowie metalicznej ferrytu wydzielenia grafitu są coraz większe i coraz bardziej osłabiające osnowę. Głównymi wnioskami wnikającymi z badania żeliwa szarego jest to, że właściwości żeliwa szarego zależą od struktury osnowy metalicznej i od rozłożenia i wielkości wydzieleń grafitu.

---