Tomasz Strąk
Konspekt
Temat: Stale stopowe.
Tematyka:
1.) Podział stali stopowych i stopów specjalnych w.g. zastosowania,
2.) Fazy występujące w stopach,
3.) Rola pierwiastków stopowych:
- wpływ pierwiastków stopowych na własności ferrytu,
- wpływ pierwiastków stopowych na przemiany alotropowe żelaza,
- wpływ pierwiastków stopowych na przemiany przechłodzonego austenitu,
- wpływ pierwiastków stopowych na przebieg odpuszczania.
Stopy są to tworzywa wieloskładnikowe, powstałe przez stopienie metalu stanowiącego składnik zasadniczy z conajmniej jednym pierwiastkiem, który nazywa się pierwiastkiem lub dodatkiem stopowym. Stopy można otrzymać przez stapianie dwóch lub więcej metali (pierwiastków) i odlewanie, spiekanie, elektrolizę lub sublimację. Rodzaj stopu i jego właściwości zależą nie tylko od pierwiastków tworzących stop, lecz także od ich wzajemniej rozpuszczalności.Ogólnie można powiedzieć, że stopy posiadają właściwości wytrzymałościowe lepsze niż czyste metale, natomiast ich właściwości plastyczne, przewodnictwo cieplne i elektryczne, oraz odporność na korozję ulegają pogorszeniu. Ważną zaletą licznych stopów jest możliwość kształtowania ich własności, głównie mechanicznych, zabiegami obróbki cieplnej. Budowa stopów w stanie stałym jest uzależniona od wzajemnej rozpuszczalności składników w stanie stałym oraz ich zdolności do tworzenia faz międzymetalicznych.
ad. 1.) Stale stopowe i stopy specjalne w.g. zastosowania:
a.) Konstrukcyjne stale stopowe.
Są to stale stosowane do wyrobu części maszyn , urządzeń i konstrukcji pracujących w normalnych warunkach.
- stale niskostopowe konstrukcyjne spawalne z mikrododatkami
(Ti,V,Zr,Nb,B)
- stale niskostopowe o podwyższonej wytrzymałości (perlityczne, bajnityczne) 0,10-0,25 %C
- stale do nawęglania 0,10-0,25%C (20H,12HN3A,18HGT),
- stale do ulepszania cieplnego ( np. do hartowania powierzchniowego)
0,25-65%C (50S,60SG),
- stale do azotowania 0,25-0,45%C (38HMJ,33H3MF),
- stale sprężynowe 0,35-0,75%C (65G,45S,50HSA),
- stale na łożyska toczne ok. 1%C (ŁH15,Łh15SG),
- stale do pracy w podwyższonych temp. (16M, 20HM),
b.) Stale i stopy narzędziowe. Są one stosowane do wykonywania narzędzi do kształtowania materiału zarówno na drodze obróbki skrawaniem , jak i przeróbki plastycznej oraz przyrządów pomiarowych.
- stale węglowe narzędziowe (N12E, N10, N9E, N7, N8E)
- stale narzędziowe stopowe do pracy na zimno,
- stale narzędziowe do pracy na gorąco,
- stale szybkotnące,
- stale odporne na ścieranie,
- stale nierdzewne i kwasoodporne,
- stale i stopy żarowytrzymałe i żaroodporne,
- stale i stopy o dużym oporze elektrycznym,
- stopy o określonej wartości współczynnika rozszerzalności cieplnej,
- stale i stopy o określonych właściwościach magnetycznych,
- stale na matryce do pras 0,35%C (WCL),
- stale na matryce do młotów 0,55%C (WNL),
- stale na walce robocze 0,5%C (WCV),
- stale specjalne 1,2%C (NW1,NWV4),
- stale niezmieniające wymiarów podczas obróbki ok 1,05%C (NC4,NC11),
- stale odporne na uderzenia 0,45%C (NZ2),
- stale do walcowania na zimno 0,7%C (NC7VL),
- stale i stopy na opory grzewcze,
ad.2 ) Fazy występujące w stopach.
Faza - część układu jednorodna pod względem chemicznym, oddzielona od reszty układu powierzchnią rozdziału, czyli granicą międzyfazową.
Układ - zbiór faz . Jeżeli fazy znajdują się w równowadze termodynamicznej mówimy o stanie równowagi. Istnieją ukł jedno- i dwu- składnikowe (pojedyńcze, podwójne).
Składniki układu są to substancje proste (np. pierwiastki) lub złożone (np. związki), z których składają się fazy układu.
Równowaga fazowa występuje wówczas, gdy w określonych warunkach termodynamicznych stosunki ilościowe między fazami układu pozostają stałe. (potencjały chemiczne składników we wszystkich fazach stopu są równe.
Liczba stopni swobody danego układu jest to liczba parametrów, tzn. wewnętrznych i zewnętrznych czynników, które można dowolnie zmieniać niezależnie od siebie, nie zakłócając przez to stanu równowagi układu, t.j nie powodując pojawienia się lub zaniknięcia faz.
s = n - f + 1
s -liczba stopni swobody,
n -ilość składników tworzących stop,
f -ilość faz występujących w stopie w danych warunkach.
Fazy występujące w układzie żelazo cementyt:
- ferryt, ferryt wysokotemperaturowy ( α ) / roztwór stały graniczny węgla w żelazie α /
- cemenytyt ( Fe3C ) / zw. chemiczny żelaza z węglem zawierający 6,67 % C /
- austenit ( γ ) / roztwór stały graniczny węgla w żelazie α /
- ledeburyt ( γ + Fe3C ) / mieszanina eudektyczna austenitu i cementytu /
- ledeburyt przemieniony / ledeburyt w którym austenit uległ przemianie w perlit /
- perlit ( α + Fe3C ) / mieszanina eudektyczna ferrytu i cementytu /
W stopach metali występują fazy międzymetaliczne .Stanowią one połączenia metali, lub metali i niemetali. Fazy międzymetaliczne mają strukturę metaliczną odrębną od tworzących je składników, uporządkowany układ atomów w sieci przestrzennej oraz odmienne właściwości.
Do najważniejszych faz międzymetalicznych zalicza się fazy elektronowe i fazy międzywęzłowe. Pierwsze z nich tworzą się pomiędzy metalami: Cu,Ag,Au,Fe,Co,Ni,Pd i Pt oraz Be,Zn,Cd,Al,Sn,Si
Ich struktura zależy od stężenia elektronowego. Fazy międzywęzłowe stanowią połączenia metali przejściowych z pierwiastkami o małych średnicach atomowych takich jak H,N,C,B. Powstają one, gdy stosunek promienia niemetalu do promienia metalu jest mniejszy lub równy 0,59.
ad. 3.) Rola pierwiastków stopowych.
Pod względem oddziaływania na węgiel wszystkie pierwiastki stopowe można podzielić na dwie grupy: pierwiastki nie tworzące węglików(Ni, Si, Co, Al, Cu, N), oraz na p. węglikotwórcze.
Wpływ pierwiastków stopowych na właściwości ferrytu.
Dodatki stopowe rozpuszczone w ferrycie zmieniają jego właściwości; podwyższają wytrzymałość na rozciąganie, granicę plastyczności, twardość, a obniżją właściwości plastyczne. Zmiana właściwości jest tym większa im bardziej te pierwiastki są oddalone od Fe w ukł. okresowym i im większa jest różnica w promieniach atomowych. Największe utwardzenie ferrytu powodują Mn, Si, oraz Ni. Wpływ Cr, Mo,Wo jest mniejszy. Wszystkie te pierwiastki z wyjątkiem Cr i Ni obniżają udarność ferrytu. Najkorzystniej na właściwości ferrytu wpływa Ni, który podwyższa zarówno twardość, jak i udarność stali. Twardość ferrytu zawierającego w roztworze Ni, Cr lub Mn zależy od szybkości chłodzenia.
Wpływ pierwiastków stopowych na przemiany alotropowe żelaza.
Pierwiastki stopowe można podzielić na dwie grupy pod wzgl. ich wpływu na zakres istnienia odmian alotropowych żelaza. Pierwsze powodują obniżenie temp. przeminay Ac3 ,a podwyższenie temp. Ac4. W miarę zwiększania się zawartości pierwiastka stopowego, zakres istnienia fazy γ znacznie się rozszerza, aż do całkowiteo zaniku występowania fazy alfa. Nie zachodzi wówczas przemiana alotropowa żelaza α⇒β. i roztwór γ istnieje w całym zakresie temp., od temp otoczenia, aż do temp. topnienia. Jest to układ z tzw. otwartym polem austenitu.Tego rodzaju ukł. mają stopy Fe z Ni, Co, Mn, które to pierwiastki tworzą z węglem roztwory stałe ciągłe.
Pierwiastki grupy drugiej obniżają temp. A4 i podnoszą temp. A3. Jeżeli rozpuszczalność danego pierwiastka w żelazie jest dostatecznie duża, obie linie zbiegają się, tworząc zamknięte pole austenitu, ograniczone zakresem, w którym współistnieją ferryt i austenit. Poza tym zakresem występuje ferryt od temp. normalnych aż do temp. topnienia. Jest to ukł. równowagi z zamkniętym polem austenitu.
Tego rodz. ukł. mają stopy Fe z Be, Si, P, T, W, Cr,Ge, As, Ni, Mo, Sn, An, W.
Wpływ pierwiastków stopowych na przemiany przechłodzonego austenitu.
Pierwiastki nie tworzące węglików (Ni, Cu, Si, Al, Co) zwiększają trwałość przechłodzonego austenitu i zmniejszają szybkość jego przemiany. Jedynie Co przyśpiesza przeminanę. Pierwiastki węglikotwórcze (zwłaszcza przy dużych zawartościach węgla) powodują:
- opóźnienie przemiany perlitycznej,
- podniesienie (z wyjątkiem Mn) maksymalnej szybkości przemiany perlitycznej,
- obniżenie górnej granicy temp. przemiany bajnitycznej,
- opóźnienie przemiany bainitycznej.
Większość pierwiastków obniża temp. początku przemiany martenzytycznej ferrytu i zwiększa ilość austenitu szczątkowego.(oprócz aluminium i kobaltu) Najsilniej ją obniżają: Mn, Mo, Cr, Ni i Cu.
Wpływ pierwiastków stopowych na przebieg odpuszczania.
Dodatki stopowe opóźniają proces przemiany martenzytu i austenitu szczątkowego. Zakres temp. martenzytu leży dla stali stopowych o średniej zawartości pierwiastków stopowych o kilkadziesiąt stopni wyżej niż dla stali węglowych, a temp. dostrzegania obniżenia twardości jest także wyższa. Dlatego, aby uzyskać wyższą twardość należy nagrzewać stal stopową do wyższej temp. niż stal węglową lub stosować dłuższe czasy odpuszczania. Sprzyja to uzyskaniu lepszych właściwości plastycznych przy zachowaniu stosunkowo wysokich właściwości wytrzymałościowych.Szczególnie silnie oddziaływują w ten sposób pierwiastki: Ti, V, Cr, Mo, W, Si.