I Wstęp teoretyczny.

• STALE WĘGLOWE.

1. Skład chemiczny stali węglowych.

Stal jest stopem żelaza z węglem oraz ewentualnie z innymi pierwiastkami, zawierającymi do około 2% węgla, obrabianym plastycznie, otrzymywanym w procesie stalowniczym po przejściu przez stan ciekły. Do zasadniczych domieszek zawsze występujących w stalach węglowych w mniejszej lub większej ilości należą: mangan, krzem, fosfor, siarka i miedź. Zawartość tych pierwiastków w stali nie przekracza zwykle następujących wartości:

mangan - 0,8%	krzem - 0,4%	fosfor - 0,05%
siarka - 0,05%	miedź - 0,3%

Ponadto stal węglowa zawiera jeszcze rozpuszczone gazy, jak wodór, tlen i azot.

2. Struktury stali węglowych w stanie równowagi.

Ze względu na strukturę po wolnym chłodzeniu (studzeniu), stale węglowe można podzielić na trzy zasadnicze grupy, a to:

1. stale podeutektoidalne zawierające do 0,8% węgla, zbudowane z ferrytu i perlitu,

2. stale eutektoidalne, zawierające 0,8% węgla, posiadające strukturę perlityczną,

3. stale nadeutektoidalne o zawartości 0,8 - 2,0% węgla, zbudowane z perlitu i cementytu wtórnego.

Przy bardzo niskiej zawartości węgla, praktycznie poniżej 0,1%, stal ma strukturę prawie czysto ferrytyczną, po czym w miarę wzrostu zawartości węgla ilość perlitu w strukturze zaczyna wzrastać i przy zawartości około 0,4% węgla ilości perlitu i ferrytu w strukturze stali są prawie równe. W stalach powyżej 0,6 - 0,7% węgla ilość ferrytu jest już tak mała, że nie tworzy on całych pól, lecz zwykle występuje w postaci siatki na granicach ziarn perlitu. W miarę zbliżania się do składu eutektoidalnego ferryt zanika i przy zawartości 0,8% węgla w stali otrzymujemy czysto perlityczną strukturę. Przy dalszym wzroście zawartości węgla pojawia się na granicach ziarn perlitu cementyt wtórny w postaci siatki, która pogrubia się w miarę wzrostu zawartości węgla do 2,0%. Czasem cementyt wtórny może występować w stalach nadeutektoidalnych w postaci iglastej.

3. Składniki strukturalne stali węglowych w stanie równowagi.

1. Ferryt jest roztworem stałym węgla w żelazie . Rozpuszczalność węgla w żelazie  przy temperaturze eutektoidalnej (727oC) wynosi 0,02%, zaś przy temperaturach normalnych zaledwie 0,008%. Ferryt ma niską wytrzymałość i twardość (HB = ok. 80, Rm = ok. 300 MPa), natomiast dużą plastyczność i udarność (A5 = ok. 50%, KM = ok. 200J/cm2).

2. Cementyt jest to związek chemiczny żelaza z węglem, zawierający 6,67% węgla, krystalizujący w układzie rombowym. Cementyt jest składnikiem twardym (ok. 820 HB) o dużej kruchości. W stalach nadeutektoidalnych cementyt występuje jako oddzielny składnik strukturalny, zazwyczaj w postaci siatki na granicach ziarn perlitu.

3. Perlit jest eutektoidalną mieszaniną ferrytu i cementytu, zawierającą 0,8% węgla. Perlit składa się z 87% ferrytu i 13% cementytu. Powstaje on z rozkładu austenitu przy temperaturze 723^oC. W stalach wolno chłodzonych perlit posiada budowę pasemkową, tj. zbudowany jest z na przemian ułożonych płytek ferrytu i cementytu. Cienkie płytki kruchego cementytu w miękkim i plastycznym ferrycie nadają perlitowi większą twardość i wytrzymałość przy gorszych właściwościach plastycznych, wszelako bez objawów kruchości. Stal eutektoidalna o strukturze czysto perlitycznej wykazuje następujące własności: HB = ok. 240, Rm = ok. 850 MPa, A5 = ok. 10%; dane te dotyczą perlitu grubopasemkowego. Ze zmniejszającą się grubością pasemek ferrytu i cementytu, tj. ze wzrastającym stopniem dyspersji perlitu, wzrasta jego twardość i wytrzymałość przy obniżeniu właściwościach plastycznych.

Na drodze odpowiedniej obróbki cieplnej (wyżarzania zmiękczającego) można uzyskać sferoidyzację cementytu i otrzymuje się wówczas perlit z cementytem kulkowym o strukturze globularnych węglików na tle osnowy ferrytycznej. Tego rodzaju perlit posiada niską twardość i dobre właściwości plastyczne.

4. Określenie zawartości węgla na podstawie struktury.

Z ilości perlitu i ferrytu w strukturze stali podeutektoidalnych w stanie wolno chłodzonym można wnosić o zawartości węgla w stali. Biorąc pod uwagę, że przy zawartości 0,8% stal posiada strukturę czysto perlityczną, a przy 0% węgla - czysto ferrytyczną, oceniając pod mikroskopem procentowy udział perlitu w strukturze stali, można obliczyć zawartość węgla w stali ze wzoru:

gdzie:	x - zawartość węgla w %,
	P - powierzchnia zajęta przez perlit w %.

Ocena ta jest oczywiście tylko przybliżona, niemniej daje w praktyce cenne usługi. Posługując się tym wzorem należy pamiętać, że odnosi się on tylko do stali węglowych i to tylko w stanie wolno chłodzonym. Również i w stalach nadeutektoidanych z ilościowego udziału cementytu w strukturze można ocenić zawartość węgla w stali, jednak ocena ta jest bardzo mało dokładna i dlatego rzadko stosowana w praktyce.

5. Wpływ składników chemicznych na własności stali.

Węgiel jest głównym składnikiem stopowym stali węglowych, silnie wpływającym na jej właściwości nawet przy niewielkich zmianach zawartości. Wzrost zawartości węgla podwyższa właściwości wytrzymałościowe stali przy obniżeniu właściwości plastycznych.. Wytrzymałość i granica plastyczności wzrastają jedynie do zawartości 0,8% węgla, ponieważ obecność cementytu wtórnego w postaci siatki powoduje kruchość stali.

Mangan występuje w stali w postaci roztworu stałego w ferrycie. Podwyższa on właściwości wytrzymałościowe stali nie obniżając jej właściwości plastycznych oraz wpływa korzystnie na kujność i zgrzewalność stali.

Krzem występuje w stali również w postaci roztworu stałego i podnosi właściwości wytrzymałościowe stali, a zwłaszcza granicę sprężystości, pogarszając jej zgrzewalność.
Fosfor jest domieszką szkodliwą. Występuje on w stali w postaci roztworu stałego. Fosfor zmniejsza bardzo znacznie plastyczność stali i podwyższa temperaturę, przy której stal staje się krucha, wywołując kruchość stali na zimno.

Siarka jest również domieszką szkodliwą. Praktycznie nie rozpuszcza się ona w normalnych temperaturach w żelazie a i występuje w stali w postaci siarczku żelaza FeS, a także siarczku manganu MnS. Siarczek żelazawy FeS jest łatwo topliwy (1193^oC) oraz tworzy z żelazem łatwo topliwą eutektykę (985oC), co powoduje kruchość stali na gorąco.
Miedź występuje w stali w postaci roztworu stałego w ferrycie i podwyższa jej odporność na korozję atmosferyczną.

6. Podział stali węglowych.

Ogólna klasyfikacja stali węglowych wg PN-57/H-01000 przedstawia się następująco:
1. Stale konstrukcyjne:

a) zwykłej jakości:	ogólnego przeznaczenia
	o szczególnym przeznaczeniu
b) wyższej jakości:	ogólnego przeznaczenia
	o szczególnym przeznaczeniu
c) najwyższej jakości:	ogólnego przeznaczenia
	o szczególnym przeznaczeniu

2. Stale narzędziowe:
a) płytko hartujące się,
b) głęboko hartujące się.

3. Stale o szczególnych własnościach:
a) magnetycznie miękkie,
b) łatwo obrabialne mechanicznie.

7. Konstrukcyjne stale węglowe.

Zawartość fosforu i siarki w poszczególnych grupach jakościowych stali przedstawia się następująco:

Rodzaj stali	Maksymalne zawartości w %
		fosfor P	siarka S	P + S
zwykłej jakości	0,05	0,055	0,1
wyższej jakości	0,04	0,04	0,07
najwyższej jakości	0,03	0,03	0,05

Stale węglowe konstrukcyjne zwykłej jakości ogólnego przeznaczenia wg PN-88/H-84020 obejmują w zależności od składu chemicznego i wymaganych własności mechanicznych 6 podstawowych gatunków stali o następujących oznaczeniach: St0S, St3S, St4S (przeznaczone na konstrukcje spawane) oraz St5, St6, St7.
Znak stali zwykłej jakości składa się więc z liter St i liczby porządkowej. Najniższą wytrzymałość ma stal St0S (280 - 570 MPa) przy wydłużeniu A5 = 17 - 20%, po czym w kolejnych gatunkach stali wytrzymałość wzrasta, osiągając wartość maksymalną dla stali St7 (650 -870 MPa), przy wydłużeniu A5 = 8 - 11%.
W gatunkach stali St3S St4S rozróżnia się następujące odmiany:

1. z ograniczoną zawartością węgla (oznaczoną literą V),

2. z ograniczoną zawartością węgla oraz fosforu i siarki (oznaczone literą W).

Stale objęte wymienioną normą modą być produkowane jako nieuspokojone (na końcu znaku litera X - np. St3SX), półuspokojone (na końcu znaku litera Y - np. St3SY), uspokojone oraz specjalnie uspokojone (drobnoziarniste). Różnica w sposobie odtleniania stali zaznacza się przede wszystkim w zawartości krzemu i tak:

stale uspokojone zawierają 0,15 - 0,37% Si,
stale półuspokojone zawierają 0,07 - 0,15%Si,
stale nieuspokojone zawierają Ł 0,07% Si.

Stale St3S i St4S o wymaganej udarności przy temperaturze normalnej oznacza się literą U (np. St3SU), o wymaganej udarności po starzeniu - literą J (np. St3SJ), a o wymaganej udarności przy temperaturze - 20^oC - literą M (pn. St3SM).
Stale zwykłej jakości nie są zasadniczo przeznaczone do obróbki cieplnej.
Stale węglowe konstrukcyjne wyższej jakości ogólnego przeznaczenia wg PN-93/H-84019 mają określony zarówno skład chemiczny, jak i właściwości mechaniczne.
Znak stali jest liczbą dwucyfrową, określającą średnią zawartość węgla w setnych procenta. W razie potrzeby dodaje się na końcu znaku litery: C (przy podwyższonej zawartości manganu), X (dla stali nieuspokojonych), Y (dla stali półuspokojonych). Stale w gatunku 10, 15, 20 przeznaczone są głównie do nawęglania, zaś stale o wyższej zawartości węgla (25 - 65) do ulepszania cieplnego na elementy o grubości 25 - 40 mm z uwagi na ich małą hartowność. Poza stalami używanymi ogólnie do celów konstrukcyjnych stosuje się również dla celów szczególnych inne stale węglowe konstrukcyjne o nieco odmiennych składach chemicznych i właściwościach, które są ujęte w odpowiednich normach.

• STALE STOPOWE.

1. Wiadomości podstawowe.

Stalami stopowymi nazywamy stale, które poza żelazem, węglem i zwykłymi domieszkami (Mn, Si, P, S) zawierają inne, specjalnie wprowadzone składniki lub podwyższone zawartości Mn i Si. Te celowo wprowadzone składniki noszą nazwę dodatków stopowych. Dzięki wprowadzeniu do stali dodatków stopowych można uzyskać:

• wysokie własności mechaniczne i technologiczne

• zwiększoną hartowność

• wysoką twardość i odporność na ścieranie

• określone własności fizyczne i chemiczne takie jak odporność na korozję, żaroodporność, żarowytrzymałość, itp.

W zależności od dodatków stopowych przyjęto nazwy stali np.: stale chromowe, stale chromowo-niklowe, stale manganowe, stale wolframowe, stale niklowe itd.
Pierwiastki stopowe zwykle występują w stali w postaci :

• rozpuszczonej (w ferrycie lub austenicie) : Si, Ni, Co, Cr, Mo i inne

• jako węgliki : Nb, Zr, Ti, V, W, Mo, Cr

Znacznie rzadziej występują we wtrąceniach niemetalicznych, w związkach międzymetalicznych czy też w stanie wolnym, np. Pb. Pierwiastki stopowe rozpuszczone w ferrycie podwyższają wytrzymałość na rozciąganie, granicę plastyczności i twardość stali a obniżają jej własności plastyczne. Węgliki stopowe powodują wzrost wytrzymałości i twardości stali, przy czym decydującym czynnikiem jest zależny od uprzedniej obróbki cieplnej i składu chemicznego stali, stopień ich dyspersji. Pierwiastki węglikotwórcze mogą w stalach występować w postaci zarówno roztworu stałego jak i węglików. Zależy to od zawartości węgla w stali, jak i jednoczesnego występowania innych pierwiastków węglikotwórczych. Przykładowo: stal z małą zawartością węgla i dużą pierwiastka stopowego - po związaniu węgla przez ściśle określoną ilość pierwiastka stopowego i utworzeniu węglików stopowych nadmiar pierwiastka stopowego rozpuści się w ferrycie. Wprowadzenie do stopów Fe-C pierwiastków stopowych powoduje zmiany w wyglądzie układu równowagi Fe-Fe₃C. Zmiany te są tym większe im większa jest zawartość dodatków stopowych. Dotyczy to zarówno temperatur przemian fazowych jak i zawartości węgla w punktach charakterystycznych np. 0,8% C, 2,11% C itp. Z uwagi na powyższe, ustalając obróbkę cieplną stali stopowych musi się ściśle podawać temperatury poszczególnych zabiegów a ze względu na fakt, że przy przemianach fazowych występuje dyfuzja pierwiastków stopowych należy także uwzględniać zwykle dłuższe niż dla stali węglowych czasy zabiegów cieplnych. Nie można korzystać z temperatur z układu równowagi fazowej Fe-C, lecz z wykresów czas-temperatura-przemiana (CTP) opracowanych dla każdego gatunku stali stopowych.

2. Wymagania stawiane stalom konstrukcyjnym.

Stalami konstrukcyjnymi nazywamy stale węglowe i stopowe, używane do budowy konstrukcji stalowych, do wyrobu części maszyn, urządzeń i różnego rodzaju pojazdów. Umowna temperatura ich stosowania to -40 ^oC do +300 ^oC, ( 233 do 573 K), zaś środowisko pracy nie może być chemicznie agresywne. Norma PN - 88/H-01000 (tabl. I) określa górną granicę zawartości pierwiastków, po przekroczeniu której dany pierwiastek może być uważany za dodatek stopowy.

Tablica 1.

Dopuszczalne zawartości pierwiastków w stalach węglowych

Mn %	Si %	Ni %	Cr %	W %	Co %	Cu %	Al %	Mo %	V %	Ti %
0,8	0,4	0,3	0,3	0,2	0,2	0,2	0,1	0,05	0,05	0,05

Przydatność stali konstrukcyjnych do określonego ich zastosowania ocenia się na podstawie badań własności mechanicznych przeprowadzonych przy temperaturze pokojowej lub dodatkowo przy innej temperaturze zalecanej warunkami ich pracy. Najbardziej istotnym kryterium wytrzymałościowym jest stosunek Re/Rm x 100%, który dla stali ulepszanych cieplnie osiąga wartość 90 do 95% (co oznacza, że konstrukcja stalowa nie odkształca się plastycznie w czasie pracy). Jeżeli natomiast konstrukcja musi być wyjątkowo sztywna, wtedy przy obliczeniach w miejsce Re stosuje się wartość granicy sprężystości Rs.
Z uwagi na fakt, że wskazniki własności mechanicznych nie dają jednoznacznej informacji o odporności stali na pękanie (zwłaszcza kruche ) wprowadza się obecnie zarówno do oceny tej własności jak też do obliczeń konstrukcyjnych nową stałą materiałową KIC (krytyczny współczynnik intensywności naprężeń przy płaskim stanie odkształcenia) lub związane z nią wielkości np. krytyczna wielkość rozwarcia pęknięcia (ang.COD) i inne. Wielkości te wyznaczane się metodami mechaniki pękania.
Ważną informacją jest także wartość temperatury przejścia stali ze stanu plastycznego w kruchy (TPK) czyli zakresu temperatury, poniżej której materiał traci podatność na odkształcenia plastyczne i pojawia się niebezpieczeństwo jego kruchego pękania. Wyznacza się ją zwykle z próby udarności przy czym stosowane są różne kryteria oceny TPK, np. minimalna wartość udarności na określonym poziomie (najczęściej 30 J/cm²) lub procentowy udział przełomu ciągliwego i kruchego na powierzchni złamanej próbki udarnościowej (np. 50%).
Na ciągliwość stali w niskich temperaturach silny wpływ mają takie czynniki jak: skład chemiczny ( nikiel i mangan najsilniej przesuwają próg kruchości do niższych temperatur, zaś fosfor w kierunku temperatur dodatnich), wielkość ziarna (stale drobnoziarniste mają próg kruchości niższy od stali gruboziarnistych), obróbka cieplna.
Dobór stali konstrukcyjnych uzależnia się również od ich hartowności, którą to własność zwiększają wszystkie (za wyjątkiem Co) rozpuszczone w austenicie pierwiastki stopowe. Należy sobie zdawać sprawę z tego, że:

• zastosowanie stali o niedostatecznej hartowności nie pozwoli osiągnąć optymalnych własności po obróbce cieplnej,

• zastosowanie stali o zbyt dużej hartowności stanowi marnotrawstwo dodatków stopowych i niepotrzebnie powiększa koszt wyrobu.

Z uwagi na fakt, że stale stopowe konstrukcyjne stosuje się zwykle w stanie ulepszonym cieplnie, najkorzystniejszą kombinację wysokiej granicy plastyczności przy dostatecznej ciągliwości mają struktury martenzytu odpuszczonego oraz sorbitu. Stosowane są także stale o strukturze bainitycznej i ferrytyczno-perlitycznej. Właściwy dobór struktury uwarunkowany jest wymaganiami, jakie się stawia elementom konstrukcyjnym.

3. Oznaczenia stali stopowych konstrukcyjnych.

Gatunek stali stopowych konstrukcyjnych oznacza się, zgodnie z Polskimi Normami, znakiem stali składającym się z liczby dwucyfrowej określającej przybliżoną zawartość węgla w setnych częściach procenta i litery lub kilku liter określających dodatki stopowe, których zawartość w stali jest nie większa od ok. 1,5%. Przy większej zawartości dodatków stopowych po literze oznaczającej pierwiastek stopowy stawia się cyfrę określającą zawartość tego pierwiastka w procentach (w zaokrągleniu do liczby całkowitej).
Dodatki stopowe w znakach stali stopowych konstrukcyjnych oznaczane są następująco:

• chrom - H,

• nikiel - N,

• wolfram - W,

• molibden - M,

• mangan - G,

• wanad - F,

• kobalt - K,

• aluminium - J,

• krzem - S,

• tytan - T,

• bor - B.

Dodanie litery A na końcu znaku oznacza stal wyższej jakości. W niektórych przypadkach np. przy stalach spawalnych o podwyższonej wytrzymałości na końcu oznaczenia podawane są symbole chemiczne pierwiastków wprowadzonych do stali w postaci mikrododatków (do ok. 0,1%).
Stale na łożyska toczne oznaczane są literą Ł, następnie literą H i liczbą określającą przybliżoną zawartość chromu w dziesiątych częściach procenta. Występujące na końcu oznaczenia litery S lub G oznaczają podwyższoną zawartość krzemu lub managanu w tych stalach.

4. Podział stali stopowych konstrukcyjnych.

Podstawowymi grupami stali stopowych konstrukcyjnych są:

• stale niskostopowe o podwyższonej wytrzymałości

• stale do ulepszania cieplnego

• stale sprężynowe

• stale do utwardzania powierzchniowego (nawęglania, azotowania, hartowania powierzchniowego)

• stale na łożyska toczne

Oddzielną grupę stanowią stale do pracy przy bardzo niskich temperaturach oraz stale na konstrukcje pracujące przy wyższych temperaturach, nie powodujących jeszcze intensywnego utleniania, a zatem stale, o których zastosowaniu decydują jeszcze własności mechaniczne a nie np. odporność na korozję gazową.

5. Krótkie charakterystyki poszczególnych grup stali.

Stale niskostopowe o podwyższonej wytrzymałości (SSPW)
Do tej grupy zalicza się stale spawalne stosowane do budowy konstrukcji przemysłowych, statków, zbiorników ciśnieniowych, rurociągów, nadwozi pojazdów, mostów, zbrojenia betonów itp. Charakteryzuje je dobra spawalność co powoduje, że ich skład chemiczny podlega ograniczeniom i jest dobierany z uwzględnieniem wartości równoważnika węgla obliczanego wg. wzoru:

C_e = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15 %

gdy C_e < 0,45% to stal jest spawalna bez żadnych ograniczeń. Stale o większym równoważniku węgla wymagają podgrzewania przed spawaniem, regulowanego chłodzenia albo wyżarzania po spawaniu. Z tego powodu stale te mają ograniczoną zawartość węgla do 0,20 %, przy czym obecnie dąży się do jego ograniczenia nawet do 0,10 %. Wysokie wartości Re (> 300 MPa) i Rm (> 500 MPa) przy tak niskiej zawartości węgla otrzymuje się, przede wszystkim, poprzez rozdrobnienie ziarna ( rys. ), utwardzenie roztworu stałego ferrytu (manganem) jak i utwardzenie wydzieleniowe węglikami i węglikoazotkami wprowadzonych mikrododatków (hamowanie rozrostu ziarna). Stale SSPW poddaje się wyżarzaniu normalizującemu lub ulepszaniu cieplnemu. Korzystne jest stosowanie zabiegów regulowanego walcowania czyli świadomego obniżania temperatury walcowania podczas kolejnych przejść walcowniczych co także nie dopuszcza do rozrostu ziaren.
Ze względu na skład chemiczny i strukturę można wyróżnić następujące grupy stali SSPW:

• zawierające Mn i mikrododatki Al, V, Ti, Nb i N, o strukturze ferrytyczno-perlitycznej np. 09G2, 15GA, 18G2, 15G2ANb, 15G2ANNb, 18G2AV itp /wg. PN-86/H-84018/,

• zawierające Mn (do 2,5%), Si (do 1,5%) i mikrododatki Nb, V, Zr i Ce o strukturze ferrytyczno-martenzytycznej ( tzw. dual phase steel) charakteryzujące się wysoką wytrzymałością (Rm > 600 MPa), dobrą plastycznością (A ~ 30%) i bardzo dobrą podatnością do głębokiego tłoczenia,

• stale wielofazowe np. ferrytyczno-martenzytyczno-bainityczne o składzie chemicznym zbliżonym do stali z pierwszej grupy lecz poddanych obróbce cieplno-plastycznej o ściśle określonych parametrach, co powoduje, że mają one znacznie lepsze własności technologiczne od pozostałych stali SSPW.

Stale stopowe do ulepszania cieplnego
Do tej grupy zalicza się stale przeznaczone na elementy konstrukcji i części maszyn podlegające dużym obciążeniom mechanicznym, np. wały, koła zębate, korbowody, oprawy narzędzi składanych z częścią roboczą z węglików spiekanych. Charakteryzuje je średnia lub duża hartowność wyrażona średnicą krytyczną (po hartowaniu w wodzie) od ok. 30 do 80 mm. Należą tu stale niskostopowe o zawartości węgla ok. 0,25 - 0,5% (decydującego o własnościach wytrzymałościowych) oraz dodatków stopowych, których głównym celem jest nadanie stali określonej hartowności - takich jak Mn, Cr, Si, Mo,Ni,V i W- w łącznym stężeniu nie przekraczającym 3 do 5%. Molibden i wanad powodują dodatkowo zmniejszenie wrażliwości na kruchość odpuszczania stali.
Ze względu na zawartość głównego dodatku stopowego wyróżnić można następujące grupy stali:

• manganowe, np. 30G2, 45G2, 35SG,

• chromowe, np. 30H, 37HS, 30HGS, 25HM, 40H2MF, 38HNM, 37HGNM, 45HNMF, 30HGSNA, 25H2N4WA,

• krzemowe, np. 65S2WA.

Założone własności wyrobów ze stali stopowych do ulepszania cieplnego uzyskuje się po obróbce cieplnej polegającej na hartowaniu i odpuszczaniu. Niekiedy dopuszcza się stosowanie hartowania izotermicznego. Zróżnicowanie własności warstwy wierzchniej i rdzenia jest możliwe metodami hartowania powierzchniowego lub obróbki cieplno-chemicznej.

Stale sprężynowe
Materiał na sprężyny powinien charakteryzować się następującymi własnościami:

• bardzo dobre własności sprężyste, a więc wysoka granica sprężystości,

• duża wartość stosunku Rs do Re i Rm,

• pewne minimum plastyczności aby w razie przekroczenia granicy sprężystości nie występowało kruche pękanie materiału,

• duża wytrzymałość na zmęczenie ważna zwłaszcza dla sprężyn i resorów pojazdów mechanicznych.

Należą tu stale o zawartości węgla ok. 0,5 do 0,7%. Podstawowym pierwiastkiem stopowym w tych stalach jest Si, który zasadniczo zwiększa Rs, Re i Rm, równocześnie niekorzystnie obniżając ich hartowność. Większą hartownością charakteryzują się stale sprężynowe manganowe lub stale z dodatkiem chromu, wanadu (mogą pracować nawet do temp. 300 oC).
Ze względu na zawartość głównego dodatku stopowego wyróżnić można następujące grupy stali:

• krzemowe, np. 45S, 50S2,60S2A, 60SG, 60SGH,

• manganowe, np. 65G,

• chromowe, np. 50HG, 50HS, 50HF.

Obróbka cieplna sprężyn i resorów polega na hartowaniu i średnim odpuszczaniu, przy czym ważne jest aby powierzchnia wyrobu nie została odwęglna i była wolna od wad powierzchniowych. Dodatkowo pióra resorów można poddać śrutowaniu lub młotkowaniu aby wprowadzić naprężenia ściskające zwiększające odporność na zmęczenie stali.

Stale stopowe do utwardzania powierzchniowego

A. Stale stopowe do nawęglania
Stale do nawęglania stanowią najliczniejszą grupę gatunków poza stalami do ulepszania cieplnego. Są to stale niskostopowe charakteryzujące się małą zawartością węgla - do 0,25%, zapewniającą ciągliwość rdzenia wyrobu w stania zahartowanym i niskoodpuszczonym, oraz zwykle niewielkim dodatkiem chromu - 1 do 2%. Dodatkowo stale te mogą zawierać Ni (do 3,5%), Mo (do 0,3%), W (1,0%) i Ti (0,1%). Dodatki stopowe zwiększają hartowność, zapewniają wymagane własności wytrzymałościowe rdzenia wyrobu, zapobiegają rozrostowi ziarna i zmniejszają naprężenia hartownicze. Oznaczenia typowych gatunków - przedstawicieli poszczególnych grup stali stopowych do nawęglania - są następujące: 15H, 16HG, 15HGM, 15HGN, 15HN, 20HNM, 18H2N4WA.
Najwyższe własności wytrzymałościowe i wysokie własności plastyczne rdzenia wykazują stale chromowo-niklowe, korzystnie z dodatkiem Mo, a szczególnie W.
Obróbka cieplna polega na hartowaniu z temperatury nawęglania z niskim odpuszczaniem.

B. Stale stopowe do azotowania
Azotowanie pozwala otrzymać cienką, twardą i odporną na ścieranie warstwę powierzchniową o zwiększonej odporności na korozję. Twardość warstwy wierzchniej, jak i wytrzymałość rdzenia powinny być większe od uzyskiwanych w wyniku nawęglania i obróbki cieplnej. Podstawowymi składnikami stali do azotowania są Cr,Mo i Al. Zawartości węgla (0,25 do 0,40%) są tak dobierane aby po ulepszaniu cieplnym zapewnić właściwą wytrzymałość rdzenia wyrobu. Polska Norma PN-89/H-84030/03 zaleca stosowanie trzech gatunków stali do azotowania tj. 38HMJ, 33H3MF i 25H3M. Azotowanie jest ostatnią operacją w procesie technologicznym stosowaną dla przedmiotów zahartowanych i wysoko odpuszczonych (zwykle w temperaturze wyższej od temperatury azotowania).
Niekiedy w grupie stali do utwardzania powierzchniowego oddzielnie wyróżnia się stale do hartowania powierzchniowego. Jednakże Polska Norma nie przewiduje stali przeznaczonych tylko do takiej obróbki, gdyż w zasadzie hartować powierzchniowo można stale do ulepszania zawierające co najmniej 0,3% C.

Stale na łożyska toczne
Z uwagi na zastosowanie do stali konstrukcyjnych zalicza się również stale na łożyska toczne, chociaż ich skład chemiczny ( do 1,0% C) odpowiada stalom narzędziowym. Powinny charakteryzować się bardzo dużą twardością, odpornością na ścieranie, jednorodnością struktury (równomiernie rozmieszczone, sferoidalne węgliki), wysokim stopniem czystości (max. 0,027%P i 0,020%S) oraz hartownością zapewniającą występowanie struktury martenzytycznej na całym przekroju. Podstawowym pierwiastkiem stopowym w tych stalach jest chrom (1,5%) oraz dodatki Mn (do 1%) i Si (do 0,6%), mające na celu zwiększenie hartowności. Polska Norma (PN-74/H-84041) przewiduje dwa gatunki stali stopowych na łożyska toczne tj. ŁH15 i ŁH15SG.
Obróbka cieplna polega na hartowaniu w oleju i niskim odpuszczaniu (180 oC). Bieżnie łożysk wielkogabarytowych wykonuje się ze stali do nawęglania.

Stale do pracy przy niskich temperaturach
Charakteryzują się dużą ciągliwością przy niskich temperaturach, tzn. temperatura przejścia plastyczno-kruchego dla tych stali musi być możliwie niska. Zakres temperatur ich stosowania wynosi 20 ^oC do - 273 ^oC. Obniżenie temperatury, zwłaszcza znacznie poniżej 0 ^oC, powoduje wzrost granicy plastyczności i wytrzymałości, z równoczesnym zmniejszeniem plastyczności. Zatem o możliwości stosowania stali przy bardzo niskich temperaturach decydują nie tylko własności wytrzymałościowe (jak u innych stali konstrukcyjnych) ale odpowiednia ciągliwość dla zapobiegania kruchemu pękaniu.
W zależności od zakresu temperatur przejścia plastyczno-kruchego stosowane są stale:

• do ok. -50 ^oC - stale typu SSPW z mikrododatkami,

• od ok. -50 do - 200 ^oC - stale niklowe normalizowane i ulepszane cieplnie o zawartości: 2,5% Ni do -60 ^oC, 3,5% Ni do -100 ^oC, 5% Ni do -120 ^oC i 9% Ni do -200 ^oC.

• od ok. -200 do -270 ^oC stale specjalne austenityczne chromowo-niklowe typu 18/8 i chromowo - manganowe z dodatkami niklu i azotu.

Stale do pracy w temperaturach podwyższonych
Są stosowane głównie w energetyce na rury wymiennikowe, armaturę kotłów i turbin, walczaki kotłów parowych itp. pracujące w temperaturach do ok. 500 ^oC i dlatego dodatkowo muszą być odporne na zmęczenie cieple, pełzanie, korozję. Można tu wyróżnić następujące grupy stali:

• niskostopowe, o zawartości do 0,15 % C i łącznej zawartości dodatków stopowych do 3%, np. 16M, 15HM, 15HMF, 10H2M,

• średniostopowe, o zawartości węgla od 0,15 do 0,35% i łącznej zawartości dodatków stopowych do 5%, np. 19G2, 20MF, 20HM, 21HMF, 20H3MWF, 34HN3M,

• wysokostopowe, o zawartości dodatków stopowych powyżej 5%, np. 15H11MF, 23H12MNF, 15H12WMF.

II. Część praktyczna.

1. Zapoznanie się z charakterystykami stali.

Celem tej części ćwiczenia było nabycie umiejętności korzystania z zestawionych w normach charakterystyk stali i wyszukiwanie interesujących informacji, dotyczących różnych cech wybranych gatunków stali. Podczas ćwiczenia korzystając z norm PN - 72/H - 84030 sprawdziliśmy stal stopową 36HMN pod kątem następujących cech:

• Skład chemiczny.

• Temperatury krytyczne przemian.

• Zalecane zabiegi obróbki cieplnej.

• Zastosowanie.

Zdobyte na podstawie literatury zawierającej powyższe normy informacje zostały przedstawione poniżej,

• Skład chemiczny stali 36HMN.

C	Mn	Si	P	S	Cr	Ni	Mo	Cu
0,32 - 0,40%	0,50 - 0,80%	0,17 - 0,37%	max 0,035%	max 0,035%	0,80 - 1,20%	0,90 - 1,20%	0,15 - 0,25%	max 0,30%

• Krytyczne temperatury przemian.

AC₃ - 780 ^oC

AC₁ - 725 ^oC

B_s - 550 ^oC

M_s - 315 ^oC

• Zalecane operacje obróbki cieplnej.

• Zmiękczanie - temp. 650 - 700 ^oC i powolne chłodzenie (uzyskuje się twardość max 217 HB).

• Normalizowanie - temp. 850 - 880 ^oC, chłodzenie w spokojnym powietrzu.

• Hartowanie - temp. 820 - 840 ^oC w wodzie lub temp. 830 -860 ^oC w oleju.

• Odpuszczanie - temp. 540 - 680 ^oC w powietrzu, stal nie wykazuje kruchości odpuszczania.

• Zastosowanie.

Stal 36HMN znajduje główne zastosowanie na bardzo obciążone części maszyn, silników pojazdów mechanicznych i samolotów, narażonych na uderzenia, skręcania i drgania wały wykorbione, korbowody, części sterujące wały pomp.

2. Obserwacja mikroskopowa próbek.

W tej części zrealizowana została mikroskopowa obserwacja spreparowanych próbek stali o różnej zawartości węgla, od 0,1% - 1,85%. Obserwacja próbek o zawartościach węgla zmieniających się w tak szerokim zakresie pozwoliła na obserwację struktury zmieniającej sę, dla różnych próbek od ferrytu przez perlit w kierunku cementytu wtórnego. Wyniki obserwacji mikroskopowych zostały przedstawione poniżej.

Próbka 1 Struktura bajnityczna. Stal 40HM chłodzona w oleju.

	Próbka 2 Struktura martenzytyczna Stal 40HM chłodzona w wodzie Zaw. węgla: ok. 0,70%C

	Próbka 3 Struktura ferrytyczno - perlityczna. Stal 40HM chłodzona w powietrzu Zaw. węgla: ok. 0,32%

	Próbka 4 Struktura perlityczno ferrytyczna. Zaw. węgla: ok. 0,62%

	Próbka 5 Struktura ferrytyczno - perlityczna. Zaw. węgla: ok. 0,36%

	Próbka 6 Struktura ferrytyczno - perlityczna. Zaw. węgla: ok. 0,28%

	Próbka 7 Struktura ferrytyczno - perlityczna. Zaw. węgla: ok. 0,56%.

	Próbka 8 Struktura ferrytyczna z niewielkimi obszarami perlitu. Zaw. węgla: ok. 0,064%.

	Próbka 9 Struktura bajnityczna. Stal 36HMN po chłodzeniu w oleju.

	Próbka 10 Struktura bajnityczna Stal 36HMN po chłodzeniu w oleju

	Próbka 11 Struktura ferrytyczno - perlityczna Stal St3S Zaw. węgla: ok. 0,15%.

WNIOSKI

• Określenie zawartości węgla dla próbek stali podeutektoidalnych zrealizowane zostało każdorazowo przy użyciu wzoru.

gdzie:	x - zawartość węgla w %,
	P - powierzchnia zajęta przez perlit w %.

Z uwagi na fakt, że wielkość powierzchni zajmowanej przez perlit na obrazie mikroskopowym badanych próbek nie została każdorazowo określona za pomocą precyzyjnych technik pomiarowych, a jedynie określona szacunkowo, na podstawie obserwacji, obliczone na jej podstawie zawartości węgla w poszczególnych stalach nie są precyzyjne i mogą być obarczone pewną niedokładnością - dlatego też należy traktować je jako wartości orientacyjne.

• Właściwości użytkowe danej stali konstrukcyjnej zależą od wielu czynników, z których do najważniejszych należy zaliczyć zawartość węgla a także jej skład chemiczny - od których zależą: twardość, właściwości mechaniczne, jak również hartowność. Nie bez znaczenia dla właściwości elementu, wykonanego ze stali konstrukcyjnej pozostaje również odpowiednio zastosowana obróbka cieplna, przeprowadzona zanim dany element stalowy trafi do miejsca swego przeznaczenia.

• Stale konstrukcyjne charakteryzują się określonymi cechami, czyniącymi następnie daną konstrukcję przydatną do pracy w określonych warunkach. Pożądana jest wiec: wysoka wytrzymałość na rozciąganie, zginanie, skręcanie, podatność na znoszenie wielozmiennych obciążeń, odpowiednia plastyczność i udarność. Im bardziej skomplikowane wymagania, tym więcej uwagi trzeba dołożyć przy wykonywaniu danego elementu, stosując odpowiednie zabiegi obróbki cieplnej . Im troskliwiej zostaną one wykonane, tym większa pewność w uzyskaniu wysokiej jakości elementu.

1

---