INŻYNIERIA MATERIAŁOWA

LABORATORIUM

INSTRUKCJA

ĆWICZENIE NR. 2

TEMAT: Znakowanie stopów technicznych

Ze względu na przyjęcie europejskich przepisów przez Polskę, niezbędne stało się wprowadzenie europejskich norm dotyczących oznaczeń dla materiałów. Różnice pomiędzy starym a nowym systemem klasyfikacji i oznaczeń (a co za tym idzie i własnościami stali) są na tyle znaczące, że wymagane jest ich dokładne omówienie.

Trzeba z dużą ostrożnością podchodzić do podręczników i skryptów wydanych przed 2004 roku, gdyż z całą pewnością znajdują się w nich odwołania do starych norm.

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest sklasyfikowanie i oznakowanie wybranych tworzyw metalicznych. Poznane umiejętności pozwolą na szybką weryfikację i ocenę ogólną właściwości podstawowych stopów i metali wykorzystywanych w przemyśle motoryzacyjnym i nie tylko.

Zakres obowiązującego materiału:

Klasyfikacja tworzyw

Metale i stopy:

I Żelazo i jego stopy

• - żelazo (wysokiej czystości - chemicznie czyste żelazo spotyka się bardzo rzadko i nie ma ono praktycznie żadnego zastosowania. Ogromne natomiast znaczenie mają wszelkie stopy żelaza z węglem, krzemem oraz innymi metalami, ogólnie zwane stalami.)

• - stopy żelaza (surówki, stale, żeliwa, staliwa, żelazostopy)

II Metale nieżelazna i ich stopy

• - metale nieżelazne (wysokiej czystości),

• - stopy metali nieżelaznych (stopy miedzi, aluminium, tytanu, magnezu, niklu, srebra, cynku, ołowiu, cyny itd.)

Definicja i Klasyfikacja Gatunków Stali wg - PN-EN 10020 : 2003

Klasyfikacja według składu chemicznego:

- stale niestopowe;

- stale stopowe;

- inne stale stopowe.

Klasyfikacja głównych klas jakościowych:

- stale niestopowe (podstawowe, jakościowe, specjalne);

- stale stopowe (specjalne, jakościowe);

- inne stale stopowe (jakościowe, specjalne).

Stal węglowa, czyli stop żelaza z węglem o zawartości węgla do 2%, który został poddany przeróbce plastycznej na gorąco lub na zimno, dzieli się na trzy grupy, w zależności od procentowej masowej zawartości węgla:

• niskowęglową, gdy C<0,25% ==> (wg starej normy StO, St3, St4),

• średniowęglową, gdy C=0,25-0,6% ==> (wg starej normy St5, St6, St7),

• wysokowęglową, gdy C=0,6-l,5% ==> (stal węglowa narzędziowa).

Pierwsze dwie grupy tworzą stal węglową konstrukcyjną. Zmniejszenie zawartości węgla powoduje obniżenie wytrzymałości stali. W celu zniwelowania różnic wytrzymałościowych w miejsce ubywającego węgla dodaje się coraz więcej manganu.

Spawalność stali jest tym lepsza im stal zawiera mniej węgla, siarki i fosforu.

Stal stopowa - czyli stop żelaza z węglem oraz z co najmniej jednym innym pierwiastkiem dodanym celowo dzieli się na trzy grupy:

• niskostopową, gdy zawartość składników stopowych z węglem nie przekracza 2,5%,

• średniostopową, gdy zawartość składników stopowych z węglem mieści się między 2,5 a 6%,

• wysokostopową, gdy zawartość składników stopowych z węglem przekracza 6%.

Norma podaje zasady oznaczania stali za pomocą symboli literowych i cyfrowych, które są tak dobrane, że wskazują na główne cechy tworzywa, np. na zastosowanie, na właściwości mechaniczne lub fizyczne, względnie oznaczają skład chemiczny, co pozwala w prosty sposób identyfikować poszczególne materiały.

Stal - znak stali podzielono na dwie grupy wg PN-EN 10027-1: 1992

1. Znaki stali zawierające symbole wskazujące na zastosowanie oraz na właściwości mechaniczne i fizyczne

2. Znaki stali zawierające symbole wskazujące na skład chemiczny stali. Podzielone są na cztery podgrupy.

Ad 1. Oznakowanie to składa się z ciągu liter i cyfr, przy czym pierwszym symbolem jest litera wskazująca na przeznaczenie, a drugim cyfra wskazująca na wytrzymałość stali, wg poniższego schematu (tabl. 1, 2).

Tablica 1.

Wybrane znaki wskazujące na zastosowanie oraz mechaniczne własności stali.

Oznaczenie literowe	Oznaczenie cyfrowe
S - stale konstrukcyjne P - pracujące pod ciśnieniem L - na rury przewodowe E - stale maszynowe	Liczba równa min. granicy plastyczności, N/mm^2
B - stale do zbrojenia betonu	Charakterystyczna granica plastyczności, N/mm^2
Y - stale do betonu sprężonego	Minimalna wytrzymałość na rozciąganie, N/mm^2
R - stal na szyny lub w postaci szyn	Minimalna wytrzymałość na rozciąganie, N/mm^2
H - wyroby płaskie walcowane na zimno ze stali o podwyższonej wytrzymałości do kształtowania na zimno	Minimalna granica plastyczności, N/mm^2
T - j.w.	Minimalna wytrzymałość na rozciąganie N/mm^2]
D - wyroby ze stali miękkich do kształtowania na zimno (poza tymi ze znakiem H)
M - stale elektrotechniczne

Znak gatunku stali węglowej konstrukcyjnej składa się z:

- wg starej normy ==> z liter „St" jako skrótu słowa stal oraz liczby, będącej kodem wytrzymałości, im większa wytrzymałość tym większa liczba;

- wg nowej normy ==> z litery „S" oraz liczby, która oznacza granicę plastyczności stali Re.

Całe oznaczenie stali wg nowej normy EN 10027-1 składa się z czterech części:

….. - Re - ….. - …..

zakres zastosowania minimalna praca łamania właściwości technologiczne

stali próbki z karbem Charpy V

Przykład starego oraz nowego oznaczenia gatunku stali:

St3SX ==> S235JRG1

St3S ==> S235JR

18G2A ==> P355N

Tablica 2.

System oznaczania stali

Symbole główne

Symbole dodatkowe

Litery

Własności mechaniczne

Dla stali grupy 1

Dla stali grupy 2

Dla wyrobów

G- staliwo S - stal P - stal do pracy pod ciśnieniem L - stal na rury przewodowe

Minimalna granica plas- tyczności Re [MPa] dla najmniejszego zakresu wymiarów produkowanych elementów elementów

Udarność/praca łamania J

Temp. próby ^oC

C - do formowania na zimno D - do walcowania na goraco E - do emaliowania F- do kucia L - do stosowania w niskich temperaturach T - na rury w odpornych na korozje atmosferyczną H - wysoka temperatura; L - niska temperatura; R - tempera-tura pokojowa X - wysoka i niska temperatura

wg. załączników do normy

27, J

40, J

60, J

JR

KR

LR

20

J0

K0

L0

0

J2

K2

L2

-20

J3

K3

L3

-30

J4

K4

L4

-40

J5

K5

L5

-50

J6

K6

L6

-60

M-walcowanych termomechanicznie N- normalizowanych lub walcowanych Q - ulepszanych cieplnie S- na proste zbiorniki ciśnieniowe B- na butle gazowe; M, N, Q - stale drobnoziarniste G - inne cechy

Ad 2. Do grupy drugiej należą stale oznaczane według składu chemicznego.

Oznaczenia stali wg. składu chemicznego (UWAGA: Stale niestopowe, bez stali automatowych, o średniej zawartości manganu <1%):

1. Stale niestopowe (bez stali automatowej) o średniej zawartości manganu Mn<1%.

Znak składa się z następujących symboli, umieszczonych kolejno po sobie:

- litery C,

- liczby będącej 100-krotną średnią wymaganą zawartością procentową węgla,

- symbole dodatkowe.

Przykład:

C50 - cyfra oznacza średnią zawartość węgla [%] x100 (w tym przypadku zaw. węgla = 0.5%).

2. Stale o średniej zawartości manganu
   1% i stale stopowe, bez stali szybkotnących o zawartości każdego pierwiastka stopowego <5%.

Znak składa się z:

- liczby będącej 100-krotną wymaganą średnią zawartością węgla,

- symboli pierwiastków chemicznych oznaczających składniki stopowe w stali (w kolejności malejącej zawartości pierwiastków, w przypadku identycznej zawartości dwóch lub więcej pierwiastków w kolejności alfabetycznej),

- liczb oznaczających zawartości poszczególnych pierwiastków stopowych w stali. Każda liczba oznacza średni procent pierwiastka pomnożony przez współczynnik wg tablicy poniżej i zaokrąglony do najbliższej liczby całkowitej. Liczby dotyczące poszczególnych pierwiastków należy oddzielić kreską poziomą.

- symbole dodatkowe (wg Normy)

Tab. 3. Tabela współczynników do oznaczania stali

Pierwiastek	Współczynnik
Cr, Co, Mn, Ni, Si, W	4
Al.,Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V,Zr	10
Ce, N, P, S,	100
B	1000

3. Stale stopowe (bez stali szybkotnących) zawierające co najmniej 1 pierwiastek stopowy w ilości
   5%

Znak stali składa się z następujących symboli literowych i cyfrowych:

- litery X,

- liczby będącej 100-krotną wymaganą średnią zawartością węgla,

- symboli chemicznych oznaczających składniki stopowe stali, w kolejności malejącej zawartości pierwiastków, w przypadku zawartości dwóch lub więcej pierwiastków w kolejności alfabetycznej,

- liczb oznaczających średni procent zawartości pierwiastków stopowych. Liczby należy oddzielić kreską poziomą.

4. Stale szybkotnące

Znak stali składa się z:

- liter HS,

- liczb oznaczających średnie procentowe zawartości pierwiastków stopowych, zaokrąglone do liczby całkowitej i oddzielone kreską poziomą w następującym porządku:

wolfram (W) - molibden (Mo) - wanad (V) - kobalt (Co)

Przykład:

HS2-9-1-8

Norma PN-EN 10027-2 podaje również system cyfrowy oznaczania stali.

Ogólne zasady:

- każdy numer stali dotyczy tylko jednego gatunku stali odwrotnie,

- numery gatunkom stali nadaje Europejskie Biuro Rejestracyjne,

- Europejskie Biuro Rejestracyjne nowelizuje i publikuje listę zarejestrowanych stali w odpowiednich odstępach czasu,

- numerów stali w zasadzie nie zmienia się.

Numer składa się cyfr wg następującego schematu:

A BB XX(XX)

gdzie:

A - numer grupy materiału (1 oznacza stal),

BB - numer grupy stali,

XX(XX) - dwie cyfry wyróżniające konkretny gatunek w grupie (cyfry w nawiasach są dla użycia przyszłości).

Przykład:

1.4301 - oznacza gatunek stali austenitycznej X10CrNi 18-8.

Grupy - ustalono według składu chemicznego, własności mechanicznych, fizycznych i technologicznych oraz według zastosowania.

• na przykład:

• stale niestopowe jakościowe: mają numery grup 01 do 07 i 91 do 97;

• stale niestopowe specjalne: 10 do 18;

• stale stopowe odporne na korozję i żaroodporne: 40 do 49;

• stale stopowe konstrukcyjne, maszynowe i na zbiorniki ciśnieniowe: 50 do 89.

Staliwo

Staliwo jest to stop żelaza z węglem i innymi pierwiastkami, zawierający do około 2,0% węgla, otrzymywany w procesach stalowniczych w stanie ciekłym I odlewany do form odlewniczych. Odlewy takie mogą być używane bezpośrednio po zakrzepnięciu bez obróbki cieplnej lub mogą być obrabiane cieplnie, względnie poddawane obróbce cieplno-chemicznej.

Jako materiał konstrukcyjny staliwo wykazuje wiele zalet, ma lepsze własności wytrzymałościowe i plastyczne w porównaniu z żeliwem, a także dobrą spawalność (zwłaszcza niskowęglowe i niskostopowe). Wykazuje jednak gorsze własności odlewnicze ze względu na skurcz dochodzący do 2% i wysoką temperaturę topnienia dochodzącą do 1600°C.

W przypadku staliwa znak gatunku poprzedza litera G.

GS 200 Staliwo niestopowe przeznaczone na zbiorniki ciśnieniowe o minimalnej granicy plastyczności 200 MPa. Odpowiednikiem oznaczenia cyfrowego jest 1.0449.

GX 2 CrNi 19 11 Staliwo stopowe o średniej zawartości węgla 0,02%, z dodatkami chromu i niklu w ilości nie przekraczającej 20% i 11%. Zgodnie z normą EN 10213-4 jest to staliwo stopowe odporne na korozję przeznaczone na odlewy pracujące pod ciśnieniem o strukturze austenitic and austenitic-ferritic. Odpowiednikiem oznaczenia cyfrowego jest 1.4309. Rm = 440-640 MPa, A = 30%, KV = 80 J. Szczegółowa tabela zawartości węgla przedstawiono w tablicy 4.

GP 280 GH Żeliwo niestopowe do pracy w podwyższonych temperaturach, o minimalnej granicy plastyczności 280 MPa. Zgodnie z normą EN 10213-2 Steel grades for use at room temperature and elevated temperatures Odpowiednikiem oznaczenia cyfrowego jest 1.0625.

Tablica 4.

Skład chemiczny, %

Pierwiastek	Min.	Max.
C		0,030
Si		1,500
Mn		2,000
P		0,035
S		0,025
Cr	18,000	20,000
Ni	9,000	12,000
N		0,200

Żeliwo

Żeliwami węglowymi nazywa się odlewnicze stopy żelaza z węglem, zawierające teoretycznie powyżej 2,06% C, a praktycznie 2,5 ÷ 4,5% C. Poza tym żeliwa te podobnie jak stale, zawsze zawierają pewne ilości krzemu, manganu, fosforu i siarki pochodzenia metalurgicznego. W przeciwieństwie do stali, większość żeliw odznaczają się niską plastycznością.

Węgiel w żeliwach może występować w dwóch postaciach: bądź w stanie wolnym jako grafit, bądź w postaci związanej w cementycie. W zależności od tego rozróżnia się żeliwa szare, które niezależnie od struktury osnowy (ferrytycznej, perlitycznej lub ferrytyczno-perlitycznej) zawierają wydzielenia grafitu, oraz żeliwa białe, w których węgiel występuje prawie wyłącznie w postaci cementytu. Nazwy te związane z kolorem ich przełomów. Niekiedy spotyka się żeliwa połowiczne, które miejscami mają budowę żeliw szarych, a miejscami - białych.

Struktura żeliw zależy zarówno od ich składu chemicznego, jak szybkości krystalizacji metalu, co jest związane z grubością ścianek odlewu.

Główną zaletą żeliwa szarego są przede wszystkim dobre własności odlewnicze przejawiające się wysoką rzadkopłynnością, dobrym wypełnianiem form, mały skurczem odlewniczym (-1%) itd. Inne zalety związane z obecnością wydzielę-grafitu to: dobre własności przeciwścierne i zdolność tłumienia drgań. Dodatkowi zaletą tych żeliw jest niska cena.

Oznaczenie na podstawie symboli powinno obejmować najwyżej sześć pozycji, przy czym niektóre z nich mogą zostać pominięte:

- pozycja 1: EN

- pozycja 2: symbol dla żeliwa - GJ (G - oznacza materiał odlewany, J - oznacza żeliwo),

- pozycja 3: symbol dla postaci grafitu (L - grafit płatkowy, S - kulkowy, M - żarzenia,
V - wermikularny, N - mikrostruktura nie zawierająca grafitu, ledeburyt, Y -mikrostruktura specjalna),

- pozycja 4: symbol dla mikrostruktury lub makrostruktury (A - austenit, F - ferryt, P - perlit, M - martenzyt, L - ledeburyt, Q - stan po hartowaniu, T - stan po hartowaniu i odpuszczaniu, B - przełom czarny, W przełom biały),

- pozycja 5: symbol dla klasyfikacji według właściwości mechanicznych (np. EN-GJL- HB155, EN-GJN-HV350) lub składu chemicznego (EN-GJL-XNiMn13-7, EN-GJN-X300CrNiSi9-5-2), szczegóły w Normie,

- pozycja 6: symbol dla wymagań dodatkowych (D - odlew surowy, H - odlew po obróbce cieplnej itd.)

Przykłady:

Znak:

EN-GJL-150 (żeliwo szare, R_m min 150 N/mm², )

EN-GJS-400-15 (żeliwo sferoidalne, R_m min 400 N/mm², A_3,4 - 15%)

EN-GJMW-350-4 (żeliwo ciągliwe białe, R_m min 350 N/mm², A_3,4 - 4%, min. 230 HB)

EN-GJMB-300-6 (żeliwo ciągliwe czarne, R_m min 300 N/mm², A_3,4 - 6%, max. 150 HB)

Numer:

EN-JL1020 - żeliwo szare,

EN-JS1030 - żeliwo sferoidalne

EN-JM1010 - żeliwo ciągliwe białe

EN-JM1110 - żeliwo ciągliwe czarne

Żeliwo hartowane z przemianą izotermiczną (ADI)

EN-GJS-800-8 R_mmin = 800 MPa; A₅min = 8%

EN-GJS-1000-5 R_mmin = 1000 MPa; A₅min = 5%

EN-GJS-1200-2 R_mmin = 1200 MPa; A₅min = 2%

EN-GJS-1400-1 R_mmin = 1400 MPa; A₅min = 1%

EN-GJS-1600-1 R_mmin = 1600 MPa; A₅min = 1%

Stopy miedzi

Temperatura topnienia miedzi wynosi 1084,5ºC, a wrzenia ok. 2600°C. Miedź ma gęstość 8889 kg/m³. Wytrzymałość miedzi na rozciąganie wynosi R_m = 200÷250 MPa, granica plastyczności R_e=35 MPa, twardość 45 HB, a wydłużenie A₅=30÷35%.

Tak jak w przypadku stopów aluminium, odlewnicze stopy miedzi posiadają oznaczenie CC, natomiast przerobione plastycznie oznaczenie CW.

Oznaczenia stopów miedzi zgodnie z EN 1982 składają się z:

0xxx - miedź (wysoka czystość)

1xxx - stopy Cu-Be-Cr (niskostopowy stop poniżej 5% pierwiastków stopowych)

2xxx - stopy miedzi z magnezem i aluminium (różnorodne stopy miedzi o zawartości pierwiastków stopowych powyżej 5%)

3xxx - stopy miedzi z aluminium (brąz aluminiowy 300-349) lub z niklem (350-399)

4xxx - stopy miedzi z niklem i cynkiem (400-449) lub z cyną (450-499)

5xxx - stopy miedzi z cynkiem (500-599)

6xxx - stopy miedzi z cynkiem zawierające ołów (600-699)

7xxx - stopy miedzi z cynkiem (odporne na korozję i o wysokiej wytrzymałości- 700-799)

Stopy aluminium

Stopy aluminium można podzielić do przeróbki plastycznej EN-AW oraz odlewnicze stopy aluminium EN-AC.

W normie PN-EN 573-3:1998 przedstawiono czterocyfrowy system oznaczeń numerycznych aluminium i jego stopów. Pierwsza z czterech cyfr w oznaczeniu wskazuje grupę stopu:

1xxx - aluminium (czystość > 99%). (bardzo dobra odporność na korozję, wysokie

przewodnictwo cieplne i elektryczne, duża plastyczność, mała wytrzymałość, nie

obrabiane cieplnie)

2xxx - stopy Al-Cu (wysoka wytrzymałość względna, mała odporność na

korozję, obrabiane cieplnie)

3xxx - stopy Al-Mn (wysoka plastyczność, średnia wytrzymałość, obrabialne

cieplnie)

4xxx - stopy Al-Si (niska temp. topnienia)

5xxx - stopy Al-Mg (duża odporność na korozję, spawalność, średnia

wytrzymałość)

6xxx - stopy Al-Mg-Si (średnia wytrzymałość, duża plastyczność,

wysoka skrawalność i spawalność, duża odporność na korozję, obrabialne cieplnie)

7xxx - stopy Al-Zn (średnia wytrzymałość, m. wytrzymałość zmęczeniowa, obrabialne cieplnie)

8xxx - stopy Al-Li (o 10% lżejsze i o 10% większej sztywności niż pozostałe

stopy Al, bardzo dobra wytrzymałość zmęczeniowa)

Dodatkowe oznaczenia:

T3 - przesycanie, przeróbka plastyczna na zimno, starzenie naturalne

T4 - przesycanie, starzenie naturalne

T6 - przesycanie, starzenie sztuczne

T7 - przesycanie, przestarzanie

T8 - przesycanie, przeróbka plastyczna na zimno, starzenie sztuczne.

Dodatkowo powyższe symbole mogą być uzupełnione cyframi np. T7xxx, gdzie xxx odnoszą się do wyżarzania odprężającego lub dodatkowego starzenia.

Przykład: 7075 - T7351 - stop Al-Zn przesycany, przestarzany, odprężany

Badania organoleptyczne tworzyw konstrukcyjnych

3. Zadania do ćwiczenia

3.1. Zadanie 1

Celem zadania jest zapoznanie się z właściwościami i ich oznaczeniami materiałów stosowanych w przemyśle motoryzacyjnym i nie tylko zgodnie z obowiązującymi normami PN-EN stopów metali żelaznych i nieżelaznych.

3.1.1 Materiały i urządzenia

• atlas struktur,

• przykładowe materiały w postaci ponumerowanych części wykonanych z różnych tworzyw,

• karta kontrolno-pomiarowa

3.1.2. Przebieg ćwiczenia

• sklasyfikować przedstawione przez prowadzącego tworzywa,

• narysować i opisać wybrane mikrostruktury przedstawionych tworzyw.

3.1.3. Opracowanie sprawozdania

• zamieścić szkice obserwowanych mikrostruktur oraz podać właściwości i zastosowanie wybranych materiałów w przemyśle motoryzacyjnym i nie tylko.

4. Podsumowanie

• powinno zawierać analizę wyników i wnioski.

Literatura:

[1] PN-EN 10020:2003 Definicja i klasyfikacja gatunków stali

[2] PN-EN 10027-1:1994 Systemy oznaczania stali. Znaki stali, symbole główne

[3] PN-EN 10027-2:1992 Systemy oznaczania stali - Cześć 2: System cyfrowy

[4] PN-EN 1560:2001 System oznaczania żeliwa

[5] PN- EN 1982 System oznaczania stopów miedzi

[6] PN-EN 573-3:1998 System oznaczania stopów aluminium

POLITECHNIKA ŚLĄSKA

WYDZIAŁ TRANSPORTU

Katedra Eksploatacji Pojazdów Samochodowych

---