Daniel Prasał

nr albumu: 135539

Wydział Mechaniczny

MiBM

ĆWICZENIE NR 2

Wykres Fe-Fe₃C. Stale i żeliwa

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z charakterystycznymi stopami układu żelazo - węgiel oraz ich strukturą krystaliczną i własnościami.

2. Wstęp

Żelazo występuje w przyrodzie pod postacią związków chemicznych, najczęściej z tlenem. W technice, poza nielicznymi wyjątkami, stosuje się stopy żelaza z różnymi składnikami, z których najważniejszym jest węgiel. Oprócz węgla, techniczne stopy żelaza zawierają zawsze pewne ilości krzemu, manganu, siarki i fosforu, przedostające się do stopu w czasie procesów metalurgicznych. W czasie nagrzewania (lub chłodzenia) stopów żelaza zachodzi w nich szereg przemian, aż do topnienia włącznie. Obrazuje je tzw. wykres żelazo-węgiel (rys. 1).

Rysunek 1

3. Przebieg ćwiczenia

Ćwiczenie polegało na obserwacji przygotowanych próbek przy użyciu mikroskopu laboratoryjnego. Wszystkie próbki zostały poddane procesowi wyżarzania, szlifowania, polerowania a następnie wytrawiania 4% roztworem kwasu azotowego w alkoholu zwanym Nitalem.

Rysunek roztworze tym ferryt trawi się na biało, cementyt praktycznie nie ulega trawieniu (pozostaje biały jaśniejszy niż ferryt - świecący), natomiast perlit ukazuje się w postaci swojej struktury płytek na przemian ułożonych warstw perlitu i ferrytu.

4. Obserwowane próbki.

1. Żelazo „Armco” (rys. 2,3)

Jest to praktycznie czysty ferryt z niewielkimi domieszkami cementytu trzeciorzędowego. Nazywane jest żelazem technicznym zawierającym około 0,1% wszystkich domieszek. Żelazo „Armco” charakteryzuje się niską wytrzymałością na rozciąganie, wysoką plastycznością oraz niską twardością. Dobre właściwości paramagnetyczne oraz niewielkie straty przez histerezę przyczyniły się, że jest ono stosowane jako materiał na rdzenie transformatorów, elementy maszyn elektrycznych a także na uszczelki oraz tygle do wytopu cynku. Nazwa Armco jest skrótem nazwy firmy American Rolling Mill Company, która jako pierwsza rozpoczęła jego produkcję.

Rysunek 2 - powiększenie 100x Rysunek 3 - powiększenie 500x

2. Stal podeutektoidalna St5 (rys. 4)

Jest to stal konstrukcyjna podeutektoidalna o zawartości węgla około 0,35% oraz R_e = 255-295 MPa. Charakterystyczne właściwości to niska twardość o raz niska granica sprężystości, lecz duże wydłużenie i udarność. Stal St5 można poddawać obróbce plastycznej zarówno na zimno jak i na gorąco. Nadaje się na konstrukcje spawane. Nie nadaje się jednak na obróbkę skrawaniem.

Struktura tej stali jest ferrytyczno - perlityczna z gdzieniegdzie pojawiającymi się widocznymi ziarnami cementytu trzeciorzędowego.

Rysunek 4 - powiększenie 500x

3. Stal podeutektoidalna St45 (rys. 5)

Stal węglowa konstrukcyjna podeutektoidalna o zawartości węgla 0,52 - 0,6%. Charakteryzuje się wysokim stopniem wytrzymałości na rozciąganie przy niskim stopniu wydłużenia. Przeznaczona jest do obróbki skrawaniem. Nie nadaje się do spawania. Można ją ulepszać cieplnie i hartować. Wykonuje się z niej bardziej obciążone części maszyn.

Struktura krystaliczna perlityczno - ferrytyczna.

Rysunek 5 - powiększenie 500x

4. Stal nadeutektoidalna N11 (rys. 6)

Stal o dużej zawartości węgla w granicach 1,05 - 1,11%. Charakteryzuje się wysoką twardością i niską plastycznością. Nie nadaje się do spawania oraz obróbki plastycznej. W związku z wysoką twardością wiąże się znacznie utrudniona obróbka skrawaniem. Należy stosować noże oraz frezy z węglików spiekanych. Znajduje zastosowanie do produkcji narzędzi skrawających takich jak wiertła, frezy, rozwiertaki, narzynki, gwintowniki oraz inne.

Struktura wyraźnie perlityczna z dobrze widocznymi płytkami ferrytu. Między ziarnami perlitu pojawiają się ziarna cementytu wtórnego.

Rysunek 6 - powiększenie 500x

5. Surówka podeutektyczna (rys. 7,8)

Surówka jest to produkt wielkiego pieca nie poddawany żadnej obróbce. Surówka podeutektyczna to stop żelaza z węglem o zawartości 2,1 - 4,3% węgla. Charakteryzuje się dosyć znaczną twardością.

Struktura krystaliczna surówki to ziarna perlitu z umiejscowionymi drobnymi ziarnami ledeburytu przemienionego. Ledeburyt jest to struktura powstała wskutek schładzania austenitu i cementytu. Austenit podczas schładzania przeobraża się w perlit i cementyt a następnie w ledeburyt przemieniony.

Rysunek 7 - powiększenie 100x Rysunek 8 - powiększenie 500x

6. Surówka nadeutektyczna (rys. 9)

Surówka nadeutektyczna to stop żelaza z węglem o zawartości ponad 4,3% węgla. Struktura charakteryzująca się brakiem perlitu. Można zauważyć jedynie ziarna cementytu w postaci długich igieł oraz ledeburyt przemieniony.

Rysunek 9 - powiększenie 100x

7. Żeliwo szare na osnowie ferrytycznej (rys. 10)

Żeliwa otrzymuje się po przetopieniu i oczyszczeniu surówki wraz z dodatkami a piecach zwanych żeliwiakami.

Żeliwo szare swoją nazwę zawdzięcza szarej połyskującej barwie przełomu. Spowodowane jest to wytrąceniami grafitu pod postacią płatków w strukturze krystalicznej na osnowie jasnego ferrytu. Obecność czystego grafitu jest przyczyną dosyć dużej kruchości, która jest zależna od zawartości węgla i rośnie wraz z jego ilością. Natomiast zawarty w osnowie ferryt sprzyja dobremu skrawaniu lecz zmniejsza odporność na ścieranie. Zaletą żeliwa szarego jest wysoki poziom tłumienia drgań, dzięki czemu stosowane jest na korpusy maszyn a także na produkcję różnego rodzaju tulei prowadzących lub wolnoobrotowych.

Rysunek 10 - powiększenie 500x

8. Żeliwo szare na osnowie ferrytyczno - perlitycznej (rys. 11)

Struktura tego żeliwa jest podobna do poprzedniej z tą różnicą, że podłoże zawiera większą ilość węgla. Skutkuje to pojawieniem się ziaren perlitu obok ferrytu. Właściwości sprężystości żeliwa zależne są jedynie od ilości i postaci wytrąceń grafitu. Struktura osnowy wpływa na twardość żeliwa. Podobnie jak w przypadku stali, pojawienie się perlitu zwiększa twardość. W przypadku osnowy ferrytyczno - perlitycznej twardość w skali Brinella zawiera się w przedziale 140 - 180 HB.

Rysunek 11 - powiększenie 500x

9. Żeliwo szare na osnowie perlitycznej (rys. 12)

W strukturze osnowy występuje głównie perlit. Skutkuje to zwiększeniem twardości do około
160 - 225 HB. Plastyczność jak i wytrzymałość na rozciąganie pozostaje bez zmian. Zwiększa się natomiast odporność na ścieranie w stosunku do żeliwa na osnowie ferrytycznej.

Rysunek 12 - powiększenie 500x

10. Żeliwo szare sferoidalne na osnowie ferrytyczno - perlitycznej (rys. 13)

W związku ze znaczną kruchością i niewielką odpornością na rozciąganie, zaszła potrzeba na opracowanie żeliwa, w którym właściwości te zostaną poprawione. Najsłabszym składnikiem żeliwa jest grafit płatkowy. Jego odporność na rozciąganie jest praktycznie równa zeru. O ile osnowa żeliwa jest w stanie przenosić naprężenia rozciągające, o tyle płatki grafitu stanowią granicę linii naprężeń. Ponieważ czysty grafit odgrywa ważną rolę we własnościach tłumiących hałas należało uformować go w inny kształt. W związku z tym opracowano żeliwo, w którym wytrącenia grafitu mają postać kulistych ziaren zatopionych w ferrycie. Modyfikacja taka polega na zubożeniu surówki z siarki i fosforu i użyciu magnezu lub ceru jako modyfikatorów w trakcie wytopu. Po takiej operacji struktura żeliwa pozwala na ukierunkowanie linii naprężeń rozciągających poprzez osnowę bez jakichkolwiek granic mogących zaburzyć taki stan.

Rysunek 13 - powiększenie 100x

5. Wnioski.

Na podstawie obejrzanych próbek i po zapoznaniu się z ich właściwościami fizycznymi można stwierdzić, iż zawartość węgla w stalach wpływa bardzo pozytywnie na podniesienie niektórych własności. Większa zawartość węgla powoduje wzrost wytrzymałości stali na rozciąganie, wzrost twardości oraz rośnie granica plastyczności. Jednakże jednocześnie maleje podatność na obróbkę plastyczną na zimno i gorąco, zmniejsza się ciągliwość oraz pogarszają się własności spawalne. Posiadając takie informacje możemy zmieniać właściwości stali oraz żeliw poprzez zmianę zawartości węgla.

7

---