Występujące w technicznych stopach żelaza pierwiastki (inne niż Fe i C) można podzielić na:

Transkrypt

1 Materiały lotnicze WBMiL I ML ZI (PRz 2012/2013) dr inż. Maciej Motyka (08/06/13) 1 Stopy żelaza konspekt Stal niestopowa, staliwo i żeliwo Występujące w technicznych stopach żelaza pierwiastki (inne niż Fe i C) można podzielić na: zanieczyszczenia (P, S, O, H, N), domieszki (Mn, Si oraz min. zawartości Cr, Ni, Cu), dodatki stopowe (powyżej pewnej zawartości minimalnej określonej w normie). Techniczne stopy żelaza: SURÓWKA stop żelaza z węglem i innymi pierwiastkami (głównie Si i Mn) zawierający powyżej 2% C, otrzymywany w stanie ciekłym w wyniku redukcji rudy żelaza w wielkim piecu (lub piecu niskoszybowym), przeznaczony do dalszej przeróbki na stal, staliwo i żeliwo; ŻELIWO stop żelaza z węglem i innymi dodatkami o składzie chemicznym zapewniającym krzepnięcie z przemianą eutektyczną i przeznaczony na odlewy; STALIWO stop żelaza z węglem i innymi dodatkami zawierający do około 2% C, otrzymywany w procesach stalowniczych w stanie ciekłym (przez wtórne przetopienie surówki, złomu i innych dodatków) i przeznaczony na odlewy; STAL stop żelaza z węglem i innymi dodatkami zawierający do około 2% C otrzymywany w procesach stalowniczych i przeznaczony na półwyroby oraz wyroby przerabiane plastycznie; ŻELAZOSTOPY stopy metali lub niemetali z żelazem służące do wprowadzania dodatków stopowych do stali, staliwa lub żeliwa oraz jako odtleniacz, modyfikator itp. w procesach metalurgicznych. Klasyfikacja stopów żelaza wg: I. metody wytapiania, II. sposobu i stopnia odtlenienia, III. postaci, IV. stanu kwalifikacyjnego obróbki cieplnej, V. składu chemicznego, VI. jakości, VII. mikrostruktury w stanie użytkowym, VIII. kontroli składu chemicznego i właściwości, IX. właściwości technologicznych,

2 Materiały lotnicze WBMiL I ML ZI (PRz 2012/2013) dr inż. Maciej Motyka (08/06/13) 2 X. możliwości stosowania obróbki cieplnej, XI. przeznaczenia: stale konstrukcyjne, stale narzędziowe, stale o szczególnych właściwościach fizycznych i chemicznych (specjalne). Klasyfikacja i systemy oznaczania stali wg PN EN Wg składu chemicznego: stale niestopowe (węglowe), stale stopowe. Klasy jakości stali niestopowych: stale niestopowe podstawowe, stale niestopowe jakościowe, stale niestopowe specjalne. Klasy jakości stali stopowych: stale stopowe jakościowe, stale stopowe specjalne. Stal niestopowa Wpływ węgla na właściwości mechaniczne stali węglowych. Charakterystyka podstawowych grup stali niestopowej (konstrukcyjna i maszynowa, do ulepszania cieplnego, sprężynowa, automatowa, narzędziowa). Staliwo Podział: niestopowe (konstrukcyjne i maszynowe), stopowe (konstrukcyjne, maszynowe, na urządzenia ciśnieniowe, do pracy w obniżonej lub podwyższonej temperaturze, odporne na ścieranie, odporne na korozję, żaroodporne i żarowytrzymałe, narzędziowe).

3 Materiały lotnicze WBMiL I ML ZI (PRz 2012/2013) dr inż. Maciej Motyka (08/06/13) 3 Żeliwo Klasyfikacja żeliwa Ze względu na skład chemiczny: niestopowe stopowe Ze względu na postać węgla: szare węgiel w postaci wolnej grafitu, białe węgiel w postaci związanej cementytu, połowiczne (pstre). Mikrostruktura żeliwa niestopowego: postać grafitu, rodzaj osnowy. Wpływ grafitu na właściwości żeliw: zmniejszenie właściwości wytrzymałościowych; działa jako karb wewnętrzny (nieciągłość osnowy metalicznej) zmniejsza skurcz odlewniczy; polepsza skrawalność; zwiększa własności ślizgowe; sprzyja tłumieniu drgań; powoduje zwiększenie wytrzymałości zmęczeniowej. Wpływ zawartości C i Si oraz szybkości chłodzenia na krystalizację żeliwa. Charakterystyka żeliwa szarego zwykłego, sferoidalnego i ciągliwego. Zalecana literatura: 1. Rudnik S.: Metaloznawstwo. PWN, Warszawa Dobrzański L. A.: Metaloznawstwo z podstawami nauki o materiałach. WNT, Warszawa Przybyłowicz K.: Metaloznawstwo. WNT, Warszawa Prowans S.: Struktura stopów. PWN, Warszawa Przybyłowicz K.: Podstawy teoretyczne metaloznawstwa. WNT, Warszawa 1999

4 Materiały lotnicze WBMiL I ML ZI (PRz 2012/2013) dr inż. Maciej Motyka (08/06/13) 4 Stal stopowa konstrukcyjna Kryterium doboru stali konstrukcyjnych stanowią najczęściej podstawowe właściwości mechaniczne: w przypadku obciążeń statycznych granica plastyczności R e lub granica sprężystości R sp ; w przypadku obciążeń dynamicznych granica zmęczenia Z g ; niekiedy właściwości określane metodami mechaniki pękania współczynnik intensywności naprężeń K Ic, rozwarcie dna karbu c (COD c ), całkę odkształcenia u wierzchołka karbu J c. Niskostopowa stal konstrukcyjna spawalna z mikrododatkami Spawalność określa zdolność materiału do uzyskiwania złożonych właściwości mechanicznych po spawaniu. Składają się na nią trzy główne czynniki: spawalność metalurgiczna, charakteryzująca zachowanie się materiału podczas spawania i wpływ spawania na właściwości spawanego materiału i złącza; spawalność technologiczna, związana z technologią spawania i jej wpływem na właściwości złącza; spawalność konstrukcyjna, ujmująca znaczenie rozwiązania konstrukcyjnego elementu oraz wpływ grubości materiału na jakość i właściwości złącza. Główne zagadnienia: zmiany mikrostruktury materiału rodzimego w strefie wpływu ciepła (SWC), wpływ zawartości węgla i objętości względnej perlitu na udarność stali spawalnej, rola mikrododatków oraz procesów technologicznych (obróbka cieplna, obróbka cieplno plastyczna). Stal konstrukcyjna stopowa do ulepszania cieplnego Hartowanie i następne średnie lub wysokie odpuszczanie stali nazywane jest ulepszaniem cieplnym. Miarą skuteczności ulepszania cieplnego jest zależność R e : R m. Główne zagadnienia: morfologia i właściwości martenzytu oraz sorbitu, kruchość odpuszczania, rola dodatków stopowych. Stal do utwardzania powierzchniowego Rodzaje hartowania powierzchniowego Stal konstrukcyjna stopowa do nawęglania rozpuszczalność węgla w żelazie a temperatura nawęglania, zawartość węgla i rola dodatków stopowych w stali do nawęglania, mikrostruktura i właściwości warstwy nawęglonej, OC po nawęglaniu. Stal konstrukcyjna stopowa do azotowania rozpuszczalność azotu w żelazie a temperatura azotowania, zawartość węgla i rola dodatków stopowych w stali do azotowania, mikrostruktura i właściwości warstwy azotowanej, OC stali do azotowania.

5 Materiały lotnicze WBMiL I ML ZI (PRz 2012/2013) dr inż. Maciej Motyka (08/06/13) 5 Stal konstrukcyjna stopowa sprężynowa Główne zagadnienia: zawartość węgla i rola dodatków stopowych w stali sprężynowej, OC, wpływ czystości metalurgicznej stali sprężynowej i jakości powierzchni wyrobów gotowych na wytrzymałość zmęczeniową. Stal konstrukcyjna stopowa łożyskowa (na elementy łożysk tocznych) Główne zagadnienia: skład chemiczny, OC. Główne czynniki wpływające jakość narzędzi: Stal stopowa narzędziowa poprawna konstrukcja narzędzia, odpowiedni dobór materiału na narzędzie wraz z ewentualną obróbką cieplną, parametry procesu produkcyjnego narzędzi. Najważniejsze cechy materiału narzędziowego: odpowiednia twardość (większa od materiału obrabianego) i możliwie wysoka ciągliwość oraz duża wytrzymałość zmęczeniowa, duża odporność na ścieranie (małe zmiany wymiarów w czasie pracy narzędzia), odporność na zmęczenie cieplne (niewrażliwość na szybkozmienne zmiany temperatury), duża stabilność wymiarów (narzędzia pomiarowe), odporność na korozję (prasowanie niektórych tworzyw sztucznych), zdolność regeneracyjna. Klasyfikacji stali stopowej narzędziowej: do pracy na zimno; do pracy na gorąco; szybkotnąca. Główne zagadnienia: skład chemiczny (zawartość węgla, rola dodatków stopowych), OC (wpływ temperatury austenityzowania na właściwości stali narzędziowej, twardość wtórna. Zalecana literatura: 6. Blicharski M.: Inżynieria materiałowa. Stal. WNT, Warszawa Dobrzański L. A.: Metaloznawstwo z podstawami nauki o materiałach. WNT, Warszawa Przybyłowicz K.: Metaloznawstwo. WNT, Warszawa Rudnik S.: Metaloznawstwo. PWN, Warszawa 1998

6 Materiały lotnicze WBMiL I ML ZI (PRz 2012/2013) dr inż. Maciej Motyka (08/06/13) 6 Stal o specjalnych właściwościach fizycznych i chemicznych (stal specjalna) Podział stali specjalnych, ze względu na warunki pracy: odporne na korozję, do pracy w obniżonej temperaturze, do pracy w podwyższonej temperaturze, żaroodporne i żarowytrzymałe, zaworowe, odporne na ścieranie; oporowe, szczególnych właściwościach magnetycznych, wysokowytrzymałe utwardzane wydzieleniowo maraging. Stal odporna na korozję Korozja proces niszczenia metalu na skutek oddziaływania środowiska zewnętrznego. Typy korozji: chemiczna zachodząca zwykle pod wpływem działania suchych gazów w wysokiej temperaturze; elektrochemiczna zachodzącą w cieczach, zwykle roztworach wodnych, na wskutek przepływu prądu elektrycznego z jednej części materiału do drugiej za pośrednictwem elektrolitu. Rodzaje korozji charakter zniszczenia korozyjnego: równomierna, lokalna i wżerowa, selektywna, międzykrystaliczna, naprężeniowa i zmęczeniowa. Odporność stali na korozję stal węglowa i niskostopowa nie wykazuje odporności na korozję; dodatki stopowe: Cr, Ni, Mo, Cu, Al zwiększają odporność stali na korozję w określonych środowiskach. Odporność korozyjna stali wiąże się z pojęciem pasywacji tj. zwiększeniem odporności metalu na korozję przez utlenienie jego powierzchni zależy głównie od następujących czynników: a) składu chemicznego (Cr i Ni), b) mikrostruktury, c) stanu powierzchni. Wpływ zawartości chromu na potencjał elektrochemiczny stopów żelaza. Klasyfikacja stali odpornej na korozję: 1. ze względu na rodzaj środowiska korozyjnego: a) nierdzewne odporne na działanie atmosfery powietrza, wilgoci oraz słabych soli kwasów, b) kwasoodporne odporne na działanie stężonych kwasów i ługów (roztwory wodorotlenku sodu lub potasu);

7 Materiały lotnicze WBMiL I ML ZI (PRz 2012/2013) dr inż. Maciej Motyka (08/06/13) 7 2. ze względu na skład chemiczny: chromowe, chromowo niklowe, chromowo niklowomanganowe; 3. ze względu na mikrostrukturę: ferrytyczne, martenzytyczne, austenityczne. Stal trudno rdzewiejąca posiada nieznacznie większą odporność na korozję od stali węglowej, zawiera 0,1%C oraz dodatki 1 3% pasywującego chromu i ok. 0,5% miedzi, tworzącej na powierzchni pasywującą warstwę złożoną z siarczanów i węglanów miedzi. Stal odporna na korozję chromowa (nierdzewna) Zawartość Cr co najmniej 13% (13 i 17); Cr stabilizuje ferryt (przez co ogranicza występowanie austenitu przy stężeniu większym od 12% i zawartości węgla mniejszej niż 0,1% ferryt jest trwały w całym zakresie, od temperatury pokojowej do temperatury solidusu); Spawalna o dobrej odporności na działanie kwasów utleniających (np. azotowego), nie jest odporna na działanie kwasów redukujących (solnego, siarkowego); Umacnia się tylko przez zgniot (nie podlega OC, z wyjątkiem wyżarzania odprężającego i rekrystalizującego); Zwiększenie zawartości węgla przy większym stężeniu chromu powoduje pojawienie się w układzie równowagi fazowej obszaru dwufazowego + a nawet jednofazowego, co umożliwia hartowanie na martenzyt i następne odpuszczanie (dodatek Ni poszerza zakres występowania austenitu umożliwiając hartowanie tych stali na powietrzu); mniejsza odporność na korozję od stali ferrytycznych, jednak przy wyższych właściwościach wytrzymałościowych. Stal odporna na korozję chromowo niklowa (kwasoodporna) Zawiera C (mniej niż 0,1%) oraz Cr i Ni (18 i 8); Rozpuszczalność węgla w stalach 18 8 zmniejsza się ze spadkiem temperatury, czemu towarzyszy wydzielanie się węglików (Fe, Cr) 23 C 6 ; Jednofazową mikrostrukturę austenitu bez wydzieleń węglików uzyskuje się w wyniku przesycania w wodzie z temp. 1100ºC. Główne zagadnienia: wpływ zawartości C, Cr i Ni na mikrostrukturę, korozja międzykrystaliczna. Stal do pracy w obniżonej temperaturze Główne zagadnienia: wpływ Ni i Mn na udarność stali, temperatura przejścia w stan kruchy, OC, orientacyjne właściwości i zakres temperatury pracy. Stal do pracy w podwyższonej temperaturze Główne zagadnienia: odporność na pełzanie, orientacyjny skład chemiczny i właściwości stali do pracy w podwyższonej temperaturze.

8 Materiały lotnicze WBMiL I ML ZI (PRz 2012/2013) dr inż. Maciej Motyka (08/06/13) 8 Stal żaroodporna i żarowytrzymała Podwyższenie temperatury pracy elementów konstrukcyjnych powyżej 600ºC wiąże się z zapewnieniem dużej żaroodporności i żarowytrzymałości materiałów, z których są wykonane. Żaroodporność odporność stopu na działanie czynników chemicznych, głównie powietrza oraz spalin i ich agresywnych składników w temperaturze wyższej niż 600ºC. Żaroodporność jest ściśle związana ze skłonnością stali do tworzenia zgorzeliny, która powinna stanowić ciągłą warstwę, dokładnie przylegającą do metalicznego rdzenia, utrudniając dyfuzję utleniacza i jonów metalu (głównym składnikiem zgorzeliny jest tlenek żelazawy FeO). Żaroodporność stali zależy od składu chemicznego, a nie od mikrostruktury (ferrytycznej lub austenitycznej). Żarowytrzymałość odporność stopu na odkształcenie, z czym wiąże się zdolność do wytrzymywania obciążeń mechanicznych w wysokiej temperaturze (powyżej 600ºC). Żarowytrzymałość zależy głównie od odporności na pełzanie. Żarowytrzymałością charakteryzuje się przede wszystkim stal austenityczna (mniejszy współczynnik dyfuzji niż w ferrycie), o znacznym rozmiarze ziarn oraz dyspersyjnymi wydzieleniami faz, głównie na granicach. Główne zagadnienia: skład chemiczny i właściwości stali żaroodpornej oraz żarowytrzymałej, porównanie wytrzymałości na pełzanie stali ferrytycznej i austenitycznej. Wymagania: Stal zaworowa duża odporność na wysokotemperaturową korozję gazową, duża odporność na ścieranie i wytrzymałości na pełzanie oraz obciążenia udarowe, mała rozszerzalność i duża przewodność cieplna, dobre właściwości technologiczne (podatność na przeróbkę plastyczną i obróbkę mechaniczną). Odporność na korozję gazową zapewniają tej grupie stali Si i Cr (silchromy). Natomiast dużą twardość i odporność na ścieranie wynika ze stosunkowo dużej zawartości węgla 0,4 0,6%. Na zawory wlotowe, których temperatura pracy nie przekracza 500ºC, stosuje się stale perlityczne (martenzytyczne) poddane hartowaniu z temperatury ºC i odpuszczaniu w ºC z chłodzeniem w wodzie (zapobiega to kruchości odpuszczania). Zawory wydechowe pracują w znacznie wyższej temperaturze, sięgającej nawet 900ºC. W tym przypadku stosowane są stale austenityczne przesycane w wodzie z temperatury ºC i następnie starzone w ºC. Otrzymana mikrostruktura składa się poza austenitem z dyspersyjnych wydzieleń węglików (M6C, M23C6) oraz węglikoazotków.

9 Materiały lotnicze WBMiL I ML ZI (PRz 2012/2013) dr inż. Maciej Motyka (08/06/13) 9 Stal (staliwo) odporna(e) na ścieranie Główne zagadnienia: wpływ Mn na odporność na ścieranie stali, stal (staliwo) Hadfielda. Stal i stopy oporowe Wymagania: duża oporność właściwa, mały temperaturowy współczynnik rozszerzalności, mała przewodność cieplna, wysokie właściwości wytrzymałościowe w temperaturze pokojowej oraz duża odporność na pełzanie w wysokiej temperaturze, żaroodporność. Podział stopów oporowych ze względu na skład chemiczny i mikrostrukturę: niklowo chromowe z dodatkiem Fe a także Mn i Si o mikrostrukturze austenitycznej np. chromonikielina, nichromy; żelazowo chromowo aluminiowe z niewielkimi dodatkami Mn i Si oraz kilkoma setnymi procenta węgla o mikrostrukturze ferrytycznej np. ferchromale, fechrale. Stopy o szczególnych właściwościach magnetycznych Główne zagadnienia: materiały magnetycznie miękkie i twarde, rola tekstury blach ze stali magnetycznie miękkiej. Stal umacniana wydzieleniowo typu maraging Główne zagadnienia: skład chemiczny, OC, rola faz międzymetalicznych, zastosowanie. Zalecana literatura: 10. Blicharski M.: Inżynieria materiałowa. Stal. WNT, Warszawa Dobrzański L. A.: Metaloznawstwo z podstawami nauki o materiałach. WNT, Warszawa Przybyłowicz K.: Metaloznawstwo. WNT, Warszawa Rudnik S.: Metaloznawstwo. PWN, Warszawa 1998