TOWAROZNAWSTWO ARTYKUŁÓW PRZEMYSŁOWYCH. Wykład 2. Materiały metaliczne

Transkrypt

1 TOWAROZNAWSTWO ARTYKUŁÓW PRZEMYSŁOWYCH Wykład 2. Materiały metaliczne

2 TOWAROZNAWSTWO ARTYKUŁÓW PRZEMYSŁOWYCH Treść wykładu: Reguła faz i równowagi fazowe Wykres fazowy układu żelazo węgiel Metody wytwarzania żelaza i jego stopów Klasyfikacja wyrobów stalowych

3 Fazy Termodynamika nauka o energii zerowa zasada prawo równocenności: Jeśli układy A i B mogące ze sobą wymieniać ciepło są ze sobą w równowadze termicznej, i to samo jest prawdą dla układów B i C, to układy A i C również są ze sobą w równowadze termicznej. pierwsza zasada zachowania energii: Zmiana energii wewnętrznej układu zamkniętego jest równa energii, która przepływa przez jego granice na sposób ciepła lub pracy.

4 Fazy druga zasada prawo wzrostu entropii: W układzie termodynamicznie izolowanym w dowolnym procesie entropia nigdy nie maleje. trzecia zasada prawo zmniejszania entropii: Entropia substancji tworzących doskonałe kryształy dąży do 0 gdy temperatura dąży do 0 K. czwarta zasada relacja wzajemności Onsagera: Macierz współczynników fenomenologicznych jest symetryczna.

5 Reguła faz Faza: Część układu materialnego, oddzielona od reszty układu wyraźną granicą przy przejściu której właściwości chemiczne lub fizyczne ulegają skokowej zmianie. Składniki: Pierwiastki lub związki chemiczne niezbędne do utworzenia wszystkich faz występujących w danym układzie. Stopień swobody: Liczba wszystkich możliwych zmiennych niezależnych, których zmiana nie powoduje zmiany liczby faz. Takimi zmiennymi są, przykładowo, skład (stężenia składników), temperatura i ciśnienie. Reguła faz Gibbsa: s = n f + 2. Jeżeli przyjmiemy, że ciśnienie jest stałe, s = n f + 1. s liczba stopni swobody, n liczba składników, f liczba faz.

6 Wykres fazowy wody s =1 s = 0 Reguła faz: s = n f + 1 (stałe ciśnienie) s = 1 s = 0

7 Wykresy fazowe (topnienia/krystalizacji) dla dwóch α + L Likwidus L Wykres fazowy dla dwóch składników mieszających się ze sobą w fazie ciekłej (L) i stałej (α) Solidus α

8 i trzech składników Trójkąt Gibbsa Udziały składników A, B i C w pewnym punkcie wewnątrz trójkąta są proporcjonalne do długości odcinków a, b i c. a udział składnika A = a + b + c

9 Skład faz Temp. stopu α + L Punkt stanu L reguła dźwigni T 1 α skład fazy α skład fazy L A C skład stopu B

10 Krzepnięcie stopu o składzie C Reguła faz: s = n f + 1 (stałe ciśnienie) T 1 T 2 p α + L q l s = = 2 L m s = 1 T 3 α r n s = 2 s = 0 A C B

11 Składniki niemieszalne w fazie stałej Temperatura D T 1 L F L + A E L + B G H Temperatura eutektyczna A + B A c Skład eutektyczny B

12 Z częściową rozpuszczalnością w stanie stałym Temperatura C L D L + α E L + β α F α + β G β H I A B

13 Przemiana perytektyczna E Temperatura L L + β C D L + α α F α + β G β A Skład B

14 Układ z przemianą eutektoidalną Temperatura γ L + γ C L L + β D temperatura eutektyczna temperatura eutektoidalna F α α + γ G γ + β α + β β H A Skład B skład eutektoidalny skład eutektyczny

15 Złożone wykresy fazowe 100% γ o składzie eutektoidalnym eutektyka złożona z wydzieleń β w osnowie γ eutektoid o budowie płytkowej A Skład B

16 Wykres fazowy Fe C H przemiana perytektyczna przemiana eutektyczna przemiana eutektoidalna Ozn. A B C D E G H J N P S Q %C 0 0,53 4,3 6,67 2,11 0 0,09 0,17 0 0,0218 0,77 0,008 Temp.,ºC

17 Składniki stopów Fe C Ferryt (żelazo α, α Fe) jedna z alotropowych odmian żelaza o zawartości węgla od 0,008 do 0,0218% (linia QP). Perlit mieszanina eutektoidalna ferrytu z cementytem zawierająca 0,77% węgla. Ma formę naprzemiennych płytek ferrytu i cementytu. Austenit (γ) międzywęzłowy roztwór stały węgla oraz niekiedy innych dodatków stopowych w żelazie γ. Rozpuszczalność węgla w żelazie γ zmienia się wzdłuż linii SE. Ledeburyt mieszanina eutektyczna austenitu γ z cementytem (lub ferrytu z cementytem ledeburyt przemieniony), zawierająca dokładnie 4,3% węgla. Cementyt (węglik żelaza, Fe 3 C) jedna z podstawowych faz międzymetalicznych z grupy węglików, występującą w stopach żelaza z węglem. Zawartość węgla: 6,67%. Cementyt pierwotny (Fe 3 C ): nadeutektyczny, cementyt wydzielający się z austenitu: wtórny (Fe 3 C ), z ferrytu: cementyt trzeciorzędowy (Fe 3 C ). Martenzyt metastabilna faza stopu żelaza γ i węgla powstała podczas szybkiego schłodzenia z prędkością większą od prędkości krytycznej z temperatury w której występuje austenit. stale żeliwa 0 2,11 6,67 % węgla

18 Stop żelaza z węglem stopy, w których węgiel rozpuszczany jest w żelazie. Węgiel może występować w nich w postaci węgla czystego grafitu lub węglika żelaza Fe 3 C zwanego cementytem. Stopy zawierające poniżej 2,11% (wg norm polskich zaś europejskich 1,75%) węgla to stale lub staliwa, a powyżej tej zawartości to żeliwa. Wraz ze wzrostem udziału węgla struktura stopu żelaza z węglem przybiera odmienne formy: przy bardzo niewielkiej zawartości węgla, poniżej 0,0218% udaje się uzyskać niemal czyste żelazo α zwane ferrytem. przy zawartości 0,77% węgla uzyskuje się perlit będący mieszaniną eutektoidalną ferrytu i cementytu przy zawartości węgla 4,3%, w krzepnącym stopie, powstaje ledeburyt, który w czasie dalszego chłodzenia w temperaturach poniżej 723 C przekształca się w ledeburyt przemieniony. Ledeburyt jest eutektyką. przy zawartościach węgla pomiędzy 0,0218% a 0,77% otrzymuje się stopy podeutektoidalne (stale podeutektoidalne), które są mieszaninami ferrytu i perlitu. stopy w zakresie 0,77% do 2,11% stale nadeutektoidalne są mieszaninami perlitu i cementytu. stopy o zawartości węgla powyżej 2,11% żeliwa, są mieszaninami ledeburytu przemienionego i perlitu (do 4,3% węgla) lub cementytu (powyżej 4,3% węgla). W przypadku stosunkowo wolnego chłodzenia w stopach tych może także wystąpić grafit.

19 Produkcja stali surówka Podstawowym surowcami są: ruda żelaza (obecnie stosuje się rudy o zawartości 25 70% Fe; czysty magnetyt Fe 3 O 4 zawiera 72,4% Fe) koks hutniczy (poniżej 10% popiołu, 1,2% siarki) topniki (związki Ca i/lub Mg tworzące ze skałą towarzyszącą rudzie łatwotopliwy żużel Główna reakcja chemiczna: FeO + C Fe + CO ΔH = 156,9 kj

20 Wielki piec

21 Produkcja stali świeżenie Usuwanie zanieczyszczeń, głównie Mn i Si przez ich utlenienie tlenem z powietrza lub czystym tlenem. Metody (historycznie): Bessemera i Thomasa (konwertory)

22 Produkcja stali świeżenie Siemensa Martina (metoda płomieniowa z regeneracją ciepła) Konwertorowo tlenowa (metoda L D) W piecach elektrycznych Grafityzacja żeliwa (rozkład cementytu) Fe 3 C Fe(γ)(C) + C Fe 3 C 3Feα + C; w temp. <723 C

23 Obróbka stali Hartowanie wygrzewanie austenitu powyżej linii GSK i szybkie schłodzenie przejście do martenzytu, w którym rozproszenie węgla jest cząsteczkowe duża sztywność, ale i kruchość stali. Odpuszczanie wygrzewanie stali hartowanej nieco poniżej linii GSK i powolne schłodzenie zwiększenie się cząstek zawierających węgiel. Twardość się zmniejsza, ale wzrasta sprężystość. Wyżarzanie wygrzewanie stali i powolne chłodzenie homogenizacja składu. Normalizowanie wygrzewanie austenitu powyżej linii GSK. Nawęglanie wzbogacanie warstw powierzchniowych stali przez ogrzewanie powyżej GSK w atmosferze CO. Po hartowaniu zwiększenie twardości powierzchni. Azotowanie wygrzewanie stali w temp. do 500 C w amoniaku. Podniesienie twardości powierzchniowej w stopniu wyższym, niż w przypadku nawęglania.

24 Klasyfikacja stali Stale węglowe W miarę wzrostu zawartości węgla twardość stali, zwłaszcza po hartowaniu, wyraźnie wzrasta. Stal o małej zawartości węgla jest miękka i łatwo daje się zgrzewać. Praktyczna górna granica zawartość węgla to 1,5%. Stale węglowe zawierają domieszki. Zawartość siarki i fosforu jest niekorzystna. Zawartości krzemu (do 0,5%) i manganu (do 0,8%). Stale stopowe Oprócz węgla i zanieczyszczeń zawierają dodatki metali. Ich skład i zastosowania są zróżnicowane. Dodatki Mn i Co obniżają granicę przemiany żelaza α w żelazo γ, a w odwrotną stronę działają dodatki Al, Ti, V, Cr, Mo, Ta, W stają się one niepodatne na obróbkę cieplną gdyż ograniczony jest zakres temperaturowy występowania austenitu. Wyróżnia się także stale konstrukcyjne, narzędziowe, kwasoodporne, żaroodporne itd. Stale są opatrzone, zależnie od składu i struktury, w symbole, które służą do rozróżnienia gatunków

25 Oznaczania stali PN EN Znaki zawierające symbole wskazujące na skład chemiczny. 2. Znaki zawierające symbole wskazujące na zastosowania i właściwości. (staliwo: litera G) Ad. 1. Cztery podgrupy: stale niestopowe (< 1% Mn) litera C i 100 zaw. węgla stale niestopowe ( 1% Mn) 100 zaw. węgla (np. 55NiCrMoV6 2 2: 0,55% C, 1,5%Ni, 0,6%Cr, 0,2Mo, <0,1V stal narzędziowa do pracy na gorąco) stale stopowe litera X, np. X5CrNiMo stale szybkotnące litera HS i liczby określające udziały pierwiastków stopowych

26 Oznaczania stali PN EN Ad. 2. Stale (20 liter alfabetu) S konstrukcyjne P pracujące pod ciśnieniem L na rury E maszynowe B zbrojeniowe (do betonu) Y do betonu sprężonego R na szyny H na wyroby płaskie D miękkie do kształtowania na zimno C do walcowanie na zimno D do walcowanie na gorąco i kształtowania na zimno itp.