Stopy metali FAZY

Transkrypt

1 Stopy metali Czyste metale są w technice stosowane stosunkowo rzadko. Powszechne zastosowanie znajdują stopy metali - w wielu przypadkach wykazujące lepsze własności niż czyste metale. Stopy są substancjami dwu- lub wieloskładnikowymi, makroskopowo wykazującymi własności metaliczne. Co najmniej jeden z głównych składników stopu jest metalem. Składnikami stopów są substancje proste, np. pierwiastki, lub złożone np. związki nie ulegające przemianom. Stopy metali charakteryzują się wiązaniem metalicznym jako jedynym lub występującym oprócz innych rodzajów wiązań. Skład chemiczny stopów jej wyrażany przez: - stężenie masowe składników, - stężenie atomowe składników. Stosunek masy danego składnika do całej masy stopu podany w procentach określa jego stężenie masowe. Udział atomów składnika w ogólnej liczbie atomów stopu wyrażony procentowo stanowi stężenie atomowe składnika. FAZY Stopy mogą mieć strukturę jedno- lub wielofazową. Faza to jednorodna część stopu, oddzielona od pozostałej jego części granicą międzyfazową. Poszczególne fazy stopu zwykle dość znacznie różnią się między sobą własnościami. Liczba; rodzaj i własności faz są uzależnione od składu chemicznego stopu. Zbiór faz znajdujących się w stanie równowagi termodynamicznej jest nazywany układem. Stopy metali są wytwarzane głównie przez topienie i krystalizację ze stanu ciekłego. W wyniku tych procesów z cieczy, będącej zwykle roztworem wszystkich składników stopu, mogą powstać: - roztwory stałe, - fazy międzymetaliczne, - mieszaniny faz. 1

2 Roztwory stałe Roztwór stały stanowi jednorodną fazę o wiązaniu metalicznym i strukturze krystalicznej o własnościach typowo metalicznych. Metal, którego atomy występują w sieci w przewadze, jest rozpuszczalnikiem. Drugi składnik jest nazywany pierwiastkiem rozpuszczonym. Czynniki decydujące o tworzeniu roztworów stałych Czynniki decydujące o tworzeniu roztworów stałych można ująć w formie czterech reguł: - elektrowartościowości ujemnej, - typów sieci, - wielkości atomów, - względnych wartościowości. Obecność atomów innego pierwiastki w sieci krystalicznej rozpuszczalnika, w zależności od stosunku średnic atomów rozpuszczalnika i pierwiastka rozpuszczonego, powoduje odkształcenie sieci - ekspansję lub kontrakcję (rys. 5.3). Rysunek 5.3 Schemat odkształcenia sieci w roztworze stałym różnowęzłowym, spowodowanego przez atom pierwiastka rozpuszczonego a) ekspansja sieci, b) kontrakcja sieci. W roztworach stałych ciągłych liczba węzłów sieci krystalicznej rozpuszczalnika zajętych przez atomy drugiego składnika rośnie wraz ze zwiększaniem się stężenia składnika rozpuszczonego - od struktury czystego metalu A do struktury metalu B (rys. 5.4). Rysunek 5.1 Rozmieszczenia atomów w strukturze roztworu stałego międzywęzłowego; A - atomy metalu rozpuszczalnika, B - atomy pierwiastka rozpuszczonego. Rysunek 5.2 Rozmieszczenia atomów w strukturze roztworu stałego różnowęzłowego; A - atomy metalu rozpuszczalnika, B - atomy pierwiastka rozpuszczonego. Rysunek 5.4 Schemat zależności liczby węzłów sieci przestrzennej rozpuszczalnika, zajętych przez atomy składnika rozpuszczonego, od wzrastającego stężenia tego składnika w roztworze stałym różnowęzłowym. 2

3 Fazy międzymetaliczne Mieszaniny faz Fazy międzymetaliczne są połączeniami metali lub metali z niemetalami i wykazują własności metaliczne ze względu na częściowy lub całkowity udział wiązania metalicznego między atomami wchodzącymi w skład fazy. Charakterystyczne cechy faz międzymetalicznych opisują cztery zasady: - struktura krystaliczna faz międzymetalicznych różni się od struktury każdego ze składników, - atomy każdego ze składników wykazują uporządkowane rozmieszczenie w sieci krystalicznej, - w oddziaływaniach między atomami występuje przewaga wiązania metalicznego, - wzajemne stosunki ilościowe atomów składników rzadko odpowiadają wartościowościom chemicznym pierwiastków, jakie wykazują one w związkach chemicznych, chociaż fazom można przypisać wzory podobne do wzorów związków chemicznych. Stanem stopu, występującym bardzo często, jest mieszanina faz. O mieszaninie faz mówi się wtedy, gdy w stopie znajdują się co najmniej dwie fazy w stanie rozdrobnienia, oddzielone od siebie granicami międzyfazowymi. Każda faza ma przy tym określone, właściwe sobie; - skład chemiczny, - strukturę krystaliczną, - własności. Mieszaniny faz mają zwykle lepsze własności wytrzymałościowe i mniejszą plastyczność od poszczególnych faz. 3

4 Odmiany żelaza Żelazo i jego własności Żelazo nie występuje w przyrodzie w postaci rodzimej. Otrzymywanie żelaza chemicznie czystego, którego własności mogłyby być uznane za własności pierwiastka, jest trudne i kosztowne. Przez redukcję tlenków można uzyskać żelazo zawierające ok. 0,007% domieszek i zanieczyszczeń, których stężenie może być jeszcze zmniejszone w wyniku topienia strefowego w wysokiej próżni. Techniczne odmiany żelaza zestawiono w tablicy 5.1. Tablica 5.1 Techniczne odmiany żelaza Odmiany alotropowe żelaza Żelazo wykazuje dwie odmiany alotropowe. W temperaturze niższej 912 C oraz w zakresie temperatury od 1394 do 1538 C występuje odmiana alotropowa oznaczana a, a w zakresie wysokotemperaturowym oznaczana niekiedy również a(d) lub d. Odmiana a krystalizuje w sieci przestrzennie centrowanej układu regularnego A2. Roztwory stałe w żelazie a są nazywane ferrytem. W temperaturze niższej od temperatury 770 C, zwanej temperaturą Curie, żelazo a jest ferromagnetyczne a w temperaturze wyższej - paramagnetyczne. W zakresie temperatury od 912 C do 1394 C stabilna jest odmiana żelaza g o sieci ściennie centrowanej układu regularnego A1. Roztwory stałe w żelazie g są nazywane austenitem. Parametr sieci a każdej odmiany alotropowej żelaza zwiększa się wraz z podwyższeniem temperatury (rys. 5.5) i dla odmiany Fea wynosi 0,286 nm w temperaturze pokojowej i 0,293 nm w 1394 C, a dla odmiany g - 0,365 nm w 912 C. Liczba atomowa żelaza jest równa 26. Masa atomowa tego pierwiastka wynosi 55,8452 i jest średnią ważoną mas atomowych izotopów żelaza występujących w przyrodzie. Należą do nich izotopy o masach atomowych: 56 (występujący w udziale 91,57%) oraz 54 (6,04%), 57 (2,11%) i 58 (0,28%). W związkach chemicznych żelazo jest dwu- lub trójwartościowe. Rysunek 5.5 Zależność parametru sieci odmian alotropowych żelaza od temperatury (według W. Hume-Rothery'ego) 4

5 Przemianie żelaza a w żelazo g towarzyszy zmniejszenie objętości właściwej, a przemianom odwrotnym - wzrost objętości. Decydują o tym różne liczby koordynacyjne sieci, w której krystalizuje każda z odmian. Zwiększenie objętości podczas przemiany żelaza g w a i związane z tym zwiększenie naprężeń wyjaśniają zależność struktury sieciowej żelaza od ciśnienia (rys. 5.6). Wysokie wartości ciśnienia stabilizują odmianę alotropową żelaza g o mniejszej objętości właściwej i sieci regularnej ściennie centrowanej. Przy małym ciśnieniu i w niższej temperaturze stabilna jest odmiana żelaza a o sieci regularnej przestrzennie centrowanej. Przy ciśnieniu większym od ok. 12 do 13 GPa występuje natomiast odmiana żelaza e o sieci heksagonalnej zwartej. Rysunek 5,6 Zakresy występowania odmian żelaza a, g i e w zależności od ciśnienia i temperatury (według ER Bundy 'ego). Wykresy równowagi układu żelazo - węgiel Rozróżnia się dwa wykresy równowagi układu żelazo-węgiel: - stabilny żelazo-grafit, - metastabilny żelazo-cementyt. W zależności od składu chemicznego, warunków odprowadzania ciepła, a także innych czynników, z roztworu ciekłego może krzepnąć zarówno cementyt, jak i grafit. Wykres równowagi przedstawiony na rysunku 8.7 obejmuje stopy żelaza z węglem do stężenia 6,67% C, odpowiadającego stężeniu C w cementycie. Liniami ciągłymi przedstawiono wykres żelazo-cementyt Fe-Fe 3 C, natomiast przerywanymi - żelazo-grafit Fe-C. Punkty, linie i fazy układu żelazo-węgiel Współrzędne punktów charakterystycznych układu żelazo-węgiel zestawione w tablicy 5.2. W stopach żelazo-węgiel występują fazy podane w tablicy 5.3. Linii układu żelazowęgiel omówiono w tablicy 5.4. Ze względu na wieloletnią tradycję roztwory stałe oraz mieszaniny występując w układzie żelazo-cementyt zyskały tradycyjne nazwy. Składniki strukturalne wykresu żelazo-cementyt zestawiono w tablicy 5.5. W tablicy 5.6 podano oznaczenia linii przemian. Przemiany są oznaczane literą A. Ze względu na dużą histerezę cieplną temperatury przemian podczas nagrzewania znacznie różnią się od odpowiadających im wartości temperatury podczas chłodzenia. Dlatego przemiany podczas nagrzewania są oznaczane Ac, podczas chłodzenia - Ar, a w stanie równowagi - Ae z odpowiednim numerem zapisywanym w indeksie, np. Ac,. 5

6 Tablica 5.2 Punkty charakterystyczne układu żelazo-węgiel (rys. 5.7) Rysunek 5.7 Fragment wykresu równowagi żelazo-węgiel (wg J. Chipmana). 6

7 Tablica 5.3 Zakresy występowania faz na wykresie żelazo-węgiel (rys. 5.7). Tablica 5. 4 Oznaczenia linii w układzie żelazo-węgiel (rys. 5.7). 7

8 Tablica 8.5 Składniki strukturalne wykresu żelazo-cementyt (rys. 5.7). Tablica 5,6 Linie przemian w układzie żelazo-cementyt. 8

9 CHŁODZENIE STALI FERRYTYCZNEJ Obniżenie temperatury cieczy metalicznej o składzie chemicznym stopu I odpowiadającej linii AB powoduje krzepnięcie kryształów ferrytu wysokotemperaturowego a(b) z cieczy (L) (rys. 5.8). ). Zakres krzepnięcia ograniczony jest linia AB i AH. W obszarze AHN stop ma strukturę ferrytu a(b). Z obniżeniem temperatury poniżej linii HN następuje przemiana ferrytu a(b) w austenit (g). Poniżej temperatury NJ występuje austenit (g). Po obniżeniu temperatury poniżej linii GS stępuje przemiana austenitu (g) w ferryt (a). W miarę dalszego obniżania temperatury ubywa austenitu (g) i po osiągnięciu punktu P występuje 100% ferrytu i maksymalnie nasyconego węglem. Przy dalszym chłodzeniu, na granicach ziarn ferrytu (a), nadmiar węgla wydziela się wzdłuż linii PQ w postaci cementytu trzeciorzędowego Fe 3 C III. CHŁODZENIE STALI PODEUTEKTOIDALNEJ Obniżenie temperatury cieczy metalicznej stopu II do temperatury odpowiadającej linii AB powoduje wydzielanie z cieczy kryształów ferrytu wysokotemperaturowego a(b), o udziale zwiększającym się, aż do osiągnięcia temperatury 1495 oc (rys. 5.9). W temperaturze tej przebiega reakcja perytektyczna L + a(b) w g. Nadmiar cieczy w tym stopie decyduje o uzyskaniu mieszaniny austenitu (g) i cieczy (L) po zakończeniu przemiany perytektycznej. Ciecz z tej mieszaniny przemienia się z kolei w kryształy austenitu (g). Poniżej linii JE występuje wyłącznie austenit (g). Dalsze chłodzenie stopu z temperatury odpowiadającej linii GS powoduje zapoczątkowanie przemiany austenitu (g) w ferryt (a). Skład austenitu (g) przesuwa się do odpowiadającego punktowi S. W temperaturze 727 C przebiega przemiana eutektoidalna utworzonego austenitu (g) w perlit. Pozostałą część osnowy stopu stanowi ferryt (a), którego skład przesuwa się do odpowiadającego punktowi P. Poniżej temperatury 727 C z przesyconego węglem ferrytu (a) wydziela się cementyt trzeciorzędowy Fe 3 C iii. Strukturę stopu w temperaturze pokojowej stanowią: ferryt, perlit i cementyt trzeciorzędowy Fe 3 C III. Rysunek 5.8 Schemat przemian fazowych zachodzących przy chłodzeniu stali ferrytycznej. Rysunek 5.9 Schemat przemian fazowych zachodzących przy chłodzeniu stali podeutektoidalnej. 9

10 CHŁODZENIE STALI NADEUTEKTOIDALNEJ CHŁODZENIE SURÓWKI PODEUTEKTYCZNEJ Rysunek 5.10 Schemat przemian fazowych zachodzących przy chłodzeniu stali nadeutektoidalnej. W stopie III (rys. 5.10) z obniżeniem temperatury do odpowiadającej linii BC, z cieczy bezpośrednio powstaje austenit (g). Jego udział stopniowo zwiększa się w tym stopie w miarę dalszego chłodzenia. W temperaturze niższej od odpowiadającej linii JE występuje wyłącznie austenit (g). Po ochłodzeniu do temperatury odpowiadającej linii SE austenit (g) uzyskuje pełne nasycenie węglem. Powoduje to wydzielanie kryształów cementytu wtórnego Fe 3 C n o udziale zwiększającym się z obniżeniem temperatury do 727T. Skład austenitu (g) zmienia się wzdłuż linii SE do odpowiadającego punktowi S. W temperaturze 727 C następuje przemiana eutektoidalna austenitu (g) w perlit, a wydzielony uprzednio cementyt wtórny Fe 3 C n nie ulega zmianie. Po ochłodzeniu do temperatury pokojowej strukturę stopu stanowi perlit i cementyt wtórny z bardzo małym udziałem cementytu trzeciorzędowego. Rysunek 5.11 Schemat przemian fazowych zachodzących przy chłodzeniu surówki podeutektycznej. Krystalizacja stopu IV (rys. 5.11) rozpoczyna się od wydzielania austenitu (g) wzdłuż linii BC. Skład cieczy (L) zmienia się do odpowiadającego punktowi C. Po osiągnięciu temperatury 1148 C przebiega przemiana eutektyczna L w g + Fe 3 C r Bezpośrednio z cieczy powstaje ledeburyt, czyli mieszanina eutektyczna złożona z austenitu (g) i cementytu pierwotnego Fe 3 C r Podczas dalszego chłodzenia, z przesyconego austenitu wydzielają się kryształy cementytu wtórnego Fe 3 C n. Skład austenitu przesuwa się do odpowiadającego punktowi S. Ochłodzenie stopu do temperatury 727 C powoduje przemianę eutektoidalną austenitu pierwotnego (g) w perlit. Austenit (g) tworzący ledeburyt także przemienia się w perlit. Powstaje w ter sposób ledeburyt przemieniony. Poniżę temperatury 727 C strukturę stopu stanów perlit, ledeburyt przemieniony i cementyt wtórny. 10

11 CHŁODZENIE SURÓWKI NADEUTEKTYCZNEJ Rysunek 8.12 Schemat przemian fazowych zachodzących przy chłodzeniu surówki nadeutektycznej. Wraz z ochładzaniem stopu V (rys. 8.12) do temperatury odpowiadającej linii CD, bezpośrednio z cieczy metalicznej (L) zaczynają wydzielać się kryształy cementytu pierwotnego Fe 3 C r W miarę dalszego chłodzenia stopniowo zwiększa się udział tych kryształów. Jednocześnie ciecz (L) ubożeje w węgiel, aż do stężenia odpowiadającego punktowi C. W temperaturze 1148 C pozostała ciecz krzepnie jako eutektyka (g + Fe 3 C r ) nazywana ledeburytem. Dalsze chłodzenie stopu do temperatury 727 C wpływa na wydzielanie nadmiaru węgla z austenitu ledeburytycznego (g) w postaci cementytu drugorzędowego Fe 3 C n. W temperaturze 727 C austenit (g) przemienia się w perlit, tworząc ledeburyt przemieniony. Poniżej temperatury eutektoidalnej, strukturę stopu stanowi ledeburyt przemieniony i cementyt pierwotny Fe 3 C r Taką samą strukturę (z bardzo małym udziałem cementytu trzeciorzędowego Fe 3 C m ) stop wykazuje w temperaturze pokojowej. Ogólna klasyfikacja stopów żelaza z węglem Stale i staliwa W zależności od stężenia węgla oraz sposobu wytwarzania można dokonać ogólnej klasyfikacji stopów żelaza z węglem. Stopy o stężeniu węgla mniejszym od ok. 0,05% są nazywane żelazem technicznym. Stopy zawierające zwykle mniej niż 2% węgla, otrzymywane w wyniku odlewania i następnej obróbki plastycznej, są nazywane stalami. Odlewnicze stopy o tym samym stężeniu węgla noszą nazwę staliw. W stalach i staliwach węgiel występuje w postaci związanej w cementycie. Surówki i żeliwa Stopy żelaza o stężeniu powyżej 2% C o składzie fazowym zgodnym z wykresem Fe-Fe 3 C noszą nazwę surówek białych, natomiast krzepnące zgodnie z wykresem żelazo-grafit są nazywane surówkami szarymi. Surówki przetopione w żeliwiaku lub w innym piecu elektrycznym, często z dodatkiem złomu stalowego, noszą nazwę żeliw. Żeliwami są więc nazywane stopy odlewnicze żelaza z węglem zawierające zwykle powyżej 2% C. Stale, staliwa oraz żeliwa niestopowe i stopowe Stopy żelaza z węglem o niewielkim stężeniu innych pierwiastków w postaci domieszek lub zanieczyszczeń są nazywane odpowiednio stalami, staliwami lub żeliwami niestopowymi (określane jako węglowe). Do domieszek, które korzystnie wpływają na własności, należą Mn, Si, Cr, Ni i Cu. Natomiast zanieczyszczenia, takie jak P, S, O, H, N, wywierają ujemny wpływ na własności stopów żelaza. Pierwiastki, których stężenie przekracza umowną wartość dodawane do stopów żelaza z węglem (dla polepszenia własności) noszą nazwę dodatków stopowych. Stale, staliwa i żeliwa zawierające dodatki stopowe są nazywane stopowymi. 11

12 Stale i ich klasyfikacja Stal jest plastycznie i cieplnie obrabialnym stopem żelaza z węglem i innymi pierwiastkami, otrzymywanym w procesach stalowniczych ze stanu ciekłego. Za stężenie węgla graniczne, oddzielające stale od żeliw, przyjmuje się 2% (jedynie nieliczne stale wysokochromowe mogą zawierać więcej niż 2% C). Kryteria klasyfikacji stali Klasyfikacji stali można dokonać między innymi na podstawie kryteriów podanych w tablicy 5.7. Tablica 5.7 Kryteria klasyfikacji stali. Klasyfikacja stali według składu chemicznego Dokonując podziału stali na podstawie składu chemicznego (zgodnie z normą PN-EN 10020:2003) można wyróżnić następujące klasy stali: - stale niestopowe, w których stężenie każdego z pierwiastków jest mniejsze od wartości granicznych podanych w tablicy 5.8, - stale nierdzewne, zawierające >10,5% Cr i <1,2% C, - inne stale stopowe (nieodpowiadające definicji stali nierdzewnych), w których stężenie co najmniej jednego z pierwiastków jest równe lub większe od wartości granicznej w tab Tablica 5.8 Stężenie graniczne pierwiastków stopowych w stalach. Ze względów praktycznych najczęściej operuje się klasyfikacją stali opierającą się na składzie chemicznym lub zastosowaniu. Podziału stali dokonano zgodnie z normą PN- EN 10020:2003. W związku z procesem dostosowywania polskich norm do systemu europejskiego (PN-EN), w Polsce stosuje się równocześnie także inne zasady podziału stali (np. podane w normach PN oraz PN- ISO). 12

13 KLASY JAKOŚCI STALI NIESTOPOWYCH Stale niestopowe (zgodnie z normą PN-EN 10020:2003) mogą być podzielone ze względu na klasy jakości na: - jakościowe i specjalne. Przykłady klasyfikacji stali niestopowych z podziałem na główne klasy jakościowe oraz z dodatkowym podziałem na grupy lub podklasy własności i zastosowania podano w tablicy 5.9. Tablica 5.9 Przykłady klasyfikacji stali Niestopowych. STALE STOPOWE NIERDZEWNE Do klasy stali nierdzewnych należą stale zawierające co najmniej 10,5% Cr oraz co najwyżej 1,2% C. Uwzględniając stężenie niklu, stale nierdzewne można podzielić na: zawierające <2,5% Ni i na zawierające >2,5% Ni. Przyjmując za kryterium podziału najbardziej istotną własność, stale nierdzewne dzielone są na:stale odporne na korozję, stale żaroodporne i stale odporne na pełzanie (żarowytrzymałe). Przykłady podziału stali nierdzewnych na dalsze grupy, zależne od głównych pierwiastków stopowych, podano w tablicy Tablica 5.10 Przykład klasyfikacji stali: stopowych nierdzewnych i specjalnych. 13

14 STALE STOPOWE SPECJALNE Stalom stopowym specjalnym nadaje się najbardziej zróżnicowane oraz ściśle określone własności mechaniczne, technologiczne i użytkowe przez dokładne regulowanie składu chemicznego i sterowanie procesem produkcyjnym. Obejmują one wszystkie gatunki stali, które nie zostały ujęte w klasie stali nierdzewnych oraz stopowych jakościowych. Stale stopowe specjalne dzielą się na następujące zasadnicze podklasy: - stale maszynowe (do budowy maszyn), - stale na urządzenia ciśnieniowe, - stale konstrukcyjne, - stale szybkotnące, - stale narzędziowe stopowe, - stale na łożyska toczne, - stale o szczególnych własnościach fizycznych. Przykład klasyfikacji stali stopowych specjalnych i nierdzewnych podano w tablicy Oznaczanie stali Oznaczanie stali według NORM EUROPEJSKICH. Zgodnie z normami europejskimi obowiązują dwa systemy oznaczania stali: - znakowy (według PN-EN :1994); znak stali składa się z symboli literowych i cyfr, - cyfrowy (według PN-EN :1994); numer stali składa się tylko z cyfr. Każdy gatunek stali ma nadany znak i numer, jednoznacznie identyfikujące tylko jeden materiał. Symbole w znaku stali są tak dobrane, że wskazują na jej główne cechy (np. na zastosowanie, własności mechaniczne lub fizyczne, albo skład chemiczny), co ułatwia przybliżoną identyfikację gatunku stali. Numer stali, który można podawać zamiast znaku, jest łatwiejszy do elektronicznego przetwarzania danych, gdyż składa się tylko z pięciu cyfr. Znak stali Znak stali składa się z symbolu głównego oraz symboli dodatkowych charakteryzujących inne cechy wyróżniające tę stal lub wykonany z niej produkt hutniczy. Znaki stali dzielą się na dwie główne grupy: - znaki z symbolami wskazującymi na zastosowanie oraz własności mechaniczne lub fizyczne stali (tabl. 8.11), - znaki z symbolami wskazującymi na skład chemiczny stali (tabl.8.12). W pierwszej grupie znaków stali, symbol główny zawiera litery i cyfry oznaczające grupę stali lub produktów, wymagane charakterystyczne własności (np. wartość minimalnej granicy plastyczności lub maksymalnej stratności magnetycznej) oraz niekiedy następne litery (oznaczające np. rodzaj obróbki produktu). Szczegółowe dane o znaczeniu symboli dodatkowych, zawierających dodatkowe informacje, podano przy opisie poszczególnych stali. 14

15 Tablica 5.11 Składniki symbolu głównego znaku stali oznaczanych według ich zastosowania oraz własności mechanicznych lub fizycznych. Tablica 5.12 Składniki symbolu głównego znaku stali oznaczanych według ich składu chemicznego. 15

16 Numer stali Zgodnie z normą PN-EN :1994 każdy gatunek stali jest oznaczony także numerem, który można podać zamiast znaku stali. Numer stali zawiera 5 cyfr: l.xxnn, gdzie: 1 oznacza stal (ogólniej stop żelaza), xx - dwie cyfry oznaczające grupę stali, a nn - dwie cyfry wyróżniające konkretny gatunek w grupie (np ). Grupy stali 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. Inne systemy oznaczania stali Oznaczenia stali według norm PN oraz PN-ISO są zróżnicowane i nie stanowią jednego spójnego systemu. Najczęściej znaki stali charakteryzują w przybliżeniu skład chemiczny materiału. Szczegóły sposobu oznaczania niedostosowanego do systemu norm europejskich podano przy opisie poszczególnych grup stali. Należy podkreślić, że w związku z niezakończonym procesem dostosowywania polskich norm do systemu europejskiego (PN-EN) w Polsce obowiązują równocześnie różne zasady oznaczania stali. Należy liczyć się z tym, że dotychczas obowiązujące oznaczenia niektórych stali według norm PN zostaną w najbliższym czasie całkowicie wycofane wraz z konsekwentnym wprowadzaniem systemu norm europejskich PN-EN. Stale niestopowe Stale węglowe jako modelowa grupa stali niestopowych Zdefiniowano stale niestopowe jako stopy żelaza z węglem zawierające również inne pierwiastki chemiczne o stężeniu mniejszym od wartości granicznych podanych w normie PN- EN 10020:2003 (porównaj tabl. 8.8). Równocześnie można uważać, że stopy żelaza z węglem są stalami węglowymi (jak je określano zgodnie z tradycją metaloznawczą od przełomu XIX i XX wieku). Stal węglową można traktować jako szczególną grupę stali niestopowych. Struktury stali węglowych W zależności od stężenia węgla stale węglowe w stanie wyżarzonym charakteryzują się zróżnicowaną strukturą. Stale o bardzo małym stężeniu węgla ok. 0,1% wykazują strukturę ferrytu. Przy większym stężeniu węgla w strukturze stali pojawia się perlit, a stal ma strukturę ferrytyczno-perlityczną. Przy stężeniu ok. 0,4% C udziały perlitu i ferrytu w strukturze stali są zbliżone. W stali o stężeniu ok. 0,6-0,7% C ferryt występuje w postaci jasno trawiącej się siatki wokół ziarn perlitu. Strukturę czysto perlityczną ma stal o stężeniu 0,77% C. W stalach nadeutektoidalnych na granicach ziarn perlitu występuje siatka cementytu o grubości zwiększającej się wraz ze wzrastającym stężeniem węgla w stali. Struktury stali węglowych chłodzonych z dużą szybkością różnią się zdecydowanie od uzyskanych w warunkach zbliżonych do stanu równowagi. 16

17 Wpływ węgla na własności stali węglowych Dominujący wpływ na strukturę i własności stali węglowych wywiera węgiel. W miarę podwyższania stężenia tego pierwiastka w stali zmniejszeniu ulega udział miękkiego i plastycznego ferrytu w strukturze stali, a zwiększeniu udział twardego i kruchego cementytu. Z tego względu stale o większym stężeniu węgla wykazują większą twardość, wytrzymałość na rozciąganie R m i granicę plastyczności R e (rys. 5.13). Zwiększenie stężenia węgla powoduje przy tym jednoczesne zmniejszenie własności plastycznych i ciągliwości stali, a w szczególności - wydłużenia A i przewężenia Z określanych w próbie rozciągania, oraz pracy łamania K (udarności KC) określanej w próbie zginania udarowego. Stężenie węgla decyduje również o własnościach technologicznych stali. Przy większym stężeniu węgla stal cechuje się większym współczynnikiem liniowej rozszerzalności cieplnej i mniejszą przewodnością cieplną, co zwiększa naprężenia cieplne i skłonność do pęknięć w trakcie obróbki cieplnej. Zwiększone stężenie węgla pogarsza podatność stali na obróbkę plastyczną na zimno i na gorąco. Węgiel o stężeniu 0,25% zdecydowanie pogarsza również spawalność stali. Stale niskowęglowe o stężeniu węgla mniejszym od 0,25% - ze względu na dużą ciągliwość - wykazują gorszą skrawalność niż stale o strukturze perlitycznej. Stale nadeutektoidalne - ze względu na znaczny udział kruchego i twardego cementytu - charakteryzuje również obniżona skrawalność. Rysunek 5.13 Wpływ węgla na własności mechaniczne stali węglowych. 17

18 Rola domieszek, zanieczyszczeń i wtrąceń niemetalicznych w stalach niestopowych Wpływ domieszek i zanieczyszczeń na własności stali Domieszki występują w stalach niestopowych jako pozostałość z procesu metalurgicznego wytapiania stali, a także w wyniku przetapiania złomu stalowego. Mangan działa korzystnie, tworząc siarczek MnS o wyższej temperaturze topnienia od siarczku żelaza. Powoduje jednak niekorzystny rozrost ziarn w czasie obróbki cieplnej i plastycznej na gorąco. Krzem powoduje korzystne obniżenie stężenia gazów w stali lanej i przeciwdziała segregacji fosforu i siarki. Fosfor i siarka stanowią zanieczyszczenia niekorzystne. Stale zawierające fosfor charakteryzują się podwyższoną temperaturą przejścia w stan kruchości, skłonnością do kruchości na niebiesko, gruboziarnistości i segregacji. Siarka tworzy siarczki MnS o temperaturze topnienia do 1620 C i FeS, ciekłe już w 1000 C co powoduje kruchość stali na gorąco, zwłaszcza podczas obróbki plastycznej Siarka o dużej skłonności do segregacji pogarsza spawalność i wytrzymałość stal na zmęczenie. Wodór działa zdecydowanie szkodliwie, powodując powstawanie płatków śnieżnych, odwęglenia, pęcherzy gazowych oraz segregacji fosforu. Azot powoduje zmniejszenie plastyczności i kruchości na niebiesko, a także zwiększenie skłonności stali do starzenia, szczególnie po zgniocie. Tlen powoduje zmniejszenie własności wytrzymałościowych oraz plastycznych stali. Z tego względu jest bardzo istotne odtlenianie kąpieli stalowej. Znaczenie wtrąceń niemetalicznych W stalach występują również wtrącenia niemetaliczne, stanowiące nieciągłości w osnowie metalicznej stali, co niekorzystnie wpływa na własności mechaniczne stali. Wtrącenia niemetaliczne mogą być: - endogeniczne - takie jak siarczki, tlenki i krzemiany, które powstają w ciekłej stali podczas procesu stalowniczego, - egzogeniczne, do których zalicza się głównie cząstki materiałów ogniotrwałych stanowiących wyłożenie pieca, rynien spustowych i kadzi, dostające się z zewnątrz do ciekłej stali. 18