Akademia Morska w Szczecinie Instytut InŜynierii Transportu Zakład Techniki Transportu Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotów Materiałoznawstwo i Nauka o materiałach Identyfikacja materiałów konstrukcyjnych Ŝelaznych - stale i staliwa Opracowali: mgr inŝ. Joanna Tuleja Dr inŝ. Jarosław Chmiel Zatwierdził: dr inŝ. Jarosław Chmiel Szczecin 2008
2
1. Wprowadzenie Stopy Ŝelaza naleŝą do najwaŝniejszej grupy materiałów konstrukcyjnych stosowanych przez człowieka. Wykorzystywane są od ok. 2000 roku p.n.e. i prawdopodobnie jeszcze długo ten stan się nie zmieni. Przyczyny popularności tej grupy materiałów wynikają z: - powszechności występowania w skorupie ziemskiej Ŝelaza (ok. 4,5%) najczęściej w postaci tlenków z których we względnie łatwy sposób moŝna odzyskać Ŝelazo; - względnie niska temperatura topnienia Ŝelaza 1583 C umoŝliwia jego otrzymywanie w stanie ciekłym co jest szczególnie istotne przy formowaniu i kształtowaniu, niemoŝność wystąpienia dyfuzji w stanie stałym co powoduje, Ŝe właściwości stopów Ŝelaza w temperaturze otoczenia pozostają niezmienne; - stopy Ŝelaza charakteryzują się występowaniem przemian fazowych, efektem tego jest moŝliwość uzyskania materiałów konstrukcyjnych o bardzo róŝnorodnych właściwościach, które moŝemy dostosować do naszych potrzeb. Na dzień dzisiejszy ponad 90% materiałów metalicznych stosowanych przez człowieka stanowią stopy Ŝelaza. 2. Podstawowe pojęcia Podstawowymi składnikami materiałów metalicznych Ŝelaznych są: Ŝelazo; węgiel. Stopy Ŝelaza ze względu na zawartość węgla dzielimy na: staliwa i stale; Ŝeliwa i surówki. Stalą wg normy PN-EN 10020 przyjęto nazywać materiał zawierający wagowo więcej Ŝelaza niŝ jakiegokolwiek innego pierwiastka, w zasadzie mniej niŝ 2% węgla i inne pierwiastki. Dotychczas analizowano stopy Ŝelaza z węglem jako stopy materiały dwuskładnikowe. Na podstawie zawartości węgla przyjęty jest zwyczajowy podział stali na nisko, średnio i wysokowęglowe (tablica 1) Staliwo - jest to stop Ŝelaza z węglem o zakresie składów takim samym jak stale ale stosowany w w stanie lanym. Tablica 1 Podział stali ze względu na zawartość węgla Stale Zawartość węgla % Przykłady zastosowań Niskowęglowe < 0,25 Stale na konstrukcje spawane, stale automatowe, stale do nawęglania, stale dla budownictwa Średniowęglowe 0,25 0,60 Stale konstrukcyjne, stale spręŝynowe, stale na narzędzia obciąŝone dynamicznie Wysokowęglowe > 0,60 Stale narzędziowe, stale na łoŝyska toczne Wiadomo z praktyki, Ŝe oprócz Ŝelaza i węgla, stale zawierają teŝ i inne pierwiastki. NaleŜy zatem przeanalizować wpływ róŝnych grup pierwiastków na strukturę i właściwości stopów 3
Ŝelaza z węglem. NajwaŜniejsze grupy tych pierwiastków to zanieczyszczenia, domieszki metalurgiczne i pierwiastki stopowe. Zanieczyszczenia Jako zanieczyszczenia się pierwiastki pochodzące z rud metali bądź wprowadzone do stopu w trakcie procesu metalurgicznego lub innych zbiegów technologicznych, oddziaływujące szkodliwie na właściwości uŝytkowe stopu. Główne zanieczyszczenia występujące w stopach Ŝelaza to - Siarka występująca w rudach Ŝelaza i materiałach wsadowych, - fosfor występujący w rudach Ŝelaza i materiałach wsadowych, - tlen wprowadzany w trakcie świeŝenia surówki, - wodór wprowadzony w trakcie trawienia stali w roztworach kwasów. NajwaŜniejszym skutkiem obecności zanieczyszczeń jest pogorszenie plastyczności stali i odporności na kruche pękanie. Zawartość zanieczyszczeń a zwłaszcza siarki i fosforu stanowi kryterium podziału stali na klasy jakościowe. Norma PN-EN 10020 Stal klasyfikacja wyróŝnia - stale podstawowe - gatunki stali o takich wymaganiach jakościowych, które moŝna osiągnąć w ogólnie stosowanym procesie stalowniczym, bez dodatkowych zabiegów technologicznych. - stale jakościowe - gatunki stali dla których w zasadzie nie określa się właściwości w stanie obrobionym cieplnie i czystości metalurgicznej wyraŝonej stopniem zanieczyszczenia wtrąceniami niemetalicznymi; ze względu na warunki zastosowania wyrobów ze stali jakościowych, wymagania jakościowe są wyŝsze niŝ dla stali podstawowych, co wymaga większej staranności podczas produkcji. - stale specjalne - gatunki stali, które charakteryzują się wyŝszym niŝ gatunki stali jakościowych stopniem czystości metalurgicznej, szczególnie w zakresie zawartości wtrąceń niemetalicznych; są one przewaŝnie przeznaczone do ulepszania cieplnego lub hartowania powierzchniowego i są one podatne na taką obróbkę cieplną; przez dokładny dobór składu chemicznego oraz przestrzeganie specjalnych warunków produkcji stali i kontroli przebiegu procesów technologicznych uzyskuje się róŝnorodne własności przetwórcze i uŝytkowe stali często równocześnie i w zawęŝonych granicach np. wysoką wytrzymałość lub hartowność z równocześnie dobrą podatnością na kształtowanie, spawanie, ciągliwością itp. Domieszki metalurgiczne Do tej kategorii zalicza się pierwiastki wprowadzone celowo dla przeprowadzenia określonych reakcji metalurgicznych, w szczególności dla związania zanieczyszczeń. NajwaŜniejsze z tych pierwiastków to: mangan stosowany do odsiarczania stali, wapń w postaci wapna palonego stosowany do wiązania fosforu, krzem do odtleniania, aluminium do odtleniania końcowego. 4
Pierwiastki powyŝsze wprowadzane są do ciekłego stopu w nieznacznym nadmiarze, tak by doprowadzić do całkowitego związania zanieczyszczeń. NaleŜy zwrócić uwagę, Ŝe niektóre z domieszek (Mn, Si, Al) mogą występować jako pierwiastki stopowe. Jako domieszki traktować naleŝy równieŝ wiele pierwiastków, których zawartość nie przekracza granic określonych w normie, a które nie mają szkodliwego wpływu na właściwości stali. Pierwiastki te najczęściej dostają się do stopu podczas procesu stalowniczego, wraz ze złomem stosowanym jako materiał wsadowy. Graniczne wartości pierwiastków podano w tablicy 2. Jeśli zawartość pierwiastków jest niŝsza od granicznej to stal nazywamy stalą niestopową, jeŝeli zaś wyŝsza stalą stopową. Tablica 2 Graniczne wartości pierwiastków stopowych wg PN-EN 10020 Pierwiastek Zawartość graniczna (% wagowy) Al Aluminium 0,10 B Bor 0,0008 Bi Bizmut 0,10 Co Kobalt 0,10 Cr Chrom 0,30 Cu Miedź 0,40 La i inne lantanowce, kaŝdy 0,05 Mn Mangan 1,65 Mo Molibden 0,08 Nb Niob2 0,06 Ni Nikiel 0,30 Pb Ołów 0,40 Se Selen 0,10 Si Krzem 0,50 Te Tellur 0,10 Ti Tytan 0,05 V Wanad 0,10 W Wolfram 0,10 Zr Cyrkon 0,05 Inne (oprócz węgla, siarki, fosforu, azotu), kaŝdy 0,05 Pierwiastki stopowe Jeśli stal zawiera pierwiastki wprowadzone celowo, w ilościach większych niŝ podano w tablicy 2, dla nadania jej określonych właściwości uŝytkowych i technologicznych, to stal taką nazywamy stalą stopową zaś pierwiastki stopowymi. NajwaŜniejsze pierwiastki stopowe w stalach to mangan, krzem, nikiel, chrom, molibden, wolfram, wanad, miedź. Przyjmuje się, Ŝe jeŝeli sumaryczna zawartość pierwiastków stopowych jest niŝsza od 5%, to stal jest stalą niskostopową, jeŝeli zaś wyŝsza to jest to stal wysokostopowa. W praktyce, ilości pierwiastków stopowych w stalach wysokostopowych są znacznie wyŝsze od 5%. Specyficznym rodzajem pierwiastków stopowych są tzw. mikrododatki (np. bor), wprowadzane w ilościach rzędu 0,001 do 0,1%. 5
Układ równowagi Ŝelazo węgiel Wg. Chipmana w K.Przybyłowicz Metaloznawstwo 6
Składniki fazowe Ferryt - jest międzywęzłowym roztworem stałym węgla w Fe a o strukturze A2 (RPC). Na obrazie mikroskopowym ferryt ma wygląd równoosiowych ziaren o wyraźnych granicach. Rozpuszczalność węgla w ferrycie niskotemperaturowym jest minimalna, w temp. otoczenia 0,008% do 0,02% w temp. 723 C, w ferrycie wysokotemperaturowym od 0% w temp. 1390 Cdo 0,1% w temp. perytektycznej 1493 C. Własności; ferryt jest fazą bardzo miękką i plastyczną o małej wytrzymałości na rozciąganie, dzięki temu stopy ferrytyczne nadają się do obróbki plastycznej, ok. 80 HB. Austenit - jest międzywęzłowym roztworem stałym węgla w Fe y o strukturze A l (RSC). Na obrazie mikroskopowym austenit ma wygląd równoosiowych ziaren o charakterystycznych prostoliniowych granicach, zazwyczaj z licznymi bliźniakami. Rozpuszczalność węgla w austenicie jest większa niŝ w ferrycie od 0,8% przy temp 723 C, do 2,06% przy temp. eutektycznej 1147 C. W czystych stopach Ŝelaza z węglem w temp. poniŝej 723 C austenit jest nietrwały -O ulega eutektoidalnemu rozpadowi na mieszaninę ferrytu i cementytu. Własności: austenit jest fazą stosunkowo twardą, o znacznej wytrzymałości na rozciąganie, a przy tym bardzo ciągliwą. Dzięki temu stopy austenityczne podatne są do obróbki plastycznej, ale odznaczają się złą skrawalnością, ok. 200 HB. Węgiel w stopach Ŝelaza występuje w trzech odmianach: w stanie wolnym jako grafit; w stanie związanym jako węglik Ŝelaza FeiC; w postaci roztworu. Cementyt jest fazą międzywęzłową o strukturze złoŝonej układu rombowego, zawierającą cięŝarowe 6,67% C. Własności: odznacza się duŝą kruchością i twardością (HB - 700) oraz nieznacznie mniejszą niŝ Ŝelazo gęstością oraz duŝą odpornością chemiczną. Cementyt do temp. 210 C jest ferromagnetyczny, a w wyŝszych temperaturach paramagnetyczny. Ze względu na znaczny udział wiązania metalicznego obok kowalencyjnego cementyt wykazuje własności metaliczne. Cementyt jest fazą nietrwałą, ulegającą w podwyŝszonych temperaturach rozkładowi (grafityzacji): Fe 3 C» 3Fe + C grafit, z tego powodu rozróŝnia się odpowiednio dwa układy równowagi. Z roztworu ciekłego moŝe krystalizować zarówno grafit, jak i cementyt, zaleŝnie od warunków odprowadzania ciepła, składu chemicznego i innych czynników. WyróŜniamy: - cementyt pierwotny - krystalizuje z roztworu ciekłego, w postaci duŝych, grubych igieł; - cementyt wtórny - wydziela się z austenitu w wyniku zmniejszania rozpuszczalności węgla przy obniŝaniu temperatury w zakresie 1147-723 C oraz powstaje z eutektoidalnego rozpadu austenitu w temp. 723 C. W pierwszym przypadku ma na obrazie mikroskopowym najczęściej postać siatki otaczającej ziarna (rzadziej igieł), w drugim - najczęściej płytek rozmieszczonych na przemian z płytkami ferrytu, rzadziej kulek w osnowie ferrytu; - cementyt trzeciorzędowy - wydziela się z ferrytu przy zmniejszaniu rozpuszczalności 7
przy obniŝaniu temp. poniŝej 723 C, na obrazie mikroskopowym ma najczęściej wygląd małych wydzieleń na granicach lub w obrębie ziaren ferrytu. Składniki strukturalne Perlit jest mieszaniną eutektoidalną nasyconego ferrytu i cementytu wtórnego o zawartości węgla 0,8% powstającą jako produkt rozpadu austenitu w temp. 723 C. Na obrazie mikroskopowym perlit przy dostatecznym powiększeniu ma wygląd równoosiowych ziaren, w których występują pęki róŝnie zorientowane równoległych płytek ferrytu i cementytu. Perlit ma budowę płytkową (na przemian rozłoŝone płytki ferrytu i cementytu) o dyspersji zaleŝnej od szybkości chłodzenia podczas przemiany. Własności: jest składnikiem strukturalnym o dobrej wytrzymałości i niezłej ciągliwości (twardość HB= 180-280, zaleŝnie od grubości płytek). Perlit Ledeburyt jest mieszaniną eutektyczną nasyconego austenitu i cementytu pierwotnego o zawartości węgla 4,3% krystalizującą w temp. 1147 C. W temp. eutektoidalnej austenit podlega rozpadowi na ferryt i cementyt wtórny, poniŝej 723 C ledeburyt nosi nazwę przemienionego i składa się z cementytu wtórnego i' pierwotnego oraz perlitu, ponadto pojawiają się w ledeburycie przemienionym wydzielenia cementytu trzeciorzędowego. Na obrazie mikroskopowym ledeburyt przemieniony ma wygląd ciemnych nieregularnych pól (perlit) rozłoŝonych na jasnym tle cementytu pierwotnego. Własności; ledeburyt jest składnikiem strukturalnym twardym i kruchym, w związku z tym trudno skrawalnym, ok.450 HB Technologiczny podział stali Ze względu na zastosowany końcowy zabieg technologiczny wyróŝnia się stale: - kute; - walcowane; - ciągnione. Ze względu na zastosowaną obróbkę cieplną stale dzielimy na: - ujednorodnione; - normalizowane; - zmiękczane; - odpręŝone; 8
- ulepszone cieplnie; - hartowane; - przesycone; - surowe. Ze względu na zastosowanie rozróŝniamy m.in. stale: - konstrukcyjne; - narzędziowe (do pracy na zimno, do pracy na gorąco i stale szybkotnące); - odporne na korozję, - Ŝaroodporne, - Ŝarowytrzymałe, - o specjalnych właściwościach fizycznych, elektrycznych, magnetycznych). 3. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się ze strukturami róŝnych rodzajów stali i staliw, ich własnościami, zastosowaniem i oznaczeniami.. 4. Przebieg ćwiczenia Ćwiczenie polega na dokładnej obserwacji struktur róŝnych rodzajów stali i staliw. Wykonujący ćwiczenie ma za zadanie zidentyfikować badane materiały i wskazać poszczególne elementy struktury analizowanych stopów 5. Sprawozdanie Sprawozdanie powinno zawierać: - definicje stali i staliwa; - podstawowe sposoby klasyfikacji stali i staliw, - rysunki mikrostruktur identyfikowanych stali i staliw wraz z dokładnymi - opisami poszczególnych składników fazowych i strukturalnych; - wytyczne dotyczące oznaczania analizowanych grup materiałów; - przykłady zastosowania poszczególnych grup stali, staliw. 6. Wymagania - Podstawowe pojęcia charakteryzujące stale, staliwa. - Sposoby klasyfikacji stali i staliw. - Definicje składników fazowych i strukturalnych s"tali i staliw. 9
- Właściwości stali i staliw. - Przykłady zastosowania stali i staliw. 7. Literatura 1. Prowans St.: Materiałoznawstwo", PWN, Warszawa 1986 (str. 104-114 i 218-284). 2. Blicharski M.: Wstęp do inŝynierii materiałowe/', WNT, Warszawa 2001 (str. 226-263). 3. Dobrzański L.A.: Metaloznawstwo z podstawami nauki o materiałach", WNT, 4. Warszawa 1999 (str. 379-486). 5. Topoliński T.: Materiałoznawstwo", WUATR, Bydgoszcz 1999 (str. 49-77). 6. Domke W.: Vademecum materiałoznawstwa", WNT, Warszawa 1989 (str. 69-171). 7. Przybyłowicz K. Metaloznawstwo 8. Norma PN-EN 10020 Stal. Klasyfikacja 9. Norma PN EN 10027 Stal.Znakowanie 10