Akceptował: Kierownik Katedry prof. dr hab. B. Surowska POLITECHNIKA LUBELSKA WYDZIAŁ MECHANICZNY KATEDRA INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ Laboratorium Inżynierii Materiałowej ĆWICZENIE Nr 8 Opracowali: dr inż. Krzysztof Pałka dr Hanna Stupnicka I. Temat ćwiczenia: Struktury i właściwości stopów o szczególnych właściwościach. II. Cel ćwiczenia: Poznanie struktur stali i stopów o szczególnych właściwościach na podstawie obserwacji mikroskopowych, poszukiwanie związków między składem chemicznym a budową strukturalną i właściwościami stopów. III. Ważniejsze pytania kontrolne: 1. Klasyfikacja stali i stopów o szczególnych właściwościach. 2. Główne pierwiastki stopowe i ich rola w stopach o szczególnych właściwościach. 3. Składniki strukturalne stali oraz ich właściwości. 4. Równoważniki chromu i niklu. 5. Wykres Schafflera. 6. Węgliki pierwiastków stopowych w stalach charakterystyka: rodzaje i właściwości, powstawanie, wpływ na właściwości stali. 7. Związki międzymetaliczne charakterystyka: rodzaje i właściwości, powstawanie, wpływ na właściwości stali. 8. Rodzaje korozji stali. 9. Żaroodporność, czynniki wpływające na prędkość utleniania. 10. Żarowytrzymałość, zjawisko pełzania, metody ograniczenia zjawiska pełzania. 11. Zastosowania stali i stopów o szczególnych właściwościach. IV. Literatura: 1. Blicharski M.: Inżynieria materiałowa. Stal. WNT, Warszawa 2004. 2. Blicharski M.: Wstęp do inżynierii materiałowej. WNT, Warszawa 2006. 3. Dobrzański L. A.: Materiały inżynierskie i projektowanie materiałowe. Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo. WNT, Warszawa 2006. 4. Dobrzański L. A.: Metalowe materiały inżynierskie. WNT, Warszawa 2004. 5. Łuksza J., Skołyszewski A., Witek F., Zachariasz W.: Druty ze stali i stopów specjalnych. WNT, Warszawa 2006. 6. Przybyłowicz K.: Metaloznawstwo. WNT, Warszawa 2003. 7. Weroński A. (red.): Ćwiczenia laboratoryjne z inżynierii materiałowej. Wyd. Politechniki Lubelskiej, Lublin 2002. Politechnika Lubelska, Katedra Inżynierii Materiałowej, http://kim.pollub.pl
V. Przebieg ćwiczenia: 1. Materiały i urządzenia do badań 1.1. Komplet zgładów metalograficznych 1.2. Mikroskop metalograficzny 1.3. Atlas struktur 1.4. Wyciągi z Polskich Norm Europejskich Norm: PNEN 10088 oznaczenia i skład chemiczny stali odpornych na korozję PNEN 100881 oznaczenia i skład chemiczny stali żaroodpornych PNEN 10302 oznaczenia i skład chemiczny stali żarowytrzymałych PNEN 10090 oznaczenia i skład chemiczny stali zaworowych 1.5. Wykres Schafflera 1.6. Wzór protokółu badań. 2. Przebieg badań Prowadzący zajęcia sprawdza znajomość problematyki badawczej. Po dopuszczeniu do wykonania ćwiczenia należy wykonać następujące czynności: 2.1. Włączyć oświetlenie mikroskopu i sprawdzić jego działanie. Dobrać odpowiednie powiększenia 2.2. Dokonać przeglądu struktur wszystkich zgładów metalograficznych znajdujących się w komplecie i przeprowadzić ich identyfikację na podstawie atlasu struktur 2.3. Na podstawie składu chemicznego i wykresu Schafflera określić podstawowe struktury stali (uwzględnić zakres zawartości pierwiastków) oraz podać możliwe do utworzenia węgliki i związki międzymetaliczne 2.4. Dla stali odpornych na korozję określić odporność korozyjną na podstawie zaobserwowanej struktury i składników strukturalnych. 3. Opracowanie sprawozdania Sprawozdanie z przeprowadzonych badań powinno zawierać: 3.1. Cel badań, przedmiot badań 3.2. Rysunki obserwowanych mikrostruktur i ich opis 3.3. Analizę struktury w oparciu o wykres Schafflera oraz możliwości utworzenia węglików i faz międzymetalicznych 3.4. Wnioski dotyczące związków między składem chemicznym a budową strukturalną i właściwościami stali stopowych. Copyright by K. Pałka, H. Stupnicka, Lublin University of Technology, 20016 2
Tablica 1: Stale odporne na korozję (wybór z PNEN 10088:1998) Lp. [MPa] [%] C Mn Si P S twardość Cr Ni Mo W V Co Cu Ti Al N Rm Re0,2 A5 () () () () () 1 X6CrNiTi12 0,7 0,04 0,015 1 0,05 1 2 X6Cr13 550 160210 0 18 3 X12Cr13 1 650 1,0 0,04 0,015 5 13,5 0,75 450 15 4 X20Cr13 6 1,0 0,04 0,015 0,25 500 13 5 X29CrS13 0,25 5 1,0 0,04 0,32 0,25 13,5 6 X30Cr13 0,26 1,0 0,04 0,015 1000 650 10 7 X39Cr13 0,36 1 245 800 0,42 14,5 8 X46Cr13 0,43 1 5254 0 14,5 9 X50CrMoV15 0,45 5557 5 15,0 0,2 10 X90CrMoV18 5 17,0 0,9 0,07 5557 0,95 1,3 2 11 X70CrMo15 6 0,4 5558 1,0 0,7 0,04 0,015 0,75 16,0 12 X6Cr17 16,0 400 200 240 20 630 13 X3CrTi17 0,05 16,0 4(C+N)+5 450 185 270 20 0 600 14 X14CrMoS17 5 15,5 0,2 650 1,0 0,04 7 500 12 15 X3CrNb17 0,05 16,0 450 130 Nb = 12C 1,0 250 20 600 170 16 X105CrMo17 0,95 16,0 0,4 5760 17 X6CrMoNb171 18 X39CrMo171 0,33 0,45 1,0 0,04 0,015 19 X2CrTiNb18 0,03 20 X2CrMoTi182 0,025 21 X2CrMoTiS182 0,03 1,0 0,04 5 22 X2CrAlTi182 0,03 23 X2CrNiN187 0,03 2,0 1,0 0,045 0,015 24 X2CrNi189 0,03 2,0 1,0 0,045 0,015 25 X5CrNi1810 0,07 2,0 1,0 0,045 0,015 26 X10CrNi188 0,05 5 2,0 2,0 0,045 0,015 27 X6CrNiTi1810 2,0 1,0 0,045 0,015 28 X6CrNiNb1810 2,0 1,0 0,045 0,015 29 X2CrNi1911 0,03 2,0 1,0 0,045 0,015 30 X2CrNiMo17122 0,03 2,0 1,0 0,045 0,015 31 X2CrNiMo17133 0,03 2,0 1,0 0,045 0,015 32 X2CrNiMo18154 0,03 2,0 1,0 0,045 0,015 33 X4CrNi1812 0,06 2,0 1,0 0,045 0,015 34 X1CrNi2521 0,02 2,0 0,25 0,025 0,01 35 X1CrNiSi18154 0,015 2,0 3,7 4,5 0,025 0,01 36 X2CrNiMoN17112 0,03 2,0 1,0 0,045 0,015 37 X5CrNiMo17122 0,07 2,0 1,0 0,045 0,015 38 X1CrNiMoN25222 0,02 2,0 0,7 0,025 0,01 38 X6CrNiMoNb17122 2,0 1,0 0,045 0,015 40 X1NiCrMoCuN25207 0,02 1,0 0,03 0,01 41 X3CrNiMo134 0,05 0,7 0,04 0,015 16,0 1,0 1,4 15,5 17,0 20,0 17,0 16,5 19,5 17,0 19,5 16,0 17,0 17,0 20,0 16,5 16,5 19,5 17,0 24,0 16,5 16,5 16,5 24,0 16,5 21,0 1,3 Nb = 7(C+N)+ 1,0 Copyright by K. Pałka, H. Stupnicka, Lublin University of Technology, 20016 3 750 950 550 12 Nb = 3C+0,3 1,0 1,8 4(C+N)+5 450 200 320 20 0 0,03 650 2,0 0,3 Ti=4(C+N)+ 1,7 5 0 2,1 6,0 630 330 45 8,0 0,2 830 8,0 8,0 500 215 190 45 1 5C 0,7 Nb = 10C 1,0 2,0 3,0 3,0 4,0 0,2 0,2 2,0 2,0 2,0 2,0 6,0 7,0 0,3 0,7 2 0,22 2 0,22 6 Nb = 10C 1,0 5 0,25 min 0,02 6,0 9,5 9,0 9,0 13,0 11,0 13,0 16,0 11,0 13,0 20,0 16,0 13,0 21,0 23,0 1 13,5 24,0 3,5 4,5 500 500 510 440 640 440 640 195 190 205 230 215 230 205 15 185 25 130200 500 500 470 670 530 730 590 780 200 190 15 215 215 200 210 230 295 540 510 650 650 830 250 215 300 35 230 250 520 12
Lp. C () Mn () Si () P () S () 42 X5CrNiCuNb164 0,07 0,7 0,04 0,015 43 X4CrNiMo1651 0,06 0,7 0,04 0,015 44 X7CrNiAl177 0,09 1,0 0,7 0,04 0,015 45 X2CrNiN234 0,03 2,0 1,0 0,035 0,015 46 X2CrNiMoN2574 0,03 2,0 1,0 0,035 0,015 47 X2CrNiMoCuN2563 0,03 2,0 0,7 0,035 0,015 48 X2CrNiMoCuWN2574 0,03 1,0 1,0 0,035 0,015 [MPa] [%] Cr Ni Mo W V Co Cu Ti Al N Rm Re0,2 A5 twardość 15,0 3,0 3,0 1070 Nb= 5C 0,45 17,0 5,0 5,0 1270 1000 10 15,0 4,0 min 760 17,0 6,0 0,02 960 550 14 16,0 6,5 0,7 255 7,8 3,5 0,05 600 260 0 25 24,0 5,5 0,2 830 24,0 6,0 3,0 0,2 8,0 4,5 24,0 5,5 2,7 1,0 5 7,5 4,0 0,3 24,0 6,0 3,0 0,2 8,0 4,0 1,0 1,0 0,3 Tablica 2: Stale żaroodporne (wybór z PNEN 100881:2005) Lp. Max [MPa] [%] temp. Mn pracy, C () Si () P () S () Cr Ni Mo Al N Rm Rp0,2 A5 twardość () C 1 X10CrAlSi7 2 6,08,0 1,0 420620 220 22 192 800 2 X10CrAlSi13 2 1,0 0,71,4 0,04 0,015 0,7 450650 220 15 192 3 X10CrAlSi18 2 1,0 0,71,4 0,04 0,015 17,0 0,7 500 270 15 212 1000 4 X10CrAlSi25 2 1,0 0,71,4 0,04 0,015 23,0 1,7 520720 280 10 223 1150 5 X18CrN28 50,2 5 29,0 0,25 500 280 15 212 1100 6 X3CrAlTi182 0,04 7 X15CrNiSi254 0,2 2,0 0,04 0,015 8 X6CrNiSiNCe1910 0,04 1,0 1,02,0 0,045 0,015 9 X15CrNiSi2012 0,2 2,0 0,045 0,015 10 X9CrNiSiNCe21112 0,05 2 1,0 1,4 0,045 0,015 11 X12CrNi2313 5 2,0 1,0 0,045 0,015 12 X25CrMnNiN2597 0,20,3 8,0 1,0 0,045 0,015 13 X8CrNi2521 2,0 0,045 0,015 14 X15CrNiSi2521 0,2 2,0 0,045 0,015 15 X10NiCrAlTi3221 2 2,0 1,0 0,03 0,015 16 X6NiCrNbCe3227 0,04 1,0 0,3 0,02 0,01 17 X12NiCrSi3516 5 2,0 1,02,0 0,045 0,015 18 X10NiCrSi3519 5 2,0 1,02,0 0,03 0,015 19 X10NiCrSiNb3522 5 2,0 1,02,0 0,03 0,015 20 X6NiCrSiNCe3525 0,04 2,0 1, 0,04 0,015 17,0 24,5 26,5 20,0 21,0 20,0 28,0 24,0 1,72,1 Ti: 0,2+4(C +N) 500650 280 200 1000 3,55,5 600 0 16 235 1100 9,011,0 11,0 13,0 24,0 24,0 24,0 24,0 23,0 Ce: 0,03 20,2 600800 290 210 1050 55750 230 30 223 1000 Ce: 0,03 20,2 650 310 210 1150 500 210 35 192 1000 6,08,0 0,20,4 30,0 34,0 31,0 33,0 15,0 17,0 17,0 20,0 20,0 23,0 33,0 37,0 33,0 37,0 33,0 37,0 34,0 36,0 1050 500 25 311 1150 500 210 35 192 1050 550750 230 30 223 1150 5 Nb: 1,0 0,025 Ti: 5 Ce: 0,05 450680 170 30 192 1100 500750 180 35 223 1150 55750 230 30 223 1100 500650 270 200 1100 500650 270 200 1100 Ce: 0,03 20,2 650 300 210 1170 Copyright by K. Pałka, H. Stupnicka, Lublin University of Technology, 20016 4
Tablica 3: Stale żarowytrzymałe (wybór z PNEN 10302:2003) Lp. 1 X11CrMoWVNb911 2 X20CrMoWV121 3 X8CrNiNb1613 4 X12CrNiWTiB1613 5 X8CrNiMoVNb1613 6 X6CrNiWNbN1616 7 X8CrNiMoNb1616 8 X6CrNiMoTiB1713 9 X8CrCoNiMo106 10 X12CrCoNi2120 11 X5NiCrAlTi3120 12 X8NiCrAlTi3221 0,05 P () S () 0,02 0,01 [MPa] [%] [MPa] N Al Cr Mo Ni Nb V W Co B Rm Rp0,2 A C () 0,09 3 7 0,24 0,04 0,07 5 0,04 0,04 0,04 0,04 0,05 2 6 0,03 Mn () 0,3 0,3 Si () 0,3 0,05 0,09 0,04 0,025 0,015 0,035 0,015 0,035 0,015 0,035 0,015 0,035 0,015 0,3 0,3 0,3 0,06 4 0,06 4 0,035 0,015 2,0 0,75 0,035 0,015 0,3 1,3 2,0 1,0 0,035 0,015 0,025 0,015 0,035 0,2 0,7 0,015 0,01 0,7 0,015 0,01 0,2 0,2 5 1,1 1,6 2,0 2,0 1,0 3,5 30,0 34,0 8,5 9,5 11,0 1 15,0 17,0 15,5 15,5 15,5 15,5 16,0 9,8 1 20,0 2 0,9 1,1 1,4 0,3 1 14,5 1 14,5 15,5 15,5 0,2 21,0 30,0 3 0,06 10C 0,0005 0,005 Ti=0,4 0,7 5 3,0 0,0015 0,006 10C 10C 10C Ti: 5C 0,2 0,75 5 Ti: 0,25 5 3,5 0,4 0,7 2,0 3,0 Cu: Cu 0,0015 0,006 5,0 7,0 21,0 0,005 0,015 Ti 0,2 8 0,25 0,2 0,9 1,1 0,4 620 950 510 710 500 750 540 540 530 690 530 730 1000 1140 690 900 500 750 500 750 R1/1000/t RZ/10000/t 450 19 66 82 500 14 29 40 195 35 78 103 230 30 109 135 255 30 128 157 250 30 113 147 215 35 108 137 205 35 118 152 10 265 600 C 300 30 154 217 170 30 78 91 170 35 59 C 73 C Tablica 4: Stale zaworowe (wybór z PNEN 10090:2001) Lp. 1 X45CrSi93 2 X40CrSiMo102 3 X85CrMoV182 4 X55CrMnNiN208 5 X53CrMnNiNbN219 6 X50CrMnNiNbN219 7 X53CrMnNiN219 8 X33CrNiMnN238 9 X85CrMoV182 C () twardość 0,4 0,45 0,9 0,48 8 0,45 5 0,48 8 0,28 0,38 0,9 Mn () Si () 2,7 3,3 2,0 3,0 P () S () 0,04 0,03 0,04 0,03 1,0 0,04 0,03 7,0 8,0 8,0 8,0 3,5 0,25 0,045 0,03 0,45 0,045 0,03 0,45 0,045 0,03 0,25 0,045 0,03 1,0 0,045 0,03 1,0 0,04 0,03 Cr Ni Mo W V Ti Al Nb Rm Rp0,2 A 8,0 9,5 1 16,5 19,5 2 20,0 20,0 20,0 24,0 16,5 2,75 3,25 4,5 3,5 5,5 3,25 4,5 7,0 9,0 1,3 2,0 0,3 2,0 0,3 0,2 0,4 C+ min 0,9 Nb+Ta: 2,03,0 Nb+Ta: 1,8 [MPa] [%] [MPa] 900 1100 900 1100 1000 1200 900 1150 0,38 0,4 0,25 950 1150 950 1150 950 1200 1100 1000 1200 14 14 800 7 550 8 580 8 580 12 580 8 550 20 800 7 266 325 266 325 296 355 28 30 30 30 25 296 355 Rm Rp0,2 RZ/10000/t 170 120 40 220 180 40 230 170 52 490 230 160 510 280 215 550 285 220 500 270 200 470 210 200 230 170 52 Copyright by K. Pałka, H. Stupnicka, Lublin University of Technology, 20016 5
Cr E = %Cr + 1,4 %Mo + %Si + %Nb + 2 %Ti Ni E = %Ni + 30 %C + %Mn + 30 %N Rys. 1: Wykres Schafflera [4] Copyright by K. Pałka, H. Stupnicka, Lublin University of Technology, 20016 6
Atlas struktur stali stopowych Mikrostruktura stali X12Cr13 po walcowaniu i wyżarzaniu. Widoczne ziarna ferrytu z węglikami, duże zanieczyszczenie wtrąceniami niemetalicznymi. Trawiono nitalem, pow. 250x Mikrostruktura stali X20Cr13 po wyżarzaniu. Jasne ziarna ferrytu i duża ilość węglików. Trawiono nitalem, pow. 250x Mikrostruktura stali X10CrTi25. Widoczne jasne ziarno ferrytu z węglikami oraz pasma wtrąceń niemetalicznych. Trawiono wodą królewską, pow. 250x Mikrostruktura stali żaroodpornej X10CrAlSi25. Widoczna struktura ferrytyczna. Trawiono HFxHNO 3, pow. 150x Mikrostruktura stali X10CrNi188 po przesycaniu. Widoczne charakterystyczne ziarna austenitu z bliźniakami. Trawiono HFxHNO 3, pow. 250x Mikrostruktura stali X2CrNiMo17122 po przesycaniu. Widoczne charakterystyczne ziarna austenitu z bliźniakami. Trawiono wodą królewską, pow. 250x Politechnika Lubelska, Katedra Inżynierii Materiałowej, http://kim.pollub.pl
Mikrostruktura stali X10CrNi188 po przeróbce plastycznej na zimno. Widoczne zniekształcone ziarna austenitu oraz pasma poślizgu. Trawiono wodą królewską, pow. 250x Mikrostruktura stali X2CrNi17122 po przeróbce plastycznej na zimno. Widoczne zniekształcone ziarna austenitu oraz pasma poślizgu. Trawiono wodą królewską, pow. 400x Mikrostruktura stali X2CrNiMo17122 po przesycaniu. Widoczne charakterystyczne ziarna austenitu z bliźniakami. Trawiono wodą królewską, pow. 1000x Mikrostruktura stali X2CrNiMo17122 po przeróbce plastycznej na zimno. Widoczne pasma poślizgu w ziarnach. Trawiono wodą królewską, pow. 600x Mikrostruktura stali X12Mn12 po walcowaniu i przesycaniu. Widoczne ziarna austenitu z bliźniakami rekrystalizacji. Trawiono HFxHNO 3, pow. 125x Mikrostruktura stellitu stop na bazie kobaltu. Widoczne kryształy roztworu stałego w osnowie stopowej. Trawiono wodą królewską, pow. 250x Copyright by K. Pałka, H. Stupnicka, Lublin University of Technology, 20016 8