Read stale i staliwa text version

Akademia Morska w Szczecinie Instytut Inynierii Transportu Zaklad Techniki Transportu

Instrukcja do wicze laboratoryjnych z przedmiotów

Materialoznawstwo i Nauka o materialach

Identyfikacja materialów konstrukcyjnych elaznych - stale i staliwa

Opracowali: mgr in. Joanna Tuleja Dr in. Jaroslaw Chmiel

Zatwierdzil: dr in. Jaroslaw Chmiel

Szczecin 2008

2

1. Wprowadzenie

Stopy elaza nale do najwaniejszej grupy materialów konstrukcyjnych stosowanych przez czlowieka. Wykorzystywane s od ok. 2000 roku p.n.e. i prawdopodobnie jeszcze dlugo ten stan si nie zmieni. Przyczyny popularnoci tej grupy materialów wynikaj z: - powszechnoci wystpowania w skorupie ziemskiej elaza (ok. 4,5%) najczciej w postaci tlenków z których we wzgldnie latwy sposób mona odzyska elazo; - wzgldnie niska temperatura topnienia elaza 1583°C umoliwia jego otrzymywanie w stanie cieklym co jest szczególnie istotne przy formowaniu i ksztaltowaniu, niemono wystpienia dyfuzji w stanie stalym co powoduje, e wlaciwoci stopów elaza w temperaturze otoczenia pozostaj niezmienne; - stopy elaza charakteryzuj si wystpowaniem przemian fazowych, efektem tego jest moliwo uzyskania materialów konstrukcyjnych o bardzo rónorodnych wlaciwociach, które moemy dostosowa do naszych potrzeb. Na dzie dzisiejszy ponad 90% materialów metalicznych stosowanych przez czlowieka stanowi stopy elaza.

2. Podstawowe pojcia

Podstawowymi skladnikami materialów metalicznych elaznych s: elazo; wgiel. Stopy elaza ze wzgldu na zawarto wgla dzielimy na: staliwa i stale; eliwa i surówki. Stal wg normy PN-EN 10020 przyjto nazywa material zawierajcy wagowo wicej elaza ni jakiegokolwiek innego pierwiastka, w zasadzie mniej ni 2% wgla i inne pierwiastki. Dotychczas analizowano stopy elaza z wglem jako stopy materialy dwuskladnikowe. Na podstawie zawartoci wgla przyjty jest zwyczajowy podzial stali na nisko, rednio i wysokowglowe (tablica 1) Staliwo - jest to stop elaza z wglem o zakresie skladów takim samym jak stale ale stosowany w w stanie lanym. Tablica 1 Podzial stali ze wzgldu na zawarto wgla Stale Niskowglowe Zawarto wgla % < 0,25 Przyklady zastosowa Stale na konstrukcje spawane, stale automatowe, stale do nawglania, stale dla budownictwa Stale konstrukcyjne, stale sprynowe, stale na narzdzia obcione dynamicznie Stale narzdziowe, stale na loyska toczne

redniowglowe Wysokowglowe

0,25 ÷ 0,60 > 0,60

Wiadomo z praktyki, e oprócz elaza i wgla, stale zawieraj te i inne pierwiastki. Naley zatem przeanalizowa wplyw rónych grup pierwiastków na struktur i wlaciwoci stopów

3

elaza z wglem. Najwaniejsze grupy tych pierwiastków to zanieczyszczenia, domieszki metalurgiczne i pierwiastki stopowe. Zanieczyszczenia Jako zanieczyszczenia si pierwiastki pochodzce z rud metali bd wprowadzone do stopu w trakcie procesu metalurgicznego lub innych zbiegów technologicznych, oddzialywujce szkodliwie na wlaciwoci uytkowe stopu. Glówne zanieczyszczenia wystpujce w stopach elaza to - Siarka wystpujca w rudach elaza i materialach wsadowych, - fosfor wystpujcy w rudach elaza i materialach wsadowych, - tlen wprowadzany w trakcie wieenia surówki, - wodór wprowadzony w trakcie trawienia stali w roztworach kwasów. Najwaniejszym skutkiem obecnoci zanieczyszcze jest pogorszenie plastycznoci stali i odpornoci na kruche pkanie. Zawarto zanieczyszcze a zwlaszcza siarki i fosforu stanowi kryterium podzialu stali na klasy jakociowe. Norma PN-EN 10020 ,,Stal ­ klasyfikacja" wyrónia stale podstawowe - gatunki stali o takich wymaganiach jakociowych, które mona osign w ogólnie stosowanym procesie stalowniczym, bez dodatkowych zabiegów technologicznych. stale jakociowe - gatunki stali dla których w zasadzie nie okrela si wlaciwoci w stanie obrobionym cieplnie i czystoci metalurgicznej wyraonej stopniem zanieczyszczenia wtrceniami niemetalicznymi; ze wzgldu na warunki zastosowania wyrobów ze stali jakociowych, wymagania jakociowe s wysze ni dla stali podstawowych, co wymaga wikszej starannoci podczas produkcji. stale specjalne - gatunki stali, które charakteryzuj si wyszym ni gatunki stali jakociowych stopniem czystoci metalurgicznej, szczególnie w zakresie zawartoci wtrce niemetalicznych; s one przewanie przeznaczone do ulepszania cieplnego lub hartowania powierzchniowego i s one podatne na tak obróbk ciepln; przez dokladny dobór skladu chemicznego oraz przestrzeganie specjalnych warunków produkcji stali i kontroli przebiegu procesów technologicznych uzyskuje si rónorodne wlasnoci przetwórcze i uytkowe stali czsto równoczenie i w zawonych granicach np. wysok wytrzymalo lub hartowno z równoczenie dobr podatnoci na ksztaltowanie, spawanie, cigliwoci itp.

-

-

Domieszki metalurgiczne Do tej kategorii zalicza si pierwiastki wprowadzone celowo dla przeprowadzenia okrelonych reakcji metalurgicznych, w szczególnoci dla zwizania zanieczyszcze. Najwaniejsze z tych pierwiastków to: · mangan ­ stosowany do odsiarczania stali, · wap ­ w postaci wapna palonego stosowany do wizania fosforu, · krzem ­ do odtleniania, · aluminium ­ do odtleniania kocowego.

4

Pierwiastki powysze wprowadzane s do cieklego stopu w nieznacznym nadmiarze, tak by doprowadzi do calkowitego zwizania zanieczyszcze. Naley zwróci uwag, e niektóre z domieszek (Mn, Si, Al) mog wystpowa jako pierwiastki stopowe. Jako domieszki traktowa naley równie wiele pierwiastków, których zawarto nie przekracza granic okrelonych w normie, a które nie maj szkodliwego wplywu na wlaciwoci stali. Pierwiastki te najczciej dostaj si do stopu podczas procesu stalowniczego, wraz ze zlomem stosowanym jako material wsadowy. Graniczne wartoci pierwiastków podano w tablicy 2. Jeli zawarto pierwiastków jest nisza od granicznej to stal nazywamy stal niestopow, jeeli za wysza ­ stal stopow. Tablica 2 Graniczne wartoci pierwiastków stopowych wg PN-EN 10020 Pierwiastek Al Aluminium B Bor Bi Bizmut Co Kobalt Cr Chrom Cu Mied La i inne lantanowce, kady Mn Mangan Mo Molibden Nb Niob2 Ni Nikiel Pb Olów Se Selen Si Krzem Te Tellur Ti Tytan V Wanad W Wolfram Zr Cyrkon Inne (oprócz wgla, siarki, fosforu, azotu), kady Zawarto graniczna (% wagowy) 0,10 0,0008 0,10 0,10 0,30 0,40 0,05 1,65 0,08 0,06 0,30 0,40 0,10 0,50 0,10 0,05 0,10 0,10 0,05 0,05

Pierwiastki stopowe Jeli stal zawiera pierwiastki wprowadzone celowo, w ilociach wikszych ni podano w tablicy 2, dla nadania jej okrelonych wlaciwoci uytkowych i technologicznych, to stal tak nazywamy stal stopow za pierwiastki ­ stopowymi. Najwaniejsze pierwiastki stopowe w stalach to mangan, krzem, nikiel, chrom, molibden, wolfram, wanad, mied. Przyjmuje si, e jeeli sumaryczna zawarto pierwiastków stopowych jest nisza od 5% , to stal jest stal niskostopow, jeeli za wysza to jest to stal wysokostopowa. W praktyce, iloci pierwiastków stopowych w stalach wysokostopowych s znacznie wysze od 5%. Specyficznym rodzajem pierwiastków stopowych s tzw. mikrododatki (np. bor), wprowadzane w ilociach rzdu 0,001 do 0,1%. 5

Uklad równowagi elazo ­ wgiel

Wg. Chipmana w K.Przybylowicz ,,Metaloznawstwo" 6

Skladniki fazowe Ferryt - jest midzywzlowym roztworem stalym wgla w Fe a o strukturze A2 (RPC). Na obrazie mikroskopowym ferryt ma wygld równoosiowych ziaren o wyranych granicach. Rozpuszczalno wgla 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. Wlasnoci; ferryt jest faz bardzo mikk i plastyczn o malej wytrzymaloci na rozciganie, dziki temu stopy ferrytyczne nadaj si do obróbki plastycznej, ok. 80 HB. Austenit - jest midzywzlowym roztworem stalym wgla w Fe y o strukturze A l (RSC). Na obrazie mikroskopowym austenit ma wygld równoosiowych ziaren o charakterystycznych prostoliniowych granicach, zazwyczaj z licznymi bliniakami. Rozpuszczalno wgla w austenicie jest wiksza ni w ferrycie od 0,8% przy temp 723°C, do 2,06% przy temp. eutektycznej 1147°C. W czystych stopach elaza z wglem w temp. poniej 723°C austenit jest nietrwaly -O ulega eutektoidalnemu rozpadowi na mieszanin ferrytu i cementytu. Wlasnoci: austenit jest faz stosunkowo tward, o znacznej wytrzymaloci na rozciganie, a przy tym bardzo cigliw. Dziki temu stopy austenityczne podatne s do obróbki plastycznej, ale odznaczaj si zl skrawalnoci, ok. 200 HB. Wgiel w stopach elaza wystpuje w trzech odmianach: w stanie wolnym jako grafit; w stanie zwizanym jako wglik elaza FeiC; w postaci roztworu. Cementyt jest faz midzywzlow o strukturze zloonej ukladu rombowego, zawierajc ciarowe 6,67% C. Wlasnoci: odznacza si du kruchoci i twardoci (HB - 700) oraz nieznacznie mniejsz ni elazo gstoci oraz du odpornoci chemiczn. Cementyt do temp. 210°C jest ferromagnetyczny, a w wyszych temperaturach paramagnetyczny. Ze wzgldu na znaczny udzial wizania metalicznego obok kowalencyjnego cementyt wykazuje wlasnoci metaliczne. Cementyt jest faz nietrwal, ulegajc w podwyszonych temperaturach rozkladowi (grafityzacji): Fe 3 C --» 3Fe + Cgrafit, z tego powodu rozrónia si odpowiednio dwa uklady równowagi. Z roztworu cieklego moe krystalizowa zarówno grafit, jak i cementyt, zalenie od warunków odprowadzania ciepla, skladu chemicznego i innych czynników. Wyróniamy: - cementyt pierwotny - krystalizuje z roztworu cieklego, w postaci duych, grubych igiel; - cementyt wtórny - wydziela si z austenitu w wyniku zmniejszania rozpuszczalnoci wgla przy obnianiu temperatury w zakresie 1147 - 723°C oraz powstaje z eutektoidalnego rozpadu austenitu w temp. 723°C. W pierwszym przypadku ma na obrazie mikroskopowym najczciej posta siatki otaczajcej ziarna (rzadziej igiel), w drugim - najczciej plytek rozmieszczonych na przemian z plytkami ferrytu, rzadziej kulek w osnowie ferrytu; - cementyt trzeciorzdowy - wydziela si z ferrytu przy zmniejszaniu rozpuszczalnoci 7

przy obnianiu temp. poniej 723°C, na obrazie mikroskopowym ma najczciej wygld malych wydziele na granicach lub w obrbie ziaren ferrytu. Skladniki strukturalne Perlit jest mieszanin eutektoidaln nasyconego ferrytu i cementytu wtórnego o zawartoci wgla 0,8% powstajc jako produkt rozpadu austenitu w temp. 723°C. Na obrazie mikroskopowym perlit przy dostatecznym powikszeniu ma wygld równoosiowych ziaren, w których wystpuj pki rónie zorientowane równoleglych plytek ferrytu i cementytu. Perlit ma budow plytkow (na przemian rozloone plytki ferrytu i cementytu) o dyspersji zalenej od szybkoci chlodzenia podczas przemiany. Wlasnoci: jest skladnikiem strukturalnym o dobrej wytrzymaloci i niezlej cigliwoci (twardo HB= 180 - 280, zalenie od gruboci plytek).

Perlit Ledeburyt jest mieszanin eutektyczn nasyconego austenitu i cementytu pierwotnego o zawartoci wgla 4,3% krystalizujc w temp. 1147°C. W temp. eutektoidalnej austenit podlega rozpadowi na ferryt i cementyt wtórny, poniej 723°C ledeburyt nosi nazw przemienionego i sklada si z cementytu wtórnego i' pierwotnego oraz perlitu, ponadto pojawiaj si w ledeburycie przemienionym wydzielenia cementytu trzeciorzdowego. Na obrazie mikroskopowym ledeburyt przemieniony ma wygld ciemnych nieregularnych pól (perlit) rozloonych na jasnym tle cementytu pierwotnego. Wlasnoci; ledeburyt jest skladnikiem strukturalnym twardym i kruchym, w zwizku z tym trudno skrawalnym, ok.450 HB Technologiczny podzial stali Ze wzgldu na zastosowany kocowy zabieg technologiczny wyrónia si stale: - kute; - walcowane; - cignione. Ze wzgldu na zastosowan obróbk ciepln stale dzielimy na: - ujednorodnione; - normalizowane; - zmikczane; - odprone; 8

- ulepszone cieplnie; - hartowane; - przesycone; - surowe. Ze wzgldu na zastosowanie rozróniamy m.in. stale: - konstrukcyjne; - narzdziowe (do pracy na zimno, do pracy na gorco i stale szybkotnce); - odporne na korozj, - aroodporne, - arowytrzymale, - o specjalnych wlaciwociach fizycznych, elektrycznych, magnetycznych).

3. Cel wiczenia

Celem wiczenia jest zapoznanie si ze strukturami rónych rodzajów stali i staliw, ich wlasnociami, zastosowaniem i oznaczeniami..

4.

Przebieg wiczenia

wiczenie polega na dokladnej obserwacji struktur rónych rodzajów stali i staliw. Wykonujcy wiczenie ma za zadanie zidentyfikowa badane materialy i wskaza poszczególne elementy struktury analizowanych stopów

5.

Sprawozdanie

Sprawozdanie powinno zawiera: definicje stali i staliwa; podstawowe sposoby klasyfikacji stali i staliw, rysunki mikrostruktur identyfikowanych stali i staliw wraz z dokladnymi opisami poszczególnych skladników fazowych i strukturalnych; wytyczne dotyczce oznaczania analizowanych grup materialów; przyklady zastosowania poszczególnych grup stali, staliw.

6.

-

Wymagania

Podstawowe pojcia charakteryzujce stale, staliwa. Sposoby klasyfikacji stali i staliw. Definicje skladników fazowych i strukturalnych s"tali i staliw. 9

-

Wlaciwoci stali i staliw. Przyklady zastosowania stali i staliw.

7.

Literatura

1. Prowans St.: Materialoznawstwo", PWN, Warszawa 1986 (str. 104 - 114 i 218 284). 2. Blicharski M.: ,,Wstp do inynierii materialowe/', WNT, Warszawa 2001 (str. 226 - 263). 3. Dobrzaski L.A.: Metaloznawstwo z podstawami nauki o materialach", WNT, 4. Warszawa 1999 (str. 379 - 486). 5. Topoliski T.: Materialoznawstwo", WUATR, Bydgoszcz 1999 (str. 49 - 77). 6. Domke W.: ,,Vademecum materialoznawstwa", WNT, Warszawa 1989 (str. 69 - 171). 7. Przybylowicz K. Metaloznawstwo 8. Norma PN-EN 10020 Stal. Klasyfikacja 9. Norma PN ­ EN 10027 Stal.Znakowanie

10

Information

stale i staliwa

10 pages

Report File (DMCA)

Our content is added by our users. We aim to remove reported files within 1 working day. Please use this link to notify us:

Report this file as copyright or inappropriate

693495