I Wstęp teoretyczny.

STALIWA - są to stopy odlewnicze żelaza z węglem ( i innymi pierwiastkami ) o niskiej jego zawartości do 1,5% w stanie lanym, wytapiane w piecach martenowskich lub elektrycznych, w procesach zasadowym lub kwaśnym oraz w konwentorach Thomasa. Staliwa są stopami na odlewy części maszyn i urządzeń. Właściwości staliw, podobnie jak stali węglowych, zależą głównie od stężenia węgla. Staliwa nisko i średniowęglowe są dobrze spawalne. Produkcja staliwa ciągle rośnie ze względu na jego korzystne właściwości. Składnikami struktury staliwa są ferryt i perlit. W zależności od przebiegu chłodzenia może w nich występować struktura:

• Globulityczna - charakteryzująca się ziarnem o kształcie zbliżonym do okrągłego.

• Widmannstattena - iglasta budowa ferrytu w osnowie perlitu.

Obróbka cieplna staliw polega głównie na wyżarzaniu ujednoradniającym lub normalizującym, Odlewy te można również hartować a także obrabiać cieplno - chemicznie.

• Staliwa węglowe.

• Znakowanie : Znak gatunku staliwa węglowego składa się z literki W , liczby oznaczającej minimalną granicę plastyczności R_e oraz liczby oznaczającej minimalną wytrzymałość na rozciąganie R_m.

• Właściwości : Staliwa niskowęglowe do 0,2% C odznaczają się złą lejnością. Struktura odlewów może zawierać wady np. mikrojamy skurczowe, mikropęknięcia, pęcherze gazowe. Wraz ze zwiększeniem zawartości węgla lejność staliwa polepsza się , a struktura pozbawiona jest wad. Wadą staliwa jest silny wpływ grubości ścianki odlewu na własności mechaniczne tzn. wraz ze wzrostem grubości odlewu zmniejszają się . Własności te można poprawić przez obróbkę cieplną: ujednorodnianie a następnie normalizowanie. Oba zabiegi polepszają ciągliwość odlewu.

• Zastosowanie: Staliwa niskowęglowe (0,10-0,25% C) stosuje się na części przenoszące niewielkie obciążenia, jak korpusy silników elektrycznych, części kolejowe i samochodowe np. zderzaki, stery, kotwice. Staliwa średniowęglowe (0,2-0,4% C) na części bardziej obciążone np. koła bose, łańcuchowe, zębate, podstawy maszyn, korpusy pras i młotów. Staliwa wysokowęglowe (0,4-0,6% C) na części maszyn bardzo silnie obciążonych i narażonych na ścieranie np. koła zębate napędów walcowniczych.

• Staliwa stopowe.

• Znakowanie: Znak gatunku składa się z litery L oznaczający stan lany stopu , dwucyfrowej liczby wyrażonej w setnych procenta oznaczającej zawartość węgla (0,35% C) oraz symbolów pierwiastków stopowych wg malejącej ich zawartości.

• Gatunki:

• L35GSM - (G-mangan, S-krzem, M-molibden) 0,32-0,40% C; 1,20-1,40% Mn; 0,60-0,80% Si; 0,30-0,40% Mo

• L40H - (H-chrom) 0,35-0,45% C; 0,50-0,80% Mn; 0,20-0,40% Si; 0,80-1,10% Cr

• L35HGS - (H-chrom, G-mangan, S-krzem) 0,30-0,40% C; 1,00-1,30% Mn; 0,60-0,80% Si; 0,60-0,90% Cr.

• Właściwości: L35GSM- staliwo konstrukcyjne o podwyższonej odporności na ścieranie. Węgiel - wzrost jego zawartości zwiększa twardość i wytrzymałość na rozciąganie, a także granicę plastyczności, obniża natomiast wydłużenie, przewężenie i udarność. Mangan - podwyższa granicę plastyczności , zwiększa twardość i R_m. Krzem - zwiększa twardość staliwa oraz R_m, własności plastyczne pozostają bez zmian.

ŻELIWA - są to odlewnicze stopy żelaza z węglem ( i innymi pierwiastkami ) o wysokiej jego zawartości do 2%, wytapiane w żeliwiaku lub piecu elektrycznym. Otrzymuje się je w wyniku wtórnego przetopu surówki, złomu i dodatków. Żeliwo należy do najpowszechniej stosowanych tworzyw na odlewy stosowane w przemyśle maszynowym oraz do wykonania wyrobów powszechnego użytku. Do najważniejszych zalet żeliwa należą:

• Niska cena.

• Łatwość nadania kształtów (lejność).

• Dobra obrabialność.

• Duża obrabialność.

• Duża zdolność do tłumienia drgań.

• Brak naprężeń.

• Niewrażliwość na działanie karbu i częste zmiany kształtu.

• Duża stałość wymiarów.

• Duża odporność na ścieranie,

Najważniejszym składnikiem żeliw jest węgiel - może występować w nich w postaci grafitu, albo cementytu Fe₃C, w zależnośći od postaci rozróżnia się:

• Żeliwa szare - głównie grafit - przełom jest szary.

• Żeliwa białe - cementyt - przełom jest jasny.

• Żeliwa połowiczne (pstre) - skupienia grafitu i cementytu - przełom jest pstry.

• Żeliwo ciągliwe białe.

Żeliwo ciągliwe (PN-92/H-83221) to żeliwo uplastycznione zabiegiem obróbki cieplnej (grafityzowanie) lub cieplno-chemicznej (odwęglanie) zawierające wolny węgiel w postaci tzw. węgla żarzenia.

• Znakowanie: Znak gatunku oznacza się literą W , po oznaczeniu literowym następują dwie liczby dwucyfrowe oddzielone myślnikiem . Pierwsza liczba podzielona przez 10 oznacz min. R_m w Mpa, druga - min. wydłużenie A₅ w %.

• Gatunki:

Gatunek	Rm	Re	A5	HB
W 35-04	350	-	4	230
W 38-12	380	200	12	200
W 40-05	400	220	5	220
W 45-07	450	260	7	220

 

• Właściwości: Żeliwo ciągliwe białe otrzymywane jest żarzenie odlewów z żeliwa białego w atmosferze odwęglającej. Odznacza się dobrą spawalnością oraz gorszą skrawalnością niż żeliwo szare.

• Zastosowanie: W budowie maszyn i pojazdów na cienkościenne drobne odlewy, nie wymagające większej obróbki skrawaniem. Artykuły gospodarstwa domowego.

• Żeliwo szare sfefoidalne.

Węgiel obecny w żeliwie sferoidalnym (PN-92/H-83123) ma kształt kulisty , otrzymuje się przez dodanie przed odlaniem do żeliwa krzepnącego jako szare - magnezu lub ceru dlatego grafit krystalizuje się w kształcie kulistym

• Znakowanie: Znak gatunku składa się z dwóch liczb; pierwsza trzycyfrowa określająca minimalną R_m , a druga minimalne wydłużenie A₅

• Gatunki:

Gatunek	HB	Struktura osnowy
900-2	280-360	Bainit lub martenzyt odpuszczony
800-2	245-335	Perlit lub struktura odpuszczona
700-2	225-305	Perlit
600-3	190-270	Perlit + feryt
500-7	170-230	Perlit +feryt
450-10	160-210	Feryt
400-15	130-180	Feryt
400-18	130-180	Feryt
350-22	Ⴃ 150	Feryt

• Właściwości: Kulisty kształt podwójnie zwiększa wytrzymałość i plastyczność nawet dwudziestokrotnie. Żeliwo sferoidalne odznacza się mniejszą zdolnością tłumienia drgań i wrażliwością na działanie karbu. Jest ono znacznie mniej kruche.

• Zastosowanie: Do budowy części samochodowych i traktorów np. na korpusy maszyn i przekładni, wały korbowe, korbowody. Również na silniki Diesla .

• Żeliwo szare zwykłe.

Żeliwem szarym zwykłym PN-92/H-83123; nazywa się stop zawierający najwyżej 0,8% C związanego w postaci cementytu, a pozostałą ilość w postaci grafitu płatkowego.

• Znakowanie: Wyróżnia się 6 gatunków tego żeliwa oznaczonych liczbą trzycyfrową , określającą minimalną wytrzymałość na rozciąganie R_m w MPa: 100, 150, 200, 250, 300, 350, wyznaczoną na próbach specjalnie odlanych do tego celu.

• Właściwości: Do najistotniejszych właściwości żeliwa szarego zalicza się zdolność tłumienia drgań, dużą wytrzymałość na ściskanie, małą wrażliwość na działanie karbu i odporność na ścieranie.

• Zastosowanie: Znajduje ono zastosowanie ze względu na tłumienie drgań: na łoża obrabiarek, bloki cylindrów, kartery silników samochodowych, płyty fundamentowe. Ze względu na odporność na ścieranie: pierścienie tłokowe, koła zębate.

II Część praktyczna.

1. Obserwacja struktur stali węglowych.

Zaobserwowane pod mikroskopem w czasie struktury badanych próbek stali zostały przedstawione poniżej. Obserwacje mikroskopowe prowadzone były przy powiększeniu, obliczanym z następującego wzoru:

P = P_ob
P_ok
P_p

Gdzie:

P_ob - powiększenie obiektywu. (zastosowano 40x).

P_ok - powiększenie okularu ( zastosowano 10x).

P_p - powiększenie płytki. (dla płytki użytej w ćwiczeniu 1,25).

Po podstawieniu do wzoru:

P = 500 x

Struktury stali.

	Próbka 1 (oznaczona nr 4)
		Struktura: Perlityczno - ferrytyczna . W przewadze występuje perlit, który zajmuje ok.. 80% powierzchni obserwowanej pod mikroskopem struktury.
		Próbka 2 (oznaczona nr 13)
		Struktura: Ferrytyczno - perlityczna. Większość obszaru zajmowane jest przez ferryt ponad 70%. Na pozostałej części znajduje się perlit.
		Próbka 3 (oznaczona nr 9)
		Struktura: Ferrytyczna - cały obszar obserwowanej pod mikroskopem powierzchni zajmowany jest przez ferryt.

	Próbka 4 (oznaczona nr 11) Obserwowana przy powiększeniu obiektywu Pob = 8x
		Struktura: Ferrytyczna. Również całość obszaru zajmowana jest przez ferryt. Zastosowanie mniej szczegółowego powiększenia pozwoliło zaobserwować wygląd większego obszaru powierzchni próbki.
		Próbka 5 (oznaczona nr 14)
		Struktura: Ferrytyczna. Występuje głównie ferryt, lecz da się zauważyć również niewielkie wtrącenia perlitu, który zajmuje jednak bardzo niewiele (ok. 5% zaobserwowanej pod mikroskopem powierzchni próbki.

2. Analiza zmiany struktury stali wraz ze zmieniającą się zawartością węgla w stali przy użyciu układu równowagi fazowej Fe-C.

Przy okazji analizy układu żelazo - węgiel daje się zauważyć, że wraz z wzrastającym stężeniem węgla zmieniają się proporcje między dwoma głównymi składnikami struktury stali: ferrytem (czyli roztworem węgla w żelaza  ) i perlitem (mieszaniną eutektoidalną ferrytu z cementytem, która powstaje z austenitu przy 0,8% stężeniu węgla w stali). Rozpatrując sytuację od najniższego stężenia węgla :

• Dla stężenia węgla 0,08%, które jest najniższym stężeniem węgla możliwym do uzyskania w stali - występuje struktura składająca się jedynie z czystego ferrytu.




• Sytuacja., gdy występuje 75% ferrytu i 25% perlitu ma miejsce dla stężenia węgla wynoszącego ok.. 0,2%.




• Równowaga - 50% ferrytu i 50% perlitu występuje, gdy stężenie węgla jest pośrednie między najniższym możliwym (0,06%) a stężeniem zapewniającym strukturę perlityczną (0,8%) a więc wynosi nieco więcej niż 0,4%.




• 75% perlitu (reszta ferryt) ma miejsce przy stężeniu węgla ok. 0,6% - jest to około ¾ odległości na osi obrazującej stężenie węgla pomiędzy najniższym możliwym stężeniem, a stężeniem zapewniającym w całości strukturę perlityczną.




• 100% perlitu występuje przy stężeniu węgla równym 0,8% - stal o takiej strukturze nazywa się stalą eutektoidalną. Przy dalszym wzrastaniu stężenia węgla od tego momentu w strukturze będzie się dało zauważyć wydzielanie się cementytu wtórnego - w takim przypadku stale nazywa się nadeutektoidalnymi.




3. Obserwacja struktur mikroskopowych żeliw.

Obserwacje te były wykonywane w tych samych warunkach, co przedstawione wcześniej obserwacje stali. Powiększenie, zastosowane - również dla większości próbek zostało ustalone na 500x. W jednym przypadku - aby zaobserwować większy wycinek badanej próbki zostało zastosowane powiększenie obiektywu 8x - co dało powiększenie całkowite:100x. Zaobserwowane struktury badanych próbek wraz z komentarzem zostały przedstawione poniżej.

	Próbka 1 (oznaczona nr 1)
		Struktura osnowy: Perlityczno - ferrytyczna (perlit zajmuje ok. 60% powierzchni osnowy).
		Postać węgla: Grafit sferoidalny.
		Próbka 2 (oznaczona nr 2)
		Struktura osnowy: Ferrytyczno - perlityczna (perlit zajmuje niewielką część powierzchni osnowy).
		Postać węgla: Grafit sferoidalny.
		Próbka 3 (oznaczona nr 5)
		Struktura osnowy: Ferrytyczna - wyraźnie widoczne granice poszczególnych ziarn
		Postać węgla: Grafit sferoidalny.
		Próbka 4 (oznaczona nr 8)
		Struktura osnowy: Martenzyt - zajmuje 100% powierzchni osnowy.
		Postać węgla: Grafit kłaczkowy - węgiel żarzenia.

Wnioski:

• Struktura badanych podczas przebiegu ćwiczenia stali, oraz stosunek poszczególnych jej składowych - zależna jest ściśle od stężenia węla. Do innych czynników wpływających na strukturę stali zaliczyć należy także przeprowadzone uprzednio zabiegi obróbki cieplnej. Od wynikającej z powyższych dwóch czynników struktury zależą właściwości użytkowe stali.

• Zastosowanie dwóch różnych powiększeń do badania próbek zarówno stali jak i żeliw pozwoliło na przeprowadzenie obserwacji o różnym stopniu szczegółowości próbki pozwalając się zapoznać zarówno z silnie powiększonym wycinkiem niewielkiej powierzchni próbki, jak i z nieco bardziej ogólnym widokiem struktury, przy obserwacji większego obszaru próbki lecz przy mniejszym powiększeniu.

• W obserwowanych próbkach żeliw mamy do czynienia z węglem zarówno w postaci grafitu sferoidalnego, jak i grafitu kłaczkowego ( tzw. węgla żarzenia). Sferoidalna postać grafitu występujące w żeliwie sferoidalnym, co wpływa bardzo pozytywnie na właściwości wytrzymałościowe i plastyczność materiału, co w znacznym stopniu rozszerza zakres zastosowania tego typu żeliwa. Zaś grafit kłaczkowy - uzyskiwany w żeliwie odlewanym jako białe a następnie poddawanemu wyżarzaniu grafityzującemu nadaje mu ciągliwość i właściwości użytkowe zbliżone do stali. Szersze informacje na temat właściwości oraz zastosowania poszczególnych typów żeliw zostały zawarte w części teoretycznej niniejszego sprawozdania.

4

Ferryt

Perlit

Ferryt

Perlit

Ferryt

Ferryt

Ferryt

Perlit

Ferryt

Grafit sferoidalny

Perlit

Pow.

500x

Pow.

100x

Ferryt

Grafit sferoidalny

Perlit

Ferryt

Grafit sferoidalny

Martenzyt

Grafit kłaczkowy

---