Imię i nazwisko Damian Garncarek	Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa w Kaliszu
Mechanika i budowa Maszyn Grupa I/1 semestr III	Temat: Struktura i własności stali węglowych w stanie wyżarzonym
Data : 20.11.2008 r.	Nr ćw. 2.	Ocena:

1.Cel ćwiczenia.

Celem ćwiczenia jest badanie metalograficzne próbek stopów żelaza-stali konstrukcyjnych. Ponadto zapoznajemy się z obsługą mikroskopu oraz jego budową.

2. Wyposażenie stanowiska badawczego.

• Stanowisko, przy którym odbywają się ćwiczenia wyposażone jest w:

• cztery próbki różnych rodzajów stali konstrukcyjnych

• oddzielny opis do każdej z próbek

• książka do uzupełniania danych, lub wiadomości

• mikroskop o sumie powiększeń x250

• zasilacz 6V

3.Wiadomosci wprowadzające do tematyki ćwiczeń

Stale konstrukcyjne stopowe

Wytrzymałość na rozciąganie R_m. i udarność U różnych gatunków stali konstrukcyjnych stopowych.

Cały zakres podzielony jest na dwa obszary.

I - Stale, dla których wysoką wytrzymałość osiąga się tylko przy bardzo niskiej udarności - jest to zakres stali stopowych niższej jakości.

II - Stale stopowe wysokojakościowe, które obejmują stale równocześnie o znacznej wytrzymałości i udarności, przy czym graniczne osiągalne tu wartości przedstawia prosta ograniczająca z prawej strony pole zakreskowane. O ile stale niżej jakościowe stopowe są stosowane czasem w stanie normalizowanym, o tyle stale wysokojakościowe przeważnie w stanie ulepszonym.

Stale konstrukcyjne należą do stali perlitycznych o strukturach po wyżarzeniu normalizującym: ferryt + perlit, sam perlit lub bainit.

STALE KONSTRUKCYJNE STOPOWE DO NAWĘGLANIA I HARTOWANIA POWIERZCHNIOWEGO.

Stale w stanie zahartowanym lub odpuszczonym w niskich temperaturach stasuje się na części, które powinny mieć wysoką twardość, wytrzymałość i odporność na ścieranie. Takie warunki mogą spełniać przede wszystkim:

• stale do nawęglania ( w warstwie powierzchniowej po nawęglaniu),

• stale po harowaniu powierzchniowym,

• stale o zawartości 0,30 - 0,45%C hartowane i niskoodpuszczone.

Wyższe zawartości węgla znacznie obniżają udarność, która maleje poniżej dopuszczalnej dla stali konstrukcyjnych wartości 4 kG/cm².

Wszystkie stale do nawęglania zawierają chrom, niektóre z nich poza chromem mangan lub łącznie mangan i molibden. Zachowanie drobnoziarnistości rdzenia przy długotrwałym nawęglaniu powoduje dodatek tytanu, dlatego w stali 18 HGT występują wysokie własności mechaniczne rdzenia. Najwyższe własności mechaniczne ma stal zawierająca oprócz chromu również nikiel, ten ostatni jednak ze względów ekonomicznych jest oszczędzany i wobec tego stale z podwyższoną zawartością chromu i niklu jak 12HN2 lub 12H2N4A używane są jedynie w lotnictwie na bardzo odpowiedzialne części.

Do hartowania powierzchniowego mogą być w zasadzie zastosowane wszystkie stale konstrukcyjne, które dadzą się hartować, czyli mają dostateczne zawartości węgla ( ponad 0,35%C), nie mają zaś zbyt dużej ilości dodatków obniżającego punkt Ms. Własności wytrzymałościowe tych gatunków stali w warstwie zahartowanej, niskoodpuszczonej, wahają się w granicach wysokich wartości Rm = 120 - 200 kG/mm² przy względnie niskich udarnościach. Najczęściej stosowanymi dodatkami stopowymi są chrom, krzem, nikiel, molibden.

Krzem w stalach wyżarzonych obniża udarność, w stalach zaś zahartowanych i niskoodpuszczonych podwyższa ją w stosunku do stali węglowych.

STALE KONSTRUKCYJNE STOPOWE DO ULEPSZANIA CIEPLNEGO.

Stale stopowe konstrukcyjne najczęściej pracują w stanie ulepszonym cieplnie, czyli po zahartowaniu i odpuszczeniu średnim lub wysokim. Po takiej obróbce cieplnej stal ma strukturę odpuszczonego martenzytu lub sorbitu. Sorbit w stalach stopowych złożony jest z ferrytu stopowego i wytrąconych bardzo drobnych węglików. Stal o takiej strukturze ma wysokie własności mechaniczne: Rm = 80 - 150 kG/mm², Re = 55 - 135 kG/mm², jednocześnie zaś wysoką udarność 6 - 12 kG/cm².

Przy doborze odpowiedniej stali stopowej na pewien element konstrukcyjny bierze się pod wagę między innymi następujące kryteria:

1. wymagania dotyczące wytrzymałości i ciągliwości,

2. rozkład naprężeń na przekroju elementu konstrukcyjnego równomierny lub wykazujący spiętrzenie naprężeń przy powierzchni,

3. kształt elementu w zależności od warunków koniecznej obróbki cieplnej,

4. inne specjalne wymagania uzależnione od technologii wytwarzania danej części.

1. W zależności od wymaganej wytrzymałości i ciągliwości dobiera się stal z odpowiednią zawartością węgla od 0,25 do 0,50% wzrasta rzędzie wpływa więc na Rm, Re i ciągliwość.

wpływa więc na Rm, Re i ciągliwość.

wytrzymałość i twardo własności plastyczne stali. Zawartość węgla w

stali w pierwszym ść stali po ulepszeniu cieplnym.

2. W zależności od tego, czy cały przekrój danego elementu jest obciążony równomiernie, czy też najbardziej zewnętrzna, dobiera się stal o różnej hartowności. Jeśli warstwa zewnętrzna musi przenosić większe naprężenia, zaś część wewnętrzna jest mniej obciążona, można wtedy zastosować stal, która ma małą hartowność. Jeśli zaś cały przekrój jest jednakowo obciążony , stal musi być ulepszona na całym przekroju, czyli mieć dużą hartowność. Zależnie od przekroju dobiera się różna rodzaje stali.

3. Jeżeli ze względu na skomplikowany kształt danej części przewidywane jest powstanie większych naprężeń podczas hartowania, dobiera się stal o większej hartowności, aby stosując łagodniejsze ciecze hartownicze wprowadzić możliwie jak najmniej naprężenia.

4. Należy również rozważyć inne warunki pracy, jak: warunki tarcia, temperaturę, do której [przedmiot może się nagrzać, wymagania co do tłumienia drgań i inne.

Wiadomo, że stale konstrukcyjne chromowe, manganowe i chromowo - niklowe wykazują po powolnym chłodzeniu po wysokim odpuszczaniu kruchość odpuszczania, która zostaje wyeliminowana przez dodatek molibdenu lub wolframu. Poza tym molibden i wanad podnosi w stali wytrzymałość na pełzanie, dlatego na części pracujące w wysokich temperaturach stosuje się stale z Mo lub V. Mangan, podobnie jak w stalach stosowanych bez obróbki cieplnej, podnosi twardość, lecz obniża udarność.

STALE KONSTRUKCYJNE STOPOWE DO AZOTOWANIA.

Najwyższe twardości warstw azotowanych otrzymuje się dla stali aluminiowo - chromowych. Ponieważ proces azotowania odbywa się w temperaturach, w których stale nabywają kruchości odpuszczania, jako trzeci składnik stopowy stosuje się do nich Mo, który zabezpiecza stal przed kruchością odpuszczania, stąd typową stalą do azotowania jest stal chromowo - aluminiowo - molibdenowa. Twardość najbardziej podnosi Al, następnie Cr i Mo. Aluminium wywołuje skłonność stali do przegrzania i do odwęglania podczas obróbki cieplnej, dlatego nie stosuje się go w ilości większej jak 1,2%. W kraju wytwarzane są dwa gatunki stali do azotowania.

Stale konstrukcyjne WĘGLOWE

Stale węglowe można podzielić na pewne grupy zależne od następujących czynników:

1. sposobu wytwarzania i sposobu odtleniania,

2. składu chemicznego (zawartość węgla),

3. jakości,

4. obróbki cieplnej ziarnistości i hartowności,

5. zastosowania.

Stale węglowe konstrukcyjne zwykłej jakości dzielą się na trzy grupy w zależności od wymagań:

Grupa I stale o określonej wytrzymałości,

Grupa II stale o określonym składzie chemicznym,

Grupa III stal o określonej wytrzymałości i o określonym składzie chemicznym.

Stale z grupy pierwszej są przyjmowane wg wymagań minimalnych wytrzymałości na rozciąganie R_m, granice plastyczności R_e (w szczególnych przypadkach nie określa się R_e) oraz prób na zginanie. Maja one znaki od St0 do St7 w zależności od wzrastającej wytrzymałości R_m.= 32 kG/mm² do R_m.= 85 kG/mm². Zawartość siarczki i fosforu zgodne są z tabl. 1 (za wyjątkiem St0, dla której dopuszcza się do 0,07%P i 0,060%S). Badanie własności mechanicznych przeprowadza się wzdłuż kierunku największej obróbki plastycznej. Stale te w zasadzie przeznaczone są do zastosowania bez obróbki cieplnej i bez dalszej obróbki plastycznej. Na przykład stal St3X jest to stal zwykłej jakości o wytrzymałości na rozciąganie R_m.= 38 - 47 kG/mm².

Stale z grupy drugiej są przyjmowane według składu chemicznego; maja znaki MSt1 do MSt7 w zależności od wzrastającej zawartości węgla od C = 0,06 - 0,12% do C = 0,50 - 0,60% (przy czym zawartość manganu też zarasta od 0,25 do 0,80%). Zawartość siarki 9i fosforu maże być zgodna z tabl. 1 ( za wyjątkiem stali MSt0, w której dopuszczalna ilość S_Max = 0,060% i P_Max = 0,070% oraz C_Max = 0,23%).

Stale te w zasadzie przeznaczone są do dalszej obróbki plastycznej. Część gatunków tych stali jest produkowana jako nieuspokojona i te są oznaczone literami X na końcu znaku. Na przykład stal MSt4X jest to stal węglowa nieuspokojona o zawartości węgla 0,18% - 0,27%, Mn 0,40 - 0,70% i Si max 0,07%. Stale zwykłej jakości są też zwane stalami maszynowymi.

Stale z trzeciej grupy są to stale spawalne sprawdzane i po względem składu chemicznego i cech wytrzymałościowych. Mają one znaki od St1S do St4S, zawartość węgla 0,12 do 0,27%, a minimalną wytrzymałość na rozciąganie R_m. od 32 do 48 kG/mm² przy wydłużeniu A₅ = 33 do 23%.

UWAGA :

Aby stop żelaza z węglem i innymi pierwiastkami nadawał się do urzytku musi być przerobiony plastycznie (2% węgla i inne pierwiastki do1,5%)

WYKRES ŻELAZO-WĘGIEL

W układzie widzimy między innymi takie składniki jak ferryt , cementyt , austenit , perlit postaram się je opisać:

Ferryt-Stały roztwór węgla w żeliwie (alfa) w temp. do 720 stopni Celsjusza i od o do o ferryt jest fazą miękką 70hB wytrzymałość 300hB

Cementyt- najtwardszy z wymienionych na wykresie składników .Jest to węglik żelaza FE3C , zawartość węgla 6,73 , posiada bardzo twardą i skomplikowaną budowę .

Austenit-roztwór stały węgla w żelazie gamma powyżej 720 stopni Celsjusza (ferryt i perlit zamienia się w austenit)

Perlit-mieszanina ferrytu i cementytu (0,8% węgla podeutektoidalne ,powyżej o.8% nadeutektoidalne .Ferryt posiada budowę płytkową

WYRZAŻANIE STALI

Jest to czynność polegająca na nagrzaniu stali do odp temp.a następnie schłodzeniu. Na wykresie żelazo węgiel możemy zaobserwować proces tworzenia się poszczególnych etapów .Do góry występuje proces ujednorodniając w temp. 1100 następnie przy zmniejszeniu temp proces niejednorodności składu chem , homogenizujące wyżarzanie .Na dole

Zupełne lub normalizujące 30-50 stopni poniżej linii.

Wyróżniamy kilka rodzaji wyrzażań :

WYRZAŻANIE ZUPEŁNE : nie różni się temperaturami różni się tylko tym że , proces studzenia odbywa się w piecu przez co dłużej stygnie i daje lepsze własności plastyczne .

WYRZAŻANIE ZMIĘKCZAJĄCE : Stosuje się je do zmiękczenia , uplastycznienia ( wyrzażanie wahadłowe).

WYRZAŻANIE REKRYSTALIZUJĄCE : usunięcie struktury zgniotu , proces odbudowy ziarna (ziarna okrągłe).Posiada zdolność do odtworzenia

WYRZAŻANIE ODPRĘŻAJĄCE : Stosuje się do zmniejszenia odprężeń dla odlewów żeliwnych

WYRZAŻANIE STABILIZUJĄCE :Stosuje się do zamiany stanu naprężeń stałości wymiaru.

4.Przebieg procesu badawczego.

- podłączenie zasilacza i mikroskopu

- ułożenie próbki na stoliku

- dostrojenie widoku

- przerysowanie struktury próbki

-analiza uzyskanych wyników

5.Wyniki badań.

Próbka nr 2.5

Powiększenie : 500 x

Materiał : stal 15 wg PN/H-84019

Stan : wyżarzana

Skład chemiczny : C - 0,15%;

Si - 0,25%

Mn - 0,44%

P - 0,030%

S - 0,032%

Si - 0,25%

Cr - 0,10%

Ni - 0,20%

Cu - 0,18%.

Opis struktury: Jasne ziarna ferrytu, oraz ciemne perlitu.

Próbka nr 2.6

Powiększenie : 500 x

Materiał : stal 55 wg PN/H-84019

Skład chemiczny : C - 0,55%;

Si - 0,25%

Mn - 0,44%

P - 0,030%

S - 0,032%

Si - 0,25%

Cr - 0,10%

Ni - 0,20%

Cu - 0,18%.

Opis struktury: Jasne ziarna ferrytu, oraz ciemne perlitu. Jak widać na rys pojawiło się więcej perlitu.

Próbka nr 2.7

Powiększenie : 500 x

Materiał : N8E

Skład chemiczny : C - 0,8%;

Si - 0,25%

Mn - 0,21%

P - 0,020%

S - 0,022%

Si - 0,25%

Cr - 0,10%

Ni - 0,20%

Cu - 0,18%.

Materiał : stal narzędziowo węglowa N8E 0,8% węgla (eytektoidalna)

Opis struktury: Jasne ziarna ferrytu, oraz ciemne perlitu.

Próbka nr 2.3

Powiększenie : 500 x

Materiał : Stereoidyt ( N8E )

Skład chemiczny : C - 0,82%;

Si - 0,25%

Mn - 0,24%

P - 0,02%

S - 0,022%

Si - 0,25%

Cr - 0,10%

Ni - 0,20%

Cu - 0,18%.

Opis struktury: Jasne ziarna ferrytu, oraz ciemne perlitu. Jak widać na rys pojawiło się więcej perlitu.

Na przedstawionych poniżej tabelce i wykresie postaram się ukazać własności stali w stosunku do zawartości wegla.

Nr.próbki	Stal	Śr.odcisku	HB
2.5	15	2,6	130
2.6	55	2,1	207
2.7	M8E	1,85	269
2.8	35	2,3	163

6. Wnioski.

Jak wynika z wykresu węgiel znacząco wpływa na twardość metali .Na wykresie można zauważyć że , wraz ze wzrostem zawartości węgla wzrasta także twardość , jednak tylko do pewnego momentu jest to wartość 0,8% , jest to spowodowane pojawieniem się cementytu który powoduje spadek wytrzymałości .

Ćwiczenie to miało na celu zapoznanie nas z budową i strukturą stali konstrukcyjnych. Ćwiczenia tego typu pomagają nam w zrozumieniu teorii z zakresu metaloznawstwa jak już również pomaga nam uzupełnić wiedzę z tego zakresu, co jest bardzo ważne w dalszym kształceniu w tym kierunku.

Osobiście uważam, że takie ćwiczenia z mikroskopem są bardzo potrzebne, ponieważ każdy powinien umieć obsługiwać się tym urządzeniem i znać jego działanie. Obserwując różne materiały i porównując z innymi, w tym przypadku mieliśmy okazję do porównywania i oceniania próbek różnego rodzaju struktur stali konstrukcyjnych, dużym stopniu przy takim rodzaju ćwiczeń można powiększyć swoją orientacje na temat struktury stali konstrukcyjnych.

---