Politechnika Warszawska, Wydział Transportu

Zakład podstaw Budowy Urządzeń Transportowych

Materiałoznawstwo

Rok akademicki 2010/2011

Nazwisko i imię	Grupa/podgrupa	Ocena
Gościcki Kamil	T3/A

Ćwiczenie nr 3

Temat: Badanie mikroskopowe stali, żeliw i metali kolorowych.

Data wykonania ćwiczenia	Data oddania sprawozdań
13.12.2010r. 03.01.2011r.	10.01.11r.

1. Wykres żelazo - węgiel, opis składników.

Stal o zawartości węgla 1% przechodzi podczas chłodzenia od temperatury 1500ºC cztery przemiany. Pierwsza z nich zachodzi w temperaturze około 1475ºC. Ciecz częściowo zmienia się wtedy w żelazo typu γ. Do kolejnej przemiany dochodzi już w temperaturze około 1375ºC. Wtedy zachodzi przemiana w wyniku której powstaje austenit oraz żelazo typu γ. W kolejnym etapie to znaczy w temperaturze 800ºC dochodzi do trzeciej przemiany w wyniku której pozostaje austenit oraz cementyt wtórny. Czwarta przemiana dokonuje się w temperaturze 723ºC. Dochodzi wtedy do przemiany austenitu w perlit w wyniku której poniżej temperatury 723ºC występuje perlit oraz cementyt wtórny.

Ferryt

Jest to graniczny stały roztwór węgla w żelazie α o maksymalnej rozpuszczalności 0,008%C w temperaturze otoczenia. Ferryt ma własności zbliżone do czystego żelaza. Oznacza się go symbolem Fe_α(C) lub symbolem α.

Perlit

Jest to mieszanina eutektoidalna składająca się z płytek ferrytu i cementytu o zawartości węgla 0,8% powstająca z przemiany austenitu. Perlit charakteryzuje się budową pasemkową, gdyż składa się z płytek ferrytu i cementytu ułożonych na przemian. Odległość między płytkami zmniejsza się wraz ze wzrostem szybkości chłodzenia przy jednoczesnym wzroście twardości struktury. Własności mechaniczne perlitu HB: 220-260; R_m=700-800 Mpa

Austenit

Jest to stały roztwór węgla w żelazie γ o maksymalnej rozpuszczalności węgla do 2%. Oznacza się go symbolem Fe_γ (C), bądź literą γ.

2. Wpływ zawartości węgla na własności stali.

Wraz ze wzrostem zawartości węgla zwiększa się wytrzymałość na rozciąganie, granica plastyczności i twardość, zmniejsza się udarność, wydłużenie i przewężenie. Większa zawartość węgla pogarsza spawalność ale polepsza hartowność.
W stalach narzędziowych, a szczególnie w stalach szybkotnących zawartość węgla musi być powyżej 1 % gdyż dopiero wówczas właściwie będą wykorzystane inne dodatki stopowe ( wanad ; wolfram; kobalt ).
W stalach nierdzewnych i kwasoodpornych występowanie węgla powyżej 0,03 % stwarza podatność tych stali na korozje międzykrystaliczną.

3. Utwardzanie dyspresyjne.

Utwardzanie dyspersyjne to proces technologiczny złożony z przesycania i starzenia, stosowany w przygotowaniu stali konstrukcyjnych.

Celem utwardzania dyspersyjnego jest uzyskanie maksymalnej twardości i wytrzymałości należy zwrócić szczególną uwagę na dobór odpowiedniej temperatury starzenia. Ponieważ przeprowadzenie operacji w zbyt wysokiej temperaturze powoduje tzw. przestarzenie czyli następuje utrata koherencji fazy wydzielonej z osnową oraz koagulacja wydzielonych cząstek. Jest to przyczyną zmniejszenia twardości i wytrzymałości.

4. Przykłady stali, żeliw i metali kolorowych.

		ZASTOSOWANIE:
Stal 30 HGS	Wykorzystywana jest przede wszystkim do konstrukcji spawanych z blach i rur oraz do produkcji śrub.
Stop łożyskowy SnSb11Cu6, odlew	Stosowane są do wyrobu i wylewania tulejek łożysk ślizgowych.
Żeliwo sfereoidalne perlityczne, odlew	Wytwarza się z nich takie części silników samochodowych jak wały korbowe, rozrządu, cylindry i pierścienie tłokowe.

5. Podział i definicja żeliw.

Żeliwa:

Żeliwo to odlewniczy stop żelaza z węglem o takiej zawartości węgla która zapewnia krzepnięcie z przemianą eutektyczną (praktycznie 2,5 do 4.5%C), zawierający pewne ilości krzemu (do 3,5%), manganu (do 1%), fosforu (do 0,8%) i siarki (do 0,3%) pochodzenia metalurgicznego.

Węgiel w żeliwach (poza osnową) może występować w postaci związanej jako cementyt (ogólnie węgliki) bądź w postaci wolnej jako grafit w zależności od czego rozróżnia się:

- żeliwa szare - węgiel w postaci grafitu,

- żeliwa białe - węgiel związany w cementycie,

- żeliwa połowiczne (pstre) z węglem występującym zarówno w postaci wolnej jak i związanej.

Struktura żeliw zależy zarówno od składu chemicznego jak i szybkości krystalizacji metalu, co związane jest z grubością ścianki odlewu:

Pierwiastki występujące w żeliwie można zestawić według ich wpływu na zdolność żeliwa do grafityzacji podczas krzepnięcia:

- ułatwiające grafityzacje - Al., C, Si, Ni, Cu, P

- utrudniające grafityzację - W, Mn, Mo, S, Cr, V,

Ważnym składnikiem żeliw jest fosfor, który zwiększa rzadkopłynność, nie oddziałując w istotny sposób na proces grafityzacji. Fosfor tworzy odrębny składnik strukturalny, potrójną eutektykę fosforową zwaną steadytem, która powiększa twardość i odporność żeliwa na ścieranie, ale przy większej ilości powoduje również kruchość w niskiej temperaturze.

Żeliwa szare:

Największe zastosowanie przemysłowe mają jak dotąd żeliwa szare. Grafit występuje tu w postaci nieregularnych płatków różnej wielkości, tworząc nieciągłości w osnowie metalicznej. Wytrzymałość grafitu w porównaniu z osnową można przyjąć za równą zeru, stąd też żeliwa szare odznaczają się niską wytrzymałością na rozciąganie i zginanie, przy dość dobrej wytrzymałości na ściskanie. Wytrzymałość zmęczeniowa żeliw szarych jest również niewielka ze względu na obecność wspomnianych karbów strukturalnych. Z tego też powodu żeliwa szare są również mało wrażliwe na działa-nie wad powierzchniowych.

Żeliwo szare ferrytyczno-perlityczne

Główną zaletą żeliwa szarego są dobre własności odlewnicze: wysoka rzadkopłynność, mały skurcz odlewniczy (0,6 do 1,25%), dobre wypełnianie wnęki form itd. Inne zalety żeliwa szarego związane z obecnością grafitu w strukturze to dobre własności przeciwcierne, zdolność tłumienia drgań, dobra obrabialność. Dodatkową zaletą tych żeliw jest niska cena.

Żeliwa szare są powszechnie stosowanym materiałem konstrukcyjnym w przemyśle maszynowym, kolejowym, samochodowym (np. korpusy maszyn, płyty fundamentowe, pierścienie tłokowe, bębny hamulcowe, tuleje cylindrowe, armatura itd.).

Własności wytrzymałościowe żeliw szarych zależą przede wszystkim od postaci i wielkości wydzieleń grafitu. Zmieniając postać z płatkowej np. na kulistą i rozdrabniając wydzielenia można uzyskać znaczny przyrost R_m, R_0.2 a A₅ może osiągnąć poziom 20%.

Odmianą żeliw szarych są żeliwa modyfikowane, zawierające bardzo drobny grafit płatkowy, dzięki czemu ich wytrzymałość jest znacznie wyższa niż żeliw zwykłych. Rozdrobnienie grafitu uzyskuje się przez dodanie do żeliwa przed odlaniem tzw. modyfikatora, najczęściej w postaci sproszkowanego żelazokrzemu.

Żeliwa sferoidalne:

Żeliwami sferoidalnymi nazywa się żeliwa, w których grafit powstaje podczas krzepnięcia w postaci kulkowej. Uzyskuje się je w wyniku procesu modyfikacji, polegającym na wprowadzeniu do metalu (bezpośrednio przed odlaniem) dodatku sferoidyzującego w postaci magnezu, ceru, lantanu, wapnia itp.

Struktura osnowy żeliw sferoidalnych, podobnie jak żeliw szarych zwykłych może być ferrytyczna, ferrytyczno-perlityczna lub perlityczna.

Żeliwo sferoidalne z osnową ferrytyczną

Dzięki kulistej postaci grafitu, żeliwa sferoidalne mają znacznie lepsze własności mechaniczne i z powodzeniem zastępują nie tylko staliwo lecz również niektóre odkuwki stalowe. Wytwarza się z nich takie części silników samochodowych jak wały korbowe, rozrządu, cylindry i pierścienie tłokowe. W budowie obrabiarek żeliwo sferoidalne wykorzystuje się na koła zębate, wrzeciona, korpusy itd.

Sferoidyzacja powoduje zmniejszenie zdolności żeliwa szarego do tłumienia drgań. Aby za-chować dobre własności wytrzymałościowe i jednocześnie nie stracić zdolności do tłumienia drgań opracowano żeliwa wermikularne w których grafit przyjmuje kształt pośredni, krętkowy, zwichrowany, gwiaździsty.

Żeliwa białe:

Żeliwa białe jako materiał konstrukcyjny prawie nie mają szerszego zastosowania technicznego, natomiast powierzchniowa warstwa żeliwa białego na żeliwie szarym, powstająca przez tzw. zabielenie (tj. szybkie lokalne ochłodzenie odlewu) jest stosowana w celu zwiększenia odporności materiału na ścieranie. Zabielenie żeliwa szarego stosuje się czasem w przypadku mniej odpowiedzialnych prowadnic korpusów maszyn, bieżni kół wagoników roboczych itp.

Żeliwo białe jest materiałem wyjściowym do wytwarzania żeliwa ciągliwego.

Struktura żeliwa białego podeutektycznego

Żeliwa ciągliwe:

Żeliwami ciągliwymi nazywa się żeliwa białe, które ulegają określonemu uplastycznieniu dzięki obróbce cieplnej (grafityzowanie) albo cieplno − chemicznej (odwęglanie) i zawierają grafit w postaci tzw. węgla żarzenia.

Grafityzowanie polega na wyżarzaniu w 950 ÷ 1000^oC przez kilkadziesiąt godzin w atmosferze obojętnej. W pierwszym okresie grafityzacji rozkłada się cementyt pierwotny (z ledeburytu) i pewna część wtórnego aż do usta-lenia równowagi węgla żarzenia i nasyconego węglem austenitu. Dalszy rozkład cementytu wtórnego jest możliwy tylko przy obniżaniu temperatury, ponieważ zmniejsza się wtedy rozpuszczalność węgla w austenicie. Powolne obniżanie temperatury zapewnia okres pośredniej grafityzacji, w którym węgiel żarzenia wydziela się z austenitu. Dalszy przebieg wyżarzania zależy od rodzaju wymaganej osnowy. Węgiel żarzenia w osnowie ferrytycznej (tzn. całko-witą grafityzację cementytu wtórnego) zapewnia bardzo powolne studzenie (3 ÷ 5^oC/h) w zakresie 760 ÷ 670^oC. Węgiel żarzenia w osnowie perlitycznej zapewnia powolne chłodzenie (50^oC/h) bezpośrednio po zakończeniu pierwszego okresu grafityzacji, a w osnowie ferrytyczno - perlitycznej - pośrednia grafityzacja w temperaturze około 670^oC przez odpowiedni czas.

Z powodu barwy przełomu żeliwo grafityzowane o osnowie ferrytycznej nazywane jest żeliwem ciągliwym czarnym, a o osnowie perlitycznej, żeliwem ciągliwym perlitycznym.

Struktura żeliwa ciągliwego czarnego

Zaletą grafityzowania jest jednakowa struktura na przekroju nawet znacznej grubości. Żeliwo ciągliwe czarne stosowane jest na odlewy nie wymagające większej wytrzymałości, a przy tym tanie, jak części maszyn rolniczych, maszyn do szycia, artykułów gospodarstwa domowego itp. Żeliwo ciągliwe perlityczne ma zastosowanie na części silniej obciążone.

Odwęglanie polega na wyżarzaniu w 1000^oC przez kilkadziesiąt godzin w atmosferze utleniającej. W czasie wyżarzanie następuje grafityzacja oraz utlenianie węgla z powierzchniowej warstwy odlewu. W miarę postępu procesu tworzy się gradient stężenia i węgiel z warstw podpowierzchniowych dyfunduje odrdzeniowo ulegając dalszemu utlenianiu. Struktura żeliwa odwęglonego zmienia się na przekroju. Całkowite odwęglenie obserwuje się na głębokości 6 ÷ 8 mm od powierzchni - odpowiada mu struktura ferrytyczna, przechodząca głębiej w ferrytyczno-perlityczną i perlityczną z węglem żarzenia, w rdzeniu. Dlatego odwęglaniu nie poddaje się odlewów o grubości powyżej 12 mm. Z powodu jasnej barwy przełomu całkowicie odwęglonego, żeliwo takie nazywane jest żeliwem ciągliwym białym. Dodatnią cechą tego rodzaju żeliwa jest dobra spawalność, natomiast jest gorzej skrawalne od żeliwa ciągliwego czarnego, dlatego stosuje się je na cienkościenne odlewy niezbyt mocno obciążone i nie wymagające większej obróbki skrawaniem części maszyn, pojazdów mechanicznych, artykułów gospodarstwa domowego itp.

Żeliwa stopowe:

Żeliwami stopowymi nazywa się żeliwa zawierające dodatkowo pierwiastki takie jak chrom, nikiel, molibden, aluminium, tytan, wanad, miedź, wolfram, bor lub zwiększone ilości krzemu i manganu. Dobór ww. pierwiastków oraz ich wzajemne stosunki ilościowe decydują o własnościach wytrzymałościowych, odporności na ścieranie i działanie środowisk korozyjnych oraz oddziaływa-nie atmosfer utleniających w wysokich temperaturach. Polska Norma omawia 48 gatunków żeliw stopowych podzielonych według właściwości na trzy grupy: żeliwa stopowe żaroodporne, odporne na korozję i odporne na ścieranie.

Żeliwo stopowe chromowe odporne na ścieranie. Powiększenie 100x

6. 
   Budowa mikroskopu metalograficznego.

1. regulacja natężenia światła

2. włącznik

3. stolik przedmiotowy

4. pokrętła regulacji położenia stolika

5. włącznik toru wizyjnego kamery

6. mocowanie łącznika toru wizyjnego kamery

7. obiektywy

8. śruba makro

9. śruba mikro

10. regulacja oporu ruchu śruby makro

11. blokada wysokości położenia stolika

12. gniazdo sieciowe

13. polaryzatora

14. analizator

15. dysk z filtrami

16. przesłona aperturowa

17. pokrętła regulacji oświetlenia

18. przesłona polowa

7. Własności poszczególnych rodzajów stali.

Stal - stop żelaza z węglem (bądź z innymi pierwiastkami). Stale zgodnie z polską normą klasyfikuje się wg składu chemicznego oraz wg własności i zastosowania.

Stale węglowe konstrukcyjne - Znak stali węglowej konstrukcyjnej wyższej jakości składa się z dwucyfrowej liczby określającej średnią zawartość węgla w setnych %. Na końcu często dodaje się literę która uzupełnia znak. W tym przypadku oznaczają one:

G - stal uspokojona z zawartością krzemu od 0,17 do 0,37 %, o podwyższonej

zawartości manganu (od 0,70% do 1,00%);

X - stal uspokojona z maksymalną zawartością krzemu do 0,07%;

Y - stal półuspokojona z zawartością krzemu od 0,05 do 0,17%;

U - stal uspokojona z zawartością krzemu od 0,17 do 0,37%, z wymaganą

wysoką udarnością.

Stale węglowe narzędziowe - Znak tej stali opatruje się na początku literą N. Następnie liczbą oznaczającą zawartość węgla w dziesiątych procenta. W zależności od charakterystyki stali na końcu opatrujemy ją literami:

E - płytko hartująca się

(bez litery) - głęboko hartująca się

Z - zgrzewalna

Stale stopowe konstrukcyjne - Najczęściej znak stali stopowej konstrukcyjnej zawiera średnią zawartość węgla oraz ważniejsze składniki stopowe z podaniem przybliżonej ich zawartości. Na przykład 30H2N2M jest znakiem stali chromo-niklowo-molibdenowej, gdzie 30 określa zawartość węgla w setnych procenta, litery są zaś symbolami głównych składników stopowych lub grupy składników, a liczby określają w przybliżeniu procentową zawartość pierwiastka stopowego. Litera A podana na końcu znaku oznacza podwyższoną jakość stali. W powyższych stalach obowiązuje symbolika:

G - mangan;

S - krzem

N - nikiel

F - wanad

K - kobalt

J - aluminium

M - molibden

W - wolfram

T - tytan

H- chrom

Stale konstrukcyjne specjalnego przeznaczenia - Najczęściej są to stale bardzo zbliżone składem chemicznym do konstrukcyjnych, a oznaczenia ich są powiększone o dodatkowe litery, które oznaczają:

P - dla hutnictwa;

R - drobnoziarnista (na rury);

K - na blachy kotłowe;

Z - zgrzewalne ogniowo i elektrycznie;

A - automatowa;

N - na nity;

E - zgrzewalne elektrycznie.

D - na druty;

1

0,5

0,6

0,7

0,4

10

20

30

40

50

0

Ferrytyczne

Perlityczno- ferrytyczne

Szare

Połowiczne

Białe

Zawartość C + Si [%]

Grubość ścianki odlewu [mm]

---