stale i staliwa

Akademia Morska w Szczecinie

Instytut InŜynierii Transportu

Zakład Techniki Transportu

Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotów

Materiałoznawstwo

Nauka o materiałach

Identyfikacja materiałów konstrukcyjnych Ŝelaznych - stale i staliwa

Opracowali: mgr inŜ. Joanna Tuleja

Dr inŜ. Jarosław Chmiel

Zatwierdził: dr inŜ. Jarosław Chmiel

Szczecin 2008

Wprowadzenie

Stopy Ŝelaza naleŜą do najwaŜniejszej grupy materiałów konstrukcyjnych

stosowanych przez człowieka. Wykorzystywane są od ok. 2000 roku p.n.e. i prawdopodobnie
jeszcze długo ten stan się nie zmieni. Przyczyny popularności tej grupy materiałów wynikają
z:

powszechności występowania w skorupie ziemskiej Ŝelaza (ok. 4,5%) najczęściej w
postaci tlenków z których we względnie łatwy sposób moŜna odzyskać Ŝelazo;

względnie niska temperatura topnienia Ŝelaza 1583°C umoŜliwia jego otrzymywanie w
stanie ciekłym co jest szczególnie istotne przy formowaniu i kształtowaniu, niemoŜność
wystąpienia dyfuzji w stanie stałym co powoduje, Ŝe właściwości stopów Ŝelaza w
temperaturze otoczenia pozostają niezmienne;

stopy Ŝelaza charakteryzują się występowaniem przemian fazowych, efektem tego jest
moŜliwość uzyskania materiałów konstrukcyjnych o bardzo róŜnorodnych
właściwościach, które moŜemy dostosować do naszych potrzeb.

Na dzień dzisiejszy ponad 90% materiałów metalicznych stosowanych przez człowieka

stanowią stopy Ŝelaza.

Podstawowe pojęcia

Podstawowymi składnikami materiałów metalicznych Ŝelaznych są: Ŝelazo; węgiel.

Stopy Ŝelaza ze względu na zawartość węgla dzielimy na: staliwa i stale; Ŝeliwa i surówki.
Stalą wg normy PN-EN 10020 przyjęto nazywać materiał zawierający wagowo więcej

elaza niŜ jakiegokolwiek innego pierwiastka, w zasadzie mniej niŜ 2% węgla i inne

pierwiastki. Dotychczas analizowano stopy Ŝelaza z węglem jako stopy materiały
dwuskładnikowe. Na podstawie zawartości węgla przyjęty jest zwyczajowy podział stali na
nisko, średnio i wysokowęglowe (tablica 1)
Staliwo - jest to stop Ŝelaza z węglem o zakresie składów takim samym jak stale ale
stosowany w w stanie lanym.

Tablica 1

Podział stali ze względu na zawartość węgla

Stale

Zawartość węgla %

Przykłady zastosowań

Niskowęglowe

< 0,25

Stale

konstrukcje

spawane,

stale

automatowe, stale do nawęglania, stale dla
budownictwa

redniowęglowe

0,25 ÷ 0,60

Stale konstrukcyjne, stale spręŜynowe, stale
na narzędzia obciąŜone dynamicznie

Wysokowęglowe

> 0,60

Stale narzędziowe, stale na łoŜyska toczne

Wiadomo z praktyki, Ŝe oprócz Ŝelaza i węgla, stale zawierają teŜ i inne pierwiastki. NaleŜy
zatem przeanalizować wpływ róŜnych grup pierwiastków na strukturę i właściwości stopów

elaza z węglem. NajwaŜniejsze grupy tych pierwiastków to zanieczyszczenia, domieszki

metalurgiczne i pierwiastki stopowe.

Zanieczyszczenia

Jako zanieczyszczenia się pierwiastki pochodzące z rud metali bądź wprowadzone do

stopu  w  trakcie  procesu  metalurgicznego  lub  innych  zbiegów  technologicznych,
oddziaływujące  szkodliwie  na  właściwości  uŜytkowe  stopu.  Główne  zanieczyszczenia
występujące w stopach Ŝelaza to

Siarka występująca w rudach Ŝelaza i materiałach wsadowych,

fosfor występujący w rudach Ŝelaza i materiałach wsadowych,

tlen wprowadzany w trakcie świeŜenia surówki,

wodór wprowadzony w trakcie trawienia stali w roztworach kwasów.

NajwaŜniejszym skutkiem obecności zanieczyszczeń jest pogorszenie plastyczności stali
i odporności na kruche pękanie.

Zawartość zanieczyszczeń a zwłaszcza siarki i fosforu stanowi kryterium podziału stali na

klasy jakościowe. Norma PN-EN 10020 „Stal – klasyfikacja” wyróŜnia

stale podstawowe - gatunki stali o takich wymaganiach jakościowych, które moŜna
osiągnąć w ogólnie stosowanym procesie stalowniczym, bez dodatkowych zabiegów
technologicznych.

stale  jakościowe  -  gatunki  stali  dla  których  w  zasadzie  nie  określa  się  właściwości
w stanie  obrobionym  cieplnie  i  czystości  metalurgicznej  wyraŜonej  stopniem
zanieczyszczenia wtrąceniami niemetalicznymi; ze względu na warunki zastosowania
wyrobów  ze  stali  jakościowych,  wymagania  jakościowe    są  wyŜsze  niŜ  dla  stali
podstawowych, co wymaga większej staranności podczas produkcji.

stale specjalne - gatunki stali, które charakteryzują się wyŜszym niŜ gatunki stali jako-

ciowych stopniem czystości metalurgicznej, szczególnie w zakresie zawartości

wtrąceń  niemetalicznych;  są  one  przewaŜnie  przeznaczone  do  ulepszania  cieplnego
lub  hartowania  powierzchniowego  i  są  one  podatne  na  taką  obróbkę  cieplną;  przez
dokładny  dobór  składu  chemicznego  oraz  przestrzeganie  specjalnych  warunków
produkcji  stali  i  kontroli  przebiegu  procesów  technologicznych  uzyskuje  się
róŜnorodne  własności  przetwórcze  i  uŜytkowe  stali  często  równocześnie
i w zawęŜonych  granicach  np.  wysoką  wytrzymałość  lub  hartowność  z  równocześnie
dobrą podatnością na kształtowanie, spawanie, ciągliwością itp.

Domieszki metalurgiczne

Do tej kategorii zalicza się pierwiastki wprowadzone celowo dla przeprowadzenia

określonych reakcji metalurgicznych, w szczególności dla związania zanieczyszczeń.
NajwaŜniejsze z tych pierwiastków to:

•

mangan – stosowany do odsiarczania stali,

•

wapń – w postaci wapna palonego stosowany do wiązania fosforu,

•

krzem – do odtleniania,

•

aluminium – do odtleniania końcowego.

Pierwiastki  powyŜsze  wprowadzane  są  do  ciekłego  stopu  w  nieznacznym  nadmiarze,  tak  by
doprowadzić  do  całkowitego  związania  zanieczyszczeń.  NaleŜy  zwrócić  uwagę,  Ŝe  niektóre
z  domieszek  (Mn,  Si,  Al)    mogą  występować  jako  pierwiastki  stopowe.  Jako  domieszki
traktować  naleŜy  równieŜ  wiele  pierwiastków,  których  zawartość  nie  przekracza  granic
określonych  w  normie,  a  które  nie  mają  szkodliwego  wpływu  na  właściwości  stali.
Pierwiastki  te  najczęściej  dostają  się  do  stopu  podczas  procesu  stalowniczego,  wraz  ze
złomem  stosowanym  jako  materiał  wsadowy.  Graniczne  wartości  pierwiastków  podano
w tablicy  2.  Jeśli  zawartość  pierwiastków  jest  niŜsza  od  granicznej  to  stal  nazywamy  stalą
niestopową, jeŜeli zaś wyŜsza – stalą stopową.

Tablica 2

Graniczne wartości pierwiastków stopowych wg PN-EN 10020

Pierwiastek

Zawartość graniczna (% wagowy)

Al Aluminium

0,10

B Bor

0,0008

Bi Bizmut

0,10

Co Kobalt

0,10

Cr Chrom

0,30

Cu Miedź

0,40

La i inne lantanowce, kaŜdy

0,05

Mn Mangan

1,65

Mo Molibden

0,08

Nb Niob2

0,06

Ni Nikiel

0,30

Pb Ołów

0,40

Se Selen

0,10

Si Krzem

0,50

Te Tellur

0,10

Ti Tytan

0,05

V Wanad

0,10

W Wolfram

0,10

Zr Cyrkon

0,05

Inne (oprócz węgla, siarki, fosforu, azotu), kaŜdy

0,05

Pierwiastki stopowe

Jeśli stal zawiera pierwiastki wprowadzone celowo, w ilościach większych niŜ podano

w tablicy 2, dla nadania jej określonych właściwości uŜytkowych i technologicznych, to stal
taką nazywamy stalą stopową zaś pierwiastki – stopowymi.
NajwaŜniejsze pierwiastki stopowe w stalach to mangan, krzem, nikiel, chrom, molibden,
wolfram, wanad, miedź.

Przyjmuje się, Ŝe jeŜeli sumaryczna zawartość pierwiastków stopowych jest niŜsza od

5% , to stal jest stalą niskostopową, jeŜeli zaś wyŜsza to jest to stal wysokostopowa. W
praktyce, ilości pierwiastków stopowych w stalach wysokostopowych są znacznie wyŜsze od
5%. Specyficznym rodzajem pierwiastków stopowych są tzw. mikrododatki (np. bor),
wprowadzane w ilościach rzędu 0,001 do 0,1%.

Składniki fazowe

Ferryt - jest międzywęzłowym roztworem stałym węgla w Fe a o strukturze A2 (RPC). Na
obrazie mikroskopowym ferryt ma wygląd równoosiowych ziaren o wyraźnych granicach.
Rozpuszczalność węgla 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.
Własności; ferryt jest fazą bardzo miękką i plastyczną o małej wytrzymałości na rozciąganie,
dzięki temu stopy ferrytyczne nadają się do obróbki plastycznej, ok. 80 HB.

Austenit - jest międzywęzłowym roztworem stałym węgla w Fe y o strukturze A l (RSC). Na
obrazie mikroskopowym austenit ma wygląd równoosiowych ziaren o charakterystycznych
prostoliniowych granicach, zazwyczaj z licznymi bliźniakami.
Rozpuszczalność węgla w austenicie jest większa niŜ w ferrycie od 0,8% przy temp 723°C,
do 2,06% przy temp. eutektycznej  1147°C. W czystych stopach Ŝelaza z węglem w temp.
poniŜej   723°C   austenit  jest   nietrwały   -O   ulega   eutektoidalnemu   rozpadowi na
mieszaninę ferrytu i cementytu.
Własności: austenit jest fazą stosunkowo twardą, o znacznej wytrzymałości na rozciąganie, a
przy tym bardzo ciągliwą. Dzięki temu stopy austenityczne podatne są do obróbki
plastycznej, ale odznaczają się złą skrawalnością, ok. 200 HB.
Węgiel w stopach Ŝelaza występuje w trzech odmianach: w stanie wolnym jako grafit; w
stanie związanym jako węglik Ŝelaza FeiC; w postaci roztworu.

Cementyt  jest fazą międzywęzłową o strukturze złoŜonej układu rombowego, zawierającą
cięŜarowe 6,67% C.
Własności: odznacza się duŜą kruchością i twardością (HB - 700) oraz nieznacznie mniejszą
niŜ Ŝelazo gęstością oraz duŜą odpornością chemiczną. Cementyt do temp. 210°C jest
ferromagnetyczny, a w wyŜszych temperaturach paramagnetyczny. Ze względu na znaczny
udział wiązania metalicznego obok kowalencyjnego cementyt wykazuje własności
metaliczne. Cementyt jest fazą nietrwałą, ulegającą w podwyŜszonych temperaturach
rozkładowi (grafityzacji):

C —» 3Fe + C

grafit

z tego powodu rozróŜnia się odpowiednio dwa układy równowagi.
Z roztworu ciekłego moŜe krystalizować zarówno grafit, jak i cementyt, zaleŜnie od
warunków odprowadzania ciepła, składu chemicznego i innych czynników. WyróŜniamy:

cementyt pierwotny - krystalizuje z roztworu ciekłego, w postaci duŜych, grubych
igieł;

cementyt wtórny - wydziela się z austenitu w wyniku zmniejszania rozpuszczalności
węgla przy  obniŜaniu temperatury w  zakresie 1147 - 723°C oraz powstaje z
eutektoidalnego rozpadu austenitu w temp. 723°C. W pierwszym przypadku ma na
obrazie mikroskopowym najczęściej postać siatki otaczającej ziarna (rzadziej igieł), w
drugim - najczęściej płytek rozmieszczonych na przemian z płytkami ferrytu, rzadziej
kulek w osnowie ferrytu;

cementyt trzeciorzędowy - wydziela się z ferrytu przy zmniejszaniu rozpuszczalności

przy obniŜaniu temp. poniŜej 723°C, na obrazie mikroskopowym ma najczęściej
wygląd małych wydzieleń na granicach lub w obrębie ziaren ferrytu.

Składniki strukturalne

Perlit jest mieszaniną eutektoidalną nasyconego ferrytu i cementytu wtórnego o zawartości
węgla 0,8% powstającą jako produkt rozpadu austenitu w temp. 723°C. Na obrazie
mikroskopowym perlit przy dostatecznym powiększeniu ma wygląd równoosiowych ziaren,
w których występują pęki róŜnie zorientowane równoległych płytek ferrytu i cementytu.
Perlit ma budowę płytkową (na przemian rozłoŜone płytki ferrytu i cementytu) o dyspersji
zaleŜnej od szybkości chłodzenia podczas przemiany.
Własności: jest składnikiem strukturalnym o dobrej wytrzymałości i niezłej ciągliwości
(twardość HB= 180 - 280, zaleŜnie od grubości płytek).

Perlit

Ledeburyt jest mieszaniną eutektyczną nasyconego austenitu i cementytu pierwotnego o
zawartości węgla 4,3% krystalizującą w temp. 1147°C. W temp. eutektoidalnej austenit
podlega rozpadowi na ferryt i cementyt wtórny, poniŜej 723°C ledeburyt nosi nazwę
przemienionego i składa się z cementytu wtórnego i' pierwotnego oraz perlitu, ponadto
pojawiają się w ledeburycie przemienionym wydzielenia cementytu trzeciorzędowego. Na
obrazie mikroskopowym ledeburyt przemieniony ma wygląd ciemnych nieregularnych pól
(perlit) rozłoŜonych na jasnym tle cementytu pierwotnego.
Własności; ledeburyt jest składnikiem strukturalnym twardym i kruchym, w związku z tym
trudno skrawalnym, ok.450 HB

Technologiczny podział stali
Ze względu na zastosowany końcowy zabieg technologiczny wyróŜnia się stale:

kute;

walcowane;

ciągnione.

Ze względu na zastosowaną obróbkę cieplną stale dzielimy na:

ujednorodnione;

normalizowane;

zmiękczane;

odpręŜone;

ulepszone cieplnie;

hartowane;

przesycone;

surowe.

Ze względu na zastosowanie rozróŜniamy m.in. stale:

konstrukcyjne;

narzędziowe (do pracy na zimno, do pracy na gorąco i stale szybkotnące);

odporne na korozję,

aroodporne,

arowytrzymałe,

o specjalnych właściwościach fizycznych, elektrycznych, magnetycznych).

3. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się ze strukturami róŜnych rodzajów stali i staliw,

ich własnościami, zastosowaniem i oznaczeniami..

Przebieg ćwiczenia

wiczenie polega na dokładnej obserwacji struktur róŜnych rodzajów stali i staliw.

Wykonujący ćwiczenie ma za zadanie zidentyfikować badane materiały i wskazać
poszczególne elementy struktury analizowanych stopów

Sprawozdanie

Sprawozdanie powinno zawierać:

definicje stali i staliwa;

podstawowe sposoby klasyfikacji stali i staliw,

rysunki mikrostruktur identyfikowanych stali i staliw wraz z dokładnymi

opisami poszczególnych składników fazowych i strukturalnych;

wytyczne dotyczące oznaczania analizowanych grup materiałów;

przykłady zastosowania poszczególnych grup stali, staliw.

Wymagania

Podstawowe pojęcia charakteryzujące stale, staliwa.

Sposoby klasyfikacji stali i staliw.

Definicje składników fazowych i strukturalnych s"tali i staliw.

Właściwości stali i staliw.

Przykłady zastosowania stali i staliw.

Literatura

Prowans St.: Materiałoznawstwo", PWN, Warszawa 1986 (str. 104 - 114 i 218 -
284).

Blicharski M.: „Wstęp do inŜynierii materiałowe/', WNT, Warszawa 2001 (str.
226 - 263).

Dobrzański L.A.: Metaloznawstwo z podstawami nauki o materiałach", WNT,

Warszawa 1999 (str. 379 - 486).

Topoliński T.: Materiałoznawstwo", WUATR, Bydgoszcz 1999 (str. 49 - 77).

Domke W.: „Vademecum materiałoznawstwa", WNT, Warszawa 1989 (str. 69 - 171).

Przybyłowicz K. Metaloznawstwo

Norma PN-EN 10020 Stal. Klasyfikacja

Norma PN – EN 10027 Stal.Znakowanie