1
Stal stopowa
Stal stopowa
1
Stal stopowa
Stal stopowa
2
Stal stopowa
Oddziaływanie dodatków stopowych
⇒
⇒
⇒
⇒
zmiana składu fazowego i zakresów występowania
poszczególnych faz (charakter wykresu równowagi
Ŝ
elazo-węgiel);
⇒
⇒
⇒
⇒
zmiana kinetyki przemian austenitu przechłodzonego
(charakter wykresów CTP);
⇒
⇒
⇒
⇒
zmiana kinetyki procesu odpuszczania martenzytu;
⇒
⇒
⇒
⇒
rozpuszczają się w roztworach stałych (ferryt, austenit);
⇒
⇒
⇒
⇒
wchodzą w skład cementytu, zastępując część atomów
Ŝ
elaza;
⇒
⇒
⇒
⇒
tworzą samodzielnie węgliki róŜnych typów;
Pierwiastki stopowe
3
Stal stopowa
Charakter wykresu Fe-Fe
3
C
⇒
⇒
⇒
⇒
zwiększenie udziału perlitu w stali podeutektoidalnej,
⇒
⇒
⇒
⇒
pojawienie się ledeburytu przy zawartości węgla 1,0-1,5%,
⇒
⇒
⇒
⇒
zwiększenie temperatury austenityzowania;
4
Stal stopowa
Pierwiastki stabilizujące Feα
α
α
α
⇒
⇒
⇒
⇒
np. chrom, aluminium, krzem, molibden, tytan, wolfram, wanad;
⇒
⇒
⇒
⇒
stal ledeburytyczna → np. stal narzędziowa szybkotnąca;
⇒
⇒
⇒
⇒
stal ferrytyczna → np. stal chromowa, odporna na korozję;
5
Stal stopowa
Pierwiastki stabilizujące Feγγγγ
⇒
⇒
⇒
⇒
np. nikiel, mangan, kobalt;
⇒
⇒
⇒
⇒
stal austenityczna → stal chromowo-niklowa, odporna na
korozję;
6
Stal stopowa
Pierwiastki międzywęzłowe
⇒
⇒
⇒
⇒
rozpuszczalność w ferrycie jest minimalna (w setnych %),
znacznie większa w austenicie (do 2%) – powodują
umocnienie roztworowe,
⇒
⇒
⇒
⇒
tworzą węgliki, azotki lub węglikoazotki,
np.: TiC, TiN, Ti(C,N);
7
Stal stopowa
Pierwiastki substytucyjne
⇒
⇒
⇒
⇒
pierwiastki nie tworzące w stopach Ŝelaza węglików –
Si, Al, Ni, P – powodują umocnienie roztworowe;
⇒
⇒
⇒
⇒
pierwiastki tworzące w stopach Ŝelaza węgliki (pierwiastki
węglikotwórcze) – Cr, W, Mo, V, Ti, Nb, Zr … – mogą takŜe
rozpuszczać się w ferrycie lub austenicie powodując
umocnienie roztworowe;
8
Stal stopowa
Umocnienie roztworowe
9
Stal stopowa
Pierwiastki węglikotwórcze
10
Stal stopowa
Pierwiastki węglikotwórcze
Ti ← V ← Cr ← Mn ← Fe
Zr ← Nb ← Mo
Hf ← Ta ← W
⇒
⇒
⇒
⇒
tworzą w stali samodzielne węgliki typu MC,
⇒
⇒
⇒
⇒
sieć regularna typu NaCl,
⇒
⇒
⇒
⇒
bardzo twarde, całkowicie kruche,
⇒
⇒
⇒
⇒
wysoka temperatura topnienia (2000-3500°C), prawie
nie rozpuszczają się w austenicie – nie biorą udziału
w procesach obróbki cieplnej,
⇒
⇒
⇒
⇒
w stali wiąŜą nadmiar węgla lub azotu, a ich dyspersyjne
cząstki blokują rozrost ziarn austenitu;
11
Stal stopowa
Pierwiastki węglikotwórcze
⇒
⇒
⇒
⇒
mogą tworzyć heksagonalne węgliki typu M
2
C,
⇒
⇒
⇒
⇒
mniejsza stabilność termodynamiczna niŜ poprzednie oraz
mniejsza twardość,
⇒
⇒
⇒
⇒
w stalach występują najczęściej w początkowych stadiach
procesów wydzieleniowych;
Ti ← V ← Cr ← Mn ← Fe
Zr ← Nb ← Mo
Hf ← Ta ← W
12
Stal stopowa
Pierwiastki węglikotwórcze
⇒
⇒
⇒
⇒
w stalach występuje węglik Cr
23
C
6
, a niekiedy Cr
7
C
3
;
⇒
⇒
⇒
⇒
Cr
23
C
6
dysocjuje w zakresie temperatury 950-1050°C –
jego wydzielanie się w stali odpornej na korozję moŜe
zwiększyć jej podatność na korozję międzykrystaliczną;
Ti ← V ← Cr ← Mn ← Fe
Zr ← Nb ← Mo
Hf ← Ta ← W
⇒
⇒
⇒
⇒
tworzy węglik Mn
3
C, lub łącznie z Ŝelazem (Mn,Fe)
3
C –
cementyt manganowy (stale manganowe łatwo przegrzewają
się);
13
Stal stopowa
Wpływ na kinetykę przemian austenitu
⇒
⇒
⇒
⇒
warunkiem przedstawionego oddziaływania jest całkowite
rozpuszczenie się pierwiastków stopowych w austenicie;
14
Stal stopowa
Wpływ na kinetykę przemian austenitu
15
Stal stopowa
Wpływ na proces odpuszczania
⇒
⇒
⇒
⇒
zmniejszenie szybkości dyfuzji → opóźnienie procesu
wydzielania węglików → wolniejszy spadek twardości stali
podczas odpuszczania;
⇒
⇒
⇒
⇒
stal stopowa ma większą twardość od stali węglowej o takiej
samej zawartości węgla po odpuszczaniu w danej
temperaturze;
⇒
⇒
⇒
⇒
do ok. 450°C mechanizm odpuszczania jest analogiczny jak
w stalach węglowych;
⇒
⇒
⇒
⇒
powyŜej 450°C zwiększająca się szybkość dyfuzji
pierwiastków stopowych umoŜliwia tworzenie przez nie
węglików czemu towarzyszy rozpuszczanie cementytu;
16
Stal stopowa
Kruchość odpuszczania
⇒
⇒
⇒
⇒
występuje w niektórych gatunkach stali stopowej –
Cr, CrMnSi, CrNi;
⇒
⇒
⇒
⇒
zakres 450-650°C – szybkie chłodzenie lub dodatek Mo i W;
17
Stal stopowa
Twardość wtórna
⇒
⇒
⇒
⇒
stopień utwardzenia zaleŜy od rodzaju i ilości pierwiastków
węglikotwórczych rozpuszczonych w austenicie;
⇒
⇒
⇒
⇒
narzędziowa stal stopowa → duŜa zawartość węgla
i węglikotwórczych pierwiastków stopowych;
18
Stal stopowa
Stal ledeburytyczna
⇒
⇒
⇒
⇒
stal narzędziowa do pracy na zimno – wysokochromowa
(11% Cr, 1,5-2,0% C);
⇒
⇒
⇒
⇒
stal narzędziowa szybkotnąca (0,8-1,3% C);
⇒
⇒
⇒
⇒
krystalizuje z wydzieleniem eutektyki ledeburytycznej,
⇒
⇒
⇒
⇒
po kuciu lub walcowaniu występuje segregacja pasmowa
węglików – stopień segregacji zaleŜy od intensywności
odkształcenia plastycznego;
19
Stal stopowa
Segregacja węglików
prawidłowa mikrostruktura
segregacja siatkowa
segregacja pasmowa
20
Stal stopowa
Obróbka cieplna stali szybkotnącej
21
Stal stopowa
Twardość wtórna
⇒
⇒
⇒
⇒
wpływ temperatury hartowania na zawartość austenitu
szczątkowego i twardość stali po odpuszczaniu;
22
Stal stopowa
Obróbka cieplna stali szybkotnącej
HARTOWANIE
1. ODPUSZCZANIE
2. ODPUSZCZANIE
3. ODPUSZCZANIE
węgliki pierwotne
martenzyt
nieodpuszczony
austenit szczątkowy
martenzyt
odpuszczony
stale szybkotnące bezkobaltowe
stale szybkotnące kobaltowe
23
Stal stopowa
Stal odporna na korozję
⇒
⇒
⇒
⇒
stal wykazuje odporność na korozję, gdy min. 13% chromu
znajduje się w roztworze stałym,
⇒
⇒
⇒
⇒
chrom związany w węglikach nie wpływa na odporność na
korozję;
24
Stal stopowa
Mikrostruktura stali chromowej
⇒
⇒
⇒
⇒
<0,05% C – stal ferrytyczna;
⇒
⇒
⇒
⇒
0,05-0,2% C – stal półferrytyczna;
⇒
⇒
⇒
⇒
>0,2% C – stal martenzytyczna;
25
Stal stopowa
Stal chromowo-niklowa
⇒
⇒
⇒
⇒
podstawowy gatunek zawiera 18% Cr i 8% Ni;
⇒
⇒
⇒
⇒
struktura austenityczna w całym zakresie temperatury;
⇒
⇒
⇒
⇒
przesycanie z temp. 1050-1150°C w wodzie
(R
m
∼550-650 MPa, R
e
∼200-350 MPa);
⇒
⇒
⇒
⇒
wyŜarzanie rekrystalizujące w temp. ok. 850°C/woda
26
Stal stopowa
Korozja międzykrystaliczna – przyczyny
~
~
~
~
18
12
~60
%Cr
γγγγ
γγγγ
Cr
23
C
6
Cr
Cr
Cr
Cr
C
C
C
C
granica ziarn
t
= 500-550°C
V
d
Cr
<< V
d
C
27
Stal stopowa
Korozja międzykrystaliczna
⇒
⇒
⇒
⇒
ponowne przesycanie (rozwiązanie czasowe);
⇒
⇒
⇒
⇒
zmniejszenie zawartości węgla (0,03-0,07%);
⇒
⇒
⇒
⇒
stabilizowanie przy pomocy Ti lub Nb;
Sposoby zapobiegania:
28
Stal stopowa
ś
aroodporność
⇒
⇒
⇒
⇒
zgorzelina – warstwa złoŜona głównie z tlenków oraz
ewentualnie z innych związków, która hamuje dyfuzję tlenu
z powietrza do przedmiotu jak i Ŝelaza z przedmiotu na
zewnątrz;
⇒
⇒
⇒
⇒
odporność na korozyjne działanie gorących gazów lub
powietrza o temperaturze wyŜszej od 550°C;
29
Stal stopowa
ś
aroodporność
⇒
⇒
⇒
⇒
mikrostruktura nie jest istotna – nie powinny zachodzić w stali
przemiany alotropowe połączone ze zmianą objętości;
⇒
⇒
⇒
⇒
głównym czynnikiem wpływającym na Ŝaroodporność jest
skład chemiczny – zawartość chromu, krzemu i aluminium;
⇒
⇒
⇒
⇒
np., stop: 70%Fe, 25%Cr, 5%Al –
zgorzelina: 90% Al
2
O
3
, 4%CrO
2
, 1%FeO;
30
Stal stopowa
ś
arowytrzymałość
⇒
⇒
⇒
⇒
zdolność do przenoszenia w wysokiej temperaturze
znacznych obciąŜeń przez długi okres czasu przy moŜliwie
najmniejszych odkształceniach (odporność stali na pełzanie);
⇒
⇒
⇒
⇒
pełzaniem nazywane jest zjawisko powolnego, ciągłego,
trwałego odkształcania materiału przy stałym obciąŜeniu
(nawet poniŜej granicy plastyczności przy temperaturze
zwykle wyŜszej od 0,4T
t
);
ε
t
, h
I
II
III
dε
dt
––– = const
×
×
×
×
31
Stal stopowa
ś
arowytrzymałość
⇒
⇒
⇒
⇒
wolfram, molibden, wanad i kobalt − podnoszą energię
wiązań atomów w roztworze stałym oraz temperaturę
rekrystalizacji;
⇒
⇒
⇒
⇒
nikiel i mangan – stabilizują strukturę austenityczną
o większej Ŝarowytrzymałości (wolniejsza dyfuzja);
⇒
⇒
⇒
⇒
rozmiar ziarna – większy rozmiar ziarna ogranicza dyfuzję
i poślizg po granicach ziarn;