Badania mikroskopwe stali stopowych konstrukcyjnych.pdf

165

Æwiczenie 19

BADANIA MIKROSKOPOWE

STALI STOPOWYCH KONSTRUKCYJNYCH

1. CEL ÆWICZENIA

Celem æwiczenia jest zapoznanie siê z podstawowymi wiadomociami dotycz¹cymi

stali stopowych konstrukcyjnych oraz charakterystyk¹ ich sk³adników strukturalnych.

2. WIADOMOCI PODSTAWOWE

Stalami stopowymi nazywamy stale, które poza ¿elazem, wêglem i zwyk³ymi do-

mieszkami (Mn, Si, P, S) zawieraj¹ inne, specjalnie wprowadzone sk³adniki lub pod-

wy¿szone zawartoci Mn i Si. Te celowo wprowadzone sk³adniki nosz¹ nazwê dodat-

ków stopowych. Dziêki wprowadzeniu do stali dodatków stopowych mo¿na uzyskaæ:

wysokie w³asnoci mechaniczne i technologiczne

zwiêkszon¹ hartownoæ

wysok¹ twardoæ i odpornoæ na cieranie

okrelone w³asnoci fizyczne i chemiczne takie jak odpornoæ na korozjê, ¿aro-

odpornoæ, ¿arowytrzyma³oæ, itp.

W zale¿noci od dodatków stopowych przyjêto nazwy stali np.: stale chromowe,

stale chromowo-niklowe, stale manganowe, stale wolframowe, stale niklowe itd.

Pierwiastki stopowe zwykle wystêpuj¹ w stali w postaci:

rozpuszczonej (w ferrycie lub austenicie): Si, Ni, Co, Cr, Mo i inne

jako wêgliki: Nb, Zr, Ti, V, W, Mo, Cr

Znacznie rzadziej wystêpuj¹ we wtr¹ceniach niemetalicznych, w zwi¹zkach miê-

dzymetalicznych czy te¿ w stanie wolnym, np. Pb.

Pierwiastki stopowe rozpuszczone w ferrycie podwy¿szaj¹ wytrzyma³oæ na roz-

ci¹ganie, granicê plastycznoci i twardoæ stali a obni¿aj¹ jej w³asnoci plastyczne.

Wêgliki stopowe powoduj¹ wzrost wytrzyma³oci i twardoci stali, przy czym de-

cyduj¹cym czynnikiem jest zale¿ny od uprzedniej obróbki cieplnej i sk³adu chemiczne-

go stali, stopieñ ich dyspersji. Pierwiastki wêglikotwórcze mog¹ w stalach wystêpo-

waæ w postaci zarówno roztworu sta³ego jak i wêglików. Zale¿y to od zawartoci

wêgla w stali, jak i jednoczesnego wystêpowania innych pierwiastków wêglikotwór-

czych. Przyk³adowo: stal z ma³¹ zawartoci¹ wêgla i du¿¹ pierwiastka stopowego

Opracowa³: Marek Mazur

166

po zwi¹zaniu wêgla przez cile okrelon¹ iloæ pierwiastka stopowego i utworzeniu

wêglików stopowych nadmiar pierwiastka stopowego rozpuci siê w ferrycie.

Wprowadzenie do stopów Fe-C pierwiastków stopowych powoduje zmiany w wy-

gl¹dzie uk³adu równowagi Fe-Fe 3 C. Zmiany te s¹ tym wiêksze im wiêksza jest za-

wartoæ dodatków stopowych. Dotyczy to zarówno temperatur przemian fazowych

jak i zawartoci wêgla w punktach charakterystycznych np. 0,8% C, 2,11% C itp.

Z uwagi na powy¿sze, ustalaj¹c obróbkê ciepln¹ stali stopowych musi siê cile

podawaæ temperatury poszczególnych zabiegów a ze wzglêdu na fakt, ¿e przy prze-

mianach fazowych wystêpuje dyfuzja pierwiastków stopowych nale¿y tak¿e uwzglêd-

niaæ zwykle d³u¿sze ni¿ dla stali wêglowych czasy zabiegów cieplnych. Nie mo¿na

korzystaæ z temperatur z uk³adu równowagi fazowej Fe-C, lecz z wykresów czas-

-temperatura-przemiana (CTP) opracowanych dla ka¿dego gatunku stali stopowych.

2.1. Wymagania stawiane stalom konstrukcyjnym

Stalami konstrukcyjnymi nazywamy stale wêglowe i stopowe, u¿ywane do budo-

wy konstrukcji stalowych, do wyrobu czêci maszyn, urz¹dzeñ i ró¿nego rodzaju po-

jazdów. Umowna temperatura ich stosowania to -40°C do +300°C, (233 do 573 K),

za rodowisko pracy nie mo¿e byæ chemicznie agresywne.

Norma PN-91/H-01010/03 (tabl.19.1) okrela górn¹ granicê zawartoci pierwiast-

ków, po przekroczeniu której dany pierwiastek mo¿e byæ uwa¿any za dodatek stopowy.

Tablica 19.1

Dopuszczalne zawartoci pierwiastków w stalach wêglowych

Mn % Si % Ni % Cr % W % Co % Cu % Al % Mo % V % Ti %

0,8

0,4

0,3

0,2

0,1

0,05

0,05 0,05

Przydatnoæ stali konstrukcyjnych do okrelonego ich zastosowania ocenia siê na

podstawie badañ w³asnoci mechanicznych przeprowadzonych przy temperaturze

pokojowej lub dodatkowo przy innej temperaturze zalecanej warunkami ich pracy.

Najbardziej istotnym kryterium wytrzyma³ociowym jest stosunek R e /R m . 100%, któ-

ry dla stali ulepszanych cieplnie osi¹ga wartoæ 90 do 95% (co oznacza, ¿e konstruk-

cja stalowa nie odkszta³ca siê plastycznie w czasie pracy). Je¿eli natomiast konstruk-

cja musi byæ wyj¹tkowo sztywna, wtedy przy obliczeniach w miejsce R e stosuje siê

wartoæ granicy sprê¿ystoci R s .

Z uwagi na fakt, ¿e wskazniki w³asnoci mechanicznych nie daj¹ jednoznacznej

informacji o odpornoci stali na pêkanie (zw³aszcza kruche) wprowadza siê obecnie

zarówno do oceny tej w³asnoci jak te¿ do obliczeñ konstrukcyjnych now¹ sta³¹ mate-

ria³ow¹ K IC (krytyczny wspó³czynnik intensywnoci naprê¿eñ przy p³askim stanie

167

odkszta³cenia) lub zwi¹zane z ni¹ wielkoci np. krytyczna wielkoæ rozwarcia pêkniê-

cia (ang.COD) i inne. Wielkoci te wyznaczane siê metodami mechaniki pêkania.

Wa¿n¹ informacj¹ jest tak¿e wartoæ temperatury przejcia stali ze stanu plastycz-

nego w kruchy (TPK) czyli zakresu temperatury, poni¿ej której materia³ traci podat-

noæ na odkszta³cenia plastyczne i pojawia siê niebezpieczeñstwo jego kruchego pê-

kania. Wyznacza siê j¹ zwykle z próby udarnoci przy czym stosowane s¹ ró¿ne

kryteria oceny TPK, np. minimalna wartoæ udarnoci na okrelonym poziomie (naj-

czêciej 30 J/cm 2 ) lub procentowy udzia³ prze³omu ci¹gliwego i kruchego na powierzchni

z³amanej próbki udarnociowej (np. 50%).

Na ci¹gliwoæ stali w niskich temperaturach silny wp³yw maj¹ takie czynniki jak:

sk³ad chemiczny ( nikiel i mangan najsilniej przesuwaj¹ próg kruchoci do ni¿szych

temperatur, za fosfor w kierunku temperatur dodatnich), wielkoæ ziarna (stale drob-

noziarniste maj¹ próg kruchoci ni¿szy od stali gruboziarnistych), obróbka cieplna.

Dobór stali konstrukcyjnych uzale¿nia siê równie¿ od ich hartownoci, któr¹ to

w³asnoæ zwiêkszaj¹ wszystkie (za wyj¹tkiem Co) rozpuszczone w austenicie pier-

wiastki stopowe. Nale¿y sobie zdawaæ sprawê z tego, ¿e:

zastosowanie stali o niedostatecznej hartownoci nie pozwoli osi¹gn¹æ optymal-

nych w³asnoci po obróbce cieplnej,

zastosowanie stali o zbyt du¿ej hartownoci stanowi marnotrawstwo dodatków sto-

powych i niepotrzebnie powiêksza koszt wyrobu.

Z uwagi na fakt, ¿e stale stopowe konstrukcyjne stosuje siê zwykle w stanie ulep-

szonym cieplnie, najkorzystniejsz¹ kombinacjê wysokiej granicy plastycznoci przy

dostatecznej ci¹gliwoci maj¹ struktury martenzytu odpuszczonego oraz sorbitu. Sto-

sowane s¹ tak¿e stale o strukturze bainitycznej i ferrytyczno-perlitycznej. W³aciwy

dobór struktury uwarunkowany jest wymaganiami, jakie siê stawia elementom kon-

strukcyjnym.

2.2. Oznaczenia stali stopowych konstrukcyjnych

Gatunek stali stopowych konstrukcyjnych oznacza siê, zgodnie z Polskimi Norma-

mi, znakiem stali sk³adaj¹cym siê z liczby dwucyfrowej okrelaj¹cej przybli¿on¹ za-

wartoæ wêgla w setnych czêciach procenta i litery lub kilku liter okrelaj¹cych do-

datki stopowe, których zawartoæ w stali jest nie wiêksza od ok. 1,5%. Przy wiêkszej

zawartoci dodatków stopowych po literze oznaczaj¹cej pierwiastek stopowy stawia

siê cyfrê okrelaj¹c¹ zawartoæ tego pierwiastka w procentach (w zaokr¹gleniu do

liczby ca³kowitej).

Dodatki stopowe w znakach stali stopowych konstrukcyjnych oznaczane s¹ nastê-

puj¹co:

chrom H, nikiel N, wolfram W, molibden M, mangan G, wanad F, kobalt

K, aluminium J, krzem S, tytan T, bor B. Dodanie litery A na koñcu znaku

oznacza stal wy¿szej jakoci. W niektórych przypadkach np. przy stalach spawalnych

168

o podwy¿szonej wytrzyma³oci na koñcu oznaczenia podawane s¹ symbole chemicz-

ne pierwiastków wprowadzonych do stali w postaci mikrododatków (do ok. 0,1%).

Stale na ³o¿yska toczne oznaczane s¹ liter¹ £, nastêpnie liter¹ H i liczb¹ okrelaj¹c¹

przybli¿on¹ zawartoæ chromu w dziesi¹tych czêciach procenta. Wystêpuj¹ce na

koñcu oznaczenia litery S lub G oznaczaj¹ podwy¿szon¹ zawartoæ krzemu lub mana-

ganu w tych stalach.

2.3. Podzia³ stali stopowych konstrukcyjnych

Podstawowymi grupami stali stopowych konstrukcyjnych s¹:

stale niskostopowe o podwy¿szonej wytrzyma³oci,

stale do ulepszania cieplnego,

stale sprê¿ynowe,

stale do utwardzania powierzchniowego (nawêglania, azotowania, hartowania po-

wierzchniowego),

stale na ³o¿yska toczne.

Oddzieln¹ grupê stanowi¹ stale do pracy przy bardzo niskich temperaturach oraz

stale na konstrukcje pracuj¹ce przy wy¿szych temperaturach, nie powoduj¹cych jesz-

cze intensywnego utleniania, a zatem stale, o których zastosowaniu decyduj¹ jeszcze

w³asnoci mechaniczne a nie np. odpornoæ na korozjê gazow¹.

2.4. Krótkie charakterystyki poszczególnych grup stali

2.4.1. Stale niskostopowe o podwy¿szonej wytrzyma³oci (SSPW)

Do tej grupy zalicza siê stale spawalne stosowane do budowy konstrukcji przemy-

s³owych, statków, zbiorników cinieniowych, ruroci¹gów, nadwozi pojazdów, mostów,

zbrojenia betonów itp. Charakteryzuje je dobra spawalnoæ co powoduje, ¿e ich sk³ad

chemiczny podlega ograniczeniom i jest dobierany z uwzglêdnieniem wartoci równo-

wa¿nika wêgla obliczanego wg. wzoru:

(1)

gdy C e < 0,45% to stal jest spawalna bez ¿adnych ograniczeñ. Stale o wiêkszym

równowa¿niku wêgla wymagaj¹ podgrzewania przed spawaniem, regulowanego ch³o-

dzenia albo wy¿arzania po spawaniu. Z tego powodu stale te maj¹ ograniczon¹ za-

wartoæ wêgla do 0,20 %, przy czym obecnie d¹¿y siê do jego ograniczenia nawet do

0,10 %. Wysokie wartoci R e (> 300 MPa) i R m (> 500 MPa) przy tak niskiej zawar-

toci wêgla otrzymuje siê, przede wszystkim, poprzez rozdrobnienie ziarna (rys. 19.1),

utwardzenie roztworu sta³ego ferrytu (manganem) jak i utwardzenie wydzieleniowe

wêglikami i wêglikoazotkami wprowadzonych mikrododatków (hamowanie rozrostu

169

ziarna). Stale SSPW poddaje siê

wy¿arzaniu normalizuj¹cemu lub

ulepszaniu cieplnemu. Korzystne

jest stosowanie zabiegów regulo-

wanego walcowania czyli wia-

domego obni¿ania temperatury

walcowania podczas kolejnych

przejæ walcowniczych, co tak¿e

nie dopuszcza do rozrostu ziaren.

Ze wzglêdu na sk³ad chemicz-

ny i strukturê mo¿na wyró¿niæ

nastêpuj¹ce grupy stali SSPW:

zawieraj¹ce Mn i mikrododat-

ki: Al, V, Ti, Nb i N, o struktu-

rze ferrytyczno-perlitycznej np.:

09G2, 15GA, 18G2, 15G2ANb,

15G2ANNb, 18G2AV itp. (wg PN-86/H-84018),

zawieraj¹ce Mn (do 2,5%), Si (do 1,5%) i mikrododatki Nb, V, Zr i Ce o strukturze

ferrytyczno-martenzytycznej ( tzw. dual phase steel) charakteryzuj¹ce siê wyso-

k¹ wytrzyma³oci¹ (R m > 600 MPa), dobr¹ plastycznoci¹ (A ~ 30%) i bardzo

dobr¹ podatnoci¹ do g³êbokiego t³oczenia,

stale wielofazowe np. ferrytyczno-martenzytyczno-bainityczne o sk³adzie chemicz-

nym zbli¿onym do stali z pierwszej grupy lecz poddanych obróbce cieplno-plastycz-

nej o cile okrelonych parametrach, co powoduje, ¿e maj¹ one znacznie lepsze

w³asnoci technologiczne od pozosta³ych stali SSPW.

400

R e

300

-50

200

-100

100

-150

-200

wielkoæ ziarna, d -1/2 [mm -1/2 ]

Rys. 19.1.

Zale¿noæ granicy plastycznoci (R e ) i progu kruchoci

(T pk ) stali od wielkoci ziarna

2.4.2. Stale stopowe do ulepszania cieplnego

Do tej grupy zalicza siê stale przeznaczone na elementy konstrukcji i czêci ma-

szyn podlegaj¹ce du¿ym obci¹¿eniom mechanicznym, np. wa³y, ko³a zêbate, korbowo-

dy, oprawy narzêdzi sk³adanych z czêci¹ robocz¹ z wêglików spiekanych. Charakte-

ryzuje je rednia lub du¿a hartownoæ wyra¿ona rednic¹ krytyczn¹ (po hartowaniu w

wodzie) od ok. 30 do 80 mm. Nale¿¹ tu stale niskostopowe o zawartoci wêgla ok.

0,25 0,5% (decyduj¹cego o w³asnociach wytrzyma³ociowych) oraz dodatków sto-

powych, których g³ównym celem jest nadanie stali okrelonej hartownoci takich, jak:

Mn, Cr, Si, Mo, Ni, V i W, w ³¹cznym stê¿eniu nie przekraczaj¹cym 3 do 5%. Molib-

den i wanad powoduj¹ dodatkowo zmniejszenie wra¿liwoci na kruchoæ odpuszcza-

nia stali.

Ze wzglêdu na zawartoæ g³ównego dodatku stopowego wyró¿niæ mo¿na nastê-

puj¹ce grupy stali:

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: