2. Ćw.1. Wpływ zawartości węgla na mikrostrukturę i własności mechaniczne stali węglowej (niestopowej) PDF

Preview

Summary

Download 2. Ćw.1. Wpływ zawartości węgla na mikrostrukturę i własności mechaniczne stali węglowej (niestopowej) PDF

Description

LABORATORIUM METALOZNAWSTWO II DLA STUDENTÓW STUDIÓW STACJONARNYCH

Instrukcja

Wpływ zawartości węgla na mikrostrukturę i własności mechaniczne stali węglowej (niestopowej)

1

1. Cel i zakres ćwiczenia Zapoznanie się z charakterystycznymi stopami układu żelazo-węgiel. Zapoznanie się z odziaływaniem zawartości węgla na mikrostrukturę i własności mechaniczne stali węglowej.

2. Wiadomości teoretyczne 2.1. Podstawowe pojęcia: Stal–stop żelaza z węglem i innymi dodatkami stopowymi, zawierający do 2,14 % węgla (w praktyce poniżej 2%) , otrzymany w procesach stalowniczych, przeznaczony na półwyroby i wyroby przerabiane plastycznie. Stal niestopowa (węglowa)–stal, która nie zawiera specjalnie wprowadzonych pierwiastków, jedynie węgiel i ograniczoną ilość pierwiastków –domieszek i zanieczyszczeń. Domieszkami w stalach są np. Mn(max.~0,8%) i Si (max.~0,3 %), pochodzące głównie z procesu metalurgicznego, a do zanieczyszczeń zaliczamy np. S (max.~0,05%), i P (max.~0,05%), pochodzące z rud lub ze złomu. Ferryt – jest roztworem stałym, międzywęzłowym węgla w żelazie alfa. Powstaje poprzez wchodzenie atomów węgla do luk oktaedrycznych i tetraedrycznych. Austenit – jest roztworem stałym, międzywęzłowym węgla w żelazie o maksymalnej rozpuszczalności węgla 2,11%. Większa rozpuszczalność węgla wiąże się z kulistym kształtem oktaedrycznych luk. W warunkach równowagi nie może istnieć poniżej temperatury A1 (727°C). Perlit – jest eutektoidem o zawartości 0,77% C. Powstaje w wyniku przemiany eutektoidalnej, która zachodzi w temp. 727°C. Jest zbudowany na przemian z płytek ferrytu i cementytu o stosunku grubości 7:1. Cementyt – jest węglikiem żelaza (Fe3C) o strukturze rombowej. Zawiera 6,67 % mas. węgla.

2.2 Fazy i składniki strukturalne stali i ich własności Stale o bardzo małym stężeniu węgla – ok. 0,1% wykazują strukturę ferrytu (roztwór stały węgla w żelazie), który po wytrawieniu uwidacznia się w postaci wielokątnych jasnych ziaren z ciemnymi granicami. Przy większym stężeniu węgla w strukturze stali pojawia się perlit (mieszanina ferrytu i cementytu - Fe3 C), a stal ma strukturę ferrytyczno – perlityczną. Perlit jest widoczny jako naprzemianległe pasemka przeciętych płytek cementytu i ferrytu. Przy stężeniu ok. 0,4%C zawartości perlitu i ferrytu w strukturze stali są zbliżone. W stali zawierającej 0,6÷0,7%C ferryt występuje w postaci jasno trawiącej się siatki wokół ziaren perlitu. Struktur ę czysto perlityczną ma stal o stężeniu 0,77%C. W miarę podwyższania stężenia węgla w strukturze stali zmniejszeniu ulega udział miękkiego i plastycznego ferrytu, a zwiększeniu – udział twardego i kruchego cementytu. W stalach o stężeniu węgla powyżej 0,77% na granicach ziaren perlitu występuje siatka cementytu o grubości zwiększającej się wraz ze wzrastającym stężeniem węgla.

2

Rys.1 Zawartość węgla i związana z tym struktura wywierająca zasadniczy wpływ na właściwości mechaniczne stali niestopowych Stale w zależności od zawartości węgla dzielimy na: podeutektoidalne – leżące na lewo od punktu S (0,77%C) – mają strukturę ferrytyczno – perlityczną. Stale o składzie punktu S są czysto perlityczne i są nazywane eutektoidalnymi. Natomiast struktura stali zawierających ponad 0,77%C (leżących na prawo od punktu S) jest złożona z perlitu i cementytu wtórnego. Noszą one nazwę nadeutektoidalnych. Ze względu na zawartość węgla przyjęto podział na stale nisko-, średnio – i wysokowęglowe. Rodzaj struktury stali w zależności od stężenia węgla w niej występującego ilustruje wykres równowagi fazowej żelazo – węgiel.

3

Rys.2 Układ Fe- Fe3C

Przykłady mikrostruktur o różnej zawartości węgla

4

Wpływ zawartości węgla na właściwości mechaniczne stali

Wpływ domieszek i zanieczyszczenia właściwości stali Mangan rozpuszcza się w ferrycie oraz tworzy siarczek MnS o wyższej temperaturze topnienia niż FeS. Utworzenie MnS zmniejsza prawdopodobieństwo nadtopień stali podczas obróbki plastycznej na gorąco i obróbki cieplnej. Sprzyja jednak niekorzystnemu rozrostowi ziaren stali. Krzem rozpuszcza się w ferrycie oraz tworzy tlenki SiO2, co jest korzystne, gdyż obniża stężenie tlenu we wlewkach Siarka i fosfor wpływają niekorzystnie na właściwości stali. Siarka jest powodem kruchości na gorąco –w wyniku nadtopień wtrąceń siarczkowych. Fosfor rozpuszcza sięw ferrycie i powoduje wzrost temperatury przejścia stali w stan kruchy (spadek udarności w niskich temperaturach). Wtrącenia niemetaliczne W stali występuje szereg wtrąceń niemetalicznych, stanowiących nieciągłości w osnowie, wpływających niekorzystnie na właściwości mechaniczne stali. Szczególnie niekorzystne są duże, wydłużone wtrącenia, nierównomiernie rozmieszczone. Rodzaje wtrąceń niemetalicznych: •endogeniczne –siarczki, tlenki, krzemiany, które powstają w ciekłej stali podczas procesu stalowniczego •egzogeniczne –cząstki materiałów ogniotrwałych stanowiących wyłożenie pieca, rynien spustowych, kadzi.

2.3 Podział stali niestopowych Podział stali niestopowych ze względu na zawartość węgla: -niskowęglowe ( 0,6%C), np. N11(PN-84/H-85020), C120(PN-EN ISO4957:2002) Stale niestopowe (węglowe) ze względu na zastosowanie dzielimy na:  konstrukcyjne- zawierające do ok. 0,7%C te zaś dzielą się na: 



 

stale zwykłej jakości ogólnego przeznaczenia (PN-88/H-84020). Oznaczenia: St (liczba porządkowa od 0 do 7 jednak bez 1 i 2). Liczby odpowiadają za informacje o zakresie wytrzymałości lub składu chemicznego. Dostarczane są w postaci kęsów, prętów, kształtowników, odkuwek, blach, stosowane na mało odpowiedzialne konstrukcje, nie podlegają obróbce cieplnej. Mogą być produkowane jako np. spawalne, o wymaganej udarności, o zwiększonej odporności na korozję atmosferyczną(C=0,200,60%, S, P= 0,035-0,050 % max. Re=200-400 N/mm2,Rm=300-800 N/m2, A=10-20%). Do normalizowania, ulepszania cieplnego, hartowania powierzchniowego: przeznaczone do produkcji elementów maszyn (C=0,25-0,65%, S, P= 0,020-0,040 % max.,Remin. 300-600 N/mm2, Rm=500-1000 N/mm2, A=10-20% po ulepszaniu cieplnym). Do nawęglania: przeznaczone do produkcji elementów maszyn (C=0,1-0,2 %). O określonym przeznaczeniu: druty patentowane, druty na sprężyny, łańcuchy techniczne i okrętowe, pręty do zbrojenia betonu, budowa mostów, dla górnictwa, kolejnictwa, do pracy w podwyższonej temperaturze

 narzędziowe (PN-84/H-85020) zawierające 0,65%-1,4%C dzielące się na:  stale płytko hartujące się (symbol E na końcu znaku)  stale głęboko hartujące się Oznaczenia: N (liczba podająca średnią zawartość węgla w dziesiętnych częściach procenta). Zastosowanie: do wytwarzania różnego rodzaju narzędzi oraz odpowiedzialnych części przyrządów pomiarowych. Stale płytko hartujące się są stosowane do wykonywania narzędzi, których średnica lub grubość nie przekracza 20mm, a głęboko hartujące się – do wytwarzania narzędzi o średnicy lub grubości ponad 20mm.

2.4 Stale niestopowe o szczególnych właściwościach •Stale przeznaczone na magnetycznie czynne elementy urządzeń elektrotechnicznych i elektronicznych magnetycznie miękkie. Są to stale niskowęglowe z ograniczoną zawartością S i P (0,01-0,02 %), odznaczające się małą koercją i dużą przenikalnością magnetyczną. •Stale automatowe, z których wytwarza się mało obciążone drobne elementy (śruby, nakrętki, sworznie), stosując obróbkę skrawaniem na szybkobieżnych obrabiarkach i automatach (C=0,1-0,4%, P=0,04-0,8%, S=0,15-0,35 %). Wysoka zawartość P i S powoduje, że powstający w czasie skrawania wiór jest kruchy i łatwo usuwalny (dobra skrawalność). Stale stosuje się w stanach: • znormalizowanym, • po hartowaniu powierzchniowym, • po ulepszaniu cieplnym, • zmiękczonym.

6

2.4 STALIWA NIESTOPOWE Staliwo niestopowe –cieplnie obrabialny stop żelaza z węglem i innymi pierwiastkami pochodzącymi z przerobu hutniczego, przeznaczonych do wykonywania elementów maszyn i urządzeń na drodze odlewania, o masie od kilku kg do kilkuset ton. Teoretycznie, może zawierać do 2% węgla, w praktyce zawiera ~ 0,1-0,6 % C. Staliwo niestopowe dzieli się na gatunki różniące się wytrzymałością na rozciąganie (400 –650 N/mm2). Szybko chłodzone staliwo posiada strukturę Widmanstättena, co skutkuje niższą udarnością tego materiału w porównaniu do stali o tej samej zawartości węgla. Taką wadę można usunąć stosując odpowiednią obróbkę cieplną. Zalety w stosunku do innych materiałów odlewniczych: dobre właściwości mechaniczne, dobra spawalność i skrawalność, wady: większy skurcz, wyższa temperatura topnienia.

7

Wymagania dotyczące przygotowania studentów do zajęć:

Studenci przystępujący do zajęć powinni znać takie zagadnienia i pojęcia, jak: 1. Stal, stal niestopowa, staliwo niestopowe. 2. Układ żelazo-węgiel 3. Fazy i składniki strukturalne stali oraz ich właściwości 4. Wpływ zawartości węgla na właściwości mechaniczne 5. Podział stali niestopowych

Studenci przystępujący do zajęć powinni mieć wydrukowany arkusz sprawozdania (załączony do niniejszej instrukcji). Literatura 1. Przybyłowicz K.: Metaloznawstwo, WNT, Warszawa 2003. 2. Przybyłowicz K. Nowoczesne metaloznawstwo, Wyd. Nauk.”AKAPIT”, Kraków 2012 3. Blicharski M. : Inżynieria materiałowa. Stal, WNT, Warszawa 2004 4. Blicharski M.: Inżynieria powierzchni, WNT, Warszawa 2009 5. Inżynieria metali i ich stopów, praca zbiorowa pod red. J. Skrzypka i K. Przybyłowicza, Wyd. AGH, Kraków 2012 6. Nowacki J. Spiekane metale i kompozyty z osnową metaliczną, PWN, Warszawa 2005

Przebieg ćwiczenia (2 godziny): 1. Sprawdzenie przygotowania merytorycznego studentów do wykonania ćwiczenia 2. Zapoznanie studentów z przepisami BHP obowiązującymi w laboratorium 3. Zapoznanie z budową mikroskopu metalograficznego oraz jego obsługą 4. Zapoznanie z przygotowaniem próbek do obserwacji 5. Przeprowadzenie obserwacji mikroskopowych. 6. Odwzorowanie wybranych mikrostruktur 7. Opis składników mikrostruktury 8. Wykonanie sprawozdania z badań

8...