Stale staliwa i żeliwa - Notatki - Materiałoznastwo - Część 1, Notatki z Materiały inżynieryjne

Pobierz Stale staliwa i żeliwa - Notatki - Materiałoznastwo - Część 1 i więcej Notatki w PDF z Materiały inżynieryjne tylko na Docsity! 96 JW 7. Klasyfikacja stali* Klasyfikacji gatunków stali dokonuje si zgodnie z PN-EN 10020:1996 wed!ug sk!adu chemicznego oraz wg ich zastosowania i w!asno"ci mechanicznych lub fizycznych. Klasyfikacja stali wed ug sk adu chemicznego - stale niestopowe (w glowe), - stale stopowe. Do stali niestopowych zalicza si te gatunki stali, w których zawarto"# pierwiastków jest mniejsza od zawarto"ci granicznych podanych w tabl. 7.1. Do stali stopowych zalicza si gatunki stali, w których zawarto"# przynajmniej jednego pierwiastka jest równa lub wi ksza od zawarto"ci granicznej podanej w tabl. 7.1. Tablica 7.1 Granica mi!dzy stalami niestopowymi i stopowymi (wg PN-EN 10020:1996) Nazwa i symbol chemiczny pierwiastka Zawarto"# graniczna (% wagowy) Aluminium, Al 0,10 Bor, B 0,0008 Bizmut, Bi 0,10 Chrom, Cr* 0,30 Cyrkon, Zr* 0,05 Kobalt, Co 0,10 Krzem, Si 0,50 Lantanowce, ka$dy 0,05 Mangan, Mn 1.65** Mied%, Cu* 0,40 Molibden, Mo* 0,08 Nikiel, Ni* 0,30 Niob, Nb* 0,06 O!ów.Pb 0,40 Selen, Se 0,10 Tellur, Te 0,10 Tytan, Ti* 0,05 Wanad, V* 0,10 Wolfram, W 0,10 Inne (ka$dy oprócz 0,05 fosforu, siarki i azotu), * Je$eli te pierwiastki okre"la si dla stali w kombinacji dwu, trzech lub czterech, a ich zawarto"ci s& mniejsze ni$ podane w tablicy, to przy kwalifikacji stali nale$y dodatkowo uwzgl dni# zawarto"# graniczn& wynosz&c& 70% sumy poszczególnych zawarto"ci granicznych tych dwu, trzech lub czterech pierwiastków ** Je$eli jest okre"lona tylko maksymalna zawarto"# manganu, jego graniczna zawarto"# wynosi 1,80% i nie stosuje si zasady 70%. Klasyfikacja stali wed ug zastosowania i w asno"ci mechanicznych lub fizycznych A. Klasy jako"ci stali niestopowych stale niestopowe podstawowe, stale niestopowe jako"ciowe, stale niestopowe specjalne. Stale niestopowe podstawowe Stale podstawowe to gatunki stali o takich wymaganiach jako"ciowych, jakie mo$na osi&gn&# w ogólnie stosowanym procesie stalowniczym, bez dodatkowych zabiegów technologicznych. * Oznaczanie stali wg PN-EN 10027-1 na stronie 146 docsity.com 97 JW Wyroby z tych stali nie s& przeznaczone do obróbki cieplnej (z wyj&tkiem wy$arzania odpr $aj&cego, zmi kczaj&cego i normalizowania). Z wyj&tkiem manganu i krzemu (oraz granicznych zawarto"ci C, P, S), zawarto"# innych pierwiastków stopowych nie jest wymagana. Nie okre"la si dodatkowych wymaga' jako"ciowych dotycz&cych np. g! bokiego t!oczenia, ci&gnienia, kszta!towania na zimno itp. W!asno"ci w stanie walcowanym na gor&co lub wy$arzonym odpr $aj&ce, zmi kczaj&co albo normalizowanym powinny odpowiada# nast puj&cym warto"ciom granicznym dla wyrobów o grubo"ci do 16 mm: minimalna wytrzyma!o"# na rozci&ganie (Rm) < 690 MPa, minimalna granica plastyczno"ci (Re) < 360 MPa, minimalne wyd!u$enie (A) . < 26%, minimalna praca !amania w temp. 20°C na próbkach wzd!u$nych ISO < 27 J, minimalna "rednica trzpienia w próbie zginania (e oznacza grubo"# próbki) >1 e maksymalna zawarto"# w gla > 0,10%, maksymalna zawarto"# fosforu > 0,045%, maksymalna zawarto"# siarki > 0,045%. Przyk!ady stali nale$&cych do tej klasy: stale mi kkie niskow glowe na ta"my i blachy walcowane na gor&co lub na zimno ogólnego zastosowania, stale konstrukcyjne walcowane na gor&co ogólnego zastosowania, stale do wyrobu walcówki do ci&gnienia (drutu). Stale niestopowe jako"ciowe Stale niestopowe jako"ciowe to gatunki stali, których w!asno"ci w stanie obrobionym cieplnie w zasadzie si nie okre"la, nie okre"la si równie$ czysto"ci metalurgicznej wyra$onej stopniem zanieczyszczenia wtr&ceniami niemetalicznymi. Ze wzgl du na warunki stosowania wyrobów ze stali jako"ciowych, wymagania dotycz&ce np. wra$liwo"ci na kruche p kanie, regulowanej wielko"ci ziarna czy podatno"ci na kszta!towanie, s& wy$sze ni$ dla stali podstawowych, co wymusza wi ksz& staranno"# podczas produkcji. Przyk!ady stali nale$&cych do tej klasy: stale na wyroby p!askie do kszta!towania na zimno; stale konstrukcyjne o zawarto"ci Pmax i Smax poni$ej 0,045%, np.: stale o podwy$szonej wytrzyma!o"ci, stale do budowy statków, stale na wyroby ocynkowane ogniowo, stale na butle gazowe, stale na kot!y i zbiorniki ci"nieniowe; stale z wymagan& podatno"ci& na odkszta!cenie plastyczne; stale konstrukcyjne z wymagan& minimaln& zawarto"ci& Cu; stale do zbrojenia betonu; stale szynowe; stale automatowe; stale do ci&gnienia drutu; stale do sp czania na zimno; stale spr $ynowe; stale z wymaganymi w!asno"ciami magnetycznymi lub elektrycznymi; stale do produkcji blach cienkich, ocynowanych (na opakowania); stale do produkcji elektrod otulonych lub drutu spawalniczego o zawarto"ci Pmax, i Smax wi kszej ni$ 0,02%. docsity.com 100 JW specjalne stale konstrukcyjne (spawalne drobnoziarniste stale konstrukcyjne, stale odporne na korozj atmosferyczn&), stale o specjalnych w!asno"ciach fizycznych (niemagnetyczne, magnetyczne lub o wymaganym wspó!czynniku rozszerzalno"ci cieplnej). Sk!ad chemiczny stali stopowych specjalnych stanowi podstaw ich podzia!u na nast puj&ce g!ówne kategorie: l) stale odporne na korozj o zawarto"ci w gla < 1,20% i chromu > 10,50%, które pod wzgl dem zawarto"ci niklu dzieli si na: a) poni$ej 2,50% Ni, b) nie mniej ni$ 2,50% Ni; 2) stale szybkotn&ce zawieraj&ce (wraz z innymi sk!adnikami lub bez nich): - co najmniej dwa z trzech nast puj&cych pierwiastków: Mo, W lub V !&cznie nie mniej ni$ 7% wagowych, - 0,60% lub wi cej w gla, - i 3 ! 6% wagowych chromu; 3) inne stale stopowe specjalne. 7.2. Stale niestopowe (w!glowe) 7. 2.1. Wp yw w!gla na w asno"ci stali W giel bardzo silnie wp!ywa na w!asno"ci stali nawet przy nieznacznej zmianie jego zawarto"ci i z tego wzgl du jest bardzo wa$nym sk!adnikiem stali. Zwi kszenie zawarto"ci w gla powoduje, jak ju$ poprzednio wspomniano, zmian struktury stali. Je$eli stal zawiera mniej ni$ 0,8% C, to jej struktura sk!ada si ferrytu i perlitu. Struktura stali zawieraj&cej 0,8% C sk!ada si tylko z perlitu, natomiast w stali o zawarto"ci powy$ej 0,8% C oprócz perlitu wyst puje równie$ cementyt wtórny. Zmiana struktury stali spowodowana ró$n& zawarto"ci& w gla wi&$e si "ci"le ze zmian& w!asno"ci mechanicznych. Na rysunku 7.1 przedstawiono wp!yw w gla na w!asno"ci mechaniczne stali walcowanej na gor&co. 7.1. Wp!yw w gla na w!asno"ci mechaniczne stali Jak wida# zwi kszenie zawarto"ci w gla zwi ksza wytrzyma!o"# na rozci&ganie Rm i zmniej- sza plastyczno"# stali. Maksymaln& wytrzyma!o"# osi&ga stal przy zawarto"ci ok. 0,85% w gla. Przy wi kszej zawarto"ci w gla wytrzyma!o"# zmniejsza si na skutek pojawiania si coraz wi kszej ilo"ci cementu wtórnego, który wydziela si na granicach ziarn. Zwi kszenie zawarto"ci w gla, oprócz obni$enia w!asno"ci plastycznych, pogarsza równie$ w!asno"ci technologiczne stali w glowej; szczególne znaczenie ma pogorszenie spawalno"ci. docsity.com 101 JW 7.2.2. Domieszki zwyk e w stali Za domieszki zwyk!e stali uwa$a si mangan, krzem, fosfor, siark oraz wodór, azot i tlen, poniewa$ te pierwiastki wyst puj& zawsze w mniejszej lub wi kszej ilo"ci w przemys!owych gatunkach stali. Zawarto"# tych pierwiastków w stalach w glowych nie przekracza zwykle nast puj&cych granic: Mn do 0,8% (w niektórych gatunkach stali granica ta jest rozszerzona do 1,5%), Si do 0,5%, P do 0,05% (z wyj&tkiem stali automatowych), S do 0,05% (z wyj&tkiem stali automatowych). Mangan wprowadza si do wszystkich stali w procesie stalowniczym w celu ich odtlenienia, tj. usuni cia szkodliwego tlenku $elazawego lub zwi&zania siarki w MnS, przez co zapobiega si powstaniu FeS powoduj&cemu powstanie krucho"ci stali na gor&co. W ilo"ciach (1,0 ÷ 1,5)% Mn rozpuszczaj&c si zarówno w ferrycie, jak i w cementycie umacnia roztworowo stal, zmniejsza wielko"# ziarna ferrytu w wyrobach walcowanych na gor&co oraz zwi ksza hartowno"#. Poniewa$ jednak wszystkie stale w glowe maj& zazwyczaj mniej wi cej tak& sam& zawarto"# manganu, to jego wp!yw na w!asno"ci ró$nych gatunków tych stali jest jednakowy. Krzem w ilo"ciach do 0,5% jest dodawany do stali podczas jej wytapiania w celu odtlenienia. W ilo"ciach (0,5 ÷ 1,0)% jest dodawany w celu umocnienia ferrytu. W wi kszych ilo"ciach (0,5 ÷ 4,5)% powoduje zwi kszenie oporu elektrycznego oraz zmniejszenie stratno"ci stali magnetycznie mi kkich. Zwi ksza równie$ $aroodporno"# stali. Krzem stabilizuje bardzo mocno ferryt, dlatego stale zawieraj&ce wi cej ni$ 3% Si zachowuj& struktur ferrytyczn& od temperatury otoczenia do temperatury solidusu.Wp!yw krzemu, który rozpuszcza si w ferrycie, jest podobny do wp!ywu manganu. Fosfor dostaje si do stali z rud $elaza, które zawieraj& ró$ne jego ilo"ci. Podczas wytapiania stali fosfor zostaje z niej usuni ty w mniejszym lub wi kszym stopniu, zale$nie od rodzaju procesu stalowniczego. Fosfor rozpuszczony w ferrycie (graniczna rozpuszczalno"# w temperaturze pokojowej wynosi ok. 1,2%) zmniejsza bardzo znacznie jego plastyczno"# i podwy$sza temperatur , w której stal staje si krucha, wywo!uj&c tzw. krucho"# na zimno. Ten wp!yw fosforu jest bardzo wyra%ny wówczas, gdy jego zawarto"# w stali jest wi ksza ni$ 0,1%. Jednak w stalach przeznaczonych na odpowiedzialne wyroby zawarto"# nawet 0,05% P jest niebezpieczna i nale$y jej unika#, poniewa$ w czasie krystalizacji stali zachodzi silna segregacja fosforu, wskutek czego w pewnych miejscach zawarto"# fosforu b dzie do"# znaczna i b dzie powodowa# krucho"#. W zale$no"ci od przeznaczenia stali ustala si ostrzejsze wymagania dotycz&ce zawarto"ci fosforu (np. max 0,025%). Nale$y zaznaczy#, $e w niektórych wyj&tkowych przypadkach zawarto"# fosforu w stali mo$e by# po$yteczna. Na przyk!ad w stalach automatowych dodatek ok. 0,1% P polepsza skrawalno"#, za" do ok. 0,35% - zwi ksza odporno"# na "cieranie. Przy jednoczesnej zawarto"ci miedzi fosfor zwi ksza odporno"# stali na korozj atmosferyczn&. Siarka podobnie jak fosfor dostaje si do stali z rud $elaza, a ponadto z gazów piecowych, tzn. z produktów spalania paliwa zawieraj&cych dwutlenek siarki (SO2). Siark mo$na w znacznej mierze usun&# ze stali, je$eli stosuje si podczas wytapiana zasadowy proces martenowski lub zasadowy proces elektryczny. W stalach wysokojako"ciowych zawarto"# siarki ogranicza si zazwyczaj do 0,02 ! 0,03%. W stali zwyk!ej jako"ci dopuszcza si wi ksz& zawarto"# siarki (do 0,05%). Siarka nie rozpuszcza si w $elazie, lecz tworzy siarczek $elazawy FeS, który jest sk!adnikiem eutektyki Fe + FeS o temperaturze topnienia 985°C. Wyst powanie w stalach tej !atwo topliwej i kruchej eutektyki, rozmieszczonej przewa$nie a granicach ziarn, powoduje krucho"# stali nagrzanych do temperatury 800°C i powy$ej. Zjawisko to nosi nazw krucho"ci na gor$co. Wskutek tej wady stal zawieraj&ca wi kszy procent siarki nie nadaje si do przeróbki plastycznej na gor&co. W stali pojawiaj& si naderwania i p kni cia, m.in. dlatego, $e podczas docsity.com 102 JW nagrzewania poczynaj&c od temperatury 985°C, zachodzi nadtapianie otoczek z siarczku $elazawego wokó! ziarn. Z tego powodu nale$y uwa$a# siark za szkodliw& domieszk stali. Dodatek manganu do stali zmniejsza szkodliwe dzia!anie siarki, gdy$ wówczas w ciek!ej stali nast puje reakcja, w wyniku której tworzy si siarczek manganawy MnS. Siarczek ten topi si w 1620°C, a wi c w temperaturze o wiele wy$szej ni$ temperatura przeróbki plastycznej na gor&co (800 ! 1200°C). Siarczki w temperaturze przeróbki plastycznej na gor&co s& plastyczne i ulegaj& odkszta!ceniu, tworz&c wyd!u$one wtr&cenia. Pogarszaj& one wytrzyma!o"# na zm czenie i obci&$enia dynamiczne stali. Siarka pogarsza równie$ spawalno"# stali. Natomiast siarka, podobnie jak fosfor, polepsza skrawalno"# stali i w ilo"ci 0,15-0,30% jest wprowadzana celowo do stali automatowych. Wodór, azot i tlen wyst puj& w stali w niedu$ych ilo"ciach, a ich zawarto"# zale$y w du$ym stopniu od sposobu wytapiania. W stali b d&cej w stanie sta!ym, gazy mog& wyst powa# w kilku postaciach: w stanie wolnym, skupiaj&c si w ró$nych nieci&g!o"ciach wewn&trz metalu najcz "ciej tworz&c tzw. p cherze); mog& by# rozpuszczone w $elazie; mog& tworzy# zwi&zki (azotki, tlenki) wyst puj&ce w stali jako tzw. wtr&cenia niemetaliczne. Wp!yw wodoru na w!asno"ci stali jest zdecydowanie ujemny. Rozpuszcza si on stosunkowo !atwo w $elazie i to w ca!ym zakresie temperatury, szczególnie za" przy przej"ciu fazy " w # oraz w stanie ciek!ym. Zmniejsza on w znacznym stopniu w!asno"ci plastyczne i technologiczne stali oraz powoduje wyst powanie wielu wad materia!owych, jak np. tzw. p!atków "nie$nych (tj. wewn trznych p kni # o jasnej powierzchni), odw glania, sk!onno"ci do tworzenia p cherzy przy trawieniu itp. Azot powoduje zwi kszenie wytrzyma!o"ci i zmniejszenie plastyczno"ci stali, co objawia# si mo$e jako tzw. krucho ! na niebiesko. Niekorzystne dzia!anie azotu przejawia si tak$e zwi kszeniem sk!onno"ci stali do starzenia, powodowanym wydzielaniem si azotków z przesyconego roztworu. Zjawisko to jest szczególnie niekorzystne w stalach w stanie zgniecionym, gdy$ wówczas wyst puje ju$ w temperaturze otoczenia. W niektórych stalach stopowych azot jest stosowany jako korzystny dodatek stopowy stabilizuj&cy austenit, zast puj&c drogi nikiel. Tlen wyst puje w stali g!ównie w postaci zwi&zanej, najcz "ciej tlenków FeO, SiO2, Al2O3 i in. Tlen powoduje pogorszenie prawie wszystkich w!asno"ci mechanicznych i dlatego d&$y si przez odpowiednie prowadzenie procesu metalurgicznego do obni$enia jego zawarto"ci w stali. Odtlenianie stali przeprowadza si za pomoc& stopów krzemu, manganu i aluminium. Sposób odtleniania wywiera tak$e du$y wp!yw na wielko"# ziarna stali w glowej. Stale odtleniane $elazomanganem wykazuj& sk!onno"ci do intensywnego rozrostu ziarn przy nagrzaniu ju$ nieco powy$ej temperatury Ac3. W przeciwie'stwie do tego stale odtlenione aluminium, a tak$e $elazokrzemem wykazuj& wyra%ny wzrost ziarn dopiero w temperaturze 150-200°C powy$ej Ac3, co praktycznie wystarczy, aby przeciwdzia!a# zjawisku przegrzania stali. Bardzo skutecznym sposobem zmniejszania ilo"ci wodoru, azotu i tlenu oraz wtr&ce' niemetalicznych w stali jest wytapianie lub odlewanie jej w pró$ni. Mo$na w ten sposób otrzyma# stal o lepszych w!asno"ciach dzi ki wi kszej czysto"ci i prawie zupe!nemu brakowi rozpuszczonych w metalu gazów. 7.2.3. Stale niestopowe (w!glowe) podstawowe konstrukcyjne ogólnego zastosowania Stale niestopowe podstawowe konstrukcyjne s& stosowane zazwyczaj w stanie surowym lub rzadziej w stanie normalizowanym. Wed!ug PN-88/H-84020 rozró$nia si 6 podstawowych gatunków stali w tej grupie. w zale$no"ci od sk!adu chemicznego i wymaganych w!asno"ci mechanicznych. Znak gatunku stali sk!ada si z liter St oraz liczby porz&dkowej 0, 3, 4, 5, 6 lub 7. docsity.com