Studiuj dzięki licznym zasobom udostępnionym na Docsity
Zdobywaj punkty, pomagając innym studentom lub wykup je w ramach planu Premium
Przygotuj się do egzaminów
Studiuj dzięki licznym zasobom udostępnionym na Docsity
Otrzymaj punkty, aby pobrać
Zdobywaj punkty, pomagając innym studentom lub wykup je w ramach planu Premium
Społeczność
Odkryj najlepsze uniwersytety w twoim kraju, według użytkowników Docsity
Bezpłatne poradniki
Pobierz bezpłatnie nasze przewodniki na temat technik studiowania, metod panowania nad stresem, wskazówki do przygotowania do prac magisterskich opracowane przez wykładowców Docsity
W notatkach omawiane zostają zagadnienia z materiałoznastwa: stale węglowe wyżarzone.
Typologia: Notatki
1 / 23
Żelazo i jego stopy są podstawową grupą materiałów konstrukcyjnych. Czyste żelazo nie znajduje szerokiego zastosowania ze względu na niskie właściwości mechaniczne. Spośród stopów żelaza (rys. 6.1) największe znacze- nie techniczne mają stale, staliwa i żeliwa. Stal - jest to stop żelaza z węglem i innymi dodatkami stopowymi
Rys. 6.1. Schemat klasyfikacji żelaza i jego stopów
Żelazo i jego stopy
Żelazo
Żelazo wysokiej czystości Żelazo technicznej czystości
Stopy żelaza
Surówki
Stale
Żeliwa
Staliwa
Żelazostopy
° c 912
727
α+γ
α
α+P P α+Fe 3 CIII
0,022 (^) 0,
γ
γ+Fe 3 CII
P + F e 3 C (^) I I
2.14 (^) %C
stopy żelaza z węglem do 0,022 %C
stale podeutektoidalne
stale eutektoidalne
stale nadeutektoidalne
Struktura α+Fe^3 CIII^ α + P P P + F e 3 C (^) I I
d o 0 , 0 2 2 0 , 0 2 2 ÷ 0 , 7 6 o k. 0,76 0,76÷2,
Zawartość węgla [%]
Rys. 6.2. Struktura stali niestopowych w zależności od zawartości węgla
hutniczego, nazywa się węglową lub niestopową1). Stal stopowa natomiast zawiera celowo wprowadzone pierwiastki dla uzyskania specjalnych właści- wości.
Węgiel, nawet w niewielkich ilościach, istotnie wpływa na właściwości stali. Jest to ściśle związane ze strukturą stali, która zmienia się w zależności od zawartości węgla. Stopy zawierające bardzo mało węgla (poniżej 0,022%) mają
oparta na standardach światowych, ujmująca w inny sposób to zagadnienie. Jednakże ze względu na to, że normy przedmiotowe określające poszczególne grupy stali oraz dostępne podręczniki oparte są na starym podziale - poniżej zostanie przedstawiony podział zgodny z PN-57/H-01000. Nowe założenia podziału stali przedstawiono w przypisie na końcu rozdziału. PN-57/H-01000 za podstawę podziału stali przyjmuje:
Ad 1. W zależności od składu chemicznego wyróżnia się stale węglowe (niestopowe) i stopowe. W stalach węglowych poza węglem dopuszczalne są następujące ilości innych pierwiastków1)(domieszek).
Mn - 0,8% Si - 0,4% Ni - 0,3% Cr - 0,3% W - 0,2% Co - 0,2% Cu - 0,2% Al - 0,1% Mo - 0,05% V - 0,05% Ti - 0,05%
Ad. 2. W zależności od zastosowania stale węglowe dzieli się na (rys. 6.4):
Ad. 3. W zależności od zawartości w stali zanieczyszczeń siarki i fosforu stale węglowe konstrukcyjne dzieli się na 3 grupy. Są to:
Stale konstrukcyjne
Zwykłej jakości
Ogólnego przeznaczenia PN-88/H - 84020 0 określonym przeznaczeniu PN-89/H - Ogólnego przeznaczenia PN-93/H- 0 określonym przeznaczeniu PN-89/H- Płytko hartujące się PN-84/H- Głęboko hartujące się PN-84/H- Magnetycznie miękkie PN-89/H- Łatwo skrawalne PN-73/H-
Wyższej jakości
Stale narzędziowe
Stale o szczególnych własnościach
S T A L E
W Ę G L O W E
Rys. 6A Schemat klasyfikacji stali węglowych (niestopowych)
Ad. 4 i 5. Metoda wytwarzania stali wpływa w pewnym stopniu na jakość stali. Wiąże się to z różnymi możliwościami oczyszczenia stali z niepożądanych domieszek i zanieczyszczeń. W zależności od urządzenia wytwarzającego wyróżnia się stal konwer-- torową, martenowską i wytworzoną w piecach elektrycznych. Podstawowym surowcem do produkcji stali jest surówka przeróbcza. Surówka zawiera znaczne ilości węgla i innych pierwiastków, które należy usunąć w procesach stalowniczych. Zasadnicze procesy wytwarzania stali przedstawia schemat:
Utlenianie domieszek (świeżenie) przeprowadza się przez przetopienie surówki ze domem stalowym, zawierającym tlenki żelaza (proces martenowski i elektryczny), lub przez przedmuchanie kadzi z płynną surówką powietrzem (proces Bessemera) lub tlenem (proces konwertorowy). W wyniku tych proce- sów domieszki i zanieczyszczenia łączą się z tlenem i wypływają na wierzch w postaci płynnego żużla. Proces ten nie zawsze zapewnia dostateczne oczyszczenie z fosforu i siarki, dlatego następnie stosuje się proces rafinacji stali. Rafinacja polega na usunięciu siarki i fosforu przez wytworzenie
Norma znak stali
Znaczenie symboli w znaku stali
PN-93/H-84019 Stal niestopowa do utwardzania powierzchniowego i ulepszania cieplnego
10, 09A, 15, 14A, 20 14rs, 20, 15G, 14GA 25, 26A, 26rs, 30 30A, 35, 36A, 40, 40A 40rs, 45, 46A, 46rs 45G, 50, 50A, 50rs 55, 55A, 55rs, 60, 60A, 60rs, 60G, 65
PN-89/H-
04J, 04JA, 08J
08J, 08XA, 10J, 06JA
St0S-b, St3SX-b, St50B
R, R35, R35Y, R45, R55, R
St1E, St1Z, 15GJ
PN-75/H-
St36K, St41K, St44K
K10, K
20G
zawartość węgla w stali x0,01%
podwyższona zawartość manganu G - stal o podwyższonej zawartości manganu A - stal p podwyższonej czystości w zakresie fosforu i siarki
rs - stal o regulowanej zawartości siarki
Stal określonego zastosowania
stal niskowęglowa magnetycznie miękka J - stal z dodatkiem aluminium, A - stal o podwyższonych wymaganiach w zakresie zawar- tości P i S
stal na blachy i taśmy do głębokiego tłoczenia
stal do zbrojenia betonu
stal na rury stal niestopowa do produkcji rur
wytrzymałość na rozciąganie Rm min [KG/mm^2 ]
R
stal na łańcuchy ogniwowe E - do zgrzewania elektrycznego, Z - do zgrzewania ogniowego
stal do wyrobu blach stal kotłowa
Rm min [KG/mm^2 ] stal węglowa zwykłej jakości stal do wyrobu rur zawartość węgla x0,01% stal kotłowa
St36K
K
cd. tablicy 6.
Stal do pracy w podwyższonych temperaturach
Znaczenie symboli w znaku stali
cd. tablicy 6.
Stal automatowa
Norma znak stali
PN-73/H-
Al1X, A10X, AU, A35, A45, A35G
stal automatowa
zawartość węgla x0,01%
A
PN-84/H-84027 Stal dla kolejnictwa
P23, P35A, P40, P35G P60, P55, St70P, St90PA, St72P
stal do budowy pojazdów szynowych
zawartość węgla x0,01% stal dla kolejnictwa stal do budowy nawierzchni kolejowej
stal dla kolejnictwa Rm min [KG/mm^2 ] stal węglowa zwykłej jakości
P
St70P
PN-85/H-83152 Staliwo węglowe konstrukcyjne
L400, L500, L450, L L
PN-84/H-
staliwo węglowe
staliwo wysokiej jakości
L I I 400
I - staliwo zwykłej jakości, U - staliwo wysokiej jakości
Stale węglowe narzędziowe
stal narzędziowa węglowa
stal płytko hartująca się zawartość węgla x 0 , l %
N5, N6, N7, N8, N9, N1 l, N12, N13, N7E, N8, N9E, N10E, N11E, N12E, N13E
N12E
Rys. 6.6. Schemat przemiany perlitu w austenit
przemiana perlitu w austenit trwa bardzo długo (Δtc 1 rys. 6.7a) i przebiega w temperaturach niewiele powyżej 727°C. Nagrzewanie z większą szybkością, np.
Vc 2 = 1000°C/godz.
powoduje przemianę P→γ w bardzo krótkim czasie (Δtc 2 ), ale przebiega ona w znacznie wyższej temperaturze niż 727°C. Podobnie przebiegają przemiany podczas nagrzewania stali podeutektoidalnych i nadeutektoidalnych, w któ- rych prócz przemiany P→γ następuje jeszcze przemiana ferrytu w austenit (od Ac 1 do Ac 3 ) lub rozpuszczanie się cementytu wtórnego (od Ac 1 do Acm). Przemiany w stali podczas chłodzenia są analogiczne do opisanych przy nagrzewaniu, tylko przebiegają w odwrotnej kolejności.
Rys. 6.7. Wpływ szybkości nagrzewania (a) oraz chłodzenia (b) na przebieg przemian w stali nadeutektoidalnej
Przemiana austenitu w perlit polega na dyfuzyjnym wydzielaniu się cementytu i przebudowie sieci Feγ→Feα. Mechanizm tej przemiany przed- stawia rys. 6.8. W przechłodzonym austenicie pojawiają się zarodki wysoko- węglowej fazy Fe 3 C na granicach ziarn lub w miejscach styku wtrącenie niemetaliczne - austenit. Na powstałym zarodku krystalizuje cementyt, two- rząc rozrastającą się płytkę. W otoczeniu tej płytki austenit ubożeje w węgiel, co ułatwia przemianę alotropową Feγ→Feα, w wyniku której wzdłuż płytki cementytu tworzą się dwie płytki ferrytu. Powiększające się płytki ferrytu powodują wzrost zawartości węgla w otaczającym austenicie, co ułatwia powstanie nowych płytek cementytu. W ten sposób tworzy się cały pęk płytek ferrytu i cementytu.
Rys. 6.8. Schemat przemiany austenitu w perlit
Przy bardzo powolnym chłodzeniu, np.
Vr 1 = 10°C/godz.
przemiana austenitu w perlit przebiega w temperaturze nieco niższej od 727°C, lecz trwa bardzo długo (Δtr 1 - rys. 6.7b). Szybsze chłodzenie, np.
Vr 2 = 600°C/godz.
powoduje obniżenie temperatury i skrócenie czasu przemiany. Szybkość chłodzenia wpływa nie tylko na kinetykę przemiany, ale i budo- wę perlitu. Im większa jest szybkość chłodzenia, tym większa ilość po- wstających zarodków i szybkość narastania faz (podobnie jak przy krys- talizacji). Powstaje perlit o coraz większym stopniu rozdrobnienia (dyspersji) budujących go faz - ferrytu i cementytu. Perlit o dużym stopniu dysperji ma wyższa twardość (i właściwości wytrzymałościowe) od perlitu o małym rozdrobnieniu, powstałym przy powolnym chłodzeniu (rozdz. 7.1). Najważniejsze cechy przemiany austenit → perlit są więc następujące:
Austenit Perlit
Fe 3 C (^) Fe 3 C α
Temperatura NAGRZEWANIE STUDZENIE^ Temperatura
Wielkość ziarna przy studzeniu
Wielkość ziarna przy nagrzewaniu
perlit
austenit
Rys. 6.9. Zmiany wielkości ziarna stali eutektoidalnej podczas grzania i chłodzenia; 1 - stale skłonne do drobnoziarnistości, 2 - stale skłonnne do gruboziarnistości
Podczas przemiany odwrotnej - austenitu w perlit - rozdrobnienie ziarn nie zachodzi. Wymiary nowo powstałych ziarn perlitu zależą od wymiarów ziarn austenitu. Wielkość ziarna w stali otrzymana w wyniku jakiejkolwiek obróbki cieplnej nosi nazwę ziarna rzeczywistego. Na podstawie wielkości tego ziarna nie można określić skłonności stali do rozrostu ziarn. Wprowadzono więc określenia:
m = 8 x 2 G^ (6.1)
gdzie: (^) G - numer wzorca ziarna wg skali.
Zgłady należy obserwować przy powiększeniu 100 x. Jeżeli ziarno badane- go metalu przy tym powiększeniu jest mniejsze od wzorca nr 10 lub większe od wzorca nr 1, zaleca się stosować powiększenie g, inne niż 100-krotne, które należy tak dobrać, żeby ziarno było porównywalne z jednym z wzorców od nr 4 do nr 8. Otrzymany w ten sposób numer wielkości ziarna M należy przeliczyć dla otrzymania numeru wielkości ziarna G przy powiększeniu 100-krotnym wg wzoru:
G = M + K (6.2)
Wartość K w zależności od stosowanego powiększenia g należy określić z wykresu przedstawionego na rys. 6.10.
Rys. 6.10. Wartość wielkości K (wzór 6.2) w zależności od stosowanego powiększenia g
Współczynnik
k
8 7 6 5 4 3 2 1 0
Operacja ABCD - wyżarzanie AB - nagrzewanie BC - wygrzewanie C D - chłodzenie
Czas
Rys. 6.11. Schemat obróbki cieplnej wyżarzania: AB - nagrzewanie, BC - wygrzewanie, CD - chłodzenie
B C
W zależności od celu wyróżnia się następujące rodzaje wyżarzania:
WYŻARZANIE
bez przemiany fazowej z przemianą fazową
Położenie temperatur wyżarzania stali węglowych na tle wykresu Fe-Fe 3 C przedstawiono na rys. 6.12.
Wyżarzanie ujednorodniające (homogenizowanie)
Temperatura: 100-200°C poniżej linii solidusu, praktycznie 1050-1200°C, studzenie powolne. Czas: proces długotrwały - kilkanaście godzin (zależy od wielkości wyżarzanego przedmiotu). Struktura: struktura pierwotna odlewu (dendrytyczna) ulega przemianie na wtórną (ziarnistą), następuje rozrost ziarna. Cel: zmniejszenie lub usunięcie segregacji dendrytycznej we wlew- kach, a w konsekwenacji zmniejszenie pasmowości struktury i anizotropowości właściwości mechanicznych stali (różnic war- tości w kierunku poprzecznym i podłużnym).
W obrębie ziarn pierwotnych (dendrytów), utworzonych w procesie krystalizacji, występuje zwykle różnica koncentracji składników, nazywana
A D
Temperatura
Z a w a r t o ś ć w ę g l a , %
Fe 0,4 0,8 1,2 1,6 2,
1200
1100
1000
9 0 0
Wyżarzanie ujednorodniające
w y ż a r z a n i e przegrzewające
800
700
6 0 0
500
4 0 0
300
200 100
Temperatura
,
° C
W y ż a r z a n i e G zupełne Wyżarzanie normalizujące Wyżarzanie zmiękczające
W y ż a r z a n i e rekrystalizujące Wyżarzanie odprężające pdlewów, przedmiotów s p a w a n y c h. o d k u w e k Wyżarzanie odprężające po obróbce plastycznej na zimno
Stabilizowanie
segregacją (mikrosegregacją) dendry- tyczną. Po przeróbce plastycznej na gorąco wlewka segregacja ta może być przyczyną pasmowości struktury i anizotropowości właściwości me- chanicznych stali, co jest na ogół nieporządane. W wyniku wyżarzania ujednoro- dniającego pierwotna (dendrytyczna) struktura zmienia się na wtórną (ziar- nistą, komórkową); jednocześnie na- stępuje znaczny rozrost ziarn. Wyró- wnanie składu chemicznego w obrę- bie ziarn następuje poprzez dyfuzję składników, łatwo przebiegającą w wysokiej temperaturze wyżarzania. Wyżarzanie to zmniejsza lub lik- widuje różnice koncentracji w obrę- bie ziarn, nie wpływa jednak na seg- regację w skali makroskopowej, którą można zmniejszyć tylko poprzez przeróbkę plastyczną. Wyżarzanie ujednoradniające stosuje się rzadko i w zasadzie ogra- nicza do wlewków i niekiedy odle- wów staliw stopowych. Po ujednoro- dnieniu przeprowadza się czasem wy- żarzanie normalizujące, dla zmniej- szenia wielkości ziarn. Dotyczy to tylko odlewów staliwnych, gdyż ujed- norodnione wlewki poddaje się przeróbce plastycznej na gorąco, zapewniającej rozdrobnienie ziarna.
Wyżarzanie normalizujące (normalizowanie) Temperatura: 30—50°C powyżej Ac 3 lub Accm, studzenie w spokojnym powietrzu do temperatury otoczenia. Czas: zależy od przekroju normalizowanego materiału - orientacyjnie 1 — 1,5 min na 1 mm przekroju dla stali węglowych konstrukcyj- nych oraz 1,5 — 2,5 min na 1 mm przekroju dla stali węglowych narzędziowych. Struktura: uzyskuje się drobnoziarnistą strukturę o jednakowej wielkości ziarna w całym przekroju wyrobu.
Rys. 6.12. Zakres temperatur wyżarzania stali na tle wykresu żelazo-cementyt
Czas: stosunkowo długi, zależy od wymiarów wyrobu i gatunku stali (kilka do kilkudziesięciu godzin). Struktura: powstaje struktura cementytu kulkowego równomiernie rozmiesz- czonego w ferrycie (sferoidyt). Cel: zmniejszenie twardości stali, poprawa skrawalności i podatności do przeróbki plastycznej na zimno.
Niezbędnym warunkiem sferoidyzacji cementytu jest doprowadzenie stali do stru- ktury austenitycznej przy zachowaniu pew- nej ilości nierozpuszczonych cząstek cemen- tytu. Nierozpuszczony cementyt oraz zanie- czyszczenia niemetaliczne stanowią zarodki krystalizacji, stąd temperatura wyżarzania oscyluje około temperatury A 1. Na rys. 6. przedstawiono pięć sposobów przeprowa- dzania wyżarzania zmiękczającego. W sta- lach nadeutektoidalnych wyżarzanie to ma na celu obniżenie twardości i polepszenie skrawalności. W stalach podeutektoidal- nych, których twardość jest z natury niska, wyżarzanie zmiękczające stosowane jest dla polepszenia plastyczności przed przeróbką plastyczną na zimno. Rys. 6.14 przedstawia twardości stali niestopowych o różnej zawartości węgla w stanie normalizowanym i po wyżarzaniu zmiękczającym. Struktury stali N12 w tych samych stanach obróbki cieplnej przedsta- wiają fot. 6.1 i 6.2. Wyżarzanie przegrzewające Temperatura: 1000-1200°C, studzenie po- wolne. Czas.: 1 — 2 godz.
Rys. 6.13. Przebieg różnych sposobów wyżarzania zmiękczającego
Struktura: uzyskuje się strukturę gruboziarnistą. Cel: poprawa skrawalności stali wysokowęglowych oraz powiększenie przenikalności magnetycznej stali magnetycznie miękkiej. Struktura gruboziarnista ułatwia obróbkę mechaniczną, gdyż wiór takiej stali jest krótki i kruchy co umożliwia skrawanie z dużymi szybkościami. Objawem przegrzania, typowym dla staliwa i stali średniowęglowej, jest struktura Widmannstättena o charakterystycznym iglastym kształcie ziarn ferrytu. Obraz tego typu struktury przedstawiono na fot. 6.3.
300 280 260 240 220 200 180 160 140 120 100 80
Twardość HV^2
1
Fe 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 % C
Rys. 6.14. Twardość stali niestopowych w zależności od zawartości węgla po wyżarzaniu: 1 - normalizującym, 2 - zmiękczającym
Wyżarzanie rekrystalizujące
Temperatura: 600—700°C, studzenie powolne. Czas: zależy od stopnia zgniotu i wymaganych właściwości koń- cowych. Struktura: powstaje zrekrystalizowana drobnoziarnista struktura. Cel: usunięcie skutków zgniotu na zimno.
Po przeróbce plastycznej na zimno stal posiada strukturę włóknistą (teksturę), wysokie właściwości wytrzymałościowe (Rm, Re, HB) oraz małą plastyczność (KC, A, Z). Materiał taki jest kruchy i niepodatny do dalszej przeróbki plastycznej. Wyżarzanie w temperaturze powyżej temperatury rekrystalizacji powoduje powstanie nowej drobnoziarnistej struktury oraz usunięcie skutków zgniotu. Przebieg zmian struktury oraz właściwości mechanicznych w zależności od temperatury wyżarzania przedstawia rys. 6.15.
Wyżarzanie odprężające (odprężanie)
Temperatura: poniżej 650°C, studzenie powolne. Czas: zależy od wielkości wyrobu, zwykle ok. 2 min. na 1 mm przekroju. Struktura: nie zachodzą zmiany struktury. Cel: zmniejszenie naprężeń własnych wyrobu bez wyraźnych zmian właściwości uzyskanych w wyniku wcześniejszej obróbki plas- tycznej.