Adam Garcorz Gliwice, 15.11.2003r.
Kierunek : ZiIP
Semestr : 1
Grupa : 1
Sekcja : 2
Sprawozdanie z ćwiczenia:
Porównanie struktur i własności wybranych metali i ich stopów.
I. Pojęcie stali.
Stal jest plastycznie i cieplnie obrabialnym stopem żelaza w węglem i innymi pierwiastkami, otrzymywanym w procesach stalowniczych ze stanu ciekłego. Za stężenie węgla graniczne, oddzielające stale od żeliw, przyjmuje się 2% ( jedynie nieliczne stale wysokochromowe mogą zawierać więcej niż 2%C ). Klasyfikacji stali można dokonać na wiele różnych sposobów. Ze względów praktycznych najczęściej operuje się klasyfikacją stali opierając się na składzie chemicznym lub zastosowaniu.
II. Klasyfikacja stali według składu chemicznego.
Dokonując podziału stali według tego kryterium ( zgadnie z normą PN-EN 10020:2002U ) możemy wyróżnić następujące klasy stali:
- stale niestopowe, w których stężenie każdego z pierwiastków jest mniejsze od wartości granicznych,
- stale nierdzewne, zawierające ≥ 10,5% chromu i ≤ 1,2% węgla,
- inne stale stopowe, w których stężenie co najmniej jednego z pierwiastków jest równe lub większe od wartości granicznej.
Ze względu na sumaryczne stężenie pierwiastków, stale stopowe dzieli się umownie na następujące grupy:
- niskostopowe, w których stężenie jednego pierwiastka ( oprócz węgla ) nie przekracza 2%,
a suma pierwiastków łącznie nie przekracza 3,5%,
- średniostopowe, w których stężenie jednego pierwiastka ( oprócz węgla ) przekracza 2% lecz nie przekracza 8%, lub suma pierwiastków łącznie nie przekracza 12%,
- wysokostopowe, w których stężenie jednego pierwiastka przekracza 8%, a suma pierwiastków łącznie nie przekracza 55%.
W zależności od głównego pierwiastka lub kilku pierwiastków występujących w stalach stopowych, można wydzielić następujące ich podgrupy: stale manganowe, stale krzemowe, stale manganowo-krzemowe, stale niklowe, stale chromowe, stale chromowo-niklowe, stale chromowo-molibdenowe, stale chromowo-manganowo-krzemowe, stale chromowo-niklowo-molibdenowe i inne.
III. Klasyfikacja stali według stopnia odtlenienia.
Według stopnia odtlenienia można wyróżnić następujące rodzaje stali:
- stal nieuspokojoną, w której przy krzepnięciu we wlewnicy dochodzi do reakcji węgla z rozpuszczonym tlenem, a tworzący się w wyniku tego tlenek węgla burzliwie uchodzi z ciekłej stali,
- stal półuspokojoną, w której stężenie rozpuszczonego tlenu obniżono tak, aby przy jej krzepnięciu we wlewnicy dochodziło jedynie do ograniczonej reakcji węgla a tym pierwiastkiem,
- stal uspokojoną, w której przed odlaniem do wlewnicy nie dochodzi do reakcji tlenu z węglem, a stal po wlaniu do wlewnicy zachowuje się spokojnie; odmianą tej stali jest stal uspokojona nie starzejąca się, która jest odtleniana aluminium, oprócz odtleniania krzemem.
IV. Klasy jakości stali niestopowych.
Stale niestopowe, zgodnie z normą PN-EN 10020:20002U, mogą być podzielone ze względu na klasy jakości na:
- jakościowe; w przypadku tej stali zwykle określa się tylko wymagania dotyczące niektórych własności, np. ciągliwości, podatności na obróbkę plastyczną lub wielkość ziarna, i to na poziomie niższym niż stali niestopowych specjalnych. Ogólnie, zgodnie z definicją, do stali niestopowych jakościowych zaliczane są wszystkie stale niestopowe, nie zaliczone do stali specjalnych.
- specjalne; charakteryzują się wyższym stopniem czystości i mniejszym udziałem wtrąceń niemetalicznych, niż stale jakościowe. Stale te zwykle są przeznaczone do ulepszania cieplnego lub hartowania powierzchniowego. W wyniku ciasnych tolerancji składu chemicznego oraz zastosowania specjalnych warunków wytwarzania uzyskuje się zróżnicowane własności mechaniczne, technologiczne i użytkowe tych stali, np. wysoka wytrzymałość lub wąskie pasmo hartowności, często w połączeniu z określoną ciągliwością, spawalnością lub podatnością na odkształcenie plastyczne na zimno. Do stali specjalnych należą m.in. stale ferrytyczno-perlityczne, stale na reaktory jądrowe, stale do zbrojenia betonu i inne.
V. Klasy jakości stali stopowych.
Ze względu na klasy jakości stale stopowe dzieli się na:
- stale stopowe jakościowe,
- stale stopowe specjalne.
Jako odrębną klasę wśród stali stopowych wyróżnia się stale nierdzewne. Stale te nie są dzielone na jakościowe i specjalne lecz kryteriami ich dalszego podziału są stężenie Ni lub główna własność stali.
Dla stali stopowych jakościowych stosuje się te same kryteria klasyfikacji jak dla stali niestopowych jakościowych, z uwzględnieniem dodatkowych wymagań dotyczących stężenia pierwiastków równego lub większego od wartości granicznych. Wśród stali stopowych jakościowych wyróżnia się następujące grupy:
- stale konstrukcyjne drobnoziarniste spawalne przeznaczone na zbiorniki i rurociągi pracujące pod ciśnieniem,
- stale stopowe na szyny, grodzice, kształtowniki, na obudowy górnicze, zawierające odpowiednie pierwiastki stopowe w celu podwyższenia własności użytkowych produktów,
- stale stopowe na produkty płaskie walcowane na zimno lub na gorąco przeznaczone do dalszej obróbki plastycznej na zimno, zawierające pierwiastki rozdrabniające ziarno, w tym: bor, niob, tytan, wanad i cyrkon,
- stale elektrotechniczne, zawierające tylko krzem i aluminium jako pierwiastki stopowe, o ograniczonej stratności magnetycznej lub określonej minimalnej indukcji magnetycznej albo polaryzacji lub przenikalności magnetycznej,
- stale stopowe z miedzią jako jedynym pierwiastkiem stopowym.
Stalom stopowym specjalnym nadaje się najbardziej zróżnicowane oraz ściśle określone własności mechaniczne, technologiczne i użytkowe przez dokładne regulowanie składu chemicznego i sterowanie procesem produkcyjnym. Obejmują one wszystkie gatunki stali, które nie zostały ujęte w klasie stali nierdzewnych oraz stopowych jakościowych.
Stale stopowe specjalne dzielą się na następujące zasadnicze podklasy: stale maszynowe, stale na urządzenia ciśnieniowe, stale konstrukcyjne, stale szybkotnące, stale narzędziowe stopowe, stale na łożyska toczne, stale o szczególnych własnościach fizycznych.
Do klasy stali nierdzewnych należą stale zawierające co najmniej 10,5% chromu oraz co najwyżej 1,3% węgla. Według stężenia niklu, stale nierdzewne można podzielić na:
- zawierające < 2,5% niklu.
- zawierające ≥ 2,5 % niklu.
Przyjmując za kryterium podziału najbardziej istotną własność, stale nierdzewne dzielone są na:
- stale odporne na korozję,
- stale żaroodporne,
- stale odporne na pełzanie, określane także jako żarowytrzymałe.
VI. Stale niestopowe.
Do stali niestopowych zaliczyć możemy następujące rodzaje stali:
- stale węglowe
- stale niestopowe konstrukcyjne, maszynowe i na urządzenia ciśnieniowe
Stale niestopowe konstrukcyjne są stosowane zazwyczaj na mało odpowiedzialne konstrukcje w budownictwie przemysłowym i ogólnym, których elementy są łączone przez spawanie, nitowanie lub śrubami. Normy europejskie wyróżniają spośród stali konstrukcyjnych grupę stali maszynowych, które są stosowane na elementy maszyn. Stale niestopowe konstrukcyjne są dostarczane w postaci produktów długich i płaskich, walcowanych na gorąco. Stale z tej grupy nie są zwykle poddawane obróbce cieplnej i są dostarczane w stanie po obróbce plastycznej na gorąco. Stale niestopowe konstrukcyjne należą do klasy stali jakościowych. Ich własności zależne są również od grubości produktu hutniczego. Podstawą klasyfikacji tych stali jest minimalna granica plastyczności Re’, a skład chemiczny stanowi dodatkowy przedmiot ich doboru.
Stale niestopowe są stosowane m.in. na urządzenia ciśnieniowe niepodlegające w czasie pracy dużym obciążeniom. Zwykle są to stale niskowęglowe, spawalne, stosowane w stanie wyżarzonym normalizująco lub ulepszonym cieplnie. Wymagania dotyczące stali niestopowych na urządzenia ciśnieniowe są zawarte w kilku normach.
- stale niestopowe spawalne drobnoziarniste
- stale niestopowe do ulepszania cieplnego
- stale niestopowe do nawęglania
- stale niestopowe automatowe
- stale niestopowe niskowęglowe do obróbki plastycznej na zimno
- stale niestopowe narzędziowe
Stale te są klasyfikowane na odstawie składu chemicznego, a ściślej średniego stężenia węgla. Stale narzędziowe niestopowe wysokowęglowe znajdują zastosowanie na proste narzędzia tnące do drewna, papieru i tworzyw sztucznych, takie jak pilniki, i proste narzędzia rolnicze – np. kosy lub zęby bron. Stale o mniejszym stężeniu węgla są stosowane na proste narzędzia tnące, np. piły, dłuta, oraz narzędzia pracujące udarowo, jak młotki, przecinaki i cechowniki.
Stale wysokowęglowe, po odpowiedniej obróbce cieplnej, charakteryzują się głównie dużą trwałością, a stale o niższym stężeniu węgla – nieco większą ciągliwością. Stale narzędziowe niestopowe cechują się ponadto małą hartownością i małą skłonnością do rozrostu ziarna austenitu.
- stale niestopowe do powlekania powłokami niemetalowymi
i inne.
VII. Stale stopowe.
Do stali stopowych możemy zaliczyć następujące rodzaje stali:
- stale stopowe konstrukcyjne, maszynowe i na urządzenia ciśnieniowe
Stale stopowe konstrukcyjne i maszynowe są stosowane w budownictwie przemysłowym i ogólnym oraz w budowie maszyn i urządzeń pracujących w zakresie temp. do 250 do 3000, w środowiskach o niewielkim działaniu korozyjnym. Kryterium doboru stali konstrukcyjnych i maszynowych stanowią najczęściej podstawowe własności mechaniczne. W przypadku obciążeń statycznych kryterium stanowi granica plastyczności Re lub granica sprężystości Rsp – gdy niedopuszczalne jest odkształcenie plastyczne konstrukcji. W przypadku obciążeń zmęczeniowych jako kryterium przyjmuje się granicę zmęczenia Zg. Coraz częściej do oceny własności stali konstrukcyjnych oraz specjalnych przyjmuje się własności określane metodami mechaniki pękania.
- stale stopowe o podwyższonej granicy plastyczności przeznaczone do obróbki plastycznej na zimno
- niskostopowe stale konstrukcyjne i na urządzenia ciśnieniowe, spawalne z mikrododatkami
Stale te są dostarczane przez hutnictwo w postaci różnorodnych kształtowników, blach, taśm, prętów, rur i drutów, powinny się cechować dobrą spawalnością, dużymi wartościami wytrzymałości Rm, granicy plastyczności Re, oraz niską temperaturą przejścia w stan kruchy. Wymagane własności tych stali zapewnia odpowiedni dobór składu chemicznego, a także technologia wytapiania, obróbki plastycznej i cieplnej.
- stale spawalne drobnoziarniste na urządzenia ciśnieniowe
- stale maszynowe z mikrododatkami
- stale stopowe konstrukcyjne i maszynowe do ulepszania cieplnego
- stale stopowe sprężyste
Sprężyny i resory są wykonane najczęściej za stali sprężynowych. Materiał stosowany na elementy sprężyste powinien cechować się bardzo dobrymi własnościami sprężystymi tzn. wysoką granicą sprężystości Rsp oraz dużą wartością stosunków tej wielkości do granicy plastyczności Re lub Rp0,2 i wytrzymałości na rozciąganie Rm. Pożądana jest duża wytrzymałość na zmęczenie przy ograniczonych wymaganiach dotyczących własności plastycznych.
- stale stopowe maszynowe do nawęglania
Cechuje je dobra skrawalność, odporność na przegrzanie, mała skłonność do odkształceń podczas obróbki cieplnej, hartowność dostosowania przekroju, obciążeń i cech geometrycznych wykonanych z nich elementów maszyn oraz wysokie własności wytrzymałościowe nawęglonej powierzchni i duża ciągliwość rdzenia.
- stale stopowe do azotowania
- stale stopowe na elementy łożysk tocznych
- stale stopowe stosowane na narzędzia
Stale te stanowią liczną grupę materiałów. Jakkolwiek nie stanowią dużego udziału masowego w ogólnej produkcji hutnictwa żelaza, w dużym stopniu decydują o wydajności i niezawodności produkcji w wielu gałęziach przemysłu. Dobra jakość narzędzi gwarantuje długi okres między ich kolejnymi wymianami. Trwałość narzędzi zależy przy tym od prawidłowego doboru materiału pod względem składu chemicznego i struktury. Złożony skład chemiczny , a głównie stężenie węgla i duże na ogół stężenie pierwiastków stopowych, decyduje o różnorodnym składzie i różnorodności przemian fazowych w tych stalach oraz wymaga bardzo starannego stosowania zabiegów metalurgicznych, obróbki plastycznej i cieplnej. Trwałość narzędzi jest uzależniona również od poprawnej konstrukcji, właściwego wykonania i prawidłowej eksplatacji. Stwarza to konieczność stałej kontroli jakości materiału, prawidłowości wykonania wszystkich operacji technologicznych oraz starannej eksplatacji.
Ze względu ma zastosowanie stale stopowe na narzędzia dzieli się na:
a) szybkotnące. Są stosowane głównie na wieloostrzowe narzędzia skrawające, często na narzędzia wykrojnikowe, a także na narzędzia do obróbki plastycznej na zimno i na gorąco. Stale te wykazują dużą twardość i odporność na ścieranie w temperaturze ok. 6000C. Wymagane własności, zwłaszcza bardzo dużą hartowność oraz efekt twardości wtórnej, uzyskuje się przez odpowiednią kombinacją stężenia węgla i takich pierwiastków jak Cr, W, Mo i V, a w wielu gatunkach dodatkowo – Co.
b) do pracy na gorąco. Są stosowane na narzędzia pracujące w zakresie temperatur od 2500 do 7000C. W najniższej temperaturze pracują niektóre narzędzia kuźnicze i noże do cięcia na gorąco, w najwyższej – matryce pras kuźniczych i do wyciskania oraz formy do odlewania pod ciśnieniem.
c) do pracy na zimno. Stosowane są do narzędzi nie osiągających w czasie pracy temperatury wyższej niż 2000C.
- stale konstrukcyjne trudno rdzewiejące
VIII. Stale i stopy żelaza o szczególnych własnościach.
Do stali i stopów żelaza o szczególnych własnościach możemy zaliczyć następujące rodzaje stali:
- stale stopowe do pracy w podwyższonej temperaturze
- stale żaroodporne i żarowytrzymałe
- stale zaworowe
- stale i stopy oporowe
- stale odporne na korozję
Przyjmując za kryterium podziału odporność na korozję, można wyróżnić:
a) stale trudno rdzewiejące,
b) stale odporne na korozję
Ze względu na strukturę , stale odporne na korozję dzieli się na:
a) ferrydyczne,
b) martenzytyczne,
c) martenzytyczne umacniane wydzieleniowo
d) austenityczne,
e) ferrydyczno-autenityczne.
Stosuje się także podział stali odpornych na korozję uwzględniający ich skład chemiczny, wyróżniając m.in. stale:
a) wysokochromowe,
b) chromowo-niklowe,
c) chromowo-niklowo-manganowe.
- stale do pracy w obniżonej temperaturze
- stale odporne na ścieranie
- stale o szczególnych własnościach magnetycznych
IX. Odlewnicze stopy żelaza.
1. Staliwa niestopowe.
Ważnym materiałem konstrukcyjnym, stosowanym w postaci odlewów jest staliwo niestopowe. Otrzymuje się je w wyniku odlewania do form, w których krzepnie uzyskując wymagany kształt użytkowy.
Staliwa niestopowe (węglowe) dzieli się na dwie grupy podlegające odpowiedniemu odbiorowi:
- na podstawie własności mechanicznych
- na podstawie własności mechanicznych oraz składu chemicznego.
Własności staliw, podobnie jak stali węglowych i niestopowych, zależą głównie od stężenia węgla. Staliwa, szczególnie niskowęglowe i średniowęglowe, cechują się dobrą spawalnością. Korzystny zespół własności mechanicznych i technologicznych decyduje o stale rosnącym udziale produkcji staliwa w ogólnej produkcji stopów żelaza z węglem.
Składnikami strukturalnymi występującymi w staliwie niestopowym są ferryt i perlit.
2. Staliwa stopowe.
Staliwa stopowe zawierają dodatki stopowe o stężeniu przekraczającym wartości graniczne takie same jak dla stali stopowych. Ze względu na zastosowanie, staliwa stopowe dzieli się na konstrukcyjne, odporne na ścieranie, odporne na korozję, żaroodporne i żarowytrzymałe oraz narzędziowe. Gdy łączne stężenie dodatków stopowych nie przekracza 2,5%, staliwo jest uważane za niskostopowe, gdy zawarte jest w przedziale 2,5-5% - za średniostopowe, a przy stężeniu większym niż 5 % - za wysokostopowe.
3. Żeliwa niestopowe.
Do materiałów odlewniczych najpowszechniej stosowanych w budowie maszyn należy żeliwo. Decydują o tym m.in.: stosunkowo niski koszt produkcji, niska temperatura topnienia, dobre własności wytrzymałościowe oraz dobra skrawalność.
Żeliwo zawiera ok.2-4% węgla. W zależności od postaci, w jakiej występuje węgiel, rozróżnia się żeliwa:
- szare, w których węgiel jest w postaci grafitu,
- białe ,w których węgiel jest związany w cementycie,
- połowiczne ( pstre ), w których występuje zarówno cementyt, jak i grafit.
W wyniku celowych zabiegów technologicznych w czasie procesów metalurgicznych grafit może zostać rozdrobniony w przypadku żeliwa modyfikowanego lub doprowadzony do postaci kulistej – w przypadku żeliwa sferoidalnego.
Żeliwo szare niestopowe można podzielić na trzy grupy:
- żeliwo szare zwykłe
Może cechować się strukturą osnowy: ferrydyczną, ferrytyczno- perlityczną oraz perlityczną. W strukturze żeliwa szarego – poza osnową metaliczną – występuje również grafit płatkowy, steadyt oraz wtrącenia niemetaliczne.
- żeliwo modyfikowane
Najkorzystniejsze własności ma żeliwo modyfikowane o osnowie perliycznej. Jego wytrzymałość na rozciąganie Rm może wynosić od 300 do 400MPa. Żeliwo modyfikowane, podobnie jak żeliwo szare zwykłe, wykazuje bardzo niskie własności plastyczne.
- żeliwo sferoidalne
Ma bardzo dobre własności zarówno wytrzymałościowe, jak i plastyczne.
4. Żeliwa stopowe.
Do żeliw stopowych, są wprowadzane dodatki stopowe, występujące oprócz domieszek. Pierwiastki te s...
scrapek.crw