Stal

Stal jest najważniejszym materiałem inżynierskim. Hartowanie stali jest bardzo ważne.

Wideo wykłady

Stal vs stal

(Unedited footage)

Stal: Część 1 , Stal: Część 2 , Stal: Część 3

Właściwości i struktura ziarna: BBC 1973 (Old but very good)

Iron is abundant in the universe, found in the sun and many types of stars in considerable quantity. Rdzeń ziemi jest uważany za wykonany z niklu i żelaza, i być gorętszy niż powierzchnia Słońca. To intensywne ciepło z jądra wewnętrznego powoduje przemieszczanie się materiału w jądrze zewnętrznym i płaszczu (prądy konwekcyjne).

(Uwaga: Zabawne, jak my naprawdę nie wiemy, co? – Wiemy, że robi się goręcej, gdy kopiesz głębiej, ale możemy tylko zgadywać, jak gorąco jest w centrum Ziemi. Nawet na głębokości 12 km pod ziemią obliczenia naukowców były błędne o ponad 100% – było goręcej niż się spodziewano. Kiedy próbuje się wiercić na taką głębokość, skała robi się tak gorąca, że staje się plastyczna, ściska się z powrotem w otworze i zakleszcza wiertło. Szczury. To tyle jeśli chodzi o kopanie do środka ziemi :).

Stala węglowa

Stal jest stopem żelaza (Fe) i węgla (C), o zawartości wagowej węgla od 0,2 do 2,04%. Węgiel jest najbardziej opłacalnym materiałem stopowym dla żelaza, ale stosowane są różne inne pierwiastki stopowe, takie jak mangan, chrom, wanad i wolfram.

Stale węglowe	ANSI def’n	Ogólna def’n	Zastosowanie i właściwości
Stale niskowęglowe	0.05-0,15%	<0,1%	Miękka, plastyczna. Łatwy do formowania.
Mild Steel	0,16-0,29%	0,1-0,25%	Niska wytrzymałość na rozciąganie, ale jest tania i ciągliwa; twardość powierzchni można zwiększyć przez nawęglanie.
Średnia stal węglowa	0,30-0,59%	0,25-0,45%	Zrównoważyła ciągliwość i wytrzymałość oraz ma dobrą odporność na ścieranie; stosowana na duże części, odkuwki i części samochodowe.
Wysokowęglowa stal	0.6-0.99%	0.45-1.0%	Bardzo mocna, używana na sprężyny i wysokowytrzymałe druty.
Ultra-wysokowęglowa stal	1.0-2.0%	1.0-1.50% (>1.5% rzadka)	Bardzo twarda – noże, wykrojniki. Zazwyczaj wszystko powyżej 1,2% wymaga innych stopów, aby zapobiec nadmiernej kruchości. Bardzo wysoką zawartość węgla można uzyskać stosując metalurgię proszków.
Żelazo	–	2,5-4,0%	Niższa temperatura topnienia, łatwe odlewanie, niższa ciągliwość i wytrzymałość niż stali.

Zawartość procentowa węgla w różnych zastosowaniach stali;

Zmienna ilość pierwiastków stopowych i sposób ich wbudowania w stal (pierwiastki rozpuszczalne, faza wytrącona) wpływa na takie własności jak twardość, ciągliwość i wytrzymałość na rozciąganie otrzymanej stali. Ze wzrostem zawartości węgla stal staje się twardsza i mocniejsza od żelaza, ale też bardziej krucha. Maksymalna rozpuszczalność węgla w żelazie (w obszarze austenitu) wynosi 2,14% wagowych i występuje w temperaturze 1149 °C; wyższe stężenia węgla lub niższe temperatury spowodują powstanie cementytu (bardzo kruchego). Dodaj więcej węgla, a otrzymasz żeliwo, które ma niższą temperaturę topnienia i jest łatwiejsze do odlania.

Żelazo kute zawiera tylko bardzo małą ilość innych pierwiastków, ale zawiera 1-3% wagowych żużla w postaci cząstek wydłużonych w jednym kierunku, nadając żelazu charakterystyczne ziarno. Jest ono bardziej odporne na rdzę niż stal i łatwiej się spawa. Dziś często mówi się o „przemyśle żelaznym i stalowym” jak o jednym podmiocie, ale historycznie były to odrębne produkty.

Stal była produkowana od tysięcy lat, ale stała się powszechna po opracowaniu bardziej wydajnych metod produkcji w XVII wieku. Proces Bessemera w połowie XIX wieku sprawił, że stal stała się stosunkowo tania dla dóbr produkowanych masowo. Dalsze udoskonalenia procesu, takie jak produkcja stali w tlenie, jeszcze bardziej obniżyły koszty produkcji, jednocześnie podnosząc jakość metalu. Dziś stal jest jednym z najbardziej rozpowszechnionych materiałów na świecie i stanowi główny składnik budynków, narzędzi, samochodów i urządzeń.

Get pdf: XLER_International_Compare.pdf

WIDEO: Właściwości i struktura ziarna. BBC 1973

Nie śmiejcie się z daty – ten film bije na głowę wszystkie te żałosne współczesne, które dają wam wymyślne intro, ale nic więcej niż gadającą głowę. Nigdy nie wychodzą poza studio. Ten stary film jest bajeczny dla jasnego wprowadzenia do struktury ziarna stali.
Część 1: Co to jest ziarno? (Video 11MB)

Plamy widoczne na galwanizowanym obiekcie to kryształy lub ziarna cynku.
Wszystkie metale składają się z ziaren, ale są one zazwyczaj niewidoczne (zbyt małe, aby je zobaczyć lub ten sam połysk/kolor).
Proces wytrawiania: Lustrzane wykończenie, mocny kwas, umyte i zapieczętowane.
W czystym metalu ziarna mają różne kolory ze względu na sposób, w jaki odbijają światło.
Maleńkie kryształy rosną na zewnątrz, aż się spotkają. Każdy w pełni rozwinięty kryształ nazywa się ziarnem.

Część 2: Rekrystalizacja (wideo 13MB)

Przed obróbką na zimno ziarna mają podobną wielkość i kształt
Obróbka na zimno wydłuża ziarna, zwiększa twardość i wytrzymałość, zmniejsza plastyczność.
W temperaturze 350C w Al tworzą się nowe ziarna, które zastępują stare. Nazywane rekrystalizacją
Rekrystalizacja zmiękcza, obniża wytrzymałość, zwiększa ciągliwość
Nadmierna temperatura rekrystalizacji daje słabe właściwości mechaniczne

Część 3: Obróbka cieplna stali (wideo 23MB)

Ziarna stali są zbyt małe, aby były widoczne – wymagają mikroskopu ok. 250-krotnego powiększenia.
Ferryt: Jasno zabarwiony. Wykonany z żelaza. Ciągliwość do stali
Perlit: ciemniej zabarwiony. Warstwy żelaza + węglik żelaza. Twardość i wytrzymałość do stali
100% perlitu wynosi około 0,8%C. Perlit, temperatura rekrystalizacji 720C.
Normalizowanie – chłodzenie w powietrzu, zmniejszenie wielkości ziaren i bardziej jednolity kształt, zwiększenie ciągliwości
Hartowanie – zwiększa twardość. Za mało czasu na utworzenie się perlitu, więc tworzy się struktura igiełkowa – martenzyt. Bardzo twardy i kruchy.
Odpuszczanie – (po hartowaniu) przywraca ciągliwość. Modyfikuje igły martenzytu z małymi płatkami węgla. To daje twardość ORAZ ciągliwość.
Stal 0,1%C (Mild Steel). Rekrystalizacja 900C. Za mało węgla do produkcji martenzytu.

Schemat równowagi żelazo-węgiel

Doskonały link (Cambridge University): http://www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/2008/Steel_Microstructure/SM.html
Diagram równowagi to wykres różnych układów strukturalnych, które występują w zakresie danego pierwiastka stopowego.

Ten diagram pokazuje, jak żelazo i węgiel łączy IF jest chłodzony powoli (w równowadze). Poniżej 2% jest stal, ponad 2% jest w kierunku zakresu żeliwa, gdzie węgiel ma tendencję do koagulacji (zlepiania się). Cementyt Fe3C ma 6,67%C i jest w zasadzie ceramiką. Eutektoid (perlit) w E ma 0,83% C, mniej węgla to stal hipoeutektoidalna (A), a więcej to hipereutektoidalna (B). Żelazo alfa (ferryt), żelazo gamma (austenit, który istnieje tylko w wysokiej temperaturze) i żelazo delta (inna struktura wysokotemperaturowa).
Dwie bardzo ważne przemiany fazowe zachodzą przy 0,83%C i przy 4,3% C. Przy 0,83%C i 723ºC przemiana jest eutektoidem, zwanym perlitem. Te 2 fazy wydzielają się warstwami. Z gamma (austenit) –> alfa + Fe3C (cementyt)
W temp. 4,3% C i 1130ºC przemiana jest eutektoidalna, zwana ledeburytem. L(ciekły) –> gamma (austenit) + Fe3C (cementyt). Jest to żeliwo.
BTW. Ponieważ węgiel (12) jest znacznie lżejszy niż Fe (56), rzeczywisty atomowy % węgla (licząc atomy) jest w rzeczywistości około 4,6 razy wyższy niż %C wagowo. Więc to nie jest całkiem tak niesamowite teraz jest to? Mam na myśli jak 0,5% Węgla może całkowicie przekształcić miękkie żelazo … to naprawdę około 2%, jeśli liczyć atomy – nie masa.

Podsumowanie struktur Fe-C (ziarna)

Austenit (γ-żelazo). Występuje tylko powyżej 723C, czyli wtedy, gdy występuje struktura FCC γ-żelaza. Może rozpuszczać się w temperaturze do 2,1%C w stosunku do masy. Niemagnetyczny, miękki (stąd mamy obróbkę na gorąco). Austenit może również istnieć w temperaturze pokojowej, jeśli zamienisz niektóre atomy żelaza na coś innego – na przykład nikiel. To jest to, co Austenitic stal nierdzewna jest – jak 316 na przykład. I, jak wysokiej temperatury austenitu, te stale nierdzewne są niemagnetyczne. Niektóre inne rodzaje stali nierdzewnej są magnetyczne.
Cementyt (węglik żelaza Fe3C, 6,67%C przez masę. W komórce jednostkowej znajduje się dwanaście atomów żelaza i cztery atomy węgla, a więc 33% atomów węgla). Bardzo twardy i kruchy, ponieważ jest to materiał ceramiczny. Słyszałeś kiedyś o węgliku wolframu? Cóż, to jest węglik żelaza.
Ledeburite (The Ferrite-Cementite eutektyka, 4,3% węgla.)
Ferrite (α-żelazo, δ-żelazo; miękkie). Bez węgla, BCC. Miękki i ciągliwy.
Perlit (88% ferrytu, 12% cementytu, co stanowi 0,83%C) Mocniejszy od ferrytu
Martenzyt. Występuje, gdy chłodzenie jest zbyt szybki, aby utworzyć Pearlite, więc blokuje kolce Cementite do ziarna. Występuje to przy hartowaniu stali z wystarczającą ilością węgla. Bardzo twarda.

Mikrografy (zdjęcia z mikroskopu).
(A) = 0,1%C ferryt/pearlit, (B) = 0,25%C więcej perlitu, (C) = 0,83%C cały perlit, (D) = 1,4%C perlit/cementyt

Widok z bliska perlitu pokazujący warstwy ferrytu (białe) i cementytu (ciemne).

Więcej o perlicie: https://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/iss/kap_7/backbone/r7_1_2.html

Duży wykres równowagi FC

Wersja do druku 2000x2658px

Poślizg

Gdy kawałek metalu ulega deformacji, to deformacji ulegają ziarna. Ziarno jest kryształem, uporządkowanym układem atomów w siatce. Jeśli atomy są rozciągane od siebie, jest to odkształcenie sprężyste, ponieważ atomy są utrzymywane razem przez przyciąganie elektronów – co działa jak sprężyna. Jednak odkształcenie trwałe (lub plastyczne) oznacza, że atomy faktycznie ślizgają się obok siebie w warstwach lub płaszczyznach.

Prawdziwe kryształy nie ślizgają się w całej płaszczyźnie na raz. Wymagałoby to użycia bardzo dużej siły. Zamiast tego, niedoskonałości w krysztale pozwalają na poślizg jednego atomu na raz. Im szerszy jest zakres oddziałujących atomów, tym bardziej ziarno jest plastyczne (łatwo się ślizga). Oto przykład niedoskonałości zwanej dyslokacją, która może łatwo przemieszczać się w krysztale.

Tutaj jest rzeczywisty przykład poślizgu. (nie zmyślamy tego!)

Skaningowy mikrograf elektronowy pojedynczego kryształu kadmu deformującego się przez poślizg dyslokacji na 100 płaszczyznach, tworząc stopnie
na powierzchni.

Następująca animacja przedstawia siatkę atomów (taką jak w metalu). Istnieją tylko 2 sposoby odkształcania atomów – osiowe (rozciąganie i ściskanie) i ścinanie (na boki).

Ta animacja pokazuje tylko sprężystą część krzywej naprężenie/odkształcenie, w której nie występuje poślizg atomów.

Zawartość tej strony wymaga nowszej wersji programu Adobe Flash Player.

Załatw Adobe Flash Player

Więcej informacji tutaj: http://www3.nd.edu/~manufact/MPEM_pdf_files/Ch03.pdf

So what is BCC and FCC anyway?

Struktury krystaliczne BCC (Body Centred Cubic) i FCC (Face Centred Cubic) to dwa alternatywne sposoby upakowania atomów żelaza.

BCC to układ w temperaturze pokojowej zwany ferrytem
FCC to układ w wysokiej temperaturze (>723oC) zwany austenitem.

Pobierz pliki Inventora: SC, BCC, FCC, Wszystkie trzy (SC+BCC+FCC)

SC to Simple Cubic i nie występuje z atomami żelaza. To jest siatka soli – NaCl.

Najmniejszy układ (jednostka) jest pokazany poniżej. Zauważ, jak siatka sześcienna (zabarwiona na niebiesko) rozszerza się, gdy inne atomy są dopasowywane między nimi w siatkach BCC i FCC.

Często występuje pewne zamieszanie dotyczące tych diagramów poniżej.

Problem polega na tym, że czerwone atomy wyglądają jak węgiel, a czarne jak żelazo. Nie, nie, nie!

Każdy atom jest żelazem! Po prostu kolorujemy atomy żelaza, które nie są na rogach, aby je łatwo zobaczyć.

Innym problemem z tymi diagramami jest to, że nie ma prawdziwego wskazania, że odstępy między atomami w rogu ZWIĘKSZAJĄ się, gdy idziesz od SC do BCC do FCC.

Struktura SC (Simple Cubic). NIE ŻELAZO W przypadku struktury SC (Simple Cubic) (czego żelazo nie robi), odległość między atomami wynosi D. (Gdzie D jest średnicą atomów) Więc objętość tej jednostki wynosi D3, a objętość atomu wynosi 4/3Πr3. Więc gęstość jest 52% stałego atomu. Nie bardzo zwarta.
Struktura BCC (Body Centred Cubic). FERRYT W przypadku struktury BCC (Body Centred Cubic) (którą żelazo wykonuje w temperaturze 723oC), odległość między atomami żelaza wynosi 1,1547D. (Gdzie D jest średnicą atomów) Więc objętość tej jednostki jest (1.1547D)3, i to pasuje do 2 atomów, więc objętość atomów jest 2×4/3Πr3. Więc gęstość jest 68% stałego atomu. Bardziej kompaktowy. Ta struktura jest nazywana Ferrite. Węgiel nie pasuje do tej struktury w ogóle (Cóż, mówię kłamstwo. Może rozpuścić żałosne 0,025% C, czyli praktycznie zero, lub 0,035% w temperaturze przemiany, czyli nadal nic)
Struktura FCC (Face Centred Cubic). AUSTENITE W przypadku struktury FCC (Face Centred Cubic) (którą żelazo wykonuje w temperaturze ponad 723oC), odległość między atomami żelaza wynosi 1,4214D. (Gdzie D jest średnicą atomów) Więc objętość tej jednostki jest (1.4214D)3, a to pasuje do 4 atomów, więc objętość atomów jest 4×4/3Πr3. Więc gęstość jest 74% atomu stałego. To jest najbardziej zwarty, co czyni go 6% bardziej gęsty niż Ferrite! Ta struktura jest nazywana Austenite, i może rozpuścić 2% węgla w jego strukturze. To jest 2% wagowo nie zapominaj, a ponieważ Żelazo (56) jest 4,7 razy waga węgla (12), może rozpuścić około 21% atomów węgla (Około 1 węgla na każde 5 atomów żelaza).
Więc gdzie węgiel pasuje w austenicie? Węgiel może zmieścić się w prawo w tej przestrzeni w środku każdej krawędzi jednostki. Jednak to powoduje trochę zniekształceń, więc nie można zmieścić atom węgla na KAŻDEJ krawędzi. Najlepiej, w 1130oC Austenite może zmieścić się nieco ponad 2 atomy węgla co 3 jednostki. (2C:12Fe lub 1:6 przez atomy). To jest, gdzie 2% wagowo pochodzi z. Więcej tutaj (dość ciężkie) https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00246587/document

Dalsze informacje o BCC i FCC tutaj:

https://www.nde-ed.org/EducationResources/CommunityCollege/Materials/Structure/metallic_structures.htm

http://lessons.chemistnate.com/simple-cubic-fcc-and-bcc.html

https://chem.libretexts.org/Courses/University_of_Arkansas_Little_Rock/Chem_1403%3A_General_Chemistry_2/Text/…

Wideo o strukturach krystalicznych Simple Cubic, Body-Centred Cubic i Face Centred Cubic. Atomy żelaza nie tworzą struktur Simple Cubic.

Simple Cubic, Body-Centred Cubic i Face Centred Cubic

Hardening of Steel

Hardening polega na powstrzymaniu poślizgu przed jego wystąpieniem.

Są na to 3 sposoby.

Pozbądź się wszystkich niedoskonałości (całkiem niemożliwe zadanie, chociaż właśnie dlatego bardzo drobne włókna mogą dać szaloną wytrzymałość)
Wykorzystaj wszystkie poślizgi tak, aby nie mogło dojść do kolejnego poślizgu. To się nazywa hartowanie.
Zablokuj poślizg z podróży całą drogę przez ziarna. Węgiel (i azot) tworzą związki, które działają jako środek utwardzający, zapobiegając poślizgowi dyslokacji w siatce krystalicznej żelaza (ferryt). Martenzyt robi to pięknie. To jest hartowanie w obróbce cieplnej.

Hartowanie stali nie jest pokazane na wykresie równowagi Fe-C, ponieważ hartowanie nie jest w równowadze! (tzn. chłodzenie jest zbyt szybkie dla austenitu z węglem, aby mógł się on znaleźć w skomplikowanej strukturze perlitu).

Z https://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/iss/kap_7/backbone/r7_1_2.html

Gwałtowne chłodzenie (hartowanie) wytwarza inną strukturę ziarnową zwaną martenzytem. To ziarno jest niezwykle twarde i mocne, a także kruche. Kolce węglika żelaza, które przenikają przez ziarno teraz zapobiec poślizgowi, więc plastyczność jest stracone.

Martenzyt: University of Cambridge

Aby zmniejszyć kruchość po hartowaniu, stosuje się odpuszczanie w celu dodania stali ciągliwości. Modyfikuje to dendryty węglików, aby nadać im nieco plastyczności – bez utraty zbytniej wytrzymałości i twardości.

Upuszczanie musi odbywać się w temperaturze poniżej rekrystalizacji. Piec jest najlepszy do odpuszczania, ale może to być wykonane przez płomień, oceniając kolor stali. Kolory odpuszczania mogą być użyte jako wskazówka dla temperatury. Im gorętsze odpuszczanie, tym bardziej miękka stal.

Stopy takie jak stal nierdzewna tworzą cieńsze warstwy niż stale węglowe dla danej temperatury i dlatego dają kolor niższy w serii. Na przykład, blady słomkowy odpowiada 300°C dla SS, a nie 230°C dla CS. Kolory zimniejsze niż czerwienie (poniżej 500°C) są w rzeczywistości przebarwieniami tlenków, a nie rzeczywistym blaskiem promieniowania w danej temperaturze. (Które byłoby podczerwone i niewidzialne. Więc wszystko się świeci, tylko nie widać światła!)

Barwa promieniowania	Celcius	Farenht	Zastosowania odpromieniowania / Inne
Żółty-.Biały	1539°C	2800°F	Najwyższa temperatura topnienia (0%C czystego żelaza)
Jasnożółty	1130°C	2066°F	Najniższa temperatura topnienia (4%C żeliwa)
Żółty	1093°C	2000°F	Miedź topi się w temperaturze 1084°C, Złoto 1063°C
Ciemnożółty	1038°C	1900°F
Pomarańczowożółty	982°C	1800°F
Pomarańczowy	927°C	1700°F	Trass topi się w 930°C
Pomarańczowa czerwień	871°C	1600°F
Jasnoczerwony	816°C	1500°F
Czerwony	760°C	1400°F	Temperatura rekrystalizacji stali 723°C
Średnia czerwień	704°C	1300°F
Tępa czerwień	649°C	1200°F	Topienie aluminium 600-…660°C
Jasnoczerwony	593°C	1100°F	Uzgrubianie dla stali konstrukcyjnych.
Bardzo słabo czerwony, przeważnie szary	538°C	1000°F	Uhartowanie dla stali konstrukcyjnych.
Ciemnoszary	427°C	0800°F	Uhartowanie dla stali konstrukcyjnych. Zmiana magnetyczna 410
Barwa utleniania	Celcius	Farenht	Zastosowanie
Niebieski	302°C	0575°F	Szlifowanie do drewna, sprężyny
Ciemnofioletowy	282°C	0540°F	Dłuta do drewna, zestawy do stali
Purpurowy	271°C	0520°F	Narzędzia do tłoczenia, siekiery
Brązowy/Purpurowy	260°C	0500°F	Wyciory, kubki, zatrzaski, wiertła kręte, rozwiertaki
Brązowy	249°C	0480°F	Gwintowniki, ostrza do cięcia metali
Ciemnosłomkowy	241°C	0465°F	Frezarki, wiertła
Light Straw	229°C	0445°F	Narzędzia do strugania i dłutowania
Słoma	199°C	0390°F

Hartowanie:

Szybkość hartowania: Stale o wyższej zawartości węgla mogą być hartowane wolniej, ale stal o niższej zawartości C będzie musiała być szybko hartowana, aby uzyskać jakikolwiek efekt hartowania.

Szybkość hartowania: (NAJSZYBCIEJ) Słona woda > woda > olej > powietrze > izolowane. (Najwolniej)

Dla skomplikowanych i drogich prac, lepiej jest mieć stop do powolnego hartowania, ponieważ jest on mniej wrażliwy na zmiany temperatury. To dlatego większość stali narzędziowych do takich rzeczy jak narzędzia do formowania wtryskowego są hartowane w oleju. Hartowanie w wodzie jest dobre dla prostych kształtów, które można łatwiej kontrolować, ale może powodować pękanie na grubszych przekrojach, ponieważ powierzchnia kurczy się przed wnętrzem. Hartowanie indukcyjne, w którym indukcja elektryczna (szybkie zmiany magnetyczne) podgrzewa stal, po której szybko następuje hartowanie w strumieniu wody. Alternatywny sposób ogrzewania zamiast płomienia lub pieca.

Hartowanie indukcyjne. http://www.thermobondflame.com/Services.page?i=4

Jak utwardzić powierzchnię: CASE Hardening.

Heat treat = hartowanie > Martenzyt (zatrzymuje poślizg).

Heat outside surface > quench. Miejscowy płomień lub indukcja hartowana wodą (koła zębate).

Węgiel wnikający w powierzchnię zewnętrzną > hartowanie. Nawęglanie (podgrzewanie w pakowaniu węgla lub gazu węglowego lub ogrzewanych roztworów). Azotowanie wykorzystuje azot zamiast węgla, aby uzyskać podobny efekt, i łatwiej jest uzyskać jego wnikanie w powierzchnię.

Hartowanie płomieniowe stali walc.: http://www.thermobondflame.com/Services.page?i=2

Stale stopowe

Wpływ pierwiastków stopowych na własności stali narzędziowej: (Bardzo zgrubnie)

Węgiel: Podniesienie zawartości węgla zwiększa nieznacznie twardość i znacznie odporność na ścieranie. Dramatyczny wzrost twardości & wytrzymałości przy obróbce cieplnej.
Mangan: Małe ilości Manganense zmniejszają kruchość i poprawiają kowalność. Większe ilości manganu poprawiają hartowność, pozwalają na hartowanie w oleju (mniej surowe hartowanie wymagane – co zmniejsza deformację hartowania).
Krzem: Poprawia wytrzymałość, ciągliwość i odporność na wstrząsy.
Wolfram: Poprawia „twardość na gorąco” – stosowany w szybkotnącej stali narzędziowej. Bardzo gęsty (ciężki)
Wanad: Uszlachetnia strukturę węglików i poprawia kowalność, poprawia również twardość i odporność na zużycie.
Molibden: Poprawia hartowanie głębokie, ciągliwość, a w większych ilościach „twardość na gorąco”. Używany w stali narzędziowej o wysokiej prędkości, ponieważ jest tańszy niż wolfram.
Chrom: Poprawia hartowność, odporność na ścieranie i ciągliwość.
Nikiel: Poprawia ciągliwość i odporność na zużycie w mniejszym stopniu.

Włączenie tych elementów w różnych kombinacjach może działać synergicznie, zwiększając efekty stosowania ich samodzielnie. (Na przykład, cetain elementy stopowe mogą pozwolić na więcej węgla, gdzie tak dużo węgla byłoby niewykonalne w zwykłej stali węglowej). Innym przykładem jest ciekawy sposób, w jaki stal nierdzewna (chrom i nikiel dodane do żelaza) jest dość odporna na korozję.

Kody identyfikacyjne stali

System kodowania AISI-SAE (American Iraon and Steel Institute – Society of Automotive Engineers). Kod 4-cyfrowy, pierwsze 2 cyfry oznaczają ogólny typ stali, a ostatnie 2 cyfry to % węgla x 100. Na przykład, 1010 to zwykła stal węglowa o zawartości 0,10% C, 5120 to stal chromowa o zawartości 0,20% C. Więcej szczegółów tutaj

Kody stali amerykańskiej: Z Higgins: Materials for Engineers aand Technicians 5th Ed. 2010. p21

BSA (British Standards Association) używa 6 cyfrowego kodu. Cyfry są podzielone na 3 grupy, jak pokazano poniżej. Na przykład, stal o kodzie 070M20 to 070 = stal węglowa lub węglowo-manganowa, M = specyfikacja właściwości mechanicznych, 20 = zawartość węgla 0,20%.

Kody stali brytyjskiej: Z Higgins: Materials for Engineers aand Technicians 5th Ed. 2010. p20

Numer UNS (skrót od „Unified Numbering System for Metals and Alloys”) to schemat systematyczny, w którym każdy metal jest oznaczony literą, po której następuje pięć cyfr. Jest to system oparty na składzie materiałów handlowych i nie gwarantuje żadnych specyfikacji wydajności lub dokładnego składu z limitami zanieczyszczeń. Inne systemy nomenklatury zostały włączone do systemu numeracji UNS, aby zminimalizować zamieszanie. Na przykład, aluminium 6061 (AA6061) staje się UNS A96061. Poniżej znajduje się przegląd systemu UNS, ze szczególnym uwzględnieniem popularnych stopów komercyjnych. Jak w przypadku każdego systemu, istnieją niejednoznaczności, takie jak rozróżnienie między nadstopem na bazie niklu a stalą nierdzewną o wysokiej zawartości niklu.

-Axxxxx – Stopy aluminium

-Cxxxxx – Stopy miedzi, w tym mosiądz i brąz

-Fxxxxx – Żelazo, w tym żeliwo sferoidalne i odlewane

-Gxxxxx – Stale węglowe i stopowe

-Hxxxxx – Stale – AISI H

-Jxxxxx – Stale – odlewane

-Kxxxxx – Stale, w tym maraging, stal nierdzewna, HSLA, nadstopy na bazie żelaza

-L5xxxxxx – Stopy ołowiu, w tym stopy Babbitta i stopy lutownicze

-M1xxxx – stopy magnezu

-Nxxxxx – stopy niklu

-Rxxxxx – stopy ogniotrwałe ◦R03xxx- stopy molibdenu ◦R04xxx- Niob (Columbium) Stopy niobu (columbium) ◦R05xxx- Stopy tantalu ◦R3xxxx- Stopy kobaltu ◦R5xxxx- Stopy tytanu ◦R6xxxx- Stopy cyrkonu

-Sxxxxx – Stale nierdzewne,

-Txxxxx – Stale narzędziowe

-Zxxxxx – Stopy cynku

Stale narzędziowe

Stale narzędziowe są objęte australijską normą AS1239 i jest praktycznie taka sama jak amerykańska klasyfikacja stali narzędziowych AISI. (Podobnie jak w przypadku normy brytyjskiej 4659)

Na przykład: AS 1239 gatunek H13 stali narzędziowej do pracy na gorąco zawierający 0,35% węgla, 5,0% chromu, 1,5% molibdenu i 1% wanadu byłby zapisany jako X40CrMoV51 w DIN (niemiecki). Stale szybkotnące, na przykład: AS 1239 grade M2 Zawierająca 0,85% węgla, 4,0% chromu, 5,0% molibdenu, 6,0% wolframu, 2,0% wanadu byłaby zapisana jako S 6-5-2 w DIN.

Steels Selector

Large Size (400kB): steel_types_large.jpg
Printable Size (1.7MB): steel_types_fullsize.jpg

Wspólne gatunki stali w Australii (Edcon)

Żelazo

Gdy do stali dodaje się zbyt dużo węgla, węgiel nie może rozpuścić się w roztworze i tworzy zupełnie inną strukturę. Z diagramu Fe-C, który widzieliśmy wcześniej, wynika, że żeliwo tworzy się w zakresie od 2% do 7% węgla (wagowo).

Istnieje wiele rodzajów żeliwa, ale żeliwo szare jest najbardziej znane, często używane do podstaw obrabiarek. Jest ono użyteczne i popularne z kilku powodów.

Po pierwsze, temperatura topnienia jest niższa, co czyni go łatwiejszym do odlewania. Dzieje się tak dlatego, że eutektyka jest na poziomie 4,3% C, co daje temperaturę topnienia tylko 1147oC. Ta eutektyka wytwarza nowe ziarno zwane ledeburytem, które jest mieszaniną austenitu i cementytu. (Pamiętacie perlit? Był on eutektoidem i składał się z warstw ferrytu i cementytu). Ale ponieważ eutektoid to niski punkt w przejściu ciecz-ciało stałe, jest to punkt topnienia.

Po drugie, żeliwo szare jest świetne na podstawy maszyn. Normalnie, tak dużo węgla byłoby koszmarem kruchości z powodu ekstremalnego martenzytu i cementytu. Ale okazuje się, że przy odpowiednim chłodzeniu, nadmiar węgla tworzy płatki grafitu. Jest to coś zupełnie innego niż wszystkie te ziarna Fe-C, o których mówiliśmy – jak ferryt, cementyt, perlit i ledeburyt. Zamiast tego, grafit jest jak inkluzja w metalu, i to on nadaje żeliwu szaremu właściwości tłumiące odpowiednie dla podstaw maszyn. Jest to jednak materiał o niskiej wytrzymałości na rozciąganie, więc żeliwo szare stosuje się zazwyczaj w przypadku ściskania. GCI jest podatny na twardnienie z powodu nadmiaru ciepła, więc nie jest łatwy do spawania. Częściej jest lutowany, ale nawet to jest trochę podejrzane w porównaniu do łączenia stali.

Mikrograf fotograficzny żeliwa szarego pokazujący płatki grafitu w matrycy ferrytowej. Źródło

Właściwości porównawcze żeliw (Wikipedia)
Nazwa	Skład nominalny	Forma i stan	Plastyczność	Wytrzymałość na rozciąganie	Wydłużenie	Twardość	Użycia
Żeliwo szare (ASTM A48)	C 3.4, Si 1.8, Mn 0.5	Odlew	–	50	0,5	260	Bloki cylindrowe silników, koła zamachowe, koła zębate, podstawy obrabiarek
Żeliwo białe	C 3.4, Si 0.7, Mn 0.6	Odlewane (jako odlew)	–	25	0	450	Powierzchnie nośne
Żeliwo ciągliwe (ASTM A47)	C 2.5, Si 1.0, Mn 0.55	Odlewane (wyżarzane)	33	52	12	130	Łożyska osiowe, koła gąsienicowe, samochodowe wały korbowe
Żelazo sferoidalne lub sferoidalne	C 3.4, P 0.1, Mn 0.4, Ni 1.0, Mg 0.06	Odlew	53	70	18	170	Przekładnie, wałki rozrządu, wały korbowe
Żelazo twarde typu 2	C 2.7, Si 0.6, Mn 0.5, Ni 4.5, Cr 2.0	Odlew piaskowy	–	55	–	550	Zastosowania o wysokiej wytrzymałości

Słownik

Stop: Substancja metaliczna, która składa się z dwóch lub więcej pierwiastków.
Austenit: Face-centered cubic żelaza lub stopu żelaza oparte na tej strukturze.
Bainit: Produkt końcowej przemiany rozkładu austenitu.
Body-centered: Struktura, w której każdy atom jest otoczony przez osiem sąsiednich atomów, czy atom znajduje się w rogu lub w centrum komórki jednostkowej.
Cementyt: Druga faza utworzona, gdy węgiel przekracza granicę rozpuszczalności.
Punkt krytyczny: Punkt, w którym gęstości cieczy i pary stają się równe, a interfejs między nimi zanika. Powyżej tego punktu może istnieć tylko jedna faza.
Delta żelaza: Body-centered cubic fazy, która wynika, gdy austenit nie jest już najbardziej stabilną formą żelaza. Istnieje między 2802 i 2552 stopni F, ma strukturę siatki BCC i jest magnetyczny.
Eutektyka: System eutektyczny występuje, gdy faza ciekła przekształca się bezpośrednio w dwufazowe ciało stałe.
Eutektoida: Układ eutektoidalny występuje, gdy jednofazowe ciało stałe przekształca się bezpośrednio w dwufazowe ciało stałe.
Face-centered: Struktura, w której istnieje atom w rogu każdej komórki jednostkowej i jeden w środku każdej twarzy, ale nie ma atomu w środku sześcianu.
Ferryt: Body-centered cubic żelaza lub stopu żelaza oparte na tej strukturze.
Drobny perlit: Wyniki z cienkich lameli, gdy szybkości chłodzenia są przyspieszone i dyfuzja jest ograniczona do mniejszych odległości.
Hypereutektoid: Układy hipereutektoidalne istnieją poniżej temperatury eutektoidu.
Hypoeutectoid: Hypoeutectoid systemy istnieją powyżej temperatury eutektoidu.
Ledeburyt: Eutektyka żeliwa. Istnieje, gdy zawartość węgla jest większa niż 2 procent. Zawiera 4,3 procent węgla w połączeniu z żelazem.
Linia Liquidus: Na binarnym diagramie fazowym, że linia lub granica oddzielająca ciecz i ciecz + regionów stałych faz. Dla stopu, temperatura ciekłości jest to temperatura, w której faza stała tworzy się po raz pierwszy w warunkach równowagi chłodzenia.
Martenzyt: Niestabilna faza polimorficzna żelaza, która tworzy się w temperaturach poniżej eutektoidy, ponieważ struktura sześcienna o strukturze face-centered cubic austenitu staje się niestabilna. Zmienia się spontanicznie do struktury skoncentrowanej w ciele przez działanie ścinania, a nie dyfuzji.
Mikrostruktura: Struktura faz w materiale. Można zobaczyć tylko za pomocą optycznego lub elektronowego mircoscope.
Pearlit: Płytkowa mieszanina ferrytu i węglików powstała w wyniku rozkładu austenitu o składzie eutektoidalnym.
Faza: Jednorodna część układu, która ma jednolite właściwości fizyczne i chemiczne.
Schemat fazowy: Graficzne przedstawienie związków między ograniczeniami środowiskowymi, składem i regionami stabilności faz, zwykle w warunkach równowagi.
Polimorficzny: Zdolność materiału stałego do istnienia w więcej niż jednej formie lub struktury krystalicznej.
Studzić: Aby szybko schłodzić – zwykle, gdy zbyt szybko, aby utworzyć perlit, i tworząc Martenzyt zamiast
Solidus Line: Na diagramie fazowym, locus punktów, w których krzepnięcie jest kompletne przy równowagowym chłodzeniu, lub w których zaczyna się topnienie przy równowagowym ogrzewaniu.
Solubność: Ilość substancji, która rozpuści się w danej ilości innej substancji.

DVD:

Przypisanie:

Heat Treat

Pytania:

Przypis:

STAL

admin, Author