MIKROSKOPIA METALOGRAFICZNA

Transkrypt

1 MIKROSKOPIA METALOGRAFICZNA WYKŁAD 4 Żeliwa. Stale wysokostopowe dr inż. Michał Szociński

2 Spis zagadnień Ogólna charakterystyka żeliw o o o Żeliwo szare Żeliwo sferoidalne Żeliwo białe Grafityzacja żeliwa Ogólna charakterystyka stali wysokostopowych o o o o Stale austenityczne Stale martenzytyczne Stale ferrytyczne Stale duplex Korozja wżerowa stali wysokostopowych Korozja międzykrystaliczna stali wysokostopowych Co to jest?

3 ŻELIWA stopy żelaza zawierające generalnie powyżej 2.1 wt.%c oraz inne dodatki stopowe, np. Si, Mn, P i S charakteryzują się podwyższoną zawartością Si oraz wyższą niż stale zawartością nieczystości w praktyce wt.% C stopy o takim składzie są całkowicie ciekłe w zakresie T = C (zakres temperatur niższy niż dla stali) łatwo się topią i dlatego są odpowiednie do odlewania niektóre są bardzo kruche w stanie stałym, więc odlewanie jest jedyną skuteczną metodą ich fabrykacji cementyt (Fe 3 C) jest składnikiem metastabilnym w pewnych warunkach może dysocjować lub rozkładać się do formy ferrytu i grafitu wg reakcji: Fe 3 C 3Fe (α) + C (grafit) - reakcja grafityzacji

4 ŻELIWA tendencja do tworzenia grafitu jest regulowana składem stopu oraz szybkością chłodzenia promotorem powstawania grafitu jest Si jako składnik stopu w ilości >1% wolniejsze procesy chłodzenia podczas solidifikacji sprzyjają procesowi grafityzacji (powstawanie grafitu w strukturze) w przypadku większości żeliw węgiel występuje w postaci grafitu mikrostruktura i właściwości mechaniczne zależą od składu i obróbki cieplnej

5 ŻELIWA o 300 C niższa temperatura topnienia niż czystego żelaza

6 ŻELIWA Węgiel w żeliwach może występować jako: wolny grafit (żeliwa szare), związany cementyt (żeliwa białe), częściowo wolny częściowo związany (żeliwa połowiczne), grafit sferoidalny (żeliwa sferoidalne)

7 ŻELIWA Równoważnik zawartości węgla: pozwala rozróżnić żeliwa szare, których mikrostruktura zawiera grafit od żeliw białych węgiel głównie w postaci Fe 3 C CE wt% C Si 3 P wysokie szybkości chłodzenia i niskie wartości CE powstaje żeliwo białe niskie szybkości chłodzenia i wysokie wartości CE powstaje żeliwo szare

8

9 ŻELIWA SZARE KRZEM (Si) jest niezbędnym dodatkiem stopowym - powoduje wydzielanie węgla z roztworu w postaci grafitu zostawiając matrycę względnie czystą. Słabe wiązania między płaszczyznami grafitu prowadzą do wysokiej energii aktywacji wzrostu grafitu powstają cienkie i obłe płatki grafitu.

10 ŻELIWA SZARE Zawartość grafitu wpływa na właściwości żeliw szarych: odporność na korozję odporność na ścieranie wysoka przewodność cieplna tłumią wibracje mechaniczne (również dźwięk) podatne na obróbkę skrawaniem trudne do spawania mniejszą wytrzymałością na rozciąganie ( 250 MPa) mniejsza odporność na szoki termiczne

11 ŻELIWA SZARE Modyfikacja Żeliwo z dużymi płatkami grafitu posiada zdolność tłumienia drgań. W celu uzyskania wyższych własności wytrzymałościowych żeliwa szarego należy kierować procesem krystalizacji, czyli prowadzić proces modyfikacji. Modyfikacja polega na wprowadzeniu do ciekłego żeliwa (w kadzi) modyfikatora o odpowiedniej granulacji : żelazo krzem, wapno krzem w ilości od 0,1-0,5% masy stopu. Modyfikator powoduje wytworzenie dodatkowych zarodków krystalizacji grafitu, a wiec rozdrobnienie płatków a tym samym wzrost wytrzymałości. Kierowana krystalizacja grafitu powoduje też powstawanie perlitycznej osnowy żeliwa, co przede wszystkim podnosi wytrzymałość na rozciąganie. Żeliwa modyfikowane posiadają wytrzymałość > 300 MPa.

12 ŻELIWA SZARE

13 ŻELIWA SZARE

14 ŻELIWA SFEROIDALNE Proces technologiczny polega na wprowadzeniu do ciekłego żeliwa niewielkiej ilości Mg lub stopu Mg z Ni, Mg z Cu, a następnie wprowadzeniu żelazo krzemu. Mg powoduje oczyszczenie ciekłego żeliwa i zmianę jego napięcia powierzchniowego, a żelazo krzem wytworzenie zarodków krystalizacji grafitu. Struktura osnowy metalowej żeliwa sferoidalnego po odlaniu może być ferrytyczna, ferrytyczno perlityczna, perlityczna. Żeliwo sferoidalne wykazuje wyższe właściwości wytrzymałościowe od żeliw szarych z grafitem płatkowym, ale mniejszą zdolność do tłumienia drgań.

15 ŻELIWA SFEROIDALNE

16 ŻELIWA SFEROIDALNE

17

18 ŻELIWA BIAŁE Węgiel wydziela się w postaci metastabilnej fazy Fe 3 C niższa zawartość Si oraz większe szybkości chłodzenia. Generalnie matryca (osnowa) perlit. Zawartość Fe 3 C wpływa na właściwości żeliw białych: twarde kruche wysoka wytrzymałość na ściskanie doskonała odporność na ścieranie

19 ŻELIWA BIAŁE

20 GRAFITYZACJA ŻELIWA GRAFITYZACJA

21 STALE WYSOKOSTOPOWE Stale wysokostopowe stale, w których stężenie jednego pierwiastka >8%, a suma pierwiastków łącznie 55%; stopy żelaza zawierające min. 12% Cr: PN EN , za stale odporne na korozję uważa się stale zawierające, co najmniej 10,5% Cr i max. 1,2% C, jeżeli ich najważniejszą właściwością jest odporność na korozję powoduje zmianę potencjału elektrochemicznego stali z - 0,600 V na - 0,100 V (wzgl. NEK), w atmosferach zawierających tlen powstaje warstwa pasywna tlenku chromu (III) Cr 2 O 3 o grubości 1-2 nm Nazwa wynika z faktu, że w znacznie mniejszym stopniu od stali węglowych ulegają procesom korozyjnym. Materiały te wykazują wysoką odpornośd na utlenianie oraz korozję elektrochemiczną w pewnych środowiskach. stainless steels ( stain zabarwienie, less mniej) KONIECZNY DODATEK: Mo, Ni i N oraz zawartośd Cr>12%!!!! odpornośd w środowiskach HCl lub H 2 SO 4

22 Warstwa Cr 2 O 3 : niewidoczna gołym okiem metal pozostaje błyszczący posiada właściwości ochronne (barierowe) w wodzie i powietrzu- Cr pozostaje rozpuszczony w stali!!! posiada zdolność do repasywacji (odbudowy)

23 STALE WYSOKOSTOPOWE Rodzaje stali wysokostopowych: austenityczne (Ni, Mn, N, C) ferrytyczne (Cr, Mo, W, Ti, Nb, Cu) martenzytyczne duplex (ferrytyczno-austenityczne)

24 STALE AUSTENITYCZNE zawierają więcej Ni niż stale duplex większa odporność korozyjna dodatek Mo w przypadku stali typu 316 zwiększona odporność na korozję wżerową i ogólną w wyjątkowo agresywnych środowiskach stosowana stal 254SMO/654SMO TYP AISI C max. Mn max. Si max. Cr Ni Mo Ti Nb Al x %C min SMO ~1.9 ~0.18 ~0.25

25 STALE AUSTENITYCZNE kryształy bliźniacze

26 STALE MARTENZYTYCZNE typowy skład: %Cr oraz 0,1 1,2 %C pozwala na przemianę austenitu w martenzyt typowa obróbka cieplna: austenityzacja w odpowiednio wysokiej temperaturze (rozpuszczenie węglików) + chłodzenie z dużą szybkością do uzyskania struktury martenzytu AISI American Iron & Steel Institute TYP AISI C Mn Si Cr Ni Mo P S Zastosowanie Sztućce, wyroby nożownicze Łopatki turbin parowych i gazowych Koła zębate, śruby Sprzęt dentystyczny, chirurgiczny Odporność korozyjna, wysoka wytrzymałość

27 STALE MARTENZYTYCZNE MARTENZYT zawiera tyle samo C co austenit, z którego powstał, czyli znacznie więcej niż może rozpuścid ferryt (max. 0,022%C) przesycony roztwór stały C w ferrycie. Temperatura początku i kooca przemiany martenzytycznej w dużym stopniu zależy od zawartości węgla w stopie. Atomy C rozmieszczone międzywęzłowo w środkach dłuższych krawędzi zniekształcają sied ferrytu powstają duże naprężenia i martenzyt staje się twardy i wytrzymały.

28 STALE MARTENZYTYCZNE Martenzyt ma strukturę iglastą. Ziarna obserwowane pod mikroskopem na zgładzie mają kształt igieł przecinających się pod kątem około 120. W rzeczywistości martenzyt posiada strukturę listwową lub płytkową. Martenzyt jest fazą bardzo twardą i kruchą, powstaje w czasie hartowania stali.

29 STALE MARTENZYTYCZNE HARTOWANIE składa się z dwóch bezpośrednio po sobie następujących etapów: 1. nagrzewanie do temperatury powyżej przemiany austenitycznej (zwykle 30 C do 50 C powyżej) i wygrzewanie, tak długo jak to potrzebne, by nastąpiła ona w całej objętości hartowanego obiektu; 2. szybkie schładzanie; szybkość schładzania musi być taka, by z austenitu nie zdążył wydzielić się cementyt i jego struktura została zachowana do temperatury przemiany martenzytycznej. Stal posiadająca strukturę martenzytyczną nazywana jest stalą martenzytyczną lub stalą hartowaną. Hartowanie przeprowadza się, by podnieść twardość i wytrzymałość stali.

30 STALE MARTENZYTYCZNE HARTOWANIE Przy hartowaniu niezwykle istotnym jest dobór szybkości schładzania zbyt wolne schładzanie powoduje wydzielanie się cementytu i uniemożliwia przemianę martenzytyczną, zbyt szybkie chłodzenie powoduje powstanie zbyt dużych naprężeo hartowniczych, które mogą doprowadzid do trwałych odkształceo hartowanego elementu lub jego pęknięd. Szybkośd schładzania wpływa także na głębokośd hartowania Przy elementach o większych rozmiarach tylko częśd objętości przedmiotu hartowanego zostanie zahartowana. W takiej sytuacji martenzyt powstanie w warstwach powierzchniowych. Im głębiej zaś, tym udział martenzytu maleje, a cementytu wzrasta. Bardzo często jest to zjawisko pożądane, gdy element ma byd twardy na powierzchni, a ciągliwy w swym rdzeniu.

31 STALE FERRYTYCZNE zawierają więcej Cr niż stale martenzytyczne (12-28% Cr) zawierają małe ilości węgla nie mogą byd hartowane niska wytrzymałośd, wysoka plastycznośd TYP AISI C Mn Si Cr Mo P S

32 STALE FERRYTYCZNE

33 STALE FERRYTYCZNE

34 STALE FERRYTYCZNE

35 STALE DUPLEX stale o mikrostrukturze ferrytyczno-austenitycznej skupiają najlepsze właściwości chromowej stali ferrytycznej i chromowo-niklowej stali austenitycznej wysokie właściwości mechaniczne: granica plastyczności, wytrzymałośd na rozciąganie odpornośd na korozję niższy koszt wytwarzania w porównaniu ze stalą austenityczną

36 STALE DUPLEX TYP AISI C Mn Si Cr Ni P S R m [MPa] Zbiorniki na piwo oraz rurociągi do transportu piwa Podgrzewacze wody zasilającej, absorbery gazów spalinowych aaaaaaaaaaaaaaaaaaaa Zastosowania stali duplex aaaaaaaaaa Inżynieria Chemiczna Zbiorniki do przewożenia gorących chemikaliów Przemysł gazowy i olejowy

37 STALE DUPLEX

38 KOROZJA WŻEROWA

39 KOROZJA MIĘDZYKRYSTALICZNA

40 Co to jest?

41 Co to jest? MARTEZYT

42