BADANIA MIKROSKOPOWE STALI WĘGLOWYCH W STANIE WYŻARZONYM

1. Wiadomości podstawowe

Celem ćwiczenia jest poznanie struktury stali węglowych w stanie wyżarzonym. Po wyżarzeniu stale mają strukturę, zbliżoną do struktur stanu równowagi  określonego  na  wykresie Fe-Fe3C.

 

Stale węglowe

Stopy żelaza zawierające do 2% węgla nazwano stalami węglowymi. Oprócz żelaza oraz węgla, zawierają one  inne pierwiastki, jak: Mn (do 0,7%), Si (do 0,4%), P (do 0,05%), S (do 0.05%). Za szkodliwe domieszki stali uważa się, fosfor, powodujący tzw. kruchość na zimno oraz siarkę, powodującą kruchość na gorąco. Korzystnymi składnikami są natomiast mangan i krzem dodawane do wszystkich stali w celu ich odtlenienia. Węgiel wpływa bardzo silnie na własności stali nawet przy nieznacznej zmianie jego zawartości. Na rysunku  l  przedstawiono  zależność jaka występuje pomiędzy własności mechanicznymi stali a zawartością węgla.

 

 Rys.l. Wpływ węgla na własności mechaniczne stali.

Stale węglowe dzieli się, na: stale niskowęglowe o zawartości węgla do 0,25%. średniowęglowe o zawartości węgla powyżej 0,25% do 0,6% i wysokowęglowe o zawartości powyżej 0,6%.

Ze wzglądu na strukturę stale węglowe można podzielić na trzy grupy:

1) stale podeutektoidalne zawierające do 0,80% C, zbudowane z ferrytu i perlitu,

2) stale eutektoidalne zawierające 0,80% C. posiadające strukturę, perlityczną,

3) stale nadeutektoidalne o zawartości 0,8 - 2% C, zbudowane z perlitu i cementytu wtórnego.

 

Przy bardzo niskiej zawartości węgla stal ma strukturą ferrytyczną. W miarę, zwiększania zawartości węgla udział perlitu w strukturze zaczyna wzrastać. Przy około 0.4% C zawartość perlitu i ferrytu w strukturze stali są w przybliżeniu  równe. W stalach powyżej 0.6 - 0,7% C ferryt występuje w postaci siatki na granicach ziaren perlitu. W miarę zbliżania się, do składu eutektoidalnego, ferryt zanika i przy zawartości 0,8% C w stal wykazuje strukturą czysto perlityczną. Przy dalszym zwiększaniu zawartości węgla pojawia się na granicach ziaren perlitu cementyt wtórny w postaci siatki, która pogrubia się w miarą wzrostu zawartości węgla do 2.0%.

Z ilości perlitu i ferrytu w strukturze stali podeutektoidalnych w stanie wolno chłodzonym można w przybliżeniu określić zawartość węgla w stali. Biorąc pod uwagę, że przy zawartości 0.8% stal posiada strukturą czysto perlityczną, a przy 0% węgla czysto ferrytyczną, oceniając pod mikroskopem procentowy udział perlitu w strukturze stali, można obliczyć zawartość węgla w stali ze wzoru:

 

X=(P/100)*0,8

gdzie:  X - zawartość węgla w % ,

P - % udział powierzchni zajętej przez perlit.

 

Również w stalach nadeutektoidalnych z ilościowego udziału cementytu wtórnego w strukturze można określić zawartość węgla w stali, jednak ocena ta jest mniej dokładna i w praktyce rzadko stosowana.

 Ze względu na zastosowanie, czystość i niektóre własności klasyfikacja stali węglowych przedstawia się następująco:

1) Stale węglowe konstrukcyjne:

a) zwykłej jakości,

b) wyższej jakości.

 

2) Stale węglowe narzędziowe:

a) płytko hartujące się.

b) głęboko hartujące się.

 

3) Stale węglowe o szczególnych własnościach:

a) magnetycznie miękkie.

b) łatwo obrabialne mechanicznie (automatowe).

 

Znaczący wpływ na własności mechaniczne stali wywiera wielkość ziarna. Na rysunku 2 przedstawiono schemat rozrostu ziarna podczas nagrzewania stali dziedzicznie gruboziarnistej i dziedzicznie drobnoziarnistej, natomiast na rysunku 3 przedstawiono zmiany strukturalne zachodzące w stali podczas nagrzewania i chłodzenia.

       

 

Rys.2. Schemat rozrostu ziarna

a -  w stali gruboziarnistej,

b - w stali drobnoziarnistej.

Rys.3.Schemat zmian strukturalnych w stali o zawartości 0,35%C

a -  przy nagrzewaniu,

b -  przy ochładzaniu.

 

Wielkość ziarna stali określa liczba  N, którą można wyznaczyć ze zdjęcia mikrostruktury. Pomiędzy liczbą ziaren n występujących na powierzchni 1 cala kw. zdjęcia, powiększeniem liniowym P zdjęcia a wielkością ziarna N występuje zależność:   

 n = [100 / P]2 x 2 N-1

Stale przegrzane i odlewy staliwne często wykazują tzw. strukturą Widmannstattena. Tworzy się ona wówczas, gdy stal z rozrośniętym ziarnem austenitu zostaje dość szybko chłodzona. Przypadek taki często występuje w odlewach staliwnych a czasami także w połączeniach spawanych. Ze wzglądu na postać i gruboziarnistość ferrytu, stale i staliwa o strukturze Widmannstattena wykazują obniżone cechy plastyczne i niską udarność. Uzyskanie właściwej plastyczności i udarności wyrobów ze strukturą gruboziarnistą lub Widmannstattena wymaga przeprowadzenia odpowiedniej obróbki cieplnej – wyżarzania.

Rodzaje wyżarzania

Wyżarzanie jest to obróbka cieplna polegająca na nagrzaniu stali do określonej temperatury, wygrzaniu w tej temperaturze (rys. 4) w odpowiednim czasie a następnie powolnym chłodzeniu. Głównym celem wyżarzania jest poprawa struktury stali i zredukowanie naprężeń własnych. W zależności od temperatury grzania i szybkości chłodzenia rozróżnia się następujące rodzaje wyżarzania:

1.      Wyżarzanie normalizujące
polega na nagrzaniu stali podeutektoidalnej temp. 30 – 50 OC powyżej przemiany AC3 a stali nadeutektoidalnej 30 – 50 OC powyżej temp. przemiany  Acm , wygrzaniu w tej temperaturze w czasie gwarantującym uzyskanie struktury austenitycznej a następnie chłodzeniu w spokojnym powietrzu.

2.      Wyżarzanie zupełne
grzanie odbywa przeprowadza się analogicznie jak w przypadku wyżarzania normalizującego, natomiast stosuje się wolniejsze chłodzenie – wraz z piecem. Drugą odmianą wyżarzania zupełnego jest wyżarzanie z wychładzaniem izotermicznym w temp. zapewniającej uzyskanie struktury równowagowej w możliwie najkrótszym czasie (rys.5). Wyżarzanie zupełne stosuje się zamiast wyżarzania normalizującego dla stali o podwyższonej hartowności, gdy zachodzi obawa podhartowania stali podczas chłodzenia w powietrzu.

3.      Wyżarzanie niezupełne
stosuje się najczęściej dla stali nadeutektoidalnych. Polega ono na grzaniu do temp. 30 – 50 OC powyżej temp. przemiany AC1, wygrzaniu w tej temp. i następnie powolnym chłodzeniu wraz z piecem.

 

Nagrzanie stali podeutektoidalnej powyżej temp. przemiany AC3 lub stali nadeutektoidalnej powyżej Acm  zapewnia całkowite ich przekrystalizowanie, powolne zaś chłodzenie powoduje przemianę austenitu w strukturę perlityczną.

Celem każdego z wymienionych wyżarzań jest uzyskanie jednorodnej i rozdrobnionej struktury równowagowej w całym przekroju wyrobu oraz zredukowanie naprężeń własnych.
Jako pierwszy zabieg obróbki cieplnej stosuje się zazwyczaj wyżarzanie, którego celem jest usuniecie pewnych wad powstałych w stali podczas poprzedniej przeróbki na gorąco (odlewania, kucia, spawania itp.), bądź przygotowanie struktury do następnych operacji technologicznych (np. do obróbki skrawaniem lub do hartowania). Dość czysto jednak wyżarzanie, zwłaszcza normalizowanie, jest obróbką cieplną ostateczną.

                     


Rys.4. (z lewej) Stosowane  temperatury grzania podczas różnego  rodzaju wyżarzań

Rys.5. (z prawej) Przebieg chłodzenia stali podczas wyżarzania zupełnego z przemianą izotermiczną

 

Jeśli struktura stali jest odpowiednia, a w związku z tym przekrystalizowanie w ogóle nie jest konieczne, trzeba zaś tylko usunąć lub zmniejszyć naprężenia własne, to wyżarzanie przeprowadza się przy niższych temperaturach, poniżej temp. przemiany AC1. Jest to tzw. wyżarzanie odprężające.

Stal laną cechuje zazwyczaj niejednorodność składu chemicznego, ponieważ występuje w niej segregacja dendrytyczna i strefowa. Usuwa się ją lub zmniejsza poprzez zabieg cieplny zwany wyżarzaniem ujednoradniającym (homogenizacją). Polega on na nagrzaniu stali bądź staliwa do wysokiej temperatury, ok. 1100°C, i długotrwałym wygrzewaniu umożliwiającym w wyniku dyfuzji ujednorodnienie obszarów poszczególnych ziaren. Towarzyszący wygrzaniu w wysokiej temp. rozrost ziaren wymaga zastosowania  w następnej kolejności wyżarzania normalizującego lub zupełnego. Jeżeli wyżarzanie ujednorodniające zastosowano do wlewków przeznaczonych do przeróbki plastycznej (walcowanie, kucie) to nie ma potrzeby ponownie ich wyżarzać normalizująco gdyż struktura gruboziarnista zostanie rozdrobniona w wyniku  odkształcenia plastycznego. Wyżarzanie ujednorodniające ze wzglądu na wysokie temperatury oraz straty materiału w wyniku procesów utlenienia i odwęglenia, jest zabiegiem bardzo kosztownym.

Gdy wyżarzanie niezupełne stosuje się do stali nadeutektoidalnych, wówczas jego zadaniem jest zmiękczenie stali, tj. otrzymanie struktury cementytu kulkowego. Takie wyżarzanie nazywa się sferoidyzowaniem. W celu otrzymania struktury z cementytem kulkowym stal nagrzewa się do temperatury nieznacznie  przekraczającej temp. przemiany Ac1. i wygrzewa się w tej temperaturze przez kilkadziesiąt godzin. Sferoidalna postać cementytu ułatwia operacje skrawania a ponadto jest właściwą strukturą wyjściową dla stali nadeutektoidalnych podlegających hartowaniu.