Pierwiastki obce w stopach żelaza
Dotychczas analizowano stopy żelaza z węglem jako stopy materiały dwuskładnikowe. Wiadomo jednak z praktyki, że oprócz żelaza i węgla zawierają one też i inne pierwiastki. Należy zatem przeanalizować wpływ różnych grup pierwiastków na strukturę i właściwości stopów żelaza z węglem. Zanieczyszczenia. Jako zanieczyszczenia rozumie się pierwiastki pochodzące z rud metali bądź wprowadzone do stopu w trakcie procesu metalurgicznego lub innych zabiegów technologicznych, oddziaływujące szkodliwie na właściwości użytkowe stopu. Główne zanieczyszczenia występujące w stopach żelaza to . głównie siarka i fosfor wystepujące w rudach żelazz i materiałach wsadowych. . tlen wprowadzany w trakcie świeżenia surówki, . wodór wprowadzony w trakcie trawienia stali w roztworach kwasów. Najważniejszym skutkiem obecności zanieczyszczeń jest pogorszenie plastyczności stali i odporności na kruche pękanie. Łączna zawartość siarki i fosforu stanowi kryterium podziału stali na stale zwykłej, wyższej i najwyższej jakości.
Jeśli stal zawiera pierwiastki wprowadzone celowo dla nadania jej określonych właściwości użytkowych i technologicznych, to stal taką nazywamy stopowa. Przyjmuje się, że jeżeli sumaryczna zawartość pierwiastków stopowych jest niższa od 5% , to stal jest stalą niskostopową, jeżeli zaś wyższa to jest to stal wysokostopowa. W praktyce, ilości pierwiastków stopowych w stalach wysokostopowych są znacznie wyższe od 5%. Specyficznym rodzajem pierwiastków stopowych są tzw. mikrododatki, wprowadzane w ilościach rzędu 0,001 do 0,1 %.
Główne klasy stali niskostopowych to
• stale do ulepszania cieplnego,
• stale do nawęglania,
• stale do azotowania,
• stale o podwyższonej wytrzymałości na konstrukcje spawane,
• stale o określonym przeznaczeniu (sprężynowe, na łożyska toczne, itd.), • stale do pracy w niskich temperaturach.
W stalach niskostopowych do ulepszania cieplnego działanie pierwiastków stopowych ujawnia się podczas obróbki cieplnej, głównie przez ich wpływ na krytyczną prędkość chłodzenia stali. W konstrukcyjnych stalach niskostopowych. zmniejszenie krytycznej prędkości chłodzenia pozwala na uzyskanie znacznie większej głębokości hartowania niż w stalach węglowych, przy stosowaniu znacznie łagodniejszych ośrodków chłodzących niż woda. Stosowanie tych stali bez wykonania ulepszania cieplnego jest niecelowe. Dobór stali o określonym zestawie pierwiastków stopowych uzależniony jest głownie od rozmiarów wytwarzanego elementu. Typowe pierwiastki w tych stalach to Mn, Cr, Si, Ni, Mo i V. Istotną cechą stali tej kategorii jest jej hartowność tj. głębokość na jakiej po hartowaniu w standardowych warunkach uzyskuje się min. 50% martenzytu. Typową metodą określania
tej cechy jest próba hartowania od czoła tzw. próba Jominy.
Stale o podwyższonej wytrzymałości są podstawowym rodzajem stali stosowanym w budowie okrętów. Z reguły są to stale niskowęglowe o podwyższonej zawartości manganu. W nowoczesnych stalach tej klasy obserwuje się tendencję do obniżania zawartości węgla i pierwiastków stopowych. Pozwala to zwiększyć dopuszczalną prędkość ich spawania.
Wysokie właściwości mechaniczne uzyskuje się w wyniku odpowiedniej obróbki cieplno plastycznej, zapewniającej bardzo silne rozdrobnienie ziarna.
Stale na łożyska toczne są to z reguły stale wysokowęglowe o podwyższonej (ok. 1,5%) zawartości chromu. ich twardość po hartowaniu powinna być wyższa od 750 HV.
Stale do pracy w niskich temperaturach cechują się podwyższoną zawartością niklu lub manganu, przy czym ich skład zależy od zakresu temperatur roboczych.
Układy równowagi stali niskostopowych zbliżone są do poznanego już układu żelazo cementyt, zaś struktury nie różnią się istotnie od struktur stali węglowych o zbliżonych
zawartościach węgla.
Stale wysokostopowe
Stale wysokostopowe są z reguły stalami o specjalnych właściwościach. Zawartość
składników stopowych musi zatem zapewniać uzyskanie określonych właściwości użytkowych już w wskutek samej obecności określonych pierwiastków stopowych. Najważniejsze przykłady:
• wolfram w ilości od 7 do 20% pozwala uzyskać efekt tzw. twardości wtórnej w stalach
szybkotnących, • molibden w ilości do 9 % oddziaływuje podobnie jak wolfram,
• chrom w ilości min. 12% wywołuje skok potencjału elektrochemicznego stali i nadaje jej właściwości nierdzewne,
• nikiel w ilości min. 9% stabilizuje austenit do temperatury pokojowej, zaś w obecności 18% chromu stal uzyskuje odporność na kwasy; dalsze podwyższenie zawartości chromu i niklu umożliwia uzyskanie stali żaroodpornych i żarowytrzymałych,
• mangan w ilości ok. 12% stabilizuje austenit do temperatury pokojowej i nadaje stali
szczególnie dużą odporność na ścieranie.
Układy równowagi dla stali wysokostopowych są odmienne od układu żelazo - cementyt. Z reguły do celów technologicznych stosowane są układy trójskładnikowe żelazo - główny pierwiastek stopowy - węgiel. Struktury tych stali mogą być odmienne od struktur stali węglowych, zupełnie inne są też temperatury zabiegów obróbki cieplnej.
Celem prób technologicznych jest określenie przydatności badanych elementów do
zastosowania w określonych warunkach technicznych. Istotne różnice pomiędzy próbami
technologicznymi a badaniami właściwości mechanicznych podano w tablicy.
TECHNOLOGICZNA PRÓBA ZGINANIA
Próbkę ustawioną na dwóch podporach rozstawionych w określonej odległości zgina się za pomocą trzpienia o określonej grubości i zaokrągleniu, ustawionego w połowie odległości
między podporami.
Zależnie od rodzaju materiału i wymagań norm przedmiotowych lub warunków technicznych,
próbkę zgina się do:
a)określonego kąta zgięcia mniejszego niż 180°
b)równoległości ramion, przy czym odległość zgiętych ramion określa grubość wkładki
Próbę przeprowadza się za pomocą prasy lub maszyny wytrzymałościowej przy zastosowaniu podpór nastawnych, trzpienia i wkładek. Podpory nastawne powinny być wyposażone w obracające się wałki. Grubość i promień zaokrąglenia trzpieni naciskających i grubość wkładek zależą od grubości i gatunku badanego materiału i określone są w normach przedmiotowych lub warunkach technicznych dla danego wyrobu. Szerokość trzpieni i wkładek oraz długość wałków w podporach powinna być co najmniej o 10 mm większa od szerokości próbki. W przypadku braku odpowiednich urządzeń do przeprowadzenia próby zginania, dopuszcza się po uzgodnieniu dostawcy z zamawiającym przeprowadzenie próby zginania za pomocą młota mechanicznego lub ręcznego.
WYKONANIE PRÓBY
Sposoby przeprowadzenia próby.
Temperatura przeprowadzenia próby - próbę zginania przeprowadza się w temperaturze pokojowej lub podwyższonej zgodnie z wymaganiami norm przedmiotowych. Przy próbie zginania w temperaturze podwyższonej ogrzewa się próbkę do temperatury nieco wyższej od górnego zakresu określonej temperatury. Stopień przekroczenia tej temperatury przy podgrzewaniu powinien zabezpieczać przeprowadzenie próby w określonym zakresie temperatur.Zakres temperatur przeprowadzania próby określają dla poszczególnych wyrobów normy
przedmiotowe, w przypadku braku ich - warunki techniczne uzgodnione przy zamówieniu.
Stan obróbki cieplnej próbki określają normy rzedmiotowe, w przypadku braku ich - warunki techniczne uzgodnione przy zamówieniu.
W przypadku gdy stan próbki nie jest określony normami i nie jest uzgodniony przy zamówieniu, próbę zginania przeprowadza się na próbkach pobranych z materiału w stanie dostarczonym.
Zginanie o określony kąt. Próbkę należy ułożyć na podporach rozstawionych w odległości równej grubości trzpienia powiększonej o 3 grubości rzeczywistej próbki
(d + 3 gp) i zginać naciskając trzpieniem ustawionym w połowie odległości między podporami. Zginanie należy przerwać po osiągnięciu przepisanego kąta lub w chwili ukazania się pierwszego pęknięcia.
Zginanie do równoległości ramion. Próbkę zgiętą wstępnie położyć jednym ramieniem na stole prasy, umieścić wkładkę i nacisnąć górne ramię do położenia wskazanego na rys. Próbę należy przerwać, jeżeli przed osiągnięciem równoległości ramion ukaże się na próbce pęknięcie.
Zginanie na styku ramion. Próbkę zgiętą wstępnie wg położyć jednym ramieniem na stole prasy, następnie nacisnąć górne ramię do położenia wskazanego na rys. 2. Zginanie należy przerwać, jeżeli przed zetknięciem się ramion ukaże się na próbce pęknięcie. Nie określa się kształtu naturalnej pętli tworzącej się po wewnętrznej stronie próbki
w miejscu zgięcia.
Ocena wyników próby. Wynik próby należy uważać za dodatni, jeżeli przy zgięciu
jednym z wyżej podanych sposobów próbka nie ulegnie złamaniu i nie wykaże na
zewnętrznej zgiętej powierzchni naderwań, rozwarstwień lub pęknięć.
Zapisywanie wyników. Po wykonaniu próby należy zanotować kąt zgięcia, grubość wkładki lub trzpienia i określić wygląd powierzchni zgięcia. Jeżeli próbka wykazała pęknięcie, określić kąt, przy którym powstało pęknięcie.
TECHNICZNA PRÓBA TŁOCZNOŚCI METODĄ ERICHSENA
Próba tłoczności metodą Erichsena określana jest Polską Normą PN-68/H-04400. Stosowana jest ona do określania tłoczności cienkich blach, taśm, pasów i bednarki o grubości od 0,1 do 2 mm i szerokości powyżej 13 mm. Próbie można poddawać wyroby ze stali oraz metali nieżelaznych i ich stopów.
Dopuszcza się stosowanie próby Erichsena przy grubościach od 2 do 4,75 mm, jeżeli dostawca wyrazi na to zgodę a wymagania co do tłoczności zostaną uzgodnione między nim a zamawiającym.
Próba polega na powolnym wtłaczaniu kulki lub kulisto zakończonego stempla w próbkę dociśniętą do matrycy za pmocą dociskacza, aż do chwili powstania pęknięcia w próbce, oraz na pomiarze głębokości wytłoczonego wgłębienia. Głębokość wytłoczenia określa się symbolem IE z indeksem oznaczającym średnicę stempla lub kulki.
Przyrząd do pomiaru tłoczności
Schemat przyrządu do próby Erichsena pokazany jest na rys.l. Głównymi jego elementami są tłocznik 1, matryca 2 oraz dociskacz.
Oś stempla powinna pokrywać się z osią matrycy i dociskacza. Stempel w czasie próby nie
może się obracać.
Twardość powierzchni roboczej stempla, matrycy i dociskacza powinna wynosić powyżej 62 HRC. Powierzchnie te powinny być szlifowane i polerowane.
W położeniu zerowym stempla, po zaciśnięciu próbki między dociskaczem a matrycą, zakończenie stempla powinno leżeć w płaszczyźnie czołowej powierzchni dociskacza.
Do próby tłoczności metodą Erichsena stosuje się próbki prostokątne, kwadratowe lub
okrągłe o szerokości lub średnicach i grubości podanych w tablicy 1. Długość próbki
prostokątnej powinna zapewnić możliwość wykonania co najmniej trzech wgłębień, przy
czym odległość między środkami sąsiednich wgłębień wykonanych stemplem lub kulką o średnicy 3, 8 lub 15 mm powinna wynosić co najmniej 55 mm, zaś przy stemplu lub kulce o średnicy 20 mm - co najmniej 90 mm. Na próbkach okrągłych lub kwadratowych można wykonać tylko jedno wgłębienie. Środki wgłębień powinny znajdować się w środku szerokości próbki.
Niedopuszczalne jest prostowanie próbek na zimno lub gorąco. Brzegi próbek nie powinny mieć gratu lub zadziorów. Próbki należy pobierać w sposób nie powodujący zgniotu lub zmian strukturalnych. Liczby próbek podają normy przedmiotowe lub uzgodnione warunki zamówienia.
Sposób przeprowadzania próby
Próbę tłoczności należy przeprowadzić w temperaturze otoczenia, jednakże nie niższej niż 10° C. Przed rzystąpieniem do próby należy:
- dokonać oględzin powierzchni próbki,
- zmierzyć grubość próbki co najmniej w trzech miejscach z dokładnością do 0,01 mm i obliczyć średnią arytmetyczną.
W trakcie przeprowadzania próby należy kolejno wykonać następujące czynności:
- natłuścić obie strony próbki i części robocze tłocznika oraz matrycy i dociskacza smarem z dodatkiem grafitu (przed każdą prób;
- założyć próbkę do urządzenia (wprowadzić badaną blachę między matrycę 3 (rys.2) i tuleję dociskową 4); - docisnąć próbkę dociskaczem do matrycy za pomocą obrotu koła (B) w prawą stronę. Nacisk dociskacza powinien wynosić około 1000 kG, w przypadku przyrządów nie posiadających siłomierza do pomiaru docisku, docisk próbki należy spowodować silnym dokręceniem koła bez poluzowania; - ustalić początkowe (zerowe) położenie tłocznika, w tym celu należy wyciągnąć przesuwaną skalę 6 na zewnątrz do oporu oraz nastawić skalę 7 pokrętła na zero; - włączyć sprzęgło 9 przez wciśnięcie pierścienia ze sprężyną; - wtłaczać tłocznik 5 w próbkę, obracając pokrętłem 8 w prawą stronę. Czynność tę należy przeprowadzać bez wstrząsów i uderzeń z prędkością 5-20 mm/min, przy czym przy końcu próby zaleca się zmniejszenie prędkości wtłaczania w celu dokładniejszego określania momentu powstawania pęknięcia. Z chwilą powstania pęknięcia zatrzymać ruch tłocznika, jako pęknięcie traktuje się szczelinę przechodzącą przez całą grubość próbki, rozwartą do tego stopnia, że światło przechodzi co najmniej na części jej długości; - zmierzyć głębokość wytłoczenia (wgłębienia) z dokładnością do 0,05 mm. W tym celu należy przeprowadzić odczyt na skali 6 oraz skali 7 pokrętła; - za pomocą obrotu koła 8 w lewą stronę tłocznika do położenia zerowego, a następnie przez dalszy obrót tego koła odsunąć dociskacz od matrycy, tak aby można było wyjąć badaną próbkę.
Ocena wyników próby i ocena materiału
Miarą tłoczności jest głębokość wytłoczenia w badanej próbce blachy, odczytana na skalach przyrządu, wyrażona w milimetrach i zaokrąglona do 0,1 mm. Głębokość ta odpowiada drodze przebytej przez tłocznik od położenia zerowego, aż do położenia w chwili wystąpienia pęknięcia. Wynik próby tłoczności metodą Erichsena stanowi średnia arytmetyczna wyników pomiarów głębokości trzech wytłoczeń. Tłoczność badaną metodą Erichsena należy oznaczyć symbolem IE z indeksem oznaczającym średnicę tłocznika, np. IE3, IEg, IEIS lub IE20. Na podstawie wyglądu wytłoczonej wypukłości można wnioskować o wielkości ziarna badanego materiału. Gładka powierzchnia wypukłości charakteryzuje materiał
' drobnoziarnisty, chropowata lub groszkowata - materiał gruboziarnisty. Ponadto z charakteru pęknięcia można wnioskować o jednorodności materiału. Ogólna ocena materiału przeprowadzana jest zwykle na podstawie wymagań norm szczegółowych, warunków odbiorczych albo umowy. Na rys.3 podano w postaci wykresu zestawienie wyników próby tłoczności dla różnych rodzajów materiałów i różnych ich grubości.
marcin0732