stal o specjalnych stal o specjalnych właściwościach fizycznych i

2012-04-18
STAL O SPECJALNYCH
WŁAŚCIWOŚCIACH
FIZYCZNYCH
I CHEMICZNYCH
Zakres tematyczny
Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka
1
Podział stali specjalnych, ze względu na warunki pracy:
-
odporne na korozję,
-
do pracy w obniżonej temperaturze,
-
do pracy w podwyższonej temperaturze,
-
żaroodporne i żarowytrzymałe,
-
zaworowe,
-
odporne na ścieranie;
-
oporowe,
-
o szczególnych właściwościach magnetycznych,
-
wysokowytrzymałe utwardzane wydzieleniowo – „maraging”.
Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka
2
1
2012-04-18
Korozja - proces niszczenia metalu na skutek oddziaływania
środowiska zewnętrznego
Typy korozji:
- korozja
k
j chemiczna
h i
– zachodząca
h d
zwykle
kl pod
d wpływem
ł
d
działania
i ł i
suchych gazów w wysokiej temperaturze;
- korozję elektrochemiczna – zachodzącą w cieczach, zwykle
roztworach wodnych, na wskutek przepływu prądu elektrycznego
z jednej części materiału do drugiej za pośrednictwem elektrolitu.
Podział ze względu na charakter zniszczenia korozyjnego:
Korozja równomierna, lokalna i wżerowa, selektywna, międzykrystaliczna,
naprężeniowa i zmęczeniowa
Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka
3
Odporność stali na korozję
Stal węglowa i niskostopowa – brak odporności na korozję
Dodatki stopowe: Cr, Ni, Mo, Cu, Al zwiększają odporność stali na korozję
wookreślonych środowiskach.
Odporność korozyjna stali wiąże się z pojęciem pasywacji –
tj. zwiększeniem odporności metalu na korozję przez
utlenienie jego powierzchni – zależy głównie od
następujących czynników:
a) składu chemicznego (Cr i Ni),
b) mikrostruktury,
c) stanu powierzchni.
Wpływ zawartości chromu na potencjał elektrochemiczny stopów
żelaza
Potencjał elektrochemiczny
Potencjał Fladego
Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka
4
2
2012-04-18
Klasyfikacja stali odpornej na korozję
1. Ze względu na rodzaj środowiska korozyjnego:
a) nierdzewne – odporne na działanie atmosfery powietrza,
wilgoci oraz słabych soli kwasów,
b) kwasoodporne – odporne na działanie stężonych kwasów i
ługów (roztwory wodorotlenku sodu lub potasu).
2. Ze względu na skład chemiczny: chromowe, chromowoniklowe, chromowo-niklowo-manganowe.
3. Ze względu na mikrostrukturę: ferrytyczne, martenzytyczne,
austenityczne.
Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka
5
Stal trudno rdzewiejąca
Nieznacznie większą odporność na korozję od stali węglowej ma stal
tzw. trudno rdzewiejąca, zawierająca 0,1%C oraz dodatki 1÷3%
pasywującego chromu i ok. 0,5% miedzi, tworzącej na powierzchni
pasywującą warstwę złożoną z siarczanów i węglanów miedzi.
Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka
6
3
2012-04-18
1. Stal odporna na korozję – chromowa (nierdzewna)
- zawartość Cr co najmniej 13% (13 i 17);
- Cr stabilizuje ferryt (przez co ogranicza występowanie austenitu - przy
stężeniu większym od 12% i zawartości węgla mniejszej niż 0,1% ferryt jest
trwałyy w całym
y zakresie, od temperatury
p
yp
pokojowej
j
j do temperatury
p
y solidusu);
)
- stal spawalna o dobrej odporności na działanie kwasów utleniających (np.
azotowego), nie jest odporna na działanie kwasów redukujących (solnego,
siarkowego);
- umacnia się tylko przez zgniot (nie podlega OC, z wyjątkiem wyżarzania
odprężającego i rekrystalizującego);
- zwiększenie
ę
zawartości węgla
ęg p
przy
y większym
ę
y stężeniu
ę
chromu powoduje
p
j
pojawienie się w układzie równowagi fazowej obszaru dwufazowego  a
nawet jednofazowego , co umożliwia hartowanie na martenzyt i następne
odpuszczanie (dodatek Ni poszerza zakres występowania austenitu
umożliwiając hartowanie tych stali na powietrzu); mniejsza odporność na
korozję od stali ferrytycznych, jednak przy wyższych właściwościach
wytrzymałościowych.
7
Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka
1. Stal odporna na korozję – Cr-Ni (kwasoodporna)
- zawiera C (mniej niż 0,1%) oraz Cr i Ni (18 i 8);
- rozpuszczalność węgla w stalach 18-8 zmniejsza się ze spadkiem
temperatury, czemu towarzyszy wydzielanie się węglików (Fe, Cr)23C6.
Jednofazową strukturę austenitu bez wydzieleń węglików uzyskuje się w
wyniku przesycania w wodzie z temp. 1100ºC.
Wpływ Cr i Ni na mikrostrukturę stali
Wpływ C na
austenitycznej
mikrostrukturę
stali
Korozja międzykrystaliczna
Schemat procesu wydzielania
węglików typu M23C6
Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka
8
4
2012-04-18
2. Stal do pracy w obniżonej temperaturze
Wpływ stężenia Mn na temperaturę przejścia stali
w stan kruchy
Wpływ OC oraz temperatury badania na udarność stali
3. Stal do pracy w podwyższonej temperaturze
Wytrzymałość na pełzanie stali
9
Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka
4. Stal żaroodporna i żarowytrzymała
Podwyższenie temperatury pracy elementów konstrukcyjnych powyżej 600ºC
wiąże się z zapewnieniem dużej żaroodporności i żarowytrzymałości
materiałów, z których są wykonane.
Żaroodporność - odporność stopu na działanie czynników chemicznych,
głównie powietrza oraz spalin i ich agresywnych składników w temperaturze
wyższej niż 600ºC.
Żaroodporność jest ściśle związana ze skłonnością stali do tworzenia
zgorzeliny, która powinna stanowić ciągłą warstwę, dokładnie przylegającą do
metalicznego rdzenia, utrudniając dyfuzję utleniacza i jonów metalu (głównym
składnikiem zgorzeliny jest tlenek żelazawy FeO).
FeO)
Żaroodporność stali zależy od składu chemicznego, a nie od mikrostruktury
(ferrytycznej lub austenitycznej).
Wpływ temperatury na szybkość utleniania żelaza
Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka
10
5
2012-04-18
4. Stal żaroodporna i żarowytrzymała
Żarowytrzymałość - odporność stopu na odkształcenie, z czym wiąże się
zdolność do wytrzymywania obciążeń mechanicznych w wysokiej
temperaturze (powyżej 600ºC).
Żarowytrzymałość zależy głównie od odporności na pełzanie.
Żarowytrzymałością charakteryzuje się przede wszystkim stal austenityczna
(mniejszy współczynnik dyfuzji niż w ferrycie), o znacznym rozmiarze ziarn
oraz dyspersyjnymi wydzieleniami faz, głównie na granicach.
Wpływ temperatury i czasu na wytrzymałość na
rozciąganie
Porównanie
wytrzymałości
ferrytycznych i austenitycznych
na
pełzanie
stali
Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka
11
5. Stal zaworowa
Wymagania:
- duża odporność na wysokotemperaturową korozję gazową,
- duża odporność na ścieranie i wytrzymałości na pełzanie oraz obciążenia
udarowe,
udarowe
- mała rozszerzalność i duża przewodność cieplna,
- dobre właściwości technologiczne (podatność na przeróbkę plastyczną i
obróbkę mechaniczną).
Odporność na korozję gazową zapewniają tej grupie stali Si i Cr (silchromy).
Natomiast dużą twardość i odporność na ścieranie wynika ze stosunkowo
dużej zawartości węgla – 0,4÷0,6%.
0 4÷0 6%
Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka
12
6
2012-04-18
5. Stal zaworowa
Na zawory wlotowe, których temperatura pracy nie przekracza 500ºC, stosuje
się stale perlityczne (martenzytyczne) poddane hartowaniu z temperatury
1010÷1060ºC i odpuszczaniu
p
w 700÷790ºC z chłodzeniem w wodzie
(zapobiega to kruchości odpuszczania).
Zawory wydechowe pracują w znacznie wyższej temperaturze, sięgającej
nawet 900ºC. W tym przypadku stosowane są stale austenityczne
przesycane w wodzie z temperatury 1050÷1170ºC i następnie starzone w
700÷750ºC. Otrzymana mikrostruktura składa się poza austenitem z
dyspersyjnych wydzieleń węglików (M6C,
C M23C6) oraz węglikoazotków.
węglikoazotków
6. Stal odporna na ścieranie
Stal (staliwo) Hadfielda
Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka
13
7. Stal i stopy oporowe
Wymagania:
- duża oporność właściwa,
- mały temperaturowy współczynnik rozszerzalności,
- mała przewodność cieplna,
- wysokie właściwości wytrzymałościowe w temperaturze pokojowej oraz
duża odporność na pełzanie w wysokiej temperaturze,
- żaroodporność.
Podział stopów oporowych ze względu na skład chemiczny i mikrostrukturę:
- niklowo-chromowe
niklowo chromowe z dodatkiem Fe a także Mn i Si o mikrostrukturze
austenitycznej – np. chromonikielina, nichromy;
- żelazowo-chromowo-aluminiowe z niewielkimi dodatkami Mn i Si oraz
kilkoma setnymi procenta węgla o mikrostrukturze ferrytycznej – np.
ferchromale, fechrale.
Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka
14
7
2012-04-18
8. Stopy o szczególnych właściwościach magnetycznych
Pętla histerezy magnetycznej materiałów magnetycznie miękkich i twardych
Tekstura materiałów magnetycznie miękkich
Charakterystyka magnesu trwałego
Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka
15
9. Stal umacniana wydzieleniowo – typu maraging
Wpływ różnych mechanizmów umocnienia na
wytrzymałość martenzytu odpuszczonego
Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka
16
8