10.4.1. Ogólna klasyfikacja. Stal jest obrabialnym plastycznie stopem żelaza z węglem i innymi pierwiastkami przy zawartości węgla do 2%, otrzymywanym w wyniku proce­sów metalurgicznych. Zasadniczym kryterium klasyfikacji stali wg PN-57/H-01000 jest jej skład chemiczny. Na tej podstawie rozróżnia się stale węglowe i stale stopowe. Do stali węglowych zalicza się wg PN-57/H-01O00 gatunki stali, w których zawartość składników stopowych wynosi (najwyżej): 0,8% Mn; 0,4% Si; 0,3% Ni; 0,3% Cr; 0,2% W; 0,2% Co; 0,2%Cu; 0,1% Al; 0,05% Mo; 0,05% V; 0,05% Ti; 0,05% P; 0,055% S i w któ­rych nie występują inne celowo dodane składniki stopowe. Do stali stopowych zalicza się gatunki stali, w których bodaj jeden składnik stopowy występuje w ilości równej lub większej od wartości poprzednio wymienionych. Stale te klasyfikuje się w zależności od składnika stopowego. Tak więc rozróżnia się stale chro­mowe, manganowe, krzemowe, chromowo-niklowe, manganowo-chromowe, chromo-wo-manganowo-krzemowe itp. Gęstość pozorna stali wynosi 78,5 kN/m3 (7850 kg/m3), moduł sprężystości 210*' GPa (2 100 000 kG/cmJ). Zależnie od głównego zastosowania stali dzieli się je na cztery klasy: — klasa I stale konstrukcyjne węglowe i niskostopowe stosowane zasadniczo w sta­nie surowym (nie obrobionym cieplnie), wyjątkowo w stanie normalizowanym lub zmięk­czonym, klasa II stale konstrukcyjne wyższej jakości, klasa III stale narzędziowe, klasa IV stale wysokostopowe o specjalnych właściwościach. W zależności od stopnia zanieczyszczenia (siarka i fosfor) stale konstrukcyjne mogą być: zwykłej, wyższej lub najwyższej jakości; w stali zwykłej jakości zawartość siarki nie przekracza 0,055%, fosforu 0,05%, a suma tych pierwiastków jest mniejsza niż 0,1%; w stali wyższej jakości zawartość siarki nie jest większa od 0,045%, fosforu — od 0,04%, a suma tych pierwiastków — od 0,07%; w stali najwyższej jakości zawartość siarki oraz fosforu wynosi najwyżej po 0,03%. Stal najwyższej jakości należy do klasy IV. Zgodnie z PN-57/H-01000 stale węglowe konstrukcyjne zwykłej i wyższej jakości dzieli się jeszcze *> Wg PN-80/B-03200—205 OPa. na stale ogólnego przeznaczenia i szczególnego przeznaczenia. Stal najwyższej jakości produkuje się tylko do specjalnych celów. Stale o szczególnych właściwościach dzieli się na magnetycznie miękkie i na łatwo obrabialne mechanicznie. Stale stopowe konstrukcyjne obejmują stale dla budownictwa i na konstrukcje sta­lowe (niskostopowe) oraz stale sprężynowe, do nawęglania, do ulepszania cieplnego, do azotowania i na łożyska toczne. Stale stopowe o szczególnych właściwościach dzieli się na stale do pracy w podwyż­szonych temperaturach, odporne na korozję, żaroodporne, zaworowe, o szczególnych właściwościach magnetycznych, o szczególnych właściwościach fizycznych. Niezależnie od podziału podanego w PN-57/H-01000 przewidziano jeszcze wydzie­lenie dalszych grup stali w zależności od przeznaczenia, jak stale dla kolejnictwa lub okrętownictwa, stale uspokojone, półuspokojone i nieuspokojone w zależności od stop­nia odtlenienia, stale niemagnetyczne lub miękkie i twarde magnetycznie w zależności cd charakterystycznych własności itp. Według PN-76/H-01001 rozróżnia się postacie i stany kwalifikacyjne stali. Postać stali określa się wg zabiegu nadającego kształt i wymiary elementu. Rozróżnia się zatem stal w postaci lanej (L), kutej (K), walcowanej na zimno (Z) i ciągnionej (C). Stan kwa­lifikacyjny stali określa się według obróbki cieplnej, jakiej podlegała ona po nadaniu jej postaci. Różne stany kwalifikacyjne i ich oznaczenia literowe podano w tabl.10-4. Tablica 10-4 Steny kwalifikacyjne steli (wg PN-76/H-O1O01) Określenie Stan kwalifikacyjny nadany przez Oznaczenie literowe Normalizowany wyżarzenie normalizujące N Zmiękczony wyżarzenie zmiękczające M Wyżarzony wyżarzenie zupełne I Rekrystalizowany wyżarzenie rekrystalizujące R Ulepszony ulepszenie cieplne T Przesycony przesycenie przechładzania H Surowy nie obrobiony cieplnie po kuciu lub po walcowaniu na gorąco — Zgnieciony nie obrobiony cieplnie po ciągnieniu lub znak przeróbki plastycz- walcowaniu na zimno nej Z lub C 10.4.2. Wpływ składu chemicznego stali węglowych konstrukcyjnych na ich właściwości mechaniczne. Węgiel jest składnikiem decydującym o właściwościach wytrzyma­łościowych i plastycznych stali. Ze wzrostem zawartości węgla zwiększa się wytrzymałość na rozciąganie stali oraz jej twardość, zmniejsza się natomiast plastyczność, wydłużal-ność i udamość. Mangan wpływa dodatnio na wytrzymałość stali, intensywnie zwiększa jej har-towność oraz wiąże siarkę, utrudniając powstawanie szkodliwego siarczku żelaza. Krzem podwyższa wytrzymałość stali. W procesie metalurgicznym jest stosowany jako odtleniacz. W stalach uspokojonych występuje on w ilości 0,15 do 0,4%. W stalach nieuspokojonych krzemu jest bardzo mało (jedynie ślady). Siarka stanowi zanieczyszczenie stali, dostaje się do niej z rud i nie można jej w procesie metalurgicznym całkowicie usunąć. Siarczki żelaza tworzą z austenitem roz­twór o niskiej temperaturze topnienia, który odkłada się na granicach ziarn. Zbytnia zawartość siarki może wywołać zjawisko kruchości na gorąco i pękanie stali przerabia­nych plastycznie na gorąco. Fosfor stanowi również zanieczyszczenie stali, dostaje się do niej z rud i nie można go całkowicie usunąć. Tworzy on roztwór stały w ferrycie. Zwiększa nieco wytrzy­małość stali, pogarsza jednak plastyczność i wywołuje kruchość stali na zimno. " Azot występuje w stali w ilości od 0,001 do 0,015%; rozpuszczony w niej wywiera ujemny wpływ jako główna przyczyna starzenia stali. Zjawisko to polega na zmniejsza­jącej się rozpuszczalności azotu w ferrycie przy obniżeniu temperatury, na skutek czego z biegiem czasu na granicach ziarn wydzielają się azotki żelaza, zmniejszające znacznie udarność. Przez podgrzanie stali do temperatury 200°C można przyspieszyć proces starzenia wobec wzrostu szybkości dyfuzji azotu w ferrycie. Wodór rozpuszczony w stali w trakcie jej wytapiania jest przyczyną powstawania siatki wewnętrznych pęknięć, głównie w stalach stopowych i stalach węglowych o dużej zawartości węgla. W stalach niskowęglowych wodór wydziela się z ferrytu łatwo nawet w temperaturze pokojowej. T1 e n w pewnej ilości przechodzi do roztworu stałego (ferrytu), nadwyżka w postaci tlenków stanowi zanieczyszczenie w całej masie materiału. Tlenki te pogarszają właści­wości wytrzymałościowe i plastyczne stali działając jako karby strukturalne. W stali występują wtrącenia niemetaliczne, jak siarczek żelazawy (FeS), siarczek manganu (MnS), tlenek żelazawy (FeO), tlenek glinowy (A1203), krzemiany (2FeO •Si02 lub 2MnO • SiOj), azotki żelaza (Fe2N) lub (Fe4N), azotki glinu (A1N), azotki tytanu (TiN). Metody badania stopnia zanieczyszczenia stali wtrąceniami niemetalicz­nymi i ich ocena są ujęte normami PN-60/H-04508, PN-60/H-04509, PN-64/H-04510. 10.4.3. Ogólna charakterystyka obróbki deplnej stali i żeliw. W PN-76/H-01200 roz­różnia się następujące operacje: zabiegi cieplne, cieplno-chemiczne, cieplno-mechaniczne i cieplno-magnetyczne. Zgodnie z tą normą rozróżnia się dziewięć głównych rodzajów obróbki cieplnej: wyżarzanie, hartowanie, odpuszczanie, ulepszanie cieplne, przesy­canie, starzenie, utwardzanie dyspersyjne, stabilizowanie i mrożenie. Spośród nich istotne dla budownictwa są: wyżarzanie normalizujące, prowadzone w temperaturze 30-ł-50°C powyżej linii GS (rys. 10-3) i studzenie w celu uzyskania jednolitego i drobnego ziarna; wyżarzanie rekrystalizujące, czyli nagrzewanie zgniecionej uprzednio stali do temperatury nieco wyższej od temperatury początku rekrystalizacji w celu usunięcia niektórych skutków zgniotu i uzyskania pożądanego uziarnienia; wyżarzanie odprężające, tj. wygrzewanie stali w temperaturze poniżej 650°C, w celu wydatnego zmniejszenia naprężeń własnych bez wyraźnych zmian struktural­nych; wyżarzanie starzejące, tj. wygrzewanie w temperaturze, w której zachodzi wydzie­lanie się składnika przesycającego w odpowiednim stopniu dyspersji; stabilizowanie, tj. wygrzewanie w temperaturze zazwyczaj ok. 150°C w celu zmniejszenia zmian zachodzących w temperaturze otoczenia oraz zmniejszenia naprę­żeń własnych; patentowanie, tj. wygrzewanie w temperaturze 900-rT000°C, następnie chłodze­nie do temperatury 500°C i wygrzewanie w tej temperaturze w celu uzyskania struktury drobnego perlitu; ulepszanie cieplne stanowiące połączenie zabiegów hartowania i odpuszczania w celu otrzymania optymalnych właściwości mechanicznych. Do najważniejszych rodzajów cieplno-chemicznej obróbki stali i żeliwa należą: na-węglanie, azotowanie i cyjancwanie. Nawęglanie, czyli wzbogacanie w węgiel wierzchniej warstwy wyrobu powoduje jej twardość i odporność na ścieranie. Po nawęglaniu stosuje się obróbkę cieplną. Azotowanie, czyli nasycanie azotem warstwy wierzchniej wyrobu ma na celu uzyska­nie cienkiej, bardzo twardej i odpornej na ścieranie warstwy wierzchniej. Azotowanie może być gazowe lub kąpielowe. Cyjanowanie jest to nasycanie powierzchni wyrobu równocześnie węglem i azotem, może ono być gazowe lub kąpielowe. Zabiegi cieplno-magnetyczne stanowią połączenie zabiegu cieplnego z działaniem pola magnetycznego na metal lub stop w celu osiągnięcia w nim głównie zmian fizycznych. Wpływ składników stopowych na właściwości stall. Pierwiastek i Wpływ na właściwości stali A.- OdUeniacz. Aktywnie łączy się z azotem. Składnik stopowy stali konstrukcyjnej do azo­towania. Składnik stopów na bazie żelaza o specjalnych właściwościach ferromagnetycz­nych. Zwiększa żaroodporność Mn -Przeciwdziała kruchości stali na gorąco wskutek obecności FeS. Przy dużych zawar­tościach węgla i manganu (1,3% C i 13% Mn) stal wybitnie odporna na ścieranie. Zwiększa skłonność stali do kruchości i odpuszczania. Zwiększa Rm i obniża Z w stanie wyżarzo­nym i w stanie ulepszonym Cu- Zwiększa odporność na korozję atmosferyczną. W żeliwach obniża temperaturę grafityzacji Aktywny odtleniacz. Składnik stopowy stali o specjalnych właściwościach elektrycznych i magnetycznych. Składnik stopowy stali sprężynowych (0,45 do 0,6% O. W żeliwach zwiększa odporność na ścieranie i ułatwia grafityzację. W stali zwiększa Rm i zmniejsza udarność zarówno w stanie wyżarzonym, jak i ulepszonym cieplnie Ni -Zwiększa wytrzymałość stali, nieznacznie polepsza właściwości plastyczne. Polepsza ża­roodporność i zwiększa wytrzymałość na pełzanie. Wraz z chromem w stalach wysoko-stopowych zwiększa kwasoodporność Co -W stalach szybkotnących zwiększa odporność na ścieranie w wysokich temperaturach. Dodatek do stali i stopów żelaza magnetycznie twardych Cr- Gwałtownie zwiększa odporność na korozję. Przy 12% Cr wywołuje zjawisko pasywności. Zwiększa wytrzymałość na pełzanie i żaroodpornośĆ. W stalach narzędziowych zwiększa odporność na ścieranie i zmniejsza skłonność do odpuszczania. W stalach konstrukcyj­nych jest najpopularniejszym składnikiem stopowym. Dodawany jest do stali do na-węglania, do azotowania, do ulepszania cieplnego, do hartowania powierzchniowego, do stali sprężynowych, do stali na łożyska toczne Mo- Zmniejsza skłonność stali do kruchości odpuszczania. Zwiększa wytrzymałość na pełzanie i na przebicie. Zwiększa właściwości wytrzymałościowe w podwyższonych temperaturach. W stalach narzędziowych zmniejsza skłonność do odpuszczania. W stalach szybkotną­cych wywołuje wrażliwość na odwęglanie V -Działa odtleniająco i odazotowująco. W stalach konstrukcyjnych zwiększa odporność na pełzanie. W stalach szybkotnących zwiększa odporność na odpuszczanie W- Gwałtownie zwiększa wytrzymałość w podwyższonych temperaturach i odporność na odpuszczanie. Zwiększa odporność na pełzanie. Zmniejsza kruchość odpuszczania Ti -Nieznacznie zmniejsza twardość martenzytu i zmniejsza hartowność stali przy średniej zawartości Cr. Zmniejsza ilość austenitu szczątkowego w stalach wysokochromowych. W stalach nierdzewnych zmniejsza skłonność do korozji międzykrystalicznej. Działa od­tleniająco i odazotowująco Przegląd stali konstrukcyjnych. W budownictwie powszechne zastosowanie mają stale klasy I, a szcze­gólnie stale węglowe zwykłej jakości ogólnego przeznaczenia oraz stale niskostopowe. Stale konstrukcyjne II klasy o wyższej jakości są stosowane do budowy maszyn oraz do wyrobu drutów do lin i cięgien w ustrojach sprężonych i kablowych. Stale węglowe zwykłej jakości ogólnego przeznaczenia dzieli się na siedem podsta­wowych gatunków, zależnie od składu chemicznego i wymaganych właściwości mecha­nicznych. Są to gatunki: StOS, St2S, St3S i St4S przeznaczone na konstrukcje spawane oraz St5, St6 i St7. W gatunkach St3S i St4S rozróżnia się odmiany: z ograniczoną zawartością węgla (oznaczenie V zamiast S), z ograniczoną zawartością węgla, fosforu i siarki (oznaczenie W zamiast S). Gatunki stali St3S, St4S, St3V i St4V są produkowane jako nieuspokojone (znak X), póluspokojone (znak Y) i uspokojone. Stal StOS i St2S jest dostarczana tylko jako nieuspokojona, stal St5, St6 i St7 tylko jako uspokojona, natomiast stal St3W i St4W tylko jako specjalnie uspokojona. Stal St3S i St4S o wymaganej udarności w temperaturze otoczenia oznacza się do­datkowo literą U, o wymaganej udarności po starzeniu — literą J, a o wymaganej udar­ności w temperaturze -20°C — literą M. Stale St3V i St4V o wymaganej udarności w temperaturze 0°C oznacza się dodatkowo literą C, a stal St3W i St4W o wymaganej udarności w temperaturze -20°C —literą D. Na żądanie dostarcza się niektóre gatunki stali z podwyższoną zawartością miedzi (0,25 do 0,40%). Oznacza sieje wówczas: StOSCu, St2SCu, St3SCuX, St3SCuY, St3SCu, St4SCuX, St4SCuY, St4SCu. Wyroby ze stali o podwyższonej zawartości miedzi mogą być dostarczane jednak o grubości nie większej niż 10 mm. W stali półuspokojonej odtlenionej tylko za pomocą giinu, tytanu lub odUeniaczy złożonych, nie za­wierających krzemu, dopuszcza sie mniejszą zawartość krzemu — poniżej 0,05%. '*> Al metaliczne rozpuszczalne w kwasach. Gatunki stali węglowych konstrukcyjnych określonego przeznaczenia z podziałem na nicuspokojone, półuspokojone i uspokojone. Stale niskostopowe o podwyższonej wytrzymałości dzielimy wg przeznaczenia na trzy grupy: stale do konstrukcji spawanych, stale do zbrojenia betonu i stale do budowy kadłubów statków. Pierwszą z tych grup obejmuje w większości PN-72/H-84018, roz­różniając sześć kategorii w zależności od wymaganych właściwości wytrzymałościowych: E30, E35, E40, E42, E44, E46 . Ponadto w zależności od wymaganej udar-ności rozróżnia się odmiany podane w tejże tablicy. Stale węglowe konstrukcyjne wyższej jakości. Stale te w zasadzie są przeznaczone do ulepszania cieplnego lub nawęglania. Są one określane właściwościami mechanicz- nymi i składem chemicznym. W budowlanych konstrukcjach stalowych nie są stosowane, z małymi wyjątkami, i dlatego nie będą tu bliżej omawiane. Wyjątek stanowią stale DB88 i DB92 produkowane wg PN-76/H-84028, a stosowane na druty do sprężania. Właściwości mechaniczne tych stali są określone w normach lin i drutów do sprężania PN-71/M-80014 i PN-71/M-80236. Do grupy tej należą także stale 10HAT, 10HAV wg BN-77 0631-07 i 14HNMBCu produkowane wg warunków tymczasowych, a stosowane do wyrobu blach. Stale 10HAT i 10HAV charakteryzują się zwiększoną odpornością na korozję atmosferyczną i na ścieranie. Stal 14HNMBCu, ulepszana cieplnie, odznacza się bardzo wysoką wytrzyma­łością. Do najważniejszych stali wysokostopowych o specjalnych właś­ciwościach produkowanych w Polsce należą: stale nierdzewne i kwasoodporne (PN-71/ /H-86020) oraz stale żaroodporne (PN-71/H-86022). Znak stali wysokostopowych za­wiera litery określające pierwiastki stopowe: G — mangan, S — krzem, H — chrom, N — nikiel, M — molibden, T — tytan, F — wanad. Liczby określają zawartość węgla w setnych procenta lub zawartość pierwiastka stopowego, gdy jego średnia zawartość przekracza 1,5%.