5

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
MINISTERSTWO EDUKACJI
NARODOWEJ
Marceli Konfederak
Dobieranie materiałów konstrukcyjnych, narzędziowych
i eksploatacyjnych 722[02].O1.05
Poradnik dla ucznia
Wydawca
Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy
Radom 2007

1
Recenzenci:
mgr inŜ. Łucja Zielińska
mgr inŜ. Marian Cymerys
Opracowanie redakcyjne:
mgr inŜ. Paweł Krawczak
Konsultacja:
mgr Małgorzata Sienna
Poradnik stanowi obudowę dydaktyczną programu jednostki modułowej 722[02].O1.05
„Dobieranie materiałów konstrukcyjnych, narzędziowych i eksploatacyjnych”, zawartego
w modułowym programie nauczania dla zawodu operator obrabiarek skrawających.
Wydawca
Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy, Radom 2007

2
SPIS TREŚCI
1. Wprowadzenie 4
2. Wymagania wstępne 6
3. Cele kształcenia 7
4. Materiał nauczania 8
4.1. Właściwości fizyczne, chemiczne, mechaniczne i technologiczne metali
i stopów 8
4.1.1. Materiał nauczania
4.1.2. Pytania sprawdzające
4.1.3. Ćwiczenia
4.1.4. Sprawdzian postępów
8
11
12
12
4.2. Stale niestopowe (węglowe), wpływ węgla na właściwości stali,
klasyfikacja stali, znakowanie stali 13
4.2.3. Ćwiczenia
13
24
24
25
4.3. Stale stopowe: wpływ dodatków stopowych na właściwości stali,
klasyfikacja stali, znakowanie stali 26
4.3.3. Ćwiczenia
26
32
32
33
4.4. Staliwo. śeliwo 34
4.4.3. Ćwiczenia
34
42
43
43
4.5. Metale nieŜelazne i ich stopy: właściwości, znakowanie, zastosowanie 44
4.5.3. Ćwiczenia
44
49
49
50
4.6. Wyroby hutnicze 51
4.6.3. Ćwiczenia
51
55
56
56
4.7. Rodzaje i zastosowanie tworzyw sztucznych 57
4.7.3. Ćwiczenia
57
63
63
64
4.8. Materiały z proszków spiekanych. Materiały ceramiczne. Materiały
uszczelniające. Materiały lakiernicze. Drewno, szkło, guma 65
4.8.3. Ćwiczenia
65
70
70
71

3
5. Sprawdzian osiągnięć 72
6. Literatura 77

4
1. WPROWADZENIE
Poradnik ten będzie Ci pomocny w przyswajaniu wiedzy o materiałach konstrukcyjnych,
ich właściwościach, oznaczeniu i doborze.
W poradniku zamieszczono:
– wymagania wstępne określające umiejętności, jakie powinieneś posiadać, abyś mógł bez
problemów rozpocząć pracę z poradnikiem,
– cele kształcenia, czyli wykaz umiejętności, jakie opanujesz w wyniku realizacji
kształcenia jednostki modułowej,
– materiał nauczania, czyli wiadomości teoretyczne konieczne do opanowania treści
jednostki modułowej,
– zestaw pytań sprawdzających, aby sprawdzić, czy opanowałeś juŜ podane treści,
– ćwiczenia zawierające polecenia, sposób wykonania oraz wyposaŜenie stanowiska pracy,
które pozwolą Ci ukształtować określone umiejętności praktyczne,
– sprawdzian postępów pozwalający sprawdzić Twój poziom wiedzy po wykonaniu
ćwiczeń,
– sprawdzian osiągnięć opracowany w postaci testu, który umoŜliwi Ci sprawdzenie
Twoich wiadomości i umiejętności opanowanych podczas realizacji programu danej
jednostki modułowej,
– literaturę związaną z programem jednostki modułowej umoŜliwiającą pogłębienie Twej
wiedzy z zakresu programu jednostki.
Materiał nauczania został podzielony na kilka części części. Znajdziesz w nich informacje
na temat właściwości metali, rodzajach i oznaczeniach stali, staliwa i Ŝeliwa. W kolejnych
informacje o metalach kolorowych i ich stopach. Dalsze dotyczą materiałów niemetalowych
takich jak tworzywa sztuczna, materiały uszczelniające, lakiery, drewno, szkło i guma.

5
Schemat układu jednostek modułowych
722[02].O1.01
Przestrzeganie przepisów bezpieczeństwa
i higieny pracy, ochrony przeciwpoŜarowej
i ochrony środowiska
722[02].O1.04
Wykonywanie pomiarów
warsztatowych
722[02].O1.03
Wykonywanie rysunków części maszyn
z wykorzystaniem programu CAD
722[02].O1.07
Rozpoznawanie części maszyn,
mechanizmów
i urządzeń transportu
wewnątrzzakładowego
722[02].O1
Techniczne podstawy zawodu
722[02].O1.02
Posługiwanie się
dokumentacją techniczną
722[02].O1.06
RozróŜnianie cech
charakterystycznych
obróbki cieplnej, cieplno-
-chemicznej, plastycznej
i odlewnictwa
722[02].O1.05
Dobieranie materiałów
konstrukcyjnych,
narzędziowych
i eksploatacyjnych

6
2. WYMAGANIA WSTĘPNE
Przystepując do realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:
− korzystać z róŜnych źródeł informacji, poradników i norm,
− odczytywać informacje dotyczące materiałów podane na rysunkach,
− analizować treść zadania, dobierać metody i plan rozwiązania,
− komunikować się i pracować w zespole,
− samodzielnie podejmować decyzje.

7
3. CELE KSZTAŁCENIA
W wyniku procesu realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:
– sklasyfikować stopy Ŝelaza z węglem oraz stopy metali nieŜelaznych,
– określić właściwości fizyczne, chemiczne, mechaniczne i technologiczne materiałów
metalowych i niemetalowych,
– rozpoznać na podstawie oznaczenia: stal, staliwo, Ŝeliwo, metale nieŜelazne i ich stopy,
– określić zastosowanie materiałów niemetalowych,
– rozpoznać materiały niemetalowe,
– dobrać na podstawie norm technicznych materiały na elementy konstrukcyjne,
– posłuŜyć się PN, dokumentacją techniczną.

8
4. MATERIAŁ NAUCZANIA
4.1. Właściwości fizyczne, chemiczne, mechaniczne i technologiczne
metali i stopów
Materiały stosowane w budowie maszyn, dzieli się na metale i niemetale
(tzw. metaloidy). RóŜnorodność grup, rodzajów, klas i gatunków materiałów niemetalowych
jest znaczna i trudna do sklasyfikowania.
Faza metaliczna, stan metaliczny to postać występowania materii w skondensowanych
stanach skupienia tj. stałym i ciekłym, wyróŜnianą spośród innych ciał stałych i ciekłych ze
względu na swoje specyficzne własności zanikające dopiero po przejściu w stan gazowy
reprezentowana jest przez przewaŜającą większość (ponad 80) pierwiastków chemicznych,
które ze względu na ich elektrododatni charakter zalicza się do pierwiastków metalicznych,
a takŜe przez niezmiernie rozpowszechnione stopy i fazy międzymetaliczne tych
pierwiastków. Faza metaliczna materii właściwa zarówno dla stopów metali, a takŜe
związków międzymetalicznych uwarunkowana jest specyficznym charakterem wiązań
metalicznych. Charakter ten wynika z budowy zewnętrznych powłok elektronowych
pierwiastków elektrododatnich, charakteryzujących się łatwością uwolnienia i uwspólnienia
(kolektywizacji) swych elektronów walencyjnych, nazywanych dlatego elektronami
swobodnymi. Przejawem osłabionego związania elektronów walencyjnych z jądrem atomu są:
niski potencjał jonizacyjny oraz występujący efekt fotoelektryczny i zjawisko emisji
elektronów swobodnych w wyŜszych temperaturach.
Odzwierciedleniem tych stosunków jest równieŜ specyficzna struktura krystaliczna
metali występujących w warunkach normalnych w stanie stałym (z wyjątkiem rtęci).
Charakteryzują się one wśród kryształów gęsto upakowaną strukturą sieci, w której węzły
obsadzają wyłącznie dodatnie jony metali, natomiast wspólne dla całej sieci elektrony
swobodne znajdują się w pobliŜu tych jonów i pozostają w ustawicznym chaotycznym ruchu
(tzw. gaz elektronowy). Ze względu na taką budowę metale odznaczają się połyskiem
i brakiem przezroczystości, maja duŜy cięŜar właściwy, są bardzo dobrymi przewodnikami
ciepła i elektryczności, odznaczają się zarówno duŜą spręŜystością jak i zdolnością do
plastycznych odkształceń wzdłuŜ płaszczyzn lub kierunków najgęstszego upakowania
atomów, a więc do łatwych poślizgów. W odróŜnieniu od struktury wewnętrznej większość
niemetali, zbudowanych co najmniej z dwóch rodzajów jonów lub jonoidów o przeciwnych
znakach, w sieci metalicznej występuje tylko jeden lub kilka rodzajów jonów dodatnich
metali.
W metalach o własnościach półprzewodnikowych (np. Ge, Si) występują wiązania
o charakterze częściowo metalicznym, a częściowo jonowym, wskutek czego przewodzą prąd
elektryczny wyłącznie jednokierunkowo. W tym przypadku ich elektrony walencyjne noszą
nazwę elektronów prawie swobodnych. Niektóre metale (np. Fe, Co) wykazują specyficzne
właściwości magnetyczne.
Klasyfikacja materiałów metalowych obejmuje:
− metale, czyli czyste pierwiastki metaliczne, do których zalicza się m. in. aluminium,
chrom, cynę, cynk, kobalt, magnez, miedź, molibden, nikiel, ołów, platynę, srebro, sód,
tytan, uran, wanad, wolfram, złoto, Ŝelazo i inne,

9
− stopy metali, czyli substancje metaliczne otrzymywane przez stopienie dwu lub więcej
metali, do których często dodaje się pierwiastki niemetaliczne jak węgiel, krzem, siarkę,
fosfor, azot itp.,
− spieki, czyli półwyroby lub wyroby gotowe otrzymywane metodami metalurgii proszków
przez spiekanie składników metalowych i ceramicznych, metalowo-grafitowych,
metalowo-diamentowych itp.
Klasyfikacja stopów metali obejmuje:
− stopy Ŝelaza (z węglem), do których zalicza się głownie Ŝeliwo, staliwo i stal (najbardziej
rozpowszechnione),
− stopy metali nieŜelaznych, do których zalicza się m. in. brąz, mosiądz itp.
Większość metali nie jest uŜywana przez nas w postaci czystej, lecz jako stopy, których
co najmniej jednym składnikiem jest metal. Dzieje się tak, poniewaŜ czyste metale rzadko
mają właściwości dostosowane do potrzeb, a moŜna je łatwo poprawić, stosując róŜnorakie
dodatki.
Do właściwości chemicznych metali i stopów zalicza się odporność na korozje i działanie
czynników chemicznych oraz na działanie temperatury. DuŜą odpornością na korozje
odznaczają się niektóre metale takie jak: srebro, złoto, platyna i w mniejszym stopniu nikiel
i chrom.
Do właściwości fizycznych zaliczamy: gęstość, temperaturę topnienia, temperaturę
wrzenia, ciepło właściwe, przewodność cieplną i elektryczna, właściwości magnetyczne,
rozszerzalność cieplną i wygląd zewnętrzny.
Gęstość jest to stosunek masy ciała jednorodnego do objętości, wyraŜany w kg/m3
lub g/cm3
.
Stopy i metale lekkie, jak np.: lit, sód, magnez, aluminium i ich stopy, odznaczają się małą
gęstością. DuŜą gęstość mają metale cięŜkie, jak np.: Ŝelazo, nikiel, miedź, wolfram, platyna
i ich stopy.
Temperatura topnienia metali i ich stopów jest wyraŜana w stopniach Celsjuusza (°C).
Wszystkie metale są topliwe, a poniewaŜ ich temperatura topnienia waha się w bardzo
szerokich granicach, więc dzieli się je na łatwo topliwe, trudno topliiwe i bardzo trudno
topliwe. Do metali łatwo topliwych, których temperatura topnienia wynosi do 650°C, zalicza
się między innymi takie metale, jak: cynę, cynk, bizmut, kadm, magnez i ołów. Metale trudno
topliwe mają temperaturę topnienia do 2000°C. Są to np.: chrom, kobalt, miedź, nikiel,
platyna , Ŝelazo, molibden, tantal i wolfram. Metale mają stałą temperatura topnienia,
natomiast temperatura topnienia większości stopów mieści się w pewnych zaakresach
temperatury. Temperatura topnienia stopów metali jest zwykle niŜsza od temperatury
topnienia składnika o najwyŜszej temperaturze topnienia.
Temperatura wrzenia dla większości metali jest dość wysoka. Do łatwo wrzących
metali zalicza się kadm i cynk. Temperatura wrzenia kadmu wynosi 767°C, a cynku 907°C.
Tę własność cynku wykorzystuje się w hutnictwie otrzymując czysty cynk przez odparowanie
z rudy.
Ciepło właściwe jest to ilość ciepła pobierana (lub oddawana) przez 1 g danej substancji
przy zmianie temperatury o 1°C. Ciepło właściwe zaleŜy od rodzaju substancji, temperatury
i sposobu ogrzewania. Na ogół ciepło właściwe cieczy jest większe niŜ ciała stałego. Ciepło
właściwe jest zawsze podawane wraz z zakresem temperatury, dla jakiej je określono.
Przewodnictwo cieplne jest jedną z charakterystycznych cech metali i stopów.
Najlepszym przewodnikiem ciepła jest srebro, a następnie miedź, złoto i aluminium.
Najgorzej natomiast przewodzi kadm, bizmut, antymon, ołów, tantal i nikiel. Miarą
przewodnictwa cieplnego jest ilość ciepła, jaka przepływa przez przewodnik o długości 1 m
o przekroju 1 m2
w ciągu 1 godziny przy róŜnicy temperatury 1°C.
Przewodnością elektryczną metali i stopów nazywamy zdolność przewodzenia prądu
elektrycznego. Najlepszym przewodnikiem prądu jest srebro, a następnie miedź, złoto

10
i aluminium. Dlatego na przewody elektryczne uŜywa się miedzi lub aluminium, gdyŜ
stawiają one najmniejszy opór przepływającemu prądowi elektrycznemu. Przewodność
elektryczna maleje ze wzrostem temperatury przewodnika.
Właściwości magnetyczne metali i stopów polegają na zdolności magnesowania się.
Najlepsze właściwości magnetyczne mają Ŝelazo, nikiel i kobalt, a ze stopów – stal.
Z materiałów tych buduje się najlepsze magnesy trwałe.
Rozszerzalność cieplna metali i stopów przejawia się we wzroście wymiarów liniowych
i objętości pod wpływem wzrostu temperatury i kurczeniu się podczas chłodzenia. Największą
rozszerzalność cieplną wykazuje kadm, a najmniejszą wolfram. Zjawisko rozszerzalności
cieplnej ma duŜe znaczenie praktyczne i musi być uwzględniane w konstrukcjach mostów,
urządzeń pracujących w zmiennych temperaturach i silnikach cieplnych. Właściwości
mechaniczne, najprościej rzecz ujmując określają odporność metalu na działanie róŜnych sił
zewnętrznych.
Wytrzymałość jest określona jako stosunek największej wartości obciąŜenia uzyskanego
w czasie próby wytrzymałościowej do pola powierzchni przekroju poprzecznego badanego
elementu. W zaleŜności od rodzaju obciąŜeń rozróŜnia się wytrzymałość na rozciąganie,
ściskanie, zginanie, skręcanie, ścinanie i wyboczenie.
Twardość określa odporność materiału na odkształcenia trwałe, powstające wskutek
wciskania weń wgłębnika. Próby twardości dokonuje się sposobem: Brinella, Rockwella
i Vickersa.
Udarność, czyli odporność materiałów na uderzenia, sprawdza się za pomocą próby
udarności polegającej na złamaniu jednym uderzeniem młota wahadłowego próbki
o określonym kształcie i wymiarach. Miarą udarności jest stosunek pracy zuŜytej na złamanie
próbki do pola przekroju poprzecznego próbki. Próbie udarności poddaje się materiał
przeznaczony na części, które są naraŜone na uderzenia lub nagłe obciąŜenia, a niekiedy nawet
gotowe juŜ części.
Właściwości technologiczne matali określa się jako ich przydatność do przetwarzana.
Zaliczamy do nich lejność, plastyczność, skrawalność.
Lejność, czyli zdolność ciekłego metalu lub stopu do wypełniania formy odlewniczej,
zaleŜy od składu chemicznego, struktury i temperatury ciekłego metalu. Dla określenia
lejności stosuje się próbę odlewania spirali o znormalizowanych wymiarach. Im większa jest
lejność metalu, tym dłuŜszy odcinek spirali zostanie w czasie odlewania wypełniony metalem.
Z przetwarzaniem przez odlewanie, związane jest takŜe pojecie skurczu, który jest róznicą
między wymiarem formy i odlewu mierzonym po upływie pewnego czasu, najczęściej 24h.
Plastyczność określa zdolność ciał stałych do osiągania znacznych odkształceń trwałych
pod działaniem sił zewnętrznych bez naruszania spójności. Pojęciami z wiązanymi
z plastycznościa są wydłuŜenie i przewęzenie czyli zmiany wymiarów jakim podlega element
poddany działaniu sił. Inaczej – jest to przydatność metalu do obróbki plastycznej, czyli
kucia, tłoczenia, walcowania itp.
Skrawalność to podatność materiału do obróbki skrawaniem, bada sie stosujac próby
podczas których okresla się powierzchnie skrawana oraz rodzaj wiórów [1].
Właściowści fizyczne metalu, takie na przykład jak wytrzymałość, twardość, temperatura
topnienia czy przewodność elektryczna i cieplna, zaleŜą od jego struktury krystalicznej. Ta
zmienia się zaś, gdy dodajemy doń domieszki. Powstały w procesie mieszania stop ma
strukturę róŜną od struktur swoich składników, róŜne są takŜe jego właściowści fizyczne.
Niektóre stopy zawierają substancje niemetaliczne, jak węgiel, krzem czy fosfor, lecz
większość składa się wyłącznie z metali. Jednym z najbardziej popularnych stopów jest stal –
stop Ŝelaza i węgla. Stale stopowe natomiast są stopami stali z innymi pierwiastkami,
przykładowo chromem, niklem, krzemem czy manganem. Zmieniają one strukturę stali tak, Ŝe

11
moŜliwe jest poddawanie jej róŜnym procesom pozwalającym nadać jej poŜądaną twardość,
spręŜystość i wytrzymałość.
Właściwości wytworzonych wyrobów i elementów w znacznej mierze zaleŜą od
materiałów, z których zostały wykonane. Optymalny dobór materiału, jak równieŜ prawidłowe
określenie wymaganych właściwości, uzyskanych w procesach produkcji, stanowią istotne
składniki procesu konstruowania. Dobór materiału powinien uwzględniać kryteria
konstrukcyjne, technologiczne i ekonomiczne.
Kryterium konstrukcyjne wymaga zapewnienia odpowiednich właściowości gotowemu
elementowi, gwarantujących jego funkcjonowanie, trwałość i niezawodność w określonych
warunkach pracy.
Kryterium technologiczne polega na umoŜliwieniu wykonania części w jak najprostszy
sposób, unikając procesów pracochłonnych, materiałochłonnych i energochłonnych.
Kryterium ekonomiczne sprowadza się do zasady stosowania materiału najtańszego
i najbardziej dostępnego spośród materiałów spełniających pozostałe wymagania.
Materiały konstrukcyjne są produkowane i dostarczane w określonej postaci (odlewy,
odkuwki, pręty, blachy, rury itp.). Postać materiału decydująco wpływa na technologiczność
i ekonomiczność wykonywanej z niego części; często wpływa równieŜ na jej jakość. Przy
doborze materiału jest konieczne określenie nie tylko jego rodzaju i gatunku, lecz takŜe
postaci, stanu oraz innych wymagań. W normach dopuszcza się wybór rodzaju obróbki
cieplnej, obróbki plastycznej, stanu powierzchni, tolerancji wymiarowych i wielu własności
półwyrobów metalowych, których ustalenie podczas konstruowania części i umieszczenie
w postaci wymagań na rysunku konstrukcyjnym w znacznym stopniu ułatwia uzyskiwanie
załoŜonych własności gotowych elementów.
Szczegółowe wymagania oraz sposób ich podawania na rysunkach i w zamówieniach są
określone w normach przedmiotowych dotyczących półwyrobów metalowych.
Charakterystyki materiałów konstrukcyjnych są ujęte nie tylko w normach (państwowe,
branŜowe, zakładowe), lecz takŜe w warunkach technicznych, kartach materiałowych,
poradnikach i broszurach wydawanych przez hutnictwo, wydawnictwach opracowywanych
w ramach tzw. Banków informacji o materiałach oraz wydawnictwach instytutów i wyŜszych
uczelni. Korzystanie z tej obszernej dokumentacji wymaga duŜego doświadczenia oraz wiedzy
metaloznawczej. Dlatego dobór materiału oraz procesów technologicznych mających na celu
nadanie częściom określonych własności powinien być konsultowany ze specjalistami
z dziedziny metaloznawstwa, obróbki cieplnej, przeróbki plastycznej itp.
Konstrukcyjne materiały metalowe z wyjątkiem odlewów i proszków spiekanych są
produkowane w postaci półwyrobów przerobionych plastycznie na gorąco lub na zimno
(kutych, walcowanych, ciągnionych, wyciskanych). Materiały takie wykazują anizotropię,
róŜnicę właściwości mechanicznych w zaleŜności od kierunku przeróbki plastycznej, co
powinno być uwzględnione przy ich wykorzystaniu na określone elementy.
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Jakie są najwaŜniejsze cechy metali?
2. Jak klasyfikujemy materiały metalowe?
3. Jakie metale mają największą odporność na korozję?
4. Jakie są metody badania twardości?
5. Jakie są najwaŜniejsze kryteria doboru materiału?

12
4.1.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Elementy, które otrzymałeś, wykonane są z róŜnych materiałów, podziel je na dwie grupy
metale i niemetale, scharakteryzuj krótko własności metali.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) zastanowić się, czym charakteryzują się metale,
2) wypisać wszystkie cechy na kartce (burza mózgów – nie krytykując Ŝadnego z pomysłów
Twoich koleŜanek/kolegów),
3) uporządkować zapisane pomysły – odrzucić budzące wątpliwości członków grupy,
4) podzielić elementy według spisanych cech na metale i niemetale,
5) zaprezentować efekty pracy grupy na forum klasy.
Środki dydaktyczne:
− arkusze papieru,
− mazaki,
− elementy wykonane z metali i niemetali np. tworzywa sztucznego czy drewna.
Ćwiczenie 2
Wykonaj pomiar twardości metodą Brinella.
1) zapoznać się z metodą i przebiegiem próby,
2) przygotować próbki do wykonania ćwiczenia,
3) wykonać próby pomiaru twardości i zapisać ich wyniki oraz wnioski.
− twardościomierz Brinella,
− norma PN-91/H-04350 zawierająca opis przebiegu pomiaru, tabele doboru i odczyt
wyników,
− próbki metali,
− arkusze papieru i pisaki.
Czy potrafisz:
Tak Nie
1) zdefiniować pojęcie metale?
2) określić kryteria doboru materiałów?
3) zdefiniować pojęcie stop?
4) opisać próbę twardości metoda Brinella?
5) podać chemiczne, fizyczne technologiczne, mechaniczne własności metali?

13
4.2. Stale niestopowe (węglowe), wpływ węgla na właściwości stali,
klasyfikacja stali, znakowanie stali
śelazo występuje w przyrodzie pod postacią związków chemicznych, najczęściej
z tlenem. W technice, poza nielicznymi wyjątkami, stosuje się stopy Ŝelaza z róŜnymi
składnikami, z których najwaŜniejszym jest węgiel: oprócz węgla, techniczne stopy Ŝelaza
zawierają zawsze pewne ilości krzemu, manganu, siarki i fosforu, przedostające się do stopu
w czasie procesów metalurgicznych. Stal to stop Ŝelaza z węglem o zawartości węgla do 2%.
W zaleŜności od składu chemicznego dzieli się stale na: węglowe (niestopowe) i stopowe.
Stale niestopowe zawierają, oprócz Ŝelaza, gł. węgiel (do 2%) oraz niewielkie ilości
pierwiastków pochodzących z przerobu hutniczego (zwykle poniŜej 1%); są to
zanieczyszczenia (gł. siarka i fosfor) oraz domieszki, których zawartość nie moŜe przekraczać
określonych umownych ilości: 0,8% manganu, 0,4% krzemu, 0,3% chromu, 0,3% niklu, 0,2%
wolframu, 0,2% miedzi, 0,2% kobaltu, 0,1% aluminium, 0,05% molibdenu, 0,05% wanadu,
0,05% tytanu; pod względem zawartości węgla stale węglowe dzieli się na:
− niskowęglowe (do 0,25% C),
− średniowęglowe (0,35–0,6% C),
− wysokowęglowe (powyŜej 0,6% C).
ZaleŜnie od stopnia czystości, określonego zawartością fosforu i siarki, rozróŜnia się stale
węglowe:
− zwykłej jakości (0,045–0,07% P i 0,045–0,06% S),
− wyŜszej jakości (do 0,04% P i 0,04% S),
− najwyŜszej jakości (0,025–0,035% P i 0,025–0,035% S).
W czasie nagrzewania (lub chłodzenia) stopów Ŝelaza zachodzi w nich szereg przemian,
aŜ do topnienia włącznie; obrazuje je tzw. wykres Ŝelazo-węgiel (rys.1).
Rys. 1.Wykres Ŝelazo-węgiel [4].

14
Mikrostruktura stali. Stopy Ŝelaza zawierające mniej niŜ 2,0% węgla są kowalne
i noszą nazwę stali. Nazwa „Ŝelazo” odnosi się tylko do Ŝelaza chemicznie czystego lub
niektórych produktów zbliŜonych, jak np.: Ŝelazo karbonylkowe, Ŝelazo Armco. Budowa stali
jest krystaliczna. W stalach węglowych niestopowych w stanie wyŜarzonym, kryształy,
a ściślej mówiąc ziarna (krystality), składają się z dwóch składników: ferrytu i cementytu.
Ferryt (od łacińskiego słowa ferrum = Ŝelazo) jest to prawie czyste Ŝelazo, o twardości 50–70
HB, a więc zbliŜonej do twardości miedzi. Cementyt (Fe3C – węglik Ŝelaza, zwany teŜ
karbidkiem Ŝelaza, o zawartości 6,67% C) jest bardzo twardy; jego twardość leŜy między
twardością korundu i diamentu. Stal jest tym twardsza, im więcej zawiera składnika twardego,
cementytu – czyli im większy jest procent węgla (rys. 2).
Rys. 2. Wytrzymałość i wydłuŜenie podczas rozciągania stali w zaleŜności od zawartości węgla [4].
Wykres Ŝelazo-węgiel odnosi się do przemian w stanie zbliŜonym do równowagi, tj.
zachodzących bardzo wolno. Szybkości grzania czy chłodzenia nie są uwzględnione na
wykresie i dlatego, jeŜeli chodzi o hartowanie, to wykres daje tylko wskazówkę, do jakiej
temperatury naleŜy ogrzać stal, aby uzyskać zahartowanie [2].
Węgiel bardzo silnie wpływa na własności stali nawet przy nieznacznej zmianie jego
zawartości i z tego względu jest bardzo waŜnym składnikiem stali. Zwiększenie zawartości
węgla powoduje, jak juŜ poprzednio wspomniano, zmianę struktury stali. JeŜeli stal zawiera
mniej niŜ 0,8% C, to jej struktura składa się ferrytu i perlitu. Struktura stali zawierającej 0,8%
C składa się tylko z perlitu, natomiast w stali o zawartości powyŜej 0,8% C oprócz perlitu
występuje równieŜ cementyt wtórny. Zmiana struktury stali spowodowana róŜną zawartością
węgla wiąŜe się ściśle ze zmianą właściwości mechanicznych. Zwiększenie zawartości węgla
zwiększa wytrzymałość na rozciąganie Rm i zmniejsza plastyczność stali. Maksymalną
wytrzymałość osiąga stal przy zawartości ok. 0,85% węgla.
Przy większej zawartości węgla wytrzymałość zmniejsza się na skutek pojawiania się
coraz większej ilości cementu wtórnego, który wydziela się na granicach ziarn.
Zwiększenie zawartości węgla obniŜa właściwości plastyczne, pogarsza równieŜ własności
technologiczne stali węglowej; szczególne znaczenie ma pogorszenie spawalności.

15
Za domieszki zwykłe stali uwaŜa się mangan, krzem, fosfor, siarkę oraz wodór, azot i tlen,
poniewaŜ te pierwiastki występują zawsze w mniejszej lub większej ilości w przemysłowych
gatunkach stali. Zawartość tych pierwiastków w stalach węglowych nie przekracza zwykle
następujących granic: Mn do 0,8% (w niektórych gatunkach stali granica ta jest rozszerzona
do 1,5%), Si do 0,5%, P do 0,05% (z wyjątkiem stali automatowych), S do 0,05%
(z wyjątkiem stali automatowych).
Mangan wprowadza się do wszystkich stali w procesie stalowniczym w celu ich
odtlenienia, tj. usunięcia szkodliwego tlenku Ŝelazawego lub związania siarki w MnS, przez
co zapobiega się powstaniu FeS, powodującemu powstanie kruchości stali na gorąco.
W ilościach (1,0–1,5)% Mn rozpuszczając się zarówno w ferrycie, jak i w cementycie
umacnia roztworowo stal, zmniejsza wielkość ziarna ferrytu w wyrobach walcowanych na
gorąco oraz zwiększa hartowność. PoniewaŜ jednak wszystkie stale węglowe mają zazwyczaj
mniej więcej taką samą zawartość manganu, to jego wpływ na własności róŜnych gatunków
tych stali jest jednakowy.
Krzem w ilościach do 0,5% jest dodawany do stali podczas jej wytapiania w celu
odtlenienia.W ilościach (0,5–1,0)% jest dodawany w celu umocnienia ferrytu. W większych
ilościach (0,5–4,5)% powoduje zwiększenie oporu elektrycznego oraz zmniejszenie stratności
stali magnetycznie miękkich. Zwiększa równieŜ Ŝaroodporność stali. Krzem stabilizuje bardzo
mocno ferryt, dlatego stale zawierające więcej niŜ 3% Si zachowują strukturę ferrytyczną od
temperatury otoczenia do temperatury solidusu. Wpływ krzemu, który rozpuszcza się
w ferrycie, jest podobny do wpływu manganu.
Fosfor dostaje się do stali z rud Ŝelaza, które zawierają róŜne jego ilości. Podczas
wytapiania stali fosfor zostaje z niej usunięty w mniejszym lub większym stopniu, zaleŜnie od
rodzaju procesu stalowniczego. Fosfor rozpuszczony w ferrycie (graniczna rozpuszczalność
w temperaturze pokojowej wynosi ok. 1,2%) zmniejsza bardzo znacznie jego plastyczność
i podwyŜsza temperaturę, w której stal staje się krucha, wywołując tzw. kruchość na zimno.
Ten wpływ fosforu jest bardzo wyraźny wówczas, gdy jego zawartość w stali jest większa niŜ
0,1%. Jednak w stalach przeznaczonych na odpowiedzialne wyroby zawartość nawet 0,05% P
jest niebezpieczna i naleŜy jej unikać, poniewaŜ w czasie krystalizacji stali zachodzi silna
segregacja fosforu, wskutek czego w pewnych miejscach zawartość fosforu będzie dość
znaczna i będzie powodować kruchość.W zaleŜności od przeznaczenia stali ustala się
ostrzejsze wymagania dotyczące zawartości fosforu (np. max 0,025%). NaleŜy zaznaczyć, Ŝe
w niektórych wyjątkowych przypadkach zawartość fosforu w stali moŜe być poŜyteczna. Na
przykład w stalach automatowych dodatek ok. 0,1% P polepsza skrawalność, zaś do ok.
0,35% – zwiększa odporność na ścieranie. Przy jednoczesnej zawartości miedzi, fosfor
zwiększa odporność stali na korozję atmosferyczną.
Siarka podobnie jak fosfor dostaje się do stali z rud Ŝelaza, a ponadto z gazów
piecowych, tzn. z produktów spalania paliwa zawierających dwutlenek siarki (SO2). Siarkę
moŜna w znacznej mierze usunąć ze stali, jeŜeli stosuje się podczas wytapiana zasadowy
proces martenowski lub zasadowy proces elektryczny. W stalach wysokojakościowych
zawartość siarki ogranicza się zazwyczaj do 0,02–0,03%. W stali zwykłej jakości dopuszcza
się większą zawartość siarki (do 0,05%). Siarka nie rozpuszcza się w Ŝelazie, lecz tworzy
siarczek Ŝelazawy FeS, który jest składnikiem eutektyki Fe + FeS o temperaturze topnienia
985°C. Występowanie w stalach tej łatwo topliwej i kruchej eutektyki, rozmieszczonej
przewaŜnie na granicach ziarn, powoduje kruchość stali nagrzanych do temperatury 800°C
i powyŜej. Zjawisko to nosi nazwę kruchości na gorąco. Wskutek tej wady, stal zawierająca
większy procent siarki nie nadaje się do przeróbki plastycznej na gorąco. W stali pojawiają się
naderwania i pęknięcia, m.in. dlatego, Ŝe podczas nagrzewania poczynając od temperatury
985°C, zachodzi nadtapianie otoczek z siarczku Ŝelazawego wokół ziarn. Z tego powodu
naleŜy uwaŜać siarkę za szkodliwą domieszkę stali.

16
Dodatek manganu do stali zmniejsza szkodliwe działanie siarki, gdyŜ wówczas w ciekłej
stali następuje reakcja, w wyniku której tworzy się siarczek manganawy MnS. Siarczek ten
topi się w 1620°C, a więc w temperaturze o wiele wyŜszej niŜ temperatura przeróbki
plastycznej na gorąco (800–1200°C). Siarczki w temperaturze przeróbki plastycznej na gorąco
są plastyczne i ulegają odkształceniu, tworząc wydłuŜone wtrącenia. Pogarszają one
wytrzymałość na zmęczenie i obciąŜenia dynamiczne stali. Siarka pogarsza równieŜ
spawalność stali. Natomiast siarka, podobnie jak fosfor, polepsza skrawalność stali i w ilości
0,15–0,30% jest wprowadzana celowo do stali automatowych.
Wodór, azot i tlen występują w stali w nieduŜych ilościach, a ich zawartość zaleŜy
w duŜym stopniu od sposobu wytapiania.
W stali będącej w stanie stałym, gazy mogą występować w kilku postaciach:
− w stanie wolnym, skupiając się w róŜnych nieciągłościach wewnątrz metalu najczęściej
tworząc tzw. pęcherze,
− mogą być rozpuszczone w Ŝelazie,
− mogą tworzyć związki (azotki, tlenki) występujące w stali jako tzw. wtrącenia
niemetaliczne.
Wpływ wodoru na własności stali jest zdecydowanie ujemny. Rozpuszcza się on
stosunkowo łatwo w Ŝelazie i to w całym zakresie temperatury, szczególnie zaś przy przejściu
fazy Feα w Feγ (patrz układ Ŝelazo-wegiel) oraz w stanie ciekłym. Zmniejsza on w znacznym
stopniu właściwości plastyczne i technologiczne stali oraz powoduje występowanie wielu wad
materiałowych, jak np. tzw. płatków śnieŜnych (tj. wewnętrznych pęknięć o jasnej
powierzchni), odwęglania, skłonności do tworzenia pęcherzy przy trawieniu itp.
Azot powoduje zwiększenie wytrzymałości i zmniejszenie plastyczności stali, co
objawiać się moŜe jako tzw. kruchość na niebiesko. Niekorzystne działanie azotu przejawia
się takŜe zwiększeniem skłonności stali do starzenia, powodowanym wydzielaniem się
azotków z przesyconego roztworu. Zjawisko to jest szczególnie niekorzystne w stalach
w stanie zgniecionym, gdyŜ wówczas występuje juŜ w temperaturze otoczenia. W niektórych
stalach stopowych azot jest stosowany jako korzystny dodatek stopowy stabilizujący austenit,
zastępując drogi nikiel.
Tlen występuje w stali głównie w postaci związanej, najczęściej tlenków FeO, SiO2,
Al2O3 i in. Tlen powoduje pogorszenie prawie wszystkich właściowości mechanicznych
i dlatego dąŜy się przez odpowiednie prowadzenie procesu metalurgicznego do obniŜenia
jego zawartości w stali. Odtlenianie stali przeprowadza się za pomocą stopów krzemu,
manganu i aluminium. Sposób odtleniania wywiera takŜe duŜy wpływ na wielkość ziarna stali
węglowej. Bardzo skutecznym sposobem zmniejszania ilości wodoru, azotui tlenu oraz
wtrąceń niemetalicznych w stali jest wytapianie lub odlewanie jej w próŜni. MoŜna w ten
sposób otrzymać stal o lepszych właściwościach dzięki większej czystości i prawie zupełnemu
brakowi rozpuszczonych w metalu gazów.
Klasyfikacji gatunków stali dokonuje się zgodnie z PN-EN 10020:1996 według składu
chemicznego oraz wg ich zastosowania i własności mechanicznych lub fizycznych.
Klasyfikacja stali według składu chemicznego:
− stale niestopowe (węglowe),
− stale stopowe.
Do stali niestopowych zalicza się te gatunki stali, w których zawartość pierwiastków jest
mniejsza od zawartości granicznych podanych w tabeli 1.
Do stali stopowych zalicza się gatunki stali, w których zawartość przynajmniej jednego
pierwiastka jest równa lub większa od zawartości granicznej podanej w tabeli 1.

17
Tabela 1. Granica między stalami niestopowymi i stopowymi [PN-EN 10020:1996].
Nazwa i symbol
chemiczny pierwiastka
Zawartość graniczna
(% wagowy)
Aluminium,
Bor,
Bizmut,
Chrom,
Cyrkon,
Kobalt,
Krzem,
Lantanowce,
Mangan,
Miedź,
Molibden,
Nikiel,
Niob,
Ołów.
Selen,
Tellur,
Tytan,
Wanad,
Wolfram,
Inne (kaŜdy oprócz
fosforu, siarki i azotu),
Al 0,10
B 0,0008
Bi 0,10
Cr* 0,30
Zr* 0,05
Co 0,10
Si 0,50
kaŜdy 0,05
Mn 1.65**
Cu* 0,40
Mo* 0,08
Ni* 0,30
Nb* 0,06
Pb 0,40
Se 0,10
Te 0,10
Ti* 0,05
V* 0,10
W 0,10
0,05
* JeŜeli te pierwiastki określa się dla stali w kombinacji dwu, trzech lub czterech, a ich
zawartości są mniejsze niŜ podane w tablicy, to przy kwalifikacji stali naleŜy dodatkowo
uwzględnić zawartość graniczną wynoszącą 70% sumy poszczególnych zawartości
granicznych tych dwu, trzech lub czterech pierwiastków.
** JeŜeli jest określona tylko maksymalna zawartość manganu, jego graniczna zawartość
wynosi 1,80% i nie stosuje się zasady 70%.
Klasyfikacja stali według zastosowania i własności mechanicznych lub fizycznych
Klasy jakości stali niestopowych:
− stale niestopowe podstawowe,
− stale niestopowe jakościowe,
− stale niestopowe specjalne.
Stale podstawowe to gatunki stali o takich wymaganiach jakościowych, jakie moŜna
osiągnąć w ogólnie stosowanym procesie stalowniczym, bez dodatkowych zabiegów
technologicznych. * Oznaczanie stali wg PN-EN 10027-1.
Wyroby z tych stali nie są przeznaczone do obróbki cieplnej (z wyjątkiem wyŜarzania
odpręŜającego, zmiękczającego i normalizowania). Z wyjątkiem manganu i krzemu (oraz
granicznych zawartości C, P, S), zawartość innych pierwiastków stopowych nie jest
wymagana. Nie określa się dodatkowych wymagań jakościowych dotyczących np. głębokiego
tłoczenia, ciągnienia, kształtowania na zimno itp.
Właściwości w stanie walcowanym na gorąco lub wyŜarzonym odpręŜające,
zmiękczająco albo normalizowanym powinny odpowiadać następującym wartościom
granicznym dla wyrobów o grubości do 16 mm:
− minimalna wytrzymałość na rozciąganie (Rm) < 690 MPa,
− minimalna granica plastyczności (Re) < 360 MPa,
− minimalne wydłuŜenie (A) . < 26%,
− minimalna praca łamania w temp. 20°C na próbkach wzdłuŜnych ISO < 27 J,

18
− minimalna średnica trzpienia w próbie zginania (e oznacza grubość próbki) >1 e,
− maksymalna zawartość węgla > 0,10%,
− maksymalna zawartość fosforu > 0,045%,
− maksymalna zawartość siarki > 0,045%.
Przykłady stali naleŜących do tej klasy:
− stale miękkie niskowęglowe na taśmy i blachy walcowane na gorąco lub na zimno
ogólnego zastosowania,
− stale konstrukcyjne walcowane na gorąco ogólnego zastosowania,
− stale do wyrobu walcówki do ciągnienia (drutu).
Stale niestopowe jakościowe to gatunki stali, których własności w stanie obrobionym
cieplnie w zasadzie się nie określa, nie określa się równieŜ czystości metalurgicznej wyraŜonej
stopniem zanieczyszczenia wtrąceniami niemetalicznymi. Ze względu na warunki stosowania
wyrobów ze stali jakościowych, wymagania dotyczące np. wraŜliwości na kruche pękanie,
regulowanej wielkości ziarna czy podatności na kształtowanie, są wyŜsze niŜ dla stali
podstawowych, co wymusza większą staranność podczas produkcji.
– stale na wyroby płaskie do kształtowania na zimno,
– stale konstrukcyjne o zawartości Pmax i Smax poniŜej 0,045%, np.:
• stale o podwyŜszonej wytrzymałości,
• stale do budowy statków,
• stale na wyroby ocynkowane ogniowo,
• stale na butle gazowe,
• stale na kotły i zbiorniki ciśnieniowe,
– stale z wymaganą podatnością na odkształcenie plastyczne,
– stale konstrukcyjne z wymaganą minimalną zawartością Cu,
– stale do zbrojenia betonu,
– stale szynowe,
– stale automatowe,
– stale do ciągnienia drutu,
– stale do spęczania na zimno,
– stale spręŜynowe,
– stale z wymaganymi własnościami magnetycznymi lub elektrycznymi,
– stale do produkcji blach cienkich, ocynowanych (na opakowania),
– stale do produkcji elektrod otulonych lub drutu spawalniczego o zawartości Pmax, i Smax
większej niŜ 0,02%.
Stale niestopowe specjalne charakteryzują się wyŜszym niŜ stale jakościowe stopniem
czystości metalurgicznej, szczególnie w zakresie zawartości wtrąceń niemetalicznych. Są one
przewaŜnie przeznaczone do ulepszania cieplnego lub hartowania powierzchniowego. Dzięki
dokładnemu doborowi składu chemicznego oraz przestrzeganiu specjalnych warunków
produkcji stali i kontroli przebiegu procesów technologicznych uzyskuje się róŜnorodne
własności przetwórcze i uŜytkowe stali. Często otrzymuje się równocześnie i w zawęŜonych
granicach np. wysoką wytrzymałość lub hartowność z równocześnie dobrą ciągliwością,
podatnością na kształtowanie, spawanie itp.
Stale niestopowe specjalne spełniają jeden lub więcej z niŜej wymienionych warunków:
− określona udarność w stanie ulepszonym cieplnie;
− określona hartowność lub twardość powierzchniowa w stanie hartowanym
i odpuszczonym lub utwardzonym powierzchniowo;
− określona mała zawartość wtrąceń niemetalicznych;
− określona maksymalna zawartość fosforu i siarki (kaŜdy z nich):

19
• < 0,020% według analizy wytopowej,
• < 0,025% według analizy chemicznej wyrobu (np. walcówka przeznaczona do
produkcji mocno obciąŜonych spręŜyn, elektrod, drutu do zbrojenia opon).
− stale konstrukcyjne o określonej minimalnej pracy łamania próbek wzdłuŜnych ISO
z karbem V, większej niŜ 27 J(dŜuli) w temperaturze -50°C,
− stale konstrukcyjne przeznaczone do produkcji reaktorów jądrowych, o ograniczonej
zawartości następujących pierwiastków: miedź < 0,10%, kobalt < 0,05%, wanad < 0,05%,
− stale do ulepszania cieplnego,
− stale do nawęglania,
− stale utwardzalne wydzieleniowo o wymaganej zawartości węgla minimum 0,25% lub
większej (w analizie wytopowej) i strukturze ferrytyczno-perlitycznej: zawierające jeden
lub więcej mikrododatków stopowych, takich jak niob albo wanad, jednak ich zawartość
powinna być niŜsza niŜ wartość graniczna dla stali stopowych; utwardzanie
wydzieleniowe uzyskuje się zwykle przez kontrolowane chłodzenie z temperatury
przeróbki plastycznej na gorąco,
− stale do spręŜania betonu,
− stale do ciągnienia (drutu),
− stale do spęczania na zimno,
− stale spręŜynowe,
− stale narzędziowe,
− stale o określonej przewodności elektrycznej (konduktywności) większej niŜ 9 S/m,
− stale do produkcji elektrod otulonych lub na drut spawalniczy o zawartości Pmax i Smax,
− mniejszej niŜ 0,02%.
Oznaczanie stali wg: PN-EN 10027-1 Systemy oznaczania stali. Znaki stali, symbole
główne
EN 10027-1:1992 jest zalecana przez CEN (Europejski Komitet Normalizacyjny) do
stosowania przez krajowe komitety normalizacyjne bez jakichkolwiek zmian. PN-EN 10027-1
jest identyczna z EN 10027-1:1992 i została ustanowiona przez Polski Komitet
Normalizacyjny 15.12.1994 r. W tej klasyfikacji oznaczeń stali wyróŜnia się dwie główne
grupy znaków:
− znaki zawierające symbole wskazujące na skład chemiczny stali,
− znaki zawierające symbole wskazujące na zastosowanie oraz mechaniczne lub fizyczne
własności stali.
W obu grupach znaków po symbolach głównych mogą być podawane symbole dodatkowe.
PoniŜej podano jedynie, z jakich symboli głównych składa się znak stali. W przypadku staliwa
znak gatunku zawierający symbole wskazujące na skład chemiczny poprzedza
litera G.
Oznaczanie stali wg składu chemicznego
W znakach stali wg składu chemicznego wyróŜnia się cztery podgrupy:
− stale niestopowe (bez stali automatowych) o średniej zawartości manganu <1%. Znak
tych stali składa się z następujących symboli głównych, umieszczonych kolejno po sobie:
litery C i liczby będącej 100-krotną średnią wymaganą zawartością węgla,
− stale niestopowe o średniej zawartości manganu ≥ 1 %,
− niestopowe stale automatowe,
− stale stopowe (bez stali szybkotnących) o zawartości kaŜdego pierwiastka
stopowego <5%.

20
Znak tych stali składa się z: liczby będącej 100-krotną wymaganą średnią zawartością
węgla, symboli pierwiastków chemicznych składników stopowych stali w kolejności
malejącej zawartości pierwiastków oraz liczb oznaczających zawartości poszczególnych
pierwiastków stopowych w stali. KaŜda liczba oznacza odpowiednio, średni procent
zawartości pierwiastka pomnoŜony przez współczynnik wg tableli 2 i zaokrąglony do
najbliŜszej liczby całkowitej. Liczby oznaczające zawartości poszczególnych pierwiastków
stopowych naleŜy oddzielić poziomą kreską.
Tabela 2. Współczynnik do ustalania symboli liczbowych pierwiastków stopowych przy oznaczaniu stali
stopowych (bez stali szybkotnących) o zawartości kaŜdego pierwiastka stopowego <5%
[PN-EN100271].
Pierwiastek Współczynnik
Cr, Co, Mn, Ni, Si, W 4
Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, 10
Ce, N, P, S 100
B 1000
Na przykład 55NiCrMoV6-2-2 jest znakiem stali o średnim składzie: 0,55% C, l,5%Ni,
0,6% Cr, 0,2% Mo i poniŜej 0,1 % V (jest to stal narzędziowa do pracy na gorąco).
Stale niestopowe podstawowe konstrukcyjne są stosowane zazwyczaj w stanie
surowym lub rzadziej w stanie normalizowanym. Według PN-88/H-84020 rozróŜnia się 6
podstawowych gatunków stali w tej grupie. W zaleŜności od składu chemicznego
i wymaganych własności mechanicznych. Znak gatunku stali składa się z liter St oraz liczby
porządkowej 0, 3, 4, 5, 6 lub 7. Gatunki stali przeznaczone na konstrukcje spawane o liczbie
porządkowej 0, 3 i 4 oznacza się dodatkowo literą S (np. St0S, St3S, St4S) oraz w przypadku
określonej zawartości miedzi (z wyjątkiem St0S) dodatkowo literami Cu (np. St3SCu.
St4SCu). Gatunki o liczbie porządkowej 3 i 4 o podwyŜszonych wymaganiach jakościowych
(o obniŜonej zawartości C oraz P i S) oznacza się dodatkowo literą V lub W (np. St3V, St4W).
Znak gatunku stali St5, St6 i St7 w przypadku określonej dodatkowo zawartości węgla,
manganu i krzemu uzupełnia się na początku literą M (np. MSt5). Gatunki stali o liczbie
porządkowej 3 i 4 z literą S lub V mogą być dodatkowo oznaczane literą X w przypadku stali
nieuspokojonej (np. St3SX, St3VX, St3ScuXC) lub literą Y w przypadku stali półuspokojonej
(np. StSCuY, St4SY, St4W). Skład chemiczny i własności mechaniczne tych stali podane są
w tabeli 3.

21
Tabela 3. Skład chemiczny i własności stali węglowych konstrukcyjnych ogólnego zastosowania
[PN-88/H-84020],
* dla wyrobów o średnicy lub grubości 16–40 mm,
** dla wyrobów o średnicy lub grubości 3–100 mm,
*** dla wyrobów o średnicy lub grubości 3–40 mm.
Kierunek osi próbki: W – wzdłuŜny, P – poprzeczny (w stosunku do kierunku
walcowania).Gatunki stali o liczbie porządkowej 3 i 4 mogą mieć dodatkowo określoną
wymaganą udarność w temperaturze +20°C, 0°C i -20°C. Szczegółowe wymagania odnośnie
do tych odmian stali i ich oznaczenia podane są w PN-88/H-84020. Znaki gatunków tych stali
uzupełnia się na końcu znakiem odmiany plastyczności B, C, D lub U, M, J (np. St3SYU,
St4WD).
Stale niestopowe do ulepszania cieplnego i utwardzania powierzchniowego naleŜą do
grupy stali o wyŜszych wymaganiach w porównaniu do stali jakościowych i charakteryzują się
wyŜszym stopniem czystości. Zawartość fosforu i siarki nie moŜe w nich przekraczać po
0,040%. Są przeznaczone do wyrobu maszyn i urządzeń i stosuje się je w stanie ulepszonym
cieplnie, normalizowanym, hartowanym powierzchniowo lub po nawęglaniu. Dzięki
dokładnemu doborowi składu chemicznego oraz przez zastosowanie specjalnych warunków
wytwarzania uzyskuje się wymagane właściwości technologiczne i uŜytkowe często
w kombinacji z wysoką lub wąsko ograniczoną wytrzymałością lub hartownością. Znak tych
stali wg PN-93/H-84019 składa się z liczb dwucyfrowych, które mogą być uzupełnione
literami. Liczby te określają przybliŜone średnie zawartości węgla w setnych częściach
procentu (np. 10, 15, 20, 25, 30 itd). Litery po liczbach oznaczają:
G – stal o podwyŜszonej zawartości manganu,
A – stal o podwyŜszonej czystości w zakresie fosforu i siarki,
AA – stal o zaostrzonych wymaganiach w zakresie składu chemicznego (np. dotyczących
zawartości węgla, obniŜonej zawartości fosforu i siarki ,ograniczonej sumie zawartości
Cr+Mo+Ni, itp.),
rs – stal o regulowanej zawartości siarki,
h – stal o wymaganej hartowności,
H – stal o podwyŜszonej dolnej granicy twardości w stosunku do wymaganego pasma
hartowności,

22
L – stal o obniŜonej granicy twardości w stosunku do wymaganego pasma hartowności, przy
czym cyfry (np. 4, 5, 15) po literach hH i hL oznaczają odległości od czoła próbki
w milimetrach (4 mm, 5 mm, 15 mm).
Skład chemiczny niektórych stali niestopowych do nawęglania oraz normalizowania,
ulepszania cieplnego i hartowania powierzchniowego podano w tabeli 4.
Tabela 4. Skład chemiczny niektórych gatunków stali niestopowej specjalnej do nawęglania oraz
normalizowania, ulepszania cieplnego i hartowania powierzchniowego [PN-93/H-840191].
Własności mechaniczne w stanie normalizowanym i dla porównania w stanie ulepszonym
cieplnie (po hartowaniu i odpuszczaniu w temperaturze 550–660°C) niektórych stali podano
w tabeli 5. NaleŜy zwrócić uwagę, Ŝe wytrzymałość na rozciąganie RM, granica plastyczności
Re i udarność KCU2 są znacznie wyŜsze w stanie ulepszonym cieplnie, w porównaniu ze
stanem normalizowanym, a dla stali o większej zawartości węgla (gatunku 55, 60) większe
jest równieŜ wydłuŜenie.
Stale niestopowe jakościowe i specjalne o określonym zastosowaniu
W przemyśle, oprócz omówionych wyŜej stali węglowych konstrukcyjnych ogólnego
zastosowania, stosuje się równieŜ wiele gatunków stali węglowych o określonym z góry
zastosowaniu. Stale te z uwagi na konieczność zapewnienia szczególnych własności
uŜytkowych lub technologicznych mają skład chemiczny róŜniący się od składu stali
węglowych ogólnego zastosowania i to zarówno w odniesieniu do składników zasadniczych,
jak i przypadkowych lub zanieczyszczeń. Poza tym, w niektórych przypadkach stale te
wykazują wyŜsze lub niŜsze własności mechaniczne, w porównaniu do odpowiednich stali
ogólnego zastosowania o zbliŜonym składzie chemicznym, jednakŜe zapewniają Ŝądane
własności technologiczne i uŜytkowe.

23
Tabela 5. Własności mechaniczne niektórych gatunków stali niestopowej specjalnej w stanie normalizowanym
oraz ulepszonym cieplnie wg (dla wyrobów o średnicy lub grubości mniejszej od 16 mm)
[PN-93/H84019].
* Dla większych wartości grubości wyrobów własności wytrzymałościowe są niŜsze.
** N – normalizowanie.
*** T – ulepszanie cieplne (hartowanie i odpuszczanie wysokie).
Wśród stali węglowych konstrukcyjnych o określonym zastosowaniu moŜna wyodrębnić
następujące waŜniejsze grupy gatunków:
− stale do wyrobu drutu do patentowania, na liny, na spręŜyny, do konstrukcji spręŜanych,
− drutu ogólnego przeznaczenia i dla przemysłu włókienniczego (PN 91/H-84028);
− stale dla kolejnictwa (PN-84/H-84027, PN-91/H-84027/03, PN-88/H-84027/04-05);
− stale do wyrobu rur (PN-89/H-84023/07);
− stale do wyrobu nitów (PN-89/H-84023/04-05);
− stale na blachy kotłowe (PN-81/H-92123);
− stale do budowy mostów (PN-89/H-84023/04);
− stale na blachy grube i uniwersalne do budowy statków (PN-85/H-92147);
− stale na blachy karoseryjne (PN-89/H-84023/03);
− stale do wyrobu ogniw łańcuchów technicznych i okrętowych (PN-89/H-84023/08);
− stale automatowe (łatwo obrabialne mechanicznie) (PN-73/H-84026);
– stale magnetycznie miękkie (PN-89/H-84023/02).
Stale niestopowe przeznaczone na walcówkę do produkcji drutu są wysokiej czystości.
Zawartość węgla w tych stalach zawiera się w granicach 0,33–0,98%. W stalach o najwyŜszej
czystości do wyrobu drutu na liny zawartość fosforu i siarki nie moŜe przekroczyć po 0,020%,
ale łącznie zawartość P+S nie moŜe być wyŜsza niŜ 0,035%.
Oznaczanie stali wg zastosowania i własności
Znak stali oznaczanych wg ich zastosowania i własności mechanicznych lub fizycznych
zawiera następujące główne symbole:
a) S – stale konstrukcyjne, P – stale pracujące pod ciśnieniem, L – stale na rury
przewodowe, E – stale maszynowe, za którymi umieszcza się liczbę będącą minimalną
granicą plastyczności w MPa;

24
b) B – stale do zbrojenia betonu, za którym umieszcza się liczbę będącą charakterystyczną
granicą plastyczności,
c) Y – stale do betonu spręŜonego, R – stale na szyny lub w postaci szyn, za którymi
umieszcza się liczbę będącą wymaganą minimalną wytrzymałością na rozciąganie,
d) H – wyroby płaskie walcowane na zimno ze stali o podwyŜszonej wytrzymałości
przeznaczone do kształtowania na zimno, za którym umieszcza się liczbę będącą
wymaganą minimalną granicą plastyczności albo, jeŜeli jest wymagana tylko
wytrzymałość na rozciąganie, wtedy umieszcza się literę T, za którą podaje się wymaganą
minimalną wytrzymałość na rozciąganie,
e) D – wyroby płaskie ze stali miękkich przeznaczonych do kształtowania na zimno, za
którym umieszcza się jedną z następujących liter:
1) C – dla wyrobów walcowanych na zimno,
2) D – dla wyrobów walcowanych na gorąco przeznaczonych do kształtowania na zimno,
3) X – dla wyrobów bez charakterystyki walcowania (na zimno lub na gorąco); oraz dwa
symbole cyfrowe lub literowe charakteryzujące stal,
f) T – wyroby walcowni blachy ocynowanej, za którym umieszcza się:
1) dla wyrobów o jednokrotnie redukowanej grubości – literę H, za którą podaje się
liczbę będącą wymaganą nominalną twardością wg HR 30Tm;
2) dla wyrobów o dwukrotnie redukowanej grubości – liczbę będącą wymaganą
nominalną granicą plastyczności,
g) M – stale elektrotechniczne, za którym umieszcza się:
1) liczbę, będącą 100-krotną wymaganą maksymalną stratnością w W·kg-1,
2) liczbę, będącą 100-krotną nominalną grubością wyrobu w mm,
3) liczbę, oznaczającą rodzaj blachy lub taśmy elektrotechnicznej, tj.:
A – o niezorientowanym ziarnie,
D – ze stali niestopowych, nie wyŜarzonych końcowo (odpręŜająco),
E – ze stali stopowych, nie wyŜarzonych końcowo,
N – o normalnie zorientowanym ziarnie,
S – o zorientowanym ziarnie i zmniejszonej stratności,
P – o zorientowanym ziarnie i duŜej przenikalności magnetycznej.
1. Co to jest stal?
2. Co to jest stal węglowa (niestopowa)?
3. Jakie znasz rodzaje stali węglowych (niestopowych)?
4. Co to są przemiany fazowe?
5. Jak oznaczamy stale węglowe?
4.2.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Odczytaj z PN i katalogów właściwości i zastosowanie następujących stali:
− St0SX,
− St3W,
− 10,
− 45G.

25
1) zapoznać się z otrzymanymi normami i katalogami,
2) odszukać podane gatunki stali,
3) zapisać właściwości i zastosowania wymienionych gatunków stali,
4) zaprezentować efekt swojej pracy.
− PN i katalogi zawierające informacje o stalach węglowych,
Ćwiczenie 2
Odszukaj w PN i katalogach stale do nawęglania i do ulepszania cieplnego, wypisz ich
skład chemiczny oraz właściwości i zastosowanie.
2) odszukać odpowiednie gatunki stali,
4) uporządkować w grupie odnalezione informacje,
5) zaprezentować efekty pracy.
WyposaŜenie stanowiska pracy:
Czy potrafisz:
Tak Nie
1) wyjaśnić pojęcie stal węglowa?
2) wyjaśnić, jaki wpływ na właściwości stali ma zawartość węgla?
3) określić domieszki zwykłe w stali?
4) wyjaśnić, jaki wpływ na właściwości stali ma siarka?

26
4.3. Stale stopowe: wpływ dodatków stopowych na
właściwości stali, klasyfikacja stali, znakowanie stali
Stalą stopową nazywa się stal, do której celowo wprowadzono pierwiastki stopowe, aby
nadać jej wymagane właściwości. Według Polskich Norm do stali stopowych zalicza się
gatunki stali, w których najmniejsza wymagana zawartość chociaŜby jednego z pierwiastków
jest równa lub większa niŜ podano w tabeli 1.
Wprowadzenie do stali dodatków stopowych moŜe mieć na celu:
− uzyskanie określonych właściwości wytrzymałościowych,
− wywołanie poŜądanych zmian strukturalnych,
− uzyskanie specjalnych właściwości chemicznych lub fizycznych,
− podwyŜszenie hartowności,
− ułatwienie technologii i polepszenie efektów obróbki cieplnej.
Najczęściej stosowanymi dodatkami stopowymi są: mangan, krzem, chrom, nikiel,
molibden, wanad, wolfram. Nieco rzadziej stosuje się aluminium, kobalt, tytan i niob. Ponadto
coraz częściej jako celowe dodatki stopowe zyskują na znaczeniu bor i azot.
Wpływ pierwiastków stopowych na strukturę i właściwości stali
Pierwiastki stopowe dodawane do stali w procesie metalurgicznym w przewaŜającej ilości
przechodzą do roztworu ciekłego. Po skrzepnięciu stali pierwiastki stopowe mogą wystąpić
w następujących fazach:
− w roztworach stałych: ferrycie i austenicie,
− w związkach z węglem i azotem: węglikach, azotkach i węgliko-azotkach,
− w związkach międzymetalicznych,
− w postaci wolnej (czystego pierwiastka).
Ze względu na róŜnice potencjału chemicznego pierwiastków w poszczególnych fazach,
składniki stopowe nie są równomiernie rozłoŜone we wszystkich składnikach strukturalnych
stopu, ale wykazują tendencję do skupiania się w poszczególnych fazach. Węgliki są w stalach
tworzone przez metale połoŜone w układzie okresowym na lewo od Ŝelaza (Mn, Cr, V, Ti,
Mo, Nb, Zr, W, Ta, Hf). Pierwiastki te naleŜą podobnie jak Ŝelazo, do metali przejściowych.
Im dalej na lewo od Ŝelaza znajduje się w układzie okresowym pierwiastek węglikotwórczy,
tym aktywniej łączy się z węglem i trwałość utworzonych węglików jest większa. Według
wzrastającej skłonności do tworzenia w stali węglików, pierwiastki węglikotwórcze moŜna
uszeregować w następującej kolejności: Fe, Mn, Cr, W, Mo, V, Ti, Zr, Nb.
W stalach powstają najczęściej następujące węgliki:
− węgliki grupy I – Fe3C, Mn3C, Cr23C6, Cr7C3, Fe3Mo3C, Fe3W3C,
− węgliki grupy II – VC, TiC, NbC, ZrC, WC, W2C, Mo2C, TaC, Ta2C.
NajwaŜniejszy dla praktyki, wpływ pierwiastków stopowych polega na zmniejszeniu
szybkości rozkładu austenitu w zakresie jego przemiany w struktury perlityczne. Zapewnia to
większą hartowność stali, a przechłodzenie austenitu do zakresu przemiany martenzytycznej
moŜna osiągnąć stosując powolniejsze chłodzenie, np. podczas chłodzenia w oleju lub
w powietrzu. Zwiększenie hartowności jest szczególnie duŜe, gdy stal zawiera jednocześnie
kilka pierwiastków stopowych, np. nikiel, chrom i molibden itp. Stwierdzono równieŜ, Ŝe
bardzo małe dodatki niektórych pierwiastków zwiększają bardzo wyraźnie hartowność stali,
natomiast większa ich zawartość nie wywołuje tak skutecznego działania. Do takich
pierwiastków naleŜy przede wszystkim bor (B). Optymalna zawartość boru w stali,

27
zapewniająca największą hartowność wynosi zaledwie 0,001–0,003%. W razie większej ilości
boru jego stęŜenie na granicach ziarn austenitu przekracza maksymalną rozpuszczalność,
wskutek czego powstają odrębne fazy zawierające bor (borki), które jako ośrodki krystalizacji
ułatwiają wykrystalizowanie struktur perlitycznych i hartowność zmniejsza się.
Klasyfikacja stali wg struktury po wyŜarzaniu i po chłodzeniu na powietrzu
Przyjmując zasadę podziału wg struktury w stanie wyŜarzonym, moŜna wyróŜnić
następujące grupy stali stopowych:
− podeutektoidalne, w których strukturze obok perlitu występuje wolny ferryt,
− eutektoidalne, o strukturze perlitycznej,
− nadeutektoidalne, zawierające w strukturze wydzielone z austenitu węgliki wtórne,
− ledeburytyczne, w których strukturze występuje eutektyka – ledeburyt, zawierająca,
− węgliki pierwotne wydzielone z ciekłej stali,
− ferrytyczne, ewentualnie z wydzieleniami węglików,
− austenityczne, mogące równieŜ zawierać wydzielone węgliki.
Zgodnie z wykresem Fe-Fe3C stale węglowe podeutektoidalne zawierają mniej niŜ 0,8%
C, eutektoidalne ok. 0,8% C, nadeutektoidalne 0,8–2,0% C, ledeburytyt natomiast pojawia się
powyŜej ok. 2% C. PoniewaŜ jednak większość pierwiastków stopowych przesuwa punkty S
i E wykresu Fe-Fe3C w lewo, tj. w kierunku mniejszych zawartości węgla, więc granica
między stalami podeutektoidalnymi i nadeutektoidalnymi oraz nadeutektoidalnymi
i ledeburytycznymi odpowiada w stalach stopowych mniejszym zawartościom węgla niŜ
w stalach węglowych. Stale ferrytyczna i austenityczna są to najczęściej stale o duŜej
zawartości dodatków stopowych i niskiej zawartości węgla.
Podział stali stopowych ze względu na strukturę przeprowadza się równieŜ w zaleŜności
od tego, jaką strukturę otrzymuje się po ochłodzeniu w spokojnym powietrzu próbek
o nieduŜym przekroju. Struktura ta moŜe się zasadniczo róŜnić od struktury uzyskanej po
wyŜarzaniu. W tym przypadku moŜna rozróŜnić trzy podstawowe klasy stali:
– perlityczną,
– martenzytyczną,
– austenityczną.
Klasę perlityczną cechuje dość mała zawartość pierwiastków stopowych, stale klasy
martenzytycznej zawierają więcej, a klasy austenitycznej najwięcej tych pierwiastków.
Wytworzenie się jednej z tych trzech struktur stali następuje wskutek tego, Ŝe w miarę
zwiększania się zawartości pierwiastków stopowych wzrasta trwałość przechłodzonego
austenitu, zaś początek przemiany martenzytycznej obniŜa się w kierunku niŜszych
temperatur. NaleŜy podkreślić, Ŝe podana klasyfikacja jest umowna i ma znaczenie
w przypadku chłodzenia w powietrzu próbek o dość małych wymiarach. Zmieniając warunki
chłodzenia, moŜna oczywiście otrzymać w tej samej stali róŜne struktury.
Oznaczanie stali stopowych konstrukcyjnych i maszynowych
Sposób oznaczania róŜnych gatunków stali stopowych konstrukcyjnych został
opracowany i ujęty przez Polską Normę PN-89/H-84030/01. Stale stopowe konstrukcyjne
oznaczane są za pomocą znaku składającego się z: cyfr i liter. Pierwsze dwie cyfry określają
średnią zawartość węgla w setnych procenta. Litery oznaczają pierwiastki stopowe:
– G – mangan,
– S – krzem,
– H – chrom,
– N – nikiel,
– M – molibden,
– T – tytan,

28
– F – wanad (takŜe V),
– J – aluminium.
Liczby występujące za literami oznaczają zaokrąglone do liczby całkowitej średnie
zawartości składnika w stali w przypadku, gdy jego średnia zawartość przekracza 1,5%
(w przypadku stali niskostopowych, gdy średnia zawartość składnika przekracza 1%).
Stale o wyŜszych wymaganiach co do składu chemicznego (np. co do zawartości fosforu
i siarki) oznacza się na końcu znaku literą A. Stale przetapiane elektroŜuŜlowo oznacza się
przez dodanie na końcu znaku stali ś. Stale modyfikowane związkami chemicznymi litu, sodu
lub wapnia i innymi oznacza się literą D. Według takich samych zasad, jak stale stopowe
konstrukcyjne, oznacza się stale odporne na korozję i stale Ŝaroodporne. Natomiast stale
stopowe narzędziowe oznacza się w odrębny sposób wg dawnych cech hutniczych.
Stale niskostopowe o podwyŜszonej wytrzymałości
W wyniku dąŜenia do obniŜania cięŜaru konstrukcji, zwłaszcza budowlanych. i poprawy
wskaźników uŜytkowych opracowanych zostało szereg gatunków stali niskostopowych, które
bez dodatkowej obróbki cieplnej odznaczają się lepszymi własnościami mechanicznymi niŜ
stale węglowe. Są to stale zawierające niewielkie dodatki składników stopowych i wykazujące
w stanie dostawy podwyŜszone własności wytrzymałościowe i strukturę ferrytyczno-
perlityczną. Stale te są stosowane głównie na konstrukcje budowlane, mosty, siatki i pręty do
zbrojenia betonu, na zbiorniki i rury ciśnieniowe. Od materiałów tych, oprócz odpowiednio
duŜych wartości Re i Rm, wymaga się odpowiedniej plastyczności, niskiej wartości
temperatury progu kruchości, dobrej spawalności oraz niskiej ceny.
Jedną z grup stali spawalnych o podwyŜszonej wytrzymałości stanowią stale
niskostopowe ostrukturze ferrytyczno-perlitycznej zawierające maksymalnie 0,20%C dodatek
manganu max do ok. 1,8% oraz mikrododatki Al, V, Ti, Nb i N, tworzące dyspersyjne
wydzielenia węglików i azotków. Zawartości tych pierwiastków na ogół nie przekraczają
0,02% Al, 0,15% V, 0,05% Nb oraz do ok. 0,025% N. Stale te stosowane po regulowanym
walcowaniu lub normalizowaniu zapewniają uzyskanie granicy plastyczności Re
305–460 MPa (dla wyrobów o grubości 3–16 mm).
Polska Norma PN-86/H-84018 obejmuje 11 gatunków stali niskostopowych podwyŜszonej
wytrzymałości oznaczonych znakami:
09G2, 18G2A, 09G2Cu, 18G2ACu,15GA 18G2ANb, 15G2Anb, 18G2AV,15G2ANNb,
18G2AVCu, 18G2.
Stale te, w zaleŜności od wymaganych własności wytrzymałościowych na rozciąganie
i technologicznych na zginanie, dzielą się na 7 kategorii oznaczonych symbolami E305, E325,
E355, E390, E420, E440, E460. Trzycyfrowa liczba po literze E oznacza w przybliŜeniu granicę
plastyczności Re w MPa. Granica ta wykazuje pewne niewielkie róŜnice w zaleŜności od
grubości wyrobu (3–70 mm). NaleŜy określić, Ŝe stale te mają znacznie wyŜszą (o 50–80%)
granicę plastyczności w porównaniu ze stalami węglowymi zwykłej jakości przeznaczonymi do
spawania, co stwarza moŜliwość uzyskania znacznych oszczędności materiałowych.
W zaleŜności od wymaganej udarności w temperaturze od +20 do -60°C stale te dzielą się na
odmiany. Jak wspomniano juŜ na wstępie, omawiana grupa stali musi charakteryzować się
dobrą spawalnością.
Stale niskostopowe o podwyŜszonej wytrzymałości ujęte w PN-86/H-84018 mają ekwiwalent
węgla CE nie przekraczający 0,44–0,52.
Stale stopowe konstrukcyjne i maszynowe do ulepszania cieplnego
W przypadkach nie pozwalających na uŜycie stali węglowych ze względu na małą
hartowność lub teŜ zbyt niskie własności wytrzymałościowe, stosuje się stale stopowe
konstrukcyjne i maszynowe do ulepszania cieplnego. Wykonuje się z nich głównie wysoko

29
obciąŜone i waŜne elementy konstrukcyjne maszyn, silników, pojazdów mechanicznych itp.,
zwłaszcza o duŜych przekrojach.
Grupa stali konstrukcyjnych stopowych do ulepszania cieplnego obejmuje znaczną ilość
gatunków o bardzo zróŜnicowanym składzie chemicznym. Polskie Normy wyszczególniają 35
gatunków stali stopowych konstrukcyjnych do ulepszania cieplnego (PN-89/H-84030/04) oraz
ponadto 9 gatunków stali o większej zawartości pierwiastków stopowych, przeznaczonych do
wyrobu sprzętu szczególnie obciąŜonego PN-72/H-84035), np. sprzętu lotniczego, części
silników spalinowych itp. Skład chemiczny tych dwóch grup stali oraz ich własności
mechaniczne podano w tabeli 6.
Tabela 6. Skład chemiczny niektórych stali stopowych konstrukcyjnych do ulepszania cieplnego
[PN-89/H-84030/04].
Zawartość w % Temperatura w °C
Znak stali
węgla
głównych
składników
stopowych
hartowania odpuszczania
Rm
MPa
min
A5%
min
Stale do nawęglania
15H
20H
16HG
18HGT
15HGM
17HGN
15HN
0,12–0,18
0,17–0,23
0,14–0,19
0,17–0,23
0,12–0,19
0,15–0,21
0,12–0,18
Cr 0,70–1,00
Cr 0,70–1,00
Cr 0,80–1,10
Cr 1,00–1,30
Mn 0,80–1,10
Cr 0,80–1,10
Mn 0,80–1,10
Mo 0,15–0,25
Cr 0,80–1,10
Mn 1,00–1,30
Ni 0,60–0,90
Cr 1,40–1,70
Ni 1,40–1,70
880 woda
lub olej
880 woda
lub olej
860 olej
870 olej
840 olej
lub woda
860 olej
860 olej
lub woda
180 powietrze
lub olej
180 powietrze
lub olej
180 powietrze
200 powietrze
lub olej
180 powietrze
160 powietrze
lub olej
190 powietrze
690
780
830
980
930
1030
980
12
11
12
9
11
11
12
Stale do ulepszania cieplnego
30G2
45G2
35SG
30H
40H
45H
35HGS
35HM
45HN
37HGNM
0,27–0,35
0,41–0,49
0,31–0,39
0,27–0,35
0,36–0,44
0,41–0,49
0,28–0,35
0,34–0,40
0,41–0,49
0,35–0,43
Mn 1,40–1,80
Mn 1,40–1,80
Mn 1,10–1,40
Si 1,10–1,40
Cr 0,80–1,10
Cr 0,80–1,10
Cr 0,80–1,10
Cr 0,80–1,10
Mn 0,80–1,10
Si 0,90–1,10
Cr 0,90–1,20
Mo 0,15–0,25
Cr 0,45–0,75
Ni 1,00–1,40
Cr 0,40–0,70
Mn 0,80–1,10
Ni 0,40–0,70
Mo 0,15–0,25
850 woda
lub olej
830 olej
900 woda
860 olej
850 olej
840 olej
880 olej
850 olej
820 olej
lub woda
850 woda
lub olej
530 powietrze
lub olej
580 powietrze
lub olej
590 woda
500 woda
lub olej
500 woda
lub olej
540 woda
lub olej
540 woda
lub olej
540 woda
lub olej
530 woda
lub olej
525 powietrze
780
880
880
880
980
1030
1080
980
1030
930
14
10
15
12
10
9
10
12
10
13

30
Stal do azotowania
38HMJ 0,35–0,42 Cr 1,35–1,65
Mo 0,15–0,25
Al, 0,70–1,10
940 olej
lub ciepła
woda
640 woda lub
olej
980 14
Obróbka cieplna stali stopowych konstrukcyjnych polega na hartowaniu w oleju
z temperatury 820–950°C oraz odpuszczaniu najczęściej w zakresie 500–650°C.
Własności mechaniczne zaleŜą od zawartości węgla i pierwiastków stopowych oraz od
temperatury odpuszczania. NiŜsza temperatura odpuszczania pozwala uzyskiwać wysokie
własności wytrzymałościowe przy gorszych plastycznych i odwrotnie, zaleŜnie od stawianych
wymagań.
Stale stopowe konstrukcyjne do nawęglania
Nawęglanie ma na celu uzyskanie twardej i odpornej na ścieranie warstwy wierzchniej
elementu konstrukcyjnego, przy zachowaniu wysokiej udarności i ciągliwości rdzenia.
Własności te uzyskuje się przez odpowiednią obróbkę cieplną. DuŜą twardość osiąga się przez
wzbogacenie warstwy powierzchniowej w węgiel i następnie zahartowanie. Drugim
zagadnieniem jest sprawa wytrzymałości rdzenia nawęglonego przedmiotu. Na ogół wymaga
się od rdzenia duŜej udarności i ciągliwości, aby skompensować niebezpieczeństwo, które
przedstawia warstwa powierzchniowa o duŜej twardości i kruchości. Z tego względu
zawartość węgla w stalach do nawęglania jest niska i wynosi zazwyczaj 0,10–0,25%,
natomiast wyŜszą wytrzymałość rdzenia uzyskuje się dzięki obecności pierwiastków
stopowych. W porównaniu ze stalami węglowymi stale stopowe do nawęglania mają wyŜszą
wytrzymałość na rozciąganie zarówno w stanie zmiękczonym, jak i zahartowanym, a dzięki
większej hartowności wysoką wytrzymałość moŜna uzyskać w elementach o większych
przekrojach przy jednocześnie duŜej udarności, duŜym przewęŜeniu i wydłuŜeniu. Przedmioty
wykonane ze stali stopowej charakteryzuje więc po nawęgleniu i zahartowaniu duŜa
wytrzymałość rdzenia, której nie moŜna uzyskać przy uŜyciu stali węglowych. Z tego względu
stal stopową do nawęglania stosuje się wyłącznie na wysoko obciąŜone, waŜne elementy
konstrukcyjne silników, pojazdów mechanicznych i samolotów oraz na inne odpowiedzialne
części maszyn. Aby spełnić zasadniczy postulat uzyskania najwyŜszej twardości
powierzchniowej, naleŜy warunki hartowania dostosować do składu chemicznego warstwy
nawęglonej, dla której właściwa temperatura hartowania jest znacznie niŜsza niŜ temperatura
hartowania właściwa dla rdzenia. Poza tym temperatura odpuszczania po hartowaniu musi być
niska, gdyŜ juŜ przy 150°C twardość warstwy nawęglanej zaczyna się zmniejszać. Wobec
tego, Ŝe własności stali do nawęglania nie moŜna zmieniać przez odpuszczanie, skład
chemiczny stali jest zasadniczym czynnikiem rozstrzygającym o własnościach
wytrzymałościowych rdzenia.
Wynika stąd, Ŝe dobrawszy odpowiednio zawartość pierwiastków stopowych moŜna
uzyskać jednocześnie potrzebną wytrzymałość rdzenia w wymaganym przekroju i poŜądaną
twardość powierzchniową po nawęgleniu. PoniewaŜ jednak kaŜdy gatunek stali pozwala na
osiągnięcie tylko wąskiego zakresu wytrzymałości rdzenia, aby uzyskać szeroki zakres
wytrzymałości Rm 700–1500 MPa i spełnić róŜnorodne wymagania dotyczące twardości
powierzchniowej, naleŜy mieć do dyspozycji dość duŜo gatunków stali do nawęglania.
Polskie Normy obejmują łącznie 20 gatunków stali stopowych do nawęglania. W grupie stali
stopowych konstrukcyjnych (PN-89/H-84030/02) Polskie Normy wyszczególniają 16
gatunków stali do nawęglania: 15H, 20H, 16HG, 20HG, 18HGT, 15HGM, 15HGMA,
18HGM, 17HGN, 15HGN, 15HN, 15HNA, 20HNM, 22HNM, 17HNM, 18H2N2 a w grupie
stali stopowych konstrukcyjnych przeznaczonych do wyrobu sprzętu szczególnie obciąŜonego

31
(PN-72/H-84035) – 4 gatunki stali do nawęglania: 12HN3A, 12H2N4A, 20H2N4A,
18H2N4WA. Stale te odznaczają się niską zawartością węgla (średnio 0,12–0,22%), zawierają
prawie zawsze 0,5–2% Cr oraz zaleŜnie od gatunku równieŜ Mn, Ni, Mo oraz rzadziej Ti i W.
NajniŜsze własności mechaniczne rdzenia uzyskuje się w przypadku stali chromowych
i chromowo-manganowych (15H, 20H, 16HG, 20HG). Mangan w omawianych stalach
sprzyja niekorzystnemu rozrostowi ziarn. Przeciwdziała się temu przez dodatek Ti, np. w stali
18HGT. Wobec mniejszej skłonności do rozrostu ziarn, stal moŜe być nawęglana w szerokim
zakresie temperatury. Wytrzymałość rdzenia na rozciąganie w tych stalach moŜe dochodzić do
ponad 1200 MPa. Stale chromowo-niklowe (15HN, 17HNM, 18H2N2) uzyskują znacznie
lepsze własności, ze względu jednak na drogi dodatek niklu zastępowane są coraz częściej
stalami chromowo-manganowo-molibdenowymi (15HGM, 18HGM, 19HM) równieŜ
wykazującymi wysokie własności mechaniczne i duŜą hartowność. Elementy maszyn
wymagające wysokich własności plastycznych rdzenia i jednocześnie bardzo wysokiej
wytrzymałości (Rm = 1200–1400 MPa), jak np. części silników lotniczych, wykonuje się ze
stali chromowo-niklowych wyŜszej jakości: większej zawartości chromu (ok. 1,5%) i niklu
(3–4,5%) z dodatkiem Mo (0,2–0,3) lub W (ok. 1%) (np. stali 12HN3A, 12H2N4A,
20H2N4A, 18H2N4WA).
Stale do azotowania
Dzięki zawartości niektórych pierwiastków stopowych, a w szczególności aluminium,
chromu i molibdenu stale stopowe do azotowania pozwalają na uzyskanie po azotowaniu
największej twardości i odporności na ścieranie warstwy wierzchniej, bez potrzeby stosowania
dodatkowej obróbki cieplnej. Twardość warstwy naazotowanej nie tylko nie zmniejsza się po
nagrzaniu do temperatury dochodzącej do 500°C, lecz takŜe pozostaje nie zmieniona podczas
dłuŜszego wygrzewania w tym zakresie temperatury.
W związku z tym stale do azotowania znajdują duŜe zastosowanie na cylindry, wały,
sworznie tłokowe i inne części silników spalinowych, na części turbin, armaturę do pary
przegrzanej, wrzeciona zaworów, sprawdziany itp. Czynnikiem rozstrzygającym o wysokiej
twardości naazotowanej warstwy powierzchniowej jest niemal wyłącznie skład chemiczny
stali, a mianowicie zawartość pierwiastków tworzących trwałe azotki (Al, Cr, Mo i V). Polska
Norma PN-89/H-84030/03 przewiduje 3 gatunki konstrukcyjnych stali stopowych do
azotowania: 38HMJ, 33H3MF i 25H3M.
Oprócz specjalnych gatunków do azotowania, równieŜ niektóre stale chromowo-
molibdenowe i zawierające wanad (40HMF, 40HGM, 35HM) mogą być stosowane do tego
celu, nie pozwalając jednak na uzyskanie maksymalnej twardości powierzchniowej. Przed
azotowaniem stale ulepsza się cieplnie, stosując hartowanie w wodzie lub oleju i wysokie
odpuszczanie, aby uzyskać moŜliwie wysokie własności wytrzymałościowe rdzenia. Stale te
dzięki większej zawartości węgla i pierwiastków stopowych odznaczają się duŜą
hartownością.
Stale narzędziowe zaliczane sa do stali specjalnych i są stosowane do wyrobu róŜnego
rodzaju narzędzi oraz bardziej odpowiedzialnych części przyrządów pomiarowych. Stale
narzędziowe dzieli się na węglowe, stopowe do pracy na zimno, stopowe do pracy na gorąco
i szybkotnące.
Stale węglowe narzędziowe (PN-84/H-85020) dzieli się na stale płytko hartujące się
i głęboko hartujące się. Stale płytko hartujące się są stosowane do wyrobu :narzędzi, których
średnica lub grubość nie przekracza 20 mm, a głęboko hartujące się do wyrobu narzędzi
o średnicy lub grubości ponad 20 mm. Znak stali węglowej narzędziowej składa się z litery N
oznaczającej stal narzędziową oraz z liczby określającej przybliŜoną zawartość węgla
wyraŜoną w dziesiętnych częściach procentu (np. N8). Stale płytko hartujące się mają
dodatkowo na końcu znaku literę E (np. N9E). Stale narzędziowe węglowe nadają się na

32
narzędzia, które nie nagrzewają się w czasie pracy do temperatury powyŜej 180°C, gdyŜ po
przekroczeniu tej temperatury stal ulega odpuszczeniu, co powoduje obniŜenie twardości
narzędzia i jego szybkie zuŜycie.
Stale narzędziowe stopowe do pracy na zimno (PN-86/H-85023) są przeznaczone na
narzędzia do obróbki materiału w stanie zimnym oraz na części przyrządów i narzędzi
pomiarowych, które powinny być odporne na ścieranie i nie odkształcać się podczas
hartowania. Znak tych stali składa się z litery N oznaczającej stal narzędziową do pracy na
zimno i liter określających zawarte w stali dodatki stopowe. Cyfry występujące w niektórych
znakach stali słuŜą do odróŜnienia poszczególnych gatunków zawierających te same dodatki
stopowe.
Stale narzędziowe stopowe do pracy na gorąco, są to stale przeznaczone na narzędzia
kształtujące materiał w stanie nagrzanym do temperatury, w której staje się plastyczny
(matryce, tłoczniki) albo nawet w stanie płynnym (np. formy do odlewów pod ciśnieniem)
np. WCMB, WNL, WCL, WCLV.
Stalami szybkotnącymi nazywa się stale, które zachowują twardość i zdolność skrawania
przy szybkościach skrawania i przekrojach warstwy skrawanej wywołujących nagrzewanie się
narzędzi aŜ do ok. 600°C. Składniki stopowe stali: wolfram (W), chrom (Cr), wanad (V)
i molibden (Mo) tworzą z węglem twarde węgliki. Najczęściej uŜywane stale szybkotnące to:
SW7M, SW12C, SKC, SK5M, SK8M, SK10V.
1. Jakie stale nazywamy stopowymi?
2. Co to są składniki stopowe i w jakim celu je wprowadzamy do stali?
3. Jakimi literami oznaczamy poszczególne składniki stopowe?
4. Jak dzielimy stale narzędziowe?
4.3.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Odczytaj z PN i katalogów właściwości i zastosowanie następujących stali:
– 15H,
– 18HGT,
– 35HM,
– 38HMJ,
– N9E.
2) odszukać podane gatunki stali,
3) zapisać właściwości i zastosowanie wymienionych gatunków stali,
4) zaprezentować efekt swojej pracy.

33
Ćwiczenie 2
Odszukaj w PN i katalogach stale do azotowania i do ulepszania cieplnego, określ ich
skład chemiczny oraz właściwości i zastosowanie.
2) odszukać odpowiednie gatunki stali,
4) uporządkować odnalezione informacje,
5) zaprezentować efekty pracy.
− PN i katalogi zawierające informacje o stalach stopowych,
Czy potrafisz:
Tak Nie
1) wskazać ile moŜe wynosić największa zawartość węgla w stali?
2) odczytać z oznaczenia stali stopowej jej składniki?
3) ustalić właściwości stali na podstawie jej oznaczenia ?
4) wskazać, jaka moŜe być największa zawartość węgla w stalach
do nawęglania?
5) wyjaśnić, jaki wpływ na własciwości stali ma chrom?

34
4.4. Staliwo. śeliwo
Staliwo jest to stop Ŝelaza z węglem i innymi pierwiastkami, zawierający do około 2,0%
węgla, otrzymywany w procesach stalowniczych, w stanie ciekłym odlewany do form
odlewniczych. Odlewy takie mogą być uŜywane bezpośrednio po zakrzepnięciu bez obróbki
cieplnej lub mogą być obrabiane cieplnie, względnie poddawane obróbce cieplno-chemicznej.
Jako materiał konstrukcyjny staliwo wykazuje wiele zalet, ma lepsze właściwości
wytrzymałościowe i plastyczne w porównaniu z Ŝeliwem, a takŜe dobrą spawalność
(zwłaszcza niskowęglowe i niskostopowe). Wykazuje jednak gorsze właściwości odlewnicze
ze względu na skurcz dochodzący do 2% i wysoką temperaturę topnienia dochodzącą do
1600°C.
Staliwa niestopowe (węglowe) konstrukcyjne ogólnego przeznaczenia
Polska norma PN-ISO 3755:1994 wymienia 8 gatunków staliw węglowych
konstrukcyjnych ogólnego przeznaczenia. Gatunki te oznacza się dwiema liczbami
trzycyfrowymi lub dwiema liczbami trzycyfrowymi i literą W: 200-400, 200-400W, 230-450,
230-450W, 270-480, 270–480W, 340–550, 340-550W. Pierwsza liczba oznacza wymaganą
minimalną wartość Re lub Rg,w MPa, a druga – minimalną wytrzymałość na rozciąganie Rm
równieŜ w MPa. Gatunki zawierające na końcu literę W mają dodatkowo określoną
maksymalną zawartość poszczególnych pierwiastków (czyli tzw. ograniczony skład
chemiczny), w celu zapewnienia dobrej (jednolitej) spawalności.
Staliwa, których oznaczenie nie zawiera litery W, nie mają obowiązującego składu
chemicznego poza fosforem (max 0,035%) i siarką (max 0,035%). Natomiast gatunki z literą
W mają max 0,25% C i zróŜnicowaną w zaleŜności od gatunku zawartość Mn od max 1,00%
do max 1,50%, oraz określoną maksymalną zawartość pozostałych pierwiastków (jednakowa
dla tych gatunków): ≤ 0,60% Si, ≤ 0,035% P, ≤ 0,035% S, ≤ 0,40% Ni, ≤ 0,35% Cr, ≤ 0,40%
Cu, ^ ≤ 0,15% Mo i ≤ 0,05% V.
Wytrzymałość na rozciąganie Rm zaleŜy od gatunku staliwa i zawiera się w granicach od
400–550 MPa do 550–700 MPa, a wydłuŜenie Amin odpowiednio – od 25% do 15%. Staliwa
węglowe konstrukcyjne ogólnego przeznaczenia mogą być obrabiane cieplnie. Zwykle
poddaje się je normalizowaniu, wyŜarzaniu zupełnemu lub wyŜarzaniu odpręŜającemu.
Staliwa stopowe, podobnie jak stale, zawierają specjalnie wprowadzone dodatki stopowe,
które nadają im określone własności. Sposób znakowania gatunków staliw stopowych jest
analogiczny, jak stali stopowych konstrukcyjnych, z tą róŜnicą, Ŝe w przypadku staliw na
początku znaku znajduje się litera L. Za literą L znajdują się cyfry określające średnią
zawartość węgla w setnych procentu, następnie litery (symbole) analogiczne jak w przypadku
stali stopowych konstrukcyjnych (rozdz. 4.3), które określają pierwiastki stopowe, i cyfry,
które podają średnią zawartość danego pierwiastka w procentach. JeŜeli zawartość pierwiastka
stopowego nie przekracza średnio 2%, to podaje się tylko litery stanowiące symbole tego
pierwiastka.
Staliwa stopowe ze względu na zastosowanie dzielą się na:
Staliwa stopowe konstrukcyjne – Polska Norma PN-H/83156:1997 obejmuje 23 gatunki staliw
tej grupy o następujących oznaczeniach: L20G, L35G, L15GM, L30GS, L35GM, L35GN,
L30H, L40H, L17HM, L25HM, L25HN, L35HM, L40HF, L30HMF, L30HGNM, L35HGS,
L35HNM, L20HN3M, L30H2N2M, 35H2MF, L12H13, L12H13N4M, L0H13N4M.
W normie podany jest skład chemiczny poszczególnych gatunków i ich własności
mechaniczne.

35
Wytrzymałość na rozciąganie Rm powyŜszych staliw w stanie normalizowanym zawiera
się w graniach od 450 do 800 MPa, a w stanie ulepszonym cieplnie po normalizowaniu – od
450 do 1200 MPa.
Staliwa do pracy w podwyŜszonych temperaturach – PN-89/H-83157 (9 gatunków: L20,
L16M, L20M, L20HM, L18H2M, L15HMF, L18HM, L21HMF, L17HMF). Staliwa te
charakteryzują się określonymi własnościami mechanicznymi, określoną granicą pełzania
w zakresie temperatury do 600°C.
Staliwa stopowe odporne na korozję (nierdzewne i kwasoodporne) charakteryzujące się
zwiększoną odpornością na działanie korozyjne atmosfery, kwasów oraz niektórych ośrodków
korozyjnych – PN-86/H-83158 (14 gatunków). Ze względu na zawartość pierwiastków
stopowych i struktury osnowy rozróŜnia się następujące staliwa odporne na korozję:
− chromowe martenzytyczne (LOH13, LH14, LH14N),
− chromowo-niklowe austenityczne (LH18N9, LH18N9T, LH16N5G6),
− chromowo-niklowo-molibdenowe austenityczne (LH18N10M2, L0H18N10M2,
L0H18N9M, LH18N10M2T),
− chromowo-niklowe austenityczno-ferrytyczne (L0H12N4M, LH21N5, LH12N5M,
LH21N5T).
Wszystkie gatunki staliwa odpornego na korozję mogą być spawane. Zastosowanie tych
staliw jest podobne jak stali nierdzewnych i kwasoodpromych o podobnym składzie
chemicznym.
Staliwa Ŝaroodporne i Ŝarowytrzymałe – PN-90/H-83159 (9 gatunków). Staliwo
Ŝaroodporne charakteryzuje się odpornością na bezpośrednie działanie płomienia lub spalin
w wysokich temperaturach. Staliwo Ŝarowytrzymałe wykazuje w wysokich temperaturach
wyŜsze własności wytrzymałościowe niŜ inne staliwa pracujące w tych temperaturach.
Gatunki LH18S2, LH26, LH29S2G, LH26N4S2 są wysokochromowymi staliwami
Ŝaroodpornymi przeznaczonymi do pracy przy małych obciąŜeniach. Zawartość węgla jest
wysoka (1,3–1,5% C, z wyjątkiem LH26 – 0,5% C). Struktura tych staliw składa się z perlitu
i węglików lub ferrytu i węglików. Staliwo LH29S2G jest ponadto bardzo odporne na
ścieranie w wysokich temperaturach. Gatunki LH17N8G, LH19N14G, LH23N18G,
LH25H19S2, LH17N37S2G są chromowoniklowymi staliwami Ŝarowytrzymałymi
i Ŝaroodpornymi, o strukturze austenitycznej. Obróbka cieplna i zastosowanie tych staliw są
analogiczne jak austenitycznych stali Ŝarowytrzymałych.
Stosowane są one równieŜ jako kwasoodporne w podwyŜszonych temperaturach.
Staliwa odporne na ścieranie – PN-88/H-83160 (12 gatunków: L20HGSNM, L25SHNM,
L30HGN2M, L35GSM, L40GM, L40H3T, L100AGM, L40HM, [20G13, L120G13H,
L120G13T oraz L30GS wg PN-87/H-83156). Stosowane są (z wyjątkiem L120G13,
L120G13T i L120G13H) w stanie normalizowanym i ulepszonym na korpusy sprzęgieł,
elementy czerpaków, koparek, koła zębate, części maszyn budowlanych, ogniwa gąsienicowe,
płyty pancerne, szczęki do kruszarek, koła jezdne do suwnic itp. Staliwa L120G13,
L120G13H i L120G13T (wysokowęglowe i wysokomanganowe) mają strukturę austenityczną
i są szczególnie odporne na zuŜycie. Stosowane są w stanie przesyconym najczęściej na
rozjazdy kolejowe, gąsienice traktorowe i części łamaczy i kruszarek.
Staliwa narzędziowe – PN-90/H-83161. Norma obejmuje 18 gatunków staliw do pracy na
zimno i gorąco: L150HSM, L155HNM, L180HNM, L200HNM. L200HSNM, L70H2GNM,
L90HMF, L120H21NM, L180H20F, L35H17N2M. L40H5MF, L45HN2MF, L65HNM,
L75HMF, L100H2M, L120HWMF. L120HNMF, L210H21S. Staliwa te stosuje się w stanie
obrobionym cieplnie, aby zapewnić odpowiednią twardość.
śeliwami węglowymi nazywa się odlewnicze stopy Ŝelaza z węglem, zawierające
teoretycznie powyŜej 2,06% C, a praktycznie 2,5–3,6% C. Poza tym Ŝeliwa te podobnie jak
stale, zawsze zawierają pewne ilości krzemu, manganu, fosforu i siarki pochodzenia

36
metalurgicznego. W przeciwieństwie do stali, większość Ŝeliw odznacza się niską
plastycznością. Węgiel w Ŝeliwach moŜe występować w dwóch postaciach: bądź w stanie
wolnym jako grafit, bądź w postaci związanej w cementycie. W zaleŜności od tego rozróŜnia
się Ŝeliwa szare, które niezaleŜnie od struktury osnowy (ferrytycznej, perlitycznej lub
ferrytyczno-perlitycznej) zawierają wydzielenia grafitu, oraz Ŝeliwa białe, w których węgiel
występuje prawie wyłącznie w postaci cementytu. Nazwy te związane są z kolorem ich
przełomów. Niekiedy spotyka się Ŝeliwa połowiczne, które miejscami mają budowę Ŝeliw
szarych, a miejscami – białych. Struktura Ŝeliw zaleŜy zarówno od ich składu chemicznego
(rys. 7), jak szybkości krystalizacji metalu, co jest związane z grubością ścianek odlewu.
Rys. 7. Wpływ zawartości węgla i krzemu na strukturę Ŝeliw (wykres Laplancha) [4].
Krzem, którego zawartość w Ŝeliwach waha się od 0,3 do 5%, sprzyja tworzeniu grafitu.
Zmieniając zawartość krzemu moŜna otrzymać róŜne rodzaje Ŝeliw, całkowicie odmienne
zarówno pod względem struktury, jak i własności, od Ŝeliwa białego do ferrytycznego
szarego. Proces grafityzacji ułatwiają równieŜ takie pierwiastki, jak miedź i nikiel. Mangan
utrudnia proces grafityzacji, sprzyjając tworzeniu się cementytu. Podobnie działa siarka,
której zawartość w Ŝeliwach nie moŜe przekraczać 0,08–0,12% (w zaleŜności od wielkości
odlewów), poniewaŜ pogarsza ona własności odlewnicze i zwiększa kruchość. Poza tym do
pierwiastków przeciwdziałających grafityzacji naleŜą między innymi chrom, wolfram,
molibden i wanad. WaŜnym składnikiem Ŝeliw jest fosfor, który zwiększa ich
rzadkopłynność dzięki tworzeniu eutektyki fosforowej, nie oddziałując w wyraźnym stopniu
na proces grafityzacji.
Największe zastosowanie przemysłowe mają jak dotąd Ŝeliwa szare. W Ŝeliwach tych
grafit występuje w postaci nieregularnych płatków róŜnej wielkości, tworząc nieciągłości
w osnowie metalicznej (rys. 8). Wytrzymałość grafitu w porównaniu z wytrzymałością tej
osnowy moŜna przyjąć za równą zeru, stąd teŜ Ŝeliwa szare odznaczają się niską
wytrzymałością na rozciąganie i zginanie, przy dość dobrej wytrzymałości na ściskanie.
RównieŜ wytrzymałość zmęczeniowa Ŝeliw jest niewielka, ze względu na istnienie
wspomnianych karbów naturalnych. Z tego samego powodu Ŝeliwa szare są mało wraŜliwe na
działanie wad powierzchniowych, wszelkiego rodzaju karbów konstrukcyjnych itp.

37
Rys. 8. Struktura Ŝeliwa szarego nie trawionego. Widoczne płatki grafitu. Powiększenie 100x [4].
Rys. 9. Struktura Ŝeliwa szarego ferrytyczno-perlitycznego z wyraźnie widoczną eutektyką fosforową (jasny,
kropkowany obszar). Powiększenie 500x [4].
Główną zaletą Ŝeliwa szarego są przede wszystkim dobre własności odlewnicze
przejawiające się wysoką rzadkopłynnością, dobrym wypełnianiem form, małym skurczem
odlewniczym (1%) itd. Inne zalety związane z obecnością wydzielę-grafitu to: dobre
własności przeciwcierne i zdolność tłumienia drgań. Dodatkową zaletą tych Ŝeliw jest niska
cena. Grafit, będący jednym z głównych składników strukturalnych Ŝeliw szarych, jest
rozmieszczony w osnowie ferrytycznej, ferrytyczno-perlitycznej lub perlityczne, przy czym
ferryt jest tu nie tylko roztworem stałym węgla w Ŝelazie a, lecz takŜe roztworem krzemu oraz
ewentualnie innych pierwiastków w Ŝelazie a i dlatego nosi nazwę krzemoferrytu. Oczywiście
perlit jest w przypadku Ŝeliw mieszaniną krzemoferrytu i cementytu.
Przy większej zawartości siarki w strukturze Ŝeliw szarych uwidaczniają się równieŜ
siarczki manganu w postaci lekko niebieskawych wieloboków. Strukturę Ŝeliwa szarego
o osnowie ferrytyczno-perlitycznej pokazano na rysunku 9.
śeliwa szare zgodnie z PN-92/H-83101 dzielą się na gatunki, przy czym podstawą
podziału jest wytrzymałość na rozciąganie, określana na próbkach o średnicy pomiarowej
20 mm, wytoczonych z oddzielnie odlewanych wlewków próbnych. Polska Norma podaje
6 gatunków Ŝeliwa szarego z określoną minimalną wytrzymałością na rozciąganie,
a mianowicie: 100, 150, 200, 250, 300 i 350 (trzycyfrowa liczba oznacza min. Rm w MPa).
NiŜsze wartości odnoszą się do Ŝeliw o strukturze ferrytycznej, wyŜsze – do Ŝeliw o strukturze
perlitycznej. Wytrzymałość i twardość stwierdzona na próbkach wykonanych z wlewków
próbnych róŜnią się od wytrzymałości i twardości odlewów, gdyŜ własności te w istotny
sposób zaleŜą od grubości ścianek odlewów, zmniejszając się z jej wzrostem. Na przykład
Ŝeliwo szare gatunek 100, ze zwiększaniem grubości ścianek odlewu, wykazuje wytrzymałość
na rozciąganie 120–90 MPa, a Ŝeliwo gatunku 350–315–270 MPa. W przypadku wymaganej

38
dobrej obrabialności i odporności odlewów na ścieranie Ŝeliwa szare klasyfikuje się na
podstawie twardości, przy czym ustala się 6 klas twardości oznaczających przewidywaną
średnią twardość HB w określonym miejscu odlewu. Przewidywane zakresy twardości HB dla
róŜnych grubości ścianki odlewu podano w tablicy 7.
Tabela 7. Klasy twardości Ŝeliw szarych (wg PN-92/H-83101) [opracowanie własne].
Klasa twardości Zakres twardości HB
H 145 Max 170
H 175 150-200
H 195 170-200
H 215 190-240
H 235 210-260
H 255 230-280
Dla Ŝeliw szarych istnieją ustalone empirycznie zaleŜności między twardością
i wytrzymałością na rozciąganie w przypadkach, gdy:
Rm ≥ 196 MPa, wówczas HB = RH (100 + 0,438) Rm
Rm < 196 MPa, wówczas HB = RH (100 + 0,724) Rm
Czynnik RH, czyli tzw. twardość względna, zmienia się w granicach 0,8–1,2 w zaleŜności od
materiału wyjściowego, procesu topienia i rzeczywistego procesu metalurgicznego.
W poszczególnych odlewniach moŜna ustalić wartość czynnika RH na prawie stałym
poziomie i w takich przypadkach, mierząc twardość HB na powierzchni odlewu, moŜna
określić jego wytrzymałość na rozciąganie wykorzystując podane zaleŜności.
Tabela 8. Orientacyjne zakresy twardości Ŝeliw szarych dla róŜnych grubości ścianki odlewu
(wg PN-92/H-83101) [opracowanie własne].
Dzięki swym zaletom, Ŝeliwa szare są materiałem konstrukcyjnym powszechnie
stosowanym w przemyśle maszynowym, kolejowym, samochodowym i in. (np. na korpusy
maszyn, płyty fundamentowe, pierścienie tłokowe, bębny hamulcowe, tuleje cylindrowe,
armaturę). Odmianą Ŝeliw szarych są Ŝeliwa modyfikowane, zawierające bardzo drobny grafit
płatkowy. To rozdrobnienie grafitu uzyskuje się przez dodanie do Ŝeliwa przed odlaniem tzw.
modyfikatora, najczęściej w postaci sproszkowanego Ŝelazokrzemu. śeliwa modyfikowane
mają wyŜszą wytrzymałość niŜ Ŝeliwa zwykłe.
śeliwami sferoidalnymi nazywa się Ŝeliwa, w których grafit wydziela się podczas
krzepnięcia w postaci kulek. Otrzymuje się je w wyniku procesu modyfikacji, który polega na
wprowadzeniu do metalu bezpośrednio przed jego odlewaniem – niewielkiego dodatku
magnezu (w stopie z niklem lub miedzią). Struktura osnowy Ŝeliw sferoidalnych, podobnie jak
struktura osnowy zwykłych Ŝeliw szarych, moŜe być ferrytyczna (rys. 10), ferrytyczno-
perlityczna, perlityczno-ferrytyczna lub perlityczna (rys. 11). śeliwa sferoidalne są w Polsce

39
znormalizowane (PN-92/H-83123), przy czym podstawą klasyfikacji są ich własności
mechaniczne. Polska Norma podaje dwie odrębne klasyfikacje Ŝeliw sferoidalnych. Pierwsza
opiera się na własnościach mechanicznych określanych na próbkach wyciętych z wlewków
próbnych oddzielnie odlewanych. Według tej klasyfikacji rozróŜnia się 9 gatunków Ŝeliw
(tabl. 9). Oznaczenie poszczególnych gatunków składa się z liczby określające minimalną
wytrzymałość na rozciąganie w MPa oraz liczby określającej minimalne wydłuŜenie
w procentach. Na przykład oznaczenie 400–15 oznacza Ŝeliwo sferoidalne o Rm min. 400 MPa
i wydłuŜeniu A5 min. 15%.
Rys. 10. Struktura Ŝeliwa sferoidalnego ferrytycznego. Widoczne kuliste wydzielenia grafitu na tle ferrytycznej
osnowy. Traw. 5% roztworem alkoholowym HNO3. Powiększenie 200x [4].
Rys. 11. Struktura Ŝeliwa sferoidalnego perlitycznego. Widoczne kuliste wydzielenia grafitu w otoczce
ferrytycznej na tle perlitycznej osnowy. Powiększenie 200x [4].
Druga klasyfikacja opiera się na własnościach mechanicznych określanych na próbkach
wykonanych z wlewków próbnych tzw. przylanych (odlewanych razem z odlewem). W tym
przypadku, w oznaczeniu gatunku za liczbą określającą minimalne wydłuŜenie podaje się
literę A, np. 400–15A. Ta klasyfikacja zawiera 6 garnków Ŝeliw o wytrzymałości na
rozciąganie 320–700 MPa, granicy plastyczności 210–400 MPa, wydłuŜeniu 15–2%
i twardości HB 130–320.
Dodatkowa klasyfikacja (równieŜ zawarta w PN) oparta na twardości mierzonej na
samych odlewach rozróŜnia 9 gatunków oznaczanych literą H i podaje średnią twardość HB
danego gatunku, np. H330, H150 itd. NiezaleŜnie od przyjętej klasyfikacji, wyŜsza
wytrzymałość i twardość odpowiada perlitycznej strukturze osnowy, wyŜsza plastyczność
– strukturze ferrytycznej.

5

Recommended

Recommended

More Related Content

Viewers also liked

Viewers also liked (20)

Similar to 5

Similar to 5 (20)

5