Materiałoznawstwo

Dr. Grzegorz Nowak

Plan wykładu

• rodzaje materiałów
• wybrane właściwości materiałów
• metale (stopy)

–

żelazo i stal

–

obróbka cieplna

–

metale nieżelzne

• polimery
• ceramiki i szkła
• metody formowania materiałów
• półprzewodniki

Plan zajęć

14.02

wstęp, rodzaje i
struktura materiałów

28.03

metale polimery

28.02

własności materiałów

18.04

materiały ceramiczne i
szkła

14.03
wykresy fazowe

09.05

obróbka i formowanie
materiałów

12.05

metale i ich stopy

06.06

materiały
półprzewodnikowe

literatura

• Wstęp do inżynierii materiałowej

M.Blicharski WNT

• Materiały inzynierskie MF.Ashby, DR.Jones

WNT

• Inżynieria materiałowa MW.Grabski,

JA.Kozubowski

• Britney's Guide to Semiconductor Physics:

http://britneyspears.ac/lasers.htm

Inżynieria materiałowa

• Jest to nauka o materiałach z

inżynierskiego punktu widzenia

• Chemia i fizyka zajmują się opisem

własności materiałów

• Inżynieria materiałowa kształtuje

własności materiałów zgodnie z
zapotrzebowaniem

Rodzaje materiałów

• metale
• ceramiki
• polimery
• kompozyty

metale

• spośród 103 znanych

pierwiastków 80 jest metalami

• zwykle używa się stopów metali
• najpopularniejsze są stopy żelaza,

aluminium, miedzi

• duża wytrzymałość, łatwa obróbka

Materiały ceramiczne

• materiał wyjściowy: proszek + lepiszcze
• wymaga spiekania, czasem pod

ciśnieniem

• typowe przykłady: cegła, porcelana, SiC

(karborund), widia (węglik wolframu)

• twarde, kruche, odporne na

temperaturę, trudne w obróbce

polimery

• Tworzywa sztuczne, materiały

wielkocząsteczkowe

• Zbudowane z długich łańcuchów

pojedynczych cząstek

• Łatwe w formowaniu, odporne na

korozje

• Niska sztywność, wrażliwe na

temperaturę

kompozyty

• Składają się z 2 (lub więcej)

materiałów o różnych własnościach

• Własności kompozytu są lepsze niż

każdego składnika osobno

• Przykłady:

– Sklejka
– Beton, żelbeton
– Włókna szklane + żywica

Inne materiały

• Półprzewodniki

– Si, Ge, GaAs, GaN, GaP, In

• Materiały naturalne

– skóra, wełna, wiklina, kość (słoniowa)

• nanomateriały

Zakres stosowalności

materiału

• Polimery stosujemy

gdy nie występują
duże obciążenia

• Metale stosujemy

gdy występują duże
obciążenia

• Ceramiki są

najlepsze w
wysokich
temperaturach

• Własności

materiału, jego
struktura i proces
wytwarzania są
wzajemnie
powiązane

Mikrostruktura

materiałów

• Wszystkie substancje składają się

z atomów

• Istnieje kilka typów wiązań

pomiędzy atomami

• W wyniku oddziaływań

międzyatomowych powstają
struktury wyższego rzędu

Tabela Mendelejewa

Rodzaje wiązań

międzyatomowych

• Kowalencyjne
• Jonowe
• Metaliczne
• Van der Waalsa (wtórne)
• wodorowe

Wiązania kowalencyjne

• Dwa elektrony

pochodzące z
sąsiednich atomów
tworzą parę

• Jest to podstawowy

typ wiązania

• Wiązanie jest

mocne i ma
kierunek

Wiązanie jonowe

•

W związku chemicznym

elektron przechodzi z

jednego atomu na drugi

•

Tworzą się kationy o

ładunku dodatnim i

aniony o ładunku

ujemnym

•

Jony przyciągają się

elektrostatycznie

tworząc wiązanie

•

Tworzą się twarde

kryształy

Wiązanie metaliczne

• Atomy metalu oddają elektrony stając

się kationami

• Swobodne elektrony tworzą gaz

elektronowy który wiąże ze sobą
kationy

• Wiązanie nie ma określonego kierunku
• Metale są dobrymi przewodnikami

prądu i ciepła

Energia wiązań

wiązanie

Energia wiązania
[kJ/mol]

Jonowe

600-1550

Kowalencyjne

500-1250

Metaliczne

100-850

Van der Waalsa

40

wodorowe

20

Dominujące typy wiązań w

różnych materiałach

• W metalach dominuje

oczywiście wiązanie

metaliczne

• W ceramikach,

półprzewodnikach i

szkłach dominuje

oddziaływanie

kowalencyjne

• W polimerach istotne

są wiązania

kowalencyjne i van

der Waalsa

Przemiany fazowe

• Pod wpływem warunków zewnętrznych

atomy (cząstki) przyjmują stabilną
konfigurację – tzw. fazę

• Dla układów jednoskładnikowych

występują zwykle trzy fazy

• Dla układów wieloskładnikowych układ

faz może być bardzo skomplikowany

Wykres fazowy układu

jednoskładnikowego

• Poniżej pewnej

temperatury faza

ciekła nie istnieje

• Powyżej określonej

temperatury nie

istnieje faza stała

• Faza ciekła istnieje

tylko powyżej

określonej

temperatury

Wykres fazowy dla wody

• W warunkach

wysokiego
ciśnienia lód
może występować
w wielu
postaciach

Wykres fazowy dla układu

dwóch składników

• Można określić

między innymi:

– Temperaturę topnienia
– Zakresy

rozpuszczalności

– Ilość faz

• Znając wykres fazowy

i historię układu
można zgadnąć
strukturę materiału

Wykres fazowy dla układu

Cu-Sn (brąz)

Struktura materiałów

• Wiele materiałów ma strukturę

(mikro)krystaliczną

• Własności materiału zależą od

rodzaju kryształu oraz od defektów

struktury krystalicznej takich jak:

– Domieszki
– Dyslokacje
– Granice ziaren

kryształy

• Kryształ jest zbudowany z regularnie

powtarzających się atomów (cząstek)

• Metale i ceramiki mają strukturę

mikrokrystaliczną

• Duże kryształy są wykorzystywane w

technice półprzewodnikowej

• Diament jest kryształem

Kryształy cd

• Typowymi

kryształami są
cukier, sól, lód

• Własności

(mikro)kryształu
bardzo mocno
zależą od zawartych
w nim defektów

Typy struktur
krystalograficznyc
h

Typy defektów kryształów

• Defekty punktowe
• Dyslokacje
• Granice ziaren

Defekty punktowe

• Domieszki
• Atomy

międzywęzłowe

• Wakansje (luki)

Defekty liniowe -

dyslokacje

• Dwa podstawowe

typy dyslokacji:

krawędziowe i

śrubowe

• Dyslokacja

krawędziowa to brak

jednej półpłaszczyzny

w krysztale

• Dyslokacja śrubowa

to przesunięcie jednej

półpłaszczyzny w

krysztale

Dyslokacje cd

• Przykład

dyslokacji
krawędziowej

Granice ziaren

• Granice pomiędzy

krystalitami
tworzą granice
ziaren

Defekty w kryształach

• Idealny kryształ jest (powinien być)

twardy

• Obecność dyslokacji powoduje że

materiał staje się plastyczny

• Manipulując defektami można

zmieniać utwardzać materiał
(hartowanie, kucie) bądź go
uplastyczniać (odpuszczanie)

Defekty w kryształach cd

• Domieszki decydują o

własnościach półprzewodników

• Własności ceramik są

zdeterminowane przez granice
ziaren

• Własności plastyczne metali zależą

od dyslokacji

Istotne parametry

materiału

• Gęstość
• Mechaniczne

– sprężystość
– odkształcania
– twardość
– udarność
– zmęczenie
– pełzanie

• Magnetyczne

– diamagnetyki,par

amagnetyki,
ferromagnetyki

• Elektryczne

– izolatory,

przewodniki

• Cieplne
• Optyczne

Ale najważniejszym parametrem jest
cena

Odkształcenie pod

wpływem naprężeń

Próba zerwania
Mierzymy siłę w

funkcji
wydłużenia

Odkształcenie pod

wpływem naprężeń

• Przy małych naprężeniach

materiał odkształca się

elastycznie. Jest to proces

odwracalny.

• Przy dużym naprężeniu

materiał odkształca się

plastycznie. Ulega

trwałemu odkształceniu.

Jest to proces

nieodwracalny.

• Przy dużym odkształceniu

następuje zerwanie.

Przedmiot ulega

zniszczeniu.

Odkształcenia sprężyste

• W zakresie odkształceń sprężystych

odkształcenie następuje na skutek
zmiany odległości pomiędzy atomami –
bez generacji defektów

• Odkształcenie jest proporcjonalne do

naprężenia (prawo Hooke’a)

 = E 

gdzie E – moduł Younga (współczynnik
sprężystości)

Moduły Young’a

wybranych metali

Zmęczenie materiału

• Na skutek

wielokrotnych
odkształceń powstają
defekty (pęknięcia)

• Występuje w zakresie

odkształceń
sprężystych

• Jest podstawową

przyczyną zniszczeń
urządzeń
mechanicznych

Przykład układu do
badań zmęczeniowych

Zmęczenie - dygresja

• Badania zmęczeniowe

są przykładem badań

niezawodnościowych

(określanie czasu

życia)

• Określenie czasu życia

jest niezbędne dla

wszystkich urządzeń

technicznych

• Często stosuje się

testy akcelerowane

(przyspieszone)

• Czas życia obiektu

mierzy się przy
wyższych
naprężeniach
(temperaturze etc)
niż wymagane w
czasie eksploatacji

• Uzyskane wyniki

ekstrapoluje się do
normalnych
warunków pracy

Zmęczenie - dygresja

• Ilość cykli do

zniszczenia zależy
od naprężenia

twardość

•

Pomiar twardości
polega na wciskaniu
wgłebnika w badany
materiał i pomiarze
wielkości odcisku

•

Istnieje wiele
znormalizowanych
metod pomiaru
twardości

• Pomiar twardości

jest niezbędny w
trakcie obróbki
termicznej metali
(hartowanie i
odpuszczanie)

Metody pomiaru

twardości

gęstość

Gęstość to stosunek masy do objętości

d = m / V

Zwykle wyraża się w gramach na
centymetr sześcienny [g / cm

-3

]

Masę mierzy się przy pomocy wagi,
objętość można zmierzyć np. metodą
Archimedesa

Gęstość – materiały

porowate

• Pory dzielą się na zamknięte i

otwarte

• Najdokładniej objętość porów

można zmierzyć pod
mikroskopem. Jest to pomiar
niszczący i czasochłonny

Pomiar gęstości

materiałów porowatych

• Piknometria

– Objętość próbki to objętość której nie

może zająć gaz

– Najczęściej używa się helu (gaz obojętny i

dobrze penetrujący)

• Pozymetria – pomiar wielkości porów

– Wciskamy rtęć do materiału. Im większe

ciśnienie tym mniejsze pory są
wypełniane.

magnetyzm

• Wszystkie rodzaje

atomów oddziałują z
polem
magnetycznym

• Własności

magnetyczne
materiału zależą od
rodzaju atomów oraz
ich wzajemnego
oddziaływania

• Typy materiałów

magnetycznych

– Diamagnetyki
– Paramagnetyki
– Ferromagnetyki
– Antyferromagnety

ki

– ferrimagnetyki

Pole magnetyczne

Indukcja magnetyczna:

B= 

0

n I / l

gdzie



0

– przenikalność

magnetyczna próżni
 - przenikalność

magnetyczna

materiału

Pole magnetyczne

• Indukcje magnetyczną mierzymy

w teslach

• Ziemskie pole magnetyczne ma

indukcje ok. 0.01 tesli

• Rezonans magnetyczny (MRI)

wykorzystuje pole magnetyczne o
indukcji ok. 2 tesli

diamagnetyki

• Materiały w których

atomy nie mają
trwałego momentu
magnetycznego

• Są wypychane z

pola
magnetycznego

• Jest to efekt słaby
• Ag, Au, Cu, Pb

Indukowane momenty
magnetyczne atomów
ustawiają się przeciwnie
do kierunku
zewnętrznego pola
magnetycznego

paramagnetyki

• Atomy mają stały

moment
magnetyczny

• Są wciągane do

pola
magnetycznego

• Jest to efekt

stosunkowo słaby

• Al, Cr, Mg

Momenty magnetyczne
atomów ustawiają się
zgodnie z kierunkiem
zewnętrznego pola
magnetycznego

ferromagnetyki

• Atomy mają stały

moment magnetyczny

• Oddziaływania kwantowe

ustawiają momenty

magnetyczne atomów w

tym samym kierunku

• Są trwale

namagnesowane ale

powstaje struktura

domenowa

• Jest to bardzo silny efekt
• Fe, Ni, Co, Gd

Zależność momentu

magnetycznego od

temperatury

• Drgania termiczne

niszczą
uporządkowanie
magnetyczne
atomów

• Powyżej

temperatury Curie
namagnesowanie
zanika

Struktura domenowa

• Wszystkie materiały

ferromagnetyczne

tworzą domeny

• Istnienie domen

utrudnia uzyskanie

silnych magnesów

trwałych

• Przemagnesowanie

domen jest trudne i

wymaga energii

Domeny magnetyczne
ustawiają się tak aby
zminimalizować
zewnętrzne pole
magnetyczne

Histereza magnetyczna

• Stan

namagnesowania

zależy od

zewnętrznego pola

magnetycznego i od

historii

• Z wykresu można

odczytać mn:

indukcję nasycenia

indukcję szczątkową

siłę koercji

Histereza magnetyczna

• Istnienie domen

magnetycznych jest

przyczyną histerezy

magnetycznej

• Indukcja nasycenia

odpowiada ustawieniu

wszystkich domen

magnetycznych w

jednym kierunku

• Pole powierzchni pętli

histerezy określa

energię traconą w

czasie jednego cyklu

Rodzaje materiałów

magnetycznych

• Materiały

magnetyczne twarde

– Magnesy
– Pamięci magnetyczne

• Materiały

magnetyczne
miękkie

– Rdzenie

transformatorów

– Silniki i prądnice

Materiały magnetyczne

miękkie

• Stopy Fe-Si

– Małe częstotliwości, duże moce

• Stopy Fe-Ni

– Duże częstotliwości, małe moce

• Ferryty

– Bardzo duże częstotliwości

• Szkła metaliczne

Materiały magnetyczne

miękkie

• Stopy Fe-Si

– Dodatek krzemu zwiększa opór

elektryczny (zmniejsza) prądy wirowe

– Dodatek krzemu obniża indukcje

nasycenia i przewodnictwo cieplne

• Stosowany jako rdzenie do

silników i transformatorów

Materiały magnetyczne

miękkie

• Stopy Fe-Ni

– Zawierają ok. 79% Ni
– Mała anizotropia
– Niska magnetostrykcja

• Stosowane w głośnikach,

głowicach odczytujących itp

Materiały magnetyczne

miękkie

• Ceramiki

– Ferrryty
– Granaty
– magnetoplumbity

• Nie przewodzą prądu elektrycznego
• Stosowane w technice radiowej i

mikrofalowej (anteny ferrytowe)

Materiały magnetyczne

miękkie - własności

Zapis magnetyczny

Używa się Fe

2

O

3

lub

CrO

2

w materiale

wiążącym
Temperatura Curie dla
CrO

2

wynosi 128

o

C

Temperatura Curie dla
Fe

2

O

3

wynosi 600

o

C

Prostokątna pętla
histerezy

Materiały magnetyczne

twarde

• Stosowane jako magnesy
• Wykonuje się z ziaren tak małych,

że w środku mieści się tylko jedna
domena

• Najczęściej wykonywane metodą

proszków spiekanych

Materiały magnetyczne

twarde - własności

Własności elektryczne

Opór elektryczny jest określony przez
prawo Ohma

I = U / R

Własności elektryczne

Do charakteryzacji materiałów używa się
oporności właściwej  [m]

R =  l / S

l – długość S – pole przekroju
poprzecznego

Używa się również pojęcia przewodnictwo
właściwe

 = 1 /  [

-1

m

-1

]

Własności elektryczne

• Materiały dzielimy na:

– Przewodniki
– Półprzewodniki
– Izolatory

Przewodność elektryczna

Przewodność elektryczna

• Oporność elektryczna zależy od

temperatury

• Oporność metali rośnie w

wyższych temperaturach

• Oporność półprzewodników

zwykle maleje w wyższej
temperaturze.

Przewodność elektryczna

Zależność przewodności
elektrycznej od temperatury opisuje
się jako

 = 

tp

[1 +  ( T – T

p

)]

Przewodność elektryczna

Przewodnictwo miedzi
zależy od czystości i
temperatury

Przewodność elektryczna

Własności cieplne

• Przewodnictwo cieplne
• Pojemność cieplna
• Rozszerzalność termiczna

Ciepło właściwe

Ilość energii potrzebna do ogrzania
1 grama o jeden stopień kelvina
Ciepło właściwe mierzymy w [J g

-1

K

-1

]

Ciepło właściwe

Przewodnictwo cieplne

Przewodnictwo cieplne jest
zdefiniowane jako

J

Q

= - (dT / dx)

Mierzy ilość ciepła przechodzącą
przez przekrój materiału

Przewodnictwo cieplne

Przewodnictwo cieplne

Rozszerzalność cieplna

Względna zmiana rozmiaru
liniowego w funkcji temperatury

(L – L

0

) / L

0

=  (T – T

0

)

 - liniowy współczynnik

rozszerzalności cieplnej [K

-1

]

Własności optyczne

Widmo promieniowania

elektromagnetycznego

Własności optyczne

Światło odbija się od powierzchni
część światła wchodzi do materiału, gdzie
może zostać zaabsorbowana lub rozproszona
część światła przechodzi na drugą stronę

Światło wewnątrz materiału może
wielokrotnie odbijać się od powierzchni

Współczynnik załamania

Współczynnik
załamania n jest
zdefiniowany jako

n = sin  / sin



Jest wielkością
bezwymiarową,
zależy od długości
fali światła

Współczynnik załamania

Współczynnik odbicia

Współczynnik odbicia
zależy od
współczynnika
załamania. Jest on
określony wzorem:

R= (n – 1)

2

/

(n+1)

2

Współczynnik absorpcji

Wykresy fazowe

Wykres fazowy dla

substancji wzajemnie się

rozpuszczających

Powyżej linii likwidusu występuje
tylko ciecz
Poniżej linii solidusu występuje tylko
stan (roztwór) stały
Pomiędzy liniami solidusu i
likwidusu współistnieją dwie fazy:
stała i ciekła

Krzepnięcie układu o

nieograniczonej

rozpuszczalności

Wykres fazowy dla

składników nie

rozpuszczających się

Ciecz o składzie punktu E jest
nazywana cieczą eutektyczną,
a jej skład składem eutektycznym

Chłodzenie cieczy

eutektycznej

Powstają zmieszane kryształki składnika A i B

Chłodzenie cieczy

podeutektycznej

Wykres fazowy z

przemianą eutektyczną

gdy składniki rozpuszczają

się w stanie stałym

Struktura stopu

eutektycznego w czasie

chłodzenia

Struktura stopu

podeutektycznego w

czasie chłodzenia

Struktura stopu

podeutektycznego w

czasie chłodzenia bez

przemiany eutektycznej

Żelazo - własności

Żelazo - własności

Nazwa, symbol, l.a.*

Żelazo, Fe, 26

Gęstość

7874 kg/m

3

Masa atomowa

55,845 u

Struktura
krystaliczna

regularna
przestrzennie
centrowana

Stan skupienia

stały

Temperatura
topnienia

1808 K (1535
°C)

Temperatura
wrzenia

3023 K (2750
°C)

Temperatura Curie

1043 K (770
°C)

Żelazo - własności

Temperatura Curie

1043 K (770 °C)

Objętość molowa

7,09×10-3
m

3

/mol

Ciepło parowania

349,6 kJ/mol

Ciepło topnienia

13,8 kJ/mol

Prędkość dźwięku

4910 m/s (293,15
K)

Ciepło właściwe

440 J/(kg*K)

Przewodność właściwa

9,93×106 S/m

Przewodność cieplna

80,2 W/(m*K)

Żelazo - własności

izotop

wyst.

o.p.r

s.r.

e.r.

MeV

p.r.

54

Fe

5,8%

stabilny izotop z 28

neutronami

55

Fe

{syn.}

2,73

lat

w.e.

0,231

55

Mn

56

Fe

91,72%

stabilny izotop z 30 neutronami

57

Fe

2,2%

stabilny izotop z 31 neutronami

58

Fe

0,28%

stabilny izotop z 32 neutronami

59

Fe

{syn.}

44,503

dni

β

-

1,565

59

Co

60

Fe

{syn.}

1,5×10

6

lat

β

-

3,978

60

Co

Odmiany alotropowe

czystego żelaza

• Żelazo występuje w trzech

odmianach alotropowych:

– żelazo α
– żelazo γ
– żelazo δ

• Jedynie żelazo α posiada własności

ferromagnetyczne.

• Przemiana alotropowa żelaza α w

żelazo γ zachodzi w temperaturze
723°C przy schładzaniu lub 728°C
przy ogrzewaniu.

• Przemiana alotropowa żelaza γ w

żelazo δ zachodzi w temperaturze

1400°C.

Wykres fazowy żelazo-

węgiel

Czyste żelazo

• Fe- 

Do temperatury 912

o

C ma ma

strukturę przestrzennie centrowaną (RPC)

• Fe- 

od 912

o

C do 1394

o

C ma strukturę

powierzchniowo centrowaną (RSC)

• Fe- ()

od 1394

o

C do temperatury topnienia ma

strukturę przestrzennie centrowaną

Wykres fazowy żelazo-

węgiel

• Ferryt () - międzywęzłowy

roztwór węgla w żelazie .

Maksymalna rozpuszczalność
węgla wynosi 0.02%

• Austenit () - międzywęzłowy

roztwór węgla w żelazie .

Maksymalna rozpuszczalność
węgla wynosi 2.11%

Wykres fazowy żelazo-

węgiel

• Cementyt to węglik żelaza (Fe

3

C).

Zawartość węgla w cementycie jest stała i
wynosi 6.67%

– cementyt wydzielający się z cieczy (poniżej

linii DC) nazywamy cementytem pierwotnym

– cementyt wydzielający się z austenitu (poniżej

linii ES) nazywamy cementytem wtórnym

– Cementyt wydzielający się z ferrytu (poniżej

linii PQ) nazywamy cementytem
trzeciorzędowym

Wykres fazowy żelazo-

węgiel

• Perlit jest produktem przemiany

austenitu zawierającego około
0.77% C. Zbudowany jest z płytek
cementytu i ferrytu o stosunku
grubości ok. 1:8

Wykres fazowy żelazo-

węgiel

• Ledeburyt powstaje z cieczy

zawierającej 4.3% węgla. Składa
się z cementytu i austenitu.

• W temperaturze poniżej 727

o

C

ledeburyt ulega przemianie
tworząc ledeburyt przemieniony

Wykres fazowy żelazo-

węgiel

• Stopy żelaza z węglem do 2.11% C

nazywamy stalami

• Stopy żelaza z węglem o

zawartości węgla powyżej 2.11% C
nazywamy żeliwami

Zmiany struktury stali

(0.77%C) w czasie

chłodzenia

Austenit przemienia się
w perlit
Zmiany struktury poniżej
727

o

C są niewielkie

Zmiany struktury stali

(0.4%C) w czasie

chłodzenia

Z austenitu wydziela się
ferryt

Poniżej 727

o

C pozostały

austenit przemienia się
w perlit

Zmiany struktury stali

(1.3%C) w czasie

chłodzenia

Z austenitu wydziela się
cementyt wtórny

Poniżej 727

o

C pozostały

austenit przemienia się
w perlit

Struktura stali po powolnym chłodzeniu.
a) ferryt i cementyt trzeciorzędowy (poniżej 0.02%C
b) struktura ferrytyczno-perlityczna (0.6%C)
c) struktura perlityczna (0.77%C)
d) perlit i cementyt drugorzędowy

Wykres fazowy żeliwa

• Przemiany fazowe w systemie Fe-C występują

w układzie stabilnym bądź w układzie

metastabilnym

• Układ Fe-Fe

3

C jest układem metastabilnym

• Układ Fe-C (grafit) jest układem stabilnym

• Zwykle przemiany fazowe zachodzą według

układu metastabilnego. Przy większych

koncentracjach węgla, zwłaszcza w obecności

Si, przemiany mogą zachodzić w układzie

stabilnym

Wykres fazowy żelaza

(stabilny)

Zmiany struktury stopu

Fe-C

(2.5%C) w czasie

chłodzenia według układu

metastabilnego

Powstaje austenit w
osnowie ledeburytu

Poniżej 727

o

C austenit

przemienia się w perlit
ledeburyt przemienia się
w ledeburyt przemieniony

Zmiany struktury stopu

Fe-C

(2.5%C) w czasie

chłodzenia według układu

stabilnego

Powstaje austenit w
osnowie eutektyki
żelazo-grafit (płatki)

Poniżej 727

o

C austenit

przemienia się w perlit
z eutektyki wydziela się
ferryt i grafit

Kinetyka przemian

fazowych - hartowanie

Wykresy CTP

Wykresy Czas,
Temperatura, Przemiana
pokazują kinetykę przemiany
fazowej

Krzywa z lewej strony reprezentuje początek przemiany
fazowej (1% objętości), linia przerywana 50% przemiany, a
krzywa z prawej koniec przemiany (99%)

Przemiana

martenzytyczna

Austenit usiłuje
przekształcić się w
żelazo . Ale

rozpuszczony
węgiel przeszkadza.
W wyniku
dostajemy
zniekształconą
strukturę żelaza .

Przemiana

martenzytyczna

• Obróbkę cieplną prowadzącą do

powstania struktury martenzytycznej

nazywamy hartowaniem

• Przemiana martenzytyczna

wprowadza naprężenia do materiału

• Objętość właściwa martenzytu jest

większa od austenitu z którego

powstał (przedmiot hartowany

zmienia rozmiar)

Przemiana

martenzytyczna

• Temperatura

przemiany bardzo
silnie zależy od
składu stali

• M

s

(

o

C)=561-

474(%C)-
33(%Mn)-
17(%Ni)-17(%Cr)-
21(%Mo)

hartowanie

Celem hartowania jest powstanie
struktury martenzytycznej, która
może powstać tylko z austenitu

w czasie hartowania stali trzeba
ją podgrzać do temperatury
umożliwiającej powstanie austenitu

hartowanie

W czasie hartowania należy
stal chłodzić szybko aby
uniknąć przemian w zakresie
dyfuzyjnym

w czasie hartowania powstają
duże naprężenia z powodu
różnicy temperatur pomiędzy
powierzchnią a rdzeniem
materiału

Hartowanie stopniowe

Przedmiot wytrzymuje się
w temperaturze trochę
powyżej M

s

aż do

wyrównania temperatur,
a następnie powoli chłodzi
umożliwiając przemianę
jednocześnie w całej
objętości

Hartowanie izotermiczne

Oziębianie zostaje
zatrzymane tuż
powyżej M

s

a czas

wytrzymania jest
dostatecznie dłgi

odpuszczanie

• Po zahartowaniu stal ma bardzo

złe własności plastyczne

• Obróbka cieplna polegająca na

nagrzaniu zahartowanej stali w
celu poprawy własności
plastycznych jest nazywana
odpuszczaniem

Stadia odpuszczania

• 100-200

o

C - struktura staje się podobna do

bainilitu. Wytrzymałość stali (zwykle)

maleje

• 200-350

o

C – następuje przemiana austenitu

szczątkowego w ferryt i cementyt.

Powoduje to umocnienie stali

• 250-400

o

C – wydzielanie cementytu, ruch

dyslokacji. Wytrzymałość stali zmniejsza się

• 400-727

o

C – rekrystalizacja osnowy.

Powyżej 727

o

C tworzy się austenit

odpuszczanie

W stalach stopowych
mechanizmy
odpuszczania są
bardziej
skomplikowane.
Różnice występują
zwłaszcza przy
odpuszczaniu w
wysokich
temperaturach

odpuszczanie

Niektóre rodzaje
stali utwardzają się
w czasie
odpuszczanie,
głównie na skutek
tworzenia węglików

Obróbka powierzchniowa

• Hartowanie powierzchniowe – nagrzewa się

tylko cienką warstwę powierzchniowej i ją

hartuje.

• Nawęglanie – nasyca się węglem warstwę

powierzchniową i następnie hartuje

• Azotowanie – nasycenie powierzchni azotem.

Stale do azotowanie zwykle zawierają

aluminium (AlN jest bardzo twardy)

• Inne (nagniatanie, wytwarzanie warstw

diametowych etc)

Wytwarzanie żelaza -

historia

Dymarka

Rekonstrukcja dymarki w
Biskupinie

Wytwarzanie żelaza w

dymarkach

http://www.platnerz.com/platnerz-com/scriptorium/faq/zelazodymarkowe/tekst/tekst.html

Wytwarzanie żelaza w

dymarkach

1 - Szyb pieca.
2 - Wsad (węgiel
drzewny + ruda
żelaza).
3 - Kotlinka
wypełniona
ściekającym podczas
wytopu żużlem.
4 - łupka żelaza.
5 - Dysze.
6 - Pierwotny poziom
terenu.
7 - Poziom dna
kotlinki.

http://www.platnerz.com/platnerz-com/scriptorium/faq/zelazodymarkowe/tekst/tekst.html

Wytwarzanie żelaza w

dymarkach

Fragment łupki
żelaznej uzyskanej
w doświadczalnym
piecu dymarskim.

http://www.platnerz.com/platnerz-com/scriptorium/faq/zelazodymarkowe/tekst/tekst.html

Wytwarzanie żelaza w

dymarkach

1 - Żużel
2 - Przecięty pęcherz
spieczonego żelaza.
3 - Węgiel drzewny.

http://www.platnerz.com/platnerz-com/scriptorium/faq/zelazodymarkowe/tekst/tekst.html

Wytwarzanie żelaza w

wielkim piecu

XIX wieczna rycina
przedstawiająca wieki piec
(do produkcji żeliwa)

Wytwarzanie żelaza w

wielkim piecu

• Wielkie piece umożliwiły stropienie

żelaza i produkcję żeliwa na skale
masową

• Wielki piec mógł być używany

wielokrotnie

• Żeliwo można można odlewać
• Stal z żeliwa można uzyskać po

procesie konwersji

Wytwarzanie żelaza w

wielkim piecu

• Początkowo używano tzw. ognisk

fryszerskich

• W 1794 wynaleziono piec pudlarski
• W 1860 zainstalowano w Anglii pierwszy

konwerter („gruszkę”) Bessemera

• W roku 1850 produkcja żeliwa w Anglii

wynosiła około 3 milionów ton podczas gdy

produkcja stali wynosiła tylko 60 tysięcy ton

• W roku 1890 produkcja stali w Anglii

wynosiła ok. 5 milionów ton

Gruszka Bessemera

Powietrze
wdmuchiwano
od spodu

Gruszka Bessemera

Rodzaje stali

• Stale konstrukcyjne
• Stale narzędziowe
• Stale specjalne

Stale konstrukcyjne

• Stale niskostopowe
• Stale do nawęglania
• Stale do azotowania
• Stopowe do ulepszania cieplnego
• Stale sprężynowe
• Stale łożyskowe
• Stale do hartowania powierzchniowego
• Stale maraging

Stale i stopy narzędziowe

• Stal węglowa narzędziowa
• Stal narzędziowa do pracy na

zimno

• Stal narzędziowa do pracy na

gorąco

• Stale szybkotnące

Stale specjalne

• Stale odporne na ścieranie
• Stale nierdzewne i kwasoodporne
• Stale żarowytrzymałe i żaroodporne
• Stale o dużym oporze elektrycznym
• Stale o szczególnych własnościach

magnetycznych

Przemiana

martenzytyczna