1. Rodzaje wiązań ciał stałych

Wiązania pierwotne – silne

• jonowe

• kowalencyjne

• metaliczne

• Wiązania wtórne – słabsze - van der Waalsa

Wiązania pierwotne – silne

• jonowe - elektrostatyczne przyciąganie się jonów odmiennego znaku. Wiązania jonowe występują w układach złożonych z atomów skrajnie różniących się elektroujemnością.

• kowalencyjne - pary elektronów należące jednocześnie do dwóch sąsiadujących ze sobą atomów Wiązania atomowe (kowalencyjne) powstają, gdy łączą się z sobą atomy pierwiastków elektroujemnych o takich samych wartościach elektroujemności. Wiążące się atomy dążą do osiągnięcia struktury oktetowej najbliższego gazu szlachetnego przykładem jest wodór. Każdy atom wodoru "wykorzystuje" wspólnie dwa elektrony i ich konfiguracja podobna jest do konfiguracji helu.

• metaliczne - chmury elektronów walencyjnych. Pojęcie wiązania metalicznego stosowane jest dla scharakteryzowania wiązania istniejącego pomiędzy atomami metalu w stanie stałym kiedy mamy do czynienia z tzw. siecią metaliczną. Gaz elektronowy tworzy rodzaj kleju przenikającego przestrzeń międzyjonową, który przez oddziaływanie elektrostatyczne "wciąga" w siebie dodatnie jony, gęsto je przez to upakowując. Wzajemne przyciąganie jonów i gazu elektronowego stanowi istotę wiązania metalicznego.

Wiązania wtórne – słabsze

• van der Waalsa - elektrostatyczne przyciąganie się ładunków odmiennego znaku - ładunki przeciwne powstają w wyniku asymetrycznego rozkładu elektronów i protonów w obszarach poszczególnych atomów

1. Struktura krystaliczna materiałów|

• układ regularny, np. sól kamienna, diament, magnetyt, spinel

• układ tetragonalny, np. kasyteryt, cyrkon, wezuwian, szelit, wulfenit

• układ heksagonalny, np. beryl, pirotyn, apatyt, cynkit, nefelin, grafit

• układ trygonalny, np. romboedr, skalenoedr, kalcyt, korund, kwarc

• układ rombowy, np. siarka, baryt, oliwin, struwit, hemimorfit

• układ jednoskośny, np. wolframit, gips, tytanit, augit, ortoklazukład trójskośny, np. chalkantyt, dysten = cyanit, aksynit, rodonit, albit

Istnieją minerały nie mające struktury krystalicznej – amorficzne (bezpostaciowe), zwane też szkłami, np. opal. Z reguły jednemu związkowi chemicznemu odpowiada jedna klasa krystalograficzna, chociaż niektóre minerały o jednakowym składzie chemicznym mają różną budowę wewnętrzną i należą do różnych klas krystalograficznych. Zjawisko to definiuje się jako polimorfizm.

Układ krystalograficzny	Właściwości
regularny	a = b = c α = β = γ = 90°
tetragonalny	a = b ≠ c α = β = γ = 90°
rombowy	a ≠ b ≠ c ≠ a α = β = γ = 90°
jednoskośny	a ≠ b ≠ c ≠ a α = γ = 90° β > 90°
Trójskośny	a ≠ b ≠ c ≠ a α ≠ β ≠ γ ≠ 90°
Trygonalny i heksagonalny komórka graniastosłupa	a = b ≠ c α = β =90° γ = 120°
Trygonalny i heksagonalny komórka romboedryczna krawędzie jednakowe	α ≠ 90°

1. Defekty struktury krystalicznej: powierzchniowe, punktowe, liniowe.

Defekty sieci krystalicznej – niedoskonałości kryształów polegające na punktowym lub warstwowym zerwaniu regularności ich sieci. Defekty występują praktycznie we wszystkich rzeczywistych kryształach. Wynikają one z natury procesu krystalizacji.

Defekty punktowe

• Wakansy (luki) – brak atomu w węźle sieci krystalicznej; powoduje odkształcenie sieci krystalicznej w najbliższym otoczeniu; powoduje zmniejszenie gęstości kryształu;

• atom rodzimy w położeniu międzywęzłowym - atom zajmujący pozycję poza węzłami sieci krystalicznej. Jest rodzajem defektu punktowego w sieci krystalicznej. Atomem międzywęzłowym może być zarówno rodzimy atom, jaki i atom domieszki.

• atomy domieszek

Defekty liniowe

• dyslokacje krawędziowe - powstaje przez wprowadzenie w kryształ dodatkowej płaszczyzny. Cechą charakterystyczną dyslokacji jest duże odkształcenie sieci, co jest spowodowane dążeniem atomów sąsiadujących z linią dyslokacji do dostosowania swych położeń do warunków wytworzonych przez brak płaszczyzny.

• dyslokacje śrubowe - defekt sieci krystalicznej objawiający się przemieszczeniem części kryształu o sieci prawidłowej, w wyniku czego powstaje krawędź będąca osią (linią) dyslokacji śrubowej .
  
  

Defekty powierzchniowe

• granice ziarna - wewnętrzna powierzchnia oddzielająca dwa kryształy o takiej samej sieci krystalograficznej, takim samym lub zbliżonym składzie chemicznym różniące się orientacją krystalograficzną

• granica ziarna wąskokątowa – utworzona pomiędzy dwoma ziarnami, których sieci są względem siebie skręcone symetrycznie wokół osi leżącej w płaszczyźnie granicy (kąt θ<15°); Granica szerokokątowa – θ>15°

• granica międzyfazowa – powierzchnia graniczna oddzielająca kryształy różnych faz różniących się orientacją, typem sieci krystalograficznej i/lub składem chemicznym. Występuje w materiałach wielofazowych. Granice te dzielą się na:

• koherentne (rys. a)

• częściowo koherentne (rys. b)

• niekoherentne

1. Układ równowagi fazowej : pojęcia podstawowe, składniki układu, stan równowagi termodynamicznej, parametry termodynamiczne, funkcje termodynamiczne, przemiana fazowa, reguł faz, reguł dźwigni, typy układów, (jednoskładnikowe , dwuskładnikowe – z nie ograniczoną rozpuszczalnością w fazie stałej, z eutektyką, z perytektyką, z monotektyką, z fazą międzymetaliczną)

Stan równowagi termodynamicznej to stan, w którym nie zachodzi wymiana energii między układem a otoczeniem. Dwa układy, które nie są od siebie cieplnie odizolowane, znajdują się w stanie równowagi termodynamicznej, jeżeli mają jednakową temperaturę.

Parametry stanu – wielkości fizyczne opisujące stan układu termodynamicznego takie jak: temperatura, ciśnienie, objętość, ilości (np. stężenia) poszczególnych substancji, czasem również inne. Wielkości, które nie zależą od ilości substancji w układzie, to tzw. parametry intensywne, natomiast wielkości zależące od ilości substancji to parametry ekstensywne.

• Parametry ekstensywne – proporcjonalne do ilości materii w układzie:

  • masa

  • objętość

• Parametry intensywne – niezależne od ilości materii w układzie:

  • temperatura

  • ciśnienie

  • ułamek molowy

Funkcja stanu to w termodynamice funkcja zależna wyłącznie od stanu układu, czyli od aktualnych wartości jego parametrów, takich jak masa, liczność materii, temperatura, ciśnienie, objętość i inne.Wartość funkcji stanu z definicji nie zależy od jego historii, tzn. tego co działo się z nim wcześniej. Wynika z tego bezpośrednio inna podstawowa własność funkcji stanu: Zmiana wartości funkcji stanu zależy tylko od stanu początkowego i końcowego układu, a nie od sposobu w jaki ta zmiana została zrealizowana.Funkcja termodynamiczna zależna od historii (drogi) układu jest nazywana funkcją procesu.

W praktyce stosuje się zwykle następujące funkcje stanu:

• objętość właściwa

• energia wewnętrzna

• entropia

• energia swobodna

• entalpia

• entalpia swobodna

• egzergia

• wielki potencjał kanoniczny

• potencjał chemiczny

• stężenie molowe dla reakcji chemicznych

• aktywność molowa.

Przemiana fazowa (przejście fazowe) – proces termodynamiczny, polegający na przejściu jednej fazy termodynamicznej w drugą, zachodzący w kierunku zapewniającym zmniejszenie energii swobodnej układu^[1][2][3]

Do przemian fazowych należą procesy:

• prowadzące do zmiany stanu skupienia, np. parowanie i skraplanie, krystalizacja i topnienie, sublimacja i resublimacja

• zachodzące bez zmiany stanu skupienia, w fazie stałej lub ciekłej, np. przemiana alotropowa

Wyróżnia się:

• przemiany pierwszego rodzaju (rzędu) - w których zachodzi nieciągła zmiana entropii i ciepła właściwego w temperaturze równowagi termodynamicznej, co jest związane z wydzielaniem lub pochłanianiem ciepła .

• przemiany drugiego rodzaju (rzędu) - w których zachodzi ciągła zmiana entropii lub objętości molowej, a nie występuje efekt cieplny, np. przemiany magnetyczne, przemiany lambda, przejścia metali w stan nadprzewodnictwa

W metalurgii duże znaczenie ma klasyfikacja związana z mechanizmem przemiany, wg której wyodrębnia się grupy przemian:

• dyfuzyjnych - których przebieg jest związany z transportem masy (na małe lub duże odległości), np. przemiana eutektoidalna, wydzielanie składników z przesyconych roztworów stałych

• bez dyfuzyjnych - nie wymagających transportu masy, np. przemiana martenzytyczna

Reguła faz lub reguła faz Gibbsa – zależność obowiązująca dla każdego układu będącego w równowadze termodynamicznej, łącząca liczbę faz w układzie, liczbę składników niezależnych oraz liczbę stopni swobody.

Reguła dźwigni (reguła odcinków) – służy do określania procentowego lub wagowego udziału faz w stopie przy danej temperaturze w stanie równowagi.

1. Wykres fazowy
   

2. Własności fizyczne materiałów przewodnictwo elektryczne , cieplne, własności magnetyczne?

3. Własności mechaniczne i metody ich pomiaru (twardość, udarność, statyczna krzywa rozciągania, krzywa pełzania, krzywa Wohlera, odporność na pękanie)

Twardość – cecha ciał stałych świadcząca o odporności na działanie sił punktowych (skupionych). Efektami oddziaływania sił skupionych mogą być odkształcenia powierzchni, zgniecenie jej lub zarysowanie. Definicja twardości jest dość ogólna, stąd mnogość metod i skala pomiarowych.

Metody pomiaru twardości można podzielić na trzy grupy:

• pomiar poprzez zarysowanie - metoda Mohsa, sklerometr

• pomiar poprzez wciskanie twardszego od badanego materiału wgłębnika - metody Rockwella, Brinnella, Vickersa, Shore'a

• pomiar straty energii przy odbiciu się bijaka od badanej powierzchni - metoda Leeba, skleroskop

Udarność, własność mechaniczna wyrażająca się odpornością materiału na pęknięcie przy uderzeniu. Do prób udarności używa się znormalizowanych próbek materiałów z nacięciem (w kształcie U lub V), które, oparte na podporach, uderzane są młotem wahadłowym po przeciwnej stronie nacięcia. Udarność obliczana jest jako stosunek energii zużytej na złamanie próbki do pola pierwotnego przekroju próbki w miejscu przełamania. Nowoczesne młoty udarnościowe do prób udarności wyposażane są w specjalne urządzenia różnicowe, pozwalające na bezpośredni odczyt ze skali wartości energii wykorzystanej do złamania próbki.

Statyczna próba rozciągania – podstawowa metoda badań wytrzymałościowych materiałów konstrukcyjnych. Badanie polega na osiowym rozciąganiu znormalizowanej próbki ze stałą szybkością w temperaturze pokojowej (10-35°C), obniżonej lub podwyższonej. Próbką jest odpowiednio przygotowany pręt o przekroju okrągłym, prostokątnym, kwadratowym lub sześciokątnym o znormalizowanych wymiarach. Próbę przeprowadza się wykorzystując urządzenie zwane zrywarką. W czasie próby rejestruje się zależność siły rozciągającej od przyrostu długości próbki. Gotowy wykres, będący wynikiem takiego pomiaru, jest przedstawiony jako nominalne naprężenie σ_n w funkcji nominalnego odkształcenia ε_n. Nominalne naprężenie σ_n jest to stosunek przyłożonej siły rozciągającej F do pola przekroju początkowego S₀. Wydłużenie nominalne ε_n to stosunek bezwzględnego wydłużenia Δl (Δl = l₀ − l_x) do długości początkowej l₀.

Pełzanie - odkształcenie występujące w pewnym okresie, gdy materiał jest poddawany działaniu stałego naprężenia w stałej temperaturze. W przypadku metali, pełzanie występuje zazwyczaj w podwyższonych temperaturach. Pełzanie w temperaturze pokojowej występuje znacznie częściej w przypadku materiałów z tworzyw sztucznych i jest nazywane płynięciem na zimno lub odkształceniem pod obciążeniem. Dane uzyskanie w próbie pełzania są zwykle przedstawiane jako wykres odkształcenia pełzania względem czasu przy stałym naprężeniu i w stałej temperaturze. Nachylenie krzywej określa szybkość pełzania, a punkt końcowy krzywej to czas do zerwania. Jak to przedstawia załączony wykres, pełzanie materiału można podzielić na trzy etapy. Pierwszy etap, lub pełzanie nieustalone, rozpoczyna się z dużą szybkością, która maleje z upływem czasu. Drugi etap pełzania (pełzanie ustalone) charakteryzuje względnie stała szybkość. Trzeci etap pełzania (pełzanie progresywne) przebiega z narastającą szybkością i kończy się uszkodzeniem materiału w chwili określanej jako czas do zerwania

Wykres Wöhlera - wykres zależności pomiędzy wartością naprężeń niszczących próbkę danego materiału i ilością cykli zmian obciążenia tej próbki. Podstawowymi badaniami zmęczeniowymi są badania mające na celu określenie wytrzymałości zmęczeniowej, tzn. tej wartości zmiennego naprężenia, które materiał może znieść nieskończenie długo. Najprostsze z tego rodzaju badań są badania na trwałość, pozwalające na zbudowanie tzw. wykresu Wöhlera. Przeprowadzane są one na maszynach zmęczeniowych umożliwiających regulowanie wartości naprężenia, przy równoczesnym określeniu liczby cykli potrzebnych do zniszczenia próbki

Odporność na pękanie jest niezwykle istotnym parametrem określającym własności danego materiału, a zwłaszcza materiału konstrukcyjnego. Do oceny przydatności danego materiału nie wystarczają bowiem stałe materiałowe wyznaczane w ścisłej próbie rozciągania czy ściskania, zdarza się bowiem niejednokrotnie, że materiały o wysokich własnościach mechanicznych (o dużej wytrzymałości i ulepszonej cieplnie plastyczności) mają niewielką odporność na pękanie. W takim przypadku materiały takie mają ograniczoną przydatność jako tworzywo konstrukcyjne, szczególnie w przypadkach występowania w danej konstrukcji obciążeń zmęczeniowych. Odporność na pękanie określa się: - poprzez przeprowadzanie typowych prób technologicznych (próba udarności, próba kafarowa, wyznaczanie krzywej energii łamania itp.) – są to jedynie badania jakościowe, pozwalające przede wszystkim na określenie, czy materiał nie znajduje się w stanie kruchym (przy występowaniu tzw. progu kruchości w obniżonych temperaturach), a nie dające możliwości ustalenia związku między wynikami badań a poziomem naprężeń inicjujących pękanie; - poprzez badania próbek będących modelami określonych węzłów konstrukcyjnych i istniejących tam warunków obciążenia – próby te wymagają wykonywania próbek o dużych gabarytach i stosowania specjalnych dużych maszyn wytrzymałościowych, co znacznie podnosi koszty badań; - poprzez wykonywanie badań opartych na zasadach mechaniki pękania – poprzez badanie stosunkowo małych, znormalizowanych próbek pozwalają one na określanie warunków inicjacji pęknięć przy danej wielkości wady i przy danym poziomie naprężeń.

1. Podstawowa charakterystyka materiałów inżynierskich: metale i ich stopy, materiałów ceramicznych i szkieł, polimerów , kompozytów.

Grupa	Materiał
Metale i stopy	Żeliwo i stale
	Aluminium i jego stopy
	Miedź i jej stopy
	Nikiel i jego stopy
	Tytan i jego stopy
	Kobalt i jego stopy
Polimery	Polietylen (PE)
	Polimetakrylan metylu (PMMA)
	Polistyren (PS)
	Polichlorek winylu (PCV)
Ceramika i szkła	Tlenek glinu Al2O3
	Cement i beton
Kompozyty	Polimery zbrojone (GFRP lub CFRP)
	cermetale

Metale i stopy

• tworzywa metalowe charakteryzują się wiązaniem metalicznym;

• stopy metali: układy wieloskładnikowe złożone z więcej niż jednego pierwiastka, o przewadze wiązania metalicznego;

• dobre przewodnictwo elektryczne i cieplne;

• dodatni temperaturowy współczynnik rezystywności;

• połysk metaliczny;

• plastyczność;

Ceramika

• materiały nieorganiczne o jonowych i kowalencyjnych wiązaniach;

• wytwarzane zwykle w wysokotemperaturowych procesach nieodwracalnych;

• materiały ceramiczne: ceramika inżynierska, cermetale, ceramika porowata, szkła, ceramika szklana;

• bardzo wysoka wytrzymałość

• twardość

• kruchość (plastyczność bliska zeru)

• niezdolność do poddawania obróbce cieplnej i plastycznej

Polimery

• materiały organiczne złożone ze związków węgla

• makrocząsteczki powstałe w wyniku połączenia monomerów

• tworzywa sztuczne: polimery z dodatkiem barwników, pigmentów, katalizatorów, napełniaczy, zmiękczaczy, antyutleniaczy

• niska gęstość

• właściwości izolacyjne

• słabe odbicie światła

• duża odporność chemiczna

• ograniczona możliwość poddawania obróbce cieplnej i plastycznej

Kompozyty są to tworzywa składające się z dwóch lub więcej faz o własnościach nieosiągalnych w żadnym innym materiale. Do najbardziej znanych kompozytów należą żelazo – beton, eternit, szkło zbrojone siatką metalową, węgliki spiekane, cermetale i inn. Kompozyty dzielimy na umacniane cząstkami (dyspersyjnie) i włóknami (włókniste). Te z kolei dzielimy na umacniane włóknami ciętymi i ciągłymi. Możliwe są różne kombinacje przy komponowaniu kompozytów. Np. osnowa metaliczna, polimerowa, ceramiczna, a cząstki lub włókna mogą być metalowe, ze związków międzymetalicznych, ceramiczne, węglowe (grafit), polimerowe, lub o złożonej budowie (np. włókna borsic). Kompozyty pozwalają na otrzymywanie lekkich, mocnych i elastycznych konstrukcji. Są nimi także materiały żarowytrzymałe (np. łopatki turbin gazowych) i narzędzia (np. węgliki spiekane).

Osnowa pełni następujące funkcje:

• zapewnia wytrzymałość na ściskanie

• przenosi naprężenie zewnętrzne na zbrojenie,

• zatrzymuje rozprzestrzenianie się pęknięć,

• nadaje wyrobom żądany kształt

• utrzymuje razem zbrojenie

1. Struktura odlewu: wzrost płaskiego frontu krystalizacji, wzrost dendrytyczny, rodzaje segregacji.

Segregacja - niejednorodny skład stopu utworzony podczas krzepnięcia nierównowagowego.

Makrosegregacja – różnice w składzie chemicznym pomiędzy środkową i przypowierzchniową częścią wlewka lub odlewu. Warstwy przypowierzchniowe zawierają więcej składnika o wysokiej temperaturze topnienia. Jej usunięcie nie jest możliwe ze względu na zbyt duże odległości. Makrosegregację można zmniejszyć poprzez odkształcenie plastyczne na gorąco.

Mikrosegregacja (segregacja dendrytyczna) – niejednorodności składu ograniczone do mikroobszarów stopu. Powstaje w wyniku krzepnięcia dendrytycznego, podczas którego rdzenie dendrytów są bogate w składnik wyżej topliwy, zaś obszary pomiędzy ramionami dendrytów krzepnące na samym końcu są bogate w składnik o niższej temperaturze topnienia. Zjawisko to może prowadzić do kruchości na gorąco.

Mikrosegregacji można zapobiec poprzez wyżarzanie homogenizujące (ujednorodniające).

Wzrost dendrytyczny - zaburzenie na granicy międzyfazowej rozwija się ponieważ ciecz jest przechłodzona poniżej temperatury krystalizacji. Tworzą się dendryty. Ciepło krystalizacji odprowadzane do cieczy.

Wzrost płaskiego frontu krystalizacji - zaburzenie na granicy międzyfazowej się nie rozwija, gdyż ciecz jest przegrzana powyżej temperatury krystalizacji

1. Mikrostruktura i jej składowe: struktura roztworów stałych i faz międzymetalicznych, związki chemiczne.
   

2. Umocnienie wydzieleniowe i roztworowe.
   

Utwardzanie wydzieleniowe lub umocnienie wydzieleniowe (nieściśle nazywane też umocnieniem/utwardzeniem dyspersyjnym) - metoda obróbki cieplnej metali, prowadząca do zwiększenia ich wytrzymałości mechanicznej. Wzmocnienie/umocnienie jest efektem wydzielenia rozpuszczonego składnika z przesyconego roztworu stałego, co w temperaturze niższej prowadzi w efekcie do zmiany struktury i właściwości stopu.

Utwardzanie wydzieleniowe jest możliwe tylko dla stopów:

• w których dodatek stopowy częściowo rozpuszcza się w osnowie

• w wysokich temperaturach tworzy z osnową roztwór stały graniczny

• przy obniżaniu temperatury wykazuje małą rozpuszczalność graniczną.

Proces utwardzania składa się z dwu etapów: przesycania oraz starzenia.

Przesycanie – obróbka cieplna, której poddawana jest m.in. stal w celu stabilizacji austenitu. Uzyskanie stabilnego austenitu zwiększa odporność stali na korozję.
Polega na nagrzaniu stali do temperatury, w której nastąpi przemiana austenityczna, a następnie, tak jak w hartowaniu, szybkie schładzanie.
Różnica między hartowaniem a przesycaniem polega na tym, że przy przesycaniu unika się wystąpienia przemiany martenzytycznej. W związku z tym, przesycanie daje się zastosować tylko dla stali, w których początek przemiany martenzytycznej jest niższy od temperatury otoczenia, czyli dla stali wysokowęglowych lub zawierających dodatki stopowe obniżające tę temperaturę i stabilizujących austenit, takich jak chrom.
Przesycanie zwykle stosuje się dla stali nierdzewnych i kwasoodpornych.

Starzenia - kolejny etap obróbki cieplnej stopów metali uprzednio przesyconych, polega na wygrzaniu ich w temperaturze niższej od temperatury przesycenia w celu wydzielenia z roztworu stałego przesyconego fazy (lub faz) o odpowiednim stopniu dyspersji, zawierającej składnik stopowy, znajdujący się w roztworze w nadmiarze .Starzenie powodujący zwiększenie wytrzymałości kosztem zmniejszenia plastyczności metalu.

Umocnienie roztworowe – polega na wprowadzeniu do sieci krystalicznej obcych atomów o średnicy różnych od atomów rodzimych w sieci. Naprężenia wprowadzone w ten sposób do sieci powodują dodatkowy opór ruchu dyslokacji.

1. Mechanizm dyslokacyjny odkształcenia na zimno.
   

2. Kształtowanie mikrostruktury przy wykorzystaniu przemian fazowych: mechanizmy dyfuzji i prawo dyfuzji , siła pędna przemiany, przemiany w stali podczas nagrzewania – perlityczna, bainityczne, martenzytyczna, przemiany podczas odpuszczania , wykresy CTP.

Dyfuzja - proces samorzutnego rozprzestrzeniania się cząsteczek lub energii w danym ośrodku (np. w gazie, cieczy lub ciele stałym), będący konsekwencją chaotycznych zderzeń cząsteczek dyfundującej substancji między sobą lub z cząsteczkami otaczającego ją ośrodka.

Zjawisko dyfuzji zachodzi:

• w stanie stałym

  • sieciowa;

  • objętościowa;

  • powierzchniowa

• w stanie ciekłym

• w stanie gazowym

Wyróżniamy trzy zasadnicze mechanizmy dyfuzji:

• mechanizm wakansyjny (zachodzący w roztworach substytucyjnych).

• mechanizm międzywęzłowy (w roztworach międzywęzłowych).

• mechanizmy związane z obecnością defektów sieci (dyslokacje, granice ziaren).

Siłą napędowa przemiany jest różnica energii swobodnej pomiędzy stanem początkowym i końcowym określona wielkościami termodynamicznymi charakteryzującymi duże obszary rozpatrywanych faz.

Przemiana perlityczna – przemiana fazowa (termiczna) austenitu w perlit zachodząca w wyniku powolnego chłodzenia stali (poniżej temperatury 727 °C) nagrzanej do temperatury austenitu. Zachodzi przy ochłodzeniu austenitu poniżej temperatury Arl (alotropowej). Jest to przemiana dyfuzyjna, związana z przegrupowaniem atomów węgla, zachodząca przez zarodkowanie i wzrost zarodków; zarodkowanie heterogeniczne na cząstkach cementytu, płytkach ferrytu, a w austenicie na granicach jego ziaren; kolejno tworzenie płytek cementytu i ferrytu.

Przemiana bainityczne - fazowa przemiana termiczna w bainit, pośrednia między przemianą perlityczną a przemianą martenzytyczną, polegająca na przechłodzeniu austenitu do temperatury z zakresu 500-300°C, w której nie zachodzi już dyfuzja pierwiastków metalicznych, zachodzi zaś jeszcze dyfuzja węgla. Rozróżnia się bainit górny powstały z przemiany austenitu w temp. ok. 550 – 350 °C, oraz bainit dolny powstały w zakresie 350 – 250 °C.

Przemiana martenzytyczna, izotermiczna przemiana austenitu w martenzyt zachodząca w wyniku gwałtownego chłodzenia (z prędkość większą od prędkości krytycznej) nagrzanej do temperatury austenitu stali węglowej lub niskostopowej (hartowanie).

Przemiany przy odpuszczaniu

Sorbit – składnik strukturalny stali, mieszanina ferrytu i cementytu o dyspersji zmniejszającej się wraz ze wzrostem temperatury. Powstaje w stalach stopowych konstrukcyjnych do ulepszania cieplnego po wysokim odpuszczaniu w temperaturze ok. 680 °C. Cechuje się wysokimi parametrami wytrzymałościowymi i plastycznymi. Twardość sorbitu w zależności od składu chemicznego stali i warunków odpuszczania wynosi od 20 do około 45 HRC.

Wykres CTP (CTP: czas-temperatura-przemiana) – graficzna prezentacja danych, dotycząca obróbki cieplnej materiałów inżynierskich (np. stali konstrukcyjnej lub narzędziowej).

Wykresów tych używa się do określania parametrów jakie trzeba zadać w kolejnych etapach obróbki cieplnej (np. szybkość chłodzenia, temperatura i czas wygrzewania), aby uzyskać pożądaną strukturę (właściwości) obrabianego materiału (np. strukturę metalu). W tym celu nanosi się na wykres siatkę linii np. chłodzenia ciągłego. Na tej podstawie można ustalić jakie fazy (mieszaniny) i w jakich ilościach będą występowały po skończeniu zabiegu. Ilość danego składnika zależy wprost proporcjonalnie od długości odcinka przecinającego dany obszar.

Wyróżnia się wiele rodzajów tego typu wykresów, m.in.:

• CTPc – prezentujący zmianę struktury przy ciągłym chłodzeniu materiału,

• CTPi – prezentujący zmianę struktury przy chłodzeniu materiału z wytrzymaniem izotermicznym,

• CTPc-S – prezentujący zmianę struktury przy chłodzeniu materiału w warunkach spawania

1. Kształtowanie mikrostruktury na drodze obróbki cieplnej: rodzaje wyżarzań, ulepszenie cieplne, kruchość odpuszczania, hartowność stali i czynniki na nią wpływające.
   

Wyżarzanie jest to zabieg obróbki cieplnej polegający na nagrzaniu stali do określonej temperatury, wytrzymaniu przy tej temperaturze i następnym na powolnym schłodzeniu. Celem tego zabiegu jest przybliżenie stanu stopu do warunków równowagi.

• Wyżarzanie ujednorodniające:
  
  Cel:
  Zmniejszenie niejednorodności składu chemicznego ;stosowany głównie dla wlewków
  
  Sposób wykonania:
  Nagrzanie stali do temperatury: 1050 ⁰C do 1250⁰C (około 100⁰C - 200⁰C poniżej linii solidus), wygrzanie i następnie studzenie.

• Wyżarzanie zupełne:
  
  Cel:
  Uzyskanie struktury zbliżonej do stanu równowagi, zmniejszenie twardości stali, zwiększenie jej ciągliwości, usunięciu naprężeń wewnętrznych, polepszenie obrabialności. Stosowany głownie do stali stopowych.
  
  Sposób wykonania:
  Nagrzanie stali do temperatury o 30⁰C - 50⁰C wyższej od Ac3,Acm (linia GSE), wygrzanie i bardzo wolne studzenie (np.: z piecem). Po przekroczeniu temperatury Ar1f dalsze chłodzenie może odbywać się na powietrzu.

• Wyżarzanie niezupełne:
  
  Cel:
  Stosowane jako odmian wyżarzania zupełnego w tych przypadkach, gdy postać wydzieleń ferrytu (dla stali podeutektoidalnych) , lub cementytu wtórnego (dla stali nadeutektoidalnych) jest prawidłowa tzn. gdy nie wstępuje np. w układzie Widmannstatena.
  
  Sposób wykonania:
  Nagrzanie do temperatury w zakresie Ac1 – Ac3 (dla stali podeutektoidalnych) lub A1 – Ac cm (dla stali nadeutektoidalnych) wygrzanie i chłodzenie tak jak dla wyżarzania zupełnego.

• Wyżarzanie normalizujące

Cel:
Uzyskanie jednorodnej struktury drobnoziarnistej, a przez to polepszenie własności mechanicznych. Stosowany głownie dla stali podeutektoidalnych.

Sposób wykonania:
Nagrzanie stali do temperatury 30⁰C – 50⁰C powyżej linii Ac3, wygrzanie i studzenie w spokojnym powietrzu. Dla stali nadeutektoidalnych stosuje się czasami tzn. normalizowanie niezupełne ( temperatura wygrzewania znajduje się A1- Accm)

• Wyżarzanie z przemianą izotermiczną
  
  Cel:
  Zmniejszenie twardości, stosowany głównie dla stali stopowych, które po wyżarzaniu normalizującym maja za wysoką twardość.
  
  Sposób wykonania:
  Nagranie stali do temperatury 30⁰C – 50⁰C powyżej Ac1, wygrzanie, szybkie chłodzenie do temperatury pomiędzy temperatura Ar1f a 550⁰C, wytrzymanie izotermiczne przy tej temperaturze aż do zakończenia przemiany perlitycznej i następnie chłodzenie w powietrzu. Stosowane jest często jako wyżarzanie zmiękczające.

• Wyżarzanie sferoidyzujące

Cel:
Zmniejszenie twardości wskutek zmiany kształtu wydzieleń cementytu na sferoidalny. Wyżarzanie to jest również nazywane wyżarzaniem zmiękczającym.

Sposób wykonania:
Nagrzanie stali do temperatury zbliżonej do Ac1, wygrzanie i następnie bardzo wolne chłodzenie do 600⁰C. dalsze studzenie może być dowolne. Wygrzewanie może być również wykonane wahadłowo wokół temperatury Ac1 ( ok ±20⁰C). Wyżarzanie sferoidyzujące można także wykonać stosując wyżarzanie z przemianą izotermiczną.

• Wyżarzanie odprężające
  
  Cel:
  Usunięcie naprężenie odlewniczych, spawalniczych cieplnych oraz spowodowanych przeróbką plastyczną na zimno. Nie wiąże się ze zmianami struktury stali.
  
  Sposób wykonania:
  Nagrzanie stali do temperatury niższej od Ac1, wygrzanie i powolne studzenie.

• Wyżarzanie rekrystalizujące

Cel:
Stosowany do stali odkształconych plastycznie na zimno, celem spowodowania rekrystalizacji.

Sposób wykonania:
Nagrzanie stali do temperatury wyższej od temperatury rekrystalizacji , wygrzanie i następnie chłodzenie z dowolną szybkością.

Podczas odpuszczania występuje kruchość odpuszczania, którą dzieli się na:

• kruchość odpuszczania I rodzaju – kruchość nieodwracalna, występuje w zakresie temperatur 250-450 °C, powoduje zmniejszenie odporności na pękanie;

• kruchość odpuszczania II rodzaju – kruchość odwracalna, występuje powyżej 500 °C i powolnym chłodzeniu;

Hartowność stali – jest to zdolność do tworzenia w trakcie hartowania struktury martenzytycznej. Głównym czynnikiem wpływającym na hartowność stali jest jej skład chemiczny, czyli zawartość węgla oraz pierwiastków stopowych i technologicznych. Poza składem chemicznym wpływ na hartowność mają także także wielkość ziarna i jednorodność austenitu oraz obecność innych, nierozpuszczonych cząstek. Dodatki stopowe (wyjątek stanowi kobalt), zwiększają hartowność stali poprzez zmniejszenie krytycznej szybkości chłodzenia.

1. Powierzchniowe obróbki cieplno chemiczne: nawęglanie, azotowanie, borowanie, dyfuzja metalizująca, metody PVD CVD.

Obróbka cieplno – chemiczna.
Celem jest uzyskanie odpowiednich własności fizykochemicznych (np. zwiększenie odporności na ścieranie, żaroodporność)na drodze dyfuzyjnej zmiany składu chemicznego warstw wierzchnich materiału.

• Nawęglanie
  
  Cel:
  Uzyskanie twardej, odpornej na ścieranie warstwy przy zachowaniu ciągliwego rdzenia. Nawęglanie polega na nasyceniu węglem wierzchnich warstw części wykonanych ze stali niskowęglowych.
  
  Sposób wykonanie i własności:
  Nagrzanie niskowęglowej stali w odpowiednim ośrodku nawęglającym gazowym lub stałym. (tzn. nawęglanie w proszkach) do temperatury powyżej Ac3, wytrzymanie przez czas wystarczający do uzyskanie żądanej grubości warstwy nawęglonej z następnym powolnym chłodzeniem . Głównymi składnikami ośrodków gazowych są CO, węglowodory nasycone i węglowodory nienasycone. Jako ośrodki stałe stosowane są proszki będące mieszaniną węgla drzewnego i środków przyspieszających nawęglanie (węglan baru lub sodu). Po nawęglaniu stal jest hartowana i nisko odpuszczana. Po przez nawęglanie i obróbkę cieplną twardość (na powierzchni) stali niskowęglowej może osiągnąć 60 – 65 HRC, natomiast grubość warstwy nawęglonej nie przekracza zazwyczaj 2mm.

• Azotowanie
  
  Cel:
  Otrzymanie bardzo twardej i odpornej na ścieranie warstwy wierzchniej bez potrzeby dalszej obróbki cieplnej. Azotowanie zwiększa również odporność na korozje stali oraz wytrzymałość zmęczeniową. Jest ono stosowane dla stali zazwyczaj uprzednio ulepszonych cieplnie.
  
  Sposób wykonanie i własności:
  Wygrzanie materiału przy temperaturze z zakresu 500⁰C - 700⁰C (przez czas 0,5 do 80 godzin) w atmosferze częściowo zdysocjowanego amoniaku NH3. Żądane właściwości uzyskuje się m.in. dzięki powstawaniu na wierzchniej warstwie azotków i węglikoazotków żelaza oraz pierwiastków stopowych (np.: aluminium, chrom, tytan, wanad). Twardość naazotowanej stali może dochodzić nawet do 1200 HV, a więc do znacznie większej wartości niż dla stali nawęglonej i następnie zahartowanej. Grubość warstwy naazotowanej nie przekracza 0,6mm. Warstwa ta jest bardzo krucha.

• Borowanie
  
  Cel:
  Zwiększenie odporności części maszyn i narzędzi na ścieranie, szczególnie na działanie luźnego ścierniwa . Borowaniu poddaje się m.in. narzędzia wiertnicze, narzędzia do pracy na zimno i na gorąco (matryce).
  
  Sposób wykonanie i własności:
  Borowanie dzieli się na proszkowe, kąpielowe i elektrolityczne. Temperatury borowania we wszystkich trzech metodach są zbliżone i mieszczą się w zakresie 850⁰C - 1050⁰C ( czas borowanie od 3 do 8 godzin). W wyniku borowania tworzą się warstwy zbudowane z borków żelaza FeB, Fe2B. Borowane części lub narzędzia poddaje się hartowaniu . Grubość warstwy borowanej na stalach stopowych od 0,08 do 0,15 mm, na stalach niestopowych grubość dochodzi do 0,3 mm, a uzyskiwane twardości sięgają 2000 HV.

Metalizowanie dyfuzyjne

Nasycenie powierzchniowej warstwy przedmiotów stalowych lub żeliwnych składnikami metalicznymi (czasem również niemetalicznymi) w ośrodkach stałych, ciekłych lub gazowych.

• Chromowanie
  
  Cel:
  Zwiększenie twardości warstwy wierzchniej (chromowanie utwierdzające) stosowane dla stali o średniej i wysokiej zawartości węgla ( głównie materiały na narzędzia do pracy na zimno i na gorąco). Chromowanie może mieć także na celu poprawienia odporności na korozję i żaroodporność ( chromowanie antykorozyjne) stali o niskiej zawartości węgla (elementy armatury wodociągowej).
  
  Sposób wykonania i własności:
  Chromowanie dyfuzyjne polega na nasyceniu chromem powierzchni przedmiotów wykonanych ze staliw, żeliw lub staliwa. Proces prowadzony jest przy temperaturze 880⁰C - 1500⁰C w czasie od 3 do 12 godzin. W zależności od rodzaju ośrodka rozróżnia się chromowanie proszkowe, kąpielowe i gazowe (najczęściej w środowisku zawierającym halogenki chromu). W zależności od zawartości węgla w stali po chromowaniu może utworzyć się warstwa o strukturze roztworu stałego chromu w żelazie α (stale niskowęglowe) lub warstwa o strukturze węglikowej (stale o większej zawartości węgla). Minimalna grubość warstwy wynosi 0.05mm twardość od 100 – 500 HV.

• Aluminiowanie
  
  Cel:
  Zwiększenie żaroodporności i odporności na korozje.
  
  Sposób wykonani i własności:
  Aluminiowanie jest wykonane metodą zanurzeniową ( w kąpieli czystego aluminium lub jego stopu) albo metodą proszkową (przy użyciu proszków aluminium, tlenku aluminium, żelazoaluminium). Aluminiowane stale niestopowe są odporne na działanie temperatury do 950 ⁰C a aluminiowane stale stopowe (żaroodporne) do 1200⁰C. Aluminiowanie również zwiększa istotnie odporność na korozje w środowiskach roztworów wodnych, w gazach spalinowych i w płynnej siarce. Celem obniżenia kruchości warstwy naaluminiowanej, wywołanej prze tworzące się fazy międzymetaliczne oraz celem zwiększenie grubości warstwy, po aluminiowaniu stosuje się dodatkowo wyżarzanie dyfuzyjne przy 900⁰C - 1050⁰C przez 3 do 5 godzin.

Fizyczne osadzanie z fazy gazowej (PVD)– osadzanie powłoki z fazy gazowej przy wykorzystaniu zjawisk fizycznych. Mechanizm tworzenia powłoki opiera się na krystalizacji. Proces PVD prowadzony jest w warunkach wysokiej próżni, ze względu zapewnienie odpowiednio długiej drogi swobodnej cząsteczek gazu. Gaz materiału osadzanego krystalizuje na podłożu, wiążąc się siłami adhezji. Z tego względu połączenie powłoka-podłoże ma charakter adhezyjny i zależy od czystości podłoża. Przed obróbką właściwą stosuje się chemiczne (zgrubne) i jonowe (dokładne) metody oczyszczania powierzchni. Obróbka PVD ma bardzo duży potencjał aplikacyjny ze względu na niską temperaturę obróbki i ogromną liczbę możliwych kombinacji budowy i struktury powłok. Celem procesu jest wytworzenie cienkich warstw modyfikujących fizyczne i chemiczne właściwości powierzchni.

Chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD)–jest to jedna z metod obróbki cieplno-chemicznej materiałów. Służy do nanoszenia cienkich powłok na obrabiany materiał w celu zwiększenia/zmiany właściwości fizycznych, chemicznych lub mechanicznych powierzchni obrabianego materiału. Do materiałów CVD zaliczyć możemy:

• nawęglanie

• azotowanie

• węgloazotowanie

• chromowanie dyfuzyjne

• aluminiowanie

• tytanowanie

Zasadniczą cechą procesu CVD odróżniającą od procesów PVD jest dyfuzja pierwiastków (objętościowa) poprzez defekty struktury krystalicznej (wakacje) z utworzeniem warstwy dyfuzyjnej.

1. Wpływ pierwiastków stopowych na własności stali

Dodatek stopowy - metal lub inna substancja dodana w niewielkich ilościach do stopu w celach modyfikacji pewnych jego charakterystyk^[1].

Do najczęściej stosowanych dodatków w stalach zalicza się:

• nikiel – obniża temperaturę przemiany austenitycznej oraz prędkość hartowania. W praktyce ułatwia to proces hartowania i zwiększa głębokość hartowania. Nikiel rozpuszczony w ferrycie umacnia go, znacznie podnosząc wytrzymałość na uderzenie. Dodatek niklu w ilości 0,5% do 4% dodaje się do stali do ulepszania cieplnego, a w ilościach 8% do 10% do stali kwasoodpornej. W symbolach stali dodatek niklu oznacza się literą N.

• chrom - Powoduje rozdrobnienie ziarna. Podwyższa hartowność stali. Zwiększa jej wytrzymałość. Stosowany w stalach narzędziowych, konstrukcyjnych i specjalnych (nierdzewnych lub żaroodpornych). W tych ostatnich nawet w ilościach do 30%. W symbolach stali dodatek chromu oznacza się literą H.

• mangan - obniża temperaturę przemiany austenitycznej, a przy zawartości powyżej 15% stabilizuje i umożliwia uzyskanie struktury austenitycznej w normalnych temperaturach. Już przy zawartościach 0,8% do 1,4% znacznie podwyższa wytrzymałość na rozciąganie, uderzenie i ścieranie. W symbolach stali dodatek manganu oznacza się literą G.

• wolfram – z większa drobnoziarnistość stali, powiększa wytrzymałość, odporność na ścieranie. Duży dodatek wolframu 8% do 20% zwiększa odporność stali na odpuszczanie. W symbolach stali dodatek wolframu oznacza się literą W.

• molibden - zwiększa hartowność stali. Podnosi wytrzymałość i zmniejsza kruchość, oraz podnosi odporność na pełzanie. W symbolach stali dodatek molibdenu oznacza się literą M.

• wanad - zwiększa drobnoziarnistość stali i znacznie powiększa jej twardość. Zwiększa hartowność stali. Tworzy trwałe węgliki typu MC. W symbolach stali dodatek wanadu oznacza się literą V

• kobalt - zwiększa drobnoziarnistość stali i znacznie powiększa jej twardość. Jako jedyny pierwiastek zmniejsza hartowność. Nie tworzy węglików. W symbolach stali dodatek kobaltu oznacza się literą K.

• krzem - normalnie traktowany jako niepożądana domieszka, zwiększa kruchość stali. Staje się pożądanym składnikiem w stalach sprężynowych. Ze względu na fakt, że zmniejsza energetyczne stany prądowe w stali, dodaje się go w ilościach do 4% do stali transformatorowej. W symbolach stali dodatek krzemu oznacza się literą S.

• tytan - w symbolach stali dodatek tytanu oznacza się literą T Dodatek do stali kwasoodpornych.

• niob - stosuje się jako mikrododatek w stali. Tworzy węgliki typu MC. W symbolach stali dodatek niobu oznacza się literą Nb.

• glin (aluminium) - odtlenia stal i zawsze znajduje się w stali uspokojonej. W symbolach stali dodatek aluminium oznacza się literą A.

• miedź - posiada podobne właściwości fizyczne jak czyste żelazo, lecz jest znacznie bardziej odporna na korozję. Miedź jest pożądanym dodatkiem i jej zawartość systematycznie wzrasta, wraz z użyciem stali złomowej przy wytapianiu nowej stali. W symbolach stali dodatek miedzi oznacza się literą Cu.

1. Podział stali ze względu na skład chemiczny oraz ze względu na przeznaczenie.
   

Podział stali

ze względu na skład chemiczny :

• stal węglowa (niestopowa)

  • niskowęglowa

  • średniowęglowa

  • wysokowęglowa

• stal stopowa

  • niskostopowa

  • średniostopowa

  • wysokostopowa

ze względu na zastosowanie:

• stal konstrukcyjna

  • ogólnego przeznaczenia

  • niskostopowa

  • wyższej jakości

  • łożyskowa

  • sprężynowa

  • do azotowania

  • do ulepszania cieplnego

• stale narzędziowe węglowe

• stale narzędziowe stopowe

  • stale do pracy na zimno

  • stale do pracy na gorąco

  • stale szybkotnące.

• stal specjalna

  • nierdzewna

    • chirurgiczna

  • kwasoodporna

  • magnetyczna

  • żaroodporna

  • żarowytrzymała

1. Stale konstrukcyjne – rodzaje, zastosowanie, obróbka cieplna.
   
   Stal konstrukcyjna - stal używana do budowy konstrukcji stalowych i części urządzeń i maszyn o typowym przeznaczeniu. Gdy konstrukcja lub element urządzenia pracuje w trudnych lub ekstremalnych warunkach atmosferycznych, wytężeniowych lub cieplnych, stosuje się stale specjalne.
   Obróbka cieplna stali konstrukcyjnych: nawęglanie, azotowanie, ulepszanie cieplne.

2. Stale narzędziowe - rodzaje, zastosowanie, typowe obróbki cieplne.
   
   Stal narzędziowa – stal do produkcji narzędzi, elementów przyrządów pomiarowych oraz odpowiedzialnych uchwytów. Stale narzędziowe charakteryzują się wysoką twardością, odpornością na ścieranie, niewielką odkształcalnością i niewrażliwością na przegrzanie. Cechy te osiąga się przez wysoką zawartość węgla i odpowiednią obróbkę cieplną przy narzędziach mało odpowiedzialnych oraz użycie odpowiednich dodatków stopowych połączone z odpowiednią obróbką cieplną w przypadku odpowiedzialnych narzędzi.
   
   Obróbka cieplna stali narzędziowych niestopowych : hartowanie i odpuszczanie.

Obróbka cieplna stali narzędziowych stopowych:

• do pracy na zimno: hartownie, niskie odpuszczanie;

• do pracy na gorąco: hartownie, wysokie odpuszczanie;

• stale szybko tnące: wyżarzanie zmiękczające, hartowanie odpuszczanie;

1. Stale odporna na korozje i utlenianie (żaroodporne)
   
   Stale odporne na korozję - jest to pojęcie zbiorcze dla stali zawierających co najmniej 10,5 % chromu (Cr) i wykazujących w przeciwieństwie do stali niestopowych wyraźnie polepszoną odporność na korozję. Wyższe zawartości Cr i dalszych składników stopowych jak na przykład nikiel (Ni) oraz molibden (Mo) jeszcze bardziej podwyższają odporność na korozję.

Żaroodporność jest to odporność na działanie gazów utleniających przy temperaturach wyższych od 600⁰C. W celu zwiększenia żaroodporności stali stosuje się dodatki stopowe takie jak: chrom, krzem i aluminium.

1. Nadstopy na bazie niklu, kobaltu i żelaza.

Nadstopy (superstopy, superstopy żaroodporne) – grupa materiałów na bazie żelaza, niklu i kobaltu, cechująca się wysoką żaroodpornością i odpornością na pełzanie w wysokich temperaturach. Najpowszechniej stosowane są w przemyśle lotniczym i energetycznym. Dzielą się na trzy grupy:

• na bazie żelaza

• na bazie niklu

• na bazie kobaltu

1. Żeliwa (szare, sferoidalne, ciągliwe)

Żeliwo – stop odlewniczy żelaza z węglem, krzemem, manganem, fosforem, siarką i innymi składnikami, zawierający od 2,11 do 4,3% węgla w postaci cementytu i/lub grafitu. Występowanie konkretnej fazy węgla zależy od szybkości chłodzenia i składu chemicznego stopu. Chłodzenie powolne sprzyja wydzielaniu się grafitu. Także i dodatki stopowe odgrywają tu pewną rolę.

• żeliwo szare:

  • szare zwykłe (zawiera grafit płatkowy różnej wielkości)

  • żeliwo sferoidalne (zawiera grafit sferoidalny)

  • żeliwo modyfikowane (zawiera drobny grafit płatkowy)

  • żeliwo wermikularne

• żeliwo białe

• żeliwo połowiczne

• żeliwo ciągliwe (zawiera grafit postrzępiony (grafit kłaczkowy))

• żeliwo stopowe

Żeliwo sferoidalne jest odlewem żelazo-węglowym, w którym część węglowa stanowi grafit sferoidalny w postaci kuleczek. Różni się od żeliwa szarego tym, że ma większą plastyczność, dużą wytrzymałość na obciążenia mechaniczne.

Żeliwo szare – żeliwo, w którym węgiel występuje w postaci grafitu. Nazwa jego pochodzi od faktu, iż jego przełom ma szary kolor. Uznawane za żeliwo wyższej jakości, jest bardziej ciągliwe, łatwiej obrabialne, charakteryzuje się dobrą lejnością i posiada mniejszy skurcz odlewniczy – (rzędu 1,0%), niż żeliwo białe. Wytwarza się z niego odlewy korpusów, obudów, bloków pomp, sprężarek i silników.

Żeliwo ciągliwe jest otrzymywane z żeliwa białego w wyniku wyważania grafityzującego. Podczas tej operacji cementyt ulega rozpadowi i wydziela się tzw. węgiel żarzenia (grafit żarzenia) w postaci kłaczkowatych skupień.

Żeliwo ciągliwe charakteryzuje się dobrymi własnościami wytrzymałościowymi i plastycznymi. Jest stosowane między innymi w przemysłach: górniczym, samochodowym, ciągnikowym, rolniczym, do wytwarzania licznych, drobnych elementów maszyn.
W zależności od parametrów procesu technologicznego żeliwo ciągliwe można podzielić na dwie grup

• żeliwo ciągliwe białe (odwęglone)

• żeliwo ciągliwe czarne (nie odwęglone), z wyróżnieniem w tej grupie żeliwa ciągliwego perlitycznego o wytrzymałości na rozciąganie powyżej ok. 400 MPa.

1. Aluminium i jego stopy
   

Aluminium właściwości:

• krystalizuje w RSC A1;

• brak odmian alotropowych;

• temperatura topnienia 6600C;

• ciężar właściwy 2,7   g/cm³;

• dobre przewodnictwo elektryczne;

• odporność korozyjna;

Stopy aluminium

Silumin – (od 11% do14% krzemu). Dobre własności odlewnicze, bardzo dobra lejność, mały skurcz i mała skłonność do pękania. Zastosowanie w przemyśle motoryzacyjnym jak części silników spalinowych (tłoki, głowice).

Aldrey – (0,5 % manganu; 0,5% krzem). Bardzo dobre przewodnictwo elektryczne a w procesie utwardzenia wydzieleniowego połączonego z odkształceniem plastycznym osiąga wysoką wytrzymałość na rozciąganie. Zastosowanie na przewody w napowietrznych liniach elektrycznych.

Aluman (od 1% do 1,5 % manganu). Mangan powoduje umocnienie stopu i podnosi odporność na korozje.

Duraluminum (4% miedzi; 1% magnezu; 1% manganu; żelazo i krzem do 0,7% ). Spośród wszystkich stopów aluminium posiada najlepsze właściwości wytrzymałościowe.

Obróbka cieplna stopów aluminium – utwardzenie wydzieleniowe.

1. Miedz i jej stopy
   

Miedz właściwości

• krystalizuje w RSC A1;

• brak odmian alotropowych;

• temperatura topnienia 1083 0C;

• ciężar właściwy 8,9   g/cm³

• wysoka przewodność elektryczna oraz przewodnictwo cieplne;

• duża plastyczność;

• zdolność do tworzenia stopów z innymi pierwiastkami;

Stopy miedzi

Mosiądze stopy miedzi z cynkiem. Zawartość cynku w mosiądzach powoduje wzrost własności wytrzymałościowych, oraz zmian zabarwienia z czerwonego na żółty. Mosiądz charakteryzuje się bardzo dużą plastyczności i dobra odpornością na korozje. Wyróżniamy :

• mosiądz jednofazowy (zawiera do 32% cynku)

• mosiądz przejściowy (zawiera od 32% do 39 % cynku)

• mosiądz dwufazowy (zawiera do 39% do 42% cynku)

Mosiądze stopowe – dodatki stopowe takie jak :

• ołów (od 1% do 3,5%) poprawi lejność, powoduje kruchość przy przeróbce plastycznej na gorąco.

• aluminium (0,5% do 3,5%) podwyższa odporność na korozje oraz własność wytrzymałościowe

• żelazo (0,55 do 1,5%) zwiększa własność wytrzymałościowe, umożliwia obróbkę cieplną

• krzem (2,5% do 4%) zwiększa twardość, poprawia lejność

• cynę (0,25% do 1,4%) zwiększ twardość, powodując zmniejszenie własności plastycznych.

• nikiel (2% do 6,5%) zwiększenie odporność na ocynkowanie, własności wytrzymałościowe oraz plastyczne.

Mosiądze wysokoniklowe ( nowe srebra) wieloskładnikowe mosiądze zawierające nikiel (od 11% do 19%) oraz cynk (od 20% do 27%). Mosiądz bardzo plastyczny , charakteryzujący się ponad to duża odpornością na działania atmosferyczne, dużą opornością elektryczną, kałe przewodnictwo cieplne.

Miedzionikle stopy miedzi z niklem. Najbardziej znany stop to o nikleina i konstantant. Nikleina zawiera około 20% niklu, charakteryzuje się dobrymi własnościami plastycznymi oraz dużą odpornością na korozje. Stop ten znalazł zastosowanie w produkcji monet. Konstantant zawiera ok 40% niklu i jest stosowany w elektrotechnice oraz na termoelementy.

Obróbka cieplna mosiądzów

• wyżarzanie ujednorodniające (temp: 800 0C do 8500C ) wyrównanie składu chemicznego stopu;

• wyżarzanie rekrystalizujące ( temp: 4500C do  6600C ) wykonuje się go po wcześniejszym odkształceniu na zimno, w celu usunięcia efektu zgniotu i likwidacji utwardzenia prze zgniot;

• przesycenie znane również jak hartowanie mosiądzu gwałtowne ochłodzenie do temperatury otoczenia w celu zatrzymania w strukturze stopu fazy β lub mieszaniny
  α +β;

1. Struktura polimerów, budowa molekuł, stopień polimeryzacji, polimery termoutwardzalne, termoplastyczne, elastomery.
   

Termoplastyczne - są to polimery o strukturze liniowej lub rozgałęzionej. Ze względu na brak grup funkcyjnych zdolnych do sieciowania nie utwardzają się podczas ogrzewania, zachowując budowę liniową lub rozgałęzioną. Polimery termoplastyczne mogą być kształtowane wielokrotnie, a ich przerób w wysokich temperaturach (poniżej temperatury rozkładu polimeru) nie prowadzi w sposób wyraźny do zaniku plastyczności, ani możliwości do formowania się. Polimery te są rozpuszczalne w rozpuszczalnikach, topią się i płyną.

Termoutwardzalne - to tworzywa, w których pod wpływem podwyższonej temperatury następuje nieodwracalny proces powstawania struktury przestrzennie usieciowanej. Struktura ta może być kształtowana tylko jednokrotnie Polimery te są nierozpuszczalne i nietopliwe po utwardzeniu oraz znacznie mniej elastyczne, bardziej wytrzymałe mechanicznie i odporniejsze na działanie czynników agresywnych chemicznie od polimerów termoplastycznych.

Elastomery – to polimerowe tworzywa sztuczne lub naturalne, które cechuje zdolność do odwracalnej deformacji pod wpływem działania sił mechanicznych, z zachowaniem ciągłości ich struktury. Elastomery to szersza grupa materiałów niż gumy, które stanowią tylko jedną z klas elastomerów.

Stopień polimeryzacji to liczba określająca z ilu merów jest przeciętnie zbudowany łańcuch danego polimeru.

Mer – najprostszy, jaki da się wyróżnić, stale powtarzający się fragment cząsteczek polimerów.

1. Kompozyty: włókniste, agregatowe (beton, węgliki spiekane), własności mechaniczne.

Kompozyty włókniste (rodzaj włókna):

• szklane - są najstarszymi, najtańszymi i najczęściej stosowanymi włóknami używanymi do zbrojenia kompozytów. Stosowane są szeroko w przemyśle samochodowym, lotnictwie, elektronice, szkutnictwie, elektrotechnice i in. Istnieją dwa podstawowe typy włókien szklanych - E i S. Pierwszy z nich ma gorsze własności mechaniczne (sprężyste, wytrzymałościowe, zmęczeniowe, udarnościowe, termiczne, reologiczne), ale znacznie niższą cenę niż typ S, stworzony z przeznaczeniem dla zastosowań militarnych. W chwili obecnej nadal znacznie częściej stosuje się włókna typu E.

• węglowe - są również włóknami grafitowymi, ale o mniej uporządkowanej strukturze. Obok obszarów o strukturze właściwej dla krystalicznego grafitu, występują obszary o zaburzonej sieci krystalicznej, a nawet obszary całkowicie jej pozbawione. W porównaniu z włóknami grafitowymi mają one gorsze własności mechaniczne, są natomiast od nich tańsze.

• aramidowe - nazwy handlowe tych włókien to Nomex, Kevlar, Kevlar 29 i Kevlar 49. Włókna aramidowe są generalnie rzecz biorąc najlepsze pod względem własności mechanicznych, ale jednocześnie najdroższe. Z tego powodu są one często używane łącznie z włóknami grafitowymi lub szklanymi typu E, tak, aby uzyskać kompromis między parametrami mechanicznymi i rozsądną ceną.

1. Materiały ceramiczne i szkła: (ceramika naturalna, konstrukcyjne, ogniotrwałe, szkła)

Ceramika konstrukcyjna

Cegła – materiał budowlany w kształcie prostopadłościanu (także klina, wycinka pierścienia kołowego lub kształtki) uformowany z gliny, wapna, piasku, cementu (bloczki betonowe) lub innych surowców mineralnych, który wytrzymałość mechaniczną i odporność na wpływy atmosferyczne uzyskuje poprzez proces suszenia, wypalania lub naparzania parą wodną.

Pustak, wyrób budowlany wykonany z gliny, gipsu, betonu, gruzobetonu, żużlobetonu, trocinobetonu itp., o różnym kształcie, przekroju i wymiarach, z przechodzącymi przez niego na wylot kanałami. Pustak charakteryzuje się lepszymi od cegły własnościami izolacji cieplnej i dźwiękochłonności. Stosowany jest jako element wypełniający lub nośny do budowy stropów i ścian.

Dachówka, wyrób budowlany wykonany z wypalonej gliny (dachówka ceramiczna), z mieszaniny cementowo-piaskowej (dachówka cementowa) lub ze szkła (dachówka szklana), używany do krycia dachów. W zależności od potrzeb budownictwa dachówki mogą mieć różne kształty i wymiary.

Ceramika ogniotrwała (wyroby szamotowe, krzemionkowe, termalitowe.)’

Szamot – materiał ceramiczny otrzymywany przez zmielenie i spieczenie wypalonej gliny ogniotrwałej. Proces produkcji polega na formowaniu, suszeniu i wypalaniu. Wyroby szamotowe cechują się dużą odpornością na szybkie zmiany temperatury. Po wymieszaniu z plastyczną gliną ogniotrwałą, szamot używany jest do wyrobu ogniotrwałych materiałów, np. okładzin stosowanych w kaflowych piecach domowych, paleniskach, piecach przemysłowych itp.

Termalit – wyroby termalitowe produkowane z ziemi okrzemkowej, należą do ceramiki ogniotrwałej. Najczęściej były formowane w kształtki o wymiarach cegły i używane do wykonywania izolacji pieców i kotłów.

1. Zastosowanie i własności materiałów funkcjonalnych, biomateriałów, nanomateriałów)

Biomateriał (zwany też materiałem biomedycznym) - materiał, z którego można produkować urządzenia i elementy, mające bezpośredni kontakt z tkankami organizmu. Z biomateriałów produkuje się implanty (np. protezy ortopedyczne, naczyniowe), a także pokrywa się nimi powierzchnie urządzeń wszczepianych do wnętrza organizmu (np. rozrusznik serca, sztuczne zastawki serca, elektrody endokawitarne, stenty), lub przeznaczonych do długotrwałego kontaktu z organizmem (np. rurki intubacyjne, cewniki, dreny, nici chirurgiczne). Podstawową cechą biomateriałów jest ich biozgodność, czyli brak toksyczności oraz minimalne oddziaływanie na system immunologiczny. Biomateriały będące w styczności z krwią nie mogą wywoływać hemolizy. Do najczęściej stosowanych biomateriałów zalicza się:

• polimery syntetyczne - takie jak: (polietylen, polisiloksany i inne)

• polimery półsyntetyczne - modyfikowane biopolimery, takie jak: oczyszczona chityna

• materiały ceramiczne

• niektóre metale i ich stopy

Nanomateriałem nazywamy substancję polikrystaliczną, złożoną z ziaren o wielkości nie przekraczającej 100 nanometrów (nm). Wielkością tą może być średnica ziarna bądź też grubość warstw wytworzonych lub naniesionych na podłożu. Granica wielkości nanomateriałów jest różna dla materiałów o różnych właściwościach użytkowych i na ogół wiąże się z pojawieniem nowych jakościowo właściwości po jej przekroczeniu. Nanokryształami mogą być czyste metale, ich stopy, ceramika, szkła.