1. OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA MATERIAŁOW.

1.1 Jakie są podstawowe własności metali i stopów ?

1. Własności fizyczne (barwa, połysk, dźwięk):

a). ciężar właściwy,

b). własności cieplne:

• temperatura topnienia (topliwość),

• temperatura wrzenia (parowanie),

• ciepło właściwe - jest to ilość ciepła, jaka jest potrzebna do ogrzania jednostki masy ciała (1g) o 1 stopień Celsjusza,

• ciepło topnienia - jest to ilość ciepła potrzebna do przeprowadzenia ciała ze stanu stałego do stanu ciekłego,

• rozszerzalność cieplna - ciało powiększa swą objętość lub długość pod wpływem ciepła,

• przewodność cieplna jest różna dla różnych ciał.

c). własności elektromagnetyczne:

• przewodność elektryczna - wszystkie metale i stopy przewodzą prąd elektryczny,

• własności magnetyczne - metale umieszczone w polu magnetycznym ulegają namagnesowaniu.

2. Własności mechaniczne:

a). wytrzymałość przy obciążeniach stałych (rozciąganie, zginanie, skręcanie), wytrzymałość stanowi miarę zwartości materiału,

b). wytrzymałość przy obciążeniach zmiennych - wytrzymałość na zmęczenie materiału, materiał podlega działaniu sił, które zmieniają swą wielkość od zera do pewnej granicy,

c). twardość - odporność materiału na odkształcenia trwałe lub sprężyste, które powstają na skutek obciążeń miejscowych,

d). kruchość i udarność:

kruchość to brak odporności materiału na uderzenia i gwałtowne obciążenia,

udarność to odporność materiału na uderzenia lub gwałtowne obciążenia.

3. Własności technologiczne:

a). skrawalność (obrabialność) podatność na działanie narzędzi

obrabiających,

b). ścieralność

c). przydatność do odlewnictwa:

• lejność (odlewalność) zależy od płynności materiału,

• mały skurcz oraz jednorodność (zmniejszanie wymiarów odlewu podczas stygnięcia),

d). ciągliwość i plastyczność - czy materiał daje się wyciągać i

i ulega odkształceniom, nie pęka,

e). kowalność - własność umożliwiająca obróbkę plastyczną

drogą walcowania lub kucia (na zimno i gorąco),

f). spawalność - próby spawalności przeprowadza się różnymi

sposobami w zależności od metody spawania.

4. Własności chemiczne:

a). odporność na korozję (kwasoodporność, nierdzewność):

• korozja chemiczna polega na niszczącym działaniu gazów lub cieczy nie zawierających wody,

• korozja elektrochemiczna ma miejsce wtedy, gdy korodująca ciecz jest elektrolitem,

b). ognioodporność - odporność na korozję w wysokich

temperaturach, powyżej 550 stopni Celsjusza.

1.2 Jakie cechy charakteryzują proces wytwarzania materiału?

1. Procesy technologiczne (odlewanie, przeróbka plastyczna na zimno i gorąco, obróbka skrawaniem i montaż).

2. Procesy pomocnicze:

• kontrola techniczna jakości,

• transport międzywydziałowy i międzyoperacyjny,

• magazynowanie,

• ostrzenie narzędzi itp.

1.3 Jak można podzielić materiały techniczne ?

1. Stal i staliwo:

a). stal to stop żelaza z węglem, zawierający domieszki

manganu i krzemu:

• stale węglowe,

• stale stopowe,

b). staliwo:

• węglowe - składa się z żelaza i węgla oraz domieszek krzemu, manganu, fosforu i siarki,

• stopowe - różni się od węglowego składnikami stopowymi.

2. Żeliwo - stop żelaza z węglem z domieszkami krzemu,

manganu, fosforu i siarki:

a). żeliwo białe,

b). żeliwo szare,

c). żeliwo stopowe,

d). żeliwo perlityczne.

3. Metale niezależne i ich stopy:

a). Glin Al,

b). Chrom Cr,

c). Cyna Sn,

d). Cynk Zn,

e). Magnez Mg,

f). Mangan Mn,

g). Molibden Mb,

h). Miedź Cu,

i). Ołów Pb,

j). Mosiądz (Zn + Cu),

k). Brąz (Sn + Cu),

4. Tworzywa sztuczne.

5. Materiały ceramiczne.

1.4 Jakie procesy technologiczne są stosowane do metali i stopów ?

1. Wyżarzanie - jest zabiegiem cieplnym polegającym na nagrzaniu stopu do odpowiedniej temperatury, wygrzaniu w tej temperaturze i chłodzeniu do temperatury otoczenia. Rozróżniamy następujące rodzaje wyżarzania:

• Ujednoradniające - stosowane do wlewków stali stopowych. Ma ono na celu usunięcie przez dyfuzję w stanie stałym segregacji dendrytycznej w obszarach ziarn.

• Normalizujące - ma na celu otrzymanie równomiernej budowy drobnoziarnistej, która zapewnia lepsze własności mechaniczne niż gruboziarnista.

• Zmiękczające - stosuje się głównie do tych stali, w których występują duże kryształy cementytu w perlicie oraz siatka cementytu otaczająca pierwotne ziarna austenitu. Polega na nagrzaniu stali do temperatury określonej w przybliżeniu przemianą A₁ i następnie studzeniu po długotrwałym wygrzewaniu.

• Odprężające - stosuje się w celu usunięcia lub zmniejszenia naprężeń własnych powstałych w materiale wskutek zgrubnej obróbki skrawaniem, odlewania, spawania lub obróbki plastycznej odbywającej się w temperaturze niższej od temperatury rekrystalizacji, tj. na zimno.

Hartowanie - jest zabiegiem cieplnym polegającym na nagrzaniu stali do temperatury wyższej o około 30°C od temperatury przemiany A₃ (linia GSK), wygrzaniu jej w tej temperaturze i oziębieniu z szybkością zwykle większą od szybkości krytycznej. Rozróżniamy hartowanie zupełne i niezupełne oraz powierzchniowe: płomieniowe, indukcyjne i kąpielowe.

Odpuszczanie - polega na nagrzaniu hartowanej stali do temperatury niższej od temperatury przemiany A₁, wygrzaniu w tej temperaturze i chłodzeniu najczęściej na powietrzu, niekiedy w oleju. Celem odpuszczania jest zmniejszenie naprężeń w stali hartowanej i następnie zmniejszenie jej kruchości i twardości oraz zwiększenie własności plastycznych i sprężystych.

Przesycanie - można stosować do stopów wykazujących zmniejszający się wraz z temperaturą zakres istnienia roztworów stałych. Polega ono na nagrzaniu stopu do temperatury, w której rozpuszczalność w stanie stałym jest dostatecznie duża i umożliwia otrzymanie stopu jednofazowego. Szybkie chłodzenie od tej temperatury umożliwia zatrzymanie składnika stopowego w roztworze stałym. Roztwór stały, w którym znajduje się więcej składnika rozpuszczonego niż to z warunków równowagi wynika , nazywa się roztworem przesyconym.

1.5. Jakimi własnościami cechują się polimery ?

Polimery są to materiały powstające przez połączenie się bardzo wielu jednakowych lub różnych prostych cząsteczek, zbudowanych głównie z atomów węgla i wodoru z możliwym jednak udziałem atomów chloru, krzemu, fluoru i siarki. Polimery są zwane także tworzywami sztucznymi lub plastykami. Polimery mają małą gęstość, znaczną wytrzymałość mechaniczną np. wytrzymałość na rozciąganie dochodzi niekiedy do 60 MPa, posiadają dobre własności przeciwcierne, znaczną odporność na działanie czynników atmosferycznych, dobre własności elektroizolacyjne, dobre własności dielektryczne, dobrą plastyczność, ładny wygląd. Te własności spowodowały, że polimery znalazły duże zastosowanie w technice oraz do produkcji wyrobów codziennego użytku.

1.6. Jakie są główne grupy polimerów ?

Polimery dzieli się na termoplasty, duroplasty i elastomery. Termoplasty miękną po nagrzaniu i dają się łatwo kształtować, duroplasty podczas polimeryzacji przechodzą nieodwracalnie w stan utwardzony i kruchy i nie można ich w tym stanie formować, a elastomery wykazują zdolność po dużym odkształceniu przy temperaturze pokojowej do natychmiastowego powrotu do postaci pierwotnej (są to kauczuki: naturalny i syntetyczne).

1.7. Jak sklasyfikować materiały ceramiczne ?

Materiały ceramiczne są wytwarzane z drobnych ziarn mineralnych, przez formowanie i wypalanie przy wysokiej temperaturze, a ostatnio także przez rozwłóknianie i natryskiwanie. Materiały ceramiczne można podzielić na różne grupy jak porcelanowe, porcelitowe, fajansowe, kamionkowe, ogniotrwałe, elektroizolacyjne, ceramikę budowlaną (cegły, kafle, dachówki, klinkier, ceramikę dekoracyjną i sanitarną), wyroby porowate i włókniste, a także materiały wiążące (cement i gips). Do ceramiki zalicza się również szkło. W ostatnich latach coraz większego znaczenia nabierają nowe materiały zwane cermetalami (są to spieki ceramiczno-metalowe), które stosuje się np. na narzędzia i łopatki turbin.

1.8. Jakie znasz przykłady materiałów kompozytowych ?

Kompozytem - nazywamy tworzywa składające się z dwóch lub więcej faz o własnościach nieosiągalnych w innym materiale.

Przykładem kompozytów są: - żelazobeton, - szkło zbrojone, - eternit, - wąż olejowy, do powietrza, ogrodowy, - opona (np. samochodowa), - pas transmisyjny (przekazujący napęd między dwoma elementami).

1.9. Jakimi własnościami wytrzymałościowymi i ciągliwymi cechują się podstawowe grupy materiałów inżynierskich.

Podstawowe własności wytrzymałościowe to:

1. wytrzymałość zmęczeniowa - nazywamy największą wartość naprężenia zmieniającego się w czasie, jaką materiał może wytrzymać przy nieograniczonej liczbie cykli zmian obciążenia.

2. twardość - określa odporność materiału na odkształcenia trwałe, powstające wskutek wciskania weń wgłębnika.

3. udarność - czyli odporność na uderzenia, sprawdza się za pomocą próby polegającej na złamaniu jednym uderzenie młota wahadłowego próbki o określonym kształcie i wymiarach.

Do własności ciągliwych należy:

1. plastyczność - określa podatność materiału do odkształceń trwałych, niezbędnych do nadania właściwych kształtów produktom. Własności plastyczne metali ocenia się na podstawie znormalizowanych prób, np. (zginania, przeginania taśm i drutów oraz tłoczności).

1.10. Które materiały inżynierskie cechują się dobrymi własnościami w podwyższonej temperaturze i w warunkach korozyjnych.

Dobrymi własnościami w podwyższonych temperaturach cechują się stale, które zawierają molibden (Mo).

Np. stal żaroodporna - jest przeznaczona do pracy w wysokich temperaturach. Są to stale chromowo - niklowe zawierające 4,5 do 20% Cr i 0,5 do 37% Ni. Te stale stosuje się na zawory silników spalinowych i skrzydełka turbin.

Stal stopowa do pracy na gorąco - jest używana do wyrobu narzędzi kształtujących materiał w stanie nagrzanym lub ciekłym, czyli na matryce kuzienne, walce, ciągadła i formy do odlewania pod ciśnieniem.

Natomiast materiały cechujące się dobrymi własnościami w warunkach korozyjnych zawierają: chrom (Cr) i nikiel (Ni).

Np. stale stopowe o szczególnych właściwościach - są używane na części maszyn i urządzeń pracujących w ośrodkach korodujących i w podwyższonych temperaturach. Stale odporne na korozję i kwasoodporne są to stale chromowe zawierające 12 do 22% Cr.

\2. Budowa materii.

2.21 JAK ZBUDOWANY JEST ATOM ?

Atom składz się z jądra zlokalizowanego w środku atomu i pozajądrowego układu elektronów. Jądro naładowane jest dodatnio i ma dużą masę a małe wymiary. Elektrony natomiast mają minimalną masę a zajmują w porównaniu z jądrem dużą przestrzeń. Ich ładunek jest ujemny i równy co do wartości dodatniemu ładunkowi jądra.

Według Bohra elektrony krążą wokół centralnie położonego jądra po ściśle "dozwolonych" torach w kształcie okręgów, które nazywamy orbitami stacjonarnymi. Orbity stacjonarne powinny znajdowaćsię w różnej odległości od jądra. Każdej orbicie odpowiada określona energia elektronu a elektrony krążą po orbicie nie tracąc energi. Dopiero przeskok elektronu z jednej orbity na drugą daje zysk lub stratę określonej porcji energi czyli kwantu.

2.3 CO OPISUJĄ LICZBY KWANTOWE ?

Są to liczby wymierne, które określają te wielkości fizyczne, które mogą przybierać waetości dozwolone a nie dowolne. W ramach mechaniki kwantowej pięć parametrów ruchu elektronów podlega kwantowaniu.

• Główna liczba kwantowa {symbol n} kwantuje energię elektronów i może przybierać wartości kolejnych liczb naturalnych {np. 1,2,3,4...e} aż do nieskończoności.

-praktyczne jej znaczenie to wyodrębnienie w zbiorze stanów kwantowych pobzbiory zwane powłokami.

-dodatkowe jej znaczenie to określenie liczby stanów kwantowych w powłoce poprzez wzór Zn {kwadrat} i określa liczbę poziomów orbitalnych w powłoce jako równą n{kwadrat}, określa liczbę podpowłok w powłoce jako równą n, decyduje o rozmiarach obszaru orbitalnego.

• Poboczna liczba kwantowa {symbol L} (orbitalna)

-liczba ta kwantuje orbitalny moment pędu. Moment pędu charakteryzuje ruch elektronu wokół jądra.

-praktyczne znaczenie tej liczby to wyobrębnienie podpowłok.

Dodatkowe znaczenie tej liczby:

-określa liczbę stanów kwantowych w podpowłoce jako równą 4L+2,

-określa liczbę poziomów orbitalnych w podpowłoce jako równą 2L+1,

-decyduje o kształcie obszaru orbitalnego.

PodpowLoki określa się literami:

s1, p3, d5, f, g, h, .

Wzór na L

L=n-1.

• Magnetyczna liczba kwantowa {symbol m} kwantuje oriętację orbitalnego momentu pędu elektronu:

-może przybierać wartości liczb całkowitych od -L do +L

-praktyczne znaczenie to określenie liczby poziomów orbitalnych w danej podpowłoce jako równą 2L+1.

• Spinowa liczba kwantowa {symbol s} kwantuje wewnętrzny moment pędu elektronu i przyjmuje zawsze wartosci 1/2 i nie ma innej wartości.

• Magnetyczna spinowa liczba kwantowa {symbol ms} określa orientację przestrzenną wektora spinu i przyjmuje wartości od -1/2 do +1/2.

2.4 WEDŁUG JAKIEJ ZASADY ZKLASYFIKOWANO PIERWIASTKI CHEMICZNE W UKŁADZIE OKRESOWYM.

Układ okresowy zwany także tablicą Mendelejewa, jest graficzny uporządkowaniem znanych dotychczas pierwiastków na podstawie prawa okresowości.

Układ okresowy dzieli się na poziome szeregi -OKRESY i pionowe kolumny -GRUPY.

Grupy dzielimy na główne A i poboczne B, okresy numerowane są liczbami arabskimi (1, 2, 3, ), grupy natomiast rzymskimi (I, II, III,)

2.5 NA CZYM POLEGA RÓŻNICA MIĘDZY STRUKTURAMI ELEKTONOWYMI METALI I

NIEMETALI ?

A)Wiązania chemiczne i jego cechy zależą od: ładunku jąder atomowych i konfiguracji elektronowej oraz promieni atomowych.

Na energię wiązania składają się:

-energia odpychania jądro-jądro

-energia odpychania elektron-elektron

-energia przyciągania elektron-jądro

Wiązanie jonowe powstaje powstaje między atomami metali I i II grupy a atomami niemetali grupy VI i VII

Mechanizm powstawania wiązania jonowego NaCl

11Na (K2L5M1)-e-Na1 } kryształ

17Cl (K2L8M8N7)+e-Cl-5 } Na+Cl-

Właściwości związków z wiązaniami jonowymi:

-mają budowę krystaliczną a w węzłach sieci krystalicznej znajdujją się jony,

-mają wysoką temp. topnienia i wrzenia,

-są dobrze rozpuszczalne w wodzie,

-przewodzą prąd elektryczny po rozpuszczeniu w wodzie.

Wiązania atomowe czyste (kowalencyjne).

Powstają pomiędzy tymi samymi atomami nie metali na skutek uwspólnienia pary elektronowej np:

Wiązania atomowe spolaryzowane powstają pomiędzy różnymi atomami niemetali, które różnią się od siebie wartością elektroujemności.Wiązania powstają w etapach:

1-uwspólnienie pary elektronów

2-przesunięcie pary elektronowej w stronę atomu o ujemnej wartości elektroujemności

Właściwości związków z wiązaniem atomowym:

-w węzłach sieci krystalicznej znajdują się atomy lub cząstki,

-posiadają niską temp. topnienia i wrzenia

-słabo rozpuszczają się w wodzie

-mają charakter kierunkowy.

2.7JAKIE JEST ZNACZENIE ELEKTRONÓW WALENCYJNYCH W TWORZENIU RÓŻNYCH TYPÓW WIĄZAŃ MIĘDZY ATOMAMI?

Elektrony walencyjne to te, które znajdują się na zew. powłoce elektronowej i decydują o wielu właściwościach pierwiastków, między innymi o ich wartościowościach i aktywności chemicznej. Mechanizm wszelkich reakcji chemicznych oraz zasady budowy cząsteczek są związane z elektronami walencyjnymi.Np. reakcje jądrowe, w czasie których mogą powstawać substancje o odmiennych własciwościach fizycznych i chemicznych, nie są zaliczane do reakcji chemicznych.W typowych reakcjach chemicznych uczestniczą tylko elektrony walencyjne.Pozostała część atomu, czyli jądro atomowe i elektrony wew. powłok są stałe i nazywamy je rdzeniem lub zrębem atomowym.Jeżeli atom oddaje z ostatniej powłoki jeden lub więcej elektronów to wtedy w wyniku nadmiaru protonów w jądrze powstają jony dodatnie -"kationy".

Jeżeli atom zyskuje na orbitalnej powłoce jeden lub więcej elektronów to wtedy uzyskuje ładunek ujemny i jest nazywany jonem ujemnym-anionem.

Elektroujemność jest to zdolność atomu do przyciągania elektronów.

Układ okresowy a elektryczność.

----- metale o najwyższej elektroujemności

- - - - niemetale o najwyższej wartości

* pierwiastki atmosferyczne

a - wzrasta średnia atomu i kationu, maleje energia jonizacji i elektroujemność, wzrasta aktywność chemiczna metali

b - średnia atomu maleje wskutek wzrostu ładunku jądra, wzrasta energia jonizacji,

c - maleje średnia atomu i anionu, wzrasta energia jonizacji i elektroujemność pierwiastka i aktywność chemiczna.

2.1 NA CZYM POLEGA RÓŻNICA MIĘDZY PIERWIASTKIEM, NUKLEIDEM I IZOTOPEM.

pierwiastek chemiczny - jedyny skład substancji prostej i jeden ze składu substancji złożonej.Pierwiastek składa się ze zbioru charakterystycznych atomów.Atomy tego samego pierwiastka mają te same właściwości, ten sam ładunek jądra a mogą różnić się masą

izotopy - odmiana tego samego pierwiastka o różnej liczbie masowej (liczbie nukleidów) .Atomy izotopów tego samego pierwiastka różnią więc liczby nukleonów, lecz liczba protonów jest taka sama.

nukleid - jądro atomowe różniące się składem, a zatem albo mające różną liczbę nukleonów albo przy jednakowej łącznej liczbie nukleonów składające się z różnej liczby protonów i neutronów.

2.61 CZYM CHARAKTERYZUJE SIĘ STRUKTURA ELEKTRONOWA METALI ALKLAICZNYCH, ZIEM ALKALICZNYCH, PRZEJŚCIOWYCZ I ZIEM RZADKICH.

Metale alkaliczne nazwa zwyczajowa rodziny pierwiastków chemicznych litowców, wywodząca się od technicznej i zwyczajowej nazwy mocnych zasad i węglanów litowców.

Litowce - metale alkaiczne, pierwiastki chemiczne np: lit, sód, potas frans.Sa to miękkie, lekkie metale, bardzo aktywne reagujące szybko (lub nawet wybuchowo) i z wodą i z powietrzem. W związkach występują głównie na stopniu utlnienia +1, tworzą bezbarwne kationy.

Metale ziem alkalicznych - nazwa zwyczajowa pierwiastków wapnia

3. KRYSTALICZNA STRUKTURA METALI

3.1.

1. Na czym polega różnica między materiałami krystalicznymi, a amorficznymi?

Typ struktury

Amorficzna Krystaliczna

-nie uporządkowany statycznie, -uporządkowany statycznie, symetryczny

pozbawiony symetrii, bezwładny rozkład cząstek materii w przestrzeni.

rozkład w przestrzeni cząstek materii. Odwzorowaniem rozkładu jest tzw. sieć

przestrzenna.

-zmiana stanu skupienia - zmiana stanu skupienia

Ciało stałe < = > ciecz Ciało stałe < = > ciecz

Odbywa się bez wyraźnie odbywa się w stałej temperaturze albo w

Zaznaczonego zakresu temp. Wyraźnie zaznaczonym zakresie temp.

Co wynika z działania różnych

Rodzajów wiązań o różnych energiach.

-zmianie stanu skupienia towarzyszy

ciągła zmiana właściwości fizycznych. - towarzyszy jej skokowa zmiana własności

fizycznych.

W kryształach jonowych sieć przestrzenna

Obsadzona jest jonami dod.(+) i ujem.(-)

W kryształach atomowych sieć przestrzenna

Obsadzona jest atomami. Sieć przestrzenną

kryształów metalicznych tworzą rdzenie

atomowe między którymi poruszają się

elektrony.

2. Czym charakteryzują się kryształy metali?

Cechy charakterystyczne:

• dobre przewodnictwo cieplne

• dobra przewodność elektryczna i dodatni współczynnik rezystywności elektrycznej

• połysk metaliczny, tj. zdolność odbijania promieni świetlnych przez pow. zew.

• dobra plastyczność , tj. zdolność do odkształceń trwałych pod działaniem naprężeń zewnętrznych.

3.Na czym polega różnica między strukturą krystaliczną, a siecią przestrzenną kryształu?

Struktura krystaliczna powstaje w wyniku przejścia ze stanu skupienia w stan stały. Posiada

Atomy uporządkowane w przestrzeni i rozmieszczone zgodnie z pewnymi regułami.

Sieć przestrzenna jest to płaszczyzna sieciowa poddana translacji. Elementami tej sieci przestrzennej są proste sieciowe oraz węzły sieci.

3.4 Elementy sieci przestrzennej kryształu.

W kryształach atomy są ułożone w odstępach okresowo powtarzających się w

co najmniej trzech nierównoległych kierunkach. Każda prosta łącząca środki dowolnych dwóch atomów w krysztale jest nazywana prostą sieciową. Najbliższa odległość atomów

na prostej sieciowej nosi nazwę periodu identyczności lub parametru sieci. Przesunięcie, tzw. translakcja prostej sieciowej o period identyczności w kierunku prostej, powoduje

znalezienie płaszczyzny sieciowej.

Płaszczyzna sieciowa poddana translakcjom w kierunku do niej nierównoległym

tworzy sieć przestrzenną.

Elementami sieci przestrzennej są zatem płaszczyzny sieciowe, proste sieciowe, będące śladami przecięcia płaszczyzn, oraz węzły sieci, stanowiące punkty przecięcia prostych sieciowych. Węzły sieci odpowiadają środkom atomów kryształu.

3.5 Róznica między układami krystalograficznymi a typami sieci przestrzennej.

Liczba elementów symetrii w elementarnej komórce sieciowej decyduje o podziale

na 7 układów krystalograficznych:

• trójskośny

• jednoskośny

• rombowy

• romboedryczny

• tetragonalny

• heksagonalny

• regularny

W zależności od tego, czy elementarne komórki sieciowe mają atomy wyłącznie na narożach, czy także wewnątrz lub na ścianach bocznych w ramach układów krystalograficznych występuje łącznie 14 typów sieci przestrzennej Bravaisa:

• trójskośna prosta

• jednoskośne: prosta, centrowana na podstawach

• rombowe: prosta, centrowana na podstawach, przestrzennie centryczna, ściennie centryczna

• heksagonalna

• romboedryczna

• tetragonalne: prosta, przestrzennie centryczna

• regularne: prosta, przestrzennie centryczna, ściennie centryczna.

4. Struktura metali.

4.1.Jakie znasz wady punktowe budowy krystalicznej?

Najprostszym defektem punktowym jest brak atomu w węźle sieci przestrzennej, czyli luka w sieci krystalicznej. Defekt ten nazywany jest wakansem.

Schemat wakansu przedstawiony jest na rys. 1a. Wakanse mogą zmieniać swoje położenia w krysztale po węzłach sieci przestrzennej, przez zamianę miejsc z węzłami obsadzonymi. W ten sposób może następować wywędrowanie luk na powierzchnię kryształu w wyniku czego ilość wakansów może się zmniejszać, względnie wakanse mogą się łączyć dając większych wymiarów luki w materiale — czyli tzw. zgrupowania wakansów. Liczba wakansów w temperaturze otoczenia jest w metalach niewielka, natomiast w temperaturach podwyższonych znacznie się zwiększa. Liczba wakansów w metalu wyżarzonym w temperaturze otoczenia wynosi około 10¹⁶/cm3. Obecność wakansów w materiałach metalicznych odgrywa ogromną rolę przy samo dyfuzji i dyfuzji

Rys. 1. Punktowe defekty sieci: a) wakanse, b) defekty Frenkla — przesunięcie atomu

Drugim defektem punktowym jest przesunięcie atomu z pozycji węzła w pozycję między węzłami sieci przestrzennej. Przesunięcie atomu inaczej zwane jest też defektem Frenkla (rys.1b ).

4.2. Na czym polega mechanizm Schottkyego i Frenkla?

Mechanizm Frenkla może występować w metalach, w których odległości między atomami są dostatecznie duże, aby atom mógł zająć miejsce w obszarach międzywęzłowych. Do takich metali należą np. metale alkaliczne Na, K. W innych metalach, w których wypełnienie przestrzeni atomami jest zwarte, jak w większości metali technicznych, istnieje bardzo małe prawdopodobieństwo występowania defektu Frenkla. Jak widać na rys. 1b przesunięcie atomu charakteryzuje się tym, że w danym krysztale występuję, równa ilość luk w miejscu węzłów sieci przestrzennej i atomów w położeniach międzywęzłowych.

4.3. Jakie znasz rodzaje dyslokacji? Jakie są mechanizmy przemieszczania się dyslokacji?

Dyslokacja brzegowa, inaczej nazwana krawędziową jest defektem liniowym.

Defekt liniowy jest to defekt struktury sieciowej, który w jednym wymiarze jest rzędu l do 5 średnic atomowych, a w drugim wymiarze ma długość całego ziarna lub jego części widocznej mikroskopowo.

Istotę zakłócenia strukturalnego, jaką jest dyslokacja krawędziowa, omówiono przykładzie sieci płaskiej, regularnej, prymitywnej. W tę sieć prymitywną do pewnej jej głębokości wsunięta zostaje dodatkowa płaszczyzna, tzw. „ekstra płaszczyzna". Krawędź tej płaszczyzny nie stanowi linii prostej, lecz dowolną linię brzegową i nazywana jest linią dyslokacji. W wyniku istnienia płaszczyzny dodatkowej w sieci przestrzennej, w górnej części kryształu jest o jedną płaszczyznę więcej niż w dolnej części. Wobec tego w górnej części kryształu panują naprężenia sprężyste ściskające, czego objawem są zmniejszone odległości między atomami w stosunku do stałych sieciowych.

Odwrotne w dolnej części panują naprężenia sprężyste rozciągające, czego dowodem są zwiększone odległości między atomami. Wokół krawędzi ekstra płaszczyzny wytwarza się zniekształcenie sieci (dyslokacja krawędziowa) o wymiarach jakie podano uprzednio dla defektów liniowych. Dyslokacja krawędziowa jest również nazywana od jej odkrywców dyslokacją Taylora i Orowana. Dyslokacji towarzyszy pole naprężeń wokół brzegu ekstra płaszczyzny.

W obszarach dyslokacji istnieje więc pole naprężeń, na skutek czego dyslokacje mają charakterystyczne własności dynamiczne. Jednym z objawów tych własności jest przesuwanie się dyslokacji pod wpływem niewielkiej siły, w wyniku której następuje poślizg części kryształu wzdłuż jednej płaszczyzny sieciowej. Również zakumulowane w dyslokacji naprężenia mogą oddziaływać na siebie albo przyciągająco, albo odpychająco.

Drugim najbardziej typowym rodzajem dyslokacji jest wykryte przez Burgersa w roku 1939 zakłócenie sieci krystalicznej nazywane dyslokacją śrubową lub inaczej dyslokacją Burgersa.

Rys. 2. Model dyslokacji śrubowej

Jeśli dla wyobrażenia dyslokacji śrubowej wziąć pod uwagę podobnie jak poprzednio prymitywną sieć przestrzenną w postaci kryształu sześciennego i wyobrazić sobie nadcięcie do połowy tego sześcianu płaszczyzną pionową przechodzącą przez główną płaszczyznę krystalograficzną sieci prymitywnej, tak jak to pokazano na rys. 2, następnie przesunąć w dół w miejsce nacięcia części sześcianu o jedną odległość atomową, otrzyma się wtedy zniekształcenie sieci przestrzennej odpowiadające dyslokacji śrubowej. Na rys. 2 przedstawiono zniekształcenie strukturalne za pomocą modelu perspektywicznego. Uwidacznia się na nim uskok w rozłożeniu atomów; linia atomów wyznaczająca kres uskoku atomów, jest dyslokacją śrubową. Pionowa linia O—O przedstawia linię dyslokacji śrubowej.

Zniekształcenie sieci regularnej odpowiadające dyslokacji śrubowej można też przedstawić inaczej przecinając sieć z rys. 2 dwoma sąsiednimi pionowymi płaszczyznami równoległymi do płaszczyzny rysunku 3. Rzędy atomów w części sieci nieodkształconej pokrywają się i widoczne są w widoku oba atomy należące do bliższej i dalszej płaszczyzny, w tym samym miejscu na rysunku, jeden za drugim (CC' i DD').

Natomiast zakłócone położenia atomów w obszarze dyslokacji tworzą linię śrubową i widoczne są osobno rzędy atomów bliższej (A i B) i dalszej płaszczyzny (A' i B'). Oś tej śrubowej linii atomów stanowi linię dyslokacji.

Rys. 3. Dyslokacja śrubowa; ułożenie atomów w dwóch sąsiednich płaszczyznach. W miejscach bez defektów położenia atomów pokrywają się, w miejscu dyslokacji śrubowej oba rzędy atomów są widoczne w postaci linii śrubowej

Wiadomym jest, że odkształcona sieć krystaliczna ma w stosunku do sieci nieodkształconej większą energię. Charakterystyczną wielkością dla dyslokacji jest odkształcenie sieci. Jako miarę energii odkształcenia sieci przyjęto wektor Burgersa, który nazywany jest też wektorem poślizgu. Wektor Burgersa dla dyslokacji liniowej i dla dyslokacji śrubowej zostanie wyjaśniony na podstawie rys. 4 i 5. Na rys. 4 przedstawiono płaszczyznę prostopadłą do linii dyslokacji krawędziowej, a na rys. 5 linia dyslokacji śrubowej jest równoległa do linii O—O,

Każdy defekt liniowy, a więc dyslokację krawędziową lub dyslokację śrubową można otoczyć pewnym obwodem przebiegającym po węzłach sieci przestrzennej nieodkształconej. Obwód taki, który odgranicza część odkształconą sieci od części doskonałej nazywa się obwodem Burgersa.

Rys. 4. Obwód Burgersa otaczający dyslokację krawędziową; b—wektor Burgersa prostopadły do kierunku dyslokacji brzegowej

Na rys. 4 przedstawiono obwód Burgersa w sieci z dyslokacją krawędziową, a na rys. 5 takiż obwód Burgersa dla sieci z dyslokacją śrubową. Obwód Burgersa w jednym i drugim przypadku składa się z odcinków jednostkowych, równych odległości między atomami, o kierunkach dodatnich i leżących w płaszczyźnie prostopadłej do linii dyslokacji.

Rys. 5. Obwód Burgersa otaczający dyslokację śrubową;

b — wektor Burgersa równoległy do kierunku dyslokacji śrubowej

Jeśli uwzględnić sumę wszystkich odcinków, jednakowo i przeciwnie skierowanych dla dyslokacji krawędziowej w wyniku pozostaje jeden wektor b zaznaczony na rys. 4 grubszą linią, którego kierunek jest prostopadły do linii dyslokacji krawędziowej a wartość równa przesunięciu o jedną odległość atomową. Podobnie sumując odcinki obwodu Burgersa dla dyslokacji śrubowej, otrzymuje się jeden wektor o kierunku równoległym do kierunku dyslokacji śrubowej i wartości jednej odległości atomowej (rys. 5). Wektor, który wynika ze zsumowania poszczególnych odcinków obwodów Burgersa nazywany jest wektorem Burgersa i wyraża stan sprężystego odkształcenia sieci spowodowany obecnością dyslokacji. Charakterystycznym więc jest, że w wyniku istnienia dyslokacji krawędziowej występuje energia odkształcenia sieci, która da się wyrazić wektorem Burgersa prostopadłym do linii dyslokacji krawędziowej o wartości równej przesunięciu o jeden parametr. Podobnie w przypadku istnienia dyslokacji śrubowej w sieci przestrzennej, odkształcenie towarzyszące temu defektowi sieci da się wyrazić za pomocą wektora Burgersa równoległego do linii dyslokacji śrubowej i równego co do wartości przesunięciu o jedną odległość atomową. Odkształcenie sieci towarzyszące defektom strukturalnym liniowym, do jakich należą dyslokacje krawędziowa i śrubowa mają ogromne znaczenie podczas odkształcania plastycznego metali.

W przypadku dyslokacji krawędziowej lub śrubowej, wektor Burgersa jest równy całemu wektorowi sieci lub jego wielokrotności. Istnieją jednak i takie dyslokacje, w których wektor Burgersa jest ułamkiem wektora sieciowego. Noszą one nazwę dyslokacji częściowych. W rzeczywistych metalach i stopach występują dyslokacje wszelkich rodzajów tworząc w rozmieszczeniu przestrzennym sieć linii dyslokacji. Trójwymiarową sieć dyslokacji pod powierzchnią monokryształu żelaza.

4.5Jakie są różnice między monokryształami i polikryształami ?

Monokryształ - [gr.], pojedynczy, nie wykazujący zrostów, pęknięć i wrostków kryształ lub krystalit. Monokryształy znajdują szerokie zastosowanie w nauce i technice, wobec czego duże znaczenie ma ich sztuczne wytwarzanie, tak zwane hodowanie. Monokryształy wytwarza się najczęściej: z r o z t w o r u - w przygotowanym w podwyższonej temperaturze nasyconym roztworze krystalizowanej substancji umieszcza się zarodek ( tak jak kawałek kryształu tej samej substancji ) i powoli obniża się temperatura.; z m a s y s t o p i o n e j - metodą topienia w płomieniu. ( metoda Verneuila )

Polikryształ, ciało polikrystaliczne - ciało stałe składające się z licznych drobnych ( najczęściej wielkości mikroskopowej ) kryształów lub krystalitów; większość spotykanych w przyrodzie i otrzymywanych sztucznie ciał stałych ( na przykład skały, metale, liczne materiały ceramiczne i budowlane ).

Kryształ - w fizyce, chemii i mineralogii: ciało stałe, którego strukturę wewnętrzną cechuje uporządkowanie dalekiego zasięgu we wszystkich kierunkach. Uporządkowanie to daje się najłatwiej opisać jako periodyczne, w trzech wymiarach fizycznej przestrzeni, powtarzanie się pewnego zespołu atomów, jonów lub cząsteczek (tzw. motywu struktury), tzn. strukturę kryształu można by odtworzyć przez przesuwanie (czyli translację) jej motywu w trzech niezależnych (niewspółpłaszczyznowych) kierunkach (i tylko przez przesuwanie - bez dokonywania obrotów lub innych przekształceń motywu).
Zdecydowana większość zbadanych dotychczas jednorodnych ciał stałych, z wyjątkiem polimerów, w odpowiednich warunkach tworzy samorzutnie fazę krystaliczną. Zgodnie z definicją strukturę kryształów cechuje zawsze istnienie symetrii translacyjnej (jest to conditio sine qua non dla kryształu), nadto bardzo często w makroskopowym pokroju (kształcie) kryształu można doszukać się innych elementów symetrii tzw. punktowej (centrum symetrii, osie symetrii, płaszczyzny symetrii), co stanowi podstawę do klasyfikacji kryształów na 32 klasy krystalograficzne, które z kolei łączy się w 7 większych zespołów zwanych układami krystalograficznymi. Taka systematyka pozwala uporządkować, uprościć i ujednolicić opis wszystkich ciał krystalicznych.
Kryształy można podzielić również na: jonowe, atomowe (kowalencyjne), molekularne (cząsteczkowe) oraz metaliczne zależnie od rodzaju wiązań, które przeważają i decydują o stabilności struktury kryształu. Kryształy wykazują zawsze anizotropię wielu własności fizycznych i chemicznych.

Krystalit - [gr.], ciało w stałym stanie skupienia mające uporządkowaną ( siecową ) budowę wewnętrzną, różniące się od kryształu tym, że ograniczone jest przypadkowymi nierównościami powierzchni ( a nie płaskimi ścianami ); krystality mogą mieć rozmiary makroskopowe, mikroskopowe i submikroskopowe.

W materiałach polikrystalicznych występują te same defekty co w monokryształach, a oprócz tego różnego rodzaju defekty powierzchniowe: granice ziarn różnych typów i granice międzyfazowe. Ogólna powierzchnia granic ziarn zależy od wielkości ziarna. Im większe jest ziarno, tym mniejsza jest powierzchnia granic ziarn. Zmagazynowana w granicach ziarn energia jest siłą napędową procesu rozrostu ziarn. W materiałach polikrystalicznych może też występować t.zw struktura mozaikowa (poligonalna lub podziarnowa). Struktura taka składa się z bardzo małych obszarów krystalicznych oddzielonych od siebie granicami ziarn małego kąta. Strukturę ziarnistą można ujawnić za pomocą badań metalograficznych wykorzystując efekt trawienia granic ziarn lub granic poligonów (do wytawiania tych granic trzeba stosować specjalne odczynniki, trawiące selektywnie nawet pojedyncze dyslokacje). Można również wykorzystać metodę badania przełomów czyli fraktografię.

Materiał monokrystaliczny nadaje się specjalnie do badań istoty odkształcania, rekrystalizacji, przemian fazowych i innych zjawisk, bowiem umożliwia obserwowanie zmian zachodzących w materiale bez wpływu granic ziaren. \

1. Co oznacza pojęcie koherencja granic międzyfazowych ?

Granice międzyfazowe mają istotne znaczenie ze względu na częste ich występowanie w stopach. W technicznych metalach i stopach występują najczęściej dwie fazy. Często zdarza się też, że różne krystalograficzne płaszczyzny dwóch faz mają podobną geometrię rozmieszczania atomów. Będzie więc występowała tendencja takiej wzajemnej orientacji dwóch faz, aby atomy na płaszczyźnie ich styku czyli na granicy międzyfazowej, należały równocześnie do sieci jednej i drugiej fazy. Takie granice określa się mianem koherencyjnych granic międzyfazowych, co rozumie się także pod pojęciem ich spójności.

Koherentna granica międzyfazowa

Granica Faz

Obecność dyslokacji może doprowadzić do zmniejszenia energii granicy.

Międzyfazowe granice mają więc być w pewnych przypadkach granicami dyslokacyjnymi i są wtedy częściowo koherentne.

Jeżeli energia granicy międzyfazowej znacznie wzrośnie, wtedy sprzężenie znika i granica staje się nie koherentna.

1. Na czym polega różnica między wąsko i szerokokątowymi granicami ziaren ?

Rozróżnia się granice ziaren wąsko i szerokokątowe. Granica między tymi dwoma przypadkami nie jest zdefiniowana i w przybliżeniu odpowiada 5 (stopni) różnicy orientacji między dwoma ziarnami.

Granica szerokokątowa jest to strefa przejściowa o grubości 2-3 odległości atomowych, w której atomy są nieuporządkowane.

W przypadku wąskokątowej granic ziarna obszary przejścia między ziarnami są prawie niezakłócone, czyli przerwane nielicznymi dyslokacjami krawędziowymi wyrównującymi różnice orientacji.

Gdy części kryształu nie są pochylone względem siebie, lecz obrócone, wówczas różnicę orientacji wyrównują dyslokacje śrubowe. Granice wąskokątowe (subgranice) tworzą się głównie podczas poligonizacji.

1. Na czym polega blokujące działanie barier dyslokacyjnych ?

Ruch dyslokacji jest utrudniony lub blokowany przez różnego rodzaju przeszkody (bariery), którymi są inne dyslokacje, atomy domieszek, cząstki obcych faz i granice ziaren.

Zahamowanie ruchu dyslokacji w głównej mierze powoduje umocnienie materiału czyli wzrost jego wytrzymałości i twardości oraz spadek ciągliwości.

Korzyść z tych przeszkód otrzymuje się, gdy chodzi o osiąganie wysokiej wytrzymałości materiałów i szkodliwe podczas obróbki plastycznej.

Bariery hamujące ruch dyslokacji powstają w wyniku reagowania ze sobą dyslokacji poruszających się w różnych systemach poślizgu.

Przykładem takiej bariery dyslokacyjnej może być bariera typu Lomera występująca głównie w sieci A1- regularnie ściennie centrowanej. Powstająca bariera z wektorem nie może się poruszać, wskutek czego blokuje poślizg innych dyslokacji na różnych płaszczyznach danej struktury.

W przypadku, gdy reagują ze sobą dyslokacje cząstkowe mamy wówczas do czynienia z barierą typu Lomer-Cottrell.

Bariera ta ma mniejszą energię od bariery typu Lomer, co sprzyja jej powstawaniu.

Często mamy do czynienia z poślizgiem dyslokacji po płaszczyźnie, która przebijają inne dyslokacje zwane lasem.

Warunkiem poruszania się dyslokacji po płaszczyźnie poślizgu jest przecięcie dyslokacji drzew. Powoduje to, że las dyslokacji staje się przeszkodą dla ruchu innych dyslokacji, a tym samym utrudnia odkształcenie plastyczne. Uskoki na liniach dyslokacji mają głównie charakter przegięć, jeśli cała dyslokacja leży w jednej płaszczyźnie poślizgu. W tym przypadku rozróżnić możemy dyslokacje krawędziowe i dyslokacje śrubowe.

4.8Jak wpływają wady budowy krystalicznej na własności metali ?

W rzeczywistości w budowie krystalicznej metali występują różne rodzaje defektów sieci przestrzennej. Wszelkie odstępstwa, zakłócenia od doskonałego rozmieszczenia atomów w przestrzeni, nazywają się defektami w budowie krystalicznej. Jeśli zakłócenie budowy krystalicznej jest umiejscowione wokół punktu, defekt taki nosi nazwę defektu punktowego; jeśli defekt jest zgrupowany wzdłuż linii - defektu liniowego lub jednowymiarowego, jeśli defekty rozciągają się na pewnej powierzchni wewnątrz metalu nazywamy je - defektami dwuwymiarowymi względnie złożonymi. Obecność defektów w budowie krystalicznej metali wywiera ogromny wpływ na ich własności.

Najprostszym defektem punktowym jest brak atomu w węźle sieci przestrzennej, czyli luka w sieci krystalicznej. Nazywamy go „wakansem”. Liczba „wakansów” w temperaturze otoczenia jest w metalach niewielka, natomiast w temperaturach podwyższonych znacznie się zwiększa. Liczba „wakansów” w metalu wyżarzonym w temperaturze otoczenia wynosi około 10¹⁶/cm³. Obecność „wakansów” w materiałach metalicznych odgrywa ogromną rolę przy samodyfuzji i dyfuzji.

Drugim defektem punktowym jest przesunięcie atomu z pozycji węzła w pozycję między węzłami sieci przestrzennej. Inaczej zwane defektem Frenkla. Występuje on w metalach, w których odległości między atomami są dostatecznie duże, aby atom mógł zająć miejsce w obszarach międzywęzłowych. Np. metale alkaliczne sód, potas. Oba defekty, jak „wakanse” i przesunięcia atomu występują, powstają w sieci w wyniku drgań cieplnych. Oba wywołują zniekształcenie sieci.

Defekt liniowy jest to defekt struktury sieciowej, który w jednym wymiarze jest rzędu 1 do 5 średnic atomowych, a w drugim wymiarze ma długość całego ziarna lub jego części widocznej mikroskopowo. Typowym defektem liniowym jest dyslokacja brzegowa, inaczej nazwana krawędziową. Dyslokacja krawędziowa jest zwana dyslokacją Taylora i Orowana. Własności po wystąpieniu tej dyslokacji są takie, że w górnej części kryształu panują naprężenia sprężyste ściskające, czego objawem są zmniejszone odległości między atomami w stosunku do stałych sieciowych. W dolnej części panują naprężenia sprężyste rozciągające, czego dowodem są zwiększone odległości między atomami. Wyróżniamy dyslokację dodatnią i ujemną.

Drugim najbardziej typowym rodzajem dyslokacji jest zakłócenie sieci krystalicznej zwane dyslokacją śrubową lub inaczej dyslokacją Burgersa. Wiadomym jest , że odkształcona sieć krystaliczna ma w stosunku do sieci nie odkształconej większą energię. Charakterystyczną wielkością dla dyslokacji jest odkształcenie sieci. Jako miarę energii odkształcenia sieci przyjęto wektor Burgersa. Sumując wektory obwodu Burgersa dla dyslokacji śrubowej, otrzymuje się jeden wektor o kierunku równoległym do kierunku dyslokacji śrubowej i wartości jednej odległości atomowej. W przypadku istnienia dyslokacji śrubowej w sieci przestrzennej, odkształcenie towarzyszące temu defektowi sieci da się wyrazić za pomocą wektora Burgersa równoległego do linii dyslokacji śrubowej i równego co do wartości przesunięciu o jedną odległość atomową. Odkształcenie sieci towarzyszące defektom strukturalnym liniowym, do jakich należą dyslokacje krawędziowa i śrubowa mają ogromne znaczenie podczas odkształcania plastycznego metali.

Metale i stopy techniczne są materiałami polikrystalicznymi czyli złożonymi z wielkiej liczby kryształów. Oprócz błędów strukturalnych punktowych lub liniowych, które mieszczą się w sieci przestrzennej poszczególnych ziaren, występują w materiale polikrystalicznym defekty mieszczące się na granicy poszczególnych ziaren. Są to tzw. Defekty złożone, oraz granice dużego i małego kąta. Wobec tego na granicy ziaren istnieje zakłócenie w uporządkowanym ułożeniu atomów. Ułożenie atomów na granicy ziarna nie odpowiada ani orientacji lewego ziarna ani prawego, ale stanowi strukturę przejściową, w której ułożenie atomów jest uzależnione działaniom sił obu sieci. A więc struktura ziaren jest wadliwa z punktu widzenia idealnej struktury krystalicznej. Z tą zakłóconą budową granic ziaren łączą się odmienne cechy granic ziaren jak wyższa wytrzymałość od wnętrza ziarna i niższy potencjał elektrochemiczny, a tym samym mniejsza odporność chemiczna. Granice, które istnieją pomiędzy ziarnami przypadkowo do siebie ukierunkowanymi nazywają się granicami nie koherentnymi. Granica koherentna istnieje wtedy, gdy oba sąsiednie ziarna są ściśle krystalograficznie ze sobą powiązane. Granice koherentne tworzą się podczas przemiany jednego rodzaju ziaren w drugi rodzaj o innej budowie. Poszczególne elementy krystaliczne są względem siebie zorientowane pod bardzo małymi kątami wyrażającymi się w minutach. Nazywane są one blokami mozaiki, a struktura ziaren złożona z bloków mozaiki strukturą mozaikową. Granice bloków mozaikowych zbudowane są z szeregu dyslokacji. Ponieważ każdej dyslokacji towarzyszy pole naprężeń, to podobnie - dwuwymiarowej granicy małego kąta towarzyszą naprężenia sprężyste, o zasięgu podobnym jak w dyslokacjach krawędziowych.

6. UKŁADY RÓWNOWAGI FAZOWEJ

6.1 Jakie warunki spełnia układ pozostający w równowadze fazowej?

Dwie fazy będą z sobą współistniały, to znaczy będą z sobą w równowadze, wówczas gdy możemy zmieniać dowolnie tylko jeden z dwóch czynników (parametrów). Czynnikami tymi są ciśnienie i temperatura. Jeżeli zmieniamy temperaturę to musi być zastosowane ciśnienie, które ściśle odpowiada tej temperaturze i odwrotnie. Musi również istnieć równość potencjałów chemicznych składników w poszczególnych fazach; przy układach wieloskładnikowych i wielofazowych potencjały chemiczne każdego czynnika w poszczególnych fazach muszą być sobie równe.

6.2 W jaki sposób można określić stosunek ilościowy dwóch faz tworzących mieszaninę?

Zależność między ilością stopni swobody układu, a ilością składników zawartych w różnych fazach pozwala nam na określenie stosunku ilościowego dwóch faz tworzących układ. Gdy S=0 układ pozostaję niezmienny, a to oznacza że równowaga istnieje przy określonym składzie faz i stałej temperaturze. Gdy S=1 układ jest jednnozmienny czyli bez naruszenia równowagi można zmieniać w nim w pewnych granicach temperaturę lub skład, lecz tylko jednej fazy. Gdy S=2 układ jest dwuzmienny i można w nim zmieniać w pewnich granicach temperaturę i skład jednej fazy, lub bez zmiany temperatury skład dwóch faz.

S= n-c-f+p

S- ilość stopni swobody

n- ilość składników zależnych

c- ilość odwracalnych reakcji chemicznych między tymi składnikami

f- ilość faz

p- ilość czynników fizycznych wpływających na równowagę

6.3 Na czym polega reguła faz?

Reguła faz podaje zależność między ilością stopni swobody układu, a ilością składników zawartych w różnych fazach. Stopniem swobody nazywa się ilość składników, które możemy zmieniać niezależnie od siebie (temperatura, ciśnienie) nie naruszając jednak przez to równowagi, a więc nie powodując zanikania lub powstawania nowych faz.

6.4 Jak- na podstawie krzywej energii swobodnej faz można skonstruować wykresy dwuskładnikowe równowagi fazowej? Podaj przykłady.

Dwuskładnikowe wykresy równowagi fazowej oparte są na zmianie energii swobodnej, która jest różna dla ciała ciekłego i stałego i zależy od temperatury. Wykres ten podaje dla dowolnego składu temperatury początku i końca krzepnięcia oraz temperatury przemian jakim podlega stop po skrzepnięciu. Wykres przedstawia dwie linie: likwidus (początek krzepnięcia) i solidus (koniec krzepnięcia). Na podstawie wykresu możemy określić przebieg równowagi fazowej oraz krzepnięcia każdego stopu.

6.5 Jak przebiega krzepnięcie stopów dwuskładnikowych o różnych stężeniach składników, tworzących układy o zupełnej rozpuszczalności w stanie stałym oraz o ograniczonej rozpuszczalności w stanie stałym z eutektyką, a także perytektyką?

Stopy metali nie krzepną w stałej temperaturze (z wyjątkiem stopów o składzie eutektycznym), lecz w określonym dla danego stopu i składu w zakresie temperatur. Aby otrzymać stop konieczne jest, by w stanie ciekłym metale rozpuszczały się w sobie wzajemnie. Spotykamy się z sytuacją, gdy siatka przestrzenna jednego składnika nie jest w stanie przyjąć ani jednego atomu drugiego składnika (np. bizmut z kadmem). Stop bizmutu z kadmem krzepnie w stałej temperaturze i jest mieszaniną bardzo drobnych kryształów obu metali. Struktura taka nazywa się eutektyką. Eutektyka ma najniższą temperaturę topnienia wśród wszystkich stopów obu metali. Stop perytektyczny jest to roztwór stały graniczny metalu B w metalu A, a temperatura w której zachodzi tworzenie się tego stopu nosi nazwę temperatury perytektycznej.

6.6 Jak przebiegają przemiany fazowe w stanie stałym? Wyjaśnij- na podstawie wykresów równowagi fazowej stopów utworzonych przez dwa składniki wykazujące odmiany alotropowe.

Ze wzrostem szybkości stygnięcia wzrasta ilość ośrodków krystalizacji, a tym samym wielkość ziarn maleje. Na krzywych stygnięcia przystanki temperatur występują niekiedy poniżej temperatury krzepnięcia, co świadczy o tym, że w skrzepłym metalu zachodzą w ściśle określonej temperaturze przemiany związane w wydzielaniem ciepła. Związane jest to ze zmianą budowy krystalograficznej, której towarzyszą zmiany własności fizycznych, chemicznych i mechanicznych metali. Mamy więc do czynienia z odmianami alotropowymi tego samego metalu.

Żelazo pod ciśnieniem atmosferycznym przemienia się przy temperaturze 912^oC w odmianę γ (gamma), a przy temperaturze 1400^oC w odmianę  (alfa). Przy ciśnieniu 13000 MPa żelazo tworzy odmianę heksagonalną zwartą.

7.1 Podobieństwa i różnice między ułożeniem w metalach w stanie skupienia stałym , ciekłym , gazowym.

Odległość między atomami w stanie gazowym jest znaczna ,tak ze prawie nie występują między nimi odziaływania .Pary metali mają własności zbliżone do gazy doskonałego i największą ze wszystkich stanów skupienia energię swobodną.

Odległość między środkami atomów metalu w stanie ciekłym wynosi od jednej do dwóch średnic atomów .Atomy cieczy statycznie stanowią jadnak zbiór nieuporządkowany , wykonując ruch drgający o amplitudzie znacznie większej niż w stanie stałym.Stała zmiana struktury cieczy metalicznej jest spowodowana bardzo dużą ruchliwością atomów , które w stanie ciekłym wykazują szybkość dyfuzji o kilka rzędów większą niż w stanie stałm.Warunkiem równowagowego występowania metalu w określonym stanie skupienia jest osiągnięcie wymaganego ciśnienia i temp.

7.2 Warunki termodynamiczne , w których może występować krystalizacja melali.

Krystalizacja - szczególny rodzaj krzepnięcia , w którym ciecz metaliczna ulega przemianie w stan stały o budowie krystalicznej.

Jak w każdej przemianie fazowej i w tym przypadku układ dąży do osiągnięcia równowagi termodynamicznej .Przemiana ta podobnie jak wszystkie nieodwracalne procesy samorzutne przebiegają w kierunku zmniejszania energii swobodnej a warunki równowagi odpowiadają minimum funkcji (rys. nizej).

Przy stałym ciśnieniu równowaga termodynamiczna zachodzi w temp. równowagi Tr energi swobodnej faz stałej Fs i ciekłej Fl.W temp. niższej od Tr następuje krystalizacja . Można jednak uważać że w rzeczywistoci w każdej temp. w której występuje jeszcze faza ciekła , jednocześnie i niezależnie przebiegają procesy krystalizacji i topnienia.

W temp. nizszej od Tr następuje krystalizacja , ponieważ mniejsza jest energia swobodna fazy stałej w porównaniu z fazą ciekłą a szybkość krystalizacji jest większa niż szybkość topnienia.

7.3. Na czym polega zarodkowanie homogeniczne i heterogeniczne.

Zarodkowanie homogeniczne.

Zarodkowanie homogeniczne zachodzi w cieczy metalicznej całkowicie jednorodnej, a w jego wyniku powstaje zupełnie jednorodna faza stała. Zarodki w kształcie kul utworzone w dowolnych miejscach w całej objętości cieczy z zespołów bliskiego uporządkowania osiągają promień krytyczny R∗ przy znacznym przechodzeniu, czyli znacznym zmniejszeniu temperatury poniżej temperatury równowagi TR.

Szybkość zarodkowania jest bardzo mała, po czym zwiększa się dopóty, dopóki przechłodzenie nie osiągnie wartości krytycznej, by następnie gwałtownie się zmniejszyć.

Zarodkowanie heterogeniczne.

Mechanizmem zarodkowania heterogenicznego polega na tworzeniu zarodka na obcym podłożu o stanie stałym.Funkcję podłoża spełniają ściany formy odlewniczej i cząstki wysokotopliwych zanieczyszczeń znajdujących się w stanie stałym w cieczy metalicznej. Zarodek podkrytyczny, powstający na płaszczyźnie podłoża,ma kształt kulistej czaszy.

Promień krzywizny R takiego zarodka jest znacznie większy od promienia kuli o tej samej objętości. Przy stałym przechłodzeniu zarodkowanie zachodzi najłatwiej, gdy objętość zarodka jest minimalna. Dlatego zarodek heterogeniczny osiąga wielkość krytyczną przy znacznie mniejszym przechłodzeniu niż kulisty zarodek homogeniczny o tej samej objętości.

7.5 Jakie są mechanizmy wzrostu zarodków podczas krystalizacji.

Krystalizacja przebiega przez zarodkowanie i wzrost zarodków. Zarodkami krystalizacji w fazie ciekłej są zespoły bliskiego uporządkowania o wielkości większej od krytycznej , do których przyłączają się kolejno następne atomy. Natomiast zespoły bliskiego uporządkowania o wielkości podkrytycznej, zwane niekiedy embrionami, ulegają rozpuszczeniu w cieczy. Rozróżnia się zarodkowanie homogeniczne i heterogeniczne z założeniem że krzepnący układ ciecz metaliczna-kryształ jest statyczny, znajduje się pod stałym ciśnieniem i w spoczynku oraz nie podlega działaniu pola elektrycznego i magnetycznego.

7.6 W jaki sposób wzrastają dendryty w czystych metalach i stopach metali o strukturze roztworów stałych.

Wydzielanie się utajonego ciepła krzepnięcia na granicy międzyfazowej kryształu i znacznie przechłodzonej cieczy jest wzrost jej temp. gradient temp. w cieczy jest wtedy ujemny. Jeżeli na granicy międzyfazowej powstanie jakakolwiek wypukłość wzrasta ona w kierunku zwiększającego się przechłodzenia cieczy. Warunki takie sprzyjają wzrostowi dendrytycznemu w kształcie „choinek”. Ponieważ na powierzchniach dendrytów temp. jest wyższa niż między nimi, płaskie powierzchnie graniczne są niestabilne, co decyduje o tworzeniu się bocznych gałęzi. Każde rozgałęzienie rośnie do chwili utraty stabilności jego granicy, co staje się początkiem wzrostu kolejnych rozgałęzień.

Kierunek wzrostu dendrytów i ich rozgałęzień jest zgodny z kierunkiem osi piramidy utworzonej przez płaszczyzny najczęściej osadzone atomami tworzących się kryształów. W sieciach regularnych i tetragonalnych osie dendrytów są wzajemnie prostopadłe, natomiast w sieciach heksagonalnych nachylone pod kątem 60 stopni. W tablicy 4-1 podano uprzywilejowane kierunki wzrostu dendrytów w zależności od typu sieci przestrzennej tworzących się kryształów. Krystalizacja dendrytów w cieczy metalicznej kończy się gdy wydzielające się ciepło krzepnięcia spowoduje wzrost temp. cieczy i kryształu do temp. równowagi. Powstały ciekły metal krystalizuje już wyłącznie w wyniku doprowadzania utajonego ciepła krzepnięcia przez utworzoną fazę stałą. Wówczas wypełnieniu ulega przestrzeń

międzydendrytyczna, a proces krystalizacji w tych obszarach przebiega znacznie wolniej niż wzrost dendrytów.

Pytanie numer 8.1

JAKIE SĄ PODSTAWOWE WŁASNOŚCI ŻELAZA I JEGO ODMIAN ALOTROPOWYCH?

Żelazo będące podstawą stopów żelaza z węglem mających ogromne znaczenie w technice jest(jako czysty pierwiastek) miękkim metalem. Jego dobrą własnością jest magnetyzm, jest to metal ciężki. Żelazo jest także metalem kowalnym.żelazo występuje w dwóch odmianach alotropowych. Jedną z nich jest żelazo α, trwałe do 910°C. Ma ono sieć regularną przestrzennie centryczną. W temp.910°C sieć ta zmienia się na regularną płaskocentryczną. Tak powstała sieć tworzy drugą odmianę żelaza - γ. Żelazo γ jest trwałe do temp.1390°C. W tej temp. żelazo γ zmienia się ponownie w żelazo α trwałe do temp.topnienia. Żelazo staje się w temp.768°C paramagnetykiem. W obu odmianach żelaza rozpuszcza się węgiel.

Pytanie numer 8.2

JAKIE ZNASZ PODSTAWOWE SKŁADNIKI STRUKTURALNE WYSTĘPUJĄCE W UKŁ.ŻELAZO-WĘGIEL.

Podstawowe składniki strukturalne układu to:

austenit-jest to roztwór węgla w żelazie γ (płaskocentryczna sieć) znajduje się około 2% węgla(max).

ferryt-jest to roztwór węgla w żelazie α, węgiel-tylko 0,02%.

cementyt-związek węgla z żelazem.W zależności od powstania rozróżniamy:cementyt pierwotny-powstaje on krystalizując bezpośrednio z cieczy, cementyt wtórny-powstaje wzdłuż linii ES układu w wyniku zmniejszania się zakresu rozpuszczalności węgla w austenicie, cementyt trzeciorzędowy-wydzielany jest wzdłuż linii PQ z ferrytu, który może „przyjąć” tylko 0,02%C.

ledeburyt-jest to surówka eutektyczna wydzieająca się w punkcie C bezpośrednio z cieczy. Składa się z cementytu pierwotnego i austenitu. W czasie chłodzenia austenit wydziela węgiel- tworząc cementyt wtórny. Skąd w temp.otoczenia powstaje ledeburyt przemieniony, czyli związek austenitu i cementytu wtórnego i małej ilości pierwotnego.

perlit-jest to eutektoid-mieszanina kryształów (płytek) ferrytu i cementytu wtórnego. Perlit występuje wtedy, gdy stal posiada od 0.8-3%C.

Pytanie numer 8.3

OGÓLNA KLASYFIKACJA STOPÓW ŻELAZA Z WĘGLEM.

Stale i staliwa

W zależności od stężenia węgla oraz sposobu wytwarzania można dokonać ogólnej klasyfikacji stopów żelaza z węglem. Stopy o stężeniu węgla mniejszym od około 0,05%są nazywane żelazem technicznym. Stopy zawierające zwykle niż 2%C,otrzymywane w wyniku odlewania i następnej obróbki plastycznej, są nazywane stalami. Odlewnicze stopy o tym samym stężeniu węgla noszą nazwę staliw.

W stalach i staliwach węgiel występuje w postaci związanej w cementycie

Surówki i żeliwa

Stopy żelaza o stężeniu powyżej 2% węgla o składzie fazowym zgodnym z wykresem Fe -Fe3C noszą nazwę surówek białych, natomiast kszepnące zgodnie z wykresem żelazo-grafit są nazywane surówkami szarymi. Surówki przetopione w żeliwiaku lub innym piecu elektrycznym, często z dodatkim złomu stalowego, noszą nazwę żeliw. Żeliwami są więc nazywane stopy odlewnicze żelaza z węglem zawierające zwykle powyżej 2% węgla.

Stale,staliwa oraz żeliwa

węglowe i stopowe

Stopy żelaza z węglem o niewielkim stężeniu innych pierwiastków w postaci domieszek lub zanieczyszczeń (tabela) są nazywane odpowiednio stalami, staliwami lub żeliwami węglowymi. Do domieszek, które korzystnie wpływają na własności, należą Mn,Si,Cr,Ni Cu. Natomiast zanieczyszczenia, takie jak P.,S,O,H,N, wywierają ujemny wpływ na własności stopów żelaza. Pierwiastki, których stężenie przekracza umowną wartość określoną w tabeli, dodawane do stopów żelaza z węglem celowo-dla poolepszenia własności- noszą nazwę dodatków stopowych.

Stale,staliwa i żeliwa zawierające dodatki stopowe są nazywane stopowymi .

Pytanie numer 8.4

CO TO JEST STAL I STALIWO?

Stal jest przerobionym pls\astycznie stopem żelaza z węglem oraz innymi pierwistkami. Zawartość węgla w stali nie przekracza 2%. Stal powstaje w procesie wielkopiecowym poprzez wypalanie surówki w stalowni tzn.wypalane są niepotrzebne domieszki. Takie stopy przed obróbką plastyczną , a więc tylko odlane, nazywamy staliwami . staliwo jest stosowane w przypadku, gdy musimmy wykonać część o skomplikowanych kształtach (odlewy), a jest to niemoZliwe przez obróbkę plastyczną i skrawanie stali.

Pytanie numer 8.5

JAK SKLASYFIKOWANO STALE I STALIWA WĘGLOWE?

Stal węglowa (niestopowa) dzieli się na:

konstrukcyjna:

ogólnego przeznaczenia,

wyższej jakości,

zwykłej jakości

narzędziowa:

płytko hartujące się

głęboko hartujące się.

8.6 Jak wpływa węgiel na strukturę i własności stali i staliw węglowych?

Własności staliw podobnie jak stali węglowych i niestopowych, zależą głównie od stężenia węgla. Staliwa,szczególnie nisko-i średniowęglowe,cechują się dobrą spawalnością. Korzystny zespół własności mechanicznych i technologicznych o stale rosnącym udziale produkcji staliwa w

ogólnej produkcji stopów żelaza z węglem.

Dominujący wpływ na strukturę i własności stali węglowych wywiera węgiel. W miarę podwyższania stężenia tego pierwiastka w stali zmniejszeniu ulega udział miękkiego i plastycznego ferrytu w strukturze stali, a zwiększeniu-udział twardego i kruchego cementytu. Z tego względu stale o większym stężeniu węgla wykazują większą twardość, wytrzymałość na rozciąganie Rm i granicę plastyczności Re. Zwiększenie stężenia węgla powoduje przy tym jednoczesne zmniejszenie własności plastycznych i ciągliwości stali, a w szczególności - wydłużenia A i przewężenia Z określanych próbie rozciągania, oraz udarności KC określanej w próbie zginania udarowego. Stężenie węgla decyduje również o własnościach technologicznych stali. Przy większych stężeniach węgla stal cechuje się większym współczynnikiem liniowej rozszerzalności cieplnej i mniejszą przewodnością cieplną, co zwiększa naprężenie cieplne i skłonność do pęknięć w trakcie obróbki cieplnej. Zwiększone stężenie węgla pogarsza podatność stali na obróbkę plastyczną na zimno i na gorąco. Węgiel o stężeniu 0,25% zdecydowanie pogarsza również spawalność stali. Stale niskowęglowe o stężeniu węgla mniejszym od 0,25% - ze względu na dużą ciągliwość - wykazują gorszą skrawalność niż stale o strukturze perlitycznej. Stale nadeutektoidalne - ze względu na znaczny udział kruchego i twardego cementytu - charakteryzuje również obniżoną skrawalność.

Pytanie numer 8.7

JAK OZNACZA SIĘ STALE WĘGLOWE KONSTRUKCYJNE I STALIWA WĘGLOWE?

Stale węglowe konstrukcyjne zwykłej jakości ogólnego przeznaczenia.

Stale te oznacza się literami St, następnie cyfra od 0 do 7, która oznacza numer w normie. Po numerze może wystąpić litera

S-stal na konstrukcje spawane (np. St 0S, St 2S ). W stali St3S,St4S mogą wystąpić inne litery:

V-o ograniczonej zawartości węgla

W-o ograniczonej zawartości siarki, fosforu

X- stal nieuspokojona

Y-półuspokojona St1,St3,...7

U-stal o wymaganej udarności

J-udarność po starzeniu

13. udarność w temp.-20°C

Do cechowania wyrobów hutniczych mogą być stosowane skrócone znaki bez liter St, a gatunków spawalnych bez liter St i S. Oznaczenia z literą M na początku oznaczają stal o określonym składzie chemicznym.

Stale węglowe konstrukcyjne wyższej jakości ogólnego przeznaczenia.

Znak stali składa się z cyfr, które mogą być uzupełnione literami. Liczby określają przybliżoną zawartość węgla w set.%. Litery oznaczają:

X-stal nieuspokojona

25. stal półuspokojona

G- stal o podwyższonej zawartości Mn

1. stal o wyższych wymaganiach dotyczących składu chem.

Ż- stal przetapiana elektro-żużlowa

U-stal z wymaganą udarnością w stanie normalizowanym

UT-stal z wymaganą udarnością w stanie ulepszonym cieplnie.

Znak staliwa węglowego konstrukcyjnego składa się z nazwy staliwa, litery L, symbolu grupy staliwa ( I-staliwo zwykłej jakości ,II-wyższej jakości ), wymaganej minimalnej wartości wytrzymałości na rozciąganie i nrnormy.

Np. oznaczenie stalwa węglowego konstrukcyjnego wyższej jakości o wytrzymałosci na rozciąganie 400MPa ma postać:

Staliwo węglowe konstrukcyjne LII400.

1. CZYM CHARAKTERYZUJĄ SIĘ STALE WĘGLOWE NARZĘDZIOWE ?

Stale te dzielą się na dwie grupy : stale płytko hartujące się i stale głęboko hartujące się, które hartują się głębiej i wykazują większą możliwość przeginania się. Stale płytko hartujące się stosowane są do wyrobu narzędzi, których średnica lub grubość nie przekracza 20mm. Stale te charakteryzują się tym, że ich powierzchnia powinna być zahartowana, a rdzeń plastyczny.

8.9CO TO JEST ŻELIWO?

Żeliwo jest jednym z podstawowych materiałów konstrukcyjnych. Odznacza siędużą wytrzymałością i odpornością na ścieranie, dobrą obrabialnością. Jest to stop żelaza z węglem o zawartości od 2 do 3%C. Otrzymuje się je przez przetopienie surówki z dodaniem złomu żeliwnego i stalowego w piecach zwanych żeliwiakami.

1. JAKIE SĄ RÓŻNICE MIĘDZY STALĄ A ŻELIWEM?

Żeliwo podobnie jak stal powstaje z surówki (procesu wielkopiecowego), dodaje się do niej złomu żeliwmego i przetapia się. Surówka wypalana wstalowni daje nam stal. Stal ma dobrą wytrzymałość na rozciąganie , charakteryzuje sięteż dobrą twardością. Dodane do stali stopowych dodatki powodują jej lepszą odporność na ścieranie, wytrzymałość w wysokich temp.,a np. hartowanie poprawia znacznie twardość stali. Żeliwo jest twarde, jednak bardzo kruche, nie ma dobrej ciągliwości. Z pewnością dużą zaletą żeliwa jest (po dodaniu np. stopu krzemu z wapniem) dobra odporność na ścieranie i korozję. Jak widać na kilku przykładach cechy stali iżeliwa są podobne. Podstawową różnicą jest ta, że stal jest uzyskiwana poprzez obróbkę plastyczną ,a żeliwo jest odlewane. Wiąże się ztym różnica własności stali w zależności od kierunku walcowania. Żeliwo stosuje się w przypadku,gdy skomplikowany kształt można uzyskać tylko poprzez odlewanie. Własności stali są lepsze, jednak należy ją stosować głównie tam, gdzie żeliwo jest niewystarczające. Spowodowane jest to różnicą w cenie, żeliwo jest tańsze od stali. Największą jednak różnicą ,o której powinienem napisać na początku jest zawartość % węgla. W stali nie przekracza ona 2%, w żeliwie wynosi od2 do3% węgla.

8.11JAKIE ZNASZ SKŁADNIKI STRUKTURALNE WYSTĘPUJĄCE W ŻELIWACH?

W żeliwie rozróżnia się następujące składniki strukturalne: osnowę metaliczną, grafit, eutektykę fosforową oraz wtrącenia niemetaliczne. Podział żeliwa w zależności od osnowy metalicznej przedstawia się następująco:

1żeliwa ferrytyczne (ferryt i grafit)

2żeliwa ferrytyczno- perlityczne (ferryt, perlit i grafit)

3żeliwa perlityczne (perlit i grafit)

Jak widać, osnowa metaliczna żeliwa podobna jest do stali, z tym że w żeliwie występują ponadto wtrącenia grafitu, co powoduje różnicę we własnościach pomiędzy tymi tworzywami.

9.1 Jakie przemiany fazowe zachodzą w stali podczas nagrzewania i wygrzewania w temperaturze austenizowania ?

Obróbka cieplna polega na celowo wykonywanym nagrzewaniu , wygrzewaniu i chłodzeniu metali w stanie stałym . Celem obróbki cieplnej jest spowodowanie zmian struktury , a co za tym idzie , właściwości technologicznych lub użytkowych metali . Nagrzewanie polega na ciągłym lub stopniowym podwyższaniem temperatury przedmiotu w celu uzyskania i utrzymania żądanej temp.. Wygrzewanie polega na utrzymywaniu obrabianego przedmiotu w odpowiedniej temp. przez czas potrzebny do wyrównania temp. w całym przekroju przedmiotu i do zajścia zamierzonych procesów .

Przy nagrzewania stali do temp. niższych od A1 nie zachodzą w niej żadne zmiany fazowe . Dopiero po przekroczeniu tej temp. pojawia się w stali austenit na skutek przemiany alotropowej α-Fe w γ-Fe i rozpuszczania się cementytu w powstającym austenicie . Po nieznacznym przekroczeniu temp. 723°C perlit występujący w stali ulega powolnej przemianie w austenit . W stalach podeutektoidalnych zawierających, mniej niż 0,80 C , po zmianie perlitu na austenit o składzie chemicznym odpowiadającym punktowi S powstaje jeszcze pewna ilość ubogiego węgiel ferrytu . W miarę podwyższania się temp. ferryt rozpuszcza się w austenicie , rozcieńczając go jak gdyby żelazem . Po całkowitym rozpuszczeniu się ferrytu austenit ma skład chemiczny taki sam jaki miała przeciętnie stal przed tymi przemianami . Zatem ogrzewanie stali podeutektoidalnej do temp. wyższej niż A3 prowadzi najpierw do zmiany perlitu w austenit , a następnie do rozpuszczenia się ferrytu w tym austenicie . W stalach nadeutektoidalnych , które składają się z perlitu i cementytu , przebieg zmian podczas ogrzewania jest podobny do opisywanego . Tutaj również najpierw nastąpi w temp. nieco wyższej niż 723°C zamian perlitu w austenit , a dopiero przy dalszym ogrzewaniu rozpuści się w nim cementyt drugorzędowy . W temp. wyższej od temp przemiany Acm stal nadeutektoidalna będzie miała budowę austenityczną . Struktura stali zależy od temperatury i czasu nagrzewania powyżej pierwszej przemiany zachodzącej podczas nagrzewania w warunkach izotermicznych . Ponieważ stopień jednorodności austenitu i czas trwania przemiany perlitu w austenit zależą od szybkości nagrzewania , wykresy czas-temperatura-przemiana przedstawia się również dla nagrzewania ciągłego . Opisane przemiany fazowe przebiegają bardzo wolno gdyż wymagają nieraz znacznych przemieszczeń atomów . Z tego powodu , aby zapewnić odpowiednio długi czas na przeprowadzenie zamierzonych przemian w całej masie materiału , stosuje się po osiągnięciu odpowiedniej temp. jeszcze wygrzewanie , które w zastosowaniu do małych przedmiotów wykonanych ze stali zwykłych węglowych jest zwykle krótkotrwałe , lecz w zastosowaniu do dużych przedmiotów wykonanych ze stali stopowych liczyć się należy z długotrwałym wygrzewaniem , mającym na celu uzyskanie struktury austenitycznej w całej masie obrabianego przedmiotu . Należy wspomnieć , że podczas zabiegów stosowanych w obróbce cieplnej można spowodować przemiany fazowe oraz zmianę wielkości ziaren .

9.2 Na czym polega znaczenie wielkości ziaren austenitu pierwotnego ?

Podczas zabiegów stosowanych w obróbce cieplnej można spowodować zmiany , których istotą nie jest zamiana jednej fazy na inne , lecz zmiana wielkości ziarna . Wielkość ziarna w znacznej mierze wpływa na właściwości stali i z tego powodu należy znać warunki , w których zmiana wielkości ziarna może nastąpić . Na ogół staramy się o uzyskanie struktury drobno ziarnistej , gdyż taka zapewnia lepszą odporność na uderzenie . Podczas przemiany perlitu w austenit powstają zawsze drobne ziarna . Dalsze ogrzewanie stali powoduje rozrost ziarna . Im wyższa temp. tym szybciej rozrasta się ziarno . Przy przemianie odwrotnej - austenitu w perlit - zmiana wielkości ziarna już nie zachodzi , czyli wymiary nowo powstałego ziarna perlitu zależą przede wszystkim od wymiaru ziarna austenitu . Ziarna stali skłonnych do drobnoziarnistości przez dłuższy okres czasu (w większym zakresie temp.) nie zmieniają prawie swej wielkości , dopiero w temp. około 900-950°C zaczyna się ich nagły rozrost . Natomiast stale skłonne do gruboziarnistości prawie od razu po zakończeniu przemiany perlitu w austenit powiększają swoje ziarno austenitu coraz to bardziej , w przybliżeniu proporcjonalnie do przyrostu temp. Na ziarnistość stali wpływa jej skład chemiczny . Większość składników stopowych dodawanych do stali zmniejsza skłonność stali do rozrostu ziarna , z wyjątkiem manganu i krzemu , które tą skłonność zwiększają . Zagadnienie wielkości ziarna i jego rozrostu jest szczególnie ważne ze względu na to , że właściwości metali zależą w dużym stopniu od ich ziarnistości . Drobnoziarnistość pociąga za sobą jednoczesny rozwój powierzchni granic ziarn , o specyficznej , zaburzonej przez nagromadzenie defektów strukturalnych niejednorodności składu chemicznego . Taka budowa powoduje wyższą wytrzymałość granic ziarn w temp. normalnego użytkowania tworzywa metalicznego , od samych ziarn tworzywa . Stal o skłonności do drobnoziarnistości jest mniej wrażliwa na przegrzanie i wskutek tego ma ona większy zakres temp. kucia i wszelkich obróbek cieplnych , w których wygrzewanie odbywa się w temp. powyżej krytycznych . Natomiast rozrost ziarna wpływa na zwiększenie hartowności stali , wpływa też na polepszenie obrabialności stali przez skrawanie .

W technologii obróbki plastycznej i zwłaszcza obróbki cieplnej istotną rolę odgrywa wielkość ziarn austenitu pierwotnego , tj. austenitu istniejącego w stali po zakończeniu wygrzewania bezpośrednio przed rozpoczęciem chłodzenia i przemianą alotropową . Stale drobnoziarniste umożliwiają stosowanie wyższej temp. końca obróbki plastycznej na gorąco oraz szerszych zakresów temperatury austenizowania podczas hartowania . Drobnoziarnista struktura austenitu pierwotnego przeważnie wpływa również na polepszenie własności mechanicznych i eksploatacyjnych stali normalizowanych , hartowanych i ulepszanych cieplnie . Badanie wielkości austenitu pierwotnego umożliwia przewidywanie niektórych własności stali po przemianie alotropowej oraz ocenę prawidłowości wykonanej obróbki cieplnej .

9.3 Jakie są różnice i podobieństwa w mechanizmach przemian perlitycznej, bainitycznej i martenzytycznej?

Przemiana perlityczna, w metaloznawstwie fazowa przemiana termiczna austenitu w perlit zachodząca w wyniku powolnego chłodzenia (poniżej temperatury 723°C) nagrzanej do temperatury austenitu stali węglowej lub niskostopowej.

Przemiana bainityczna, w metaloznawstwie 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

Przemiana martenzytyczna, w metaloznawstwie izotermiczna przemiana austenitu w martenzyt zachodząca w wyniku gwałtownego chłodzenia nagrzanej do temperatury austenitu stali węglowej lub niskostopowej

9.4 Jakie są cechy morfologiczne perlitu, bainitu górnego, bainitu dolnego oraz martenzytu listkowego i płytkowego ?

Perlit - jest mieszaniną składającą się z ułożonych na przemian płytek ferrytu.

Bainit dolny - tworzy się w procesie odpuszczania poniżej temperatury 573K. Jego odporność na uderzenia jest zwiększona kosztem twardości.

Bainit dolny - tworzy się w temperaturze 523K - 773K. Jest odporny na uderzenia i posiada dużą sprężystość.

Pytanie nr. 9.5

W jaki sposób są otrzymywane i jakie jest praktyczne zastosowanie wykresów przemian austenitu przechłodzonego przy chłodzeniu izotermicznym i ciągłym.

Wykresy rozpadu austenitu przy chłodzeniu ciągłym lub izotermicznym ujmują ilościowo wyniki przemian przechłodzonego austenitu. Badanie przemian austenitu przy chłodzeniu ciągłym jest trudne z powodu zmienności procesów przy obniżaniu temperatury. W warunkach przemysłowych chłodzi się najczęściej w sposób ciągły. Charakterystyczne punkty przemian austenitu zależą od szybkości chłodzenia . Stal chłodzona z szybkością mniejszą od V1 podlega poniżej temperatury Ar3 przemianie austenit—ferryt, zaś poniżej temperatury Ar1— przemianie austenit—perlit. Punkt przemiany perlitycznej, której towarzyszy znaczny efekt cieplny (stąd wzrost temperatury), podobnie jak przy krzepnięciu przechłodzonej cieczy, oznaczony jest symbolem Ar' . Gdy szybkość chłodzenia zwiększa się do v2, austenit zostaje przechłodzony do niższych temperatur, zaś przemiana austenit—ferryt zostaje całkowicie zahamowana; zachodzi jedynie przemiana perlityczna. Przy dalszym zwiększeniu szybkości chłodzenia do v3 występuje oprócz przystanku Ar' tworzenia się perlitu, nowy punkt załamania w zakresie niskich temperatur — Ms, odpowiadający przemianie Ar'''. Cały więc austenit nie rozpada się na perlit, lecz część jego zostaje przechłodzona do niższych temperatur, gdzie przemienia się w martenzyt. Dalsze zwiększenie szybkości chłodzenia do V4 obniża temperaturę przemiany w wyższych temperaturach, przy czym efekt cieplny jest o wiele mniejszy. Tę przemianę określa się jako przemianę Ar” (austenit—bainit), drugi punkt załamania na krzywej odpowiada przemianie Ar''' . Przy szybkościach jeszcze większych V5 i V6 w zakresie wyższych temperatur nie zachodzą żadne przemiany, jedynie w niższym zakresie rozpoczyna się przemiana Ar'''. Punkty charakterystyczne przemian można również przedstawić w układzie temperatura przemiany-szybkość chłodzenia . Górna krzywa w części „wysokotemperaturowej" odpowiada przemianie perlitycznej, w części zaś „niskotemperaturowej" — przemianie bainitycznej. Prosta Ar''' odpowiada przemianie austenit-martenzyt. Zakresy przemiany perlitycznej i bainitycznej w stalach węglowych nie są ściśle oddzielone od siebie.

Wykresy przemian przy chłodzeniu ciągłym nie są jeszcze dostatecznie rozpowszechnione. Dlatego w wielu przypadkach korzysta się z wykresów

otrzymanych w warunkach izotermicznych zwanych krzywymi CTPi (czas, temperatura, przemiana). Krzywe te obrazują izotermiczny rozpad austemitu w zależności od temperatury ośrodka chłodzącego oraz czasu wytrzymania w nim przedmiotu hartowanego. Krzywe CTPi można wykreślić korzystając z badań mikrostruktury, dylatometrycznych, magnetycznych, elektrycznych. Wykresy te obrazują stopień rozkładu austenitu przy stałych temperaturach w zależności od czasu. Trwałość przechłodzonego austenitu zmienia się w zależności od temperatury. Przy małych przechłodzeniach trwałość austenitu stali eutektoidalnej jest duża, a następnie zmniejsza się (minimum występuje w temperaturze ok. 550°C, przy której krzywa najbardziej zbliża się do osi temperatur), po czym znowu trwałość jest coraz większa aż do temperatury ok. 210°C, po-niżej której przechłodzony austenit przechodzi w martenzyt. Pomiędzy krzywymi początku i końca przemiany znajduje się obszar zawierający mieszaninę austenitu przechlodzonego i produktów jego rozpadu. Od krzywej końca przemiany rozciąga się obszar produktów rozpadu austenitu. Wykres CTP można podzielić na trzy zakresy odpowiadające różnym przemianom: -zakres najwyższy od temperatury Ar1 do ok. 500°C odpowiada prze-mianie austenitu w perlit.

- drugi zakres pośredni od temperatury 500 do 210°C odpowiada przemianie austenit — bainit.

-trzeci zakres najniższych temperatur odpowiada przemianie martenzytycznej. Linia Ms przedstawia początek tworzenia się martęzytu.

Pytanie nr. 9.6Jakie przemiany zachodzą podczas odpuszczania stali węglowych i stopowych?. Jakie są przyczyny kruchości odpuszczania?.

Zjawiska zachodzące w metastabilnej .strukturze zahartowanej stali nazwano odpuszczaniem. Najogólniej stal po zahartowaniu wykazuje strukturę: martenzyt, austenit szczątkowy oraz węgliki (w stalach nadeutektoidalnych i stopowych). Spośród wymienionych składników strukturalnych tylko cementyt stanowi strukturę trwałą w niskich temperaturach, natomiast martenzyt i austenit są metastabilne.W procesach zachodzących przy nagrzewaniu, metastabilne składniki ulegają zmianom strukturalnym zależnym od temperatury odpuszczania. W każdym z tych stadiów, w wąskim zakresie temperatur zachodzą charakterystyczne zmiany strukturalne w dość krótkich czasach tak, że dłuższe izotermiczne wytrzymanie w określonej temperaturze jest niecelowe, ponieważ prowadzi jedynie do niewielkich i nieistotnych zmian. Dopiero podwyższenie temperatury umożliwia wystąpienie nowych zjawisk związanych z następnym stadium odpuszczania. Poszczególne zakresy temperaturowe odpuszczania zależą od składu stali i szybkości nagrzewania. W stalach węglowych przy szybkości nagrzewania 10°C/min wyróżnia się następujące zakresy temperaturowe odpowiadające określonym zmianom strukturalnym: 100—200°C, 250—325°C, 325—400°C, > 400°C.W poszczególnych zakresach temperatur odpuszczania zachodzą zjawiska związane z wydzielaniem z roztworu przesyconego węgla i składników stopowych, rozpadem austenitu szczątkowego oraz zmianami w substrukturze roztworu. W zakresie niskotemperaturowego rozpadu martenzytu (do 200°C) następuje wydzielanie z roztworu: węglika epsilon , niewielkiej ilości zdeformowanego węglika Fe3C oraz tzw. węglika n).

W górnym zakresie niskotemperaturowego rozpadu (100—200°C) może wydzielać się także niskotemperaturowy — zdefektowany węglik Fes3C, o sieci rombowej i parametrach różniących się od cementytu równowagi. Wydzielanie węglika epsylon jest charakterystyczne dla stali 'o zawartości > 0,2°/oC i występuje przeważnie w obszarach martenzytu listwowego, zaś zdefektowany cementyt tworzy się w martenzycie płytkowym. Przy dużych zawartościach > 0,8% C stwierdzono występowanie w zakresie niskotemperaturowym węglika n}, o składzie Fe2C i sieci romboedrycznej, wykazującego także określoną orientację względem osnowy. W zakresie 250—325°C zarodkuje i rozrasta się węglik Fe3C, kosztem węgla związanego z dyslokacjami. Płytkowe wydzielenia cementytu mają w martenzycie płytkowym płaszczyznę habitus (112)alfa , zaś w martenzycie listwowym (110)alfa. Równolegle z zarodkowaniem cementytu węglik epsilon przechodzi w Fe3C. Struktura stali odpuszczonej w zakresie 200—300°C składa się więc z ferrytu nieznacznie przesyconego i węglików i submikroskopowych i nazywana jest niskoodpuszczanym martenzytem, zaś jej twardość wynosi ok.500 HB. W zakresie 325—400°C przebiegają zjawiska przebudowy zdefektowanego cementytu w cementyt równowagi i jego submikroskopowa koagulacja i sferoidyzacja. Odpuszczanie w zakresie 450—600°C prowadzi do zmian w substrukturze martenzytu związanych z poligonizacją i rekrystalizacją osnowy. Na granicach ziarn zrekrystalizowanego ferrytu zarodkuje ponownie cementyt. Dominującymi procesami w tym zakresie temperatur odpuszczania stają się rozrost ziarn i subziarn ferrytu oraz sferoidyzacja cementytu. Struktura składa się z ferrytu i cementytu drobnoziarnistego i nazywa się sorbitem, a jej twardość wynosi ok. 350 HB. W stalach zawierających austenit szczątkowy na procesy związane z wydzielaniem węgla nakłada się przemiana austenitu szczątkowego. Przebiega ona szczególnie intensywnie w zakresie 200—300°C. Mechanizm rozpadu austenitu szczątkowego, odpowiada rozpadowi austenitu przechłodzonego w tym zakresie temperatur i dlatego tworząca się struktura ma charakter bainityczny. Na przemiany zachodzące podczas odpuszczania istotny wpływ wywierają składniki stopowe. Z przemianami zachodzącymi podczas odpuszczania związane są zmiany różnych własności. Do badania przemiany wykorzystuje się więc badania: dylatometryczne, rentgenograficzne i mikroskopowe. Metody dylatometryczne rejestrują zmiany objętości wynikające ze zmiany struktury. Metody rentgenowskie pozwalają na wyznaczenie zmian parametru sieci martenzytu, które uzależnione są od ilości zatrzymanego węgla w roztworze przesyconym, zaś badania mikroskopowe określają różnice w mikroskopowej strukturze stali odpuszczonych.

10,1 Jak sklasyfikowano obróbkę cieplną? Zdefiniuj jej podstawowe operacje i zabiegi technologiczne.

Obróbka cieplna - zabieg cieplny, względnie połączenie kilku zabiegów, które mają na celu zmianę właściwości mechanicznych, fizycznych i chemicznych metali i ich stopów, głównie przez wywołanie zmian fazowych lub tylko strukturalnych, wyłącznie w stanie stałym.

Jeżeli dodatkowo podczas cieplnej obróbki zmieni się skład warstwy powierzchniowej stali za pomocą czynnego ośrodka, wtedy taka obróbkę nazywa się obróbką cieplno-chemiczna.

Obróbka cieplna połączona z odkształceniem plastycznym stopu stanowi obróbkę cieplno-mechaniczną.

Pewne stopy podlegają obróbce cieplnej przy jednoczesnym działaniu pola magnetycznego. Głównym celem jest wtedy nadanie specjalnych własności fizycznych; obróbka taka nosi nazwę obróbki cieplno-magnetycznej.

Na każdy zabieg cieplny składają się czynności nagrzewania, wygrzewania i chłodzenia, względnie chłodzenia, wymrażania i nagrzewania.

Nagrzewanie jest to ciągłe lub stopniowe podnoszenie temperatury do wysokości przewidzianej dla danego zabiegu obróbki cieplnej.

Wygrzewanie, względnie wymrażanie, polega na utrzymaniu temperatury - wyższej od temperatury otoczenia przy wygrzewaniu, a niższej przy wymrażaniu - na stałym poziomie w czasie potrzebnym dla wyrównania temperatury w całym przekroju obrabianego przedmiotu i dla dokonania się zamierzonych przemian.

Chłodzenie jest to ciągłe lub stopniowe obniżenie temperatury przedmiotu do temp. otoczenia lub innej, określonej warunkami zabiegu. Chłodzenie przyspieszone przez odpowiednie odprowadzenie ciepła z przedmiotu w takich ośrodkach jak woda, olej, określa się jako oziębianie. Natomiast studzenie jest to powolne odprowadzenie ciepła z przedmiotu, np. z piecem lub w powietrzu.

Procesy wyżarzania stanowią procesy cieplne, dające w wyniku struktury zgodne z układem równowagi, w którym głównym czynnikiem jest temp. i czas wygrzewania. Temp. w tych zabiegach może leżeć powyżej lub poniżej temp. przemiany alotropowej. Szybkość chłodzenia materiału po wygrzaniu powyżej temp. krytycznej musi być stosunkowo nieznaczna, aby podczas chłodzenia przy przejściu przez temp. krytyczne miały czas dokonać się zmiany fazowe zgodne z układem równowagi (ujednoradnianie, normalizowanie, zmiękczanie).Jest to możliwe do osiągnięcia przy planowanym chłodzeniu.

Zależności od celu obróbki cieplnej i sposobu jej przeprowadzenia różnią się następujące rodzaje wyżarzania:

A - prowadzone z wygrzewaniem powyżej temp. krytycznych:

1. wyżarzanie ujednoradniające stosowane głównie do staliwa,

2. wyżarzanie normalizujące, którego pewną odmianą jest wyżarzanie zupełne; oba rodzaje stosowane do stali i żeliwa.

3. Wyżarzanie zmiękczające stosowane głownie do stali i żeliwa,

B - prowadzone z wygrzewaniem poniżej temp. krytycznych:

1. wyżarzanie rekrystalizujące stosowane do plastycznych metali i stopów, poddanych przedtem obróbce plastycznej na zimno,

2. wyżarzanie odprężające stosowane głównie do stali, staliwa, żeliwa i stopów miedzi,

3. wyżarzanie odpuszczające stosowane do stali i żeliwa uprzednio poddanych hartowaniu martenzytycznemu,

4. wyżarzanie starzejące stosowane do stopów, poddanych przedtem przesycaniu, albo do szybko stygnących odlewów kokilowych, głównie do stopów lekkich i stopów miedzi.

C - prowadzone z wygrzewaniem powyżej lub poniżej punktów krytycznych:

1. wyżarzanie sferoidyzujące stosowane do stali,

2. wyżarzanie grafityzujące stosowane do żeliwa,

3. wyżarzanie odwęglające stosowane do żeliwa ciągliwego względnie niektórych niskowęglistych stali.

Procesy hartowania - zabiegi cieplne, prowadzące do składników fazowych niezgodnych z układem równowagi, w których głównym czynnikiem oprócz właściwej temp. i czasu wygrzania jest szybkość chłodzenia stopów. W obróbce tej wygrzewanie przedmiotów do hartowania musi koniecznie odbywać się powyżej temp. przemiany.

Szybkość chłodzenia po wygrzaniu winna być odpowiednio duża, aby w materiale nie miały czasu zajść przemiany fazowe zgodne z wykresem równowagi, a zachodziły tylko takie przemiany, w wyniku których powstające fazy będą w ogóle niezgodne z układem równowagi. Zmiany takie zazwyczaj powodują zmiany własności wytrzymałościowych i obniżenie własności plastycznych.

W zależności od sposobu nagrzewania materiału podczas hartowania rozróżnia się:

A - hartowanie przy wygrzewaniu materiału na wskroś, jak:

1. hartowanie zwykłe stosowane przeważnie do stali, żeliwa, brązów aluminiowych,

2. hartowanie stopniowe stosowane głównie do stali,

3. hartowanie izotermiczne stosowane do stali i żeliw,

B - hartowanie przy wygrzewaniu tylko warstwy powierzchniowej materiału, hartowanie powierzchniowe, stosowane głównie do stali ( niekiedy stosowane do wysokojakościowych perlitycznych żeliw ):

1. hartowanie płomieniowe,

2. hartowanie indukcyjne,

3. hartowanie kąpielowe,

Proces przesycania - zabieg cieplny - zachowujący strukturę stopu właściwą dla temp. wysokich - w temp. otoczenia, w którym głównym czynnikiem, oprócz temp. i czasu wygrzania jest szybkość chłodzenia. Wygrzewanie musi odbywać się w temp. powyżej krzywej granicznej rozpuszczalności składników w metalu zasadniczym. Szybkość chłodzenia stopu od temp. wygrzewania winna być odpowiednio duża, aby w materiale nie miały czasu żadne procesy wydzielenia się składników przesycających, a więc uzyskane fazy być zgodne z istniejącymi w temp. wygrzania, a niezgodne ze stanem równowagi w temp. otoczenia. Obróbkę tą stosuje się do stopów aluminium, niektórych stali i niektórych brązów oraz stopów magnezu.

10,2 Jak określa się czas grzania podczas obróbki cieplnej?

Czas grzania jest istotnym parametrem, gdyż procesy zachodzące w czasie grzania maja charakter dyfuzyjny, a w efekt dyfuzji jest proporcjonalny do
, gdzie D - współczynnik dyfuzji zależny wykładniczo od temp., τ - czas.

Zbyt krótki czas grzania może być niewystarczający do zajścia przemian, zbyt długi - może doprowadzić do rozrostu ziarna, nadmiernej koagulacji faz, wzrostu utleniania i odwęglania, a poza tym jest nieekonomiczny. Szybkość rozchodzenia się ciepła jest określona wzorem

=a

gdzie: a - dyfuzyjność cieplna, a=λ/cγ, λ - współczynnik przewodności cieplnej, c - ciepło właściwe, γ - gęstość, ∂T/∂x - gradient temp.

Ze wzoru wynika, że szybkość nagrzewania jest wprost proporcjonalna do współczynnika przewodności cieplnej i odwrotnie proporcjonalny do ciepła właściwego oraz gęstości i rośnie ze wzrostem gradientu temp. w nagrzewanym elemencie. Na szybkość nagrzewania ma też wpływ środowisko, w którym znajdują się nagrzewane elementy, ich kształt, stosunek powierzchni do objętości i równomierności nagrzewania. Od rodzaju środowiska zależy tzw. współczynnik przejmowania ciepła, który jest największy przy nagrzewaniu w kąpielach metalowych, mniejszy - w kąpielach solnych i najmniejszy - w środowiskach gazowych. Stosunek czasów nagrzewania w tych ośrodkach wynosi 0,5:1:2.

Współczynnik kształtu jest najkorzystniejszy dla kuli, w następnej kolejności dla walca, prostopadłościanu, płyty, przy czym stosunek czasów nagrzewania tych elementów o jednakowych wymiarach ( średnica, bok, grubość ) wynosi 1:2:1,5:4.

Współczynnik równomierności nagrzewania zależy od tego, czy przedmiot jest nagrzewany ze wszystkich stron, z trzech stron ( spoczywa na zimnym trzonie pieca ) lub z jednej strony( np. blacha leży na zimnym trzonie pieca ). Stosunek czasów nagrzewania wynosi 1:1,5:4.

Według Gulajewa czas nagrzewania w minutach można obliczyć mnożąc 0,1 wymiaru podstawowego elementu w mm przez kolejne współczynniki : środowiska, kształtu, równomierności nagrzewania.

Załóżmy, że w piecu o temp. 900°C mamy nagrzać w atmosferze gazowej blachę o grubości 20 mm, leżącą na zimnym trzonie pieca. Wtedy τ_n = 0,1 • 20 • 2 • 4 • 4 = 64 min.

Kulkę o promieniu 20mm w piecu solnym wystarczy nagrzewać tylko τ_n = 0,1 • 20 • 1 • 1 • 1 = 2 min.

Podany sposób obliczeń jest przybliżony, gdyż w rzeczywistości wpływ na szybkość nagrzewania będą mieć także temp. pieca i wielkość ładunku. W temp. pieca do 600°C nagrzewanie następuje zasadniczo przez konwekcje i zachodzi ok. 2 razy wolniej niż powyżej temp. 800°C przez promieniowanie.

Podczas nagrzewania występuje skłonność do pękania na skutek powstawania naprężeń wewnętrznych. Niebezpieczeństwo pękania jest większe w przypadku stali wysokowęglowych i stopowych, które należy nagrzewać z mniejszymi prędkościami lub stopniowo. Dlatego przy nagrzewaniu tych stali zaleca się zwiększenie czasu nagrzewania o 25 - 40 %.

10,3 Jakie są własności ośrodków chłodzących najczęściej stosowanych w obróbce cieplnej?

Ponieważ struktura stali zależy od szybkości chłodzenia, dobór odpowiedniego ośrodka chłodzącego ma decydujący wpływ na uzyskany efekt, tym bardziej, że krytyczne prędkości chłodzenia różnych stali zmieniają się w szerokich granicach w zależności od ich składu chemicznego, wielkości ziarna i jednorodności austenitu.

Najczęściej stosuje się ośrodki chłodzące ciekłe, ale mogą być również stosowane ośrodki gazowe i stałe (np. płyty miedziane przy hartowaniu bardzo cienkich wyrobów). Spośród ośrodków ciekłych szczególne znaczenie ma woda, którą stosuje się do stali węglowych, olej do stali konstrukcyjnych - stopowych i stopowych narzędziowych. Woda ma znacznie większą intensywność chłodzenia niż olej. Największą intensywność wykazuje z dodatkiem soli lub NaOH, co wiąże się z nietrwałością powłoki parowej izolującej hartowany element od ośrodka chłodzącego. Medium złożone z wody z dodatkiem 40 - 50% NaOH, jest bardzo korzystne, gdyż zapewnia dużą szybkość chłodzenia w zakresie perlitycznym i banitycznym, a małą wzakresie martenzytycznym.

Dzięki temu paczenie się elementów jest małe, a poza tym uzyskuje się czystą powierzchnię na skutek intensywnego odpadania zgorzeliny w procesie chłodzenia. Ponieważ NaOH w reakcji z CO₂ szybko się zużywa, zaleca się utrzymać na powierzchni kąpieli warstwy oleju mineralnego o grubości 10 - 20 mm. Wówczas kąpiel może być eksploatowana w ciągu 6 - 12 miesięcy.

Intensywność chłodzenia ośrodka maleje ze wzrostem temp. W celu utrzymania stałych warunków chłodzenia urządzenia są wyposażone w systemy chłodzenia. Ważna jest też temp. zapłonu oleju, która powinna być możliwie wysoka.

Mniejszą intensywność chłodzenia ma spokojne powietrze (kila K/s). Można ją zwiększyć do 35 K/s (ok. 10 - krotnie ) stosując nadmuch sprężonym powietrzem. Należy zaznaczyć, że względny ruch cieczy również przyspiesza odprowadzanie ciepła, gdyż powoduje rozerwanie powłoki parowej. Jako ośrodki chłodzące stosowane są również stopione sole i kąpiele metalowe.

10.4

Czym charakteryzują się poszczególne rodzaje wyżarzania? Podaj charakterystyczne temperatury wygrzewania, sposoby chłodzenia oraz omów praktyczne znaczenie poszczególnych operacji.

Odp. Wyżarzanie jest zabiegiem cieplnym polegającym na nagrzaniu stopu do odpowiedniej temperatury, wygrzaniu w tej temperaturze i studzeniu do temperatury otoczenia. Szybkość chłodzenia po wyżarzaniu w temperaturze wyższej od temperatury przemian powinna być niewielka, gdyż szybki chłodzenie uniemożliwiłoby powstanie faz zgodnych ze stanem równowagi stopu. Rodzaje wyżarzań:

• ujednorodniające (homogenizacja) - ma na celu usunięcie przez dyfuzję w stanie stałym segregacji dendrycznej w obszarach ziarn oraz częściowo przynajmniej zlikwidowanie wydzielin w granicy ziarn (temp. 1000 - 1250^o C).

• normalizujące ma na celu otrzymanie równomiernej budowy drobnoziarnistej, która zapewnia lepsze własności mechaniczne niż gruboziarnista. Stosuje się często przed hartowaniem, co umożliwia zapobieżenie powstania zbyt dużych naprężeń podczas hartowania, a ponadto odkształceń spowodowanych tymi naprężeniami. Odmianą w. normalizującego jest w. zupełne, które różni się od poprzedniego sposobem chłodzenia. Podczas normalizowania stal ogrzewana do temp. Wyższej od temperatury określonej linią GSE była zawsze chłodzona na wolnym powietrzu.

• Zmiękczające - polega na nagrzaniu stali do temp. Określonej w przybliżeniu przemianą A₁, a następnie studzeniu po (kilkunastogodzinnym) wygrzewaniu. W. zmiękczające stosuje się głównie do stali, w których występują duże kryształy cementytu w perlicie oraz siatka cementytu otaczające pierwotne ziarna austenitu.

• Rekrystalizujące - stosuje się do materiałów poddanych przedtem przeróbce plastycznej (np. walcowanie, kucie itp.), po których rośnie wytrzymałość i twardość materiałów, a maleje zdolność do dalszych odkształceń plastycznych. Przez wyżarzanie w odpowiedniej temp. Można przywrócić materiałowi własności plastyczne i wytrzymałościowe, które miał przed zgniotem. W tym celu należy materiał wyżarzać w temp. Wyższej od tzw. temperatury rekrystalizacji, która dla każdego materiału jest inna. W przybliżeniu temp. rekrystalizacji wynosi 0,4 temp. bezwzględnej topnienia dla czystych metali, a dla stopów będących roztworami stałymi 0,6 temp. bezwzględnej topnienia.

• Odprężające - stosuje się w celu usunięcia lub zmniejszenia naprężeń własnych powstałych w materiale na skutek: zgrubnej obróbki skrawaniem, odlewania, spawania, lub przeróbki plastycznej, prowadzonej w temperaturze niższej od temp. rekrystalizacji, czyli na zimno. Temp. w. odprężającego zwykle 550 do 650^o C. usunięcia naprężeń zależne jest od czasu i temperatury. Im wyższa jest temp., tym krótszy może być czas trwania procesu wyżarzania.

10.5

Jakie są sposoby i rodzaje hartowania? Opisz struktury i własności stali uzyskiwane w poszczególnych operacjach:

Odp. Hartowanie jest zabiegiem cieplnym polegającym na nagrzaniu stali do temperatury ok. 30^o wyższej od temperatury przemian A₃ (linia GSK), wygrzaniu jej w tej temperaturze i oziębienie z szybkością zwykle większą od szybkości krytycznej.

Rozróżniamy następujące sposoby hartowania:

1. hartowanie z ogrzewaniem na wskroś:

• H zwykłe,

• H stopniowe,

• H z przemianą izotermiczną,

2. hartowanie powierzchniowe:

• H zwykłe polega na chłodzeniu stali (od linii GSK) z szybkością zwykle większą od krytycznej. Duża szybkość chłodzenia zwykle umożliwia utrzymanie austenitu w stanie niezmiennym do temp. przemiany martenzytyczej. Niekiedy stosuje się mniejszą szybkość chłodzenia, którą można uzyskać np. w oleju. Otrzymuję się wówczas w warstwach powierzchniowych najczęściej obok martenzytu również bounit.

• H stopniowe - różni się od h zwykłego zmienną szybkością chłodzenia, tzw. podchładzania, odbywa się w środowisku, którego temperatura jest wyższa od temperatury przemiany martentycznej., np. w kąpieli solnej. Po wyrównaniu się temperatur w znacznej części masy przedmiotu następuje dochładzanie w oleju, a niekiedy nawet w strumieniu powietrza. Przetrzymywanie stali w temperaturze znacznej trwałości austenitu powoduje zmniejszenie naprężeń stali.

• H z przemianą izotermiczną różni się tylko temp. kąpieli chłodzącej, najczęściej solnej lub metalowej. Temp. kąpieli chłodzącej jest podczas hartowania z przemianą izotermiczną wyższa od temperatur początku przemiany martęzytycznej. Chłodzenie stali w takiej temp. prowadzi do powstania struktury złożonej z ferrytu i cementytu. Zwykle tak się dobiera warunki chłodzenia, żeby w stali powstała struktura bainityczna. H z przemianą izotermiczą przebiega w zakresie temperatury, w którym austenit jest trwały. Z tego też powodu trzeba dość długiego czasu, żeby z austenitu powstała bainit, przez to w materiale nie powstają znaczniejsze naprężenia.

• H powierzchniowe - polega na nagrzaniu materiału do właściwej temperatury tylko na jego powierzchni. Rdzeń materiału nie zostaje wcale nagrzany, a zatem podczas obróbki nie zmienia swych właściwości. Po takim hartowaniu twrda powierzchnia wpiera się na sprężystym rdzeniu, który przy zmiennych obciążeniach nie ulega pęknięciu.

10.6

Jakie są metody badania hartowności stali ? W jaki sposób hartowność może być przydatna podczas doboru na elementy konstrukcyjne ?

Metoda hartowania od czoła.

Metodę tę stosuje się do określenia hartowności stali konstrukcyjnych węglowych i stopowych nie hartujących się na powietrzu. Metoda ta polega na oziębieniu strumieniem wody czoła próbki ogrzanej do temperatury i na pomiarze twardości powierzchni bocznej próbki na przeszlifowanych wycinkach mierzy się twardość wg metody Rockwella w odstępach co 2 milimetry na długości 50 milimetrów od czoła.Średnice arytmetyczne dwóch przeciwległych pomiarów służą do wykreślenia krzywej w układzie: odległość od czoła-twardość HRC. Krzywa ta charakteryzuje hartowność stali.

Metoda krzywych U.

Próbki o różnym stosunku długośći l do Srednicy D, ale o l /D >= 4 hartuje się w wodzie lub w oleju (zależnie od zawartośći składników stopowych). Na wyciętych z części środkowych i przeszlifowanych krążkach mierzy się twardość wg metody Rockwella wzdłuż dwóch wzajemnie prostopadłych średnic. Krzywe rozkładu twardości mają często kształt zbliżony do litery U stąd nazwa metody.

Badanie hartownośći na przełomie.

Tę najdawniejszą metodę badania stosuje się do oceny hartowności stali narzędziowych węglowych, charakteryzujących się małą głębokością hartowania. Próba polega na porównaniu przełomów próbek z określonymi wzorcami.Jako skalę wzorcową do określania wielkości ziarna przyjmuje się skalę przełomów Jernkontoret (10 wzorców). Głębokość hartowania wyznacza się na podstawie odróżniających się struktur lub przyjmuje się grubość warstwy o twardości 55 HRC.

10.7

Na czym polega ulepszanie cieplne i czym różni się od połączonych operacji hartowania z odpuszczaniem niskim i średnim?

Hartowanie obejmuje nagrzanie przedmiotu do temperatury, w której zachodzi przemiana austenityczna, tj. powyżej linii GSK, wygrzanie go w tej temperaturze i szybkie ochłodzenie. W wyniku hartowania uzyskujemy wysoką twardość i zmniejszenie odporności na uderzenie, stal hartowana jest twarda i krucha. Odpuszczanie polega na nagrzaniu przedmiotu hartowanego do temperatury poniżej linii PSK, wygrzaniu i następnym wolnym lub szybkim chłodzeniu. W wyniku odpuszczenia zmienia się struktura stali hartowanej, stal staje się mniej krucha i twarda, lecz bardziej sprężysta. Połączenie zabiegów hartowania i odpuszczania w odpowiedniej temperaturze w celu otrzymania możliwie najwyższych własności mechanicznych (przy zachowaniu możliwości obróbki skrawaniem) nazywamy ulepszaniem cieplnym. W praktyce przyjęto określać odpuszczanie stali w zależności od temperatury wygrzewania jako:

a). odpuszczanie niskie w zakresie temperatury 150-250 C, które ma na celu usunięcie a przynajmniej zmniejszenie, naprężeń hartowniczych przy nieznacznym polepszeniu plastyczności z jednoczesnym zachowaniem wysokiej twardości i wytrzymałości (struktura martenzytu regularnego)

b).odpuszczanie srednie w zakresie temp. 250 -500 C, mające na celu uzyskanie wysokiej sprężystości przy dostatecznej udarnosci i stosunkowo jeszcze wysokiej wytrzymałości (struktura troostytu ) .Ulepszanie cieplne jest to połączone hartowanie z odpuszczaniem wysokim w zakresie temp. od 500 C do Ar1 , mające na celu otrzymanie bardzo wysokiej udarności przy średnio dobrej wytrzymałości (struktura sorbitu)

10.8

W jaki sposób dobiera się warunki odpuszczania stali uprzednio zahartowanej,tak aby uzyskała ona wymagane własnosci mechaniczne?

Warunki odpuszczania dobiera się w zależnosci od rodzaju stali zahartowanej,zawartosci węgla,wielkosci powstałych napreżeń jak i od wymaganych własnosci mechanicznych.Warunki odpuszczania to:nagrzewanie elementu do odpowiedniej temp. wygrzanie go w tej temp. odpowiednio długo oraz studzenie. Warunki odpuszczania to takze rodzaj pieca:-komorowe z obiegiem wewnętrznym obiegiem powietrza,-kompielowe solne.Przykłady temp. odpuszczania narzędzi ze stali węglowej: noże tokarskie i strugarskie 200-220 C,frezy,rozwiertaki 230 C,sprężyny ,instrumenty chirurgiczne 300 C.

10.9

Na czym polega utwardzanie dyspersyjne?

Przesydzanie polega na nagrzaniu stopu do temperatury tp. powyżej lini zminnej rozpuszczalności metalu B w A ,w której wydzielona faza (beta) przechodzi do roztworu stałego (alfa) ,wygrzaniu w tej temp. i na stępnym szybkim chłodzeniu celem zatrzymania rospuszczonego składnika w roztworze stałym przesyconym. Po przesyceniu maleją własności mechaniczne jak Rm i HB a własnaści plastyczne rosną , gdyż stop staje się jednofazowy.

Starzenie polega na nagrzaniu uprzednio przesyconego stopu do temperatury znacznie ponirzej lini granicznej rozpuszczalności ,wygrzaniu w tej temp. i dowolnym chłodzeniu. Podczas nagrzewania i wygrzewania zachodzą dzięki nadmiarowi energi swobodnej fazy przesyconej,zmiany strukturalne w kierunku osiągnięcia równowagi, czyli wydzielenia składnika przesycajacego roztwór . Zmiany te zależą od temperatury i czasu trwania tego procesu . Od wielkosci powstajoących faz przejściowych i wydzieleń,czyli od ich dyspersji,zalezą własnosci wytrzymałościowe. Powstające wydzielenia lub przejściowe stany struktury przeszkadzają zachodzeniu poślizgów i dlatego materiał pod wpływem starzenia umacnia się, czyli zwiększa się Rm i HB, chodz własności plastyczne maleją. Połączenie zabiegów przesycania i starzenia nosi nazwę utwardzania dyspersyjnego.

10.10

Jak sklasyfikowano naprężenia własne powodowane obróbką cieplną? Wyjaśni ich wpływ na wady hartownicze

Naprężenia własne są to naprężenia , których zródło tkwi w samym materiale i nie pochodzi od aktualnie działających na materiał sił zewnętrznych. Zależnie od zródła naprężeń rozrużnia się :naprężenia po zgniocie na zimno (np. walcowanie),naprężenia odlewnicze, naprężenie spawalnicze ,naprężenia po uprzedniej obróbce cieplnej ( naprężenia hartownicze). Poza tym przyjął się podział naprężeń własnych zależnie od zasięgu objętościowego na naprężenia pierwszego, drugiego, trzeciego rzędu:

--Naprężenia wł. 1 rzędu istnieją pomiędzy warstwami lub częściami danego przedmiotu

-- Naprężenia wL. 2 rzędu powstają pomiędzy poszczególnymi fazami lub ziarnami , dlatego nazwane są też nap. fazowymi (strukturalnymi)

--Naprężenia własne 3 rzedu naja zasięg najmniejszy od kilku komórek sieci krystalicznej do wielkości atomowych. Obecność ich za znacza się w osłabieniu linii rętgenowskich.

Podczas hartowania stali powstają zarówno naprężenia cieplne na wskutek różnicy szbkości chłodzenia rdzenia i powierzchni przedmiotu,jak i fazowe tworzące się na skutek zachodzących przemian fazowych w różnym stopniu w różnych częściach i mikroczęściach przekroju.Zmiany fazowe połączone są z durzymi zmianami obiętości. Zmiany fazowe są zróżnicowane w głąb przekroju przedmiotu,z powodu zróżnicowania temperatury,powodującego niejednoczesność przemiany,ale także z powodu zróznicowania składu chemicznego, niejednorodnści ziarna itp.To powoduje powstawanie po między zróżnicowanymi fazami napręrzeń strukturalnych. Napręrzenia istniejące w rdzeniu moga doprowadzić do pęknięć przebiegających w środku przekroju.Naprężenia hartownicze wywołują też inne braki produkcyjne jak paczenie, krzywienie, odkształcanie się przedmiotów.

11.1.Jakie są podstawowe mechanizmy odkształcenia plastycznego metali ?

11.2.jaki jest mechanizm odkształcenia plastycznego metali polikrystalicznych na zimno ?

11.1 Mamy kilka mechanizmów. Do nich należą?

A: poślizg dyslokacyjny

B: bliźniakowanie

C: pełzanie dyslokacyjne

D: pełzanie dyfuzyjne

E: poślizg po granicach ziaren

A: polega ono na wzajemnym przemieszczeniu się jednej części kryształu względem drugiej w płaszczyznach poślizgu w wyniku ruchu dyslokacji w kierunkach poślizgu. Budowa krystaliczna obu części kryształu pozostaje nie zmieniona.

C: ten sposób ma duże znaczenie dla obróbki plastycznej na gorąco. W procesie tym w ślad za odkształceniem plastycznym na gorąco przebiegają dynamiczne procesy aktywowane cieplnie usuwające częściowo lub całkowicie skutki umocnienia zgniotowego.

D: zachodzi on w temperaturze homologicznej większej od 0,6 w warunkach niehydrostatycznego stanu naprężeń Wówczas w skutek oddziaływania składowej normalnej naprężeń występują lokalne różnice potencjału chemicznego wakansów wyrównujące się podczas pełzania dyfuzyjnego. W procesie tym następuje następuje przepływ wakansów z obszarów o niskim potencjale, przyległych do granic ziarn prostopadłych do kierunku rozciągania, w których panują naprężenia rozciągające , w których panują naprężenia ściskające. Taki przepływ wakansów odpowiada dyfuzyjnemu przepływowi masy w odwrotnym kierunku i w rezultacie w kierunku rozciągania. mechanizm ten dzieli się na:

- pełzanie dyfuzyjne poprzez źiarna (szybkość odkształcenia ziarna jest odwrotnie proporcjonalna do drugiej potęgi ziarna oraz wprost proporcjonalna do przyłożonego naprężenia rozciągającego i współczynnika dyfuzji objętościowej. Oznacza to, że proces jest kontrolowany przez dyfuzję ziarna, oraz, że szybkość jest silnie uzależniona od wielkości ziarna)

- pełzanie wzdłuż źiaren( szybkość odkształcenia ziarna w zależności od naprężenia jest odwrotnie proporcjonalna do trzeciej potęgi ziarna, a więc jeszcze silniej zależy od struktury, oraz jest wprost proporcjonalna do współczynnika dyfuzji po granicach ziarn. Oznacza to, że proces jest kontrolowany przez dyfuzję ziarna, oraz, że szybkość jest silnie uzależniona od wielkości ziarna)

E: jest on dominujący gdy temperatura odkształcenia plastycznego jest większa od 0.4 temperatury topnienia-nie jest jeszcze dokładnie zbadany. Poślizg po granicach ziarn polega na przesuwaniu się i obrotach ziarn wzdłuż ich granic szerokokątnych .poślizg po granicach ziaren w polikryształach odkształconych plastycznie na gorąco jest wyłącznie skutkiem ruchu wzdłuż granic ziarn dyslokacji granic ziarn lub dyslokacji sieciowych. Dyslokacje sieciowe zablokowane przez granice ziarn wywołują ruch dyslokacji granic ziarn lub dyslokacji sieciowych które uszły do granicy .Poślizgowi po granicach towarzyszą mechanizmy akomodacyjne zapewniające nienaruszenie spójności metalu i polegają na :

- sprężystym odkształceniu ziarn

- plastycznym płynięciu obszarów wewnątrz ziarn

• pełzaniu dyfuzyjnym

11.2 Jaki jest mechanizm odkształcenia plastycznego metali polikrystalicznych na zimno?

Przypadkowa orientacja krystalograficzna ziarn i blokujące działanie granic ziarn , zwłaszcza szerokokątnych decydują o jednoczesnym odkształceniu plastycznym w licznych systemach poślizgu. Odkształcenie plastyczne polikryształów rozpoczyna się w ziarnach o systemie poślizgu zorientowanym zgodnie z kierunkiem przyłożenia obciążenia, jeszcze przed osiągnięciem makroskopowej granicy plastyczności. Przed granicami ziarn następuje wówczas spiętrzenie dyslokacji jednoimiennych . Powoduje to wytworzenie naprężenia wstecznego - skierowanego przeciwnie do przyłożonego obciążenia. W wyniku nie jednoczesnego zapoczątkowania odkształcenia plastycznego w ziarnach o różnej orientacji krystalograficznej krzywa rozciągania poniżej granicy sprężystości ma charakter paraboliczny. Po osiągnięciu makroskopowej granicy plastyczności odkształcenie plastyczne następuje nierównomiernie w wyniku rozprzestrzeniania się fal plastycznych tzw. fal Lüdersa. Wskutek działania odkształcenia plastycznego spiętrzenia dyslokacji w jednych ziarnach uaktywniają żródła dyslokacji w ziarnach sąsiednich i wywołują oddziaływanie dyslokacji z błędami i dyslokacjami w innych systemach poślizgu. Wpływa to na zwiększenie umocnienia zgniotowego. Zwiększenie odkształcenia plastycznego powoduje nasycenie ziarn dyslokacjami o dużej gęstości i utworzenie w ziarnach komórkowej podstruktury dyslokacyjnej, a nawet podziarn.

Granica plastyczności - tak nazywane jest naprężenie niezbędne do zapoczątkowania makroskopowego odkształcenia plastycznego we wszystkich ziarnach. Metale często wykazują górną i dolną granicę plastyczności

11.3 Jakie zjawiska zachodzą w metalach uprzednio odkształconych plastycznie podczas wyżarzania w temperaturach wyższych i niższych od temperatury rekrystalizacji.

Wyżarzanie zgniecionego materiału powoduje w nim zmiany:

1. wyrzażanie w zakresie niskiej temperatury wpływa na zmniejszenie naprężeń własnych, wyrzażanie to nazywamy wyrzażaniem odprężającym, zabieg ten polega na nagrzaniu przedmiotu do temperatury 450-550˚C, wygrzaniu go w tej temperaturze i ostudzeniu. Zbyt wysoka temperatura powoduje zmianę własności wytrzymałościowych.

2. Wyrzażanioe powyżej lini rekrystalizacji powoduje powrót do własności przed obrobieniem plastycznym czyli własności którymi odznaczał się metal przed zgniotem. Stosuje się wyrzażanie rekrystalizujące , aby usunąć zgniot ziarn w sieci krystalicznej . Im większy jest zgniot ziarn to wygrzać w wyższej temperaturze. Materiał staje się twardszy i wytrzymały na rozciąganie , lecz mało ciągliwy. Wyrzażamy w temperaturze od 550-700˚C a potem studzimy

11.5 Na czym polega obróbka plastyczna i obróbka cieplno- mechaniczna metali

1) Obróbka plastyczna polega na tym, że metale pod działaniem sił zewnętrznych ulegają odkształceniu. Obróbka plastyczna ma na celu zmianę kształtu i własności metali w wyniku odkształcenia na zimno lub na gorąco.

Wyróżniamy kilka rodzajów obróbki plastycznej:

A: kucie, b: walcowanie, c: tłoczenie, d: ciągnienie.

W obróbce plastycznej na zimno nieodkształcalne zmiany zachodzą przy obciążeniach przekraczających granicę sprężystości materiału. Proces odkształcania metalu pod wpływem ciśnienia rozpoczyna się od jego powierzchni narażonej bezpośrednio na działanie sił i stopniowe rozprzestrzenianie w głąb materiału. Uzewnętrznia się ono zmniejszeniem grubości materiału. Zgniot wykorzystuje się do powierzchniowego utwardzenia (umocnienie )materiału, powstałe w wyniku odkształceń plastycznych jak i kształt zgniecionego ziarna metalu jest trwałe tylko do pewnej temperatury.

2) obróbka cieplno- mechaniczna to inaczej obróbka plastyczna na gorąco przy użyciu maszyn. Podczas obróbki materiału nagrzanego do odpowiedniej temperatury(powyżej temperatury rekrystalizacji) struktura nie wykazuje utwardzenie jak przy zgniocie na zimno. Powoduje poprawę własności mechanicznych metalu oraz powstanie budowy włóknistej w obrabianym przedmiocie

12 KOROZJA METALI I ICH STOPÓW

1 Na czym polega korozja ? Wymień jej skutki

Korozją metali i stopów jest nazwane zjawisko ich niszczenia w wyniku elektrochemicznych lub chemicznych relacji z otaczającym środowiskiem Ze względu na typ relacji powodujących zniszczenie metalu lub stopu może być dokonany podstawowy podział korozji na elektrochemiczny i chemiczny

Skutki korozji

Postępująca korozja może powodować znaczne obniżenie własności mechanicznych i użytkowych maszyn urządzeń i elementów np. kotłów parowych , konstrukcji mostów Dotyczy to blisko 30% ogólnej liczby wyrobów z metalu i ich stopów Korozja powoduje również bardzo duże straty ekonomiczne wynikające np. z niszczeni rurociągów ,mostów ,statków Straty ekonomiczne bezpośrednio są związane z koniecznością dokonania wymiany uszkodzonych elementów maszyn wykorzystywania odpowiednich stopów odpornych na korozję lub stosowanie pokryć korozyjnych Około 7-10% ogólnej produkcji stali ulega zniszczeniu w wyniku tworzenia się zgorzeliny podczas operacji obróbki plastycznej Również 10% produkowanych na świecie metali i stopów ulega nieodwracalnemu zniszczeniu w wyniku korozji Do skutków korozji należy zaliczyć straty energetyczne i straty pracy ludzkiej związane z procesami naprawy

2 Jakie są zniszczenia korozyjne ?

Ze względu na wygląd zewnętrznych oględzin elementu i zmiany własności fizycznych spośród zniszczeń korozyjnych można wyróżnić pięć zasadniczych odmian :

1. Korozja równomierna polega na niemal jednostajnym na całej powierzchni niszczenia metalu w miarę upływu czasu Metale lub stopy cechujące się szybkością korozji równomiernej nie większej niż 0.15 mm/rok mogą być stosowane na odpowiedzialne elementy części maszyn

2. Korozja wżerowa charakteryzuje się zróżnicowaniem szybkości niszczenia metalu lub stopu w różnych obszarach jego powierzchni Stosunek największej głębokości wżerów do głębokości średniej nosi nazwę współczynnika korozji wżerowej Wkw

3. Korozja selektywna polega na niszczeniu jednej lub kilku faz stopu ze znacznie większą szybkością od szybkości uszkadzania stopu (osnowy stopu) Wytrzymałość elementu ulega zmniejszeniu

4. Korozja międzykrystaliczna przebiega główni na granicach ziarn metali lub stopów postępując z bardzo dużą prędkością Korozja ta powoduje katastrofalne zniszczenia w wyniku znaczne go zmniejszenia wytrzymałości bez wyraznie widocznych objawów

5. Pęknięcia korozyjne powodowane są jednoczesnym działaniem środowiska korozyjnego i naprężeń rozciągających stałych lub zmiennych w przypadku gdy element metalowy zanurzony w środowisku korozyjnym jest poddawany zmiennym naprężeniom rozciągającym może ulegać korozji zmęczeniowej

3 Jak przebiega korozja elektrochemiczna ? Podaj czynniki ,które ją ułatwiają i utrudniają?

Korozja elektryczna przebiega w zupełnie innych warunkach niż korozja chemiczna Powstaje wówczas gdy w elektrolicie występuje różnica potencjałów

Może być niejednorodność chemiczna lub fizyczna na powierzchni metalu lub stopu spowodowana występowaniem w metalu obcych wtrąceń niejednorodności chemicznej w kryształach lub naprężeń Wiemy że w stopach zelaza głównym składnikiem stopowym jest węgiel albo w postaci grafitu lub cementytu Korozja stopu zawsze zaczyna się od jego powierzchni i na stycznośc z wilgocią Wiemy również że dwa różne metale zamrożone do roztworu jonów tworzą ogniwo Zatem na odkrytej powierzchni metalu (żelaza lub jego stopu) musi występować niezliczona ilość mikrogniw Zbiory atomów węgla lub cząsteczek cementytu stanowią w nich elektrody dodatnie natomiast atomy żelaza elektrody ujemne Warunkiem działania tych mikrogniw jest obecność elektrolitu do którego mogą przechodzić jony żelaz Jest nim woda deszczowa w której sa rozpuszczalne tlenki wegla azoty i siarki Również woda zawierająca sole spływające z gleb lub wprowadzona w okresie zimowym przez posypanie ulic solą mogą stanowić roztwór elektrolitu

Czynniki ułatwiające korozję elektrochemiczną:

a) przebywanie przedmiotów stalowych w ziemi -rurociągi

b) przebywanie metalu W środowisku wilgotnym -armatura wodociągowa

c) bliskość środowisk kwasowych i zasadowych

d) obecnośc tzw prądów błądzących (linie kolejowe)

Czynniki utrudniające korozję elektrochemiczną:

a)ochrona powierzchni metalu przed działaniem wilgoci

b) stosowanie powłoki ochronnej metalicznych i niemetalicznych

c) wprowadzanie do stali dodatków niklu chromu cynku magnezu

d) w miarę możliwości ograniczenia zawartości węgla

4 na czym polega polaryzacje ogniw korozyjnych oraz pasywacja metali i stopów

Polaryzacja ogniw korozyjnych :

Siła elektromotoryczna ogniwa utworzona przez połączenia dwóch elektrod jest równa ich potencjałów Siła ta jednak w miarę ogniwa maleje gdyż na powierzchniach jego elektrod zachodzą procesy przeciwstawiające się przepływowi prądu zwane polaryzacją ogniwa Przebieg polaryzacji zależy od rodzaju materiału elektrody skladu elektrolitu stężenia jonów wodorowych w elektrolicie oraz gęstości prądu Polaryzacja ogniw korozyjnych jest więc zjawiskiem pożytecznym gdyż zmniejsz intensywność niszczącego procesu korozji Polaryzacja ogniw zmniejsza usuwanie wodoru z katody stącania produktów korozji oraz odprowadzania tlenu do katody

Pasywacja metali i stopów

Pasywacja to wytwarzanie na powierzchni przedmiotów metalowych (cynkowych chromowanych niklowanych itp.) ciękiej antykorozyjnej błonki tlenków (lub innych związków) przez zanurzanie w odpowiednim roztworze Pasywacji samoczynnej pod wpływem powietrza ulega aluminium Niektóre metale w pewnych przypadkach nie ulegają korozji gdyż na ich powierzchniach

Powstaje cienka warstwa tlenków Metale takie nazywamy pasywnymi wprowadzenie do stopu metali łatwo się pasywujących w środowiskach utleniających powoduje pasywacje stopu pod warunkiem że dodatek stopowy nie utworzy odrębnej fazy lecz wejdzie w skład roztworu stałego

5 Na czym polega korozja gazowa?

Korozja gazowa zachodzi w wyniku bezpośredniego działania atmosfery gazowej na powierzchnie metalu Korozja gazowa występuje najczęściej wskutek działania tlenu czyli wspomnianego gazu metal Powstawanie

Warstwy korozyjnej rozpoczyna się od zaobserwowania gazu który następnie zostaje zdysocjowany dzięki powinowastwo do metalu lub w skutek podwyższania temp. Zdysocjowany gaz wchodzi w reakcję z metalu tworząc na jego powierzchni cienką warstwę związku chemicznego Pogrubienietej warstwy może nastąpić w skutek :

• dyfuzji jonów metalu i ruchu elektronów od metalu do zewnętrznej powierzchni związku

• dyfuzja cząsteczek tlenu do granicy faz -„metal - związek”

• dyfuzja jonów do granicy „metal-związek” i jednocześnie ruchu elektronów w przeciwnym kierunku

6.Jakie są mechnizmy powstawania zgorzelin na czystych metalach i stopach

Mechanizm powstawania zgorzelin jest bardzo złożony .Zgorzelina jednofazowa

Powstaje wtedy , gdy w danej temperaturze ciśnienie , w którym zachodzi reakcja utleniania , jest mniejsza od prężności rozkładowej związku o wyższym stopniu utleniania. Preżnością rozkładową jest nazywane ciśnienie , w którym następuje samorzutny rozpad tego związku na wolny metal i utleniacz.

Zgorzelina zwarta wielofazowa powstaje na metalu , gdy w podwyższonej temperaturze metal tworzy z utleniaczem kilka związków trwałych termodynamicznie o różnym stopniu utleniania metalu .Złożonym przypadkiem jest tworzenie się zgorzelin na stopach metali , zwłaszcza wieloskładnikowych.

Procesom zachodzącym na granicach faz i związków tworzących zgorzelinę.

7.Jakie są zasady doboru składu chemicznego stopów odpornych na korozję?

Metale zawierające małe ilości zanieczyszczeń wykazują znacznie większą odporność przeciw korozji niż takie same metale zanieczyszczone w większym stopniu. Również wprowadzenie do metalu nieodpornego na korozję odpornych składników stopowych , tworzących z metalem roztwory stałe , zabezpiecza w znacznym stopniu stop przeciw agresywnym wpływom środowiska. Należą do nich w szczególności metale pasywne. Warunkiem nierdzewności jest także jednorodność struktury. Im więcej węgla w stali tym więcej musi być chromu , aby uzyskać strukturę ferrytyczną. Ulepszanie cieplne powoduje również zwiększenie odporności na korozję. Duża ilość węgla w stali w stosunku do ilości chromu , powoduje wydzielanie się na granicach ziarn austenitu węglików chromu , które sprzyjają korozji międzykrystalicznej. W celu dodaje się tytanu , który ma na celu związani węgla , by uniknąć tworzenia się węglików.

8.Na czym polega katodowa i protektorowa ochrona przed korozją?

Ochrona katodowa : Ochrona ta polega na polaryzacji zewnętrznym prądem metalu , na powierzchni którego występuje lokalne ogniwo korozji elektrochemicznej.

Ochrona protektorowa : Jest odmianą ochrony katodowej. Jeżeli zewnętrzna elektroda charakteryzuje się większym standardowym potencjałem utleniającym w szeregu napięciowym niż chroniony metal , nie trzeba stosować zewnętrznego zródła prądu stałego. Anoda taka zwana protektorową , którą zwykle stanowi magnez , cynk lub aluminium , wykazuje w stosunku do stali niewielką różnicę potencjałów.

9.Na czym polega ochrona anodowa metali i stopów przed korozją?

Metale przejściowe i ich stopy łatwo ulegające pasywacji mogą być skutecznie chronione , gdy są anodą , a ich potencjał osiąga wartość odpowiadającą obszarowi pasywnemu zgodnie z krzywą potencjostatyczną. Potencjał pasywny jest regulowany automatycznie za pomącą potencjostatu.

10.Na czym polega działanie inhibitorów dodawanych do środowisk korozyjnych?

Substancje te zmniejszają szybkość. Uniwersalnymi inhibtorami korozji są chromiany i dwuchromiany metali alkalicznych , które dodane do roztworu w małych ilościach hamują całkowicie korozję nie tylko żelaza , ale innych.Dla żelaza stosuje się inhibitory : kwaśny węglan sodowy lub kwaśny fosforan sodowy.Wyżej wymienione inhibitory działają hamująco na korozję w roztworach obojętnych lub słabo kwaśnych. W miarę wzrostu kwasowości roztworu działanie ich maleje , a przy dużym stężeniu pH przestaje działać.

Rozróżniamy inhibitory :

1. anodowe : tlen , kwaśny węglan sodowy , chromiany , dwuchromiany , które zmniejszają korozję na skutek polaryzacji anody.

2. Katodowe : kwaśny węglan wapniowy , siarczan cynkowy-polaryzują katodę.

3. Koloidalne : żelatyna , dekstryna , kleje i inne związki organiczne zmniejszają korozję w środowiskach kwaśnych-znajdujące się w ich obecności kwasy rozpuszczają tylko tlenki metali , a nie same metale

11.Jakie są rodzaje powłok ochronnych stosowanych w celu zapobiegania korozji? Na czym polega ich działanie?

Rozróżniamy powłoki ochronne nakładane i wytwarzane.

a) Powłoki ochronne nakładane.

Zaliczamy tu zarówno powłoki niemetaliczne , otrzymywane przez malowanie , lakierowanie jak i metaliczne. Powłoki te nie tworzą z metalem żadnego związku chemicznego i wiążą się z nim tylko na drodze przylegania (adhezji). Jako powłok metalicznych używamy metali : nikiel , miedz , chrom , srebro , cyna , cynk , ołów , kadm , glin , złoto i platynę. Grubość powłoki wynosi 0,005 do 0,025 mm. Metody nakładania powłok metalicznych :

1. Zanurzenie do stopionego metalu-stosuje się metale łatwotopliwe nie utleniające się zbyt łatwo , a więc cyna i cynk. Przy wyrobie blachy ocynkowanej , ocynowanej , bielenie naczyń miedzianych i mosiężnych.

2. Natryskiwanie stopionego metalu za pomącą tzw pistoletu

3. Nawalcowywanie , czyli tzw platerowanie polegające na zgrzewaniu grubej blachy metalowej z cienką blachą metalu ochronngo i następnie walcowaniu.

4. Metody galwanotechniczne-warstwę metalu nakłada się pod działaniem prądu w kąpieli zawierającej odpowiednie sole metalu nakładanego , ( chromowanie , niklowanie ).

Do powłok nakładanych niemetalicznie zaliczamy farby olejne , lakiery tłuste szybkoschnące i piecowe , lakiery nitrocelulozowe i emalie szkliste.

b) Powłoki ochronne wytwarzane.

Mogą być metaliczne i niemetaliczne. Tworzą warstwę ochronną połączoną z metalem chronionym na drodze chemicznej. Powłoki metaliczne uzyskuje się metodami opartymi na dyfuzji metalu chroniącego w głąb materiału chronionego. Najważniejsze z nich to naglinowywanie i cynkowanie.

Wytwarzanie powłok niemetalicznych może następować na drodze chemicznej lub elektrochemicznej. Zaliczamy do nich :

1. Oksydowanie polega na wytworzeniu na powierzchni stali tlenków żelaza ( czarny kolor ). Uzyskuje się to za pomocą rdzewienia albo też na gorąco w odpowiednich kąpielach.

2. Parkeryzacja polega na wytworzeniu na powierzchni stali warstwy krystalicznej fosforanów żelaza. Uzyskuje się to w roztworze wodnym w temperaturze 100 stopni C. Warstwa otrzymana jest szara , porowata i wymaga dla utrwalenia impregnowania olejem lub odpowiednim lakierem.

13.1 Tworzywa sztuczne:

Co to są tw szt ?Skład tw szt.

Tw szt jest to grupa materiałów , których głównym składnikiem są związki wielocząsteczkowe , naturalne lub syntetyczne.Tw szt mogą być otrzymywane z czystego polimeru (np. poli(metakrylan metylu ) , polistyren ,polietylen )z kopolimerów lub z mieszanek polimerów . Często otrzymuje się je z polimerów modyfikowanych chemicznie (np. przez hydrolizę ), fizykochemicznie (np. przez degradację )lub przez dodatek takich substancji jak: plastyfikatory ,wypełniacze ,stabilizatory oraz barwniki i pigmenty . Tw szt potocznie zwane są plastikami lub masami plastycznymi .

13.2 Podaj postacie handlowe tw sztucznych.

Postaciami handlowymi tw sztucznych są:

• teflon(politetrafluoroetylenu)

• nylon(wyroby poliamidowe)

• celofan(polski produkt ma nazwę tomofan)

• celuloid

• galalit

• bakelit

• guma

• lateks

• ebonit

• PCW(polichlorek winylu)

• żywice akrylowe(pleksiglas)

• polieten(polietylen)

• polipropen(polipropylen)

• polistyren

13.3 Jak sklasyfikowano tw szt? Klasyfikacja chem. I technologiczna.

Za podstawową klasyfikację przyjmuje się zachowanie tworzyw pod wpływem ogrzewania. Rozróżnia się tw. Termoplastyczne (termoplasty) i duroplasty ,które dzielą się na termoutwardzalne i chemoutwardzalne. Natomiast podział tworzyw wg. głównego ich składnika jest następujący: polialkeny, polistyren ,polimery , poliwęglany.

13.4 W jaki sposób otrzymuje się polimery?

Polimer powstaje w skutek procesów polimeryzacji oraz polikondensacji.

Polimeryzacja polega na takim łączeniu się merów (najmniejszych powtarzających się elementów w łańcuchu polimeru), przy którym nie ma żadnych produktów ubocznych.

Powstawaniu wiązania między merami towarzyszy zwykle rozerwanie wiązania podwujnego. Typowy przykład takiej reakcji stanowi polimeryzacja etenu.

Polikondensacja to drugi typ reakcji doprowadzającej do powstania związków wielkocząsteczkowych . Zasadniczą cechą określającą polikondensację jest powstanie w niej prostego produktu ubocznego , najczęściej wody. Tak się dzieje w wypadku tworzenia się polisacharydów z cukrów prostych lub polipeptydów z aminokwasów .

1. Wymień przykłady zastosowań tw szt.

W ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat związki te dzięki swoim własnością stały się niemal wszechobecne. Rezygnacja z nich spowodowałaby zniknięcie sporej części ubrań , prawie całego sprzętu gosp. domowego, a także unieruchomienie samochodów i samolotów.

Guma to przykład tw szt produkowanego na bazi kałczuku a mający zastosowanie w prod opon, dętek, itd.

Ebonit (powyżej 30% siarki w procesie wulkanizacji ) ma zastosowanie do sprzętu elektronicznego , wykładzin i aparatury chem.

Celuloid znalazł duże zastosowanie w produkcji zabawek , piłeczek pingpongowych , drobnej galanterii i przyborów kreślarskich.

Galalit nazywany również sztucznym rogiem stosowano do wyrobu ozdobnej galanterii .

Teflon używa się do wyrobu łożysk bezsmarowych , uszczelek oraz do pokrywania metalowych części żelazek i naczyń kuchennych.

14 Materiały i produkty spiekane.

Na czym polega metalurgia proszków?

Metalurgią proszków nazywamy metodę wytwarzania metali z ich proszków bez przechodzenia w stan ciekły. Połączenie ze sobą oddzielnych ziarn proszków w jednolitą masę następuje podczas wygrzewania silnie sprasowanych kształtek w atmosferze redukującej lub obojętnej. Najczęściej spiekanie proszków stosuje się wtedy, gdy topnienia i odlewania zawodzą. Z tego powodu metodami metalurgii proszków wytwarzamy:

1. metale trudnotopliwe (np. wolfram, molibden, tantal);

2. spieki metali, a czasem niemetali, które wykazują znaczne różnice temp. topnienia;

3. materiały porowate na łożysko samosmarujące;

4. materiały, które w stanie ciekłym są gęstopłynne i trudne do odlewania (np. materiały na specjalne magnesy trwałe).

14.3Jakie są metody metalurgii proszków w masowej produkcji wyrobów ze stali i metali nieżelaznych?

• metody mechaniczne:

1. mielenie;

2. rozpylanie;

• metody chemiczne:

1. redukowanie związków chemicznych w podwyższonej temp.

2. redukcja stopionych soli;

3. wytwarzanie węglików

• metody fizykochemiczne:

1. metoda karbonylkowa

2. metoda elektrolityczna;

3. dysocjacja termiczna;

4. metody specjalne.

14.4Czym się charakteryzują węglikostale i węgliki spiekane?

Węglikostale spiekane- do produkcji węglikostali są wykorzystywane głównie węgliki tytanu (TiC). Węglikostale są produkowane dwoma sposobami. Pierwszy polega na uzyskaniu przez spiekanie porowatego szkieletu z proszków węglika tytanu i następnie nasycanie szkieletu cieczą stałą. Można je również uzyskać klasycznymi metodami metalurgii proszków przez mieszanie proszków TiC i proszków odpowiednich stali, prasowanie i następnie spiekanie.

Materiały te należą do najdroższych tworzyw narzędziowych.

Węgliki spiekane- produkowane bezpośrednio w postaci płytek i płytek wieloostrzowych stosuje się je jako nakładki do łączonych narzędzi spawających i tnących, narzędzi dla górnictwa, matryc do celów metalurgii proszków, a także na narzędzia do obróbki plastycznej na zimno. Węgliki spiekane wytwarza się trzema metodami- wielostopniową, skróconą lub jednostopniową. Węglików spiekanych nie poddaje się obróbce cieplnej, nie nadają się również do obróbki plastycznej i mechanicznej, polegającej na toczeniu i frezowaniu.

14.5 Wymień i scharakteryzuj grupy spiekanych materiałów narzędziowych.

1. Stale i cermetale oparte na węglikach metali przejściowych oraz cermetale oparte na azotkach lub mieszankach azotków i węglików metali przejściowych.

2. Materiały ceramiczne zawierające głównie Al₂O₃ i Si₃N₄, ewentualnie z dodatkiem tlenków innych pierwiastków.

3. Materiały mieszane- ceramiczno - węglikowe- zawierające zarówno Al₂O₃ oraz Si₃N₄, jak i węgliki metali przejściowych z ewentualnym dodatkiem tlenków lub azotków innych pierwiastków.

4. Supertwarde materiały spiekane- w tym polikrystaliczny syntetyczny diament i azotek boru (BN) o regularnej sieci przestrzennej zwanej borazonem.

14.6Czym się charakteryzują spiekane materiały odporne na korozję, żaroodporne i żarowytrzymałe?

Odporne na korozję- wytwarzane metodami metalurgii proszków. Materiały te umożliwiają stali o bardzo małym stężeniu węgla, bardzo trudnych do otrzymania metodą konwencjonalną.

Żaroodporne i żarowytrzymałe- liczną grupę grupę spieków stanowią kompozyty ceramiczno -metanowe. Materiałami ceramicznymi są zwykle tlenki, węgliki, krzemki lub borki. Powodują one zwiększenie odporności na działanie wysokiej temperatury i niewrażliwość własności wytrzymałościowych na zmiany temp. żaroodporność, dużą twardość i odporność na ścieranie w wysokiej temp. Jako materiały żaroodporne mogą być stosowane węgliki spiekane oraz tlenki spiekane. Do omawianej grupy materiałów należą również metale umacniane dyspersyjnie przez obcą fazę twardą i żaroodporną, jak np.: wolfram spiekany z niewielkim dodatkiem tlenku sodu, wapnia lub glinu, dwutlenku krzemu albo dwutlenku toru, zapobiegające nadmiernemu rozrostowi ziarn.

14,2 Czym się charakteryzuje proces technologiczny wyrobów wytworzonych metodami metalurgii proszków?

Przebieg procesów technologicznych zależy od własności fizycznych i chemicznych materiałów używanych do produkcji , jak np.: wielkość i kształt ziarna, stan powierzchni, stopień zanieczyszczenia, sypkość, prasowalność w znacznym stopniu decydują o doborze warunków procesów wytwarzania przedmiotów użytkowych.

Własności chemiczne- proszki metali stosowane do wyrobu przedmiotów użytkowych powinny się odznaczać znaczną czystością. Rodzaj i postać zanieczyszczeń są uzależnione od czystości surowców wyjściowych oraz metody wytwarzania proszków.

Własności fizyczne- pod mianem własności fizycznych można rozumieć własności pojedyńczych ziarn lub wytworzonyhc z nich mas. Dla pojedyńczych ziarn charakterystyczne są kształt i wielkość.

1. Podaj definicję szkła.

Szkło-bezpostaciowe ciało stałe mające strukturę przechłodzonej cieczy; potocznie materiały otrzymywane w wyniku przechłodzenia stopniowych surowców tzw. szklarskich[gł. piasek kwarcowy, boraks, skalenie oraz np.: związki litowców wapniowców, ołowiu, cynku], i są przezroczyste, źle przewodzą ciepło i elektryczność, kruche, odporne na działanie kwasów [z wyjątkiem fluorowodorowego], dają się formować [wydmuchiwanie, wyciąganie, walcowanie].

1. Wymień surowce do produkcji szkła.

Surowce do wytwarzania szkła można podzielić na szkłotwórcze, modyfikujące, specjalne. Surowce szkłotwórcze to głównie:S2O2, P2O5, B2O3. Tworzą one tzw. więźbę szkła.

Zadaniem surowców modyfikujących jest rozluźnienie sieci przestrzennej szkła, co w istotny sposób zmienia jego własności. Do surowców tych zalicza się Na2O, K2O, Zi2O, CaO, MgO, BaO, PbO, ZnO. Surowce specjalne to liczne związki do zabarwiania szkła, przyspieszanie topnienia oraz klarowanie szkła.

16. PODSTAWOWE MATERIAŁY KONSTRUKCYJNE

16.1. Podział stali stopowych.

Jeżeli zawartość przynajmniej jednego składnika stopowego w stali osiągnie podaną niżej umowną graniczną wartość lub ją przekroczy, taką stal nazywamy stopową. Dla poszczególnych pierwiastków ustalono następujące wartości: Mn - 0,8%, Si - 0,4%, Ni - 0,3%, Cr - 0,3%, W - 0,2%, Co - 0,2%, Cu - 0,2%, Al. Ilości składników stopowych wprowadzanych do stali mogą niewiele lub znacznie przekraczać ilości uznane za graniczne. W pierwszym przypadku stale nazywamy niskostopowymi, a w drugim - stalami wysokostopowymi. Wartości graniczne rozdzielające stale niskostopowe od wysokostopowych są różne dla różnych stali. Jeżeli w stali oprócz węgla występują jeden lub więcej składników stopowych, znajduje to odpowiedni wyraz w nazwie stali, np. stal chromowa, stal niklowa, stal niklowo-chromowa, stal manganowo-chromowa lub stal manganowo-chromowo-krzemowa. W zależności od zastosowania rozróżnia się stale:

• konstrukcyjne stopowe;

• narzędziowe stopowe;

• o szczególnych własnościach stopowe.

Do stali konstrukcyjnych zaliczamy tylko te gatunki, które są przeznaczone do wyrobu części maszyn i urządzeń pracujących w zwyk-łych warunkach, tj. w temperaturze nie wywołującej zmiany własności wytrzymałościowych (zwykle około 300°C) oraz w środowiskach nie działających szkodliwie na materiał tych cześci.

Dla stali konstrukcyjnych stopowych stosuje się zawsze obróbkę cieplną lub cieplnochemiczną.

16.2. Scharakteryzuj stale konstrukcyjna stopowe.

Stale konstrukcyjne stopowe do nawęglania.

Stale konstrukcyjne stopowe są objęte normą PN-72/H-84030. W stalach tych zawartości fosforu t siarki nie mogą przekraczać 0,035% Znak stali konstrukcyjnych stopowych składa się z liczby dwucyfrowej, oznaczającej zawartość węgla w stali w setnych częściach procentu, i symboli literowych, oznaczających składniki stopowe. Liczby występujące po symbolach składników stopowych oznaczają zawartość tych składników w stali zaokrągloną do l%. Jeżeli zawartość składnika stopowego jest zbliżona do 1%, to po symbolu składnika nie podaje się cyfry oznaczającej jego zawartość. Składniki stopowe stali oznacza się następującymi symbolami literowymi: F-wanad, G-mangan, H-hrom, J-aluminium, M-molibden, N - nikiel, S - krzem, T- tytan.Wobec tego np. stal oznaczona symbolem 18H2N2 zawiera około 0,20% węgla, około 2% chromu i około 2% niklu. Stale przeznaczone do nawęglania powinny zawierać mało węgla, najwyżej 0,23°/o. Jako składniki stopowe wprowadza się do stali składniki, które tworzą z węglem węgliki, jak np. chrom, mangan, molibden, aluminium i wanad. Niektóre z nich mogą wywierać ujemny wpływ na. własności stali, jak np. mangan, sprzyjający rozrostowi ziarna. Tego rodzaju szkodliwym wpływom zapobiega się przez wprowadzenie do stali dodatków stopowych, których działanie usuwa niepożądany wpływ innych składników stopowych. Rozrostowi ziarna zapobiega chrom, który występuje we wszystkich stalach do nawęglania. W stalach tych należy unikać składników. Które ułatwiają grafityzację, jak krzem i aluminium. W stalach stopowych do nawęglania dzięki zawartości składników stopowych osiąga się dużo lepsze własności wytrzymałościowe niż w stalach węglowych. Dotyczy to głównie rdzenia, który prócz dużej wytrzymałości odznacza się znaczną dągliwością. Z tego powodu ze stali stopowych do nawęglania wykonuje się bardzo obciążone, części maszyn, np. silniki lotnicze lub pewne mechanizmy pojazdów silnikowych, które ze względu na charakter pracy muszą mieć znaczną wytrzymałość na zmęczenie i dużą odporność na ścieranie. Norma PN-72/H-84030 określa 12,gatunków różnych stali stopowych do nawęglania. Najczęściej stosowane są w Polsce do nawęglania stale chromowe, chromowo-manganowe, chromowo-manganowo-molibdenowe i chromowo-niklowe.

Stale konstrukcyjne stopowe do azotowania.

Stale konstrukcyjne do azotowania ujęto normą PN-72/H-84030. Są to stale zawierające węgiel w ilości 0,35-0,42% oraz składniki stopowe, które wiążą się z azotem, tworząc bardzo twarde azotki. Składnikami azotkotwórczymi w stalach są: chrom, molibden i aluminium oraz wanad i tytan. Przed azotowaniem przeprowadza się hartowanie i wysokie odpuszczanie stali. Ma to na celu podwyższenie własności wytrzymałościowych rdzenia. Ulepszenie cieplne można przeprowadzić tylko przed azotowaniem, bo po azotowaniu hartowanie zniszczyłoby skutki poprzedniego procesu. Azotowanie nadaje dużą twardość tylko warstwie zewnętrznej.

Stale stopowe konstrukcyjne do ulepszania cieplnego.

Stale stopowe konstrukcyjne do ulepszenia cieplnego są objęte normą PN-72/H-84030. Zawierają one 0,20-0,55% węgla oraz w niewielkich ilościach mangan, krzem, chrom, nikiel i inne. Obróbka cieplna tych stali polega na ich hartowaniu z odpowiedniej dla każdego rodzaju temperatury oraz na odpuszczaniu w temperaturze około 600°C. Celem jej jest poprawienie w pewnym stopniu własności wytrzymałościowych i zachowanie dobrej odporności na uderzenia. Spośród wielu stali konstrukcyjnych stopowych przeznaczonych do ulepszania cieplnego najczęściej stosuje się w praktyce stale: manganowe, krzemowo-manganowe, chromowo-molibdenowe, chromowo-molibdenowo-wanadowe, chromowo-manganowo-krzemowe, chromowo-niklowe oraz chromowo-molibdenowe. Niektóre stale wysoko odpuszczone, zawierające chrom i nikiel, wykazują przy powolnym chłodzeniu zmniejszenie udarność. Stal staje się raniej odporna na uderzenie niż po chłodzeniu szybkim po odpuszczeniu. Zjawisko to nazywa się kruchością odpuszczania. Można je przedstawić na wykresie, ilustrującym zmiany udarności w zależności od temperatury odpuszczania. Sledząc przebieg zmian udarnośd przy powolnym chłodzeniu (linia pełna) dostrzega się pierwsze minimum udarnośd w temperaturze około 350°C i drugie około 550°C. Zmniejszenie udarnośd, czyli kruchość w niższej temperaturze, jest spowodowana przemianą austenitu szczątkowego w martenzyt, który jest bardziej kruchy niż austenit. Kruchości tej nie da się uniknąć.

16.3. Scharakteryzuj stale narzędziowe stopowe

Podział stali stopowych dokonuje się w zalezności od ich zastosowania. W grupie stali stopowych rozróżnia się stale do pracy na zimno, do pracy na gorąco oraz szybkotnące. Stale narzędziowe stopowe do pracy na zimno - oprócz różnych składników stopowych - zawierają większe ilości węgla, zwykle około 1%, niekiedy więcej. Tylko niektóre stale tego typu zawierają około 0,5% C. Głównymi składnikami stali narzędziowych stopowych do pracy na zimno są chrom, wolfram i wanad oraz - w pewnych przypadkach - krzem i mangan. Zawartość siarki i fosforu nie powinna przekraczać 0,03% każdego z tych szkodliwych zanieczyszczeń. Ze względu na rodzaj pracy stali narzędziowych stopowych przeznaczonych do pracy na zimno można je podzielić na trzy grupy. Pierwszą, największą, grupę stanowią stale przeznaczone na narzędzia skrawające, drugą - stale na narzędzia do obróbki plastycznej, a trzecią - stale na przyrządy pomiarowe. Stale stopowe narzędziowe do pracy na gorąco powinny się odznaczać dużą twardością, która nie zmniejszałaby się nadmiernie w miarę wzrostu temperatury, odpornością na uderzenia, odpornością na częste zmiany temperatury, dużą przewodnością cieplną i małą rozszerzalnością podczas nagrzewania. Równoczesne spełnienie wszystkich wymagań dotyczących stali na narzędzia do pracy na gorąco jest niemożliwe. Z tego powodu w praktyce trzeba się zadowolić spełnieniem najważniejszych, zapewniających prawidłową pracę narzędzi. Za najważniejsze uważa się wymagania dotyczące twardości i plastyczności stali. Większość stali do pracy na gorąco zawiera średnie ilości węgla (0,4-0,6%) oraz chrom, wolfram, molibden, wanad, nikiel, mangan i krzem. Narzędzia, które pracują udarowo, należy wykonywać ze stali o mniejszej hartowności, gdyż plastyczny rdzeń lepiej znosi nagie obciążenia. Z tego powodu na narzędzia tego typu należy stosować stale o mniejszej zawartości składników stopowych i większej zawartości węgla. Natomiast narzędzia pracujące przy nacisku wzrastającym powoli należy wykonywać ze stali, które przehartowują się na wskroś, a więc stali o większej zawartości składników i mniejszej zawartości węgla.

16.4. Scharakteryzuj stałe i stopy żelaza o szczególnych własnościach.

Stale o specjalnych własnościach fizycznych i chemicznych zawierają zwykle duże ilości składników stopowych. W tej grupie stali wymienia się stale odporne na korozję (nierdzewne i kwasoodporne), stale żaroodporne i żarowytrzymałe i inne - o specjalnych własnościach.

Stale odporne na korozję zawierają znaczną ilość chromu - do 12%. Są odporne na korozję atmosferyczną, na działanie wód naturalnych, pary wodnej, roztworów alkalicznych i rozcieńczonych kwasów organicznych. Odporność na agresywne działanie środowiska wzrasta ze wzrostem gładkości powierzchni. Przedmioty wykonane z niektórych stali nierdzewnych ulegają czasem korozji, gdy ich powierzchnia nie jest gładka. Stale nierdzewne poddaje się przesycaniu, zależnie od składu chemicznego w zakresie temperatury 950-1100°C. Długotrwałe wygrzewanie tych stali w podwyższonej temperaturze ma na celu rozpuszczenie węglików chromu w ferrycie, co przyczynia się do wzrostu odporności na korozję.

W stalach kwasoodpornych głównymi składnikami stopowymi są chrom i nikiel. Zawartość chromu jest większa niż w stalach nierdzewnych i wynosi 16-20%, a ilość niklu zawiera się w granicach 8-12%. Ilość węgla jest w tych stalach niewielka i nie przekracza na ogół 0,2%. Większość stali kwasoodpornych należy do stali o międzynarodowym znaku 18/8. Pierwsza z liczb określa procentową zawartość chromu, a druga - niklu. Stale kwasoodporne poddaje się przechładzaniu od temperatury 1100°C w wodzie. Ich główne zastosowanie to budowa aparatury chemicznej narażonej na działanie kwasów. Większość tych stali daje się spawać.

Stale żaroodporne. Przez żaroodporność rozumie się odporność materiału na utlenianie w wysokiej temperaturze. Materiały żaroodporne nie odpowiadają specjalnym wymaganiom pod względem wytrzymałości, mogą więc być stosowane jedynie na części nie pracujące pod większym obciążeniem. Stale o specjalnym składzie chemicznym stają się żaroodporne w wyniku tworzenia się na ich powierzchni warstwy tlenków, które następnie nie dopuszczają tlenu do głębszych warstw stali. Szybkość narastania warstwy utlenionej zależy głównie od jej budowy krystalicznej oraz od temperatury, w jakiej odbywa się proces utleniania. Metale tworzące tlenki - o budowie skomplikowanej i zwartej - trudniej ulegają utlenianiu niż metale, których tlenki mają budowę prostą i porowatą. Najczęściej stosuje się żaroodporne stale chromowe lub chromowe z dodatkiem niklu, krzemu, aluminium lub tytanu. Stale tego typu są zazwyczaj poddawane obróbce cieplnej, polegającej na przesycaniu od odpowiedniej dla każdej stali temperatury (na ogół 800-1000°C). Własności wytrzymałościowe tych stali w temperaturze przekraczającej 500°C ulegają obniżeniu, jednocześnie polepszają się własności plastyczne. Stale żaroodporne dzieli się na dwie grupy. Pierwszą stanowią stale odporne do 900°C, a drugą - odporne do 1100°C. Stale pierwszej grupy zawierają chrom do około 14% i ponadto - w mniejszych ilościach krzem, aluminium lub molibden. Zawartość węgla nie przekracza 0,37%. Z wyjątkiem stali zaworowych, w których ilość węgla dochodzi do 0,57%. Stale drugiej grupy zawierają większe ilości chromu, zazwyczaj 20-28% i niklu 10-20%, ponadto mangan, krzem, niekiedy wolfram oraz molibden.

16.5. Przedstaw ogólną charakterystykę żeliw stopowych.

Przedstaw ogólną charakterystykę żeliw stopowych.

Istnieje kilkadziesiąt gatunków żeliw stopowych. Najczęstszymi dodatkami stopowymi są chrom, nikiel, molibden, mangan, krzem, wolfram, miedź, wanad, tytan, antymon. Żeliwa te dzielą się na niskostopowe (zawartość składników stopowych do 3%), sredniostopowe (3-20% składników stopowych) i wysokostopowe (pow. 20% składników stopowych). Z żeliwa niskostopowego wykonuje się części maszyn o podwyższonych własnościach mechanicznych, dobrej odporności na ścieranie itp., na przykład części do silników, takie jak tuleje silnikowe, pierścienie tłokowe, bloki i głowice silników, koła zębate. Z żeliw średniostopowych i wysokpstopowych wykonuje się części pracujące w ciężkich warunkach. W związku z tym powinny się one charakteryzować takimi cechami, jak żaroodporność, kwaso- i ługoodporność, odporność na ścieranie w podwyższonych temperaturach.

Żeliwo stopowe zawiera chrom, nikiel, aluminium, molibden, mangan, miedź i tytan. Przez zastosowanie odpowiednich dodatków można otrzymać żeliwa odznaczające się odpornością na ścieranie, korozję, wysoką temperaturę lub działanie różnego rodzaju chemikaliów. Gatunki żeliw stopowych (krzemowe, aluminiowe, chromowe, wysoko manganowe, niklowe i inne) są podane w PN-88/H-83144.

Żeliwo stopowe jest stosowane do budowy aparatury chemicznej i kotłowej o podwyższonych właściwościach wytrzymałościowych, termicznych (żaroodporne) lub chemicznych (kwasoodporne) itp.

Żeliwa chromowe zawierają oprócz chromu, krzem i mangan i są stosowane na odlewy: tulei cylindrowych, bloków cylindrowych, głowic silników spalinowych, piast, tarcz sprzęgłowych, bębnów hamulcowych oraz części odpornych na ścieranie, korozję i działanie czynników chemicznych.

Żeliwa wysoko manganowe zawierają również krzem, a ponadto aluminium, miedź i nikiel; są stosowane na odlewy niemagnetycz-ne oraz odporne na działanie ośrodków gazowych i czynników chemicznych.

Żeliwa niklowe zawierają również krzem i mangan. Są stosowane na odlewy aparatury chemicznej, pracującej w słabo korodujących ośrodkach oraz na odlewy odporne na korozję i ścieranie, np. tuleje cylindrowe silników spalinowych.

16.6. Przedstaw ogólną charakterystykę staliw stopowych

Przedstaw ogólną charakterystykę staliw stopowych.

Staliwa stopowe można podzielić według:

- zastosowania - na konstrukcyjne staliwa stopowe i staliwa specjalne: żaroodporne, kwasoodporne, odporne na korozję, odporne na ścieranie itp.,

- składników stopowych - na manganowe, chromowe, chromowo-niklowe itp.,

- zawartości składników stopowych - na niskostopowe (do 2%), sredniostopowe (2-5%) i wysokostopowe (pow. 5%).

Największe zastosowanie wśród staliw stopowych mają konstrukcyjne staliwa stopowe (PN-87/H-83156). Są to staliwa niskostopowe o sumarycznej zawartości pierwiastków stopowych nie przekraczającej 2% i dobrych własnościach mechanicznych. Po ulepszaniu cieplnym wytrzymałość na rozciąganie sięga 1200 MPa, granica plastyczności 900 MPa, a udarnosć 50 J/cm2.

Symbol staliw stopowych składa się z:

- dużej litery L określającej, że jest to staliwo,

- liczby określającej zawartość węgla w setnych procentu,

- dużych liter oznaczających pierwiastki stopowe: F - wanad, G - mangan, H - chrom, M - molibden, N - nikiel, S - krzem.

Konstrukcyjne staliwa stopowe stosuje się zawsze w stanie obrobionym cieplnie. W normie PN-87/H-83156 podano własności poszczególnych konstruk-cyjnych staliw stopowych po normalizowaniu lub ulepszeniu cieplnym, z czego wynika, że norma nie przewiduje stosowania tych staliw bez obróbki cieplnej.

Konstrukcyjne staliwa stopowe stosuje się wszędzie tam, gdzie z warunków pracy detalu lub możliwej do użycia technologii wynika, że należy zastosować odlew, a wymagane są lepsze własności mechaniczne aniżeli własności staliw węglowych.

Staliwa specjalne dzielą się na:

- konstrukcyjne staliwa stopowe do pracy w podwyższonych temperaturach -PN-89/H-83157,

- staliwa stopowe odporne na korozję, nierdzewne i kwasoodporne PN-86/H-83158,

- staliwa stopowe żaroodporne i żarowytrzymałe - PN-73/H-83159,

- staliwa odporne na ścieranie - PN-88/H-83160,

- staliwa narzędziowe - PN-72/H-83161,

- staliwa na magnesy - nie objęte normami państwowymi,

- staliwa na walce - nie objęte normami państwowymi.

Zastosowanie tych staliw wynika z ich nazwy i jest podobne jak odpowiadających im stali stopowych.

16.7. Podaj przykłady metali nieżelaznych i ich stopów

Przykładowe metale nieżelazne i ich stopy to:

a) miedź: mosiądz, mosiądz ołowiowy.

b) brąz: specjalny, aluminiowo-żelazowo-manganowy, cynowo-cynkowo-ołowiowy, cynowo-fosforowy, krzemowo-cynkowo-manganowy.

c) aluminium:

d) nikiel: nikielina, konstantan, stop Monela, nowe srebro (stop niklu z miedzią i cynkiem).

e) cynk: stopy odlewnicze, stopy przeznaczone do obróbki plastycznej.

16.8. Scharakteryzuj miedź i jej stopy.

Stopy miedzi Stosowana w technice miedź jest zanieczyszczona różnymi domieszkami. Głównymi jej zanieczyszczeniami są: bizmut, antymon, arsen, żelazo, nikiel, ołów, cyna, cynk, siarka, fosfor i tlen. Wszystkie prawie domieszki wpływają ujemnie na przewodność elektryczną miedzi. Tlen tworzy z miedzią związek Cu2O. Zawartość tlenków w miedzi jest przyczyną tzw. „choroby wodorowej". Polega ona na redukującym działaniu wodoru na tlenek miedzi wg reakcji Cu2O+H2->2Cu+H2O Ponieważ reakcja zachodzi podczas ogrzewania miedzi w atmosferze zawierającej wodór, woda wydziela się w postaci pary, której prężność wzrasta w miarę upływu czasu i wzrostu temperatury. Prężność pary wytworzonej w tych warunkach jest tak duża, że powoduje drobne pęknięcia miedzi w tych miejscach, w których znajdowały się zgrupowania tlenków. Odtlenienie podczas wytwarzania stopów osiąga się wskutek redukującego działania fosforu, dodawanego zwykle w tym celu do roztopionej miedzi. Zwykle pozostawia się w miedzi pewien jego nadmiar nie przekraczający 0,1%. Arsen, znajdujący się w miedzi w niewielkich ilościach - do 0,1%, nie wpływa na pogorszenie jej własności mechanicznych. Gdy zależy nam na poprawieniu żaroodporności oraz zmniejszeniu wpływu tlenu na miedź, stosuje się pewien niewielki dodatek arsenu (0,3-0,5%). Pozostałe domieszki, jak żelazo, cyna, cynk i nikiel, poprawiają własności wytrzymałościowe miedzi, lecz jednocześnie pogarszają jej własności plastyczne. Stopy miedzi z cynkiem noszą nazwę mosiądzów. Rozróżnia się mosiądze odlewnicze i mosiądze do przeróbki plastycznej. Mosiądze odlewnicze zawierają 30-40% cynku i niekiedy pewne ilości manganu, krzemu, aluminium oraz ołowiu, który ułatwia obróbkę skrawaniem, czyniąc wiór kruchym. Dzięki dobrej lejności mosiądze te dobrze wypełniają formę i można je odlewać w kokilach pod ciśnieniem lub w formach piaskowych. Wadą mosiądzów odlewniczych jest tendencja do odparowywania cynku, którego temperatura wrzenia jest niższa od temperatury odlewania mosiądzów. Wadą jest również duży skurcz, powodujący powstawanie jam skurczowych w odlewach. Najczęściej odlewy mosiężne są stosowane na armaturę do wody i pary. Mosiądze do przeróbki plastycznej zawierają 20-40% cynku oraz niekiedy również inne składniki stopowe. Mosiądze o strukturze jednofazowej poddają się dobrze obróbce plastycznej, natomiast skrawaniu lepiej poddają się mosiądze o strukturze dwufazowej. Mosiądze produkuje się w postaci prętów, rur, blach, taśm, kształtowników oraz odkuwek. Odpowiednio do ich własności stosuje się je na części podlegające obróbce skrawaniem, części kute i wytłaczane nie poddawane obróbce skrawaniem, śruby z wygniatanym gwintem, części odporne na ścieranie, rury do skraplaczy, wężownice itp. Oprócz mosiądzów zwykłych w przemyśle stosuje się również tzw. mosiądze specjalne. Otrzymuje sieje przez wprowadzenie do mosiądzów zwykłych dodatkowo innych składników stopowych, takich jak nikiel, krzem, cyna, aluminium, mangan i inne. W zależności od składnika stopowego nadaje się im nazwy, np. mosiądz niklowy, mosiądz krzemowy itd. Składniki stopowe są dodawane do mosiądzów w celu poprawy niektórych ich własności. Stopy miedzi z cyną noszą nazwę brązów. Brązy wykazują tendencję do segregacji, którą można usunąć jedynie po długotrwałym żarzeniu ujednorodniającym. Do obróbki plastycznej nadają się tylko brązy o zawartości cyny nie przekraczającej 7%. Obróbka plastyczna jest wykonywana zawsze na zimno, gdyż na gorąco brązy nie dają się obrabiać plastycznie. Brązy o zawartości do 6% cyny odznaczają się dużą plastycznością i dobrymi własnościami wytrzymałościowymi. Zgniot powoduje zwiększenie wytrzymałości i twardości. Z takich brązów wykonuje się sprężyny i oprawki stosowane w precyzyjnych urządzeniach elektrycznych i mechanicznych. Dodatek cyny podwyższa własności wytrzymałościowe i sprężyste stopu. Z tego powodu brązy zawierające do 10% cyny są stosowane na koła zębate. Brązów o zawartości cyny przekraczającej 10% używa się na odlewy. Aby poprawić własności odlewnicze, do brązów dodaje się w niewielkiej ilości cynk, który poprawia własności wytrzymałościowe. Brązy zawierające około 14% cyny mają budowę dwufazową. Dzięki takiej strukturze nadają się one doskonale na panewki łożysk ślizgowych, w których czop powinien się punktowo wspierać na twardych kryształach spoczywających na plastycznym podłożu. Dalszą dodatnią cechą brązów jako materiałów łożyskowych jest łatwość odprowadzania ciepła, powstającego w wyniku tarcia podczas pracy łożyska. Ponadto brązy o takim składzie chemicznym są odporne na korozję i z tego powodu można je stosować na części armatur. Oprócz cyny w skład brązów wchodzą niekiedy również cynk, ołów, nikiel i fosfor. Częściej jednak miedź z innymi składnikami tworzy stopy bez cyny. Wszystkie te stopy nazywa się brązami. Dla odróżnienia ich jednak od brązów cynowych wymienia się zawsze nazwę charakterystyczną składnika, np. brązy aluminiowe, brązy niklowe, brązy berylowe itd.

16.9. Scharakteryzuj aluminium i jego stopy

Stopy aluminium

Aluminium odznacza się małym ciężarem właściwym, dobrą przewodnością elektryczną, dobrym przewodnictwem cieplnym. Ponadto z niektórymi metalami tworzy stopy o dobrych własnościach odlewniczych oraz stopy o dobrych własnościach plastycznych. Zależnie od stopnia czystości rozróżnia się wiele rodzajów aluminium. Aluminium hutnicze, otrzymywane zwykle metodą elektrometalurgiczną, zawiera zazwyczaj zanieczyszczenia przekraczające w sumie 0,5%. Po rafinacji elektrolitycznej ilość zanieczyszczeń w aluminium można zmniejszyć do 0,1%, niekiedy nawet do 0,02%. Głównymi zanieczyszczeniami aluminium są: żelazo, krzem i miedź. Poprawę własności wytrzymałościowych aluminium można uzyskać przez zastosowanie zgniotu na zimno lub dodanie odpowiednich składników stopowych. Miedź wprawdzie poprawia znacznie wytrzymałość aluminium na rozciąganie, lecz równocześnie zmniejsza jego zdolność do wydłużania się. Podobnie na własności stopów aluminium wpływa krzem. Jako główne składniki stopów aluminiowych należy wymienić miedź i krzem oraz magnez, mangan i cynk. W stopach aluminium spotyka się również i inne domieszki. Do rzadziej stosowanych w stopach aluminium domieszek zalicza się nikiel, żelazo oraz chrom, kobalt i tytan. W celu zwiększenia odporności na korozję stopów aluminium stosuje się pokrywanie przedmiotów warstwą tlenków wytwarzanych na ich powierzchni metodą elektrolitycznego utleniania anodowego (eloksalacja). Ponadto stosuje się często platerowanie stopów aluminium czystym aluminium, które jest bardziej odporne na korozję niż jego stopy. Stopy aluminium z miedzią dają się obrabiać cieplnie, dzięki czemu wzrasta ich wytrzymałość.

16.10. Scharakteryzuj inne metale nieżelazne i ich stopy

Stopy niklu

Nikiel wytwarza się sposobami hutniczymi, chemicznymi i elektrolitycznymi. Głównymi zanieczyszczeniami niklu, wpływającymi na pogorszenie własności mechanicznych, są siarka, węgiel i tlenki niklu. W stanie czystym nikiel jest stosowany do powlekania powierzchni narażonych na korozję: w przemyśle spożywczym i chemicznym - do wyrobu zbiorników, armatury i ponadto urządzeń parowych, różnych przyrządów itd. Najczęściej nikiel jest używany jako składnik stopowy wielu stali oraz różnych innych stopów. Liczne zastosowania znajdują stopy niklu z miedzią o różnej zawartości niklu. Z tej grupy stopów należy wymienić nikielinę o zawartości około 20% niklu, konstantan zawierający około 40% niklu i stop Monela o zawartości około 70% niklu. Nikielina odznacza się dobrą plastycznością, odpornością na korozję i ładnym wyglądem po wypolerowaniu. Z tych powodów służy do wyrobu przedmiotów tłoczonych, narażonych na korozję głównie atmosferyczną. Konstantan odznacza się stałością oporu elektrycznego w dużym zakresie temperatur oraz dużą siłą termoelektryczną. Znajduje zastosowanie głównie na termoelementy z żelazem lub miedzią. Stop Monela jest bardzo odporny na działanie korozyjne czynników chemicznych. Stosuje się go przede wszystkim do budowy łopatek niektórych turbin parowych, niekiedy i wodnych. Ponadto bywa używany w budownictwie okrętowym, dzięki odporności na działanie wody morskiej, i w przemyśle chemicznym do wyrobu autoklawów, wirówek itd. Stopy niklu z miedzią i cynkiem mają wygląd podobny do srebra; stąd ich nazwa - nowe srebro. Stopy te odznaczają się dobrą plastycznością, odpornością na korozję i pięknym srebrzystym kolorem. Mimo tych zalet są obecnie rzadko stosowane ze względu na wysoką cenę.

Stopy cynku

Rozróżnia się cynk hutniczy, rafinowany, elektrolityczny i rektyfikowany. Główne zastosowanie cynku to powłoki ochronne przeciwkorozyjne, nakładane głównie na wyroby z blachy stalowej. Ponadto cynk w postaci wszelkiego rodzaju blach jest używany w budownictwie i gospodarstwie domowym. Folię cynkową stosuje się na opakowania towarów do transportu morskiego. W przemyśle poligraficznym używa się klisz z cynku do druku offsetowego (cynkografia). Jako składnik stopowy cynk jest szeroko stosowany w stopach z miedzią, aluminium, manganem i innymi. Spośród stopów, w których cynk jest składnikiem podstawowym, najważniejsze to stopy z aluminium, zwane znalami. Oprócz cynku w ich skład wchodzi aluminium w ilości 4-30%, miedź w ilości 1-3% oraz niekiedy w niewielkich ilościach magnez lub mangan. Znale dzieli się na odlewnicze i przeznaczone do przeróbki plastycznej. Stopy odlewnicze cynku są szeroko stosowane na odlewy pod ciśnieniem. Wykonuje się z nich części maszyn do pisania i do liczenia, części maszyn drukarskich, armaturę wielu rodzajów maszyn, korpusy skrzynek przekładniowych, obudowy aparatury pomiarowej i wiele innych. Niektóre stopy odlewnicze są stosowane na panewki łożysk ślizgowych. Stopy przeznaczone do przeróbki plastycznej odznaczają się dobrą wytrzymałością i plastycznością. Obróbkę plastyczną wykonuje się w podwyższonej do około 300°C temperaturze. Ze stopów do przeróbki plastycznej wykonuje się przez walcowanie blachy, rury, pręty, druty oraz różnego rodzaju kształtowniki. Obecnie znale stosuje się w wielu przypadkach tam, gdzie dawniej stosowano droższe od nich mosiądze.

Magnez i jego stopy

Zależnie od stopnia czystości rozróżnia się pięć gatunków, magnezu wyodrębnionych w normie PN-69/H-82161. Najwyższy gatunek, oznaczany cechą Mgl, zawiera najwyżej 0,09% wszystkich zanieczyszczeń. Dalsze gatunki, oznaczone cechami Mg2 i Mg3, zawierają więcej zanieczyszczeń, a magnez Mg5 może zawierać łącznie nawet do 1% wszystkich domieszek. Gatunki Mgl i Mg2 produkowane są metodą elektrolityczną ze stopionych chlorków magnezu, gorsze gatunki uzyskuje się zazwyczaj ze złomu. Wytrzymałość czystego niagnezu jest mała, lecz można ją zwiększyć przez wprowadzenie pewnych składników, które korzystnie wpływają na wytrzymałość stopów. Głównymi składnikami stopów magnezu są: alumimum, cynk, krzem i mangan. Podstawową cechą stopów magnezu jest ich mały ciężar właściwy, nie przekraczający wartości 2 g/cm3. Decyduje on o zastosowaniu tych stopów przede wszystkim tam, gdzie jednym z wymagań jest mały ciężar konstrukcji, a inne wymagania nie są zbyt wysokie. Najbardziej znany pod nazwą elektronu jest wieloskładnikowy stop magnezu z aluminium, cynkiem i manganem. Obecnie stopy magnezu dzielą się na stopy odlewnicze objęte normą PN-75/H-88050 oraz stopy przeznaczone do przeróbki plastycznej ujęte w normie PN-84/H-88051. W celu poprawienia własności stopów magnezu stosuje się niekiedy obróbkę cieplną. Ze względu na skłonność do segregacji składników stopowych po odlaniu stosuje się wyżarzanie ujednorodniające w zakresie temperatury 350-420°C w ciągu kilkunastu godzin. Chłodzenie stopów magnezu w wodzie powoduje przesycenie roztworów stałych, a następujące potem wyżarzanie w temperaturze 150-200°C w ciągu około 15 godzin powoduje starzenie stopu, objawiające się wzrostem własności wytrzymałościowych. Stopy magnezu są wrażliwe na działanie czynników atmosferycznych. Z tęgo powodu należy je pokrywać warstwą ochronną.

---