Wiadomości wstępne. Materiałoznawstwo jako nauka o budowie, właściwościach i metodach badań materiałów konstrukcyjnych. Zajmuje się ustalaniem zależności pomiędzy składem chemicznym, budową tworzywa i procesami technologicznymi jakim ono podlega, a jego właściwościami. Zależności te są na ogół trudne do sprecyzowania zarówno ze względu na duża liczbę zmiennych jak i ilościową ocenę pewnych zjawisk. Właściwości materiału ocenia się pod względem stawianych mu wymagań. Nie ma materiału konstrukcyjnego spełniającego w równym stopniu wszystkie wymagania. Każdy materiał może być nieodpowiedni, odpowiedni lub bardzo dobry, ponieważ ocena jest uzależniona od właściwego doboru właściwości tworzywa i technik wytwarzania, od warunków pracy elementu czy konstrukcji. Wymagania jakie stawia się materiałom są następujące: -dobre właściwości mechaniczne(wytrzymałość, trwałość, dobra technologiczność) -mały ciężar własny -duża twardość -dobre właściwości technologiczne -niska cena -dobre właściwości fizyczne i chemiczne Budowa atomu - wiązania atomowe 1. wiązania kowalencyjne Wiązania zachodzą między dwoma atomami które oddziałują siłami ektrostatycznymi na wspólna parę elektronów. Występują gdy na powłoce walencyjnej jest 7 elektronów.
2. wiązanie jonowe Jeżeli na ostatniej powłoce atomu jest mniej niż 4 elektrony zostają one oddane, jeżeli więcej niż 4 przyjmuje on elektrony. Wiązania zachodzą w wyniku elektrostatycznego przyciągania układów różnoimiennych. Układy różnoimienne zachodzą w przypadku oddania elektronu przez jeden atom i przyjęciu przez drugi atom. 3. wiązania metaliczne Atomy metali mają małą liczbę elektronów walencyjnych i dlatego nie mogą tworzyć wspólnych par elektronowych i łączyć się ze sobą wymienionymi wcześniej wiązaniami.
Zbliżone atomy pierwiastka metalicznego tracą część lub wszystkie elektrony walencyjne stając się rdzeniami atomowymi, między którymi w całej objętości metalu poruszają się elektrony Elektrony walencyjne przynależą do wszystkich rdzeni. Między łańcuchami dodatnimi rdzeni atomowych i ujemnymi elektronów działają silne siły elektrostatyczne-przyciągające, które utrzymują atomy w stałych odległościach.. |
4.wiązania van der Waalsa W skutek odkształcenia powłok elektronowych środki ładunku dodatniego i ujemnego nie znajdują się w tym samym punkcie, ale są oddzielone. Atom jest spolaryzowany, staje się dipolem, który w odpowiednim położeniu przyciąga inny dipol.
Elementy krystalografii-od struktury zalezą właściwości mechaniczne Ciała krystaliczne mają charakterystyczny kształt regularnych brył geometrycznych -kryształów. Atomy w metalu są uporządkowana jako węzły sieci przestrzennej utworzonej przez zwielokrotnienie w trzech kierunkach podstawowego elementu zwanego komórką elementarną (komórką sieciową). Rodzaje sieci krystalicznych l. regularna prosta-atomy w narożach sześcianu
2. regularna przestrzennie centrowana-atomy w środku i w narożach sześcianu(ŻELAZO ALFA)
3. regularna płasko centrowana -atomy w narożach w środku ścian(ŻELAZO GAMMA)
4.heksagonalna
Niezależnie od typu sieci, komórkę elementarną charakteryzują: -liczba koordynacyjna-jest to liczba najbliższych i równoległych atomów od dowolnego atomu (liczba wiązań) -liczba atomów przypadających na komórkę zasadniczą - jest to wartość charakteryzująca wielkość komórki elementarnej -wypełnienie komórki elementarnej - stosunek objętości zajętej przez atomy do objętości komórki elementarnej wyrażony w procentach Krzepnięcie - jest bardzo istotna dla materiału. Przechodzenie ze stanu ciekłego w stan stały ma istotne znaczenie techniczne, ponieważ od tego zależy rzeczywista struktura a więc właściwości mechaniczne atomu. Oziębianie cieczy zmniejsza ruchliwość atomów tak, że w temperaturze krzepnięcia siły wiązań gwałtownie zwiększają się powodując gwałtowne zmniejszanie energii wewnętrznej układu. Jej nadmiar wydziela się podczas w krzepnięcia w postaci ciepła, utrzymując przez cały czas zmiany stanu skupienia, stałą temperaturę układu. Pomimo strat ciepła do otoczenia w niektórych przepadkach możemy obniżyć temperaturę krzepnięcia: dla metali o kilka stopni, dla wody o 200C, dla tworzyw wielkocząsteczkowych o kilkaset. Zjawisko to jest możliwe przy odizolowaniu od otoczenia.. krzywe chłodzenia .Podobne zjawisko możemy osiągnąć przy nagrzewaniu(znacznie |
trudniej) Mechanizm krzepnięcia. Mechanizm krzepnięcia polega na powstawaniu w cieczy zarodków krystalizacji i na ich wzroście. W teorii krystalizacji są dwie wartości charakteryzujące proces: szybkość zarodkowania SZ - jest to liczba zarodków krystalizacji tworzących się w jednostce objętości cieczy w jednostce czasu szybkość krystalizacji SK - jest to liniowa szybkość wzrostu kryształów w jednostce długości na jednostkę czasu
Proces krystalizacji może być sterowany poprzez prędkość chłodzenia. Przy małych prędkościach chłodzenia szybkość krystalizacji dominuje nad szybkością zarodkowania, uzyskujemy wówczas strukturę gruboziarnistą. Przy dużych szybkościach chłodzenia dominuje szybkość zarodkowania nad szybkością krystalizacji, otrzymujemy strukturę drobnoziarnistą. Mechanizm zarodkowania. W ciekłym metalu zarodkiem krystalizacji jest przypadkowo pojawiająca się grupa atomów bliskiego uporządkowania pozycją położenia atomów w sieci. Zarodkiem może być wtrącenie nieczystości, warstwa tlenków, ścianki naczynia itp.fazy stałe. Rozróżnia się następujące zarodkowania: 1) Zarodkowanie homogeniczne - polega ono na tworzeniu się zarodka w kształcie kuli w jednorodnej cieczy ( rzadko spotykamy - znaczne przechłodzenie).
2) Zarodkowanie heterogeniczne - polega ona na tworzeniu się zarodka o kształcie czaszy kulistej na powierzchni fazy stałej - jest podstawowym elementem krystalizacji metali.
Wzrost zarodka krystalizacji polega na osadzeniu się na jego powierzchniach atomów z cieczy, które dzięki zmniejszeniu ruchliwości są przyłączane siłami wiązań i umiejscawiają się w położeniach odpowiadających pozycjom w sieci. Szybkość krystalizacji wykazuje anizotropię-różnorodność właściwości w różnych kierunkach. Szybkość jest największa po płaszczyznach najgęściej obsadzonych atomami. Powstawanie struktury dendrytycznej Mikrostruktura materiałów metalicznych utworzona jest w wyniku krystalizacji, nosi nazwę struktury pierwotnej. Dzięki dużej liczbie zarodków krystalizacji, metale i stopy mają budowę polikrystaliczną. Mechanizm tworzenia się mikrostruktury polikrystalicznej ( dendrytycznej ) jest następujący. W początkowym okresie zarodki rozrastają się swobodnie po płaszczyznach najgęściej obrzuconych atomami. Ich wzrost zostaje zahamowany lokalnym podniesieniem temperatury (na skutek |
wydzielania się energii wewnętrznej). W międzyczasie w innym miejscu zarodka rozpoczyna się krystalizacja i trwa również do momentu wzrostu temperatury przed frontem krystalizacji. Po pewnym czasie rusza proces krystalizacji w pierwotnym kierunku itd. Krzepnięcie wlewka
wlewek - zastygła ciecz w naczyniu l. kryształy zamrożone 2. kryształy słupkowe 3. kryształy wolne . W wyniku zetknięcia się cieczy z zimnymi ściankami naczynia uzyskuje się dużą prędkość odprowadzania ciepła. Powoduje to uzyskanie dużej prędkości zarodkowania w wyniku czego przy ściankach naczynia powstaje strefa drobnoziarnista (strefa ziaren zamrożonych ). Strefa ta zmniejsza szybkość odprowadzania ciepła (izoluje), wiec rośnie szybkość krystalizacji i zarodki rozrastają się do większych rozmiarów o kształcie wydłużonym równolegle do kierunku odprowadzania ciepła (jest to strefa ziaren słupkowych). Ta strefa jeszcze bardziej zmniejsza szybkość chłodzenia i ogranicza kierunkowość odprowadzania ciepła, dlatego w tym etapie powstają ziarna równoosiowe osiągające znaczne rozmiary (strefa ziaren wolnych). Zanieczyszczenia spychane są do góry bo tam ostatnie stadium zamarzania. Defekty struktury krystalicznej Siec przestrzenna rzeczywistego kryształu zawiera wiele odchyleń od doskonałości geometrycznej. Te odchylenia nazywamy defektami. Defekty wywierają wpływ na właściwości mechaniczne materiału. W zależności od rozmiarów wyróżnia się defekty: punktowe, liniowe, złożone. Defekty punktowe mają rozmiar rzędu odległości międzyatomowych lub stałej sieciowej. a)wakanse ( puste węzły)
b)obcy atom w węźle wiązań atomowych (większy lub mniejszy)
c)defekt Frenkla (rodzimy atom w pozycji międzywęzłowej)
Defekty liniowe zwane dyslokacjami maja w dwóch prostopadłych kierunkach wymiar stały, a w trzecim wymiar ziarna. a)dyslokacja krawędziowa (zanik jednej z płaszczyzn sieciowych), b)dyslokacja śrubowa (przesunięcie jednej części kryształu względem drugiej) Defekty złożone mają w jednym kierunku wymiar rzędu kilku odległości międzyatomowych, a w dwóch pozostałych wymiar ziarna. Defektami złożonymi są powierzchnie rozdziału ziaren zwane granicami ziaren. Granice mogą być wąskokątne (kąt 2-3°), szerokokątne (kąt >15°),a)granica niesprzężona, b)granica sprzężona. |
Defekty czasem poprawiają plastyczność. Odkształcenia plastyczne metali.
W monokrysztale mogą wystąpić odkształcenia: a)sprężyste- odkształcenia sprężyste polegają na sprężystym odgięciu sieci, odgięcie jest niewiększe od odległości międzyatomowej x<e b)plastyczne- powstają na trwałę po usunięciu naprężeń x>e ®przez poślizg -wzajemne przesuwanie się atomów względem siebie, wielkość poślizgu do 100 odległości między atomowych, odległość pomiędzy kolejnymi płaszczyznami poślizgu od 50 - 500 odległości międzyatomowych. ®przez bliźniakowanie- polega na skręceniu jednej części kryształu względem drugiej o kąt a, naprężenie niezbędne do wywołania bliźniakowania jest znacznie większe od naprężenia wywołującego poślizg. Zgniot i umocnienie materiału. Pojęciem zgniot określa się całokształt zmian mikrostruktury naprężeń własnych oraz właściwości wywołanych odkształceniami plastycznymi. Stopień zgniotu Z=(So-S)*100/So W strukturze zgniecionego materiału można zaobserwować pod mikroskopem wpływ zgniotu. W wyniku zgniotu otrzymuje się strukturę zwaną teksturą zgniotu. W wyniku tej tekstury następuje anizotropowe umocnienie materiału. Wymienione umocnienie i kształt zgniecionego ziarna są trwałe tylko do określonej temperatury. Wyżarzenie zgniecionego materiału wywołuje w nim zmiany. Wyżarzenie w niskiej temperaturze zmniejsza naprężenia własne. Obróbkę cieplną przy której usuwa się naprężenie własne nazywamy odprężaniem. Przy wyżarzaniu w odpowiednio wyższej temp. materiał uzyskuje te właściwości które miał przed zgniotem. Zjawisko to nazywamy zdrowieniem (nawrotem). Wyżarzenie w jeszcze wyższej temp. powoduje likwidację struktury włóknistej i odtworzenie ziaren komórkowych. Zjawisko przebudowy kryształów zgniecionych na komórkowe o pierwotnej budowie nazywamy rekrystalizacją pierwotną. Dalsze wygrzewanie w odpowiednio wyższej temp. powoduje rozrost ziaren. Zjawisko to nazywamy rekrystalizacją wtórną. Zjawisko rekrystalizacji wtórnej pogarsza właściwości mechaniczne i technologiczne, z tego względu nie należy dopuszczać do rekrystalizacji wtórnej. Zjawisko rekrystalizacji pierwotnej jest wykorzystywane w procesach obróbki plastycznej do odzyskania właściwości plastycznych utraconych podczas zgniotu. Temperaturę rekrystalizacji można w przybliżeniu określić według następującego wzoru Boczwara: TR = A*TTOP A- współczynnik rozpuszczalności (dla czystych metali A = 0,4 dla stopu A = 0,6 ) Zgniot krytyczny. Wartość zgniotu ma wpływ na wielkość ziarna po wyżarzeniu. Zgniot, przy którym po wyżarzeniu otrzymuje się największe ziarna nazywa się zgniotem krytycznym. |
Jak wynika z rozważań obróbka plastyczna prowadzona w temperaturze niższej od temperatury rekrystalizacji powoduje umocnienienie materiału, natomiast obróbka plastyczna w wyższej temperaturze od temperatury rekrystalizacji umocnienia nie wywołuje. Stad wynika podział na obróbkę plastyczną na zimno (T<Tr) i obróbkę plastyczną na gorąco prowadzoną w temperaturze wyższej od temperatury rekrystalizacji (T>Tr) Obróbka cieplna-zabieg mający na celu zmianę struktury stopów w stanie stałym, a przez to nadanie im pożądanych właściwości mechanicznych, fizycznych lub chemicznych. Schemat. Nagrzewanie materiału przeznaczonego do obróbki cieplnej ma na celu podniesienie jego temperatury do wysokości wymaganej dla danego materiału i rodzaju obróbki cieplnej. W większości zabiegów obróbki cieplnej stosuje się raczej niewielkie szybkości nagrzewania, wynoszące średnio 10-20°C na minutę, a to w celu osiągnięcia możliwie równomiernego nagrzewania obrabianego cieplnie elementu. Pozwala to uniknąć niebezpiecznych naprężeń. a w konsekwencji odkształceń, a nawet pęknięć. Na szybkość nagrzewania mają wpływ: sposób doprowadzania ciepła, temperatura ośrodka nagrzewanego, rodzaj ośrodka nagrzewającego i szybkość jego ruchu względem nagrzewanego przedmiotu. rodzaj nagrzewanego materiału, powierzchnia przekroju, kształt przedmiotu, sposób układania przedmiotów w piecu; obciążenie cieplne pieca. Przy grzaniu w wyniku oddziaływania atmosfery pieca zachodzi utlenianie oraz odwęglanie powierzchni obrabianych cieplnie elementów. Hartowanie jest to zabieg cieplny polegający na nagrzaniu elementu do temperatury 30-50°C powyżej Ac3-Ac1, wygrzania w tej temperaturze z następnym dostatecznie szybkim oziębieniem, w celu otrzymania struktury martenzytycznej lub bainitycznej, a przez to zwiększenia twardości stali. Na zabieg hartowania składają się więc kolejno po sobie następujące czynności: 1) nagrzanie stali do stanu austenitycznego i wygrzanie w tej temperaturze (austenityzowanie), 2) szybkie chłodzenie (oziębianie). Wysokość temperatury nagrzania przy hartowaniu zależy od składu chemicznego stali, a zwłaszcza od zawartości węgla. Nagrzanie stali podeutektoidalnej powyżej temperatury Ac3jest konieczne do uzyskania jednorodnej struktury austenitycznej. Jeśli przy nagrzaniu nie zostałaby przekroczona temperatura Ac3 to w strukturze zahartowanej stali pozostałby wolny ferryt, zmniejszając jej twardość, a po odpuszczeniu i inne właściwości mechaniczne. Stale nadeutektoidalne natomiast nagrzewa się przy hartowaniu powyżej Ac1 i to niezależnie od zawartości węgla. W tym przypadku rezygnuje się z całkowitego rozpuszczenia cementytu wtórnego w austenicie, którego obecność w strukturze zahartowanej stali jest nawet pożądana. Wyróżniamy hartowanie: powierzchniowe, płomieniowe Odpuszczanie to zabieg cieplny stosowany do przedmiotów uprzednio zahartowanych, polegający na nagrzewaniu ich do temperatury niższej od A1 727, wygrzaniu w tej temperaturze z następnym chłodzeniem powolnym lub przyspieszonym. Jest ono zwykle stosowane w celu polepszenia właściwości |
plastycznych elementów przy jednoczesnym usunięciu naprężeń własnych, które mogłyby doprowadzić do ich pęknięcia. Stopień usunięcia naprężeń zależy od temperatury odpuszczania. Temperaturę odpuszczania dobiera się w zależności od wymaganych właściwości. Rozróżnia się następujące rodzaje odpuszczania: 1) Odpuszczanie niskie (150-250°), którego celem jest częściowe usuniecie naprężeń hartowniczych oraz rozkład austenitu szczątkowego, przy zachowaniu wysokiej twardości Stosowane jest do narzędzi, przedmiotów nawęglonych itp. 2) Odpuszczanie średnie (250-500°), którego celem jest obniżenie twardości i zwiększenie odporności na uderzenie przy zachowaniu wysokiej wytrzymałości i sprężystości. Odpuszczanie to znajduje zastosowanie przy obróbce cieplnej sprężyn, matryc itp. 3) Odpuszczanie wysokie (500-650°) stosowane w celu uzyskania jak najwyższej udarności. przy wystarczającej wytrzymałości na rozciąganie. Istotna jest zwłaszcza duża wartość stosunku Re/Rm. W wyniku tego odpuszczania otrzymuje się strukturę sorbityczną, właściwą dla stali konstrukcyjnych. Połączenie zabiegów hartowania i wysokiego odpuszczania w calu otrzymania optymalnych właściwości chemicznych nosi nazwę ulepszania cieplnego. Na wynik odpuszczana oprócz temperatury ma wpływ również czas odpuszczania.
Wyżarzanie jest to zabieg cieplny polegający na nagrzaniu stali do określonej temperatury, wygrzaniu w tej temperaturze z następnym studzeniem(czyli powolnym chłodzeniem). Obróbka chemiczno - cieplna Obróbka cieplno - chemiczna polega na nasycaniu warstw powierzchniowych obrabianych cieplnie elementów określonymi składnikami, co uzyskuje się w rezultacie oddziaływania ośrodka w którym zachodzi wygrzewanie Dla wytworzenia takiego chemicznie aktywnego ośrodka mogą być zastosowane zarówno substancje stałe, ciekłe jak i gazowe. Najczęściej celem obróbki jest podwyższenie powierzchniowej twardości i odporności na ścieranie. Można osiągnąć również zwiększenie odporności na korozję. Do zabiegów obróbki cieplno chemicznej należą: nawęglanie, azotowanie, węgloazotowanie, nasiarczanie a także nasycanie innymi pierwiastkami metalicznymi i niemetalicznymi. W czasie obróbki cieplno - chemicznej zachodzą następujące procesy: 1)powstawanie wolnych aktywnych atomów w ośrodku otaczającym obrabiany metal. 2) adsorpcja aktywnych atomów na powierzchni metalu. 3)dyfuzja zaadsorbowanego pierwiastka w głąb metalu. W wyniku tych trzech procesów na powierzchni obrabianego elementu powstaje warstwa dyfuzyjna o odmiennym składzie chemicznym niż rdzeń. Dyfuzję określa ilościowo pierwsze prawo Ficka dm = -D dc/dx* dF*dt . Z równania wynika że ilość pierwiastka dm, która przedyfunduje przez element powierzchni dF na odległości dx od tej powierzchni w czasie dt jest proporcjonalna do gradientu dc/dx (spadek koncentracji subst. dyfundujacej dc na drodze dx). Współczynnik proporcjonalności D, zwany jest współczynnikiem dyfuzji, gdzie A - współczynnik zależny od typu sieci,Q - energia aktywacji, R - stała gazowa =8,31 J/(mol*K), T - temperaturę bezwzględną . |
Nawęglanie jest to najstarszy i do dziś najbardziej rozpowszechniony zabieg obróbki cieplno -chemicznej, polegający na nasyceniu powierzchni elementów stalowych węglem w celu uzyskania twardej i odpornej na ścieranie warstwy powierzchniowej przy zachowaniu ciągliwego rdzenia. Właściwości te uzyskuje się przez dodatkową obróbkę cieplną po właściwym nawęglaniu. W zależności od rodzaju ośrodka, w którym przeprowadza się wygrzewanie, rozróżnia się: 1)nawęglanie w proszkach z zastosowaniem stałych ośrodków nawęglających, 2)nawęglanie gazowe w gazowych ośrodkach nawęglających. Do nawęglania stosuje się stale węglowe albo stopowe o zawartości węgla 0.1-0.2%, a niekiedy nawet do 0,35% węgla. Stali węglowych używa się na elementy mniej odpowiedzialne o kształtach prostych, gdyż chodzi głównie o dużą odporność na ścieranie. W nawęglonym przedmiocie zawartość węgla zmniejsza się stopniowo od powierzchni w kierunku rdzenia. W związku z czym zmienia się również i struktura. Najsilniej nawęglona warstwa zewnętrzna o strukturze odpowiadającej stali nadeutektycznej składa się z cementytu siatkowego na tle perlitu. Pod nią występuje warstwa perlityczna. a następnie strefa perlityczno-ferrytyczna, przy czym im bliżej rdzenia tym więcej jest ferrytu, a mniej perlitu; struktura ta jest właściwa dla miękkiego rdzenia, tym więcej jest ferrytu, a mniej perlitu struktura ta jest właściwa dla miękkiego rdzenia. Maksymalna zawartość węgla w strefie zewnętrznej nie powinna przekraczać od 1-1,2%, aby uniknąć kruchości na skutek zbyt silnie rozwiniętej siatki cementytu. Nawęglanie w ośrodkach stałych - nawęglanie w proszkach stosuje się do otrzymywania warstw grubszych. Warstwy cienkie uzyskiwane są raczej na drodze nawęglania gazowego lub cyjanowania. Azotowaniem nazywamy proces powierzchniowego nasycenia stali lub żeliwa azotem. Rozróżnia się azotowanie utwardzające i antykorozyjne. Azotowanie utwardzające, stosowane jest do stali stopowych ma na celu podwyższanie powierzchniowych właściwości a głównie twardości, natomiast azotowanie antykorozyjne stosuje się zarówno do stali węglowych, jak i stopowych w celu powiększenia odporności na korozję. Węgloazotowaniem nazywamy proces równoczesnego nasycenia powierzeni elementów węglem i azotem w ośrodku wydzielającym atomy obu tych pierwiastków w celu podwyższenia twardości i odporności na ścinanie. Węgloazotowanie przeprowadza się w ośrodkach ciekłych i gazowych. Zawartość węgla i azotu w warstwie dyfuzyjnej zależy przede wszystkim od temperatury i czasu węgloazotowania. Temp. waha się w granicach 500-900°C. Im niższa jest temp. procesu, tym w większym stopniu następuje nasycenie stali azotem, przy mniejszym nasyceniu węglem. Mimo niskiej zawartości węgla osiąga się jednak wyższe twardości powierzchniowe niż przy nawęglaniu z uwagi na równoczesną obecność azotu. W miarę wzrostu temperatury węgloazotowania wzrasta intensywność nawęglania przy słabszym nasyceniu azotem. Węgloazotowanie w niskich temperaturach (540-570°C) stosowane dla polepszenia właściwości skrawających narzędzi ze stali szybkotnącej. Węgloazotowanie w wysokich temperaturach (900-9500 C) pozwala uzyskać warstwy o większej grubości (1,5-2 mm) z dużą zawartością węgla (1-1,2%) i małą zawartością azotu Stosuje się ono do stali konstrukcyjnych zamiast nawęglania (potem następuje |
hartowanie z odpuszczaniem). Wyróżnia się : węgloazotowanie kąpielowe, węgloazotowanie gazowe. Konstrukcyjne stale stopowe. Przez pojecie stali stopowych rozumie się stale stopowe do wyrobu części maszyn, urządzeń i konstrukcji pracujących w zwykłych warunkach, tzn. w temp. nie przekraczających 300 C i nie niższych od -40 C oraz w środowiskach nie oddziaływujących szkodliwie na te elementy. Stale konstrukcyjne powinny odznaczać się dostatecznymi właściwościami wytrzymałościowymi przy dobrych właściwościach plastycznych, aby elementy maszyn i urządzeń wykonane z tych stali mogły przenosić obciążenia zarówno o charakterze statycznym, jak i dynamicznym. Istotna jest wysoka granica plastyczności, gdyż elementy nie mogą się w czasie pracy odkształcać plastyczne, oraz temp. przejścia plastyczno - kruchego. Ponadto przy obciążeniach zmiennych stale te muszą mieć wysoką wytrzymałość zmęczeniową. W przypadku elementów podlegających ścieraniu muszą one wykazywać wysoką twardość powierzchniową i odporność na ścieranie. Podwyższenie właściwości mechanicznych stali stopowych jest wynikiem wpływu dodatków stopowych, który polega na: zwiększeniu hartowności stali; umocnieniu ferrytu przez rozpuszczenie w nim dodatków stopowych; rozdrobnieniu ziarna; opóźnieniu procesów odpuszczania wraz że wzrostem temperatury; wzroście stopnia dyspersji produktów przemiany chłodzenia austenitu. Wysoka efektywność wpływu dodatków stopowych na właściwości stali występuje dopiero po obróbce cieplnej, z tego względu stale stopowe stosuje się głównie w stanie obrobionym cieplnie. Do konstrukcji stali stopowych zalicza się następujące rodzaje stali: stale niskostopowe o podwyższonej wytrzymałości; stale do nawęglania; stale do ulepszania cieplnego; stale do azotowania; stale sprężynowe; stale na łożyska toczne. Stale i stopy narzędziowe służą do wykonywania narzędzi do kształtowania materiału zarówno na drodze obróbki skrawaniem, jak i przeróbki plastycznej oraz przyrządów pomiarowych. Warunki pracy poszczególnych rodzajów narzędzi zasadniczo różnią się miedzy sobą, co powoduje konieczność zastosowania dla każdego z nich materiałów o odpowiednich właściwościach. Podstawową charakterystykę stali narzędziowych stanowi ich skład chemiczny. Ponadto materiały narzędziowe powinny mieć następujące właściwości: wysoka twardość; dużą odporność na ścieranie; odpowiednią hartowność; dostateczną odporność na działanie wyższych temperatur. Za najistotniejszą właściwość materiałów narzędziowych należy uważać twardość i związaną z nią odporność na ścieranie. Wysoką twardość można uzyskać w przypadku stali o odpowiednio dużej zawartości węgla po hartowaniu w wodzie. Odporność na ściennie jest zasadniczo zależna od twardości stali; im jest wyższa, tym większa jest odporność na ścieranie Jednakże przy tej samej twardości odporność na ścieranie zależy od mikrostruktury. Narzędzia o strukturze martenzytu z wydzieleniami węglików są bardziej odporne na ścieranie ,niż narzędzia o czysto martenzytycznej strukturze. Szczególnie korzystnie wpływa w tym względzie obecność twardych węglików stopowych, chromu i wolframu zawierających mniej węgla niż cementyt. Krzem, utwardzając osnowę również zwiększa odporność na ścieranie, jednakże w stopniu znacznie mniejszym. Wytrzymałość i ciągliwość odgrywa również ważną rolę wśród właściwości stali narzędziowych. Dla narzędzi do skrawania z dużymi prędkościami oraz narzędzi do pracy na gorąco istotne znaczenie |
ma duża wytrzymałość i twardość w wyższych temperaturach co osiąga się przez wprowadzenie do stali znacznej ilości dodatków stopowych powodujących efekt twardości wtórnej. Zgodnie z naszymi normami klasyfikacja stali narzędziowych przedstawia się następująco: stal węglowa narzędziowa; stal narzędziowa do pracy na zimno, stal narzędziowa do pracy na gorąco, stal szybkotnąca. Osobną grupę wśród materiałów narzędziowych stanowią lane stopy narzędziowe oraz spiekane węgliki stosowane w bardzo trudnych warunkach pracy. Węglowe stale narzędziowe cechują się małą hartownością i małą skłonnością do rozrostu ziaren austenitu. Ich obróbka cieplna polega na hartowaniu z następnym niskim odpuszczaniem. Ponieważ narzędzia ze stali węglowej nie hartują się na wskroś i rdzeń ich pozostaje miękki, nie zahartowany, są one bardziej odporne na uderzenia niż narzędzia wykonane ze stali hartującej się na całym przekroju. Niebezpieczna temp.nagrzania powodująca stępienie ostrza= 180°C. Stale narzędziowe stopowe do pracy na zimno służą do wykonywania narzędzi do obróbki nie nagrzanych materiałów. Oczywiście zarówno narzędzia jak i obrabiany materiał mogą się nagrzewać w czasie pracy w wyniku tarcia. Stopowe stale narzędziowe mają większą w porównaniu ze stalami węglowymi hartowność. Mniejsza szybkość chłodzenia zmniejsza skłonność do pęknięć i odkształceń oraz paczenia się, co jest szczególnie ważne dla narzędzi o skomplikowanym kształcie. Temp. odpuszczania dobiera się w zależności od wymaganej twardości i ciągliwości. Stale narzędziowe stopowe do pracy na gorąco stosuje się do wytwarzania narzędzi do przeróbki plastycznej materiałów uprzednio nagrzewanych do wyższych temperatur. Z tego względu od stali narzędziowych do pracy na gorąco nie wymaga się zbyt dużej twardości i odporności na ścieranie. Natomiast muszą one wykazywać wysoką wytrzymałość i twardość w wyższych temperaturach, dobrą ciągliwość, stabilność struktury oraz odporność na zmęczenie cieplne prowadzące do pęknięć ogniowych. Stale narzędziowe do pracy na gorąco mają niską zawartość węgla (0,25-0,6%), a ponadto zawierają wolfram, molibden, wanad, chrom, a także niekiedy krzem i kobalt. Obróbka cieplna polega na hartowaniu z następnym odpuszczaniem. Stale szybkotnące są podstawowym materiałem na narzędzia skrawające, przy czym nazwa ich oznacza, ze narzędzia z nich wykonane nadają się do skrawania z dużymi szybkościami. Narzędzia te ulegają nagrzaniu w czasie pracy, przy czym im większe są parametry skrawania, a zwłaszcza szybkość skrawania, tym wyższa jest temperatura nagrzania ostrza. Z tego względu do materiałów przeznaczonych na narzędzia do pracy przy dużych szybkościach skrawania wymaga się dużej twardości nie tylko na zimno, ale też w podwyższonych temperaturach. Twardość stali szybkotnącej w temp. 500-600 C jest jeszcze dość wysoka. Stale szybkotnące zalicza się do stali ledeburytycznych, ponieważ w stanie odlanym ich struktura składa się z ziaren przemienionego austenitu oraz eutektyki podobnej do ledeburytu. Spiekane węgliki metali zaliczamy do stopów twardych mających zastosowanie jako materiał narzędziowy. W temp. 800-1000 0C zachowują duża twardość i odporność na ścieranie. Mają one strukturę złożoną z twardych węglików związanych osnową |
nieżelazną. Jako składniki węglikotwórcze należy wymienić przede wszystkim wolfram i tytan, a także tantal, molibden, bor, osnowę zaś stanowi kobalt lub nikiel. Z węglików spiekanych nie wyrabia się całych narzędzi, lecz tylko płytki lutowane na trzonki wykonane ze stali konstrukcyjnej lub narzędziowej. Węgliki spiekane są tak twarde, ze ich obróbka mechaniczna jest możliwa tylko przez szlifowanie, są one jednak bardzo kruche i łatwo wykruszają się przy wstrząsach, co zmniejsza trwałość narzędzi. Węgliki spiekane otrzymuje się metodami technologii spiekania. W tym celu proszki węglików miesza się ze środkiem wiążącym i następnie prasuje się w odpowiednich formach nadając w ten sposób wyrobom określony kształt Prasówki poddaje się następnie spiekaniu w temp, 1500-2000 0 C, w wyniku czego otrzymuje się spiek, w którym cząsteczki węglików związane są osnowa metaliczną. Miedź i jej stopy Miedź jest metalem o bardzo cennych właściwościach. ma ona barwę czerwoną jest metalem bardzo miękkim. o niskiej wytrzymałości na rozciąganie ale o bardzo dobrych właściwościach plastycznych. Miedź można umocnić tylko na drodze przeróbki plastycznej na zimno. Ze wzrostem stopnia zgniotu następuje podwyższenie właściwości wytrzymałościowych przy obniżeniu właściwości plastycznych. Miedź odznacza się dużym przewodnictwem cieplnym, oraz dużym przewodnictwem elektrycznym. Bardzo ważną właściwością miedzi jest stosunkowa odporność na korozję. Rozpuszczalnikiem miedzi jest kwas azotowy, w którym rozpuszcza się ona bardzo łatwo. Zastosowanie miedzi czystej technicznie zależy do celów elektrotechnicznych (max.0,1% zanieczyszczeń), blachy, szyny, pręty i drut używane na przewodniki prądu oraz części maszyn i urządzeń elektrycznych. Gatunki miedzi rafinowanej ogniowo o większym Stopniu zanieczyszczenia mają zastosowanie w przemyśle chemicznym oraz energetyce cieplnej w postaci zarówno przerobionej plastycznie. Jak również odlewów na części kondensatorów, wymienników ciepła. Coraz większe zastosowanie znajduje miedź w urządzeniach chłodniczych i urządzeniach do wytwarzania i transportu ciekłych gazów. Miedź znalazła zastosowanie do wytwarzania różnych stopów. Są one po stalach i stopach lekkich najbardziej rozpowszechnionymi stopami technicznymi. Można je podzielić na mosiądze i brązy. Mosiądze. Stopy miedzi z cynkiem, zwane mosiądzami, natężą do najbardziej rozpowszechnionych stopów miedzi, zarówno dzięki swoim dobrym właściwościom użytkowym i technologicznym jak również i ze względu na swoją niską w porównaniu z innymi stopami miedzi ceną. Zawartość cynku w praktycznie stosowanych mosiądzach nie przekracza 45%, gdyż stopy o większej zawartości cynku są kruche. W miarę zwiększania się zawartości cynku początkowo wzrasta zarówno wytrzymałość. Jak i wydłużenie mosiądzów; maksymalne wydłużenie (48-50%) osiąga mosiądz przy zawartości 30-32% Zn. Następnie przy dalszym wzroście zawartości cynku wydłużenie zmniejsza się na skutek pojawienia się w strukturze twardej i kruchej fazy β'. Wytrzymałość mosiądzów osiąga maksimum przy mniej więcej równym udziale w strukturze faz α i β', co odpowiada zawartości 44% Zn. Ze względu na technologię przeróbki dzieli się stopy mosiądzu na przerabiane plastycznie oraz mosiądze odlewnicze. Ważną cechą mosiądzów jest ich odporność na korozję atmosferyczną . |
Brązy cynowe poza miedzią i cyną zawierać mogą jeszcze cynk, ołów, fosfor i nikiel. Odgrywają one ważną rolę w technice, przede wszystkim jako odlewy, a także jako materiał przerobiony plastycznie. Specyficzne zastosowanie brązów cynowych to dzwony i wyroby artystyczne. Poważną przyczyną ograniczającą zastosowanie brązów jest ich wysoki koszt z uwagi na cynę która jest materiałem drogim i deficytowym. Zawartość cyny w technicznie stosowanych brązach przekracza zwykle 16-20%. Wzrost zawartości cyny powoduje wzrost twardości i wytrzymałości na rozciąganie, przy czym po osiągnięciu maksimum maleje w wyniku pojawienia się w strukturze fazy δ. Wydłużenie osiąga maksimum przy około 8% cyny, po czyni maleje. Z tego względu brązy o zawartości powyżej 16% cyny są rzadko stosowane, ze względu na kruchość Ze wzglądu na zastosowanie możemy wyróżnić również; brązy maszynowe, armaturowe i łożyskowe. Brązy aluminiowe są stopami miedzi i aluminium. Mają one najlepsze właściwości wytrzymałościowe spośród stopów miedzi oraz znacznie większą odporność na korozję. Poza tym brązy aluminiowe zachowują swoje właściwości mechaniczne w podwyższonych. a zwłaszcza w obniżonych temperaturach, oraz są lekkie, Z tego względu stosowane są szeroko w technice. Nadana się zarówno na odlewy, jak i na materiał przerabiany plastycznie. Właściwości mechaniczne brązów aluminiowych zalezą od zawartości aluminium. Wzrost zawartości aluminium powoduje podwyższenie właściwości wytrzymałościowych przy zmniejszeniu wydłużenia. Powyżej 9% Al następuje gwałtowne pogorszenie właściwości plastycznych i udarności. co powoduje, że brązy o zawartości powyżej 11% aluminium nie znajdują praktycznego zastosowania. Brązy krzemowe znajdują zastosowanie jako materiał zastępujący brązy cynowe, są tańsze, wykazują lepsze od innych właściwości mechaniczne oraz większa odporność na korozję. Zawierają 1-5% krzemu oraz dodatki manganu, cynku i żelaza. Wzrost zawartości krzemu podwyższa właściwości wytrzymałościowe brązów przy obniżaniu ich właściwości plastycznych. Brązy o zawartości powyżej 5% krzemu nie są stosowane z uwag] na kruchość. Dodatek manganu w ilości do 1.5% poprawia właściwości wytrzymałościowe brązów, zwiększa ich odporność na zużycie oraz korozję Korzystny jest dodatek niklu gdyż zwiększa odporność na ścieranie oraz wytrzymałość w podwyższonych temperaturach Brązy krzemowe stosowane aa w- przemyśle spożywczym, papierniczym chemicznym przemyśle materiałów wybuchowych i do wyrobu części maszyn. Brązy berylowe-stop miedzi z berylem(2-2,5%).Beryl jest składnikiem drogim i rzadkim co ogranicza zastosowanie tych stopów. Inne Stopy miedzi. Brązy manganowe 5-6% lub 12-15% manganu. Brązy ołowiowe do 40% ołowiu. Brązy kadmowe. Miedzionikel. Aluminium i jego stopy. Aluminium jest metalem barwy srebrzystej, bardzo miękkim i plastycznym. Ciężar właściwy aluminium wynosi tylko 26,5 kN/m3 . Jest to bardzo ważna właściwość, powodująca, że aluminium stosuje się wszędzie tam gdzie potrzebne są lekkie materiały konstrukcyjne. Aluminium odmian alotropowych nie ma. Wykazuje dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne. Aluminium jest odporne na działanie atmosferyczne- kwasów tlenowych a także suchych gazów Jak amoniak, chlor, |
dwutlenek węgla, dwutlenek siarki. Nie jest natomiast odporne na wodorotlenek sodowy, potasowy, wapniowy, kwasy beztlenowe oraz związki siarki. Ze względu na właściwości aluminium ma duże zastosowanie w przemyśle chemicznym do budowy aparatury, w przemyśle chemiczno - spożywczym i naczyniowym. Szerokie zastosowanie znajduje folia aluminiowa na opakowania środków spożywczych oraz do produkcji kondensatorów. Dzięki dobremu przewodnictwu elektrycznemu oraz izolacyjnemu charakterowi tlenku glinu znalazło aluminium szerokie zastosowanie w przemyśle elektrotechnicznym. Służy w wytopie stali jako odtleniacz. Niskie właściwości mechaniczne czystego aluminium ograniczają Jego zastosowanie Jako materiału konstrukcyjnego. Do najczęściej spotykanych składników w stopach aluminium należą: miedź, krzem. magnez mangan, cynk.. Większość dodatków stopowych tworzy twarde i kruche fazy międzymetaliczne bądź z aluminium, bądź też z innymi składnikami stopu. Praktycznie wiec biorąc, wszystkie stopy aluminium w stanie odlanym, mają ją miękką i plastyczną osnowę, która stanowią kryształy roztworu stałego dodatków stopowych w aluminium. Na ich granicy występują utwardzające dodatki stopowe w formie eutektyki lub wolnych faz międzymetalicznych Z uwagi na ich przeróbkę można je podzielić na: stopy odlewcze i stopy przerabiane plastycznie. Lekkie stopy odlewcze. Stopy odlewcze aluminium odlewa się do form piaskowych kokil lub pod ciśnieniem. Ich wytrzymałość na rozciąganie jest stosunkowo niewielka i waha się w granicach 130-330 MPa .przy wydłużeniu od 0,2 +10 % przy czym odlewy kokilowe mają zazwyczaj nieco wyższe właściwości mechaniczne niż odlewy w piasku. Do najbardziej rozpowszechnionych stopów odlewniczych aluminium należą siluminy -stopy aluminium z krzemem, zawierają one zwykle 11 -14% Si . Mają one mały skurcz odlewniczy i małą skłonność do pęknięć na gorąco. Ich właściwości mechaniczne są stosunkowo dobre , przy małej plastyczności. Na odlewy , od których nie wymaga się wysokich właściwości mechanicznych , można używać stopów aluminium z miedzią; o zawartości 4-13 % miedzi. Lekkie stopy przerabiane plastycznie. Wśród stopów aluminium przerabianych plastycznie można wyróżnić stopy o niższej wytrzymałości, przeważnie nie obrabiane cieplnie, oraz stopy o wyższej wytrzymałości w stanie obrobionym cieplnie. Do pierwszej grupy stopów należą stopy aluminiowe z manganem oraz magnezem. Alumen - około l % manganu. Podobnie jak czyste aluminium, ma on duża odporność na korozję i stosowany jest do wyrobu urządzeń transportowych, przemysłu chemicznego i spożywczego. Stopy aluminium z magnezem odznaczają się dobrą odpornością na korozję. zwłaszcza w wodzie morskiej. Zawierają one 0,5-5 % magnezu oraz mangan, wanad i chrom. Są one stosowane do wyrobu średnio obciążonych elementów konstrukcji okrętowych, lotniczych i pojazdów mechanicznych oraz urządzeń przemysłu spożywczego i chemicznego. Do stopów o wyższej wytrzymałości najeżą stopy duraluminium. Zawierają one trzy zasadnicze dodatki stopowe: 3-5,5% miedzi, 0,5-2% magnezu i do l % manganu. Wyroby spiekane. Technologia spiekania ma następujące zalety: otrzymane elementy mają dokładny kształt można otrzymać materiały o dużej czystości bez domieszek, wyroby spiekane są bardziej jednorodne , spiekanie pozwala otrzymać materiały kompozytowe metalowo ceramiczne. |
Technologia wyrobów spiekanych. Technologia części maszyn z proszków metali składa się z następujących zabiegów: przygotowanie proszków, prasowanie, spiekanie i obróbka wykańczająca. Podstawowymi surowcami do produkcji wyrobów spiekanych są zarówno proszki czystych metali, jak i proszki stopów metali. Mogą być one wytwarzane metodami mechanicznymi lub fizykochemicznymi. Właściwe prasowanie poprzedzają operacje przygotowawcze jak wyżarzanie, przesiewanie i mieszanie. Wyżarzanie proszków ma na celu zwiększenie ich plastyczności oraz usunięcia zjawiska zgniotu, w temperaturze 0,4-0,6 temp. topnienia proszku. Przesiewanie za pomocą odpowiedniego układu sit ma na celu rozdzielenie proszków na klasy o rożnej wielkości cząsteczek. Mieszanie proszków ma na celu wytworzenie jednorodnej mieszaniny. Przy prasowaniu proszku następuje zapełnienie luk pomiędzy cząstkami i uzyskuje się najbardziej zwane ułożenie cząsteczek. Dalsze zagęszczenie układu cząstek następuje w drodze ich odkształcenia. Spiekanie poleca na wygrzewaniu wyprasek w wysokich temperaturach, w czasie którego ze sprasowanego proszku otrzymuje się spiek: o właściwościach zbliżonych do właściwości litego materiału Spiekanie przeprowadza się w ochronnej atmosferze lub w próżni w celu zabezpieczenia materiału przed utlenieniem. Temperatura spiekania jest niższa od temperatury topnienia najłatwiej topliwego składnika. Na przebieg spiekania i właściwości wyrobów spiekanych mają wpływ: granulacja wyjściowych proszków, ciśnienie prasowania, temperatura spiekana, czas spiekania, atmosfera spiekania. Materiały i wyroby Spiekane. Do wyrobów spiekanych zaliczamy: spieki porowate, materiały elektrotechniczne materiały o specjalnych właściwościach magnetycznych, materiały konstrukcyjne, spieki metali trudno topliwych, spieki narzędziowe. Spieki porowate. Spiekane materiały porowate znajdują zastosowanie do wyrobu łożysk ślizgowych, filtrów, katalizatorów, podkładek oraz elementów o dużym współczynniku tarcia. Materiały elektrotechniczne. Z materiałów spiekanych produkuje się styki elektryczne, które powinny mieć wysokie przewodnictwo elektryczne i cieplne . wysoką temperaturę topnienia i odporność na korozję, wysoką wytrzymałość mechaniczną oraz odporność na działanie elektroerozyjne. Materiały o specjalnych właściwościach magnetycznych. Na drodze spiekania otrzymuje się głównie materiały magnetycznie trwałe (magnesy trwałe). Właściwości spiekanych magnesów są lepsze niż magnesów odlewowych, są one mniej kruche i łatwiejsze w obróbce mechanicznej. Materiały konstrukcyjne. Z elementów wykonanych aa drodze spiekania można wymienić koło zębate, pierścienie tłokowe, łopatki kompresorów, kołpaczki, trójniki, koła wychwytowe. Dla uzyskania wymaganych właściwości elementy te można poddawać; różnym rodzajom obróbki cieplnej i cieplno chemicznej. Bardzo ważną dziedziną zastosowania technologii spiekania jest otrzymanie materiałów umocnionych włóknami. Umocnienie metali włóknami prowadzi do otrzymania materiału o szczególnie wysokiej granicy plastyczności oraz odporności na kruche pękanie. Spiekanie metali trudno topliwych. Technologia spiekania odgrywa istotną rolę w otrzymywaniu i dalszej przeróbce takich metali jak wolfram, molibden, tantal, niob i cyrkon. Metale te mają ważne znaczenie we współczesnej technice a zwłaszcza technice atomowej i rakietowej. Ze względu na wysokie temperatury topnienia otrzymuje się je w postaci proszku i dopiero następnie podlegają one dalszej obróbce. Na drodze prasowania i spiekania. |
|
Wyszukiwarka