Podział materiałów o znaczeniu technicznym:
- materiał naturalne – wymagają tylko nadania kształtu do
zastosowania
- materiały inżynierskie nie występujące w naturze lecz
wymagają zastosowania procesów wytwórczych do ich
zastosowania tj. metale i ich stopy, polimery, materiały
ceramiczne i materiały złożone wytwarzane sztucznie
(kompozyty)
Podział materiałów stosowanych w technice:
I.
- w stanie stałym: metale i ich stopy, materiały
niemetaliczne, materiały kompozytowe złożone z metali i
niemetali, półprzewodniki
- w stanie ciekłym
- w stanie gazowym
- w stanie plazmy
II.
- konstrukcyjne – stosowane do budowy urządzeń
zwielokrotniających siłę ludzkich mięśni
- funkcjonalne – stosowane do budowy urządzeń
zwielokrotniających działanie ludzkiego umysłu
Metale i stopy charakteryzują się dużą:
- sztywnością
- ciągliwością
- odporność na obciążenia dynamiczne
- dobrym przewodnictwem elektrycznym i cieplnym
- połyskiem metalicznym
-- małą odporność chemiczna i łatwość korozji
Materiały ceramiczne:
- ceramika inżynierska
- cermetale
- ceramika porowata
- szkło
- ceramika szklana
Produkcja ceramiki:
- surowce naturalne: gliny, skalanie, kwarc, kaolin
- surowce otrzymywane syntetyczne: krzemiany, krzemiki,
węgliki, siarczki, borki

Materiały ceramiczne:
Ceramika naturalna: Skały i minerały
Ceramika przetworzona: ceramiki klasyczne oparte na
surowych

naturalnych,

ceramiki

konstrukcyjne

o

szczególnych właściwościach, spoiwa budowlane, szkła,
ceramiki węglowe
Składniki materiałów ceramicznych to tlenki: aluminium,
krzemu, magnezu, węglik krzemu, azotek krzemu
Cechy charakterystyczne materiałów ceramicznych:
- (wysoka): temperatura topnienia, twardość, trwałość
chemiczna, wytrzymałość na ściskanie, odporność
ogniowej, trwałość termiczna, odporność na erozję w
wysokich temperaturach, kruchliwość, mrozoodporność,
odporność na korozję, budowa krystaliczna
- (niska):masa właściwa, wytrzymałość na rozciąganie,
wytrzymałość na zginanie, wytrzymałość udarnościowa,
przewodność

cieplna,

przewodność

elektryczna,

rozszerzalność cieplna, nasiąkliwość
Polimery: tworzywa sztuczne lub plastiki to materiały
organiczne złożone ze związków węgla. Makrocząsteczki i
powstają

w

wyniku

połączenia

wiązaniami

kowalencyjnymi w łańcuchy wielu grup atomów zwanych
monomerami jednego lub kilku składników.
Materiały kompozytowe: materiały kompozytowe to
połączenie

dwóch

lub

więcej

odrębnych

i

nierozpuszczających się w sobie faz, z których każda
odpowiada

innemu

podstawowemu

materiałowi

inżynierskiemu zapewniającymi lepszy zespół własności i
cech strukturalnych od właściwych dla każdego z
materiałów składowych oddzielnie.
Kompozyty zbudowane są z następujących składników:
- osnowa lub lepiszcze (jest to faza, w której rozłożone są
składniki wzmacniające)
- wzmocnienia (wprowadzenie pod różną postacią jako
wysokowytrzymały materiał zbrojeniowy)
Osnowa – to materiał plastyczny lub twardy spełniający
zadania:
- przenoszenie zewnętrznych naprężeń

- decydowanie o właściwościach cieplnych i chemicznych
kompozytu
- utrzymanie wzmocnienia w określonym składzie
- wypełnienie objętości i nadawanie wymaganego kształtu
wyrobom
Materiały kompozytowa dzielą się na:
- osnowę metalową
- polimerową
- ceramiczną
Własności mechaniczne materiałów:
- moduł sprężystości
- granica plastyczności
- wytrzymałość na rozciąganie
- odporność na pękanie
- twardość
- ciągliwość
Zachowanie się pod wpływem obciążeń:
- dynamicznych
- wytrzymałością zmęczeniową
- wysokich temperatur


W zależności od pochodzenia żelaza wyróżnia się:
- huty o pełnym cyklu produkcyjnym (huty zintegrowane)
gdzie żelazo pochodzi głównie z rudy
- żelazo w rudzi występuje w postaci tlenków (redukcja
tlenków do metalicznego żelaza)
- redukcja tlenków do metalicznego żelaza realizowana jest
przy użyciu węgla w piecu szybowym
Surówka – produkt wielkiego pieca, zawiera więcej węgla
niż stali
- utlenianie węgla znajdującego się w surówce –
konwektor – tlen łączy się z węglem i P, Si, Mn, Fe
Wsad do wielkiego pieca:
- ruda żelaza w postaci spieku, grudek lub brykietu
- topniki
- koks

Skład rud żelaza:
- tlenki żelaza
- skała płonna(składnik niepożądany)
Najważniejsze rudy żelaza:
- magnetyt 50 – 70% Fe
- hematyt 40 – 60% Fe
- limonit (żelaźniak brunatny) 30 – 45 % Fe
Topniki: materiały, których zadaniem jest utworzeniem z
tymi składnikami łatwo topliwych żużli
- Ilość dodawanych topników: 25% i więcej masy rudy
- Żużel: powstaje w procesie wytwarzania surówki i stali.
Skład: skała płonna, topnik i popiół z koksu oraz węgla
Zadanie żużla:
- powoduje, że wysokotopliwe tlenki zanieczyszczeń stają
się ciekłe i oddzielają się od ciekłego metalu
- jest materiałem, z którym zanieczyszczenia łączą się
chętniej niż z ciekłym metalem
Sieć regularno-centrowana: większość znanych metali,
glin, nikiel, miedź, srebro, złoto – dobra plastyczność
Sieć przestrzennie centrowana: molibden i wolfram
Sieć tetragonalna: cyna biała: niska temperatura
krzepnięcia i mała wytrzymałość
Koks – paliwo i czynnik redukujący umożliwiający
redukcję rud żelaza do metalicznego żelaza
Skład chemiczny surówki: C – 4,5 – 4,7; Si – 0,3 – 0,8; S –
0,02 – 0,06; P – 0,06 – 0,08; Mn – 0,3 – 0,8
Zanieczyszczenia surówki ciekłej: węgiel i siarka z
koksu, mangan, krzem i fosfor z rudy
Konwektor tlenowy – konieczność zmniejszenia ilości
węgla i zanieczyszczeń
Kolejność operacji podczas wytopienia stali w
konwektorze: ładowanie złomu, wlewanie surówki,
proces, pobieranie próbki, spust, spust żużla

Wykres fazowy żelazo – węgiel
% C i temperatura dla punktów wykresy fazowego
Fe3C

A

B

C

D

E

G

H

J

N

P

S

Q

0

0,5
3

4,3

6,6
7

2,1
4

0

0,0
9

0,1
6

0

0,02
2

0,7
6

10^
8

153
8

149
3

114
7

125
2

114
7

91
2

149
3

149
3

149
4

727

72
7

20

Dwuskładnikowe wykresy fazowe pozwalają określić
tworzące się w stopach mikrostruktury oraz zachodzące
zmiany mikrostruktur pod wpływem zmian temperatury
oraz składu. Wykresy fazowe dotyczą warunków
równowagi fazowej.
Linia likwidusu – ABCD
Linia solidusu – AHJECF
Austenit – jest to międzywęzłowy roztwór stały węgla w
żelazie Fe-γ. Rozpuszczalność węgla w Fe-γ jest znacznie
większa niż w Fe-α: zmienia się z temperaturą wzdłuż linii
SE. Przy temperaturze eutektoidalnej wynosi 0,77%. Przy
temperaturze eutektycznej 2.11%.

ledeburyt - mieszanina austenitu z cementytem
powstająca z cieczy o składzie eutektycznym (4,3%C)
przy temperaturze 1148 °C. Bezpośrednio po
utworzeniu zawiera 48% cementytu i 52% austenitu o
składzie 2,11%C. W trakcie chłodzenia w zakresie
temperatur

1148÷727

°C

z

austenitu

ledeburytycznego wydziela się cementyt. Powoduje to
obniżenie zawartości austenitu w mieszaninie i
zubożenie go w węgiel.
ledeburyt przemieniony - austenit ledeburytyczny o
składzie 0,77%C ulega przemianie euktektoidalnej. Z
tego powodu ledeburyt przemieniony jest to
mieszanina perlitu i cementytu. Podczas chłodzenia
ledeburyt jest stabilny do temperatury 727 °C, poniżej
której rozpada się austenit. Ledeburyt przechodzi
wtedy

w

ledeburyt

przemieniony.

Pierwotnie

występujący w niej cementyt, zachowuje swą postać,
a austenit przemienia się na mieszaninę ferrytu i
cementytu.
perlit – płytkowe skupienia ferrytu i cementytu
powstałe przez rozpad eutektoidalnych austenitu.

Składnikstopów żelaza,
mieszanina ferrytu i cementytu powstająca austenitu
w wyniku przemiany eutektoidalnej w temperaturze
727 °C; zawierająca 0,77% węgla. Poprzez przemianę
eutektoidalną

będziemy

rozumieć

odwracalną

przemianę austenitu w perlit (ferryt i cementyt)
zachodzącą w stałej temperaturze.

Przyczyny stosowania stopów żelaza:
- skorupa ziemska ma 4,2% żelaza głównie w postaci
tlenków, z których łatwo można uzyskać Fe
- temperatura topnienia żelaza 1538C umożliwia jego
otrzymywanie w stanie ciekłym
- dyfuzja przy temperaturze otoczenia nie jest możliwa
- w żelazie występują dwie przemiany fazowe w stanie
stałym (co umożliwia tworzenie szerokiego zakresu
temperatur) daje to duży zakres zmienności własności
mechanicznej
- ponad 90% materiałów metalicznych stosowanych przez
człowieka stanowią stopy żelaza
Podział stopów żelaza: stale do 2,11% C, żeliwa od 2,11 –
3,8% C
Stal to stop żelaza z węglem przerobiony plastycznie i
technicznie.
Podział pierwiastków występujących w stalach:
- konieczne ze względów metalurgicznych jak: mangan,
krzem, aluminium
- zanieczyszczenia: siarka, fosfor, tlen, azot, wodór
- wprowadzone celowo dla nadania właściwości: mangan,
krzem, nikiel, cheom, molibden, wolfram, wandat, miedź

W zależności od stopnia odtlenienia wyróżnia się stal:
- stal nieuspokojona: (jest odtleniona tylko w takim
stopniu, aby reakcja wydzielania CO rozpoczęła się
dopiero z chwilą wlania stali do wlewnicy) – występuje
silna segregacja siarki, fosforu i węgla (skurcz pęcherze)
- stal półuspokojona (jest też odtleniona niezupełnie) –
odtlenienie odbywa się przy użyciu Mn i z niewielką
ilością Si oraz Al.
- stal uspokojona (jest odtleniona w takim stopniu aby
podczas krzepnięcia nie zachodziło wydzielanie gazów) –
odtlenianie przeprowadza się przy użyciu Mn, Si oraz Al.
Zanieczyszczenia stali: siarka, fosfor, tlen, azot, wodór
Siarka: dostaje się do stali z koksu i rudy, górna granica
zawartości siarki w stali 0,05%, siarka może być dodawana
celowo w ilości do 0,35% do stali przeznaczonych do
obróbki skrawaniem na automatach.
Tlen: występuje w stali w postaci wtrąceń tlenkowych.
(rozpuszczalność w stali w stanie stałym jest bardzo mała)
–

jest

zanieczyszczeniem

szkodliwym

(obniżają

ciągliwości i udarności stali)
Azot – dostaje się do stali z otoczenia – powietrza (w
postaci wydzieleń lub może być rozpuszczony w żelazie) –
niepożądany, powoduje starzenie po zgniocie, obniża
ciągliwość i udarność
Wodór – bardzo szkodliwym zanieczyszczeniem stali
(dostaje się z pary wodnej znajdującej się w atmosferze
pieca) – powoduje tworzenie się mikropęknięć i kruchość
stali.
Podział stopów:
Stop żelaza, stop metali nieżelaznych
Stal jest produkowana w postaci: lana, kuta, walcowana,
prasowana, ciągniona
Można

uzyskać

w

stanie:

ujednorodnionym,

normalizowanym, hartowanym, ulepszonym cieplnie
Składniki pogarszające kowalność i spawalność stali
występujące w postaci roztworów stałych: krzem, miedź,
krzem, kobalt, wolfram, molibden.

Składniki stopowe mogą spowodować: przesunięcie na
wykresie żelazo-cementyt położenie punktu eutektycznego
i eutektoidalnego w kierunku zmniejszonej zawartości
węgla.
Podział stali:
- skład chemiczny: niestopowa (węglowa) i stopowa;
- jakość: uwzględniając zawartość S i P
- podstawowe zastosowanie: konstrukcyjna, maszynowa,
narzędziowa, o szczególnych właściwościach
- sposób wytwarzania: konwertorowa, elektryczna
- strukturalna: ferrytyczna, austenityczna, ferrytyczno-
austenityczna, martenzytowi
Dla celów obróbki cieplnej znaczenie ma:
- wpływ dodatków stopowych na położenie punktów
przemian alotropowej
- eutektoidalnej przemiany
- na położenie przemian przechłodzonego austenitu
- na zmniejszenie szybkości krytycznej hartowania
Wprowadzenie do stali większej ilości niektórych
składników

stopowych

umożliwia

uzyskanie

w

temperaturze

otoczenia

struktury

austenitycznej

(odporność stali na korozję)
Węgiel: nie jest pierwiastkiem stopowym ale jego
obecność jest istotna ze wzrostem zawartości węgla
wzrasta wytrzymałość i twardość, natomiast spada
plastyczność i spawalność
- wytrzymałość: twardość martenzytu w stalach zależy
głównie od zawartości węgla
- węgiel zwiększa hartowność stali
Krzem: w ilościach do 0,4% jest stosowany jako
odtleniacz, natomiast dodawany w ilościach 0,5 – 1% dla
umocnienia

ferrytu

(pozostaje

w

stali

wskutek

niezupełnego świeżenia surówki)
- wpływa na własności mechaniczne stali:
Zwiększa wytrzymałość na rozciąganie, twardość,
sprężystość

-wprowadzenie większej ilości krzemu do stali powoduje
znaczne zmniejszenie plastyczności stali i odporności na
uderzenie
-dodawany w większych ilościach np. 0,5-4,5% w celu
zwiększenie

oporu

elektrycznego

oraz

poprawia

żaroodporność stali
Mangan dodawany w małych ilościach (do 0,8%) w celu
odtlenienia stali (odsiarczenia) oraz dla związania siarki w
MnS (zapobiega w ten sposób kruchość stali na gorąco)
-dodawany do stali w postaci żelazomanganu w ilościach
(1,0 – 1,5%) Mn dla umocnienia stali poprzez roztwór
(zmniejszenia wielkości ziarna ferrytu w blachach
walcowych) na gorąco.
- zwiększa wytrzymałość na rozciąganie, twardość i
udarność.
Nikiel: w małych ilościach (0,5 – 1%) powoduje
umocnienie

stali

poprzez

roztwór oraz zwiększa

hartowność
-dodawany w ilościach 3-9% w celu obniżenia temperatury
przejścia stali w stan kruchy
- większe ilości > 8% są dodawane dla stabilności
austenitu w stalach nierdzewnych i żaroodpornych
Chrom: w ilościach 0,2 – 2,5% ma na celu zwiększenie
hartowności
- duże ilości > 11,5% zapewniają stali odporność na
korozję oraz utlenianie
-

chrom

jest

podstawowym

pierwiastkiem

stali

nierdzewnych i żaroodpornych
Molibden: w ilościach do 2,5% ma na celu zwiększenie
hartowności oraz wywołanie twardości wtórnej

Wolfram: dodawany głównie w celu utworzenia węglików
M6C, zapewniając stali dobrą odporność na ścieranie
Wandad: dodawany w ilościach do 0,2% w celu
zwiększenia

hartowności

oraz

umocnienia

wydzieleniowego stali (większe ilości zwiększają
odporność stali na ścieranie)

Miedź: (0,2-0,5%) poprawia odporność stali na korozję
atmosferyczną
Stal – to plastycznie i cieplnie obrabiany stop żelaza z
węglem i innymi pierwiastkami wprowadzonymi w celu
uzyskania żadanych właściwości. Stal otrzymywanaa jest
w procesach stalowniczych najczęściej konwertorowych
lub elektrycznych ze stanu ciekłego. Stal jest jak zawieraja
masowo najwięcej żelaza, więgla mniej niż 2% i inne
pierwiastki. Jak jest mniej więgla niż 0,05% to żelazo
techniczne.
Podział stali wg polskiej normy:
- stal węgla konstrukcyjna: zwykłej jakości, wyższej
jakości; stal konstrukcyjna: stopowa do nawęglania, do
azotowania, stopowa do ulepszania cieplnego; stale:
sprężynowe resorowe, na łożyska toczne, automatowe
Stale węglowe konstrukcyjne zwykłej jakości – normy:
własności wytrzymałościowe i skład chemiczny. Symbol
St i numer, który określa nr kolejnej stali.
Stale węglowe konstrukcyjne wyższej jakości – normy:
skład chemiczny i własności mechaniczne. Znak: licza
dwucyfrowa określająca zawartość węgla w setnych
procentach, odmiana stali na końcu: G – mangan, X –
nieuspokojona, Y – półuspokojona, U – z wymaganym
badaniem udarności. Mniej w nich siarki i fosforu niż w
zwykłej stali. Elementy wykonane z tej stali podlegają
obróbce cieplnej.
<2% poddaje się nawęglaniu, hartowanie i odpuszczanie
>2% ulepszanie cieplne, hartowanie i odpuszczanie
Stale konstrukcyjne stopowe – fosfor i siarka <0,035%
Liczba dwucyfrowa – oznacza zawartość węgla w stali w
setnych częściach procenta i symbol literowy – składniki
stopowe. H – chrom, F –wanad, G – mangan, M –
molibden, W – wolfram, J – aluminium, N – nikiel, S –
krzem, T – tytan
Stale konstrukcyjne stopowe do nawęglania – max. Węgla
0,23%. Skłądniki stopowe – mangan, molibden, wolfram,
wanad. Rozrostowi ziarna zapobiega chrom – wszystkie
stale do nawęglania, Lepsze własności wytrzymałościowe

niż stale węglowe. W Polsce najczęściej stosowane to:
chromowe, ch-mang., ch-mang-molibd, ch-ni. Obróbka: po
nawęglaniu temp. 900-920 st. C normalizowanie rdzenia,
hartowanie

warstwy

nawęglowanej

i

odprężenie

(odpuszczenie niskie). Stosuje się podwójne hartowanie i
odprężanie.
Stale konstrukcyjne stopowe do azotowania – zawiera
węgiel w ilości 0,25 – 0,45% oraz składniki stopowe, które
wiąża się z azotem tworząc bardzo twarde azotki. (gałki
układu

kierowniczego

samochodu)

Składniki

azototwórcze: ch, molibd,aluminium, wanad, tytan.
Azotowanie jest poprzedzone hartowanie i wysokim
odpuszczaniem stali w celu podwyższenia własności
wytrzymałościowych rdzenia. Azotowanie nadaje duś
twardość tylko warstwy zewnętrznej.
Stale stopowe konstrukcyjne do ulepszania cieplnego –
0,2 -0,5% węgla i w niewielkim stopniu mang, krzem,
chrom i nikiel. Obróbka cieplna tych stali polega na
hartowaniu i odpuszczaniu w temp. 600 st. C co poprawia
własności mechaniczne i zachowanie dobrej odporności na
uderzenie. Stale: manganowe, krzem – mang, chrom –
molibden, chrom – molibden – wanad, chrom – nikiel,
chrom – mangan – krzem. Zmniejszona udarność czyli
kruchość w niższej temperaturze jest spowodowane
przemianą austenitu szczątkowego w martenzyt.
Kruchość

podczas

procesu

odpuszczania

–

spowodowana wydzielaniem się na granicy ziaren różnych
faz i związków chemicznych, które ułatwiają pękanie stali
przy uderzeniu. Stale stopowe odznaczają się lepszymi
własnościami mechanicznymi oraz mniejszą szybkością
krytyczną

hartowności, co powoduje wzrost ich

hartowności w porównaniu ze stalami węglowymi.
Stale sprężynowe (resorowe) – dobra sprężystość i
wytrzymałość na zmęczenie i obciążenia stałe i własności
plastyczne. Hartowanie i odpuszczanie w temp. 350 – 500.
Gatunki: węglowa: na resory pojazdów mało obciążonych,
stal krzemowa, stal chromowo – krzemowa 0,5% węgla,
chrm krzemu po ok. 1% do sprężyn i resorów wysoko

obciążonych, stal chromowo – wanadowa: 0,5% węgla
pona 1% chromu i 0,15% wanadu – bardzo obciążone.
Stal na łożyska toczne – 1% węgla i chrmu ok. 0,5 –
1,65%. Wytrzymałość i odporność na ścieranie.