Materiałoznawstwo
Dr. Grzegorz Nowak
Materiałoznawstwo
Dr. Grzegorz Nowak
Plan wykładu
• rodzaje materiałów
• wybrane właściwości materiałów
• metale (stopy)
– żelazo i stal
– obróbka cieplna
– metale nieżelzne
• polimery
• ceramiki i szkła
• metody formowania materiałów
• półprzewodniki
Plan zajęć
14.02
wstęp, rodzaje i struktura
materiałów
28.03
metale polimery
28.02
własności materiałów
18.04
materiały ceramiczne i szkła
14.03
wykresy fazowe
09.05
obróbka i formowanie
materiałów
12.05
metale i ich stopy
06.06
materiały półprzewodnikowe
literatura
• Wstęp do inżynierii materiałowej M.Blicharski WNT
• Materiały inzynierskie MF.Ashby, DR.Jones WNT
• Inżynieria materiałowa MW.Grabski, JA.Kozubowski
• Britney's Guide to Semiconductor Physics:
http://britneyspears.ac/lasers.htm
Inżynieria materiałowa
• Jest to nauka o materiałach z inżynierskiego
punktu widzenia
• Chemia i fizyka zajmują się opisem
własności materiałów
• Inżynieria materiałowa kształtuje własności
materiałów zgodnie z zapotrzebowaniem
Rodzaje materiałów
• metale
• ceramiki
• polimery
• kompozyty
metale
• spośród 103 znanych pierwiastków 80 jest
metalami
• zwykle używa się stopów metali
• najpopularniejsze są stopy żelaza,
aluminium, miedzi
• duża wytrzymałość, łatwa obróbka
Materiały ceramiczne
• materiał wyjściowy: proszek + lepiszcze
• wymaga spiekania, czasem pod ciśnieniem
• typowe przykłady: cegła, porcelana, SiC
(karborund), widia (węglik wolframu)
• twarde, kruche, odporne na temperaturę,
trudne w obróbce
polimery
• Tworzywa sztuczne, materiały
wielkocząsteczkowe
• Zbudowane z długich łańcuchów
pojedynczych cząstek
• Łatwe w formowaniu, odporne na korozje
• Niska sztywność, wrażliwe na temperaturę
kompozyty
• Składają się z 2 (lub więcej) materiałów o
różnych własnościach
• Własności kompozytu są lepsze niż każdego
składnika osobno
• Przykłady:
– Sklejka
– Beton, żelbeton
– Włókna szklane + żywica
Inne materiały
• Półprzewodniki
– Si, Ge, GaAs, GaN, GaP, In
• Materiały naturalne
– skóra, wełna, wiklina, kość (słoniowa)
• nanomateriały
Zakres stosowalności materiału
• Polimery stosujemy
gdy nie występują
duże obciążenia
• Metale stosujemy gdy
występują duże
obciążenia
• Ceramiki są najlepsze
w wysokich
temperaturach
• Własności materiału,
jego struktura i proces
wytwarzania są
wzajemnie powiązane
Mikrostruktura materiałów
• Wszystkie substancje składają się z atomów
• Istnieje kilka typów wiązań pomiędzy
atomami
• W wyniku oddziaływań międzyatomowych
powstają struktury wyższego rzędu
Tabela Mendelejewa
Rodzaje wiązań
międzyatomowych
• Kowalencyjne
• Jonowe
• Metaliczne
• Van der Waalsa (wtórne)
• wodorowe
Wiązania kowalencyjne
• Dwa elektrony
pochodzące z
sąsiednich atomów
tworzą parę
• Jest to podstawowy
typ wiązania
• Wiązanie jest mocne i
ma kierunek
Wiązanie jonowe
• W związku chemicznym
elektron przechodzi z
jednego atomu na drugi
• Tworzą się kationy o
ładunku dodatnim i aniony
o ładunku ujemnym
• Jony przyciągają się
elektrostatycznie tworząc
wiązanie
• Tworzą się twarde
kryształy
Wiązanie metaliczne
• Atomy metalu oddają elektrony stając się
kationami
• Swobodne elektrony tworzą gaz
elektronowy który wiąże ze sobą kationy
• Wiązanie nie ma określonego kierunku
• Metale są dobrymi przewodnikami prądu i
ciepła
Energia wiązań
wiązanie
Energia wiązania [kJ/mol]
Jonowe
600-1550
Kowalencyjne
500-1250
Metaliczne
100-850
Van der Waalsa
40
wodorowe
20
Dominujące typy wiązań w
różnych materiałach
• W metalach dominuje
oczywiście wiązanie
metaliczne
• W ceramikach,
półprzewodnikach i
szkłach dominuje
oddziaływanie
kowalencyjne
• W polimerach istotne są
wiązania kowalencyjne i
van der Waalsa
Przemiany fazowe
• Pod wpływem warunków zewnętrznych
atomy (cząstki) przyjmują stabilną
konfigurację – tzw. fazę
• Dla układów jednoskładnikowych
występują zwykle trzy fazy
• Dla układów wieloskładnikowych układ faz
może być bardzo skomplikowany
Wykres fazowy układu
jednoskładnikowego
• Poniżej pewnej
temperatury faza
ciekła nie istnieje
• Powyżej określonej
temperatury nie
istnieje faza stała
• Faza ciekła istnieje
tylko powyżej
określonej
temperatury
Wykres fazowy dla wody
• W warunkach
wysokiego ciśnienia
lód może występować
w wielu postaciach
Wykres fazowy dla układu
dwóch składników
• Można określić między
innymi:
– Temperaturę topnienia
– Zakresy rozpuszczalności
– Ilość faz
• Znając wykres fazowy i
historię układu można
zgadnąć strukturę
materiału
Wykres fazowy dla układu Cu-Sn
(brąz)
Struktura materiałów
• Wiele materiałów ma strukturę
(mikro)krystaliczną
• Własności materiału zależą od rodzaju
kryształu oraz od defektów struktury
krystalicznej takich jak:
– Domieszki
– Dyslokacje
– Granice ziaren
kryształy
• Kryształ jest zbudowany z regularnie
powtarzających się atomów (cząstek)
• Metale i ceramiki mają strukturę
mikrokrystaliczną
• Duże kryształy są wykorzystywane w technice
półprzewodnikowej
• Diament jest kryształem
Kryształy cd
• Typowymi kryształami
są cukier, sól, lód
• Własności
(mikro)kryształu bardzo
mocno zależą od
zawartych w nim
defektów
Typy struktur
krystalograficznych
Typy defektów kryształów
• Defekty punktowe
• Dyslokacje
• Granice ziaren
Defekty punktowe
• Domieszki
• Atomy
międzywęzłowe
• Wakansje (luki)
Defekty liniowe - dyslokacje
• Dwa podstawowe typy
dyslokacji: krawędziowe i
śrubowe
• Dyslokacja krawędziowa
to brak jednej
półpłaszczyzny w
krysztale
• Dyslokacja śrubowa to
przesunięcie jednej
półpłaszczyzny w
krysztale
Dyslokacje cd
• Przykład dyslokacji
krawędziowej
Granice ziaren
• Granice pomiędzy
krystalitami tworzą
granice ziaren
Defekty w kryształach
• Idealny kryształ jest (powinien być) twardy
• Obecność dyslokacji powoduje że materiał
staje się plastyczny
• Manipulując defektami można zmieniać
utwardzać materiał (hartowanie, kucie) bądź
go uplastyczniać (odpuszczanie)
Defekty w kryształach cd
• Domieszki decydują o własnościach
półprzewodników
• Własności ceramik są zdeterminowane
przez granice ziaren
• Własności plastyczne metali zależą od
dyslokacji
Istotne parametry materiału
• Gęstość
• Mechaniczne
– sprężystość
– odkształcania
– twardość
– udarność
– zmęczenie
– pełzanie
• Magnetyczne
– diamagnetyki,paramag
netyki, ferromagnetyki
• Elektryczne
– izolatory, przewodniki
• Cieplne
• Optyczne
Ale najważniejszym parametrem jest cena
Odkształcenie pod wpływem
naprężeń
Próba zerwania
Mierzymy siłę w funkcji
wydłużenia
Odkształcenie pod wpływem
naprężeń
• Przy małych naprężeniach
materiał odkształca się
elastycznie. Jest to proces
odwracalny.
• Przy dużym naprężeniu
materiał odkształca się
plastycznie. Ulega trwałemu
odkształceniu. Jest to proces
nieodwracalny.
• Przy dużym odkształceniu
następuje zerwanie. Przedmiot
ulega zniszczeniu.
Odkształcenia sprężyste
• W zakresie odkształceń sprężystych odkształcenie
następuje na skutek zmiany odległości pomiędzy
atomami – bez generacji defektów
• Odkształcenie jest proporcjonalne do naprężenia
(prawo Hooke’a)
= E
gdzie E – moduł Younga (współczynnik
sprężystości)
Moduły Young’a wybranych
metali
Zmęczenie materiału
• Na skutek wielokrotnych
odkształceń powstają
defekty (pęknięcia)
• Występuje w zakresie
odkształceń sprężystych
• Jest podstawową
przyczyną zniszczeń
urządzeń mechanicznych
Przykład układu do badań
zmęczeniowych
Zmęczenie - dygresja
• Badania zmęczeniowe są
przykładem badań
niezawodnościowych
(określanie czasu życia)
• Określenie czasu życia
jest niezbędne dla
wszystkich urządzeń
technicznych
• Często stosuje się testy
akcelerowane
(przyspieszone)
• Czas życia obiektu mierzy
się przy wyższych
naprężeniach
(temperaturze etc) niż
wymagane w czasie
eksploatacji
• Uzyskane wyniki
ekstrapoluje się do
normalnych warunków
pracy
Zmęczenie - dygresja
• Ilość cykli do
zniszczenia zależy od
naprężenia
twardość
• Pomiar twardości
polega na wciskaniu
wgłebnika w badany
materiał i pomiarze
wielkości odcisku
• Istnieje wiele
znormalizowanych
metod pomiaru
twardości
• Pomiar twardości jest
niezbędny w trakcie
obróbki termicznej
metali (hartowanie i
odpuszczanie)
Metody pomiaru twardości
gęstość
Gęstość to stosunek masy do objętości
d = m / V
Zwykle wyraża się w gramach na centymetr
sześcienny [g / cm
-3
]
Masę mierzy się przy pomocy wagi, objętość
można zmierzyć np. metodą Archimedesa
Gęstość – materiały porowate
• Pory dzielą się na zamknięte i otwarte
• Najdokładniej objętość porów można
zmierzyć pod mikroskopem. Jest to pomiar
niszczący i czasochłonny
Pomiar gęstości materiałów
porowatych
• Piknometria
– Objętość próbki to objętość której nie może
zająć gaz
– Najczęściej używa się helu (gaz obojętny i
dobrze penetrujący)
• Pozymetria – pomiar wielkości porów
– Wciskamy rtęć do materiału. Im większe
ciśnienie tym mniejsze pory są wypełniane.
magnetyzm
• Wszystkie rodzaje
atomów oddziałują z
polem magnetycznym
• Własności
magnetyczne
materiału zależą od
rodzaju atomów oraz
ich wzajemnego
oddziaływania
• Typy materiałów
magnetycznych
– Diamagnetyki
– Paramagnetyki
– Ferromagnetyki
– Antyferromagnetyki
– ferrimagnetyki
Pole magnetyczne
Indukcja magnetyczna:
B=
0
n I / l
gdzie
0
– przenikalność
magnetyczna próżni
- przenikalność
magnetyczna
materiału
Pole magnetyczne
• Indukcje magnetyczną mierzymy w teslach
• Ziemskie pole magnetyczne ma indukcje
ok. 0.01 tesli
• Rezonans magnetyczny (MRI)
wykorzystuje pole magnetyczne o indukcji
ok. 2 tesli
diamagnetyki
• Materiały w których
atomy nie mają
trwałego momentu
magnetycznego
• Są wypychane z pola
magnetycznego
• Jest to efekt słaby
• Ag, Au, Cu, Pb
Indukowane momenty
magnetyczne atomów ustawiają
się przeciwnie do kierunku
zewnętrznego pola
magnetycznego
paramagnetyki
• Atomy mają stały
moment magnetyczny
• Są wciągane do pola
magnetycznego
• Jest to efekt
stosunkowo słaby
• Al, Cr, Mg
Momenty magnetyczne atomów
ustawiają się zgodnie z
kierunkiem zewnętrznego pola
magnetycznego
ferromagnetyki
• Atomy mają stały moment
magnetyczny
• Oddziaływania kwantowe
ustawiają momenty
magnetyczne atomów w
tym samym kierunku
• Są trwale namagnesowane
ale powstaje struktura
domenowa
• Jest to bardzo silny efekt
• Fe, Ni, Co, Gd
Zależność momentu magnetycznego
od temperatury
• Drgania termiczne
niszczą
uporządkowanie
magnetyczne atomów
• Powyżej temperatury
Curie
namagnesowanie
zanika
Struktura domenowa
• Wszystkie materiały
ferromagnetyczne
tworzą domeny
• Istnienie domen
utrudnia uzyskanie
silnych magnesów
trwałych
• Przemagnesowanie
domen jest trudne i
wymaga energii
Domeny magnetyczne
ustawiają się tak aby
zminimalizować zewnętrzne
pole magnetyczne
Histereza magnetyczna
• Stan namagnesowania
zależy od
zewnętrznego pola
magnetycznego i od
historii
• Z wykresu można
odczytać mn:
indukcję nasycenia
indukcję szczątkową
siłę koercji
Histereza magnetyczna
• Istnienie domen
magnetycznych jest
przyczyną histerezy
magnetycznej
• Indukcja nasycenia
odpowiada ustawieniu
wszystkich domen
magnetycznych w jednym
kierunku
• Pole powierzchni pętli
histerezy określa energię
traconą w czasie jednego
cyklu
Rodzaje materiałów magnetycznych
• Materiały
magnetyczne twarde
– Magnesy
– Pamięci magnetyczne
• Materiały
magnetyczne miękkie
– Rdzenie
transformatorów
– Silniki i prądnice
Materiały magnetyczne miękkie
• Stopy Fe-Si
– Małe częstotliwości, duże moce
• Stopy Fe-Ni
– Duże częstotliwości, małe moce
• Ferryty
– Bardzo duże częstotliwości
• Szkła metaliczne
Materiały magnetyczne miękkie
• Stopy Fe-Si
– Dodatek krzemu zwiększa opór elektryczny
(zmniejsza) prądy wirowe
– Dodatek krzemu obniża indukcje nasycenia i
przewodnictwo cieplne
• Stosowany jako rdzenie do silników i
transformatorów
Materiały magnetyczne miękkie
• Stopy Fe-Ni
– Zawierają ok. 79% Ni
– Mała anizotropia
– Niska magnetostrykcja
• Stosowane w głośnikach, głowicach
odczytujących itp
Materiały magnetyczne miękkie
• Ceramiki
– Ferrryty
– Granaty
– magnetoplumbity
• Nie przewodzą prądu elektrycznego
• Stosowane w technice radiowej i
mikrofalowej (anteny ferrytowe)
Materiały magnetyczne miękkie -
własności
Zapis magnetyczny
Używa się Fe
2
O
3
lub CrO
2
w
materiale wiążącym
Temperatura Curie dla CrO
2
wynosi 128
o
C
Temperatura Curie dla Fe
2
O
3
wynosi 600
o
C
Prostokątna pętla histerezy
Materiały magnetyczne twarde
• Stosowane jako magnesy
• Wykonuje się z ziaren tak małych, że w
środku mieści się tylko jedna domena
• Najczęściej wykonywane metodą proszków
spiekanych
Materiały magnetyczne twarde -
własności
Własności elektryczne
Opór elektryczny jest określony przez prawo Ohma
I = U / R
Własności elektryczne
Do charakteryzacji materiałów używa się oporności
właściwej
[
m]
R =
l / S
l – długość S – pole przekroju poprzecznego
Używa się również pojęcia przewodnictwo właściwe
= 1 /
[
-1
m
-1
]
Własności elektryczne
• Materiały dzielimy na:
– Przewodniki
– Półprzewodniki
– Izolatory
Przewodność elektryczna
Przewodność elektryczna
• Oporność elektryczna zależy od
temperatury
• Oporność metali rośnie w wyższych
temperaturach
• Oporność półprzewodników zwykle maleje
w wyższej temperaturze.
Przewodność elektryczna
Zależność przewodności elektrycznej od
temperatury opisuje się jako
=
tp
[1 +
( T – T
p
)]
Przewodność elektryczna
Przewodnictwo miedzi
zależy od czystości i
temperatury
Przewodność elektryczna
Własności cieplne
• Przewodnictwo cieplne
• Pojemność cieplna
• Rozszerzalność termiczna
Ciepło właściwe
Ilość energii potrzebna do ogrzania 1 grama o
jeden stopień kelvina
Ciepło właściwe mierzymy w [J g
-1
K
-1
]
Ciepło właściwe
Przewodnictwo cieplne
Przewodnictwo cieplne jest zdefiniowane jako
J
Q
= -
(dT / dx)
Mierzy ilość ciepła przechodzącą przez
przekrój materiału
Przewodnictwo cieplne
Przewodnictwo cieplne
Rozszerzalność cieplna
Względna zmiana rozmiaru liniowego w
funkcji temperatury
(L – L
0
) / L
0
=
(T – T
0
)
- liniowy współczynnik rozszerzalności
cieplnej [K
-1
]
Własności optyczne
Widmo promieniowania
elektromagnetycznego
Własności optyczne
Światło odbija się od powierzchni
część światła wchodzi do materiału, gdzie może zostać
zaabsorbowana lub rozproszona
część światła przechodzi na drugą stronę
Światło wewnątrz materiału może wielokrotnie odbijać
się od powierzchni
Współczynnik załamania
Współczynnik załamania
n jest zdefiniowany jako
n = sin
/ sin
Jest wielkością
bezwymiarową, zależy
od długości fali światła
Współczynnik załamania
Współczynnik odbicia
Współczynnik odbicia zależy
od współczynnika załamania.
Jest on określony wzorem:
R= (n – 1)
2
/ (n+1)
2
Współczynnik absorpcji
Wykresy fazowe
Wykres fazowy dla substancji
wzajemnie się rozpuszczających
Powyżej linii likwidusu występuje
tylko ciecz
Poniżej linii solidusu występuje tylko
stan (roztwór) stały
Pomiędzy liniami solidusu i
likwidusu współistnieją dwie fazy:
stała i ciekła
Krzepnięcie układu o
nieograniczonej rozpuszczalności
Wykres fazowy dla składników
nie rozpuszczających się
Ciecz o składzie punktu E jest
nazywana cieczą eutektyczną,
a jej skład składem eutektycznym
Chłodzenie cieczy eutektycznej
Powstają zmieszane kryształki składnika A i B
Chłodzenie cieczy
podeutektycznej
Wykres fazowy z przemianą
eutektyczną gdy składniki
rozpuszczają się w stanie stałym
Struktura stopu eutektycznego w
czasie chłodzenia
Struktura stopu
podeutektycznego w czasie
chłodzenia
Struktura stopu
podeutektycznego w czasie
chłodzenia bez przemiany
eutektycznej
Żelazo - własności
Żelazo - własności
Nazwa, symbol, l.a.*
Żelazo, Fe, 26
Gęstość
7874 kg/m
3
Masa atomowa
55,845 u
Struktura krystaliczna
regularna
przestrzennie
centrowana
Stan skupienia
stały
Temperatura topnienia
1808 K (1535 °C)
Temperatura wrzenia
3023 K (2750 °C)
Temperatura Curie
1043 K (770 °C)
Żelazo - własności
Temperatura Curie
1043 K (770 °C)
Objętość molowa
7,09×10-3 m
3
/mol
Ciepło parowania
349,6 kJ/mol
Ciepło topnienia
13,8 kJ/mol
Prędkość dźwięku
4910 m/s (293,15 K)
Ciepło właściwe
440 J/(kg*K)
Przewodność właściwa
9,93×106 S/m
Przewodność cieplna
80,2 W/(m*K)
Żelazo - własności
wyst.
54
Fe
5,8%
stabilny izotop z 28
55
Fe
2,73
0,231
55
56
Fe
91,72%
stabilny izotop z 30 neutronami
57
Fe
2,2%
stabilny izotop z 31 neutronami
58
Fe
0,28%
stabilny izotop z 32 neutronami
59
Fe
44,503
1,565
59
60
Fe
1,5×10
6
3,978
60
Odmiany alotropowe czystego
żelaza
•
Żelazo występuje w trzech odmianach
alotropowych:
– żelazo α
– żelazo γ
– żelazo δ
•
Jedynie żelazo α posiada własności
ferromagnetyczne.
•
Przemiana alotropowa żelaza α w żelazo γ
zachodzi w temperaturze 723°C przy
schładzaniu lub 728°C przy ogrzewaniu.
•
Przemiana alotropowa żelaza γ w żelazo δ
zachodzi w temperaturze 1400°C.
Wykres fazowy żelazo-węgiel
Czyste żelazo
• Fe-
Do temperatury 912
o
C ma ma
strukturę przestrzennie centrowaną (RPC)
• Fe-
od 912
o
C do 1394
o
C ma strukturę powierzchniowo
centrowaną (RSC)
• Fe-
(
)
od 1394
o
C do temperatury topnienia ma strukturę
przestrzennie centrowaną
Wykres fazowy żelazo-węgiel
• Ferryt (
) - międzywęzłowy roztwór węgla
w żelazie
. Maksymalna rozpuszczalność
węgla wynosi 0.02%
• Austenit (
) - międzywęzłowy roztwór
węgla w żelazie
. Maksymalna
rozpuszczalność węgla wynosi 2.11%
Wykres fazowy żelazo-węgiel
• Cementyt to węglik żelaza (Fe
3
C). Zawartość
węgla w cementycie jest stała i wynosi 6.67%
– cementyt wydzielający się z cieczy (poniżej linii DC)
nazywamy cementytem pierwotnym
– cementyt wydzielający się z austenitu (poniżej linii ES)
nazywamy cementytem wtórnym
– Cementyt wydzielający się z ferrytu (poniżej linii PQ)
nazywamy cementytem trzeciorzędowym
Wykres fazowy żelazo-węgiel
• Perlit jest produktem przemiany austenitu
zawierającego około 0.77% C. Zbudowany
jest z płytek cementytu i ferrytu o stosunku
grubości ok. 1:8
Wykres fazowy żelazo-węgiel
• Ledeburyt powstaje z cieczy zawierającej
4.3% węgla. Składa się z cementytu i
austenitu.
• W temperaturze poniżej 727
o
C ledeburyt
ulega przemianie tworząc ledeburyt
przemieniony
Wykres fazowy żelazo-węgiel
• Stopy żelaza z węglem do 2.11% C
nazywamy stalami
• Stopy żelaza z węglem o zawartości węgla
powyżej 2.11% C nazywamy żeliwami
Zmiany struktury stali
(0.77%C) w czasie chłodzenia
Austenit przemienia się
w perlit
Zmiany struktury poniżej
727
o
C są niewielkie
Zmiany struktury stali
(0.4%C) w czasie chłodzenia
Z austenitu wydziela się
ferryt
Poniżej 727
o
C pozostały
austenit przemienia się
w perlit
Zmiany struktury stali
(1.3%C) w czasie chłodzenia
Z austenitu wydziela się
cementyt wtórny
Poniżej 727
o
C pozostały
austenit przemienia się
w perlit
Struktura stali po powolnym chłodzeniu.
a) ferryt i cementyt trzeciorzędowy (poniżej 0.02%C
b) struktura ferrytyczno-perlityczna (0.6%C)
c) struktura perlityczna (0.77%C)
d) perlit i cementyt drugorzędowy
Wykres fazowy żeliwa
• Przemiany fazowe w systemie Fe-C występują w
układzie stabilnym bądź w układzie
metastabilnym
• Układ Fe-Fe
3
C jest układem metastabilnym
• Układ Fe-C (grafit) jest układem stabilnym
• Zwykle przemiany fazowe zachodzą według
układu metastabilnego. Przy większych
koncentracjach węgla, zwłaszcza w obecności Si,
przemiany mogą zachodzić w układzie stabilnym
Wykres fazowy żelaza (stabilny)
Zmiany struktury stopu Fe-C
(2.5%C) w czasie chłodzenia
według układu metastabilnego
Powstaje austenit w
osnowie ledeburytu
Poniżej 727
o
C austenit
przemienia się w perlit
ledeburyt przemienia się
w ledeburyt przemieniony
Zmiany struktury stopu Fe-C
(2.5%C) w czasie chłodzenia
według układu stabilnego
Powstaje austenit w
osnowie eutektyki
żelazo-grafit (płatki)
Poniżej 727
o
C austenit
przemienia się w perlit
z eutektyki wydziela się
ferryt i grafit
Kinetyka przemian fazowych -
hartowanie
Wykresy CTP
Wykresy Czas,
Temperatura, Przemiana
pokazują kinetykę przemiany
fazowej
Krzywa z lewej strony reprezentuje początek przemiany
fazowej (1% objętości), linia przerywana 50% przemiany, a
krzywa z prawej koniec przemiany (99%)
Przemiana martenzytyczna
Austenit usiłuje
przekształcić się w
żelazo
. Ale
rozpuszczony węgiel
przeszkadza. W wyniku
dostajemy
zniekształconą strukturę
żelaza
.
Przemiana martenzytyczna
• Obróbkę cieplną prowadzącą do powstania
struktury martenzytycznej nazywamy
hartowaniem
• Przemiana martenzytyczna wprowadza
naprężenia do materiału
• Objętość właściwa martenzytu jest większa
od austenitu z którego powstał (przedmiot
hartowany zmienia rozmiar)
Przemiana martenzytyczna
• Temperatura
przemiany bardzo
silnie zależy od składu
stali
• M
s
(
o
C)=561-474(%C)-
33(%Mn)-17(%Ni)-
17(%Cr)-21(%Mo)
hartowanie
Celem hartowania jest powstanie
struktury martenzytycznej, która
może powstać tylko z austenitu
w czasie hartowania stali trzeba
ją podgrzać do temperatury
umożliwiającej powstanie austenitu
hartowanie
W czasie hartowania należy
stal chłodzić szybko aby
uniknąć przemian w zakresie
dyfuzyjnym
w czasie hartowania powstają
duże naprężenia z powodu
różnicy temperatur pomiędzy
powierzchnią a rdzeniem
materiału
Hartowanie stopniowe
Przedmiot wytrzymuje się
w temperaturze trochę
powyżej M
s
aż do
wyrównania temperatur,
a następnie powoli chłodzi
umożliwiając przemianę
jednocześnie w całej
objętości
Hartowanie izotermiczne
Oziębianie zostaje
zatrzymane tuż
powyżej M
s
a czas
wytrzymania jest
dostatecznie dłgi
odpuszczanie
• Po zahartowaniu stal ma bardzo złe
własności plastyczne
• Obróbka cieplna polegająca na nagrzaniu
zahartowanej stali w celu poprawy
własności plastycznych jest nazywana
odpuszczaniem
Stadia odpuszczania
• 100-200
o
C - struktura staje się podobna do
bainilitu. Wytrzymałość stali (zwykle) maleje
• 200-350
o
C – następuje przemiana austenitu
szczątkowego w ferryt i cementyt. Powoduje to
umocnienie stali
• 250-400
o
C – wydzielanie cementytu, ruch
dyslokacji. Wytrzymałość stali zmniejsza się
• 400-727
o
C – rekrystalizacja osnowy. Powyżej
727
o
C tworzy się austenit
odpuszczanie
W stalach stopowych
mechanizmy
odpuszczania są bardziej
skomplikowane. Różnice
występują zwłaszcza
przy odpuszczaniu w
wysokich temperaturach
odpuszczanie
Niektóre rodzaje stali
utwardzają się w czasie
odpuszczanie, głównie
na skutek tworzenia
węglików
Obróbka powierzchniowa
• Hartowanie powierzchniowe – nagrzewa się tylko
cienką warstwę powierzchniowej i ją hartuje.
• Nawęglanie – nasyca się węglem warstwę
powierzchniową i następnie hartuje
• Azotowanie – nasycenie powierzchni azotem.
Stale do azotowanie zwykle zawierają aluminium
(AlN jest bardzo twardy)
• Inne (nagniatanie, wytwarzanie warstw
diametowych etc)
Wytwarzanie żelaza - historia
Dymarka
Rekonstrukcja dymarki w
Biskupinie
Wytwarzanie żelaza w
dymarkach
http://www.platnerz.com/platnerz-com/scriptorium/faq/zelazodymarkowe/tekst/tekst.html
Wytwarzanie żelaza w
dymarkach
1 - Szyb pieca.
2 - Wsad (węgiel drzewny +
ruda żelaza).
3 - Kotlinka wypełniona
ściekającym podczas wytopu
żużlem.
4 - łupka żelaza.
5 - Dysze.
6 - Pierwotny poziom terenu.
7 - Poziom dna kotlinki.
http://www.platnerz.com/platnerz-com/scriptorium/faq/zelazodymarkowe/tekst/tekst.html
Wytwarzanie żelaza w
dymarkach
Fragment łupki
żelaznej uzyskanej
w doświadczalnym
piecu dymarskim.
http://www.platnerz.com/platnerz-com/scriptorium/faq/zelazodymarkowe/tekst/tekst.html
Wytwarzanie żelaza w
dymarkach
1 - Żużel
2 - Przecięty pęcherz
spieczonego żelaza.
3 - Węgiel drzewny.
http://www.platnerz.com/platnerz-com/scriptorium/faq/zelazodymarkowe/tekst/tekst.html
Wytwarzanie żelaza w wielkim
piecu
XIX wieczna rycina
przedstawiająca wieki piec
(do produkcji żeliwa)
Wytwarzanie żelaza w wielkim
piecu
• Wielkie piece umożliwiły stropienie żelaza i
produkcję żeliwa na skale masową
• Wielki piec mógł być używany wielokrotnie
• Żeliwo można można odlewać
• Stal z żeliwa można uzyskać po procesie
konwersji
Wytwarzanie żelaza w wielkim
piecu
• Początkowo używano tzw. ognisk fryszerskich
• W 1794 wynaleziono piec pudlarski
• W 1860 zainstalowano w Anglii pierwszy
konwerter („gruszkę”) Bessemera
• W roku 1850 produkcja żeliwa w Anglii wynosiła
około 3 milionów ton podczas gdy produkcja stali
wynosiła tylko 60 tysięcy ton
• W roku 1890 produkcja stali w Anglii wynosiła
ok. 5 milionów ton
Gruszka Bessemera
Powietrze
wdmuchiwano
od spodu
Gruszka Bessemera
Rodzaje stali
• Stale konstrukcyjne
• Stale narzędziowe
• Stale specjalne
Stale konstrukcyjne
• Stale niskostopowe
• Stale do nawęglania
• Stale do azotowania
• Stopowe do ulepszania cieplnego
• Stale sprężynowe
• Stale łożyskowe
• Stale do hartowania powierzchniowego
• Stale maraging
Stale i stopy narzędziowe
• Stal węglowa narzędziowa
• Stal narzędziowa do pracy na zimno
• Stal narzędziowa do pracy na gorąco
• Stale szybkotnące
Stale specjalne
• Stale odporne na ścieranie
• Stale nierdzewne i kwasoodporne
• Stale żarowytrzymałe i żaroodporne
• Stale o dużym oporze elektrycznym
• Stale o szczególnych własnościach
magnetycznych
Przemiana martenzytyczna