I STAL KONSTRUKCYJNA

W budowie maszyn wyróżnia się następujące grupy stali konstrukcyjnych:

•

niskostopowe o podwyższonej wytrzymałości i mikroskopowe

•

do ulepszania cieplnego

•

do utwardzania powierzchniowego

•

łożyskowe

•

sprężynowe

•

do pracy w obniżonych temperaturach

•

do pracy w podwyższonych temperaturach

Stale niskostopowe o podwyższonej wytrzymałości i mikroskopowe

• C, Mn,
• Cu zwiększa odporność na korozję atmosferyczną
• mikrododatki (ok. 0,1%): V, Ti, Nb, N
• poddawane regulowanemu walcowaniu
• Re i Rm: 960-980 MPa
• dobra odporność na pełzanie dzięki mikrododatkom
• poddawane normalizowaniu
• stosowane dla budownictwa, przemysł motoryzacyjny
• dobra spawalność
•

18G2, 15GA

Stale do ulepszania cieplnego:

●

Zbliżoną twardość mają stale krzemowo-manganowe, zarówno stale manganowe, krze-
mowomanganowe jak i chromowe mogą być stosowane na większe części maszyn i
urządzeń w stanie normalizowany lub po hartowaniu, gdy nie wymagamy zastosowania
na wskroś,

●

Stale chromowo-molibdenowe podobna średnica krytyczna do ok 100mm, dodatek wa-
nadu zwiększa średnicę krytyczną do ok 200mm z możliwością podwyższenia temp. Od-
puszczania do ok. 550-600°C co zwiększa odporność stali.

●

Stale chromowo-niklowo-molibdenowe to stale przeznaczone do wytwarzania części
maszyn w których równomierne właściwości możemy uzyskać nawet na przekrojach
powyżej 300mm

●

Odrębną grupę stanowią stale z borem, temp. Hartowania to ok. 800-900°C średnica
krytyczna w granicach 40-50mm po hartowaniu w wodzie oraz 30-40mm po hartowa-
niu w oleju,

●

Stale do wytwarzania części przez wyciskanie, spęczanie, przewężenie rzędu 60%

Przykład: C40E, C40R

Stale do utwardzania powierzchniowego:
Metody utwardzania powierzchniowego:

●

obróbka cieplno-chemiczna: nawęglanie, azotowanie

●

hartowanie powierzchniowe

1/27

a) stale do nawęglania:

●

niestopowe 0,1 – 0,15%C

●

węglowe 0,15 – 0,2 %C

Zwiększenie hartowności, twardości, odporności na ścieranie. Dzięki podwyższonej hartowno-
ści można poddawać hartowaniu elementy o większych przekrojach,

●

chrom 1,5 – 2% główny pierwiastek stopowy do nawęglania, obniża stopień dyfuzji
węgla, zapewnia wysoką twardość, jest węglikotworczy

●

mangan, nikiel – większa twardość, ciągliwość rdzenia, ilość austenitu szczątkowego,
niższa temp. Przemiany martenzytycznej

●

molibden, tytan lub wanad – likwidują niekorzystny wpływ chromu, a przede wszystkim
manganu, który prowadzi do rozrostu ziarn, zwiększają drobnoziarnistości stali

Przykład: C10E, 17Cr3

b) Stale do azotowania:
Azotowanie – zwiększa twardość, odporność na ścieranie, odporność na korozję (antykorozyj-
nemu azotowaniu można poddać każdy rodzaj stali)

•

hartowanie 870-970°C

•

odpuszczanie – często łączy się z procesem azotowania. Najlepsze efekty po azotowa-
niu uzyskuje się dla stali z dodatkiem aluminium.

Przykład: 31CrMo12, 31CrMoV9

c) Stale do hartowania powierzchniowego

• Stosuje się stale węglowe i stopowe do ulepszania o średnich zawartościach C (0,3-

0,5%)

•

35SG, 40HM, 50H,

• Elementy o większych przekrojach poddaje się ulepszaniu na wskroś
• twarda powierzchnia
• rdzeń o dużej wytrzymałości i ciągliwości

Stale sprężynowe:

●

pierwiastki stopowe: krzem, chrom, mangan, pierwiastki które podwyższają granicę
sprężystości przede wszystkim w stanie znormalizowanym. Rolą pierwiastków stopo-
wych jest zwiększenie hartowności – wytwarzanie takich elementów to ukształtowanie
a następnie obróbka cieplna

●

hartowanie 860-890°C w oleju

●

odpuszczanie 400-500°C

●

krzemowe 38-58%Si – stosowane głownie do transportu szynowego

●

chromowe, chromowo-molibdenowe – w pojazdach samochodowych

●

z wanadem – na bardzo obciążone sprężyny

●

wytrzymałość rzędu 1500MPa

●

granica plastyczności >1000MPa

Wszystkie elementy sprężyste pracują zmęczeniowo, przy takich obciążeniach ważna jest ja-
kość powierzchni (pęknięcia).
Właściwości eksploatacyjne sprężyn można polepszyć przez obróbkę:

●

cieplno-mechaniczną

●

plastyczną na zimno

Korzystne jest również wprowadzenie do warstwy wierzchniej naprężeń ściskających

2/27

Półprodukty: walcowane długie pręty, druty przygotowane wyłącznie do produkcji sprężyn.
Przykład: 38Si7, 60Cr3

Stale łożyskowe:
Łożyska – elementy które uniemożliwiają przemieszczanie się względem siebie elementów ru-
chowych. Wymagania dla materiałów na łożyska: wysoka twardość i odporność na ścieranie.
Stale na elementy łożysk tocznych:

●

Nadeutektoidalne 100Cr6, 100CrMo7

●

Do nawęglania 20Cr3, 20Cr4

●

Do hartowania powierzchniowego C56E2, 56Mn4, 70Mn4

●

Odporne na korozję, wysokochromowe X47Cr14, X65Cr14

●

Żarowytrzymałe 13MoCrNi42-16-14, 80MoCrV42-16

Materiały stosowane na:

●

Łożyska małe i średnie:



stale nadeutektoidalne



nie dopuszcza się obecności zanieczyszczeń



1%C – duża twardość i odporność na ścieranie



1,5%Cr, Si, Mn – hartowność



0,5%Mo



obróbka: kucie (duża twardość)



jednorodność struktury



duża wytrzymałość zmęczeniowa i statyczna



odpowiednia ciągliwość



obróbka cieplna:



Wyżarzanie steroidyzujące (do uzyskania bardzo drobnego równomiernie rozłożone-
go cementytu kulkowego na tle ferrytu stopowego)



Hartowanie 820-840°C w oleju



Niskie odpuszczanie 180°C / 1-2h



twardość: 58-65HRC (po obróbce cieplnej)



mają strukturę niskoodpuszczonego martenzytu drobnolistwowego z równomiernie roz-

mieszczonymi drobnymi ziarnami cementytu stopowego

(po obróbce cieplnej)

●

Elementy dużych łożysk


stale do nawęglania, w których utwardzamy przez nawęglanie tylko warstwę
wierzchnią,

●

Elementy łożysk tocznych w warunkach szczególnych


stale odporne na działanie środowiska



zachowują swoje własności w podwyższonej temperaturze

Muszą spełniać bardzo ostre wymagania dotyczące ograniczonego stężenia szkodliwych do-
mieszek (P, S, O). Uzyskuje się to stosując specjalne procesy metalurgiczne, np.

wytapianie

próżniowe oraz przetapianie próżniowe lub elektrożużlowe

. Elementy łożysk tocznych również

tych małych i średnich wytwarza się także ze stali specjalnych jakimi są stale szybkotnące.
Przykład: 100Cr6, 20Cr3

3/27

Stale do pracy w obniżonych temperaturach:

• niskowęglowe
• drobnoziarniste
• Mn, C, Ni
• struktura sorbityczna i austenityczna
• Ni zwiększa ciągliwość w obniżonych temperaturach
• zachowują wysoką udarność nawet do -100

o

C

• Na zbiorniki na ciekłe gazy
• dobra spawalność
• można też stosować stale Cr-Ni lub Cr-Mn-Ni.

Stale do pracy w podwyższonych temperaturach:

• niskowęglowe, Cr i Mo
• spawalne
• odporność na odkształcenie plastyczne (pełzanie) do 600

o

C

• w urządzeniach energetycznych, aparaturze chemicznej, rury kotłowe
•

20HM, 15HM, K18, 16M

• w temperaturze powyżej 600

o

C należy stosować stale o wyższych zawartościach węgla

II STAL NARZĘDZIOWA

Stale narzędziowe to grupa stopów żelaza przeznaczonych do wytwarzania narzędzi. Narzę-
dzia przeznaczone do rozdzielania i kształtowania różnorodnych materiałów, na narzędzia po-
miarowe, odlewnicze. Zakres stosowania wymusza szerokie i zmienne właściwości tych stali.
Wymagane do stali narzędziowych są:

•

stałość kształtu

•

przenoszenie obciążeń statycznych, dynamicznych, cieplnych

•

duża trwałość i twardość

•

odporność na ścieranie

•

odpowiednia hartowność

•

odporność na odpuszczające działanie podwyższonych temperatur, (zdolność do za-
chowania wysokiej twardości i odporności na ścieranie).

Dzielimy je na trzy grupy:

•

niestopowe stale narzędziowe,

•

stopowe stale narzędziowe do pracy na zimno/na gorąco,

•

stale specjalne (szybkotnące)

1. Narzędziowe stale węglowe (niestopowe):

●

swoje właściwości zawdzięczają głownie zawartości węgla i obróbce cieplnej z czego
wynika ich twardość C70, C90, C120.

●

zastosowanie:


Narzędzia do obróbki ręcznej



Narzędzia do obróbki materiałów niemetalowych



Narzędzia do obróbki skrawaniem stopów metali nieżelaznych



Drobne narzędzia do obróbki stali

4/27

●

obróbka cieplna:


Hartowanie 740-840°C (w zależności od zawartości węgla) chłodzenie w wodzie



Odpuszczanie 150-180°C

Trwałość martenzytu jest bardzo mała, nagrzanie powyżej tej temp. Powoduje gwałtowny
spadek twardości,

●

twardość 58-66HRC

Przykład: C45U, C70U

2. Stopowe stale narzędziowe:

●

Do pracy na zimno:


podział ze względu na zawartość:


Węgla:
➔

średniowęglowe 0,35 – 0,6%

➔

wysokowęglowe 0,95 – 1,05%



Chromu:
➔

niskochromowe

➔

wysokochromowe >5%



Kombinacja tych pierwiastków pozwala uzyskać różnorodne własności tych stali.
Wysoka zawartość węgla i chromu – większa twardość odporność na ścieranie za-
stosowanie na narzędzia do obróbki skrawaniem, piły, gwintowniki, drobne noże to-
karskie. Większość tych stali to stale ledeburytyczne.



Obróbka cieplna to hartowanie i odpuszczanie.



Hartowanie:

➔

niskochromowe 800°C

➔

wysokochromowe 950°C

W zależności od wielkości, kształtu hartowanie w rożnych ośrodkach.



Odpuszczanie: 180-250°C (dobór w zależności od przeznaczenia). Stale wysoko-
chromowe wykazują zjawisko twardości wtórnej możemy je odpuszczać w wyż-
szej temp. 400-450°C, są stosowane na duże kowadła, matryce itd.



Przykład: 21MnCr5, 105V, 102Cr6

●

Do pracy na gorąco:


mogą się nagrzewać do 500-600°C



zastosowanie: narzędzia do przeróbki plastycznej na gorąco np. formy odlewnicze
dla materiałów niemetalowych, osprzęt odlewniczy, matryce do przeróbki plastycz-
nej



mniejsza zawartość węgla -> mniejsza hartowność tych stali,



ze złożonością składu chemicznego rośnie trudność przetwarzania i obróbki cieplnej,
problemy z nagrzaniem



hartowanie w sposób przerywany lub izotermicznie



obróbka cieplna:


Hartowanie 1000-1100°C (bezpośrednio po hartowaniu izotermicznym odpusz-
czamy)



Odpuszczanie



większość tych stali wykazuje zjawisko twardości wtórnej



twardość 50HRC



zwiększona odporność na ścieranie

5/27



trwałość zależy od właściwego przygotowanie do pracy, eksploatacji w czasie pracy i
zakończenia po pracy.

Przykład: 55NiCrMoV7

3. Specjalne stale narzędziowe (szybkotnące):

●

stosowane na elementy łożysk tocznych, ciągadeł, urządzeń pomiarowych, płytki wzor-
cowe,

●

skład chemiczny – ok 1%C, 4,2%Cr, (W, Mo, V, Co – zróżnicowana ilość)

●

oznaczenie HS-0-4-1, HS-10-4-3-10 liczby oznaczają odpowiednio zawartość W, Mo, V,
Co (jeżeli nie zawiera wanadu tylko 3 cyfry),


obróbka cieplna:


hartowanie 1100-1300°C – krotki czas przetrzymania, wszystkie te stale są lede-
burytyczne, zbyt długie wytrzymanie mogłoby powodować nadtopienia, chłodze-
nie w oleju, na powietrzu, izotermiczne (w kąpielach solnych 550°C)



odpuszczanie 550-560°C – bezpośrednio po hartowaniu, pozwala pozbyć się na-
prężeń austenitu szczątkowego (jego ilość po hartowaniu może dochodzić do
25%)

●

twardość 60-65HRC

●

mogą nagrzewać się do temp. 650-700°C nie tracąc swoich właściwości


wyróżniamy stale szybkotnące:


bezkobaltowe



kobaltowe



bezkobaltowe o zwiększonym stężeniu węgla



kobaltowe o zwiększonym stężeniu węgla



dzielą się na:


wysokowydajne



średnio-wydajne



nisko-wydajne

Przykład: HSO-4-1, HS1-4-2

III STALE I STOPY ŻELAZA O SZCZEGÓLNYCH WŁAŚCIWOŚCIACH

Obejmują stale, staliwa, żeliwa często o znacznej zawartości pierwiastków dochodzącej do
55% oraz stopy metali nieżelaznych.
Można podzielić je na 3 grupy:

●

o szczególnych właściwościach chemicznych (odporne na korozję)

●

o szczególnych właściwościach chemicznych i mechanicznych (żaroodporne, żarowy-
trzymałe, zaworowe)

●

o szczególnych właściwościach fizycznych (odporne na ścieranie, o szczególnych wła-
ściwościach elektrycznych i magnetycznych, o określonym współczynniku rozszerzalno-
ści)

6/27

1) Stale o szczególnych właściwościach:
a) Chemicznych

●

Chromowe, ferrytyczne stale nierdzewne


odporne na korozję w atmosferze powietrza, pary wodnej, ropy i produktów ropopo-
dobnych, alkoholi rozcieńczonych kwasów i soli,



odporność na korozję wynika ze zmiany potencjału elektrochemicznego stopu żelaza
z chromem przy zawartości ok. 12,5-12,6%Cr, co powoduje utworzenie na po-
wierzchni cienkiej, trwałej odpornej na korozję warstwy tlenku, który zabezpiecza
stal przed korozją (pasywacja stali). Dlatego w stalach odpornych na korozję pod-
stawowym pierwiastkiem jest chrom.



stale chromowe wykorzystywane praktycznie zawierają Cr w trzech przedziałach 13-
14% oraz 17-18%, i ok. 25%, dwa ostatnie przedziały posiadają stabilna strukturę
ferrytyczną.



Stale zawierające 13-14%Cr dzielą się na:


Ferrytyczne poniżej 0,1%C



Ferrytyczno-austenityczne powyżej 0,1%C w temp > 900°C



Austenityczne powyżej 0,3%C

Lub drugi podział:



Czysto ferrytyczne



Połmartenzytyczne (ferrytyczno-martenzytyczne)



Martenzytyczne



dodatkami w stalach ferrytycznych są: Mo, Ni, Ti, Nb, Zr które stabilizują strukturę
ferrytyczną



obróbka cieplna:


Wyżarzanie 700-900°C



wytrzymałość 500-600MPa



plastyczne, rozciągliwe, spawalne

●

Chromowo-niklowe stale


dodatek niklu do niskowęglowych (C<0,1%) stali wysokochromowych pozwala uzy-
skać w całym zakresie temp. stabilną strukturę austenityczną która charakteryzuje
się wyższą wytrzymałością, twardością, plastycznością



bardziej odporne na korozje,



spawalne, zgrzewalne



występuje zjawisko korozji międzykrystalicznej (powyżej 400-450°C na granicach
ziarn wydziela się wysokochromowy węglik chromu – lokalnie w tych obszarach za-
wartość chromu spada, co powoduje brak łączności miedzy ziarnami) – pod wpły-
wem tego zjawiska stal przestaje być odporna na korozję. Zapobiegać temu zjawi-
sku można przez:
▪

Obniżenie zawartości węgla do ok 0,04 – 0,05%C

▪

Dodanie pierwiastków o większym powinowactwie z węglem niż chrom

▪

Przesycanie stali 1000-1100°C

●

Staliwa


chromowe



austenityczne 0,15 – 0,2%C co umożliwia spawanie

●

Żeliwa


niklowe – mają strukturę austenityczną, manganowe, krzemowe

7/27

b) Chemicznych i Mechanicznych

●

przede wszystkim stopy żaroodporne i żarowytrzymałe


żaroodporność – odporność na działanie czynników chemicznych w temp. Powyżej
600°C, wynika z możliwości utworzenia na powierzchni warstwy tlenków,



żarowytrzymałość – odporność na odkształcenia w temperaturze powyżej 500-
600°C

●

stosowane w energetyce cieplnej

●

stale żaroodporne i żarowytrzymałe dzielą się na:


chromowe o strukturze ferrytycznej – mała zdolność przenoszenia obciążeń



chromowo-niklowe o strukturze austenitycznej – wysoka wytrzymałość czasowa
(odporność na pełzanie)

●

staliwa żaroodporne i żarowytrzymałe są odpowiednikami stali pod względem składu
chemicznego

●

żeliwa żaroodporne i żarowytrzymałe to żeliwa:


chromowe



aluminiowe



krzemowe



chromowo-niklowe

●

stale zaworowe – przeznaczone na elementy zaworów silników spalinowych są to stale
martenzytyczne po obróbce cieplnej (chromowe z dodatkiem Si, Mo, hartowane 1000-
1100°C w oleju i odpuszczane 700-800°C)

●

stale austenityczne chromowo-niklowe – zwiększona odporność na pełzanie, zwiększo-
na żarowytrzymałość

c) Fizycznych:

●

odporne na ścieranie

●

między innymi stale manganowe (stal Hadfielda)

●

stopy o zawartości 1,1 -1,3%C mają stabilną strukturę austenityczną dopiero powyżej
900-1000°C, ochładzane powoli tworzą strukturę złożoną z ferrytu, ochładzane szybko
zachowują strukturę austenityczną. W stanie austenitycznym stal Hadfielda cechuje się
dużą skłonnością do umocnienia, ponieważ pod wpływem zgniotu tworzą się mikrobliź-
niaki.

IV STOPY ALUMINIUM

Odlewnicze stopy aluminium obejmują 4 przypadki:

●

Al – Si

●

Al – Mg

●

Al – Cu

●

Al – Zn

1) Al – Si (Siluminy)

●

Ich struktura wynika z układu równowagi Al- Si

●

Są najczęściej stosowane

●

Stosowane są stopy od ok. 3-33% Si,

●

Dzielą się na:


Nadeutektyczne



Eutektyczne

8/27



Podeutektyczne

Przykład: AlSi11

Stopy podeutektyczne i eutektyczne: poddaje się modyfikacji sodem lub jego solami w
celu polepszenia ich własności. Efekt modyfikacji wynika z tego że sód nie rozpuszcza się w
aluminium, pokrywa wydzielenia krzemu cienką warstwą, co powoduje rozdrobnienie struktu-
ry (przede wszystkim rozdrobnienie wydzieleni Si) równocześnie następuje przechłodzenie eu-
tektyki – dodatkowe rozdrobnienie struktury. Efekt modyfikacji sodem jest nietrwały, na sku-
tek wypalania się sodu zanika:

●

dobra lejność

●

odnawialność kształtu (odlewanie złożonych korpusów)

●

dodatki:


Mg – możliwość zastępcza obróbki cieplnej



Cu – zwiększenie wytrzymałości, umożliwia pracę w podwyższonych temperaturach
polepsza obrabialność, obniża odporność na korozje



Mn – obniża niekorzystny rozkład wydzieleni fazy żelazowej (iglastej) która obniża
wytrzymałość, powoduje utworzenie ziarnistej struktury

●

Obróbka cieplna:


Wyżarzanie odprężające 230-250°C



Utwardzanie dyspersyjne: przesycanie 480-500°C, starzenie 150-180°C

Stopy nadeutektyczne:

●

podczas ich krystalizacji wydzielają się znacznej wielkości wydzielenia krzemu

●

modyfikacja ma za zadanie rozdrobnić te wydzielenia, prowadzi się ją dodając fosfor ->
fosforek aluminium – ośrodek krystalizacji wydzieleni krzemu

●

stosowane głownie w motoryzacji

●

duża odporność na ścieranie

●

odporność do pracy w podwyższonych temperaturach

●

mały współczynnik rozszerzalności

●

trudno obrabialne

2) Al – Cu

●

wyższa wytrzymałość

●

gorsze własności odlewnicze

●

porowatość

●

skłonność do pęknięć

●

obróbka cieplna:


Wyżarzanie odprężające



Utwardzanie dyspersyjne

Przykład:AlCu10

3) Al – Mg:

●

stosowane stopy odlewnicze zawierają 8-10% Mg

●

do przeróbki plastycznej stosuje się niższą zawartość Mg.

●

dodatki: Si, Fe, Mn, Cu, Ti, Zn, Ni

●

trudne w zastosowaniu w procesie odlewniczym (mikropęknięcia)

●

najwyższa wśród stopów odlewniczych odporność na korozję (zaw. Cu do ok. 4%)

●

obróbka cieplna:

9/27



Wyżarzanie ujednorodniające



Wyżarzanie odprężające



Utwardzanie dyspersyjne: przesycanie 500-515°C, starzenie 150°C

●

stosowane w środowiskach korozyjnych

Przykład: AlMg10

4) Al – Zn

●

zawierają ok. 4-5% Zn

●

wytrzymałość ok. 300MPa

Przykład:

5) Al – Mn

●

najwyższa wytrzymałość i odporność na korozję

●

po odlaniu mają strukturę gruboziarnistą

●

dodatki V, Zr – działają modyfikująco

●

obróbka cieplna:


Wyżarzanie ujednorodniające 500-520°C



Wyżarzanie rekrystalizujące 350-400°C

●

spawalne, zgrzewalne

Przykład:

6) Hydronalium

●

stopy Al-Mg do przeróbki plastycznej

●

odporne działanie wody

●

spawalne

●

podatne do głębokiego tłoczenia

●

dodatki: Si – zwiększenie wytrzymałości

Przykład:

7) Wieloskładnikowe stopy Al – Cu – Mg

●

handlowa nazwa duraluminium

●

mała lub całkowity brak odporności na korozję

●

złożony skład chemiczny powoduje dużą ilość faz tworzących się w procesie rekrystali-
zacji

●

zróżnicowana temperatura topnienia

●

obróbka cieplna:


Wyżarzanie ujednorodniające w procesie dwustopniowym lub trzystopniowym



Utwardzanie dyspersyjne: przesycanie 500-510°C, starzeniu 120-150°C (proporcje
składu chemicznego mają wpływ na efekt starzenia)

●

dodatki:


Zn – podwyższa wytrzymałość do ok. 400MPa

●

Na bazie durali produkuje się również żarowytrzymałe stopy aluminium,

Przykład:

8) Stopy SAP

●

stopy tlenku aluminium otrzymywane przez spiekanie i poddawanie przeróbce plastycz-
nej,

10/27

●

mogą długotrwale pracować w temp. 300-500°C, krótkotrwale nawet w temp. 1000°C

Przykład:

9) Stopy SAS

●

stopy aluminium z krzemem, niklem lub żelazem (nawet do 20-30%)

●

znikomy współczynnik rozszerzalności liniowej

Przykład:

10) Stopy do przeróbki plastycznej

●

Al – Mn

●

Al – Mg

●

Al – Fe

●

Al – Cu – Mg

V STOPY MIEDZI

Stosowane stopy miedzi dzielą się na 3 grupy:

●

miedzio-nikle

●

mosiądze

●

brązy

1) Miedzio-nikle:

●

duża odporność na korozję

●

znacznie wyższa od czystej miedzi wytrzymałość

●

stosowane jako stopy odlewnicze i przerabiane plastycznie

●

znajdują zastosowanie na np. blachy, elementy klimatyzacji, w przemyśle zbrojeniowym

●

20%Ni – nikielina

●

40%Ni – konstantan

Przykład: CuNi25

2) Mosiądze:

●

ich budowa oparta jest na układzie Cu-Zn

●

do ok. 38% Zn

ma strukturę roztworu stałego α – miękki, plastyczny

●

dzielą się na:


Dwuskładnikowe



Wieloskładnikowe

●

do ok. 10% Zn niewiele odbiegają właściwościami od Cu – odporne na korozję, stoso-
wane na łuski pocisków małokalibrowych, jako wymienniki ciepła,

●

ze wzrostem zawartości Zn zmienia się barwa mosiądzu z czerwonego na złoty 10-12-
20% Zn – stosowane szeroko w zdobnictwie, w przemyśle chemicznym (odp. Na koro-
zję)

●

30-32% Zn – największa plastyczność – elementy wytwarzane metodą tłoczenia stoso-
wane na łuski pocisków wielkokalibrowych, urządzenia chemiczne

●

35-36% Zn – optymalne własności, wytrzymałość w stanie wyżarzanym ok. 350-
400MPa

●

powyżej 20% Zn ulegają redukowaniu – na powierzchni tworzy się gąbczasta warstwa

11/27

●

dodatki:


Pb 2-3% - zwiększenie odporności na ścieranie



Al, Sn rzędu setnych części – zwiększenie odporności na korozję



Fe, Ni rzędu setnych części – zwiększenie wytrzymałości

●

Stopy o strukturze jednofazowego roztworu – nie można zastosować zasadniczej ob-
róbki cieplnej, wyżarzanie ujednorodniające, wyżarzanie rekrystalizujące przeróbka pla-
styczna na zimno to jedyne metody zmiany ich właściwości

●

powyżej 38% Zn

w strukturze mosiądzu pojawia się twarda krucha faza β’

●

39-40% Zn utrudnia przeróbkę plastyczną na zimno, przerabia się je na gorąco

●

przy jeszcze większej zawartości Zn stopy przeznaczone głownie do odlewania

Przykład: CuZn15, CuZn30

3) Brązy (7):

●

podstawową grupą brązów są stopy Cu-Sn, ale nazwa obejmuje również stopy miedzi z
innymi pierwiastkami,

●

budowa brązów cynowych wynika z układu równowagi Cu-Sn

●

do ok 9% Sn – struktura jednofazowego roztworu stałego α

●

15-18% Sn – struktura α+β

●

do przeróbki plastycznej wykorzystywane są głownie dwuskładnikowe brązy cynowe

●

brązy cynowe:


Duża odporność na korozję



Odporność na ścieranie



Odporność na obciążenia dynamiczne



Silnie umacniają się przez zgniot



Są dostarczane w stanie wyżarzonym, twardym, sprężystym



Stosowane na panewki łożysk ślizgowych, elementy sprężyste w urządzeniach po-
miarowych

Przykład: CuSn4, CuSn8

●

brązy wieloskładnikowe:


Zawierają do 5% Sn oraz dodatki Zn, Pb (przeznaczone do odlewania 7-12% Sn,
Zn, Pb do ok 7-8%)



Zwiększona wytrzymałość



Właściwości ślizgowe

Przykład: CuSn4Pb4Zn3

●

brązy aluminiowe:


Do ok. 8% Al.



Jednofazowa struktura α



Dobra plastyczność



Właściwości ślizgowe



Odporność na korozję (w tym wodę morską)

, wynika to z pasywacji tlenków na po-

wierzchni



Utwardzane przez zgniot



Zastosowanie:

śruby okrętowe, sprężyny



Powyżej 8%Al pojawia się faza elektronowa β, która rozpada się w wyniku przemia-

12/27

ny o charakterze eutektoidalnym na α+γ –> utwardzenie eutektoidu – umożliwia
obróbkę cieplną: hartowanie 900°C (martenzyt miedziowy), odpuszczanie 550°-
600°C



Wytrzymałość 1000MPa

Przykład: CuAl15As

●

brązy krzemowe:


do przeróbki plastycznej ale mogą być też na odlewy



odporne na

korozję chemiczną i erozje



stosowane na panewki łożysk ślizgowych, sprężyny

Przykład: CuSi3Mn1

●

brązy manganowe:


zawierają do ok. 10-12% Mn (specjalne >20%)



bardzo mała lub bardzo duża

rezystywność

(oporniki)



wysoka

żaroodporność

do ok 400°C (łopatki turbin)

Przykład:

●

brązy berylowe:


zawierają do ok. 2% Be



stopy niemetaliczne



umacniają się przez zgniot



utwardza się je dyspersyjnie

,

przesycanie

800°C,

starzeniu

300°C po takiej obróbce

wytrzymałość to 1300MPa



nie iskrzą podczas tarcia oraz uderzeń



stosowane w górnictwie

Przykład: CuBe2Ni

●

wysokoołowiowe:


zawartość do 40% Pb (otrzymywane przez szybkie chłodzenie roztworu ciekłego)



dwuskładnikowe (dwufazowa struktura miedzi i ołowiu)



dobre odporność na ścieranie, wysoka wytrzymałość zmęczeniowa, bardzo dobra

przewodność cieplna



stosowane na panewki łożysk ślizgowych

Przykład:

VI STOPY INNYCH METALI

1) Stopy magnezu (Mg)

●

mają zastosowanie w budowie samolotów

●

mała odporność na korozję

●

czysty magnez znajduje zastosowanie w metalurgii jako odtleniacz (wysokie powino-
wactwo z tlenem), modyfikator, sferoidyzator żeliwa, dodatek stopowy w stopowy w
stopach Al i Cu.

●

magnez jako metal na strukturę A3, jest kruchy, dodatek Al. do ok 6% zwiększa pla-
styczność i wytrzymałość, powyżej 6% umożliwia utwardzanie dyspersyjne, dodatek Zn
poprawia wytrzymałość dodatkowo w obecności Al i Mn zwiększa plastyczność, dodatek
Si poprawia własności odlewnicze, metale ziem rzadkich podwyższają możliwą tempe-

13/27

raturę pracy.

●

stopy odlewnicze – możliwość odlewania bardzo cienkościennych wyrobów,

●

można je przerabiać plastycznie

●

obróbka cieplna:


Wyżarzanie ujednorodniające 350-400°C (przed przeróbka plastyczną)



Wyżarzanie rekrystalizujące (po przeróbce plastycznej)



Utwardzanie dyspersyjne: przesycanie 350-400°C, starzenie 150-200°C (nie zawsze
opłacalne przez niewielki wzrost właściwości)

Przykład: MgAl8Zn1, MgAl5Mn, MgAl4Si

2) Stopy Cynku (Zn)

●

stosowane na odlewy korpusów sprzętu gospodarczego, panewki łożysk ślizgowych

●

dodatki:


Al do ok. 30% - polepsza wytrzymałość, właściwości odlewnicze,



Cu – w mniejszej ilości – zwiększa wytrzymałość, twardość co za tym idzie odpor-
ność na ścieranie, zwiększa też odporność na korozję

●

obróbka cieplna:


Wyżarzanie ujednorodniające 350-400°C



Wyżarzanie odprężające 200-220°C



Utwardzanie dyspersyjne: przesycanie 360°C, starzenie 100°C (bardzo rzadko stoso-
wane)

Przykład: ZP3, ZP5, ZL1110

3) Stopy cyny i ołowiu (Sn i Pb)

●

znaczna odporność na korozję

●

jako materiał konstrukcyjny stosuje się głownie stopy cyny – stopy łożyskowe

●

wyróżnia się stopy cynowe w których nie ma Pb i ołowiowe nie zawierające Sn

●

dodatki: antymon, miedź, rzadziej arsen, kadm i nikiel

●

niewielka twardość 20HB,

●

bardzo dobre własności ślizgowe,

●

odporne na ścieranie

●

bardzo dobrze przewodzą ciepło

●

mają zróżnicowana strukturę

●

są miękkie, plastyczne

●

stosowane na panewki łożysk ślizgowych (stopy B – stopy ołowiu z niewielkimi dodat-
kami Na, Li, Cd, Ca)

●

mają zróżnicowaną mikrostrukturę, osnowę stanowią roztwory stałe i eutektyka pod-
stawowych pierwiastków, baza nośna, twarda jest faza SnSb, gęstość tej fazy prawie
dwukrotnie przekracza gęstość osnowy

●

podczas krystalizacji silnie segreguje grawitacyjnie aby temu zapobiec dodaje się Cu.
Przykład: PbSn20Tl10

14/27

V WPŁYW RZECZYWISTEJ I IDEALNEJ STRUKTURY

NA WŁASNOŚCI METALI I ICH STOPÓW

1. Idealna budowa krystaliczna

Struktura krystaliczna - uporządkowana budowa jaką charakteryzują się ciała krystaliczne,
polegająca na okresowym powtarzaniu się w przestrzeni elementów fizycznych (atomy,
cząsteczki) położonych w równych odstępach w co najmniej trzech nierównoległych
kierunkach. Elementy te tworzą

przestrzenną sieć krystaliczną

.

Sieć przestrzenna – jest to model rozmieszczenia punktów (węzłów) w przestrzeni,
okresowo powtarzających się, charakterystyczny dla każdego kryształu. Węzły w przestrzeni
mają identyczne otoczenie.

Komórka elementarna – to fragment sieci przestrzennej wyodrębniony przez 6 płaszczyzn
parami równoległymi, który poddany translacji w 3 nierównoległych kierunkach odtwarza całą
sieć przestrzenną. Kształt i wymiary równoległościanu, będącego komórką elementarną sieci
można opisać za pomocą 3 parametrów kątowych (alfa, beta, gamma) i 3 parametrów
liniowych (a, b, c).

Liczba koordynacyjna - liczba najbliższych i równoodległych węzłów od dowolnego węzła
sieci. Wybór węzła nie ma znaczenia.

Układy krystalograficzne i typy sieci Bravais’go (7):

a) regularny:
α = β = γ = 90°; a = b = c

P I F
P- prymitywny, I - przestrzennie centrowany, F - ściennie centrowany,

b) tetragonalny:
α = β = γ = 90°

P I
P - prymitywny, I - przestrzennie centrowany,

15/27

c) rombowy:
α = β = γ = 90°

P C I F
P - prymitywny, C - centrowany na podstawie, I – przestrzennie centrowany, F - ściennie
centrowany,

d) heksagonalny:
α = β = 90°, γ = 120°; a = b ≠ c
P – prymitywny,

e) romboedryczny:
a = b = c
P - prymitywny

f) jednoskośny:
a ≠ b ≠ c

P C
P - prymitywny, C - centrowany na podstawie,

f) trójskośny:
a ≠ b ≠ c

P - prymitywny.

16/27

2. Rzeczywista struktura

Występujące w rzeczywistości kryształy w przeciwieństwie do modelu idealnej struktury mają
szereg wad, które nazywamy defektami. Te wady odgrywają znaczną rolę w kształtowaniu
tworzyw krystalicznych. Mają znaczny wpływ na właściwości kryształów oraz materiałów kry-
stalograficznych. Z termodynamicznego punktu widzenia wady możemy podzielić na termody-
namiczne trwałe i nietrwałe, z uwagi na geometrię i zasięg wad dzielimy je na:

●

punktowe,

●

liniowe,

●

przestrzenne,

●

powierzchniowe,

1) Defekty punktowe:

●

wymiary porównywalne do wielkości atomów

●

należą do nich:


Wakanse



Atomy międzywęzłowe



Obce atomy w strukturze

●

wtórnymi wadami punktowymi są:


Defekty Schottky’ego



Defekty Frenkla

●

Wakans – wolne nieobsadzone miejsce w strukturze kryształu,

●

atom międzywęzłowy – atom znajdujący się między geometrycznymi węzłami struktury,

●

zarówno wakanse jak i atomy międzywęzłowe są wadami aktywowanymi cieplnie co
oznacza że ich ilość zależy od temperatury,

●

wtórnymi wadami punktowymi obrazującymi powstawanie wakansu czy atomów mię-
dzywęzłowych są defekty Schottky’ego i Frenkla opisujące wędrówkę atomów w struk-
turze kryształu,

●

Defekty punktowe wywołują naruszenie równowagi odległości między atomami są przy-
czyną zniekształcenia struktury, podwyższają energię układu co prowadzi do umocnie-
nia kryształu i

podwyższenia twardości

, co za tym idzie

zwiększają wytrzymałość obni-

żając jednocześnie plastyczność.

17/27

Dyfuzja – przemieszczanie się obcych atomów,
Samodyfuzja – przemieszczanie się rodzimych atomów

●

ilość defektów punktowych rośnie wraz ze wzrostem temperatury,

●

obce atomy w strukturze kryształu:


Umiejscowione w węzłach (rys. 2.16 c)



Umiejscowione w międzywęźlu (rys. 2.16 d)

2) Defekty liniowe:

●

nazywane dyslokacjami

●

w zależności od zasięgu dzielą się na:


Całkowite



Częściowe



Kątowe

●

ze względu na kształt i geometrię:


Krawędziowe



Śrubowe



Mieszane

●

ułatwiają odkształcenie plastyczne kryształu

Umocnienie roztworowe –

dodanie

do struktury

obcych atomów

w sposób punktowy,

ha-

mujący przemieszczanie dyslokacji

co umacnia materiał. Wydzielenie cząstek fazy umacniają-

cej można wywołać w tych stopach które wykazują zmienną rozpuszczalność składników w
funkcji temp. Wykazują zmienną rozpuszczalność składników w funkcji temperatury.

Utwar-

dzenie wydzieleniowe

składa się z dwóch zabiegów: przesycania i starzenia.

Przesycanie pole-

ga na nagrzaniu stopu do temperatury maksymalnej rozpuszczalności drugiego składnika i
szybkim oziębieniu w wodzie. W ten sposób uzyskuje się przesycony roztwór stały. Dyfuzja
drugiego składnika prowadzi do jego wydzielenia ten proces zachodzi zazwyczaj w dłuższym
czasie i zwany jest starzeniem, prowadzi do maksymalnego umocnienia. Wyróżniamy starze-
nie: naturlane-samorzutne, lub przyśpieszone – nagrzanie do temperatury niższej od tempe-
ratury przesycania (im wyższa temperatura tym krótszy czas starzenia, jednak łączy się to ze
wzrostem wielkości wydzielanych cząstek i spadkiem ich ilości). Węgiel, azot – wykazują
zmienną rozpuszczalność w ferrycie.

3) Wady powierzchniowe:

●

błędy ułożenia – zaburzenia w sekwencji ułożenia płaszczyzn, podwyższają energię
układu np. prawidłowe ułożenie ABC ABC ABC ułożenie wywołane błędem ABABABC

●

granice ziarn – oddzielają części kryształu o tym samym składzie chemicznym, budowie
i właściwościach ale rożniących się orientacją krystalograficzną, w zależności od wielko-
ści dezorientacji krystalograficznej dzielą się na:


Wąskokątowe



Szerokokątowe (kąt przekracza 1 lub 2 minuty stopnia), dzielą się na niesprzężone i
sprzężone

Granica bliźniacza charakteryzuje się tym że wyrożnić w strukturze kryształu można
płaszczyznę względem ktorej dwie części kryształu tworzą lustrzane odbicie,
charakterystyczną cechą granic bliźniaczych jest to że zazwyczaj występuje kilka lub

18/27

kilkanaście takich granic

●

granice międzyfazowe – granice oddzielające od siebie rożne pod względem składu
chemicznego, budowy, właściwości elementy materiału, ktore nazywamy fazami

Dzielą się na:



koherentne



niekoherentne



półkoherentne

Koherencja – dopasowanie do osnowy

VI OBRÓBKA PLASTYCZNA JAKO METODA KSZTAŁTOWANIA STRUKTURY METALI

Plastyczność – jedna z najważniejszych własności metali i stopów polegająca na zdolności do
trwałego odkształcenia się bez naruszenia spójności. Przy wzrastającym obciążeniu metal po-
czątkowo odkształca się sprężyście, a po przekroczeniu pewnej wartości (granicy sprężysto-
ści) już trwale.
Dzięki plastyczności możliwa jest obróbka polegająca na:

●

walcowaniu

●

kuciu

●

prasowaniu

●

ciągnieniu

Celem obróbki plastycznej jest uzyskanie produktów i półproduktów hutniczych jak: pręty,
kształtowniki, rury, druty, blachy, odkuwki. W zależności od wymaganych własności produk-
tów hutniczych oraz rodzaju obrabianego metalu lub
stopu obróbka plastyczna może odbywać się:

●

na zimno (w temperaturze niższej od temp. rekrystalizacji)

●

na gorąco (powyżej temp. rekrystalizacji)

1) Obróbka plastyczna na zimno.

●

silnie zmienia strukturę i właściwości metali i stopów,

●

podwyższa twardość, wytrzymałość,

●

obniża plastyczność,

●

prowadzi się ją w celu:


Uzyskania gotowych półwyrobów i wyrobów,



Uzyskania gładkiej i czystej powierzchni,



Podwyższenia dokładności kształtowo-wymiarowej,



Podwyższenia wytrzymałości w szczególności zmęczeniowej,



Wytworzenia specyficznej struktury, tekstury gniotu, w celu uzyskania konkretnych
właściwości,

●

jest jedynym sposobem zmiany, podwyższenia własności mechanicznych czystych me-
tali, stopów o strukturze jednofazowej nieulegających przemianom w stanie stałym

●

zgniot – określa stan umocnienia, całokształt zmian mikrostruktury, naprężeń i wła-
sności (mechanicznych, fizycznych),

●

gniot – miara odkształcenia plastycznego

z=

Δ

F

F

0

∗

100

%

(procentowa zmiana przekroju)

●

do mechanizmów odkształcenia plastycznego należą:

19/27



Poślizg – nie uzyskujemy jednoliniowego odkształcenia w całej objętości, tworzą
się pewne odkształcone obszary zwane

pasmami poślizgu

, w trakcie takiego od-

kształcenia nie zmienia się orientacja krystaliczna poszczególnych części



Bliźniakowanie – polega na jednorodnym

ścinaniu (skręcaniu) struktury wzdłuż

określonych płaszczyzn

, zmienia kierunkowość struktury, powstają równolegle do

siebie odkształcone pasma,



Pełzanie (dyslokacyjne, dyfuzyjne)



Poślizg na granicach ziarn

2) Obróbka plastyczna na gorąco:

●

umożliwia obróbkę bardziej twardych, niekiedy wielofazowych stopów (ze wzrostem
temp. Obniża się granica plastyczności),

●

powoduje co najwyżej nieznaczną zmianę struktury i właściwości ponieważ

nie wywo-

łuje umocnienia,

●

umożliwia znaczny stopień przeróbki plastycznej

●

ze względu na sposób oddziaływania siłami na metal realizuje się je sposobami:


Dynamicznymi

– na młotach, kowadłach (głownie na gorąco)



Statycznymi

– prasowanie i walcowanie (głownie na gorąco)



Wyciskanie

(głownie na gorąco)



Przeciąganie

(głownie na zimno)

●

mechanizm odkształcenia:


Pełzanie dyslokacyjne – w ślad za odkształceniem plastycznym na gorąco prze-
biegają dynamiczne procesy aktywowane cieplnie usuwające częściowo lub całkowi-
cie skutki

umocnienia zgniotowego: zdrowienie dynamiczne, rekrystalizacja dyna-

miczna,



Poślizg dyslokacji – początkowy proces odkształcenia,



Wspinanie dyslokacji



Poślizg poprzeczny – polega na zmianie płaszczyzn poślizgu przez dyslokacje śru-
bowe pod działaniem przestrzennie dużych naprężeń.

●

Poślizg poprzeczny i wspinanie dyslokacji stanowią

zdrowienie dynamiczne

w odróżnie-

niu od wspinania dyslokacji poślizg poprzeczny nie ulega ograniczeniu w temperaturze
niższej od temp. rekrystalizacji, dlatego podczas odkształcenia plastycznego na zimno
proces zdrowienia dynamicznego również może przebiegać jednak w ograniczonym
stopniu

●

W przypadku odkształcenia na gorąco zwłaszcza w metalach o małej energii błędu uło-
żenia przebiega

rekrystalizacja dynamiczna

. Rekrystalizacja ta zachodzi w czasie same-

go odkształcenia plastycznego. Nowe ziarna utworzone w wyniku przejścia frontu re-
krystalizacji dynamicznej nasycają się ponownie dyslokacjami w następnym etapie od-
kształcenia. Proces ten nie powoduje więc wystąpienia struktury stabilnej.

Zdrowienie dynamiczna: uzyskuje się strukturę poligonalną o wyższych parametrach wy-
trzymałościowych, ale o niższej plastyczności.

Zdrowienie + odkształcenie = zdrowienie dyna-

miczne.

Rekrystalizacja dynamiczna: w wyniku tworzenia nowych ziarn prowadzi do zwiększenia
plastyczności, kosztem zmniejszenia wytrzymałości.

Rekrystalizacja + odkształcenie = rekry-

stalizacja dynamiczna

(przeróbka plastyczna na gorąco).

20/27

VII PROCESY AKTYWOWANE CIEPLNIE ZACHODZĄCE PODCZAS WYŻARZANIA ME-

TALI UPRZEDNIO ODKSZTAŁCANYCH PLASTYCZNIE NA ZIMNO

Zdrowienie obejmuje wszystkie przemiany i procesy bez przemieszczania się szerokokątnych
granic ziarn, głownie obniżają się naprężenia, następuje porządkowanie wewnątrz zniekształ-
conych ziarn ale nie mamy do czynienia z ruchem. Dla niskotopliwych metali i stopów proces
zdrowienia lub jego część może zachodzić równocześnie z odkształceniem – zdrowienie dyna-
miczne.

Zdrowienie statyczne:
Odkształcenie plastyczne na zimno powoduje

zatrzymanie energii zmagazynowanej

podczas

odkształcenia plastycznego nie zamienianej na ciepło, stanowiącej do ok. 10% energii od-
kształcenia. Energia ta powoduje

wzrost energii metalu

odkształconego plastycznie na zimno,

w wyniku tworzenia defektów sieciowych

.

Energia

zmagazynowana charakterystyczna dla sta-

nu metastabilnego

wyzwala się podczas wygrzewania metalu

uprzednio odkształconego pla-

stycznie na zimno, powodując

przejście metalu ze stanu metastabilnego do stanu równowagi

.

Zdrowienie statyczne jest procesem aktywowanym cieplnie, zachodzącym podczas wyżarzania
poniżej temp. rekrystalizacji. Proces ten jest związany ze zmniejszeniem stężenia defektów
punktowych, gęstości dyslokacji oraz zmianami w ich przestrzennym rozmieszczeniu. Podczas
zdrowienia następuje dyfuzja oraz anihilacja (likwidowanie) defektów punktowych, poślizg i
wspinanie dyslokacji, anihilacja dyslokacji różnoimiennych, kurczenie się i zanik pętli dysloka-
cji.

Metastabilność

– własność delikatnej równowagi stanów, które są stabilne dla małych odchy-

leń od położenia równowagi, ale większe wychylenie powoduje zmianę stanu i przejście do
równowagi pełnej, lub ew. innego stanu metastabilnego.

Zdrowienie statyczne:

1. Zatrzymanie energii zmagazynowanej podczas odkształcenia plastycznego nie zamienionej
na ciepło, stanowiącej ok. 1-10% energii odkształcenia.
2. Wzrost energii metalu odkształconego plastycznie na zimno, w wyniku utworzenia defek-
tów sieciowych.
3. Energia zmagazynowana, wyzwala się podczas wygrzewania metalu.
4. Przejście metalu ze stanu metastabilnego do stanu równowagi.

•

proces aktywowany cieplnie, zachodzący podczas wyżarzania poniżej temperatury re-
krystalizacji w metalach uprzednio odkształconych plastycznie na zimno.

Następuje:

•

zmniejszenie stężenia defektów punktowych

•

zmniejszenie gęstości dyslokacji

•

dyfuzja

•

likwidacja defektów punktowych

•

poślizg i wspinanie dyslokacji

•

zdrowienie + odkształcenie = zdrowienie dynamiczne

Rekrystalizacja

obejmuje wszystkie procesy związane z ruchem szerokokątnym granic

21/27

ziarn.

Ten etap rekrystalizacji pierwotnej kończy się z chwilą powrotu mikrostruktury i właści-

wości sprzed odkształcenia. Całkowicie zanikają naprężenia, rośnie plastyczność, wzrasta
wielkość ziarn. Dalsze nagrzewanie prowadzi do dalszego wzrostu wielkości ziarn.

Jeżeli re-

krystalizacja dokonuje się równocześnie z odkształceniem nazywamy ją rekrystalizacją dyna-

miczną

– charakterystyczną dla przeróbki plastycznej na gorąco. Dalsze nagrzewanie prowa-

dzi już nie do równomiernego a do selektywnego rozrostu ziarn. W wyniku czego otrzymuje-
my zróżnicowaną pod względem wielkości mikrostrukturę.

●

W celu wywołania rekrystalizacji niezbędne jest wcześniejsze odkształcenie materiału
większe od pewnego minimum,

●

im mniejszy stopień odkształcenia tym wyższa musi być temp. rekrystalizacji,

●

z wydłużeniem czasu wyżarzania obniża się temp. rekrystalizacji

●

końcowy wymiar ziarn zależy od stopnia odkształcenia, w mniejszym stopniu od temp.

●

w celu uzyskania drobniejszego ziarna konieczne jest większe odkształcenie i niższa
temp. wyżarzania,

●

im większe jest ziarno wyjściowe tym większe musi być odkształcenie plastyczne aby
wywołać rekrystalizację

●

materiał rekrystalizuje tym łatwiej im mniej zawiera zanieczyszczeń,

●

największe ziarno uzyskuje się po gniocie rzędu 2-15% (gniot krytyczny, należy go uni-
kać ze względu na niskie właściwości materiałów gruboziarnistych).

Rekrystalizacja:

•

obejmuje wszystkie procesy związane z ruchem szerokokątnym granic ziarn

•

całkowicie zanikają naprężenia

•

rośnie plastyczność

•

wzrasta wielkość ziarn (z powodu nagrzewania)

•

rekrystalizacja + odkształcenie = rekrystalizacja dynamiczna (przeróbka plastyczna na
gorąco)

VIII WPŁYW PRZEMIAN FAZOWYCH NA STRUKTURĘ METALI.

RODZAJE PRZEMIAN FAZOWYCH

Dyfuzja:

●

zależy od:


Struktury



Wielkości atomów



Temperatury atomów

●

drogami dyfuzji (miejscami przemieszczania się atomów) są:


Powierzchnia metalu



Granice ziarn



Wnętrze ziarn

22/27

●

może dokonywać się następującymi mechanizmami:


Wakansowym



Międzywęzłowym



Reaktywnym

Rodzaj obróbki cieplnej stosowanej zależy od: przemian fazowych.

W zależności od tego jak daleko w ich trakcie przemieszczają się atomy, przemiany dzielimy
na:

●

dyfuzyjne – atomy przemieszczają się na znaczne odległości, zależą od czasu

●

bezdyfuzyjne – przemieszczenie jest co najwyżej rzędu długości atomu/ odległości mię-
dzy atomami.

1) Przemiana bezdyfuzyjna (chłodzenie):

●

martenzytyczna:


Bezdyfuzyjna



Przemiana austenitu



Przemiana alotropowa Feγ–>Feα



Nie wchodzi zmiana stężenia węgla



Warunki konieczne do wykonania przemiany:


Prędkość krytyczna,



Przechłodzenie stali poniżej pewnej charakterystycznej temperatury początku
przemiany martenzytycznej.



Polega na tym że w wyniku zmiany warunków termodynamicznych dokonuje się
przemiana alotropowa żelaza γ w żelazo α o nieco zmienionej strukturze w kierunku
tetragonalnym (martenzyt)



Przy szybkim chłodzeniu przekroczeniu temperatury Ms (martenzyt start) z prędko-
ścią zbliżoną do prędkości dźwięku zachodzi przemiana w której dyfuzja praktycznie
nie ma miejsca,



Warunkiem postępu tej przemiany jest ciągłe obniżanie temperatury aż do osiągnię-
cia Mf (martenzyt finish) końca przemiany martenzytycznej dalsze obniżanie tempe-
ratury nie daje już zmian struktury mimo że pozostaje pewna ilość nieprzemienione-
go austenitu, wynika to ze znacznego wzrostu naprężeń wywołanego tym że gę-
stość martenzytu jest mniejsza od gęstości austenitu – taki nieprzemieniony auste-
nit nazywany jest austenitem szczątkowym,



Austenit szczątkowy – podwyższa odporność na ścieranie, kruchość pękania, wy-
trzymałość zmęczeniową ale obniża twardość i ogólna wytrzymałość stali, przyczynia
się do niestabilności wymiarowej oraz pęknięć szlifierskich



Dla danego gatunku stali temp. początku i końca przemiany martenzytycznej

nie za-

leży od prędkości chłodzenia



Zakres temperatury początku i końca przemiany martenzytycznej

zależy od zawarto-

ści węgla i objętości innych pierwiastków

w składzie stali.

3) Dyfuzyjna przemiana podczas nagrzewania.

●

etapy przemiany:


tworzenie się austenitu niejednorodnego



ujednorodnienie austenitu

23/27



rozrost ziarn austenitu

●

po nagrzaniu do temp. powyżej A1 różnica energii swobodnych powoduje dokonanie
się przemiany perlitu w austenit

●

zarodkowanie dokonuje się heterogenicznie na granicach ferryt-cementyt w perlicie
utworzony austenit rozrasta się i nastaje ujednorodnienie węgla.

4) Dyfuzyjna przemiana austenitu / Przemiana perlityczna przy chłodzeniu

●

podczas chłodzenia stali

eutektoidalnej po przechłodzeniu

poniżej Ar

1

D

rozpoczyna się

przemiana austenitu w perlit

●

perlit składa się w 87.5% z ferrytu zawierającego ok 0.02%C i w 12.5% z cemen-
tytu zawierającego ok 6.67%C z tych zależności wynika grubość poszczególnych faz w
perlicie

●

zarodki perlitu tworzą się homogenicznie na nierozpuszczonych składnikach, cząstkach
cementytu i ferrytu na granicach ziarn austenitu,

●

utworzony perlit charakteryzuje się rożną odległością i grubością płytek a tym samym

zróżnicowanymi właściwościami

, przy małym przechłodzeniu grubość i odległość mię-

dzy płytkami jest większa a twardość perlitu mniejsza

●

ze wzrostem przechłodzenia nie rośnie dyspersja i twardość perlitu, także prawdopodo-
bieństwo zarodkowania (spadek dyspersji)

5) Dyfuzyjny rozpad produktów przemiany bezdyfuzyjnej (nagrzewanie)

●

w wyniku

nagrzania uprzednio zahartowanej

stali do temp. poniżej A1, wytrzymania w

tej temp. następuje rozkład martenzytu w mieszaninę faz złożoną z ferrytu i
węglików

●

zmiana stanu zahartowanej stali z metastabilnego na stabilny

●

oprócz rozkładu martenzytu dokonuje się

przemiana austenitu szczątkowego

, wydziele-

nie i przemiany węglików ich koagulacja oraz migracja ziarn ferrytu

●

wszystkie te procesy

zmieniają właściwości

uprzednio zahartowanej stali – odpuszcza-

nej

●

intensywność procesów dokonujących się w trakcie odpuszczenia zależy głownie

od

temperatury ale i od pierwiastków stopowych

●

procesy dokonujące się w trakcie odpuszczania wywołują zmiany energii , zmiany wła-
ściwości fizycznych, zmiany objętości, co wykorzystujemy w metodach badań procesu
odpuszczania.

Hartowanie jest to zabieg cieplny polegający na nagrzaniu przedmiotu do temperatury au-
stenityzowania, wygrzaniu w niej, z następnym szybkim chłodzeniem celem otrzymania struk-
tury martenzytycznej lub bainitycznej. Wygrzewanie stali w wysokiej temperaturze wpływa na
powstanie gruboziarnistego austenitu, co określa się również pojęciem przegrzania, a po ozię-
bieniu powstaje martenzyt gruboziarnisty zwany także gruboiglastym oraz austenit szczątko-
wy. Im wyższa temperatura przegrzania, tym ilość austenitu szczątkowego większa.

Odpuszczanie – proces polegający na zmianie właściwości zahartowanej stali. Zwiększa cią-
gliwość stali, celem jest wydzielenie węgla z roztworu przesyconego. W zależności od zakresu
temperatury odpuszczanie dzieli się na:

•

niskie (100 – 250 °C) – poddawane są głównie narzędzia, które powinny cechować wy-
soka twardość i odporność na ścieranie,

24/27

•

średnie (250 – 450 °C) – nadaje obrabianym elementom wysokiej granicy sprężystości
przy jednoczesnym polepszeniu ich właściwości plastycznych np. sprężyny i resory,

•

wysokie (450 – 600 °C) - własności wytrzymałościowe maleją, plastyczne wzrastają.

Połączenie zabiegu hartowania z wysokim lub średnim odpuszczaniem nazywamy ulepsza-

niem cieplnym stali.

IX ŻELIWA

●

stopy odlewnicze na osnowie żelaza

●

dzielą się na stopowe i niestopowe

●

2,5-4,5%C w postaci cementytu lub grafitu.

●

0,5-5%Si –

ma wpływ na proces modyfikowania grafitu i na proces grafityzacji.

●

Mn –

tworzy bardziej trwałe niż cementyt węgliki. W rezultacie zapobiega grafityzacji.

Łatwo wiąże się z siarką, usuwając jej niekorzystny wpływ w żeliwie.

●

0,2-1,8%P

●

Siarka

jest domieszką szkodliwą

.

●

szeroko stosowane w budowie maszyn

●

wytapianie w piecach zwanych żeliwiakami, wsadem jest: surówka wielkopiecowa, złom
żeliwny, koks, topniki

●

Ze względu na charakter osnowy wyróżniamy żeliwo szare:

ferrytyczne, perlityczne,

ferrytyczno-perlityczne.

Ze wzrostem ilości perlitu w osnowie wzrasta wytrzymałość i

twardość żeliwa a maleje wydłużenie.

●

dzielą się na:



Szare – nazwa od ciemnego przełomu spowodowanego obecnością grafitu


Zwykłe:

➔

węgiel występuje w postaci grafitu płatkowego

➔

przełom ma szary kolor

➔

dobra skrawalność

➔

dobra wytrzymałość

➔

mały skurcz odlewniczy

➔

niski koszt wytwarzania

➔

duża zdolność tłumienia drgań

➔

dobra odporność na ścieranie

➔

Łatwość odlewania skomplikowanych kształtów w formach piaskowych lub
metalowych

➔

wytwarza się z niego odlewy korpusów, obudów, bloków pomp, sprężarek i
silników



Sferoidalne:

➔

zmiana kształtu grafitu z płatkowego na kulisty przez wprowadzenie substan-
cji silnie redukujących np. Mg

➔

dobre własności wytrzymałościowe

➔

dobre własności ślizgowe

➔

może ulegać odkształceniu bez uszkodzeń

➔

odporne na ściskanie i zginanie

➔

odporne na wysokie ciśnienia

25/27

➔

Zastosowanie: wały korbowe, pierścienie tłoków, łożyska, koła zębate

➔

Przykład: PN-EN GJL-200



Białe – nazwa pochodzi od jasnego przełomu


bardzo twarde



bardzo kruche



nie obrabialne mechanicznie przez skrawanie



jedyna obróbka przez szlifowanie



półprodukt żeliwa ciągliwego



Ciągliwe:


otrzymane w wyniku długotrwałego wyżarzania żeliwa białego (wyżarzanie grafi-
tyzujące)



mają pewną ciągliwość



bardzo dobre własności wytrzymałościowe (porównywalne do żeliwa sferoidalne-
go i stali)



elementy po odlaniu muszą mieć strukturę żeliwa białego



wytwarzane dwoma metodami:

➔

Żeliwo ciągliwe czarne

(metoda amerykańska) – wyżarzanie odlewów w at-

mosferze obojętnej

➔

Żeliwo ciągliwe białe

(metoda europejska) – wyżarzanie odlewów w atmosfe-

rze utleniającej



Przykład: EN-GJMW-400-5



Żeliwo stopowe:


odporne na korozję



żaroodporne, żarowytrzymałe



o podwyższonych własnościach mechanicznych



produkowane poprzez wprowadzenie rożnych pierwiastków stopowych: Si, Al, Cr,
Mo, Ni



Przykład: ZlCr2,5; ZlSi5Cr, ZlCr32

X CHARAKTERYSTYKA WIĄZAŃ MIĘDZY ATOMAMI,

WŁAŚCIWOŚCI METALI, CERAMIK, POLIMERÓW.

Wiązanie jonowe – powstaje między dodatnim i ujemnym jonem, które tworzą się wskutek
przyłączenia jednego lub kilku elektronów walencyjnych jednego atomu przez drugi atom, tak
że każdy z nich uzyskuje w zewnętrznej powłoce elektronowej trwałą konfiguracje oktetowi
(8-elektronową), charakterystyczną dla gazów szlachetnych. Istotą tego wiązania są siły elek-
trostatycznego oddziaływania różnoimiennych jonów. Jest to wiązanie bezkierunkowe, silne.

Wiązania atomowe (kowalencyjne) – powstaje między atomami, które oddają po jednym,
lub więcej elektronów walencyjnych na wspólny użytek obu atomów, tak że każdy z nich uzy-
skuje chwilową konfiguracje oktetową. Wiązanie to ma charakter kierunkowy, silny.

26/27

Wiązania Van der Waalsa (międzycząsteczkowe) – powstaje pomiędzy cząsteczkami na
skutek występowania sił oddziaływania pomiędzy dipolami tworzącymi się na skutek chwilo-
wych zmian rozkładu ładunku elektrycznego w cząsteczce. Energia wiązania jest proporcjo-
nalna do wielkości cząsteczek. Wiązanie to występuje w polimerach i w skroplonych gazach,
np. H2O, NH3. Jest słabe.
Wiązanie metaliczne - powstaje wskutek oddziaływania jonów dodatnich (rdzeni atomo-
wych) z elektronami walencyjnymi, które nie stanowią własności poszczególnych atomów,
lecz tworzą tzw. gaz elektronowy (są własnością całej sieci krystalicznej). Wiązanie to ma
charakter bezkierunkowy, silny.
Wiązanie wodorowe – polega głównie na przyciąganiu elektrostatycznym między atomem
wodoru i innym atomem elektroujemnym zawierającym wolne pary elektronowe, np. H2O.
Jest to wiązanie stosunkowo słabe.

Pierwotnym źródłem wszelkich właściwości materiału, a zatem i potencjalnych funkcji pełnio-
nych przez materiał, są wiązania chemiczne, czyli konfiguracja elektronowa składników mate-
riałów.
Metale:
- wysoka przewodność cieplna i ciepło właściwe,
- wysoka przewodność elektryczna malejąca ze wzrostem temperatury,
- nieprzeźroczystość i połysk metaliczny,
- odporność na obciążenia udarowe,
- podatność na odkształcenia plastyczne,
- wysoka podatność do krystalizacji w czasie krzepnięcia (stan amorficzny przy bardzo dużej
szybkości chłodzenia).
Ceramika:
- wysoka twardość i zarazem kruchość,
- większa od metali odporność na działanie wysokiej temperatury i agresywność środowiska,
- mała przewodność i rozszerzalność cieplna,
- właściwości izolacyjne, ale także półprzewodniki i wysokotemperaturowe nadprzewodniki.
Polimery:
-mała wytrzymałość mechaniczna i cieplna,
- mała gęstość,
- odporność na czynniki atmosferyczne i chemiczne,
- właściwości izolacyjne - elektryczne i cieplne,
- słabo odbijają światło - mają tendencje do przeźroczystości.

27/27