Informacja nt. organizacji zajęć laboratoryjnych z
przedmiotu Podstawy Nauki o Materiałach w II części
semestru

http://www.kkiem.agh.edu.pl/dydakt/N_mat/index.html

W dalszej części semestru ćwiczenia laboratoryjne będą
realizowane na dwóch wydziałach:

- Inżynierii Mechanicznej i Robotyki (część II) w

B2 – 03, 013,

015, 016

- Inżynierii Materiałowej i Ceramiki (część III) w

A3 – 507, 515

wg harmonogramu zamieszczonego na stronie:

Wymagane jest wcześniejsze przygotowanie merytoryczne z zakresu
tematycznego realizowanego laboratorium wg instrukcji do
poszczególnych ćwiczeń laboratoryjnych.

W czasie zajęć laboratoryjnych wiadomości każdego
studenta będą weryfikowane.

Instrukcje znajdują się na stronie:

 http://www.kkiem.agh.edu.pl/dydakt/N_mat/index.html
 http://kcs.fc.pl/przedmiot/nauka-o-materialach-wimir

Kontakt do osób koordynujących:

dr inż. Zbigniew Pędzich

[e-mail]

(WIMiC)

dr inż. Sławomir Zimowski

[e-mail]

(WIMiR)

dr inż. Marcin Kot

[e-mail]

(WIMiR)

Stale odporne na korozję

KOROZJA – DEFINICJE

Degradacja środowiskowa materiałów –

degradacja

mikrostruktury i właściwości materiałów w wyniku
działania agresywnych chemicznie środowisk,
naprężeń, temperatury i czasu.

Korozja metali

– niszczenie metali pod wpływem

chemicznego lub elektrochemicznego działania
środowiska.

Korozja chemiczna –

korozja w suchych gazach i

nieelektrolitach

Korozja elektrochemiczna

– korozja w wilgotnych gazach

i elektrolitach

Korozja elektrochemiczna

- niszczenie metalu w wyniku

procesów elektrodowych zachodzących na granicy faz

metal – elektrolit. Metal ulega rozpuszczaniu

przechodząc do elektrolitu w postaci jonów:

Fe  Fe

+2

+ 2e

-

Reakcje towarzyszące korozji

Redukcja
(katoda)

Utlenianie
(anoda)

jony
przechodzą
do roztworu
(elektrolitu)

powstaje
potencjał
ektryczny

wydziela
się gaz

• miejsce dla reakcji

utleniania

• miejsce dla reakcji redukcji
• ścieżka przepływu

elektronów

• ścieżka przepływu jonów

Ogniwo korozyjne

Potencjały elektrodowe

• Skłonność metalu do korozji elektrochemicznej może być

wyrażona za pomocą siły elektromotorycznej (SEM) ogniwa
korozyjnego

• Im większa wartość (SEM) tym większa skłonność do korozji
• Potencjały elektrodowe metali w roztworach ich jonów o

aktywności 1 nazywa się normalnymi lub standardowymi;

• Potencjały mierzy się zwykle względem elektrody

wodorowej (0 V)

Elektroda wodorowa zbudowana jest z platyny pokrytej
czernią platynową (drobno krystaliczna platyna o rozwiniętej
powierzchni) zanurzona w roztworze kwasu i w strumieniu
gazowego wodoru.

(Pt)H

2

H

+

Jeżeli ciśnienie gazowego wodoru wynosi 1013 hPa, a aktywność
jonów H

+

równa jest jedności, to taką elektrodę nazywamy

normalną elektrodą wodorową (NEW).

Szereg napięciowy i

galwaniczny

Szereg napięciowy

normalnych

potencjałów

względem elektrody

wodorowej

Szereg galwaniczny

potencjałów w 3%

roztworze NaCl

Pt/Pt

2+

Ag/Ag

+

Cu/Cu

2+

Sn/Sn

4+

H

2

/H

+

Pb/Pb

2+

Ni/Ni2

+

Fe/Fe

2+

Zn/Zn

2+

Ti/Ti

2+

Al/Al

3+

+1,2
+0,8
+0,34
+0,01
0,00
-0,13
-0,25
-0,44
-0,76
-1,63
-1,67

Pt
Ti
Ag
Cu
Ni
Pb
Fe
Al
Zn

+0,4

7
+0,3

7
+0,3

0
+0,0

4
-0,03
-0,27
-0,40
-0,53
-0,76

Normalny potencjał
elektrodowy

określa odporność metalu
na korozję.
Im więcej jonów metalu
przechodzi do elektrolitu,
tym mniejsza jest
odporność metalu na
korozję i bardziej ujemny
potencjał.

Zestawienie według
malejących potencjałów
nazywa się szeregiem
napięciowym metali.

Elektrolit rzadko jest roztworem jonów metalu korodującego

Szereg napięciowy w określonym roztworze – szereg galwaniczny

Korozja galwaniczna

Połączenia kabla
miedzianego z
aluminiowum

Al : -0,85 V
Cu: -0,20 V

Przy zetknięciu różnych metali tworzą się lokalne ogniwa

Rynna aluminiowa została
przymocowana
miedzianym drutem

Korozja wżerowa - pitting

Ten typ korozji jest
szczególnie aktywny w
obecności chlorków

100x

Korozji wżerowej towarzyszy
często korozja
międzykrystaliczna

Korozja szczelinowa

Powstaje w szczelinach przy
złączeniach części metalowych;
miejsca takie są często
nieuniknione

Przyczyna:

zawartość tlenu w wodzie
(elektrolicie) w szczelinie jest
mniejsza niż na brzegu
szczeliny - powstaje lokalne
ogniwo, w którym elektrodami
są: woda z

nadmiarem

i

woda z

niedoborem

tlenu.

Korozja zachodzi na styku tych
dwóch stref.

Korozja międzykrystaliczna

Schemat
granicy
ziarn w
stopie 2xxx

Ogniwa tworzą się pomiędzy osnową
stopu i wydzieleniami lub pomiędzy
osnową a zubożoną strefą w pobliżu
granicy – rRóżnica potencjałów dochodzi
do ok. 0,12 V

stop 2519
T8

Zapobieganie:

Unikanie tworzenia stref wolnych od
wydzieleń

Strefy ubogie
w Cu szybko
korodują

Korozja warstwowa – stopy

Al

Forma korozji międzykrystalicznej

. Zachodzi równolegle do

powierzchni metalu, wzdłuż wydłużonych w wyniku przeróbki
plastycznej granic ziarn

materiał "puchnie"

stopy

1xxx

i

3xxx

są

odporne

stopy

7xxx

i

2xxx

są

wrażliwe

Przestarzenie i rekrystalizacja usuwa
wrażliwość

Struktura stopów wrażliwych
na korozję warstwową

Stop 2195 T8

Stop 7150 T8

Pękanie naprężeniowo-

korozyjne

Stress corrosion cracking

Kruche pękanie stopu, uważanego za plastyczny w
normalnych warunkach, poddanego

jednoczesnemu

działaniu

naprężeń rozciągających

oraz

środowiska

korozyjnego

, przy czym żaden z tych czynników

działając samodzielnie nie powoduje zniszczenia

Warunkiem koniecznym pękania naprężeniowo-korozyjnego
jest czułość na korozję międzykrystaliczną

Wśród stopów Al wrażliwe są stopy

2xxx

,

7xxx

oraz czasami

6xxx

Zniszczenie następuje przy
naprężeniu znacznie
mniejszym od granicy
plastyczności

Pękanie naprężeniowo

korozyjne

przyczyny mikrostrukturalne

• Strefy wolne od wydzieleń

przy granicach ziarn

• Natura wydzieleń

umacniajacych - najbardziej

podatne są stopy ze

strefami GP

• Rozmieszczenie wydzieleń

na granicach ziarn

• Zmiany stężenia składników

rozpuszczonych

• Adsorpcja atomów

zanieczyszczeń na

powierzchni pęknięcia

rozpuszczanie
obszaru przy
granicy
(anodowe)

pękanie z
udziałem
wodoru

przerwanie
ochronnej
warstwy
tlenku

Szybkość korozji - czynniki

Metalurgiczne:

– skład chemiczny

– obróbka cieplna

– przeróbka plastyczna

• Obróbka cieplna:

sytuacja idealna - dodatki
stopowe całkowicie
rozpuszczone, szybkość
chłodzenia duża,
jednorodna
mikrostruktura

• Przeróbka

plastyczna:

niejednorodności
odkształcenia,
kierunkowa
mikrostruktura

Środowiskowe:

•woda

•pH

•czystość stopu

(obecność metali

ciężkich)

•wodór

•temperatura

Szybkość korozji - czynniki

Miejsca odkształcone
(zgniecione) i nie
wyżarzone szybciej
korodują niż pozostała
część.

Mechanizm korozji –
ogniwo naprężeniowe, np.
szybko korodują okolice
spoiny (miejsce
występowania naprężeń
spawalniczych)

Ochrona przed korozją –

powłoki

17

Powłoki izolujące (katodowe)

: powłoki z metalu

bardziej szlachetnego – metalu o wyższym niż
metal chroniony potencjale standardowym.
Dla stali - powłoki z Cu, Ni, Cr

Powłoki ekranujące (protektorowe lub anodowe)

:

powłoki z metalu mniej szlachetnego. Dla stali -
cynkowanie.

Pokrywanie chronionego metalu warstwą metalu

bardziej lub mniej szlachetnego

Stal - katoda

Powłoka anodowa

Powłoka katodowa

Stal - anoda

Sn

Zn

Stale odporne na korozję

18

%
Cr

0

5

10

15

10,5
%

Przy tej zawartości Cr w
stopie warstwa
pasywna jest
zbudowana głównie z
jego tlenków

Podstawowym pierwiastkiem stali odpornych na korozję
jest

chrom

, w ilości co najmniej

10,5% (12%),

który

tworzy pasywną warstwę tlenku chromu (Cr

2

O

3

)

na

powierzchni stali

Warunki pasywności:

–

Maksymalna zawartość węgla
1,2% C

–

Pasywność się poprawia gdy:
zawartość chromu wynosi ~17%

–

Większość stali wysokostopowych
zawiera 17-19% Cr

S

zy

b

k

o

ś

ć

k

o

ro

zj

i

(

m

m

/r

o

k

)

0,2

0,1

Stale odporne na korozję

19

Podział ze względu na
strukturę

:

•ferrytyczne,

•austenityczne,

•martenzytyczne,

•ferrytyczno-austenityczne
(dwufazowe),

•umacniane wydzieleniowo.

Stale

austenityczne

stanowią

ponad 2/3 wszystkich
produkowanych stali odpornych na
korozję

stale odporne na korozję stanowią ok. 2% wszystkich
produkowanych stali na świecie.



Podział ze względu na

skład chemiczny:

Cr,

Cr-Ni
Cr-Ni-Mo
Cr-Mn-Ni



Podział ze względu

na główne własności

Nierdzewne

Żaroodporne

Żarowytrzymałe

Układ dwuskładnikowy Fe – Cr

20

Chrom (Cr)
• Zwiększa odporność

korozyjną

• Zwiększa hartowność
• Zwiększa

wytrzymałość w

podwyższonej

temperaturze

• Minimalna zawartość

– 10.5% Cr



Cr

(RPC)

(RSC)

(RPC)

-Fe

-Fe

δ-Fe

Stale ferrytyczne

rozszerzenie pola
ferrytu δ (do
temperatury
pokojowej)

Układ dwuskładnikowy Fe – Ni

21

Nikiel (Ni)
• Sprzyja tworzeniu

austenitu (działa

odwrotnie niż Cr,

który stabilizuje

ferryt)

• Zwiększa

hartowność

• Zwiększa odporność

na pękanie

Ni

(RSC)

(RPC)

-Fe

-Fe

δ-Fe

t

(RPC)





rozszerzenie pola
austenitu (do
temperatury
pokojowej)

Stale
austenityczne

12%

Pierwiastki stopowe

22

Rola pierwiastków stopowych

23

•

Chrom (Cr)

• Zwiększa odporność korozyjną
• Zwiększa wytrzymałość w podwyższonej temperaturze
• Minimalna zawartość – 10.5% Cr

•

Nikiel (Ni)

• Sprzyja tworzeniu austenitu (działa odwrotnie niż Cr i Mo, które

stabilizują ferryt)

• Zwiększa odporność na pękanie

•

Molibden (Mo)

• Sprzyja rozdrobnieniu ziarna
• Zwiększa odporność korozyjną w roztworach soli (wodzie morskiej)

•

Węgiel (C)

• Zwiększa wytrzymałość stali martenzytycznych
• Poza wyjątkiem stali martenzytycznych i stali do zastosowań w

wysokiej temperaturze jest szkodliwy

•

Azot (N)

• stabilizuje i umacnia austenit
• zwiększa odporność na korozję

•

Tytan i niob (Ti, Nb)

• dodawane w celu związania C i N w trwałe związki, aby ograniczyć

lub wyeliminować skłonność stali do korozji międzykrystalicznej

Wpływ składu chemicznego na

mikrostrukturę stali (wykres

Schafflera)

ró

w

n

o

w

a

żn

ik

n

ik

lu

równoważnik chromu

Wykres Schaefflera nie jest wykresem
równowagi

Stale ferrytyczne

25

Struktura stali ferrytycznej X3CrTi25 :
gruboziarnisty ferryt stopowy z wydzieleniami
węglików

• Są magnetyczne,

• mogą mieć dobrą ciągliwość

i podatność do obróbki
plastycznej na zimno,

• wytrzymałość nie

przekracza 600 MPa

• nie mogą być umacniane

przez hartowanie,

• nie są także umacniane

przez odkształcenie,

• Stale ferrytyczne są tańsze od stali

austenitycznych (nie zawierają
drogiego niklu).

• Ich odporność na korozję

równomierną jest mniejsza niż stali
austenitycznych.

• Są

nieczułe na korozję

naprężeniową

.

Wadą stali ferrytycznych jest zbyt

wysoka temperatura przejścia w
stan kruchy

Główne zastosowanie: stal

X2CrTi12

na układy wydechowe

samochodów

węgliki

Stale ferrytyczne

26

Stale ferrytyczne

27

Stale ferrytyczne -
własności i zastosowanie

28

Stale martenzytyczne

29

Struktura stali nierdzewnej
martenzytycznej X20Cr13 hartowanej z
950

0

C w powietrzu; martenzyt stopowy

Stal odporna na korozję ma w pełni martenzytyczną mikrostrukturę

jeżeli:

•w temperaturze wyżarzania, tj. ok. 1050

o

C, jej mikrostruktura jest

austenityczna,

•zakres temperatury

M

s

- M

f

jest powyżej temperatury pokojowej.

Hartowane i odpuszczane stale
martenzytyczne mają granicę
plastyczności od 450 do 1850
MPa

ferryt δ

200 μm

Stale martenzytyczne

30

Stale odporne na korozję martenzytyczne różnią się
od stali ferrytycznych głównie większą zawartością
węgla; zawierają od 0,05 do 1,2% C i od 12 do 18%
Cr
Najczęściej stosowaną stalą martenzytyczną odporną
na korozję jest stal

X12Cr13

Własności i zastosowanie

31

Elementy o wymaganej wysokiej wytrzymałości i twardości:

ostrza noży, żyletki, narzędzia chirurgiczne, sprężyny itp.

Stale martenzytyczne

32

Korozja międzykrystaliczna

33

Z

a

w

a

rt

o

ść

C

r

12%

Granica
ziarna

Węglik
Cr

23

C

6

Stężenie Cr
zapewniające
odporność
korozyjną

Stężenie średnie
w stali 18% Cr

Stale martenzytyczne

34

Obróbka cieplna i własności mechaniczne

Stale austenityczne

35

Struktura stali austenitycznej X10CrNi18-
8 przesyconej z 1059

o

C w wodzie

Nikiel - konieczny do uzyskania struktury

austenitycznej
Nikiel może być częściowo zastąpiony przez Mn i N

Standardowe gatunki stali austenitycznych
Stale Cr-Ni, Cr-Ni-Mo (Stale serii 300 wg AISI)

Stale Cr-Ni-Mn (Stale serii 200 wg AISI)

 Wysokostopowe gatunki stali

austenitycznych (super

austenityczne)

– wysokie stężenie Cr, Mo, N
 Stale o wysokiej odporności

korozyjnej

 Stale żaroodporne
 Żarowytrzymałe

Częściowe zastąpienie Ni przez Mn
i N pozwala na uzyskanie tańszych
gatunków stali austenitycznych o
korzystnych niektórych
własnościach mechanicznych

100 μm

Oznaczenia stali
austenitycznych

36

Stale austenityczne

37

Stale austenityczne

38

Stale Cr-Ni-Mo

Stale Cr-Mn-Ni

Molibden poprawia odporność
korozyjną, jednak wymaga
stosowania większej ilość niklu do
stabilizacji austenitu

Stale austenityczne - Obróbka cieplna i

własności mechaniczne

39

Struktura austenitu bez węglików i faz międzymetalicznych w wyniku

przesycania w wodzie z zakresu temperatury 1000 - 1200

°

C (chłodzenie

na powietrzu lub w wodzie). Czas wygrzewania 1 -3 min./mm grubości).

Unikać wygrzewania w zakresie 500

– 800°C (korozja międzykrystaliczna)

Zastosowani

e

40

 Elementy wyposażenia kuchennego -

garnki, miski, widelce, itd..

 Zastosowania budowlane, okucia,

elementy elewacji, balustrady

 Meble gastronomiczne, przemysł

spożywczy, obróbka pożywienia w tym

mięsa, wina, piwamięsa, wina, piwa

 Środki transportu, zbiorniki okrętowe do

magazynowania skroplonych gazów

(LNG)

 Zbiorniki i urządzenia procesowe dla

przemysłu chemicznego,

petrochemicznego, naftowego,

wydobywczego i celulozowo-

papierniczego

Stale ferrytyczno-austenityczne

(duplex)

41

Połączenie własności stali
austenitycznych i
ferrytycznych

•Kombinacja wysokiej wytrzymałości i
odporności korozyjnej
•Faza austenityczna – ciągliwość,
udarność, odporność korozyjna
•Faza ferrytyczna – wytrzymałość na
rozciąganie, granica plastyczności,
twardość; udział ferrytu od 30 do 50%

Zalety:

•bardzo dobra

odporność na

pękanie naprężeniowo-
korozyjne

, korozję wżerową i

szczelinową oraz dobra spawalność

•nie występuje korozja
międzykrystaliczna

Stale ferrytyczno-

austenityczne

42

stal duplex w stanie odlanym

stal duplex w stanie
przerobionym plastycznie i
wyżarzonym

 Przemysł stoczniowy - chemikaliowce,

 Elementy i urządzenia pracujące w

środowisku wody morskiej, pompy i

zawory na platformach wiertniczych,

instalacje odsalania,

 Elementy wymienników ciepła,

 Zbiorniki dla przemysłu celulozowo-

papierniczego,

 Przemysł spożywczy – przetwórstwo

wysoko solonych produktów, m.in. sos

pomidorowy i sojowy.

Stale umacniane

wydzieleniowo

43

Wydzieleniowo umacnia się stale martenzytyczne i austenityczne

Do tego celu są stosowane następujące pierwiastki: Cu, Al, Ti i Nb, a
fazami umacniającymi są cząstki: Cu, Ni

3

(Al,Ti), NiAl, Cr

2

N, węglików,

azotków i innych faz międzymetalicznych

Stale umacniane

wydzieleniowo

44

Stale umacniane

wydzieleniowo

45

Stale umacniane wydzieleniowo w stosunku do
stali martenzytycznych:

•mają lepszą kombinację wytrzymałości, ciągliwości i odporności na
pękanie,

•przy tej samej ciągliwości mają większą wytrzymałość,

•przy tej samej wytrzymałości mają zwykle większą odporność na
korozję,

•ze względu na sposób umocnienia mają większą podatność do
kształtowania przez obróbkę plastyczną na zimno

Porównanie własności

46

Austenitiyczne

Ferrytyczne

Martenzytyczne

Skład

chemiczny

18% Cr; >8% Ni;

0.1% C (% mas.)

15-30% Cr; >1%

Mo; <1% C (%

mas.)

12-17% Cr; 0.1-

1%C (% mas.)

Odporność

korozyjna

Bardzo dobra

Dobra

Średnia

Odporność na

utlenianie

Dobra

Dobra

Średnia

Wytrzymałość

Średnia

Słba/Średnia

Wysoka

Odporność na

pękanie

Bardzo dobra

Średnia

Średnia

Formowalność

Dobra

Średnia

Średnia

Spawalność

Dobra

Słba/Średnia

Słaba/Średnia

Koszt

Wysoki

Średni

Średni

Porównanie własności

mechanicznych

47

wydłużenie (%)

n

a

p

rę

że

n

ie

20

30

40

Materiały i temperatura

48

Zakres kriogeniczny od temperatury

- 273

o

C

do temperatury pokojowej –

stale austenityczne, stopy Al

Zakres w pobliżu temperatury otoczenia

-20 ÷ 150

o

C

dotyczy typowej

inżynierii mechanicznej i cywilnej, np. sprzęt domowy i sportowy oraz
konstrukcje samolotów. –

większość materiałów

Materiały stosowane na silniki spalinowe i w przemyśle spożywczym pracują
w zakresie temperatury

150 ÷ 400

o

C

.

W zakresie temperatury

400 ÷ 650

o

C

pracują turbiny parowe i kotły,

natomiast turbiny gazowe i aparatura chemiczna pracują w zakresie
temperatury

650 ÷ 1000

o

C

.

Niektóre

polimery i kompozyty

z ich osnową mogą pracować w

temperaturze nawet

do 250

o

C.

Dlatego stanowią konkurencję dla stopów

Mg i Al oraz dla znacznie cięższych żeliw i stali.
Do zastosowań

powyżej 400

o

C

wymagane są stopy odporne na pełzanie;

stosowane są zwykle

stale ferrytyczne i stopy Ti.

W temperaturze

powyżej 500

o

C

stosowane są

stale odporne na korozję

i nadstopy na osnowie żelaza

.

Na konstrukcje nagrzewające się

powyżej 650

o

C

stosowane są

stale

austenityczne oraz nadstopy na osnowie Ni i Co.

Powyżej 1000

o

C

stosowane są

ceramiki i metale wysokotopliwe: Mo,

W, Nb.



Zwiększenie koncentracji wakancji



Zwiększenie szybkości dyfuzji → procesy kontrolowane

dyfuzją uaktywniają się



Mogą zachodzić przemiany fazowe



Wpływ na ziarna:

◘ osłabienie granic
◘ migracja granic
◘ rekrystalizacja / rozrost



Wpływ na dyslokacje:

◘ wspinanie
◘ mogą uaktywnić się nowe systemy

◘ zmiana płaszczyzny poślizgu



Przestarzenie – rozpuszczanie i rozrost cząstek wydzieleń



Zwiększona podatność na utlenianie (korozję)

Materiały w podwyższonej

temperaturze

49

Umocnienie metali

• Umocnienie

roztworowe

– przeszkody

zerowymiarowe

• Umocnienie

dyslokacyjne

– przeszkody

jednowymiarowe

• Umocnienie

granicami ziarn

(przez rozdrobnienie

ziarna) – przeszkody dwuwymiarowe

• Umocnienie

cząstkami

– przeszkody trójwymiarowe

50

Umocnienie

–

wytworzenie przeszkód dla

dyslokacji

Które z tych mechanizmów są skuteczne w
podwyższonej temperaturze, a które nie?

Mechanizmy umocnienia w

podwyższonej temperaturze

51



Umocnienie roztworowe – jego skuteczność jest mniejsza
niż w temperaturze pokojowej



Umocnienie odkształceniowe (dyslokacyjne)

nie jest

skuteczne

– zdrowienie i rekrystalizacja



Rozdrobnienie ziarna

jest szkodliwe

ze względu na

poślizg po granicach ziarn

► Monokryształy
► Ziarna kolumnowe



Umocnienie wydzieleniowe

nie jest zwykle dobrą

metodą

, ponieważ cząstki koagulują (mniejsze rozpuszczają

się, a większe rozrastają się – odległości między cząstkami
zwiększają się



Umocnienie dyspersyjne – jest korzystne



Umocnienie fazami uporządkowanymi –

jest skuteczne

Pełzanie

52

Pełzanie

–

zależne od czasu odkształcenie

plastyczne pod wpływem stałego obciążenia,
zwykle mniejszego od granicy plastyczności

Pełzanie

występuje, gdy:

T > 0,35T

t

dla metali,

T > 0,45T

t

dla ceramik.

Do konstrukcji eksploatowanych w wysokiej
temperaturze należą między innymi: turbiny, kotły,
aparatura przemysłu chemicznego i
petrochemicznego oraz reaktory jądrowe. Zniszczenie
może być

mechaniczne

lub

chemiczne

, dlatego

odporność na pełzanie

jest tak samo ważna jak

odporność na utlenianie.

Krzywa pełzania

53

Procesy wpływające na
szybkość pełzania:

•dyfuzyjna migracja atomów,
•przemieszczanie dyslokacji
(poślizgowe i przez wspinanie),
•poślizg po granicach ziarn,
•zdrowienie, rekrystalizacja i
rozrost ziarn,
•wzrost cząstek fazy
umacniającej (koagulacja).

Na krzywej pełzania można wyróżnić

trzy zakresy

(trzy

stadia) pełzania: I, II i III

1) Zakres, w którym szybkość odkształcenia zmniejsza się znacznie
z upływem czasu.
2) Stan ustalony pełzania, w którym szybkość odkształcenia jest
stała i najmniejsza.
3) Zakres, w którym następuje znaczny wzrost szybkości
odkształcania.

Pełzanie ustalone

54

Z praktycznego punktu widzenia najważniejszy jest zakres drugi
o stałej szybkości pełzania [ε

u

= (dε/dt)

u

] – od niego zależy okres

ekspolatacji konstrukcji.

.



0

czas

→

O

d

k

sz

ta

łc

e

n

ie

(

)

→



0

Wzrost naprężenia

czas

→

O

d

k

sz

ta

łc

e

n

ie

(

)

→



0



0

Wzrost temperatury T

Pełzanie ustalone

55

W drugim stadium pelzania szybkość jest stała
(niezależna od czasu i odkształcenia);
Szybkość odkstałcania w tym zakresie zależy tylko od
naprężenia σ i temperatury T:

Równanie to można przepisać w
formie:

czyli jako iloczyn dwóch funkcji niezależnych.
Zależność od temperatury ma formę

prawa

Arrheniusa:

gdzie:
Q

c

– energia aktywacji dla pełzania, (jednostką Q

c

jest J∙mol

-

1

)

R – stała gazowa (8.31 J∙mol

-1

K

-1

)

Parametry pełzania

56

Zależność od naprężenia opisuje empiryczne prawo Nortona:

Q

c

– energia aktywacji dla pełzania,

n – wykładnik potęgowy

Ostatecznie, ogólne równanie opisujące krzywą pełzania w stanie ustalonym ma postać:

Dla większości czystych metali n = 4 - 6.
Dla małych naprężeń jednak, n jest w przybliżeniu równe 1, a dla bardzo
dużych naprężeń prawo potęgowe przestaje obowiązywać (n rośnie i nie
jest stałe).

Zmiany n lub Q

c

w poszczególnych zakresach temperatury i naprężenia

są tłumaczone zmianą mechanizmu odkształcenia podczas pełzania.

Mechanizmy pełzania

58

Wyróżnia się dwa mechanizmy pełzania:

∙

dyfuzyjny

(pełzanie liniowo-lepkie),

∙

dyslokacyjny

(spełniający potęgowe prawo pełzania)

Granice ziarn są
źródłem i miejscem
zaniku wakancji

Pełzanie

Wspinanie dyslokacji

Dyfuzja wakancji

Poślizg poprzeczny

Poślizg po granicach ziarn

Zjawiska towarzyszące pełzaniu:

Pełzanie = umocnienie odkształceniowe + zdrowienie

Mechanizmy pełzania

59

Pełzanie dyfuzyjne

Granice ziarn są źródłem i
miejscem zaniku wakancji

Przyłączenie wakancji do granicy
prowadzi do opuszczenia granicy przez
atom. Migracja wielu wakancji do
granicy powoduje zmniejszenie
wymiaru ziarna w kierunku do niej
prostopadłym.
Emisja wakancji z granicy powoduje
natomiast przyłączanie do niej atomów,
a to prowadzi do wzrostu ziarna w
kierunku prostopadłym do garnicy.

Przepływ wakancji

Pełzanie dyfuzyjne

60

Migracja wakancji spowodowana naprężeniem może
odbywać się:

•przez ziarna –

pełzanie Nabarro-Herringa

•po granicach ziarn –

pełzanie Coble'a

W przypadku czystych metali:

•Energia aktywacji pełzania mechanizmem Nabarro-Herringa jest
równa energii aktywacji samodyfuzji przez wnętrza ziarn

Q

D

;

•Energia aktywacji pełzania mechanizmem Coble'a jest równa
energii aktywacji samodyfuzji granicami ziarn

Q

GZ

.

Ponieważ

Q

D

> Q

GZ

, to w wysokiej temperaturze dominuje

mechanizm pełzania Nabarro-Herringa, a w temperaturze
bliskiej 0,4T

t

mechanizm Coble'a.

Pełzanie dyslokacyjne

61

Przemieszczające się podczas
odkształcania plastycznego dyslokacje
napotykają na swej drodze różnego
rodzaju przeszkody:

•atomy domieszki,

•inne dyslokacje,

•cząstki innej fazy,

•garnice ziarn.

Wspinanie dyslokacji

Dyslokacje mogą
pokonywać
przeszkody dzięki
dyfuzji.

wspinanie

cząstka

cząstka

Mapy Weertmana-Ashby’ego

62

Obszary temperaturowo-
naprężeniowe
występowania
poszczególnych
mechanizmów
odkształcania (pełzania) są
przedstawiane na

wykresach
mechanizmów
odkształcania

. Takie

wykresy są pomocne przy
doborze materiałów do
zastosowań w wysokiej
temperaturze

Konkretny mechanizm umocnienia jest skuteczny jedynie
wówczas, jeżeli hamuje pełzanie we właściwym obszarze mapy.
Np. umocnienie dyspersyjne jest efektywne w hamowaniu
poślizgu dyslokacji i ich wspinania, natomiast nie może
skutecznie hamować pełzania Nabarro-Herringa lub Coble'a.

Pękanie podczas pełzania

63

Rozerwanie materiałów krystalicznych
podczas pełzania pod działaniem naprężenia
rozciągającego następuje po nieoczekiwanie
małym odkształceniu

2 ÷ 5%

.

Przyczyną są pustki zarodkujące na
granicach ziarn prostopadłych do kierunku
naprężenia rozciągającego.
Pustki są źródłem atomów, dlatego rosną
szybko. Nie przenoszą obciążenia, więc w
pozostałym obszarze granicy naprężenia
rosną, co zwiększa szybkość wzrostu pustek
aż do ich łączenia się i rozerwania
materiału.

Materiały odporne na

pełzanie

64

Odporność

na

pełzanie

Umocnienie dyspersyjne → np. ThO

2

w Ni (~0.9 T

m

)

Umocnienie roztworowe

Wysoka temperatura topnienia → np. ceramiki

Umocnienie cząstkami uporządkowanymi

Monokryształy / ziarna kolumnowe



Wyższa temperatura – wyższa sprawność silnika

cieplnego



O wyborze materiału decyduje koszt, łatwość wytwarzania,

gęstość itp.



Najczęściej stosowane → stopy Fe, Ni, Co

Materiały do zastosowań

wysokotemperaturowych

65

Materiały do zastosowań wysokotemperaturowych
powinny się charakteryzować:

•wysoką temperaturą topnienia

(szybkość

dyfuzji proporcjonalna do T/T

t

),

•dużą ilością mocnych przeszkód dla ruchu
dyslokacji

- umocnienie cząstkami innej fazy,

•dużym ziarnem.

Szybkość dyfuzji w metalach o strukturze
krystalicznej

RPC

jest większa niż w

metalach o strukturze

RSC

. Dlatego

materiały o strukturze

RSC

są korzystniejsze

niż materiały o strukturze

RPC

Badanie pełzania

66

T (log t

r

+ C) = m

Zależność Larsona –
Milera

temperatura w kelwinach
czas do zniszczenia w godzinach

σ = const.

Gdy chcemy znać czas do
zniszczenia przy określonym
naprężeniu i temperaturze T

a

prowadzi się test w temperaturze
wyższej T

b

i tym samym

naprężeniu

Wykres dla stopu Fe S-590
(C = 17).

1/Temperatura

Lo

g

c

za

su

d

o

z

n

is

zc

ze

n

ia

σ

a

σ

b

σ

c

σ

a

> σ

b

>

σ

c

Nadstopy (superstopy)

- stopy

stosowane w podwyższonej temperaturze,
często do ok.

0,8 T

t

,

których

podstawowymi parametrami są:

•wytrzymałość na pełzanie

oraz

•odporność na korozję

Są to stopy na osnowie niklu, żelaza lub
kobaltu zawierające kilkanaście dodatków
stopowych

Nadstopy

Skład chemiczny

Roztwór stały

faza uporządkowana,
struktura krystaliczna cP4

(L1

2

)

Obie fazy są koherentne,
niedopasowanie

0 - 1%

Cr
Mo
W
V
Co
Fe

Ti

Nb

Ta

Ni

3

Al – Faza

γ'

Podstawowe dodatki stopowe to:

Ni

-

osnowa o strukturze RSC

Cr

-

(w roztworze), odporność na utlenianie

Al, Ti

-

tworzenie fazy γ'

Osobliwości fazy Ni

3

Al

• Wytrzymałość rośnie z

temperaturą

• Plastyczność
• Umocnienie

roztworowe silniejsze
w wyższej
temperaturze

• Uporządkowanie do

temp. topnienia

Wytrzymałość nadstopów

Kształt wydzieleń fazy ' w

nadstopach

kulisty - małe wydzielenia, mała V

v

,

kształt sześcianów - wydzielenia większe, małe

niedopasowanie
płytki - duże niedopasowanie ujemne (parametr '

> parametr )

kształt

zależy od niedopasowania, energii

powierzchniowej ' oraz objętości względnej '

Waspaloy

PWA
1480

Udoskonalenie stopów (skład
chemiczny + metody
wytwarzania +
mikrostruktura znacząco
podniosło temperaturę pracy
nadstopów Ni

Rozwój nadstopów

M

a

k

s

y

m

a

ln

a

t

e

m

p

e

ra

tu

ra

p

ra

c

y,

°

C

Rok

Re

Monokryształy

Polikryształy

Ziarna
kolumnowe

Rozwój nadstopów -

wytwarzanie

Mikrostruktura łopatek z nadstopu niklu o  ziarnach
równoosiowych i kolumnowych oraz monokrystalicznych

J. Sieniawski, K. Kubiak

Właściwości nadstopów

Porównanie właściwości nadstopów niklu o ziarnach
równoosiowych, krystalizowanych kierunkowo
i monokrystalicznych

J. Sieniawski, K. Kubiak

Ewolucja nadstopów

Postęp

w zakresie poprawy osiągów silników

lotniczych

Konwencjonaln

e

nadstopy niklu

Stal

nierdzewna

Bariery TBC

Nadstopy niklu
–
monokryształy

J. Sieniawski, K. Kubiak, 2010

POWŁOKOWE BARIERY CIEPLNE

TBC

Pojęciem TBCs (Thermal Barrier Coatings)

określa się powłoki,

które dzięki niskiej przewodności cieplnej stanowią barierę oddzielającą
powierzchnię elementów od strumienia gorących gazów.

Historyczny rozwój powłok TBC

POWŁOKOWE BARIERY CIEPLNE

TBC

Lucjan Swadźba, Ryszard Filip, 2010

Lucjan Swadźba, Ryszard Filip, 2010

Materiały oraz struktura powłokowej bariery

cieplnej

Mechanizmy i czynniki

wpływające na umocnienie

nadstopów

• umocnienie wydzieleniowe cząstkami fazy γ'
• umocnienie roztworowe faz γ i γ'
• EBU fazy γ'
• zwiększenie naprężeń koherencji dla T < 0,6T

t

• zmniejszenie szybkości koagulacji dla T > 0,6T

t

• zminimalizowanie tworzenia się faz σ, μ i Lavesa
• stabilizacja granic ziarn

Koagulacja osłabia efekt umocnienia
wydzieleniowego

Zapobieganie:

• minimalizacja niedopasowania struktur
• złożony skład chemiczny (np. dodatek pierwiastków o

znacząco różnych rozpuszczalnościach w fazach γ i γ', jak Ti,
Mo, W, Nb, Ta)
- utrudnia rozpuszczanie małych wydzieleń i tym samym
rozrost większych

• duże niedopasowanie

- duże

naprężenia koherencji, duże
umocnienie, ale bardziej ruchliwa
granica międzyfazowa i łatwiejsza
koagulacja

• małe niedopasowanie

- małe

umocnienie, ale koagulacja utrudniona

Rola niedopasowania struktur  i '

Rola granic ziarn

małe ziarno

-

większa

wytrzymałość, ale gorsza
odporność na pełzanie
- konieczna optymalizacja

Rola węglików

węgliki na granicach poprawiają
odporność na pełzanie;
niektóre stopy są umacniane
węglikami, np. stopy na osnowie
Co

Przykład: NIMONIC 80A i 115

δ

V

v

kształt

γ'

solvus

temp.

o

C

wytrz.

czasow

a

o

C

80A

0,5

20%

980

840

115

0,08

40%

1150

1150

wytrzymałość czasowa:

temperatura (100 h @ 140 MN/m

2

),

o

C

Ni

C

Cr

Co

Mo

Ti

Al

Zr

B

80A

resz.

0,05

20,0

-

-

2,3

1,3

0,05

0,00

3

115

resz.

0,16

15,0

15,0

3,5

4,0

5,0

0,04

0,01

4

Wpływ dodatków stopowych

Orientacja krystaliczna

monokryształów

K

ie

ru

n

e

k

w

zr

o

s

tu

k

ry

s

zt

a

łu

Z

Zależność między orientacją krystaliczną i właściwościami

(żarowytrzymałością) monokrystalicznego nadstopu CMSX-4

J. Sieniawski, K. Kubiak

Nadstopy umacniane innymi

fazami

Faza '' - struktura krystaliczna tI8

(D

00

)

Gdy zachodzi
potrzeba
większej
wytrzymałoś
ci w niższej
temperaturz
e

Przykład: Inconel
718

Faza występuje w stopach z
dużymi dodatkami Nb lub V;

faza umacniająca: Ni

3

Nb lub

Ni

3

V

Skład chemiczny:
55% Ni - 20% Cr - 15% Fe - 5% Nb - 3% Mo - 1% Ti -

inne 1%

Nadstopy umacniane innymi

fazami

Faza typu Pt

2

Mo

(oI6)

Przykład: Haynes
242

Skład chemiczny: Ni - 25% Mo - 8% Cr

84

Stopy umacniane dyspersyjnie

Mechaniczne oddziaływanie

przemieszczających się kul i ziaren
proszku

w szczególności naprzemienne:

• odkształcanie plastyczne i pękanie

ziaren

• stapianie spękanych fragmentów

Mechaniczne wytwarzanie

stopów, Mechaniczna

Synteza, Mechaniczne

"stopowanie"

Proces obróbki materiałów
proszkowych w
wysokoenergetycznych młynach,
najczęściej kulowych.

Proces ten został odkryty w latach 60-tych ub. wieku w należącym do
International Nickel Co. (INCO) ośrodku badawczym Paul D. Merica
Research Laboratory.

Mechanical Alloying –

Żeliwa

85

Żeliwa

86

Żeliwo

– Stop Fe-C z zawartością węgla większą

niż 2% C (najczęściej 3 – 4.5 %); stop odlewniczy

Rodzaje żeliw:

Szare

(najpowszechniejsze)

Białe

(najbardziej

kruche)

Ciągliwe

(wyższej

jakości)

Sferoidalne

• niska temperatura

topnienia – łatwe do
odlewania, kruche

Cementyt rozkłada się na ferryt i grafit

Fe

3

C  3 Fe () + C

(grafit)

1600

1400

1200

1000

800

600

400

0

1

2

3

4

90

L



+L

 + Grafit

Ciecz +
Grafit

(Fe)

C

o

, % C

0

.6

5

740°C

T(°C)

 + Grafit

100

1153°C



Austenit

4.2 wt% C



Powstawaniu grafitu sprzyja: Si > 1 wt%, b. wolne
chłodzenie

Rodzaje żeliw

Żeliwo szare

• płatki grafitu
• słabe i kruche przy rozciąganiu
• silniejsze przy ściskaniu
• duża zdolność tłumienia drgań
• odporne na ścieranie (niski

współczynnik tarcia: grafit =
smar)

• niski koszt

87

Rodzaje żeliw

Żeliwo szare

88

Właściwości zależne od wielkości wydzieleń grafitu:
-

grube płatki

: mała wytrzymałość na rozciąganie

(mniejsza od stali węglowych), znaczna twardość
(podobna do stali węglowych), b. mała plastyczność
(kruchość),

- drobne wydzielenia

: wytrzymałość na rozciąganie

jak dla stali niskowęglowych, znaczna twardość
(podobna jak stali węglowych), umiarkowana
plastyczność

Korpusy maszyn,
armatura, rury, części
silników, kominki,
motoryzacja,
kolejnictwo, itd.

Zastosowanie

89

Most żeliwny (1779)

Rodzaje żeliw

Żeliwo sferoidalne

• dodatek Mg oraz Ce
• grafit w kształcie kulek
• osnowa ferrytyczna lub

perlityczna

90

Rodzaje żeliw

żeliwo ciągliwe

• wygrzewane w 800-900ºC
• grafit w kształcie "kłaczków"
• bardziej ciągliwe

91

Rodzaje żeliw

Żeliwo białe

• <1% Si twardsze lecz

bardziej kruche

• więcej cementytu

92

ledeburyt

Typowe struktury żeliw

węgiel
żarzenia

[C] cementyt
[Fe

3

C]

perlit [P]

I

IIa

II

IIb

III

IV

V

perli
t

perlit

P+C

P+C+G

P+G

F+C

żar

z.

P+G

F+G

P+F
+G

grafit
[G]

ferryt
[F]

grafit sferoidalny

grafit

ferry
t

I- białe, IIa- połowiczne, II- szare perlityczne, IIb- szare ferrytyczno-
perlityczne,
III- szare ferrytyczne, IV- sferoidalne, V- ciągliwe

Techniczne stopy Al

94

Aluminiu

m

Cu

Mn

Si

Mg

Zn

Inn

e

1xxx

1050

2xxx

2519

3xxx

3103

4xxx

4043

5xxx

5050

6xxx

6101

7xxx

7136

8xxx

8090

umacniane
wydzieleni
owo

stopy
umacniane
odkształceni
owo (lub
roztworowo)

Mg

2

Si

Po czterocyfrowym symbolu
następuje litera i cyfry
oznaczające rodzaj obróbki i stan
stopu

np. 6061 T6 – stop przesycony i starzony sztucznie

Oznaczanie stopów Al

95

Dodatkowe oznaczenia

96

następny slajd

1xxx
2xxx
3xxx
4xxx
5xxx
6xxx
7xxx
8xxx

O – wyżarzony

F – bez

obróbki (s.
surowy)

H –

umocniony
odkształcenio
wo

T – obrobiony

cieplnie

1 – wyżarzony i

wolno chłodzony

2 – obrobiony

cieplno-
plastycznie

3 – ujednorodniony

1 – umocniony tylko

odkształceniem

2 – umocniony

zgniotem i
częściowo
wyżarzony

3 – umocniony

zgniotem i
stabilizowany

2 – ¼

Maks.
twardoś
ci

8 – Maks.

twardoś
ć

4 – ½

Maks.
twardoś
ci

6 – ¾

Maks.
twardoś
ci

9 – Ekstra

twardy

Dodatkowe oznaczenia

stopów obrabialnych cieplnie

• T1 chłodzenie od temp. przeróbki plastycznej i

starzenie naturalne

• T2 chłodzenie od temp. przeróbki plastycznej,

odkształcanie

"na zimno" i starzenie naturalne

• T3 przesycanie, odkształcanie "na zimno", starzenie

naturalne

• T4 przesycanie, starzenie naturalne

• T5 chłodzenie od temp. przeróbki plastycznej

i starzenie sztuczne

• T6 przesycanie, starzenie sztuczne
• T7 przesycanie, przestarzanie (stabilizowanie)
• T8 przesycanie, odkształcanie "na zimno", starzenie

sztuczne

• T9 przesycanie, starzenie sztuczne, odkształcanie

"na zimno"

• T10

chłodzenie od temp. przeróbki plastycznej,

odkształcanie

"na zimno" i starzenie sztuczne

Stopy do przeróbki plastycznaj

98

Al

Cu

Mn

Si

Mg

Zn

Al-Cu

Al-Cu-Mg

Al-Mn

Al-Si

Al-Mg

Al-Mg-Mn

Al-Mg-Si

Al-Zn-Mg

Al-Zn-Mg-Cu

seria 2000

seria 2000

seria 3000

seria 4000

seria 5000

seria 5000

seria 6000

seria 7000

seria 7000

Stopy serii 1xxx

99

SP

– b. czyste (super purity),

99,99%

CP

– zwykłej czystości (commercial

purity),

do 1%

zanieczyszczeń lub

dodatków

Fe

oraz

Si

są zawsze obecne w

stopach jako zanieczyszczenia
tworząc drobne wtrącenia w
postaci

FeAl

3

, Fe

3

SiAl

12

or

Fe

2

Si

2

Al

9

wtrącenia w
blasze stopu
1100

Własności:

• mała wytrzymałość, ok. 90 MPa w CP 1100

• niska granica plastyczności, 7 – 11 MPa

Zastosowanie:

• przewodniki prądu

• aparatura chemiczna

• ozdoby

• folie

przewody aluminiowe

Stopy serii 3xxx

100

Stopy Al-Mn (do 1,25% Mn)

Stopy Al-Mn-Mg

Większa ilość Mn powoduje
występowanie dużej liczby
cząstek
Al

6

Mn, które zmniejszają

ciągliwość stopów

Własności:

Zastosowanie:

• średnia wytrzymałość, np.

stop 3003 wyżarzony ok. 110
MPa

• bardzo dobra ciągliwość

• świetna odporność korozyjna

• folie

• pokrycia

dachowe

są umacniane
roztworowo i
odkształceniowo

Własności:

• średnia wytrzymałość, np.

stop 3004 wyżarzony ok.
180 MPa

• bardzo dobra ciągliwość

• świetna odporność

korozyjna

Zastosowanie:

•opakowania, gł. puszki

Stopy serii 5xxx

101

Rozpuszczalność Mg w Al w temp. pokojowej ok. 3%
→ umocnienie roztworowe → duża rozpiętość własności

• Al-0.8Mg (5005): Re 40 MPa, Rm 125 MPa

• Al-(4.7-5.5)Mg (5456): Re 160 MPa, Rm 310

MPa

• Duża szybkość umocnienia

• Wysoka odporność korozyjna

• Jasna, estetyczna powierzchnia

Własności:

Zastosowanie:

• transport (kontenery)

• cysterny na paliwo, mleko, zboże

• zbiorniki ciśnieniowe

• elementy architektoniczne

zbiornik paliwa

kontener

Stopy serii 2xxx

102

Przemiana eutektyczna L ↔ α + θ
Faza θ – CuAl

2

Stopy Al – Cu i Al – Cu – Mg

Faza α (5,65% Cu) - plastyczna

Faza θ (52,75% Cu) - krucha

Eutektyka zbudowana jest z
naprzemiennych płytek faz
α +θ (podobnie jak perlit)

Klasyczne stopy umacniane wydzieleniowo – Alfred Wilm, 1906 r.

Pierwszy stop umacniany wydzieleniowo –

Duraluminium

Klasyczne Duraluminium (2017):
Al – 3,5% Cu – 0,5% Mg – 0,5% Mn

Stopy serii 2xxx

103

Własności:

Zastosowanie:

• Wysoka wytrzymałość (np. 2519, R

m

> 500 MPa)

• Dobra odporność na pełzanie

• Znakomita odporność na pękanie w temperaturach

kriogenicznych

• Dobra skrawalność

• Słaba odporność na korozję, zwłaszcza pękanie

naprężeniowo-korozyjne

• Dobre własności balistyczne

Konstrukcje lotnicze
Zbiorniki na paliwo
Pojemniki na ciekłe gazy
Osłony helikopterów wojskowych
Nity w konstrukcjach lotniczych

Stopy serii 6xxx

104

Pseudopodwójny
układ Al – Mg

2

Si

(Mg:Si 1,73:1)

Mg

i

Si

są dodawane w

odpowiednich proporcjach
celem umożliwienia
umocnienia wydzieleniowego

Własności:

• średnie wartości wytrzymałości, R

m

< 300 MPa

• odporne na korozję

• stosunkowo dobrze spawalne

• niewrażliwe na pękanie naprężeniowo-korozyjne

Stopy komercyjne – trzy grupy:

•Mg + Si (0.8-1.2%)
•Mg + Si > 1,4 oraz dodatek Cu
•Mg + Si >1,4 oraz nadmiar Si

Wpływ obróbki

Właściwości mechaniczne stopu 6082 poddanego różnej obróbce

105

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

Nominal strain

N

om

in

al

s

tr

es

s

(M

P

a)

6082 185°C/1h
6082 185°C/5h
6082 185°C/1 week
6082 RT/1h

AA6082

naturally aged T4

overaged T7

peak aged T6

underaged

Wpływ obróbki

Właściwości mechaniczne stopu 6063 poddanego różnej obróbce

106

Stopy serii 6xxx

107

Stopy Mg + Si (0.8-1.2%)

Łatwo ekstrudowalne, przesycane z temperatury wyciskania
Reprezentant:

6063 T6

– R

e

215 MPa, R

m

245 MPa

Zastosowanie:

Architektura
Elementy dekoracyjne
Rury

Stopy Mg + Si > 1,4

Większa wytrzymałość, lecz
wymagane przesycanie, jako
osobna operacja
Reprezentant:

6013 – Al-Mg-Si-

Cu

– R

e

330 MPa (T6), R

m

415 MPa

(T8)

przekroje elementów wyciskanych

Zastosowanie:

Transport
Lotnictwo
Sport i rekreacja

Stopy serii 7xxx

108

Stopy Al – Zn – Mg oraz Al – Zn – Mg – Cu

Własności:

• Granica plastyczności

600 – 700 MPa

– rośnie ze wzrostem

Zn + Mg

• Odporne na pękanie naprężeniowo-korozyjne

–

odporność zmniejsza się ze wzrostem Zn + Mg; najlepsza
odporność, gdy iloraz Zn/Mg wynosi 2,7 ÷ 2,9

Zastosowanie:

• Konstrukcje lotnicze – kadłuby i skrzydła

• Komponenty pojazdów

Al 7039

Al 7075
część
motocykla

109

Stop

Zn (%)

Mg (%)

Zn+Mg

(%)

Iloraz

Zn/Mg

Stopy Al-Zn-

Mg o średniej

wytrzymałości

7104

7008

7011

7020

7004

7005

7051

4,0

5,0

4,7

4,3

4,5

4,2

3,5

0,7

1,0

1,3

1,2

1,4

1,5

2,1

4,7

6,0

6,0

5,5

5,9

5,7

5,6

5,7

5,0

3,7

3,6

3,2

2,8

1,7

Stopy Al-Zn-

Mg o większej

wytrzymałości

7003

7046

7039

7017

5,8

7,1

4,0

4,6

0,8

1,3

2,8

2,5

6,6

8,4

6,8

7,1

7,2

5,5

1,4

1,8

Stopy Al-Zn-

Mg-Cu o

wysokiej

wytrzymałości

7049

7050

7010

7475

7001

7075

7055

7085

7,7

6,2

6,2

5,7

7,4

5,6

8,0

7,5

2,5

2,3

2,5

2,3

3,0

2,5

2,05

1,5

10,2

8,5

8,7

8,0

10,4

8,1

10,05

9,0

3,1

2,7

2,5

2,5

2,5

2,2

3,9

5,0

Niektóre ważniejsze stopy Al-Zn-Mg i Al-Zn-Mg-Cu

Aluminiu

m

Cu

Si+Cu+M

g

Si

Mg

Zn

Sn

1xx.

x

2xx.

x

3xx.

x

4xx.

x

5xx.

x

6xx.

x

7xx.

x

8xx.

x

Po trzycyfrowym symbolu
następuje kropka i cyfra
oznaczająca sposób wytopu
(najczęściej 0 lub 1))

Oznaczanie stopów

odlewniczych

110

System
amerykański – nie
jest owszechnie
zaakceptowany na
świecie

Tylko w Australii

Oznaczenia polskie:
AK – krzem i in.
AM – miedź
AG – magnez

Stopy Odlewnicze

111

Układ Al – Si

Dominującą grupę
odlewniczych stopów Al
stanowią stopy z Si – tzw.

siluminy

(85 – 90% wszystkich
odlewów) o zawartości
2÷30% Si (najczęściej
5÷13,5% Si).

Krzem zapewnia:

1.

dobrą rzadkopłynność

2.

lejność

3.

relatywnie mały skurcz
odlewniczy.

Stopy odlewnicze

–

przeważnie stopy
wieloskładnikowe o dużej
zawartości (5 do 25%)
pierwiastków stopowych,
głównie

Si,

Cu, Mg, Zn i Ni

lub ich różnych zestawień

12,6

Odlewnicze Stopy Al

112

Zalety Al:

•niska temperatura topnienia

•mała rozpuszczalność gazów ( z
wyjątkiem H

2

)

•dobra lejność

•dobra powierzchnia odlewów

Wady Al:

•duży skurcz przy krzepnięciu (3,5 –
8,5%)

Czynniki wpływające na
jakość odlewów:

•praktyka odlewnicza

•zawartość zanieczyszczeń

•wielkość ziarna

•szybkość krzepnięcia

blok silnika

rozwój stopów
odlewniczych i technologii
odlewania jest
ukierunkowany głównie na
przemysł samochodowy

Siluminy

113

Skład zbliżony do eutektycznego.
W zależności od zawartości Si i dodatków
siluminy dzieli się na:

•Podeutektyczne

, zawierające od 4 do 10%

Si

•Eutektyczne

, zawierające od 10 do 13% Si

•Nadeutektyczne

, zawierające od 13 do

30% Si

Siluminy pod- i nad- eutektyczne są zwykle
wieloskładnikowe, oprócz krzemu zawierają
dodatki Cu, Mg, Mn i Ni (np. AlSi21CuNi,
AlSi5Cu1), co pozwala obrabiać je cieplnie
(przesycanie i starzenie) zwiększając ich
wytrzymałość

Po odlaniu struktura siluminów zawiera grubokrystaliczną
fazę -  - praktycznie czysty Si (szczególnie przy wolnym

chłodzeniu). Konsekwencją tego jest drastyczny spadek ich
plastyczności.Celem poprawy ich własności , siluminy
poddaje się procesowi modyfikacji:

Siluminy c.d.

114

Po odlaniu struktura siluminów zawiera grubokrystaliczną fazę - 

- praktycznie czysty Si (szczególnie przy wolnym chłodzeniu).
Konsekwencją tego jest drastyczny spadek ich
plastyczności.Celem poprawy ich własności , siluminy poddaje
się procesowi modyfikacji:

•

Siluminy podeutektyczne i eutektyczne

, modyfikuje

się sodem, dodawanym w postaci mieszaniny NaF, NaCl i KCl.
Dodatek Na obniża temperaturę przemiany eutekt. oraz
powoduje przesunięcie punktu eutektycznego do większego
stężenia (w prawo) - do ok.13% Si. Strukturę takiego stopu
stanowi drobnoziarnista eutektyka ( z wydzieleniami

drobnymi fazy
•

Siluminy nadeutektyczne

, duże wydzielenia Si

modyfikuje się fosforem ,który tworzy dyspersyjne cząstki AlP-
stające się heterogencznymi zarodkami krystalizacji cząstek
fazy {Si}- w wyniku czego otrzymuje się w temp. otoczenia

drobnokrystaliczną eutektykę (orazdrobne wydzielenia

cząstek fazySio dużej dyspersji.

Siluminy c.d.

115

W celu rozdrobnienia eutektyki stosuje się tzw. modyfikację. Pod
wpływem modyfikatora skład eutektyki ulega jak gdyby
przesunięciu w prawo. Na skutek tego silumin w zasadzie
nadeutektyczny staje się stopem podeutektycznym o strukturze
kryształów α na tle drobnoziarnistej eutektyki (α + Si).

Obok tego przeprowadza się zabieg rozdrabniania dendrytów
roztworu stałego α za pośrednictwem związków Ti (TiB, TiC).

Podstawowym celem modyfikacji siluminów nadeutektycznych jest
zmiana kształtu wydzieleń krzemu pierwotnego, co realizuje się
przez dodanie związków fosforu

Fotomikrografia stopu AlSi9: a) bez
modyfikacji, b) po modyfikacji; pow. 100x

Własność

Przed

modyfikacj

ą

Po

modyfikacj

i

R

m

[MPa]

110

250

A10

0,1

7

Zmiana własności mechanicznych

Siluminy c.d.

116

Al –7.12% Si, as-
cast, with primary
α-Al dendrites and
an -Al/Si eutectic;

Al –12% Si, as-cast, near
eutectic,

Al –50% Si, as-cast,
cracked primary Si and
eutectic, “Si Blue” etch

Al –25% Si, as-cast,
hypereutectic, primary Si
and an α-Al/Si eutectic,

Na-Modified Al –12%
Si, as-cast, near
eutectic,

Al –12.9% Si –0.04% Sr,

Własności siluminów

117

• Dobre własności odlewnicze (nie wykazują skłonności do pękania na

gorąco)

• Mały skurcz odlewniczy
• Duża rzadkopłynność (umożliwia wykonywanie cienkich wyrobów)
• Jako stopy eutektyczne krzepną w stałej temperaturze nie wykazując

przy tym skłonności do segregacji

• Dobra odporność na korozję pod warunkiem, że nie mają nadmiernej

ilości zanieczyszczeń, a zwłaszcza żelaza

• Są odporne również na działanie wody morskiej, wód mineralnych, a

nawet sodu, amoniaku i kwasu azotowego, stężonego i
rozcieńczonego

• Dobre właściwości mechaniczne, które można jeszcze znacznie

zwiększyć na drodze umacniania wydzieleniowego o ile stop zawiera
dodatek Mg lub Cu

• Wadą siluminów jest gruboiglasta eutektyka, a w siluminach

nadeutektycznych duże iglaste wydzielenia krzemu pierwotnego,
które obniżają plastyczność stopów.

Zastosowanie siluminów na

części silników spalinowych

118

• Ciężar właściwy

aluminium jest około 3-

krotnie mniejszy od ciężaru właściwego żeliwa
(oszczędność na ciężarze kadłuba)

• Duże silniki

– ze względu na mniejszą

wytrzymałość stopów aluminium w kadłubach
większych silników trzeba stosować grubsze
ściany i obfitsze użebrowanie, co powoduje, że
praktycznie można uzyskać tylko ok. 50%
zmniejszenia ciężaru.

• Małe silniki

– grubość ścianki zależy tylko od

względów odlewniczych, można osiągnąć
obniżenie ciężaru kadłuba o ok. 70%.

Zastosowanie siluminów na

części silników spalinowych

119

Zalety

kadłubów ze stopów aluminium:

•łatwiejsza i szybsza obróbka ze względu na dopuszczalne
większe szybkości skrawania,

•lepsze odprowadzanie ciepła, co zmniejsza obciążenie układu
chłodzenia silnika.
 

Wady:

•wyższa cena materiału,

•łatwość uszkodzenia powierzchni obrabianych w czasie
transportu,

•mała odporność na korozję, jeśli stosuje się niewłaściwą ciecz
chłodzącą.

Stopami aluminium stosowanymi na kadłuby silników są głównie:

Siluminy podeutektyczne

AlSi9Mg (jeżeli w kadłubie nie wykonuje

się tulei) o składzie chemicznym: 8.5÷10.5% Si, 0.25÷0.5% Mn,
0.25÷0.4% Mg.

Znak lub

rodzaj

stopu

Cecha lub

oznaczenie

Składniki stopowe [%]

Si

Mn

Cu

Ni

Mg

Fe

Ti

AlSi7Mg

AK7

6,0

–

8,0

0,1

-

0,5

-

-

0.2

5 –

0,4

-

-

AlSi9Mg

AK9

8,5

–

10,

5

0,2

5 –

0,5

-

-

0.2

5 –

0,4

-

-

AlSi5Cu1

AK51

4,5

–

5,5

0,1

–

0,4

1,0

–

1,5

-

0,4

–

0,6

-

-

AlSi5Cu2

AK52

4 -

6

0,2

–

0,8

1,5

–

3,5

-

0,3

–

0,8

-

-

AlSi6Cu2

AK62

~6

 

~2

 

 

 

 

We współczesnych silnikach samochodowych głowice najczęściej są
produkowane ze stopów aluminium ze względu na

dobre właściwości

odlewnicze, dobrą skrawalność i dobre przewodnictwo cieplne.

Skład chemiczny stopów aluminium stosowanych na odlewy głowic

(„Elementy i materiały” Zbigniew Jaśkiewicz)

Głowice silników

Tłoki

121

•

wysoka wytrzymałość doraźna
materiału, szczególnie w wysokich
temperaturach roboczych tłoków,

•

duża wytrzymałość zmęczeniowa,

•

właściwa twardość materiału w
temperaturze otoczenia oraz w
temperaturach podwyższonych,

•

dobra przewodność cieplna,

•

niski współczynnik rozszerzalności
cieplnej,

•

mała masa właściwa,

•

właściwa odporność na zużycie cierne,

•

odporność na korozję,

dobre właściwości technologiczne w

zakresie

możliwości odlewania materiału, obróbki

skrawaniem itp.

Wymagania stawiane materiałom na tłoki silników spalinowych:

Tłoki

122

• stopy Al-Si (

eutektyczne

), zawierające 11 – 14% Si oraz

niewielkie dodatki Cu, Ni, Mg i ewentualnie innych
pierwiastków. Stopy te spełniają wymagania dotyczące
przewodności i rozszerzalności cieplnej, ścieralności oraz
wytrzymałości w podwyższonych temperaturach,

• stopy Al-Si (

nadeutektyczne

), zawierające 17 – 25% Si

oraz niewielkie dodatki Cu, Ni, Mg, Co, Cr, Mn i Fe. Stopy
te wykazują najmniejszą rozszerzalność ze wszystkich
stopów aluminium używanych na tłoki silników
spalinowych, co wywiera korzystny wpływ na dobór luzów
między tłokiem i gładzią cylindrową.

Stosuje się przede wszystkim dwa rodzaje stopów Al

Felgi Aluminiowe

123

Felga ma za zadanie rozłożyć równomiernie opór toczenia
opony oraz zapewnić dobrą sztywność podczas pokonywania
zakrętów.
We współczesnych samochodach ma również wentylować
elementy układu hamulcowego (tarczę/bęben, przewody
hamulcowe, zacisk).

Na felgi aluminiowe stosuje się głownie siluminy:

AK7 (AlSi7Mg), AK9 (AlSi9Mg) oraz AK11
(AlSi11Mg).

Zastosowanie siluminów -

podsumowanie

124

• siluminy eutektyczne i

nadeutektyczne wykazujące
wysoką żarowytrzymałość są
stosowane na
wysokoobciążone

tłoki

silników spalinowych

.

• Z siluminów podeutektycznych

wytwarza się silnie obciążone
części dla przemysłu
okrętowego i elektrycznego,
pracującego w podwyższonej
temperaturze i w wodzie
morskiej.

• Wieloskładnikowe stopy Al z Si

są stosowane m.in. na

głowice silników
spalinowych

oraz inne

odlewy w przemyśle
samochodowym, gdyż mają
mały współczynnik
rozszerzalności cieplnej i dobrą
odporność na ścieranie.

obudowa skrzyni biegów

Odlewanie

ciśnieniowe (Die

Casting)

• Ciekły metal jest

wtryskiwany z dużą
szybkością i pod dużym
ciśnieniem do stalowej
formy

• Formy stalowe mogą

być używane
wielokrotnie, co
odróżnia ten proces od
innych procesów
odlewniczych