1. Tworzywa metaliczne. Struktura i właściwości.

Stale węglowe i stopowe. Metale i stopy nieżelazne.

Wytwarzanie, kształtowanie i łączenie metali (4

godziny).

2. Tworzywa ceramiczne i szkła. Struktura i

właściwości. Wytwarzanie, formowanie i łączenie

ceramiki (2 godziny).

3. Polimery i kompozyty. Struktura i właściwości.

Wytwarzanie, kształtowanie i łączenie (2 godziny).

4. Dobór materiału i technik wytwarzania w

projektowaniu inżynierskim (2 godziny).

CELEM DZIAŁALNOŚCI TECHNICZNEJ CZŁOWIEKA JEST

MATERIAŁ

– ciało o właściwościach umożliwiających ich

wykorzystanie przez człowieka do wytwarzania produktów

MATERIAŁY

KONSTRUKCYJNE

NIEKONSTRUKCYJNE

Skały, metale, ceramika

paliwa, spożywcze, leki

W nauce o materiałach będziemy zajmować się

materiałami konstrukcyjnymi

Materiały inżynierskie i techniki wytwarzania

Klasyfikacja

materiałów:

Metale i stopy;

Materiały ceramiczne;

Polimery;

Kompozyty;

Biomateriały;

Ciekłe kryształy

Inne.

Działy

badań

Działy

badań

materiałów:

Nanotechnologia;

Biotechnologia;

Krystalografia;

Metalurgia;

Tribologia;

Reologia;

Inne.

Materiały inżynierskie i techniki wytwarzania

• SURÓWKA

– stop żelaza z węglem i innymi domieszkami

o zawartości C>2%,

• STAL

–

stop żelaza z węglem i innymi dodatkami

stopowymi, zawierający do ok. 2 % węgla, otrzymany w

procesach stalowniczych, przeznaczony na półwyroby i

wyroby przerabiane plastycznie,

• Stal węglowa (niestopowa)

– stal niezawierająca

specjalnie wprowadzonych dodatków stopowych, jedynie

węgiel i ograniczoną ilość pierwiastków pochodzących z

rudy i procesu hutniczego.

• Stal stopowa

– stal zawierająca pierwiastki stopowe,

wprowadzone w celu zmiany właściwości w określonym

kierunku.

• ŻELIWO

–

stop żelaza z węglem i innymi domieszkami o

zawartości C>2% przeznaczony na odlewy kształtowe,

• STALIWO

– stop żelaza z węglem i innymi domieszkami o

zawartości C<2% przeznaczony na odlewy kształtowe,

STOPY ŻELAZA

Definicje

DOMIESZKI I ZANIECZYSZCZENIA W STALI

z procesu

technologicznego

Mn – 0,8%

Si – 0,4%

Al – 0,1%

przypadkowe

Ni, Cr – 0,3%

W, Co, Cu – 0,2%

Mo, V, Ti – 0,05%

S – 0,05%

kruchość na gorąco

P – 0,05%

kruchość na zimno

– 0,014%

kruchość niebieskiego przełomu

– 0,003%

obniżenie plastyczności

– 8 ppm

choroba wodorowa

Klasyfikacj

a stali

KRYTERIA KLASYFIKACJI STALI

Skład chemiczny:

•niestopowe

•stopowe

Klasy jakości:

•jakościowe

•specjalne

Podstawowe zastosowanie:

•konstrukcyjne

•maszynowe

•automatowe

•sprężynowe

•łożyskowe

•o szczególnym przeznaczeniu

•o szczególnych własnościach

•narzędziowe

dawne

konstrukcyjne

Sposób wytwarzania:

•martenowska

•elektryczna

•inna

Sposób odtleniania:

•nieuspokojona

•półuspokojona

•uspokojona

Postać:

•Lana

•Kuta

•Walcowana na gorąco

•Walcowana na zimno

•ciągniona

Stan:

•surowy

•normalizowany

•zmiękczony

•ulepszony cieplnie

•utwardzony zgniotem

Rodzaj produktów:

•taśmy

•blachy

•pręty

•odkuwki

•druty

•rury

STALE NIESTOPOWE -

Wpływ węgla na mikrostrukturę stali

Ferryt

- roztwór stały międzywęzłowy węgla w Fe



Perlit

– mieszanina eutektoidalna ferrytu z cementytem zawierająca 0,8% węgla

Austenit

– roztwór stały międzywęzłowy węgla w Fe



Cementyt

- węglik żelaza, Fe

Ledeburyt

- mieszanina eutektyczna austenitu z cementytem

(lub perlitu z cementytem - ledeburyt przemieniony) , zawierająca 4,3% węgla.

PODZIAŁ STALI

NIESTOPOWYCH

wg metod wytapiania:

konwertorowe
martenowskie
w piecu elektrycznym

Ze względu na odtlenienie

Zgodnie z układem
Fe-Fe

podeutektoidalne
eutektoidalne
nadeutektoidalne

Zawartość węgla:

Armco – 0,15%
niskowęglowe – 0,25%
średniowęglowe – 0,6%
wysokowęglowe

STALE NIESTOPOWE

Podział

W zależności od zastosowania:

 Konstrukcyjne (do ok. 0,85%C)
 Narzędziowe (0,6-1,3%C)
 O szczególnych właściwościach

W zależności od zawartości zanieczyszczeń

(siarki i fosforu):

 Zwykłej jakości, P = 0,050% masy max., S =

0,050% masy max.

 Wyższej jakości, P = 0,040% masy max., S =

0,040% masy max.

 O określonym przeznaczeniu, w którym

dopuszczalne zawartości zanieczyszczeń

określają normy

STALE NIESTOPOWE

konstrukcyjne

Stale konstrukcyjne

– stosowane w budownictwie oraz

budowie urządzeń i maszyn pracujących w środowiskach
mało agresywnych.

Obliczenia konstrukcyjne

bazują na

granicy plastyczności

. Im

większa jest zawartość C, tym większa jest granica
plastyczności i zdolność stali do przenoszenia obciążeń.

Zastosowanie zależne od zawartości C:

0,10% blachy do głębokiego tłoczenia (np.

karoseryjne)

0,20% części rowerowe, rurociągi
0,20-0,35 konstrukcje mostów, zbiorników, budynków
0,25-0,45 części maszyn w stanie normalizowanym lub

ulepszonym

cieplnie, np. sworznie, tuleje, wały korbowe,

sprzęgła, osie

0,55-0,65 części maszyn o dużej odporności na

ścieranie, np. ślimaki

i koła zębate hartowane powierzchniowo lub

ulepszane

cieplnie

STALE NIESTOPOWE

narzędziowe

Stale narzędziowe

– przeznaczone do wyrobu

narzędzi do kształtowania i dzielenia materiałów,
zwykle w temperaturze pokojowej lub do 250ºC.

Wymagane cechy:

twardość i odporność na

ścieranie

Obróbka cieplna

: hartowanie i niskie

odpuszczanie

Zawartość C:

większa niż w stalach

konstrukcyjnych

Zastosowanie zależne od zawartości C:

0,6% siekiery, narzędzia ślusarskie,

murarskie, szewskie

0,7% młotki, śrubokręty, narzędzia

kowalskie

>0,9% noże do cięcia blach, piły, wiertła,

narzędzia grawerskie, pilniki, igły, brzytwy,
narzędzia do obróbki kamienia

PODZIAŁ i OZNAKOWANIE STALI

wg PN (nowych)

EN 10027-1:1992 jest zalecana przez CEN
(Europejski

Komitet

Normalizacyjny)

stosowania

przez

krajowe

komitety

normalizacyjne bez jakichkolwiek zmian. PN-EN
10027-1 jest identyczna z EN 10027-1:1992 i
została ustanowiona przez Polski Komitet
Normalizacyjny 15.12.1994 r. W tej klasyfikacji
oznaczeń stali wyróżnia się dwie główne grupy
znaków:

znaki

zawierające

symbole wskazujące na
skład chemiczny stali

znaki zawierające symbole
wskazujące na zastosowanie
oraz

mechaniczne

lub

fizyczne
własności stali

Oznaczanie stali wg zastosowania i

własności

Znak stali oznaczanych wg ich zastosowania i własności mechanicznych lub fizycznych zawiera następujące główne symbole:
a)

S - stale konstrukcyjne,

P - stale pracujące pod ciśnieniem,
L - stale na rury przewodowe,
E - stale maszynowe

za którymi umieszcza się liczbę będącą minimalną granicą plastyczności w MPa;
b)

B - stale do zbrojenia betonu

za którym umieszcza się liczbę będącą charakterystyczną granicą plastyczności;
c)

Y - stale do betonu sprężonego

R - stale na szyny lub w postaci szyn

, za którymi umieszcza się liczbę będącą wymaganą minimalną wytrzymałością ni rozciąganie;

H - wyroby płaskie walcowane na zimno

ze stali o podwyższone wytrzymałości przeznaczone do

kształtowania na zimno, za którym umieszcza się liczbę będącą wymaganą minimalną granicą plastyczności
albo jeżeli jest wymagana tylko wytrzymałość na rozciąganie, wtedy umieszcza się literę T, za którą
podaje się wymaganą minimalną wytrzymałość na rozciąganie;

D - wyroby płaskie ze stali miękkich przeznaczonych do kształtowania na zimno, za którym umieszcza

się jedną z następujących liter

C - dla wyrobów walcowanych na zimno,
D - dla wyrobów walcowanych na gorąco przeznaczonych do kształtowania na zimno,
X - dla wyrobów bez charakterystyki walcowania (na zimno lub na gorąco);

oraz dwa symbole cyfrowe lub literowe charakteryzujące stal;

T - wyroby walcowni blachy ocynowanej, za którym umieszcza się

dla wyrobów o jednokrotnie redukowanej grubości - literę H, za którą podaje się liczbę będącą

wymaganą nominalną twardością wg HR 30Tm;

dla wyrobów o dwukrotnie redukowanej grubości - liczbę będącą wymaganą nominalną

granicą plastyczności;

M - stale elektrotechniczne, za którym umieszcza się

liczbę będącą 100-krotną wymaganą maksymalną stratnością w W-kg'1,
liczbę będącą 100-krotną nominalną grubością wyrobu w mm,
liczbę oznaczającą rodzaj blachy lub taśmy elektrotechnicznej, tj.:
A - o niezorientowanym ziarnie,
D - ze stali niestopowych, nie wyżarzonych końcowo,
E - ze stali stopowych, nie wyżarzonych końcowo,
N - o normalnie zorientowanym ziarnie,
S - o zorientowanym ziarnie i zmniejszonej stratności,
P - o zorientowanym ziarnie i dużej przenikalności magnetycznej.

Obróbka cieplna stali

do 2% C

Mn >1,65%

Si > 0,50%

Cu > 0,40%

Cr > 0,30%

Al,Co,V,W >

0,10%

Mo > 0,08%

Nb > 0,06%

Zr,Te > 0,05%

B > 0,0008%

dodatki stopowe

wg. PN-EN 10020

stal węglowa (niestopowa)

stal stopowa

przeróbka
plastyczna

STALE STOPOWE

dodatki

stopowe

Cel stosowania

Wywołanie pożądanych

zmian strukturalnych

Uzyskanie określonych

właściwości wytrzymałościowych

Uzyskanie określonych

właściwości

chemicznych lub fizycznych

Podwyższenie

hartowności

Ułatwienie technologii

obróbki cieplnej

Polepszenie efektów

obróbki cieplnej

STALE STOPOWE

w zależności od ilości i rodzaju

dodatki stopowe mogą:

rozpuszczać się w

ferrycie lub austenicie

tworzyć węgliki,

azotki lub węglikoazotki

tworzyć fazy

międzymetaliczne

z żelazem lub między sobą

tworzyć związki

z domieszkami (np. S, O

)

Wpływ pierwiastków stopowych na budowę fazową stali

Wpływ pierwiastków stopowych na właściwości stali

kruchość

odpuszczania

odp. na korozję

żarowytrzymałoś

hartowność

0,2

, H, R

udarność

gruboziarnistość

odp na

ścier.

STALE STOPOWE

Wpływ pierwiastków stopowych na własności:

Mn, Si – najczęściej

stosowane

Ni – najlepszy, ale …

Pierwiastki węglikotwórcze tworzą dyspersyjne,
trudnorozpuszczalne cząstki hamujące rozrost ziaren.

Mn, B zwiększają skłonność do rozrostu ziarna austenitu -
Wrażliwość na przegrzanie

STALE STOPOWE

Podział stali stopowych

jakościowe

specjalne

•stale maszynowe (do budowy maszyn),
- do ulepszania cieplnego
- do nawęglania
- do azotowania

•stale na urządzenia ciśnieniowe,

•stale konstrukcyjne,
- o podwyższonej wytrzymałości do ulepszania cieplnego
- o podwyższonej wytrzymałości walcowane cieplno-plastycznie
i przeznaczone do obróbki plastycznej na zimno

•stale szybkotnące,

•stale narzędziowe stopowe,

•stale na łożyska toczne,

•stale sprężynowe

•stale o szczególnych własnościach fizycznych.

inne
• stale stopowe na produkty
płaskie do obróbki plastycznej
na zimno
• stale stopowe na szyny,
grodzice, kształtowniki, na
obudowy górnicze
• stale elektrotechniczne

konstrukcyjne
• spawalne drobnoziarniste
o ograniczonej minimalnej
granicy plastyczności
i udarności
• stale stopowe zawierające
tylko miedź jako dodatek
stopowy

nierdzewne

•stale odporne na
korozję,

•stale żaroodporne,

•stale żarowytrzymałe
(odporne na pełzanie)

STALE STOPOWE

narzędziowe

Przeznaczone na narzędzia:

 Do pracy na zimno (< 250°C)
 Do pracy na gorąco (<600°C)
 Skrawające z dużą szybkością przy

temperaturze <650°C

Skład chemiczny stali:

C 0,2 – 1,4%
Cr 12% max.
W 18% max.
Co 10% max.
Mo 10% max.
V 4% max.

Pierwiastki stopowe zapewniają dużą

hartowność, dużą twardość i zachowanie dużej

twardości podczas pracy w podwyższonej

temperaturze.

STALE STOPOWE

o szczególnych właściwościach

Stale odporne na

korozję

Zawartość Cr > 13%.

Przy

takiej zawartości Cr

powierzchni stali

powstaje

warstwa pasywna,
zbudowana z tlenków

Cr i

Fe, o zwartej

budowie,

spójna z podłożem,
odnawiająca się,

chroniąca

metal przed korozją,

tak

jak np. powłoka

malarska

STALE STOPOWE

o szczególnych właściwościach

Skład chemiczny:

C 0,03 – 0,4%
Cr 13 – 30%
Ni 0 – 30%

Stale kwasoodporne:

Przy dużej zawartości Cr i Ni, np. 18% Cr i 9% Ni

stale mają strukturę austenitu stopowego o

dużej odporności na działanie kwasów

nieorganicznych i organicznych.

Zastosowanie:

Narzędzia chirurgiczne, pomiarowe, części

maszyn i urządzeń w przemyśle chemicznym,

spożywczym, rafineryjnym, petrochemicznym,

papierniczym, sprzęt w gospodarstwach

domowych.

•wcześniej, po zastosowaniu koksu (Anglia 1735), masowo produkowano
tylko żeliwo,

–możliwość wytapiania w prymitywnych piecach (wystarczy temperatura ok. 1160
°C !!!),

–szczególnie w epoce wiktoriańskiej (Anglia 1837-5-1901) - wszelkie możliwe
zastosowania !!!

–ozdoby, meble ogrodowe, trumny,

–mosty (pierwszy w 1779 - istnieje do dzisiaj), kolumny oraz sklepienia
architektoniczne, statki,

–cylindry silników parowych, łoża tokarek, różne części maszyn,

–do dzisiaj żeliwa są dużo tańsze od stali i staliw (stal odlewana) - dla złożonych
kształtów,

Żeliwa

odlewnicze stopy żelaza, w

których część lub cały

węgiel jest w postaci

wolnej – grafitu (100%C)

• masowe wytwarzanie stali rozpoczęło się dopiero w drugiej połowie XIX wieku,
- metody wynalezione przez Bessemera (1856), Siemensa (1863) oraz Martina (1865),
- uzyskano aż dziesięciokrotny spadek ceny i niesłychany wzrost produkcji (na całym świecie z ok. 60
tys. ton w roku 1850 do ok. 28 min ton w roku 1900),

•dobra lejność

•mały skurcz w porównaniu do
staliw,

•bardzo dobra skrawalność (małe
opory oraz łamliwy wiór),

Właściwości żeliw

technologiczne

użytkowe

(głównie mechaniczne)

•zdolność do tłumienia drgań,

•niewrażliwość na działanie karbu
(zewnętrznego),

•bardzo dobre właściwości
ślizgowe (grafit),

•wytrzymałość na ściskanie
podobna jak dla stali,

•mała wytrzymałość na
rozciąganie,

•dobra odporność na ścieranie,

•odporność na korozję lepsza niż
stali niestopowej

GRAFIT

ŻELIWO

Białe

Połowiczne

Szare

Stopowe:

nisko;

średnio;

wysoko...

Stopowe:

nisko;

średnio;

wysoko...

Obróbka cieplna

ciągliwe

białe

ciągliwe

białe

ciągliwe

szare

ciągliwe

szare

Zwykłe

(handlowe)

grafit płatkowy

Zwykłe

(handlowe)

grafit płatkowy

Wysokojakościowe

modyfikowane

grafit płatkowy

modyfikowane

grafit płatkowy

wermikularne

grafit wermikularny

sferoidalne

grafit kulkowy

ADI lub AVCI

grafit:

kulkowy, wermikularny

ADI lub AVCI

grafit:

kulkowy, wermikularny

Żeliwo

o osnowie

bainitycznej

Klasyfikacja żeliw

gdzie:
ADI – (Austempered Ductile Iron)
AVCI - (Austempered Vermicular Cast Iron)

Struktura - właściwości żeliw

osnowa

postać grafitu

F+P

Główne grupy żeliw – wpływ dodatków

Mn (0,4s-1,4%)

-jako domieszka lub celowy dodatek,hamuje

grafityzację w niższych temperaturach (utrudnia rozkład
perlitu, ułatwia jego sferoidyzację),
wiąże bardzo szkodliwą S w niegroźne MnS,

S <0,12%,

zwykle 0,08-0,1% - domieszka szkodliwa (hamuje

grafityzację, zmniejsza lejność, duży skurcz),

P (0,1+1,0%)

-jako domieszka lub celowy dodatek (dodatni

wpływ na grafityzację),
-tworzy niskotopliwą (ok. 953°C) eutektykę ( + Fe3C +

Fe3P) nazywaną steadytem,
- poprawia lejność, podwyższa odporność na ścieranie, siatka
steadytu powoduje kruchość,

Żeliwo sferoidalne

(nazywane również podwójnie modyfikowanym)

otrzymywane przez podwójne

modyfikowanie żeliwa szarego w

stanie ciekłym

modyfikowanie żelazokrzemem (z dodatkami Ca, Al, Sr, Ba) w
celu ułatwienia zarodkowania grafitu (podkładki) - grafit
drobny oraz równomiernie rozmieszczony,

modyfikowanie magnezem oraz/lub cerem w
celu uzyskania sferoidalnego kształtu grafitu
(podwyższanie

energii

granicy

międzyfazowej), - modyfikatory to stopy
nazywane „zaprawami" (Si z Mg, Cu z Mg i Cr,
Ni z Mg i Cr)