Ogólne wiadomości o

metalach

Próby technologiczne

Technologia

Materiałów

Inżynierskich

dr inż. Marcin Korzeniowski

Zakład Spawalnictwa

Ogólne wiadomości o

metalach

Procesy metalurgiczne

Metalurgia – definicje (1)

METALURGIA -

nauka o metalach i ich

stopach oraz procesach ich otrzymywania i
kształtowania. Posługuje się ona metodami
fizyki i chemii, a głównymi jej
działami są: fizyka metali, metaloznawstwo
oraz teoria procesów metalurgicznych

Procesy metalurgiczne

Metalurgia – definicje (2)

METALURGIA

-

nauka

o

procesach

technologicznych otrzymywania czystych metali
i metali technicznych z rud i surowców wtórnych
oraz

przetwarzania

metali

surowych

w

użyteczne materiały i stopy.

Procesy metalurgiczne

Podział procesów metalurgicznych

W zależności od stosowanych metod

wytwarzania metali technicznych, metalurgia

dzieli się na następujące działy:

–

pirometalurgię,

–

elektrometalurgię,

–

hydrometalurgię,

–

elektrolizę stopionych soli,

–

metalotermię.

Procesy metalurgiczne

W wyniku procesów metalurgicznych otrzymuje się surowce

metalowe służące do odlewania i przetwarzania ich:



drogą przeróbki plastycznej na wyroby hutnicze,



wyroby metalowe wykorzystywane w dalszym etapie do
wytwarzania części maszyn lub konstrukcji metalowych
w procesach takich jak np. przeróbka plastyczna,
skrawanie lub spawanie,

ruda

surowiec wtórny,

surowy metal

PROCES

METALURGICZ

NY

wyrób metalowy

Ogólne wiadomości o

metalach

METALE -

pierwiastki, w których atomy związane są

w sieci krystalograficznej, charakteryzujące się wieloma
wspólnymi cechami, odróżniającymi je od innych, nie
będących metalami:

–

budowa krystaliczna,

–

wytrzymałość, plastyczność, umocnienie,

–

przewodnictwo elektryczne i cieplne,

–

połysk metaliczny przy odbiciu światła,

–

nieprzezroczystość,

–

rozpuszczalność w kwasach przy tworzeniu soli,

–

łatwość tworzenia dodatnich jonów (kationów)
przez oddanie zewnętrznych elektronów.

Ogólne wiadomości o

metalach

Właściwości metaliczne

uważa się nie za trwałą cechę

określonego pierwiastka, lecz za właściwości stanu w jakim ten

pierwiastek znajduje się w rzeczywistych warunkach fizycznych.

Za metale można uznawać wszystkie materiały

posiadające właściwości metaliczne

(występujące

w stanie metalicznym), a więc nie tylko metale użyte jako

pierwiastki, lecz także stopy pierwiastków metalicznych z

innymi pierwiastkami (nawet niemetalicznymi), a niekiedy
nawet ze związkami chemicznymi.

Ogólne wiadomości o

metalach

Metale i stopy stosowane w
przemyśle dzieli się umownie na
dwie grupy:

–

metale i stopy żelaza – dotyczy to żelaza i
jego stopów (stal, staliwo, żeliwo);

–

metale i stopy metali nieżelaznych –
dotyczy to wszystkich pozostałych metali i
ich stopów.

Ogólne wiadomości o

metalach

Podziały metali stosowane w technice:

–

lekkie (o gęstości < 5 g/cm3) i ciężkie
(o gęstości > 5 g/cm3),

–

niskotopliwe (o temperaturze topnienia <
600 °C), wysokotopliwe (o temperaturze
topnienia > 1600 ºC) oraz metale o
pośrednim zakresie temperatur topnienia.

Przemysłowa klasyfikacja

metali

METALE I STOPY

TECHNICZNE

STOPY METALI

NIEŻELAZNYCH

STOPY ALUMINIUM

 SILUMINY

 DURALE

STOPY TYTANU
STOPY MAGNEZU

ELEKTRON

STOPY MIEDZI

 BRĄZY
- SPIŻ

 MOSIĄDZE

- NOWE SREBRO
- TOMBAK

 MIEDZIONIKLE

STOPY CYNKU

 ZNALE

STOPY CYNY

 STOPY ŁOŻYSKOWE

 LUTOWIA

STOPY OŁOWIU

 STOP DRUKARSKI

STOPY NIKLU

•

STOP MONELA

 INVAR

 PERMALLOY

 NICHROM

 HASTELLOY

 INCONEL

 NIMONIC

 KONSTANTAN

 NIKIELINA

 KANTHAL

STOPY KOBALTU

 STELLITY

 VITALIUM

STAL
STALIW
O
ŻELIWO

STOPY ŻELAZA

Klasyfikacja ogólna metali wg. PN-71/H-01016

Pierwiastek

Grupy metali wg właściwości

Nazwa

Symbol

szlachetn

e

półprze-

wodni

kowe

ciężki

e

wysoko

-

topliwe

nisko-

topliw

e

lekkie

główne i dodatkowe własności

Antymo

n

Bizmut
Chrom
Cyna
Cynk
Glin
Kobalt
Magnez
Mangan
Miedź
Molibde

n

Nikiel
Niob
Ołów
Platyna
Rtęć
Srebro
Tantal
Tytan
Wanad
Wolfram
Złoto
Żelazo

Sb

Bi

Cr

Sn

Zn

Al

Co

Mg
Mn

Cu

Mo

Ni

Nb

Pb

Pt

Hg

Ag

Ta

Ti

V

W

Au

Fe

xx
xx
xx

xx

x
x
x
x

xx
xx
xx
xx

x

xx

x
x
x
x
x
x
x
x

xx
xx

xx
xx
xx

x

xx
xx
xx
xx

xx
xx
xx
xx
xx

xx

Ogólne wiadomości o

metalach

Metale surowe, otrzymane w wyniku procesów piro- i

hydrometalurgicznych, zawierają zwykle większą lub mniejszą ilość

nieuniknionych domieszek (niepożądanych - zwanych zanieczyszczeniami

i użytecznych – zwanych domieszkami technologicznymi), jako następstwo

stosowanego procesu metalurgicznego. W celu uzyskania lepszych

właściwości metali (stopów) często przeprowadza się usuwanie domieszek

za pomocą odpowiednich metod rafinacji.

Metale wysokiej czystości – są to metale, względnie ich stopy

lub mono-kryształy, zawierające bardzo małe ilości zanieczyszczeń,

poniżej 10

-3

% wag., a bardzo często poniżej 10

-4

% wag.,

wytwarzane w niewielkich ilościach, głównie ze względu na konieczność

stosowania specjalistycznej i kosztownej aparatury oraz skomplikowanych

niekiedy procesów technologicznych. Stosowane są najczęściej, jako

materiały do badań naukowych lub znajdują zastosowanie techniczne w
przemyśle elektronicznym, precyzyjnym i pół-przewodnikowym.

Ogólne wiadomości o

metalach

Metale o mniejszym stopniu czystości –

technicznie czyste, są to metale, w których zawartość

zanieczyszczeń mieści się w granicach 0,001÷1 %wag.

Stosowane są w technice głównie do produkcji

takich wyrobów, w których wykorzystywane są w pełni ich

odpowiednie właściwości fizyczne lub chemiczne, jak np.

przewodność cieplna, przewodność elektryczna, odporność

na korozję, mała gęstość.

Nie znajdują one jednak szerokiego zastosowania w

przemyśle, przede wszystkim ze względu na ich małe

właściwości mechaniczne oraz na niekorzystne często

właściwości technologiczne i użytkowe w porównaniu ze

stopami metali.

Podstawowe właściwości

wybranych metali

Podstawowe właściwości

wybranych metali i stopów

Właściwości metali i stopów to cechy,

które ilościowo i jakościowo charakteryzują

reakcje materiału na przyłożone bodźce.

Metale i stopy stosowane do wytwarzania

określonych wyrobów powinny odpowiadać

określonym

wymaganiom

techniki

pod

względem

właściwości

fizycznych,

mechanicznych, technologicznych

i użytkowych

Fizyczne właściwości metali

Do podstawowych właściwości fizycznych metali

zalicza się:



gęstość,



temperaturę topnienia,



temperaturę wrzenia,



przewodność cieplną



przewodność elektryczną,



rozszerzalność cieplną,



właściwości magnetyczne.

Właściwości metali i stopów

Gęstość

– wielkość charakteryzująca dane ciało,

liczbowo równa jest masie jednostki objętości danego ciała.

Od gęstości zależy masa gotowego wyrobu, a

szczególne znaczenie ma ona w przypadku wytwarzania

wyrobów dla przemysłu okrętowego, samochodowego,

lotniczego oraz w budowie rakiet i

pojazdów kosmicznych.

Gęstość

metali stanowi podstawę ich klasyfikacji na

metale lekkie, spośród których jedynie magnez i

aluminium oraz ich stopy stosowane są powszechnie w

przemyśle jako tworzywa konstrukcyjne i na metale ciężkie.

Właściwości metali i stopów

Temperatura topnienia i wrzenia

Topnienie

– przejście substancji ze stanu stałego w stan ciekły przez

dostarczenie odpowiedniej ilości energii cieplnej . Jeśli ciśnienie na zewnątrz

jest stałe,

topnienie czystego metalu zachodzi w określonej, stałej

temperaturze zwanej temperaturą topnienia (równej w tym przypadku

temperaturze krzepnięcia), w której fazy stała i ciekła

znajdują się w równowadze

. Topnienie stopów zwykle zachodzi w pewnym

zakresie temperatur, zależnym między innymi od składu chemicznego stopu.

Wrzenie

– jest to

proces intensywnego parowania cieczy podczas

jej ogrzewania, zachodzący zarówno na powierzchni cieczy

jak i w całej jej objętości. Pod stałym ciśnieniem zewnętrznym wrzenie

zachodzi w stałej temperaturze

, zwanej temperaturą wrzenia.

Temperatury topnienia i wrzenia mają duże znaczenie zarówno dla

procesów metalurgicznych jak i odlewniczych.

Temperatura topnienia metalu i stopu jest jednym z czynników, na

podstawie których dobiera się źródła energii cieplnej oraz typ pieca i rodzaj materiałów

ogniotrwałych do wykonania jego wymurówki.

Właściwości metali i stopów

Przewodność cieplna i elektryczna

Przewodności

elektryczna

i

cieplna

są

cechami

charakterystycznymi metali, a przewodność elektryczna

stanowi kryterium rozpoznawcze stanu metalicznego.
Przewodność cieplna spełnia istotną rolę w przypadkach

eksploatacji takich urządzeń jak wymienniki ciepła, formy

metalowe itp. Jednostką przewodności cieplnej w układzie SI

jest W∙m

-1

∙K

-1

.

Przewodność elektryczna, lub jej odwrotność – oporność

elektryczna, jest istotną cechą tych metali i stopów, które

spełniają rolę przewodników lub oporników. Jednostką

przewodności elektrycznej jest S (siemens) , a oporności

elektrycznej Ω (ohm).

Właściwości metali i stopów

Rozszerzalność cieplna

– jest to właściwość ciał

polegająca na tym, że ze wzrostem temperatury zwiększa

się objętość tych ciał.

Zmianę objętości metalu lub stopu ocenia się za

pomocą współczynnika rozszerzalności objętościowej.

Przy wytwarzaniu wyrobów metalowych metodą

odlewania istotne znaczenie ma zjawisko odwrotne do

rozszerzalności cieplnej, a mianowicie skurcz metalu

podczas obniżania jego temperatury. Skurcz całkowity

stanowi sumę skurczu w stanie ciekłym (S

c

), skurczu

podczas krzepnięcia (S

k

) oraz skurczu w stanie stałym (S

s

).

Właściwości metali i stopów

Właściwości magnetyczne

metali ocenia się na podstawie

podatności magnetycznej, to jest zdolności do magnesowania się metalu lub

stopu pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego o określonym

natężeniu. W Zależności od podatności magnetycznej metale i stopy dzieli się

na

diamagnetyczne, paramagnetyczne i ferromagnetyczne

.

Do metali

diamagnetycznych

, a więc nie magnesujących się, należą między

innymi: złoto, srebro, miedź, cynk, cyna.

Paramagnetyki

– są to metale magnesujące się w polu zewnętrznym,

którego usunięcie powoduje zanik efektu magnesowania (np. stale chromowo-

niklowe o strukturze austenitycznej).

Metale ferromagnetyczne

magnesują się w polu magnetycznym trwale, tzn.

efekt namagnesowania nie zanika po usunięciu działania pola magnetycznego.

Namagnesowanie metalu ferromagnetycznego można usunąć przez

podgrzanie powyżej odpowiedniej temperatury, zwanej

punktem Curie

, po

czym staje się on paramagnetyczny. Ferromagnetykami są trzy metale

przejściowe:

żelazo

do temperatury 750 ºC,

kobalt

do 1120 ºC i

nikiel

do

360 ºC (temperatury Curie).

Właściwości mechaniczne

metali

Właściwości mechaniczne są najważniejszymi

cechami z punktu widzenia zastosowania metali i stopów jako

tworzyw konstrukcyjnych.

Określają one i limitują zachowanie się tworzywa pod

działaniem sił zewnętrznych (obciążeń) przyłożonych do

elementu

metalowego.

Zależą

głównie

od

budowy

krystalicznej

materiału,

a

ich

znajomość

umożliwia

przewidywanie zachowania się przedmiotu w rzeczywistych

warunkach

pracy

i

pozwala

na

jego

eksploatację

gwarantującą niezawodność i bezpieczeństwo

pracy.

Właściwości mechaniczne

metali i stopów obejmują

następujące

cechy:

wytrzymałość,

plastyczność,

ciągliwość, twardość oraz odporność na zmęczenie i

pełzanie

.

Właściwości technologiczne

metali i stopów

Kształtowanie metali lub ich stopów celem otrzymania

wyrobu o określonych wymiarach i wymaganych właściwościach
jest możliwe w przypadku, gdy metale charakteryzują się
odpowiednimi

właściwościami

technologicznymi

i

użytkowymi.

Do właściwości technologicznych zalicza się:

lejność,

plastyczność, spawalność oraz skrawalność

. Przydatność

technologiczną danego metalu lub stopu określa się na
podstawie

odpowiednich

prób

technologicznych

charakterystycznych dla zastosowanej technologii

Właściwości technologiczne

metali i stopów

Plastyczność –

jest to zdolność tworzywa metalowego

do przyjmowania dowolnego kształtu i zmiany postaci w
wyniku działania sił statycznych dynamicznych, przy
zachowaniu całkowitej spójności.

Jest to cenna właściwość wielu metali i stopów, którą

wykorzystuje się w technice do wytwarzania gotowych
wyrobów metodą przeróbki plastycznej. Zależnie od sposobu
wywoływania odkształceń plastycznych i typu stosowanego
w tym celu urządzenia, rozróżnia się następujące rodzaje
przeróbki plastycznej:

walcowanie, kucie, prasowanie,

tłoczenie, wyciskanie i przeciąganie.

Właściwości technologiczne

metali i stopów

Spawalność

– jest to podatność metalu na tworzenie

złączy spawanych właściwościach zbliżonych do metalu
rodzimego.

Na spawalność wywiera wpływ:

–

materiał spawany (skład chemiczny, struktura),

–

konstrukcja spawana (sztywność konstrukcji, grubość części

spawanych, rozmieszczenie spoin),

–

technologia spawania (rodzaj procesu, stosowane spoiwo,

źródło ciepła, prędkość spawania, kolejność wykonywania
spoin, a ponadto istotna jest także temperatura konstrukcji i
otoczenia).

Właściwości technologiczne

metali i stopów

Spawalność (c.d.)

Wykonanie złącza spawanego wymaga doprowadzenia

odpowiedniej energii cieplnej, której źródłem mogą być:

spalanie gazu, łuk elektryczny lub reakcje chemiczne, która

powoduje topienie krawędzi łączonych materiałów i spoiwa, a

także częściowe wypalanie składników stopowych spawanego

tworzywa oraz intensywne nagrzewanie.

Wszystko to sprawia, że niektóre metale i ich stopy,

np.:

duraluminium, magnez, miedź z dodatkiem ołowiu,

niektóre stale i żeliwo, wykazują ograniczoną

spawalność

, co wymaga stosowania specjalnych zabiegów

technologicznych podczas spawania (jak np. topniki,

atmosfera ochronna, próżnia, specjalne metody spajania itp.).

Właściwości technologiczne

metali i stopów

Skrawalność

– jest to podatność wyrobów z metali i stopów na

obróbkę skrawaniem. Jest ona złożoną funkcją właściwości

skrawanego materiału i warunków obróbki (rodzaju i kształtu

narzędzia skrawającego, rodzaju obróbki, sposobu smarowania

oraz chłodzenia itp.).

Skrawalność

jest oceniana głównie za pomocą następujących

kryteriów:

–

trwałości narzędzia skrawającego,

–

siły lub mocy skrawania, nie wywołujących odkształceń wyrobu,

–

jakości obrobionej powierzchni wyrobu,

–

charakteru powstających wiórów.

Kryteria te różnią się znacznie i nie dają możliwości

obiektywnej i jednoznacznej oceny skrawalności

metali i stopów. Istotny wpływ na skrawalność wywiera struktura

metalu i związane z nią właściwości mechaniczne tworzywa, z

którego wykonany jest przedmiot.

Właściwości technologiczne

metali i stopów

Właściwości odlewnicze

metali i stopów stanowią grupę

właściwości technologicznych, które odgrywają istotną rolę w

procesie wytwarzania wyrobów metodą odlewania. Najważniejszą

właściwością stopów odlewniczych jest lejność, przy czym istotną

rolę w procesie kształtowania wyrobów odgrywają: skurcz

odlewniczy oraz skłonność do tworzenia jam skurczowych i

naprężeń.

Lejność ciekłego metalu

jest podstawową właściwością

technologiczną metali i stopów, decydującą o możliwości

wytwarzania z nich wyrobów zwanych odlewami. Jest to zdolność

do wypełnienia przez metal lub stop wnęki formy odlewniczej

(wpływania do formy przez kanał wlewowy) i dokładnego

odtworzenia

jej

kształtów.

Ograniczoną

lejnością

charakteryzują się głównie staliwa i niektóre stopy

aluminium.

Właściwości użytkowe metali i

stopów

Właściwości użytkowe

metali i stopów są ważnym

wskaźnikiem ich zastosowania i do budowy maszyn,

urządzeń i aparatury. Decydują one o trwałości

eksploatacyjnej elementów metalowych narażonych na

destrukcyjne działanie różnego rodzaju szkodliwych

czynników zewnętrznych.

Do podstawowych właściwości użytkowych metali i

stopów można zaliczyć:

–

szczelność,

–

odporność na ścieranie,

–

odporność na korozję (chemiczną lub elektrochemiczną),

–

odporność na działanie wysokiej i niskiej (podzerowej)

temperatury,

–

nagłe zmiany temperatury (szok termiczny).

Właściwości użytkowe metali i

stopów

Szczelność –

jest to opór, jaki stawia ścianka wyrobu

przenikaniu przez nią płynu (cieczy lub gazu).

Podstawowym parametrem określającym szczelność jest

obecność w wyrobie np. porów i rzadzizn, a zwłaszcza

tych, które łączą się ze sobą.

Przemysłowe metody badania szczelności wyrobów

metalowych, w tym głównie odlewów, polegają na

poddawaniu ich w całości, po ich wykańczającej obróbce

mechanicznej i po dokładnym zamknięciu, działaniu

określonego ciśnienia płynu i obserwacji

ewentualnych przecieków. Wyroby metalowe wytwarzane

metodami przeróbki plastycznej wykazują zwykle bardzo

dużą szczelność.

Właściwości użytkowe metali i

stopów

Odporność na ścieranie

jest pojęciem, które dotyczy

procesu niszczenia materiału w wyniku tarcia występującego

między częściami maszyn pozostającymi w określonym

kontakcie, lub tarcia między częściami maszyn, a obcymi

cząstkami materiału ziarnistego o dużej twardości. Ścieranie

jest procesem złożonym, jednak zużycie elementu

metalowego w wyniku ścierania można podzielić na:

–

zużycie w wyniku dynamicznego oddziaływania

cząstek stałych na element metalowy

jest procesem

zdzierania i ścierania warstwy materiału przy dużych

naciskach

luźno

nasypanym

lub

związanym,

lub

zawieszonym w cieczy względnie gazie materiałem

ziarnistym,

–

zużycie przy tarciu suchym

, które występuje podczas

wzajemnego ślizgania i toczenia współpracujących części,

Właściwości użytkowe metali i

stopów

Odporność na ścieranie (cd.)



zużycie ze smarowaniem

, jest najczęściej spotykanym

rodzajem niszczenia współpracujących elementów, między

którymi występuje ciągła warstwa smaru,



zużycie erozyjno – kawitacyjne

(w cieczy), ma miejsce w

przypadku przerwania ciągłości strumienia, kiedy to tworzą się

pustki wypełnione parami cieczy; Pustki te ulegają likwidacji, co

powoduje uderzenie cieczy z dużą siłą o powierzchnię metalu,

wskutek czego metal ulega niszczeniu.

Odporność metali i stopów na ścieranie uzależniona jest od ilości

w strukturze składników twardych (ścieranie dynamiczne i tarcie

suche), ilości składników twardych i miękkich (tarcie ze smarowaniem),

a także od rodzaju struktury i rodzaju cieczy w przypadku zużycia

erozyjno – kawitacyjnego.

Właściwości użytkowe metali i

stopów

Odporność na korozję

, którą określa się proces elektrochemicznego

lub chemicznego utleniania metalu, prowadzący do bezpowrotnego ubytku

materiału,

powodujący

zmniejszenie

zdolności

elementów

do

przenoszenia

obciążeń

(zmniejszenie

przekroju,

zmniejszenie

wytrzymałości metalu).

Z uwagi na charakter ubytków rozróżnia się

korozję

równomierną, miejscową, międzykrystaliczną i strefową

. Na korozję

elektrochemiczną i chemiczną narażone są przede wszystkim metalowe

części maszyn i urządzeń oraz aparatów przemysłu chemicznego.

Materiały do ich wytwarzania powinny wykazywać odporność na korozję w

kwasach, zasadach, roztworach soli, wodzie, wodzie morskiej i innych

ośrodkach. Odporność stopu na korozję chemiczną i elektrochemiczną

zależy przede wszystkim od jego składu chemicznego oraz od

rozmieszczenia pierwiastków stopowych w strukturze.

Zwiększenie odporności stopu na korozję

uzyskuje się

głównie przez wprowadzenie większej ilości pierwiastków, które

charakteryzują się

dużym potencjałem elektrochemicznym (Cu, Ni,

Mo) lub tworzą szczelną warstewkę pasywną (Cr, Si, Al).

Właściwości użytkowe metali i

stopów

Odporność

na

działanie

wysokiej

temperatury

(żaroodporność) muszą wykazywać części maszyn i

urządzeń przeznaczone do pracy w wysokiej temperaturze.

Pod pojęciem

żaroodporności

rozumie się odporność

na powierzchniowe utlenianie w atmosferze gazowej (tzw.

korozję gazową) i zdolność do zachowania wymiarów w

wysokiej temperaturze.

Zdolność do zachowania odpowiednich właściwości

wytrzymałościowych

w

podwyższonych

temperaturach

elementów maszyn i urządzeń określa się pojęciem

żarowytrzymałości

, przy czym najczęściej jest ona ściśle

powiązana z żaroodpornością metali i stopów.

Właściwości użytkowe metali i

stopów

Odporność na działanie niskiej temperatury

decyduje o przydatności danego tworzywa do pracy w
niskiej temperaturze i zależy od jego właściwości
mechanicznych, technologicznych i fizycznych.

Nikiel, miedź i aluminium oraz ich stopy, a także

wysokoniklowe stopy żelaza

, należą do grupy

metali

plastycznych w niskiej temperaturze

i nie wykazujących

występowanie kruchości do temperatury około –196 ºC (temperatury
ciekłego azotu).

Właściwości użytkowe metali i

stopów

Odporność na nagłe zmiany temperatury, na

wstrząsy cieplne (zmęczenie cieplne), związana jest z

właściwościami mechanicznymi i fizycznymi tworzywa, z

którego wykonany jest element urządzenia lub maszyny.

Odporność na wstrząsy cieplne muszą wykazywać

te wyroby metalowe, które poddawane są intensywnie w

sposób cykliczny, nagrzewaniu i chłodzeniu wskutek

chwilowego kontaktu z ciałami o wyższej temperaturze.

Odporność na wstrząsy cieplne zapewnia odpowiednia

struktura stopu, uzyskiwana w wyniku właściwego doboru

składu chemicznego tworzywa.

Stopy metali

Stopy metali – wytwarzanie i

przetwarzanie

Metale wytwarzane w procesach metalurgicznej przeróbki

rud praktycznie rzadko nadają się do bezpośredniego

zastosowania jako tworzywa konstrukcyjne. Najczęściej wymagają

one dodatkowego przetworzenia, zwłaszcza wówczas gdy:

–

wytworzone produkty nie posiadają wymaganej czystości (np.

surówka wielkopiecowa – przeróbcza, miedź surowa, magnez

hutniczy, cynk hutniczy i inne) i konieczne jest dodatkowe ich

oczyszczenie - rafinacja (np. świeżenie, rafinacja elektrolityczna

itp.),

–

postać półwyrobów metalowych takich jak: wlewki, gąski, katody,

proszki itp., nadana im po ostatnim zabiegu technologicznym,

wymaga dalszego ich przetworzenia na gotowe wyroby za pomocą

jednej lub kilku znanych technik wytwarzania takich jak:

odlewnictwo, przeróbka plastyczna, spawalnictwo, obróbka

skrawaniem, metalurgia proszków i inne,

–

czyste metale nie spełniają określonych wymagań i konieczne jest

zastosowanie odpowiednich stopów otrzymywanych w wyniku

dodatkowych procesów przetwórczych.

Stopy metali – wytwarzanie i

przetwarzanie

Czyste metale, i to zarówno te o wysokiej czystości jak

i technicznie czyste, znajdują w technice ograniczone

zastosowanie, natomiast powszechnie wykorzystywane są stopy

metali, które odznaczają się znacznie lepszymi właściwościami

mechanicznymi, a także technologicznymi i

użytkowymi, w porównaniu z czystymi metalami.

Stopami metali

nazywa się

tworzywa metaliczne

otrzymywane najczęściej przez stopienie dwóch lub więcej

metali, w celu uzyskania materiału konstrukcyjnego o

wymaganych właściwościach

.

Metal występujący w stopie w największej ilości nazywa się

metalem podstawowym, a pozostałe – składnikami stopowymi.

Składnik stopowy (pierwiastek stopowy) jest to najczęściej metal

(lub niemetal) celowo wprowadzany do metalu podstawowego

(osnowy stopu) w celu uzyskania założonych właściwości

fizykochemicznych oraz użytkowych stopu.

Stopy metali – wytwarzanie i

przetwarzanie

Stopy klasyfikowane są według kryterium:

–

głównego składnika (stopy żelaza, miedzi, aluminium,
cynku itp.),

–

ilości

składników

(na

stopy

dwuskładnikowe,

trójskładnikowe oraz wieloskładnikowe),

–

zawartości składników stopowych (na nisko-, średnio-
wysokostopowe),

–

przeznaczenia (na stopy konstrukcyjne, narzędziowe,
specjalne, odlewnicze, do przeróbki plastycznej itp.).

Wiele stopów technicznych ma swoje tradycyjnie

stosowane już nazwy, jak np.

stopy żelaza – żeliwo, stal lub

staliwo, stopy metali nieżelaznych, np. miedzi - brązy lub
mosiądze.

Próby technologiczne

Próby technologiczne

Przez próby technologiczne rozumie się próby, które mają na celu

sprawdzenie przydatności materiałów do procesów technologicznych,

jakim materiały te mają być poddane podczas produkcji.

Badania technologiczne są najczęściej odpowiednikiem procesu lub grupy

procesów wytwarzania. Ocena właściwości technologicznych wyrobów

hutniczych, w zależności od rodzaju wykonywanych badań, jest podawana

w jednostkach umownych. Wnioski dotyczące jakości badanego materiału

wyciągane są z obserwacji poczynionych podczas przeprowadzania próby.

Próby technologiczne można podzielić na próby:



blach, taśm,



kształtowników, prętów,



drutów,



rur.

Próby technologiczne blach i

taśm

Próba tłoczności blach i taśm metodą
Erichsena wg PN-EN ISO 20482:2004

Zasada próby:

Próba polega na kształtowaniu miseczki przez
wtłaczanie stempla z kulistym zakończeniem w próbkę
zamocowaną między dociskaczem a matrycą aż do
pojawienia się pęknięcia na wskroś. Wynikiem próby
jest głębokość utworzonej miseczki zmierzona jako
przemieszczenie stempla.

Próby technologiczne blach i

taśm

Próba tłoczności
Erichsena

Próbę należy wykonać na

urządzeniu wyposażonym w

matrycę, stempel i

dociskacz

Konstrukcja urządzenia

powinna pozwolić na

obserwację zewnętrznej

powierzchni próbki podczas

wykonywania próby tak,

aby umożliwić określenie

chwili, w której pojawi się

pęknięcie na wskroś

(wystąpieniu pęknięcia

towarzyszy spadek siły

tłoczenia, a czasami

słyszalny dźwięk).

Próby technologiczne blach i

taśm

Próba tłoczności Erichsena

Próbki do badań

Próbki do badań powinna być płaskie i o takich

wymiarach, aby dla próbek o b>90 mm środek każdej

miseczki nie był położony bliżej niż 45 mm od dowolnego

brzegu próbki i nie był położony bliżej niż 90 mm od

środka najbliższej miseczki. Dla węższych próbek środki

miseczek mają być w środku szerokości próbki i w

odległości równej jednej szerokości taśmy od środka

najbliższej miseczki. Przygotowanie próbki do badań nie

może powodować powstawania na brzegach zadziorów

lub odkształceń, utrudniających umieszczenie jej w

urządzeniu i mogących mieć wpływ na przebieg próby.

Próby technologiczne blach i

taśm

Próba tłoczności Erichsena

Warunki próby

Na ogół próbę przeprowadza się w
temperaturze między 10 a 35

o

C.

Jeżeli jest wymagane przeprowadzenie
próby w warunkach kontrolnych, to
należy ją wykonać w temperaturze
23±5

o

C.

Próby technologiczne blach i

taśm

Próba tłoczności Erichsena

Wykonanie próby

1.

Należy określić grubość próbki z dokładnością do 0,01 mm.

2.

Posmarować smarem grafitowym powierzchnie próbki, które

będą podczas badania stykać się z matrycą i stemplem. Należy

zacisnąć próbkę między dociskaczem a matrycą z siłą około 10

kN.

3.

Doprowadzić stempel do zetknięcia z próbką i wykonać pomiar

przemieszczenia stempla od tego punktu. W przypadku próby

standardowej kontynuować stopniowo kształtowanie miseczki z

prędkością między 5 a 20 mm/min. W przypadku próbek do

badań o b < 90 mm prędkość ta powinna być między 5 a 10

mm/min.

4.

Zakończyć ruch stempla w chwili, w której pojawi się pęknięcie

biegnące przez całą grubość badanej próbki.

5.

Zmierzyć głębokość penetracji z dokładnością do 0,1 mm.

6.

Należy wykonać minimum 3 próby, o ile w normie wyrobu nie

określono tego inaczej. Wartość tłoczności Erichsena IE powinna

być średnią z trzech wartości, podanych w milimetrach.

Próby technologiczne blach i

taśm

Próba tłoczności

Erichsena

Przykładowe
wartości
tłoczności blach

Próby technologiczne blach i

taśm

1-matryca,
2-dociskacz,
3-stempel,
4-próbka,
5-śruba,
6-wkręt,
7-kołek,
8-podziałka skali,
9-pokrętło,
10-noniusz,
11-znak do nastawiania

skali,

12-wkręt mocujący

stempel,

13-lusterko

Próba tłoczności Erichsena

Próby technologiczne blach i

taśm

Próba przeginania blach i taśm o grubości do 3 mm

wg PN-EN ISO 7799:2002

Zasada próby:

Próba przeginania polega na

wielokrotnym zginaniu o kąt 90

o

w

przeciwnych kierunkach prostokątnej

próbki zamocowanej na jednym końcu.
Przegięć dokonuje się na walcowych

podporach o określonym promieniu.

Próby technologiczne blach i

taśm

Próba
przeginania -
urządzenie

Próby technologiczne blach i

taśm

Próba przeginania

Próbka do badań



Grubość próbki do badań powinna być taka sama jak

blachy czy taśmy, z której została pobrana, a jej

powierzchnie powinny pozostać nienaruszone.



Szerokość próbki obrobionej mechanicznie powinna

wynosić od 20 do 25 mm. Taśmy mniejszej szerokości

można poddać próbie na próbkach pełnej szerokości.



Próbkę do badań należy wykonać w taki sposób, aby

wpływ nagrzania

i umocnienia mechanicznego był zminimalizowany.

Powierzchnie powinny być wolne od pęknięć i

wgnieceń, a krawędzie od zadziorów.

Próby technologiczne blach i

taśm

Wykonanie próby przeginania

1.

Należy zamocować dolny koniec próbki do badań

między płytkami zaciskowymi tak, aby górny koniec

próbki wystawał ponad prowadnicę.

2.

Następnie próbkę zgina się o 90

o

naprzemiennie, w

przeciwnych kierunkach. Jedno przegięcie składa się

ze zgięcia wolnego końca próbki o 90

o

i odgięcie jej do

położenia początkowego.

3.

Nie należy przerywać próby między kolejnymi

przegięciami.

4.

Próbkę przegina się z jednostajną prędkością, nie

przekraczając jednego przegięcia na sekundę. Jeśli to

konieczne, należy zmniejszyć prędkość przeginania,

aby wyeliminować wpływ wydzielającego się ciepła na

wynik próby.

Próby technologiczne blach i

taśm

Próba przeginania

Próbę kontynuuje się dopóki
nie zostanie osiągnięta liczba
przegięć wymagana w
odpowiedniej normie, lub do
momentu pojawienia się
pęknięcia widocznego bez
użycia przyrządów
powiększających, bądź do
całkowitego pęknięcia próbki.

Przegięcie, podczas którego
nastąpiło pęknięcie próbki,
nie zalicza się do liczby
przegięć.

Próby technologiczne wyrobów

płaskich, kształtowników i prętów

Technologiczna próba zginania metali
wg PN EN ISO 7438:2002



Próba zginania polega na poddaniu próbki o przekroju

okrągłym, kwadratowym, prostokątnym lub wielobocznym

odkształceniu plastycznemu przez zginanie, bez zmiany

kierunku obciążenia, aż do osiągnięcia określonego kąta

zgięcia.



Osie obu ramion próbki podczas zginania pozostają w

płaszczyźnie prostopadłej do osi zginania.



W przypadku zginania o kąt 180

o

, w zależności od

wymagań normy wyrobu, dwie boczne powierzchnie leżące

naprzeciw mogą się stykać lub być wzajemnie równoległe,

oddalone o określoną odległość, ustaloną za pomocą płytki

służącej do sprawdzania tej odległości.

Próby technologiczne wyrobów

płaskich, kształtowników i prętów

Technologiczna próba zginania metali

Zginanie z dwoma podporami i trzpieniem

Próby technologiczne wyrobów

płaskich, kształtowników i

prętów

Technologiczna próba zginania metali

Urządzenie do przeprowadzania próby



Próbę zginania przeprowadza się na maszynie
wytrzymałościowej lub prasie wyposażonej w
następujące oprzyrządowanie:

–

urządzenie do zginania z dwoma podporami i
trzpieniem

–

urządzenie do zginania w postaci matrycy z
wcięciem w

kształcie V i trzpieniem

–

urządzenie do zginania w imadle.

Próby technologiczne wyrobów

płaskich, kształtowników i

prętów

Technologiczna próba zginania metali

Schemat zginania: a) w matrycy z wcięciem w kształcie
litery V, b) w imadle z użyciem trzpienia

Próby technologiczne wyrobów

płaskich, kształtowników i

prętów

Technologiczna próba zginania metali

Sposoby przeprowadzania technologicznej próby
zginania metali: a - do równoległości ramion z wkładką,
b - do równoległości ramion, c -do styku ramion d -
naciskiem na końce próbki

a)

b)

c) d)

Próby technologiczne wyrobów

płaskich, kształtowników i

prętów

Technologiczna próba zginania metali

Ocena wyników



Ocenę wyników próby zginania należy przeprowadzić

zgodnie z wymaganiami norm wyrobu.



Jeżeli wymagań takich nie określono, to brak pęknięć

widocznych bez użycia przyrządów powiększających

przyjmuje się za dowód, że próbka wytrzymała próbę

zginania.



Kąt zginania, określony w normach wyrobu, należy

zawsze przyjmować jako minimalny. Jeżeli określono

wewnętrzny promień zginania, to należy go

przyjmować jako maksymalny.

Próby technologiczne wyrobów

płaskich, kształtowników i

prętów

Próba spłaszczenia metali wg PN-H-04412:1962

Próbę spłaszczenia metali stosuje się do
badania metali dostarczonych w postaci
blach, prętów, walcówki i drutu oraz do
badania trzpieni i łbów nitów. Próba ta ma na
celu określenie właściwości plastycznych
metali oraz ujawnienie wad
powierzchniowych, podpowierzchniowych i
wewnętrznych przy odkształceniu na zimno
lub na gorąco.

Próby technologiczne wyrobów

płaskich, kształtowników i

prętów

Próba spłaszczenia metali wg PN-H-04412:1962

Próbki do badań.



Próbki z blach wycina się w postaci pasków grubości równej

grubości blachy i szerokości równej 3-krotnej grubości blachy

Kierunek pobrania próbek z blach określają normy

przedmiotowe lub warunki zamówienia.



Próbki z prętów płaskich odcina się o pełnym przekroju

poprzecznym badanego wyrobu. Długości próbek nie określa

się, nie powinna jednak być mniejsza od 10-krotnej grubości

próbki.



Próbki z prętów okrągłych, walcówki i drutu pobiera się

w postaci odcinków o pełnym przekroju poprzecznym i

długości H równej co najmniej 2,2 średnicy badanego wyrobu.

Próba spłaszczenia metali wg PN-H-04412:1962

Kształt i wymiary próbek do próby spłaszczania (a, b)

Próby technologiczne wyrobów

płaskich, kształtowników i

prętów

Próby technologiczne wyrobów

płaskich, kształtowników i

prętów

Próba spłaszczenia metali wg PN-H-04412:1962

Wykonanie próby



Próbę spłaszczenia metali wykonuje się pod prasą lub

młotem.



Próbki wycięte z blach i prętów płaskich grubości do 4 mm

oraz próbki wycięte z walcówki, prętów okrągłych, drutu i

nity o średnicy trzpienia do 4 mm włącznie, można

spłaszczać za pomocą młotka ręcznego.



Spłaszczanie należy wykonywać na zimno lub gorąco,

zależnie od wymagań norm przedmiotowych lub

warunków zamówienia. Spłaszczanie na gorąco wykonuje

się w temperaturze kucia właściwej dla danego materiału.

Próby technologiczne wyrobów

płaskich, kształtowników i

prętów

Próba spęczania metali wg PN-H-04411:1983

Celem próby spęczania jest określenie zdolności materiału

do odkształceń plastycznych oraz wykrycie wad

powierzchniowych i podpowierzchniowych. Próbę spęczania

przeprowadza się na próbkach pobranych z metalowych

półwyrobów i wyrobów kutych, walcowanych, łuszczonych,

ciągnionych, szlifowanych i wyciskanych o przekroju

okrągłym, sześciokątnym i kwadratowym, przeznaczonych

do dalszej przeróbki plastycznej na zimno lub na gorąco.

Próba polega na spęczaniu próbki wzdłuż jej osi, do

określonej normami przedmiotowymi lub warunkami

zamówienia, wielkości względnego odkształcenia

plastycznego.

Próby technologiczne wyrobów

płaskich, kształtowników i

prętów

Próba spęczania metali

Próby technologiczne drutów

Próba przeginania drutu wg PN-ISO 7801:1996

Próba polega na wielokrotnym przeginaniu próbki,
zamocowanej na jednym końcu, o kąt 90

o

w przeciwnych

kierunkach wokół wałka o określonym promieniu.
Urządzenie do przeprowadzania próby przeginania drutu ma
konstrukcję analogiczną do konstrukcji urządzenia do próby
przeginania blach i taśm.

Za wynik pozytywny próby uznaje się wykonanie, określonej w
normie wyrobu, liczby przegięć lub do wystąpienia widocznego
pęknięcia.

Próby technologiczne drutów

Próba jednokierunkowego skręcania drutu wg PN-ISO

7800:1996

• Próba polega na skręcaniu próbki drutu wokół osi w

jednym kierunku.

• Urządzenie zbudowane jest z dwóch uchwytów, które

umożliwiają osiowe zamocowanie drutu. Jeden z
uchwytów obraca się wokół osi natomiast drugi ma
możliwość przemieszczania się wzdłuż osi, przez co
możliwe jest zapewnienie stałej siły rozciągającej próbkę
drutu podczas skręcania.

• Wartość tej siły nie powinna przekraczać 2% wartości

nominalnego obciążenia zrywającego próbkę. Odległość
między uchwytami zależy od grubości drutu

Próby technologiczne drutów

Próba jednokierunkowego skręcania drutu wg PN-ISO
7800:1996

Za wynik pozytywny próby uznaje się wykonanie
określonej w normie wyrobu liczby skręceń.

Jeżeli próbka nie spełnia wymagań normy wyrobu i
pęknięcie wystąpiło w odległości mniejszej niż 2d
od uchwytu to próba jest nieważna i powinna być
powtórzona.

Próby technologiczne rur

Próba wywijania kołnierza rur wg PN-EN ISO 8494:2005

Przedmiotem badania jakości rury jest technologiczna

próba wywijania kołnierza rur o średnicy zewnętrznej D

do 150 mm i grubości ścianki g do 9 mm

włącznie.

Zasada próby

Na jednym końcu próbki wywija się kołnierz o przepisanej

szerokości, prostopadły do osi rury, jeżeli norma przedmiotowa

dla rur nie przewiduje inaczej, oraz sprawdza się czy na

powierzchni nie wystąpiły pęknięcia lub naderwania.

Próby technologiczne rur

Próba wywijania kołnierza rur wg PN-EN ISO

8494:2005

a)

b)

Trzpień: a – stożkowy, b – walcowy

Inne metody badania metali

Próba przełomu niebieskiego wg PN-H-

04509:1960

Próbę przełomu niebieskiego stosuje się dla stali

niestopowych i stopowych, badanych w stanie przerobionym

plastycznie. Celem próby jest ocena wad makroskopowych

stali stwierdzonych na przełomie.

Próbki do próby przełomu niebieskiego pobiera się z

wyrobów i półwyrobów stalowych otrzymanych przez

przeróbkę plastyczną. Grubość przedmiotu, z którego

pobiera się próbki, nie powinna być mniejsza niż 40 mm.

Próbki odcina się na zimno lub na gorąco w ten sposób, aby

obejmowały cały przekrój poprzeczny, a płaszczyzna

przełomu była równoległa do kierunku przeróbki plastycznej.

Inne metody badania metali

Próba przełomu niebieskiego wg PN-H-

04509:1960



Z prętów stalowych próbki odcina się w kształcie płytek

grubości od 20 do 40 mm. Na próbkach grubości H nacina

się ostry karb, aby ułatwić złamanie próbki.



Karb wykonuje się w ten sposób, aby nie zmniejszyć

zbytnio powierzchni przełomu przeznaczonego do

obserwacji. Zaleca się aby grubość próbki w miejscu karbu

wynosiła h = 18–20 mm.



Karb powinien znajdować się w płaszczyźnie przechodzącej

przez oś przedmiotu, z którego pobrano próbkę.



Próbkę nagrzewa się do temperatury o 100 – 150

o

C

wyższej od temperatury niebieskiego nalotu, która dla stali

wynosi około 300

o

C. Po wyjęciu próbki z pieca ulega ona

ochładzaniu podczas przygotowania jej do zniszczenia.

Inne metody badania metali

Próba przełomu niebieskiego wg PN-H-04509:1960

Próbkę należy złamać w temperaturze około 300

o

C, ponieważ stal

wykazuje w tej temperaturze największą kruchość, a na tle niebieskiego
nalotu, który tworzy się w tej temperaturze, najlepiej są widoczne wady i
zanieczyszczenia.

Inne metody badania metali

Próba technologiczna odporności miedzi na

kruchość wodorową wg PN-EN ISO 2626:1997



Próbę technologiczną odporności miedzi na kruchość

wodorową stosuje się do wyrobów z miedzi odtlenionej

oraz beztlenowej o wysokiej przewodności cieplnej.



Kruchość wodorową ujawnia się w próbie zginania lub

przeginania albo w badaniach mikroskopowych.



Przygotowane próbki wyżarza się w temperaturze 825-

875 °C przez 30 min w piecu w atmosferze wodoru.

Następnie próbkę chłodzi się w atmosferze pieca lub

szybko w wodzie.

Inne metody badania metali

Próba technologiczna odporności miedzi na kruchość
wodorową wg PN-EN ISO 2626:1997

Jeżeli miedź zawiera tlen, to zachodzi poniższa reakcja:

Cu

2

O+H

2

→ 2Cu+H

2

O

Powstająca para wodna nie może wydostać się na zewnątrz, co
powoduje zwiększenie naprężeń wewnętrznych i miejscowe
pęknięcia wyrobu.

Do oceny wykorzystywana jest próba zginania lub przeginania –
okiem nieuzbrojonym oceniana jest obecność pęknięć – ich
ujawnienie dyskwalifikuje wyrób.