Materiałoznawstwo
Dr. Grzegorz Nowak
Plan wykładu
" rodzaje materiałów
" wybrane właściwości materiałów
" metale (stopy)
 żelazo i stal
 obróbka cieplna
 metale nieżelzne
" polimery
" ceramiki i szkła
" metody formowania materiałów
" półprzewodniki
Plan zajęć
14.02 28.03
wstęp, rodzaje i struktura metale polimery
materiałów
28.02 18.04
własności materiałów materiały ceramiczne i szkła
14.03 09.05
obróbka i formowanie
wykresy fazowe
materiałów
12.05 06.06
metale i ich stopy materiały półprzewodnikowe
literatura
" Wstęp do inżynierii materiałowej M.Blicharski WNT
" Materiały inzynierskie MF.Ashby, DR.Jones WNT
" Inżynieria materiałowa MW.Grabski, JA.Kozubowski
" Britney's Guide to Semiconductor Physics:
http://britneyspears.ac/lasers.htm
Inżynieria materiałowa
" Jest to nauka o materiałach z inżynierskiego
punktu widzenia
" Chemia i fizyka zajmujÄ… siÄ™ opisem
własności materiałów
" Inżynieria materiałowa kształtuje własności
materiałów zgodnie z zapotrzebowaniem
Rodzaje materiałów
" metale
" ceramiki
" polimery
" kompozyty
metale
" spośród 103 znanych pierwiastków 80 jest
metalami
" zwykle używa się stopów metali
" najpopularniejsze są stopy żelaza,
aluminium, miedzi
" duża wytrzymałość, łatwa obróbka
Materiały ceramiczne
" materiał wyjściowy: proszek + lepiszcze
" wymaga spiekania, czasem pod ciśnieniem
" typowe przykłady: cegła, porcelana, SiC
(karborund), widia (węglik wolframu)
" twarde, kruche, odporne na temperaturÄ™,
trudne w obróbce
polimery
" Tworzywa sztuczne, materiały
wielkoczÄ…steczkowe
" Zbudowane z długich łańcuchów
pojedynczych czÄ…stek
" A
atwe w formowaniu, odporne na korozje
" Niska sztywność, wrażliwe na temperaturę
kompozyty
" Składają się z 2 (lub więcej) materiałów o
różnych własnościach
" Własności kompozytu są lepsze niż każdego
składnika osobno
" Przykłady:
 Sklejka
 Beton, żelbeton
 Włókna szklane + żywica
Inne materiały
" Półprzewodniki
 Si, Ge, GaAs, GaN, GaP, In
" Materiały naturalne
 skóra, wełna, wiklina, kość (słoniowa)
" nanomateriały
Zakres stosowalności materiału
" Polimery stosujemy
gdy nie występują
duże obciążenia
" Metale stosujemy gdy
występują duże
obciążenia
" Ceramiki sÄ… najlepsze
w wysokich
temperaturach
" Własności materiału,
jego struktura i proces
wytwarzania sÄ…
wzajemnie powiÄ…zane
Mikrostruktura materiałów
" Wszystkie substancje składają się z atomów
" Istnieje kilka typów wiązań pomiędzy
atomami
" W wyniku oddziaływań międzyatomowych
powstają struktury wyższego rzędu
Tabela Mendelejewa
Rodzaje wiązań
międzyatomowych
" Kowalencyjne
" Jonowe
" Metaliczne
" Van der Waalsa (wtórne)
" wodorowe
WiÄ…zania kowalencyjne
" Dwa elektrony
pochodzÄ…ce z
sąsiednich atomów
tworzÄ… parÄ™
" Jest to podstawowy
typ wiÄ…zania
" WiÄ…zanie jest mocne i
ma kierunek
WiÄ…zanie jonowe
" W zwiÄ…zku chemicznym
elektron przechodzi z
jednego atomu na drugi
" TworzÄ… siÄ™ kationy o
Å‚adunku dodatnim i aniony
o Å‚adunku ujemnym
" Jony przyciÄ…gajÄ… siÄ™
elektrostatycznie tworzÄ…c
wiÄ…zanie
" TworzÄ… siÄ™ twarde
kryształy
WiÄ…zanie metaliczne
" Atomy metalu oddajÄ… elektrony stajÄ…c siÄ™
kationami
" Swobodne elektrony tworzÄ… gaz
elektronowy który wiąże ze sobą kationy
" Wiązanie nie ma określonego kierunku
" Metale sÄ… dobrymi przewodnikami prÄ…du i
ciepła
Energia wiązań
wiÄ…zanie Energia wiÄ…zania [kJ/mol]
Jonowe 600-1550
Kowalencyjne 500-1250
Metaliczne 100-850
Van der Waalsa 40
wodorowe 20
Dominujące typy wiązań w
różnych materiałach
" W metalach dominuje
oczywiście wiązanie
metaliczne
" W ceramikach,
półprzewodnikach i
szkłach dominuje
oddziaływanie
kowalencyjne
" W polimerach istotne sÄ…
wiÄ…zania kowalencyjne i
van der Waalsa
Przemiany fazowe
" Pod wpływem warunków zewnętrznych
atomy (czÄ…stki) przyjmujÄ… stabilnÄ…
konfiguracjÄ™  tzw. fazÄ™
" Dla układów jednoskładnikowych
występują zwykle trzy fazy
" Dla układów wieloskładnikowych układ faz
może być bardzo skomplikowany
Wykres fazowy układu
jednoskładnikowego
" Poniżej pewnej
temperatury faza
ciekła nie istnieje
" Powyżej określonej
temperatury nie
istnieje faza stała
" Faza ciekła istnieje
tylko powyżej
określonej
temperatury
Wykres fazowy dla wody
" W warunkach
wysokiego ciśnienia
lód może występować
w wielu postaciach
Wykres fazowy dla układu
dwóch składników
" Można określić między
innymi:
 TemperaturÄ™ topnienia
 Zakresy rozpuszczalności
 Ilość faz
" ZnajÄ…c wykres fazowy i
historię układu można
zgadnąć strukturę
materiału
Wykres fazowy dla układu Cu-Sn
(brÄ…z)
Struktura materiałów
" Wiele materiałów ma strukturę
(mikro)krystalicznÄ…
" Własności materiału zależą od rodzaju
kryształu oraz od defektów struktury
krystalicznej takich jak:
 Domieszki
 Dyslokacje
 Granice ziaren
kryształy
" Kryształ jest zbudowany z regularnie
powtarzających się atomów (cząstek)
" Metale i ceramiki majÄ… strukturÄ™
mikrokrystalicznÄ…
" Duże kryształy są wykorzystywane w technice
półprzewodnikowej
" Diament jest kryształem
Kryształy cd
" Typowymi kryształami
są cukier, sól, lód
" Własności
(mikro)kryształu bardzo
mocno zależą od
zawartych w nim
defektów
Typy struktur
krystalograficznych
Typy defektów kryształów
" Defekty punktowe
" Dyslokacje
" Granice ziaren
Defekty punktowe
" Domieszki
" Atomy
międzywęzłowe
" Wakansje (luki)
Defekty liniowe - dyslokacje
" Dwa podstawowe typy
dyslokacji: krawędziowe i
śrubowe
" Dyslokacja krawędziowa
to brak jednej
półpłaszczyzny w
krysztale
" Dyslokacja śrubowa to
przesunięcie jednej
półpłaszczyzny w
krysztale
Dyslokacje cd
" Przykład dyslokacji
krawędziowej
Granice ziaren
" Granice pomiędzy
krystalitami tworzÄ…
granice ziaren
Defekty w kryształach
" Idealny kryształ jest (powinien być) twardy
" Obecność dyslokacji powoduje że materiał
staje siÄ™ plastyczny
" Manipulując defektami można zmieniać
utwardzać materiał (hartowanie, kucie) bądz

go uplastyczniać (odpuszczanie)
Defekty w kryształach cd
" Domieszki decydują o własnościach
półprzewodników
" Własności ceramik są zdeterminowane
przez granice ziaren
" Własności plastyczne metali zależą od
dyslokacji
Istotne parametry materiału
" Gęstość " Magnetyczne
 diamagnetyki,paramag
" Mechaniczne
netyki, ferromagnetyki
 sprężystość
" Elektryczne
 odkształcania
 izolatory, przewodniki
 twardość
" Cieplne
 udarność
 zmęczenie
" Optyczne
 pełzanie
Ale najważniejszym parametrem jest cena
Odkształcenie pod wpływem
naprężeń
Próba zerwania
Mierzymy siłę w funkcji
wydłużenia
Odkształcenie pod wpływem
naprężeń
" Przy małych naprężeniach
materiał odkształca się
elastycznie. Jest to proces
odwracalny.
" Przy dużym naprężeniu
materiał odkształca się
plastycznie. Ulega trwałemu
odkształceniu. Jest to proces
nieodwracalny.
" Przy dużym odkształceniu
następuje zerwanie. Przedmiot
ulega zniszczeniu.
Odkształcenia sprężyste
" W zakresie odkształceń sprężystych odkształcenie
następuje na skutek zmiany odległości pomiędzy
atomami  bez generacji defektów
" Odkształcenie jest proporcjonalne do naprężenia
(prawo Hooke a)
sð = E eð
gdzie E  moduł Younga (współczynnik
sprężystości)
Moduły Young a wybranych
metali
Zmęczenie materiału
" Na skutek wielokrotnych
odkształceń powstają
defekty (pęknięcia)
" Występuje w zakresie
odkształceń sprężystych
" Jest podstawowÄ…
Przykład układu do badań
przyczyną zniszczeń
zmęczeniowych
urządzeń mechanicznych
Zmęczenie - dygresja
" Badania zmęczeniowe są
" Czas życia obiektu mierzy
przykładem badań
się przy wyższych
niezawodnościowych
naprężeniach
(określanie czasu życia)
(temperaturze etc) niż
" Określenie czasu życia
wymagane w czasie
jest niezbędne dla
eksploatacji
wszystkich urządzeń
" Uzyskane wyniki
technicznych
ekstrapoluje siÄ™ do
" Często stosuje się testy
normalnych warunków
akcelerowane
pracy
(przyspieszone)
Zmęczenie - dygresja
" Ilość cykli do
zniszczenia zależy od
naprężenia
twardość
" Pomiar twardości " Pomiar twardości jest
polega na wciskaniu niezbędny w trakcie
wgłebnika w badany obróbki termicznej
materiał i pomiarze metali (hartowanie i
wielkości odcisku odpuszczanie)
" Istnieje wiele
znormalizowanych
metod pomiaru
twardości
Metody pomiaru twardości
gęstość
Gęstość to stosunek masy do objętości
d = m / V
Zwykle wyraża się w gramach na centymetr
sześcienny [g / cm-3]
Masę mierzy się przy pomocy wagi, objętość
można zmierzyć np. metodą Archimedesa
Gęstość  materiały porowate
" Pory dzielą się na zamknięte i otwarte
" Najdokładniej objętość porów można
zmierzyć pod mikroskopem. Jest to pomiar
niszczący i czasochłonny
Pomiar gęstości materiałów
porowatych
" Piknometria
 Objętość próbki to objętość której nie może
zająć gaz
 Najczęściej używa się helu (gaz obojętny i
dobrze penetrujÄ…cy)
" Pozymetria  pomiar wielkości porów
 Wciskamy rtęć do materiału. Im większe
ciśnienie tym mniejsze pory są wypełniane.
magnetyzm
" Wszystkie rodzaje " Typy materiałów
atomów oddziałują z magnetycznych
polem magnetycznym
 Diamagnetyki
 Paramagnetyki
" Własności
 Ferromagnetyki
magnetyczne
 Antyferromagnetyki
materiału zależą od
 ferrimagnetyki
rodzaju atomów oraz
ich wzajemnego
oddziaływania
Pole magnetyczne
Indukcja magnetyczna:
B=mð mð0 n I / l
gdzie
mð0  przenikalność
magnetyczna próżni
mð - przenikalność
magnetyczna
materiału
Pole magnetyczne
" Indukcje magnetycznÄ… mierzymy w teslach
" Ziemskie pole magnetyczne ma indukcje
ok. 0.01 tesli
" Rezonans magnetyczny (MRI)
wykorzystuje pole magnetyczne o indukcji
ok. 2 tesli
diamagnetyki
" Materiały w których
atomy nie majÄ…
trwałego momentu
magnetycznego
" SÄ… wypychane z pola
Indukowane momenty
magnetycznego
magnetyczne atomów ustawiają
" Jest to efekt słaby
siÄ™ przeciwnie do kierunku
zewnętrznego pola
" Ag, Au, Cu, Pb
magnetycznego
paramagnetyki
" Atomy mają stały
moment magnetyczny
" SÄ… wciÄ…gane do pola
magnetycznego
Momenty magnetyczne atomów
" Jest to efekt
ustawiajÄ… siÄ™ zgodnie z
stosunkowo słaby kierunkiem zewnętrznego pola
magnetycznego
" Al, Cr, Mg
ferromagnetyki
" Atomy mają stały moment
magnetyczny
" Oddziaływania kwantowe
ustawiajÄ… momenty
magnetyczne atomów w
tym samym kierunku
" SÄ… trwale namagnesowane
ale powstaje struktura
domenowa
" Jest to bardzo silny efekt
" Fe, Ni, Co, Gd
Zależność momentu magnetycznego
od temperatury
" Drgania termiczne
niszczÄ…
uporzÄ…dkowanie
magnetyczne atomów
" Powyżej temperatury
Curie
namagnesowanie
zanika
Struktura domenowa
" Wszystkie materiały
ferromagnetyczne
tworzÄ… domeny
" Istnienie domen
utrudnia uzyskanie
silnych magnesów
Domeny magnetyczne
trwałych
ustawiajÄ… siÄ™ tak aby
" Przemagnesowanie
zminimalizować zewnętrzne
pole magnetyczne
domen jest trudne i
wymaga energii
Histereza magnetyczna
" Stan namagnesowania
zależy od
zewnętrznego pola
magnetycznego i od
historii
" Z wykresu można
odczytać mn:
indukcjÄ™ nasycenia
indukcjÄ™ szczÄ…tkowÄ…
siłę koercji
Histereza magnetyczna
" Istnienie domen
magnetycznych jest
przyczynÄ… histerezy
magnetycznej
" Indukcja nasycenia
odpowiada ustawieniu
wszystkich domen
magnetycznych w jednym
kierunku
" Pole powierzchni pętli
histerezy określa energię
traconÄ… w czasie jednego
cyklu
Rodzaje materiałów magnetycznych
" Materiały
magnetyczne twarde
 Magnesy
 Pamięci magnetyczne
" Materiały
magnetyczne miękkie
 Rdzenie
transformatorów
 Silniki i prÄ…dnice
Materiały magnetyczne miękkie
" Stopy Fe-Si
 Małe częstotliwości, duże moce
" Stopy Fe-Ni
 Duże częstotliwości, małe moce
" Ferryty
 Bardzo duże częstotliwości
" Szkła metaliczne
Materiały magnetyczne miękkie
" Stopy Fe-Si
 Dodatek krzemu zwiększa opór elektryczny
(zmniejsza) prÄ…dy wirowe
 Dodatek krzemu obniża indukcje nasycenia i
przewodnictwo cieplne
" Stosowany jako rdzenie do silników i
transformatorów
Materiały magnetyczne miękkie
" Stopy Fe-Ni
 ZawierajÄ… ok. 79% Ni
 Mała anizotropia
 Niska magnetostrykcja
" Stosowane w głośnikach, głowicach
odczytujÄ…cych itp
Materiały magnetyczne miękkie
" Ceramiki
 Ferrryty
 Granaty
 magnetoplumbity
" Nie przewodzÄ… prÄ…du elektrycznego
" Stosowane w technice radiowej i
mikrofalowej (anteny ferrytowe)
Materiały magnetyczne miękkie -
własności
Zapis magnetyczny
Używa się Fe2O3 lub CrO2 w
materiale wiążącym
Temperatura Curie dla CrO2
wynosi 128oC
Temperatura Curie dla Fe2O3
wynosi 600oC
Prostokątna pętla histerezy
Materiały magnetyczne twarde
" Stosowane jako magnesy
" Wykonuje się z ziaren tak małych, że w
środku mieści się tylko jedna domena
" Najczęściej wykonywane metodą proszków
spiekanych
Materiały magnetyczne twarde -
własności
Własności elektryczne
Opór elektryczny jest określony przez prawo Ohma
I = U / R
Własności elektryczne
Do charakteryzacji materiałów używa się oporności
wÅ‚aÅ›ciwej rð [Wðm]
R = rð l / S
l  długość S  pole przekroju poprzecznego
Używa się również pojęcia przewodnictwo właściwe
sð = 1 / rð [Wð-1 m-1]
Własności elektryczne
" Materiały dzielimy na:
 Przewodniki
 Półprzewodniki
 Izolatory
Przewodność elektryczna
Przewodność elektryczna
" Oporność elektryczna zależy od
temperatury
" Oporność metali rośnie w wyższych
temperaturach
" Oporność półprzewodników zwykle maleje
w wyższej temperaturze.
Przewodność elektryczna
Zależność przewodności elektrycznej od
temperatury opisuje siÄ™ jako
rð = rðtp [1 + að ( T  Tp )]
Przewodność elektryczna
Przewodnictwo miedzi
zależy od czystości i
temperatury
Przewodność elektryczna
Własności cieplne
" Przewodnictwo cieplne
" Pojemność cieplna
" Rozszerzalność termiczna
Ciepło właściwe
Ilość energii potrzebna do ogrzania 1 grama o
jeden stopień kelvina
Ciepło właściwe mierzymy w [J g-1 K-1]
Ciepło właściwe
Przewodnictwo cieplne
Przewodnictwo cieplne jest zdefiniowane jako
JQ = -lð (dT / dx)
Mierzy ilość ciepła przechodzącą przez
przekrój materiału
Przewodnictwo cieplne
Przewodnictwo cieplne
Rozszerzalność cieplna
Względna zmiana rozmiaru liniowego w
funkcji temperatury
(L  L0) / L0 = að (T  T0)
að - liniowy współczynnik rozszerzalnoÅ›ci
cieplnej [K-1]
Własności optyczne
Widmo promieniowania
elektromagnetycznego
Własności optyczne
Światło odbija się od powierzchni
część światła wchodzi do materiału, gdzie może zostać
zaabsorbowana lub rozproszona
część światła przechodzi na drugą stronę
Światło wewnątrz materiału może wielokrotnie odbijać
siÄ™ od powierzchni
Współczynnik załamania
Współczynnik załamania
n jest zdefiniowany jako
n = sin að / sin bð
Jest wielkością
bezwymiarową, zależy
od długości fali światła
Współczynnik załamania
Współczynnik odbicia
Współczynnik odbicia zależy
od współczynnika załamania.
Jest on określony wzorem:
R= (n  1)2 / (n+1)2
Współczynnik absorpcji
Wykresy fazowe
Wykres fazowy dla substancji
wzajemnie siÄ™ rozpuszczajÄ…cych
Powyżej linii likwidusu występuje
tylko ciecz
Poniżej linii solidusu występuje tylko
stan (roztwór) stały
Pomiędzy liniami solidusu i
likwidusu współistnieją dwie fazy:
stała i ciekła
Krzepnięcie układu o
nieograniczonej rozpuszczalności
Wykres fazowy dla składników
nie rozpuszczajÄ…cych siÄ™
Ciecz o składzie punktu E jest
nazywana cieczÄ… eutektycznÄ…,
a jej skład składem eutektycznym
Chłodzenie cieczy eutektycznej
Powstają zmieszane kryształki składnika A i B
Chłodzenie cieczy
podeutektycznej
Wykres fazowy z przemianÄ…
eutektyczną gdy składniki
rozpuszczają się w stanie stałym
Struktura stopu eutektycznego w
czasie chłodzenia
Struktura stopu
podeutektycznego w czasie
chłodzenia
Struktura stopu
podeutektycznego w czasie
chłodzenia bez przemiany
eutektycznej
Żelazo - własności
Żelazo - własności
Nazwa, symbol, l.a.* Żelazo, Fe, 26
Gęstość 7874 kg/m3
Masa atomowa 55,845 u
Struktura krystaliczna regularna
przestrzennie
centrowana
Stan skupienia stały
Temperatura topnienia 1808 K (1535 °C)
Temperatura wrzenia 3023 K (2750 °C)
Temperatura Curie 1043 K (770 °C)
Żelazo - własności
Temperatura Curie 1043 K (770 °C)
ObjÄ™tość molowa 7,09×10-3 m3/mol
Ciepło parowania 349,6 kJ/mol
Ciepło topnienia 13,8 kJ/mol
Prędkość dz
więku 4910 m/s (293,15 K)
Ciepło właściwe 440 J/(kg*K)
Przewodność wÅ‚aÅ›ciwa 9,93×106 S/m
Przewodność cieplna 80,2 W/(m*K)
Żelazo - własności
izotop wyst. o.p.r s.r. e.r. MeV p.r.
54
Fe 5,8% stabilny izotop z 28 neutronami
55 55
Fe {syn.} 2,73 lat w.e. 0,231 Mn
56
Fe 91,72% stabilny izotop z 30 neutronami
57
Fe 2,2% stabilny izotop z 31 neutronami
58
Fe 0,28% stabilny izotop z 32 neutronami
59 59
Fe {syn.} 44,503 dni ²- 1,565 Co
60 60
Fe {syn.} 1,5×106 lat ²- 3,978 Co
Odmiany alotropowe czystego
żelaza
" Żelazo występuje w trzech odmianach
alotropowych:
 żelazo ą
 żelazo ł
 żelazo ´
" Jedynie żelazo ą posiada własności
ferromagnetyczne.
" Przemiana alotropowa żelaza ą w żelazo ł
zachodzi w temperaturze 723°C przy
schÅ‚adzaniu lub 728°C przy ogrzewaniu.
" Przemiana alotropowa żelaza Å‚ w żelazo ´
zachodzi w temperaturze 1400°C.
Wykres fazowy żelazo-węgiel
Czyste żelazo
" Fe- að
Do temperatury 912oC ma ma
strukturÄ™ przestrzennie centrowanÄ… (RPC)
" Fe- gð
od 912oC do 1394oC ma strukturÄ™ powierzchniowo
centrowanÄ… (RSC)
" Fe- að(dð)
od 1394oC do temperatury topnienia ma strukturÄ™
przestrzennie centrowanÄ…
Wykres fazowy żelazo-węgiel
" Ferryt (að) - miÄ™dzywÄ™zÅ‚owy roztwór wÄ™gla
w żelazie að. Maksymalna rozpuszczalność
węgla wynosi 0.02%
" Austenit (gð) - miÄ™dzywÄ™zÅ‚owy roztwór
wÄ™gla w żelazie gð. Maksymalna
rozpuszczalność węgla wynosi 2.11%
Wykres fazowy żelazo-węgiel
" Cementyt to węglik żelaza (Fe3C). Zawartość
węgla w cementycie jest stała i wynosi 6.67%
 cementyt wydzielający się z cieczy (poniżej linii DC)
nazywamy cementytem pierwotnym
 cementyt wydzielający się z austenitu (poniżej linii ES)
nazywamy cementytem wtórnym
 Cementyt wydzielający się z ferrytu (poniżej linii PQ)
nazywamy cementytem trzeciorzędowym
Wykres fazowy żelazo-węgiel
" Perlit jest produktem przemiany austenitu
zawierającego około 0.77% C. Zbudowany
jest z płytek cementytu i ferrytu o stosunku
grubości ok. 1:8
Wykres fazowy żelazo-węgiel
" Ledeburyt powstaje z cieczy zawierajÄ…cej
4.3% węgla. Składa się z cementytu i
austenitu.
" W temperaturze poniżej 727oC ledeburyt
ulega przemianie tworzÄ…c ledeburyt
przemieniony
Wykres fazowy żelazo-węgiel
" Stopy żelaza z węglem do 2.11% C
nazywamy stalami
" Stopy żelaza z węglem o zawartości węgla
powyżej 2.11% C nazywamy żeliwami
Zmiany struktury stali
(0.77%C) w czasie chłodzenia
Austenit przemienia siÄ™
w perlit
Zmiany struktury poniżej
727oC sÄ… niewielkie
Zmiany struktury stali
(0.4%C) w czasie chłodzenia
Z austenitu wydziela siÄ™
ferryt
Poniżej 727oC pozostały
austenit przemienia siÄ™
w perlit
Zmiany struktury stali
(1.3%C) w czasie chłodzenia
Z austenitu wydziela siÄ™
cementyt wtórny
Poniżej 727oC pozostały
austenit przemienia siÄ™
w perlit
Struktura stali po powolnym chłodzeniu.
a) ferryt i cementyt trzeciorzędowy (poniżej 0.02%C
b) struktura ferrytyczno-perlityczna (0.6%C)
c) struktura perlityczna (0.77%C)
d) perlit i cementyt drugorzędowy
Wykres fazowy żeliwa
" Przemiany fazowe w systemie Fe-C występują w
układzie stabilnym bądz
w układzie
metastabilnym
" Układ Fe-Fe3C jest układem metastabilnym
" Układ Fe-C (grafit) jest układem stabilnym
" Zwykle przemiany fazowe zachodzą według
układu metastabilnego. Przy większych
koncentracjach węgla, zwłaszcza w obecności Si,
przemiany mogą zachodzić w układzie stabilnym
Wykres fazowy żelaza (stabilny)
Zmiany struktury stopu Fe-C
(2.5%C) w czasie chłodzenia
według układu metastabilnego
Powstaje austenit w
osnowie ledeburytu
Poniżej 727oC austenit
przemienia siÄ™ w perlit
ledeburyt przemienia siÄ™
w ledeburyt przemieniony
Zmiany struktury stopu Fe-C
(2.5%C) w czasie chłodzenia
według układu stabilnego
Powstaje austenit w
osnowie eutektyki
żelazo-grafit (płatki)
Poniżej 727oC austenit
przemienia siÄ™ w perlit
z eutektyki wydziela siÄ™
ferryt i grafit
Kinetyka przemian fazowych -
hartowanie
Wykresy CTP
Wykresy Czas,
Temperatura, Przemiana
pokazujÄ… kinetykÄ™ przemiany
fazowej
Krzywa z lewej strony reprezentuje poczÄ…tek przemiany
fazowej (1% objętości), linia przerywana 50% przemiany, a
krzywa z prawej koniec przemiany (99%)
Przemiana martenzytyczna
Austenit usiłuje
przekształcić się w
żelazo að. Ale
rozpuszczony węgiel
przeszkadza. W wyniku
dostajemy
zniekształconą strukturę
żelaza að.
Przemiana martenzytyczna
" Obróbkę cieplną prowadzącą do powstania
struktury martenzytycznej nazywamy
hartowaniem
" Przemiana martenzytyczna wprowadza
naprężenia do materiału
" Objętość właściwa martenzytu jest większa
od austenitu z którego powstał (przedmiot
hartowany zmienia rozmiar)
Przemiana martenzytyczna
" Temperatura
przemiany bardzo
silnie zależy od składu
stali
" Ms(oC)=561-474(%C)-
33(%Mn)-17(%Ni)-
17(%Cr)-21(%Mo)
hartowanie
Celem hartowania jest powstanie
struktury martenzytycznej, która
może powstać tylko z austenitu
w czasie hartowania stali trzeba
ją podgrzać do temperatury
umożliwiającej powstanie austenitu
hartowanie
W czasie hartowania należy
stal chłodzić szybko aby
uniknąć przemian w zakresie
dyfuzyjnym
w czasie hartowania powstajÄ…
duże naprężenia z powodu
różnicy temperatur pomiędzy
powierzchniÄ… a rdzeniem
materiału
Hartowanie stopniowe
Przedmiot wytrzymuje siÄ™
w temperaturze trochÄ™
powyżej Ms aż do
wyrównania temperatur,
a następnie powoli chłodzi
umożliwiając przemianę
jednocześnie w całej
objętości
Hartowanie izotermiczne
Oziębianie zostaje
zatrzymane tuż
powyżej Ms a czas
wytrzymania jest
dostatecznie dłgi
odpuszczanie
" Po zahartowaniu stal ma bardzo złe
własności plastyczne
" Obróbka cieplna polegająca na nagrzaniu
zahartowanej stali w celu poprawy
własności plastycznych jest nazywana
odpuszczaniem
Stadia odpuszczania
" 100-200oC - struktura staje siÄ™ podobna do
bainilitu. Wytrzymałość stali (zwykle) maleje
" 200-350oC  następuje przemiana austenitu
szczÄ…tkowego w ferryt i cementyt. Powoduje to
umocnienie stali
" 250-400oC  wydzielanie cementytu, ruch
dyslokacji. Wytrzymałość stali zmniejsza się
" 400-727oC  rekrystalizacja osnowy. Powyżej
727oC tworzy siÄ™ austenit
odpuszczanie
W stalach stopowych
mechanizmy
odpuszczania sÄ… bardziej
skomplikowane. Różnice
występują zwłaszcza
przy odpuszczaniu w
wysokich temperaturach
odpuszczanie
Niektóre rodzaje stali
utwardzajÄ… siÄ™ w czasie
odpuszczanie, głównie
na skutek tworzenia
węglików
Obróbka powierzchniowa
" Hartowanie powierzchniowe  nagrzewa siÄ™ tylko
cienkÄ… warstwÄ™ powierzchniowej i jÄ… hartuje.
" Nawęglanie  nasyca się węglem warstwę
powierzchniową i następnie hartuje
" Azotowanie  nasycenie powierzchni azotem.
Stale do azotowanie zwykle zawierajÄ… aluminium
(AlN jest bardzo twardy)
" Inne (nagniatanie, wytwarzanie warstw
diametowych etc)
Wytwarzanie żelaza - historia
Dymarka
Rekonstrukcja dymarki w
Biskupinie
Wytwarzanie żelaza w
dymarkach
http://www.platnerz.com/platnerz-com/scriptorium/faq/zelazodymarkowe/tekst/tekst.html
Wytwarzanie żelaza w
dymarkach
1 - Szyb pieca.
2 - Wsad (węgiel drzewny +
ruda żelaza).
3 - Kotlinka wypełniona
ściekającym podczas wytopu
żużlem.
4 - łupka żelaza.
5 - Dysze.
6 - Pierwotny poziom terenu.
7 - Poziom dna kotlinki.
http://www.platnerz.com/platnerz-com/scriptorium/faq/zelazodymarkowe/tekst/tekst.html
Wytwarzanie żelaza w
dymarkach
Fragment Å‚upki
żelaznej uzyskanej
w doświadczalnym
piecu dymarskim.
http://www.platnerz.com/platnerz-com/scriptorium/faq/zelazodymarkowe/tekst/tekst.html
Wytwarzanie żelaza w
dymarkach
1 - Żużel
2 - Przecięty pęcherz
spieczonego żelaza.
3 - Węgiel drzewny.
http://www.platnerz.com/platnerz-com/scriptorium/faq/zelazodymarkowe/tekst/tekst.html
Wytwarzanie żelaza w wielkim
piecu
XIX wieczna rycina
przedstawiajÄ…ca wieki piec
(do produkcji żeliwa)
Wytwarzanie żelaza w wielkim
piecu
" Wielkie piece umożliwiły stropienie żelaza i
produkcję żeliwa na skale masową
" Wielki piec mógł być używany wielokrotnie
" Żeliwo można można odlewać
" Stal z żeliwa można uzyskać po procesie
konwersji
Wytwarzanie żelaza w wielkim
piecu
" Początkowo używano tzw. ognisk fryszerskich
" W 1794 wynaleziono piec pudlarski
" W 1860 zainstalowano w Anglii pierwszy
konwerter ( gruszkÄ™ ) Bessemera
" W roku 1850 produkcja żeliwa w Anglii wynosiła
około 3 milionów ton podczas gdy produkcja stali
wynosiła tylko 60 tysięcy ton
" W roku 1890 produkcja stali w Anglii wynosiła
ok. 5 milionów ton
Gruszka Bessemera
Powietrze
wdmuchiwano
od spodu
Gruszka Bessemera
Rodzaje stali
" Stale konstrukcyjne
" Stale narzędziowe
" Stale specjalne
Stale konstrukcyjne
" Stale niskostopowe
" Stale do nawęglania
" Stale do azotowania
" Stopowe do ulepszania cieplnego
" Stale sprężynowe
" Stale łożyskowe
" Stale do hartowania powierzchniowego
" Stale maraging
Stale i stopy narzędziowe
" Stal węglowa narzędziowa
" Stal narzędziowa do pracy na zimno
" Stal narzędziowa do pracy na gorąco
" Stale szybkotnÄ…ce
Stale specjalne
" Stale odporne na ścieranie
" Stale nierdzewne i kwasoodporne
" Stale żarowytrzymałe i żaroodporne
" Stale o dużym oporze elektrycznym
" Stale o szczególnych własnościach
magnetycznych
Przemiana martenzytyczna