Stal – Przerobiony plastycznie stop żelaza z węglem; max 2% C, i innymi pierwiastkami. Stal może mieć zanieczyszczenia, które negatywnie wpływają na jej właściwości.

Pierwiastki stopowe – Wprowadza się je CELOWO, aby dokonać zmiany właściwości.

Stale niestopowe:

- Stale podstawowe – Uzyskują właściwości tylko w procesach stalowniczych (walcowanie, kucie na gorąco), bez dodatkowych zabiegów. Są przeznaczone do obróbki cieplnej, bez wyżarzania. Max. 0,045% głównych zanieczyszczeń (Fosfor i Siarka).

- Stale jakościowe – Ściśle przestrzega się technologii produkcji, nie określa się czystości metalurgicznej, spełniają określone wymagania, np. co do wielkości ziaren, odporności na kruche pękanie, itp.

- Stale specjalne – Gatunki wyższej czystości, max 0,02% zanieczyszczeń, przeznaczone są do ulepszania cieplnego lub hartowania powierzchniowego, dobór składu powoduję szereg właściwości.

Stale stopowe:

- Stale jakościowe – Nie przeznaczone do ulepszania cieplnego, lub utwardzania powierzchniowego, wyróżnia się: eutektoidalne, konstrukcyjne – drobnoziarniste, spawalne, itp.

- Stale specjalne – Mają różne składy i właściwości, jest tu ścisła kontrola składu chemicznego, technologii wytwarzania. Wyróżnia się: Odporne na korozję, narzędziowe, żaroodporne itp.

Cementyt – Węglik żelaza Fe₃C. Zawiera 6,6% węgla, krystalizuję się w sieci ortorombowej.

Ledeburyt – Mieszanina cementytu i austenitu.

Ledeburyt przemieniony – Cementyt i perlit.

Perlit – Płytkowa mieszanina ferrytu i cementytu, powstaje z austenitu w wyniku przemiany eutektoidalnej.

Ferryt - Roztwór stały Fe α lub Fe δ.

Austenit – Roztwór stały w Fe γ.

Bainit – Mieszanina przesyconego ferrytu i wydzielonych węglików.

Martenzyt <3 – Przesycony roztwór węgla w Fe α

Hartowanie – Nagrzanie stali do temp. austenityzowania, wygrzanie w tej temp i oziębienie w celu uzyskania struktury nierównowagowej – martenzytycznej lub bainitycznej. Zwiększa się twardość i wytrzymałość, spada plastyczność.

Austenityzowanie – Rozpuszczanie węglików w austenicie, w stalach stopowych wyższa temp wzmacnia, w stalach węglowych powoduję kruchość.

Hartowanie objętościowe – Austenityzowanie obejmuję całą objętość hartowanego elementu, a grubość warstwy zahartowanej zależy do hartowności materiału i intensywności chłodzenia.

Hartowanie powierzchniowe – Szybkie nagrzanie do temp austenityzowania i szybkie schłodzenie, tak, że tylko warstwa wierzchnia ulega zahartowaniu.

Hartowanie martenzytyczne – Ochładzanie w sposób ciągły z szybkością większą od krytycznej do niskich temperatur. Struktura martenzytu z austenitem szczątkowym; twardość 40-65 HRC

Duża szybkość chłodzenia doprowadza do powstania naprężeń własnych (wymaga późniejszego odpuszczania). W hartowaniu martenzytycznym stopniowym, temp po spadku jest nieco większa, właściwości te same i mniejsze naprężenia własne.

Hartowanie bainityczne – Oziębienie z prędkością mniejszą od krytycznej. Struktura bainitu, lepsze właściwości plastyczne, większa udarność i wytrzymałość zmęczeniowa (wymaga odpuszczania).

Hartowanie bainityczne izotermiczne – Oziębia się w kąpieli 250-400 C, i zostawia się aż w całej objętości zajdzie przemiana bainityczna a potem chłodzi się w dowolnym czasie. Struktura bainitu, lepsza ciągliwość, zmniejszenie odkształceń, zachowana twardość. Nie wymaga odpuszczania.

Odpuszczanie – Ogrzanie wcześniej zahartowanej stali do temp nieprzekraczającej temp austenityzowania i wygrzanie, potem oziębienie. Poprawa ciągliwości, mniejsza kruchość, spada twardość i usuwa się naprężenia powstałe przy hartowaniu.

Odpuszczanie:

- niskie – Do 250 C; 1-3h; Chłodzenie dowolna szybkość, duża twardość, małe naprężenia;
- średnie – 250-500 C; Wysoka granica sprężystości i dobra plastyczność, kompromis między twardością a plastycznością;

- wysokie – Ponad 500 C – Temp austenityzowania; 2-3h; chłodzenie wolne, dobra plastyczność, właściwości mechaniczne.

Utwardzanie cieplne – Hartowanie martenzytyczne potem niskie odpuszczanie

Ulepszanie cieplne – Hartowanie i odpuszczanie wysokie lub średnie

Hartowność – Zdolność stali do utwardzania w trakcie hartowania

Obróbka cieplno-chemiczna – Zespół operacji, które mają zmienić strukturę, właściwości użytkowe metali i stopów.

Nasycanie dyfuzyjne – Wprowadzanie w wyniku dyfuzji do warstwy wierzchniej metali lub stopów jednego lub kilku składników w celu nadania pożądanych właściwości.
Niemetale nasycające: Tlen, Bor, Azot, Węgiel.

Metale: Wanad, Chrom, Tytan, Aluminium

Nawęglanie – Nasycanie warstwy wierzchniej stali o zawartości węgla 0,05-0,25% węglem, w temp austenityzowania. Celem jest utworzenie warstwy wierzchniej nasyconej węglem, powierzchnia ma dużą twardość i plastyczny rdzeń. Struktura to perlit, z możliwym cementytem, przechodzący w ferryt w stronę rdzenia.

Nawęglanie:

- W ośrodkach stałych – Obrabiane ciało stałe zamyka się w skrzynkach z proszkiem jakiegoś związku węgla (np. węgiel drzewny). Pod wpływem temp i niedoboru tlenu powstaje tlenek węgla CO, który nawęgla ciało stałe. Najgorszy możliwy sposób nawęglania;

- Próżniowe – Obniżone ciśnienie, wprowadzenie np. metanu i propanu. Węgiel z tych gazów przechodzi na ciało stałe;

- Gazowe – Jak Próżniowe, z tym że w normalnym ciśnieniu;

- Jonizacyjne – Jak Próżniowe z tym że dodatkowo wykorzystuje się prąd, tworzy się plazma. Jony węgla bombardują powierzchnie ciała stałego. Najlepszy sposób nawęglania (precyzja grubości warstwy oraz zawartego w niej węgla);

- W złożach fluidalnych – Ciało stałe „zanurza” się w np. piasku z węglem, przez które przepływa powietrze nasycające. Taki piasek zachowuje się jak płyn, co pozwala na „zanurzenie” w nim obrabianego ciała stałego.

Po nawęglaniu można dalej obrabiać stal np. hartować i odpuszczać.

Borowanie – Nasycanie dyfuzyjne warstwy wierzchniej w temp 900-1000 C, przez kilka do kilkunastu godzin. Nadaję odporność na tarcie, struktura jest iglasta prostopadła do powierzchni.
Borowaniu poddaje się stale średnio-węglowe i niskostopowe.

Azotowanie – Dyfuzyjne nasycanie azotem w temp 500-600 C w atmosferze zawierającej wolne atomy azotu, może być średnio-, krótko-, długo – okresowe.

Azotowanie:

- Gazowe (atmosfera amoniaku);

- Jonizacyjne (z napięciem 0,5-1,5 kV);

Struktura: zwykle 2 strefy, powierzchniowa odporna na trawienie i wewnętrzna, która jest roztworem stałym azotu w żelazie. Duża twardość powierzchni i wytrzymałość są zachowane nawet do 600C, odporność na ścieranie i wytrzymałość zmęczeniowa.

Twardość wtórna – Przyrost twardości 1-3 HRC, w temp 500-580 C, wydzielanie węglików stopowych oraz przemiana austenitu szczątkowego w martenzyt.

Stale narzędziowe - Minimum zanieczyszczeń, duże odporności i wytrzymałości, niezmienność twardości od temp, dobra przewodność cieplna.

Wyróżnia się:

- Węglowe do pracy na zimno - (do 200C), 0,65-1,4% węgla, hartuje się w temp 760-800 C, chłodzi w wodzie, po hartowaniu martenzyt i jakieś 65 HRC. Odpuszczanie w 180-300C, 1-2 h, chłodzi się na powietrzu. Zastosowania: Tanie maszyny ręczne, mała szybkość pracy, pilniki, noże, wiertła, gwintowniki itp. (Ogółem narzędzie ślusarskie);

- Stale narzędziowe do pracy na zimno - 0,4-2,1 % węgla, obrabiane skrawaniem, wyżarza odprężająco 600-650C, potem hartuję i odpuszcza. Po hartowaniu martenzyt i austenit szczątkowy, twardość 50-64 HRC Odpuszcza się w 150-320 C, wydzielają się węgliki stopowe, austenit szczątkowy może zamienić się w martenzyt. Twardość po obróbce cieplnej zwykle 60 HRC. Zastosowanie: Obróbka plastyczna, skrawaniem, max temp pracy 300C;

- Stale szybkotnące – 0,75-1,45% węgla, mogą mieć dodatki stopowe np. chrom. Obróbka cieplna to hartowanie i 2-3 krotne odpuszczanie. Struktura martenzytu i austenitu szczątkowego, twardość 63-66 HRC. Odpuszczanie następuję bezpośrednio po hartowaniu temp 550-570 C (występuje twardość wtórna) twardość 68 HRC. Zastosowanie: narzędzia skrawające, maszyny skrawające (np. tokarka), duże obciążenia, max temp pracy 500-550;

- Narzędziowe do pracy na gorąco – 0,25-0,6% węgla, może być chrom i wolfram. Obróbka cieplna to hartowanie w 880-1140C, chłodzenie w oleju. Struktura martenzytu i austenitu szczątkowego. Twardość 46-55 HRC. Odpuszczanie: zwykle 2-krotne, temp 400-600C. Dobre właściwości plastyczne po odpuszczaniu, twardość prawie bez zmian. Zastosowania: Matryce do prasowania i kucia na gorąco, mogą się nagrzewać na krótko do 700C.

Staliwa – Nie podlegają przeróbce plastycznej. Dzielą się na stopowe i niestopowe (węglowe). Zawierają max 2,1% węgla, jednak zazwyczaj nie przekraczają 0,25%. Zastosowania stali stopowych: duże wymagania mechaniczne, np. rozjazdy kolejowe. Węglowe: części samochodów, pokrywy, koła bose.

Żeliwa – Stop Fe – C, eutektyka w 1153C, w żeliwie minimum 2,1 % węgla. Podział:
Szare (najpopularniejsze) – mają grafit i cementyt. Grafit zmniejsza skurcz odlewniczy, poprawia właściwości plastyczne. Z uwagi na postać grafitu, wyróżnia się:

- Zwykłe (grafit płytkowy);

- Sferoidalne (grafit okrągły);

- Modyfikowane (drobny grafit płytkowy);

- Wermikularne (grafit częściowo sferoidalny).

Właściwości: dobre do odlewów, mały skurcz, wytrzymałość na ściskanie, zdolność do tłumienia drgań.

Modyfikacja żeliw – Do ciekłego żeliwa, dajemy modyfikator, który zwiększa obszar temperatur, w którym wydziela się grafit. Osnowa to perlit, drobny grafit w mniejszym stopniu niż gruby zmniejsza wytrzymałość.

Obróbka cieplna: Wyżarzanie odprężające, 500-600C, ma usunąć naprężenia,
Wyżarzanie normalizujące 850-950C, wzrasta twardość.
Hartowanie izotermiczne, 830-870C, potem wstrzymanie izotermiczne. Zachodzą przemiany austenitu.

Miedź – Temp topnienia 1083C, dobra plastyczność, świetne przewodnictwo kurwa wszystkiego, twardość 30HB, czystą miedź można umacniać, przez zgniot ale spada plastyczność. Miedź jest odporna na korozję, pokrywa się patyną, która chroni przed dalszą korozją.

Mosiądz - Do 45% cynku oraz 0,5-5% innych dodatków. Podział ze względu na strukturę:

Struktura ALFA (α), do 38% cynku i struktura ALFA+BETA (α + β) 38-45% cynku. Przy chłodzeniu faza Beta ulega uporządkowaniu przekształcając strukturę na ALFA+BETA PRIM
(α + β’) która zwiększa wytrzymałość i pogarsza plastyczność. Mosiądze są odporne na korozję i można je łatwo łączyć. Zastosowania: do 15% cynku – rurki włoskowate, łuski amunicji małokalibrowej, 15-30% cynku – rury do skraplaczy, łuski amunicji wielkokalibrowej, 30-38% cynku – części zegarów, nity, nakrętki. Obróbka cieplna – wyżarzanie rekrystalizujące, usuwa umocnienie wynikające ze zgniotu, temp 450-650 C, odprężające 200-300C, zmniejsza naprężenia wewnętrzne.

- Mosiądze do obróbki plast. na zimno - 4-38% cynku, struktura ALFA.
- Mosiądze do obróbki plast. na gorąco - więcej niż 38% cynku, struktura ALFA + BETA

- Mosiądze odlewnicze – Struktura ALFA+BETA mają strukturę dendryczną, dobra lejność.

Uwaga: Mosiądz – Miedź z cynkiem; Brąz – Miedź z cyną. Lepiej się nie pomyl.

Metale lekkie - Magnez, Beryl, Aluminium, Lit, mają gęstości dużo mniejsze niż żelazo.
Aluminium – temp topnienia 660C, p=2700, słabe wytrzymałości, dobre plastyczności, twardość 25H. Dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne. Aluminium ulega samorzutnej pasywacji, pokrywa się warstwą tlenku amelinium i jak wiadomo nie pomalujesz.

Magnez – Temp topnienia ok 660C, p=1740, właściwości podobnie jak wyżej, ma dużą aktywność chemiczną, utlenia się i koroduję, szczególnie w wysokiej temp.

Duraluminium – Zawiera 2-4,9% miedzi, mogą być też inne dodatki. Ma strukturę roztworu stałego Alfa miedzi w aluminium, oraz fazy AlCu₂. W porównaniu do zwykłego aluminium, duraluminium jest twarde.

Obróbka cieplna – Utwardzanie wydzieleniowe, umacnia roztwór stały, tworzą się fazy międzymetaliczne, które utrudniają ruch dyslokacji. Przekłada się to na zwiększenie wytrzymałości.

Przesycanie – (W przypadku duraluminium) podgrzewany do 500C i szybko chłodzony dural zaczyna przechodzić tylko do fazy Alfa, który staję się przesycona.

Starzenie – (Znowu dla przykładu duraluminium) proces odwrotny, miedź wydziela się z przesyconej fazy Alfa, powoduję to słabsze utwardzenie po przesycaniu, może następować samoistnie w temp pokojowej, można też przyspieszyć proces ogrzewając materiał nawet do 160C.

Siluminy – stop aluminium z krzemem, mają dobre właściwości odlewnicze, słabą wytrzymałość, małą rozciągliwość, twardość 50-100HB.

Podział:

- Podeutektyczne - 4-10% Si (silniki części przemysłu lotniczego);

- Eutektyczne - 10-13% Si (tłoki silników, skomplikowane odlewy);

- Nadeutektyczne - 17-30% Si (silnie obciążone części silników spalinowych).

Modyfikacja – dodaje się modyfikator, który rozdrabnia krzem i zaokrągla go, zwiększa też zakres eutektyki (temp), co podnosi rozpuszczalność krzemu.
Ponad to można utwardzać wydzieleniowo – przesycając w 550C a potem starzenie w 200C.

Stop super lekki - magnez i lit, stosuję się do części samolotów i rakiet i w przemyśle kosmicznym.

Kruche pękanie – nagłe i nieprzewidywalne co prowadzi do awarii i jest niebezpieczne. Może pojawić się przy naprężeniach nominalnych niższych od granicy plastyczności. Brak odkształceń plastycznych w strefie pęknięcia. Sprzyja – niska temperatura, duża szybkość obciążenia, trójosiowy stan naprężeń. Niska temp może powodować przejście w stan kruchy.
Kruche pękanie ma charakterystyczny przełom bez śladów odkształceń plastycznych.

Przełom plastyczny – ma nieregularny charakter i mocno rozjebaną powierzchnie.

Zmęczenie materiału – obciążenia o charakterze cyklicznym trwające jakiś czas. Rozpoczyna się gdy współczynnik intensywności naprężeń jest mniejszy od krytycznej wartości współczynnika naprężeń. Poziom naprężeń nominalnych nie przekracza granicy plastyczności. Energia pochłaniana jest przez element, i koncentruję się w mikrouszkodzeniach – koncentratorach naprężeń. Gdy powstanie pęknięcie to będzie się ono z każdym cyklem powiększać. Przełom zmęczeniowy ma charakterystyczny wygląd, składa się z rzeczywistego przełomu zmęczeniowego z miejscem inicjacji pęknięcia i rozchodzących się linii spoczynkowych, druga część to przełom resztkowy.

Podział koncentratorów naprężeń:

- Mechaniczne – Karby, czyli wszelkie nieregularności i rysy. Karby dzieli się na:

- Makroskopowe – np. widoczne pęknięcia i rysy obróbkowe;

- Mikroskopowe – np. niewidoczne pęknięcia i rysy (powstałe w wyniku np. szlifowania)… i tak, taki jest podział karbów jak przetłumaczysz sobie skrypt.

- Metalurgiczne – nieregularności struktury, np. wydzielenia węglików, wtrącenia niemetaliczne.

Ścieranie – zachodzi poprzez stykanie i przesuwanie się elementów, zużycie jest mierzone poprzez zmianę masy lub wymiarów. Na początku ścieranie przebiega szybko bo ścierają się nierówności, potem wolniej a pod koniec z uwagi na zmiany struktury znowu przyśpiesza. Zużycie ścierne – pył, kurz, piasek dostają się między elementy. Zużycie adhezyjne – pod wpływem sił docisku mikronierówności łączą się a następnie są odrywane od podłoża.

Pełzanie – długotrwałe naprężenia mniejsze od granicy plastyczności powodują odkształcenia a w końcu zniszczenie, postępowanie zależy od temperatury. Temperatura pełzania (dla metali 0,3-0,4 temp topnienia) powoduję samoistne odkształcenia.

Kompozyty – materiały łączące dodatnie cechy materiałów bardzo wytrzymałych, ale kiepsko ciągliwych, z materiałami o dużej ciągliwości, ale małej wytrzymałości. Generalnie są to materiały łączące pozytyw materiałów, które w rezultacie niwelują wady na tyle, że odczuwalne są głównie pozytywy.

Wyróżnia się kompozyty:

- Z włóknami węglowymi – w osnowie żywicznej polimerowej lub epoksydowej termoutwardzalnej. Duża wytrzymałości, średnia plastyczność. Mają małą masę przy dużych wytrzymałościach, generalnie są dosyć drogie. Dobre w środowisku wodnym, podczas pękania rozpadają się. Zastosowania – maszty, kadłuby jachtów itp.

- Z włóknami szklanymi – Zazwyczaj to włókna szklane zanurzone i utwardzone w żywicy epoksydowej lub polimerowej. Są tańsze niż węglowe, ale cięższe. Gorzej radzą sobie w środowisku wodnym. Przy pęknięciu, przez jakiś czas stanowią całość zanim zupełnie się rozpadną. Zastosowania: kadłuby jachtów, części do jachtów.

- Kevlarowe – mogą być stosowane w postaci przędzy lub tkaniny. Są stosunkowo giętkie i wytrzymałe. Robi się z nich: żagle, rękawice, kamizelki.

- Odlewane – Dodaje się do metalu cząstki ceramiczne, są drogie i trudne w produkcji Łączą dobrą plastyczność i odporność na ścieranie i rozwój mikroszczelin.

Pierwiastki ferrytotwórcze – pierwiastki stopowe ułatwiające uzyskanie struktury ferrytu w stali:

- Krzem Si;

- Chrom Cr;

- Molibden Mo;

- Wanad V;

- Wolfram W;

- Tytan Ti;

- Niob Nb;

- Siarka S.

Pierwiastki austenitotwórcze – to samo, tyle że ułatwiają uzyskanie struktury austenitu:

- Nikiel Ni;

- Mangan Mn;

- Węgiel C;

- Azot N.