Metale wykład

Materiałoznawstwo jako nauka o budowie, właściwościach i metodach badań materiałów konstrukcyjnych, zajmuje się pomiędzy: składem chemicznym, budową tworzywa i procesem technologicznym jakim ono podlega, a jego właściwościami. Zależności te zazwyczaj są trudne do sprecyzowania, ze względu na dużą liczbę zmiennych jak i ilościową ocenę pewnych zjawisk. Właściwości materiału określa się pod względem stawianych mu wymagań. Nie ma materiału konstrukcyjnego spełniającego w równym stopniu wszystkie wymagania. Każdy materiał może być : odpowiedni, nieodpowiedni lub bardzo dobry, ponieważ ocena jest uzależniona od właściwego doboru właściwości tworzywa i techniki wytwarzania. Do warunków pracy, elementy i konstrukcji. Wymagania stawiane materiałom:

- dobre właściwości mechaniczne ( wytrzymałość trwałość ),

- mały ciężar właściwy,

- duża trwałość,

- dobre właściwości technologiczne,

- niska cena,

- dobre właściwości chemiczne i fizyczne.

RODZAJE WIĄZAŃ ATOMOWYCH

F

siły odpychające

siłyprzyciągające

długość między atomami

Na przedstawionym rysunku punkt przecięcia krzywych odpowiada odległością międzyatomowym. Siły wiązań atomów są to siły przyciągania między różno imiennymi ładunkami elektrycznymi (siły elektrostatyczne). Nazywane często są wiązaniami atomowymi.

Rozróżnia się cztery rodzaje wiązań atomowych:

1. Wiązania kowalencyjne.

Polegają na tworzeniu wspólnych par. Atomy mające na powłoce walencyjnej więcej niż połowę z ośmiu możliwych na tej powłoce elektronów chętnie przyjmują elektrony. Jeżeli powłoka ta ma mniej niż połowę ośmiu elektronów walencyjnych chętnie się ich pozbywa.

Wiązania kowalencyjne tworzą się gdy na powłoce walencyjnej jest siedem, a nie osiem elektronów. Wówczas tworzy się wspólna para przynależna do jednego i drugiego atomu. W wyniku oddziaływania sił elektrostatycznych po między jednymi a wymienioną parą istnieją siły przyciągania.

b. Wiązania jonowe.

Uzupełnieni ósmego elektronu powoduje zachwianie równowagi ładunków co powoduje, że jeden atom ma ładunek dodatni a drugi ujemny powoduje to ich wzajemne przyciąganie.

Wiązania jonowe powstają w wyniku elektrostatycznego przyciągania ładunków różnoimiennych. np. atom sodu ma jeden elektron walencyjny, który może być przeniesiony do atomu chloru mającego siedem elektronów walencyjnych. W wyniku tego przemieszczenia atom sodu staje się jonem dodatnim, a atom chloru przyjmując ten elektron staje się jonem ujemnym.

c. Wiązania Van der Waalsa.

Pod wpływem działania sił zewnętrznych ładunki w jądrze ulegają przemieszczeniu co powoduje wytrącanie środków ciężkości ładunków dodatnich i ujemnych.

Wiązania Van der Waalsa powstają w skutek oddziaływania spolaryzowania atomów, powstają ,, maleńkie `' dipole. Polaryzacja następuje w skutek odkształcenia powłok elektronowych. W wyniku czego środki ładunków dodatnich i ujemnych nie znajdują się w tym samym punkcie lecz są rozdzielone.

d. Wiązania metaliczne.

Pierwiastki metaliczne mają małą ilość elektronó walencyjnych. Między rdzeniami atomowymi rozmieszczona jest chmura elektronowa. Wiązania metaliczne polegają na zasadzie wiązań rdzeni atomowych za pomocą wolnych elektronów, które krążą między rdzeniami atomowymi, to znaczy między atomami pozbawionymi elektronów walencyjnych.

Atomy pierwiastków metalicznych mają małą liczbę elektronów walencyjnych i dlatego nie mogą się łączyć wcześniej opisanymi wiązaniami. Dostatecznie zbliżone atomy pierwiastka metalicznego tracą część lub wszystkie swoje elektrony walencyjne. Stając się rdzeniami atomowymi. między którymi w całej objętości metalu wspólne elektrony (chmura elektronowa) poruszają się w pewnym stopniu swobodnie. Elektrony swobodne przynależą do wszystkich rdzeni atomowych. Między ładunkami dodatnimi rdzeni atomowych i ujemnymi gazu elektronowego działają silne elektrostatyczne siły przyciągania - wiązania metaliczne.

Krystaliczna budowa strukturalna

Ciała krystaliczne mają charakterystyczny kształt regularnych brył geometrycznych.

Atomy w metalach są uporządkowane jako węzły sieci przestrzennej utworzone przez zwielokrotnienie w trzech kierunkach podstawowego elementu zwanego komórką elementarną lub komórką sieciową.

Rodzaje sieci krystalicznych ( przestrzenne ):

1. regularnie prosta - atomy na narożach sześcianu.

2. regularnie przestrzennie centralna - atomy na narożach i w centrum bryły.

3. regularna płasko-centrowana - na narożach i w środku boków.

4. sieć heksagonalna - niezależnie.

LICZBY OKREŚLAJĄCE SIECI

Niezależnie od typu sieci, sieć przestrzenną charakteryzują:

1) liczba koordynacyjna - liczba najbliższych i równoległych atomów od dowolnego atomu (liczba wiązań ).

2) liczba atomów przypadających na komórkę zasadniczą - wartość charakteryzująca jej wielkość.

3)wypełnienie komórki elementarnej - stosunek objętości zajętej przez atomy ( kule ) do objętości komórki elementarnej ( bryły ) wyrażonej w procentach.

Krystalizacja

CUIECZ

SIŁY ODPYCHAJĄCE

SIŁY PRZTCIĄGAJĄCE

KRYSZTAŁ

Przechodzenie ze stanu ciekłego w stan stały, ma ogromne znaczenie gdyż od tego zależy rzeczywista struktura, a więc właściwości mechaniczne. Oziębienie cieczy zmniejsza ruchliwość atomów tak, że w temperaturze krzepnięcia siły wiązań gwałtownie zwiększają powodując gwałtowne zmniejszenie energii wewnętrznej układu.

Jej nadmiar wydziela się w czasie krzepnięcia w postaci ciepła, utrzymują przez cały czas trwania zmiany stanu skupienia stałą temperaturę układu pomimo strat ciepła do otoczenia. W niektórych przypadkach możemy obniżyć temperaturę krzepnięcia: dla metali o kilka stopni, dla wody o 20 stopni tworzywa jednocząsteczkowe o kilkaset. Zjawisko to jest możliwe w przypadku odizolowania ciepła od otoczenia. Podobne zjawisko możemy osiągnąć nagrzewaniu (znacznie trudniej).

Mechanizm krzepnięcia - polega na powstawaniu w cieczy zarodków krystalizacji i na ich wzroście. W teorii krystalizacji są dwie wartości charakteryzujące proces: 1.Szybkości zarodkowania (SZ) - jest to liczba zarodków krystalizacji tworzących w jednostce objętości cieczy, w jednostce czasu. 2.Szybkości krystalizacji (SK) - liniowa szybkość wzrostu kryształów w jednostce długości , na jednostkę czasu.

Mechanizm krystalizacji może być sterowany poprzez prędkość chłodzenia. Przy małych prędkościach chłodzenia szybkość krystalizacji dominuje nad szybkością zarodkowania - uzyskuje strukturę gruboziarnistą. Przy dużych szybkościach chłodzenia dominuje szybkość zarodkowania - uzyskujemy strukturę drobnoziarnistą.

Mechanizm zarodkowania

W ciekłym metalu zarodkiem krystalizacji jest przypadkowo pojawiająca się grupa atomów bliskiego uporządkowania pozycją położenia atomów w sieci. Zarodkiem może być wtrącenie nieczystości, warstwa tlenków, ścianki naczynia. Rozróżnia się następujące zarodki:

1) Zarodkowanie homogeniczne - polega ono na tworzeniu się zarodka w kształcie kuli w jednorodnej cieczy ( rzadko spotykamy - znaczne przechłodzenie ).

2) Zarodkowanie heterogeniczne - polega ona na tworzeniu się zarodka o kształcie czaszy kulistej na powierzchni faz stałej - jest podstawowym elementem krystalizacji metali.

Wzrost zarodka krystalizacji polega na osadzeniu się na jego powierzchni atomów z cieczy, które dzięki zmniejszeniu ruchliwości są przyłączone siłami wiązań i umiejscawiają się w położeniach odpowiadających pozycja w sieci. Szybkość krystalizacji wykazuje anizotropię. Szybkość jest największa po płaszczyznach najgęściej obsadzonych atomami.

Podstawianie struktury dendrytycznej - Mikrostruktura materiałów metalicznych utworzona jest w wyniku krystalizacji nosi nazwę struktury pierwotnej. Dzięki dużej liczby zarodków krystalizacji, metale i stopy mają budowę polikrystaliczną. Mechanizm tworzenia się mikrostruktury polikrystalicznej ( dendrycznej ) jest następujący: W początkowym okresie zarodki rozrastają się swobodnie po płaszczyznach najgęściej obsadzonych atomami. Ich wzrost zostaje zachowany lokalnym podniesieniem temperatury ( na skutek wydzielania się energii wewnętrznej ). W międzyczasie w innym miejscu zarodka rozpoczyna się krystalizacja i trwa również do momentu wzrostu temperatury przed frontem krystalizacji. Po pewnym czasie rusza proces krystalizacji. W wyniku zetknięcia się cieczy z zimnymi ścianami naczynia uzyskuje się dużą prędkość odprowadzenia ciepła, powoduje to uzyskanie dużej prędkości zarodkowania w wyniku czego przy ściankach naczynia pozostaje strefa drobnoziarnista, strefa ta zmniejsza szybkość odprowadzania ciepła (izoluje), a więc rośnie szybkość krystalizacji i zarodki rozrastają się do większych rozmiarów w kształcie równoległym równolegle do kierunku odprowadzania ciepła ( jest to strefa ziarna słupkowego. Ta strefa jeszcze bardziej zmniejsza szybkość chłodzenia i ogranicza kierunkowość odprowadzania ciepła, dlatego w tym etapie powstają ziarna równoosiowe osiągające znaczne rozmiary ( ziarna walcowe ).

Krystalizacja wlewka

Wlewka to zastygła ciecz w naczyniu.

Budowa krystaliczna wlewka:

Przy ściankach powstaje strefa ziaren drobnoziarnistych w wyniku gwałtownego ochładzania cieczy przez ścianki. struktura ta jest również nazywana kryształami zamrożonymi tworzy ona stosunkowo dobrą izolację więc szybkość krystalizacji i zarodki rozrastają się tworząc przez to kryształy o większych wymiarach. W kształcie wydłużonym równolegle do kierunku odprowadzania ciepła powstają ziarna słupkowe. Ziarna słupkowe jeszcze bardziej izolują przez co zmniejsza się szybkość chłodzenia więc ziarna zaczynają osiągać coraz to większe rozmiary aż do rozmiaru ziaren wolnych.

Defekty struktury krystalicznej metali.

Sieć przestrzenna rzeczywistego kryształu zawiera wiele odchyleń od doskonałości geometrycznej - są to defekty. Defekty wywierają wpływ na właściwości mechaniczne materiału. W zależności od rozmiarów wyróżnia się defekty:

Punktowe

a) wakansy( puste węzły), mogą się przemieszczać

b) obce atomy w węźle (atom może być większy lub mniejszy)

c) defekt Frenkla (atom wyskakuje z węzła i przeskakuje do pozycji międzywęzłowej )

d) obcy atom w pozycji międzywęzłowej

Defekty punktowe mają rozmiary rzędu odległości międzyatomowych.

Defekty liniowe zwane dyslokacjami mają w dwóch prostopadłych kierunkach wymiar stałej sieciowej a w trzecim wymiar ziarna.

Liniowe

a) dyslokacja krawędziowa - wakansy obok siebie tworzą tunel biegnący do granicy ziarna.

b) dyslokacja śrubowa

Defekty złożone mają w jednym kierunku wymiary rzędu kilku odległości międzyrzędowych,

a w dwóch pozostałych wymiary ziarna. Są to powierzchnie rozkładu ziarna zwane granicami.

Granice mogą być: szerokokątne, wąskokątne.

Odkształcenia plastyczne metali.

W monokrysztale mogą wystąpić odkształcenia:

a) sprężyste - sprężyste ugięcie sieci, ugięcie musi być mniejsze niż odległość międzyatomowa.

b) plastyczne - powstają po usunięciu naprężeń : przez poślizg lub bliźnia kowanie.

- przez poślizg może mieć do 100 odległości międzyatomowych

- przez bliźnia kowanie - polega na skręceniu jednej części kryształu względem drugiej o kąt B naprężenie niezbędne do wywołania bliźnia kowania jest znacznie większa od naprężenia wywołującego poślizg.

Zgnioty - rekrystalizacja wtórna

Pojęciem zgniot nazywa się całokształt zmian mikrostruktury, naprężeń własnych oraz właściwości wywołanych odkształceniami plastycznymi. W strukturze zgniecionego materiału można zaobserwować pod mikroskopem wpływ zgniotu. W wyniku zgniotu otrzymuje się strukturę zwaną teksturą zgniotu. W wyniku tej tekstury następuje anizotropowe umocnienie materiału. Wymienione umocnienie i kształt zgniecionego ziarna są trwałe tylko do określonej temperatury. Wyżarzenie zgniecionego materiału wywołuje w nim zmiany. Wyżarzenie w niskiej temperaturze zmniejsza natężenie własne obróbkę cieplną przy której usuwa się naprężenie własne nazywamy odprężaniem. Przy wyżarzaniu w wysokiej temp. materiał uzyskuje te właściwości które miał przed zgniotem. Zjawisko to nazywamy uzdrowieniem (nawrotem). Wyżarzenie w jeszcze wyższej temp. powoduje likwidację struktury włóknistej i odtworzenie ziarna komórkowego. Zjawisko przebudowy kryształów zgniecionych na komórkowe nazywamy rekrystalizacją pierwotną. Dalsze wygrzewanie w odpowiednio wyższej temp. powoduje rozrost ziaren. Zjawisko to nazywamy rekrystalizacją wtórną. Zjawisko rekrystalizacji wtórnej pogarsza właściwości mechaniczne i technologiczne. Zjawisko rekrystalizacji pierwotnej jest wykorzystywane w procesach obróbki plastycznej do odzyskania właściwości plastycznych utraconych podczas zgniotu. Temperaturę rekrystalizacji można w przybliżeniu kreślić według wzoru :

T_R = AT_top A - współczynnik rozpuszczalności ( dla czystych metali A = 0,4 dla stopu A = 0,6 )

Omówiony proces można przedstawić na wykresie:

Wartość zgniotu ma wpływ na wielkości ziarna po wyżarzeniu. Zgniot przy którym po wyżarzeniu otrzymuje się największe ziarna, nazywa się zgniotem krytycznym. Wynika z rozważań, że obróbka plastyczna prowadzona w temp. niższej od temp. rekrystalizacji powoduje umocnienie materiału natomiast obróbka plastyczna w temp. wyższej od temperatury rekrystalizacji umocnienia nie wywołuje. Stąd wynika podział na obróbkę na zimno ( T < T_R ) i na gorąco ( T > T_R ). Podstawy obróbki cieplnej

OBRÓBKA CIEPLNA jest zabiegiem cieplnym lub kilkoma zabiegami, mającym na celu zmiany struktury stopu w stanie stałym, a przez to nadaje im żądanych właściwości mechanicznych. Jako środek do jego celu stosuje się podnoszenie lub obniżanie temp. obrabianego cieplnie materiału, oraz pewne procesy cieplno-chemiczne, cieplno-plastyczne, cieplno-magnetyczne.

Ważne znaczenie dla obróbki cieplnej ma układ równowagi żelazo-cementu, a ściśle jego fragment do zawartości 2,11% węgla.

Klasyfikacja procesów obróbki cieplnej.

Zabieg obróbki cielnej jest to określony zespół czynności: nagrzewanie, wygrzewanie, chłodzenie obrobionego cieplnie materiału.

Zabiegi obróbki cieplnej dzieli się na:

- obróbkę cieplną zwykłą: uzyskanie właściwości następuje na drodze zmian struktury bez zmiany chemicznej: wyżarzanie, hartowanie, ulepszanie, utwardzanie, przechładzanie, wymrażanie.

- obróbka cieplno chemiczna: połączenie zabiegu cieplnego z oddziaływaniem środowiska chemicznego: nawęglanie, azotowanie, cyjanowanie, nasiarczanie, termo dyfuzyjne nasycanie metalami lub nie metalami.

Obróbka cieplna zwykła.

Nagrzewanie ciągłe lub stopniowe podnoszenie temp. do żądanej wartości. Nagrzewanie - stopniowe może być podgrzewanie do temp. niższej niż temp. właściwa obróbki cieplnej. Dogrzewanie - nagrzewanie podobnego materiału do obróbki właściwej.

Wygrzewanie - utrzymywanie temp. odpowiadającej danemu zabiegowi, w czasie potrzeby do wyżarzenia temp. w całym przekroju materiału.

Chłodzenie - ciągłe lub stopniowe, powolne chłodzenie nazywany studzeniem przy chłodzeniu stopniowym wyróżnia się: podchłodzenie- do temp. wyższej niż końcowa, dochładzanie - chłodzenie od temp. podchładzania do temp. końcowej.

Wyżarzanie - są to zabiegi cieplne, które w mniejszym lub większym stopniu prowadzi do stanu równowagi termodynamicznej w obrębianym stopie. Są to najczęściej: nagrzewanie do określonej temperatury, wygrzewanie chłodzenie.

Hartowanie - prowadzi do powstawania struktury nierównowagowej, celem zabiegu jest zwiększenie twardości wyrobu. Rozróżniamy dwie metody hartowania:

a) hartowanie objętościowe, polega na nagrzewaniu elementu na wskroś i może być realizowane z różnymi prędkościami studzenia i w nim rozróżniamy:

- hartowanie zwykłe (martenzytyczne) polega na ustenityzowaniu, następnie z szybkim oziębieniem,

W zależności od sposobu chłodzenia rozróżniamy:

- hartowanie przerywane (dwa ośrodki chłodzenia)

- hartowanie stopniowe

- hartowanie izotermiczne

b) hartowanie powierzchniowe, polega na austenityzowaniu jedynie cienkiej warstwy powierzchniowej przedmiotu w wyniku czego tylko w tej warstwie tworzy się struktura martenzytyczna i następuje utwardzenie powierzchni. W zależności od sposobu nagrzewania rozróżniamy:

- hartowanie płomieniowe, - hartowanie indukcyjne, - hartowanie kąpielowe.

Odpuszczanie - polega na nagrzewaniu uprzednio zahartowanego przedmiotu do temp. Ac 1, co prowadzi do usunięcia naprężeń oraz przemian wywołujących zmniejszenie twardości i wzrost plastyczności stali. Połączenie hartowania i wysokiego lub średniego odpuszczania nazywamy ulepszaniem cielnym.

OBRÓBKA CIEPLNO-CHEMICZNA

Połączenie zabiegów cieplnych z celową zmianą składu chemicznego powierzchni elementu nazywamy obróbką cieplno-chemiczną. Podczas tej obróbki zachodzą procesy: reakcje chemiczne w ośrodku (decydują o dostarczeniu aktywnych atomów), adsorpcji aktywnych atomów na powierzchni, dyfuzja zaadsorbowanych atomów w głąb metali.

Obróbka cieplno chemiczna jest powszechnie stosowana w celu poprawy właściwości powierzchni stali. Najczęściej stosowane to azotowanie, nawęglanie, węgloazotowanie, borowanie. Jak również chromowanie - zwiększa trwałość powierzchni i zmniejsza odporność na korozje.

Nawęglanie - nasycanie stali węglem, dzięki czemu zwiększa się twardość powierzchni nawęglanych i odporność na ścieranie przy zachowaniu ciągliwego rdzenia. Stosuje się stale niskowęglowe zawierające chrom, nikiel, molibden, mangan w kilku procentach. Wyróżnia się trzy rodzaje nawęglania: w ośrodku stałym, ciekłym i gazowym.

Azotowanie - nasycenie azotem elementów stalowych aby uzyskać dużą twardość przy tej samej odporności na ścieranie i zmęczenie. Azotowana warstwa ma lepszą odporność korozyjną. Azotowaniu poddaje się elementy po ulepszeniu cieplnym. Wyróżnia się dwa rodzaje: jonowe i w zdysocjowanym amoniaku.

Węgloazotowanie - jednoczesne działanie azotem i węglem - skrócenie czasu obróbki. Azot zmniejsza temp. obróbki co hamuje rozrost ziarna. Rozróżniamy dwa rodzaje: kąpielowe i gazowe.

Wyróżnia się jeszcze inne rodzaje obróbki cieplno-chemicznej: siarkowanie, borowanie.

KONSTRUKCYJNE STALE STOPOWE

Charakterystyka ogólna

Przez pojęcie stali konstrukcyjnych rozumie się stale stosowane do wyrobu części maszyn, urządzeń i konstrukcji pracujących w zwykłych warunkach (-40,300) oraz w środowiskach nie oddziałujących szkodliwie na te elementy .

Stale konstrukcyjne powinny odznaczać się dostatecznymi właściwościami wytrzymałościowymi przy dobrych właściwościach plastycznych , aby elementy maszyn i urządzeń wykonane z tych stali mogły przenosić obciążenia zarówno o charakterze statycznym , jak i dynamicznym .

Stale niskostopowe o podwyższonej wytrzymałości

Są to konstrukcyjne stale stopowe w stanie normalizowanym ( nie podlegają obróbce cieplnej) . wymaga się od tych stali dobrych właściwości mechanicznych , a zwłaszcza podwyższonej granicy plastyczności . Zawartość węgla w tych stalach nie przekracza 0,22% , a ze względu na strukturę dzielimy je na dwie grupy : stale perlityczne , stale bainityczne . Dodatki stopowe do tych stali to: mangan ( 1,0-1,8% ) , krzem ( 0,2-0,6% ) .

Stale do nawęglania

Stosuje się do wytwarzania elementów drobnych o małych przekrojach lub w przypadku , gdy oprócz dużej odporności na ścieranie nie stawia się wymagań co do odpowiedniej wytrzymałości rdzenia . Stale te maja niską zawartość węgla ( 0,1-0,25% ) , aby przy twardej warstwie powierzchniowej rdzeń miał dobre właściwości plastyczne .

Dodatki stopowe do tych stali to : chrom ( 1-2% ) , mangan , molibden , nikiel .

Stale do ulepszania cieplnego

Stosuje się do wytwarzania części maszyn podlegających dużym obciążeniom . Dzięki ulepszaniu cieplnemu , tj. hartowaniu z następnym wysokim odpuszczeniem można uzyskać wysoką wytrzymałość na rozciąganie , granicę plastyczności i sprężystości przy dość dużej ciągliwości oraz udarności . Ponadto przez odpuszczenie usuwa się naprężenia wewnętrzne powstające w przedmiotach stalowych podczas ich wytwarzania , zapewniając jednocześnie możliwość obróbki mechanicznej po ulepszeniu .

Stale do ulepszania cieplnego obejmuje : stale węglowe o zawartości 0,25-0,65% węgle oraz stale stopowe o zawartości 0,25-0,50% węgla .

Dodatki stopowe do tych stali to ; chrom ( 3% ) , nikiel ( 5% ) , wanad ( 3% ) .

Stale do azotowania

Wykazują po azotowaniu najlepsze właściwości warstwy dyfuzyjnej. Są to stale średniowęglowe, zawierające aluminium, chrom, molibden a czasami także tytan i wanad. Składniki te tworzą bardzo twarde azotki. Zawartość węgla 0,25-0,45% w stalach do azotowania umożliwia uzyskanie wysokich właściwości mechanicznych rdzenia po zastosowaniu przed azotowaniem ulepszenia cieplnego.

Stale sprężynowe

Stale te używane na sprężyny i resory powinny wykazywać się wysoką granicą sprężystości oraz znaczną wytrzymałością zmęczeniową. Ponadto muszą wykazywać dobre właściwości plastyczne , aby w przypadku przekroczenia granicy sprężystości nastąpiło jedynie trwałe odkształcenie elementu bez jego zniszczenia .

Stale do hartowania powierzchniowego

Dobiera się je tak , aby równocześnie uzyskać dużą twardość powierzchniową i odpowiednie właściwości wytrzymałościowe rdzenia . Do tego celu stosuje się stale z gatunku stali do ulepszania cieplnego o zawartości węgla w granicach 0,4-0,6% zarówno węglowe , jak i stopowe .

OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA STALI NARZĘDZIOWYCH

Stale i stopy narzędziowe służą do wykonywania narzędzi do kształtowania materiału zarówno na drodze obróbki skrawaniem, jak i przeróbki plastycznej oraz przyrządów pomiarowych.

Materiały narzędziowe powinny mieć następujące właściwości: wysoką twardość; dużą odporność na ścieranie; odpowiednią hartowność; odporność na działanie wyższych temperatur.

Stal węglowa narzędziowa

Cechują się małą hartownością i małą skłonnością do rozrostu ziarna austenitu. Ich obróbka cieplna polega na hartowaniu z następnym niskim odpuszczeniem. Ponieważ narzędzia ze stali węglowej nie hartuje się na wskroś i rdzeń ich pozostaje miękki, nie zahartowany, są one bardziej odporne na uderzenia niż narzędzia wykonane ze stali hartujących się na całym przekroju. Stale te do pracy w wyższych temperaturach nie nadają się (max 180C) , a ich właściwości i zastosowanie zależą przede wszystkim od zawartości węgla.

Stal narzędziowa stopowa do pracy na zimno

Służą do wykonywania narzędzi do obróbki nie nagrzanych materiałów. Mają większą w porównaniu ze stalami węglowymi hartowność. Podstawowymi dodatkami stopowymi tych stali są: chrom, wolfram, wanad. Nadają one większą hartowność, odporność na odpuszczanie, dobre właściwości wytrzymałościowe oraz szczególnie dużą odporność na ścieranie przez tworzenie się węglików stopowych o wysokiej twardości i dużej dyspersji.

Stal narzędziowa stopowa do pracy na gorąco

Stosuje się do wytwarzania narzędzi do przeróbki plastycznej materiałów uprzednio nagrzanych do wyższych temperatur. Muszą one wykazywać wytrzymałość i twardość w wyższych temperaturach, dobrą ciągliwość, stabilność struktury oraz odporność na zmęczenie cieplne prowadzące do pęknięć ogniowych. Mają one niską zawartość węgla ( 0,25-0,60% ),a ponadto zawierają wolfram, molibden, wanad, chrom.

Stale szybkotnące

Są podstawowym materiałem na narzędzia skrawające, przy czym nazwa ich oznacz, że narzędzia z nich wykonane nadają się do skrawania z dużymi szybkościami. Wymaga się od nich dużej twardości nie tylko na zimno, ale też w podwyższonych temperaturach. Narzędzia wykonane ze stali szybko tnącej mogą pracować przy nagrzaniu się swoich ostrzy do temperatury 550-600C bez obawy szybkiego stępienia. Zasadniczym składnikiem stopowym stali szybkotnących jest wolfram, który nadaje stali żarowytrzymałość.

Spiekane węgliki metali

Mają one strukturę złożoną z twardych węglików metali związanych osnową nieżelazną. Składniki węglików to: wolfram, tytan, tantal, molibden, bor, osnowę stanowi kobalt. Z węglików spiekanych nie wyrabia się całych narzędzi, lecz tylko płytki lutowane na trzonki wykonane ze stali konstrukcyjnej lub narzędziowej. Węgliki spiekane są tak twarde, że ich obróbka mechaniczna jest możliwa tylko przez szlifowanie; są one jednak bardzo kruche i łatwo wykruszają się przy wstrząsach, co zmniejsza trwałość narzędzi. Węgliki spiekane jeszcze w temperaturze 800-1000C zachowują dużą twardość i odporność na ścieranie.

ALUMINIUM:

Właściwości:

- duża plastyczność

- wysoka przewodność elektryczna (ulega znacznemu zmniejszeniu wraz ze zwiększeniem stężenia zanieczyszczeń i domieszek) stosowane na przewody elektryczne

- dobre przewodnictwo cieplne

- może być obrabiane plastycznie na zimno i na gorąco

- wykazuje dużą odporność na korozję (na powietrzu pokrywa się cienką warstwą Al O, chroniącą przed korozją atmosferyczną, działaniem wody, stężonego kwasu azotowego, licznych kwasów organicznych, siarkowodoru)

Zastosowanie: gatunki aluminium hutniczego są stosowane na przewody elektryczne, do produkcji stopów oraz licznych wyrobów codziennego użytku, urządzeń dla przemysłu spożywczego, a w postaci folii na opakowania art. spoż., aluminium rafinowane (o wysokiej czystości) stosowane jest w elektronice i elektrotechnice oraz do budowy specjalnej aparatury chemicznej.

STOPY: Właściwości wytrzymałościowe czystego aluminium są stosunkowo niskie, więc stosuje się stopy, które po odpowiedniej obróbce cieplnej mają wytrz. Nawet kilkakrotnie większą. Stopy aluminium cechują się korzystnym parametrem konstrukcyjnym.

Odlewnicze: są przeważnie stopami wieloskładnikowymi o dużym stężeniu 5%-25%-pierwiastków stopowych, głównie Si, Cu, Mg, Ni. Charakteryzują się dobrą lejnością i małym skurczem odlewniczym. Są odlewane w formach piaskowych, kokilach lub jako odlewy ciśnieniowe. Odlewa się zwykle elementy o złożonych kształtach. Mają one jednak właściwości mechaniczne gorsze niż po przeróbce plastycznej.

do obróbki plastycznej: są to przeważnie stopy wieloskładnikowe, zawierają jednak znacznie mniej bo zwykle ok. 5% pierwiastków stopowych, najczęściej Cu, Mg, Mn, niekiedy Si, Zn, Ni. Niektóre z tych stopów są stosowane w stanie zgniecionym lub po wyżarzaniu rekrystalizującym, a część jest poddawana obróbce cieplnej polegającej na utwardzaniu wydzielinowym.

MIEDŹ:

Właściwości:

- duże przewodnictwo cieplne i elektryczne ( przewodność elektryczna zmniejsza się bardzo znacznie przy niewielkim nawet stężeniu domieszek, głównie P, Fe, Co, Si..

- jest odporna na korozję atmosferyczną dzięki pokrywaniu się patyną tj. zasadowym węglanem miedziowym, i na działanie wody, nie wykazuje zaś odporności na działanie amoniaku

- pierwiastki Bi, Pb nie rozpuszczające się w miedzi t worzą niskotopliwe eutektyki, wywierają niekorzystny wpływ na właściwości mechaniczne i technologiczne oraz sprzyjają kruchości na gorąco, co uniemożliwia obróbkę plastyczną miedzi

- właściwości wytrzymałościowe są niskie ( można ją umocnić przez zgniot)

- łatwa zgrzewalność z żelazem lub aluminium

Zastosowanie: stosowana w elektronice na przewody (wykorzystanie wysokiej przewodności), w energetyce i przemyśle chemicznym na chłodnice i wymienniki ciepła ze względu na dużą przewodność cieplną, można wytwarzać z niej wyroby bimetaliczne np. rury, druty. Miedź kadmowa stosowana jest na przewody napowietrzne lub trakcyjne.

STOPY:

- mosiądz (stop miedzi z cynkiem) głównym składnikiem jako dodatek stopowy jest Zn

- brąz (stop miedzi z cyną lub innymi metalami; brązy cynowe, aluminiowe, berylowe, krzemowe, manganowe) zawierają ponad 2% dodatków stopowych, spośród których głównym nie jest Zn lub Ni

- miedzionikle (stop miedzi z niklem, wyróżniamy odporne na korozję-melchiory-kuniale, oraz oporowe zwane konstantany

NAUKA O MATERIAŁACH METALE

11

Tadeusz Czechowski

kryształy zamrożone

kryształy słupkowe

kryształy wolne

+

+

7 ELEKTRONÓW NA POWŁOCE WALENCYJNEJ

+

+

WIDOK PODSTAWY

SZ

SK

SZ

SK₂

SK₁

STOPIEŃ PRZECHŁODZENIA

---