Materiały metalowe
STOPY METALI LEKKICH
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Spośród metali lekkich (o gęstości d"4,5 g/cm3) jako
materiały konstrukcyjne stosowane są: aluminium, tytan
i magnez, lecz ze względu na ich niewystarczające
własności, głównie mechaniczne, dopiero poprzez
stopienie z innymi pierwiastkami tworzą materiały
o ogromnym znaczeniu konstrukcyjnym, którymi są:
" Stopy aluminium,
" Stopy tytanu,
" Stopy magnezu.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Stopy aluminium
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Stopy aluminium są doskonałym materiałem
konstrukcyjnym ze względu na:
" Małą gęstość ok. 2,8g/cm3, stanowiącą ok. 1/3
gęstości stali,
" Wysoką wytrzymałość względną, czyli stosunek
wytrzymałości na rozciąganie do gęstości,
" Wysoką odporność na korozję,
" Wysoką przewodność elektryczną i cieplną,
" A
atwość obróbki mechanicznej,
" Niezdolność do iskrzenia i niepalność.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Klasyfikacja stopów aluminium
W zależności od sposobu wytwarzania stopy Al można
podzielić na:
Stopy aluminium do obróbki plastycznej - stężenie
pierwiastków stopowych do 5%, głównie Cu, Mg,
Mn, Zn, a także Si, Cr, Ti ,Li.
Odlewnicze stopy aluminium - stężenie pierwiastków
stopowych od 5 do 25%, głównie Si, Cu, Mg, Zn i Ni.
W większości są stopami wieloskładnikowymi.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Podział stopów aluminium według głównego pierwiastka
stopowego (oznaczenia dla stopów do obróbki plastycznej)
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Klasyfikacja stopów aluminium
Oprócz podziału według sposobu wytwarzania, stopy
aluminium można podzielić także ze względu na ich
skład chemiczny. Według tego kryterium stopy
aluminium dzielimy na:
Stopy aluminium z miedzią,
Stopy aluminium z manganem,
Stopy aluminium z krzemem,
Stopy aluminium z magnezem,
Stopy aluminium z cynkiem,
Stopy aluminium z innymi metalami np. Fe, Li.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Oznaczanie stopów aluminium
Stopy aluminium do obróbki plastycznej
oznacza się na podstawie normy
PN-EN 573-1:1997 (oznaczenie systemem
liczbowym) lub normy PN-EN 573-2:1997
(oznaczenie przy użyciu symboli chemicznych).
Odlewnicze stopy aluminium oznacza się
według normy PN-EN 1780-1:1999 i normy
PN-EN 1780-2:1999.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Wykres równowagi fazowej Al-Cu
Aluminium tworzy z
miedzią układ z eutektyką
w temperaturze 548�C o
zawartości miedzi 33%.
Eutektyka w tym układzie
jest złożona z roztworu
stałego granicznego Cu
w Al (�) oraz związku
międzymetalicznego
Al2Cu (faza Ś).
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Orientacyjne stężenia pierwiastków stopowych
w stopach Al-Cu
Durale miedziowe Wieloskładnikowe
Grupa stopów Odlewnicze
do obróbki plastycznej do obróbki plastycznej
Al 93,4-95,6 91-97,6 91,6-95,9
Cu 4,2-5,2 2,2-6 1-6,8
Mg - 0,15-1,8 0-1,9
Mn - 0-1,2 0-0,5
Stężenie Si - 0-1,2 0-1,3
pierwiastków Ni - - 0-2,3
stopowych, [%] Ti 0,15-0,35 0-0,2 0-0,2
Zr - 0-0,25 0-0,25
Pb - 0-0,6 0-1,5
Li - - 0-2,7
inne - Bi:0-0,6; V:0-0,15 Fe:0-1,4; Bi:0-0,2
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Ogólna charakterystyka stopów aluminium
z krzemem
Wpływ pierwiastków stopowych :
" Si - wpływa korzystnie na rzadkopłynność oraz lejność,
zapewnia mały skurcz odlewniczy, zwiększa własności
wytrzymałościowe, lecz tylko do stężenia eutektycznego,
" Cu - zmniejsza odporność na korozję, sprzyja obróbce
skrawaniem,
" Mn - ogranicza niekorzystny wpływ Fe (zmniejszenie Rm
i A5 oraz zwiększenie twardości),
" Mg - zwiększa odporność na korozję, umożliwia
utwardzanie wydzieleniowe dzięki wytworzeniu fazy
Mg2Si.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Ogólna charakterystyka stopów aluminium
z krzemem
Ogólne własności:
" Dobra lejność,
" Mały skurcz odlewniczy,
" Niska temperatura topnienia,
" Dobra stabilność wymiarowa.
Obróbka cieplna:
" Przesycanie oraz starzenie (gdy dodatkiem
stopowym jest dodatkowo Mg).
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Orientacyjne stężenia pierwiastków stopowych
w stopach Al-Si
Odlewnicze Do obróbki
Grupa stopów
dwuskładnikowe wieloskładnikowe plastycznej
Al 84,3-92 79,5-97 75,4-98,8
Si 8-13,5 1,6-13,5 0,5-13,0
Stężenie Cu - 0-5 0-1,3
pierwiastków Mg - 0-1,5 0-1,8
stopowych, [%] Mn - 0-0,65 0,1,5
Ni - 0-1,3 0-1,5
Ti - 0-0,25 -
Jako, że stopy Al z Si są głównie stopami odlewniczymi, zdecydowanie
mniejsza ich grupa jest przeznaczona do obróbki plastycznej. Są to głównie
stopy o zawartości ok. 2% Si, choć obróbce plastycznej mogą być poddane
także stopy o zawartości Si większej niż 5%.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Ogólna charakterystyka stopów aluminium
z magnezem
Własności ogólne:
" Najmniejsza gęstość,
" Największa odporność na korozję (głównie
w wodzie morskiej),
" Umiarkowana lub wysoka wytrzymałość,
" Dobrze spawalne,
" Podatne na korozję naprężeniową przy zawartości
Mg>3%,
" Nie nadają się do pracy w podwyższonej
temperaturze.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Ogólna charakterystyka stopów aluminium
z magnezem i krzemem
Własności ogólne:
" Mniejsza wytrzymałość niż stopów Al-Cu
i Al-Zn,
" Średniowytrzymałe,
" Wysoka odporność na korozję ogólną i naprężeniową,
" Dobra zdolność do odkształceń plastycznych,
" Dobra spawalność,
" Nie nadają się do pracy w podwyższonej
temperaturze.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Ogólna charakterystyka stopów aluminium
z magnezem
Obróbka cieplna
Stopy aluminium z magnezem z reguły nie są
przeznaczone do obróbki cieplnej. Można je poddać:
" Przesycaniu,
" Wyżarzaniu ujednorodniającemu,
" Rekrystalizującemu,
" Odprężającemu.
Stopy aluminium z magnezem i krzemem:
" Dodatkowo utwardzanie wydzieleniowe (dzięki
wydzieleniu fazy Mg2Si).
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Ogólna charakterystyka stopów aluminium
z magnezem
Zastosowanie:
Odlewnicze stopy aluminium z magnezem:
" Odlewy na armaturę morską,
" Odlewy dla przemysłu chemicznego i spożywczego,
" Silnie obciążone elementy i narażone na obciążenia
udarowe.
Stopy aluminium z magnezem do obróbki plastycznej:
" Średnio obciążone części w przemyśle okrętowym
i lotniczym,
" Urządzenia przemysłu spożywczego i chemicznego.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Orientacyjne stężenia pierwiastków stopowych
w stopach Al-Mg
Do obróbki plastycznej
Grupa stopów Odlewnicze
Al z Mg Al z Mg i Si
Al 84,5-97,4 93,2-99,5 96,1-99,3
Mg 2,5-10,5 0,4-5,6 0,35-1,2
Stężenie Si 0-1,5 0-0,5 0,2-1,3
pierwiastków Mn 0-0,55 0-1,1 0-1
stopowych, [%] Fe 0-1 0-0,7 0-1
Pb 0-0,1 0-1,8 0-2
inne Ti:0-0,1 Cr:0-0,35 Cr:0-0,35
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Ogólna charakterystyka stopów aluminium
z cynkiem
Wpływ pierwiastków stopowych:
" Zn - zwiększenie wytrzymałości, tworzenie fazy
utwardzającej MgZn2,
" Mg  dalszy wzrost wytrzymałości (szczególnie
przy stężeniu od 3 do 7,5% Zn), tworzenie fazy
MgZn2,
" Cu (wraz z małymi ilościami Cr i Mn)  dodany
do stopów Al-Zn-Mg skutkuje największą
wytrzymałością dostępnych stopów aluminium,
zmniejsza odporność na korozję ogólną, lecz
zwiększa odporność na korozję naprężeniową
w stopach Al-Zn-Mg.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Ogólna charakterystyka stopów aluminium
z cynkiem
Zastosowanie:
" Elementy konstrukcji lotniczych,
" Elementy maszyn i urządzeń,
" Części pojazdów mechanicznych,
" Części taboru kolejowego.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Orientacyjne stężenia pierwiastków stopowych
w stopach Al-Zn
Grupa stopów Do obróbki plastycznej Stop odlewniczy
Al 84,6-99,2 90,2-94,7
Zn 0,8-8,4 5,3
Mg 0-3,7 0,55
Stężenie Cu 0-2,6 0,25
pierwiastków Mn 0-0,7 d"0,4
stopowych, [%] Cr 0-0,35 0,33
Ti 0-0,2 0,18
Zr 0-0,25 -
Fe d"0,5 d"0,8
Si d"0,5 d"0,3
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Zastosowanie stopów aluminium
Przemysł budowlany i konstrukcyjny,
Środki transportu,
Przemysł elektryczny i elektroenergetyczny,
Pakowanie i przechowywanie,
Artykuły gospodarstwa domowego,
Inne zastosowania.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Przemysł budowlany i konstrukcyjny
" Konstrukcje lżejsze nawet o 80% w
porównaniu do tych samych,
wykonanych ze stali, z zachowaniem
podobnej wytrzymałości,
" Większy stosunek wytrzymałości do
gęstości od większości innych metali
i materiałów konstrukcyjnych,
" O wiele mniejsze koszty utrzymania
w dobrym stanie,
" Trwałość,
" Przyjemny dla oka wygląd,
" A
atwa obrabialność.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Stopy aluminium stosowane są na konstrukcje każdego rodzaju
budynków, zarówno użyteczności publicznej jak i budynki handlowe,
przemysłowe oraz mieszkalne. Stopy Al znajdują zastosowanie także
na:
" Mosty, " Żaluzje,
" Schody, " Okiennice,
" Zadaszenia, " Kabiny prysznicowe,
" Okna, " Rusztowania,
" Drzwi, " Drabiny,
" Krzesła, " Ogrodzenia,
" Ściany działowe, " Bramy,
" Świetliki, " Garaże,
" Poręcze, " Różnego rodzaju
wyposażenie wnętrza.
" Ściany osłonowe,
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Przykłady zastosowań stopów aluminium w budownictwie
2
1
4
3
1 - Zadaszenie stadionu Millennium w Cardiff w Walii, 2 - Lądowisko dla śmigłowców
w Klangerfurcie w Austrii, 3 - Pierwszy na świecie most drogowy wykonany ze
stopów Al w Quebec w 1949 roku, 4 - Konstrukcja dachowa firmy Alcan.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Środki transportu
Przemysł lotniczy i
kosmiczny,
Przemysł okrętowy,
Przemysł motoryzacyjny,
Transport szynowy.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Stopy aluminium w przemyśle lotniczym i kosmicznym
& mniejszy ciężar, mniejsze koszty&
& większa prędkość, większa pojemność&
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Stopy aluminium w przemyśle lotniczym i kosmicznym
Do budowy  statków powietrznych stosuje się wysokowytrzymałe
stopy Al, które są zdolne wytrzymywać nadzwyczajne ciśnienia i
naprężenia podczas lotów na dużych wysokościach i przy
znacznych prędkościach. Są to głównie stopy Al-Zn lub Al-Cu.
Stopy Al są szeroko wykorzystywane we wszystkich rodzajach
 statków powietrznych takich jak:
" Lekkie jednostki latające,
" Transportowe jednostki powietrzne,
" Wysokosprawne samoloty,
" Samoloty ponadnaddz
więkowe,
" Śmigłowce,
" Statki kosmiczne.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Przykłady zastosowań stopów aluminium w lotnictwie
i kosmonautyce
1
3
2
1 - Podstawowym materiałem promu kosmicznego są stopy Al stosowane m.in.
na zewnętrzne zbiorniki paliwa, paliwem w rakietach wspomagających jest
sproszkowane aluminium, 2 - Około 70% masy elementów konstrukcyjnych
Boeinga 777 stanowią stopy Al (głównie stop 7075), 3 - Lockheed Martin F-16,
do którego budowy w 83% zastosowano stopy aluminium.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Stopy aluminium w przemyśle okrętowym
Aluminium i jego stopy są najczęściej stosowanym
materiałem w przemyśle okrętowym na:
" Poręcze,
" Kadłuby,
" Kraty,
" Pokładówki,
" Okna,
" Nadbudówki,
" Drzwi,
" Pokrywy włazów,
" Szafki,
" Maszty radarowe,
" Biurka,
Oraz części
" Krzesła,
wyposażenia m.in.:
" Koje i
" Drabiny,
" Wyposażenie kuchenne.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Przykłady zastosowań stopów aluminium w przemyśle
okrętowym
2
1
3
4
1 - Mniejsza łódz
wycieczkowa, 2 - Statek żaglowy,
3 - Niszczyciel, 4 - Prom pasażerski.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Transport drogowy jest również jednym z głównych
z
ródeł stosowania stopów Al. Obejmuje w przeważającej
części samochody osobowe, ciężarowe, autobusy,
ciągniki drogowe, cysterny. Stosowane są m.in. na:
" Silniki, " Drzwi,
" Wały, " Konstrukcje siedzeń,
" Głowice cylindrów, " Zderzaki,
" Bloki cylindrów, " Prowadnice ładunkowe
dachowe,
" Skrzynie biegów,
" Układy hamulcowe,
" Ramy i konstrukcje,
pojazdów, " Obręcze kół,
" Kabiny samochodów, " Naczepy,
ciężarowych,
" Zbiorniki paliwa,
" Maski silników,
" Wymienniki ciepła.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Przykłady zastosowań stopów aluminium w przemyśle
motoryzacyjnym
Infiniti G35 Nissan 350Z
Zawieszenie Silnik
Obręcze kół Zawieszenie
Maska silnika
Obręcze kół
Honda Element Mini Cooper
Silnik Głowice cylindrów
Obręcze kół Zawieszenie silnika
Pedały
Obręcze kół
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Przykłady zastosowań stopów aluminium w przemyśle
motoryzacyjnym
2 3
1
4 5 6
1 - Zbiornik ciśnienia atmosferycznego - VW Phaeton, 2 - Konstrukcja Audi A2
3 - Maska silnika - Volvo S80, 4 - Obręcz koła - Peugot, 5 - Wał napędowy - BMW5,
6 - Most tylny - Citroen C5.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Przykłady zastosowań stopów aluminium w transporcie
szynowym
2
1
3 4
1 - Nawozia w japońskich pociągach typu Shinkansen, 2 - Nadwozia wagonów
towarowych, 3  Wagony francuskich kolei TGV, 4  Wagony kanadyjskich linii
kolejowych LRC .
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Stopy aluminium w elektroenergetyce
Stopy aluminium szeroko stosowane
są także w elektroenergetyce na:
" Linie napowietrzne,
" Linie przesyłowe i rozdzielcze
mocy,
" Inne wyposażenia do
elektroenergetycznych sieci
przesyłowych i rozdzielczych,
" Kable i przewody elektryczne
stosowane w przemyśle.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Pakowanie i przechowywanie
Ponieważ aluminium nie rdzewieje tak szybko jak stal i nie reaguje
z większością powszechne stosowanych materiałów, dlatego
produkuje się z niego doskonałe pojemniki. Ze względu na swój
stosunkowo niewielki ciężar bardzo ułatwia transportowanie
zapakowanych materiałów spożywczych i nie tylko.
Z aluminium i jego stopów
wytwarza się m.in.:
" Folie,
" Puszki,
" Mniejsze pojemniki,
" Beczki,
" Kanistry,
" Pudła,
" Skrzynie,
" Klatki i wielkie kontenery.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Inne zastosowania
Aluminium i jego stopy mają także szerokie zastosowanie
w produkcji:
Przedmiotów codziennego Sprzętu sportowego np.
użytku:
" Rowerowe ramy,
" Patelnie,
" Korby,
" Garnki kuchenne,
Oraz elementów
" Półmiski, urządzeń elektrycznych i
elektronicznych np.
" Odkurzacze,
" Radiatory,
" Maszyny do szycia,
" Korpusy,
" Kosiarki,
" Obudowy.
" Ramki obrazów,
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Stopy tytanu
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Stopy tytanu są doskonałym materiałem
konstrukcyjnym ze względu na:
" Bardzo wysoką wytrzymałość względną (przy Rm równym
1,5 GPa i gęstości 4,5 g/cm3 stosunek ten wynosi 33),
" Wysoką żarowytrzymałość nawet do 800�C,
" Bardzo dobrą odporność na korozję,
" Korzystną biotolerancję,
" Podatność do przeróbki plastycznej,
" Dobrą spawalność,
" Paramagnetyczność.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Metody otrzymywania tytanu
Główne metody otrzymywania tytanu to:
" Redukcja czterochlorku tytanu
magnezem,
" Redukcja czterochlorku tytanu sodem,
" Redukcja dwutlenku tytanu magnezem,
aluminium lub wapniem,
" Metoda jodkowa,
" Metoda elektrolityczna,
" Metalurgia proszków.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Redukcja czterochlorku tytanu magnezem, nazywana
metodą W. J. Krolla jest najczęściej stosowaną metodą
otrzymywania tytanu, polegającą na redukcji TiCl4
magnezem w obecności gazu szlachetnego (najczęściej
argonu) w temperaturze w zakresie od 850 do 900�C. W
ten sposób otrzymywana jest tzw. gąbka tytanowa, czyli
tytan w postaci gąbczastej. Następnym etapem jest
przetopienie gąbki tytanowej na lity tytan w postaci
wlewków.
Wadą tej metody jest:
" Zwiększona zawartość wodoru po wysuszeniu gąbki
tytanowej.
Zaletą:
" Zadowalająca jakość produktu.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Przemiana alotropowa
Tytan wykazuje dwie odmiany alotropowe: Tią i Ti�.
Odmiana alotropowa Tią jest trwała do temperatury
882,5�C i krystalizuje w układzie heksagonalnym.
W stopach tytanu występuje jako faza ą.
Odmiana alotropowa Ti� jest trwała od temperatury
882,5�C do temperatury topnienia i krystalizuje w
układzie regularnym przestrzennie centrowanym.
W stopach tytanu występuje jako faza �. Faza �
może również występować w temperaturze
pokojowej w przypadku, gdy zawartość
pierwiastków stabilizujących fazę � przekroczy tzw.
zawartość krytyczną.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Przemiana alotropowa
Ze względu na szybkość chłodzenia przemiana ta może
odbywać się poprzez:
" Zarodkowanie i rozrost ziaren nowej fazy (proces dyfuzyjny),
" Powstawanie fazy martenzytycznej (proces ścinania).
Podczas wolnego nagrzewania następuje utworzenie zarodków fazy
� na granicach ziaren fazy pierwotnej ą, następuje ich rozrost aż do
uzyskania całkowitej fazy � o strukturze wyjściowej ziarnistej.
Podczas szybkiego nagrzewania zarodki tworzą się także wewnątrz
ziaren.
Przy chłodzeniu z małą prędkością, podczas przemiany Ti� Tią, w
trakcie procesu dyfuzyjnego, zarodki fazy ą powstają na granicach
ziaren fazy pierwotnej � i następuje ich rozrost, a przy szybkim
chłodzeniu przemiana ta ma charakter martenzytyczny, wtedy faza
ą ma strukturę iglastą.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Wpływ pierwiastków stopowych na strukturę stopów
tytanu i temperaturę przemiany alotropowej Tią"! Ti�
Pierwiastki podwyższające
temperaturę przemiany
alotropowej, czyli
pierwiastki stabilizujące
fazę ą tj. Al, Ga, In, O, N, C.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Wpływ pierwiastków stopowych na strukturę stopów
tytanu i temperaturę przemiany alotropowej Tią"! Ti�
Pierwiastki izomorficzne
stabilizujące fazę � tj. V,
Mo, Ta, Nb, przy których
nie zachodzi przemiana
eutektoidalna.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Wpływ pierwiastków stopowych na strukturę stopów
tytanu i temperaturę przemiany alotropowej Tią"! Ti�
Eutektoidalne pierwiastki
stabilizujące fazę � tj. Cr,
Mn, Fe, Ni, Cu, Si, Ag, W,
Au, Pb, Be, Co
powodujące przemianę
eutektoidalną � ą+TiX,
gdzie X jest dodatkiem
stopowym.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Wpływ pierwiastków stopowych na strukturę stopów
tytanu i temperaturę przemiany alotropowej Tią"! Ti�
Pierwiastki, które mają
nieznaczny wpływ na
temperaturę przemiany
alotropowej tzw.
pierwiastki neutralne
tj. Sn, Zr, Ge, Th, Hf.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Współczynnik stabilności fazy � - (K�)
Strukturę stopów można ustalić znając wartość współczynnika
stabilności fazy � (K�):
k1 k2 kn
K� = + +...+
k1kryt k2kryt knkryt
W stopach dwuskładnikowych tytanu - stosunek rzeczywistej
zawartości pierwiastków stabilizujących fazę � do ich krytycznej
zawartości (takiej zawartości, która umożliwia otrzymanie w
temperaturze 25�C struktury złożonej tylko z fazy �) .
W stopach wieloskładnikowych - suma ilorazów rzeczywistej
zawartości każdego pierwiastka stabilizującego fazę � do jego
krytycznej zawartości w podwójnym stopie z Ti.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Podział stopów tytanu ze względu na strukturę w
oparciu o współczynnik stabilności fazy �:
Stopy ą, gdzie K�<0,1,
Stopy pseudo ą, gdzie 0,1< K�<0,25,
Stopy ą+ � typu martenzytycznego, gdzie 0,3< K�<0,9,
Stopy ą+ � typu przejściowego, gdzie 1,0< K�<1,4,
Stopy pseudo �, gdzie 1,6< K�<2,5,
Stopy �, gdzie K�>3,0.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Stopy jednofazowe ą zawierają pierwiastki stabilizujące fazę ą,
pierwiastki neutralne, a także pierwiastki stabilizujące fazę �, ale
tylko w takiej ilości, która nie przekracza ich zawartości krytycznej
w fazie ą. Strukturę tych stopów po odkształceniu plastycznym i po
wyżarzaniu stanowi w zdecydowanej większości roztwór stały ą
(powyżej 95%). Podstawowymi pierwiastkami stopów tej grupy są
Al, Sn i Zr, które decydują o:
" dobrych własnościach odlewniczych,
" dobrej spawalności,
" dużej odporności na kruchość na zimno,
" dobrej wytrzymałości na pełzanie,
" dużej stabilności cieplnej.
Poprawę wytrzymałości tych stopów można uzyskać przede
wszystkim poprzez umocnienie roztworu stałego ą. Stopów ą z
reguły nie poddaje się obróbce cieplnej, a jeżeli tak to jedynie
wyżarzaniu odprężającemu i rekrystalizującemu.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Stopy pseudo ą zaliczają się do grupy stopów ą. Stopy
te zawierają pierwiastki stabilizujące fazę ą oraz
pierwiastki stabilizujące fazę � w stężeniu nieco
przekraczającym ich zawartość krytyczną w fazie ą.
Stopy pseudo ą mają prawie takie same podstawowe
własności jak stopy ą, ale charakteryzują się lepszymi
własnościami wytrzymałościowymi i żarowytrzymałością,
co spowodowane jest zawartością pierwiastków
stabilizujących fazę � powyżej ich granicznej
rozpuszczalności. Stopów pseudo ą, tak jak stopów ą,
z reguły nie można umacniać poprzez obróbkę cieplną.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Stopy ą+� typu martenzytycznego w swojej strukturze
zawierają dużą ilość pierwiastków stabilizujących fazę �,
lecz nie wyższą od ich pierwszej zawartości krytycznej.
W stanie równowagi mają od 5 do 25% fazy � lub też
martenzytyczne fazy ą' i ą'' w wyniku szybkiego
chłodzenia z temperatury stabilności fazy �. Stopy te
mają dobre własności wytrzymałościowe oraz cechują
się dobrą plastycznością w stanie wyżarzonym.
Stopy ą+� typu martenzytycznego, po wyżarzaniu
normalizującym mają większą plastyczność niż stopy
jednofazowe ą, a po obróbce cieplnej znacznie
przewyższają je własnościami wytrzymałościowymi.
Jednak poważną wadą tych stopów jest duża
wrażliwość struktury na podwyższoną temperaturę.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Stopy ą+� typu przejściowego w stanie równowagi
posiadają strukturę złożoną z fazy ą i fazy � w ilości
od 25 do 50 %. Czasami może się utworzyć struktura
w 100% złożona z fazy �M w wyniku szybkiego
chłodzenia z temperatury stabilności fazy �, w której z
kolei może się wydzielać czasami faza przejściowa �.
Stopy ą+� typu przejściowego mają bardzo wysoki
stopień umocnienia po obróbce cieplnej.
W przeciwieństwie do stopów typu martenzytycznego,
oddziaływanie różnych czynników technologicznych
nie ma tak dużego wpływu na strukturę stopów
przejściowych (jest mniej wrażliwa).
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Stopy pseudo � charakteryzują się dużą zawartością
pierwiastków stabilizujących fazę �. Dlatego w stopach
pseudo � nie zachodzi przemiana martenzytyczna.
W stanie równowagi struktura stopów pseudo � zawiera
duże ilości fazy � i małe ilości fazy ą. Po hartowaniu
tworzy ją faza niestabilna �M, a po starzeniu tworzą ją
fazy ą i �. Stopy pseudo � wykazują się dużym
umocnieniem w wyniku obróbki plastycznej oraz znaczną
wytrzymałością w podwyższonych temperaturach, a także
dobrą plastycznością. Wadami tych stopów jest zdolność
pochłaniania tlenu i silna absorpcja wodoru podczas
trawienia, czego rezultatem jest wzrost kruchości. Należy
unikać także udziału Fe i Cr w stopach pseudo � ze
względu na kruchość połączeń spawanych po
umacniającej obróbce cieplnej.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Stopy � składają się głównie z pierwiastków
stabilizujących fazę �, co powoduje znaczne
obniżenie temperatury przemiany fazowej
ą �. Stopy � łatwiej poddają się przeróbce
plastycznej niż stopy ą czy stopy ą+�, co
spowodowane jest krystalizacją w układzie
regularnym o sieci przestrzennie centrowanej
w odróżnieniu do stopów ą i ą+�, które
krystalizują w układach heksagonalnych. Ze
względu na bardzo dużą zawartość
pierwiastków stabilizujących fazę �, procesy
starzenia w tych stopach przebiegają bardzo
powoli, więc umocnienie poprzez obróbkę
cieplną nie przynosi wymaganych efektów.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Skład chemiczny i właściwości wybranych stopów
tytanu
Stężenie pierwiastków stopowych, [%]
Struktura Stop Uwagi
Al Cr Mo Sn V
WT5-1 4,0-6,0 - - 2,0-3,0 - -
ą
Ti-5,5Al-2,5Sn-3Cu 4,5-6,0 - - 2,0-3,0 - -
WT20 5,5-7,0 - 0,5-1,8 - 0,8-2,3 1,4-2,5% Zr
pseudo ą
Ti-4Al-4Mn 3,5-4,5 - - - - 3,5-4,5% Mn
Ti-6Al-4V 5,5-6,7 - - - 3,5-4,5 -
WT3-1 5,5-6,5 0,8-2,3 2-3 - - 0,2-0,4% Si
ą+�
WT22 4,5-5,9 0,5-2,0 4,0-5,5 - 4,0-5,5 -
WT30 - - 9,0-11 4,0-4,5 - 5,5-8,0% Zr
WT15 2,3-3,5 9,5-11 6,5-7,5 - - -
� i pseudo
�
Ti-13V-11Cr-3Al 2,5-4,0 10-12 - - 12,5-14,5 -
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Zastosowanie stopów tytanu
Przemysł lotniczy i kosmiczny,
Przemysł zbrojeniowy,
Przemysł okrętowy,
Sprzęt medyczny,
Aparatura chemiczna,
Sprzęt sportowy,
Inne zastosowania.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Przykłady zastosowań stopów tytanu w przemyśle
lotniczym i kosmonautyce
3
2
1
4
1 - Elementy silnika Trent 900 zasilającego największy samolot pasażerski świata
Airbus A380, 2 - Pierścienie, wsporniki w promach kosmicznych, 3 - F-14 Tomcat,
którego 25% wagi to stopy tytanu Ti-6Al-4V wykorzystane w mechanizmie zmiany
geometrii, skrzydłach, wlotach powietrza i w tylnej części kadłuba, 4 - Element
złączny.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Przykłady zastosowań stopów tytanu w medycynie
2
4
1
3
1 - Konstrukcja protezy zębowej, 2 - Kątnica stomatologiczna, 3 - Implant
śrubowy, 4 - Aparat ortodontyczny z bardzo sprężystego stopu Ti-Ni.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Przykłady zastosowań tytanu i jego stopów
2
1
3
3
4 6
5
1
1 - Rama rowerowa, 2 - Korba, 3 - Ramki okularów, 4 - Pancerze pojazdów
wojskowych, 5 - Sprężyna, 6 - Obrączka.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Stopy magnezu
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Stopy magnezu są doskonałym materiałem
konstrukcyjnym ze względu na:
" Bardzo małą gęstość (ok. 1,8 g/cm3),
" Dobrą wytrzymałość (Rm do 360 MPa) i sztywność
w pokojowej jak i podwyższonej temperaturze,
" Dobrą odporność na korozję,
" Znakomitą stabilność wymiarową,
" Wysoką odporność na wstrząsy i uderzenia,
" Dobrą zdolność tłumienia drgań i niską bezwładność,
" Dobrą obrabialność skrawaniem,
" A
atwość spawania.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Wpływ pierwiastków stopowych na własności
stopów magnezu
Głównymi pierwiastkami stopowymi w stopach
magnezu są:
" Aluminium,
" Cynk,
" Mangan,
" a także czasami krzem, lit, cer, cyrkon i metale
ziem rzadkich.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Wpływ aluminium na własności mechaniczne
stopów magnezu
Ponadto:
" Przy zawartości ok. 10%
Al, stopy magnezu
charakteryzują się
bardzo dobra lejnością,
" zmniejsza skurcz,
" ale powoduje kruchość
na gorąco.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Wpływ cynku na własności mechaniczne stopów
magnezu
Ponadto:
" Przy ok. 3% cynku, stopy
Mg charakteryzują się
bardzo dobrą lejnością,
" większa zawartość Zn
powoduje kruchość na
gorąco oraz występowanie
zjawiska mikroporowatości,
" powyżej 2% Zn, zmniejsza
się wydłużenie.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Wpływ manganu na własności stopów magnezu
" Występuje prawie we wszystkich stopach magnezu
przeważnie w stężeniu od 0,1 do 0,5%,
" Zwiększa wytrzymałość,
" Poprawia odporność na korozję,
" Umożliwia ich spawanie,
" Ogranicza niekorzystny wpływ żelaza, które powoduje
korozję,
" W stopach Mg-Al wchodzi w skład różnych związków
międzymetalicznych, których twardość wzrasta z
udziałem Al.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Klasyfikacja i oznaczenie stopów magnezu
Ze względu na sposób wytwarzania, stopy magnezu
można podzielić na:
" Odlewnicze stopy magnezu,
" Stopy magnezu do obróbki plastycznej na zimno i na
gorąco.
Obecnie w Polsce obowiązują dwie normy dotyczące
stopów magnezu:
" PN-EN 1753:2001 - Magnez i stopy magnezu. Gąski i
odlewy ze stopów magnezu,
" PN-EN 1754:2002 - Magnez i stopy magnezu. Anody,
gąski i odlewy z magnezu i stopów magnezu - System
oznaczania.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Odlewnicze stopy magnezu
Odlewnicze stopy magnezu są głównie stopami
z dodatkiem aluminium, cynku, manganu, krzemu
oraz litu.
Charakteryzują się:
Dobrymi własnościami odlewniczymi tj.
" Dobrą lejnością,
" Małym skurczem odlewniczym,
Wykazują bardzo dobrą podatność na obróbkę
skrawaniem.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Metody odlewania stopów magnezu
" Odlewanie ciśnieniowe  metoda najpowszechniej
stosowana,
" Odlewanie do form metalowych (kokil),
" Odlewanie do form piaskowych,
" Prasowanie w stanie ciekłym,
" Odlewanie w stanie stało-ciekłym (odlewanie
tiksotropowe).
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Skład chemiczny wybranych odlewniczych stopów
magnezu wg normy PN-EN 1753:2001
Stężenie pierwiastków stopowych, [%]
Oznaczenie stopu
Al Zn Mn RE Zr inne
EN-MCMgAl8Zn1 7,0-8,7 0,35-1,0 0,1 - - 0,1 Si; 0,03 Cu
EN-MCMgAl9Zn1 8,7-9,7 0,35-1,0 0,1 - - 0,1 Si; 0,03 Cu
EN-MCMgAl6Mn 5,5-6,5 0,2 0,1 - - 0,1 Si; 0,01 Cu
EN-MCMgZn6Cu3Mn - 5,5-6,5 0,25-0,75 - - 0,2 Si; 2,4-3,0 Cu
EN-MCMgZn4RE1Zr - 3,5-5,0 0,15 0,75-1,75 0,4-1,0 0,01 Ni; 0,03 Cu
EN-MCMgREZn2Zr - 2,0-3,0 0,15 2,5-4,5 0,4-1,0 0,01 Ni;0,03 Cu
EN-MCMgRE2Ag2Zr - 0,2 0,15 2,0-3,0 0,4-1,0 2,0-3,0 Ag;0,01 Cu
EN-MCMgREAg1Zr - 0,2 0,15 1,5-3,0 0,4-1,0 1,3-1,7 Ag;0,01 Cu
EN-MCMgY5RE4Zr - 0,2 0,15 1,5-4,0 0,4-1,0 4,75-5,5 Y;0,03 Cu
EN-MCMgY4RE3Zr - 0,2 0,15 2,4-4,4 0,4-1,0 3,7-4,3 Y;0,03 Cu
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Wykres równowagi
fazowej Mg - Al
Magnez tworzy
z aluminium układ
fazowy z eutektyką
o zawartości 32,3% Al
w temperaturze 437�C.
Eutektyka składa się
z roztworu stałego ą i
roztworu stałego
wtórnego ł
o zawartości 40,2% Al.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Obróbka cieplna stopów magnezu
Obróbka cieplna odlewniczych stopów
magnezu polega na:
" Utwardzaniu wydzieleniowym,
" Wyżarzaniu rekrystalizującym,
" Wyżarzaniu ujednorodniającym,
" Wyżarzaniu zmiękczającym.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Obróbka cieplna stopów magnezu
Obróbka cieplna stopów magnezu do obróbki
plastycznej polega na:
" Utwardzaniu wydzieleniowym  rzadko stosowana ze
względu na zbyt długie czasy starzenia i słaby efekt
poprawy własności wytrzymałościowych,
" Wyżarzaniu rekrystalizującym,
" Wyżarzaniu odprężającym w temp. 150-200�C
w celu usunięcia korozji naprężeniowej występującej
podczas obróbki na zimno.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Zastosowanie stopów magnezu
Przemysł motoryzacyjny,
Przemysł lotniczy,
Przemysł włókienniczy,
Części i obudowy różnych maszyn
oraz urządzeń,
Wyposażenie biurowe,
Sprzęt sportowy,
Inne zastosowania.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Przykłady zastosowań stopów Mg w przemyśle
motoryzacyjnym
3
1 2
5 6
4
1 - Obręcz koła, 2 - Korpus tablicy przyrządów kontrolno-pomiarowych - Cadillac
DeVille, 3 - Konstrukcja siedzenia, 4 - Hamulec ręczny  Porsche, 5 - Kierownica
Volkswagena Lupo, 6 - Obudowa skrzyni przekładniowej.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Przykłady zastosowań stopów Mg w przemyśle lotniczym
3
1
2
6
7
4
5
1 - Części skrzyni biegów śmigłowców typu Westland Sea King, 2 - Części silnika
Rolls Royce Tay zasilającego m.in. Boeing 727 (3), 4 - Części silnika Rolls Royce
BR710 zasilającego m.in. mniejszy samplot pasażerski Global Express (6) i brytyjski
samolot rozpoznawczy Nimrod MRA4 (7), 5 - Odlewy skrzyni przekładniowych
śmigłowców typu Sikorsky S92.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Przykłady innych zastosowań stopów magnezu
1
3
2
4
7
6
5
1 - Piła tarczowa, 2 - Piaszczarka, 3 - Obudowa laptopa, 4 - A
uk wyczynowy,
5 - Obudowa telefonu komórkowego, 6 - Części rowerowe, 7 - Korpus aparatu.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Inne zastosowania magnezu i jego stopów
" Jako środki do oczyszczania kąpieli metalowej
z gazów,
" Do odsiarczania przy produkcji stopów miedzi i niklu
oraz stali i żelaza,
" Jako środek redukujący metali nieżelaznych m.in.
tytanu, berylu, cyrkonu, hafnu i uranu,
" Jako anody magnezowe do przeciwdziałania korozji
galwanicznej stali w pewnych środowiskach takich jak
podziemne rurociągi, zbiorniki zasobnikowe i domowe
podgrzewacze wody,
" W pirotechnice,
" W suchych ogniwach i zapasowych ogniwach
akumulatorów, głównie dla potrzeb wojskowych.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Podsumowanie
Stopy aluminium:
Mała gęstość (2,8 g/cm3), a zarazem
wysoka wytrzymałość względna,
Wysoka odporność na korozję,
Doskonała obrabialność.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Podsumowanie
Stopy tytanu:
Największa żarowytrzymałość (do 800�C),
Największa wytrzymałość na rozciąganie
dochodząca do 1800 MPa,
Bardzo dobra odporność na korozję
(odporność na większość agresywnych
środowisk).
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Podsumowanie
Stopy magnezu:
Najmniejsza gęstość wynosząca ok. 1,8 g/cm3,
a dochodząca nawet do 1,3 g/cm3,
Wysoka odporność na wstrząsy, uderzenia i
wgniecenia, a także doskonałe zdolności
tłumienia hałasu i drgań,
Bardzo dobra stabilność wymiarowa.
Stopy metali lekkich
� Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2007