I

WIĄZANIA ATOMOWE

Między atomami istnieją nie tylko siły odpychające, ale też siły przyciągania. Pierwsze pochodzą od oddziaływań powłok elektronowych, drugie powstają w wyniku przecinania się powłok elektronowych

WIĄZANIA KOWALENCYJNE

W wiązaniach tych powstają siły w wyniku oddziaływania jąder atomowych na wspólna parę.

WIĄZANIA JONOWE

Powstają w wyniku oddziaływania ładunków różnoimiennych-jonu dodatniego i ujemnego. Jony te powstają w wyniku przeskoku elektronu.

WIĄZANIA VAN DER-VAALSA

Wiązania te powstają na skutek odkształcenia powłok zewnętrznych, co powoduje „rozdzielenie” ładunku dodatniego i ujemnego. W wyniku tego następuje powstanie dipoli, które w odpowiednim ułożeniu przyciągają się.

WIĄZANIA METALICZNE

Pierwiastki metaliczne mają małą liczbę elektronów walencyjnych i dlatego nie mogą tworzyć wspólnych par elektronów. Zbliżone atomy pierwiastka metalicznego tracą część lub wszystkie swoje elektrony walencyjne, stając się rdzeniami atomowymi między którymi w całej objętości metalu wspólne elektrony poruszają się swobodnie. Elektrony swobodne przynależą do wszystkich rdzeni atomowych. Między dodatnimi ładunkami rdzeni atomowych i ujemnymi gazu elektronów, działają silne elektrostatyczne siły przyciągania-wiązania metaliczne.

ELEMENTY KRYSTALOGRAFII

Ciała krystaliczne mają charakterystyczny kształt regularnych brył geometrycznych-kryształów. Budową kryształów zajmuje się krystalografia. Atomy w metalu są uporządkowane, jako więzły sieci przestrzennej, przez zwielokrotnienie w 3 kierunkach podstawowego elementu zwanego komórką elementarną. Sieć przestrzenna powstaje w wyniku translacji podstawowego elementu, jakim jest komórka. Do jednoznacznego określenia komórki potrzebna jest znajomość 3 wektorów a,b,c i 3 kątów ά β γ. W wyniku kombinacji pomiędzy wektorami i kątami powstają różne typy sieci: regularny, trygonalny, heksagonalny.

Większość sieci krystalizuje w układzie regularnym i heksagonalnym: sieć regularna prosta, sieć regularna przestrzennie centrowana, sieć regularna płasko centrowana, sieć heksagonalna. Niezależnie od typu sieć przestrzenną charakteryzują:

- liczba koordynacji: jest to liczba najbliższych i równoległych atomów, od dowolnego atomu sieci. Jest to liczba wiązań, czyli energetyczna miara trwałości struktury krystalicznej.

- liczba atomów przypadająca na komórkę elementarną: jest to liczba charakteryzująca wielkość komórki zasadniczej.

- wypełnienie komórki elementarnej: jest to stosunek objętości zajętej przez atomy do objętości komórki elementarnej. Jest to wartość charakteryzująca gęstość struktury kryształu.

KRZEPNIĘCIE

Zmiana stanu skupienia cieczy w ciało stałe (krzepnięcie) ma istotne znaczenie techniczne, ponieważ od tego zależy rzeczywista struktura, a więc i wł. mech. Oziębianie cieczy zmienia ruchliwość atomów tak, że w temp. krzepnięcia siły wiązania gwałtownie zwiększają się, powodując zwiększenie energii układu. Jej nadmiar wydziela się w czasie krzepnięcia w postaci ciepła krzepnięcia, utrzymując przez czas zmiany stanu skupienia stałą temp. układu pomimo strat ciepła do otoczenia.

Zjawisko chłodzenia:

Chłodzenie czystej cieczy odizolowane od wpływów zewnętrznych umożliwia przechłodzenie: obniżenie temp. bez zmiany stanu skupienia poniżej temp. krzepnięcia.

Mechanizm krzepnięcia: polega na powstawaniu w cieczy zarodków krystalizacji i ich wzroście.

W teorii krystalizacji są dwie wielkości charakteryzujące proces krzepnięcia:

- szybkość zarodkowania (SZ): liczba zarodków krystalizacji tworzących się w jednostce objętości cieczy w jednostce czasu.

- szybkość krystalizacji (SK): liniowa szybkość wzrostu kryształów w jednostce długości na jednostkę czasu.

Wartości SZ i SK zależne są od stopnia przechłodzenia fazy ciekłej. W zakresie małych przechodzeń SZ i SK są sobie równe i kryształy rozrastają się do znanych rozmiarów i powstaje wówczas struktura gruboziarnista. W zakresie dużych przechodzeń dominuje szybkość zarodkowania, powstaje duża liczba zarodków, które nie zdążają się rozrosnąć do danych rozmiarów i wówczas powstaje struktura drobnoziarnista.

II

KRYSTALIZACJA METELII I STOPÓW

W ciekłym metalu zarodkiem krystalizacji jest przypadkowo pojawiająca się grupa a tomów bliskiego uporządkowania, zajmujących położenia odpowiadające pozycjom atomów w sieci przestrzennej. Wyróżnia się dwa mechanizmy zarodkowania:

- zarodkowanie homogeniczne: polega na tworzeniu się zarodka w kształcie kuli w jednorodnej cieczy. Mechanizm ten wymaga dużych przechodzeń. Dlatego w przypadku metali zachodzi w szczególnych przypadkach.

- zarodkowanie heterogeniczne: polega na tworzeniu się zarodka, o kształcie czaszy kulistej, na powierzchni fazy stałej. Zarodkowanie to jest podstawowym mechanizmem krystalizacji metalu. Umożliwia duże szybkości zarodkowania.

Wzrost zarodka krystalizacji polega na osadzaniu się na jego powierzchniach atomów i cieczy, które dzięki zmniejszeniu się ruchliwości są przyłączone siłami wiązań i umiejscawiają się w położeniach odpowiadającym pozycjom w sieci przestrzennej.

Szybkość krystalizacji wykazuje anizotropię: jest największa dla ścian o najgęstszym ułożeniu atomów. Krystalizacja stopów jest znacznie trudniejszym procesem, ponieważ:

- skład fazy ciekłej i stałej zmienia się w czasie

- krystalizacja przebiega najczęściej w zakresie temp., którego górna granica nazywa się likwidusem, a dolna solidusem.

MIKROSTRUKTURA MATERIAŁÓW METALICZNYCH (DENDRYT)

Mikrostruktura utworzona w wyniku krystalizacji nosi nazwę pierwotnej. Dzięki dużej liczbie zarodków krystalizacji metale i stopy mają strukturę polikrystaliczną. Najczęstsze rozmiary ziaren to:

od 10 ^-5 do 10 ^-3 mm.

Mechanizm tworzenia struktury dendrytycznej jest następujący. W początkowym okresie krystalizacji powstaje struktura dendrytyczna. W krótkim początkowym okresie krystalizacji zarodki rozrastają się swobodnie w kształcie regularnych brył geometrycznych. Ich wzrost zostaje zakłócony, wcześniej podanymi różnicami szybkości krystalizacji, w poszczególnych kierunkach oraz wydzielaniem się ciepła krystalizacji.

Krystalizacja w punkcie A zostaje w pewnym momencie zatrzymana ponieważ intensywne wydzielanie się ciepła krzepnięcia przed frontem krystalizacji lokalnie podnosi temp. cieczy. Kryształ wzrasta w innym kierunku np. od punktu C do D aż do zaniku przed frontem krystalizacji przechłodzenia. Jeżeli w między czasie ciepło w fazie ciekłej w punkcie B uległo rozproszeniu i wytworzyło się ponowne przechłodzenie, to dalszy wzrost kryształu może następować od pkt. B do E.

Takie wzrastanie i zanikanie krystalizacji prowadzi do powstania dendrytu.

BUDOWA KRYSTALICZNA WŁÓKNA

Budowa: kryształy zamrożone, słupkowe, wolne. Struktura pierwiastków ma istotne znaczenie na właściwości mechaniczne. Ciekły metal przy zetknięciu z zimnymi ścianami naczynia szybko odprowadzającymi ciepło w kierunku prostopadłym do swych powierzchni ulega dużemu przechłodzeniu. Zewnętrzne warstwy dzięki dużej szybkości zarodkowania tworzą cienką warstwę wolnych kryształów bardzo drobnych, przypadkowo zorientowanych ziaren zamrożonych. Ta strefa izoluje pozostałą ciecz. Zmniejsza się szybkość zarodkowania co powoduje ich rozrastanie w kierunku prostopadłym do ścian naczynia. Strefa ta zwana jest strefą ziaren słupkowych. Ta strefa jeszcze bardziej ogranicza odprowadzanie ciepła i tym samym spowalnia szybkość zarodkowania. Ciepło odprowadzane jest już równomiernie we wszystkich kierunkach. Pozostają większe ziarna równoosiowe zwane wolnymi.

Defekty struktury krystalicznej:

Sieć przestrzenna w rzeczywistości daleka jest od geometrycznej doskonałości. Wszelkie odchylenia od stanu geometrycznej doskonałości nazywa się defektami sieci. Defekty sieci wywierają wpływ na całości mechaniczne materiałów.

Wyróżnia się 3 rodzaje defektów: defekty punktowe, defekty liniowe, defekty złożone.

Defekty punktowe (puste węzły): mają wymiar w 3 kierunkach rzędu stałej sieciowej.Zalicza się do nich

-nie obsadzone pozycje węzłowe sieci, -atomy w pozycjach międzywęzłowych, -atomy obce w pozycjach węzłowych lub międzywęzłowych.

Defekty liniowe(dyslokacja krawędziowa): mają w 2 prostopadłych kierunkach wymiar stałej sieciowej, a w trzecim wymiar ziarna. Dyslokacje mogą być: krawędziowe, śrubowe, formy pośrednie.

Defekty złożone: mają wymiar w jednym kierunku kilku odległości międzyatomowych, a w dwóch pozostałych wymiar kryształu.

III

ODKSZTAŁCENIA

Odkształcenia możemy podzielić na: a)sprężyste,

b)plastyczne: odkształcenia przez poślizg, odkształcenia przez bliźniakowanie

Sprężyste: polegają na sprężystym ugięciu sieci.

Z chwilą ustąpienia obciążenia atomy powracają do swoich pierwotnych położeń. Wychylenie atomów z pozycji równowagi powiększa energię potencjalną kryształu. Po usunięciu obciążenia atomy zmniejszają swoją energię i wracają do położenia równowagi co powoduje zanik odkształcenia.

Plastyczne: zachodzą pod działaniem dużego naprężenia. Polega ono na przemieszczaniu się części kryształu względem siebie za pośrednictwem poślizgu lub bliźniakowania.

Poślizg: polega na przemieszczaniu się jednej części kryształu względem drugiej a całkowitą wielokrotność odległości międzyatomowej w określonej płaszczyźnie i kierunku. Poślizg zachodzi najłatwiej w płaszczyznach i kierunkach najgęściej obsadzonych atomami. Przesunięcie części kryształu względem siebie w linii osiąga wartość rzędu 1000 odległości międzyatomowych. W miarę powiększania naprężenia uruchamiane są nowe płaszczyzny poślizgu oddalone od siebie 50 - 500 odległości międzyatomowych. Ze wzrostem temp. nasila się uruchamianie innych płaszczyzn.

Bliźniakowanie: polega na skręcaniu jednej części kryształu względem drugiej o kąt ά w określonej płaszczyźnie i kierunku. Naprężenie niezbędne do wywołania bliźniakowania jest znacznie większe niż naprężenie potrzebne do wywołania poślizgu, ale wpływ temp. na Bliźniakowanie jest słabsze.

ZGNIOT I UMOCNIENIE

Wartość zgniotu określana jest wzorem:

z = ∆s/s * 100%

∆s = s₀ - s ,

s₀ - pole powierzchni prostopadłej do siły zgniotu przed zgniotem,

s - pole powierzchni prostopadłej do siły zgniotu po zgniocie.

Pojęciem zgniot określa się całokształt zmian mikrostruktury, naprężeń własnych oraz właściwości wywołanych odkształceniem plastycznym. Metale mają strukturę polikrystaliczną i ziarna równoosiowe. Duże zgnioty powodują wydłużenie ziaren co prowadzi do powstania struktury włóknistej, charakterystycznej dla blach i drutów.

Zjawisko zmiany właściwości mechanicznych nazywa się umocnieniem materiału. Podczas umocnienia powiększają się: wytrzymałość, twardość, plastyczność; a zmniejszają się: udarność, wydłużenie, przewężenie.

Umocnienie i kształt zgniotu ziarna są trwałe tylko do pewnej temp. Wyżarzanie zgniecionego materiału powoduje w nim zmiany. Wyżarzanie w niskiej temp. zmniejsza naprężenia własne. Obróbkę cieplną podczas której usuwa się naprężenia własne, nie zmniejszając właściwości mechanicznych nazywa się odprężaniem. Odprężanie zachodzi pod warunkiem, że podczas wyżarzania nie zostanie przekroczona określona temp. W przypadku osiągnięcia tej temp. poza zanikiem naprężeń własnych, następuje spadek właściwości wytrzymałościowych i wzrost wł. plastycznych.

Po dostatecznie długim czasie wyżarzania w tej temp. materiał odzyskuje właściwości te które miał przed zgniotem. Zjawisko to naz. zdrowieniem.

Wyżarzanie jeszcze w wyższej temp. powoduje likwidacje struktury włóknistej powstałej w wyniku obróbki plastycznej. Zjawisko to nazywamy rekrystalizacją pierwotną.

Dalsze wygrzewanie materiału w wyższej od poprzedniej temp. powoduje wzrost ziarna. Zjawisko to nazywamy rekrystalizacją wtórną. Rekrystalizacja wtórna pogarsza wł.mech. i technologiczne i z tego powodu nie należy do niej dopuszczać.

Temp. rekrystalizacji pierwotn. (wzór Boczwara)

T_r = A*T_top ; A=0,4 czyste metale; A=0,6 stopy

Zjawisko rekrystalizacji jest wykorzystywane w procesach obróbki plastycznej do odzyskiwania wł. plastycznych utraconych podczas zgniotu.

Podział obróbki plastycznej: na zimno (T < T_r),

na gorąco (T > T_r).

Zgniot przy którym po wyżarzeniu otrzymuje się największe ziarna naz. się zgniotem krytycznym.

Rekrystalizacja: odbudowa ziarna po zgniocie do ziarna przed zgniotem

IV

ROLA I ZNACZENIE OBRÓBKI CIEPLNEJ

Obróbka cieplna: jest zabiegiem cieplnym mającym na celu zmianę struktury stopów w stanie stałym, a przez to nadanie mu żądanych właściwości mech., fiz. lub chem. Jako środek do tego celu stosuje się podnoszenie lub obniżanie temp. obrabianego cieplnie przedmiotu oraz pewne procesy cieplno -chemiczne, cieplno - plastyczne, ciplno - magnetyczne. Ogromne rozpowszechnienie żelaza w postaci jego stopów t.j. stali i żeliwa wynika z ich dobrych wł. mech. oraz taniości i łatwości obróbki. Stopy te nie osiągnęłyby tak dużego znaczenia, gdyby stosowane były w stanie surowym nie obrabianym cieplnie. Dzięki istnieniu alotropowych odmian żelaza można na drodze obróbki cieplnej zmieniać wł. jego stopów. Dla obróbki cieplnej stopów żelaza podstawowe znaczenie ma układ równowagi żelazo-węgiel, a ściśle jego część o zawartości 2,11% węgla.

Zabiegi obróbki cieplnej dzieli się na:

a) obróbkę cieplną zwykłą: jest to uzyskanie żądanych wł. na drodze zmiany struktury bez zmiany składu chemicznego (nagrzewanie, hartowanie, odpuszczanie, wyżarzanie).

Nagrzewanie: ma na celu podniesienie temp. obrabianego materiału do wysokości wymaganej dla danego materiału i rodzaju obróbki cieplnej

Hartowanie: polega na nagrzaniu elementu do określonej temp., wygrzewaniu go w tej temp., a następnie szybkim jego chłodzeniu w celu otrzymania struktury martenzytycznej lub bainitycznej i przez to zwiększenia twardości stali.

Najczęściej do przeprowadzenia hartowania stosuje się: wodę i roztwory wodne, oleje i tłuszcze, stopione sole i metale.

Odpuszczanie: jest to zabieg stosowany do elementów uprzednio zahartowanych, polegający na nagrzaniu ich do odpowiedniej temp., wygrzaniu w tej temp. a następnie na powolnym lub przyspieszonym jego chłodzeniu.

Stosowane jest w celu polepszenia wł. plastycznych

elementów.

Wyżarzanie: jest to zabieg polegający na nagrzaniu elementu do określonej temp., wygrzaniu go w tej temp., a następnie na powolnym jego chłodzeniu.

b) obróbkę cieplno-chemiczną: jest to połączenie zabiegu cieplnego z oddziaływaniem środowiska chemicznego na metal (nawęglanie, azotowanie węgloazotowanie, cyjanowanie, nasiarczanie).

Nawęglanie: jest to zabieg polegający na nasycaniu powierzchni stalowych węglem w celu uzyskania twardej i odpornej na ścieranie warstwy powierzchniowej. Jest to najstarszy i najbardziej rozpowszechniony zabieg obróbki cieplno-chem.

Azotowanie: jest to proces powierzchniowego nasycenia stali lub żeliwa azotem. Rozróżnia się azotowanie: utwardzające (stosuje się w celu podwyższenia twardości metalu) i antykorozyjne (stosuje się w celu powiększenia odporności na korozję).

Węgloazotowanie: jest to proces równoczesnego nasycania powierzchni elementów węglem i azotem w celu podwyższenia twardości i odporności na ścieranie. Węgloazotowanie przeprowadza się w ośrodkach ciekłych i gazowych. Wyróżniamy:

węgloazotowanie kąpielowe i gazowe.

Inne zabiegi: zaliczamy do nich: nasycanie dyfuzyjne. Zależnie od składnika nasyconego rozróżnia się: dyfuzyjne aluminiowe, krzemowe, chromowe, tytanowe. Ośrodkami stosowanymi w tym procesie są sproszkowane żelazostopy.

c) obróbkę cieplno-plastyczną: jest to połączenie zabiegu cieplnego z odkształceniem plastycznym, w celu poprawy wł. mech.

d) obróbkę cieplno-magnetyczną: jest to połączenie zabiegu cieplnego z oddziaływaniem pola magnetycznego w celu osiągnięcia wł. fizycznych.

NAGRZEWANIE

Nagrzewanie to ciągłe lub stopniowe podnoszenie temp. do żądanej wartości. Przy nagrzewaniu stopniowym wyróżnia się:

- podgrzewanie: nagrzewania do temp. niższej niż właściwa temp. obróbki cieplnej,

- dogrzewanie: nagrzewanie podgrzanego materiału do temp. właściwej,

- wygrzewanie: utrzymywanie temp. odpowiadającej danemu zabiegowi w czasie potrzebnym do wyrównania temp. w całym przekroju materiału i przekroju zamierzonych przemian w jego strukturze.

CHŁODZENIE

Jest to ciągłe lub stopniowe obniżenie temp. materiału. Powolne chłodzenie w piecu lub na powietrzu naz. studzeniem. Szybkie chłodzenie w wodzie lub oleju naz. oziębianiem.

Przy chłodzeniu stopniowym wyróżnia się:

- podchładzanie: chłodzenie do temp. wyższej niż końcowa,

- dochładzanie: chłodzenie od temp. podchłodzenia do temp. końcowej.

Każdy zabieg obróbki cieplnej można przedstawić graficznie na współrzędnych: temp., czas.

V

PRZEMIANA PERLITYCZNA

( powstaje perlit )

Ta przemiana zachodzi w stanie stałym przy nagrzewaniu. Powyżej temp. 727 C austenit staje się fazą nietrwałą i ulega przemianie na perlit.

Z obniżeniem temp. maleje szybkość procesów dyfuzyjnych co wpływa hamująco na tą przeminę.

W wyniku łącznego działania szybkości przemiany austenitu ze wzrostem przechłodzenia początkowo wzrasta i osiąga max. w temp. ok.550⁰C, po czym maleje osiągając wartość równą e w temp. ok. 200⁰C

Przemiana austenitu w perlit rozpoczyna się pojawieniem zarodków cementytu na granicach ziaren austenitu. W wyniku dyfuzji węgla z otaczającego te zarodki austenitu, cząsteczki cementytu stopniowo rozrastają się tworząc płytki, a sam austenit o małej zawartości węgla ulega przemianie na ferryt. Ponieważ ferryt prawie nie zawiera węgla, w sąsiednim obszarze austenitu następuje wzrost węgla co prowadzi do powstania nowej płytki cementytu itd. Powstałe płytki cementytu i ferrytu rozrastają się równocześnie w kierunku wzdłużnym. Ponieważ szybkość przemiany austenitu jest różna i zależna od stopnia przechłodzenia to i budowa otrzymanego perlitu jest różna. W temp. bliskiej ok.750⁰C otrzymuje się perlit grubopasemkowy. W miarę obniżania temp. przemiany austenitu płytki cementytu stają się coraz cieńsze i odstępy między nimi coraz mniejsze. Jest to perlit drobnopasemkowy.

PRZEMIANA AUSTENITYCZNA

( powstaje austenit )

Przemiana perlitu w austenit rozpoczyna się powstaniem zarodków austenitu na granicy między cementytem a ferrytem. Zarodki stopniowo rozrastają się i równocześnie w powstałym austenicie rozpuszcza się cementyt. Przemiana alotropowa zachodzi szybciej niż rozpuszczanie się cementytu co powoduje pozostanie resztek węglików po wyczerpaniu się ferrytu, które stopniowo rozpuszczają się w austenicie. Początkowo austenit w obrębie ziaren jest niejednorodny, gdyż w miejscach gdzie występował cementyt zawartość węgla jest większa i dopiero po pewnym czasie następuje ujednorodnienie austenitu.

Proces przemiany perlitu w jednorodny austenit można podzielić na 3 etapy:

1) Przemiana perlitu w niejednorodny austenit,

2) Rozpuszczenie się resztek węglików w austenicie,

3) Ujednorodnienie austenitu.

PRZEMIANA MARTENZYTYCZNA

Sieć martenzytu - struktura krystaliczna

Zależność temp. początku Ms i końca Mt przemiany martenzytycznej.

Poniżej temp. Ms ruchliwość atomów jest bardzo mała, więc dyfuzja węgla praktycznie nie zachodzi i przemiana austenitu ma inny charakter. Następuje tylko przebudowa sieci przestrzennej żelazo gamma na żelazo alfa, bez zmiany koncentracji węgla w roztworze stałym. Taką przemianę bez dyfuzyjną nazywamy przemianą martenzytyczną, a otrzymana strukturę martenzytem.

Ponieważ rozpuszczalność węgla w żelazie alfa w temp. otoczenia nie przekracza 0,008%, martenzytu jest przesyconym roztworem węgla w żelazie alfa. Nadmierna ilość węgla powoduje zniekształcenie sieci żelaza alfa, tak że przybiera ona postać tetragonalną.

PRZEMIANA BAINITYCZNA

Po przechłodzeniu austenitu do temp. środkowego obszaru przemiany austenitu ( tj. ok. 550-200⁰C dla stali węglowych ) zachodzi przemiana zwana bainityczną. Zawiera ona w sobie elementy przemiany martenzytycznej i perlitycznej. W zakresie temp. 550-200⁰C szybkość dyfuzji węgla w austenicie jest bardzo mała. W takim przypadku z austenitu powstają płytki ferrytu przesycone węglem. Z powstałych płytek przesyconego węglem ferrytu wydziela się cementyt.

Baint jest mieszaniną ferrytu przesyconego węglem. Im niższa jest temp. przemiany bainitycznej tym mniejsza jest szybkość dyfuzji węgla i wydzielanie cementytu jest drobniejsze. A więc z tego wynika, że wł. i struktura bainitu zależą od temp.

Są dwa rodzaje bainitu:

1) Bainit górny: powstały w zakresie temp. 550-350

2) Bainit dolny: powstały w zakresie temp. 350-250

Mikrostruktura bainitu górnego ma charakter parzysty, a bainitu dolnego iglasty zbliżony do martenzytu.

VI

KONSTRUKCYJNE STALE STOPOWE

Charakterystyka ogólna:

Stale konstrukcyjne to takie, które są stosowane do wyrobu części maszyn, urządzeń i konstrukcji.

Stale konstrukcyjne powinny się odznaczać dobrymi właściwościami plastycznymi, muszą mieć wysoką wytrzymałość zmęczeniową aby mogły przenosić obciążenia statyczne i dynamiczne. W przypadku elementów podlegających ścieraniu muszą one wykazywać wysoką twardość powierzchniową i odporność na ścieranie. Podwyższenie wł. mech. stali polega na: zwiększeniu hartowności, umocnieniu ferrytu, rozdrobnieniu ziarna, opóźnieniu procesów odpuszczania.

Do konstrukcji stali stopowych zaliczamy: stale niskostopowe, stale do nawęglania, stale do ulepszania cieplnego, stale do azotowania, stale sprężynowe, stale na łożyska toczne.

Stale niskostopowe o podwyższonej wytrzymałości

Wymaga się od tych stali dobrych właściwości mechanicznych, a zwłaszcza podwyższonej granicy plastyczności. Stale te można podzielić na dwie grupy:

1)stale perlityczne (mają strukturę ferrytyczno-perlityczną, mają wyższe wł. wytrzymałościowe od stali węglowych),

stale bainityczne (mają strukturę bainityczną, dodatki stopowe występują najczęściej w postaci węglików).

Stale do nawęglania

Do nawęglania stosuje się stale o niskiej zawartości węgla 0,1-0,25%. Stosuje się je do wytwarzania elementów drobnych o małych przekrojach. Stale do nawęglania odznaczają się małą hartownością.

Elementy o większych przekrojach wykonane z tych stali po nawęgleniu i zahartowaniu uzyskują jedynie wysoką twardość powierzchniową, natomiast wł. wytrzymałościowe rdzenia nie ulegają podwyższeniu.

Stale do ulepszania cieplnego

Stale do ulepszania cieplnego stosuje się do wytwarzania części maszyn podlegających dużym obciążeniom. Dzięki hartowaniu i odpuszczaniu można uzyskać wysoką wytrzymałość na rozciąganie oraz na udarność.

Stale do azotowania

Azotowaniu poddajemy takie stale, które wykazują najlepsze właściwości warstwy dyfuzyjnej. Są to stale średnio węglowe, zawierające aluminium, chrom, tytan.

Stale sprężynowe

Z tych stali wykonuje się sprężyny, resory itp. Które odznaczają się wysoką granicą sprężystości, znaczną wytrzymałością zmęczeniową oraz muszą wykazywać dobre wł. plastyczne aby w przypadku przekroczenia granicy sprężystości nastąpiło jedynie trwałe odkształcenie elementu bez jego zniszczenia. Obróbka cieplna stali sprężynowych polega na ich hartowaniu gdzie dodatkiem stopowym jest krzem.

Stale do hartowania powierzchniowego

Stale do hartowania powierzchniowego dobiera się tak, aby równocześnie uzyskać dużą twardość powierzchni i odpowiednie wł. wytrzymałościowe. Do tego celu stosuje się stale o zawartości węgla.

STALE I STOPY NARZĘDZIOWE

Charakterystyka ogólna:

Stale i stopy narzędziowe służą do wykonywania narzędzi do kształtowania materiału oraz przyrządów pomiarowych. Materiały narzędziowe powinny mieć następujące właściwości:

- wysoką twardość, która musi być wyższa od obrabianego materiału

- dużą odporność na ścieranie

- odpowiednią hartowność-

- odpowiednią odporność na działanie wysokich temp.

Najważniejsza właściwością materiałów narzędziowych jest twardość i odporność na ścieranie.

Stal węglowa narzędziowa

Właściwości stali węglowych zależą do zawartości w nich węgla. Stale węglowe narzędziowe cechują się małą hartownością i małą skłonnością do rozrostu ziarna austenitu. Dlatego też stale te do pracy w wysokich temp. nie nadają się.

Stale węglowe narzędziowe dzielą się na 2 grupy:

stale płytko hartujące ( wykazują małą wrażliwość na przegrzewanie) i stale głęboko hartujące (wykazują większa wrażliwość na przegrzewanie).

Stal narzędziowa stopowa do pracy na zimno

Stale te służą do wykonywania narzędzi do obróbki nie nagrzanych materiałów. Stale stopowe wykazują większą hartowność niż stale węglowe co pozwala na ich hartowaniu np. w oleju. Dodatkami stopowymi dla tych stali są: chrom, wolfram, wanad, molibden. Stale narzędziowe stopowe do pracy na zimno wykazują dobre właściwości wytrzymałościowe oraz dużą odporność na ścieranie. Narzędzia wykonane z tych stali nie mogą się podczas pracy nagrzewać, gdyż wówczas miękną.

Stal narzędziowa stopowa do pracy na gorąco

Stale te stosuje się do wytwarzania narzędzi do przeróbki plastycznej materiałów uprzednio nagrzanych do wyższych temp. Muszą wykazywać wysoką wytrzymałość i twardość w wysokich temp., dobrą ciągliwość, stabilność struktury oraz odporność na zmęczenie. Zjawisko zmęczenia cieplnego jest główną przyczyną zużywania się narzędzi do pracy na gorąco. Stale te mają niską zawartość węgla.

Stale szybkotnące

Stale szybkotnące są podstawowym materiałem na narzędzia skrawające. Narzędzia wykonane z tych materiałów nadają się do skrawania z dużymi szybkościami. Narzędzi te grzeją się w wyniku prac, przy czym im większa jest szybkość skrawania, tym wyższa jest temp. ostrza. Materiały te muszą odznaczać się dużą twardością nie tylko na zimno, ale też w podwyższonych temperaturach. Zasadniczym składnikiem stopowym stali szybkotnących jest wolfram. Narzędzia ze stali szybkotnących poddaje się obróbce cieplnej, polegającej na hartowaniu i trzykrotnym odpuszczaniu.

Spiekane węgliki metali

Należą do materiałów, które w temp. 800-1000⁰C zachowują dużą twardość i odporność na ścieranie. Składnikami węglików spiekanych są: wolfram, tytan, tantal, bor, nikiel. Z węglików spiekanych nie wyrabia się całych narzędzi, tylko płytki lutowane na np. zęby piły (widia).

MIEDŹ I JEJ STOPY

Charakterystyka ogólna

Miedź ma barwę czerwoną. Jest metalem bardzo miękkim o niskiej wytrzymałości na rozciąganie, ale o bardzo dobrych wł. plastycznych. Miedź można umocnić tylko na drodze obróbki plastycznej na zimno. Odznacza się dużym przewodnictwem cieplnym i dużą odpornością na korozję. Miedź znalazła duże zastosowanie do wytwarzania różnych stopów.

Mosiądze

Są to stopy miedzi z cynkiem. Mają dobre wł. użytkowe i techniczne. Ze względu na technologię przeróbki mosiądze dzielimy na: plastyczne (mają barwę złocistą, odznaczają się dużym przewodnictwem cieplnym, mają zastosowanie w jubilerstwie, sprzęcie elektrotechnicznym i samochodowym) i odlewnicze (cechuje je dobra odporność na korozje i ścieranie, stosowane są do wyrobu części maszyn, armatury wodnej).

Brązy

Dzielimy je na: brązy cynowe, brązy aluminiowe, brązy krzemowe i brązy berylowe.

Cynowe: dobre wł. plastyczne ma brąz o zawartości 5% cyny. Odznaczają się dobrymi właściwościami wytrzymałościowymi, mają dobrą odporność na korozję. Stosowane są w postaci blach, drutu. Ze względu na zastosowanie brązy cynowe dzieli się na 3 grupy: brązy maszynowe, brązy armaturowe, brązy łożyskowe.

Aluminiowe: Mają najlepsze wł. wytrzymałościowe spośród stopów miedzi i większą odporność na korozje. Ich barwa zbliżona jest do złota. Nadają się zarówno na odlewy jak i do przeróbki plastycznej. Odznaczają się dużą odpornością na korozję. Mają zastosowanie w energetyce.

Brązy krzemowe: Brązy krzemowe znajdują zastosowanie jako materiał zastępujący brązy cynowe. Są tańsze w produkcji i wykazują lepsze wł. mechaniczne od brązów aluminiowych. Mają większą odporność na korozję. Zawierają dodatki manganu, cynku, żelaza.

Brązy berylowe:

Beryl jest składnikiem drogim co ogranicza zastosowanie tych stopów. Brązy berylowe wyróżniają się dobrymi wł. mechanicznymi. Mają również wysoką twardość i odporność na ścieranie.

Inne stopy miedzi

Zaliczamy do nich: brązy manganowe, brązy ołowiowe, brązy kadmowe.

ALUMINIUM I JEGO STOPY

Właściwości i zastosowanie aluminium

Aluminium jest metalem barwy srebrzystej, bardzo miękkim i plastycznym. Jest lżejszy trzykrotnie od żelaza. Wykazuje dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne. Odznacz się zupełną odpornością na korozję. Ma zastosowanie w przemyśle: chemicznym, chemiczno-spożywczym i naczyniowym.

Ogólne wiadomości o stopach aluminium.

Stopy aluminium odznaczają się niskimi wł. mechanicznymi. Składnikami stopów aluminium są: miedź , krzem, magnez, mangan, cynk. Należą do stopów kruchych.

Lekkie stopy odlewnicze

Stopy odlewnicze aluminium odlewa się do form pod odpowiednim ciśnieniem. Ich wytrzymałość na rozciąganie jest niewielka. Do najbardziej rozpowszechnionych stopów odlewniczych aluminium należą: stopy aluminium z krzemem. Mają skłonności do pęknięć.

Lekkie stopy przerabiane plastycznie

W śród tych stopów można wyróżnić:

1)Stopy o niższej wytrzymałości nie obrabiane cieplnie,

2)Stopy o wyższej wytrzymałości obrabiane cieplnie.

Do pierwszej grupy stopów należą stopy aluminium z manganem oraz magnezem. Odznaczają się dobrą odpornością na korozję.

Do drugiej grupy zaliczamy stopy duraluminium. Wadą duraluminium jest mała odporność na korozję.

VIII

WYROBY SPIEKANE

Rozwój i zalety technologii spiekania

Otrzymywanie części maszyn i narzędzi przez spiekanie proszków metali w stanie stałym nosi nazwę technologii spiekania, a otrzymane wyroby nazywamy spiekami.

Technologia spiekania ma następujące zalety:

1) Otrzymane elementy mają dokładny kształt

2) Można otrzymać materiał o dużej czystości bez domieszek

3) Wyroby spiekane są bardziej jednorodne

4) W prosty sposób otrzymujemy połączenia

5) Prosty sposób otrzymywania różnorodnych kształtów.

Technologia spiekania jest opłacalna tylko przy masowej produkcji z uwagi na wysoki koszt proszków oraz drogie urządzenia.

Technologia wyrobów spiekanych

Technologia wyrobów spiekanych składa się z następujących zabiegów:

1) Przygotowanie proszków: wyróżniamy proszki czystych metali i proszki stopów metali.

Do mechanicznych metod wytwarzania proszków zalicza się: rozdrabnianie metalu, rozpylanie ciekłego metalu, granulacja,

Do fizykochemicznych metod wytwarzania proszków zalicza się: redukcja tlenków, elektroliza, rozkład karbonylków, kondensacja, elektroerozja.

2) Prasowanie: przeprowadza się je najczęściej w stalowych prasownikach. Przy prasowaniu proszku następuje wstępne ściśnięcie proszku aby zapełnić występujące luki. Podczas prasowania matryca kształtuje boczne powierzchnie wypraski, stempel zapobiega wysypywaniu się proszku z matrycy oraz kształtuje dolną i górną powierzchnię wypraski.

3) Spiekanie: polega na wygrzewaniu wyprasek w wysokich temp. Na przebieg spiekania mają wpływ następujące czynniki: granulacja proszku, ciśnienie prasowania, temp. spiekania, czas spiekania, atmosfera spiekania.

Materiały i wyroby spiekane

Do materiałów i wyrobów spiekanych należą:

spieki porowate (zastosowanie: łożyska, filtry, katalizatory), materiały elektrotechniczne (zastosowanie: styki elektroniczne),

materiały o właściwościach magnetycznych ,

materiały konstrukcyjne (koła zębate, pierścienie tłokowe), spieki metali trudno topliwych,

spieki narzędziowe.

1

---