KRYTERIA PODZIAŁU STALI:
stopień czystości (stężenie S i P) - zwykłej, wyższej, najwyższej jakości
skład chemiczny - niestopowe (węglowe), stopowe
podstawowe zastosowania - konstrukcyjne, narzędziowe, o szczególnych właściwościach
sposób wytwarzania - martenowska, konwertorowa i inne…
sposób odtleniania - uspokojona, półuspokojona, nieuspokojona
rodzaj wyrobów - blachy, pręty druty, rury
postać - lana, kuta, walcowana
stan kwalifikacyjny - surowy, zmiękczony
WPŁYW PIERWIASTKÓW NA WŁAŚCIWOŚCI STALI:
Krzem - duże powinowactwo tlenu, odtlenia stal
Mangan - poprawia własności mechaniczne i wytrzymałościowe
Siarka i fosfor - osłabiają własności mechaniczne i wytrzymałościowe. Stal staje się krucha.
Staliwo - nazywamy stal odlaną do formy i stosowaną w tym stanie bez obróbki plastycznej. Składem chemicznym stal i staliwo nie różnią się, natomiast różnią się strukturą.
Stal - stop żelaza z węglem do 2,1 % zawartości węgla i innymi pierwiastkami wprowadzonymi w celu uzyskania pewnych własności najczęściej mechanicznych, technologicznych, elektrycznych, magnetycznych, chemicznych, i innych…
KLASYFIKACJA STALI WĘGLOWYCH
Konstrukcyjne
zwykłej jakości - ogólnego przeznaczenia
wyższej - ogólnego przeznaczenia lub o określonym przeznaczeniu
najwyższej - na liny druty
Narzędziowe
płytko hartujące
głęboko hartujące
O szczególnych właściwościach
DEFINICJA PODSTAWOWYCH SKŁADNIKÓW STRUKTURALNYCH UKŁADU ŻELAZO-WĘGIEL
FERRYT- Stały roztwór w żelazie alfa. Rozpuszczalność węgla w żelazie wynosi 0,008%. Zaś w temp. 730 C rozpuszczalność max wynosi 0,025%. Żelazo alfa jest używane zamiennie terminem ferryt. Jest składnikiem strukturalnym o wysokich własnościach plastycznych.
Obecność ferrytu w mikrostrukturach stopu oznacza, że jest plastyczny o twardości pozwalającej przeprowadzać obróbkę mechaniczną. Ferryt rozpuszcza w sobie gazy N, O, H lub inne pierwiastki Cr, tytan.
PERLIT jest mieszaniną eutektoidalna. Zawartość węgla w perlicie wynosi 0,8 %. Perlit zbudowany jest z płytek cementytu i ferrytu ułożonych grupowo i pod kątem.
Cementyt w perlicie może przyjąć kształt kulkowy. Obecność takiego cementytu w perlicie zapewnia tworzywom wysokie Rm, umiarkowane A5 i niskie HB.
AUSTENIT jest to roztwór stały żelaza gama węgla. Austenit jak wynika z układu żelazo węgiel istnieje do temp. 720 C. Poniżej tej temp. może występować w tych przypadkach jeżeli do roztworu wprowadzimy pierwiastki Mn Cr Ni itd.
CEMENTYT PIERWOTNY - jest to związek między metaliczny węgla i żelaza i ma postać Fe3C. Pierwotny oznacza, że wydzielił się on z roztworu.
Cementyt jest składnikiem strukturalnym perlitu
CEMENTYT WTÓRNY - ma taki sam skład jak cementyt pierwotny, różni się tym, że wydziela się nie z roztworu ciekłego lecz stałego.
LEDEBURYT jest mieszaniną eutektyczną składającą się z cementytu pierwotnego i austenitu. Max zawartość węgla 6,67%. Ledeburyt jest składnikiem strukturalnym występującym w temp. 1130-720C. Poniżej temp. 720 ulega przemianie tworząc ledeburyt przemieniony, który składa się z ferrytu i cementytu pierwotnego.
GRAFIT - strukturalnie wolny węgiel występuje w żeliwach i surówce nadając tym tworzywom odporność na działania karbu.
PROCES OBRÓBKI CIEPLNEJ (HARTOWANIE)
MARTENZYT - przesycony roztwór stały węgla w żelazie alfa. Jest produktem przemiany dyfuzyjnej austenitu w struktury perlityczne. Otrzymywany w procesie hartowania, jest bardzo twardy ok. 800 HB.
AUSTENIT SZCZĄTKOWY powstaje również w procesie hartowania. Jego ilość zależy od tempa chłodzenia oraz od ilości węgla. Austenit szczątkowy wywołuje mikropęknięcia, a także jest przyczyną braku stabilności geometrycznej wyrobu.
1. Szybkie schładzanie przy którym wydziela się martenzyt oraz austenit szczątkowy.
2. Odpuszczanie które likwiduje naprężenia oraz rozdrabnia struktury martenzytu.
KSZTAŁT WYDZIELEŃ GRAFITU
GRAFIT PŁATKOWY
Grafit płatkowy występuje w żeliwie szarym. Grafit w tej postaci wywołuje w tworzywie znaczne naprężenia jest „pustką” materiałową, obniża w sposób istotny wytrzymałość na rozciąganie, obniża twardość. Likwiduje własności plastyczne. Ta postać grafitu ma jednak pewne pozytywne cechy: pochłania drgania przez co żeliwo odporne jest na wstrząsy mechaniczne. W wyniku pewnego zabiegu (modyfikacja) otrzymujemy znaczne rozdrobnienie wydzielin grafitu oraz likwidujemy niekorzystne jego rozłożenie.
GRAFIT KULKOWY (SFEROIDALNY)
Grafit kulkowy występuje w żeliwie sferoidalnym. Ta postać grafitu przywraca własności plastyczne tworzywa, znacznie podnosi wytrzymałość na rozciąganie oraz nieznacznie obniża twardość.
GRAFIT WERNIKULARNY
Grafit wernikularny w żeliwie możemy otrzymać dwoma sposobami:
- poprzez obróbkę żeliwa nie domiarem sferoidzatora. Dodaje do normalnej ilości sferoidzatora tytanu.
Grafit wernikularny zapewnia te same własności co grafit kulkowy.
WĘGIEL ŻARZENIA
Grafit kulkowy, wernikularny, płatkowy otrzymujemy przy zmianie stanu skupienia żeliwa z ciekłego na stały, natomiast węgiel żarzenia otrzymujemy poprzez odpowiednią obróbkę cieplną żeliwa, które ma już stan stały. Węgiel żarzenia zapewnia umiarkowane własności wytrzymałościowe, wysoką plastyczność oraz niską twardość. Występuje w żeliwie ciągliwym czarnym oraz w żeliwie ciągliwym perlitycznym.
KSZTAŁTOWANIE ZARODKA GRAFITU KULKOWEGO
Grafit o kształcie sferoidalnym możemy uzyskać poprzez dodanie do surówki zaprawy magnezowej w wyniku procesów zachodzących w surówce po dodaniu tej zaprawy magnez ulega parowaniu. Opary magnezu unoszą się ku górze trafiając na skupisko węgla i przyczyniają się do zarodkowania grafitu sferoidalnego.
RODZAJE ŻELIW
ŻELIWO SZARE
Żeliwo szare swoją nazwę zawdzięcza kolorowi przełomu. Zawiera grafit płatkowy. Najbardziej pożądanym rozmieszczeniem grafitu jest równomiernie rozproszenie. Aby podwyższyć wytrzymałość na rozciąganie należy przeprowadzić modyfikacje na ciekłym stopie dodając żelazostopy (żelazokrzem lub wapniokrzem). Otrzymujemy go przez wytop w żeliwniaku lub piecach elektrycznych.
ŻELIWO SFEROIDALNE
Żeliwo sferoidalne posiada grafit kulkowy o różnym kształcie zbliżonym jednak do kulistego. Im grafit jest mniejszy i bardziej kulisty tym tworzywo posiada lepsze własności. Grafit kulkowy jest grafitem najczystszym od innym związków. Uzyskujemy go poprzez odsiarczanie oraz modyfikację. Związkiem który umożliwia uzyskanie grafitu kulkowego jest zaprawa magnezowa. Obróbkę żeliwa możemy przeprowadzić w:
- hermetycznej kadzi
- umieszczenie zaprawy na dnie kadzi w specjalnej kieszeni
- poprzez obróbkę żeliwa bezpośrednio w formę odlewniczą
ALUMINIUM WŁASNOŚCI:
ciężar właściwy mały
temp. Topnienia 660 C
dobry przewodnik
samo chroniący się na powietrzu dzięki tlenkowi glinu (patyna)
stopy odlewnicze właściwości:
- dobre własności odlewnicze, odlewa się je w formach piaskowych, kokilach, odlewach ciśnieniowych.
Elementy o złożonych kształtach
Silumin (aluminium + krzem) - cechuje się dobrą lejnością, małym skurczem i nie wykazuje skłonności pękania na gorąco
stopy do przeróbki plastycznej - walcowanie ciągnienie
Zastosowanie: przemysł chemiczny, lotniczy
Duraluminium - (stop ok. 4% miedzi, 1% manganu, 1% magnezu) posiada najlepsze własności wytrzymałościowe spośród wszystkich stopów aluminium, jest stopem utwardzalnym wydzielinowo.
STOPY MIEDZI
Miedź - bardzo dobre przewodnictwo cieplne, odporna na korozje atmosferyczną (jeżeli nie ma SO2)
Grupy stopów miedzi:
mosiądze - zawierają cynk jako główny dodatek
miedzionikle - główny dodatek nikiel
brązy - 2% dodatki stopowe (głównym nie jest cynk lub nikiel)
MOSIĄDZE (STOPY MIEDZI Z CYNKIEM)
mosiądz do obróbki plastycznej
dobra podatność do obróbki plastycznej
odporny na korozję
dobre własności ślizgowe
Zastosowanie: wężownice wymienniki ciepła, chłodnice, śruby,
Stopy odlewnicze - mogą być wykorzystywane jako stopy automatowe , charakteryzują się dobrą skrawalnością
Własności i zastosowania
odporne na ścieranie i podwyższoną temperaturę
wykazują bardzo dobrą lejność i skrawalność
części maszyn, łożysk,
BRĄZY (CYNOWE)
Stopy odlewnicze: zawartość cyny wynosi 10%, wytwarzamy łożyska, panewki, części maszyn
Własności: dobra lejność i skrawalność, odporność na działanie niektórych kwasów
do obróbki plastycznej
wytwarzamy druty, blachy, rury,
produkcja elementów ślizgowych, sprężyn
dobre własności wytrzymałościowe i sprężyste
BRĄZY ALUMINIOWE
do obróbki plastycznej
służą jako materiał na pręty rury
przemysł chemiczny
stopy odlewnicze
dobre własności wytrzymałościowe
łożyska elementy napędu
armatura parowa chemiczna
BRĄZY OŁOWIOWE
panewki łożysk pracujące przy małym nacisku
MIEDZIONIKLE
duża odporność na korozję
dobre własności plastyczne
wyrób monet
w przemyśle grzewczym
Nikle - duża odporność na korozję , cięższy niż żelazo
Stopy z miedzią - produkcja łopatek do turbin parowych, armatura chemiczna
Stopy z miedzią i cynkiem - przedmioty ozdobne, sztućce
Stopy z chromem - żarowytrzymałościowe, produkcja łopatek turbin gazowych
KOMPOZYTY
WARUNKI JAKIE MUSI SPEŁNIAĆ MATERIAŁ ABY BYŁ KOMPOZYTEM:
Materiał musi być wytworzony sztucznie
Materiał musi składać się z co najmniej dwóch składników różniących się od siebie właściwościami chemicznymi i fizycznymi.
Między składnikami musi istnieć wyraźna granica odrębności
Jednym ze składników materiału jest osnowa, która przenosi obciążenia oraz łączy pozostałe składniki kompozytu w całość
Właściwości kompozytu zależą od stosunku zbrojenia do całej masy kompozytu.
O właściwościach kompozytu decyduje także trwałość połączenia kompozytów.
Materiałem zbrojącym mogą być cząsteczki lub włókna.
WYRÓŻNIAMY NASTĘPUJĄCE TYPY ZBROJEŃ:
zbrojenie dyspersyjne - materiały zbrojące tych kompozytów występują w postaci bardzo rozdrobnionej ok. 0,1 um. Udział objętościowy nie przekracza 15%. Podstawowym zadaniem jest hamowanie ruchów dyslokacyjnych
zbrojenie cząstkami - kompozyty zbrojone cząstkami mają zbrojenie w postaci cząstek, których wielkość przekracza kilkanaście um. Udział objętościowy może przekraczać 25%.
zbrojenie włóknami - włókna zbrojeniowe posiadają średnicę ok. 100 um. Udział objętościowy wynosi ok. 60%. Włókna w kompozycie mogą być ułożone równolegle (anizotropowe właściwości), lub w postaci siatki (izotropowe właściwości).
Materiałem zbrojącym może być również taśmy, folie.
RODZAJE KOMPOZYTÓW ZE WZGLĘDU NA RODZAJ OSNOWY I ZBROJENIA:
Metal - metal
Metal - ceramika
Ceramika - metal
Ceramika - ceramika
Tworzywo sztuczne - metal
Tworzywo sztuczne - ceramika
Tworzywo sztuczne - tworzywo sztuczne
MATERIAŁY NA OSNOWĘ KOMPOZYTÓW
METALE NA OSNOWĘ:
Stopy metali lekkich (Al, Mg), kompozyty tego typu wykorzystywane są w lotnictwie. Oprócz lekkości , posiadają także niską temp. Topnienia która ułatwia proces produkcyjny.
Stopy miedzi i srebra - kompozyty wykorzystywane jako przewodniki elektryczności i ciepła.
Stopy niklu - kompozyty pracujące w podwyższonych temperaturach.
Stopy ołowiu i cynku - kompozyty o dobrych właściwościach ślizgowych, stosunkowo lekkie i elastyczne.
RÓŻNE RODZAJE POSTACI OSNOWY METALICZNEJ
Ciekły stop - w którym nasyca się lub mechanicznie miesza cząstki zbrojące. Mieszanie zapewnia równomierne rozmieszczenie cząstek oraz ułatwia wprowadzenie cząstek stałych do ciekłego stopu.
W postaci eutektyki - dłuższy czas utrzymująca się stała temp. zapewnia łatwiejsze wprowadzenie cząstek ale również krystalizacje kierunkową (wybieramy rodzaj krystalizacji, np. kryształy mogą działać jak włókna)
W postaci proszku - łączenie z materiałem zbrojącym zachodzi wyłącznie na drodze mechanicznej.
W postaci blachy - pomiędzy taśmy blachy wprowadza się najczęściej włókna, następnie długo się prasuje na gorącą dla uzyskania stałego połączenia. Ważna jest czystość powierzchni blachy.
OSNOWA Z TWORZYW SZTUCZNYCH (POLIMEROWA)
OSNOWY Z POLIMERÓW:
Żywice termoutwardzalne (fenoplasty, aminoplasty).
Żywice chemoutwardzalne (żywice silikonowe, poliestrowe).
Tworzywa termoplastyczne.
CERAMIKA JAKO OSNOWA
Osnowę z ceramiki uzyskuje się bardzo trudno ze względu na bardzo wysoką temp. topnienia takich materiałów jak np. Al2O3 SiC.
MATERIAŁY NA ZBROJENIE KOMPOZYTÓW
Cząstki zbrojące.
Włókna ciągłe
Włókna metalowe
Włókna ceramiczne
Włókna szklane
Włókna węglowe
Włókna z tlenku glinu
Włókna z węglika krzemu
Włókna polimerowe
CZĄSTKI ZBROJĄCE - możemy stosować proszki metalowe i ceramiczne. Często są to: Al, nikiel, tytan, żelazo, ale najczęściej są to cząstki ceramiczne: tlenek krzemu, węglik tytanu, tlenek aluminium.
WŁÓKNA CIĄGŁE - mogą być metale, ceramiczne jak i z tworzyw sztucznych. Powinny się cechować:
wysoką wytrzymałością na rozciąganie
stabilnością tej wytrzymałości
odpornością na podwyższone temperatury
niskim kosztem wytworzenia
Rodzaje włókien stosowane do kompozytów:
amorficzna - szkło, krzemionka, bor - włókna szklane, kwarcowe, borowe
monokrystaliczna - metale, ceramika - włókna z tlenkami, z SiC
polikrystaliczna - ceramiczny węgiel … - cząstki Al2O3, wydzielenia w postaci cząstek SiC
Wielofazowa - … - bar osadzony na włóknach węglowych
Tworzywa wielocząsteczkowe - polimery - polietylen, poliamid
WŁÓKNA SZKLANE - powstają poprzez rozciąganie masy szklanej. Stosuje się tutaj szkło aluminiowo - krzemionowe. Własności kompozytów zależą w dużej mierze od masy szklanej - decyduje ona o wytrzymałości na rozciąganie. Najbardziej wytrzymałe są włókna o średnicy mniejszej niż 5 um. W przypadku szkła technologicznego jest to bardzo trudne do uzyskania.
WŁÓKNA WĘGLOWE - otrzymuje się je przez birolizę związków organicznych. Najczęściej używane są włókna celulozowe. Produkuje się je również z asfaltu lub smoły.
METODY OTRZYMYWANIA KOMPOZYTÓW Z OSNOWĄ METALOWĄ
METODY POŚREDNIE:
METODY Z CIEKŁĄ OSNOWĄ :
nasycanie swobodne
nasycanie wymuszone
mieszanie
rozpuszczanie
METODY PRZERÓBKI PLASTYCZNEJ
walcowanie pakietów
wyciskanie
ciągnienie
prasowanie i zgrzewanie dyfuzyjne
KOMPOZYTY SAP - ZBROJONY DYSPERSYJNIE
Produktem wyjściowym dla osnowy kompozytu jest proszek aluminium o bardzo dużej czystości ok. 99%. Związane jest to podatnością do utleniania się aluminium. Aby przeciwdziałać skutkom powstawaniu tlenku krzemu na powierzchni ziarenek aluminium stosuje się dodatkowe mielenie z dodatkiem kwasu stearynowego.
PROCES POWSTAWANIA SAP
Proszek aluminium
Granulowanie
Mielenie z kwasem stearynowym
Prasowanie na zimno
Wypraski
Spiekanie
Wypraska spieczona (spiek)
Nagrzewanie (500C) - doprasowywanie na zimno
Wypraska zagęszczona
Wyciskanie wstępne (kucie, wyciskanie profilowe, walcowanie)
Czynnikiem wzmacniającym SAP jest tlenek aluminium Al2O3, który powstaje w procesie prasowania na gorąco.
SAP1 6%-9% Al2O3
SAP2 9%13%
SAP3 13%18%
PROSZKI METALI
Proszki metali stosuje się wtedy gdy zawodzą metody topienia i odlewania. Są półproduktem do otrzymywania spieków, które powstają w trzech etapach:
wytwarzanie proszków metali
prasowanie
spiekanie
METODY OTRZYMYWANIA PROSZKÓW METALI
Najlepsze efekty daje połączenie wszystkich trzech rodzajów wytwarzania proszków metali: mechanicznej, fizycznej, fizykochemicznej.
METODY MECHANICZNE
Mielenie - poprzedzony jest kruszeniem. Mielenie materiałów kruchych odbywa się w młynach kulowych. Kule w młynie nie mogą się łatwo zużywać ponieważ mogłoby to spowodować zanieczyszczenie proszku metalu. Mielenie materiałów plastycznych odbywa się w specjalnych młynach wirowych, gdzie śmigło rozdrabnia materiał. Wówczas wymagana jest atmosfera obojętna.
Rozpylanie - materiał przeznaczony do rozpylania musi być wstępnie podgrzany do temp. topnienia, następnie poddany jest działaniu wysokiego ciśnienia, po przejściu do niższego ciśnienia następuje rozerwanie cząstek metalu i powstają „globulki”, „kuleczki”.
METODY CHEMICZNE
Metoda redukcji związków w podwyższonych temperaturach- Surowcem wyjściowym jest tlenek, który zostaje poddany reakcji z bardziej aktywnym metalem, w wyniku czego powstaje inny tlenek metalu oraz proszek metalu.
Reakcja stopionych soli - proszki berylu, tytanu otrzymujemy przez zmieszanie soli tych metali oraz poprzez ich stopienie pod wysokim naciskiem. Produktem jest spieczona masa która zostaje poddana działaniu wody (ługowanie) w wyniku czego otrzymujemy proszek metalu.
Metoda węglikowa - produktem wyjściowym jest węglik lub azotek danego metalu, który jest bardzo twardy. Zostaje on zmieszany z aktywną sadzą pod dużym ciśnieniem w temp. 1300-2200C
METODY FIZYKO-CHEMICZNE
karbonylowa - polega na zmieszaniu tlenku węgla , tlenku metalu oraz węgla
elektrolityczna - polega na otrzymywaniu proszków metali z roztworów przewodzących prąd elektryczny (najczęściej z soli metalu)
wytrącenie elektrochemiczne - otrzymywanie proszków metali szlachetnych, wydzielenie następuje z roztworu soli, poprzez wytrącenie go innym aktywnym metalem.
Dysocjacja termiczna - polega na dysocjacji tlenku metalu, w wyniku którego otrzymujemy tlen i proszek metalu
OTRZYMYWANIE SPIEKÓW
Od proszków metali wymaga się maksymalnej jednorodności. Proszek należy dokładnie wymieszać, aby w całym przekroju był jednorodny.
TWORZYWA SZTUCZNE
Tworzywa sztuczne dzielimy ze względu na metodę otrzymywania:
termoplastyczne
termoutwardzalne
chemoutwardzalne
TWORZYWA SZTUCZNE ZE WZGLĘDU NA METODĘ OTRZYMYWANIA MOŻEMY PODZIELIĆ NA:
Tworzywa otrzymywane w wyniku:
polimeryzacji - to reakcja łańcuchowa zachodząca dzięki obecności wiązania nienasyconego podwójnego lub potrójnego. Wiązanie takie ulega rozerwaniu i powstaje polimer bez produktów ubocznych
polikondensacji - polega na stopniowej rozbudowie z wydzieleniem produktów ubocznych, którymi mogą być woda amoniak, CO2. W wyniku polikondensacji otrzymujemy:
żywice fenolowe
żywice aminowe
żywice poliestrowe
poliaddycji - polega na polireakcji przyłączeniu różnych grup chemicznych z jednoczesnym przegrupowaniem pewnych atomów wchodzących w skład układów reaktywnych ale bez wydzielania produktów ubocznych.
TWORZYWA SZTUCZNE DZIELIMY NA :
Elastomery - są to tworzywa wykazujące w temp. pokojowej odkształcenia elastyczne. Posiadają temp. mięknięcia niższą niż temp. pokojowa.
Plastomery - nie wykazują odkształceń w temp. pokojowej. Temp. mięknięcia jest wyższa niż temp. pokojowa. Występują w stanie szklistym.
termoplasty - po nagrzaniu ulegają mięknięciu dzięki czemu możemy je formować.
Duroplasty - zmieniają na stałe swoje kształty pod wpływem temp. lub reakcji chemicznej.
CERAMIKA
WYRÓŻNIAMY 5 GRUP:
Szkła - wszystkie na bazie SiO2 z dodatkami obniżającymi temp. topnienia lub poprawiającymi inne właściwości
szkło sodowo-wapniowe - SOi2; CaO; Na2O - butelki, okna itp.
borowo-krzemowe - SiO2; B2O5; Na2) - szkło laboratoryjne, termoodporne
tradycyjna tworzywa wielofazowe - duże ilości gliny i masy szklistej
porcelana techniczna - glina, glinokrzemiany - urządzenia izolujące, izolatory
porcelana szlachetna - …… - dekoracyjne, użytkowe
wyroby garncarskie
cegły
nowoczesne tworzywa ceramiczne - posiadają szczególne właściwości wytrzymałościowe
korund o dużej gęstości - Al2O3; SiC; Si2N4 - narzędzia konstrukcyjne
węgliki i azotki - ……- implanty
Sialony - …… - militaria, implanty
Cement i beton - wielofazowa mieszanina ceramiczna, która jest jednym z trzech podstawowych materiałów budowlanych
Skały i minerały (lód)
KOMPOZYTY CERAMICZNE
GFRP - kompozyt polimerowy wzmocniony włóknami szklanymi - szkło i polimer - konstrukcje wytrzymałościowe
CFRP - kompozyt polimerowy wzmocniony włóknami węglowymi - węgiel i polimer
Cermetale - WC i Co - narzędzia skrawające do obróbki plastycznej
Kość
Nowoczesne kompozyty ceramiczne - SiC - termoodporne, obciążenia dynamiczne
9