METALE. Metale i stopy metaliczne charakteryzuje generalnie dobra przewodnością elektryczną
i cieplna, względnie wysoka wytrzymałość, wysoka sztywność, plastyczność lub
odkształcalność oraz odporność na uderzenia. Są one szczególnie przydatne w zastosowaniu
na konstrukcje przenoszące obciążenia mechaniczne, takie w podwyższonych i wysokich
temperaturach. Czyste metale stosowane są rzadko – niemal wyłącznie wówczas, gdy
wymagane są właściwe im szczególne właściwości fizyczne. Szerokie zastosowanie mają
natomiast stopy metaliczne, otrzymywane przez stopienie metalu podstawowego (osnowy
stopu) z innymi pierwiastkami w celu polepszenia niektórych, wybranych, właściwości lub
uzyskania korzystniejszej ich kombinacji. Wadą materiałów metalicznych jest mała odporność
chemiczna i łatwość ulegania korozji.
MATERIAŁY CERAMICZNE (krótko: ceramika) są to materiały takie jak: ceramika budowlana,
ceramika ogniotrwała, czy odporna na ścieranie ceramika używana do wyrobu narzędzi
skrawających oraz szkło. Ceramikę cechuje niska przewodność elektryczna i cieplna i w
konsekwencji jest ona stosowana często jako materiał izolacyjny (elektryczny i cieplny).
Materiały te są wytrzymałe i twarde, ale przy tym bardzo kruche. Nowe technologie wytwarzania
ceramiki mają na celu poprawienie ich plastyczności na tyle, aby mogły przenosić
złożone obciążenia mechaniczno-cieplne, takie, jakie muszą przenosić np. wirniki silników
odrzutowych. Ceramikę cechuje bardzo dobra odporność na działanie wysokich temperatur i niektórych środowisk korozyjnych, jak również wiele specjalnych właściwości
optycznych i elektrycznych, które są wykorzystywane w obwodach scalonych, układach
światłowodowych i w wielu czułych urządzeniach.
POLIMERY są materiałami organicznymi zbudowanymi z łańcuchowych makrocząsteczek,
które powstają w wyniku połączenia wielu, identycznych ugrupowań atomów, tzw. monomerów,
w procesie polimeryzacji. Polimery mają niską przewodność elektryczną i cieplną,
niską wytrzymałość oraz nie nadają się na ogół do pracy w podwyższonych temperaturach.
Ich zaletą jest mała gęstość, duża odporność na działanie czynników chemicznych i łatwe
przetwórstwo. Polimery termoplastyczne (termoplasty), których łańcuchy nie są sztywno
połączone, mają dobrą plastyczność i odkształcalność; polimery termoutwardzalne (duroplasty)
są bardziej wytrzymałe, ale i bardziej kruche z powodu sztywnego połączenia łańcuchów (rys. 1-2); elastomery cechuje bardzo duża odkształcalność sprężysta, wskutek
czego są często stosowane jako tzw. gumy (wydłużenia przy rozciąganiu sięgają 1000%).
Materiałów polimerowych używa się do wytwarzania elementów konstrukcyjnych, włókien i powłok oraz elementów elektroizolacyjnych i termoizolacyjnych.
MATERIAŁY KOMPOZYTOWE (kompozyty) wytwarzane są przez połączenie dwóch lub więcej
materiałów w celu uzyskania właściwości niemożliwych do osiągnięcia przez pojedynczy
materiał (składnik kompozytu). Jeden z tych materiałów stanowi osnowę a drugi – jego
wzmocnienie w postaci włókien, cząstek, tkanin, itp. Dzięki takiemu łączeniu jest możliwe
otrzymywanie materiałów lekkich, wytrzymałych, plastycznych, odpornych na działanie
wysokich temperatur – niemożliwych do uzyskania w inny sposób – a także twardych i
odpornych na uderzenia materiałów narzędziowych. Budowa nowoczesnych samolotów i
pojazdów kosmicznych oraz sprzętu sportowego oparta jest przede wszystkim na polimerach
zbrojonych włóknami szklanymi, węglowymi lub ceramicznymi.
CIAŁA STAŁE- substancje o regularnej, przestrzennej budowie krystalicznej, czyli regularnym uporządkowaniu w
przestrzeni elementów tworzących ciało (atomów, jonów,cząsteczek)
Wyróżniamy ciała:
krystaliczne (kryształ) gdy elementy uporządkowane są w sposób okresowy tzw. uporządkowanie dalekiego zasięgu, anizotropia
polikryształy – uporządkowanie wewnątrz obszarów (ziaren)
amorficzne (bezpostaciowe) – uporządkowanie bliskiego zasięgu ciekłe kryształy – ciecze anizotropowe, charakteryzują się uporządkowanym ułożeniem cząsteczek.
STRUKTURA KRYSZTAŁÓW
sieć Bravais’go jest dyskretnym, nieskończonym zbiorem punktów przestrzeni uporządkowanych w ten sposób, że przy obserwacji układu z dowolnego należącego doń punktu wzajemne rozmieszenie punktów układu i jego orientacja są zawsze takie same
SIEĆ KRYSTALICZNA- określa charakter okresowego uporządkowania w przestrzeni powtarzających się elementów strukturalnych kryształu.
KRYSTALOGRAFICZNE UKŁADY (podział sieci Bravais’go ze względu na stopień symetrii):
regularny
tetragonalny
rombowy
jednoskośny
trójskośny
heksagonalny
trygonalny
DEFEKTY SIECI KRYSTALICZNEJ
defekty punktowe- luki, nieosadzone węzły sieci
defekt Schottky’ego- atomy opuszczając swe położenie przesuwają się w kierunku powierzchni –wyparowanie zewnętrzne
atomy międzywęzłowe
defekty Frenkla- luki stowarzyszone z atomami międzywęzłowymi
domieszki (najpopularniejsze)- istotny wpływ na chemiczne, optyczne, magnetyczne i mechaniczne właściwości ciał stałych (przykłady: podstawienie, wtrącenie)
defekty liniowe (dyslokacje)
krawędziowe- pojawia się dodatkowa półpłaszczyzna sieciowa
śrubowe- przesunięcie atomu wzdłuż osi dyslokacji
WIĄZANIA:
jonowe- elektrostatyczne przyciąganie się ładunków
kowalencyjne(atomowe)- nakładanie się powłok elektronowych
metaliczne- oddziaływanie chmury elektronów z jądrami
molekularne- wiązania międzycząsteczkowe siłami van der Walsa
SZKŁO
Składniki: piasek (SiO2), wapień, dolomity, soda
Szkło kwarcowe – 99,9% SiO2
Szkło zwykłe – 72% SiO2, 15-17% Na2O, 5-8% Cao
Szkło bezpieczne
ü Warstwowe – klejone
ü Klejone laminowane – pokryte folią
ü Hartowane – z wytworzonym gradientem naprężeń, które relaksują materiał
ü Dewitryfikaty – poddane krystalizacji
METODY WYTWARZANIA CERAMIKI
Synteza proszkowa – prasowanie i wypalanie
Wylewanie formach materiału w postaci zawiesiny
Materiały wiążące – mat. polimerowe, rozcieńczalniki organiczne
Zagęszczanie proszków – metoda wibracyjna
Właściwości mechaniczne
Wytrzymałość zależy od wew. Defektów makro- i mikroskopowych
Występuje zmęczenie materiału
Odporność na pękanie może być zoptymalizowana poprzez wpływ na mikrostrukturę – dodawanie związków hamujących rozwój pękania – KOMPOZYTY TYPU CERAMIKA-CERAMIKA
Duża wytrzymałość na ściskanie
Mała wytrzymałość na rozciąganie
Nie przewodzą prądu, cechy izolatora
Dobra odporność na utlenianie
Bardzo odporne na odczynniki chemiczne
Wysoka twardość
Wysoka odporność na ścieranie
Łatwo pękają, ale mają dużą pochłanialność energii
Bardzo wysoka temperatura tworzenia i topienia
Struktura
Polimorfizm – w zależności od temperatury i ciśnienia mogą występować w więcej niż jednej strukturze krystalicznej; ma to w niektórych przypadkach duży wpływ na właściwości mechaniczne
Pękanie
Niestabilna propagacja pęknięcia
Pęka bez ostrzeżenia, nagle
Gładka powierzchnia pęknięcia
Wymaga małej energii
Porowatość zmniejsza odporność na pękanie
Zastosowanie
Łożyska hybrydowe (stabilne warunki), narzędzia tnące, elementy silników, elementy absorbujące energię (wkładki w kamizelkach kuloodpornych w okolicy serca), części narażone na korozję (medycyna, przemysł chemiczny, motoryzacyjny i maszynowy, farmacja), osłony rakiet kosmicznych
Elektrotechnika i elektronika – dielektryki, kondensatory ceramiczne
Baterie
Czujniki gazu
Ceramika narzędziowa: tlenkowa (biała), mieszana (czarna), umocniona wiskerami, azotkowa (szara), złożona SiAlON
Warstwy: metodami CVD lub PVD, TIC, TiN, Al2O3, Ti(C, N, O), wielowarstwowe TiC-TiN lub TiC-Ti(C, N), diament
Reguła faz Gibbsa
• Liczba stopni swobody z = s – f + 2
• Równowaga czterech i więcej faz w układach
dwuskładnikowych jest niemożliwa (p = const)
• Równowaga trzech faz w tych układach jest możliwa w
stałej temperaturze przy określonym stężenie składników
fazach (eutektyki lub perytektyki)
• Dwie fazy są w równowadze nawet przy zmianie bądź
stężenia składnika w fazie, bądź temperatury
• Dla jednej fazy możliwa jest zmiana i stężenia, i
temperatury
Dwuskładnikowe układy równowagi fazowej
• Z nieograniczoną rozpuszczalnością składników stanie stałym
• O całkowitym braku rozpuszczalności składników w stanie stałym z
eutektyką
• O ograniczonej rozpuszczalności składników w stanie stałym z
eutektyką
• O ograniczonej rozpuszczalności składników w stanie stałym z
perytektyką
• Z fazami międzymetalicznymi
Ponieważ składniki układów potrójnych mogą parami tworzyć rozmaite przypadki, ilość możliwych typów układów jest bardzo duża.Przestrzenne wykresy równowagi układów trzyskładnikowych są niezbyt
przejrzyste i stąd niewygodne w praktycznym stosowaniu. Dlatego zwykle wykorzystuje się różne ich rzuty na płaszczyznę trójkąta Gibbsa.
Żelazo jest metalem, który w chemicznie czystej postaci znajduje bardzo małe zastosowanie. Powszechnie stosowane są stopy żelaza z różnymi dodatkami, przede wszystkim z węglem, a także z krzemem, manganem, wolframem, niklem, chromem. Stopy te, w zależności od rodzaju i ilości dodanych składników, mają różne właściwości mechaniczne, a więc twardość ciągliwość, sprężystość, odporność na ścieranie itp.
Podstawowym stopem jest stop żelaza z węglem. Zawartość węgla ma decydujący wpływ na właściwości stopów żelaza. Stop zawierający od 2% do 3,8% węgla nazywamy żeliwem a stop zawierający mniej niż 2% węgla nazywamy stalą.
Stal jest stopem żelaza z węglem o zawartości do 2% węgla. zawiera ona także inne pierwiastki. Stal otrzymuje się z surówki – przez bezpośrednie działanie powietrzem na płynną surówkę, czyli tzw. świeżenie w piecu martenowskim. Wskutek tego nadmiar węgla i zbędne domieszki zostaną spalone (utlenione), a następnie usunięte z surówki. Stal po odlaniu jest plastyczna i podlega obróbce plastycznej, tzn. jest kuta lub walcowana na pręty, blachy i różnego rodzaju kształtowniki
W zależności od zastosowania, stale dzieli się na :
Stale konstrukcyjne stosowane są do wyrobu konstrukcji stalowych mostów, zbrojenia budynków, wyrobu niektórych części maszyn itp.
Stale narzędziowe stosowane są do wyrobu różnego rodzaju narzędzi warsztatowych, jak np. pilniki, piłki do metali, wiertła. Wymaga się aby były twarde, odporne na ścieranie, a także odporne na uderzenia.
Stale specjalne to stale o różnej zawartości węgla i składników stopowych, poddawane różnego rodzaju zabiegom obróbki cieplnej. dzięki temu uzyskuje się stale o odpowiednich właściwościach mechanicznych. Do najważniejszych stali specjalnych zalicza się: stale nierdzewne, stale kwasoodporne stale żaroodporne.
Żeliwo jest to stop zawierający od 2do 3,8% węgla. Otrzymuje się je przez powtórne przetopienie surówki wielkopiecowej i odpowiednich dodatków w piecach zwanych żeliwiakami. Żeliwo stosowane jest na odlewy różnych części
W zależności od rodzaju surówki, dodatków oraz sposobu stygnięcia otrzymuje się różne gatunki żeliwa:
żeliwo szare, stosunkowo kruche; nadające się np. na bloki cylindrowe i głowice silników, ramy maszyn, koła zębate, koła pasowe, obudowy łożysk.
żeliwo białe, bardziej twarde; stosowane na części maszyn narażone na intensywne ścieranie.
żeliwo ciągliwe, mniej kruche; nadające się do wyrobu cienkościennych części
żeliwo stopowe z dodatkiem niklu, chromu, krzemu, odporne na korozję, wysokie temperatury.
•Roztwór ciekły L
• Ferryt (α) — międzywęzłowy roztwór stały węgla w Feα o maksymalnej zawartości węgla 0,022% w temperaturze 727ºC
• Ferryt (α, ) — międzywęzłowy roztwór stały węgla w Feα o maksymalnej zawartości węgla 0,09% w temperaturze 1493ºC
• Austenit (γ) — międzywęzłowy roztwór stały węgla w Feγ o maksymalnej zawartości węgla 2,14% w temperaturze 1147ºC
•Cementyt pierwszorzędowy (pierwotny), wydzielający się z roztworu ciekłego w wyniku zmniejszającej się rozpuszczalności węgla w roztworze, wzdłuż linii CD
•Cementyt drugorzędowy (wtórny), wydzielający się z austenitu w wyniku zmniejszającej się rozpuszczalności węgla w austenicie, wzdłuż linii ES
•Cementyt trzeciorzędowy, wydzielający się z ferrytu w wyniku zmniejszającej się rozpuszczalności węgla w ferrycie, wzdłuż linii PQ
•Perlit — mieszanina eutektoidalna ferrytu i cementytu, zawierająca 0,76%C, powstająca w wyniku rozpadu austenitu w 727ºC
•Ledeburyt — mieszanina eutektyczna austenitu i cementytu, zawierająca 4,3% C, powstająca w wyniku rozpadu L w 1147ºC
•Ledeburyt przemieniony — mieszanina perlitu i cementytu, powstająca w wyniku rozpadu austenitu w ledeburycie na perlit w 727ºC
Obróbka cieplna – zbiorcza nazwa obróbek materiałów metalowych polegających na odpowiednim nagrzewaniu, wygrzewaniu i chłodzeniu do zadanych temperatur i z określoną szybkością, w celu zmiany własności stopu w stanie stałym. Celem stosowania operacji i zabiegów obróbki cieplnej jest np. zmiana własności mechanicznych i plastycznych poprzez zmianę struktury. Operacje te przeprowadza się również z zastosowaniem dodatkowych czynników np. obróbki mechanicznej lub chemicznej.
wyżarzanie - nagrzaniu materiału do określonej temperatury, wytrzymaniu przy tej temperaturze oraz następnym powolnym studzeniu. Celem obróbki jest przybliżenie stanu materiału do warunków równowagi
Hartowanie – rodzaj obróbki cieplnej materiału polegający na nagrzaniu danego materiału do odpowiedniej temperatury zwanej temperaturą hartowania, wytrzymaniu w tej temperaturze przez czas konieczny do przebudowy struktury wewnętrznej materiału (głównie przemian fazowych) oraz następnym odpowiednio szybkim schłodzeniu.
Odpuszczanie – rozgrzaniu zahartowanego wcześniej przedmiotu do temperatury w granicach 150 do 650 °C, przetrzymywaniu w tej temperaturze przez pewien czas, a następnie schłodzeniu
niskotemperaturowa
wysokotemperaturowa
z przemianą izotermiczną
nasycanie jednym pierwiastkiem
nasycanie wieloma pierwiastkami
Umacnianie metali = ograniczenie ruchu dyslokacjom
Wzmocnienie metalu (umocnienie metalu) – obróbka plastyczna na zimno[1], cieplna lub cieplno–plastyczna, która powoduje przekształcenie struktury metalu wywołujące takie zmiany właściwości mechanicznych jak wzrost twardości i wytrzymałości na rozciąganie, podwyższenie granicy plastyczności, zmniejszenie udarności i plastyczności[2].
Umocnienie wywołują zjawiska w skali atomowej, utrudniające powstawanie i przemieszczanie się dyslokacji w sieci krystalicznej, np. zatrzymywanie ich ruchu na granicach ziaren lub w innych miejscach skupienia defektów sieci.
Wśród metod umacniania metali wyróżnia się[2]:
umocnienie przez zgniot, czyli przez odkształcenie wywołujące wzrost gęstości dyslokacji (prowadzone „na zimno”, czyli poniżej temperatury umożliwiającej samoistne „zdrowienie” sieci w wyniku dyfuzji jonów)
umocnienie strukturalne, polegające na zmniejszeniu średniej wielkości ziaren
umocnienie stopowe, spowodowane obecnością dodatków stopowych, tworzących mniej plastyczne roztwory stałe w sieci składnika głównego
umocnienie wydzieleniowe lub utwardzanie dyspersyjne, polegające na hamowaniu ruchu dyslokacji na drobnych krystalitach, wydzielających się z przesyconych roztworów stałych lub wprowadzonych z zewnątrz w procesie metalurgicznym
umocnienie przez przechłodzenie, np. pod wpływem grupowania się dyslokacji (np. nierównowagowych wakansów)
umocnienie przez napromieniowanie, np. szybkimi neutronami (uszkodzenia radiacyjne)
umocnienie przez przemianę martenzytyczną.
Zgniot – całokształt zmian:mikrostruktury,stanu naprężeń,właściwościzachodzących w materiale pod wpływem odkształcenia plastycznego na zimno.
Zmiany właściwości w stanie zgniotu związane są ze
zjawiskiem umocnienia przejawiającego się:
• zwiększeniem:
granicy plastyczności,
wytrzymałości,
twardości,
• zmniejszeniem:
wydłużenia,
przewężenia,
udarności
Przemiany wywołane nagrzewaniem po zgniocie
Atomy w odkształconej sieci krystalicznej znajdują się w stanie metastabilnym, o podwyższonej energii swobodnej . Stan ten jest trwały tylko wtedy gdy panujące warunki nie umożliwiają aktywacji procesów dyfuzyjnych. Dostarczanie energii do materiału (w postaci ciepła) umożliwia powrót atomów do ich położeń równowagi, w których energia swobodna jest minimalna. W wyniku tego zanikają powstałe wcześniej defekty struktury, a także wydziela się zmagazynowana energia odkształcenia. Wraz z odbudową struktury przywrócone zostają również właściwości jakie materiał posiadał przed odkształceniem. Omawiane przemiany przebiegają w trzech kolejnych etapach:
zdrowienie
rekrystalizacja
rozrost ziarna
Zdrowienie
Zdrowienie jest najniżej temperaturowym procesem odbudowy struktury. Polega na częściowym uporządkowaniu oraz zanikaniu defektów punktowych i liniowych. Zmiany te mają charakter substrukturalny (tzn. zachodzą „wewnątrz” ziarna) i nie są widoczne pod mikroskopem świetlnym
Procesy występujące na etapie zdrowienia polegają głównie na rekombinacji i dyfuzji defektów punktowych oraz na przegrupowaniu dyslokacji do konfiguracji o niższej energii swobodnej. Obniżenie energii osiągane jest poprzez ruch dyslokacji (poślizg i wspinanie się), w czasie którego defekty o przeciwnych znakach znoszą się wzajemnie (ulegają anihilacji) oraz tworzą granice podziaren. Proces, w którym dyslokacje krawędziowe wspinając się przyjmują konfigurację granic niskokątowych dzielących pojedyncze ziarno na podziarna nazywamy poligonizacją (rys.5.3).
Kolejnym krokiem do obniżenia energii podczas zdrowienia jest proces koalescencji czyli zrastania się podziaren i ziaren o małym kącie dezorientacji
Zanik defektów punktowych oraz zmiana układu dyslokacji powoduje częściowe wydzielenie energii odkształcenia (mniejsze jednak niż w przypadku rekrystalizacji), a tym samym częściowa relaksacje naprężeń oraz przywrócenie niektórych właściwości fizycznych np. przewodności elektrycznej.
Rekrystalizacja (pierwotna)
Proces rekrystalizacji zawdzięcza swoja nazwę analogii do krystalizacji z fazy ciekłej, gdyż polega na zarodkowaniu nowych, nieodkształconych ziaren, a następnie ich rozroście aż do wypełnienia całej objętości. Zastąpienie silnie zdefektowanych ziaren skutkuje przywróceniem właściwości jakie materiał posiadał przed zgniotem
Rekrystalizacja rozpoczyna się w temperaturze zwanej temperaturą rekrystalizacji Tr (wyższej niż zdrowienie) a jej wartość nie jest stałą cechą materiału lecz zależy od wielu czynników, głównie od czystości materiału, zmagazynowanej energii odkształcenia oraz warunków wygrzewania.
Przebieg rekrystalizacji warunkowany jest szybkością tworzenia zarodków nowych ziaren oraz szybkością ich wzrostu .
Jeżeli > to w wyniku rekrystalizacji powstanie drobne ziarno
Jeżeli < to w wyniku rekrystalizacji powstanie duże ziarno
Zarodki nowych ziaren powstają w miejscach o podwyższonej energii np. granicach ziaren czy skupiskach dyslokacji. Energia potrzebna do zarodkowania jest wyższa niż do wzrostu ziarna. Dlatego też, przy stosunkowo niewielkich zgniotach, skutkiem dalszego wygrzewania może być zamiast tworzenia nowych ziaren, rozrost ziaren pierwotnych, co skutkuje otrzymaniem struktury gruboziarnistej. Efekt ten zwany zgniotem krytycznym Zk jest zjawiskiem niepożądanym, gdyż odbija się niekorzystnie na właściwościach mechanicznych i technologicznych materiału. Dla większości metali wartość zgniotu krytycznego zawiera się w przedziale 1÷10%.
Rozrost ziarna
Wygrzewanie materiału, już po zakończeniu rekrystalizacji, prowadzi do stopniowego rozrostu nowopowstałych ziaren. Efekt ten jest konsekwencją dążenia materiału do dalszego obniżania energii swobodnej poprzez eliminowanie nieuporządkowanych elementów struktury jakimi są granice ziaren.
Rozrostowi ziarna często towarzyszy zjawisko rekrystalizacji wtórnej, które polega na przyśpieszonym (anomalnym) wzroście niektórych ziaren kosztem otaczających je sąsiadów. Rekrystalizacja wtórna jest zjawiskiem niepożądanym, gdyż wytworzoną w jej wyniku strukturę cechuje silne zróżnicowanie wielkości ziarna, co z kolei powoduje dodatkowe naprężenia wewnątrz materiału na granicy osnowy i nadmiernie rozrośniętych ziaren.
STALE NIESTOPOWE – gatunki stali, w których zawartość pierwiastków jest mniejsza od wartości granicznych podanych w tablicy.
Jakościowe – mają określone wymagania dotyczące właściwości (maszynowe, konstrukcyjne, na szyny, do zbrojeń betonu, automatowe, na walcówkę, stale miękkie, do spęczania i wyciskania na zimno, sprężynowe, z wymaganymi własnościami magnetycznymi i elektrycznymi, do produkcji blach cienkich)
Specjalne – charakteryzują się wyższym niż gatunki stali jakościowych stopniem czystości metalurgicznej, szczególnie pod względem wtrąceń niemetalicznych (do budowy maszyn, łożyskowe, stale narzędziowe, szybkotnące, na zbiorniki ciśnieniowe, o specjalnych własnościach fizycznych).
INNE STOPOWE – gatunki stali, w których zawartość przynajmniej jednego pierwiastka osiąga lub przekracza wartość graniczną podaną w tablicy.
Jakościowe – konstrukcyjne drobnoziarniste spawalne, na szyny, grodzice, kształtowniki w górnictwie, elektrotechniczne, stopowe z miedzią, na produkty płaskie walcowane za zimno lub gorąco.
Specjalne – maszynowe, na urządzenia ciśnieniowe, konstrukcyjne, szybkotnące, narzędziowe, na łożyska toczne, o szczególnych właściwościach fizycznych.
ODPORNE NA KOROZJĘ – zaw. min. 10,5% Cr i max. 1,2% C (nierdzewne, żaroodporne, żarowytrzymałe).\
– stop żelaza z węglem i innymi dodatkami stopowymi (krzem, siarka, mangan, fosfor), zapewniającymi krzepnięcie z przemianą eutektyczną; zaw. węgla 2,11-4,3%.
Białe – cały węgiel związany, zaw. ledeburyt przemieniony z cementytem pierwotnym lub perlitem.
Połowiczne – węgiel w postaci grafitu i cementytu.
Stopowe – wprowadza się pierwiastki stopowe, nadające specjalne własności:
Odporne na korozję
Kwasoodporne
Żaroodporne (silal, nicrosilal, niresist)
Ciągliwe – zawiera węgiel w postaci grafitu kłaczkowego.
Czarne – po wyżarzaniu w temperaturze 950-10000C w atmosferze obojętnej następuje rozkład cementytu na austenit i grafit. Następnie poddaje się go bardzo wolnemu chłodzeniu (3-50/h) – pośredniej grafityzacji, w wyniku czego austenit rozkłada się na ferryt i grafit. Osnowa ferrytyczna.
Białe – w środowisku odwęglającym (CO2, CO, H2O, H2) poddaj się go grafityzacji. Następuje całkowite odwęglenie stref powierzchniowych.
Perlityczne – po wyżarzaniu poddaje się go wolnemu chłodzeniu (500C/h). Osnowa perlityczna
Szare – stop zawiera do 0,8% C w postaci cementytu, resztę – grafitu płatkowego.
Zwykłe
Sferoidalne – grafit w postaci kulkowej, b. małe stężenie S i P, osnowa perlitu lub ferrytu (wytwarzanie kół zębatych, wałów korbowych, walców, pierścieni tłokowych).
Właściwości aluminium
Gęstość – 2,7g/cm3
Podatność na obróbkę plastyczną na zimno i na gorąco
Duża przewodność elektryczna i cieplna
Odporność na korozję – z warstwą pasywną Al2O3
Zastosowanie aluminium
Przewody wysokiego napięcia
Uzwojenia prądnic
Przemysł chemiczny
Przemysł spożywczy
Siluminy – stopy aluminium z krzemem
Eutektyczne – 13% Si
Podeutektyczne – 10% Si
Nadeutektyczne – 17-30% Si
Zastosowanie
ü Odlewy tłoków silników spalinowych
ü Felgi
ü Armatura okrętowa
Durale – stopy wieloskładnikowe
Cynkowe
Bezcynkowe
Zastosowanie
ü Przemysł chemiczny i spożywczy
ü Elementy dekoracyjne i meblarskie
ü Części głęboko tłoczone
ü Odkuwki matrycowe
ü Elementy konstrukcji lotniczych
ü Nity
Właściwości miedzi
Brak odmian alotropowych
Twardość 45HB
Może być dwu- i wieloskładnikowa
Obróbka plastyczna na zimno
Przewodniość cieplna i elektryczna
Wysoka odporność na korozję
Dobra plastyczność, niska twardość i wytrzymałość
Zastosowanie miedzi
W elektrotechnice
W przemyśle technicznym
Chłodnice, wymienniki ciepła
Budownictwo – rury CuDHP – instalacje do wody
Mosiądze – Cu-Zn
Odlewnicze
Do przeróbki plastycznej: dwu- i wieloskładnikowe (CuZn30, CuZn40)
Struktury: α, α+β, 3-fazowy
Właściwości
ü Odporne na korozję
ü Odporne na ścieranie
Zastosowanie
ü Armatura
ü Przemysł motoryzacyjny, okrętowy, ltniczy
ü Części maszyn
Mosiądze stopowe
aluminium – zwiększa wytrzymałość
ołów – polepsza skrawalność
mangan – poprawia własności mechaniczne
nikiel – zwiększa ciągliwość
krzem – poprawia lejność
cyna – złoto mannheimskie – sztuczna biżuteria
wysokoniklowe – dobra odporność na korozję, wysoka plastyczność
Brązy – Cu – Sn
odlewnicze
do przeróbki plastycznej: dwu- i wieloskładnikowe
Brązy cynowe
zastosowanie
broń
przedmioty kultu
monety
z Sn i Pb – historycznie najstarsze
Spiż – Zn – Sn – Pb
Zn i P – do 1,2%
Panewki – P zapobiego powstawaniu SnO2
Części maszyn, łożyska
Tytan i jego stopy .
Tytan techniczny i jego stopy stosowany jest w postaci przerobionej plastycznie tj. :
- rur, blach, prętów, drutów, również stosuje się go do odlewania.
W Polsce nie produkuje się tytanu ani jego stopów, niektóre produkuje się w W. Brytanii czy USA.
Tytan podobnie jak aluminium i magnez można zaliczyć do metali lekkich, jego właściwości to :
- dość duża wytrzymałość, i plastyczność, mały ciężar właściwy, odporność na korozje, jest go dużo w skorupie ziemskiej więc jest metalem przyszłościowym, odporny na korozje atmosferyczną w wodzie morskiej i kwasach organicznych.
Do tytanu najczęściej dodaje się takich pierwiastków stopowych jak :
- Al, Sn, Mo, V, Mn, Fe, Cr przy czym zawsze występuje aluminium w ilości od 3 do 6 % . Składniki stopowe rozpuszczając się w tytanie zwiększają jego wytrzymałość, najlepszy efekt dają Fe, Cr i Al. Wpływają również na położenie temperatury przemiany alotropowej. Pierwiastki takie jak Cr, Mn, Fe, Al., wykazują ograniczoną rozpuszczalność i tworzą związki międzymetaliczne , umożliwiając utwardzenie wydzieleniowe stopu ( efekt jest niewielki ) .
W zależności od składu chemicznego stopy tytanu mogą mieć strukturę jednofazową α , jednofazową β oraz dwufazową (α + β ) .
- Stopy α nie mają dobrej plastyczności, ale mają mniejsza skłonność do pochłaniania gazów. Są to stopy np. tytanu z aluminium oraz tytan technicznie czysty.
- Stopy β mają bardzo dobrą plastyczności ale niższą wytrzymałość, a poza tym w wysokich temp. łatwo pochłaniają tlen i stają się kruche. ( stopów tych nie stosuje się ).
- Stopy α + β wykazują najlepsze właściwości. Mają wyższą wytrzymałość, są wystarczająco plastyczne do przeprowadzenia obróbki plastycznej mogą być poddane obróbce cieplnej. ( zawierają zazwyczaj ok. . 5% Al. Oraz dodatki pierwiastków stabilizujących β. Mogą być spawane łukowo w atmosferze argonu lub helu. W celu zwiększenia odporności na ściernie stosuje się nawęglanie, azotowanie, molibdenowanie.
Stopy niklu.
Nikiel jest metalem cięższym od żelaza, jednak jego temp. topnienia jest niższa i wynosi 1452 C . Cechuje go duża odporność na korozję ( stąd jego zastosowanie do galwanicznego pokrywania żelaza). Może być on znacznie umocniony przez zgniot. Stosuje się głównie jako pierwiastek stopowy do stali i innych stopów metali. Wytwarza się także stopy na osnowie niklu . Otrzymuje się go metodą elektrolityczną, karbonylkową lub ogniową jako hutniczy.
Stopy z miedzią – głownie jako stopy odporne na korozje, można je poddawac obróbce na gorąco i na zimno a także spawać. Monele zawierają 20-40 % Cu oraz niewielkie ilości żelaza i magnezu. Mają wysokie właściwości wytrzymałościowe i antykorozyjne, które zachowują do temp. 500 C. Stosowane są na łopatki turbin parowych oraz elementy aparatury chemicznej, a także druty oporowe i do wytwarzania wyrobów galanteryjnych . Krzem poprawia lejność moneli odlewniczych .
Stopy z miedzią i cynkiem- mają barwę podobną do srebra nazywane są nowymi srebrami. Znalazły zastosowanie do wyrobu galanterii, przedmiotów ozdobnych, sztućców.
Stopy z chromem- zwane nichromami , są żarowytrzymałe. Oprócz niklu zawierają 10-20% Cr , 0-10% Fe i 2-4% Mn. Stosowane jako elementy grzewcze pieców. Podobnie wieloskładnikowymi stopami niklu są nimoniki – żarowytrzymałe stosowane do wyrobu turbin gazowych.
Inne stopy niklu to alumen o składzie NiA12Mn2Si1 , stosowany do wyrobu druty termoparowego. Drut ten wraz z chromelem tworzy termopary powszechnie stosowane do pomiaru temperatury w zakresie ok. 1100 C.
Nikiel jest powszechnie stosowany także jako pierwiastek stopowy stali.
Kobalt i jego stopy.
Kobalt jest metalem o barwie srebrzystobiałej z odcieniem niebieskawym. Ma właściwości zbliżone do niklu jednak występuje rzadziej i jest znacznie droższy.
Ma dwie odmiany alotropowe: α- heksagonalną oraz β. Temperatura przemiany alotropowej wynosi 417 C.
- Stopy, których gł. składnikiem jest kobalt, a dodatkami stopowymi są gł.: chrom (20–30%), nikiel (10–20%) i wolfram (4–15%) oraz niob, tantal, molibden, aluminium.
- Stosowany jest głownie jako pierwiastek stopowy np. stopów na magnezy trwałe, do stali szybkotnących, do stellitów, oraz do węglików spiekanych . Poza tym jest stosowany izotop promieniotwórczy CO60 w medycynie i gamma w defektoskopii.
- Stopy kobaltu są żarowytrzymałe, Stopy kobaltu stosuje się do wyrobu elementów silników odrzutowych (łopatki turbin gazowych, łopatki kierujące dysz), części sztucznych satelitów, elementów pracujących w wysokich temp. (do 1000°C) i in.