I STAL KONSTRUKCYJNA

W budowie maszyn wyróżnia się następujące grupy stali konstrukcyjnych:

• niskostopowe o podwyższonej wytrzymałości i mikroskopowe

• do ulepszania cieplnego

• do utwardzania powierzchniowego

• łożyskowe

• sprężynowe

• do pracy w obniżonych temperaturach

• do pracy w podwyższonych temperaturach

Stale niskostopowe o podwyższonej wytrzymałości i mikroskopowe

• C, Mn,

• Cu zwiększa odporność na korozję atmosferyczną

• mikrododatki (ok. 0,1%): V, Ti, Nb, N

• poddawane regulowanemu walcowaniu

• Re i Rm: 960-980 MPa

• dobra odporność na pełzanie dzięki mikrododatkom

• poddawane normalizowaniu

• stosowane dla budownictwa, przemysł motoryzacyjny

• dobra spawalność

• 18G2, 15GA

Stale do ulepszania cieplnego:

• Zbliżoną twardość mają stale krzemowo-manganowe, zarówno stale manganowe, krzemowomanganowe jak i chromowe mogą być stosowane na większe części maszyn i urządzeń w stanie normalizowany lub po hartowaniu, gdy nie wymagamy zastosowania na wskroś,

• Stale chromowo-molibdenowe podobna średnica krytyczna do ok 100mm, dodatek wanadu zwiększa średnicę krytyczną do ok 200mm z możliwością podwyższenia temp. Odpuszczania do ok. 550-600°C co zwiększa odporność stali.

• Stale chromowo-niklowo-molibdenowe to stale przeznaczone do wytwarzania części maszyn w których równomierne właściwości możemy uzyskać nawet na przekrojach powyżej 300mm

• Odrębną grupę stanowią stale z borem, temp. Hartowania to ok. 800-900°C średnica krytyczna w granicach 40-50mm po hartowaniu w wodzie oraz 30-40mm po hartowaniu w oleju,

• Stale do wytwarzania części przez wyciskanie, spęczanie, przewężenie rzędu 60%

Przykład: C40E, C40R

Stale do utwardzania powierzchniowego:

Metody utwardzania powierzchniowego:

• obróbka cieplno-chemiczna: nawęglanie, azotowanie

• hartowanie powierzchniowe

a) stale do nawęglania:

• niestopowe 0,1 – 0,15%C

• węglowe 0,15 – 0,2 %C

Zwiększenie hartowności, twardości, odporności na ścieranie. Dzięki podwyższonej hartowności można poddawać hartowaniu elementy o większych przekrojach,

• chrom 1,5 – 2% główny pierwiastek stopowy do nawęglania, obniża stopień dyfuzji węgla, zapewnia wysoką twardość, jest węglikotworczy

• mangan, nikiel – większa twardość, ciągliwość rdzenia, ilość austenitu szczątkowego, niższa temp. Przemiany martenzytycznej

• molibden, tytan lub wanad – likwidują niekorzystny wpływ chromu, a przede wszystkim manganu, który prowadzi do rozrostu ziarn, zwiększają drobnoziarnistości stali

Przykład: C10E, 17Cr3

b) Stale do azotowania:

Azotowanie – zwiększa twardość, odporność na ścieranie, odporność na korozję (antykorozyjnemu azotowaniu można poddać każdy rodzaj stali)

• hartowanie 870-970°C

• odpuszczanie – często łączy się z procesem azotowania. Najlepsze efekty po azotowaniu uzyskuje się dla stali z dodatkiem aluminium.

Przykład: 31CrMo12, 31CrMoV9

c) Stale do hartowania powierzchniowego

• Stosuje się stale węglowe i stopowe do ulepszania o średnich zawartościach C (0,3-0,5%)

• 35SG, 40HM, 50H,

• Elementy o większych przekrojach poddaje się ulepszaniu na wskroś

• twarda powierzchnia

• rdzeń o dużej wytrzymałości i ciągliwości

Stale sprężynowe:

• pierwiastki stopowe: krzem, chrom, mangan, pierwiastki które podwyższają granicę sprężystości przede wszystkim w stanie znormalizowanym. Rolą pierwiastków stopowych jest zwiększenie hartowności – wytwarzanie takich elementów to ukształtowanie a następnie obróbka cieplna

• hartowanie 860-890°C w oleju

• odpuszczanie 400-500°C

• krzemowe 38-58%Si – stosowane głownie do transportu szynowego

• chromowe, chromowo-molibdenowe – w pojazdach samochodowych

• z wanadem – na bardzo obciążone sprężyny

• wytrzymałość rzędu 1500MPa

• granica plastyczności >1000MPa

Wszystkie elementy sprężyste pracują zmęczeniowo, przy takich obciążeniach ważna jest jakość powierzchni (pęknięcia).

Właściwości eksploatacyjne sprężyn można polepszyć przez obróbkę:

• cieplno-mechaniczną

• plastyczną na zimno

Korzystne jest również wprowadzenie do warstwy wierzchniej naprężeń ściskających

Półprodukty: walcowane długie pręty, druty przygotowane wyłącznie do produkcji sprężyn.

Przykład: 38Si7, 60Cr3

Stale łożyskowe:

Łożyska – elementy które uniemożliwiają przemieszczanie się względem siebie elementów ruchowych. Wymagania dla materiałów na łożyska: wysoka twardość i odporność na ścieranie.

Stale na elementy łożysk tocznych:

• Nadeutektoidalne 100Cr6, 100CrMo7

• Do nawęglania 20Cr3, 20Cr4

• Do hartowania powierzchniowego C56E2, 56Mn4, 70Mn4

• Odporne na korozję, wysokochromowe X47Cr14, X65Cr14

• Żarowytrzymałe 13MoCrNi42-16-14, 80MoCrV42-16

Materiały stosowane na:

• Łożyska małe i średnie:

• stale nadeutektoidalne

• nie dopuszcza się obecności zanieczyszczeń

• 1%C – duża twardość i odporność na ścieranie

• 1,5%Cr, Si, Mn – hartowność

• 0,5%Mo

• obróbka: kucie (duża twardość)

• jednorodność struktury

• duża wytrzymałość zmęczeniowa i statyczna

• odpowiednia ciągliwość

• obróbka cieplna:

  • Wyżarzanie steroidyzujące (do uzyskania bardzo drobnego równomiernie rozłożonego cementytu kulkowego na tle ferrytu stopowego)

  • Hartowanie 820-840°C w oleju

  • Niskie odpuszczanie 180°C / 1-2h

• twardość: 58-65HRC (po obróbce cieplnej)

• mają strukturę niskoodpuszczonego martenzytu drobnolistwowego z równomiernie rozmieszczonymi drobnymi ziarnami cementytu stopowego (po obróbce cieplnej)

• Elementy dużych łożysk

  • stale do nawęglania, w których utwardzamy przez nawęglanie tylko warstwę wierzchnią,

• Elementy łożysk tocznych w warunkach szczególnych

  • stale odporne na działanie środowiska

  • zachowują swoje własności w podwyższonej temperaturze

Muszą spełniać bardzo ostre wymagania dotyczące ograniczonego stężenia szkodliwych domieszek (P, S, O). Uzyskuje się to stosując specjalne procesy metalurgiczne, np. wytapianie próżniowe oraz przetapianie próżniowe lub elektrożużlowe. Elementy łożysk tocznych również tych małych i średnich wytwarza się także ze stali specjalnych jakimi są stale szybkotnące. Przykład: 100Cr6, 20Cr3

Stale do pracy w obniżonych temperaturach:

• niskowęglowe

• drobnoziarniste

• Mn, C, Ni

• struktura sorbityczna i austenityczna

• Ni zwiększa ciągliwość w obniżonych temperaturach

• zachowują wysoką udarność nawet do -100^oC

• Na zbiorniki na ciekłe gazy

• dobra spawalność

• można też stosować stale Cr-Ni lub Cr-Mn-Ni.

Stale do pracy w podwyższonych temperaturach:

• niskowęglowe, Cr i Mo

• spawalne

• odporność na odkształcenie plastyczne (pełzanie) do 600^oC

• w urządzeniach energetycznych, aparaturze chemicznej, rury kotłowe

• 20HM, 15HM, K18, 16M

• w temperaturze powyżej 600^oC należy stosować stale o wyższych zawartościach węgla

II STAL NARZĘDZIOWA

Stale narzędziowe to grupa stopów żelaza przeznaczonych do wytwarzania narzędzi. Narzędzia przeznaczone do rozdzielania i kształtowania różnorodnych materiałów, na narzędzia pomiarowe, odlewnicze. Zakres stosowania wymusza szerokie i zmienne właściwości tych stali.

Wymagane do stali narzędziowych są:

• stałość kształtu

• przenoszenie obciążeń statycznych, dynamicznych, cieplnych

• duża trwałość i twardość

• odporność na ścieranie

• odpowiednia hartowność

• odporność na odpuszczające działanie podwyższonych temperatur, (zdolność do zachowania wysokiej twardości i odporności na ścieranie).

Dzielimy je na trzy grupy:

• niestopowe stale narzędziowe,

• stopowe stale narzędziowe do pracy na zimno/na gorąco,

• stale specjalne (szybkotnące)

1. Narzędziowe stale węglowe (niestopowe):

• swoje właściwości zawdzięczają głownie zawartości węgla i obróbce cieplnej z czego wynika ich twardość C70, C90, C120.

• zastosowanie:

  • Narzędzia do obróbki ręcznej

  • Narzędzia do obróbki materiałów niemetalowych

  • Narzędzia do obróbki skrawaniem stopów metali nieżelaznych

  • Drobne narzędzia do obróbki stali

• obróbka cieplna:

  • Hartowanie 740-840°C (w zależności od zawartości węgla) chłodzenie w wodzie

  • Odpuszczanie 150-180°C

Trwałość martenzytu jest bardzo mała, nagrzanie powyżej tej temp. Powoduje gwałtowny spadek twardości,

• twardość 58-66HRC

Przykład: C45U, C70U

2. Stopowe stale narzędziowe:

• Do pracy na zimno:

  • podział ze względu na zawartość:

    • Węgla:

      • średniowęglowe 0,35 – 0,6%

      • wysokowęglowe 0,95 – 1,05%

    • Chromu:

      • niskochromowe

      • wysokochromowe >5%

  • Kombinacja tych pierwiastków pozwala uzyskać różnorodne własności tych stali. Wysoka zawartość węgla i chromu – większa twardość odporność na ścieranie zastosowanie na narzędzia do obróbki skrawaniem, piły, gwintowniki, drobne noże tokarskie. Większość tych stali to stale ledeburytyczne.

  • Obróbka cieplna to hartowanie i odpuszczanie.

    • Hartowanie:

• niskochromowe 800°C

• wysokochromowe 950°C

W zależności od wielkości, kształtu hartowanie w rożnych ośrodkach.

• Odpuszczanie: 180-250°C (dobór w zależności od przeznaczenia). Stale wysokochromowe wykazują zjawisko twardości wtórnej możemy je odpuszczać w wyższej temp. 400-450°C, są stosowane na duże kowadła, matryce itd.

  • Przykład: 21MnCr5, 105V, 102Cr6

• Do pracy na gorąco:

  • mogą się nagrzewać do 500-600°C

  • zastosowanie: narzędzia do przeróbki plastycznej na gorąco np. formy odlewnicze dla materiałów niemetalowych, osprzęt odlewniczy, matryce do przeróbki plastycznej

  • mniejsza zawartość węgla -> mniejsza hartowność tych stali,

  • ze złożonością składu chemicznego rośnie trudność przetwarzania i obróbki cieplnej, problemy z nagrzaniem

  • hartowanie w sposób przerywany lub izotermicznie

  • obróbka cieplna:

    • Hartowanie 1000-1100°C (bezpośrednio po hartowaniu izotermicznym odpuszczamy)

    • Odpuszczanie

  • większość tych stali wykazuje zjawisko twardości wtórnej

  • twardość 50HRC

  • zwiększona odporność na ścieranie

  • trwałość zależy od właściwego przygotowanie do pracy, eksploatacji w czasie pracy i zakończenia po pracy.

Przykład: 55NiCrMoV7

3. Specjalne stale narzędziowe (szybkotnące):

• stosowane na elementy łożysk tocznych, ciągadeł, urządzeń pomiarowych, płytki wzorcowe,

• skład chemiczny – ok 1%C, 4,2%Cr, (W, Mo, V, Co – zróżnicowana ilość)

• oznaczenie HS-0-4-1, HS-10-4-3-10 liczby oznaczają odpowiednio zawartość W, Mo, V, Co (jeżeli nie zawiera wanadu tylko 3 cyfry),

  • obróbka cieplna:

    • hartowanie 1100-1300°C – krotki czas przetrzymania, wszystkie te stale są ledeburytyczne, zbyt długie wytrzymanie mogłoby powodować nadtopienia, chłodzenie w oleju, na powietrzu, izotermiczne (w kąpielach solnych 550°C)

    • odpuszczanie 550-560°C – bezpośrednio po hartowaniu, pozwala pozbyć się naprężeń austenitu szczątkowego (jego ilość po hartowaniu może dochodzić do 25%)

• twardość 60-65HRC

• mogą nagrzewać się do temp. 650-700°C nie tracąc swoich właściwości

  • wyróżniamy stale szybkotnące:

    • bezkobaltowe

    • kobaltowe

    • bezkobaltowe o zwiększonym stężeniu węgla

    • kobaltowe o zwiększonym stężeniu węgla

  • dzielą się na:

    • wysokowydajne

    • średnio-wydajne

    • nisko-wydajne

Przykład: HSO-4-1, HS1-4-2

III STALE I STOPY ŻELAZA O SZCZEGÓLNYCH WŁAŚCIWOŚCIACH

Obejmują stale, staliwa, żeliwa często o znacznej zawartości pierwiastków dochodzącej do 55% oraz stopy metali nieżelaznych.

Można podzielić je na 3 grupy:

• o szczególnych właściwościach chemicznych (odporne na korozję)

• o szczególnych właściwościach chemicznych i mechanicznych (żaroodporne, żarowytrzymałe, zaworowe)

• o szczególnych właściwościach fizycznych (odporne na ścieranie, o szczególnych właściwościach elektrycznych i magnetycznych, o określonym współczynniku rozszerzalności)

1) Stale o szczególnych właściwościach:

a) Chemicznych

• Chromowe, ferrytyczne stale nierdzewne

  • odporne na korozję w atmosferze powietrza, pary wodnej, ropy i produktów ropopodobnych, alkoholi rozcieńczonych kwasów i soli,

  • odporność na korozję wynika ze zmiany potencjału elektrochemicznego stopu żelaza z chromem przy zawartości ok. 12,5-12,6%Cr, co powoduje utworzenie na powierzchni cienkiej, trwałej odpornej na korozję warstwy tlenku, który zabezpiecza stal przed korozją (pasywacja stali). Dlatego w stalach odpornych na korozję podstawowym pierwiastkiem jest chrom.

  • stale chromowe wykorzystywane praktycznie zawierają Cr w trzech przedziałach 13-14% oraz 17-18%, i ok. 25%, dwa ostatnie przedziały posiadają stabilna strukturę ferrytyczną.

  • Stale zawierające 13-14%Cr dzielą się na:

    • Ferrytyczne poniżej 0,1%C

    • Ferrytyczno-austenityczne powyżej 0,1%C w temp > 900°C

    • Austenityczne powyżej 0,3%C

Lub drugi podział:

• Czysto ferrytyczne

• Połmartenzytyczne (ferrytyczno-martenzytyczne)

• Martenzytyczne

• dodatkami w stalach ferrytycznych są: Mo, Ni, Ti, Nb, Zr które stabilizują strukturę ferrytyczną

• obróbka cieplna:

  • Wyżarzanie 700-900°C

• wytrzymałość 500-600MPa

• plastyczne, rozciągliwe, spawalne

• Chromowo-niklowe stale

  • dodatek niklu do niskowęglowych (C<0,1%) stali wysokochromowych pozwala uzyskać w całym zakresie temp. stabilną strukturę austenityczną która charakteryzuje się wyższą wytrzymałością, twardością, plastycznością

  • bardziej odporne na korozje,

  • spawalne, zgrzewalne

  • występuje zjawisko korozji międzykrystalicznej (powyżej 400-450°C na granicach ziarn wydziela się wysokochromowy węglik chromu – lokalnie w tych obszarach zawartość chromu spada, co powoduje brak łączności miedzy ziarnami) – pod wpływem tego zjawiska stal przestaje być odporna na korozję. Zapobiegać temu zjawisku można przez:

    • Obniżenie zawartości węgla do ok 0,04 – 0,05%C

    • Dodanie pierwiastków o większym powinowactwie z węglem niż chrom

    • Przesycanie stali 1000-1100°C

• Staliwa

  • chromowe

  • austenityczne 0,15 – 0,2%C co umożliwia spawanie

• Żeliwa

  • niklowe – mają strukturę austenityczną, manganowe, krzemowe

b) Chemicznych i Mechanicznych

• przede wszystkim stopy żaroodporne i żarowytrzymałe

  • żaroodporność – odporność na działanie czynników chemicznych w temp. Powyżej 600°C, wynika z możliwości utworzenia na powierzchni warstwy tlenków,

  • żarowytrzymałość – odporność na odkształcenia w temperaturze powyżej 500-600°C

• stosowane w energetyce cieplnej

• stale żaroodporne i żarowytrzymałe dzielą się na:

  • chromowe o strukturze ferrytycznej – mała zdolność przenoszenia obciążeń

  • chromowo-niklowe o strukturze austenitycznej – wysoka wytrzymałość czasowa (odporność na pełzanie)

• staliwa żaroodporne i żarowytrzymałe są odpowiednikami stali pod względem składu chemicznego

• żeliwa żaroodporne i żarowytrzymałe to żeliwa:

  • chromowe

  • aluminiowe

  • krzemowe

  • chromowo-niklowe

• stale zaworowe – przeznaczone na elementy zaworów silników spalinowych są to stale martenzytyczne po obróbce cieplnej (chromowe z dodatkiem Si, Mo, hartowane 1000-1100°C w oleju i odpuszczane 700-800°C)

• stale austenityczne chromowo-niklowe – zwiększona odporność na pełzanie, zwiększona żarowytrzymałość

c) Fizycznych:

• odporne na ścieranie

• między innymi stale manganowe (stal Hadfielda)

• stopy o zawartości 1,1 -1,3%C mają stabilną strukturę austenityczną dopiero powyżej 900-1000°C, ochładzane powoli tworzą strukturę złożoną z ferrytu, ochładzane szybko zachowują strukturę austenityczną. W stanie austenitycznym stal Hadfielda cechuje się dużą skłonnością do umocnienia, ponieważ pod wpływem zgniotu tworzą się mikrobliźniaki.

IV STOPY ALUMINIUM

Odlewnicze stopy aluminium obejmują 4 przypadki:

• Al – Si

• Al – Mg

• Al – Cu

• Al – Zn

1) Al – Si (Siluminy)

• Ich struktura wynika z układu równowagi Al- Si

• Są najczęściej stosowane

• Stosowane są stopy od ok. 3-33% Si,

• Dzielą się na:

  • Nadeutektyczne

  • Eutektyczne

  • Podeutektyczne

Przykład: AlSi11

Stopy podeutektyczne i eutektyczne: poddaje się modyfikacji sodem lub jego solami w celu polepszenia ich własności. Efekt modyfikacji wynika z tego że sód nie rozpuszcza się w aluminium, pokrywa wydzielenia krzemu cienką warstwą, co powoduje rozdrobnienie struktury (przede wszystkim rozdrobnienie wydzieleni Si) równocześnie następuje przechłodzenie eutektyki – dodatkowe rozdrobnienie struktury. Efekt modyfikacji sodem jest nietrwały, na skutek wypalania się sodu zanika:

• dobra lejność

• odnawialność kształtu (odlewanie złożonych korpusów)

• dodatki:

  • Mg – możliwość zastępcza obróbki cieplnej

  • Cu – zwiększenie wytrzymałości, umożliwia pracę w podwyższonych temperaturach polepsza obrabialność, obniża odporność na korozje

  • Mn – obniża niekorzystny rozkład wydzieleni fazy żelazowej (iglastej) która obniża wytrzymałość, powoduje utworzenie ziarnistej struktury

• Obróbka cieplna:

  • Wyżarzanie odprężające 230-250°C

  • Utwardzanie dyspersyjne: przesycanie 480-500°C, starzenie 150-180°C

Stopy nadeutektyczne:

• podczas ich krystalizacji wydzielają się znacznej wielkości wydzielenia krzemu

• modyfikacja ma za zadanie rozdrobnić te wydzielenia, prowadzi się ją dodając fosfor -> fosforek aluminium – ośrodek krystalizacji wydzieleni krzemu

• stosowane głownie w motoryzacji

• duża odporność na ścieranie

• odporność do pracy w podwyższonych temperaturach

• mały współczynnik rozszerzalności

• trudno obrabialne

2) Al – Cu

• wyższa wytrzymałość

• gorsze własności odlewnicze

• porowatość

• skłonność do pęknięć

• obróbka cieplna:

  • Wyżarzanie odprężające

  • Utwardzanie dyspersyjne

Przykład:AlCu10

3) Al – Mg:

• stosowane stopy odlewnicze zawierają 8-10% Mg

• do przeróbki plastycznej stosuje się niższą zawartość Mg.

• dodatki: Si, Fe, Mn, Cu, Ti, Zn, Ni

• trudne w zastosowaniu w procesie odlewniczym (mikropęknięcia)

• najwyższa wśród stopów odlewniczych odporność na korozję (zaw. Cu do ok. 4%)

• obróbka cieplna:

  • Wyżarzanie ujednorodniające

  • Wyżarzanie odprężające

  • Utwardzanie dyspersyjne: przesycanie 500-515°C, starzenie 150°C

• stosowane w środowiskach korozyjnych

Przykład: AlMg10

4) Al – Zn

• zawierają ok. 4-5% Zn

• wytrzymałość ok. 300MPa

Przykład:

5) Al – Mn

• najwyższa wytrzymałość i odporność na korozję

• po odlaniu mają strukturę gruboziarnistą

• dodatki V, Zr – działają modyfikująco

• obróbka cieplna:

  • Wyżarzanie ujednorodniające 500-520°C

  • Wyżarzanie rekrystalizujące 350-400°C

• spawalne, zgrzewalne

Przykład:

6) Hydronalium

• stopy Al-Mg do przeróbki plastycznej

• odporne działanie wody

• spawalne

• podatne do głębokiego tłoczenia

• dodatki: Si – zwiększenie wytrzymałości

Przykład:

7) Wieloskładnikowe stopy Al – Cu – Mg

• handlowa nazwa duraluminium

• mała lub całkowity brak odporności na korozję

• złożony skład chemiczny powoduje dużą ilość faz tworzących się w procesie rekrystalizacji

• zróżnicowana temperatura topnienia

• obróbka cieplna:

  • Wyżarzanie ujednorodniające w procesie dwustopniowym lub trzystopniowym

  • Utwardzanie dyspersyjne: przesycanie 500-510°C, starzeniu 120-150°C (proporcje składu chemicznego mają wpływ na efekt starzenia)

• dodatki:

  • Zn – podwyższa wytrzymałość do ok. 400MPa

• Na bazie durali produkuje się również żarowytrzymałe stopy aluminium,

Przykład:

8) Stopy SAP

• stopy tlenku aluminium otrzymywane przez spiekanie i poddawanie przeróbce plastycznej,

• mogą długotrwale pracować w temp. 300-500°C, krótkotrwale nawet w temp. 1000°C

Przykład:

9) Stopy SAS

• stopy aluminium z krzemem, niklem lub żelazem (nawet do 20-30%)

• znikomy współczynnik rozszerzalności liniowej

Przykład:

10) Stopy do przeróbki plastycznej

• Al – Mn

• Al – Mg

• Al – Fe

• Al – Cu – Mg

V STOPY MIEDZI

Stosowane stopy miedzi dzielą się na 3 grupy:

• miedzio-nikle

• mosiądze

• brązy

1) Miedzio-nikle:

• duża odporność na korozję

• znacznie wyższa od czystej miedzi wytrzymałość

• stosowane jako stopy odlewnicze i przerabiane plastycznie

• znajdują zastosowanie na np. blachy, elementy klimatyzacji, w przemyśle zbrojeniowym

• 20%Ni – nikielina

• 40%Ni – konstantan

Przykład: CuNi25

2) Mosiądze:

• ich budowa oparta jest na układzie Cu-Zn

• do ok. 38% Zn ma strukturę roztworu stałego α – miękki, plastyczny

• dzielą się na:

  • Dwuskładnikowe

  • Wieloskładnikowe

• do ok. 10% Zn niewiele odbiegają właściwościami od Cu – odporne na korozję, stosowane na łuski pocisków małokalibrowych, jako wymienniki ciepła,

• ze wzrostem zawartości Zn zmienia się barwa mosiądzu z czerwonego na złoty 10-12-20% Zn – stosowane szeroko w zdobnictwie, w przemyśle chemicznym (odp. Na korozję)

• 30-32% Zn – największa plastyczność – elementy wytwarzane metodą tłoczenia stosowane na łuski pocisków wielkokalibrowych, urządzenia chemiczne

• 35-36% Zn – optymalne własności, wytrzymałość w stanie wyżarzanym ok. 350-400MPa

• powyżej 20% Zn ulegają redukowaniu – na powierzchni tworzy się gąbczasta warstwa

• dodatki:

  • Pb 2-3% - zwiększenie odporności na ścieranie

  • Al, Sn rzędu setnych części – zwiększenie odporności na korozję

  • Fe, Ni rzędu setnych części – zwiększenie wytrzymałości

• Stopy o strukturze jednofazowego roztworu – nie można zastosować zasadniczej obróbki cieplnej, wyżarzanie ujednorodniające, wyżarzanie rekrystalizujące przeróbka plastyczna na zimno to jedyne metody zmiany ich właściwości

• powyżej 38% Zn w strukturze mosiądzu pojawia się twarda krucha faza β’

• 39-40% Zn utrudnia przeróbkę plastyczną na zimno, przerabia się je na gorąco

• przy jeszcze większej zawartości Zn stopy przeznaczone głownie do odlewania

Przykład: CuZn15, CuZn30

3) Brązy (7):

• podstawową grupą brązów są stopy Cu-Sn, ale nazwa obejmuje również stopy miedzi z innymi pierwiastkami,

• budowa brązów cynowych wynika z układu równowagi Cu-Sn

• do ok 9% Sn – struktura jednofazowego roztworu stałego α

• 15-18% Sn – struktura α+β

• do przeróbki plastycznej wykorzystywane są głownie dwuskładnikowe brązy cynowe

• brązy cynowe:

  • Duża odporność na korozję

  • Odporność na ścieranie

  • Odporność na obciążenia dynamiczne

  • Silnie umacniają się przez zgniot

  • Są dostarczane w stanie wyżarzonym, twardym, sprężystym

  • Stosowane na panewki łożysk ślizgowych, elementy sprężyste w urządzeniach pomiarowych

Przykład: CuSn4, CuSn8

• brązy wieloskładnikowe:

  • Zawierają do 5% Sn oraz dodatki Zn, Pb (przeznaczone do odlewania 7-12% Sn, Zn, Pb do ok 7-8%)

  • Zwiększona wytrzymałość

  • Właściwości ślizgowe

Przykład: CuSn4Pb4Zn3

• brązy aluminiowe:

  • Do ok. 8% Al.

  • Jednofazowa struktura α

  • Dobra plastyczność

  • Właściwości ślizgowe

  • Odporność na korozję (w tym wodę morską), wynika to z pasywacji tlenków na powierzchni

  • Utwardzane przez zgniot

  • Zastosowanie: śruby okrętowe, sprężyny

  • Powyżej 8%Al pojawia się faza elektronowa β, która rozpada się w wyniku przemiany o charakterze eutektoidalnym na α+γ –> utwardzenie eutektoidu – umożliwia obróbkę cieplną: hartowanie 900°C (martenzyt miedziowy), odpuszczanie 550°-600°C

  • Wytrzymałość 1000MPa

Przykład: CuAl15As

• brązy krzemowe:

  • do przeróbki plastycznej ale mogą być też na odlewy

  • odporne na korozję chemiczną i erozje

  • stosowane na panewki łożysk ślizgowych, sprężyny

Przykład: CuSi3Mn1

• brązy manganowe:

  • zawierają do ok. 10-12% Mn (specjalne >20%)

  • bardzo mała lub bardzo duża rezystywność (oporniki)

  • wysoka żaroodporność do ok 400°C (łopatki turbin)

Przykład:

• brązy berylowe:

  • zawierają do ok. 2% Be

  • stopy niemetaliczne

  • umacniają się przez zgniot

  • utwardza się je dyspersyjnie, przesycanie 800°C, starzeniu 300°C po takiej obróbce wytrzymałość to 1300MPa

  • nie iskrzą podczas tarcia oraz uderzeń

  • stosowane w górnictwie

Przykład: CuBe2Ni

• wysokoołowiowe:

  • zawartość do 40% Pb (otrzymywane przez szybkie chłodzenie roztworu ciekłego)

  • dwuskładnikowe (dwufazowa struktura miedzi i ołowiu)

  • dobre odporność na ścieranie, wysoka wytrzymałość zmęczeniowa, bardzo dobra przewodność cieplna

  • stosowane na panewki łożysk ślizgowych

Przykład:

VI STOPY INNYCH METALI

1) Stopy magnezu (Mg)

• mają zastosowanie w budowie samolotów

• mała odporność na korozję

• czysty magnez znajduje zastosowanie w metalurgii jako odtleniacz (wysokie powinowactwo z tlenem), modyfikator, sferoidyzator żeliwa, dodatek stopowy w stopowy w stopach Al i Cu.

• magnez jako metal na strukturę A3, jest kruchy, dodatek Al. do ok 6% zwiększa plastyczność i wytrzymałość, powyżej 6% umożliwia utwardzanie dyspersyjne, dodatek Zn poprawia wytrzymałość dodatkowo w obecności Al i Mn zwiększa plastyczność, dodatek Si poprawia własności odlewnicze, metale ziem rzadkich podwyższają możliwą temperaturę pracy.

• stopy odlewnicze – możliwość odlewania bardzo cienkościennych wyrobów,

• można je przerabiać plastycznie

• obróbka cieplna:

  • Wyżarzanie ujednorodniające 350-400°C (przed przeróbka plastyczną)

  • Wyżarzanie rekrystalizujące (po przeróbce plastycznej)

  • Utwardzanie dyspersyjne: przesycanie 350-400°C, starzenie 150-200°C (nie zawsze opłacalne przez niewielki wzrost właściwości)

Przykład: MgAl8Zn1, MgAl5Mn, MgAl4Si

2) Stopy Cynku (Zn)

• stosowane na odlewy korpusów sprzętu gospodarczego, panewki łożysk ślizgowych

• dodatki:

  • Al do ok. 30% - polepsza wytrzymałość, właściwości odlewnicze,

  • Cu – w mniejszej ilości – zwiększa wytrzymałość, twardość co za tym idzie odporność na ścieranie, zwiększa też odporność na korozję

• obróbka cieplna:

  • Wyżarzanie ujednorodniające 350-400°C

  • Wyżarzanie odprężające 200-220°C

  • Utwardzanie dyspersyjne: przesycanie 360°C, starzenie 100°C (bardzo rzadko stosowane)

Przykład: ZP3, ZP5, ZL1110

3) Stopy cyny i ołowiu (Sn i Pb)

• znaczna odporność na korozję

• jako materiał konstrukcyjny stosuje się głownie stopy cyny – stopy łożyskowe

• wyróżnia się stopy cynowe w których nie ma Pb i ołowiowe nie zawierające Sn

• dodatki: antymon, miedź, rzadziej arsen, kadm i nikiel

• niewielka twardość 20HB,

• bardzo dobre własności ślizgowe,

• odporne na ścieranie

• bardzo dobrze przewodzą ciepło

• mają zróżnicowana strukturę

• są miękkie, plastyczne

• stosowane na panewki łożysk ślizgowych (stopy B – stopy ołowiu z niewielkimi dodatkami Na, Li, Cd, Ca)

• mają zróżnicowaną mikrostrukturę, osnowę stanowią roztwory stałe i eutektyka podstawowych pierwiastków, baza nośna, twarda jest faza SnSb, gęstość tej fazy prawie dwukrotnie przekracza gęstość osnowy

• podczas krystalizacji silnie segreguje grawitacyjnie aby temu zapobiec dodaje się Cu.

Przykład: PbSn20Tl10

V WPŁYW RZECZYWISTEJ I IDEALNEJ STRUKTURY

NA WŁASNOŚCI METALI I ICH STOPÓW

1. Idealna budowa krystaliczna

Struktura krystaliczna - uporządkowana budowa jaką charakteryzują się ciała krystaliczne, polegająca na okresowym powtarzaniu się w przestrzeni elementów fizycznych (atomy, cząsteczki) położonych w równych odstępach w co najmniej trzech nierównoległych kierunkach. Elementy te tworzą przestrzenną sieć krystaliczną.

Sieć przestrzenna – jest to model rozmieszczenia punktów (węzłów) w przestrzeni, okresowo powtarzających się, charakterystyczny dla każdego kryształu. Węzły w przestrzeni mają identyczne otoczenie.

Komórka elementarna – to fragment sieci przestrzennej wyodrębniony przez 6 płaszczyzn parami równoległymi, który poddany translacji w 3 nierównoległych kierunkach odtwarza całą sieć przestrzenną. Kształt i wymiary równoległościanu, będącego komórką elementarną sieci można opisać za pomocą 3 parametrów kątowych (alfa, beta, gamma) i 3 parametrów liniowych (a, b, c).

Liczba koordynacyjna - liczba najbliższych i równoodległych węzłów od dowolnego węzła sieci. Wybór węzła nie ma znaczenia.

Układy krystalograficzne i typy sieci Bravais’go (7):

a) regularny:

α = β = γ = 90°; a = b = c

P I F

P- prymitywny, I - przestrzennie centrowany, F - ściennie centrowany,

b) tetragonalny:

α = β = γ = 90°

P I

P - prymitywny, I - przestrzennie centrowany,

c) rombowy:

α = β = γ = 90°

P C I F

P - prymitywny, C - centrowany na podstawie, I – przestrzennie centrowany, F - ściennie centrowany,

d) heksagonalny:

α = β = 90°, γ = 120°; a = b ≠ c

P – prymitywny,

e) romboedryczny:

a = b = c

P - prymitywny

f) jednoskośny:

a ≠ b ≠ c

P C

P - prymitywny, C - centrowany na podstawie,

f) trójskośny:

a ≠ b ≠ c

P - prymitywny.

2. Rzeczywista struktura

Występujące w rzeczywistości kryształy w przeciwieństwie do modelu idealnej struktury mają szereg wad, które nazywamy defektami. Te wady odgrywają znaczną rolę w kształtowaniu tworzyw krystalicznych. Mają znaczny wpływ na właściwości kryształów oraz materiałów krystalograficznych. Z termodynamicznego punktu widzenia wady możemy podzielić na termodynamiczne trwałe i nietrwałe, z uwagi na geometrię i zasięg wad dzielimy je na:

• punktowe,

• liniowe,

• przestrzenne,

• powierzchniowe,

1) Defekty punktowe:

• wymiary porównywalne do wielkości atomów

• należą do nich:

  • Wakanse

  • Atomy międzywęzłowe

  • Obce atomy w strukturze

• wtórnymi wadami punktowymi są:

  • Defekty Schottky’ego

  • Defekty Frenkla

• Wakans – wolne nieobsadzone miejsce w strukturze kryształu,

• atom międzywęzłowy – atom znajdujący się między geometrycznymi węzłami struktury,

• zarówno wakanse jak i atomy międzywęzłowe są wadami aktywowanymi cieplnie co oznacza że ich ilość zależy od temperatury,

• wtórnymi wadami punktowymi obrazującymi powstawanie wakansu czy atomów międzywęzłowych są defekty Schottky’ego i Frenkla opisujące wędrówkę atomów w strukturze kryształu,

• Defekty punktowe wywołują naruszenie równowagi odległości między atomami są przyczyną zniekształcenia struktury, podwyższają energię układu co prowadzi do umocnienia kryształu i podwyższenia twardości, co za tym idzie zwiększają wytrzymałość obniżając jednocześnie plastyczność.

Dyfuzja – przemieszczanie się obcych atomów,

Samodyfuzja – przemieszczanie się rodzimych atomów

• ilość defektów punktowych rośnie wraz ze wzrostem temperatury,

• obce atomy w strukturze kryształu:

  • Umiejscowione w węzłach (rys. 2.16 c)

  • Umiejscowione w międzywęźlu (rys. 2.16 d)

2) Defekty liniowe:

• nazywane dyslokacjami

• w zależności od zasięgu dzielą się na:

  • Całkowite

  • Częściowe

  • Kątowe

• ze względu na kształt i geometrię:

  • Krawędziowe

  • Śrubowe

  • Mieszane

• ułatwiają odkształcenie plastyczne kryształu

Umocnienie roztworowe – dodanie do struktury obcych atomów w sposób punktowy, hamujący przemieszczanie dyslokacji co umacnia materiał. Wydzielenie cząstek fazy umacniającej można wywołać w tych stopach które wykazują zmienną rozpuszczalność składników w funkcji temp. Wykazują zmienną rozpuszczalność składników w funkcji temperatury. Utwardzenie wydzieleniowe składa się z dwóch zabiegów: przesycania i starzenia. Przesycanie polega na nagrzaniu stopu do temperatury maksymalnej rozpuszczalności drugiego składnika i szybkim oziębieniu w wodzie. W ten sposób uzyskuje się przesycony roztwór stały. Dyfuzja drugiego składnika prowadzi do jego wydzielenia ten proces zachodzi zazwyczaj w dłuższym czasie i zwany jest starzeniem, prowadzi do maksymalnego umocnienia. Wyróżniamy starzenie: naturlane-samorzutne, lub przyśpieszone – nagrzanie do temperatury niższej od temperatury przesycania (im wyższa temperatura tym krótszy czas starzenia, jednak łączy się to ze wzrostem wielkości wydzielanych cząstek i spadkiem ich ilości). Węgiel, azot – wykazują zmienną rozpuszczalność w ferrycie.

3) Wady powierzchniowe:

• błędy ułożenia – zaburzenia w sekwencji ułożenia płaszczyzn, podwyższają energię układu np. prawidłowe ułożenie ABC ABC ABC ułożenie wywołane błędem ABABABC

• granice ziarn – oddzielają części kryształu o tym samym składzie chemicznym, budowie i właściwościach ale rożniących się orientacją krystalograficzną, w zależności od wielkości dezorientacji krystalograficznej dzielą się na:

  • Wąskokątowe

  • Szerokokątowe (kąt przekracza 1 lub 2 minuty stopnia), dzielą się na niesprzężone i sprzężone

Granica bliźniacza charakteryzuje się tym że wyrożnić w strukturze kryształu można

płaszczyznę względem ktorej dwie części kryształu tworzą lustrzane odbicie,

charakterystyczną cechą granic bliźniaczych jest to że zazwyczaj występuje kilka lub

kilkanaście takich granic

• granice międzyfazowe – granice oddzielające od siebie rożne pod względem składu chemicznego, budowy, właściwości elementy materiału, ktore nazywamy fazami

Dzielą się na:

• koherentne

• niekoherentne

• półkoherentne

Koherencja – dopasowanie do osnowy

VI OBRÓBKA PLASTYCZNA JAKO METODA KSZTAŁTOWANIA STRUKTURY METALI

Plastyczność – jedna z najważniejszych własności metali i stopów polegająca na zdolności do trwałego odkształcenia się bez naruszenia spójności. Przy wzrastającym obciążeniu metal początkowo odkształca się sprężyście, a po przekroczeniu pewnej wartości (granicy sprężystości) już trwale.

Dzięki plastyczności możliwa jest obróbka polegająca na:

• walcowaniu

• kuciu

• prasowaniu

• ciągnieniu

Celem obróbki plastycznej jest uzyskanie produktów i półproduktów hutniczych jak: pręty, kształtowniki, rury, druty, blachy, odkuwki. W zależności od wymaganych własności produktów hutniczych oraz rodzaju obrabianego metalu lub

stopu obróbka plastyczna może odbywać się:

• na zimno (w temperaturze niższej od temp. rekrystalizacji)

• na gorąco (powyżej temp. rekrystalizacji)

1) Obróbka plastyczna na zimno.

• silnie zmienia strukturę i właściwości metali i stopów,

• podwyższa twardość, wytrzymałość,

• obniża plastyczność,

• prowadzi się ją w celu:

  • Uzyskania gotowych półwyrobów i wyrobów,

  • Uzyskania gładkiej i czystej powierzchni,

  • Podwyższenia dokładności kształtowo-wymiarowej,

  • Podwyższenia wytrzymałości w szczególności zmęczeniowej,

  • Wytworzenia specyficznej struktury, tekstury gniotu, w celu uzyskania konkretnych właściwości,

• jest jedynym sposobem zmiany, podwyższenia własności mechanicznych czystych metali, stopów o strukturze jednofazowej nieulegających przemianom w stanie stałym

• zgniot – określa stan umocnienia, całokształt zmian mikrostruktury, naprężeń i własności (mechanicznych, fizycznych),

• gniot – miara odkształcenia plastycznego
  $z = \frac{\Delta F}{F_{0}}*100\%$ (procentowa zmiana przekroju)

• do mechanizmów odkształcenia plastycznego należą:

  • Poślizg – nie uzyskujemy jednoliniowego odkształcenia w całej objętości, tworzą się pewne odkształcone obszary zwane pasmami poślizgu, w trakcie takiego odkształcenia nie zmienia się orientacja krystaliczna poszczególnych części

  • Bliźniakowanie – polega na jednorodnym ścinaniu (skręcaniu) struktury wzdłuż określonych płaszczyzn, zmienia kierunkowość struktury, powstają równolegle do siebie odkształcone pasma,

  • Pełzanie (dyslokacyjne, dyfuzyjne)

  • Poślizg na granicach ziarn

2) Obróbka plastyczna na gorąco:

• umożliwia obróbkę bardziej twardych, niekiedy wielofazowych stopów (ze wzrostem temp. Obniża się granica plastyczności),

• powoduje co najwyżej nieznaczną zmianę struktury i właściwości ponieważ nie wywołuje umocnienia,

• umożliwia znaczny stopień przeróbki plastycznej

• ze względu na sposób oddziaływania siłami na metal realizuje się je sposobami:

  • Dynamicznymi – na młotach, kowadłach (głownie na gorąco)

  • Statycznymi – prasowanie i walcowanie (głownie na gorąco)

  • Wyciskanie (głownie na gorąco)

  • Przeciąganie (głownie na zimno)

• mechanizm odkształcenia:

  • Pełzanie dyslokacyjne – w ślad za odkształceniem plastycznym na gorąco przebiegają dynamiczne procesy aktywowane cieplnie usuwające częściowo lub całkowicie skutki umocnienia zgniotowego: zdrowienie dynamiczne, rekrystalizacja dynamiczna,

  • Poślizg dyslokacji – początkowy proces odkształcenia,

  • Wspinanie dyslokacji

  • Poślizg poprzeczny – polega na zmianie płaszczyzn poślizgu przez dyslokacje śrubowe pod działaniem przestrzennie dużych naprężeń.

• Poślizg poprzeczny i wspinanie dyslokacji stanowią zdrowienie dynamiczne w odróżnieniu od wspinania dyslokacji poślizg poprzeczny nie ulega ograniczeniu w temperaturze niższej od temp. rekrystalizacji, dlatego podczas odkształcenia plastycznego na zimno proces zdrowienia dynamicznego również może przebiegać jednak w ograniczonym stopniu

• W przypadku odkształcenia na gorąco zwłaszcza w metalach o małej energii błędu ułożenia przebiega rekrystalizacja dynamiczna. Rekrystalizacja ta zachodzi w czasie samego odkształcenia plastycznego. Nowe ziarna utworzone w wyniku przejścia frontu rekrystalizacji dynamicznej nasycają się ponownie dyslokacjami w następnym etapie odkształcenia. Proces ten nie powoduje więc wystąpienia struktury stabilnej.

Zdrowienie dynamiczna: uzyskuje się strukturę poligonalną o wyższych parametrach wytrzymałościowych, ale o niższej plastyczności. Zdrowienie + odkształcenie = zdrowienie dynamiczne.

Rekrystalizacja dynamiczna: w wyniku tworzenia nowych ziarn prowadzi do zwiększenia plastyczności, kosztem zmniejszenia wytrzymałości. Rekrystalizacja + odkształcenie = rekrystalizacja dynamiczna (przeróbka plastyczna na gorąco).

VII PROCESY AKTYWOWANE CIEPLNIE ZACHODZĄCE PODCZAS WYŻARZANIA METALI UPRZEDNIO ODKSZTAŁCANYCH PLASTYCZNIE NA ZIMNO

Zdrowienie obejmuje wszystkie przemiany i procesy bez przemieszczania się szerokokątnych granic ziarn, głownie obniżają się naprężenia, następuje porządkowanie wewnątrz zniekształconych ziarn ale nie mamy do czynienia z ruchem. Dla niskotopliwych metali i stopów proces zdrowienia lub jego część może zachodzić równocześnie z odkształceniem – zdrowienie dynamiczne.

Zdrowienie statyczne:

Odkształcenie plastyczne na zimno powoduje zatrzymanie energii zmagazynowanej podczas odkształcenia plastycznego nie zamienianej na ciepło, stanowiącej do ok. 10% energii odkształcenia. Energia ta powoduje wzrost energii metalu odkształconego plastycznie na zimno, w wyniku tworzenia defektów sieciowych. Energia zmagazynowana charakterystyczna dla stanu metastabilnego wyzwala się podczas wygrzewania metalu uprzednio odkształconego plastycznie na zimno, powodując przejście metalu ze stanu metastabilnego do stanu równowagi.

Zdrowienie statyczne jest procesem aktywowanym cieplnie, zachodzącym podczas wyżarzania poniżej temp. rekrystalizacji. Proces ten jest związany ze zmniejszeniem stężenia defektów punktowych, gęstości dyslokacji oraz zmianami w ich przestrzennym rozmieszczeniu. Podczas zdrowienia następuje dyfuzja oraz anihilacja (likwidowanie) defektów punktowych, poślizg i wspinanie dyslokacji, anihilacja dyslokacji różnoimiennych, kurczenie się i zanik pętli dyslokacji.

Metastabilność – własność delikatnej równowagi stanów, które są stabilne dla małych odchyleń od położenia równowagi, ale większe wychylenie powoduje zmianę stanu i przejście do równowagi pełnej, lub ew. innego stanu metastabilnego.

Zdrowienie statyczne:

1. Zatrzymanie energii zmagazynowanej podczas odkształcenia plastycznego nie zamienionej na ciepło, stanowiącej ok. 1-10% energii odkształcenia.

2. Wzrost energii metalu odkształconego plastycznie na zimno, w wyniku utworzenia defektów sieciowych.

3. Energia zmagazynowana, wyzwala się podczas wygrzewania metalu.

4. Przejście metalu ze stanu metastabilnego do stanu równowagi.

• proces aktywowany cieplnie, zachodzący podczas wyżarzania poniżej temperatury rekrystalizacji w metalach uprzednio odkształconych plastycznie na zimno.

Następuje:

• zmniejszenie stężenia defektów punktowych

• zmniejszenie gęstości dyslokacji

• dyfuzja

• likwidacja defektów punktowych

• poślizg i wspinanie dyslokacji

• zdrowienie + odkształcenie = zdrowienie dynamiczne

Rekrystalizacja obejmuje wszystkie procesy związane z ruchem szerokokątnym granic ziarn. Ten etap rekrystalizacji pierwotnej kończy się z chwilą powrotu mikrostruktury i właściwości sprzed odkształcenia. Całkowicie zanikają naprężenia, rośnie plastyczność, wzrasta wielkość ziarn. Dalsze nagrzewanie prowadzi do dalszego wzrostu wielkości ziarn. Jeżeli rekrystalizacja dokonuje się równocześnie z odkształceniem nazywamy ją rekrystalizacją dynamiczną – charakterystyczną dla przeróbki plastycznej na gorąco. Dalsze nagrzewanie prowadzi już nie do równomiernego a do selektywnego rozrostu ziarn. W wyniku czego otrzymujemy zróżnicowaną pod względem wielkości mikrostrukturę.

• W celu wywołania rekrystalizacji niezbędne jest wcześniejsze odkształcenie materiału większe od pewnego minimum,

• im mniejszy stopień odkształcenia tym wyższa musi być temp. rekrystalizacji,

• z wydłużeniem czasu wyżarzania obniża się temp. rekrystalizacji

• końcowy wymiar ziarn zależy od stopnia odkształcenia, w mniejszym stopniu od temp.

• w celu uzyskania drobniejszego ziarna konieczne jest większe odkształcenie i niższa temp. wyżarzania,

• im większe jest ziarno wyjściowe tym większe musi być odkształcenie plastyczne aby wywołać rekrystalizację

• materiał rekrystalizuje tym łatwiej im mniej zawiera zanieczyszczeń,

• największe ziarno uzyskuje się po gniocie rzędu 2-15% (gniot krytyczny, należy go unikać ze względu na niskie właściwości materiałów gruboziarnistych).

Rekrystalizacja:

• obejmuje wszystkie procesy związane z ruchem szerokokątnym granic ziarn

• całkowicie zanikają naprężenia

• rośnie plastyczność

• wzrasta wielkość ziarn (z powodu nagrzewania)

• rekrystalizacja + odkształcenie = rekrystalizacja dynamiczna (przeróbka plastyczna na gorąco)

VIII WPŁYW PRZEMIAN FAZOWYCH NA STRUKTURĘ METALI.

RODZAJE PRZEMIAN FAZOWYCH

Dyfuzja:

• zależy od:

  • Struktury

  • Wielkości atomów

  • Temperatury atomów

• drogami dyfuzji (miejscami przemieszczania się atomów) są:

  • Powierzchnia metalu

  • Granice ziarn

  • Wnętrze ziarn

• może dokonywać się następującymi mechanizmami:

  • Wakansowym

  • Międzywęzłowym

  • Reaktywnym

Rodzaj obróbki cieplnej stosowanej zależy od: przemian fazowych.

W zależności od tego jak daleko w ich trakcie przemieszczają się atomy, przemiany dzielimy na:

• dyfuzyjne – atomy przemieszczają się na znaczne odległości, zależą od czasu

• bezdyfuzyjne – przemieszczenie jest co najwyżej rzędu długości atomu/ odległości między atomami.

1) Przemiana bezdyfuzyjna (chłodzenie):

• martenzytyczna:

  • Bezdyfuzyjna

  • Przemiana austenitu

  • Przemiana alotropowa Feγ–>Feα

  • Nie wchodzi zmiana stężenia węgla

  • Warunki konieczne do wykonania przemiany:

    • Prędkość krytyczna,

    • Przechłodzenie stali poniżej pewnej charakterystycznej temperatury początku przemiany martenzytycznej.

  • Polega na tym że w wyniku zmiany warunków termodynamicznych dokonuje się przemiana alotropowa żelaza γ w żelazo α o nieco zmienionej strukturze w kierunku tetragonalnym (martenzyt)

  • Przy szybkim chłodzeniu przekroczeniu temperatury Ms (martenzyt start) z prędkością zbliżoną do prędkości dźwięku zachodzi przemiana w której dyfuzja praktycznie nie ma miejsca,

  • Warunkiem postępu tej przemiany jest ciągłe obniżanie temperatury aż do osiągnięcia Mf (martenzyt finish) końca przemiany martenzytycznej dalsze obniżanie temperatury nie daje już zmian struktury mimo że pozostaje pewna ilość nieprzemienionego austenitu, wynika to ze znacznego wzrostu naprężeń wywołanego tym że gęstość martenzytu jest mniejsza od gęstości austenitu – taki nieprzemieniony austenit nazywany jest austenitem szczątkowym,

  • Austenit szczątkowy – podwyższa odporność na ścieranie, kruchość pękania, wytrzymałość zmęczeniową ale obniża twardość i ogólna wytrzymałość stali, przyczynia się do niestabilności wymiarowej oraz pęknięć szlifierskich

  • Dla danego gatunku stali temp. początku i końca przemiany martenzytycznej nie zależy od prędkości chłodzenia

  • Zakres temperatury początku i końca przemiany martenzytycznej zależy od zawartości węgla i objętości innych pierwiastków w składzie stali.

3) Dyfuzyjna przemiana podczas nagrzewania.

• etapy przemiany:

  • tworzenie się austenitu niejednorodnego

  • ujednorodnienie austenitu

  • rozrost ziarn austenitu

• po nagrzaniu do temp. powyżej A1 różnica energii swobodnych powoduje dokonanie się przemiany perlitu w austenit

• zarodkowanie dokonuje się heterogenicznie na granicach ferryt-cementyt w perlicie utworzony austenit rozrasta się i nastaje ujednorodnienie węgla.

4) Dyfuzyjna przemiana austenitu / Przemiana perlityczna przy chłodzeniu

• podczas chłodzenia stali eutektoidalnej po przechłodzeniu poniżej Ar₁^D rozpoczyna się przemiana austenitu w perlit

• perlit składa się w 87.5% z ferrytu zawierającego ok 0.02%C i w 12.5% z cementytu zawierającego ok 6.67%C z tych zależności wynika grubość poszczególnych faz w perlicie

• zarodki perlitu tworzą się homogenicznie na nierozpuszczonych składnikach, cząstkach cementytu i ferrytu na granicach ziarn austenitu,

• utworzony perlit charakteryzuje się rożną odległością i grubością płytek a tym samym zróżnicowanymi właściwościami, przy małym przechłodzeniu grubość i odległość między płytkami jest większa a twardość perlitu mniejsza

• ze wzrostem przechłodzenia nie rośnie dyspersja i twardość perlitu, także prawdopodobieństwo zarodkowania (spadek dyspersji)

5) Dyfuzyjny rozpad produktów przemiany bezdyfuzyjnej (nagrzewanie)

• w wyniku nagrzania uprzednio zahartowanej stali do temp. poniżej A1, wytrzymania w tej temp. następuje rozkład martenzytu w mieszaninę faz złożoną z ferrytu i węglików

• zmiana stanu zahartowanej stali z metastabilnego na stabilny

• oprócz rozkładu martenzytu dokonuje się przemiana austenitu szczątkowego, wydzielenie i przemiany węglików ich koagulacja oraz migracja ziarn ferrytu

• wszystkie te procesy zmieniają właściwości uprzednio zahartowanej stali – odpuszczanej

• intensywność procesów dokonujących się w trakcie odpuszczenia zależy głownie od temperatury ale i od pierwiastków stopowych

• procesy dokonujące się w trakcie odpuszczania wywołują zmiany energii , zmiany właściwości fizycznych, zmiany objętości, co wykorzystujemy w metodach badań procesu odpuszczania.

Hartowanie jest to zabieg cieplny polegający na nagrzaniu przedmiotu do temperatury austenityzowania, wygrzaniu w niej, z następnym szybkim chłodzeniem celem otrzymania struktury martenzytycznej lub bainitycznej. Wygrzewanie stali w wysokiej temperaturze wpływa na powstanie gruboziarnistego austenitu, co określa się również pojęciem przegrzania, a po oziębieniu powstaje martenzyt gruboziarnisty zwany także gruboiglastym oraz austenit szczątkowy. Im wyższa temperatura przegrzania, tym ilość austenitu szczątkowego większa.

Odpuszczanie – proces polegający na zmianie właściwości zahartowanej stali. Zwiększa ciągliwość stali, celem jest wydzielenie węgla z roztworu przesyconego. W zależności od zakresu temperatury odpuszczanie dzieli się na:

• niskie (100 – 250 °C) – poddawane są głównie narzędzia, które powinny cechować wysoka twardość i odporność na ścieranie,

• średnie (250 – 450 °C) – nadaje obrabianym elementom wysokiej granicy sprężystości przy jednoczesnym polepszeniu ich właściwości plastycznych np. sprężyny i resory,

• wysokie (450 – 600 °C) - własności wytrzymałościowe maleją, plastyczne wzrastają.

Połączenie zabiegu hartowania z wysokim lub średnim odpuszczaniem nazywamy ulepszaniem cieplnym stali.

IX ŻELIWA

• stopy odlewnicze na osnowie żelaza

• dzielą się na stopowe i niestopowe

• 2,5-4,5%C w postaci cementytu lub grafitu.

• 0,5-5%Si – ma wpływ na proces modyfikowania grafitu i na proces grafityzacji.

• Mn – tworzy bardziej trwałe niż cementyt węgliki. W rezultacie zapobiega grafityzacji. Łatwo wiąże się z siarką, usuwając jej niekorzystny wpływ w żeliwie.

• 0,2-1,8%P

• Siarka jest domieszką szkodliwą.

• szeroko stosowane w budowie maszyn

• wytapianie w piecach zwanych żeliwiakami, wsadem jest: surówka wielkopiecowa, złom żeliwny, koks, topniki

• Ze względu na charakter osnowy wyróżniamy żeliwo szare: ferrytyczne, perlityczne, ferrytyczno-perlityczne. Ze wzrostem ilości perlitu w osnowie wzrasta wytrzymałość i twardość żeliwa a maleje wydłużenie.

• dzielą się na:

  • Szare – nazwa od ciemnego przełomu spowodowanego obecnością grafitu

    • Zwykłe:

      • węgiel występuje w postaci grafitu płatkowego

      • przełom ma szary kolor

      • dobra skrawalność

      • dobra wytrzymałość

      • mały skurcz odlewniczy

      • niski koszt wytwarzania

      • duża zdolność tłumienia drgań

      • dobra odporność na ścieranie

      • Łatwość odlewania skomplikowanych kształtów w formach piaskowych lub metalowych

      • wytwarza się z niego odlewy korpusów, obudów, bloków pomp, sprężarek i silników

    • Sferoidalne:

      • zmiana kształtu grafitu z płatkowego na kulisty przez wprowadzenie substancji silnie redukujących np. Mg

      • dobre własności wytrzymałościowe

      • dobre własności ślizgowe

      • może ulegać odkształceniu bez uszkodzeń

      • odporne na ściskanie i zginanie

      • odporne na wysokie ciśnienia

      • Zastosowanie: wały korbowe, pierścienie tłoków, łożyska, koła zębate

      • Przykład: PN-EN GJL-200

  • Białe – nazwa pochodzi od jasnego przełomu

    • bardzo twarde

    • bardzo kruche

    • nie obrabialne mechanicznie przez skrawanie

    • jedyna obróbka przez szlifowanie

    • półprodukt żeliwa ciągliwego

  • Ciągliwe:

    • otrzymane w wyniku długotrwałego wyżarzania żeliwa białego (wyżarzanie grafityzujące)

    • mają pewną ciągliwość

    • bardzo dobre własności wytrzymałościowe (porównywalne do żeliwa sferoidalnego i stali)

    • elementy po odlaniu muszą mieć strukturę żeliwa białego

    • wytwarzane dwoma metodami:

      • Żeliwo ciągliwe czarne (metoda amerykańska) – wyżarzanie odlewów w atmosferze obojętnej

      • Żeliwo ciągliwe białe (metoda europejska) – wyżarzanie odlewów w atmosferze utleniającej

    • Przykład: EN-GJMW-400-5

  • Żeliwo stopowe:

    • odporne na korozję

    • żaroodporne, żarowytrzymałe

    • o podwyższonych własnościach mechanicznych

    • produkowane poprzez wprowadzenie rożnych pierwiastków stopowych: Si, Al, Cr, Mo, Ni

    • Przykład: ZlCr2,5; ZlSi5Cr, ZlCr32

X CHARAKTERYSTYKA WIĄZAŃ MIĘDZY ATOMAMI,
WŁAŚCIWOŚCI METALI, CERAMIK, POLIMERÓW.

Wiązanie jonowe – powstaje między dodatnim i ujemnym jonem, które tworzą się wskutek przyłączenia jednego lub kilku elektronów walencyjnych jednego atomu przez drugi atom, tak że każdy z nich uzyskuje w zewnętrznej powłoce elektronowej trwałą konfiguracje oktetowi (8-elektronową), charakterystyczną dla gazów szlachetnych. Istotą tego wiązania są siły elektrostatycznego oddziaływania różnoimiennych jonów. Jest to wiązanie bezkierunkowe, silne.

Wiązania atomowe (kowalencyjne) – powstaje między atomami, które oddają po jednym, lub więcej elektronów walencyjnych na wspólny użytek obu atomów, tak że każdy z nich uzyskuje chwilową konfiguracje oktetową. Wiązanie to ma charakter kierunkowy, silny.

Wiązania Van der Waalsa (międzycząsteczkowe) – powstaje pomiędzy cząsteczkami na skutek występowania sił oddziaływania pomiędzy dipolami tworzącymi się na skutek chwilowych zmian rozkładu ładunku elektrycznego w cząsteczce. Energia wiązania jest proporcjonalna do wielkości cząsteczek. Wiązanie to występuje w polimerach i w skroplonych gazach, np. H2O, NH3. Jest słabe.

Wiązanie metaliczne - powstaje wskutek oddziaływania jonów dodatnich (rdzeni atomowych) z elektronami walencyjnymi, które nie stanowią własności poszczególnych atomów, lecz tworzą tzw. gaz elektronowy (są własnością całej sieci krystalicznej). Wiązanie to ma charakter bezkierunkowy, silny.

Wiązanie wodorowe – polega głównie na przyciąganiu elektrostatycznym między atomem wodoru i innym atomem elektroujemnym zawierającym wolne pary elektronowe, np. H2O. Jest to wiązanie stosunkowo słabe.

Pierwotnym źródłem wszelkich właściwości materiału, a zatem i potencjalnych funkcji pełnionych przez materiał, są wiązania chemiczne, czyli konfiguracja elektronowa składników materiałów.

Metale:

- wysoka przewodność cieplna i ciepło właściwe,

- wysoka przewodność elektryczna malejąca ze wzrostem temperatury,

- nieprzeźroczystość i połysk metaliczny,

- odporność na obciążenia udarowe,

- podatność na odkształcenia plastyczne,

- wysoka podatność do krystalizacji w czasie krzepnięcia (stan amorficzny przy bardzo dużej szybkości chłodzenia).

Ceramika:

- wysoka twardość i zarazem kruchość,

- większa od metali odporność na działanie wysokiej temperatury i agresywność środowiska,

- mała przewodność i rozszerzalność cieplna,

- właściwości izolacyjne, ale także półprzewodniki i wysokotemperaturowe nadprzewodniki.

Polimery:

-mała wytrzymałość mechaniczna i cieplna,

- mała gęstość,

- odporność na czynniki atmosferyczne i chemiczne,

- właściwości izolacyjne - elektryczne i cieplne,

- słabo odbijają światło - mają tendencje do przeźroczystości.