Aluminium –mały ciężar właściwy, odporność na korozje, pokrywa się warstwą tlenku tzw pasywacja chroniącą
przed dalsza korozją, sieć krystaliczna A1,
Stopy aluminium Mają wysoki wskaźnik własności wytrzymałościowych odniesionych do gęstości.
Stosunkowo niewielkie własności wytrzymałościowe aluminium można zwiększyć – nawet kilkakrotnie – przez
wprowadzenie pierwiastków stopowych oraz obróbkę cieplną stopów. W porównaniu ze stalami stopy
aluminiowe charakteryzują się znacznie mniejszą masą, a w niskiej temperaturze – większą udarnością.
Najogólniej stopy aluminium dzieli się na: odlewnicze i do obróbki plastycznej. Odlewnicze stopy aluminium są
przeważnie stopami wieloskładnikowymi o dużym stężeniu – od 5 do 25% – pierwiastków stopowych, głównie
Cu, Si, Mg i Ni lub ich różnych zestawień. Charakteryzują się dobrą lejnością i często małym skurczem
odlewniczym. Stopy do obróbki plastycznej zawierają znacznie mniej, bo ok. 5%, pierwiastków stopowych,
zwykle Cu, Mg, Mn, niekiedy także Si, Zn, Ni, Cr, Ti lub Li. Niektóre z tych stopów są po wyżarzaniu
rekrystalizującym, a część jest poddawana obróbce cieplnej polegającej na utwardzaniu wydzielinowym.
Stopy aluminium z krzemem (Siluminy) (Stopy odlewnicze)
- dobre własności odlewnicze (nie wykazują skłonności do pękania na gorąco)
- mały skurcz odlewniczy
- duża rzadkopłynność (umożliwia wykonanie cienkich wyrobów)
- jako stopy eutektyczne krzepną w stałej temperaturze, nie wykazując przy tym skłonności do segregacji
- dobra odporność na korozję pod warunkiem że nie mają dużej zawartości zanieczyszczeń, zwłaszcza żelaza
- odporne na działanie wody morskiej, wód mineralnych, a nawet sodu, amoniaku i kwasu azotowego, stężonego i rozcieńczonego
- dobre własności mechaniczne, które można jeszcze znacznie zwiększyć na drodze umacniania wydzieleniowego o ile stop zawiera dodatek Mg lub Cu
Duraluminium, wieloskładnikowy stop aluminium, oraz: miedzi (2.0-4.9 %), magnezu (0.15-1.8 %),
manganu (0.3-1.0 %) z domieszkami krzemu i żelaza, przeznaczony do obróbki plastycznej.
Duraluminium charakteryzuje się dobrymi własnościami mechanicznymi przy stosunkowo małym ciężarze
właściwym (2,8 g/cm3) oraz dużą odpornością na korozję. Wykorzystywany jest głównie w przemysłach:
lotniczym, samochodowym i chemicznym.
Miedź – dobra odporność na korozje, na powietrzu pokrywa się zasadowym węglem miedzi który chroni przed
dalsza korozją (patyna), dobre własności plastyczne, idealnie przewodzi ciepło i prąd, zdolność tworzenia
stopów: mosiądze, miedzionikle, brązy.
Stopy Miedzi :
Mosiądze stop miedzi i cynku, zawierający do 40% cynku:
- Mosiądze jednofazowe – zawierają do 32% Zn
zbudowane są z ziaren tylko jednej fazy α. Grupa mosiądzów o bardzo dobrych własnościach plastycznych,
dlatego też przerabia się je plastycznie na zimno.
Stosowane w przemyśle motoryzacyjny, na rury, odkuwki, do 15%Zn noszą nazwę tombaku używane w
przemyśle jubilerskim, mosiądz łuskowy używany do wyrobu łusek.
- Mosiądze przejściowe – zawierają 32-39% Zn
W zależności od obróbki cieplnej mogą mieć strukturę jednofazową α lub dwufazową α + β. Obecność fazy β w
strukturze mosiądzu powoduje wyraźny wzrost jego wytrzymałości.
- Mosiądze dwufazowe – zawierają 39-44% Zn
W strukturze obok fazy α pojawia się faza β. Faza β w temperaturze pokojowej wykazuje znacznie mniejszą
plastyczność zaś większą przy temperaturze powyżej 500oC, dlatego też mosiądze te przerabia się plastycznie na
gorąco. Ich zaletą jest ułatwiona obróbka skrawaniem po przez tworzenie kruchego wióra, stosuje się na odlewy
części maszyn i armaturę.
- Mosiądze wysokoniklowe zwane również nowymi srebrami, to mosiądze wieloskładnikowe zawierające nikiel
(11-19%) i cynk (20-27%). Mają srebrzystą barwę, bardzo plastyczne, duża odporność na działanie atmosfery,
małe przewodnictwo cieplne i duża oporność elektryczna.
Miedzionikle – stopy miedzi i niklu, które mogą zawierać także takie dodatki
stopowe jak krzem, żelazo, aluminium lub mangan. Miedzionikle charakteryzują się
dobrą wytrzymałością, żaroodpornością i odpornością na korozję. Miedzionikle posiadają dobre własności
oporowe. Wytwarza się z nich np. monety
Brązy stopy miedzi (80–90%) z cyną:
Brązy cynowe – zawartość cyny do 9%, stosowane do wykonywania elementów trudno ścieralnych(np.
sprężyny), w stanie obrobionym plastycznie na zimno mają dobre właściwości mechaniczne, stosowane w
przemyśle chemicznym, okrętowym, papierniczym.
Brązy berylowe – zawartość berylu do ok. 2%, posiadają najwyższe własności mechaniczne, można je
poddawać obróbce plastycznej na zimno i gorąco, mają dużą przewodność cieplną i elektryczną. Stosowane do
aparatury chemicznej, elementów żaroodpornych.
Brązy krzemowe – zawartość krzemu do 3,5%, do obróbki plastycznej stosowane na elementy aparatury w
przemyśle maszynowym, chemicznym (sprężyny,łozyska), odlewnicze stosowane na panewki, wirniki pomp,
wadą jest duży skurcz odlewniczy.
Brązy aluminiowe – zawartość aluminium do 11%, dobre właściwości wytrzymałościowe i plastyczne, odporne
na korozje i żaroodporne, stosowane jako materiały do przeróbki plastycznej jak i stopy odlewnicze.
Stale stopowe ze względu na zastosowanie dzielimy na:
Stale konstrukcyjne:
• Stale ogólnego przeznaczenia – do wyrobu części maszyn i konstrukcji, są to stale o małych i średnich
zawartościach węgla i niskostopowe, w których ogólna zawartość pierwiastków stopowych nie przekracza na ogół kilku procent
• Stale niskostopowe o podwyższonej wytrzymałości - zastosowanie: konstrukcje przemysłowe spawane, mosty, statki, do zbrojenia betonu
• Stale konstrukcyjne do ulepszania cieplnego - zastosowanie: części maszyn, pojazdów i konstrukcji
(40Cr4; 36CrNiMo4-4-2)
• Stale do nawęglania zastosowanie: części maszyn o wysokiej twardości i ciągliwym rdzeniu; stężenie węgla nie przekracza 0,25% C, ponadto zawierają Mn, Cr, Ni, Mo, po nawęglaniu stosujemy hartowanie i niskie odpuszczanie (15Cr3; 15CrMnMo4-4-1)
• Stale do azotowania - zastosowanie: części maszyn o wysokiej twardości i zwiększonej odporności korozyjnej powierzchni oraz dużej wytrzymałości rdzenia ponieważ azotowanie prowadzimy przy temp. 550oC dlatego przed tym zbiegiem stale poddaje się ulepszaniu cieplnemu tj. hartowanie i wysokie odpuszczanie, gdyż azotowana stal nie ulega już dalszemu mięknięciu (38CrAlMo6-9-2)
• Stale sprężynowe - zastosowanie: sprężyny, resory, drążki skrętne
powinny mieć wysoką granicę sprężystości i wysoką wytrzymałość zmęczeniową,
są to stale o większych zawartościach węgla z pierwiastkami silnie utwardzającymi
ferryt np.. Si, Mn (50Si2)
• Stale na łożyska toczne - zastosowanie: pierścienie, kulki, wałeczki łożysk tocznych (100Cr6)
• Stale do pracy przy obniżonych temperaturach - zastosowanie: zbiorniki na ciekłe gazy, konstrukcje i rury pracujące przy obniżonych
temperaturach
• Stale do pracy przy podwyższonych temperaturach
zastosowanie: sprężyny, resory, drążki skrętne
są to niskowęglowe stale zawierające dodatek Cr, Mo, które utrudniają zjawisko
pełzania materiału (16Mo3; 20CrMo4-5)
Stale narzędziowe – które powinny cechować się duża twardością, większą od obrabianego materiału.
Zawierają na ogół większe ilości węgla
i pierwiastków stopowych, własności nadaje się im przez hartowanie
i odpuszczanie,
• Stale do pracy na zimno
– narzędzia wykonane z tych stali nie powinny się nagrzewać powyżej 250oC,
– obróbka cieplna tych stali polega na ich zahartowaniu w wodzie lub oleju i
następnym odpuszczaniu przy temperaturze 100-250oC
– stale o małej zawartości %C z dodatkami Cr, W i Si wykazują zwiększoną
ciągliwość, stąd zastosowanie na narzędzia narażone na udarowe działanie
obciążeń
– stale średniowęglowe wysokochromowe są odporne na korozję (narzędzia
chirurgiczne),
– stale niskowęglowe przeznaczone są do nawęglania, przez co narzędzie uzyskuje
twardą warstwę wierzchnią i miękki, ciągliwy rdzeń
• Stale do pracy na gorąco
– stosowane na narzędzia pracujące w temperaturach od 250-700oC (narzędzia
kuźnicze, noże do cięcia na gorąco, matryce pras kuźniczych, formy do
odlewania pod ciśnieniem).
– stale te zawierają od 0.3-0.6 %C oraz Cr, W, Mo i V,
– narzędzia z tych stali narażone są nie tylko na ścieranie ale również na
odpuszczające działanie ciepła
– powinny mieć dobre przewodnictwo cieplne i odporność na zmęczenie cieplne
wywołane cyklicznym nagrzewanie i chłodzeniem
– powinny też mieć dobrą odporność na pękanie
• Stale szybkotnące
– stosuje się na narzędzia do skrawania materiałów z dużymi prędkościami
– mogą pracować bez utraty twardości przy 550-600oC
– ich wysoka twardość i odporność na odpuszczające działanie ciepła jest
wynikiem wystąpienia efektu twardości wtórnej po odpuszczaniu przy
ok. 560oC
– Zawierają 08-1,4 %C, do 19% W, do 10% Mo, do 5% V, do 10% Co,
ok. 4% Cr,
– obróbka cieplna polega na zahartowaniu od 1200oC – 1270oC w oleju lub
w powietrzu i odpuszczaniu przy ok. 560oC na maximum twardości wtórnej
Stale i stopy o szczególnych własnościach – do tej grupy zalicza się stopy o najbardziej
zróżnicowanym zastosowaniu, z tym samym własnościach. Grupę tych stali stanowią stale o
własnościach fizycznych, chemicznych lub mechanicznych decydujących o ich zastosowaniu.
Stężenie pierwiastków stopowych w tych stopach może przekraczać 50% (stopy specjalne), gdy Fe nie
jest głównym składnikiem mówimy wówczas
o nadstopach.
Stale o szczególnych własnościach możemy podzielić na stale:
• odporne na korozję,
• żaroodporne i żarowytrzymałe,
• odporne na ścieranie,
• do utwardzania powierzchniowego
• stopy o szczególnych własnościach magnetycznych,
• stopy o złożonej rozszerzalności cieplnej i wł. Sprężystych
Nawęglanie polega na nasyceniu węglem wierzchnich warstw części wykonywanych ze stali
niskowęglowych. Uzyskanie twardej, odpornej na ścieranie warstwy przy zachowaniu ciągliwego
rdzenia.
Sposób wykonania nawęglania: nagrzewanie niskowęglowej stali w odpowiednim ośrodku
nawęglającym gazowym lub stałym (nawęglanie w proszkach) do temperatury powyżej Ac3 (780°C),
wytrzymywanie przez czas wystarczający do uzyskania żądanej grubości warstwy nawęglonej z
następnym powolnym chłodzeniem.
Temperatura nawęglania: 850-950ºC, czas 2-8 h.
Stale do nawęglania – do ok. 0,25%C, węglowe i niskostopowe z chromem, niklem, molibdenem pierwiastkami poprawiającymi hartowność stali.
Azotowanie stali polega na nasyceniu warstwy wierzchniej N, w wyniku czego uzyskuje się dużą
twardość i odporność na zmęczenie. Tak dużą twardość można jednakże osiągnąć tylko na specjalnych
stalach do azotowania zawierających Cr, Mo i Al. Ponieważ azotowanie przeprowadza się w niezbyt
wysokiej temperaturze, stal uprzednio poddaje się ulepszaniu. Stosuje się atmosferę zdysocjowanego
amoniaku, w której występują aktywne atomy azotu. W wyniku tego następuje ich dyfuzja oraz
tworzenie się azotków pierwiastków stopowych i żelaza. Obecność węgla w stalach utrudnia proces
azotowania. Wobec tego stale wysokowęglowe nie nadają się do azotowania, a stale niskowęglowe,
mimo iż nadają się, są rzadko stosowane ze względu na stosunkowo niskie własności
wytrzymałościowe rdzenia.
Węgloazotowanie i azotonawęglanie stali
Polega na nasyceniu powierzchni przedmiotów stalowych jednocześnie węglem i azotem w
temperaturze 750-950°C (węgloazotowanie) i azotonawęglanie (450-650 °C). Po zahartowaniu i
odpuszczeniu zyskuje się twardą i odporną na ścieranie warstwę powierzchniową. W zależności od
rodzaju ośrodka wydzielającego węgiel i azot rozróżnia się procesy węgloazotowania kąpielowego
(cyjanowania) lub gazowego (wprowadza się amoniak).
Zaletami węgloazotowania kąpielowego są: skrócenie czasu procesu w stosunku do czasu nawęglania,
uzyskanie bardzo twardych powłok odpornych na ścieranie, stosunkowo niska temperatura procesu.
Wadami węgloazotowania kąpielowego są: niebezpieczeństwo zatrucia pracowników parami soli
cyjanowych oraz konieczność częstego kontrolowania składu kąpieli. Węgloazotowanie gazowe eliminuje wadę węgloazotowania kąpielowego związaną z możliwością
zatrucia, przy zachowaniu niemal identycznego efektu końcowego obróbki.
Hartowność stali – zdolność do tworzenia w trakcie hartowania struktury martenzytycznej.
Głównym czynnikiem wpływającym na hartowność stali jest jej skład chemiczny, czyli zawartość węgla oraz
pierwiastków stopowych i technologicznych. Poza składem chemicznym wpływ na hartowność mają także
wielkość ziarna i jednorodność austenitu oraz obecność innych, nierozpuszczonych cząstek. Dodatki stopowe,
zwiększają hartowność stali poprzez zmniejszenie krytycznej szybkości chłodzenia. Krytyczna szybkość
chłodzenia, czyli najmniejsza szybkość chłodzenia pozwalająca na uzyskanie struktury martenzytycznej. Wyższa
hartowność pozwala na zastosowanie mniejszych szybkości chłodzenia (hartowanie w oleju), unikając w ten
sposób naprężeń hartowniczych.
Miary hartowności:
Miarą hartowności jest grubość warstwy martenzytycznej na przekroju hartowanego przedmiotu. W praktyce ocenę hartowności przeprowadza się w oparciu o tzw.średnicę krytyczną, tj. przy której po zahartowaniu uzyskuje się w osiowej części przekroju strukturę o określonej zawartości martenzytu, lecz nie mniejszej od 50%. Średnica krytyczna dla danego gatunku stali jest zależna między innymi od rodzaju ośrodka chłodzącego i im wolniej chłodzi ośrodek tym mniejsza jestśrednica krytyczna.
Struktura krystaliczna, w strukturach krystalicznych atomy są ułożone w periodycznie powtarzających się odstępach w co najmniej 3 nierównoległych kierunkach. Do opisu struktury wybiera się najprostszy element, zwany komórką elementarną. Długości krawędzi są nazywane stałymi sieciowymi lub parametrami sieciowymi. Powtarzanie komórki w trzech wymiarach generuje strukturę krystaliczną.
Defekty sieci krystalicznej, niedoskonałości w ułożeniu atomów nazywamy defektami sieciowymi:
- Defekty punktowe — to wakanse (luki) i atomy międzywęzłowe, Wakans to brak atomu w węźle sieci
krystalicznej. W danej temperaturze istnieje zawsze określona liczba wakansów. Defekty te powstają w
wyniku drgań sieci o amplitudzie wzrastającej z temperaturą, które powodują wypadanie pewnej liczby
atomów ze swoich położeń równowagi. Tworzy się zawsze para defektów atom międzywęzłowy
(wytrącony) — wakans. W modelu Frenkla atom z węzła sieci zajmuje położenie międzywęzłowe,
natomiast w modelu Schottky`ego dokonuje on wyjścia na swobodną powierzchnię kryształu.
Inne defekty punktowe to atomy obcych pierwiastków, które mogą zajmować położenia węzłow (atomy
substytucyjne) lub międzywęzłowe
- Defekty liniowe – to dyslokacje: krawędziowe, śrubowe i mieszane:
- krawędziowa – Powstaje przez wprowadzenie w kryształ dodatkowej płaszczyzny. Cechą
charakterystyczną dyslokacji jest duże odkształcenie sieci, co jest spowodowane dążeniem atomów
sąsiadujących z linią dyslokacji do dostosowania swych położeń do warunków wytworzonych przez
brak płaszczyzny. Dyslokacja krawędziowa ma wektor Burgersa prostopadły do linii dyslokacji
- śrubowa - defekt liniowy struktury krystalicznej spowodowany przemieszczeniem części kryształu
wokół osi, zwanej linią dyslokacji śrubowej. Dyslokacja śrubowa ma w. Burgersa równoległy do linii dyslokacji.
- mieszana – suma dyslok. Krawędz. I śrubow.
- Defekty powierzchniowe - granice ziarn – w obrębie granicy obserwujemy na ogół chaotyczny rozkład atomów spowodowany
nagromadzeniem się tam dyslokacji i defektów punktowych. Rozróżniamy granice szerokokątową i
wąskokątową.
Mechanizmy umocnienia:
Roztworowe – polega na wprowadzeniu do sieci krystalicznej obcych atomów o średnicach różnych od
atomów rodzimych sieci. Naprężenia wprowadzane w ten sposób powodują opór ruchu dyslokacji.
Mechanizm skuteczny ale trudno uzyskuje się większe efekty ze względu na ograniczoną rozpuszczalność
pierwiastków. Duży efekt umocnienia uzyskuje się przy wykorzystaniu przemiany martenzytycznej
Dyslokacyjne - czynnikiem decydującym o umocnieniu materiału jest wzrost gęstości dyslokacji.
Mechanizm skuteczny w wyrobach przerabianych plastycznie. Podczas eksploatacji temperatura nie może
wzrosnąć powyżej 0.3 Tt.
Wydzieleniowe - metoda obróbki cieplnej metali prowadząca w efekcie do zwiększenia ich wytrzymałości
mechanicznej. Mechanizm wykorzystywany w stopach w których rozpuszczalność domieszki maleje ze
obniżaniem temperatury a wydzielane cząstki są koherentne lub częściowo koherentne z osnową i
charakteryzują się dużą dyspersją. Proces utwardzania składa się z dwóch etapów, przesycania i starzenia.
Rozdrobnienie ziarn - Najkorzystniejszy mechanizm umocnienia gdyż oprócz wzrostu wytrzymałości
powoduje spadek temperatury przejścia w stan kruchy. Umocnienie spowodowane jest zwiększeniem
powierzchni granic ziaren, kosztem wielkości samych ziaren w materiale. Mechanizm skuteczny w metalach
i stopach stosowanych przy niższych temperaturach. Szeroko stosowany w stalach mikroskopowych.
Odkształceniowe - zjawisko wzrostu wytrzymałości metali w trakcie ich deformacji
plastycznej poniżej temperatury rekrystalizacji - wynik wzajemnego oddziaływania dyslokacji.
Nieruchome dyslokacje blokują dyslokacje zdolne do ruchu – dyslokacje stają się przeszkodami w ruchu dla
samych siebie (przecinanie się dyslokacji prowadzi do powstania silnych przeszkód w postaci nieruchomych
uskoków).
Statyczna próba rozciągania:
Umożliwia określenie podstawowych charakterystyk wytrzymałościowych i plastycznych
Sprzęt do jej realizacji: maszyna wytrzymałościowa, umożliwiająca rejestrację zmiany długości pomiarowej
próbki (Dl)i siły (F)
Wymiary próbek, definicje parametrów są znormalizowane
Próbki stosowane w próbie rozciągania nazywamy próbkami wytrzymałościowymi
Bezpośredni wynik próby rozciągania – wykres F w funkcji delta l
Normalizacja polega na tym, że obciążenie F zastępuje się naprężeniem nominalnym sigma n
Wydłużenie delta l zastępuje się wydłużeniem nominalnym epsilon n
Początkowo próbka rozciąga się sprężyście, później plastycznie (trwale). Jeśli usuniemy naprężenie to
próbka będzie dłuższa
Do obciążenia maksymalnego zmniejszenie przekroju jest równomierne na całej długości
Przy obciążeniu maksymalnym zaczyna tworzyć się przewężenie (szyjka)
Następnie zachodzi szybkie zmniejszanie przekroju w szyjce i spadek siły, aż do zerwania
Po utworzeniu szyjki odkształcenie następuje jedynie w jej obszarze
Metody pomiaru twardości:
- Rockwella - opiera się na pomiarze głębokości odcisku który powstał wskutek wciskania się wgłębnika (stożka
diamentowego lub kulki stalowej) w gładka powierzchnie badanego materiału. HR=K-(h/0,002) K jest stałą
zależna od wgłębnika. Przy zastosowanie kulki twardośc odczytujemy w skali B, a przy zastosowaniu stożka
(kąt rozwarcia 120o) z C. Stożek stosuje się do stali twardszych, zahartowanych.
- Brinella – polega na wgniataniu hartowanej kulki o średnicy D w gładką powierzchnie nadanego przedmiotu
pod naciskiem P prostopadłym do powierzchni, oraz na zmierzeniu średnicy d odcisku pozostawionego przez
kulkę w materiale. HB=2P/(pi*D*(D-sqrt(D^2-d^2))). Nacisk należy zwiększać stopniowo, bez uderzenia.
- Vickersa – polega na wgniataniu w badany przedmiot czworobocznego ostrosłupa diamentowego o kącie 136o,
który jest tak dobrany że umożliwia porównanie wyników z próba Barinella dla materiałów o średniej twardości.
HV=1,8544*(P/a^2) a-średnia przekątna odcisku.
Wykresy CTP:
Mamy dwa rodzaje wykresów
CTPi (Czas – Temperatura - Przemiana w warunkach izotermicznych)
CTPc (Czas – Temperatura - Przemiana podczas ciągłego spadku temperatury)
Dla celów praktycznych większe znaczenie mają wykresy CTPc
Wykres CTPc
Kilka próbek podgrzewa się powyżej temperatury austenityzowania i schładza się je z różnymi szybkościami
zaznaczają wydzielające się fazy. Krzywe obrazujące szybkości chłodzenia wraz z fazami nanosi się na wykres
zależności temperatury od czasu.
Zastosowanie: dobór warunków obróbki cieplnej; przewidywanie struktury i twardości materiału.
Wykres CTPi
Aby zbudować taki wykres, kilka próbek umieszcza się w dylatometrze i kolejno każdą z nich podgrzewa się do
tej samej temperatury (powyżej temperatury austenityzowania), a następnie schładza do różnych temperatur i
wytrzymuje w nich przez odpowiedni czas (aż do momentu całkowitego zajścia przemiany).
Zastosowanie: dobór warunków obróbki cieplnej; wyznaczenie krytycznej szybkości chłodzenia Vk ;
wyznaczenie współczynnika hartowności stali.
Stal nieuspokojona
- Jest odtleniana w takim stopniu, aby reakcja wydzielania CO zachodziła we wlewnicy
- Krzepnięciu towarzyszy intensywne wydzielanie gazów, we wlewku pozostają liczne pęcherze
- We wlewku ze względu na silne turbulencje występuje silna segregacja P, S, C i pierwiastków
stopowych
- Z tego względu stale nieuspokojone zawierają do 0.25%C
- Brak jamy usadowej
- Ten sposób coraz rzadziej stosowany
Stal półuspokojona
- Odtlenianie niezupełne, ale w większym stopniu
- Tworzenie CO dopiero w końcowej fazie krzepnięcia
- Stale półuspokojone są odtleniane Mn i Si, czasem Al.
- Zaw. Si: 0.05-0.12%
Stal uspokojona
- Odtleniona, krzepnięcie bez wydzielania gazów
- Odtlenianie za pomocą Mn, Si i Al.
- Zaw. Si>0.17%
- Górna część wlewka – jama usadowa – odpad 5-18%
- Ze względu na stopień odtleniania w stalach niestopowych może występować do 1.65%Mn, 0.5%Si i
niewielkie ilości Al.
- Al zapewnia drobnoziarnistość stali
Podział stali
# Ze względu na skład chemiczny
- Węglowe (niestopowe)
- Stopowe
# W zależności od czystości
* Stale niestopowe
- Podstawowe
- Jakościowe
- Specjalne
* Stale stopowe
- Jakościowe
- Specjalne
# W zależności od przeznaczenia:
* Stale konstrukcyjne
- Węglowe
- Niskostopowe
- Do obróbki cieplno-chemicznej (C, N)
- Do ulepszania cieplnego
- Sprężynowe;
- Łożyskowe
* Narzędziowe
- Niestopowe
- Stopowe
- Do pracy na zimno
- Na gorąco
- Szybkotnące
* O szczególnych własnościach
- Odporne na korozję
- Żaroodporne
- Żarowytrzymałe
- Zaworowe
- Na opory grzewcze
- O szczególnych własnościach magnetycznych
Żeliwa
# Stopy odlewnicze zaw.>2.11%C oraz pierwiastki (Si, Mn, P i S) nazywamy żeliwami
# Skład żeliw:
- 2.11-3.8%C
- 0.5-3.5%Si
- 0.2-1%Mn
- 0.05-0.8%P
- 0.02-0.15%S
Żeliwa - podział
# Szare - część węgla występuje w postaci grafitu - przełom jest szary. Uznawane za żeliwo wyższej jakości, jest bardziej ciągliwe, łatwiej obrabialne, charakteryzuje się dobrą lejnością i posiada mniejszy skurcz odlewniczy – (rzędu 1,0%), niż żeliwo białe. Wytwarza się z niego odlewy korpusów, obudów, bloków pomp, sprężarek i silników.
# Białe - węgiel związany w postaci cementytu (Fe3C)- przełom jest jasny. Uznawane za żeliwo niższej jakości, jest mniej ciągliwe, gorzej obrabialne, charakteryzuje się nie najlepszą lejnością i posiada większy skurcz odlewniczy (do 2,0%) niż żeliwo szare. Jest to żeliwo kruche i nieobrabialne, nie nadaje się na części konstrukcyjne..
# Połowiczne – skupienia grafitu i cementytu – przełom jest pstry.
# Ciągliwe - żeliwo otrzymane w wyniku długotrwałego wyżarzania żeliwa białego. Ze względu na strukturę dzieli się na:
- Białe - Wyżarzanie odlewów z żeliwa białego w atmosferze odwęglającej
- Czarne - w atmosferze obojętnej, przez rozkład cementytu grafit w kształcie prażonej kukurydzy, Struktura: ferryt+grafit lub ferryt+grafit+perlit
- Perlityczne - W przypadku pominiecia drugiego stadium grafityzacji, chłodząc żeliwo z większą szybkoscią w zakresie przemiany eutektoidalnej, zajdzie przemiana austenitu w perlit.
Własności żeliw
- Zależą od
* struktury osnowy
* Od kształtu ilości i rozmieszczenia grafitu
- Największy wpływ na własności plastyczne i odporność na pękanie ma grafit
- Jego wydzielenia – podobne do porów i pustek
- Dlatego najmniejsze własności ma żeliwo z grafitem o ostrych krawędziach (karby)
- Najlepsze własności plastyczne ma żeliwo sferoidalne
- Własności wytrzymałościowe na ściskanie są znacznie lepsze niż na rozciąganie
- Własności wytrzymałościowe rosną ze wzrostem ilości węgla związanego a plastyczne maleją
- Twardość i wytrzymałość na ściskanie w małym stopniu zależą od kształtu cząstek grafitu
- Dobra wytrzymałość na ściskanie
- Zdolność tłumienia drgań
- Dobra skrawalność (szarych)
- Dobre własności odlewnicze
- Niski koszt wytwarzania
- Do żeliw można dodawać dodatki stopowe (żeliwa stopowe)
Wyżarzanie - nagrzanie do określonej temperatury, wygrzanie w tej temperaturze i chłodzenie z szybkością umożliwiającą otrzymanie struktury bardziej zbliżonej do stanu równowagowego
Cele wyżarzań
• Zmniejszenie twardości i tym samym ułatwienie obróbki skrawaniem lub obróbki plastycznej na zimno
• Uzyskanie struktury bardziej właściwej z punktu widzenia dalszych operacji obróbki cieplnej lub
innych operacji technologicznych
• Zmniejszenie naprężeń własnych
Rodzaje wyżarzenia:
• ujednorodniające
• normalizujące
• odprężające
• zmiękczające
• rekrystalizujące
• odpuszczające
• starzące.
• Zupełne
• niezupełne
Procesy wyżarzania bez przekrystalizowania.
Wyżarzanie rekrystalizujące przeprowadza się po obróbce plastycznej na zimno. Polega na nagrzaniu
materiału do temperatury wyższej od temperatury początku rekrystalizacji, wygrzaniu w tej temperaturze i
chłodzeniu. Celem wyżarzania rekrystalizującego jest usunięcie skutków zgniotu i przywrócenie pierwotnych
właściwości materiału. Temperaturę rekrystalizacji można w przybliżeniu określić: Tr»(0,35-0,6)Tt [K] gdzie: Tr - temperatura rekrystalizacji, Tt - temperatura topnienia.
Wyżarzanie odprężające (odprężanie) polega na nagrzaniu materiału do temperatury poniżej Ac1, najczęściej 600-650°C, wygrzaniu w tej temperaturze i powolnym studzeniu. Celem wyżarzania odprężającego jest zmniejszenie naprężeń własnych bez wyraźnych zmian struktury i właściwości uzyskanych w wyniku
wcześniejszej obróbki, stosowane jest do odlewów staliwnych, elementów spawanych oraz utwardzonych przez
odkształcenia plastyczne.
Wyżarzanie stabilizujące (stabilizowanie) – przeprowadzane w temperaturach pomiędzy 100÷150 °C i trwa od kilku do kilkudziesięciu minut, w stosunku do wyrobów odlewniczych w celu usunięcia naprężeń odlewniczych. Stabilizowanie jest przyspieszoną metodą sezonowania
Procesy wyżarzania z przekrystalizowaniem.
Wyżarzanie ujednorodniające (homogenizujące) polega na nagrzaniu materiału do temperatury 1000-1200°C
(o ok.100-200°C niższej od temperatury solidusu), długotrwałym wygrzaniu w tej temperaturze aż do
wyrównania składu chemicznego oraz powolnym chłodzeniu. Celem zabiegu jest zmniejszenie niejednorodności
(mikrosegregacji) składu chemicznego.
Wyżarzanie normalizujące (normalizowanie) polega na nagrzaniu do stanu austenitycznego, tzn. 30-50°C
powyżej temperatury linii GSE (Ac3, Acm) i następnie studzeniu w powietrzu. Celem operacji jest uzyskanie
jednorodnej struktury drobnoziarnistej, a przez to poprawa właściwości mechanicznych stali. Jest stosowane do
niestopowych stali konstrukcyjnych i staliwa - często przed dalszą obróbką cieplną w celu ujednorodnienia
struktury.
Hartowanie
Hartowanie ma na celu uzyskanie maksymalnej twardości stali. Polega na nagrzaniu stali do temperatury hartowania, wygrzaniu w tej temperaturze i następnym chłodzeniu z szybkością pozwalającą uzyskać strukturę martenzytyczną lub bainityczną. W zależności od tego, jaka objętość elementu hartowanego jest nagrzana do temperatury hartowania, rozróżniamy
- hartowanie objętościowe
- hartowanie powierzchniowe
Aby zahartować stal, należy przedmiot chłodzić z szybkością większą od krytycznej, która zależy od
hartowności stali. Stale o dużej szybkości krytycznej chłodzi się w wodzie, o mniejszej zaś – w olejach lub
innych ośrodkach. Krytyczna szybkość chłodzenia jest tylko jednym z kryteriów doboru ośrodka
chłodzącego. Inny ważny czynnik to wielkość i złożoność kształtu przedmiotu i wynikające naprężenia
cieplne i strukturalne.
Jeśli wybrany ze względu na krytyczną szybkość chłodzenia ośrodek powoduje nadmierne odkształcenia lub pęknięcia, to należy zmienić gatunek stali na inny o większej hartowności, co umożliwi zastosowanie ośrodka o mniejszej intensywności chłodzenia.
Hartowanie powierzchniowe
Polega na szybkim nagrzaniu to temperatury hartowania tylko warstwy wierzchniej i następnym
szybkim jej ochłodzeniu
Ważniejsze cechy:
- Nagrzewanie cienkiej warstwy w miejscach, gdzie to jest wymagane
- Zmniejszenie odkształceń hartowniczych
- Krótki czas obróbki
- Minimalne utlenianie powierzchni
- Możliwość zastępowania stali stopowych przez węglowe i niskostopowe
Odpuszczanie stali
- Odpuszczanie polega na rozgrzaniu zahartowanego wcześniej przedmiotu do temperatury w granicach 150 do 650 °C, przetrzymywaniu w tej temperaturze przez pewien czas, a następnie schłodzeniu. W czasie odpuszczania całość lub część martenzytu zawartego w zahartowanej stali rozpada się, wydzielając bardzo drobne ziarna cementytu,
- Celem odpuszczania jest usunięcie naprężeń hartowniczych oraz zmiana własności fizycznych zahartowanej stali, a przede wszystkim zmniejszenie twardości, a podniesienie udarności zahartowanej stali.
-Przemiany podczas odpuszczania
I. W zakresie temperatury 80-200°C następuje przemiana martenzytu tetragonalnego w martenzyt regularny -
zwany też martenzytem odpuszczonym - co związane jest z wydzielaniem węgla z martenzytu w postaci
węglika e. Węglik ten wykazuje zmienny skład wahający się w granicach Fe2C-Fe3C. Przemiana w tym zakresie
temperatury związana jest ze skurczem próbki, co można zarejestrować za pomocą badań dylatometrycznych
(rys. 5.17).
Rys. 5.17. Krzywa dylatometryczna przedstawiająca różne stadia przemian zachodzących w czasie odpuszczania
stali zahartowanej; D l - przyrost długości próbki
II. W zakresie temperatury 200-300°C zachodzi przemiana austenitu szczątkowego w martenzyt odpuszczony i
węglik żelaza, a także zachodzi w dalszym ciągu wydzielanie węglika z martenzytu. Ponieważ objętość
właściwa austenitu jest mniejsza niż martenzytu w tym stadium przemiany obserwuje się rozszerzanie się próbki
(rys. 5.18).
III. W zakresie temperatury 300-400°C następuje zarodkowanie i wzrost wydzieleń cementytu Fe3C, przy czym
węglik e rozpuszcza się, a węgiel dyfunduje do rosnących wydzieleń cementytu Fe3C. W tym stadium zachodzi
również intensywny proces zanikania naprężeń własnych. W temperaturze ok. 400°C zawartość węgla w ferrycie
osiąga już wartość odpowiadającą stanowi równowagi. W czasie tych przemian obserwuje się skurcz próbki.
IV. Przy dalszym nagrzewaniu stali zahartowanej powyżej 400°C następuje proces koagulacji wydzieleń
cementytu, a wyjściowe igły martenzytu ulegają zdrowieniu.- i rekrystalizacji. Przy najwyższych temperaturach
odpuszczania procesami dominującymi stają się rozrost ziarna i sferroidyzacja cementytu. Struktura składa się z
ferrytu i cementytu drobnoziarnistego i nosi nazwę sorbitu_
Podział stopów żelaza ze względu na zawartość węgla:
przy bardzo niewielkiej zawartości węgla, poniżej 0,0218% udaje się uzyskać niemal czyste żelazo α zwane ferrytem.
przy zawartości 0,77% węgla uzyskuje się perlit będący mieszaniną eutektoidalną ferrytu i cementytu
przy zawartości węgla 4,3%, w krzepnącym stopie, powstaje ledeburyt, który w czasie dalszego chłodzenia w temperaturach poniżej 723 °C przekształca się w ledeburyt przemieniony. Ledeburyt jest eutektyką.
przy zawartościach węgla pomiędzy 0,0218% a 0,77% otrzymuje się stopy podeutektoidalne (stale podeutektoidalne), które są mieszaninami ferrytu i perlitu.
stopy w zakresie 0,77% do 2,11% – stale nadeutektoidalne – są mieszaninami perlitu i cementytu.
stopy o zawartości węgla powyżej 2,11% (żeliwo), są mieszaninami ledeburytu przemienionego i perlitu (do 4,3% węgla) lub cementytu (powyżej 4,3% węgla). W przypadku stosunkowo wolnego chłodzenia w stopach tych może także wystąpić grafit.
Roztwory substytucyjne: roztwór stały, w którym atomy składnika rozpuszczanego zastępują atomy rozpuszczalnika(zajmują położenia atomów rodzimych).
Roztwory międzywęzłowe: Gdy atomy rozpuszczone mają o wiele mniejszy promień wówczas tworzą w metalu rozpuszczalniku roztwory międzywęzłowe.
W żelazie takie roztwory mogą tworzyć pierwiastki: H, N, C, O i w ograniczonym zakresie B
W roztworach międzywęzłowych atomy domieszki są umieszczone w lukach międzywęzłowych. Jeśli średnica atomu składnika rozpuszczonego jest dużo mniejsza od średnicy atomu składnika podstawowego, to może się okazać, że zajęcie przez taki atom położenia atomowego w strukturze krystalicznej osnowy może być energetycznie niestabilne. W tym przypadku energetycznie korzystnie będzie, gdy małe atomy zajmują miejsca w lukach znajdujących się między atomami składnika podstawowego.
Mechanizmy umocnienia stopów metalicznych:
Utwardzanie wydzieleniowe: składa się z dwóch zabiegów: przesycenia i starzenia.
Przesycenie - nagrzanie stopu do zaistnienia jednorodnego roztworu stałego celem rozpuszczenia wydzielonej fazy, wygrzaniu, a następnie na tyle szybkim chłodzeniu, aby nie wydzieliła się rozpuszczona uprzednio faza. Stop uzyskuje strukturę jednofazową.
Starzenie - nagrzanie uprzednio przesyconego stopu do temp. niższej od linii granicznej rozpuszczalności, wygrzaniu w tej temp. i chłodzeniu. Podczas starzenia następuje wydzielenie z przesyconego roztworu składnika znajdującego się w nadmiarze. Wydzielony składnik staje na drodze dyslokacji i silnie umacnia materiał.
Umocnienie roztworowe: polega na wprowadzaniu do stopu atomów obcych, zastępujących w sieci krystalicznej atomy rodzime, obce atomy wciskając się w strukturę sieci wywołują naprężenia „uciskając” sąsiednie atomy, utrudnia to ruch dyslokacji co w dużym stopniu utwardza materiał.
Umocnienie dyslokacyjne: uzyskuje się je przez odkształcanie materiału. Gęstość linii dyslokacji rośnie, spotykają się one z liniami ulokowanymi na innych płaszczyznach co w końcowym efekcie umacnia materiał.
Umocnienie przez granice ziaren: ziarna w polikrysztale dokładnie do siebie pasują, ale różnią się orientacją krystalograficzną. Na granicach ziarn struktura krystaliczna jest zaburzona lecz wiązania atomowe poprzez granice są zazwyczaj ba tyle liczne i silne, że granica zazwyczaj nie osłabia materiału. Gdy polikryształ zaczyna odkształcać się plastycznie poślizg rozpoczyna się w tych ziarnach, w których płaszczyzny poślizgu są najmniej odchylone od kierunku naprężenia poślizgu dyslokacji. Następnie rozprzestrzenia się on na inne ziarna mniej korzystnie zorientowane. Stąd przekroczenie granicy plastycznej nie odbywa się wszędzie jednocześnie, a wiele ziarn jest zorientowanych niekorzystnie dla uruchomienia poślizgu (utrudnienie odkształcenia).
Pierwiastki w stali :
Pierwiastki w stali dzielimy na 3 grupy:
Domieszki zwykłe, konieczne ze względów metalurgicznych (Mn, Si, Al), dodawane w celu odtlenienia stali
Zanieczyszczenia (S, P, N, O, H)
Dodatki stopowe, wprowadzane celowo dla nadania określonych własności (Mn, Si, Cr, Mo, W, V, Cu, B)
Pierwiastki w stali
Pierwiastki w stali dzielimy na 3 grupy:
Domieszki zwykłe, konieczne ze względów metalurgicznych (Mn, Si, Al), dodawane w celu odtlenienia stali
Zanieczyszczenia (S, P, N, O, H)
Dodatki stopowe, wprowadzane celowo dla nadania określonych własności (Mn, Si, Cr, Mo, W, V, Cu, B)
Do podstawowych grup materiałów inżynierskich są zaliczane:
- metale i ich stopy - Metale otrzymuje się z rud, będących najczęściej tlenkami. Procesy metalurgicznepolegają zwykle na redukcji, prowadzącej do ekstrakcji metalu z rudy oraz na rafinacji, usuwającej z metalu pozostałe zanieczyszczenia. Elementy metalowe zwykle wykonywane są metoDami odlewniczymi, przeróbki plastycznej lub obróbki skrawaniem, a często także metalurgii proszków.
- polimery - nazywane także tworzywami sztucznymi lub plastikami, są materiałami organicznymi, złożonymi ze związków węgla. Polimery są tworzone przez węgiel, wodór i inne
Pierwiastki. Polimery są makrocząsteczkami i powstają w wyniku połączenia wiązaniami kowalencyjnymi
w łańcuchy wielu grup atomów zwanych monomerami jednego lub kilku rodzajów.
- materiały ceramiczne - Ceramikę stanowią materiały nieorganiczne o jonowych i kowalencyjnych wiązaniach międzyatomowych, wytwarzane zwykle w wysokotemperaturowych procesach związanych z przebiegiem nieodwracalnych reakcji, chociaż do tej grupy materiałów zaliczane są również szkła oraz beton i cement, pomimo że przy ich wytwarzaniu zachodzą nie wszystkie z tych procesów.
- kompozyty - Materiały kompozytowe są połączeniami dwóch lub więcej odrębnych i nierozpuszczających się w sobie faz, z których każda odpowiada innemu podstawowemu materiałowi inżynierskiemu, zapewniającymi lepszy zespół własności i cech strukturalnych, od właściwych dla każdego z materiałów składowych oddzielnie.
Obróbka cieplna – dziedzina technologii obejmująca zespół zabiegów wywołujących polepszenie własności mechanicznych i fizykochemicznych metali i stopów powodowane zmianami struktury w stanie stałym w wyniku działania temperatury, czasu oraz działania ośrodka
Rodzaje: Obróbka cieplna zwykła, Obróbka cieplno-chemiczna, Obróbka cieplno-mechaniczna, Obróbka cieplno-magnetyczna. W przypadku obróbki cieplnej zwykłej zmiany struktury i własności są spowodowane zmianami temperatury i czasu Podczas obróbki cieplno-chemicznej istotny wpływ na skład chemiczny, strukturę i własności warstwy wierzchniej wpływa także ośrodek, w którym zachodzi obróbka.
Operacja obróbki cieplnej-część procesu technologicznego wykonywanego w sposób ciągły, przeważnie na jednym stanowisku roboczym (np. Hartowanie, odpuszczanie, wyżarzanie)
Częściami operacji obróbki cieplnej są zabiegi obróbki cieplnej: nagrzewanie, wygrzewanie, chłodzenie
Układy krystalograficzne:
- trójskośny
- jednoskośny
- rombowy
- tetragonalny
- heksagonalny
- regularny
Składniki układu:
a) Ferryt - roztwór międzywęzłowy węgla w żelazie alfa
b) Perlit - mieszanina eutektoidalna ferrytu i cementytu, 0,77%C, zbudowany jest z na przemian ułożonych płytek ferrytu i cementytu o stosunku grubości płytek ok 7:1.
c) Austenit - roztwór stały międzywęzłowy wegla w żelazie gamma, max 2,11%C w 1148 stopniach
d) Ledeburyt - mieszanina eutektyczna austenitu i cementytu w 4,3%C
e) Ledeburyt przemieniony - austenit uległ przemianie w perlit
f) Cementyt - węglik żelaza Fe3CI, o rombowej strukturze krystalicznej i temperaturze topnienia 1227. Zawartość węgla w cementycie jest stała i wynosi 6,67%.
g) Martenzyt - przesycony międzywęzłowy roztwór stały węgla w żelazie