Materiałoznawstwo ogólne i instalacyjne
25.02.2010
1. Stal. Warunki powstawania stali.
Stal to stop żelaza z węglem i innymi pierwiastkami, obrabiany plastycznie i otrzymywany w procesach hutniczych. Maksymalna zawartość węgla w stali to 2%. Stal jest doskonałym materiałem konstrukcyjnym ze względu na wysoką wytrzymałość na rozciąganie, ściskanie, ścinanie oraz zginanie. Ponadto stal ma własności plastyczne, ma możliwość walcowanie na zimno i gorąco. Właściwości mechaniczne, takie jak: twardość ,udarność i spawalność. Współczesna technologia produkcji stali polega na dwustopniowym przerobie rudy żelaza na stal surową.
Pierwszy stopień przerobu odbywa się w wielkim piecu i polega on na redukcji żelaza jako pierwiastka z tlenowych związków rud i oddzieleniu go od tzw. Skały płonnej. Produktem tego procesu jest surówka żelaza. Drugi stopień odbywa się w konwertorach tlenowych lub piecach martenowskich. Polega ona na usuwaniu z surówki domieszek do granic dopuszczalnych. Proces ten odbywa się w warunkach utleniających, a produktem tego jest stal.
Proces wielkopiecowy- proces, którego zadaniem jest wtapianie surówki z rud żelaza. Żelazo występuje w większości w postaci rud tlenków (magnetyty, hematyty) ewentualnie węglanów zwanych syderytami. Na wsad wielkopiecowy składa się ruda żelaza, topniki, koks i gorące powietrze. Powietrze to dostarczane jest u dołu pieca przez tzw. Dysze. W wyniku procesu wielkopiecowego otrzymuje się surówkę o zawartości 93% żelaza i 7% innych pierwiastków. Pierwiastki tzw. „pożyteczne” dla właściwości stali to węgiel, mangan i krzem, a zanieczyszczenia to siarka i fosfor. Do dalszej obróbki surówkę żelaza przesyła się w postaci odlanych kawałków zwanych gąskami.
Proces tlenowy konwertora nosi nazwę procesu LD. Do dalszego procesu używa się albo
elektrycznych wytopów stali (piece łukowe lub indukcyjne) otrzymując poprzez obróbkę walcowania elementy stalowe.
Odtlenianie stali- płynna stal zawiera pewną ilość rozpuszczonego tlenku żelaza, który powinien być usunięty. Uzyskuje się to poprzez dodanie pierwiastków zwanych odtleniaczami, które łatwiej przyswajają tlen niż żelazo. Do takich pierwiastków zaliczamy mangan, krzem i glin. Proces odtleniania, czyli tzw. Proces uspokajania stali zaczyna się w końcowym etapie wytapiania i jest intensywnie kontynuowany w kadzi odlewniczej. W zależności od stopnia odtlenienia stali wyróżniamy stal nieuspokojoną (odtlenioną zwykle tylko manganem), półuspokojoną (odtlenioną manganem i niewielkim dodatkiem krzemu 0,15%) oraz uspokojoną ( odtlenioną krzemem 0,15-0,35%, częściowo glinem) do tego stopnia, że przy krzepnięciu w wlewce nie występują reakcje z wydzielaniem się gazu.
Odlewanie stali odbywa się w piecu martenowskim, w konwertorze lub w piecu elektrycznym poprzez rynnę spustową do kadzi odlewniczej, a następnie przelewa się ją do wlewnic. Szybko stygnąca część stali krzepnie tworząc cienką warstwę kryształków „zamrożonych”. Osie krystalizacji są usytuowane w sposób przypadkowy. Dalsze chłodzenie stali odbywa się wolniej tak, aby powstała warstwa kryształów gruboziarnistych, a ich osie krystalizacji były skierowane równolegle do kierunku odpływu ciepła tzn. prostopadle do ścianek wlewnicy.
Nowoczesna zmechanizowana metoda odlewania stali umożliwia uzyskanie wlewków ciągłych, jednorodnych w całym przekroju, które nie zawierają segregacji i posiadają strukturę pierwotną drobnoziarnistą.

11.03.2010
Struktura krystaliczna metali
Ze względu, na sposób rozmieszczenia atomów ciała stałe możemy podzielić na krystaliczne i bezpostaciowe. W ciałach krystalicznych atomy zwane są cząsteczkami lub jonami, ułożone są w pewnym geometrycznym, określonym porządku.
Sieć przestrzenna- kryształy atomów rozmieszczone w regularnych odstępach, które tworzą określony, regularny, periodycznie powtarzający się układ, zwany siecią przestrzenną. Układ ten obrazuje budowę kryształu, gdzie atomy tworzą grupy w tzw. płaszczyznach sieciowych, które są do siebie równoległe i równo od siebie oddalone.
Płaszczyzny sieciowe przecinają się wzdłuż krawędzi odpowiadających prostym, na których leżą atomy. W miejscu przecięcia się kilku krawędzi powstaje tzw. węzeł. Elementami sieci krystalicznej są:
- płaszczyzny sieciowe
- proste sieciowe
- węzły.
Podczas krzepnięcia roztopionej masy metalu pojawiają się tzw. ośrodki krystalizacji. Od nich, w 3 przecinających się kierunkach, rosną z różnymi prędkościami gałęzie krystaliczne i tworzą się tzw. dendryty.
! Ważna cecha: niektóre metale mogą krystalizować w różnych rodzajach sieci przestrzennych. Tj. polimorfizm (alotropia), a formy krystaliczne tego samego metalu to odmiany alotropowe, oznacza się je α, β, γ, δ..
Naprężenia własne
Występują w elementach i wyrobach stalowych bez działania obciążeń. Powstają w wyniku procesów technologicznych przemian strukturalnych różnych rodzajów obróbki cieplnej, zmian temperatury.
Naprężenia własne osiągają niekiedy duże wartości w wyniku procesów termicznych i mogą w różny sposób wypływać na zachowanie się elementów konstrukcyjnych:
- mogą doprowadzać do powstania, rozwoju i zatrzymania kruchych pęknięć (niska temp)
- mogą obniżać siłę krytyczną w prętach ściskowych
- mogą obniżać lub podwyższać wytrzymałość zmęczeniową
- mogą wpływać na wielkość odkształceń elementów
Klasyfikacja naprężeń własnych:
a. według tej części materiału, w której te naprężenia występują
- naprężenia I rodzaju, równoważące się w dużych obj. danego materiału, porównywalnych z wymiarami elementu konstrukcji lub jego części (występują w konstrukcjach spawanych ze stali niskowęglowej).
- naprężenia II rodzaju działają i równoważą się w granicach jednego lub kilku ziaren stali (są to mikronaprężenia)
- naprężenia III rodzaju działają między elementami siatki krystalicznej
b. według okresu działania
- czasowe- powstają w czasie nagrzewania elementu, ale po ostygnięciu tego elementu mogą zniknąć lub przejść w naprężenia pozostające
- pozostające- istniejące w elemencie po zakończeniu procesu technologicznego
c. według przyczyn powstania
- naprężenia cieplne- powstają wskutek zmiany objętości nagrzanych włókien stali
- naprężenia strukturalne- powstają w wyniku zmian temperatury, pod wpływem zmiany objętości kryształów przy przejściu z 1 struktury w drugą



25.03.2010
Żelazo jako metal miękki o dużej plastyczności znajduje zastosowanie w postaci stopów z węglem, które w zależności od zawartości węgla będziemy nazywać żeliwem lub stalą.

Stopy metali w odróżnieniu od czystych metali nie krzepną w stałej temperaturze lecz w określonym dla danego stopu i układu zakresie temperatury.

W celu otrzymania stopu konieczne jest zmieszanie jego składników w stanie ciekłym, a następnie doprowadzenie tych składników do krzepnięcia. Dobry stop uzyskuje się wtedy, gdy jego składniki rozpuszczają się w sobie wzajemnie tworząc roztwory stałe ciągłe i roztwory stałe graniczne (mieszanin). Węgiel może występować w stopach z żelazem w postaci wolnej jako grafit lub w postaci węglika żelaza Fe3C zwanego cementytem. Układ równowagi żelazo-węgiel obejmuje stopy żelaza z węglem o zawartości 6,67% węgla.

Na podstawie tego wykresu można określić przebieg krzepnięcia stopów żelaza z węglem, zmiany zachodzące w stopach w stanie stałym oraz ich strukturę po ostudzeniu. Na podstawie tego układu stopy oraz surówki o zawartości od 2-67% węgla.

Wyróżniamy następujące składniki strukturalne. Do nich należy:
-ciekły roztwór węgla w żelazie (A)
- ferryt (B) – roztwór stały węgla z żelazie γ krystalizujący w układzie regularnym przestrzennie centrowanym, stąd też jest on miękki, plastyczny, gdyż stanowi praiwe czyste żelazo.
- austenit (C) – roztwór stały węgla w żelazie γ krystalizujący w układzie regularnym płasko centrowanym
- cementyt (D) – węglik żelaza krystalizujący w układzie rombowym i występujący jako pierwotny krystalizujący z roztworem ciekłego w węgla w żelazie (oznaczony wg linii C-D). Wyróżniamy:
*cementyt wtórny wydzielający się w stanie stałym z austenitu w skutek malejącej rozpuszczalności węgla w żelazie γ
*cementyt trzeciorzędowy wydzielający się z ferrytu wskutek malejącej rozpuszczalności węgla w żelazie α
Cementyt jest twardy i kruchy.
- perlit – mieszanina ferrytu i cementytu zawierająca 0,8% węgla, powstaje on z rozkładu austenitu w temperaturze 727st.C

W stalach wolno chłodzonych perlit ma budowę pasemkową postaci na przemian ułożonych płytek cementytu i ferrytu. Duża szybkość chłodzenia umożliwia dyfuzję węgla austenitu, w wyniku czego powstaje nowy składnik strukturalny zwany martenzytem.

Struktura stali:
Stale węglówki: stal przy niskiej zawartości węgla, ma strukturę ferrytyczną. W miarę zwiększania zawartości węgla ilość perlitu zwiększa się, a przy zawartości 0,4% węgla ilość perlitu i ferrytu są prawie równe. Przy stalach o zawartości węgla powyżej 0,6% ilość ferrytu jest tak mała, że nie tworzy on całych pól, lecz występuje w postaci ziaren, które zanikają. Przy zawartości 0,8% węgla stal ma strukturę czysto perlityczną.

Stale stopowe: udział pierwiastków stopowych powoduje istotne zmiany w temperaturze przemian oraz koncentracji węgla. Wpływ dodatków stopowych jest różny dla różnych pierwiastków. Od ich zawartości i postaci zależy sprawa zmniejszania się skłonności do rozrostu ziaren austenitu podczas nagrzewania. Pierwiastki takie jak chrom, aluminium, wanad, tytan i krzem tworzą w stali trudno rozpuszczalne węgliki, azotki, tlenki o dużym stopniu dyspersji stale mogą mieć w zależności od zawartości węgla i dodatków stopowych strukturę perlityczną, bainityczną???, martenzytyczną??? lub asteniczną???.

Stosowane w praktyce metale posiadają zazwyczaj ciała polikrystaliczne o dużej ilości kryształów. Przy takich ciałach tylko wewnętrzna budowa kryształu jest prawidłowa. Natomiast ich kształt wewnętrzny zależy od warunków krzepnięcia. Poszczególne ziarna mają różną orientację przestrzenną w skutek czego właściwości metali są jednakowe we wszystkich kierunkach pomimo, że pojedynczy kryształ jest anizotropowy. Jednak pod wpływem obróbki plastycznej wszystkie ziarna zostają jednakowo zorientowane (np. walcowanie blach).

Anizotropia ciał krystalicznych dotyczy również własności mechanicznych. Moduł sprężystości, granica plastyczności, wytrzymałość na rozciąganie oraz wydłużanie są zależne od działania sił zewnętrznych. Przy odkształceniu metali w miarę wzrostu naprężeń występują początkowe odkształcenia sprężyste a następnie odkształcenia plastyczne, po czym w dalszego wzrostu naprężeń następuje zniszczenie.

Odkształcenie sprężyste to odkształcenie, które znika po usunięciu obciążenia. Zależność naprężenia od odkształcenia nosi nazwę modułu Younga.

15.04.10
bliźniakowanie- drugi rodzaj odkształceń plastycznych w kryształach. Polega na obrocie siatki przestrzennej w jednej części kryształu w stosunku do drugiej. Odkształcenia te będące skutkiem naprężeń własnych powodują zmianę kryształów umożliwiające po osi poślizgu przekształcenie sieci.

Własności fizyczne i mechaniczne stali
Wytwarzanie stali jest wynikiem złożonych procesów technologicznych, które mają istotny wpływ na strukturę stali, na jej skład chemicznych i na różne własności. Jednakże niektóre własności fizyczne w niewielkim stopniu zależą od składu chemicznego, obróbki, i wytrzymałości.
Rozróżniamy stale:
• węglową- jej głównym składnikiem jest węgiel, dzielimy ją na:
- stal wysokowęglową zawartość węgla C>0,6%
- stal średnio węglową 0,25%<C<0,6%
- stal niskowęglowa C<0,25%
• stopową- jest to stal, która oprócz żelaza i węgla zawiera inne składniki w celu uzyskania odpowiednich właściwości. Stal uważa się za stopową jeżeli zawartość przynajmniej jednego z pierwiastków jest większa od:
- 0,8% Mn
- 0,4% Si
- 0,3% Ni
- 0,02% S
- 0,2% Cu
- 0,2 W (wolfram)
-0,05% V (wanad)
-0,05% Mo (molibden)
-0,01% aluminium
węgiel C- wraz z większą zawartością węgla stal zwiększa twardość, granicę plastyczności i wytrzymałość doraźną, natomiast obniża właściwości plastyczne stali: udarność, wydłużenie, przewężenie
mangan Mn- wprowadzany jest głównie w celu związania siarki w postaci siarczków manganu. Zwiększa wytrzymałość, hartowność. Stal manganowa jest odporna na ścieranie
krzem Si- pełni funkcję odtleniacza. Zwiększa twardość, wytrzymałość na rozciąganie. Niekorzystnie wpływa na wydłużenie, przedłużanie, udarność i spawalność.
aluminium- działa odtleniająco wiążąc tlen i azot. Dodatek aluminium hamuje rozrost ziaren austenitu, co zapewnia zwiększenie udarności, odporność na pękanie w obniżonej temperaturze.
chrom- zwiększa twardość stali, jej wytrzymałość i granicę plastyczności. Obniża wydłużenie i przewężenie stali. Chrom tworzy z węglem bardzo trwałe węgliki, odporne na ścieranie.
nikiel- opóźnia rozrost ziaren austenitu, co powoduje zwiększanie twardości, hartowności i wytrzymałości stali.
wanad- tworzy bardzo trwałe i liczne węgliki zwiększając odporność stali na ścieranie, zwiększają sprężystość, wytrzymałość i udarność.
miedź- powoduje zwiększanie odporności stali na korozję, powoduje zmniejszenie granicy wytrzymałości.
fosfor- składnik szkodliwy, trudno usuwalny, obniża plastyczność i udarność stali.
siarka- powoduje skłonność do segregacji tworząc z żelazem siarczek żelaza. Zawartość siarki ograniczona do 0,03% jest niewskazana dla stali spawalnych.
azot- jest również nieporządkami pierwiastkiem stali.

28.04.10
Obróbka cieplna stali
Obróbka cieplna- zabieg, względnie połączenie kilku zabiegów, pod wpływem którym zmienia się w stanie stałym strukturę stopów, a tym samym własności mechaniczne, fizyczne i anemiczne.
Do najważniejszych rodzajów obróbki cieplnej zaliczamy:
-wyżarzanie
-hartowanie
-odpuszczanie
-przesycanie

Wyżarzanie – zabieg polegający na nagrzaniu stali do określonej temperatury, wygrzaniu jej w tej temperaturze, a następnie studzeniu. Zależnie od temperatury wygrzewanie, sposobu studzenia i celu wyróżnia się wyżarzanie:
- zupełne
- normalizujące
- rekrystalizujące
-odprężające

Wyżarzanie zupełne – ma na celu rozdrobnienie ziaren stali, uzyskanie jednorodności struktury oraz usunięcie naprężeń. Wyżarzanie zupełne polega na nagrzaniu do temperatury od 30-50 st. C powyżej linii A3- ACM, wygrzaniu jej i wolnym studzeniu w zakresie temperatury krytycznej – linia GSE i linia PSK

Wyżarzanie normalizujące różni się od wyżarzania normalnego metodą wystudzania. Studzenie odbywa się w powietrzu, ma to na celu uzyskanie struktury jednolitej i drobnoziarnistej, powiększeniu własności plastycznych oraz usunięciu naprężeń wewnętrznych.

Wyżarzanie rekrystalizujące- ma na celu usunięcie skutku zgniotu, co oznacza, że trzeba zastąpić odkształconą, twardą strukturę strukturą miękką i drobnoziarnistą. Dla większości metali stan wywołany zgniotem może utrzymywać się w normalnych temperaturach bez żadnych zmian, gdyż ruchliwość atomów jest niewielka. Dopiero po nagrzaniu w związku ze zwiększoną ruchliwością atomów skutki zgniotu zostają usunięte.

Wyżarzanie odprężające ma na celu zmniejszenie naprężeń własnych, ale powstałych przy obróbce technologicznej stali (obróbka plastyczne na zimno i gorąco, spawanie i zgrubna obróbka skrawaniem).

Hartowanie polega na nagrzaniu stali do temperatury nieco wyższej od linii GSK, wygrzaniu jej przez pewien czas aż do otrzymania struktury austentycznej lub też austentyczno- cementytowej , a następnie szybkim jej oziębieniu.
Rozróżniamy hartowanie:
- zupełne (zwykłe)
- stopniowe
- powierzchniowe

Zwykłe- polega na chłodzeniu stali temperaturą krytyczną , duża szybkość chłodzenia umożliwia utrzymywanie austenitu w stanie stałym. Niekiedy zimniejsza się szybkość studzenia, poprzez studzenie w oleju. Hartowanie to stosuje się do nieskomplikowanych części wykonanych ze stali węglowych oraz stopowych.

Stopniowe – podczas hartowania stopniowego chodzenie ma przebieg przemienny. Pierwszy etap nazywa się pod chłodzeniem i odbywa się w środowisku, którego temperatura jest wyższa od temperatury przemiany martenzytycznej (kąpiel solna). Po wyrównaniu się temperatury następuje dochładzanie się w oleju, a niekiedy w strumieniu powietrza. Stosuje się do obróbki części o skomplikowanych kształtach, wykonanych zwykle ze stali stopowych.

z przemianą izotermiczną- chłodzenie stali w w tej temperaturze prowadzi do struktury złożonej z ferrytu i cementytu. Hartowanie to stosuje się do drobnych części wykonanych ze stali węglowych i bez ograniczenia dla stali stopowych. Główną zaletą jest uniknięcie naprężeń, które powodują odkształcenia, a nawet pęknięcia.

powierzchniowe- istotną cechą tego hartowania jest nagrzanie materiału do właściwej temperatury tylko na jej powierzchni. Celem jest uzyskanie twardej powierzchni. Rdzeń materiału pozostaje plastyczny.

Zależnie od sposobu nagrzania wyróżniamy hartowanie powierzchniowe:
-płomieniowe
- indukcyjne
- kąpielowe


Odpuszczanie ma na celu nadanie termicznie obrobionej stali głównie po hartowaniu pewnej ciągliwości, a także zmniejszenie jej ruchliwości bez widocznego zmniejszania twardości. Temperatura przy odpuszczaniu musi być zawsze niższa niż od temperatury hartowania. Polega na tym, że zahartowany przedmiot nagrzewany jest w zależności od potrzeb do temperatury 180-650 st. C, przetrzymywany przez pewien czas w tej temperaturze, a następnie ochłodzony.

Obróbka cieplno- chemiczna – w wyniku tej obróbki następuje zmiana składu chemicznego stopu. Dzięki niej otrzymuje się dużą twardość warstw powierzchniowych przedmiotu przy jednoczesnym zachowaniu miękkiego rdzenia.
Zabieg ten polega na nasyceniu zewnętrznej warstwy przedmiotu takimi pierwiastkami jak azot, węgiel, cyjanek.
Do obróbki cieplno- chemicznej zaliczamy: azotowanie, cyjanowanie, nawęglanie

Nawęglanie to tzw. cementytacja, polega na wzbogaceniu w węgiel zewnętrznej warstwy stali. Podstawowym składnikiem proszków nawęglających jest węgiel drzewny lub węglan baru lub węglan sodu . Po nawęglaniu przedmiot poddawany jest procesowi hartowania. Dzięki nawęglaniu powierzchnia staje się twarda i odporna na ścieranie (koła zębate)

Azotowanie- polega na nasyceniu zewnętrznej warstwy stali azotem w celu uzyskania wysokiej twardości. Twardość uzyskana przy azotowaniu jest znacznie wyższa niż twardość uzyskana przez węglowanie. Powierzchnia azotowana zachowuje twardość nawet do 500 st. C. Rozróżniamy azotowanie:
- gazowe w atmosferze amoniaku
- kąpielowe przeprowadzane w piecach elektrycznych

Cyjanowanie – polega na nasyceniu przedmiotów stalowych jednocześnie węglem i azotem. Proces odbywa się w temperaturze 500-950 st. C, poprzez zanurzenie przedmiotów w kąpieli zawierającej mieszaniny soli cyjanowych lub też w atmosferze amoniaku i gazu nawęglającego.

Obróbka plastyczna- zadaniem obróbki plastycznej jest nadanie przedmiotom metalowym odpowiedniego kształtu w wyniku odkształceń trwałych. Do obróbki plastycznej nie nadaje się żeliwo. Natomiast stal o niskiej zawartości węgla poddaje się obróbce plastycznej na zimno. Do obróbki plastycznej na zimno zaliczamy tłoczenie.
Obróbka plastyczna na gorąco prowadzona jest w temperaturach umożliwiających właściwe odkształcenie obrabianych przedmiotów. Zaliczamy: kucie, tłoczenie i walcowanie

Kucie- jest procesem cieplnym i mechanicznym (w temp. 1100 st. C). Dobór odpowiedniej temp. Kucia decyduje o ilości i jakości wykonywanych elementów.

Tłoczenie na gorąco – podobny jak na zimno, przy czym materiał tutaj jest podgrzewany w celu zwiększenia jego plastyczności.

Walcowanie- przepuszczanie materiału między dwoma walcami. Może być wzdłużne i poprzeczne. Na gorąco walcowane są wszystkie metale i ich stopy. Płaskowniki, taśmy, blachy SA walcowane. Natomiast stal profilowana jest uzyskiwana poprzez walcowanie w walcach z odpowiednimi profilami.