Wykład 1.

1)

• Jednym z głównych elementów projektowania inżynierskiego jest dobór materiałów na wszelkie konstrukcje (kształtować ich strukturę i własności spełniające wymagania w warunkach pracy.)

• Dobór najlepszego materiału do wykonania wyrobu odbywa się na podstawie spełnienia równocześnie następujących wymagań:

-ekspoatacyjnych

-technologicznych

-ekonomicznych

-ekologicznych

WYMAGANIA EKSPLOATACYJNE: zapewnienie wykonanej konstrukcji niezawodności podczas realizacji określonych zadań (odpowiednia trwałość tzn: wytrzymałość mechaniczna, odporność na zużycie, odporność na korozję i działanie środowiska, wysokie temperatury).

WYMAGANIA TECHNOLOGICZNE: konieczność stosowania możliwie najprostszych procesów technologicznych wytwarzania, przetwarzania, montażu i demontażu.

2) Podstawowe grupy materiałów i ich historyczny rozwój:

-Materiały w pojęciu technicznym: ciała stałe o własnościach umożliwiających ich stosowanie przez człowieka do wytwarzania produktów

Podział materiałów o znaczeniu technicznym:

• Materiały naturalne: wymagające jedynie nadania kształtu do technicznego zastosowania np. : drewno, niektóre kamienie skały i minerały

• Materiały inżynierskie: nie występujące w naturze lecz wymagające zastosowania złożonych procesów wytwórczych do ich zastosowania

a) metale i ich stopy

b) polimery

c) materiały ceramiczne i szkła

d) Materiały złożone wytwarzane sztucznie (kompozyty)

Podstawą klasyfikacji jest istota wiązań między atomami tworzącymi dany materiał, utrzymujący je w skoordynowanych przestrzennie układach i determinujących podstawowe własności materiału.

Ad a) W praktyce inżynierskiej tylko wyjątkowo stosuje się czyste metale. Szerokie zastosowanie znalazły stopy metali jak: stopy żelaza (stale i żeliwa), stopy miedzi (brąze i mosiądze), stopy aluminium (durale i siluminy), stopy niklu i tytanu,

Charakterystyka metali i ich stopów:

• Metale i ich stopy charakteryzują się dużą:

-sztywnością

-ciągliwością (zdolną do odkształceń trwałych)

-odpornością na obciążenia dynamiczne

-dobrym przewodnictwem elektrycznym i cieplnym

-„połyskiem metalicznym”

• Czyste metale mają niską wytrzymałość, natomiast stopy mają względnie wysoką, a niektóre bardzo wysoką wytrzymałość

• Stopy szczególnie użyteczne w budowie konstrukcji maszyn przenoszących znaczne obciążenia

• Słabą właściwością metali jest ich mała odporność chemiczna i łatwość korozji

Ad b) Polimery- nazywane tworzywami sztucznymi lub plastikami, są materiałami organicznymi, złożonymi ze związków węgla

-są tworzone przez węgiel, wodór i inne pierwiastki niemetaliczne z prawego górnego rogu układu okresowego.

-są makrocząsteczkami i powstają w wyniku połączenia wiązaniami kowalencyjnymi w łańcuchy wielu grup atomów

Ad c) Materiały ceramiczne i szkła: Większość materiałów ceramicznych to tlenki lub związki chemiczne metali z takimi pierwiastkami jak C, N, P i S

• Podstawowe składniki materiałów ceramicznych to tlenki: aluminium(Al₂O₃), Krzemu(SiO₂), magnezu(MgO), węglik krzemu (SiC), azotek krzemu(Si₃N₄)

• Materiały ceramiczne charakteryzują się małym przewodnictwem cieplnym i elektrycznym\

• Ich wytrzymałość (zdolność do przenoszenia obciążeń) jest dobra, ciągliwość i odporność na obciążenia dynamiczne-niska. Mają wysoką temperaturę topnienia i słabą rozszerzalność cieplną. Są odporne na korozję- szczególnie materiały ceramiczne tlenkowe.

Podział materiałów ceramicznych:

-ceramika inżynierska

-cermetale

-szkło

-ceramika porowata

Ceramika szklana

Do ich produkcji wykorzystuje się:

-surowce naturalne: gliny, skalanie, kwarc, kaolin

-występujące w przyrodzie lub otrzymywane syntetycznie związki chemiczne: tlenki, krzemiany, krzemki, węgliki, siarczki,borki itd…

Ad d) Materiały kompozytowe- są połączeniami dwóch lub więcej odrębnych i nierozpuszczających Się w sobie faz, z których każda odpowiada innemu podstawowemu materiałowi inżynierskiemu, zapewniając przez to lepszy zespół własności i cech strukturalnych od każdego z materiałów z osobno.

Materiały stosowane w technice ze względu na stan skupienia:

• w stanie stałym:

a) Metale i ich stopy

b) Materiały niemetaliczne:

b1) materiały ceramiczne

b2) Polimery

c) Materiały kompozytowe złożone z metali i niemetali

d) Półprzewodniki

• w stanie ciekłym

• w stanie gazowym

• w stanie plazmy

Klasyfikacja materiałów stosowanych w technice uwzględniających ich przeznaczenie:

1. Konstrukcyjne: stosowane do budowy urządzeń zwielokrotniających siłę ludzkich mięśni

2. Funkcjonalne: Stosowane do budowy urządzeń zwielokrotniających działanie ludzkiego umysłu

Klasyfikacja materiałów ceramicznych:

• ceramika naturalna:

1. Skały

2. Minerały

• Ceramika przetworzona:

1. Ceramiki klasyczne oparte na surowcach naturalnych:

a1) Szlachetna i techniczna

a2) Konstrukcyjna, budowlana

a3) Ogniotrwała

1. Ceramiki konstrukcyjne o szczególnych właściwociach:

b1) Ceramika inżynierska

b2) Ceramika specjalna

b3) Materiały super twarde

1. Spoiwa budowlane:

c1) cement i wapno

c2) gipsowe i anhydrytowe

c3) magnezjowe

c4) krzemianowe

1. Szkła:

d1) budowlane

d2) na opakowania

d3) gospodarcze

d4) oświetleniowe

d5) techniczne

d6) optyczne

d7) piankowe

d8) włókniste i inne

1. Ceramiki węglowe i grafitowe

Budowa kompozytów:

• Kompozyty zbudowane są z następujących składników:

-osnowa lub lepiszcze (jest to faza w której rozłożone są składniki wzmacniajce)

-wzmocnienia (wprowadzenie pod różną postacią jako wysokowytrzymały materiał zbrojeniowy)

• Dobrze zaprojektowany kompozyt łączy wytrzymałość wzmocnienia z trwałością osnowy

• Osnowa najczęściej jest materiałem plastycznym lub twardym spełniającym w kompozycie następujące zadania:

-przenoszenie zewnętrznych naprężeń

-decydowanie o właściwościach cieplnych i chemicznych kompozytu

-utrzymanie wzmocnienia w określonym składzie

-wypelnienie objętości i nadawanie wymaganego kształtu wyrobom

Materiały kompozytowe dzielą się ze względu na:

-osnowę metalową

-polimerową

-ceramiczną

Zastosowanie materiałów kompozytowych: w sprzęcie kosmicznym, samolotach łodziach, jachtach, szybowcach, sprzęcie sportowym

Właściwości materiałów stosowanych w technice: zespół cech charakterystycznych określających reakcję tworzywa na bodźce zewnętrzne (temperatura, naprężenie)

1. Właściwości mechaniczne: są charakterystycznymi wskaźnikami zachowania się materiałów pod wpływem naprężeń mechanicznych

• Podstawowymi własnościami mechanicznymi określającymi zachowanie się materiałów w warunkach obciążeń statystycznych są:

-moduły sprężystości

-granica plastyczności

-wytrzymałość na rozciąganie

-odporność na pękanie

-twardość

-ciągliwość

• Zachowanie się pod wpływem obciążeń:

-dynamicznych (udarnością)

-wytrzymałością zmęczeniową (zmieniających się cyklicznie)

-wysokich temperatur (wytrzymałość na pełzanie)

Moduł sprężystości i ściśliwości-jest to stosunek naprężenia do odkształcenia czyli stała sprężystości wyrażona w MPa lub GN/m²

Moduł Younga (E) –stosunek naprężenia normalnego prostopadłego do przekroju poprzecznego materiału (σ (sigma)) do odkształcenia liniowego w kierunku wzdłużnym (ε (epsilon))

E=σ/ε

1. Pozostałe właściwości:

• Właściwości technologiczne: decydujące o podatności materiału na sposób ich doprowadzenia do postaci użytkowej

• Właściwości fizyczne: decydujące i wykorzystaniu materiałów technicznych w określonych warunkach (gęstość, temperatura topnienia, lepkość, odporność na zamarzanie)

• Właściwości cieplne: charakteryzują zmiany właściwości materiału przy wzroście jego temperatury (ciepło właściwe, przewodność cieplna, współczynnik rozszerzalności cieplnej, odporność cieplna)

• Właściwości elektryczne: charakteryzują zachowanie materiałów stosowanych w elektrotechnice i elektronice przy zmianach parametrów zewnętrznych oddziaływujących na te materiały (rezystywność, konduktywność)

• Właściwości magnetyczne: określają zachowanie się materiałów w polu magnetycznym (przenikalność magnetyczna, podatność magnetyczna)

• Właściwości chemiczne: określają zachowanie się materiałów w określonych warunkach chemicznych (odporność na korozję, odporność na utlenianie)

• Właściwości użytkowe: określają cechy przydatności materiału dla określonego zastosowania

Wykład II Wiązania między atomami

• Duża różnorodność materiałow inżynierskich, których właściwości zmieniają się w szerokich granicach

• Wspólna cecha wszystkich materiałów to to, że zbudowane są one z atomów

• Dla naszych rozważań można przyjąć, że atomy wszystkich pierwiastków chemicznych składają się jedynie z trzech cząstek elementarnych jak: protonów, neutronów i elektronów

• Wiązania między atomami kształtuje struktura atomu, która z kolei jest podstawą klasyfikacji materiałów inżynierskich: -metale, -materiały ceramiczne, -polimery

• Struktura atomu pozwala na formułowanie ogólnych wniosków dotyczących właściwości mechanicznych materiałów

• Do zrozumienia istoty wiązań chemicznych wystarczy posłużyć się prostym modelem struktury atomu, który składa się z:

-dodatnio naładowanego jądra

-zewnętrznej warstwy elektronowej, natomiast jądro atomu składa się z protonów i neutronów

Struktura atomu:

• Proton posiada dodatni ładunek elektryczny 1,6*10^-13C , i masę 1,672*10^-24‑g

• Neutron nie posiada ładunku elektryczn. i jest nieco cięższy od protonu (masa 1,675 *10^-24g)

• Elektron posiada ujemny ładunek elektryczny o wartości bezwzględnej równej ładunkowi protonu, a jego masa wynosi tylko 1/1836 masy protonu

• Atomy są elektrycznie obojętne, gdyż liczba protonów jest równa liczbie elektronów

• Liczba protonów określa jego liczbę atomową (Z)

• Zbiór atomów o tej samej liczbie atomowej nazywamy pierwiastkiem chemicznym (o tym jakiego pierwiastka jest dany atom, decyduje jedynie liczba protonów w jego jądrze)

• Suma protonów i neutronów w jądrze nazywa się liczbą masową (A)

• Atomy o takiej samej liczbie atomowej, natomiast o różnej liczbie masowej są nazywane izotopami danego pierwiastka

• Izotopy danego pierwiastka posiadają zatem taką samą liczbę protonów w jądrze, natomiast różnią się liczbą neutronów

• W atomach pierwiastków o małej liczbie atomowej liczba neutronów jest bliska liczbie protonów

• Ze wzrostem liczby atomowej rośnie stosunek liczby neutronów do protonów w jądrze do ok. 1.4

WIĄZANIA METALICZNE

• Jeżeli metal przechodzi ze stanu pary w stan ciekły lub stały, to słabo związane z jądrem atomu elektrony walencyjne przestają należeć do poszczególnych atomów i stają się elektronami swobodnymi

• W kryształach metali węzły sieci krystalicznej są obsadzone przez kationy, natomiast zdelokalizowane elektrony wartościowości, poruszają się podobnie jak cząsteczki substancji w stanie gazowym

• Z tego powodu mówi się, że elektrony wartościowości, tworzą gaz elektronowy lub chmurę elektronów

• Wysoką przewodność elektryczną metale zawdzięczają gazowi elektronowemu o dużej ruchliwości

Wykład III

• Podstawowym źródłem żelaza w procesie wytwarzania stali są rudy żelaza i złom stalowy.

• W zależności od pochodzenia żelaza wyróżnia się:

-huty o pełnym cyklu produkcyjnym (huty zintegrowane), gdzie żelazo pochodzi głównie z rudy

-żelazo w rudzie występuje w postaci tlenków (redukcja tlenków do metalicznego żelaza)

-redukcja tlenków do metalicznego żelaza realizowana jest przy użyciu węgla (C) w piecu szybowym (wielki piec)

• Źródłem węgla w wielkim piecu jest koks lub paliwo zastępcze

• Węgiel który służy do redukcji tlenków żelaza jest także paliwem, prócz tego dostarcza się tlen z powietrzem

• Produktem wielkiego pieca jest surówka (zawiera więcej węgla niż stali)

• Następny etap otrzymania stali z rudy to proces utleniania węgla znajdującego się w surówce- urządzenie konwektor

• Do konwektora wdmuchiwany jest tlen: łączy się z węglem rozpuszczonym w ciekłej surówce oraz pierwiastkami zawartymi w surówce P, Si, Mn oraz Fe

• Wsadem do konwektora oprócz surówki jest złom stalowy

• Stal ciekłą ze złomu otrzymuje się w piecu elektrycznie łukowym

Wsad do wielkiego pieca:

Skład:

-ruda żelaza w postaci spieku, gródek lub brykietu

-topniki

-koks

Rudy żelaza - są surowcami kopalnymi zawierającymi związki żelaza

Sklad rud żelaza

-tlenki żelaza

-skała płonna (składnik nieporządany)

Najważniejsze rudy żelaza:

-magnetyt 50-70% Fe

-hermatyt 40-60%Fe

-limonit 30-45% Fe

Topniki- materiały których zadaniem jest utworzenie z tymi składnikami łatwo topliwych żużli. Ilość dodawanych topników: 25% i więcej masy rudy.

• Żużel powstaje w procesie wytwarzania surówki i stali, tworzy go skała płonna, topnik, popiół z koksu oraz węgla

Zadanie żużla:

• powoduje że wysokotopliwe tlenki zanieczyszczeń stają się ciekłe i oddzielają się od ciekłego metalu

• jest materiałem, z którym zanieczyszczenia łącza się chętniej niż z ciekłym metalem.

Źródła obecności krzemu, siarki, fosforu i manganu w surówce:

• Krzem jako główny składnik skały płonnej i popiołu tworzącego się ze spalania koksu i węgla

• Siarka do wielkiego pieca dostaje się głównie z koksem

• Fosfor zwiększa rzadko płynność żeliwa ( w surówce przeznaczonej do przerobu, w konwektorze tlenowym jest niepożądany)

• Mangan: większość rud zawiera niewielkie ilości tlenku manganu (max 2%)-północnoafrykańskie

Właściwości koksu

• Dwie funkcje – jest paliwem oraz czynnikiem redukcyjnym umożliwiającym redukcję rud żelaza do metalicznego żelaza

• Prócz wymienionych składników do wielkiego pieca wdmuchiwane jest od dołu powietrze o temperaturze ok. 1000 ̊C (dostarczające tlenu do spalania koksu i paliwa)

• Koks hutniczy otrzymywany z mieszaniny wysokogatunkowego węgla

Skład chemiczny typowej surówki w %:
C 4,5-4,7% Si 0,3-0,8% S 0,02-0,06% P 0,06-0,08% Mn 0,3-0,8%

• Temperatura surówki podczas spustu 1450-1525 ̊C

• Główne zanieczyszczenia ciekłej surówki

-węgiel i siarka pochodząca z koksu

-mangan, krzem i fosfor pochodzące z rudy

Konwertor tlenowy

• Produkt wielkiego pieca (surówka) zawiera dużo węgla i zanieczyszczeń

• Konieczna dodatkowa operacja: cel-zmniejszenie zawartości tych substancji

• Operację prowadzi się w urządzeniu zwanym konwerterem

• Typowym urządzeniem jest konwertor tlenowy w kształcie gruszki- wyłożony zasadowym materiałem ogniotrwałym.

• Kolejność operacji podczas wytopienia stali w konwertorze: 1) ładowanie złomu, 2) wlewanie surówki, 3) Proces, 4)Pobieranie próbki, 5)spust uzyskanego produktu, 6) spust żużla

• Etapy w procesie konwertorowym: 1) ładowanie złomu, 2) wlewanie surówki, 3) tworzenie żużla, 4) utlenianie zanieczyszczeń, 5) odtlenianie, 6) uzupełnianie składu chemicznego stali, 7) Spust

• W nowoczesnych konwertorach na 1tonę ciekłego metalu przypada objętość ok. 1m³

• Ciepło w konwertorze tlenowym uzyskujemy dzięki utlenianiu wdmuchiwanym tlenem zanieczyszczeń zawartych w surówce (C, Si, Mn, S i P)

Wykład IV

Krystaliczna budowa metali:

• Metale podobnie jak inne substancje mogą występować w 3 stanach skupienia: stałym, ciekłym i gazowym

• Czynniki decydujące o stanie skupienia danego metalu: temperatura i ciśnienie

Rozłożenie atomów:

• W stanie gazowym rozłożenie atomów w przestrzeni jest zupełnie przypadkowe (odległości między innymi mogą ulegać zmianom)

• W stanie ciekłym atomy nie mają tak dużej swobody, jak w stanie gazowym (mogą się przesuwać względem siebie, lecz odległości między najbliższymi atomami pozostają prawie nie zmienione) – tym tłumaczy się małą ściśliwość cieczy

• W stanie stałym rozłożenie atomów jest ściśle określone (tworzą one sieci przestrzenne zbudowane z atomów umieszczonych w węzłach)

Sieci krystalograficzne metali w stanie stałym właściwości

1. regularna – atomy rozmieszczone w narożach sześcianu

-przestrzennie centryczna

-płasko centryczna

b) heksagonalna

c) tetragonalna

• W układzie regularnym krystalizuje: większość znanych metali (żelazo, γ, glin, nikiel, miedź, srebro, złoto) – mają sieć regularną płasko centryczną. Inne jak molibden, wolfram –regularną przestrzennie centryczną

• Metale występujące w postaci regularnej płasko centrycznej odznaczają się dobrą plastycznością (pozostałe nieco gorsze własności plastyczne)

• Metale krystalizujące się w układzie heksagonalnym mają atomy rozmieszczone w narożach prostopadłościanu o podstawie sześciokąta foremnego o boku a i wysokości c (Cynk, Kadm, magnez)

• Metale mające sieć tetragonalną (prostopadłościenną) odznaczają się niską temperaturą krzepnięcia i małą wytrzymałością (cyna biała)

• Sieci tetragonalne jak i sieci heksagonalne mogą występować w postaci złożonej jako centrowane przestrzennie lub płasko

• Niektóre metale mogą w określonej temperaturze zmieniać jeden kształt sieci w drugi.

• Przebudową sieci nazywamy przemianę alotropową

• Żelazo do temperatury 906 ̊C występuje w układzie regularnym przestrzennie centrycznym (powyżej tej temperatury zmienia swą sieć na regularną płasko centryczną)

Tworzenie się struktury krystalicznej:

• Czysty metel podczas chłodzenia osiągnie w pewnej chwili temperaturę, w której rozpocznie się krzepnięcie

• Powstanie wówczas pewna liczba drobnych kryształów, które w miarę upływu czasu będą się powiększać, aż wreszcie zajmą całą objętość naczynia

• Pierwsze atomy, które zajęły w cieczy uporządkowanie względem siebie położenia nazywamy ośrodkami krystalizacji

• Istnieją pewne uprzywilejowane kierunki odbierania ciepła (w tych kierunkach rozrastać się będą kryształy)

• Powtarzające kryształy przypominają w mniejszym lub większym stopniu rozgałęzione drzewo (nazywane dendrytami)

• Liczba ośrodków krystalizacji zależy od stopnia przechłodzenia cieczy w fazie chłodzenia

• Przebieg chłodzenia czystego metalu wykazuje chwilowy spadek temperatury do wartości

Składniki mikrostrukturalne stopów żelaza

• Żelazo występuje w 2 odmianach alotropowych

-do temperatury 912 ̊C

- od temperatury 1394 ̊C do temp. Topnienia 1538 ̊C

• Struktura krystaliczna żelaza jest regularna przestrzennie centrowana (RPC, C12, A2)

• Żelazo o takiej strukturze krystalicznej to żelazo α

• Roztwory na osnowie żelaza α są nazywane ferrytem i często oznaczane α

• W temperaturach 912-1394 ̊C struktura krystaliczna żelaza jest regularna ściennie centrowana (RSC, CF4, A1)

• Roztwory na osnowie żelaza o takiej strukturze krystalicznej to: austenit i oznaczane γ (gamma), zaś żelazo jest nazywane żelazem γ

• W stopach żelaza zarówno w przypadku ferrytu i austenitu występują 2 rodzaje roztworów: a) roztwory międzywęzłowe, b) roztwory substytucyjne

Wykład V Wykres fazowy żelazo-węgiel

• Wykres fazowy żelazo cementyt stanowi podstawę, na której opierają się wszelkiego rodzaju obróbki cieplne

• Mają one za zadanie zmianę struktury i własności stali w bardzo szerokich zakresach

• Na podstawie wykresu fazowego żelazo-węgiel (Fe-Fe₃C) można określić zachowanie najbardziej złożonych gatunków stali stopowych

OGÓLNE UWAGI O WYKRESACH FAZOWYCH:

-Układ jednoskładnikowy: przedstawiający zakresy występowania lodu, wody i pary wodnej we współrzędnych: ciśnienie-temperatura ( wykres z punktem potrójnym wody)

-Układ dwuskładnikowy-dwuskładnikowe wykresy fazowe są dwuwymiarowymi mapami przedstawiającymi obszary występowania poszczególnych faz w przestrzeni temperatury i składu

• Dwuskładnikowe wykresy fazowe pozwalają określić tworzące się w stopach mikrostruktury oraz zachodzące zmiany mikrostruktur pod wpływem zmian temperatury oraz składu

• Wykresy fazowe dotyczą warunków równowagi fazowej

• Tworzenie się mikrostruktur w stopach rzeczywistych odbiega od warunków równowagi (z tego względu wykresy fazowe stanowią jedynie dobrą bazę do dyskusji mikrostruktur w stopach rzeczywistych).

• Różnice między mikrostrukturami wynikającymi z wykresów fazowych a mikrostrukturami stopów rzeczywistych rosną w miarę oddalania się warunków tworzenia mikrostruktur rzeczywistych od warunków równowagi

OMÓWIENIE WYKRESU FAZOWEGO Fe-Fe₃C ważne!!!

• Austenit –jest międzywęzłowym roztworem stałym węgla w żelazie Fe-γ(gamma)

• Rozpuszczalność węgla w Fe-γ jest znacznie większa niż w Fe-α: zmienia się temperatura wzdłuż linii SE

• Przy temp. Eutektoidalnej wynosi 0,77%

• Przy temp. Eutektycznej 2,11%

CHARAKTERYSTYKA METALI I ICH STOPÓW:

• Metale i ich stopy dzieli się na 2 grupy:

-żelazo i jego stopy

-metale niezależne i ich stopy

• Metale niezależne stanowią wszystkie pierwiastki metaliczne z wyjątkiem żelaza

• Stopy żelaza są najważniejszą grupą stopów stosowanych przez człowieka

PRZYCZYNY TAK POWSZECHNEGO STOSOWANIA STOPÓW ŻELAZA

• Skorupa ziemska zawiera ok. 4,2% Fe głównie w postaci tlenków, z których łatwo można uzyskać Fe

• Temperatura topnienia żelaza 1538 ̊C umożliwia jego otrzymywanie w stanie ciekłym

• Dyfuzja przy temp. Otoczenia nie jest możliwa – własności stopów żelaza przy tej temp. Otoczenia nie ulegają zmianie z czasem

• W żelazie występują 2 przemiany fazowe w stanie stałym (co umożliwia tworzenie szerokiego zakresu temperatur) – w konsekwencji daje to duży zakres zmienności własności mechanicznych

• Obecnie ponad 90% (ciężarowo) materiałów metalicznych stosowanych przez człowieka stanowią stopy żelaza

• Podział stopów żelaza:

- stale (zawierają do 2,11 %C)

- żeliwa (od 2,11 do 3,8 % C)

• Zakres stosowania stali: bardzo szeroki, (mosty, statki, budynki, obrabiarki, silniki spalinowe, platformy wiertnicze itd….)

STAL-jest przerobionym plastycznie i technicznie stopem żelaza o zawartości do 2,11% węgla oraz innych pierwiastków pochodzących ze surowców i paliw lub dodawane celowo.

Podział pierwiastków występujących w stalach :

• Konieczne ze względów metalurgicznych jak mangan, krzem, niekiedy aluminium

• Zanieczyszczenia (siarka, fosform tlen, azot, wodór)

• Wprowadzone do stali celowo: dla nadania określonych własności (mangan, krzem, nikiel, chrom, molibden, wolfram, wanad, miedź – pierwiastki stopowe

SKŁADNIKI ZWYKŁE-podczas wytwarzania stali w procesie stalowniczym konieczny jest nadmiar tlenu (jego ilość rośnie wraz ze zmniejszaniem się zawartości węgla w stali)

• W zależności od stopnia odtlenowania wyróżnia się stal:

-nieuspokojoną (odtleniona do stopnia żeby wydzielanie CO rozpoczęło się z chwilą wlania stali do wlewnicy)

-półspokojną –odtlenianie odbywa się przy użyciu Mn i niewielką ilością Si i Al.

-uspokojoną (odtleniona do stopnia żeby nie wydzielała gazów podczas krzepnięcia) –odtlenianie z użyciem Mn, Si i Al.

ZANIECZYSZCZENIA STALI:
Główne zanieczyszczenia stali to: siarka, fosfor, tlen, azot, wodór

• Siarka dostaje się do stali z koksu i rudy (niepożądana ze względu na pęknięcia w zakresie przełomu ciągliwego)

-Górna granica zawartości siarki w stali 0,05%

-Siarka może być dodawana celowo w ilości do 0,35% do stali przeznaczonych do obróbki skrawaniem na automatach (uzyskuje się krótki wiór, dobrze się obrabia)

• Fosfor dostaje się do stali z rudy (jego zawartość jest ograniczona do 0,05%, a w stali wysokiej jakości do 0,02%

• Tlen: występuje w stali w postaci wtrąceń tlenkowych (rozpuszczalność w stali w stanie stałym-bardzo mała) – jest zanieczyszczeniem szkodliwym –obniża ciągliwość i udarność stali

• Azot: dostaje się do stali z otoczenia- powietrza (w postaci wydzieleń lub może być rozpuszczony w żelazie) – niepożądany- powoduje starzenie po zgniocie, obniża ciągliwość i udarność

• Wodór: bardzo szkodliwe zanieczyszczenie stali (dostaje się z pary wodnej znajdującej się w atmosferze pieca), powoduje tworzenie się mikropęknięć i kruchliwość stali

Podstawowymi parametrami przy doborze materiałów inżynierskich są:

-ogólny koszt wytwarzania elementu

-niezawodność podczas eksploatacji

• Postęp w zakresie wytwarzania stali doprowadził do tego że konkurencyjność, jakość i powtarzalność własności stali maszynowych znacznie wzrosły

• Pierwiastki stopowe, których niewielkie zawartości silnie wpływają na własności stali są nazywane mikrododatkami

WĘGIEL-nie jest pierwiastkiem stopowym ale jego obecność jest istotna- ze wzrostem zawartości węgla wzrasta wytrzymałość i twardość, natomiast spada plastyczność i spawalność.

• Wytrzymałość: twardość martenzytu w stalach zależy głównie od zawartości węgla (pierwiastki stopowe wpływają nieznacznie na wytrzymałość martenzytu

• Węgiel zwiększa hartowność stali

Wykład VI Wpływ pierwiastków stopowych na własności stali-podział stali

W technice bardzo rzadko wykorzystywane są czyste metale (odpowiednio dobrane pod względem składu chemicznego i właściwości, są różne stopy)

Uzasadnienie powszechnego stosowania stopów:

• Mają właściwości dostosowane do określonego praktycznego zastosowania

• Można je łatwo poprawić i dostosować do potrzeb (wprowadzając odpowiednie dodatki stopowe-mikrododatki)

• Dodatkami stopowymi są:

-metale (najczęściej)

-niemetale (węgiel, krzem, fosfor)

• W zależności od głównego składnika stopowego rozróżnia się:

-stop żelaza (stal, żeliwo i żelazostopy)

-stop metali niezależnych (miedzi, aluminium, magnez)

• Stopy żelaza jako podstawowe tworzywo stosowane we współczesnej technice

• Ciągły rozwój przemysłu metalurgicznego doprowadził do powstania wielu nowych materiałów

• Podstawowymi parametrami przy doborze materiałów inżynierskich są:

-ogólny koszt wytwarzania elementu

-niezawodność podczas eksploatacji

Stal jako stop żelaza z węglem:

• Stopy żelaza z węglem oraz innymi składnikami zwane stalą są produkowane w postaci:

-lanej

-kutej

-walcowanej

-prasowanej

-ciągnionej

Zależnie od rodzaju obróbki cieplnej wymienione postaci stali można uzyskać w stanie:

• Ujednorodnionym

• Normalizowanym

• Hartowanym

• Ulepszonym cieplnie

Główne składniki stopowe stali:

• Mangan

• Krzem

• Fosfor

• Siarka

Oprócz wspomnianych istotną rolę odgrywają:

• Chrom

• Nikiel

• Wolfram

• Molibden

• Tytan

• Wanad

Dodatki stopowe powodują wzrost wytrzymałości stali, równocześnie zmniejszają własności plastyczne, przewodność cieplną i elektryczną.

Niektóre składniki stopowe pogarszają kowalnoś i spawalność stali i mogą występować w stali w postaci roztworów stali jak:

• Nikiel

• Krzem

• Miedź

• Kobalt

• Wolfram

• Molibden

• Niektóre węgliki jak węglik chromu i węglik manganu (rozpuszczają się w ferrycie)

Składniki stopowe mogą spowodować: przesunięcie na wykresie żelazo-cementyt położenie punktu eutektycznego i eutektoidalnego w kierunku zmniejszonej zawartości węgla.

Klasyfikacja stali:

Podział stali według określonych kryteriów jak:

• Skład chemiczny: niestopowa (węglowa) i stopowa

• Jakość (m.in. Uwzględniająca zawartość S i P)

• Podstawowe zastosowanie: konstrukcyjna, maszynowa, narzędziowa, o szczególnych właściwościach

• Sposób wytwarzania: konwertorowa, elektryczna

• Struktura: ferrytyczna, austenityczna, ferrytyczno-austenityczna, martenzytowi

Duże znaczenie praktyczne dla celów obróbki cieplnej ma:

• Wpływ dodatków stopowych na położenie punktów przemiany alotropowej (A3)

• Eutektoidalnej przemiany (A1)

• Na położenie przemian przechłodzonego austenitu

• Na zmniejszenie szybkości krytycznej hartowania

Wprowadzenie do stali większej ilości niektórych składników stopowych umożliwia uzyskanie w temperaturze otoczenia struktury austenitycznej (odporność stali na korozję). Reasumując należy podkreślić rolę i znaczenie składników stopowych:

• Uzyskanie odpowiednio wysokich własności wytrzymałościowych

• Ułatwienie obróbki cieplnej

• Uzyskanie specjalnych własności fizycznych i chemicznych

SKŁADNIKI STOPOWE:
1) Krzem: w ilościach do 0,4% jest stosowany jako odtleniacz, natomiast dodawany w ilościach 0,5-1% dla umocnienia ferrytu (pozostaje w stali wskutek niezupełnego świeżenia surówki)

• W ilościach od 0,5-4,5% zwiększa opór elektryczny oraz żaroodporność stali

• Zmniejsza liczbę pęcherzy gazowych w odlewie

• Zwiększa wytrzymałość na rozciąganie, twardość, sprężystość

• W większych ilościach powoduje znaczne zmniejszenie plastyczności i odporności na uderzanie

2) Mangan: dodawany w małych ilościach (do 0,8%) w celu odtlenienia stali, oraz dla związania siarki w MnS (zapobiegając w ten sposób kruchliwości na gorąco)

• Dodawany do stali w postaci żelazomanganu (od 1 do 1,5%) Mn dla umocnienia stali poprzez roztwór (zmniejszenia wielkości ziarna ferrytu w blachach walcowych) na gorąco

• Zwiększa wytrzymałość na rozciąganie, twardość i udarność

3) Nikiel- w małych ilościach (0,5-1%) powoduje umocnienie stali poprzez roztwór oraz zwiększa hartowność

• Dodawany w ilościach 3-9% w celu obniżenia temperatury przejścia stali w stan kruchy

• Większe ilości >8% są dodawane dla stabilności austenitu w stalach nierdzewnych i żaroodpornych

4) Chrom: w ilościach 0,2-2,5% ma na celu zwiększenie hartowności

• Duże ilości >11,5% zapewniają stali odporność na korozję oraz utlenianie

• Jest podstawowym pierwiastkiem stali nierdzewnych i żaroodpornych

5) Molibden- w ilościach do 2,5% ma na celu zwiększenie hartowności oraz wywołanie twardości wtórnej

6) Wolfram: dodawany głównie w celu utworzenia węglików M6C, zapewniając stali dobrą odporność na ścieranie

7) Wanad: dodawany w ilościach do 0,2% w celu zwiększenia hartowności oraz umocnienia wydzieleniowego stali (większe ilości zwiększają odporność stali na ścieranie)

8) Miedź-dodawany w ilościach 0,2-0,5% poprawia odporność stali na korozję atmosferyczną.

Wykład VII Stale konstrukcyjne stopowe do nawęglania, azotowania, ulepszania cieplnego, sprężynowe i na łożyska toczne.

Stale konstrukcyjne

• Stal jest to plastycznie i cieplnie obrabialny stop żelaza z węglem i innymi pierwiastkami wprowadzonymi w celu uzyskania żadanych właściwości

• Otrzymywana jest w procesach stalowniczych najczęściej konwertorowych lub elektrycznych ze stanu ciekłego

• Według Polskiej i Europejskiej Normy stal to materiał zawierający masowo więcej żelaza niż jakiego innego pierwiastka o zawartości węgla mniejszej niż 2% i zawierający inne pierwiastki.

• Stopy o stężeniu węgla mniejszym od ok. 0,05% nazywane są żelazem technicznym np. żelazo karbonylkowe

• Stal jako najważniejszy materiał konstrukcyjny w budowie maszyn

Podział stali konstrukcyjnych

1. Stal węglowa konstrukcyjna zwykłej jakości

2. Stal węglowa konstrukcyjna wyższej jakości

3. Stal konstrukcyjna stopowa do nawęglania

4. Stal konstrukcyjna stopowa do azotowania

5. Stal konstrukcyjna stopowa do ulepszania cieplnego

6. Stale sprężynowe (resorowe)

7. Stale na łożyska toczne

8. Stale automatowe

Ad a) Niektóre stale zwykłej jakości o mniejszej zawartości węgla produkuje się jako nie uspokojone (St x) lub przeznaczone do spawania stali (St S). Stale o określonym składzie chemicznym MSt (numer), im większy numer tym większa zawartość węgla.

Ad b) Znak tych stali składa się z liczby dwucyfrowej określającej zawartość węgla (zaw. w setnych procenta), oraz oznaczającą odmianę stali : G- stal o zwiększonej ilości manganu, X- stal nie uspokojona, Y- stal pół-uspokojona, U- stal z wymaganym badaniem udarności. Stale węglowe konstrukcyjne wyższej jakości odznaczają się mniejszą niż stale zwykłej jakości, zawartością siarki i fosforu. Stale węglowe nie odznaczają się dobrą hartownością (hartuje się stosunkowo cienką warstwą).

Ad c) Zawierają mało węgla. Jako składniki stopowe dodaje się pierwiastki tworzące z węglem węgliki np. mangan, molibden, wolfram i wanad. Niektóre z nich mogą wywierać ujemny wpływ na własności stali, jak np.: mangan (sprzyja rozrostowi ziarna). Z kolei rozrostowi ziarna zapobiega chrom, który występuje we wszystkich stalach do nawęglania. W stalach stopowych do nawęglania dzięki zawartości składników stopowych osiąga się daleko lepsze własności wytrzymałościowe niż w stalach węglowych.

Ad d)Stal konstrukcyjna do azotowania zawiera węgiel w ilości 0,25-0,45% oraz składniki stopowe, które wiążą się z azotem, tworząc bardzo twarde azotki. (gałki układu kierowniczego samochodu).

Składnikami azototwórczymi w stalach tego typu są są chrom, molibden, aluminium, wanad, tytan. Proces ten nadaje wysoką twardość tylko warstwy zewnętrznej.

Ad e) Stale te zawierają węgiel oraz niewielkie ilości manganu, krzemu, chromu, nilu. Obróbka tych stali polega na hartowaniu i odpuszczaniu w temp ok. 600 st.C, (poprawa właściwości mechanicznych i odporności na uderzenie). W praktyce najczęściej spotyka się stale: manganowe, krzemowo-manganowe, chromowo-molibdenowe, chromowo- molibdenowo-wanadowe, chromowo-niklowe, chromowo- manganowo- krzemowe. Kruchliwość odpuszczania jest spowodowana wydzieleniem się na granicy ziaren różnych faz i związków chemicznych, które ułatwiają pękanie stali przy uderzeniu.

Ad f) Stale sprężynowe odznaczają się dobrą sprężystością i wytrzymałością na zmęczenie (powinny odznaczać się dobrą wytrzymałością na obciążenia stałe oraz dobrymi własnościami plastycznymi) .Stale sprężynowe podlegają hartowaniu i odpuszczaniu w temp 350-500 ̊C .

Typowe gatunki stali sprężynowych:

• Stal węglowa- używana na resory i sprężyny do urządzeń mało-obciążonych.

• Stal krzemowa – używana na resory i sprężyny do urządzeń średnio-obciążonych.

• Stal chromowo-krzemowa - używana na resory i sprężyny do urządzeń wysoko-obciążonych.

• Stal chromowo-wanadowa - używana na resory i sprężyny do urządzeń bardzo wysoko-obciążonych.

Ad f) Stale na łożyska toczne odznaczają się znaczną zawartością węgla (ok.1%) i chromu (ok. 0,5-1,65%). Stale tego typu charakteryzują się dużą wytrzymałością i odpornością na skręcanie.

Gatunki stali używane w PL na łożyska toczne LH6, LH9, LH15, LK15SG.

Wykład VII

1) Stale stopowe narzędziowe:

-posiadają cechy wynikające z charakteru ich pracy, który wymaga, aby materiał miał optymalną twardość, odporność na ścieranie i uderzenia

-narzędzia nie powinny ulegać odkształceniom i szybko się zużywać

-wymagania te spełniają materiały o odpowiednim składzie chemicznym i bez zanieczyszczeń

-wszystkie podlegają zahartowaniu i odpuszczeniu

2) Podział stali narzędziowych:

-ze względu na skład chemiczny:

*stale narzędziowe węglowe

*stale narzędziowe stopowe

a) Stale narzędziowe węglowe (pracują krótko lub w lekkich warunkach):

-niska zawartość manganu krzemu, siarki, fosforu

-stale szybkotnące – przeznaczone na narzędzia do obróbki skrawaniem o dużej wydajności

Stale narzędziowe stopowe (prócz węgla zawierają składniki stopowe)

-chrom (nie zapewnia w dostatecznym stopniu własności skrawających)

-wolfram (zmniejsza skłonność stali do odpuszczania)

-molibden (zwiększa twardość)

-wanad (czyni stal odporną na przegrzania i odpuszczanie)

-nikiel (poprawia ciągliwość i wpływa na zmniejszenie krytycznej szybkości chłodzenia)

-krzem (zwiększa sprężystość stali)

-ze względu na warunki pracy:

*do pracy na zimno

*do pracy na gorąco

Stale narzędziowe węglowe dzielą się na:

-płytko się hartujące

-głęboko się hartujące

-zgrzewalne

Podstawowa cecha stali narzędziowych węglowych to mała hartowność, zaś zewnętrzna zahartowana warstwa ma dość dużą twardość i odporność na ścieranie

Stale stopowe przeznaczone do pracy na zimno (mają większe ilości węgla):

-przeznaczone na narzędzia skrawające

-przeznaczone na narzędzia do przeróbki plastycznej

-przeznaczone na przyrządy pomiarowe

Cechy materiałów osiąga się dzięki:

-doboru składu chemicznego

-odpowiedniej obróbki cieplnej

Stale stopowe do pracy na gorąco (do wyrobu narzędzi do obróbki ogrzanych materiałów)

-duża twardość

-odporność na uderzenia i zmiany temperatur

-duża przewodność cieplna

-mała rozszerzalność

Stale szybkotnące (na narzędzia skrawające o dużej wydajności; lepsze od stopowych i węglowych)

-nie zmieniają własności nawet w temperaturach rzędu 600 stopni C

-zawiera znaczne ilości stopów

Stale stopowe o specjalnych włościach fizycznych (dużo chromu; odporność na działanie środowiska):

-odporne na korozje, działanie wód naturalnych, kwasów organicznych

-żaroodporne

Stale odporne na korozje (hartowanie i odpuszczanie w bardzo wysokich temperaturach):

-kwasoodporne (dużo chromu i niklu; wykorzystywane w przemyśle chemicznym)

-żaroodporne (dużo chromu z aluminium lub tytanem; piece i kotły pracujące w wysokich temp.)

-żarowytrzymałe (odporne na mechaniczne obciążenia w wysokich temperaturach; zawory silników)

Stale magnetyczne:

-miękkie (pod wpływem pola magnetycznego w ferromagnetykach pojawiają się cechy magnetyczne; rdzenie transformatorów i maszyn elektrycznych)

-twarde (trwałe właściwości magnetyczne; w prądnicach i silnikach prądu stałego, słuchawkach)