MATERIAŁY WYKORZ.W PROC. WYTWARZANIA
Ogólna klasyfikacja mat. Konstrukcyjnych Mat. Techniczne to ciała stałe o właściwościach umożliwiających wytwarzanie z nich różnego rodz. Produktów(maszyn, narzędzi , przedmiot. powszechnego użytkowania )
Materiały techn. dzielimy na 1.mat. naturalne- wymagające nadania kształtu,2.mat. inżynierskie-nie występują w przyrodzie ,wymagają zastosowania złożonych procesów w celu ich wytworzenia i przystosowania do określonych potrzeb przy wykorzystaniu dostępnych surowców. 3.mat.kompozytowe-tw. Przez połączenie 2 z w/w inżynierskich w monolityczną całość maja inne wł niż wł dla każdego materiałów składowych.
KRYSTALICZNA I AMORFICZNA POSTAĆ MAT. Ciała doskonale amorficzne mają at. Rozłożone przypadkowo, nawet z zakresie 2-3 at. Sąsiadujących ze sobą ,nie można wyodrębnić powtarzających się sekwencji at.
Ciała morficzne- mat. Pierwotnie krystaliczne, w których w wyniku dostarczenia dużej ilości energii(np. laserowe, bombardowane protonami lub neutronami) zanika uporządkowanie dalekiego zasięgu -wyróżnia strukturę krystaliczną.
Szkło ciało stałe, niekrystaliczne o lepkości>10^13 N*sek/m^2. W szkle at. Nie sa rozłożone w sposób przypadkowy lecz tworzące powtarzające się sekwencje sąsiednich at.sa w obszarze 2 nm.
Polikryształy - ciało w którym poszczególne obszary krystaliczne oddzielone są od siebie warstwami niekrystalicznymi o grubości 2-3 a (granic ziaren ).
Monokryształy- 1 kryształ bez granic ziaren, nie pozbawiony innych defektów budowy krystal. Jak brak poj. At. Lub fragmentów płaszczyzn atomowych.
Kryształ idealny pozbawiony defektów, trudno osiągalny(wiskersy)
Za wzgl na kształt ziaren wwyróżnia się gr.:1.słupkowe-ziarno kształt słupkowy o gr. nanaometrycznej(ukł. Jednowymiarowe),2warstwowe-ziarna kszt. Płaski o gr. nanometrycznej ( ukł dwuwarstwowe),3.równoosiowe- ziarno kszt. Zbliżony do kuli o gr. nanaometycznej ( ukł trójwymiarowe)
Podział pod wzgl. Skł. Chem 1. kryształy i granice ziaren char. Się tym samym skł. Chem. 2.kryształy charakt. Się różnym skł. Chem.,3 ziarna oraz fazyw gr. ziaren o różnych skł. Chem. 4w osnowie umieszczone są nanometryczne ziarna o innych skł.
Fazy mat. Monokrystalicznych 1.krystaliczna,2amorficzna i krystaliczna ,3.krystaliczna lub amorficzna osnowa .Monokryształy mają metastabilny charakter tzn. w podwyższonej temp. Następuje rozrost ziaren, obniżenie energii swobodnej ukł. poprzez redukcję energii gr. ziaren.
METALE I ICH STOPYMetale:1.dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne, 2 dodatni temperaturowy współczynnik rezystywności, 3. połysk metaliczny, polegający na odbijaniu promieni świetlnych od wypolerowanych pow. 4. plastyczność- zdolność do trwałych odkształceń pod wpływem przyłożonych naprężeń.
Procesy metalurgiczne polegają na redukcji prowadzącej do ekstrakcji metalu z rudy oraz na rafinacji Elementy metalowe są wytwarzane metodami: 1.odlewniczymi, 2.obróbki plastycznej, 3. obr. Skrawaniem, 4. metalurgii proszków.
Obróbka cieplna- wł. Metali i ich stopów są kształtowane przez temp. Odkształcenie plastyczne met.- wywołuje zmiany w strukturze, które z kolei powoduje zmiany wł. Mechanicznych. Odbywa się przez poślizg- polega na przesunięciu się części kryształu wzgl. Pozostałej wzdłuż pewnej płaszczyzny krystalograficznej w określonym kierunku.
Rola dyslokacji- przemieszczanie się stosunkowo niewielkich gr. at. Bliźniakowanie- mechanizm prowadzący do zmiany kaształtu materiału ( tw. Się wówczas gdy następuje odkształcenie z dużą V jest to skręcenie o kąt).
Metale i ich stopy-ciała polikrystaliczne gł. Rolę odgrywają dyslokacje, w strukt. Metali istnieja przeszkody blokujące ruch dyslokacji tzw. Wacance, obce at. , gr. Ziaren I podziaren oraz gr. między fazowe. Skutki wywołane odktałc. Plastycznymi można usunąć je za pomoca obróbki cieplnej- wyrzażanie w określ. Temp. I stałym czasie. Temp w której wyrzażamy prowadzi do zmiany wielkości ziarna i wł. Wytrzymałościowych jest zwana temp. Rekrystalizacji(TR).temp.<TR wielkość ziaren nie ulega zmianie. Temp>TR rozpoczyna się tw. Nowych ziaren czyli rekrystalizacja pierwotna tzw.Drobnoziarnista struktura. Obróbka cieplna: 1 na zimno poniżej TR,2.na ciepło- w temp. Podwyższonej , ale poniżej TR. 3. na gorąco- powyżej TR. Warunki równowagowe układu:*Procesy zachodnie podczas krzepnięcia oraz przemian w stanie stałym najłatwiej analizować za pomocą wykresów równowagi fazowej ukł. I ujmują one wpływ skł chem. Temp. I ciśnienia na skł. Fazowy stopów w warunkach równowagi(ciśnienie = ciśnieniu atmosferycznemu )*określa on jakie fazy istnieją w stopie w domowych warunkach skł. chem. i temp. Oraz jakie są możliwe zmiany stanu układu w wyniku tych warunków.W stopach żelaza z węglem stabilnymi fazami są roztwory stałe ferryt i austenit oraz wolny węgiel w postaci grafitu. Międzymetaliczna Faza - stabilna Węglik żelaza (cementyt)oznaczający się dużą trwałością.
Stale węglowe def. Jako obrabiany plastycznie stop Fe z C w ilości do 2% oraz innymi pierwiastkami o łącznym udziale do 1,5%
W zależności od ilości C i temp. Wyróżniamy skł. Strukturalne
1) AUSTENIT - roztwór stały C w żelazie y(gamma) krystalizujący w ukł. regularnym ściennie centrowanym. Max. rozpuszczalność C w temp. Eutektoidalnej(1130 st) wynosi ok. 2% z obniżeniem temp. spada do 0,8%(przy 723 st), a w efekcie powstaje cementyt wtórny. Austenit jest paramagnetyczny. W stalach węglowych może istnieć jedynie powyżej temp. Eutektoidalnej(723 st).Poniżej tej temp. ulega przemianie w perlit.
2) FERRYT - jest to stały roztwór węgla w Fe α, krystalizujący w ukł. regularnym przestrzennie centrowanym. Rozpuszczalność C w temp. Eutektoidalnej(723 st) wynosi 0,02% a w temp. otoczenia 0,008%.Nadmiar C wraz z obniżeniem temp. wydziela się z ferrytu w postaci cementytu trzeciorzędowego. Do temp. 770 st jest ferromagnetyczny, zaś powyżej paramagnetyczny. Właściwości: HB=80, Rn około 300MPa, A10=40%, KCU około 180 J/cm2.
3) CEMENTYT - jest to węglik żelaza typu M3C(Fe3C) o strukturze rombowej. Zawiera 6,67% węgla. Może rozpuszczać inne pierwiastki np. Mn, Cr, W. W stalach węglowych występuje jako cementyt wtórny, wydzielający się z austenitu wskutek malejącej rozpuszczalności węgla w żelazie y, lub cementyt trzeciorzędowy, wydzielający się z ferrytu wskutek malejącej rozpuszczalności węgla w Fe α. Jest skł. Perlitu. Jest to faza twarda i krucha(HB około 700).
4) PERLIT - mieszanina eutektoidalna ferrytu i cementytu zawierająca 0,08% węgla(t.j.87% ferrytu i 13% cementytu) Powstaje w wyniku przemiany Eutektoidalnej austenitu w temp. 723 st. Temp. ta jest określona dla warunków równowagi. W praktyce zmienia się ona w zależności od szybkości chłodzenia. Im szybsze chłodzenie tym ↓ temp. przemiany a tym samym większe przechłodzenie austenitu. Wpływa to bezpośrednio na stopień dyspersji perlitu, charakteryzowany odległością pomiędzy płytkami cementytu. Im szybsze chłodzenie tym perlit posiada szybszą dyspersję(rozdrobnienia). Zmiana dyspersji perlitu wpływa na wł. Mechaniczne - rosną one ze wzrostem stopnia dyspersji. Właściwości - HB około 180-220, Rn około 700-800 MPa, A10 około 8%
STALE WĘGLOWE - Ze względu na strukturę dzieli się na III zasadnicze grupy. a)stale podeutektoidalne- zaw. do 0,8%C posiadają strukturę perlityczną, b)stale nadeutektoidalne-od 0,8% do 2%C mają strukturę perlitu z cementytem, c) stale eutektoidalne 0,8%C struktura perlityczna.Gdy zawartość↓ 0,1% stal ma strukturę prawie czysto ferrytyczną z ewentualnymi wydzielinami Fe3C na granicach ziaren. Przy większych zawartościach C w strukturze prócz ferrytu pojawia się perlit. Zbudowany z przemiennie ułożonych płytek ferrytu i cementytu-nosi nazwę perlitu płytkowego.%0
PERLIT KULKOWY - b. miękki i plastyczny niż płytkowy. Powstaje: długotrwałe wygrzewanie stali(temp. eutektoidalna) powoduje, że płytki cementytu dążąc do zmniejszenia swej energii powierzchniowej tworzą kulki w masie ferrytu.Własności mechaniczne stali o strukturze zgodnej z układem Fe-Fe3C Ze wzrostem zawartości C ubywa w stali miękkiego ferrytu a przybywa twardego cementytu i HB rośnie RM(wytrzymałość na rozciąganie) rośnie a następnie maleje. W stalach nadeutektoidalnych ↑ ilość kruchego i twardego cementytu występującego w granicach ziaren. A i Z też maleją(A-wydłużenie, Z-przewężenie). Dodajemy Mn i Si co zwiększa jego wytrzymałość. Mn rozpuszcza się też w cementycie, stabilizuje austenit(zwiększa hartowność stali). Fosfor i siarka. P-rozp. Się w ferrycie ↓ plastyczność, korzystnie wpływa na wł. wytrzymałościowe, podwyższa temp. przy której stal staje się krucha-kruchość na zimno, rozpuszcz. W ferrycie ↓ z obniżeniem tem. Przez co stal jest skłonna do starzenia.Len obniża właściwości mechaniczne.
Rodzaje wyrzażań i wpływ na ukł.stali.Wyżarzan e-zabieg obróbki cieplnej polegającym na nagrzaniu stali do wymaganej temp. , wygrzaniu, a następnie powolnym studzeniu do temp. otoczenia temp. A1 i A3. temp. przemian w stopach Fe z C odpowiadające warunkom równowagi ulegające pewnym fluktuacją. Temper. C jest dla procesów przemian i Rr dla procesów chłodzenia. W zależnościom celu rodz. Wyżarzania:1)wygrzewanie powyżejtemp.krytycznej
a)ujednoradniające(homogenizujące)
b)normalizujące c)zupełne
d)zmiękczające i sferoidyzujące
2)wygrzewanie poniżej temp. krytycznej
a)rekrystalizujące
b)odprężające i stabilizujące
c)ujednoradniające
Ad.1A. temp. znacznie ↑ Ac3, Ac, Acm często 100-200 st, poniżej linii solidus, praktycznie 1050-1200 st, studzenie odbywa się powoli. Czas 12-15 h
Cel - zmniejszenie niejednorodności skł. Chem. materiału powstałego w wyniku krzepnięcia.
Ad.1. temp. 30-50 st, powyżej linii Ac3,Ac,Acm. Studzenie w spokojnym powietrzu do temp. otoczenia. czas zależy od przekroju normalizowanego materiału.
Cel-uzyskanie drobnoziarnistej struktury o zbliżonej wielkości ziarna w całym przekroju co polepsza wł. mechaniczne, szczególnie udarność w czasie tym perlit zmienia się w austenit powod. Rozdrobnienie ziarna, które nie ulega zmianie przy studzeniu.
Ad.1.C temp. 30-50, powyżej linii Ac3,Acm. studzenie razem z piecem, wolniejsze od normalizowanego. Czas podobnie jak Ad.1.B.
Cel-uzyskanie strukt. Drobnoziarnistej o zbliżonej wielkości ziarna w całym przekroju. Prowadzi się częściej dla stali stopowych niż węglowych.
Ad.1.D. temp. zbliżona do AC1(680-700 st) lub wahadłowo ~ 20 st powyżej AC1 i ~ 20 st poniżej Ar1. Czas kilku-kilkunastu godz.
Cel- do wyżarzania sferoid… uzyskanie struktury kulkowego równomiernie rozmieszanego w ferrycie(dobra plastyczność, mała twardość) Cel dla zmiękczającego uzyskanie strukt. O wymaganej twardości np. w wyniku częściowej sferoidyzacji cementytu.
Ad.2A temp. 600-700 , studzenie powolne, czas zależy od stopnia zgniotu wymaganych właściwości końcowych. Cel usunięcie skutków zgniotu.
Ad.2 temp. 400-650 , studzenie powolne, czas kilka godz., cel zmniejszenie naprężeń własnych podczas odlewania, spawania lub zgniotu na zimno, zabieg cieplny bez widocznych zmian strukturoidalnych-może zajść samorzutnie w temp. otoczenia lecz wymaga długich czasów- kilka miesięcy lub lat.
Stabilizujące- proces prowadzony przez kilka godz., temp. 100-1500 zwany stabilizowany. Stosowany w celu niezmienności wymiaru przedmiotu w czasie eksploatacji np. dla narzędzi pomiarowych po hartowaniu z niskim odpuszczaniem i szlifowaniem.
EUTEKTOID-mieszanina 2 faz powstała ze stanu stałego w stałej temp. i przy stałym skł. Chem. W przypadku stopu Fe-Fe3C powstaje z austenitu w temp. 723 st jest to mieszanina ferrytu i cementytu II-perlit.
ŻELIWA I STALIWA-
W ukł. fazowy Fe-Fe3C wyróżniamy 2 gr. Stopów odlewniczych- I staliwa i II żeliwa. Kryterium podziału jest zawartość węgla.
Ad.I- nie zawierają eutektyki, stężenie C nie przekracza 2,1%
Ad.II- zawartość C ponad 2,1% , zawiera eutektykę.
Ad.I - odlewy staliwne uzyskują zasadniczy kształt podczas krzepnięcia w formie. Nie podlegają obróbce plastycznej różni je od stali. Dzielimy na niestopowe i węglowe - Nisko węglowe do 0,2%, średnio 0,25-0,4%, wysoko 0,45 do 0,60%
Stop Fe z C i pierwiastkami, których obecność wynika z procesu stalowniczego(Si, Mn, P, S) do 2,1%C, Mn 0,4-1%, Si 0,2-0,6%, Pmax 0,035%, S max 0,035%.
Ze wzrostem zawart. C wzrasta wytrzymałość na rozciąganie, granica plastyczności i twardość, pogarszają wydłużenie, udarność, przewężenie.
Zastosowanie stali
*niskowęgl. Mniej obciążone części maszyn podleg. Obciążeniom udarowym
*średniowęgl. Obciążenia statyczne, koła zamachowe
*wyskowęgl. Części narażone na ścieranie np. walce.
STALIWA I WŁAŚCIOWŚCI
Charakteryzują się małą lejnością i dużym skurczem objętościowym i liniowym, efektem jest skłonność do tw. Się dużych jam skurczowych, odkształceń, pękania. Wskutek młej lejności trudno wykonać skomplikowane cienkościenne odl. Staliwne
Stal - anizotropowe
Staliwa mają wł. izotropowe we wszystkich kier. Te same własności np. fizyczne.
STALIWA
1) Stopowe- wprowadzany celowo min. 1 pierw. Metaliczny najczęściej Cr zastosow. - staliwa konstrukcyjne odporne na korozję, żaroodporne , żarowytrzymałe.
a) niskostopowe do 0,2%
b) średniostopowe 2,5 do 5%
c) wysokostopowe↑ 5%
STRUKTURA STALIWA. Ziarna perlitu i ferrytu + obecność ferrytu iglastego. Jego obecność powoduje zmniejszenie udarności.
ŻELIWA. Przemiana eutektyczna w ukł. Fe-C , temp. 1150 st, przemiana z roztworu ciekłego(4,25 %C)↔grafit + austenit(2,03%C), roztwór ciekły(4,3%C)↔cementyt(2,11%C), austenit→perlit=ledeburyt krzemieniowy.
Żeliwa a) białe, b) szare.
Żardkowanie grafitu w stopie FeC jest małoprawdopodobne, gdyż wymaga niezwykle wolnego chłodzenia w zakresie zmiany temp. eutektycznej.
Krzem ułatwia zarodkowanie grafitu, każde żeliwo zawiera od 0,5 do 3% Si. Dodanie 2% Si powoduje wzrost różnicy temp. eutektycznych do ~ [Author ID1: at Fri May 20 09:48:00 2005 ]30 st przez obniżenie temp.
Krzem i fosfor zmniejszają zawartość C w eutektyce. Si wzmacnia ferryt.
Struktura osnowy żeliw szarych - fazy oprócz grafitu to ferryt, perlit, eutektyka fosforowa.
Osnowa - faza dominująca ferryt i perlit w różnych proporcjach.
Otrzymywanie żeliwa - przetopienie surówek odlewniczych + dodatki złomu. Żeliwa szare z grafitem.
(grafit) powstaje on w podczas przemiany eutektycznej ma kształt drobnych połączonych płatków o dł. Na zgładach metalograficznych od 10 - 1000 um. Ze względu na kształt i wielkość grafitu żeliwa szare dzielimy: szare zwykłe(grafit płatkowy różnej wielkości), - modyfikowany(drobny grafit płatkowy), - sferoidalne(gr. kulkowy) , - ? wernikularne.
Zastosowanie żeliw -
żeliwo szare (maszynowe) - części maszyn( mało obciążone części nie pracujące przy obciążeniach zmiennych) z gat. O większej wytrzymałości (250-350 Mpa) są korpusy, stojaki, koła zębate, instal. Hydrauliczne.