Rozdział 6.
Stopy żelaza z węglem w zależności od zawartości C dzielimy na 2 podstawowe grupy: stale (do 2% C) i żeliwa (od 2% do 4,5% C).
Stal - jest przerobionym plastycznie technicznym stopem żelaza z węglem i innymi pierwiastkami zawierający masowo więcej Fe niż jakiegokolwiek innego pierwiastka oraz o zawartości C w zasadzie mniejszej niż 2%.
Stale, w których głównym składnikiem stopowym jest C nazywamy stalami niestopowymi. Stale do których wprowadza się świadomie dodatkowe składniki nazywamy stalami stopowymi.
Na podstawie układu Fe-Fe3C i udziału głównego składnika stopowego C - stale dzieli się na stale podeutektoidalne (do 0,8% C), stale eutektoidalne (0,8% C), stale nadeutektoidalne ( 0,8- 2,06% C).
W zależności od zawartości C stale stopowe uzyskują struktury: podeutektoidalna ferrytyczno-perlityczna, eutektoidalna perlityczna, nadeutektoidalna perlityczna z cementytem wtórnym. Cementyt powoduje wzmocnienie stopów Fe z C stanowiąc niejako zbrojenie plastycznej osnowy ferrytycznej. W stalach podeutektoidalnych większa część cementytu występuje w perlicie, którego udział w strukturze zwiększa się wraz ze wzrostem zawartości C i przy zawartości 0,8% C w strukturze występuje sam perlit. Twardość HB wraz ze zwiększeniem zawartości C wzrasta. Wytrzymałość na rozciąganie Rm rośnie do zawartości C ok. 1%, a powyżej tej zawartości zaczyna się obniżać. Przyczyną tego jest pojawienie się na granicach ziarn perlitu ciągłej siatki cementytu drugorzędowego, co powoduje, że stal staje się krucha i łatwiej ulega pękaniu. Wydłużenie, przewężenie i udarność ze wzrostem C maleją.
Dodatki stopowe do stali wprowadza się w celu: zwiększenia własności wytrzymałościowych stopów (umocnienie roztworowe i wydzieleniowe), wywołanie zmian strukturalnych, uzyskania specjalnych własności fizycznych i chemicznych( odporność na korozję) oraz technologicznych i zwiekszenia hartowności.
W zależności od ilości i rodzaju pierwiastków stopowych mogą one: rozpuszczać się w ferrycie lub austenicie, tworzyć z Fe lub między sobą fazy międzymetaliczne, tworzyć węgliki, azotki lub węgliko - azotki, występować w stanie wolnym.
Pierwiastki stopowe rozpuszczone w ferrycie lub austenicie wpływają głównie na: właściwości mech ferrytu i austenitu, zmianę temperatur przemian alotropowych Fe oznaczanych A3 i A4, szybkość dyfuzji, zmianę temperatur początku i końca przemiany marteny tycznej, przemiany przy odpuszczaniu.
Dodatki stopowe zmniejszają skłonność ziarna austenitu do rozrostu. Struktura drobnoziarnista zapewnia wyższe własności mech, szczególnie rośnie udarność i granica plastyczności. Grube ziarno poprawia natomiast skrawalność i zwiększa hartowność.
Żeliwo jest stopem Fe z C oraz innymi pierwiastkami stopowymi, w którym zawartość C wynosi co najmniej 2 - 4 % C. Węgiel obniża temp topnienia stopów Fe, dlatego żeliwa mogą być łatwiej topione niż stal. Dzielimy je na stopowe i niestopowe. W zależności od postaci, w jakiej występuje C: białe- C występuje w postaci węglików, szare - C występuje w postaci wolnej - grafitu, połowiczne - C występuje w postaci cementytu i grafitu.
Żeliwa białe - są materiałem twardym i kruchym oraz źle skrawalnym. Żeliwa z wydzieleniami grafitu dzielimy na: szare, sferoidalne, ciągliwe. Grafit posiada bardzo małą wytrzymałość oraz niski moduł sprężystości (20 MPa). Żeliwa szare - niska wytrzymałość na rozciąganie (Rm 150-250 MPa) i zginanie, niska plastyczność, niska wytrzymałość zmęczeniowa i mała wrażliwość na działanie wad powierzchniowych, zdolność do tłumienia drgań, bdb właściwości ślizgowe, db obrabialność, db właściwości odlewnicze, niska cena. Odmianą żeliw szarych są żeliwa modyfikowane zawierające bardzo drobny grafit płatkowy.
Żeliwa sferoidalne - nazywa się żeliwa, w których grafit powstaje podczas krzepnięcia w postaci kulkowej. Charakteryzują się: bdb właściwościami wytrzymałościowymi oraz plastycznymi, mniejszą skłonnością do koncentracji naprężeń oraz wysoką udarnością, db szczelnością, db lejnością, dużą skłonnością do powstawania naprężeń własnych i jam skurczowych w odlewach.
Żeliwo ciągliwe czarne: db właściwości wytrzymałościowe Rm 300-800 MPa i db właściwości plastyczne, odporność na obciążenia dynamiczne, db skrawalność, jednorodna struktura i twardość w całym przekroju odlewu, db szczelność.
Żeliwo ciągliwe białe: db właściwości wytrzymałościowe Rm 350 - 550 MPa i db właściwości plastyczne, odporność na obciążenia dynamiczne, dobra szczelność, odporność na działanie czynników korozyjnych, db spawalność, mała odporność na ścieranie. Żeliwa stopowe - to żeliwa zawierające dodatkowo pierwiastki np. Cr, Ni, Mo, Al.
Obróbka cieplna - nazywamy zespół zabiegów cieplnych prowadzących w celu zmian struktury stali lub innych stopów, zapewniających uzyskanie odpowiednich właściwości mechanicznych. Parametry obróbki cieplnej: temp wygrzewania, czas wygrzewania, szybkość nagrzewania i chłodzenia.
Obróbka cieplna: wyżarzanie (z przemianą alotropową: ujednorodniające, normalizujące, zupełne, zmiękczające; bez przemiany: rekrystalizujące, odprężające, stabilizujące), ulepszanie cieplne (hartowanie i odpuszczanie), utwardzanie wydzieleniowe (przesycanie, starzenie).
Wyżarzanie - polega na nagrzaniu stali do określonej temp, wygrzaniu w tej temp a następnie studzeniu. Celem obróbki jest uzyskanie struktur zbliżonych do stanu równowagi.
Ulepszanie cieplne: hartownie - polega na nagrzewaniu stali do temp, w której następuje wytworzenie struktury austenitu i następnie szybkim chłodzeniu umożliwiającym otrzymanie metastabilnej struktury martenzytycznej. Stale po hartowaniu charakteryzują się wysoką twardością rzędu 60-65 HRC, wys właściwościami wytrzymałościowymi oraz niskimi właściwościami plastycznymi oraz dużą kruchością. Hartowność - jest zdolnością stali do tworzenia struktury martenzytycznej podczas chłodzenia z temp austenizacji. Cechami hartowności są: utwardzalność i przehartowalność. Na hartowność stali wpływają: skład chemiczny stali, jednorodności austenitu, wielkości ziarna austenitu. Hartownie dzielimy na: zwykłe, stopniowe, izotermiczne, powierzchniowe. Odpuszczanie -jest drugim etapem ulepszania cieplnego, zabieg ten polega na nagrzaniu zahartowanego przedmiotu do temp niższej od temp przemiany eutektoidalnej i wytrzymaniu w tej temp prze czas konieczny do zajścia przemiany. Wyróżniamy odpuszczanie: niskie (150-250oC), średnie (250-500oC), wysokie (powyżej 500oC).
Utwardzanie wydzieleniowe - polega na wytworzeniu w ziarnach drobnych wydzieleń o odmiennej strukturze krystalograficznej niż osnowa, które blokują ruch dyslokacji i tym samym zwiększają właściwości wytrzymałościowe stopu. Składa się z 2 etapów: przesycania i starzenia. Przesycanie- polega na nagrzaniu stopu do temp o 30-50 C powyżej granicznej rozpuszczalności i wygrzaniu w tej temp w celu rozpuszczenia wydzielonego składnika a następnie szybkim chłodzeniu. Starzenie - polega na nagrzaniu stopu uprzednio przesyconego do temp poniżej granicznej rozpuszczalności drugiego składnika, wygrzaniu w tej temp i powolnym chłodzeniu.
Rozdział 7.
Klasyfikacji gatunków stali dokonuje wg składu chemicznego i klas jakościowych: stale niestopowe, stale odporne na korozję( zawierające co najmniej 10,5% Cr i max 1,2% C), inne stale stopowe. Klasy jakościowe stali niestopowych: jakościowe i specjalne( mniejszy udział wytrąceń niemetalicznych, dokładne regulowanie składu chemicznego, określonymi wymaganiami wielu własności mech, technolog i użytkowych), stale odporne na korozję (klasyfikacja na zawartość Ni: o zaw Ni <2,5% i o zaw =i>2,5%, podział ze względu na własności: nierdzewne, żaroodporne, żarowytrzymałe). Klasyfikacja jakościowa stali stopowych: stale stopowe jakościowe( stale konstrukcyjne), stale inne, stale stopowe specjalne (stale narzędziowe, szybkotnące, łożyskowe, maszynowe itp.) Klasyfikacja stali wg stopnia odtlenienia: Uspokajanie stali - końcowy proces wytopu stali, polegający na odtlenianiu w celu zmniejszenia wydzielania gazów podczas krzepnięcia we wlewnicy. Wyróżniamy stal: nieuspokojoną, półuspokojoną, uspokojoną.
Oznakowanie stali: system znakowania: znakowy( w którym znak stali składa się z symboli literowych i cyfr), cyfrowy (w którym numer stali składa się tylko z cyfr). W systemie cyfrowym oznaczenie gatunku stali składa się z 5 cyfr: 1.nnxx, gdzie 1 oznacza stal, nn - człon składający się z dwóch cyfr oznacza gr stali, xx - trzeci człon - gatunek w grupie. Numery stali ustala się tylko dla gatunków, które mają znaczenie handlowe. Ustalenie znaków stali w systemie literowo cyfrowym : rozróżnia się 2 gr znaków: zawierające symbole wskazujące zastosowanie oraz właściwości mech lub fiz stali, zawierające symbole wskazujące skład chemiczny stali.
Przykładowe stale przemysłowe: stale konstrukcyjne i maszynowe, stale sprężynowe, stale stosowane na narzędzia, odporne na korozję i żaroodporne.
Rozdział 8.
Stopy matali nieżelaznych dzielimy na: lekkie i ciężkie.
Metale lekkie i ich stopy posiadają znaczenie przede wszystkim dla przemysłu lotniczego a obecnie coraz częściej tam, gdzie zmniejszenie masy konstrukcji umożliwia zmniejszenie zużycia energii.
Aluminium jest jednym z najobficiej występujących w skorupie ziemskiej. Ze względu na złożność i energochłonność procesu wytwarzania z rud jest metalem dość drogim. Jest metalem wszechstronnym, objawia się wieloma wyjątkowymi właściwościami tak chemicznymi jak i fizycznymi, które można zmieniać w bardzo szerokim zakresie stosując Al w postaci od superczystej do najbardziej skomplikowanych stopów. Czyste Al ma małą gęstość wynoszącą 2,7 MG/m3, odporność na utlenianie, niewielką oporność elektryczną i dobrą plastyczność.
Do najczęściej stosowanych dodatków stopowych należą: Cu, Si, Mg, Mn i Zn. Stopy Al dzieli się na przeznaczone do: obróbki plastycznej i stopy odlewnicze. Niektóre stopy Al obok umacniania przez zgniot mogą podlegać umacnianiu wydzieleniowemu lub dyspersyjnemu, polegającemu na wytworzeniu w stopie dyspersyjnych wydzieleń, blokujących przemieszczanie się dyslokacji. Proces umacniania wydzieleniowego jest podstawową metodą umacniania stopów lekkich a także wielu innych stopów, wykazujących zmienną rozpuszczalność w stanie stałym malejącą wraz z obniżeniem temperatury.
Stopy umacniane wydzieleniowo: Największe znacznie mają stopy Al - Cu - Mg zwane duralami. Zależnie od zawartości Cu charakteryzują się: dużą plastycznością i wysoką wytrzymałością. Stopy te są stosowane na silnie obciążone elementy konstrukcji w tym również samolotów i pojazdów. Innymi stopami umacnianymi wydzieleniowo są stopy Al.- Si - Mg oraz Al.-Zn - Mg.
Oddzielną grupę stanowią wysokowytrzymałe stopy Al otrzymywane metodą metalurgii proszków. Metoda metalurgii proszków umożliwia uzyskanie wyjątkowej struktury, której podstawą jest fakt, iż produktem wyjściowym są drobne cząstki proszku. Cząstki te można otrzymywać przy zastosowaniu bardzo dużej szybkości chłodzenia, zasadniczo zwiększającej rozpuszczalność składników stopowych w Al. Druga możliwość polega na otrzymywaniu stopów przez mechaniczne stapianie, polegające na wytwarzaniu stopu na drodze mieszania proszku o wielkości ziarna 2-5 mikrom. W obydwu przypadkach można otrzymać stopy o zawartości składników stopowych równomiernie rozłożonych w całej objętości stopu.
Stopy odlewnicze - do najważniejszych stopów odlewniczych Al zaliczamy stopy Al. - Si zwane silu minami. Odznaczają się: doskonałymi właściwościami odlewniczymi i całkiem niezłymi właściwościami mechanicznymi. Wadą siluminów jest grubo iglasta eutektyka i duże iglaste wydzielenia krzemu pierwotnego. Siluminy oznacza się symbolem AK. Obok siluminów w grupie odlewniczych stopów Al znajdują się stopy Al.-Cu.
Rozdział 9. Tworzywa sztuczne.
Olbrzymie zainteresowanie tworzywami sztucznymi wynika przede wszystkim z: łatwości kształtowania wyrobów o skomplikowanych kształtach w ostatecznej postaci i estetycznym wyglądzie, stosunkowo dużej odporności chemicznej, niezłych właściwościach mech i często doskonałych dielektrycznych, małej gęstości, a przez to korzystnego stosunku wytrzymałości mech do gęstości. Podstawowym ograniczeniem tworzyw jest niewielka sztywność, twardość oraz skłonność do odkształcenia pod stosunkowo niewielkim obciążeniem nawet w temp pokojowej.
Polimery dzielimy na: termoplastyczne (np. polietylen, który mięknie podczas ogrzewania), termoutwardzalne(duroplasty)lub żywice takiej jak np. epoksydowe, które utwardza się przez podgrzanie zmieszanych ze sobą 2 składników(żywic i utwardzacza), elastomery lub gumy, polimery naturalne( np. celuloza, lignina i białko).
Wszystkie polimery zbudowane są z długich cząstek składających się z atomów C (monomery) połączonych w łańcuchy główne za pomocą chemicznych wiązań kowalencyjnych. Zależnie od funkcyjności polimery mogą posiadać różną budowę, dzięki której polimery dzielimy na: liniowe, rozgałęzione, usieciowane. Ze względu na sposób rozmieszczenia atomów w przestrzeni polimery można podzielić na całkowicie bezpostaciowe (amorficzne oraz na częściowo krystaliczne.
Dodatkowa objętość ponad objętość zajmowaną przez zwarcie upakowane makrocząsteczki nazywa się objętością swobodną. Temp, w której objętość swobodna staje się równa zeru nazywamy temperaturą zeszklenia. Poniżej tej temp polimer ma strukturę szklistą, wiązania drugorzędowe wiążą makrocząsteczki w ciało stałe w postaci amorficznej, powyżej temp wiązania drugorzędowe się rozrywają umożliwiając ruch makrocząsteczek.
Wszystkie polimery mogą występować w różnych stanach mech poczynając od stanu sprężysto - kruchego w niskich temp przez lepko sprężysty, następnie wysokoelastyczny (gumo podobny), kończąc na stanie lepko płynnym w wysokich temp.
Dla polimerów znanych jest przynajmniej 5 zjawisk, mających istotny wpływ na ich wytrzymałość: kruche pękanie, orientacja makrocząsteczek, ścinanie, tworzenie się siatek drobnych pęknięć na powierzchni polimeru, lepkie płynięcie.
Rozdział 10: Ceramika
Materiały ceramiczne to zagęszczone tworzywa Polikrystaliczne nieorganiczne - nie metaliczne, uzyskujące charakterystyczne właściwości podczas wytwarzania w wysokiej temp przeważanie 800oC.
Ważniejszymi gat ceramik są: tlenek aluminium Al2O3, azotek krzemu Si3N4, ceramika cyrkonowa ZrO2, ceramika karborundowa SiC. Podstawowymi zaletami ceramiki są: duża twardość, żaroodporność, żarowytrzymałość. Ceramikę techniczną dzielimy na: funkcjonalną( spełniają funkcję: dielektryczną, magnetyczną itd.), konstrukcyjną - materiały które przenoszą obciążenia mechaniczne.
Ceramika - właściwości użytkowe: korzystny stosunek masy do objętości, określona względna przenikalność dielektryczna, zdefiniowana piezoelektryczność, duża przenikalność magnetyczna i przeźroczystość optyczna, duża odporność korozyjna, biokompatybilność, wys temp topnienia, duża stabilność termiczna oraz wytrzymałość mechaniczna w podwyższonej temp, duża twardość i związana z nią odporność na ścieranie.
Ceramika konstrukcja znajduje bardzo szerokie zastosowanie: elementy silników i turbin gazowych, części statków powietrznych i sprzętu wojskowego, łożyska, prowadnice, narzędzia do obróbki skrawaniem, osłony bojowe śmigłowców, system ochrony termicznej promów kosmicznych.
Wiele ceramik odznacza się uporządkowanym rozkładem atomów. Wśród materiałów ceramicznych wyróżniamy ceramiki: kowalencyjne i jonowe.
Wytwarzanie ceramiki: Materiałem wyjściowym w procesie wytwarzania jest proszek z pewną ilością ciekłego spoiwa. Temp spiekania sięga niekiedy do 1800 oC. Do spiekania stosuje się proszki silnie zdyspergowane o wielkości ziarna od 0,5 - 1 mikrom. Proces wytwarzania obejmuje: wytwarzanie surowców w postaci proszku o określonej wielkości ziarna, wytwarzanie masy roboczej zawierającej dodatki, wprowadzane w celu ułatwiania formowania lub/i spiekania, formowanie z masy roboczej określonego półfabrykatu, wypalenie (spiekanie) półfabrykatu, obróbka końcowa w celu nadania wyrobom odpowiedniego kształtu, wymiarów i jakości powierzchni.
Właściwości ceramiki: Ceramikę można uznać za całkowicie kruche, zdecydowanie większa wytrzymałość ceramiki na ściskanie w porównaniu z wytrzymałością na rozciąganie oraz większa sztywność materiałów ceramicznych w porównaniu do metali. Większość ceramik odznacza się dużą twardością, wysoką żaroodpornością oraz żarowytrzymałością. Materiały ceramiczne pękają niestety pod wpływem gwałtownych zmian temperatur - i ich odporność na udary cieplne waha się od 80 do 500oC.
Kompozytem - nazywamy materiał niejednorodny, wytworzony przez połączenie w pojedynczą strukturę składników posiadających zupełnie różne właściwości w którym to połączeniu uzupełniają się one wzajemnie dając materiał złożony (kompozyt) o dodatkowych i/lub znacznie lepszych właściwościach niż każdy ze składników oddzielnie. A+B=K. Wymaganie doboru kompozytów: kompatybilność, właściwa geometria i orientacja, zachowanie odrębności struktury i właściwości komponentów, połączenie zapewniające maksymalne wykorzystanie zalet składników kompozytu. Włókna syntetyczne stosowane w kompozytach: szklane, na bazie Al2O3, borowe, węglowe, krzemowe.