Materiałki

Kształtowanie i dobór własności mechanicznych materiałów

1.Właściwości

1. wynikające ze struktury materiału

2. uwarunkowane czynnikami zewnętrznymi związanymi z produkcją

Projektowanie

1. mechaniczne właściwości objętościowe

2. właściwości powierzchni

3. nie mechaniczne właściwości objętościowe

4. cena i dostępność

5. cechy produkcyjne - łatwość wytwarzania , łączenia i wykończenia

6. walory estetyczne - wygląd , faktura powierzchni

2.wykres - współczynniki intensywności naprężeń - jak zachowuje się mateirał pod wpływem obciążeń dynamicznych

3.wykres - wytrzymałość w podwyższonych temperaturach

4.karty materiałowe - pokazują jak w danych warunkach będzie zachowywał się materiał

5.Zastosowaie głównych grup materiałów inżynierskich

1. ceramika porowata - budownictwo , szkło, produkty z gliny , porcelanowe , przemysł samochodowy , lotniczy

2. ceramika inżynierska - wytwarzane narzędzie skrawające , elektronika , wysoka temperatura , medycyna

6.Statyczne próba rozciągania dla materiałów ciągliwych - wyznaczenie podstawowych własności mechanicznych takich jak A, Z , Rm itp.

7.warunki statycznej próby rozciągania -

temp otoczenie 20 stopni w obniżonej temp od 0 do - 50 stopni C , w podwyższonej temp 35 do 1200

prędkość odkształcania < 30 Mpa/s lob 0,9% Lo/min , powyżej Re V odksz > 25% / min

8. Własności mechaniczne wytrzymałościowe Rm , R0,2 lub Re , E, G - można porównywać własności wykonane na różnych próbkach , wyniki ze statycznych prób rozciągania , zgniatania są porównywalne , próby dynamiczne nie są porównywalne

9.Własności plastyczne - wydłużenie - równomierne i nierównomierne , przewężenie , udarność

Statyczna próba ściskania

1.Rc=Fm/So [Mpa] E=Fh/Ac*So Ac=deltaL/Lo

2.Wytrzymałość na zginanie - najczęściej stosowana dla materiałów kruchych Rg=Fm/So [Mpa]

moment zginający Mg=F-L/4

Można porównywać materiały o różnych kształtach ale tej samej próby

3.próba udarności - młot wahadłowy Charpy-ego , różne próbki do badań U,V Kc=K/So gdzie K- praca uderzenia So - przekrój próbki w miejscu karbu ,

przykłady karbu : pęknięcie , spoina - im ostrzejszy karb tm mniejsze obciążenie dynamiczne , próba udarności jest próbą technologiczną

• kryterium udarności (Kc ≥ 35 V/ cm²)

• kryterium ciągliwości przełomu (> 50% powierzchni)

• kryterium plastyczności (A > 1%)

Postulaty materiałowe Rm = 500 do 700

1. przy średnich wymaganiach wytrzymałościowych stosuje się stan walcowany , kuty , ciągniony

2. dla wyższych wymagań stosuje się sta ulepszony cieplnie

3. hartowność należy analizować na tle stanu naprężeń

4. należy uwzględnić kryteria ekonomiczne

Wykresy udarność i mechanika pękania

4. pomiar twardości - metoda Brinella , Rockwella Vickersa - wniki różnych metod są porównywalne po przetworzeniu

Stopień zgnotu Z = (Fo - F1 /Fo)*100% gdzie Fo - pole pierwotnej pow przekroju , F1 - pole końcowej pow przekroju

5.Ogólna zależność Z,A od Rm

Zgniot - całokształt bodowy krystalicznej tworzyw metalicznych oraz jego własności fizycznych w wyniku odkształcenia plastycznego na zimno

6.Wytrzymałość zmęczeniowa - próba dynamiczna , można porównywać tylko przy tych samych warunkach

Hartowność materiałów konstrukcyjnych

Hartowność- jest to zdolność do tworzenia struktury martenzytycznej czyli do utwardzania się materiału podczas oziębienia stali z temp. Hartowania

Martenzyt - przesycony roztwór węgla w żelazie alfa ma sieć tetragonalną

Hartowność zależy od :, składu chemicznego , pierwiastków stopowych , wielkości ziarna - im większe ziarno tym większa hartowność , szybkość osiębienia im większa tym hartowność większa , im bardziej jednorodny jest austenit tym większa jest hartowność

Średnica krytyczna - największa średnica pręta hartującego się jeszcze na wskroś (na całym przekroju struktura martenzytyczna min 50% martenzytu w przybliżeniu 55 HRC odpowiada to takiej twardości )

Przekrój miarodozycyjny (chyba)- największy przekrój kołowy w którym struktura wykazuje jednorodne własności

Przekrój równoważny -przekrój kołowy , którego środek hartuje się identycznie jak środek przekroju zastępczego

Ocena hartowności

1. metoda Crossmanna Baina - krzywe - zależności twardości od średnicy , krzywe U dla Stali

2. metoda krzywych Jominy - dla wielu krzywych wyznacza się pasmo hartowności

Wykres Hodge,a

Wykres Wielkość ziarna wg. ASTM oraz Wykres Djk od Dj 50

Naprężenie Cieplne

Naprężenia hartownicze - cieplne , strukturalne

Sposoby chłodzenia w zabiegach hartowania

1. hartowanie zwykłe - nieskomplikowane kształty , stale niestopowe

2. stopniowe Ms to temp początku przemiany martenzytycznej , zatrzymanie chłodzenia w Ms , a następnie hartowanie ,w ten sposób występują jedynie naprężenia strukturalne a termiczne wyeliminowane

3. z przemianą izotermiczną - w zakresie przemiany bainitycznej

Schemat dla stali stopowyh - przy pierwiastkach stopowych następuje rozdzielenie przemiany bainitycznej i perlitycznej

Klasy wykresów CTP A1,A2,B1,B2,B3,C1,C2,C3

Dobór temperatury hartowania

• dla stali podeutektoidalnych od 30 do 50 stopni nad Ac1

• dla stali nadeutektoidalnych od 30 do 50 stopni nad Ac3

Stale :

• perlityczne - stała szybkość chłodzenia np. w powietrzu

• bainityczne (przemiana perlityczna odsunięta)

• martenzytyczne

Podział Stali :

• podeutektoidalne

• eutektoidalne

• nadutektoidalne

• ledeburyczne

• ferrytyczne lub austenityczne

• dwufazowe : ferrytyczno - austenityczne , ferrytyczno - martenzytyczne

Rola pierwiastków stopowych - wpływają na umocnienie ferrytu pierw. stopowymi

• w sieci atomy żelaza są zastąpione przez pierw. Stopowe lub wprowadzenie pierw. Międzywęzłowych

• umocnienie ferrytu przez wydzielanie faz dyspersyjnych

• na rozdrobnienie ziarna i produktu

• zwiększają hartowność

• opózniają precesy odpuszczania

Sposoby regulowania struktury

• dobór składu chemicznego stali

• modyfikacja wtrąceń niemetalicznych

• regulowane walcowanie

• wielkość gniotu

• sterowanie procesami wydzieleniowymi

• regulowane chłodzenie po walcowaniu

• przez obróbkę cieplną

Kryteria klasyfikacji stali

• skład chemiczny

• podst. Zastosowanie

• sposób wytwarzania

Stal stopowa

• niskostopowa pierw. ≤ 2% suma P ≤ 3,5%

• średniostopowa pierw. ≤ 8% suma P ≤ 12%

• wysokostopowa pierw. ≤ 8% suma P ≤ 55%

Stale spawalne o podwyższonej wytrzymałości

1.Dodatki stopowe do stali niestopowych powodują :

• umocnienie osnowy

• zwiększają hartowność

• opóźniają procesy odpuszczania

• dają specjalne własności

W hucie materiał w stanie wyżarzonym i przesyconym

Pierwiastki stopowe nie wpływają na własności dopóki nie zastosujemy odpowiednie j obróbki cieplnej

Podstawowe pierwiastki w stalach stopowych to Mn i Si

Stale spawalne są to stale z mikrododatkami w setnych częściach procentu wpływają na wzrost granicy plastyczności

Rodzaje stali spawalnych

• niskostopowe 0,20% C ferrytyczno - perlityczne i musi być mało węgla ponieważ przy spawaniu tworzyłyby się martenzyt

• bainityczne np. Fortwield

• ulepszane cieplnie stale sorbityczne np. T1 lub NaXtra

Uzyskiwane efekty

• zmniejszenie zużycia stali

• zmniejszenie zużycie energii

• ograniczenie drogich i deficytowych pierw. Stopowych oraz obróbki cieplnej

• zmniejszenie pracochłonności

• zmniejszenie degradacji środowiska

Materiały Spawalne

• łatwo spawalne - bez zabiegów przed i po spawaniu

• średnio spawalne - np. większe elektrody lub podgrzewanie elementów łącznych

• trudno spawalne uwarunkowanie j.w i dodatkowo obróbka cieplna po spawaniu

• nie spawalne

Przy określeniu spawalności wyróżnia się spawalność technologiczną i konstrukcyjną

Stale nierdzewne i kwasoodporne

Stale odporne na korozję

• niskostopowe

• martenzytyczne lub chromowe 12 do 17 % Cr

• chromowe z tzw kontrolowaną przemianą 14 do 17 % Cr

• wysokochromowe stale ferrytyczne 15 do 30 % Cr

• austenityczne

Stale odporne na korozję :

• trudno rdzewiejące atmosfera przemysłowa , morska

• nierdzewne atmosferyczna , wody naturalne , para wodna , para ropy naftowej

• kwasoodporne

Stale trudnordzewiejące

• żelazo Armco

• stale do atmosfery przemysłowej

• stale do atmosfery morskiej

Im więcej miedzi tym wolniejsza korozja , fosfor wprowadzamy by spowolnił ubytek masy i w przypadku elementów słabo obciążonych

Klasy odporności na rdzewienie I, II , III , IV

Stale nierdzewne o zawartości 12 do 13 % Cr

• niskowęglowe < 0,15% C ()Stale ferrytyczne , spawalne , przemysł naftowy wykładziny zbiorników , łopatki , turbiny , zawory

• średnio węglowe 0,15% < C <0,35% (ferrytyczno - martenzytyczne ) wały śruby , części pomp

• węglowe > 0,35 % C martenzytyczne , części odporna na ścieranie i korozję , narzędzie skrawające , łożyska kulkowe

Stale nierdzewne powinny spełniać następujące warunki

• możliwie duża odporność na ścierania

• brak ferrytu gamma

• temp. Ms powyżej pokojowej

• względnie wysoka temp Ac1

Stale kwasoodporne - ferrytyczne stale wysokochromowe 17 do 27 Cr , H17T - przemysł chemiczny , H18 - części odporne na ścieranie i korozję , pierwiastki mogą być ferrytotwórcze , austenitotworcze i węglikotwórcze

Stale austenicztyczne - Stal 18 8 - [stal nierdzewna nie musi być kwasoodporna , ale stal kwasoodporna musi być nierdzewna ]

• nie jest odporna na działanie korozji naprężeniowej

Stale austenicztyczne 18% Cr , 8% Nj , 0,1 % C - nie mają dużych własności wytrzymałościowych , dlatego w konstrukcjach stosuje się platerowanie (walcowanie dwóch materiałów)

Zmniejszenie skłonności do korozji międzykrystalicznej

• zmniejszenie zawartości węgle

• wprowadzenie dodatków Ti , Nb

• przesycanie stali

Stale Meraging (martenzytyczne starzejące się )

a.

1. hartowanie 1000 do 1050 stopni powstaje austenit Rm około 1100 Mpa

2. starzenie 450 do 550 stopni / 4h powstaje austenit wydzielenia Rm około 1400 Mpa

b. Stale o Ms < 0 stopni

1. hartowanie - austenit

2. wymrażanie do - 75 stopni - martenzyt

3. starzenie - martenzyt + wydzielenia

Stale i stopy o specjalnych własnościach cieplnych

1. Stale i stopy na oporu grzewcze

• duży opór właściwy

• mały współczynnik cieplny oporności

• dobra przerabialność plastyczna

• żaroodporność

• dobra spawalność i plastyczność

Podział :

• oporniki do temp 300 - 450 stopni

• przyrządy laboratoryjne i narzędzie gosp. Domowego 500 do 750

• piece laboratoryjne i przemysłowe austenityczne 1050 do 1200 ferrytyczne 1000 do 1300

• stopy specjalne , szlachetne 1300 do 2000 stopni

Rodzaj kruchości

• kruchość 475

• azotkowa

• wydzielenia związane z fazą G

Materiały te współpracują najczęściej z jakąś otoczką np. leżą na ceramice , może powstawać korozja katastrofalna np. pęknięcie spirali

Stopy o określonym współczynniku rozszerzalności liniowej oraz punkcie przemiany magnetycznej do połączeń ze szkłem

1. stopy o małym współczynniku rozszerzalności cieplnej

2. stopy o dużym współczynniku rozszerzalności cieplnej

3. stopy do połączeń ze szkłem

Zastosowanie urządzenie drgające i lampy elektronowe

Stale i stopy z żelazem o specjalnych właściwościach magnetycznych

Magnetycznie twarde (stopy hartowane)

• naprężenie (zgniot , przemiana martenytyczna , procesy starzenia)

• rozdrabnianie ziarn

• rozpad roztworu stałego na mieszaninę faz lub jej uporządkowanie

• stale 0,95 do 1,05 C

magnesy dla prądów silnych stałych , magnesy indukowane , profilowe

Wytwarzanie

• poprzez odlewanie

• materiały izotopowe

• obrabiane cieplnie w polu magnetycznym

• krystalizacja kierunkowa

• własności magnetyczne kontrolowane przez zgniot i obróbkę cieplną

Magnetycznie miękkie ≤ 0,02 % C ≤ 0,015% P - struktura gruboziarnista , zastosowanie - blacha transformatorowa , narzędzie transformatorowe , ekrany (osłona)

Magnesy nowej generacji miarą jakości magnesu jest energia pola magnetycznego B.H , stale twarde 3kS/m³ są materiały , która mają powyżej 300 3kS/m³

Zastosowanie mat. Magnetycznych - samochód , dom , elektronika i przyrządy , medycyna

Stale o specjalnych właściwościach mechanicznych - tal Hodfilda 11G12 Rm - 9000 do 1100 MPa Re-350 do 450 MPa A i Z 50% , 200 do 250 HB

- odkształcenia - przemiana martenzytyczna stale te utwardza się pod wpływem odkształcenia , zastosowanie to zabezpieczenie np. kłódki , wiertła , rozjazdy szynowe

---