Opracował: B. Ziółkowski wersja na s. zimowy 2007 (poprawiona 31.12.2007)

Materiałoznawstwo II

Wydział Mechaniczny, kierunek Transport 2007/2008 semestr zimowy

(studia dzienne, rok I - Wrocław i filia Jelenia Góra)

Zakres materiału wyłożony na wykładzie i wymagany na egzaminie

(zagadnienia, pytania i wskazówki, zalecana literatura)

I. Podstawy obróbki cieplnej na przykładzie stopów żelaza z węglem

(literatura zalecana [1], tzn. R. Haimann, Metaloznawstwo, skrypt P.Wr., Wrocław 1980)

(ten fragment wykładu ma charakter „logiczny” i będzie preferowany na egzaminie)

1. Przemiana perlit-austenit (dyfuzyjna)- zarodkowanie, wzrost zarodków, problem otrzymywania austenitu jednorodnego.

1.1. Rozrost ziarna austenitu - pojęcia: stal drobnoziarnista i gruboziarnista. Wpływ wielkości ziarna na właściwości.

2. Przemiana austenit-perlit (przemiana dyfuzyjna),

- zarodkowanie, powstawanie i wzrost kolonii perlitu (dlaczego powstaje struktura płytkowa?),

- kinetyka przemiany, szybkość przemiany v = f(ΔT),

- wykres izotermicznego rozpadu austenitu (CTPi) dla stali eutektoidalnej,

- różnice w strukturze i właściwościach w zależności od przechłodzenia.

3. Przemiana martenzytyczna przechłodzonego austenitu (przemiana bezdyfuzyjna, alotropowa ( czego w co?),

- warunek, przebieg i kinetyka przemiany (dlaczego przemiana wymaga ciągłego wzrostu przechłodzenia?),

- powstawanie i orientacja płytek (igieł) martenzytu (od czego zależy ich wielkość? i dlaczego określona orientacja?),

- stopień tetragonalności martenzytu (przesyconego ferrytu) - przyczyna zjawiska i konsekwencje,

- temperatury M_s i M_f = f(%C), austenit nieprzemieniony (od czego zależy jego ilość?),

- właściwości martenzytu (co to jest martenzyt?), wpływ zawartości węgla na twardość martenzytu, jakie mechanizmy

(czynniki) powodują jego umocnienie?

5. Przemiana bainityczna przechłodzonego austenitu,

- warunki i przebieg przemiany w górnym i dolnym zakresie temperatur,

- morfologia i właściwości bainitu górnego i dolnego

6. Wykresy CTPi dla stali nieeutektoidalnych,

- quasieutektoid - warunki powstawania, budowa i zawartość C, wpływ jego obecności na strukturę i właściwości stali,

7. Wykresy CTPc i ich znaczenie praktyczne, różnice w stosunku do CTPi,

8. Procesy zachodzące w trakcie odpuszczania stali zahartowanej na martenzyt.

Stadia odpuszczania na przykładzie krzywej dylatometrycznej i krzywej zmiany twardości.

9. Martenzyt odpuszczania (I stadium odpuszczania)

- morfologia struktury (definicja),

- od czego zależy temperatura początku jego powstawania,

- właściwości; dlaczego twardość martenzytu odpuszczania nie różni się istotnie od twardości martenzytu hartowania

(zamiana sposobu umocnienia - zamiast silnego przesycenia działa umocnienie wydzieleniowe).

10. Rozpad austenitu nieprzemienionego (II stadium odpuszczania - struktura jest nadal martenzytem odpuszczania),

- przyczyny, mechanizm, morfologia powstałej struktury oraz właściwości.

11. Trostyt odpuszczania (III stadium),

- morfologia struktury, przyczyna i proces (mechanizm) powstawania, właściwości.

12. Sorbit odpuszczania (IV stadium),

- morfologia struktury, przyczyna i proces powstawania, właściwości.

13. Rekrystalizacja zgniotu fazowego (całkowita powyżej ok. 650 ºC, tzn. znika iglasta pomartenzytyczna struktura ferrytu),

- temperatura, zmiany struktury, jaki proces odpuszczania zachodzi równolegle,

- morfologia, właściwości i nazwa powstałej struktury (sferoidyt)

14. Technologiczny podział temperatur odpuszczania na: niskie, średnie i wysokie,

- zakres temperatur, struktura, właściwości i typowe zastosowania,

(uwzględnić punkt odniesienia, tzn. stan wyjściowy materiału, np. po normalizowaniu).

15. Prawidłowe temperatury hartowania (tzn. austenityzowania przed hartowaniem) stali przed- i zaeutektoidalnych,

- uzasadnienie prawidłowej struktury wyjściowej (przed hartowaniem),

- uzasadnienie prawidłowej temperatury hartowania stali zaeutektoidalnych.

{16}. Wybrane zagadnienia technologii obróbki cieplnej,

- ośrodki chłodzące -przebieg krzywych chłodzenia (idealne i rzeczywiste),

- sposoby hartowania (uwzględnić przebieg chłodzenia powierzchni i rdzenia przedmiotu)

- hartowanie zwykłe oraz z podchładzaniem (zalety i wady),

- hartowanie w dwóch ośrodkach (zalety i wady),

- hartowanie stopniowe (zalety i wady),

- hartowanie izotermiczne (np. na bainit dolny) - zalety i wady

17. Hartowność

-definicja, założenia (tzn. twardość strefy półmartenzytycznej = f (%C),

- średnica krytyczna D_k oraz idealna średnica krytyczna D_∞ ;nomogramy Grossmana,

- próba Jominy′iego pomiaru hartowności (założenia próby),

- krzywa i pasmo hartowności,

- nomogramy do wyznaczania D_∞ dla różnych od 50% udziałów martenzytu.

18. Rodzaje wyżarzania (głównie: zupełne, normalizujące, sferoidyzujące)

- parametry, cele, otrzymane struktury i właściwości,

- różnice w strukturze po wyżarzaniu zupełnym i normalizującym (uwaga: quasieutektoid!).

19. Hartowanie powierzchniowe,

- cel, zawartość węgla, sposoby hartowania,

- struktura rdzenia czyli stan wyjściowy przed hartowaniem powierzchniowym (normalizowanie lub sorbit odp. - dlaczego?)

- prawidłowa struktura powierzchni po hartowaniu i odpuszczaniu.

20. Obróbka cieplno - chemiczna,

- nawęglanie,

- cel, zawartość węgla w rdzeniu i na powierzchni, sposoby nawęglania, potencjał węglowy,

- obróbka cieplna po nawęglaniu - dlaczego są problemy?,

- prawidłowe struktury i właściwości rdzenia i powierzchni,

- azotowanie,

- cel, zawartość węgla i dodatków stopowych, struktura, sposoby i temperatura azotowania,

- obróbka cieplna przed azotowaniem,

- prawidłowa struktura i właściwości rdzenia i powierzchni,

{- inne przykłady obróbki cieplno chemicznej - ogólnie }

- porównanie wad i zalet hartowania powierzchniowego, nawęglania i azotowania.

II. Wpływ dodatków stopowych na właściwości i obróbkę cieplną stali

(literatura zalecana [1], [2] lub [2a])

(ten fragment wykładu ma również charakter „logiczny” i będzie preferowany na egzaminie)

1. Wpływ dodatków stopowych na wykres równowagi - wykresy z poszerzonym, otwartym i zamkniętym polem austenitu.

2. Fazy występujące w stalach stopowych,

- ferryt stopowy - wpływ dodatków stopowych na własności ferrytu (głównie: Mn, Cr, Si, Ni),

- austenit stopowy - wpływ dodatków stopowych na własności austenitu (bardziej ogólnie),

- cementyt stopowy - wpływ dodatków stopowych na trwałość cementytu (np. Mn i Cr kontra Si i Ni),

- węgliki w stalach stopowych; {podział na klasy wg Goldschmidt′a}, trwałość węglików, węgliki proste i złożone.

- {fazy międzymetaliczne Fe-M, M-M (występujące zwykle przy niewielkich zawartościach węgla)},

3. Wpływ dodatków stopowych na przemiany przechłodzonego austenitu (wykres CTPi, M_s i M_f, austenit nieprzemieniony)

4. Wpływ dodatków stopowych na hartowność stali (ogólnie plus metoda obliczeniowa Grossmana)

5. Wpływ dodatków stopowych na przebieg procesów odpuszczania stali,

- rozdzielić ten wpływ na temperatury niższe lub wyższe od około 450°C (początek zauważalnej dyfuzji M),

- zjawisko twardości wtórnej (wyjaśnić przyczynę, jakie pierwiastki i dlaczego ją umożliwiają?).

6. Nieodwracalna i odwracalna kruchość odpuszczania stali (jak unikać konsekwencji tych kruchości?)

III. Klasyfikacja, właściwości i zastosowanie stali

(literatura zalecana: dostarczone na wykładzie materiały, [2a], inne podręczniki wydane po 2002 roku)

1. Klasyfikacje stali i staliw

- klasyfikacja według struktury w stanie równowagi:

- przedeutektoidalne, eutektoidalne, zaeutektoidalne, ledeburytyczne, ferrytyczne, austenityczne,

- klasyfikacja według struktury po normalizowaniu (chłodzeniu na powietrzu):

- perlityczne, bainityczne, martenzytyczne, austenityczne,

- klasyfikacja na podstawie składu chemicznego: niestopowe, stopowe (nisko-, średnio- i wysokostopowe)

- klasyfikacja na klasy jakości (PN-EN 100020):

- jakościowe, specjalne (klasa podstawowe od 2003 nie istnieje)

- klasyfikacja ze względu na zastosowanie:

- konstrukcyjne (ogólna charakterystyka całej grupy stali, tzn. stawiane im wymagania i ich realizacja składem

chemicznym i obróbką cieplną, główne kryteria doboru)

- maszynowe (j.w.)

- pozostałe (wybrane przykłady).

2. Systemy oznaczania stali stosowane w Unii Europejskiej

- numeryczny wg PN-EN 10027-2:1994 (numer stali składa się tylko z cyfr - nie omawiany dokładnie na wykładzie),

- znakowy wg PN-EN 10027-1:1994 (znak stali składa się z symboli literowych i cyfr),

- znaki zawierające symbole wskazujące na zastosowanie oraz mechaniczne lub fizyczne właściwości stali,

- znaki zawierające symbole wskazujące na skład chemiczny stali,

4. Omówienie wybranych grup stali zgodnie z podanym niżej schematem:

- ogólnie przeznaczenie całej grupy stali,

- wymagania ogólne stawiane całej grupie i szczególne wybranym gatunkom,

- realizacja tych wymagań składem chemicznym (uzasadnić C i rolę dodatków stopowych) oraz obróbką cieplną,

- główne i dodatkowe kryteria doboru stali w grupie,

- przykłady charakterystycznych zastosowań.

- wybrane grupy stali, które należy umieć omawiać szerzej:

- konstrukcyjne łatwo spawalne wg EN 10025, np. S235JR,

- konstrukcyjne łatwo spawalne drobnoziarniste wg EN 10113, np. S355N, S355M,

(stan dostawy: N oraz M, różnice)

- proces cieplno plastyczny (walcowanie normalizujące oraz termomechaniczne) [4],

- konstrukcyjne łatwo spawalne trudnordzewiejące wg EN 10155, np. S235J0W,

- stale do kształtowania na zimno wg [4] - od 2006/2007

- stale miękkie, np. DC01, DC06,

- stale o podwyższonej wytrzymałości, np. BH, IF, DP, TRIP, MS,

- maszynowe do ulepszania cieplnego wg EN 10083-2, np. C40E, 28Mn6, 42CrMo4, 30CrNiMo8,

- maszynowe do ulepszania cieplnego, stale z borem wg EN 10083-3, np. 33MnCrB6-2

- maszynowe do nawęglania niestopowe, np. 10, 20 i stopowe wg EN 10084, np. 16MnCr5, 18CrMo4,

- maszynowe do azotowania (tylko stopowe - dlaczego?) wg EN 10085, np. 34CrAlMo5-10,

- maszynowe stale automatowe wg EN 10087, np. 11SMnPb30, 10SPb20, 38SMnPb28,

- stale sprężynowe niestopowe, np. 65, 85 i stopowe wg EN 10132, np. 56Si7, 80CrV2, 125Cr2,

- stale narzędziowe wg EN ISO 4957,

- do pracy na zimno, np. 105V, 90MnCrV8, X100CrMoV5, X153CrMoV12,

- szybkotnące, np. HS2-9-2, HS18-0-1, HS6-5-2-5,

- do pracy na gorąco, np. 55NiCrMoV7, 32CrMoV12-28, X38CrMoV5-3,

- stale wysokochromowych odporne na korozję wg EN 10088,

- stale ferrytyczne, np. X6Cr13, X3CrTi17,

- stale martenzytyczne, np. X30Cr13, X105CrMo17,

- stale martenzytyczne umacniane wydzieleniowo, np. X5CrNiMoCuNb14-5, X8CrMoAl15-7-2,

- stale austenityczne, np.X2CrNi18-9, X6CrNiTi18-10, X2CrNiMo17-12-2,

- stale ferrytyczno-austenityczne, np. X2CrNiN23-4, X2CrNiMoN22-5-3,

IV. Stopy aluminium

(literatura zalecana: dostarczone na wykładzie materiały, [2] - wydanie starsze lub nowsze, [3])

1. Aluminium, jego charakterystyczne właściwości i zastosowanie.

2. Klasyfikacja stopów aluminium (na podstawie położenia na wykresach równowagi)

- stopy do obróbki plastycznej,

- stopy nie utwardzalne wydzieleniowo (możliwe utwardzanie zgniotowe), np. Al-Mn (alumany),

- stopy do utwardzania wydzieleniowego, np. Al-Cu (durale) lub nowocześniejsze Al.-Li (około 10% lżejsze),

- obróbka cieplna, tzn. przesycanie i starzenie (naturalne lub przyśpieszone) - istota tych procesów

- stopy odlewnicze, np. Al.-Si (siluminy)

3. Stopy odlewnicze.

- stopy odlewnicze z eutektyką (Al-Si) - siluminy (szeroko),

- modyfikowanie stopów odlewniczych na przykładzie stopów Al-Si (cel, zmiany struktury i właściwości),

- metody odlewania stopów aluminium,

- stopy odlewnicze bez eutektyki (Al-Mg, Al-Cu, Al-Zn)

- stopy odlewnicze Al-Mg (poza siluminami najczęściej stosowane stopy odlewnicze Al)

4. Stopy do obróbki plastycznej.

- stopy Al-Cu utwardzane wydzieleniowo (durale) - szeroko,

- procesy i mechanizmy utwardzania wydzieleniowego na przykładzie AlCu4 [3],

- cztery stadia starzenia - zmiany struktury i właściwości,

- starzenie naturalne i sztuczne,

- wieloskładnikowe durale serii 2000 (Al-Cu),

- wieloskładnikowe durale serii 7000 (Al-Zn),

- wieloskładnikowe durale serii 8000 (Al-Li),

- wieloskładnikowe stopy Al-Mg (hydronalia) - serie 5000 oraz 6000,

- stopy Al-Mn (alumany) - seria 3000 (nie utwardzane wydzieleniowo),

V. Stopy miedzi

(literatura zalecana: dostarczone na wykładzie i ćwiczeniach materiały opracowane przez dr inż. Bogumiłę Kuźnicką, a także

[1], [2] - wydanie starsze lub nowsze oraz [3], [4a])

VI. Polimery - zagadnienia wybrane (w następnym semestrze osobny przedmiot)

(literatura zalecana:[3], [4a])

1. Struktury polimerów.

- budowa makrocząsteczki,

- makrocząsteczki liniowe, rozgałęzione, usieciowane,

- stan amorficzny i częściowo krystaliczny polimerów,

2. Klasyfikacja polimerów

- termoplasty,

- duroplasty,

-elastomery,

3. Stany fizyczne polimerów - zachowanie się polimerów pod obciążeniem

- stan szklisty kruchy i szklisty wymuszonej elastyczności,

- stan wysokoelastyczny,

- stan lepko-płynny,

4. Porównanie właściwości i zachowania się polimerów z innymi grupami materiałów (metale, ceramika)

VII. Materiały ceramiczne i szkła

(rozliczone w s. letnim - teraz nie obowiązują!)

(literatura zalecana: dostarczone na wykładzie materiały, [3], [4a],[2] lub [2a])

1. Właściwości materiałów ceramicznych jako skutek dominujących rodzajów wiązań między atomami.

2. Przykłady klasyfikacji materiałów ceramicznych (głównie ceramika inżynierska).

3. Struktury materiałów ceramicznych

- ceramika jonowa,

- ceramika kowalencyjna,

- ceramika krzemianowa,

- wady budowy krystalicznej materiałów ceramicznych,

4. Główne typy i ogólny opis wybranych materiałów ceramicznych.

- np.: Al₂O₃, ZrO₂, SiC, AlN, B₄C, itp.,

- zastosowanie z wyłączeniem narzędzi,

5. Szkła i tzw. ceramika szklana (dewitryfikatory).

VIII. Materiały kompozytowe

(literatura zalecana: dostarczone na wykładzie materiały, [3], [4a],[2] lub [2a])

1. Definicja, cel opracowywania takich materiałów, właściwości w porównaniu z materiałami tradycyjnymi.

2. Przykłady klasyfikacji materiałów kompozytowych,

- ze względu na osnowę,

- ze względu na rodzaj wzmocnienia,

3. Materiały kompozytowe wzmacniane cząstkami faz różnej wielkości,

- osnowy metaliczne, polimerowe, ceramiczne,

4. Materiały kompozytowe włókniste (wzmacniane włóknami),

- rodzaje włókien, ich właściwości oraz zastosowanie

- kompozyty o osnowie polimerowej, właściwości i zastosowanie,

- kompozyty o osnowie metalicznej, właściwości i zastosowanie,

- kompozyty o osnowie ceramicznej, właściwości i zastosowanie,

5. Wybrane metody i technologie wytwarzania kompozytów włóknistych.

6. Drewno jako przykład naturalnego kompozytu włóknistego

Literatura:

[1] R. Haimann, Metaloznawstwo, skrypt P.Wr., Wrocław 1980

[2] L. A. Dobrzański, Metaloznawstwo z podstawami nauki o materiałach, WNT, 1996,

[2a] L. A. Dobrzański, Materiałoznawstwo, WNT, 2003 oraz 2006 (dobre pozycje ale bardzo drogie - ok. 250zł)

[3] M. F. Ashby, D. R. H. Jones, Materiały inżynierskie, t. 2, WNT,1996,

[4] M. Blicharski, Inżynieria materiałowa. Stal, WNT 2004 (nowa pozycja - cena ok.50zl) - nowe normy EN

[4a] M. Blicharski, Wstęp do inżynierii materiałowej, WNT 1998 lub 2001,

[5] L. A. Dobrzański, Metalowe materiały inżynierskie, WNT 2004 (nowa pozycja - cena ok. 120zł) - nowe normy EN,

4

---