METALE I STOPY METALI

Wykład z dnia 11 października 2000 roku dotyczył właściwości metali i ich stopów. Sprawozdanie rozpocznę od zdefiniowania podstawowych pojęć związanych z ostatnim wykładem.

Materiały dzielimy na 3 podstawowe grupy, wykład dotyczył jednej z nich - metali.

Trzy główne grupy materiałów:

Półprzewodniki Szkła

Nadprzewodniki metaliczne

Grafit

Spośród znanych pierwiastków wyróżniamy 80 metali. Wiele z nich ma znaczenie użytkowe, np. żelazo, miedź, aluminium, srebro, złoto, platyna. Niektóre pierwiastki, w zależności od warunków mają cechy metali lub niemetali i nazywane są półmetalami (metaloidami), np. krzem, german, arsen, antymon, selen. Metale czyste technicznie stosuje się niezmiernie rzadko ( wyjątek stanowią metale szlachetne: srebro, złoto i platyna), ponieważ charakteryzują się gorszymi właściwościami mechanicznymi i użytkowymi od stopów.

W technice zalicza się do metali substancje charakteryzujące się w stanie stałym następującymi właściwościami:

• dobrą przewodnością cieplną i elektryczną

• plastycznością - zdolnością do trwałych odkształceń

• połyskiem - zdolnością do odbijania promieni świetlnych.

Stop to substancja składająca się z dwóch lub więcej pierwiastków, z których co najmniej jeden, ale występujący w przeważającym stężeniu, jest metalem.

Właściwości stopów zależą od ich struktury oraz od rodzaju i stosunku składników.

Stal - jest to przerobiony plastycznie i cieplnie obrabialny stop żelaza z węglem o zawartości do 2,11% C i innych pierwiastków. Występujące w stali pierwiastki dzielimy na:

• domieszki (np. Si, Mn)

• zanieczyszczenia (P, S, O₂, H₂)

• składniki stopowe (Cr, Ni, Mo)

Żeliwo (rys. 5) - należy do grupy wieloskładnikowych stopów żelaza z węglem, jest to stop odlewniczy o zawartości węgla powyżej 2% (maksymalnie do 4,5%)

Staliwo - stal odlewana do form odlewniczych, stop o zawartości węgla do 2%. Staliwo może być odlewane w formy metalowe, piaskowe i inne. Po dokonaniu odlewu staliwa, może być ono poddawane przeróbce mechanicznej w celu uzyskania produktu zaspakającego potrzeby odbiorcy.

TWARDOŚĆ - odporność materiału na odkształcenia trwałe pod wpływem sił skupionych, działających na małą powierzchnię materiału, wywoływanych przez wciskanie odpowiedniego wgłębnika. W zależności od rozmiarów strefy odkształcenia spowodowanych wnikaniem wgłębnika w materiał rozróżnia się pomiary mikro- i makrotwardości.

Rozróżnia się:

• twardość Brinella (wgłębnikiem jest kulka stalowa) - oznaczona HB

• twardość Rockwella (wgłębnikiem są: stożek diamentowy lub kulka stalowa) - oznaczona HRA, HRB lub HRC

• twardość Vickersa (wgłębnikiem jest ostrosłup diamentowy) - oznaczona HV

Rzeczywistą twardość określa się ilorazem wartości obciążenia i powierzchni czaszy odcisku.

Układ równowagi fazowej stopów żelazo - węgiel (rys. 1)

Obejmuje dwa układy przesunięte nieco względem siebie:

• żelazo - grafit, przedstawiający równowagę trwałą (stabilną) między żelazem a węglem, krystalizującym w postaci wolnej (grafit)

• żelazo - cementyt, przedstawiający równowagę nietrwałą (metastabilną) między żelazem a cementytem (węglikiem żelaza)

Układ żelazo - węgiel został opracowany do zawartości 6,67% wag. C, co odpowiada strukturze złożonej wyłącznie z cementytu. Linię likwidus wyznaczają punkty ABCD (ABC'D'), a linię solidus - punkty AHJECF (AHJE'C'F').

W układzie występują następujące fazy i składniki mikrostruktury:

Odmiany alotropowe żelaza: Fe oraz Feγ :

• ferryt (rys. 2) - międzywęzłowy roztwór stały węgla w Fe ; odznacza się bardzo małą rozpuszczalnością węgla: od 0,022% w punkcie P (w temp. 727 C) do ośmiu tysięcznych części procentu w temp. pokojowej; jest trwały poniżej temperatury określonej linią GPK. Jest to miękki, plastyczny składnik struktury stopów Fe-C o stosunkowo niewysokiej wytrzymałości

• austenit (rys. 3) - międzywęzłowy roztwór stały węgla w Feγ ; maksymalna rozpuszczalność węgla w austenicie wynosi 2,11%; jest trwały w zakresie między temperaturami przemiany eutektycznej (linii ECF) i eutektoidalnej (linia PSK); jest składnikiem struktury o dużej plastyczności oraz twardości i wytrzymałości większych od ferrytu

• cementyt - węglik żelaza, który może tworzyć się w wyniku krystalizacji z cieczy (cementyt pierwotny); wydzielać z eustenitu wzdłuż linii ES (cementyt wtórny) i z ferrytu wzdłuż linii PQ (cementyt trzeciorzędowy). W czystym stopie Fe-C zawiera 6,67% C; jest składnikiem twardym i kruchym

• ledeburyt - mieszanina eutektyczna austenitu i cementytu powstała z roztworu zawierającego 4,3% C, poniżej temp. eutektoidalnej; austenit występujący w ledeburycie przemienia się w perlit, tworzy się ledeburyt przemieniony, który jest twardy i kruchy

• perlit (rys. 4)- mieszanina eutektyczna ferrytu i cementytu; utworzona z austenitu o zawartości 0,8% C. Ma dobre właściwości wytrzymałościowe, natomiast niską plastyczność

Materiały

ceramiczne

POLIMERY

KOMPOZYTY

METALE

---