KRYSTALICZNA STRUKTURA MET.

W kryształach atomy są ułożone w odstępach okresowo powtarzających się w co najmniej trzech równoległych kierunkach. Każda prosta łącząca środki dowolnych dwóch atomów w krysztale jest nazywana prostą sieciową. Przesunięcie (translacja prostej sieciowej) o parametr sieci w kierunku równym do kierunku prostej powoduje znalezienie płaszczyzny sieciowej. Płaszczyzna sieciowa poddana translacją tworzy sieć przestrzenną. Elementami sieci przestrzennej są: płaszczyzny sieciowe, proste sieciowe, węzły sieci. Kryształ charakteryzuje się symetrycznym ułożeniem elementów sieci przestrzennej. Proste elementy symetrii jakie mogą występować w kryształach to środek, osie i płaszczyzny symetrii. Rodzaj elementów symetrii w elementarnej komórce sieciowej decyduje o podziale kryształów na 7 układów krystalograficznych: trójskośny, jednoskośny, rombowy, romboedryczny, heksagonalny, tetragonalny, regularny. W zależności czy elementarne komórki sieciowe mają atomy na narożach, wewnątrz, na ścianach bocznych, w ramach układów krystalograficznych występuje 14 typów sieci przestrzennej Bravais go. W celu określenia sieci podaje się: wskaźnik węzła, wskaźnik kierunku, wskaźnik płaszczyzny. Współrzędne węzła sieciowego określają liczby periodów identyczności a,b i c. Metale krystalizują w pięciu układach: regularnym, heksagonalnym, romboedrycznym, tetragonalnym i rombowym. Większość metali krystalizuje w układach charakteryzujących się wysoką symetrią i dużą gęstością zapełnienia sieci atomami.

RZECZYWISTA

Wady metali można podzielić na: punktowe, liniowe, powierzchniowe. Do wad punktowych, cechujących się niewielkimi wymiarami należą wakanse (wolne węzły), oraz atomy międzywęzłowe. Liczba wad punktowych jest funkcją temp. dlatego są procesami aktywowanymi cieplnie. Wyróżnia się dwa mechanizmy: defekt Schottky' ego - atom przemieszcza się w miejsce sąsiadującego wakansu; defekt Frenkla - przemieszczenie się rdzenia atomowego z pozycji węzłowej do przestrzeni międzywęzłowej. Liniowymi wadami są dyslokacje. Rodzaje dyslokacji: krawędziowa, śrubowa, mieszana. Większość dyslokacji charakteryzuje wektor Burgersa Dyslokacja krawędziowa - półpłaszczyzny sieciowej umieszczonej między nieco rozsuniętymi płaszczyznami sieciowymi obudowie prawidłowej. Dyslokacje dodatnie oznacza się ⊥, a ujemne T. Dyslokacja śrubowa to defekt liniowy spowodowany przemieszczeniem części kryształu wokół osi zwanej linią dyslokacji śrubowej. Dyslokacje śrubowe mogą byś prawo lub lewoskrętne. Dyslokacje mieszane - dyslokacje o dowolnej orientacji Burgersa względem linii dyslokacji. Dyslokacje tworzą zamknięte pętle, które nie mogą być przerwane. Można je traktować jako nałożone na siebie dyslokacje krawędziowe i śrubowe.

Dyslokacje przemieszczające się w płaszczyźnie poślizgu , wzajemnie na siebie oddziałują. Dwie jednoimienne dyslokacje przemieszczające się w tej samej płaszczyźnie poślizgu odpychają się, a dyslokacje o przeciwnie skierowanych wektorach przyciągają się. Przemieszczające się dyslokacje czasami tworzą uskoki. Uskok leżący w płaszczyźnie poślizgu dyslokacji, nazywa się przegięciem, natomiast powodujący przesunięcia dyslokacji z jednej płaszczyzny na inną - progiem. Metale w stanie stałym mogą występować jako: monokryształy - cechują się prawidłowym rozmieszczeniem przestrzennym atomów z zachowaniem jednakowej orientacji komórek sieciowych. Są ciałami anizotropowymi i wykazują dużą zależność własności od kierunku pomiaru. Polikryształy - składają się z ziarn, z których każde ma w przybliżeniu prawidłową strukturę krystaliczną.

ZNIOT I REKRYSTALIZACJA

Stan strukturalny spowodowany odkształceniem plastycznym na zimno jest nazywany zgniotem. Znaczne odkształcenie plastyczne powoduje uprzywilejowaną orientację krystalograficzną ziarn względem kierunku i płaszczyzny obróbki plastycznej, zwaną teksturą zgniotu. Podstawowym mechanizmem odkształcenia plastycznego metali jest poślizg. Polega on na wzajemnym przemieszczaniu się jednej części kryształu względem drugiej w płaszczyznach poślizgu w wyniku ruchu dyslokacji. W wyniku poślizgu przemieszczeniu ulegają warstwy metalu, tworząc linie poślizgu. Dalsze odkształcenie plastyczne jest związane z tworzeniem nowych linii poślizgu. W wyniku odkształcenia plastycznego przez poślizg w temp. podwyższonej powstają pasma złożone z kilku do kilkunastu równoległych linii poślizgu. W wyniku działania mechanizmu poślizgu następuje odkształcenie plastyczne metali na zimno i na gorąco. W przypadku zahamowania poślizgu, mechanizmem odkształcenia plastycznego może być bliźniakowanie. Polega ono na jednorodnym ścinaniu o wektor bliźniakowania kolejnych warstw atomów w płaszczyznach bliźniakowania. Zbliźniaczona część kryształu ulega skręceniu względem części nie odkształconej. Rekrystalizacja statyczna jest procesem aktywowanym cieplnie, zachodzącym podczas wyżarzania powyżej temperatury rekrystalizacji w metalach uprzednio odkształconych na zimno i polega na powstawaniu i migracji szeroko kątowych granic ziarn. Do rozpoczęcia rekrystalizacji niezbędny jest minimalny stopień odkształcenia, zwanym gniotem krytycznym. Rekrystalizacja zachodzi przez: zarodkowanie, wzrost ziarn. Zarodkowanie następuje w obszarach o dużym gradiencie odkształceń, w pobliżu granic ziarn, w pasmach poślizgu i ścinania. Zarodkowanie polega na: wzroście pod ziarn, migracji odcinków szeroko kątowych granic ziarn pierwotnych. Rekrystalizacja pierwotna polega na migracji szeroko kątowych granic zarodków rekrystalizacji i trwa aż zrekrystalizowane ziarna obejmą całą objętość metalu. Za temp. rekrystalizacji przyjmuje się temp. w której dany metal odkształcony plastycznie na zimno ulega rekrystalizacji po wyżarzaniu trwającym 1h. Wzrost niektórych ziarn jest charakterystyczny dla rekrystalizacji wtórnej. Warunkiem występowania rekrystalizacji wtórnej jest częściowe lub całkowite zahamowanie wzrostu ziarn podczas rekrystalizacji pierwotnej. Rekrystalizacja wtórna zachodzi podczas wyżarzania w temp. wyższej od temp. rekrystalizacji. Przewaga ziarn o jednakowej orientacji spowodowana rekrystalizacją jest nazywana teksturą rekrystalizacji.

MIEDŹ - cechuje duże przewodnictwo cieplne i elektryczne. Temp. topnienia wynosi 1084⁰C, twardość 45HB, wytrzymałość na rozciąganie 200-250MPa. Stopy miedzi dzieli się na: odlewnicze i przeznaczone do obróbki plastycznej. Wyróżnia się grupy stopów miedzi: mosiądze - zawierające Zn, miedzionikle - zawierające Ni, brązy. W zależności od rodzaju głównego dodatku wyróżnia się brązy: cynowe, aluminiowe, berylowe, manganowe.

MSIĄDZE - mosiądze dwuskładnikowe jako stopy Cu i Zn ze względu na skład fazowy dzieli się na: jednofazowe - o strukturze roztworu α i stężeniu od 2 do 39% Zn, oraz dwufazowe - o strukturze mieszaniny α +β i stężeniu od 39 do 45% Zn. Mosiądze jednofazowe cechuje duża plastyczność na zimno, co umożliwia stosowanie ich na wyroby głęboko tłoczne i obrabiane plastycznie na zimno. Dodatek Zn do 30% zwiększa plastyczność oraz wytrzymałość mosiądzów. Mosiądze dwufazowe można obrabiać plastycznie wyłącznie na gorąco. Mosiądze charakteryzują się dobrą odpornością na korozje atmosferyczną i w wodzie morskiej. Odporność ta zwiększa się wraz ze wzrostem stężenia Cu. Do mosiądzów wieloskładnikowych są wprowadzane dodatki w celu nadania im odpowiednich własności. Ołów polepsza skrawalność, żelazo rozdrabnia strukturę stopu i poprawia włas. wytrzym., a mangan włas. mechan., nikiel zwiększa ciągliwość, krzem poprawia lejność i odporność na ścieranie, aluminium zwiększa twardość i wytrzymałość ale zmniejsza plastyczność.

MIEDZIONIKLE - nazywamy stopy Cu w których głównym dodatkiem stopowym jest Ni, są one przeznaczone do obróbki plastycznej. Największe zastosowanie znalazły stop o zawartości 20% Ni zwany nikieliną oraz o zawartości 40% Ni zwany konstantanem. Nikielina cechuje się dobrymi własnościami plastycznymi i odpornością na korozję. Konstantan znalazł głównie zastosowanie w elektrotechnice oraz do wyrobu termoelementów.

BRĄZY. Cynowe - zawartość cyny nie przekracza 20%. Brązy te dzielimy na odlewnicze i do obróbki plastycznej. Stopy odlewnicze cechują się małym skurczem. Zawartość Sn w brązach odlewniczych wynosi 10%, mogą zawierać dodatek P (do 1,2%) oraz Zn i Pb. Fosfor odtlenia stop, utwardza go i obniża plastyczność. Brązy cynowo -fosforowe nie stosuje się na elementy ścierane. Do obróbki plastycznej stosuje się brązy o zawartości 4-6% Sn. Przed obróbką plastyczną należy poddawać wyżarzaniu ujednorodniającemu w temp. 720-750^oC. Brązy cynowe cechują się odpornością na korozje i dobrymi własnościami mechan. Aluminiowe - zawartość Al. wynosi 5- 11%. Brązy te cechują się dobrymi włas. wytrzym. Al. podwyższa twardość i wytrzymałość, przy zawartości 10% Al. zwiększają się dwukrotnie. Twardość stopu Cu AL. wynosi 160-180HB. Stopy odlewnicze cechuje rzadkopłynność, stosuje się je na łożyska, elementy napędu oraz części maszyn narażone na korozję. Brązy do obróbki plastycznej zawierają mniej Al. Brązy te przerabia się tylko na gorąco w temp. 870^oC. Manganowe - są tostopy zawierające 5-6 lub 12-15% Mn nadają się do obróbki plastycznej. Niżej stopowe można przerabiać na zimno i tym samym umacniać je przez zgniot. Mają dobre włas. wytrzym. Utrzymujące się do temp. 300^oC. W stanie wyżarzonym Rm=350MPa. Ołowiowe - ołów występuje w brązach z innymi pierwiastkami. Znany jest tylko jeden brąz ołowiowy dwuskładnikowy Cu Pb 30 zawierający 30%Pb. Jest on miękki (25HB). Wprowadzenie Sn powoduje znaczny wzrost twardości i tak Cu Sn5 Pb20 ma twardość 45HB. Brązy ołowiowe wykazują zdolność do segregacji grawitacyjnej. Brązy te stosuje się na panewki łożysk pracujących przy małych naciskach i dużych prędkościach. Berylowe - zawierają 2,1% Be oraz zwykle Ni, Co i 0,1-0,25%Ti. Stopy te są brązami o najwyższych włas. mechan. oraz odporności na korozję iścieranie. Cechuje się dużą przewodnością cieplną i elektryczną, brakiem iskrzenia i podatnością na obróbkę plastyczną na zimno i gorąco. Obróbka cieplna polega na utwardzaniu wydzieleniowym, które składa się z przesycania w temp. 720-760^oC i starzenia w temp. 300-400^oC. W wyniku uzyskuje się brąz o twardości 340HV. Brązy te mogą być utwardzane zgniotowo.

ALUMINIUM - może być obrabiany plastycznie na zimno i gorąco. Cechuje się wysoką przewodnością elektryczną icieplną. Al. wykazuje dużą odporność na korozję w celu zwiększenia tej odporności może być poddane anodowaniu. Ze względu na sposób wytwarzania stopy Al. dzielimy na: odlewnicze - stopy wieloskładnikowe o dużym stężeniu 5-25% pierwiastków stopowych, dobra lejność i mały skurcz odlewniczy; do obróbki plastycznej - zawierają 5%pierwiastków stopowych, niektóre stopy są stosowane w stanie zgniecionym lub po wyżarzaniu rekrystalizującemu. Stopy Al.:

z krzemem - podstawową grupę stopów Al. z Si stanowią stopy odlewnicze zwane siluminami o stężeniu 4-30%Si. Krzem zapewnia rzadkopłynność oraz lejność i mały skurcz odlewniczy. Siluminy podeutektyczne modyfikuje się Na, który obniża temp. przemiany eutektycznej i przesunięcie punktu eutektycznego do większego stężenia 13%Si. Siluminy nadeutektyczne modyfikuje się fosforem. Siluminy mogą być również stopami wieloskładnikowymi. Dodatek Cu oraz Mg umożliwia utwardzenie wydzieleniowe. Cu pogarsza jednak odporność na korozję, którą poprawia dodatek 1%Ni. Stopy Al. z niewielkim dodatkiem 1%Si są przeznaczone do obróbki plastycznej.

z magnezem - stężenie Mg jest zawarte od 0,5-13%. Stopy o małym stężeniu Mg wykazują dużą podatność na obróbkę plastyczną, a o dużym stężeniu - dobre włas. odlewnicze. Odlewnicze stopy Al. z Mg zawierają inne dodatki stopowe wprowadzane w małym stężeniu. Dodatek Si poprawia rzadkopłynność, Zn polepsza włas. wytrzymałościowe i odlewnicze, Pb polepsza podatność na obróbkę skrawaniem. Stopy Al. z Mg do obróbki plastycznej zwane hydronaliami zawierają 0,7-5,8%Mg. Charakteryzują się dobrymi włas. mechan., odpornością na korozje oraz dobrą spawalność i podatność na głębokie tłoczenie. Wytrzymałość tych stopów jest zwiększana przez umocnienie zgniotowe. Poddaje się je wyżarzaniu ujednorodniającemu, rekrystalizującemu, odprężającemu i wydzieleniowemu.

Z miedzią - odlewnicze stopy Al. z Cu zawierają do 5%Cu, oraz dodatek Ti wpływający na rozdrobnienie ziarn. Wykazują podatność na mikropęknięcia podczas odlewani. Dodatek Cu zwiększa żadkopłynność, ale pogarsza odporność na korozje. Stopy Al. z Cu przeznaczone do obróbki plastycznej są zwane duraluminium (durale). Zwiększenie stężenia Cu i Mg powoduje zwiększenie włas. wytrzymałościowych, zmniejszenie włas. plastycznych oraz podatność na obróbkę plastyczną. Durale są poddawane obróbce cieplnej polegającej na wyżarzaniu ujednorodniającym, rekrystalizującym i na utwardzeniu wydzieleniowym. Przesycanie odbywa się w wodzie po wygrzewaniu w temp. 490-510^oC przez 4-6 h. Są stosowane na części maszyn, pojazdów mechan., samolotów.

z cynkiem - czteroskładnikowe stopy Al. z Zn zawierające Mg i Cu zwane duralami cynowymi, wykazują największe włas. wytrzymałościowe. Durale te są mało odporne na korozję. Obróbka cieplna durali cynowych polega na wyżarzaniu rekrystalizującym w temp. 390-430^oC oraz na utwardzaniu wydzieleniowym. Przesycanie w wodzie odbywa się po wygrzaniu w temp. 460-480^oC. Starzenie wykonuje się w temp. 120-150^oC przez 24h.

z manganem - stopy Al. z Mn zawierają zwykle 1-1,5%Mn. Wykazują one tendencje do gruboziarnistości. Strukturę tych stopów stanowi roztwór stały α z wydzieleniami fazy β na granicy ziarn. Obróbka cieplna tych stopów pokega na wyżarzaniu ujednorodniającym i rekrystalizującym. Stopy te cechują się dużą odpornością na korozję.

WIĄZANIA MIĘDZY ATOMAMI - tworzenie się wiązań między atomami polega na wymianie lub uwspólnieniu elektronów walencyjnych. Wyróżnia się wiązania między atomami: jonowe, atomowe (kowalencyjne), metaliczne.

Jonowe - powstają gdy elektrony walencyjne jednego atomu elektrododatniego są przyłączane przez drugi atom elektroujemny. Wiązania jonowe są tworzone przez atomy, w których występuje brak i nadmiar jednego lub dwóch elektronów walencyjnych. Wiązanie jonowe powoduje dużą oporność elektryczną i cieplną.

Kowalencyjne - w przypadku atomów pierwiastków elektroujemnych, elektrony walencyjne pierwotne różnych atomów tworzą pary elektronów należące wspólnie do jąder dwóch atomów. Wiązania te poza gazami występują w substancjach stałych (Si, Ge, diament). Metaliczne - wiązanie to wysępuje w dużych skupiskach atomów pierwiastków metalicznych, które po zbliżeniu się na małą odległość, oddają swoje elektrony walencyjne na rzecz całego zbioru atomów. Elektrony walencyjne przemieszczają się swobodnie pomiędzy jonami dodatnimi tworząc tzw. gaz elektronowy. Wtórne -występują między wszystkimi atomami lub cząsteczkami lecz istnieją, jeżeli występuje choć jedno z trzech wiązań pierwotnych. Wiązania te występują między atomami gazów szlachetnych, między cząsteczkami utworzonymi w wyniku wiązań kowalencyjnych. Siły van der Waalsa występują między dipolami cząsteczek lub atomów. Wiązanie to jest wynikiem przyciągania siłami Coulomba między dodatnim końcem jednego, a ujemnym drugiego dipola. Wodorowe - jest najsilniejszy wiązaniem wtórnym między spolaryzowanymi cząsteczkami. Występuje ono między cząsteczkami, w których wodór jest kowalencyjnie związany z fluorem, tlenem lub azotem. W każdym wiązaniu pojedynczy elektron wodoru jest uwspólniony z innym atomem. STAL NARZĘDZIOWA - powinna cechować się dużą twardością i odpornością na ścieranie (wpływa na to Cr, Mo i W). Stale te pracują w warunkach obciążeń dynamicznych muszą być ciągliwe (co zapewnia zmniejszenie zawartości węgla), odporne na ścieranie mieć dużą twardość w wysokich temp. (zapewnia to W, Mo i V). Stale do pracy na zimno oznacza się literą N, na gorąco W, a szybkotnące S. Pierwiastki mają oznaczenie: C- chrom, K- kobalt, L- molibden, M- mangan, P- grupa chrom, nikiel, wanad, Z- grupa krzem, chrom, wolfram, S- krzem, W- wolfram, V-wanad. Stale szybkotnące - wykazują dużą twardość i odporność na ścieranie w temp. do 600^oC. Dużą hartowność i efekt twardości wtórnej uzyskuje się przez odpowiednią kombinację stężenia C i Cr, W, Mo, V. Ze względu na małą przewodność cieplną, w czasie hartowania jest stosowane podgrzewanie do temp. austenityzowania w kąpielach solnych w temp. 550 i 850^oC. Temp. austenityzowania wynosi ok. 50-70^oC mniej niż temp. solidusu. Ta temp. umożliwia rozpuszczenie się węglików w osnowie austenitycznej, co powoduje polepszenie hartowności. Chłodzenie z temp. austenityzowania odbywa się w kąpieli solnej o temp. 550^oC i następnie w spokojnym powietrzu. Strukturę tych stali stanowi martęzyt listwowy i ok.20% austenitu szczątkowego oraz węgliki. Odpuszczanie odbywa się po zahartowaniu. Po prawidłowej obróbce cieplnej twardość stali jest o 2-3HRC większa od uzyskanej po zahartowaniu. Są stosowane na narzędzia wieloostrzowe skrawające, wykrojnikowe. Stale narzędz. do pracy na gorąco - są stosowane na narzędzia pracujące w temp. 250-700^oC. Stężenie C w tych stalach jest ograniczone do 0,3-0,6%, co zapewnia dobrą odporność na zmęczenie cieplne i obciążenia dynamiczne. Pierwiastki stopowe Cr, W, Mo, V powodują efekt twardości wtórnej, a dobrą żaroodporność zapewnia Cr i Si. Temp. austenityzowania wynosi 840-1140^oC. Po prawidłowym austenityzoawniu uzyskuje się odpowiednią hartowność, a po zahartowaniu strukturę martęzytu listwowego. Bezpośrednio po zahartowaniu bez obniżenia temp. poniżej 80-200^oC wykonuje się odpuszczanie. Najczęściej temp. odpuszczania jest o 50-100^oC wyższa, co powoduje zmniejszenie twardości i zwiększenie ciągliwości. Stale narzędz. do pracy na zimno - - są stosowane na narzędzia pracujące w temp. nie wyższej niż 200^oC. Stale te wykazują podwyższoną hartowność. Dodatki stopowe V, Cr i W wpływają na tworzenie węglików stopowych, co zwiększa odporność na ścieranie. Pierwiastki te powodują większą skrawalność oraz spadek twardości. Stale te poddaje się hartowaniu iniskiemu odpuszczaniu. Stale nadeutektyczne hartuje się z temp. o 30-60^oC wyższej od A_c1, a stale ledeburytyczne z temp. wyższej od A_cm. Stale te w stanie zahartowanym wykazują strukturę martęzytu listwowego z austenitem szczątkowym i węglikami. Odpuszczanie tych stali odbywa się w temp. 150-260^oC. Odpuszczanie w temp. 150- 220^oC stosuje się dla stali niskostopowych, a w temp. wyższej dla stali zawierających pierwiastki stopowe opóźniające rozpad martęzytu. Narzędzia narażone na obciążenia dynamiczne poddaje się odpuszczaniu w temp. 250-450^oC, co powoduje zmniejszenie twardości.

STOPY NA ŁOŻYSKA - Stopy łożyskowe Sn i Pb - stopy te mają miękką i plastyczną osnowę z cząstkami nośnymi twardych faz o dużej odporności na ścieranie. Najlepsze własności wykazują stopy na osnowie cyny, zawierające 7-13%Sb i 2,5-6,5%Cu, zwane babbitami cynowymi. Stopy te mogą przenosić naciski pow. ok. 1kN/cm² przy prędkości obwodowej ok. 5m/s. Przy mniejszych naciskach i obrotach są stosowane babbity ołowiowe z dodatkiem Sn, Sb i Cu. Babbity ołowiowe cechują się dużą wytrzymałością i dobrą odpornością na korozję. Są stosowane do wylewania panewek łożysk ślizgowych. Brązy cynowe wieloskładnikowe - oprócz Sn zawierają Zn i Pb. Dodatek Zn przeciwdziała segregacji i zwiększa włas. wytrzymało, Zn poprawia lejność, Pb polepsza skrawalność, zmniejsza tarcie ale przy większym stężeniu pogarsza włas. mehcan. Brązy te są stosowane jako odlewnicze, charakteryzują się odpornością na korozję i na ścieranie. Brązy te stosuje się na tulejki i panewki łożyskowe. Brązy Al. wieloskładnikowe - pierwiastki Fe i Ni zwiększają włas. wytrzym. i odporność na ścieranie. Pierwiastki te są dodawane w małych ilościach ponieważ mogą zmniejszyć odporność na korozję. Stopy te są stosowane jako odlewnicze i do obróbki plastycznej. Obrabia się je cieplnie przez hartowanie z temp. 950-1000^oC i odpuszczanie w temp. 300-600^oC. Zastosowanie: panewki łożysk ślizgowych, koła zębate w przemyśle chemicznym. Brązy krzemowe wieloskładnikowe - oprócz Si zawierają dodatki Mn, Fe, Zn, Ni, Coi Cr. Pierwiastki Mn, Zn i Ni zmniejszają rozpuszczalność Si w fazie α i zwiększają wytrzym. i odporność na korozję. Zn polepsza lejność, a Fe włas. mehcan. i dodawany jest do brązów odlewniczych. Brązy krzemowe cechują się dużą wytrzymałością zmęczeniową, dobrymi włas. ślizgowymi, odpornością na korozję, lejnością i skrawalnością. Brązy do obróbki plastycznej są stosowane w przemyśle maszynowym, chemicznym na łożyska i części samochodowe. Brązy odlewnicze są stosowane na panewki łożysk ślimakowych, wirniki pomp, koła zębate. Dalej stale konstrukcyjne na łożyska,

STALE KONSTRUKCYJNE - podstawowe kryteria doboru materiału na elementy konstrukcyjne: rodzaj i wartość wymaganych włas. użytkowych materiału; włas. technologiczne; skala produkcji; aspekty ekologiczne. Przy doborze stali na wybrany element konstrukcyjny, czynności możemy podzielić na etapy: analiza warunków pracy; ustalenie rozkładu wymaganych włas. na powierzchni i w rdzeniu elementu; analiza sposobu wykonania elementu; dobór konkretnego gatunku stali./Znaczna część stali konstrukcyjnych to stale średniowęglowe o zawartości min. 0,25%C. Wymaga się od nich dużej wytrzymałości przy dobrej plastyczności. Pierwiastki stopowe wprowadza się w celu zwiększenia hartowności, aby zahartowanie nastąpiło na wskroś. Zawierają takie pierwiastki jak: chrom, mangan, nikiel, molibden (przeciwdziała kruchości). Stale te powinny cechować się: dobrą odpornością na zmęczenie i kruche pękanie, dobrą udarnością w niskich temp.. Do znakowania stosuje się cyfry i litery. Dwie pierwsze oznaczają zawartość węgla w setnych częściach procętu, a litery pierwiastek stopowy: H- chrom, N- nikiel, W- wolfram, M- molibden, G- mangan, F- wanad, K- kobalt, J- aluminium, S- krzem, T- tytan, B- bor. Stale niskostopowe o podwyższonej wytrzymałości- wprowadzenie do tych stali mikrododatków ok. 0,1% np. V, Ti, Nb pozwoliło na zahamowanie rozrostu ziarna, gdyż powstały stabilne węgliki tych pierwiastków. Dodatki te wpłynęły na zwiększenie Re i Rm o 100Mpa. Dalszą poprawę włas. osiąga się przez zmniejszenie zawartości S i P. Stal taka praktycznie nie zawiera perlitu. Niewielki dodatek Cu (0,25-0,5%) zwiększa odporność na korozję atmosferyczną. Wytwarza się również stal o podwyższonej wytrzymałości, nadającą się do głębokiego tłoczenia i spawalne. Są to stale ferrytyczno martęzytyczne o zawartości 20% martęzytu. Podstawowymi pierwiastkami stopowymi są: Si i Mn. Strukturę ferrytyczno martęzytyczną otrzymuje się przez odpowiednią obróbkę cieplną. Główne zastosowanie to przemysł samochodowy. Stale do ulepszania cieplnego - wykonuje się z nich części maszyn, pojazdów i konstrukcji - mają strukturę sorbityczną, jaką otrzymuje się w wyniku ulepszania, co zapewnia duży stosunek Re/Rm przy dużej ciągliwości. Hartowność tych stali jest większa niż stali węglowych i rośnie w miarę zwiększania ilości dodatków stopowych. Na niektóre konstrukcje spawane stosuje się stale konstrukcyjne bainityczne. Uzyskują one dużą granice plastyczności (ponad 600MPa) w dużych przekrojach po chłodzeniu. Zawierają mało C oraz Mo, Mn i B. Do nawęglania - muszą one spełniać specjalne wymagania t.z.n. po nawęgleniu i obróbce cieplnej powinny cechować się dużą twardością pow. (do 63HRC) i możliwie ciągliwym rdzeniem. Oprócz C do 0,25% zawierają Mn i Cr, które zwiększają hartowność. Cr przechodzi do węglików zwiększając ich twardość i odporność na ścieranie. Ni polepsza plastyczność rdzenia, Mo sprzyja drobnoziarnistości. 20H, 18HGM. Do azotowania - stale węglowe po azotowaniu w minimalnym stopniu zwiększają swoją twardość, dlatego bywają azotowane w celu zwiększenia odporności korozyjnej. Duży wzrost twardości osiąga się po azotowaniu odpowiednio dobranego gatunku stali, zawierającego pierwiastki tworzące twarde azotki (1000-1200HV). Są to Al. Cr i Mo który zapobiega kruchości odpuszczania. Stal ta ma oznaczenie 38HMJ. Sprężynowe - do wyrobu sprężyn, resorów i.t.p. powinny się charakteryzować: wysoką granicą sprężystości, dobrą wytrzymałością zmęczeniową. Do stali tych wprowadza się pierwiastki silnie umacniające ferryt, jak: Mn, Si i Cr który zwiększa hartowność. Stosuje się większe zawartości C co podnosi granicę plastyczności. Obróbka tych stali polega na hartowaniu od temp. 800-850^oC w oleju lub wodzie i odpuszczaniu w temp. 400-500^oC tak aby ich twardość wynosiła 35-45HRC. Ze stali 50S2 wykonuje się resory wagonowe z 60S2 samochodów ciężarowych, a z 50HSA lub 50HFA do osobowych. Na łożyska toczne - są to stale o najwyższej zawartości C 0,9-1,1%. Oprócz C zawierają jeszcze Cr do 1,5% (który przechodzi do cementytu i utwardza go) oraz Mn. Stalom łożyskowym stawia się wysokie wymagania ze względu na trudne warunki ich pracy. Dotyczą one czystości i jednorodności strukturalnej. Stale te poddaje się przed hartowaniem wyżarzaniu sferoidyzującemu na cementyt kulkowy. Obróbka łożysk polega na hartowaniu od temp. 830-840^oC w oleju i odpuszczaniu w temp. 150-160^oC w ciągu 1-2 h. Po takiej obróbce twardość powinna wynosić 62HRC. Stale na łożyska ŁH15, ŁH15SG. Do pracy w obniż. I podwyższ. temp. - wiele elementów musi mieć odpowiednią ciągliwość w obniżonych temp. dlatego istotną włas. jest położenie przejściowej temp. kruchości. Dobre włas. w obniżonych temp. wykazują niskowęglowe, drobnoziarniste stale zawierające ok. 1% Mn. Pierwiastkiem zwiększającym ciągliwość w niskich temp. jest Ni. W urządzeniach energetycznych i aparaturze chem. Stosuje się stale wykazujące odporność na odkształcenia plastyczne do temp. 600^oC. Są to niskowęglowe stale zawierające dodatek Cr i Mo. Przykłady K18, 15HM, 13HMF, 20HM.

ZARYS OBRÓBKI CIEPLNEJ.

Wyżarzanie - to operacja polegająca na nagrzaniu stali do określonej temp. wygrzaniu w tej temp. i studzeniu w celu uzyskania struktury zbliżonej do stanu równowagi. Ujednorodniające - polega na nagrzaniu od temp. 1050-1200^oC wygrzaniu w tej temp. i następnym studzeniu. Celem tej operacji jest ograniczenie jednorodności składu chemicznego. Rekrystalizujące - polega na nagrzaniu metalu uprzednio odkształconego plastycznie na zimno do temp. wyższej od temp. rekrystalizacji, wygrzaniu w tej temp. i chłodzeniu z dowolną szybkością. Wyżarzanie to usuwa umocnienie zgniotowe, powoduje zmniejszenie twardości i wytrzymałości oraz zwiększenie ciągliwości. Odprężające - polega na nagrzaniu do temp. niższej od A_C1, wygrzaniu w tej temp. i powolnym chłodzeniu. Celem jest usunięcie naprężeń odlewniczych, spawalniczych, cieplnych. Temp. i czas tego wyżarzania zależy od rodzaju materiału. W przypadku odlewów staliwnych temp. wynosi 650^oC. W temp. do 150^oC jest wykonywane odprężenie stabilizujące, zapewniające niezmienność wymiarów. Normalizujące - polega na nagrzaniu do temp. o 30-50^oC wyższej od A_C3, wygrzaniu w tej temp. i studzeniu w spokojnym powietrzu. Operacja ta ma na celu uzyskaniu jednorodnej struktury drobnoziarnistej. Jest stosowana do stali niestopowych konstrukcyjnych i staliwa. Zupełne - stosowane do stali stopowych polega na nagrzaniu do temp. o 30-50^oC wyższej od A_C3, wygrzaniu w tej temp. i następnym bardzo wolnym chłodzeniu. Izotermiczne - polega na nagrzaniu do temp. o 30-50^oC wyższej od A_C1, wygrzaniu w tej temp., szybkim chłodzeniu do temp. nieco niższej od A_C1, wytrzymaniu izotermicznym aż do zakończenia przemiany perlitycznej i chłodzeniu w powietrzu. Sferoidyzujące - polega na nagrzaniu do temp. zbliżonej do A_C1, wygrzaniu w tej temp., bardzo wolnym chłodzeniu do temp. 600^oC i dowolnym chłodzeniu do temp. otoczenia. Wygrzewanie może się odbywać w temp. nieco wyższej lub niższej od temp. A_C1. Strukturę stali stanowi cementyt kulkowy, w osnowie ferrytu. Hartowanie powierz. - polega na szybkim nagrzaniu warstwy wierzchniej do temp. hartowania i następnym szybkim chłodzeniu. Hartowanie to umożliwia ograniczenie nagrzewania do cienkiej warstwy powierz. i to w miejscach, które powinny być obrobione cieplnie. Wyróżnia się następujące rodzaje hartowania: indukcyjne, płomieniowe, kąpielowe, kontaktowe i elektrolityczne. Indukcyjne - nagrzanie odbywa się prądem elektrycznym indukowanym w przedmiocie przez zmienne pole magnetyczne. Chłodzenie może być wykonywane przez zanurzenie przedmiotu w kąpieli chłodzącej. Indukcyjnie są hartowane wałki, koła zębate, zawory, sworznie. Płomieniowe - polega na przedmiotu palnikami gazowymi i chłodzeniu. Metoda ta jest podobna od indukcyjnej. Palniki są sprzężone z natryskiwaczami, co umożliwia bezpośrednie chłodzenie. Jest stosowane do hartowania wałów , kół zębatych, tulei. Odpuszczanie - polega na nagrzaniu stali zahartowanej do temp. niższej od A_C1, wygrzaniu w tej temp. i chłodzeniu do temp. pokojowej. W zależności od temp. odpuszczanie może być: niskie, średnie, wysokie. Niskie -wykonywane jest w temp. 150-200^oC i stosowane dla narzędzi, sprężyn. Celem jest usunięcie naprężeń hartowniczych z zachowaniem dużej twardości, wytrzymałości i odporności na ścieranie. Średnie - odbywa się w temp. 250-500^oC jest stosowane do sprężyn, resorów, matryc. Twardość stali ulega niewielkiemu zmniejszeniu, lecz zachowana jest duża wytrzymałość i sprężystość. Wysokie - wykonuje się w temp. wyższej od 500^oC, lecz niższej od A_C1, ma na celu osiągnięcie dobrych włas. plastycznych. Stosowana jest do elementów od których wymaga się dużej granicy plastyczności. Utwardzanie wydzieleniowe - proces ten stanowią połączone operacje technologiczne: przesycania i starzenia. Przesycanie - polega na nagrzaniu do temp. wyższej o 30-50^oC od granicznej rozpuszczalności w celu rozpuszczenia wydzielanego składnika w roztworze stałym, wygrzaniu w tej temp. i szybkim chłodzeniu. W wyniku przesycania stop uzyskuje strukturę jednofazową. Zwiększają się włas. plastyczne. Starzenie - polega na nagrzaniu stopu uprzednio przesyconego do temp. niższej od granicznej rozpuszczalności, wygrzaniu w tej temp. i studzeniu. W czasie starzenia wydziela się w przesyconym roztworze stałym składnik znajdujący się w nadmiarze. Starzenie zwiększa włas. wytrzymałościowe i zmniejsza plastyczne. Przebieg starzenia zależy od czasu i temp.

HARTOWNOŚĆ - (podatność stali na hartowanie), jest wyrażana zależnością przyrostu twardości w wyniku hartowania od warunków austenityzowania i szybkości chłodzenia. O hartowności współdecydują: utwardzalność - to podatność na hartowanie, miarą której jest zależność twardości od warunków austenityzowania. Utwardzalność jest uzależniona od warunków austenityzowania oraz stężenia węgla w austenicie. Przehartowalność - rozumie się podatność stali na hartowanie jako zależność przyrostu twardości w wyniku hartowania od szybkości chłodzenia. Na przehartowalność wpływają stężenie węgla i pierwiastków stopowych, stopień jednorodności austenitu oraz wielkość jego ziarn.

Miarą przehartowalności jest średnica krytyczna - jest to średnica pręta, w którym po zahartowaniu w ośrodku o określonej intensywności chłodzenia w osi przekroju poprzecznego elementu uzyskuje się umowną strukturę martęzytyczną. Najczęściej stosowaną metodą określenia hartowności jest próba Jominy'ego hartowania od czoła. Polega ona na oziębianiu strumieniem wody, czołowej pow. próbki walcowej o średnicy 25mm i długości 100mm. Na zahartowanej próbce wykonuje się próby twardości wzdłuż zeszlifowanych tworzącej próbki w odległości co 2mm od czoła. Następnie sporządza się wykres twardości w funkcji odległości od czoła zwany krzywą hartowności. Znajomość rozkładu twardości w zależności od odległości od czoła próbki oraz rozkładu szybkości chłodzenia próbek umożliwia racjonalny dobór stali na elementy konstrukcyjne. Ponieważ jednakowej szybkości chłodzenia na przekroju elementów ze stali obrabianej cieplnie oraz na próbce hartowanej od czoła z tej samej stali odpowiada jednakowa twardość, opracowano wykresy korelacji szybkości chłodzenia prętów okrągłych do oceniania hartowności metodą hartowania od czoła. Nałożenie na siebie tych wykresów oraz krzywych hartowania umożliwia określenie rozkładu twardości na przekroju prętów.

OBRÓBKA CIEPLNO-CHEMICZNA - jest dziedziną obróbki cieplnej obejmującą zespół operacji i zabiegów umożliwiających zmianę składu chemicznego i struktury warstwy powierzchniowej stopu w wyniku zmian temp. i chemicznego oddziaływania ośrodka. Obróbce c-chem. poddaje się stopy żelaza, głównie stale. Obróbce tej są poddawane elementy konstrukcyjne w tym elementy maszyn i narzędzi. Celem obróbki jest wytworzenie warstw powierzchniowych o zwiększonej odporności na ścieranie, korozyjnej i erozyjnej, zwiększenie odporności na zmęczenie lub poprawa włas. fizycznych. Kryterium podziału: stan ośrodka nasycającego (w ośrodku stałym, ciekłym, gazowym), rodzaj pierwiastka nasycającego (nasycanie metalami, niemetalami), temp. operacji (niskotemperaturowe <600^oC, wysokotemperaturowe >600^oC), liczba cykli w procesie (jedno, dwu i trójstopniowe), sposób wytwarzania warstwy dyfuzyjnej (regulowane, nieregulowane).

Zjawiskami zachodzącymi podczas obróbki c-chem. jest: adsorpcja - polega na osadzaniu się wolnych atomów, z fazy gazowej lub ciekłej, na granicy fazy stałej w postaci warstewki. Przyczyną adsorpcji są siły przyciągania atomów ośrodka przez niewysycone rdzenie atomów występujące na pow. metalu (adsorpcja fizyczna). Dyfuzja - jest procesem zachodzącym w skutek ruchu atomów w sieci przestrzennej w kierunku wyrównania stężenia składników. Warunkiem przebiegu dyfuzji jest rozpuszczalność w stanie stałym pierwiastka nasycającego w metalu osnowy. Procesy dyfuzji zależą od temp., czasu i gradientu stężenia pierwiastków. Dyfuzję opisują dwa prawa Ficka. I prawo określa strumień dyfuzji składnika nasycającego. II prawo opisuje zależność rozkładu stężenia składnika od czasu. Nawęglanie - polega na nasycaniu warstwy powierzchniowej w węgiel podczas wygrzewania w ciągu określonego czasu w ośrodku zawierającym węgiel atomowy. Nawęglanie odbywa się w temp. 900-950^oC. O grubości warstwy (0,5-2mm) decyduje czas nawęglania. W warstwie nawęglonej można wyróżnić kilka stref: nadeutektoidalną - o strukturze perlitu z cementytem, eutektoidalną - o strukturze perlitycznej, podeutektoidalną - o strukturze perlityczno-ferrytycznej. Nawęglanie w ośrodkach stałych - odbywa się w proszku węgla drzewnego w temp. 900^oC. W wyniku reakcji spalania przy niedomiarze tlenu powstaje CO, z którego tworzy się CO₂ i węgiel atomowy, nasycający pow. stali. Nawęglanie w roztopionych solach - odbywa się przez zanurzenie w roztopionych solach, zwykle mieszaninach węglanów, chlorków lub cyjanków metali alkalicznych. Temp. nawęglania wynosi 830-850^oC. Nawęglanie gazowe - odbywa się w temp. 920^oC w atmosferze tlenku węgla. Metoda otrzymania ośrodka nawęglającego polega na: otrzymywaniu tlenku węgla w piecu w wyniku spalania węglowodorów w powietrzu, wytwarzaniu atmosfery nawęglającej z ciekłych związków organicznych. Poza temp. i czasem nawęglania o wynikach procesu decyduje potencjał węglowy i natężenie przepływu. Nawęglanie jonizacyjne - polega na wygrzewaniu w piecu próżniowym w atmosferze węglowodorów o niskim ciśnieniu z jednoczesnym przyłożeniem wysokiego napięcia stałego między przedmiotem (katoda) a anodą. W wyniku aktywacji plazmą powstają jony węgla, przyspieszane w polu potencjału w pobliżu materiału. Obróbka cieplna po nawęgleniu - twardość stali węglowej nawęglonej wynosi ok. 250-300HB, a jej włas. mech. są niskie ze względu na rozrost ziarn. W celu poprawienia tych włas. stal tą poddaje się obróbce cieplnej. Polega ona na hartowaniu z temp. właściwej dla rdzenia (wyższej od A_C3) i ponownym hartowaniu z temp. wyższej od A_C1, właściwej dla warstwy pow.. Przedmioty nawęglone i zahartowane poddaje się niskiemu odpuszczaniu w temp. 160-180^oC przez 1,5-2 h. Azotowanie - polega na nasycaniu warstwy pow. azotem podczas wygrzewania przedmiotu przez określony czas w ośrodku zawierającym wolne atomy azotu. Operacja ta może być wykonywana w temp. niższej od A_C1. Azotowanie może być: krótkookresowe (kilka minut do kilku godz.), długookresowe (kilkadziesiąt godz.). w wyniku azotowania długookresowego na pow. stali tworzy się ciągła strefa azotków typu ε. W sprzyjających warunkach pod strefą azotków ε powstaje cienka strefa azotków γ'. W stalach stopowych w strefie wewnętrznej występują ponadto drobne azotki i węglikoazotki, których struktura i ilość zależy od stężenia azotu i pierwiastków stopowych. Azotowanie w proszkach - temp. operacji zależy od rodzaju stali oraz wymiarów obrabianego przedmiotu i wynosi 500-600^oC. Czas azotowania wynosi zwykle 0,5-10h w zależności od wymiarów i przeznaczenia przedmiotu oraz gatunku stali. Azotowanie gazowe - odbywa się w strumieniu zdysocjowanego amoniaku w temp. 500-600^oC. Stężenie azotu w warstwie pow. zmienia się w sposób nie kontrolowany. Potencjał atmosfery azotującej może być regulowany przez rozcieńczenie czystym azotem. Azotowanie jonizacyjne - odbywa się w atmosferze zjonizowanego azotu w specjalnym urządzeniu. Azotowane przedmioty są podłączone do bieguna ujemnego. Napięcie wynosi 0,5-1,5kV, a ciśnienie azotu jest obniżane do 10^-2-1Pa. Wysokie napięcie powoduje jonizację gazu. W wyniku zderzeń jonów azotu z przedmiotem, pow. nagrzewa się do temp. wystarczającej do azotowania.

PRZEMIANY FAZOWE

Martenzytyczna - jest przemianą bezdyfuzyjną i zachodzi przy dużym przechłodzeniu austenitu od temp. M_s, początku tej przemiany, w przypadku dużej liczby stali nawet do 200^oC, przy chłodzeniu z szybkością większą od krytycznej. W wyniku tej przemiany powstaje martenzyt, czyli przesycony roztwór węgla w żelazie α. Przemiana ta zachodzi pod warunkiem ciągłego obniżania temp. w zakresie od temp. początku przemiany M_s, do temp. M_f jej końca. Wartość temp. M_s i M_f zależą od składu chem. austenitu i obniżają się ze zwiększeniem stężenia węgla w austenicie. Przemiana martenzytyczna rozpoczyna się od utworzenia w austenicie embrionów, którymi mogą być błędy ułożenia, defekty sieciowe. Przemiana ta może przebiegać: atermicznie - przez tworzenie się kryształów martenzytu z austenitu bez aktywacji cieplnej; wybuchowo - w kilku wybuchach zachodzących poniżej 0^oC; izotermicznie - gdy przemiana zależy od małej szybkości zarodkowania aktywowanego cieplnie. W wyniku przemiany martenzytycznej w stali mogą utworzyć się dwa rodzaje martenzytu: listwowy - powstaje we wszystkich stopach żelaza z pierwiastkami stopowymi i cechuje się dużą gęstością dyslokacji; płytkowy - powstaje w nielicznych stopach żelaza w ściśle określonych zakresach stężeń pierwiastków stopowych.

Bainityczna - łączy w sobie cechy przemiany bezdyfuzyjnej i dyfuzyjnej przemieszczania węgla. Zachodzi przy przechłodzeniu stali do temp. 450-200^oC. W wyniku przemiany powstaje bainit, będący mieszaniną ferrytu przesyconego węglem i dyspersyjnych węglików. Zarodkowanie bainitu rozpoczyna dyfuzyjne przemieszczanie węgla w austenicie do granic ziarn i dyslokacji. Zarodkami przemiany są miejsca ubogie w węgiel, utworzone w pobliżu granic ziarn i dyslokacji. Rozrost bainitu jest kontrolowany szybkością dyfuzji węgla w austenicie. W zależności od temp. przechłodzenia rozróżnia się: bainit górny - składa się z ziarn przesyconego węglem ferrytu oraz z austenitu szczątkowego; bainit dolny - składa się z przesyconego węglem ferrytu o postaci listwowej, płytkowych węglików oraz z austenitu szczątkowego.

Perlityczna - zachodzi po ochłodzeniu austenitu nieznacznie poniżej temp. A_r1. W jej wyniku z austenitu powstaje mieszanina eutektoidalna złożona z płytek ferrytu i cementytu zwana perlitem. Siłą pędną tej przemiany jest różnica energii swobodnej austenitu i mieszaniny ferrytu i cementytu. Przemiana perlityczna jest przemianą dyfuzyjną, związaną z przegrupowaniem atomów węgla i zachodzącą przez zarodkowanie oraz rozrost zarodków. Zarodkowanie perlitu odbywa się heterogenicznie (w sposób uprzywilejowany), na cząstkach cementytu, płytkach ferrytu. Przt stałej temp. grubości płytek każdej z faz perlitu są prawie stałe i nie zależą od wielkości ziarn i jednorodności austenitu, z którego powstają. Obniżaniu temp. przemiany towarzyszy zmniejszanie się odległości między płytkami perlitu. Szybkość przemiany zależy od szybkości zarodkowania i szybkości wzrostu. Przy małym przechłodzeniu szybkość zarodkowania jest mała, a szybkość rozrostu duża.

---