Materiałki
Kształtowanie i dobór własności mechanicznych materiałów
1.Właściwości
wynikające ze struktury materiału
uwarunkowane czynnikami zewnętrznymi związanymi z produkcją
Projektowanie
mechaniczne właściwości objętościowe
właściwości powierzchni
nie mechaniczne właściwości objętościowe
cena i dostępność
cechy produkcyjne - łatwość wytwarzania , łączenia i wykończenia
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
ceramika porowata - budownictwo , szkło, produkty z gliny , porcelanowe , przemysł samochodowy , lotniczy
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
przy średnich wymaganiach wytrzymałościowych stosuje się stan walcowany , kuty , ciągniony
dla wyższych wymagań stosuje się sta ulepszony cieplnie
hartowność należy analizować na tle stanu naprężeń
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
metoda Crossmanna Baina - krzywe - zależności twardości od średnicy , krzywe U dla Stali
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
hartowanie zwykłe - nieskomplikowane kształty , stale niestopowe
stopniowe Ms to temp początku przemiany martenzytycznej , zatrzymanie chłodzenia w Ms , a następnie hartowanie ,w ten sposób występują jedynie naprężenia strukturalne a termiczne wyeliminowane
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.
hartowanie 1000 do 1050 stopni powstaje austenit Rm około 1100 Mpa
starzenie 450 do 550 stopni / 4h powstaje austenit wydzielenia Rm około 1400 Mpa
b. Stale o Ms < 0 stopni
hartowanie - austenit
wymrażanie do - 75 stopni - martenzyt
starzenie - martenzyt + wydzielenia
Stale i stopy o specjalnych własnościach cieplnych
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
stopy o małym współczynniku rozszerzalności cieplnej
stopy o dużym współczynniku rozszerzalności cieplnej
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