MATERIAŁOZNAWSTWO - WYKLADY

Większość przypadków awarii obiektów technicznych wynika z nieznajomości przez użytkownika właściwości materiałów, z których zostały wykonane te obiekty.
Każdy z materiałów inżynierskich posiada szereg określonych właściwości, które wynikają z jego budowy wewnętrznej (z jego struktury).

Budowa materii:
I. Zasadniczo możemy wyróżnić:
Strukturę cząstek elementarnych - jest badana metodami fizyki wysokich energii.
-Kwanki - najmniejsze części materii z nich zbudowane są cząstki elementarne. Jest ich 6: up, down, charm, -beautiful, dziwny
-Nukleony: proton i neutron (wchodzą w skład jądra atomu)
-Leptony: elektrony
Oddziaływania pomiędzy cząsteczkami:
a) Silne: na obszarze jądra atomowego
b) Elektromagnetyczne
c) Grawitacyjne

II. Budowa atomu.
-Liczba atomowa Z - liczba protonów w jądrze atomu, równa jest co najmniej liczbie elektronów atomu będącego w stanie objętości elektrycznej.
-Liczba masowa A - jest to łączna liczba nukleonów (protonów i neutronów) w jądrze atomu.
Pierwiastek chemiczny - to zbiór atomów o jednakowych wartościach liczby Z.
Pierwiastki naturalne - występują w przyrodzie, wartość Z = od 1-94
1-wodór, 94 - pluton, reszta jest wytwarzana sztucznie.
Izotopy - są to pierwiastki  których atomy mają tą samą liczbę Z, a różną A
Pierwiastki to także mieszanina izotopów, ale tylko jeden izotop jest trwały.
Masa atomowa - stosunek średniej masy atomu pierwiastka 1/12 masy atomu węgla C₁₂  - jego liczba masowa to 12.
Znany jest węgiel C₁₄ używany do oznaczenia obiektów geologicznych.

III. Struktura elektronowa atomu - od niej zależy przynależność pierwiastków do określonych grup układu okresowego a tym samym do określonych kategorii pierwiastków.

Kategorie:

a)alkaliczne (ziem alkalicznych)

I _A = np.: Li, Na, K II_A= np.: Ca, Mg, Be

Mają zastosowanie w technice jądrowej i wyrobie metali ultralekkich.

b)metale przejściowe

np. I_B= Ag, Au, Cu, II_B, III_B, do VIII_B np. Fe, Cr, Ni, Mn

c) lantanowce (wewnątrz przejściowe pierwiastki) użyte nawet w bardzo niewielkich ilościach potrafią zmienić własności materiałów.

d) aktynowce- mają dużo izotopów, wiele jest promieniotwórczych

e) pierwiastki amfoteryczne- III_A - V_A Raz są jako metale, a raz jako niemetale (tak się zachowują) w zależności od warunków np.: B, Al., C, Si

f) niemetale VI_A (O, S) - VII_A (F,Cl)

Struktura elektronowa pośrednio wpływa na właściwości elektromagnetyczne pierwiastka oraz na rodzaj wiązań międzyatomowych, które mogą tworzyć atomy danego pierwiastka.

IV. Struktura zbioru atomów.

Wiązania między atomami:

a)wiązania pierwotne:

- jonowe: silne (wtedy kiedy jeden drugiemu oddaje elektron i są różnie naładowane, energia wiązania może wynosić do 1000 kJ/mol)

- atomowe (walencyjne) dwa atomy uwspólniają pary elektronów, dość silne, energia do 750 kJ/mol; występują głównie w grupach pierwiastków VI, VIII (pierwiastki główne), a czasem IV, V grupie.

Te dwa wiązania mają wspólne to, że pozwalają określić gdzie znajdują się ich cząstki, jony.

- niezlokalizowane- metaliczne- atomy krążą tworząc gaz jonowy (chmurę jonową), służą dobremu przewodnictwu elektrycznemu i cieplnemu; energia może być różna: od 70 kJ/mol do 850 kJ/mol(np.: Hg). Jest to też charakterystyczne dla wolframu- 3000⁰C temp topnienia.

b) wiązania wtórne:

- wodorowe- przy różnych zależnościach energia nawet do 50 kJ/mol

- Wan der Waalsa - energia około 30 kJ/mol

Właściwości mechaniczne i odporność cieplna materiału zależą od energii wiązania najsłabszych wiązań i od częstości ich występowania ( np.: wiązania niskiej siły decydują, że dany materiał jest słabszy, np.: polietylen i inne polimery)

Energia wiązania decyduje o temp topnienia materiałów.

Wpływa wiązań na właściwości materiałów:

Jonowe (z reguły w ceramikach, polimerach

(gdy nie są walencyjne i wtórne))

Wtórne i walencyjne,

Z reguły Wan der Waalsa

(w polimerach)

Metaliczne walencyjne

(w metalach) (półprzewodniki i ceramiki)

W polimerach można wymusić warunki, w których powstaną wiązania jonowe (np. naświetlaniem promieniami gamma i beta, gdyż to zmieni wiązania na silniejsze np. pokrycie piłeczki do golfa.

Grupy materiałów inżynierskich (podstawowych):

Ceramika

Kompozyty

Metale polimery

Łączą je wszystkie np. dwie lub więcej grup

V. struktura ugrupowania atomów.

1.materiały metalowe.

Cecha charakterystyczna- występują wiązania metaliczne.

Atomy zjonizowane (oddały sobie 1 lub więcej elektronów) zajmują w przestrzeni określone położenia tworząc tzw. Sieć krystaliczną. Podstawą ugrupowania atomów jest tzw. Komórka elementarna.

Komórka elementarna układu regularnego, przestrzennie centrowanego.

a,b,c- te parametry to stałe sieciowe- odległości rzędu 1nm (nanometr)= 10^-9 metra

główne właściwości fizyczne metali:

1.dobre przewodnictwo elektryczne i cieplne

2.duża zdolność odbicia elektromagnetycznego promieniowania bo długości są mniejsze od fali świetlnej- w metalach nie następuje zmiana kąta polaryzacji przy tym.

3.plastyczność- zdolność do trwałych odkształceń pod wpływem przyłożonych naprężeń.

METAL CZYSTY- praktycznie nie stosuje się ich, możliwe jest otrzymanie metalów zanieczyszczonych w stopniu śladowym(1 atom inny na 10¹⁵ właściwych), ale jest to drogie.

Z reguły stosuje się metale o czystości technicznej- to metale, w których ilość pierwiastków obcych nie wpływa w istotny sposób na odstępstwa od założonych właściwości użytkowych, równocześnie koszt otrzymania takiego metalu jest odpowiedni dla odbiorcy.

STOP- kompozycja złożona z 2-óch lub więcej metali, utworzona celowo.

Większość metali stosowana jest w postaci stopów technicznych.

Zachowaniem się stopów w zależności od ich składu i temp rządzą tzw. Układy równowagi fazowej stopów (np. układ Fe-C, Cu-Al., Al.-Si)

Struktura polimerów:

Cecha-budowa segmentowa; segmenty o określonej długości i budowie występują w powtarzających się sekwencjach, tworząc tzw makrocząsteczki.

Aktywne końce i cząsteczki „są skłonne” łączyć się ze sobą

Stopień polimeryzacji

Makrocząsteczki- mogą mieć zróżnicowaną wielkość, różną budowę segmentu podstawowego, mogą występować bardzo różne układy cząsteczek, nieuporządkowane bądź o różnym stopniu uporządkowania, mogą występować różne rodzaje wiązań międzycząsteczkowych, występujące z różną częstotliwością.

W obrębie makrocząsteczki z reguły występują wiązania walencyjne, natomiast między makrocząsteczkami są to wiązania wtórne, najczęściej Wan der Waalsa, rzadziej wodorowe.

Można dokonać usieciowania makrocząsteczek poprzez utworzenie pomiędzy nimi wiązań walencyjnych lub jonowych.

Cechy charakterystyczne polimerów:

1.na ogół brak przewodnictwa elektrycznego (istnieją jednak tzw. Polimery przewodzące)

2. słaba z reguły zdolność odbierania światła

3. zdolność do odkształceń plastycznych

4. niższa niż u metali odporność cieplna

Polimery stanowią główny składnik materiałów określonych zwyczajowo jako tworzywa sztuczne

Materiały ceramiczne:

Tworzą je pierwiastki różne od węgla; dominują wiązania jonowe lub walencyjne, czyli o znacznej energii. Mogą mieć budowę krystaliczną (NaCl)-ceramiki jonowe lub lód, diament, szkło i inne, można w nich wyróżnić cząsteczki.

Cechy:

- brak zdolności do odkształceń plastycznych

- na ogół złe przewodnictwo elektryczne

Materiały kompozytowe:

1.klasyfikacja ze względu na typ materiału stanowiący tzw. Osnowę kompozytu:

-metalowe

-polimerowe

- ceramiczne

Właściwości ich można projektować i zmieniać w bardzo szerokich granicach i praktycznie wykonywać materiały specjalizowane do ściśle określonych zastosowań.

Istnieją materiały:

- naturalne

- otrzymane z surowców naturalnych i przetworzone przez człowieka

- otrzymane w sposób całkowicie syntetyczny np. z grupy polimerów.

Dobór materiału do wykonania określonego obiektu może być prowadzony dwojako:

-poprzez analizę baz wiedzy i wybór jednego z istniejących typowych materiałów inżynierskich, albo poprzez analizę zagadnienia inżynierskiego, określenie wymagań jakie powinien spełniać materiał i wybór materiału niekonwencjonalnego lub zaprojektowanie materiału lub też zaprojektowanie materiału specjalizowanego dla danego obiektu.

Podstawowe właściwości materiałów inżynierskich:

I.właściwości ogólne:

-gęstość - masa właściwa

- koszt materiału

II. właściwości mechaniczne:

Rozciąganie:

-moduł sprężystości E (Younga)- wartość naprężenia, które powoduje przesunięcie 2 parametrów materiału o odległość jednostkową (osiąga wysokie wartości), ale rzeczywista wytrzymałość jest mniejsza.

- moduł sprężystości poprzecznej δ w opisie procesów skręcania, ścinania, (pękanie itp.);

Statyczna próba rozciągania- rozciąganie jednokierunkowe próbki o znormalizowanym kształcie i wymiarach, siłą statyczną (próba musi być prowadzona w warunkach założonej prędkości narastania obciążenia lub stałej prędkości wydłużania próbki, rejestrowana jest zależność siła- wydłużenie f(▲l).

Przekrój okrągły lub prostokątny

Części chwytowe zawsze wyróżnione.

W wyniku rejestracji dostajemy pewną krzywą:

Re- granica plastyczności- wartość naprawialna po przekroczeniu jego są odkształcenia plastyczne w materiale

Rm- wytrzymałość doraźna, pozornie spadek siły rozciąganej.

RH- naprężenie.

La/l₀ = A - wydłużenie * 100% (w procentach)

▲l/ l E A₅ A₁₀

Wartość A - wydłużenie po zerwaniu.

Nadplastyczność: zdolność niektórych materiałów do trwałych odkształceń rzędu 100% i więcej, może występować w niektórych materiałach metalowych odkształcanych w szczególny sposób.

Niektóre z materiałów nie mają wyraźnej granicy plastyczności, nie można ustalić Re.

0,2%- najczęstsza wartość

Umowna granica plastyczności- napr. Odpowiadające

Wydłużeniu badanego elementu o wartość 0,2 %- R_0,2

Materiał kruchy

Niektóre rodzaje blach

Rozciąganie- często w temperaturze pokojowej, czasem podwyższonych, obniżonych.

Materiały metalowe wykazują duża zmienność własności plastycznych w zależności od temp. Charakterystyczny jest nagły spadek plastyczności po obniżeniu temp, po obniżeniu pewnej wartości granicznej.

Tpk- temp progu kruchości

Ściskanie:

Wytrzymałość doraźna przy ściskaniu.

Przypadek dla materiału sprężysto- elastycznego

Rs- wytrzymałość doraźna przy ściskaniu

Przy betonie- kruche pękniecie od razu

Zginanie:

- próba czystego zginania- gdy zginany jest dwoma siłami skupionymi, bez sił ścinających

- inne próby technologiczne zginania

+próba udarności (przy użyciu obciążeń udarowych)

Próba Charpy'ego - KCV, KCU- próby udarności w zależności od kształtu korbu

Próba może być wykonana w temp pokojowej lub też w temp obniżonych ( -20, -40, -60⁰C)

Rzadziej w temp podwyższonych. Wynik jest liczba mianowaną o jednostce J/m²

Próba twardości:

Twardość jest to miara odporności materiału na działanie skupionych nacisków powierzchniowych. Badanie twardości jest stosunkowo szybkim i tanim sposobem określenia właściwości materiału i ich zmian w procesach technologicznych.

Metody badania twardości:

1.metody porównawcze- skala Mons'a utworzona przez ciąg wzorców (1-10; 1-talk, 10-diament)

2. metody instrumentalne- statyczne wciskanie wgłębnika

a) Brinella- wgłębnik o kształcie kulistym, o średnicy do 10 mm, zakres sił do 3000 kg (* 9,81 w N będzie).siły w zależności od wielkości i rodzaju materiału z którego jest kulka.

Współczesne obciążenia k= F/d² wartości k- 30,10,5,2.5,1 mogą być, k i d podlegają normalizacji

W zależności od badanego materiału dobiera się współczynnik obciążenia k, w zależności od rozmiarów badanego elementu dobiera się średnicę kulki d. (grubość materiału powinna być co najmniej 2* większa od kulki)

Miara twardości w tej metodzie:

HB=F/S

F- siła obciążająca

S- powierzchnia odciśniętej czaszy kulistej

Zalety tej metody:

- duża wiarygodność w sensie statystycznym

- możliwość badania materiałów niejednorodnych i gruboziarnistych (niewrażliwa na zmiany)

Wady:

- ograniczony zakres mieszanych twardości; przy pomiarach wykonanych kulką stalową- max 450 HB (jeśli 700 HB to kulka ceramiczna, diamentowa lub przeliczenie inne)

- niemożność badania twardości cienkich warstw powierzchniowych

- stosunkowo długi czas wykonania pomiaru i trudność jego zautomatyzowania.

2b) metoda Vickers'a (eliminuje wady poprzedniej).

Wgłębnik-ostrosłup 4-kątny prawidłowy wykonany z diamentu, kąt wierzchołkowy pomiędzy ścianami 136⁰

Zakres sił obciążających od 120 kg do 5 kg twardość makroskopowa

- 5 kg - 0,2 kg tzw. zakres pośredni

- 0,2 kg - 0,0001 - tzw. Mikro twardość

Zalety:

-bardzo szeroki zakres mierzonych twardości (5600 jedn. -twardość diamentu, 800j -stal)

-możliwośc badania cienkich warstw (nawet kilka setnych mm, przy pomocy mikro twardościomierza)

- W zakresie od 400 HV zgodna jest ze skala Rinell'a

Miara twardości Vickers'a

HV= F/S

1HB= około 10 HV

Wady:

- ze względu na mały rozmiar odcisku, metoda ta jest wrażliwa na niejednorodności strukturalne materiału

- w zakresie badań mikro twardości, liczbowy wynik pomiaru może ulegać zmianom; im mniejsze obciążenie tym większy wynik pomiaru twardości.

2c) metoda Rockwell'a: pomiar głębokości wciśnięcia wgłębnika (penetracji wgłębnika) miarą twardości jest różnica gł. Wzorcowej (tzw. Odniesienia) i głębokości, na którą wciśnięto wgłębnik.

TYPOWE WGŁĘBNIKI:

-stożek diamentowy o kącie 120⁰, zaokrąglony promieniem 0,2 mm

- kulki stalowe, wymiary: 1/16” (cal) do 1/2”

Obciążenie jest rozdzielone na dwie fazy:

1.wykonie pomiaru:

- nałożenie obciążenia wstępnego

- wyzerowanie układu pomiarowego

- nałożenie obciążenia głównego i wykonanie odcisku

- zdjęcie obciążenia głównego i pomiar głębokości odcisku pod działającym obciążenie wstępnym.

Zalety:

- krótki czas wykonania pomiaru i łatwość automatyzacji

Wady:

- duża nieliniowość skali ( w zależności od rodzaju wgłębnika- duża ilość skal nieporównywalnych ze sobą)

HRC ( 40 skal Rockwell'a 6 w normach europejskich; litery alfabetu i liczby użyto)

Skala C-HRC- wgłębnikiem jest stożek diamentowy, obciążony wstępnie 10 KG siły, obciążenie całkowite 140 KG siły, najczęściej do stali obrabianych cieplnie.

Parametry określające odporność na pękanie:

Krytyczny współczynnik intensywności naprężeń:

KIC I-litera rzymska

Cecha wspólna:

Im większa jest wartość współczynnika KIC, tym materiał jest bardziej odporny na rozprzestrzenianie się pęknięć kruchych.

Inne właściwości fizyczne:

a)wł. Elektryczne:

-przewodnictwo elektryczne- jest to parametr istotny przy doborze materiałów dla elektroniki (elektrotechniki) materiał o dobrej izolacji lub przewodności

- współczynnik strat

b)wł. Magnetyczne:

-indukcja szczątkowa

- ogólne wł. Magnetyczne

c)wł. Cieplne:

- ciepło właściwe

- ciepło topnienia

- ciepło parowania

-przewodnictwo cieplne

- współczynnik tłumienia drgań

Budowa metali:

Odległość międzyatomowa- charakterystyczna dla pierwiastka. Odległości międzyatomowe powinny się powielać w trzech kierunkach w przestrzeni.

Sieci krystaliczne:

- heksagonalne

- regularne- kąty między osiami mają 90⁰

Można wyróżnić płaszczyzny o różnych gęstościach.

Odkształcenie metali może odbywać się w płaszczyznach najgęściej obsadzonych atomami.

Anizotropia- zależność własności materiału od kierunku.

Defekty budowy krystalicznej:

1)punktowe:

odkształcenia struktury sieciowej kryształu w otoczeniu defektów punktowych:

a) wokół wakomru

b)wokół atomu międzywęzłowego

Obecność wakomrów ułatwia przemieszczanie się atomów w obrębie sieci krystalicznej (zjawisko dyfuzji)

2)efekty liniowe: noszą nazwę dynokacji

a)dynokacji krawędziowa

b)dynokacji śrubowa

Przyjmuje się, że wiązanie między atomami metali zostaje rozerwane wówczas gdy odległość międzyatomowa ulegnie zwiększeniu o 0,1, a zatem teoretyczna wytrzymałość metali może wynosić E/10 (gdzie E jest to moduł Younga)

Wpływa stopnia zdefektowania struktury na wytrzymałość metali:

Możliwość przemieszczenia się dyslokacji istotnie wpływa na zdolność materiałów do odkształceń plastycznych.

Mechanizmy odkształcenia plastycznego:

1)poślizg jt. Przesunięcie części kryształu wzdłuż płaszczyzny najgęściej obsadzonej atomami (płaszczyzny łatwego poślizgu) obecność dyslokacji, których krawędzie leżą w tych płaszczyznach ułatwia poślizg. Sumaryczne przemieszczenie atomów może być większe od odległości między atomami.

2) bliźniakowanie: polega na takim przemieszczeniu atomów na odległość mniejsza od odległości międzyatomowej, że powstaje fragment sieci krystalicznej symetryczny względem pewnej płaszczyzny od sieci pierwotnej. Bardzo często w metalach technicznych bliźniakowanie pozwala utworzyć płaszczyzny poślizgu odpowiednio ustawione do działających naprężeń i pozawala na dalsze odkształcenie względem mechanizmu poślizgu.

Zjawisko pękania metali:

Potrzebna jest odpowiednia ilość dyslokacji i przeszkoda:

Przyrost spiętrzenia dyslokacji staje się zaczątkiem pękania. Pękanie materiałów metalowych jest wynikiem blokowania możliwości przemieszczania się dyslokacji w płaszczyznach poślizgu.

Defekty powierzchniowe: (tzw. Błędy ułożenia) obecność błędów ułożenia wpływa na odporność materiałów na czynniki (korozja, erozja) oraz wpływa na właściwości cieplne.

Stopy metali: stopem jest materiał złożony z dwóch lub więcej rodzajów atomów przy czym główny składnik jest metalem.

Czynność techniczna materiałów: zawartość zanieczyszczeń dopuszczalna w danych warunkach techniczno- ekonomicznych.

Roztwory stałe i związki międzymetaliczne w stopach metali:

- roztwór różno węzłowy- węzły sieci krystalicznej obsadzone są różnymi rodzajami atomów ( pierwiastki mają zbliżone promienie jonów np.: stopu Cu i Ni, Ci i Au)

- roztwór międzywęzłowy- atom pierwiastka mniejszościowego lokuje się pomiędzy węzłami podstawowego składnika np.: węgiel w żelazie lub azot w żelazie. Sytuacja ta występuje wówczas gdy jeden z pierwiastków ma znacznie mniejszy promień atomowy.

- fazy międzymetaliczne- atomy pierwiastków tworzących fazy międzymetaliczne występują w ściśle określonej proporcji i ułożone są w węzłach sieci krystalicznej w typie specyficznym dla danej fazy. Wzajemne proporcje pierwiastków w fazie międzymetalicznej mogą nie mieć nic wspólnego z wartościowością chemiczną. Roztwory wtórne których jednym ze składników jest faza międzymetaliczna.

Nadstruktury- są to roztwory stałe o ściśle określonej proporcji atomów, w których atomy poszczególnych składników zajmują ściśle określone położenia w sieci krystalicznej.

Mimo identycznego typu sieci krystalicznej jak roztwory stałe w nadstrukturach występuje mniejsza ilość płaszczyzn poślizgu. Stopy metali, w których pojawiają się nadstruktury mają znacznie gorsze właściwości plastyczne. Przykłady nadstruktur: Cu₃Au, Cu₃Mn₂Al, CuAu.

Zachowaniem się stopów metali rządzą wykresy równowagi fazowej (układy) to jest zależność ich budowy fazowej od składu chemicznego i temperatury.

Wykres równowagi fazowej na przykładzie układu żelazo- węgiel.

Składniki chemiczne stopów:

- żelazo

- węgiel

Ilość składników fazowych nie odpowiada ilości składników chemicznych. Dwa typy roztworów stałych węgla w żelazie i w zakresie technicznego stosowania zawartości żelaza- jeden związek między metalowy.

Technicznie analizowany układ żelaza z żelazem obejmuje:

9100C- temp przemiany alotropowej

Przemiana alotropowa: Fe z sieci typu A1 czyni regularnej

Przestrzeni centrowanej na regularna A2

2,0- max rozpuszczalność węgla w wysoko temp odmianie

Żelaza (tzw. Fe gamma)

E- max rozpuszczalność węgla w żelazie gamma

C- punkt entektyczny

Likwidus- w temp powyżej oznaczonych linią likwidus występują wyłącznie składniki ciekłe.

Solidus- w temp powyżej linii solidus występują wyłącznie składniki stałe.

Likwidus i solidus można znaleźć w każdym układzie równowagi.

Składniki fazowe układu: Dorota

- ciecz (roztwór węgla w żelazie w stanie ciekłym)

- 2 roztwory stałe ( żelazo ma dwie odmiany krystalograficzne)

+ austenit - roztwór C w Fe typu gamma. jest to sieć regularna ściennie centrowana, jej zaletą są luki między atomami, max zawartość węgla w austenicie wynosi 2%

ze spadkiem temp maleje rozpuszczalność:

+ ferryt - roztwór węgla w żelazie  , typ sieci krystalicznej regularny- przestrzennie centrowany. max rozpuszczalność węgla w ferrycie około 0,022%.

+ faza międzymetaliczna- Fe₃C, węglik żelaza zwany cementytem o zawartości 6,67 węgla. jest to faza twarda, krucha.

cementyt występuje w trzech postaciach:

1)cementyt pierwotny - ma postać dużych igieł, powstaje bezpośrednio z roztworu ciekłego.

2)cementyt drugorzędny- wydziela się z austenitu w wyniku zmian rozpuszczalności węgla wzdłuż krzywej ES

3)cementyt trzeciorzędny - wydziela się w wyniku spadku rozpuszczalności węgla w ferrycie. jest odpowiedzialny za zjawisko tzw. starzenia stali.

mieszaniny składników fazowych:

ledeburyt- mieszanina austenitu i cementytu, zawartość węgla w ledeburycie -4,3%. ma charakterystyczną budowę komórkową, jest charakterystyczny dla stopów, tzw. żeliw białych.

perlit- jest produktem przemiany entektuidalnej, jest to mieszanina ferrytu i cementytu drugorzędowego, zawartość węgla -0,77%. ma charakterystyczną budowę płytkową.

ledeburyt przemieniony- mieszanina cementytu i perlitu- przy czym perlit powstał z austenitu zawartego w ledeburycie; poniżej 2% zawartości węgla - stałe, powyżej 2%- żeliwa.

przegląd stopów żelaza:

stale: norma PN - EN 10020 pt.: „stal- klasyfikacja” w normie tej definicja stali: „ stalą nazywać będziemy stop, który zawiera więcej żelaza niż jakiegokolwiek innego pierwiastka, do 2% węgla oraz inne pierwiastki metaliczne”

kryteria podziału stali:

- zwyczajowe- wg. zawartości węgla

stale niskowęglowe do 0,25% C stale do spawania

stale średnio węglowe od 0,25 do 0,65%C stale na części maszyn- stale sprężynowe, konstrukcyjne

stale wysokowęglowe powyżej 0,65%C narzędziowe

- kryterium zawartości zanieczyszczeń: podstawą kryterium są podstawowe zawartości siarki, fosforu i tlenu

- kryterium zawartości pierwiastków stopowych

niestopowe stopowe

niskostopowe wysokostopowe

podstawowe niskowęglowe- 1 X X

jakościowe niskowęglowe-2 niskowęglowe- 2

średniowęglowe-3 średniowęglowe- 3

specjalne

stale niestopowe, podstawowe:

najczęściej stosowana grupa stali, są stale niskowęglowe, zwyczajna zawartość siarki i fosforu na poziomie 0,035%

podstawowa kategoria stali używanych do celów ogólnotechnicznych- gdzie mamy do czynienia z obciążeniami statycznymi, gdzie nie występują zjawiska zmęczeniowe materiału, niektóre z nich są spawalne. na ogół nie są to stale dopuszczalne do budowy środków transportu- zwłaszcza transportu morskiego. nie ma stali stopowych podstawowych!!

pierwiastki stopowe- są to pierwiastki, które zostały wprowadzone celowo w złożonej ilości dla nadania stali określonych właściwości fizycznych, chemicznych lub technologicznych.

w stalach wysokostopowych- zawartość składników stopowych może być znacznie większa od 5%. jeżeli stal zawiera łącznie do 5%, to stal niskostopowa. pierwiastki, które nie są zanieczyszczone i nie są pierwiastkami stopowymi, a znajdują się w stali nazywamy domieszkami metalurgicznymi.( pochodzą one z rudy i materiałów wsadowych ( głównie ze złami). usuwanie ich jest nieopłacalne, nie działają szkodliwie.

systematyczny przegląd stali:

1.stale niestopowe podstawowe

2. stale na konstrukcje spawane- niestopowe lub niskostopowe - do wykonania konstrukcji łączonych metodą spawaną. By stal była spawalna - warunek spawalności stali:

C_E (mniejsze) 0,4%

C_E = C + Mn(mangan)/6 + (C+ M _o + I)/5 + (Ni +Cu)/15

klasyczne stale na konstrukcje spawalne charakteryzują się zawartością węgla obciążona do około 0,1%, obciążoną zawartością pierwiastków stalowych, zaś właściwości mechaniczne zawdzięczają odpowiedniej obróbce cieplnej i plastycznej.

stale na konstrukcje spawane dodatkowo mogą podlegać klasyfikacji wg. przepisów towarzystw klasyfikacyjnych nadzorujących budowę obiektów związanych z transportem morskim lub obiektów użytkowych w strefie przybrzeżnej.

kryterium klasyfikacji stali jest:

granica plastyczności oraz wyniki prób wytrzymałościowych w obniżonych temp. E 36 E- temp prób wytrzymałościowych, 36- oznacza wartość granicy plastyczności Re/10

klasyfikacji i nadzorowi towarzystw klasyfikacyjnych (TK) podlegają obiekty takie jak statki morski, platformy wiertnicze, konstrukcje przybrzeżne, zbiorniki stosowane w transporcie morskim, urządzenia dźwigowe.

przykładowe gatunki stali na konstrukcje spawalne:

C15- stal niestopowa 0,15%, 18 Mn AlNi- stal niskostopowa zawierająca około 2% manganu, 0,18% C, a ponadto niewielkie dodatki azotu i aluminium. Azot i aluminium stanowią w tej stali tzw. mikrododatki, łączna ich zawartość jest rzędu 0,05%, cel stosowania tego mikrododatku (Al., N)- służy do uzyskania budowy drobnoziarnistej w tzw. strefie wpływu ciepła.

08Mn- nowoczesna stal do spawania, 0,08% C. około 1,5% Mn o mikrododatki.

3 - stal średniowęglowa jakościowo- stale konstrukcyjne do ogólnej budowy maszyn.

podstawowym rodzajem obróbki cieplnej tych stali jest tzw. ulepszanie cieplne- celem tego zabiegu jest uzyskanie dobrych właściwości plastycznych materiału, głównie dużego wydłużenia i dużej udarności przy równoczesnym zachowaniu wysokich właściwości wytrzymałościowych np.: Re- wysokiej granicy plastyczności.

wytrzymałość plastyczność

Rm A

Re Kc

H

/\

---------------------------------------------------------------

dobór stali tej grupy do określone zastosowania prowadzony jest w oparciu o 2 kryteria:

1.ze względu na założenie właściwości wytrzymałościowe dobierana jest zawartość węgla ( od 0,25 - 0,60%)

2. ze względu na wymiary i stopień komplikacji kształtu przedmiotu dobierany jest odpowiedni zestaw składników stopowych.

główne składniki stopowe to : Mn, Cr, Ni, Mo, niekiedy W, V

im większy element konstrukcyjny wykonujemy tym zużywamy wiecej materiału i musi to być materiał droższy, a zatem cena elementu nie rośnie liniowo z jego masą.

uproszczone kryterium doboru pierwiastków w tych stalach:

Pierwiastki Rozmiar

niestopowe średni. 15 mm

Mn 30mm

Cr 50 mm

Cu + Ni 150mm

Cu+ Mo 300mm

Zasady znakowania stali stopowych: ANIA

PN-EN 10027- norma obejmuje te zasady

2 konwencje znakowania:

1. wg. Przeznaczenia stali

2. wg. Składu chemicznego

- niestopowe, np.: C45- niestopowa o 0,45% węgla

Stopowe, np.: 20M najpierw 0,20% węgla, niskostopowa < 1,5% Mn

20 - liczba dwucyfrowa- XX Me,Me_2, w kolejności zawartości

Np. 40 Cr- 40% C, Cr < 1,5%

40 Cr, Ni 2-2- 0,40%C, Cr 2%, Ni 2%

Znak stali wysokostopowej rozpoczyna się od litery X- reszta jak dla stali niskostopowych.

15 mm- niewielkie części maszyn

30 mm- wały rozrządu i korbowody silników samochodowych

50 mm- wały korbowe silników samochodowych i wały rozrządu okrętowych silników pomocniczych i ich korbowody

150 mm- wały rozrządu, drągi tłokowe, korbowody okrętowych silników głównych czy pomocniczych

300mm wały korbowe okrętowych silników głównych- te są jako wały składane, około 0,5m przeciętnie średnica czopa, długość rzędu kilku metrów.

Stale do ulepszania cieplnego- podstawowa kategoria stali konstrukcyjnych, wykorzystanie ich maksymalnych właściwości jest możliwe po prawidłowo wykonanej obróbce cieplnej. Stosowanie stali tej grupy bez obróbki cieplnej jest bezcelowe. Mają specjalne przeznaczenie.

STALE NISKOSTOPOWE:

3 0- średniowęglowe

4 - stale niskowęglowe- jakościowe, niskostopowe

Stale te mają 0,20- 0,25%C- stale do nawęglania, co zapewnia ich dobrą plastyczność, zawierają dodatki Cr i Mn, co podnosi ich wytrzymałość i ogranicza skłonność do gruboziarnistości. Po wykonaniu zabiegu nawęglania, zawartość C w warstwie wierzchniej wzrasta do 0,8%, grubość warstwy nawęglonej do 1 mm.

Zabieg nawęglania jest przykładem tzw. Obróbki cieplno- chemicznej, polega na wygrzaniu wyrobu w temp. Około 1000⁰ C w ciekłym ośrodku nawęglającym (stopione sole metali, najczęściej cyjanku) lub wygrzaniu w atmosferze nawęglającej ( też z reguły toksyczne).

Po nawęglaniu i dodatkowej obróbce cieplnej uzyskuje się twardy, ponad 700HV i odporną na ścieranie warstwą wierzchnią, przy równoczesnym zachowaniu ciągliwego, plastycznego rdzenia (20 Cr Mn, 24 Cr Mn).

Wyroby z tej stali: koła zębate, sworznie tłokowe, części przekładni silników, pomp.

Metoda ta jest często stosowana:

S - specjalne, wysokowęglowe, niskostopowe- klasyczne stale na łożyska toczne, nieodporne na korozję.

Podstawowy warunek materiałów na łożyska toczne- twardość minimum 750 HV, 60 HRC, wysoka twardość ( np.: ceramiki 1500HV)

Warunki dodatkowe:

- bardzo wysoka odporność na naciski powierzchniowe

- znaczna wytrzymałość zmęczeniowa

Przybliżony skład: około 1,2%C, około 1,5%Cr, niekiedy dodatki Mn, Si oraz mikrododatki B i pierwiastków z grupy lantanowców ( tzw. Ziem gładkich)

Musi być czystość metalurgiczna (wymagania szczególnie wysokie). Obecność zanieczyszczeń tlenkowych i siarczkowych obniża wyraźnie trwałość łożysk.

Stosuje się metody rafinacji stali.

Z klasycznych stali łożyskowych wytwarza się łożyska o średnicy wałka 20 mm.

Łożyska tłoczne wielkowymiarowe mogą być wytworzone z innych rodzajów stali np.: ze stali do nawęglania.

Czołowi producenci łożysk tłocznych to:

- SKF- szwedzka firma

- FAG- niemiecka

- KOYO- japońska

- TINKEN- USA

6 - niskostopowe, jakościowe, średniowęglowe, sprężynowe- główne środki transportu drogowego elementy zawieszeń, około 0,50%C, dodatki Krzemu Si, Cr, Mn. Cecha charakterystyczna- poddane obróbce cieplnej bardzo dobre właściwości sprężyste i duża odporność na obciążenia dynamiczne. Obróbka cieplna tych stali musi być wykonywana w sposób zapobiegający odwęgleniu powierzchni. Konsekwencją odwęglenia jest składność gotowych sprężyn do pękania zmęczeniowego (łamią się resory tylnego zawieszenia).

STLE WYSOKOSTPOWE: (jakościowe lub specjalne)

I.w stalach wysokostopowych już sama obecność pierwiastków stopowych w odpowiedniej ilości wystarczy do nadania im szczególnych właściwości fizycznych, chemicznych lub użytkowych.

II. w tych stalach do opisu ich zachowania nie stosuje się układu Fe- C, obowiązują inne układy równowagi fazowej.

Grupy:

1.stale odporne na korozję

Wpływ zawartości Cr na potencjał elektrochemiczny stali.

przy 12% Cr następuje skokowy wzrost potencjału elektrochemicznego, stal nabiera zdolności do pasywacji.

2. nierdzewne stale chromowe, wysokostopowe, specjalne

7A x 08Cr17- niskowęglowe o strukturze ferrytycznej; miękkie, plastyczne, dobrze spawalne, odporne na korozje tzw „sucha” nie mają jednak zbyt wysokich właściwości mechanicznych, tym niemniej często stosowane są jako warstwy nakładane metodą platerowania lub warstwy nakładane metodami spawalniczymi.

7B x 40Cr15 - średniowęglowe, nierdzewne stale konstrukcyjne, 0,20-0,50%C, Cr 15- 19%, przeznaczone do silnie obciążone części maszyn narażone na korozję suchą. (także noże, widelce, łyżki).

7C x 90Cr19- wysokowęglowe stale chromowe, nierdzewne, na silnie obciążone na narażone na ścieranie i naciski powierzchniowe części maszyn, również na nierdzewne łożyska toczne.

Stale nierdzewne chromowe nie są odporne na korozję w kwasach. Cechą są silne właściwości ferromagnetyczne, przyciągają magnes.

3.chromowo- niklowe:

8 - kwasoodporne stale o strukturze astenicznej, minimum 18% Cr, minimum 8%Ni, są odporne na działanie kwasów, nie mają własności ferromagnetycznych. Są niskowęglowe. Klasyczny gatunek x10CrNi18-8 (18-8 steel). Obniżona zawartość C, podwyższona Ni (x08CrNi 18-10 tez 18-8). Prócz zalet jest wada; podczas spawania lub użytkowania długość w wysokiej temp. Mogą być przemiany prowadzące do tzw. Korozji międzykrystalicznej. Węgiel to powoduje, jest CrC- węglik chromu.

Aby to ograniczyć używamy tytan x08CrNiTi18-10(Ti=4*C). dodatek tytanu podnosi odporność na korozję międzykrystaliczną, dzięki związaniu węgla o trwałe węgliki tytanu (TiC)

X08CrNiMoTi18-10-2- odporność na działanie kwasu siarkowego i innych związków siarki.

4.

9 - niskowęglowe, wieloskładnikowe stale kwasoodporne o strukturze ferrytyczno- austenitycznej, stale DUPLEX.

Stale DUPLEX zostały opracowane jako zamienniki stali austenitycznych głównie dla otrzymani materiałów o obniżonej zawartości niklu. Typowe zastosowanie: zbiorniki, rurociągi, pompy i zawory w układach transportu cieczy agresywnych.

Obniżona zawartość Ni( względem stali austenitycznych) pozwala na stosunkowo tanie wytwarzanie elementów grubościennych, np.: zbiorników na statkach do przewozu chemikaliów.

Skomplikowany skład chemiczny czyni te stale bardzo wrażliwymi na odstępstwa od optymalnych warunków prowadzenia procesu spawania.

Ze stali odpornych na korozję wywodzą się stale żaroodporne i żarowytrzymałe. Żaroodporność jest to zdolność do pracy w atmosferze agresywnej w podwyższonej temp. Stale żaroodporne w tych warunkach pokrywają się szczelną zwartą warstwą tlenków Cr. Skład zbliżony do 7A , ale Cr-25% i więcej %

Żarowytrzymałość zdolność do przenoszenia obciążeń mechanicznych w wysokich temp. Stale takie są to stale austenityczne o podwyższonej do 20-25%Cr i Ni.

STALE WYSOKOSTOPOWE NARZĘDZIOWE.

I. Stale wysokostopowe narzędziowe: Hign Speer steel (HSS) około 0,8% węgla, 18% wolframu, 4%Cr, i około 1% V. oznaczenie HSS 18-4-1 możemy spotykać. Łącznie około 23% pierwiastków.

Stale szybkotnące - po odpowiednio wykonanej obróbce cieplnej uzyskują twardość do 800HV (64 HRC) zachowują twardość do temp około 500⁰C wytapianie tych stali jest trudne, pełny cykl obróbki stali szybkotnącej obejmuje:

- wyżarzanie wlewków

- wielokrotne przekłuwanie wlewków

- wyżarzanie zmiękczające

- obróbka skrawaniem

- hartowanie w około 1250⁰C

- 2,3 krotne odpuszczanie około 550⁰C

Współczesne HSS charakteryzują się obniżoną zawartością wolframu, częściowym lub całkowitym zastąpieniem wolframu przez molibden, ogólnie obniżoną zawartością pierwiastków stopowych ( tzw. Stale oszczędnościowe), ponadto występują dodatki kobaltu oraz mikrododatki stopowe.

Mikroskale - niepoprawne określenie nazywające stale zawierające mikrododatki stopowe.

Mikrododatek - dodatek rzędu tysięcznych części %.

Zastosowanie stali HSS:

- narzędzia do obróbki skrawaniem (wiertła, frezy szałowe, frezy walcowo- czołowe, niektóre rodzaje noży tokarskich

- końcówki i iglice wtryskiwaczy silników wysokoprężnych

- elementy pomp wtryskowych i pompowtryskiwaczy

Wadą stali szybkotnącej jest złe przewodnictwo cieplne.

II. stale narzędziowe do pracy na gorąco:

Są to średniowęglowe stale zawierające dodatki wolframu, krzemu, chromu, kobaltu, i wanadu , przeznaczone na silne obciążone w sposób dynamiczny (np. uderzeniowy) narzędzia do obróbki plastycznej metali na gorąco. Przed przystąpieniem do pracy wymagane jest podgrzanie urządzenia do temperatury roboczej.

III. stale wysokostopowe, ale nie narzędziowe:

Stale o szczególnie dużej odporności na ścieranie: klasyczny skład: około 1,2% węgla, 13% Mn, stal Hadfielda. klasyczny materiał stosowany w systemie transportowym. Po odpowiedniej obróbce cieplnej twardość wynosi około 300HV, pod wpływem nacisków powierzchniowych w warstwie wierzchniej występuje bardzo intensywne zjawisko bliźniakowania. Następuje utwardzenie warstwy wierzchniej do około 600HV. Istotne jest, że zmiana twardości w głąb materiału następuje w sposób ciągły.

Zalety: bardzo duża odporność na ścieranie przy równoczesnej dobrej odporności na obciążenie dynamiczne.

Zastosowanie:

- gąsienice pojazdów gąsienicowych

- części układów torowisk kolejowych

- elementy rurociągów do transportu pneumatycznego (ładunków sypkich w strumieniu powietrza) i hydraulicznego

- elementy układów pogłębiających (czerpaki koparek, spychaczy)

Stal ta jest stalą austenityczną, paramagnetyczną, charakterystyczna jest czarnobrązowa warstwa tlenków.

SPECJALNE STOPY ŻELAZA:

I.stelity-wysokowęglowe stopy żelaza z kobaltem i chromem o twardości ponad 800 HV, dopuszczalna temperatura pracy - ponad 600⁰C. początkowo stosowana jako materiały narzędziowe, obecnie głównie stosowane w budowie silników: gniazda zaworów wydechowych, powierzchnie przylgowe zaworu, końcówki wtryskiwaczy.

II.stopy maraging- praktycznie bezwęglowe (poniżej 0,03% węgla, traktowanego jako zanieczyszczenia, stopy żelaza z molibdenem, kobaltem, niklem, wanadem i innymi pierwiastkami. Łączna zawartość pierwiastków stopowych może sięgać 60%. Po obróbce cieplnej właściwości mechaniczne znacznie przewyższają analogicznie parametry dla stali. Zależnie od gatunku można uzyskać np. Re= 1500 do 2500Mpa - granica plastyczności.

Wytrzymałość doraźna RM= 2500 około 4000Mpa

Ponadto zachowują dobre właściwości plastyczne, znaczną odporność na korozję, bardzo dobrą wytrzymałość zmęczeniową.

Wady: wysoka cena, skomplikowany proces metalurgiczny

Stosowane tam, gdzie decydującym kryterium jest trwałość i niezawodność wyrobu (konstrukcje lotnicze, wały turbin gazowych i turbo sprężarek, narzędzia do obróbki plastycznej metali na zimno, wyłącznie w produkcji masowej.

III. stop INWAR, współczynnik rozszerzalności cieplnej bliski zero. Zastosowanie: wzorce odległości w geodezji, precyzyjne narzędzia pomiarowe, marki kineskopów (zwłaszcza w monitorach komputerów).

ODLEWNICZE STOPY ŻELAZA:

Większość materiałów określonych jako stale, może być również stosowana w postaci odlewów, materiał nosi wówczas nazwę staliwa.

Wadą stali jest stosunkowo mała lejność i znaczny skurcz podczas krzepnięcia (nawet 2,5%). Większość odlewów powinno się zatem wykonywać ze stopów typowo odlewniczych, w przypadku stopów żelaza , noszą one nazwę żeliw. Żeliwa zawierają ponad 2% węgla, teoretycznie mogą zawierać do 6,67% w praktyce do około 4%.

Struktura żeliwa bardzo silnie zależy od składu chemicznego i warunków krzepnięcia po odlaniu.

O zakwalifikowaniu żeliwa do jednej z dwóch głównych grup decyduje postać w jakie występuje żeliwo.

Jeżeli całość węgla występuje postaci związanej węglik Fe₃C. Żeliwo nosi nazwę żeliwa białego.

Jeżeli część lub całość węgla występuje w postaci grafitu żeliwo nosi nazwę szarego.

Żeliwo białe- ze względu na obecność cementytu pierwotnego lub wtórnego są to materiały bardzo twarde (ponad 600 HV) praktycznie nieobrabialne, odporne na ścieranie lecz niestety kruche.

Stosowanie: w układach rozdrabniania i transportu kruszyw (łamacze szczękowe, młyny, układy przesypowe). Dodatkowo właściwości mechaniczne żeliw białych poprawić można przez dodatki takich pierwiastków stopowych jak nikiel, chrom. Ponadto żeliwa białe są również materiałem wyjściowym do otrzymywania tzw. Żeliw ciągliwych.

Nazwa żeliw szarych pochodzi od barwy przełomu (ciemnoszary). Barwa jest wynikiem obecności węgla w postaci wolnej, czyli grafitu.

Warunki wydzielania grafitu:

- stop musi krzepnąć małymi prędkościami (mniej niż 1⁰C/min) niepraktyczne

- wprowadzenie pierwiastków przyspieszających wydzielanie grafitu (pierwiastki grafityzujące) najczęściej Si.

Żeliwa szare mają tyle samo Si co węgla, ok. 2,5-4,5%

Nie istnieje gatunek żeliwa szarego.

Skład chemiczny żeliwa szarego podlega zmianom w zależności od wymaganych właściwości mechanicznych i warunków krzepnięcia odlewu:

- grubość ścianki odlewu

- materiału formy odlewniczej i jego przewodnictwa cieplnego.

(im cieńsza ścianka odlewu, im większe przewodnictwo cieplne ma materiał formy, tym większy musi być dodatek krzemu). Jeśli nie będzie to przestrzegane, może wystąpić zbielenie żeliwa.

Główne zalety żeliwa szarego:

- bardzo dobra lejność umożliwia wykonywanie odlewów o skomplikowanych kształtach.

- niski koszt materiału i stosunkowo niskie koszty procesu wytapiania żeliwa i odlewania żeliwa

- bardzo dobra obrabialność

- bardzo duża zdolność tłumienia drgań, wyniku obecności grafitu na wydzieleniach jego nastąpi rozpraszanie drgań mechanicznych

- możliwość sterowania procesem krzepnięcia tak by uzyskać różny kształt wydzieleń grafitu oraz zróżnicowana strukturę osnowy stopu (tego, w czym grafit siedzi)

- możliwość wykonania obróbki cieplnej żeliwa

Klasyfikacja żeliw:

Typ grafitu/ płytkowy kulkowy

Osnowa

Ferrytyczna ok. 0% ZL150 ZS 300 16

Ferrytyczna,perlityczna ok. 0,3% ZL 250 ZS 400 12

Perlityczno ferrytyczna ok. 0,6% ZL 350 ZS 500 08

Perlityczna ok. 0,8% ZL 450 ZS 600 04

Osnowa po obróbce cieplnej nie można określić ZS700 04

Zawartość węgla

Żeliwa szare dzielimy na:

- z grafitem płytkowym (korpusy maszyn, przekładnie)

- sferoidalne ( na silnie obciążone części maszyn)

Przy przejściu z płytkowego do kulkowego rosną właściwości wytrzymałościowe, maleje zdolność tłumienia drgań.

Typ osnowy:

Zawartość węgla: całkowita 2-4%, zawartość węgla związanego( podaje się dodatkowo, tego w osnowie, max 0,8%

Znak żeliwa, określa właściwości mechaniczne, oznaczenia w zależności od norm są różne.

W przypadku żeliw z grafitem płytkowym można stosować wyżarzanie normalizujące osnowy ( następuje rozdrobnienie ziarna i podwyższenie wytrzymałości).

Nowoczesnej klasy żeliw sferoidalnych do ulepszania cieplnego, pozwalają uzyskać wytrzymałość powyżej 1000Mpa, przy wydłużeniu do 8%.

Kategoria X- żeliwo pozaklasowe, w odlewie istotny jest kształt i masa (ZLX).

Pierwiastki stopowe w żeliwach:

- Si - umożliwia wydzielenie węgla w postaci grafitu, bez niego nie ma żeliwa szarego

- Mg - umożliwia uzyskanie grafitu w postaci kulkowej

- Cu - ilość do 0,5% podnosi odporność na ścieranie (żeliwa na tuleje cylindrowe silników)

- P (fosfor)- poprawia lejność żeliwa i szczelność odlewów

Ponadto:

- Mn, Ni, Vanad

Żeliwa wytapiane są z surówek odlewniczych w piecach zwanych żeliwnymi. Uzyskanie żeliwa sferoidalnego i klas specjalnych wymaga dodatkowych zabiegów wykonywanych w piecach elektrycznych.

Spawanie żeliw:

Spawanie żeliwa na gorąco po uprzednim podgrzaniu do temperatury ponad 500⁰C w zasadzie spawa się elektronami, konieczne jest potem wyżarzanie odlewu w celu usunięcia naprężeń wewnętrznych. Spawanie żeliw szarych na zimno jest możliwe przy zastosowaniu jako materiału dodatkowego stopów Fe-Ni lub Cu-Ni

Zastosowanie żeliw szarych:

- odlewy korpusów przekładni, odlewane bloki silników, armatura, pokrywy, głowice silników, tłoki okrętowych silników głównych, pierścienie tłokowe i tuleje cylindrowe.

Z żeliw sferoidalnych: wały korbowe i korbowody, niektóre rodzaje kół zębatych, silnie obciążone części maszyn.

Stopy metali nieżelaznych:

- w przypadku metali nieżelaznych: niektóre stosowane są w post. Metalu o tzw. Czystości technicznej

- w przeciwieństwie do stopów żelaza, którego otrzymywanie połączone jest z rafinacją, stopy metali nieżelaznych wytworzone są w oparciu o czyste składniki, lub tzw. Stopy wstępne otrzymywane z czystych składników.

Miedź i jej stopy:

Otrzymywana sjest z rud węglanowych bądź siarczkowych, przy czym opłacalna zawartość wynosi już ok. 1% Cu w rudzie.

Miedź surowa wytapiana jest w piecach szybowych (konstrukcje zbliżone do wielkiego pieca), po czym poddawana elektrochemicznej, dodatkowo może być rafinacja próżniowa dla uzyskania tzw. Cu beztlenowej. Najczęściej spotykane handlowe Cu to: katodowe i beztlenowa. Zawartość czystego pierwiastka powyżej 99% (99,9% np.).

Właściwości miedzi:

- barwa o czerwonym połysku

- przewodzi prąd i ciepło

Problemy są przy spawaniu:

- duża skłonność do utleniania się w trakcie spawania

- intensywne doprowadzenie ciepła ze strefy spawania, lutowanie lub zgrzewanie - najczęściej łączy się tak miedź,

Miedź stopowa: Cu o wysokiej czystości, do której wprowadza się niewielkie ilości (do 1%) pierwiastków nie pogarszających istotnie przewodnictwa elektrycznego, ale wyraźnie poprawiających wybrane właściwości mechaniczne lub użytkowe, np. Cu kadmowa o kilkakrotnie lepszej odporności na ścieranie.

Cu chromowa o podwyższonej wytrzymałości, stosowana na chłodzone wodą elektrody zgrzewarek.

Stopy:

- Cu-Ni- miedzionikle

- Cu-Zn- mosiądze i cała reszta- brązy

- bardzo dobra plastyczność przy równocześnie wysokiej wytrzymałości

- doskonała odporność na korozję w wodzie słodkiej, słonej, zimnej, gorącej i przegrzanej parze wodnej.

- dostateczna odporność na zjawisko pełzania

Zastosowanie:

- budowa turbin parowych

- wymienniki ciepła, przegrzewacze pary

- Części układu chłodzenia

- elektrody i pałeczki do spawania żeliwa na zimno

Zaleta: są dobrze spawalne

Wada: są to stopy o bardzo wysokiej cenie.

Miedź i jej stopy:

-miedź techniczna

- stopowa

- miedzionikiel

- mosiądze- stopy Cu zawierające Zn jako główny składnik stopowy. Ponadto mogą zawierać: Pb, Sn, Al., Si, Mn, Ni,

Sn- do 2% podnosi odporność na korozje

Pb- lejność i skrawalność

Pozostałe- poprawa właściwości mechanicznych.

Wydłużenie

Od 0- 38% Zn- mosiądze mają strukturę 1- fazową - 

Od 38- 45% - 2-fazowa - 

Fazy uporządkowane- gorsze właściwości plastyczne

Mosiądze jednofazowe - do 39% Zn, struktura 1 fazowa  cechy - bardzo dobra plastyczność, tłoczność; najczęściej stosowane są w postaci blach, innych pół wyrobów do obróbki plastycznej. Ma w strukturze ziarna bliźniakowate.

Mosiądze dwufazowe-  -jasna;  ciemna

Z reguły odlewnicze lub do przeróbki plastycznej na gorąco, min 480⁰C ( 39- 45%)

Dwuskładnikowe tylko Cu i Zn: CuZn₅, CuZn₁₅, CuZn₂₀ } tombaki; CuZn₃₀, CuZn₃₇

Wieloskładnikowe: CuZn₃₅Pb₁, CuZn₃₆Pb₂As, CuZn₃₆Pb₂Sn₁, CuZn₁₉Sn

Na armaturę: zawory i obciążane elementy

Mosiądze odlewnicze: CuZn₃₇Al₁-C (cast - odlew); CuZn₃₉Pb₁A_l1-C; CuZn₃₂A_l5Mn₄Fe₃-C

Trudne jest topnienie, ponieważ:

- skłonność do utleniania (stosuje się Cu fosforową zapobiegawczo)

- odparowywanie Zn

Korozja mosiądzów:

- odcynkowanie - przechodzenie do roztworu jonów Cu i Zn, ponowne wytrącenie Cu w postaci gąbczastej, występuje przy zawartości ponad 20% Zn i w obecności jonów Cl

- selektywna korozja fazy  - w wielofazowych (odporność na korozje  maleje z rosnącą zawartością Zn

- sezonowe pękanie - międzykrystaliczne pękanie mosiądzów poddanych obróbce plastycznej na zimno w atmosferze amoniaku.

Brązy cynowe:

Brązy- stopy Cu, z głównymi pierwiastkami stopowymi innymi niż Ni lub Zn

Brązy cynowe, aluminiowe, berylowe

Brąz cynowy do 22% Sn, w praktyce trudno ponad 12% spotkać,

- krzepną w szerokim zakresie temperatur. Odpowiednio towarzyszą temu zmiany składu chemicznego cieczy i wydzielających się kryształów.

- CuSn6 - zjawisko segregacji dendrytycznej, powoduje kruchość; rdzeń kryształu ubogi w Sn, zewnętrzne warstwy bogatsze. Po wyżarzaniu ujednoradniającym mamy ziarna jednolitej barwy.

Brązy cynowe - 2 fazowe np.: CuSnNo - po wyżarzaniu, widoczna wydzielina, poniżej 8% Sn - przeróbka plastyczna 8%< obróbka odlewnicza; odtlenia się nim tlenek cyny: w brązach do plastycznej przeróbki , 0,4%- pogarsza plastyczność; w odlewniczych nawet 4%- poprawia lejność,

Budowa przekładni o zębach ślimakowych i skośnych, silnie obciążone łożyska ślizgowe np.: łożysko trzona steru na statku

Twardość przekracza 100HV, więc czop musi być warstwowy i utwardzany, współpracujący

Naprawianie brązami- zasuwy hydrauliczne

Brązy cynowe wieloskładnikowe:

CuSn12Ni2- C, CuSn5Zn5Pb5 - C, CuSn7Zn4Pb7- C, CuSn10Pb- C, CuSn4Te1P

Brązy aluminiowe:

Aluminium jest zamiennikiem Sn

- do około 9,4%Al - struktura 

- powyżej 9,4% - γ dwufazowa

Technicznie stosowane brązy Al. Zawierają do 11,5%Al. Brązy γ można poddawać obróbce cieplnej, bo występuje przemiana martenzytyczna

Wody brązów cynowych: w stopach mają ponad 9,5%Al. Większość stosowanych brązów Al. Jest wieloskładnikowe.

Trzy istotne dodatki stopowe:

- Mn - podnosi wytrzymałość i odporność na korozję

- Ni - poprawia plastyczność

- Fe - podnosi odporność na ścieranie i sprzyja drobnoziarnistości ale pogarsza skrawalność

Brązy te tępią narzędzia skrawające.

 (γK

K- kappa

Wieloskładnikowe brązy aluminiowe:

Typowe składy: CuAl8Fe3, CuAl10Fe1, CuAl0Ni5Fe4, CuAl10Fe3Mn2, CuAl1Fe6Ni6

Z Al. Brązów wywodzą się:

Brązy manganowo-Al.

Specjalizowane: do budowy maszyn, urządzeń przepływowych(turbin)

Warunek minimalny plastyczności: Al._E= Al. + Mn / 6 , 12%

Typowe składy:

Od CuMn12Al8Ni3Fe3 - struktura     K

Do CuMn16Al6Ni3Fe3

Stopy na śruby napędowe statków:

- manganowe - CuZn3Mn6

- niklowe - wychodzą z użytku

- niklowo-aluminiowe

- manganowo-aluminiowe

Wszystkie stopy musza mieć:

- dostateczne właściwości wytrzymałościowe i plastyczne

- powinny być spawalne

Brązy berylowe:

Do 2% Be, układy Cu-Be, niekiedy dodatki Co, Ni i Ti

Obróbka cieplna utwardzania wydzieleniowego RM do 1250 Mpa, twardość do 350 HV

- bardzo odporne na tworzenie iskier, jest to sprzęt do pracy w atmosferach zagrożeń wybuchowych- narzędzia

- w kopalniach o dużym stopniu zapylenia

- bazy przeładunku paliw płynnych i gazów

- elewatory zbożowe

- młyny

- lakiernie (zwłaszcza malowanie proszkowe)

- krochmalnie

W warunkach obecności acetylenu nie wolno stosować stopów zawierających ponad 60% Cu

Brązy ołowiowe:

Cu z Pb - praktycznie nie mieszają się w stanie ciekłym i w ogóle w stanie stałym.

Dodatkowo występuje znaczna różnica mas właściwych i temperatur topnienia

Kompozycja Cu-Pb ma doskonałe właściwości cierne:

- Cu zapewnia mały współczynnik tarcia i bardzo dobrze odprowadza ciepło z rejonu tarci

- dodatek Pb zapewnia bardzo dobrą plastyczność i łatwe dopasowywanie się poszewki czopa.

W momencie zaniku smarowania i pojawienia się tarcia suchego, temperatura łożyska zaczyna wzrastać. Z chwilą przekroczenia temperatury topnienia ołowiu, wytapiający się Pb przejmuje funkcje smaru tzw. Awaryjnego.

Dodatkowo Pb czyni stop bardzo odpornym na zacieranie.

Większość kompozycji Cu-Pb wytwarzana jest metodami proszkowymi. Dodatkowo metody proszkowe pozwalają na wprowadzenie niemetalowych składników obniżających tarcie.

Aluminium i jego stopy

Właściwości i otrzymywanie:

- metal III grupy układu okresowego, wykazuje właściwości amfoteryczne

- masa właściwa: 2,7 g/cm³

- temp topnienia 660⁰C

- Przewodnictwo elektryczne 37,3 Ms/m

- główny surowiec - boksyt

- proces otrzymywania - elektroliza tlenku rozpuszczonego w stopionym kriolicie

- Rm 70 do 120 MPa

- Ra 20 do 40 MPa

- w stanie odkształconym na zimno wzrastają nawet dwukrotnie

- zdolność do parywacji - pokrywa się trwałym tlenkiem Al2O3 chroniącym metal przed dalszą korozją

- nieodporne na kwasy HCi, HFi, wodę morską, pary rtęci

Zastosowanie:

- przewody elektryczne

- wymienniki ciepła i chłodnice

- opakowania artykułów spożywczych

- wytwarzanie stopów technicznych

Stopy aluminium:

- do przeróbki plastycznej - do 5% pierwiastków stopowych takich jak Cu, Mn, Mg, Li oraz Si, Zn, Ni, Cr

+umacniane zgniotem

+umacniane wydzielinowo

- odlewnicze - wieloskładnikowe 5 - 25% pierwiastków głównie Si, Mg, Cu, Zn lub Ni.

STOPY ODLEWNICZE: Si luminy, zawartość Si 5 - 14%. Charakterystyczna jest obecność mieszaniny eutektycznej Al.-Si

MODYFIKACJA- zabieg metalurgiczny wykonywany na ciekłym metalu, polega on na wprowadzeniu do ciekłego stopu pierwiastka, który radykalnie zmienia warunki krzepnięcia faz pierwotnych.

Efekt modyfikacji :poprawa właściwości mechanicznych (o 33%)i właściwości plastycznej (o 100%)

Modyfikatory: Na- nietrwały, Sr, Sb- trwałe

Nowoczesne stopy Al. Są trwale modyfikowane Sr lub Sb

Stopy Al. - krzem, zastosowanie:

Siluminy podełtektyczne:

- odlewy korpusów

- pokrywy obudowy

Silniki eutektyczne i nad eutektyczne:

- tłoki silników spalinowych i sprężarek (mają dobrą stabilność wymiarów i wykazują znaczną żaroodporność)

Stopy Al.- Cu: nazwa zwyczajowa duraluminium. Zawartość Cu do 5%. Inne pierwiastki Mg, Ni, Si, Zn dobrze obrabialne plastyczne i spawalne w atmosferze argonu.

PRZESYCANIE- zabieg polegający na nagrzaniu stopu o strukturze 2-fazowej do takiej temp. By uzyskał strukture 1-fazową i następnie szybkim ochłodzeniu.

W temp. Pokojowej następuje zjawisko samorzutnego starzenia przesyconego roztworu stałego. Max. Wł. Mechaniczne osiągane są po ok. tygodniu.

Zjawisko starzenia w temp. Ok. 100⁰ C. Max. Wł. Osiąga po kilku godzinach. Jest to tzw. Starzenie sztuczne. Nie daje to jednak tak dobrych rezultatów jak starzenie naturalne. Jeżeli w temp 200⁰C materiał uzyskuje z powrotem strukture 2-fazową

Stopy Al.-Cu zastosowanie:

- silnie obciążane części maszyn

- konstrukcje lotnicze

- środki transportu kołowego

Wadą jest niedostateczna odpornośc na korozje, odpornośc jest tym niższa im bardziej skomplikowany jest skład stopu. Niektóre durale wieloskładnikowe np. cynkowe mogą być stosowane dopiero po uprzednim zabezpieczeniu przed korozją.

Stopy Al.-Mg: nazwa zwyczajowa hydronalium. Zawartość Mg do 5 %. Inne pierwiastki Ni, Si, dobrze obrabialne plastycznie i spawalne w atmosferze argonu, odporne na korozje w wodzie morskiej.

Zastosowanie:

- Budowa szybkich jednostek pływających

- budowa statków z rozbudowana częścią nad wodną : statki pasażerskie, promu, statki do przewozu samochodów, statki ro-ro

- łączenie nadbudówki ze stalowy kadłubem przy pomocy łączników Bimetalowych

Stopy aluminium -lit

- lit najlżejszy z metali

- dodatek Li od 1,9 do 2,7 %.

- możliwe jest utwardzanie wydzieleniowe

- podstawowe przeznaczenie: nowoczesne konstrukcje lotnicze

- łączenie: klejenie

Nikiel i jego stopy

Właściwości:

- Ni jest metalem ferromagnetycznym

- nie ma odmian alotropowych

- masa właściwa 8,92g/cm³

^- w stanie wyżarzonym Rm 400 MPa i wydłużenie do 45 %

- odporny na większość czynników korozyjnych z wyjątkiem kwasów azotowego i fosforowego oraz związków siarki.

Zastosowanie:

- składnik stali stopowych i miedzio - nikli

- stopy konstrukcyjne np. stop monel

- stopy oporowe: alumel, chromel

- stopy o szczególnych właściwościach fizycznych: inwar

- stopy magnetyczne miękkie: permalldy

Wytrzymały, stopy niklu i kobaltu służą do wytwarzania wysokiej jakości silników

Tytan i jego stopy:

- Ti - dwie odmiany alotropowe Ti i Ti

- przemiana alotropowa 882⁰C

- temp. Topnienia 1668⁰C

- masa właściwa 4,51 g/cm³

- paromagnetyczny

- rudy: rutyl i ichnenit

- otrzymywanie: redukcja chlorki TiCl₄ magnezem w atmosferze gazu obojętnego

Cechy charakterystyczne

- wysoka wytrzymałość właściwa

- wysoka żarowytrzymałość i dobra odporność na korozje

- możliwość poddawania obróbce cieplnej

- stosowany w budowie środków transportu, technice lotniczej i okrętowej, przemyśle chemicznym, technice nuklearnej

- trudno obrabialne plastycznie i źle skrawalne

- Ti nie tworzy izotopów promieniotwórczych

Tytan i jego stopy: Al., Sn, U, Mo, Zr, Ni

Cyna i jej stopy:

- Sn: 2 odmiany alotropowe Sn i Sn

- Przemiana alotropowa w 13,2⁰C (tzw. Zjawisko zarazy cynowej)

- masa właściwa 7,29 g/cm3

- temp. Topnienia 232⁰C

Zastosowanie

- luty do lutowania miękkiego:

+ cynowo-ołowiowe od S-Sn 63 Pb37 o temp topnienia 183⁰C

+cynowo- miedziowe np. Sn 97 Cu3 do instalacji rurowych

+ wieloskładnikowe (Sn-Pb-Bi-Cd)

-stopy na łożyska ślizgowe

+mały współczynnik tarcia

+odporność na ścieranie i obciążenie wolarowe

+znaczna plastyczność pozwalająca na łatwe dopasowywanie się panewki do czopa

+odporny na korozje

+zdolność wchłaniania zanieczyszczeń stałych

+dobre przewodnictwo cieplne

+dobre właściwości odlewnicze

Stopy cyny mogą pracować przy prędkościach liniowych ponad 5 m/s w warunkach dużych obciążeń dynamicznych

Dopuszczalna temp pracy ok. 80⁰C

W przypadku zatarcia łożyska ze stopu cyny usuwanie skutków wymaga szlifowania wału

1

---