STALE

Stal - jest to stop żelaza z węglem (często również z innymi pierwistkami) plastycznie obrobiony i plastycznie obrabialny o zawartości węgla nieprzekraczającej 2,11% co odpowiada granicznej rozpuszczalności węgla w żelazie (dla stali stopowych zawartość węgla może być dużo wyższa). Węgiel w stali najczęściej występuje w postaci perlitu płytkowego. Niekiedy jednak, szczególnie przy większych zawartościach węgla cementyt występuje w postaci kulkowej w otoczeniu ziaren ferrytu.

Stal obok żelaza i węgla zawiera zwykle również inne składniki. Do pożądanych składników stopowych zalicza się głównie metale (chrom, nikiel, mangan, wolfram, miedź, molibden, tytan). Pierwiastki takie jak tlen, azot, siarka oraz wtrącenia niemetaliczne, głównie tlenków siarki, fosforu, zwane są zanieczyszczeniami. Stal otrzymuje się z surówki w procesie świeżenia - stary proces, w nowoczesnych instalacjach hutniczych dominują piece konwertorowe, łukowe, próżniowe, pozwalające na uzyskanie wysokiej jakości stali.

Metale nieżelazne

Metale nieżelazne - ogólna nazwa metali i stopów metali kolorowymi (nie zawierających żelaza). Do najczęściej wykorzystywanych metali kolorowych w przemyśle zalicza się m.in.: miedź, aluminium, cynk, cynę, mosiądz, brąz, ołów, złoto, srebro itp. Są to ciała o charakterystycznym połysku, są dobrymi przewodnikami cieplnymi i elektrycznymi.

Metale i stopy metali nieżelaznych spełniają bardzo ważne rolę w technice. Znajdują one m.in. zastosowanie w różnego rodzaju maszynach i urządzeniach, gdzie metale i stopy żelaza maja zbyt niskie lub nieodpowiednie własności. Aluminium i miedź wykorzystuje się do produkcji przewodów elektrycznych. Lekkie stopy tytanu i aluminium wykorzystywane są w lotnictwie, w przemyśle rakietowym
i transporcie. Ze stopów niklu wykonuje się elementy żarowytrzymałe grzewcze i łopatki turbin. Z cynku wykonywane są powłoki ochronne antykorozyjne, natomiast ze stopów cynku wykonuje się armaturę sanitarną, łożyska
i odlewy ciśnieniowe. Metale szlachetne są głównie wykorzystywane w jubilerstwie i elektronice.

Żeliwa i staliwa

Żeliwo - stop odlewniczy żelaza z węglem, krzemem, manganem, fosforem, siarką i innymi składnikami zawierającymi od 2% do 3,6% węgla w postaci cementytu lub grafitu. Występowanie konkretnej fazy węgla zależy od szybkości chłodzenia. Chłodzenie powolne sprzyja wydzielaniu się grafitu. Także i dodatki stopowe odgrywają tu pewną rolę. Krzem powoduje skłonność do wydzielania się grafitu, a mangan przeciwnie, stabilizuje cementyt. Żeliwo otrzymuje się przez przetapianie surówki z dodatkami złomu stalowego lub żeliwnego w piecach zwanych żeliwniakami. Tak powstały materiał stosuje się do wykonywania odlewów. Żeliwo charakteryzuje się niewielkim - 1,0% do 2,0% skurczem odlewniczym, łatwością wypełniania form, a po zastygnięciu obrabialnością. Wyroby odlewnicze po zastygnięciu, by usunąć ewentualne ostre krawędzie i pozostałości formy odlewniczej, poddaje się szlifowaniu. Odlew poddaje się także procesowi sezonowania, którego celem jest zmniejszenie wewnętrznych naprężeń, które mogą doprowadzić do odkształceń lub uszkodzeń wyrobu. Żeliwo dzięki wysokiej zawartości węgla posiada wysoką odporność na korozję.

Staliwo, to stop żelaza z węglem w postaci lanej (czyli odlana w formy odlewnicze), nie poddana obróbce plastycznej. W odmianach użytkowych zawartość węgla nie przekracza 1,5%, suma typowych domieszek również nie przekracza 1%. Właściwości mechaniczne staliwa są nieco niższe niż własności stali o takim samym składzie po obróbce plastycznej. Wynika to z charakterystycznych dla odlewów: gruboziarnistości i pustek międzykrystalicznych. Staliwo ma natomiast znacznie lepsze właściwości mechaniczne od żeliwa, w szczególności - jest plastycznie obrabialne, a odmiany o zawartości węgla poniżej 0,25% są również dobrze spawalne.

Stale niestopowe

Stosowane w praktyce stale węglowe nie są czystymi stopami żelaza z węglem, lecz zawierają pewne ilaści dodatków, uwarunkowanych względami technologicznymi (np. mangan, krzem, aluminium), które są wprowadzane w celu lepszego odtlenienia lub odsiarczenia stali. Inne pierwiastki jak S, P, O, H, N pozostają w stali w nieznacznych ilościach, gdyż ich całkowite usunięcie byłoby bardzo kosztowne i nieopłacalne. Pomimo, że występują w małych ilościach, wywierają one jednak istotny wpływ na własności stali. Niektóre pierwiastki dostają się do stali przypadkowo, najczęściej ze złomu. Są to np. Ni, Cu, Cr, których ilość w stalach węglowych jest również ograniczona. Tak więc podstawowym pierwiastkiem stopowym stali węglowych jest węgiel, którym reguluje się własności stali i od za¬wartości którego zależy również ich zastosowanie. Zgodnie z normą PN-91/H-01010/03 stale węglowe dzieli się na 3 grupy: niskowęglowe (poniżej 0,25°/o C), średniowęglowe (0,25-0,6% C) i wysokowęglowe (powyżej 0,6% C).

Wzrost zawartości węgla w stali powoduje zmniejszenie zawartości miękkiego składnika strukturalnego (ferrytu), a zwiększenie - twardego cementytu. W związku z tym własności wytrzymałościowe stali węglowych zwiększają się ze wzrostem zawartości węgla, podczas gdy własności plastyczne maleją

Dlatego też stale z pierwszej grupy są stosowane przeważnie do nawęglania, na blachy tłoczne i konstrukcje spawane, stale z drugiej grupy jako konstrukcyjne, a trzeciej - jako narzędziowe.

Wpływ domieszek na własności stali węglowych

Siarka przedostaje się do stali z rud lub paliwa. Normalna zawartość siarki wynosi poniżej 0,05%, a w stalach o wysokiej jakości w granicach 0,02-0,03%. Z układu równowagi Fe-S wynika, że nie rozpuszcza się ona w żelazie, natomiast tworzy siarczek żelazawy FeS, który wcho¬dzi w skład eutektyki o temperaturze topnienia znacznie niższej niż że¬laza (988°C). Ponieważ eutektyka ta wydziela się głównie na granicach ziaren austenitu, powoduje ona osłabienie stali w temperaturze czerwonego żaru (powyżej 800°C) i uniemożliwia jej obróbkę plastyczną na gorąco. 

Fosfor dostaje się do stali, podobnie jak siarka, z rudy. W procesie bessemerowskim otrzymywania stali fosfor nie był usuwany i jego zawar¬tość była dość duża (0,07-0,12% P). Przy użyciu pieców zasadowych można jego obecność zmniejszyć do 0,02%. Zwykle zawartość fosforu w stalach wynosi ok. 0,05%, a w stalach o wysokiej jakości 0,02- 0,03%. Niekiedy celowo wprowadza się większe ilości fosforu w celu zwiększenia kruchości wióra w stalach automatowych i polepszenia skra¬walności.

Gazy (O2, N2, H2). Tlen jest składnikiem bardzo szkodliwym, gdyż jego obecność w ilości ponad 0,003% silnie zmniejsza plastyczność żelaza. Rozpuszczalność tlenu w stanie stałym jest bardzo mała (poniżej 0,01%) i dlatego występuje on głównie w postaci tlenków. Obecność tlenków że¬laza jest niepożądana, gdyż pogarszają one znacznie plastyczność stali. Stal odtlenia się wprowadzając pierwiastki o większym powinowactwie do tle¬nu, takie jak Si, Mn, Al. Stąd obecność w stalach oprócz manganu do 0,3% Si i 0,1% Al. Tlenki krzemu, manganu i aluminium wypływają cz꬜ciowo do żużla; te które pozostają w stali są kruche (np. Al2O2) i w wy¬niku obróbki plastycznej wyciągają się w łańcuszkowate pasma złożone z drobnych cząstek. Obniżają one własności mechaniczne stali, a zwłaszcza bardzo ujemnie wpływają na wytrzymałość zmęczeniową.

Podział stali według metod ich wytapiania i odtleniania

Metoda wytwarzania stali wpływa w pewnym stopniu na jej jakość i wiąże się z różnymi możliwościami oczyszczania stali z domieszek. Obecnie więk¬szość stali jest otrzymywana w konwertorach tlenowych, natomiast pro¬ces martenowski jest w zaniku. Zanim zaczęto powszechnie stosować piece martenowskie, stosowano świeżenie powietrzem w konwertorach kwaśnych (Bessemera) lub zasado¬wych (Thomasa). Stale tak wytwarzane pracują jeszcze w starych kon¬strukcjach (mostach, suwnicach, kotłach, zbiornikach itp.) i czasami trzeba się nimi zajmować przy wykonywaniu różnych ekspertyz. Stale o wysokiej jakości wytwarza się w piecach elektrycznych luko¬wych lub indukcyjnych, gdyż można w nich osiągnąć najwyższy stopień oczyszczenia ze szkodliwych domieszek. Dodatkowe oczyszczanie, zwłaszcza z gazów, można uzyskać przez stosowanie metalurgii próżniowej.

Do stali o najniższej jakości należą stale wytapiane w konwertorach powietrznych. Na przykład stal bessemerowska zawiera dużo siarki, fosforu oraz tlenu i azotu, gdyż fosforu i siarki nie można usunąć w kwaśnym konwertorze, a tlen i azot dostają się do stali przy świeżeniu. Stale te są mało plastyczne, mają dużo wtrąceń, są skłonne do starzenia i nie nadają się do spawania. Stal thomasowska różni się od bessemerowskiej mniejszą zawartością fosforu. Zaletą tych stali jest niski koszt wytwarzania.

W stosowanych obecnie konwertorach tlenowych można otrzymać stal o własnościach stali martenowskich. Wadą procesu jest konieczność dyspo­nowania ciekłą surówką.
Stale martenowskie mogą być kwaśne - lepiej odtlenione, ale zawie­rające zwiększaną ilość siarki i fosforu lub zasadowe - gorzej odtlenione, ale mające mniej siarki, a zwłaszcza fosforu. Stale martenowskie zawie­rają mniej azotu niż bessemerowskie lub thomasowskie, a więc są mniej skłonne do starzenia i nadają się do spawania. Zawierają również mniej wtrąceń niemetalicznych.

W zależności od   sposobu odtlenienia   stale dzieli się na: uspokojone, półuspokojone i  nieuspokojone.
Stale uspokojone zawierają dodatki pierwiastków o dużym powino­wactwie do tlenu (mangan, krzem, aluminium) w takich ilościach, aby nastąpiło dalsze odtlenianie ciekłej stali, a nie zachodziła reakcja odtleniania drogą utleniania węgla we wlewnicy. W stalach takich nie wydziela się w czasie krystalizacji wlewków tlenek węgla, co powoduje skłonność do tworzenia się jamy skurczowej i zmniejsza uzysk stali.
W celu zwiększenia uzysku wytwarza się stale półuspokojone lub nieuspokojone. W stalach półuspokojonych wstępne odtlenianie kąpieli przeprowadza się mniejszą ilością odtleniaczy, w wyniku czego we wlewnicy następuje częściowe odtlenianie węglem rozpuszczonym w kąpieli. Wydzielający się tlenek węgla tworzy pęcherze gazowe, które kompensują częściowo skurcz przy krzepnięciu. Stale te zawierają jednak więcej tlenu niż uspokojone.
W stalach nieuspokojonych ilość pierwiastków odtleniających jest minimalna. Powoduje to intensywne odtlenienie we wlewnicy drogą reakcji węgla z tlenem rozpuszczonym w żelazie i powstanie dużej ilości pęcherzy gazowych. Uzysk w tych stalach jest największy, ale zawierają one najwięcej tlenu. Pęcherze gazowe, jeśli zalegają blisko pod powierzchnią stali i zostaną utlenione podczas nagrzewania, mogą utrudnić obróbkę plastyczną stali. Pęcherze nie utlenione ulegają zgrzaniu przy zastosowaniu dużego stopnia obróbki plastycznej. Stale nieuspokojone ze względu na ­niższą jakość są stosowane na wyroby o niezbyt wysokich wymaganiach.

Stale narzędziowe

Stale narzędziowe tworzą drugą grupę stali węglowych o zawartości C > 0,7%, chociaż granica ta nie jest ścisła. Wspólną cechą stali narzędziowych jest wysoka twardość, mała ciągliwość i duża odporność na ścieranie. Należy pamiętać, że węglowe stale narzędziowe, chociaż bardzo twarde w temperaturze pokojowej (po hartowaniu i niskim odpuszcze¬niu HRC > 60), to jednak nawet po nieznacznym podgrzaniu szybko stają się miękkie i nie nadają się do dalszego użytku.

Dlatego stale węglowe stosuje się na narzędzia, które pracują „na zimno", tzn. w temperaturze pokojowej i nie nagrzewają się w czasie pracy powyżej 200°C. Należy tu wymienić narzędzia pomiarowe, gwin­towniki, przecinaki, przebijaki, narzędzia do obróbki drewna, papieru, skó­ry itp.

Norma PN-84/H-85020 rozróżnia dwie g r u p y stali narzędziowych węglowych:
a) stale płytko hartujące się (symbol E na końcu znaku),
b) stale głęboko hartujące się (zawierające o 0,05% więcej takich pier­wiastków jak: Mn, Si, Cr, Ni, Cu, a o 0,005% - P i S.
Znak stali na­rzędziowej składa się z litery N i liczby podającej średnią zawartość węgla w dziesiętnych częściach procentu, a stal płytko hartująca się ma dodat­kowo literę E. Stale narzędziowe węglowe utwardzają się przez hartowanie na małą głębokość i dlatego cechuje je duża twardość na powierzchni i znaczna ciągliwość rdzenia, co jest szczególnie korzystne w Stale stopowe

Stale konstrukcyjne stopowe są stosowane w budownictwie oraz w budowie maszyn i urządzeń pracujących zakresie temperatury od ok. 25 do 300°C, w środowiskach o niewielkim działaniu korozyjnym. Kryterium doboru stali konstrukcyjnych stanowią najczęściej podstawowe własności mechaniczne. W przypadku obciążeń statycznych, kryterium stanowi granica plastyczności Re lub granica sprężystości Rsp - gdy niedopuszczalne jest odkształcenie plastyczne konstrukcji. W przypadku obciążeń zmęczeniowych jako kryterium przyjmuje się granicę zmęczenia Zg. Coraz częściej do oceny własności stali konstrukcyjnych oraz specjalnych przyjmuje się własności określane metodami mechaniki pękania, tj. współczynnik intensywności naprężeń, rozwarcie dna karbu (CODc), całkę odkształcenia u wierzchołka karbu Jc. W niektórych przypadkach o przydatności stali decyduje jej odporność na ścieranie.

Biorąc pod uwagę przeznaczenie, rodzaj obróbki cieplnej ora skład chemiczny, konstrukcyjne stale stopowe można podzielić na następujące grupy:

• niskostopowe o zwiększonej wytrzymałości

• do ulepszania cieplnego

• do utwardzanie powierzchniowego

• do wyrobu sprężyn

• do wyrobu łożysk tocznych

• do pracy w podwyższonych temperaturach

 

Własności stali konstrukcyjnych

Własności stali konstrukcyjnych stopowych zależy od stężenia węgla i pierwiastków stopowych. Główne znaczenie Cr, Mn, Si, Ni, Mo i innych dodatków stopowych w stalach konstrukcyjnych polega na polepszeniu hartowności stanowiącej podstawowe kryterium doboru tych stali. Uzyskanie struktury martenzytycznej na założonym przekroju elementu zapewnia po obróbce cieplnej wydatne zwiększenie własności mechanicznych. Pierwiastki węglikotwórcze, takie jak np. Cr, V, Mo, W, zwiększają także twardość i odporność na ścieranie w wyniku tworzenia węglików, wpływają na zmniejszenie wielkości ziarn, przeciwdziałają kruchości odpuszczania (Mo, W) oraz powodują polepszenie wielu innych własności technologicznych i użytkowych stali konstrukcyjnych. W celu uzyskania najkorzystniejszych własności stale konstrukcyjne stopowe należy stosować w stanie obrobionym cieplnie (zwykle po ulepszaniu cieplnym) lub po innych procesach technologicznych (np. regulowanym walcowaniu) zapewniających wykorzystanie pozytywnego oddziaływania pierwiastków stopowych.

Gatunki stali stopowych

Stale niskostopowe o podwyższonej wytrzymałości - stale te w celu zapewnienia łatwego spawania zawieją nie więcej niż 0.2% C. Zwiększona zawartość krzemu do około 0,5% i manganu do około 1,5% umożliwia uzyskanie granicy plastyczności.

Stal do ulepszania cieplnego - stopowa stal konstrukcyjna do ulepszania cieplnego jest materiałem stosowanym głównie do wyrobu małej i średniej wielkości części maszyn, pojazdów i konstrukcji, jeżeli wymagana granica plastyczności, wytrzymałości i ciągliwości są zbyt duże, by stosować stal o strukturze perlityczno - ferrytycznej. 

Stal do utwardzania powierzchniowego - celem utwardzania powierzchniowego jest uzyskanie twardej i odpornej na ścieranie warstwy powierzchniowej przy zachowaniu dobrej ciągliwości rdzenia. Najczęściej stosowanymi metodami utwardzania powierzchniowego są: 

• nawęglanie

• azotowanie

• hartowanie powierzchniowe

Stal do nawęglania - w celu zapewnienia dobrej ciągliwości rdzenia w stopie hartowanym i nisko odpuszczonym stal do nawęglania zawiera nie więcej niż 0,25% C. W celu polepszenia szeregu właściwości technologicznych i nie tylko, zawiera szereg pierwiastków stopowych.

Stal do azotowania - konstrukcyjna stal stopowa dzięki odpowiedniej zawartości pierwiastków stopowych pozwala na uzyskanie twardej, odpornej na ścieranie powierzchni. Zawartość węgla (0,38%) jest tak dobrana, aby po ulepszeniu cieplnym uzyskać dużą wytrzymałość rdzenia. 

Stal do hartowania powierzchniowego - hartowanie powierzchniowe polega na szybkim nagrzaniu warstwy wierzchniej do temp. hartowania, a następnie oziębieniu. Ze względu na krótki czas grzania ciepło nie przenika głębiej i właściwości rdzenia nie zmieniają się, natomiast warstwa powierzchniowa zostaje zahartowana na martenzyt. 

Stal do łożysk tocznych - części łożysk tocznych winny odznaczać się dużą twardością, odpornością na ścieranie, zginanie i skręcanie oraz dużą wytrzymałością zmęczeniową. Stal łożyskową hartuje się do temperatury 820 - 840 C w oleju i odpuszcza się w temperaturze 180 C. Struktura po takiej obróbce cieplnej składa się z drobnoziarnistego martenzytu z drobnymi, równomiernie rozmieszczonym cementytem. Obecność austenitu szczątkowego, który pojawił się w strukturze w przypadku wadliwej struktury półwyrobów hutniczych lub błędów w obróbce cieplnej, wpływa niekorzystnie na właściwości łożysk  

czasie ich pracy.

Stale specjalne

Żaroodporność jest to odporność stali na utleniające działanie gazów w temperaturach powyżej 600^oC. W wysokich temperaturach w atmosferze utleniającej na powierzchni metalu tworzy się warstwa tlenków - zgorzelina chroniąca metal przed dalszym utlenianiem. Zdolność stali do wytworzenia zgorzeliny i własności zgorzeliny decydują o żaroodporności stopu. Szybkość utleniania zmienia się proporcjonalnie wraz z temperaturą do ok. 600^oC. Powyżej 600^oC szybkość utleniania czystego żelaza zaczyna gwałtownie wzrastać. Aby zwiększyć żaroodporność do stali, wprowadza się Cr, Al., Si - pierwiastki mające większe powinowactwo do tlenu niż żelazo. Pierwiastki te utleniając się szybciej niż żelazo, tworzą szczelną i zwartą warstwę zawierającą: Cr203, SiO2, Al2O3, FeO. Powstała warstwa tlenków skutecznie hamuje procesy dyfuzji tlenu do stali i jonów żelaza powierzchni. Ponieważ dodanie Al i Si obniżają własności plastyczne, ich zawartość w stalach żaroodpornych jest ograniczona odpowiednio do 3% i 2.5%.

Żarowytrzymałość jest to zdolność stopu do przenoszenia obciążeń w temperaturach powyżej 600^oC. Wytrzymałość stopu w wysokiej temperaturze zależy przede wszystkim od: wartości temperatury, rodzaju obciążenia, czasu trwania obciążenia, odporności korozyjnej w warunkach pracy. Żarowytrzymałość stopu charakteryzują:

• czasowa granica pełzania określana jako stałe naprężenie, które po upływie określonego czasu działania w stałej temperaturze spowoduje trwałe wydłużenie próbki o określoną wielkość

• czasowa wytrzymałość na pełzanie jest to stałe naprężenie, które po upływie określonego czasu działania w stałej temperaturze spowoduje zerwanie próbki.

Stale stopowe i oporowe

Stale te stosowane są przede wszystkim na elementy grzejne urządzeń elektrycznych. Stopy oporowe powinny charakteryzować się:

• dużym oporem elektrycznym właściwym

• niewielkimi zmianami oporu elektrycznego właściwego wraz ze wzrostem temperatury,

• odporności na utlenianie w zakresie temperatury pracy,

• małym współczynnikiem rozszerzalności cieplnej,

• wysoką temperaturą topnienia,

Stale odporne na ścieranie

Do typowych stopów odpornych na ścieranie zalicza się stal manganową, zawierającą 1-1,4%C; 12-14%Mn; 0,3-1% Si nazywamy stalą Hadfielda. Stosunek węgla do manganu powinien wynosić 1:10. W temperaturze powyżej 950^oC stal Hadfielda posiada strukturę austenityczną. Podczas powolnego chłodzenia stopu z austenitu wydziela się węglik (FeMn)3C, a następnie zachodzi przemiana. W temperaturze pokojowej strukturę stopu stanowi mieszanina ferrytu i cementytu manganowego. Izotermiczne wytrzymanie stali w temperaturze 600^oC powoduje najpierw wydzielanie z austenitu cementytu manganowego, a następnie częściową przemianę austenitu w perlit. Aby zachować strukturę austenitu w temperaturze pokojowej stal poddaje się przesycaniu w temperaturze 1000^oC z chłodzeniem w wodzie. Wzrost odporności na ścieranie następuje podczas zgniotu austenitu w procesie obróbki plastycznej. Ze względu na charakter umocnienia stal Hadfielda stosowana jest na elementy narażone na ścieranie pracujące przy dużych naciskach.

Układ żelazo - węgiel

Fazy układu Fe-C

Ferryt jest roztworem stałym, międzywęzłowym węgla w żelazie c wstaje przez wchodzenie atomów węgla do luk oktaedrycznych, które są spłaszczone, i tetraedrycznych. Fakt, że średnica atom węgla jest większa od średnicy luk powoduje, że rozpuszczalność węgla jest mała i nie przekracza 0,022%. Ferryt jako oddzielny składnik strukturalny występuje w stalach podeutektoidalnych - tzw. ferryt przedeutektoidalny, ale wchodzi również w skład perlitu i ledeburytu przemienionego. Ze względu na małą zawartość węgla własności ferrytu niewiele różnią się od własności czystego żelaza alfa i tak Rm = ok. 300 MPa, 80 HB, A10 = 40%, KC = ok. 180 J/cm2. Na zgładach metalograficznych jest widoczny jako jasny składnik. Ferryt przedeutektoidalny występuje w postaci oddzielnych ziarenek na przemian z ziarnami perlitu (struktura komórkowa) lub na granicach ziaren perlitu.

Austenit jest roztworem stałym, międzywęzłowym węgla w Fe-g o maksymalnej rozpuszczalności węgla 2,11%. Większa rozpuszczalność węgla wiąże się z kulistym kształtem luk oktaedrycznych. Ze względu na typ sieci A1 ma największą gęstość spośród wszystkich faz układu. W warunkach równowagi nie może istnieć poniżej temperatury A1 (727°C). Wprowadzenie pierwiastków austenitotwórczych (np. Mn, Ni) obniża zakres istnienia austenitu do temperatury pokojowej. Własności mechaniczne au­stenitu w temperaturze pokojowej są następujące: Rm = ok. 700-800 MPa, Re = ok. 250 MPa, 200 HB, A10 = 40=60%, KC = ok. 200=300 J/cm2. W próbie rozciągania odkształca się równomiernie (nie tworzy się szyjka). Na zgładach metalograficznych występuje jako składnik z charakterystycznymi, prostoliniowymi granicami bliźniaczymi.

Perlit jest eutektoidem o zawartości 0,77% C. Powstaje w wyniku przemiany eutektoidalnej, która zachodzi w temp. 727°C. Jest zbudowany na przemian z płytek ferrytu i cementytu o stosunku grubości 7:1. Dys­persja perlitu (tzn. odległość między płytkami) jest odwrotnie proporcjonalna do wielkości przechłodzenia względem temperatury A1. Własności mechaniczne perlitu zależą od jego dyspersji tzn. wytrzymałość i twardość rosną ze wzrostem stopnia dyspersji i wynoszą: Rm = ok. 700-800 MPa, Re = ok. 400 MPa, ok. 180=220 HB,  A10 -- ok. 8%, KC = ok. 40 J/cm2

Ledeburyt jest mieszaniną eutektyczną austenitu i cementytu. Powstaje z roztworu ciekłego o zawartości 4,3% C. Jest składnikiem strukturalnym surówek białych. Cechuje go dość znaczna twardość (ok. 450 HB) i kruchość. Występuje również w niektórych narzędziowych stalach stopowych. Poniżej temp. 727°C występuje jako ledeburyt przemieniony w wyniku przemiany austenitu ledeburytycznego w perlit.

Żeliwa

Żeliwa są stopami odlewniczymi na osnowie żelaza o zawartości węgla w granicach 2,0-3,8%, szeroko stosowanymi w budowie maszyn. Dużą popularność zdobyły żeliwa szare dzięki takim z a l e t o m, jak:

1. łatwość odlewania nawet skomplikowanych kształtów w formach piaskowych lub metalowych (kokilach),

2. możliwość ograniczenia obróbki skrawaniem do minimum oraz dobra skrawalność,

3. dobra wytrzymałość (zbliżona do stali nisko- lub średniowęglowych),

4. duża zdolność tłumienia drgań,

5. dobra odporność na ścieranie,

6. mała rozszerzalność cieplna (cechy 5 i 6 spowodowały masowe stosowanie żeliw w przemyśle motoryzacyjnym na cylindry, tłoki,

7. pierścienie ślizgowe),

8. niski koszt wytwarzania.

Do wad żeliw należy zaliczyć głównie ich małą ciągliwość i udarność oraz małą wytrzymałość na rozciąganie w porównaniu z wytrzymałością na ściskanie. W budowie maszyn są stosowane głównie żeliwa szare i wysokojakościawe - stopowe, sferoidalne, modyfikowane i ciągliwe. Żeliwa zabielone są stosowane tylko w wyjątkowych przypadkach, natomiast żeliwa białe stosuje się głównie jako półprodukt przy wytwarzaniu żeliw ciągliwych. Żeliwa wytapia się w specjalnych piecach zwanych żeliwiakami, w których wsadem jest surówka wielkopiecowa, złom żelazny, koks i topniki. Stosuje się również piece elektryczne łukowe lub indukcyjne - głównie wtedy, gdy chcemy otrzymać żeliwa o mniejszej zawartości węgla.

Żeliwa są stopami złożonymi i oprócz węgla zawierają zawsze dodatki krzemu i manganu oraz, na ogół więcej niż stale, siarki i fosforu. Ze względu na złożony skład, układ żelazo-węgiel może być stosowany do interpretacji struktury żeliw tylko orientacyjnie. Czynnikiem warunkującym strukturę żeliwa jest również szybkość jego chłodzenia w czasie krzepnięcia. Żeliwa szare mogą mieć strukturę złożoną z wydzieleń grafitu w osnowie ferrytycznej, ferrytyczno¬perlitycznej lub perlitycznej. Rodzaj powstałej struktury, a więc i własności żeliwa, zależą od składu i szybkości chłodzenia, czyli od jego skłonności do grafitacji.

Badania dylatometryczne

Celem badań dylatometrycznych jest wyznaczanie początku i końca przemian fazowych zachodzących w metalu lub jego stopie podczas złożonych zabiegów cieplnych, wyznaczenie współczynników rozszerzalności liniowej lub określenie procesów zachodzących podczas rozmaitych zabiegów obróbki cieplnej przez naśladowanie tych zabiegów w dylatometrze.

Objętość ciał stałych wzrasta ze wzrostem temperatury w wyniku rozszerzalności cieplnej, zwykle od temperatury zera bezwzględnego do temperatury topnienia o około 7%. W celu lepszego zrozumienia zjawiska rozszerzalności cieplnej ciał stałych w zwrócono uwagę na jego podstawy fizyczne, to znaczy asymetrię sił międzyatomowych i wynikającą stąd aharmoniczność drgań atomów sieci krystalicznej w temperaturze powyżej zera bezwzględnego.

Badania mikroskopowe

Mikroskop metalograficzny tym różni się od biologicznego, że pracuje na zasadzie wykorzystania światła odbitego od powierzchni zgładu. Tak więc w jego konstrukcji muszą być uwzględnione odpowiednie oświetlacze, przekazujące światło ze źródła na powierzchnię obserwowanego zgładu. Schemat jednej z możliwych konstrukcji mikroskopu metalograficznego pokazano na rys.

Badania własności mechanicznych metali

Zróżnicowane warunki pracy różnych elementów konstrukcyjnych wymagają przeprowadzenia badań własności mechanicznych w różny sposób. Na przykład wykonywane są próby rozciągania skręcania, zginania, ścinania, a także badania przy złożonym stanie naprężeń. Wyznaczane są własności statyczne - przy wolno wzrastającym obciążeniu, dynamiczne - przy obciążeniu działającym gwałtownie, zmęczeniowe - przy obciążeniach cyklicznych oraz własności przy obciążeniu stałym i długotrwałym. Badania te są Prowadzone zarówno w temperaturze pokojowej. Jak i w tem­peraturze podwyższonej i obniżonej.

Statyczna próba rozciągania polega na powolnym rozciąganiu odpowiednio przygotowanej próbki (cylindrycznej lub płaskiej), zamocowanej szczękach maszyny wytrzymałościowej. Kształt zarejestrowanego wykresu rozciągania zależy od rodzaju materiału (głównie od jego ciągliwości).

Przez pełzanie rozumie się powolne, plastyczne odkształcenie materiału zachodzące pod wpływem stałego obciążenia, w stałej zwykle podwyższonej temperaturze w ciągu zazwyczaj dłuższego czasu. Pełzanie występuje w szerokim zakresie temperatur, ze względów praktycznych szczególną uwagę poświęca się zakresowi (0,4÷0,7) Tt, gdzie Tt oznacza bezwzględną temperaturę topnienia metalu lub stopu. W zależności od temperatury i naprężenia można wyróżnić 3 rodzaje pełzania:

• niskotemperaturowe

• wysokotemperaturowe

• dyfuzyjne

Twardość jest własnością, której nie można zdefiniować jednoznacznie. W różnych próbach, których celem jest pomiar twardości, w rzeczywistości mierzy się różne własności. Próby te można sklasyfikować w zależności od rodzaju oporu materiału, stawianego podczas próby. Są to:

• statyczne próby twardości, podczas których opór materiału spowodowany działaniem obciążenia statycznego jest związany z odkształceniem plastycznym,

• dynamiczne próby twardości, podczas których opór materiału wywołany działaniem obci3żenia udarowego jest związany z odkształceniem plastycznym lub sprężystym,

• próby zarysowania, w których opór materiału jest związany z jego zarysowaniem,

• próby twardości, o której decyduje ścieralność materiału.

Badania mikrotwardości

Mikrotwardością nazywamy twardość mierzoną przy bardzo małych obciążeniach (zwykle 0,01-3,43 N tzn. 1-350 G), dzięki czemu wielkość odcisku jest tak mała, iż można określać twardości poszczegól­nych składników strukturalnych.
Istnieje wiele sposobów pomiaru mikrotwardości, na przykład metoda rysy lub wciskania wgłębnika, którym może być ostrosłup Vickersa lub Knoopa. W metodzie rysy miarą twardości jest szerokość rysy wykonanej przy stałym obciążeniu stożkiem diamentowym o kącie rozwarcia 90°. W twardych skład­nikach strukturalnych rysa jest wąska, w miękkich - szeroka.

Szersze zastosowanie znalazły u nas metody oparte na wciskaniu wgłębnika Vickersa (PN-79/H-04361).
Pomiar mikrotwardości metodą Vickersa jest wykonywany analogicznie jak próba twardości tą metodą, jednak przy obciążeniach mniejszych niż 2 [N]. W szczególności zalecane są obciążenia: 0,09807 [N] (HV 0,01); 0,1961 [N] (HV 0,02); 0,2452 [N] (HV 0,03); 0,4903 [N] (HV 0,05); 0,9807 [N] (HV 0,1). Mikrotwardość zmierzona metodą Vickersa oznacza się mHV. Podobnie jak w metodzie Vickersa oblicza się z zależności:

Na szczególne omówienie zasługuje metoda Hane­manna. Schemat twardościomierza pokazano na rys.                        
Ostrosłup diamentowy 1 jest przyklejony do soczewki obiektywu 2. Obciążenie reguluje się dociskiem obiektywu do próbki, co powoduje ugięcie sprężyn 3, które jest miarą siły działającej na wgłębnik. Wielkość ugięcia obserwuje się w okularze mikroskopu. Twardościomierz jest zakładany zamiast obiektywu. Ugięcie sprężyny powoduje przesunięcie plamki świetlnej na wewnętrznej skali 4, oświetlanej za pomocą pryzmatu 5, który jest sprzężony z obiektywem. Przed rozpoczęciem właściwych pomiarów należy najpierw wycechować przyrząd, co polega na nałożeniu na obiektyw odpowiedniego ciężarka i obserwacji wielkości ugięcia na skali. Po wykonaniu odcisku w wybranym miejscu próbki, twardościomierz wymienia się na zwykły obiektyw, a okular na okular pomiarowy i odczytuje wielkości przekątnych odcisku. Liczbę twardości wylicza się ze wzoru:

Innym typem mikrotwardościomierza jest stosowany u nas przyrząd konstrukcji Chruszczowa z obrotowym stolikiem. Próbkę ustawia się na stoliku i za pomocą mikroskopu wybiera miejsce obserwacji. Następnie obraca się stolik 0 180°, tak że wybrane miejsce przechodzi dokładnie pod wgłębnik, którym jest ostrosłup Vickersa. Po wykonaniu odcisku próbkę przesuwa się znowu pod mikroskop i odczytuje długość przekątnych. Siłę nacisku reguluje się, na­kładając odpowiedni ciężarek na urządzenie obciążające. Zaletą aparatu jest możliwość szybkiego wykonania pomiaru, wadą - dość żmudne zestrajanie osi optycznej z osią wgłębnika.

Badania twardości

Twardość jest własnością, której nie można zdefiniować jednoznacznie. W różnych próbach, których celem jest pomiar twardości, w rzeczywistości mierzy się różne własności. Próby te moż­na sklasyfikować w zależności od rodzaju oporu materiału, stawianego podczas próby. Są to:

• statyczne próby twardości, podczas których opór materiału spowodowany działaniem obciążenia statycznego jest związany z odkształceniem plastycznym,

• dynamiczne próby twardości, podczas których opór materiału wywołany działaniem obciążenia udarowego jest związany z odkształceniem plastycznym lub sprężystym,

• próby zarysowania, w których opór materiału jest związany z jego zarysowaniem,

• próby twardości, o której decyduje ścieralność materiału.

Metody statyczne pomiaru twardości polegają na wciskaniu wgłębnika w badany materiał poza granicę sprężystości, do spowodowania odkształceń trwałych. Są różne metody, które pozwalają na pomiar twardości:

Próba twardości sposobem Brinella polega na wgniataniu kulki stalowej określonej średnicy D w płaską powierzchnię metalu pod określonym obciążeniem P. Im twardszy jest materiał badany, tym większy stawia on opór i tym mniejszy uzyskuje się odcisk po wciśnięciu kulki. Twardość Brinella wyraża się ilorazem siły działającej P do powierzchni czaszy pDh otrzymanego odcisku:

Próba twardości sposobem Rockwella polega na dwustopniowym wciskaniu w badaną próbkę metalu kulki stalowej lub stożka diamentowego o kącie 120º. Próby dokonuje się na twardościomierzu  Rockwella. Jeżeli pomiar jest stosowany za pomocą kulki to twardość oznacza się symbolem HRB, jeżeli zaś stożka to HRC.

Pomiar ten za pomocą stożka stosuje się do twardych metali i stopów, a zwłaszcza stali utwardzanej cieplnie. twardość jest zdefiniowana jako różnica umownej i rzeczywistej głębokości odcisku, mierzonej przy wstępnym obciążeniu wgłębnika wynoszącym 10 kG. Przyjęto maksymalną głębokość odcisku odpowiadającą twardości równej zeru, dla skali C = 0,20 mm; długość tą podzielono na 100 jednostek. Obciążenie wstępne ma za zadanie eliminację błędów wywołanych przyleganiem nieobciążonego wgłębnika do powierzchni metalu i odkształcenie sprężystym. Pomiar głębokości odcisku wykonany jest samoczynnie czujnikiem wbudowanym w twardościomierz i wywzorcowanym w jednostkach odpowiedniej skali.

Próba twardości sposobem Vickersa polega na wciskaniu w badany materiał ostrosłupa     diamentowego o podstawie kwadratowej i kącie wierzchołkowym 136º.  Na badanym materiale otrzymuje się odcisk o zarysie kwadratowym, którego przekątną należy zmierzyć i zależnie od jej długości odczytać w tabeli twardość Vickersa oznaczoną symbolem HV. Próby dokonuje się twardościomierzem Vickersa, który jest przeważnie wyposażony w mikroskop pomiarowy do mierzenia przekątnej. Metoda ta jest szczególnie przydatna do badania twardości bardzo cienkich warstw powierzchniowo utwardzonej stali.

Badania termoelektryczne

Termoelektryczny przyrząd pomiarowy TSA przeznaczony jest do nieniszczących badań i kontroli wyrobów wykonanych ze stali narzędziowych, stopowych jak i szybkotnących.

Umożliwia on przeprowadzenie porównawczej analizy składu dendrytycznego lub struktury badanych stopów (materiałów) - cele badawcze i kontrole. 

Przy pomocy tego urządzenia możemy:

• rozróżnić gatunki stali w celu ich identyfikacji,

• kontrolować i oceniać zmiany struktury lub składu chemicznego,

• wykrywać niejednorodność materiału.

Racjonalne wykorzystanie przyrządu wymaga stosowania pewnych zasad umożliwiających prawidłowe wykonanie pomiarów - zasady podano w instrukcji obsługi przyrządu. Zaleca się aby próbki nie przekraczały swych gabarytów 50x50x50 mm, także aby ich powierzchnia „robocza” stykała się z elektrodą urządzenia. Zatem muszą być one równoległe i płaskie. Urządzenie wykorzystuje zjawisko Seebecka.

Zjawisko Seebecka - dotyczy siły elektromotorycznej powstającej w obwodzie złożonym z dwóch różnych przewodników stykających się końcami ze sobą miejscami w których istnieją różne  temperatury.

Siłę termoelektryczną, wytworzoną w skutek różnicy temperatur T1 i T2 (T1 , T2), można wyrazić wzorem:

Eab - siła termoelektryczna
aab - współczynnik siły termoelektrycznej dla badanej pary materiałów A i B,
T1 i T2 - temperatury złącz.

Aluminium i jego stopy

Aluminium ( Al, łac. aluminium) jest srebrzystobiałym, lekkim, kowalnym
i ciągliwym metalem o bardzo dużym znaczeniu technicznym.
W przyrodzie występuje w bardzo wielu minerałach np. boksyt, korund, ortoklaz, kaolinit.

• Aluminium krystalizuje w sieci A1,

• parametr sieci α=0,40408 nm ,

• temperatura topnienia 660,4 ^oC,

• temperatura wrzenia 2060^oC,

• gęstość 2,7 g/cm³

• wysokie przewodnictwo cieplne i elektryczne,

• na powietrzu pokrywa się cienką warstwą Al₂O₃,

• Rm = 70-120 Mpa,

• Re = 20-40 Mpa,

• A₁₀ = 30-45 %,

• Z = 80 - 95%,

• twardość 10 - 35 HB.

Zanieczyszczenia aluminium

Do najczęstszych zanieczyszczeń aluminium należą Fe, Si, Cu, Zn, Ti, które obniżają plastyczność i przewodnictwo elektryczne, natomiast zwiększają twardość i wytrzymałość. Aluminium przerabia się plastycznie - walcuje (blachy, folie) lub wyciska (pręty, rury, drut, kształtowniki). Obróbkę plastyczną można przeprowadzać na zimno lub na gorąco (ok. 450°C). Aluminium ma duże powinowactwo do tlenu, stąd jego zastosowanie w aluminotermii oraz do odtleniania stali. Oprócz tego jest szeroko stosowane w przemyśle spożywczym oraz do aluminiowania dyfuzyjnego stali.

Własności aluminium

Własności wytrzymałościowe czystego aluminium są stosunkowo niskie, dlatego stosuje się stopy, które po odpowiedniej obróbce cieplnej mają wytrzymałość nawet kilkakrotnie większą. Stopy aluminium cechują się korzystnym parametrem konstrukcyjnym, tzn. stosunkiem wytrzymałości do ciężaru właściwego, który jest większy niż dla stali, a oprócz tego ich udarność nie maleje w miarę obniżania temperatury, dzięki czemu w niskich temperaturach mają większą udarność niż stal. Mają jednak niską wytrzymałość zmęczeniową.
Stopy aluminium dzieli się na:

• odlewnicze (PN-EN 1706:2001),

• do obróbki plastycznej (PN-EN 573-3:2005).

Do odlewniczych zaliczamy stopy przeważnie wieloskładnikowe o większej zawartości pierwiastków stopowych (5 - 25%), np. z krzemem; z krzemem i magnezem; z krzemem, miedzią, magnezem i manganem; z krzemem, miedzią, niklem, magnezem i manganem i inne. Cechują się one dobrą lejnością i małym skurczem.

Stopy do przeróbki plastycznej zawierają na ogół mniejsze ilości dodatków stopowych, głównie miedź (do ok. 5%), magnez (do ok. 6%) i mangan (do 1,5%), rzadziej krzem, cynk, nikiel, chrom, tytan. Niektóre stopy aluminium można poddawać utwardzaniu wydzieleniowemu, po którym ich własności wytrzymałościowe nie są gorsze niż wielu stali.

Cyna

Cyna (Sn, łac. stannum) jest srebrzystobiałym metalem niezbyt ciężkim, ciągliwym i kowalnym. Cyna charakteryzuje się dobrą odpornością na korozje, szczególnie na działanie kwasu octowego, tlenu, acetylenu, amoniaku, środków spożywczych oraz wody morskiej. Główną rudą cyny jest tlenek cyny - kasyteryt (występujący w dużych ilościach w Kornwalii, Niemczech, Boliwii, Brazylii).

• gęstość - 5,85 g/cm³

• temperatura topnienia 232 ^oC,

• temperatura wrzenia 2300^oC,

• wysokie przewodnictwo cieplne i elektryczne,

• na powietrzu pokrywa się cienką warstwą Al₂O₃,

• wytrzymałość na rozciąganie - 20-30 MPa

• A₁₀ = 40 %,

• twardość 5 - 6 HB.

Zastosowanie cyny

Ze względu na dostępność, niską temperaturę topnienia, łatwość odlewania, dobre własności mechaniczne, a także niską cenę cyny, przedmioty cynowe były niegdyś bardzo popularne, największy rozkwit produkcji przedmiotów z cyny nastąpił pomiędzy XIV i XVI w.

Obecnie cynę używa się do pokrywania innych metali cienką warstwą w celach antykorozyjnych (cynowanie, pobielanie), proces ten stosowany jest do zabezpieczania stalowych (żelaznych) naczyń stosowanych w przemyśle spożywczym np. puszek do konserw oraz konwi na mleko (pobielanie). Cyna jest również używana do produkcji folii do pakowania żywności oraz do pokrywania galwanicznego blach stalowych oraz przewodów elektrycznych w izolacji gumowej.

Cyna

Cynk (Zn, łac. zincum) jest błękitnobiałym, kruchym metalem. Na powietrzu ulega podobnej do aluminium pasywacji . Cynk jest bardzo reaktywny zarówno w środowisku kwaśnym jak i zasadowym, nie reaguje jednak w obojętnym środowisku wodnym. Najważniejszą własnością cynku jest jego odporność na korozję, którą jest powszechnie wykorzystywana przy tworzeniu powłok zabezpieczających. Występuje w skorupie ziemskiej w postaci minerałów - głównie są to blenda cynkowa i smitsonit.

• gęstość - 7,1 g/cm³

• temperatura topnienia 419 ^oC,

• temperatura wrzenia 906^oC,

• wytrzymałość na rozciąganie - 100-140 MPa

• A₁₀ = 55 %,

Kobalt

Kobalt (Co, łac. cobaltum) jest lśniącym, srebrzystym metalem o własnościach ferromagnetycznych. Kobalt jest odporny na korozję atmosferyczną, w środowisku wód gruntowych, siarkowodoru, wodorotlenków sodu i potasu. Występuje
w skorupie ziemskiej w postaci dwóch minerałów: smaltynu i kobaltynu.

• gęstość - 8,93 g/cm³

• temperatura topnienia 1495 ^oC,

• temperatura wrzenia 2927 ^oC,

• twardość 35 HB.

Kobalt

Magnez (Mg, łac. magnesium) jest przedstawicielem metali lekkich, jego gęstość wynosi 1,75 g/cm3, a temperatura topnienia 649°C. Wrze w temperaturze 1107°C. Po zetknięciu z tlenem bardzo szybko reaguje tworząc warstwę tlenków utrudniających dalszą korozję. Magnez jest jednym z najpospolitszych pierwiastków, występuje w skorupie ziemskiej w ilości pod postacią minerałów m.in: dolomitu, magnezytu, kizerytu.

W stanie technicznie czystym nie ma zastosowania konstrukcyjnego, ale jest ważnym dodatkiem stopowym powodującym odtlenianie i modyfikacje stopów metali. Stopy magnezu z miedzią
( duraluminium ) są bardzo wytrzymałymi mechanicznie stopami o jednej z najniższych gęstości. Są wykorzystywane w przemyśle lotniczym i kosmicznym, tam gdzie stopy tytanu i glinu są za ciężkie. W podobnych zastosowaniach wykorzystywane są także magnale (stopy glinu z magnezem) oraz elektrony (stopy magnezu, glinu, cynku , manganu i krzemu)

Miedź

Miedź (Cu, łac. cuprum) - różowo-brązowy, miękki metal o bardzo dobrym przewodnictwie cieplnym i elektrycznym. Czysta miedź nie ulega na powietrzu korozji, ale reaguje z zawartym w powietrzu dwutlenkiem węgla pokrywając się charakterystyczną zieloną patyną. Gdy w powietrzu zawarte jest dużo dwutlenku siarki zamiast zielonej patyny obserwuje się czarny nalot siarczku miedzi. Występuje w skorupie ziemskiej w postaci minerałów: chalkopirytu, chalkozynu, malachitu.

• gęstość - 8,889 g/cm³

• temperatura topnienia 1083 ^oC,

• temperatura wrzenia 2600 ^oC,

• wytrzymałość na rozciąganie Rm - 200-250 MPa,

• granica plastyczności Re - 35 MPa,

• twardość - 45 HB,

• przewodność elektryczna - 59,77 MS/m,

• przewodność cieplna - 411 W/(mK).

Zastosowanie miedzi

Czysta miedź jest wykorzystywana do produkcji przewodów elektrycznych oraz ogólnie w elektronice i elektrotechnice. Ze względu na duże zapotrzebowanie
i stosunkowo małe zasoby naturalne, miedź stanowi materiał strategiczny. Miedź jest dodawana do wielu stopów, zarówno do stali jaki i do stopów aluminium. Miedź jest również dodawana do srebra i złota poprawiając znacznie ich własności mechaniczne

Nikiel

Nikiel (Ni, łac. niccolum) jest srebrzystobiałym, połyskującym metalem, trudno korodującym i odpornym na ścieranie. Nikiel wykazuje odporność na działanie czynników atmosferycznych oraz działanie wody morskiej, wód mineralnych
i kwasów organicznych. Nie posiada natomiast odporności na działanie kwasów azotowego i fosforowego oraz związków siarki. Do najważniejszych minerałów niklowych należą: milleryt, nikielin, chloantyt, piryt żelazowo-niklowy i garnieryt. Rudy niklu przerabia się najczęściej na tlenki, redukowane następnie węglem,
a tak otrzymany surowy nikiel poddaje się rafinacji elektrolitycznej. Nikiel jest metalem o dużym znaczeniu technicznym, jego zastosowanie jest jednak ograniczane ze względu na rosnący jego deficyt.

• gęstość - 8,9 g/cm³

• temperatura topnienia 1452 ^oC,

• wytrzymałość na rozciąganie Rm=400 MPa,

• granica plastyczności R_0,2 = 150 MPa,

• wydłużenia - 10-45%

Zastosowanie niklu

Nikiel znajduje zastosowanie do produkcji stopów (konstantan, nikielina, hipernik, nowe srebro, alniko, stop Monela, chromonikielina, manganin, melchior, miedzionikiel, mosiądze, stop K-42-B) i jako katalizator, jego związki zaś są używane do niklowania i produkcji akumulatorów niklowych Edisona. Stosuje się go tworzenia połyskujących powłok galwanicznych na powierzchni elementów stalowych. Stopy niklu i miedzi są stosowane do wyrobu monet, sztućców itp. Nikiel jest też dodawany do stali stopowej o podwyższonej odporności na korozję.

Tytan

Tytan (Ti, łac. titanium) to metal o niskiej gęstości i dużej odporności na korozje w środowisku atmosferycznym, morskim i środowiskach agresywnych. Posiada wysokie parametry wytrzymałościowe zarówno w temperaturze otoczenia oraz w temperaturach podwyższonych. Występuje w skorupie ziemskiej w postaci minerałów: ilmenitu, rutylu i tytanitu.

• gęstość - 4,505 g/cm³

• temperatura topnienia 1720 ^oC,

• temperatura wrzenia 3000 ^oC,

• wytrzymałość na rozciąganie Rm=550 MPa,

• wydłużenia - 27%

Zastosowanie tytanu

Tytan techniczny znalazł zastosowanie przede wszystkim w przemyśle lotniczym na elementy silników i kadłubów samolotów. Wykorzystywany jest także w przemyśle chemicznym na aparaturę, w przemyśle okrętowym na armaturę, części silników, pompy do wody morskiej. Ze względu na jego nietoksyczność względem organizmu stosowany jest również w stomatologii i chirurgii kostnej.

Wolfram

Wolfram (W, łac. wolframium) jest metalem trudno topliwym, o barwie srebrzystobiałej, twardym, dość kowalnym i ciągliwym na gorąco. Wolfram jest odporny na działanie kwasów, zasad, powietrza (do temperatury 400°C). Jest pierwiastkiem dość rzadko spotykanym w skorupie ziemskiej. Wolfram występuje w postaci minerałów: szelitu, wolframitu.

• gęstość - 19,3 g/cm³

• temperatura topnienia 3410 ^oC,

• temperatura wrzenia 5500 ^oC,

• wytrzymałość na rozciąganie Rm=834 MPa,

• twardość - 200-250%

Zastosowanie wolframu

Trudnotopliwość tego metalu zapewniła mu zastosowanie w jednej z ważniejszych gałęzi przemysłu elektrotechnicznego.
W 1906 r. żarnik wolframowy wyparł używane dawniej do produkcji lamp elektrycznych żarniki węglowe, osmowe, tantalowe. Drut wolframowy powszechnie stosowany w lampach elektrycznych posiada jeszcze jedno zastosowanie, mianowicie jako narzędzie skrawające kruche materialy. Wolframowy "nóż" łatwo tnie rubin oraz szkło na części lub wycina w nich rowki i szczeliny dowolnego kształtu. Wolfram stosowany jest głównie w elektronice i elektrotechnice w lampach żarowych, elektronowych, rentgenowskich, pirometrach. Wytwarza się z niego elementy grzejne pieców wysokotemperaturowych, elektrody do spawania
i zgrzewania, elektrody świec iskrowych oraz elementy dysz silników rakietowych. Wolfram tworzy użyteczne w technice węgliki, azotki, borki, krzemki i tlenki.

Metale szlachetne

Metalami szlachetnymi nazywamy metale wykazujące dużą odporność na korozję w powietrzu jak i środowisku wilgotnym. Są odporne na działanie agresywnych środowisk chemicznych. Nie utleniają się i są odporne na działanie wszystkich kwasów z wyjątkiem tzw. wody królewskiej. Posiadają one dużą gęstość i dobrą plastyczność, a także wysoką temperaturę topnienia z wyjątkiem srebra i złota. Metale szlachetne to: Au, Ag, Pt, a także platynowce, tj. Ru, Rh, Pd, Os i Ir. Natomiast stopami metalu szlachetnego nazywamy stopy, w których średnia zawartość metali szlachetnych jest większa niż 10%.

Platyna

Platyna (Pt, łac.platinum) - jest to srebrzystobiały metal, kowalny i łatwo ciągliwy. Jest nie reaktywny z wodą, powietrzem, większością kwasów i zasad. Reaguje tylko z woda królewską, fluorowodorem. Występuje w skorupie ziemskiej
w postaci rudy oraz jako zanieczyszczenie rud niklu i miedzi.

• gęstość - 21,5 g/cm³

• temperatura topnienia 1768 ^oC,

• temperatura wrzenia 3825 ^oC,

• twardość - 55HB.

Używana jest w jubilerstwie, produkuje się z niej elementy urządzeń pomiarowych (np. pH-metry). Czysta platyna stosowana jest w przemyśle technicznym jako katalizator, także do wyrobu tygli, elektrod i w jubilerstwie. Stopy platyny zawierające złoto, srebro, pallad, iryd, miedź i in. wykorzystywane są do produkcji termopar (druty termopar - 10% i 30% Rh) i uzwojeń piecyków grzewczych a także na wyroby jubilerskie (stop z miedzią o próbie 950).

Srebro

Srebro (Ag, łac. argentum) - metal zaliczany do metali szlachetnych, w przyrodzie występuje w stanie rodzimym oraz w licznych związkach chemicznych. Jest jednym z najlepszych przewodników ciepła i elektryczności. Srebro jest miękkie, ciągliwe i kowalne umożliwiając łatwe formowanie go w różne kształty oraz wyciąganie w cienkie druty i folie, dlatego już od starożytności używane było do wyrobu biżuterii i ozdób.

• gęstość - 10,49 g/cm³

• temperatura topnienia 916,71 ^oC,

• temperatura wrzenia 2162 ^oC,

• twardość - 25HB.

Srebro posiada kilka własnych minerałów takich jak: argentyt, bromargiryt czy kerargiryt; ale otrzymywane jest głównie jako produkt uboczny przerobu rud innych metali. Srebro jest składnikiem licznych stopów metali. Ze względu na specyficzne właściwości fizyczne i chemiczne srebro, jego stopy i związki chemiczne znajdują liczne zastosowania w przemyśle, elektrotechnice, fotografii. W powietrzu na powierzchni stopniowo matowieje wskutek powstawania na powierzchni metalu cienkiej i czarnej warstwy tlenku srebra.

Złoto

Złoto (Au, łac. aurum) metal w przyrodzie występujący w stanie rodzimym lub w stanie rodzimego stopu ze srebrem, złotem, miedzią i platyną oraz w rudach zawierających selenki i tellurki złota. Złoże rud złota jest opłacalne w eksploatacji przy uzyskiwaniu 10 kg złota na tonę rudy. Czyste złoto jest metalem miękkim ciągliwym w wyniku, czego może być obrabiany plastycznie na zimno. Z czystego złota wytwarzane są folie o grubości mniejszej niż 0,1 µm. Ze względu na niską twardość jest ono podatne na ścieranie, co ogranicza możliwość zastosowania technicznego czystego złota, najczęściej stosowane są stopy złota o wyższej twardości i własnościach wytrzymałościowych.

• gęstość - 19,3 g/cm³

• temperatura topnienia 1064,18 ^oC,

• temperatura wrzenia 2856 ^oC,

Stopy złota wykorzystywane są w jubilerstwie, dentystyce, na monety, w elektronice i na naczynia chemiczne. Najczęściej składnikami tych stopów Au są Cu i Ag jak również Ni, Pt, Pd, Mn i Zn. Stopy Au z Ni poniżej 340°C wykazują własności ferromagnetyczne, stopy Ag z Au w zależności od zawartości składników przyjmują zabarwienie od żółtego przez zielonożółte do białego. Stopy Au z Cu przybierają kolory od żółtego przez czerwono żółty do czerwonego.

W Polsce stosuje się pięć prób złota, które charakteryzują się odpowiednią zawartością złota podaną w promilach: 916‰ - 1, 750‰ - 2, 583‰ - 3, 500‰ - 4, 375‰ - 5, a także próba 333‰ stosowana tylko do wyrobu obrączek ślubnych.

1

---