MATERIAŁOZNAWSTWO Prowadzący: dr hab. inż. Marek Szkodo Pok. 218 TEMATY WYKŁADÓW 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. Charakterystyka ciał stałych Struktura materiałów Defekty struktury Budowa stopów metali Układy równowagi fazowej Układ równowagi żelazo-węgiel Technologie wytwarzania materiałów Obróbka.
Download ReportTranscript MATERIAŁOZNAWSTWO Prowadzący: dr hab. inż. Marek Szkodo Pok. 218 TEMATY WYKŁADÓW 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. Charakterystyka ciał stałych Struktura materiałów Defekty struktury Budowa stopów metali Układy równowagi fazowej Układ równowagi żelazo-węgiel Technologie wytwarzania materiałów Obróbka.
MATERIAŁOZNAWSTWO
Prowadzący:
dr hab. inż. Marek Szkodo
Pok. 218
TEMATY WYKŁADÓW
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
Charakterystyka ciał stałych
Struktura materiałów
Defekty struktury
Budowa stopów metali
Układy równowagi fazowej
Układ równowagi żelazo-węgiel
Technologie wytwarzania materiałów
Obróbka plastyczna tworzyw metalowych
Obróbka cieplna tworzyw metalowych
Właściwości materiałów
Degradacja materiałów
Stopy żelaza
Stopy metali nieżelaznych
Tworzywa niemetalowe
ZASADY ZALICZENIA
Pytania egzaminacyjne:
www.pg.gda.pl/~kkrzyszt/kim
Egzamin zerowy, termin pierwszy i
poprawkowy
10 pytań – 45 minut
Zasada minimum 50%
Ściąganie: nie zaliczenie w danym terminie,
0,5 oceny niżej na następnym
CHARAKTERYSTYKA CIAŁ
STAŁYCH
Materia i jej składniki
Główne grupy materiałów inżynierskich
Dobór materiałów
Pojęcie inżynierii materiałowej
Materia i jej składniki
Cząstki elementarne materii
Ponad 300 cząstek, złożonych z 6 kwarków
i 6 leptonów
Najważniejsze: elektrony i neutrina
(leptony), protony i neutrony (nukleony)
Atomy: jądra i elektrony
Pierwiastki chemiczne: zbiory atomów o
jednakowych ładunkach jąder
Budowa atomu
Liczba masowa: liczba nukleonów w jądrze
Masa atomowa: stosunek średniej masy
atomu do masy 1/12 atomu C12
Układ okresowy: gazy szlachetne, metale
alkaliczne i ziem alkalicznych, metale
przejściowe, metale ziem rzadkich,
aktynowce, pierwiastki amfoteryczne,
niemetale
Materiały inżynierskie i ich
właściwości
Materiałoznawstwo a inżynieria
materiałowa
Materiałoznawstwo – nauka o materiałach
(budowie, właściwościach i metodach
badań).
Inżynieria materiałowa – nauka
o kształtowaniu właściwości materiałów
przez zmianę struktury.
Rodzaje właściwości
Właściwości ekonomiczne
Cena i dostępność
Gęstość
Współczynnik sprężystości i tłumienia
Mechaniczne właściwości objętościowe
Granica plastyczności, wytrzymałości na
rozciąganie, twardość
Odporność na pękanie
Wytrzymałość zmęczeniowa, odporność
na zmęczenie cieplne
Odporność na pełzanie
Właściwości cieplne
Niemechaniczne właściwości
objętościowe
Właściwości optyczne
Właściwości magnetyczne
Właściwości elektryczne
Właściwości powierzchni
Właściwości produkcyjne
Właściwości estetyczne
Utlenianie i korozja
Tarcie, ścieralność i zużycie
Łatwość wykonania, łączenia części,
wykończenia
Wygląd, powierzchnia, dotyk
Grupy materiałów
Materiał
Grupa
Żeliwo i stale
Aluminium i jego stopy
Miedź i jej stopy
Metale i stopy
Nikiel i jego stopy
Tytan i jego stopy
Kobalt i jego stopy
Polietylen (PE)
Polimery
Polimetakrylan metylu (PMMA)
Polistyren (PS)
Polichlorek winylu (PCV)
Ceramika i szkła
Kompozyty
Tlenek glinu Al2O3
Cement i beton
Polimery zbrojone (GFRP lub CFRP)
cermetale
Grupy materiałów cd.
Metale i ich stopy
Opony ze
stalowym kordem
Polimery
Beton zbrojony
Kompozyty
Cermetale
CFRP GFRP
Polimery z wypełniaczami
Ceramiki i szkła
Przybliżone ceny różnych grup materiałów
Zastosowanie
Materiał
Cena za tonę
($)
Konstrukcje duże i proste
Drewno, cement, stal
konstrukcyjna
60 - 550
Konstrukcje średnie i małe
Metale, stopy i polimery
W samolotach, samochodach
przyrządach itp.
550 - 5500
Łopatki turbin
Stopy, materiały specjalne
nowoczesne kompozyty
(CFRP BFRP)
5500 – 200 000
Łożyska, styki elektryczne,
ścieżki w mikroukładach
Szafir, srebro, złoto
2000 000 – 2 mln
Narzędzia tnące i polerujące
Diamenty przemysłowe
900 mln
Projektowanie inżynierskie
Właściwości
Wynikające ze
struktury materiału
Uwarunkowane czynnikami zewnętrznymi
związanymi z produkcją
Mechaniczne właściwości
objętościowe
Niemechaniczne
właściwości objętościowe
Właściwości powierzchni
Cena i dostępność
Projektowanie
Cechy produkcyjne, łatwość
wytwarzania, łączenia
Walory estetyczne, wygląd,
faktura powierzchni
Struktura zużycia materiałów
Materiał
% (całkowitych kosztów)
Żeliwo i stal
27
Drewno i tarcica
21
Miedź
13
Tworzywa sztuczne
9,7
Srebro i platyna
6,5
Aluminium
5,4
Guma
5,1
Nikiel
2,7
Cynk
2,4
Cyna
2,2
Masa papiernicza/papier
1,6
Szkło
0,8
Wolfram
0,3
Rtęć
0,2
Inne
1
Dostępność materiałów
Pierwiastek
Skorupa ziemska
Pierwiastek
Oceany
Pierwiastek
Atmosfera
Tlen
47
Tlen
85
Azot
79
Krzem
27
Wodór
10
Tlen
19
Aluminium
8
Chlor
2
Argon
2
Żelazo
5
Sód
1
Dwutlenek węgla
0,04
Wapń
4
Magnez
0,1
Sód
3
Siarka
0,1
Potas
3
Wapń
0,04
Magnez
2
Potas
0,04
Tytan
0,4
Brom
0,007
Wodór
0,1
Węgiel
0,002
Fosfor
0,1
Mangan
0,1
Fluor
0,06
Bar
0,04
Stront
0,04
Siarka
0,03
Węgiel
0,02
Masa skorupy ziemskiej do głębokości 1 km 3·1021 kg, oceanów 1020 kg, atmosfery 5·1018 kg
Zużycie materiałów
C [ tona/rok]
dC
r
C0
dt 100
C0
t0
r – przyrost procentowy w roku
C0 – szybkość zużycia dla t=t0
C C0 exp
Pole = zużycie
pomiędzy t0 i t
Czas t [ lata]
t
Dla stali r = 3,4% to tD~20 lat
Dla aluminium r = 8% to tD~9 lat
Dla polimerów r = 18% to tD~4 lat
r (t t0 )
100
Czas podwojenia zużycia tD
otrzymamy przyjmując C/C0=2
tD
100
70
ln 2
r
r
Schemat McElveya
Złoża zidentyfikowane
Opłacalne
Próg
opłacalności
wydobycia
Nieopłacalne
Złoża
dostępne
Ulepszona
technologia
wydobycia
Złoża niezidentyfikowane
Złoża
perspektywiczne
Całość złóż
Rosnąca niepewność geologiczna
Malejąca
opłacalność
Energochłonność materiałów
Materiał
Energia GJ/t
Aluminium
300
Tworzywa sztuczne
100
Miedź
100 ze wzrostem do 500
Cynk
70
Stal
50
Szkło
20
Cement
8
Cegła
4
Drewno
2
Żwir
0,1
Ropa naftowa
44
Węgiel
29
Koszt energii w 1980 4,4 $/GJ
Wiązania pomiędzy atomami
Dwa czynniki wpływają na właściwości materiałów
Siły które utrzymują atomy razem – siły międzyatomowe
Sposób ułożenia atomów
Wiązania pomiędzy atomami cd.
Wiązania pierwotne (silne, rozrywają się topią w temp. 1000 – 5000K)
Jonowe
Kowalencyjne
Metaliczne
Wiązania wtórne (słabe, rozrywają się topią w temp. 100 – 500K)
Van der Vaalsa
wodorowe
W ceramikach i metalach atomy są utrzymywane jedynie przez
wiązania pierwotne dlatego mają one wysokie wł. mechaniczne
Wiązania jonowe
Cl
Na+
Krzywa sił odpychających
U
Pojedyncze jony np. Na+
atomy np. Na
0
+11
F
q2
4 0 r 2
r
U Fdr
r
Krzywa przyciągania
elektrostatycznego
+17
r0~1 nm
q2
4 0 r
r
Wiązania kowalencyjne
H
H
H2
Występują w czystej formie w diamencie, Si czy Ge
Diament- uwspólnione elektrony zajmują obszary rozciągające się ku
narożom czworościanu, prowadząc do powstania kierunkowych wiązań
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
Wiązania metaliczne
Jony metali
Gaz swobodnych elektronów
Wiązania wtórne – Van der Vaalsa
Są wynikiem dipolowego przyciągania pomiędzy atomami
obojętnymi elektrycznymi
+
_
Przypadkowy dipol
pierwszego atomu
_
+
Indukowany dipol
drugiego atomu
Wiązania wodorowe
Atom tlenu
Atom wodoru
Każdy atom H oddaje swój elektron najbliższemu atomowi O.
Dodatnio naładowany jon H działa jak wiązanie mostkowe pomiędzy
sąsiednimi jonami tlenu, częściowo dzięki temu, że przegrupowanie
ładunku powoduje powstanie momentu dipolowego w każdej
cząsteczce H2O (co powoduje przyciąganie innych dipoli H2O
Wiązania wodorowe utrzymują cząsteczki wody w stosunkowo dużej
odległości wzajemnej, dlatego lód ma mniejszą gęstość niż woda
Podstawowe grupy materiałów
Materiały: ciała stałe o właściwościach
umożliwiających ich stosowanie przez
człowieka do wytwarzania produktów
Materiały naturalne, wymagające jedynie
nadania kształtu
Materiały inżynierskie: tworzywa
metalowe, tworzywa ceramiczne, polimery,
kompozyty
Rodzaje wiązań między atomami występującymi w
podstawowych grupach materiałów inżynierskich
Podstawowe grupy materiałów
inżynierskich
Charakterystyka metali
Tworzywa metalowe charakteryzują się
wiązaniem metalicznym
Stopy metali: układy wieloskładnikowe
złożone z więcej niż jednego pierwiastka, o
przewadze wiązania metalicznego
Właściwości metali i stopów
Dobre przewodnictwo elektryczne i cieplne
Dodatni temperaturowy współczynnik
rezystywności
Połysk metaliczny
Plastyczność
Procesy technologiczne metali i
stopów
Otrzymywanie z rud procesami metalurgii
Otrzymywanie elementów metalowych:
odlewnictwo, przeróbka plastyczna,
obróbka skrawaniem, metalurgia proszków
Kształtowanie właściwości: obróbka cieplna
Uszlachetnianie powierzchni: inżynieria
powierzchni (warstwy wierzchniej)
Podstawowe stopy metali
Stopy żelaza z węglem: stale, staliwa,
żeliwa
Metale nieżelazne i ich stopy
Charakterystyka ceramik
Ceramiki: materiały nieorganiczne o
jonowych i kowalencyjnych wiązaniach
Wytwarzane zwykle w
wysokotemperaturowych procesach
nieodwracalnych
Materiały ceramiczne: ceramika
inżynierska, cermetale, ceramika porowata,
szkła, ceramika szklana
Właściwości materiałów
ceramicznych
Bardzo wysoka wytrzymałość
Twardość
Kruchość (plastyczność bliska zeru)
Niezdolność do poddawania obróbce
cieplnej i plastycznej
Układy atomów w polimerach
Polimery są olbrzymimi, łańcuchowymi cząsteczkami, w których atomy
są połączone ze sobą wiązaniami kowalencyjnymi. Taki łańcuchowy
szkielet jest zwykle zbudowany z atomów węgla np. polietylen.
Otrzymuje się go dzięki katalitycznej polimeryzacji etylenu:
H
H
H
H
H
H
H
C= C
C
C
C
C
C
C
H
H
H
H
H
H
H
H
H
itd.
Układy atomów w polimerach
Atomy wodoru
Atomy węgla
W wielu polimerach łańcuchy są
ułożone przypadkowo, a nie wg.
regularnego
trójwymiarowego
wzoru są zatem niekrystaliczne
czyli amorficzne.
W innych polimerach łańcuchy mogą układać się
jedne na drugich „w tę i z powrotem”. Taka
powtarzalność prowadzi do krystaliczności
polimeru.
Charakterystyka polimerów
Materiały organiczne złożone ze związków
węgla
Makrocząsteczki powstałe w wyniku
połączenia monomerów
Tworzywa sztuczne: polimery z dodatkiem
barwników, pigmentów, katalizatorów,
napełniaczy, zmiękczaczy, antyutleniaczy
Schemat prostoliniowego odcinka typowego łańcucha
polietylenu (cały łańcuch może zawierać 50 000 podstawowych
jednostek monomerycznych)
Właściwości polimerów
Niska gęstość
Właściwości izolacyjne
Słabe odbicie światła
Duża odporność chemiczna
Ograniczona możliwość poddawania
obróbce cieplnej i plastycznej
Na fioletowo zaznaczono pierwiastki tworzące
polimery a na różowo materiały ceramiczne
Podstawowe grupy polimerów
Plastomery: polimery o wydłużeniu przy
rozerwaniu do 200%; termoplasty i
duroplasty (utwardzalne)
Elastomery: polimery o skłonności do
dużych odkształceń sprężystych
Otrzymywanie polimerów
Polimeryzacja (łączenie monomerów bez
reszty)
Kopolimeryzacja i poliaddycja (łączenie co
najmniej dwóch różnych monomerów)
Polikondensacja (łączenie monomerów z
wydzieleniem produktu ubocznego)
Charakterystyka kompozytów
Podział ze względu na osnowę: metalowe,
ceramiczne i polimerowe
Wzmocnienie (zbrojenie): proszek, krótkie
włókna lub płatki, długie włókna
Klasy materiałów kompozytowych
Dobór materiałów
Własności materiału jako kryteria doboru
Wytrzymałość i gęstość materiałów
Elementy sieci przestrzennej
Sieć przestrzenna: przesunięcie płaszczyzny
sieciowej w kierunku do niej
nierównoległym
Węzły sieci: punkty przecięcia prostych
sieciowych
Elementy sieci przestrzennej: płaszczyzny
sieciowe, proste sieciowe, węzły sieci
Komórka elementarna
Komórka elementarna: równoległościan o
parametrach sieciowych a,b,c
Opis komórki sieciowej przez parametry
sieciowe a,b,c, oraz kąty ,,
Wskaźnikowanie
Wskaźnikowanie węzłów sieciowych hkl
Wskaźnikowanie kierunków
krystalograficznych [hkl]
Wskaźnikowanie płaszczyzn
krystalograficznych (hkl)
Wskaźnikowanie węzłów sieciowych
Współrzędne węzła sieciowego określają liczby
periodów identyczności a,b,c, o które jest oddalony
węzeł od początku układu współrzędnych
odpowiednio wzdłuż osi x,y oraz z. Osie układu
współrzędnych są równoległe do krawędzi
elementarnej komórki sieciowej.
Pozycje atomów cętrujących podstawy, ściany lub
przestrzeń komórki złożonej opisuje się
współrzędnymi ułamkowymi
Współrzędne węzłów i kierunków sieci
[110]
Ułożenie atomów w ciałach stałych
Wiele materiałów inżynierskich (metale, ceramiki) jest
zbudowanych z małych kryształów, w których atomy są
ułożone
według
regularnie
powtarzających
się,
trójwymiarowych wzorów
Wskaźnikowanie płaszczyzn krystalograficznych
W celu płaszczyzny sieciowej należy określić liczby periodów
identyczności, odciętych przez daną płaszczyznę na poszczególnych
osiach układu współrzędnych x,y,z, wyznaczyć ich odwrotność i
następnie otrzymane ułamki sprowadzić do wspólnego mianownika.
Liczniki ułamków o wspólnym mianowniku oznaczone odpowiednio
h,k,l stanowią wskaźniki sieciowe płaszczyzny (wskaźniki Millera),
które podaje się w nawiasach okrągłych (hkl). Płaszczyzna równoległa
do jednej z osi układu współrzędnych przecina ją w nieskończoności
co daje wskaźnik płaszczyzny w tym kierunku 0 (np. a/∞ = 0). Gdy
płaszczyzna przecina daną oś przy wartościach ujemnych, to wskaźnik
¯
przyjmuje znak minus zapisywany nad wskaźnikiem np. (hkl)
Ułożenie atomów w kryształach
z
(1/2 1/2 1)
[1 1 2]
〱1 1 2
Sieć regularna
płaskocentrowana A1
a
y
[1 1 0]
x
Wskaźniki Millera
x y z
2 3 4
1/2 1/3 1/4
c
a
b
6/12 4/12 3/12
(6 4 3)
Feγ,, Al., Cu, Ag, Co, Pb, Ni, Au ….
Sekwencja ABCABC
z
y
x
Ułożenie atomów w kryształach
Sieć heksagonalna zwarta A3
Mg, Zn, Cd, Be, Co,……
Sekwencja ABAB
Wskaźnikowanie płaszczyzn w sieciach
układu heksagonalnego
z
Wskaźniki Millera-Bravais-go – układ współrzędnych o
trzech osiach x,y,u usytuowanych pod kątem 120º względem
siebie w płaszczyźnie podstawy i czwartej z do nich ┴ .
Odcinki odcięte przez płaszczyznę na
poszczególnych osiach układu przekształca
się na wskaźniki sieciowe (hkil) w taki sam
sposób jak w układzie regularnym.
Ponieważ i= −(h+k) wskaźnik i jest często
pomijany lub zastępowany kropką. Zapis
uproszczony przyjmuje wtedy postać (hk.l).
(0001)
u
y
x
Ułożenie atomów w kryształach
Sieć regularna
przestrzennie
centrowana A2
Feα,, Mn, Cr, W, Mo, V, Nb, Li …..
Stopień wypełnienia przestrzeni sieci krystalicznej jest
określony przez stosunek objętości przestrzeni zajętej przez
atomy do całkowitej objętości komórki
Liczba rdzeni atomowych na jedną elementarną komórkę sieci A2
1+8·⅛ = 2
Liczba rdzeni atomowych na jedną elementarną komórkę sieci A1
6·½+8 ·⅛ = 4
Liczba koordynacyjna
Liczba koordynacyjna lk, równa jest liczbie najbliższych i
równo oddalonych rdzeni atomowych od dowolnego
wybranego rdzenia atomowego w sieci krystalicznej.
Określanie płaszczyzn sieciowych
(123)
(311)
Określanie płaszczyzn sieciowych
(212)
(012)
Symetria kryształu
Proste elementy symetrii: środek,
płaszczyzny, osi symetrii
Rodzaj elementów symetrii decyduje o
podziale kryształów o komórce
prymitywnej na 7 układów
krystalograficznych
Komórka prymitywna: atomy wyłącznie w
węzłach sieci
Podstawowe układy krystalograficzne
regularny
z
z
c
β α
γ
z rombowy
tetragonalny
y
romboedryczny
z
y
y
y
a
b
a=b=c
α=β=γ=90°
heksagonalny z
x
x
a=b≠c
α=β=γ=90°
x a ≠ b ≠c
z
x
α=β=γ=90°
a=b=c
α=β=γ≠90°
z
trójskośny
jednoskośny
xIII
y
y
xII
xI
y
x a ≠ b ≠c
α=γ=90° β ≠ 90°
x
a ≠ b ≠c
α ≠ β ≠ γ≠90°
Układy i sieci krystalograficzne
metali
A1 (RSC) regularna ściennie centrowana
A2 (RPC) regularna przestrzennie
centrowana
A3 (HZ) heksagonalna zwarta
metale nie krystalizują w układach
jednoskośnym i trójskośnym
Zależność właściwości metalu od jego
budowy krystalicznej.
Anizotropia – właściwość, która objawia się
zróżnicowaniem badanej cechy w zależności od kierunku
badania,
Polimorfizm – możliwość występowania tego samego
pierwiastka w różnych sieciach krystalograficznych,
zwanych odmianami alotropowymi
Niektóre metale mają więcej niż jedną odmianę alotropową
np. żelazo w temperaturze do 912 ºC posiada odmianę
alotropową Fe () o sieci A2, natomiast w temperaturze
powyżej 912 ºC posiada odmianę alotropową Fe () o sieci
A1. Zmiana ułożenia atomów Fe skutkuje zmianą
własności np. mechanicznych, chemicznych i fizycznych
np. Fe () jest ferromagnetykiem a Fe () nie daje się
namagnesować.
Struktury krystaliczne
materiałów ceramicznych
Bardziej złożone niż metali
Wiązania od czysto jonowych do czysto
kowalencyjnych
Struktury jonowe (liczba kationów równa
liczbie anionów)
Komórka elementarna NaCl
Komórka elementarna ZnS
Komórka elementarna Al2O3
Ceramika krzemianowa
Głównie atomy krzemu i tlenu
Struktura tetraedryczna
Krzemionka może występować jako
kryształ, ciało niekrystaliczne lub szkło, o
ułożeniu atomów typowym dla cieczy
zamrożonej
Krzemiany warstwowe
4-
Tetraedr SiO4
Krystaliczny SiO2
Niekrystaliczny SiO2
Schemat rozmieszczenia jonów w szkle
sodowo-krzemianowym
Struktury odmian alotropowych węgla
Grafit
Diament
Fullereny
Nanorurki
Sadza (węgiel amorficzny)
Struktura sieciowa grafitu
Diament
Struktura sieciowa
Komórka elementarna sieci regularnej
Model cząsteczki sadzy
Model ziarnistej struktury węgla
szklistego
Schemat struktury wstęgi włókien węglowych
wytwarzanych z poliakrylonitrylu PAN
Struktura Fullerenu C60
Modele nanorurek
Budowa polimerów
Schemat polimerów o różnej strukturze
liniowa
rozgałęziona
usieciowana
Schemat splątanych i skręconych łańcuchów
w strukturze materiałów polimerowych
Płytkowa struktura lamelarna łańcuchów
polimerowych
Struktura komórki elementarnej krystalitu
polietylenu
Schemat struktury sferolitu
Frędzlowo-micelowy model polimeru
semikrystalicznego
Helisa kryształu politetrafluoroetylenu PTFE
Substancje amorficzne
Szkła, substancje bezpostaciowe
Struktura nieuporządkowana, pośrednia
między kryształem i cieczą
Defekty sieci krystalicznej
1.
2.
3.
Ze względu na cechy geometryczne defekty dzielimy na:
Punktowe – mają niewielkie wymiary i są wynikiem drgań
cieplnych oraz działania sił zewnętrznych, którym podlegają
atomy w sieci, brak atomu w sieci nazywamy luką, a defekt
utworzony przez dodatkowy atom - atomem międzywęzłowym.
Defekty osłabiają wytrzymałość mechaniczną. Gromadzenie się
luk powoduje pęknięcia. Liczba defektów rośnie wraz ze
wzrostem temperatury, a więc ze wzrostem dyfuzji.
Liniowe – dyslokacje krawędziowe, śrubowe i mieszane
powstają w wyniku utworzenia się w sieci krystalicznej
dodatkowej płaszczyzny atomowej, tworzą się w czasie
krzepnięcia, a także podczas obróbki plastycznej.
Powierzchniowe. Występują zazwyczaj na granicach ziaren na
skutek ich naturalnego rozrostu, prowadzą do zmniejszenia
własności wytrzymałościowych.
Defekty punktowe
Wakanse: wolne węzły
Atomy międzywęzłowe
W stopach: atomy domieszek (obce)
Defekty punktowe w kryształach
jonowych
Kation międzywęzłowy
Wakans kationowy
Wakans anionowy
Defekt Schottky’ego
Defekt Frenkla
Zanieczyszczenia
międzywęzłowe
anionowe
Różnowęzłowe
anionowe
różnowęzłowe
kationowe
Ruch atomów
Wady struktury krystalicznej – defekty punktowe
Wady struktury krystalicznej - punktowe
wakanse
T20=10-18
Tt=10-4
defekty Frenkla
Wady struktury krystalicznej – defekty punktowe
Wady struktury krystalicznej – defekty punktowe
Dyslokacje
Główne rodzaje: krawędziowe, śrubowe,
mieszane
Dyslokacje całkowite (doskonałe) i
częściowe
Kontur Burgersa i wektor Burgersa: wektor
zamykający kontur Burgersa
Wady struktury krystalicznej – liniowe
dyslokacja krawędziowa
b wektor Burgersa
D
A
C
Kierunek poślizgu
B
Pod wpływem przyłożonego naprężenia następuje w krysztale
poślizg obejmujący nie całą płaszczyznę , a tylko jej część ABCD.
Granica strefy poślizgu AD prostopadła do wektora Burgersa
stanowi dyslokację krawędziową.
Ruch dyslokacji krawędziowej
Poślizg
Wspinanie (zstępowanie)
Przemieszczanie dyslokacji krawędziowej
Wspinanie dodatnie w wyniku dyfuzji wakansów do dyslokacji
Wspinanie dodatnie w wyniku dyfuzji atomów do dyslokacji
Wady struktury krystalicznej – defekty punktowe
Wady struktury krystalicznej – defekty punktowe
Dyslokacja śrubowa
Wektor Burgersa równoległy do linii
dyslokacji
Prawo- i lewoskrętne
Wady struktury krystalicznej – liniowe cd.
C
B
τ
D
τ
b
Q
A
Jeżeli część kryształu przesuniemy
względem pozostałej części wzdłuż
płaszczyzny Q równolegle do jej
krawędzi CD o wielkość jednego
parametru sieciowego to płaszczyzny
sieciowe doznają ugięcia, przy czym
krawędź każdej z tych płaszczyzn
pokryje się z krawędzią najbliższej
dolnej płaszczyzny. W krysztale
powstanie jak gdyby 1 płaszczyzna
atomowa, skręcona na kształt spirali,
której osią jest prosta CD, stanowiąca
linię dyslokacji.
Przemieszczanie dyslokacji śrubowej
Dyslokacje mieszane
mieszana
śrubowa
mieszana
B
A
krawędziowa
B
A
mieszana
kierunek
poślizgu
śrubowa
krawędziowa
mieszana
Dyslokacja krawędziowa
[110]
Dyslokacja krawędziowa
Sposób zapisywania wektora Burgersa
dyslokacji
b = ca u v w
Gdzie:
c – ułamek określający translację sieci w danym kierunku
a – parametr sieci
Kierunek i zwrot określany jest przez wskaźniki sieciowe kierunku.
W krysztale sieci A1 wektor Burgersa może łączyć środek atomu w
narożu komórki ze środkiem atomu centrującego ścianę. W jednym z
takich przypadków wektor Burgersa można zapisać jako
b = a/2 1 1 0
Sposób zapisywania wektora Burgersa
dyslokacji cd.
1/2
b = a/2 1 1 0
Długość wektora Burgersa określana
jest przez wyrażenie:
1/2
b = ca (u2+v2+w2)½
x
2
b
2
a a 0
2 2
2
a
2
y
[001]
Sposób zapisywania wektora Burgersa
dyslokacji cd.
1
1
1
[
]
b a 111
a
b 221
2
b a001
Energia dyslokacji jest proporcjonalna do wektora Burgersa w kwadracie
Dyslokacje o mniejszej wartości w. Burgersa są bardziej ruchliwe
Naprężenie tarcia sieci
Naprężenie tarcia sieci Peierlsa-Nabarro:
o = 2/K exp (-2d/Kb)
K = 1 dla dysl. krawędziowej, K=1-
(wsp.Poissona) dla śrubowej, - moduł
sprężystości postaciowej, d – odległość między
płaszczyznami poślizgu, b – wektor Burgersa
Krytyczne naprężenie poślizgu jest większe od
naprężenia tarcia sieci, jeżeli dyslokacja napotyka
na przeszkody: węzły dyslokacyjne, atomy obce,
wydzielenia faz
Dyslokacje pryzmatyczne i
helikoidalne
Dyslokacje pryzmatyczne – schemat
powstawania
Duże nierównowagowe
stężenie wakansów
Wakanse gromadzą się w
płaszcz. gęstego ułożenia
Krawędziowa pętla
dyslokacyjna
Dyslokacje helikoidalne – schemat
powstawania
Dyslokacja prostoliniowa Zmiana kształtu dyslokacji
AB
AB spowodowana jej
wspinaniem
Dyslokacja helikoidalna
spowodowana dalszym
wznoszeniem
Oddziaływanie między dyslokacjami
Dwie jednoimienne dyslokacje w tej samej płaszczyźnie
poślizgu odpychają się, dwie dyslokacje o przeciwnych
wektorach Burgersa – przyciągają się.
Uskok na linii dyslokacji leżący w płaszczyźnie poślizgu
dyslokacji – przegięcie, natomiast powodujący
przesunięcie dyslokacji z jednej płaszczyzny na drugą –
próg.
Węzły dyslokacyjne są wynikiem spotkań dyslokacji,
podobnie siatka dyslokacji
Uskoki dyslokacyjne
Dyslokacje przemieszczające się w nierównoległych płaszczyznach poślizgu
przecinają się wzajemnie tworząc w każdej z płaszczyzn uskok. Wyróżnia się
dwa rodzaje uskoków: przegięcia i progi.
- uskok na linii dyslokacji leżący w
płaszczyźnie poślizgu dyslokacji
próg – uskok na linii dyslokacji
powodujący przesunięcie dyslokacji z
jednej płaszczyzny poślizgu na inną
Dyslokacje obarczone uskokami są mniej ruchliwe, gdyż
wleczenie uskoków wytwarza rzędy wakansów i atomów
międzywęzłowych
Rozmnażanie dyslokacji
Gęstość dyslokacji: długość linii
dyslokacyjnych na jednostkę objętości
kryształu 1010 (warunki równowagi) do
1016 m-2 (w zaburzonej równowadze np. po
obróbce plastycznej)
Mechanizmy: źródła Franka-Reada, poślizg
poprzeczny
źródło Franka-Reada
Odcinek krzywoliniowy pętli
dyslokacji ABCD przemieszczającej
się w płaszczyźnie poślizgu napotyka
wydzielenia obcej fazy i punkty B i C
ulegają zakotwiczeniu na nich.
Przyłożone naprężenie styczne
powoduje wygięcie się
zakotwiczonego odcinka BC aż do
zetknięcia się przeciwległych
odcinków utworzonej pętli i jej
zamknięcia. Jednocześnie między
punktami BC tworzy się nowy
zakotwiczony odcinek dyslokacji,
który powoduje wytworzenie
następnej pętli.
Inny mechanizm powstawania dyslokacji
Koniec A jest zakotwiczony a drugi koniec wychodzi na powierzchnię
swobodną kryształu. Po przyłożeniu naprężenia stycznego
niezakotwiczony koniec porusza się wielokrotnie wokół zakotwiczonego
końca co powoduje duże poślizgi w płaszczyźnie dyslokacji AB
Błędy ułożenia
Powstają wskutek: kondensacji wakansów,
zaburzonego wzrostu kryształu,
odkształcenia plastycznego
Mogą być: zewnętrzne i wewnętrzne
Błąd ułożenia w krysztale o sieci A1
ograniczony jest przez dyslokacje
krawędziowe półutwierdzone Franka
Energia Błędu Ułożenia (EBU) niektórych metali i
stopów o sieci A1 i A2
Reakcje i bariery dyslokacyjne
Dyslokacje całkowite (doskonałe); ruch nie powoduje
zmian w pozycjach atomów
Dyslokacje częściowe (kątowe); ruch powoduje zmiany
położeń atomów
Dysocjacja dyslokacji całkowitych
Rekombinacja dyslokacji częściowych
Dyslokacje częściowe Shockleya w sieci A1
Dyslokacje częściowe Franka w sieci A1
Bariery dyslokacyjne
Reakcje dyslokacyjne
Dyslokacje całkowite i częściowe
b wektor Burgersa
D
A
B
C
Kierunek poślizgu
Schemat rozszczepienia dyslokacji
Warunek dysocjacji:
b12 > b22 + b32
Warunek rekombinacji:
b12 + b22 > b32
Czworościan Thompsona
Wszystkie płaszczyzny {111} występujące
w sieci A1 są ║ do ścian czworościanu, a
do jego krawędzi są ║ wszystkie kierunki
poślizgu 110 . Naroża oznacza się literami
ABCD, a środki przeciwległych ścian
literami greckimi α,β,γ,δ. Krawędzie
czworościanu odpowiadają wektorom
Burgersa dyslokacji całkowitych. Odcinki
łączące naroża czworościanu ze środkami
płaszczyzn np. Aδ, Bδ, odpowiadają
dyslokacjom częściowym Schockley’a
powstałym w wyniku dysocjacji dyslokacji
całkowitych.
Dyslokacje częściowe Franka
Dyslokacje Franka mają symbole Aα, Bβ
itd. są więc ┴ do płaszczyzn {111} a jej
a
wartość wynosi 111 . Wektor Burgersa
3
tej dyslokacji nie leży w płaszczyźnie
gęstego ułożenia, dyslokacja więc nie może
się przemieszczać przez poślizg a jedynie
przez wspinanie – jest więc dyslokacją
półutwierdzoną. Dyslokacje Shockley’a
mogą rekombinować z dyslokacjami Franka
np.
Powstaje wówczas dyslokacja całkowita AB
Reakcje dyslokacyjne kryształach o sieci
A2
3 grupy płaszczyzn poślizgu {110}, {112}, {123}, w
których poruszają się dyslokacje jednostkowe w kierunku
<111>
Możliwe jest powstanie w wyniku reakcji między
dyslokacjami całkowitymi a/2 <111> nowej dyslokacji
całkowitej a <001>, która może odpowiadać za
inicjowanie kruchych pęknięć w kryształach o sieci A2
Reakcje dyslokacyjne w kryształach o
sieci A3
Poślizg w wyniku ruchu dyslokacji
całkowitych a/3 <1120> w płaszczyźnie
podstawy (0001)
20 dyslokacji całkowitych
Dyslokacje częściowe
Błędy ułożenia
Polikrystaliczna struktura metali
Monokryształy i polikryształy
Ziarna: części kryształu o prawidłowej
strukturze krystalicznej o osiach
nachylonych względem siebie o kąt
dezorientacji
Granice wąskokątowe i szerokokątowe
Granice koherentne, niekoherentne i
półkoherentne
Łączy kryształy o
wspólnym kierunku
krystalograficznym ║ do
granicy
Łączy kryształy o
wspólnym kierunku
sieciowym ┴ do granicy
Wąskokątowa granica daszkowa o kącie
dezorientacji Θ
Struktura polikrystaliczne metali
Granica szerokokątowa
Schemat granicy koincydentnej
przy kącie dezorientacji Θ = 22°
wywołanym obrotem wokół osi
[111]
Na granicach ziarn powstaje strefa
miejsc koincydentnych
(jednoczesnych) tworzących supersieć
przestrzenną sąsiadujących ze sobą
ziarn. Parametr supersieci miejsc
koincydentnych jest wielokrotnośćią
parametru sieci ziarn.
Wady struktury krystalicznej – defekty płaskie
Strefa graniczna
Własności metali a ich budowa atomowa
Własności wytrzymałościowe
Na własności wytrzymałościowe
wpływają:
1) Siły wiązań międzyatomowych
2) Gęstość dyslokacji i defektów
3) Wielkość ziarna
Gęstość dyslokacji i innych wad
4) Submikroskopowe wydzielenia faz,
których obecność na płaszczyznach
poślizgu utrudnia odkształcenie
Odkształcenie metali
Siła F
Fm
Fm
Rm
A0
Fe
Fs
u
Fe
Re
A0
Odkształcenie u
F=0
F=0
l0
A0
l1 l0
A5
100%
l0
A0 A1
z
100%
A0
Odkształcenie plastyczne metali
Sieć pierwotna
F
F
Płaszczyzny poślizgu
A3
A1
A2
Płaszczyzny i kierunki łatwego
poślizgu
Odkształcenie przez bliźniakowanie
F
F
Definicja fazy
Faza jest to część układu jednorodna pod
względem składu chemicznego i własności
mechanicznych oddzielona od pozostałej
części układu granicą fazową.
Rodzaje faz występujące w stopach metali:
• Roztwory stałe
• Związki chemiczne
• Fazy międzymetaliczne
Budowa fazowa
– rodzaje roztworów
• roztwory stałe międzywęzłowe
• roztwory stałe różnowęzłowe
Roztwór stały międzywęzłowy
np. roztwór C w Fe
Roztwory stałe graniczne
Roztwory stałe ciągłe
Roztwór stały różnowęzłowy
np. roztwór Cu w Ni
Roztwory stałe cd. nadstruktury
złoto
miedź
Cu3Au
Roztwór stały różnowęzłowy
uporządkowany (nadstruktury)
Nadstruktury
W niektórych roztworach stałych
róznowęzłowych o określonym stężeniu
przemiana nieporządek – porządek w
trakcie chłodzenia lub wygrzewania
Wzory AB, AB3, A3B
Roztwory stałe ciągłe
Reguły Hume-Rothery`ego
tworzenia roztworów stałych ciągłych
Typów sieci: oba składniki mają ten sam typ struktury
krystalicznej
Wielkości atomów: całkowita rozpuszczalność przy
stosunku promieni atomowych <1,08, tylko ograniczona
dla >1,15
Elektrowartościowości ujemnej: im mniejsza różnica
elektrowartościowości, tym większa możliwość tworzenia
roztworów stałych
Względnych
wartościowości:
dla
miedziowców
rozpuszczalność metali o wyższej wartościowości w
metalach jednowartościowych jest większa niż odwrotnie
Ca
Przewodność elektryczna
twardość
Wytrzymałość na rozciąganie
Roztwory stałe cd.
% Zn
% Zn
Sb
Sn
Mg
Si
% Zn
Al
Cr C
Umocnienie roztworów stałych
Pokonywanie przez dyslokacje pól naprężeń
(Motta-Nabarro)
Sprężyste blokowanie ruchu dyslokacji (Cotrella)
Chemiczne blokowanie rozszczepionych
dyslokacji (Suzuki)
Geometryczne blokowanie ruchu dyslokacji
(Fishera)
Umocnienie roztworowe
Umocnienie roztworowe
Związki chemiczne i fazy międzymetaliczne
Związki
chemiczne
mają
określoną
temperaturę topnienia, i odrębne właściwości
fizyczne, chemiczne i mechaniczne od
tworzących je składników. Tworzenie się
związków chemicznych zachodzi najczęściej
pomiędzy
metalami
a
pierwiastkami
niemetalicznymi np. O2, Cl, S. Wiązania
atomów w tych związkach mają głównie
charakter jonowy. Występują one w stopach
metali jako wtrącenia niemetaliczne.
Fazy międzymetaliczne
Stanowią połączenia metali lub metali z niemetalami,
mają metaliczny lub złożony charakter wiązań
międzyatomowych i w związku z tym metaliczne
właściwości. Mają strukturę krystaliczną odrębną od
tworzących ją składników, uporządkowany układ atomów
w sieci przestrzennej. Można określić ich wzór
stechiometryczny tak jak w związkach chemicznych. W
związku z charakterem wiązań atomowych mają często
zmienny skład ilościowy co odróżnia je od związków
chemicznych. Można je więc traktować jako roztwory
stałe na osnowie związków chemicznych
Fazy międzymetaliczne
Struktura krystaliczna różna od struktury każdego ze składników
Uporządkowane rozmieszczenie atomów
Przewaga wiązania metalicznego
Wzory podobne do wzorów związków chemicznych przy braku
związku z wartościowością pierwiastków; odchylenia od stechiometrii
Roztwory stałe wtórne: różnowęzłowe, międzywęzłowe,
pustowęzłowe (nadmiar atomów jednego ze składników, a w węzłach
sieci krystalicznej, które miały być obsadzone atomami drugiego
składnika, powstają wakanse.
Klasyfikacja wg stężenia elektronowego lub wielkości atomów
Stężenie elektronowe: stosunek liczby elektronów wartościowości do
liczby atomów w komórce elementarnej (czynnik elektrochemiczny)
możliwe stężenia 21/14, 21/13, 21/12
Przykłady faz elektronowych
Fazy Lavesa
Tworzą się przy stosunku promieni atomowych
1,05-1,68
Wzór AB2
M.in. w stopach Fe, Mn, Cr i Mo z innymi
metalami np. MgCu2
Fazy Lavesa
Fazy międzywęzłowe
Struktury proste rX/rM 0,59, złożone >
0,59
Proste: M4X, M2X, MX, MX2
Granice międzyfazowe
koherentna
niekoherentna
półkoherentna
Umocnienie stopów cząstkami
faz wtórnych
Spowodowane przez różnice między cząstkami a osnową:
struktury sieciowej, składu chemicznego, własności
sprężystych i wytrzymałościowych
Utwardzanie wydzieleniowe: cząstki faz wydzielają się w
osnowie przy tworzeniu koherentnej granicy
międzyfazowej, sprężystego odkształcenia sieci i pola
naprężeń dalekiego zasięgu; może nastąpić częściowe
zerwanie koherencji i zmniejszenie granicy plastyczności
Utwardzanie dyspersyjne: cząstki faz są wprowadzane w
procesie wytwarzania; występuje granica niekoherentna
Oddziaływania między cząstkami
faz wtórnych a dyslokacjami
Przecinanie cząstek faz wtórnych przez dyslokacje
(niewielka twardość cząstek i uprzywilejowana orientacja
krystalograficzna)
Omijanie cząstek faz wtórnych przez dyslokacje w wyniku
tworzenia zamkniętych pętli dyslokacyjnych
Omijanie cząstek faz wtórnych przez dyslokacje w wyniku
zmiany płaszczyzny poślizgu poprzez wspinanie lub
poślizg poprzeczny
UKŁADY RÓWNOWAGI
FAZOWEJ
Równowaga termodynamiczna
Stan równowagi: gdy układ osiąga minimum energii swobodnej lub
gdy wystąpi równość potencjałów chemicznych składników
tworzących fazy (nie ma wówczas przepływu przez granice fazowe)
Energia swobodna Helmholtza: F = E – TS
Gdzie: E – energia wewnętrzna, T – temp. bezwzględna, S - entropia
Energia wewnętrzna E układu jest sumą energii potencjalnej, tj.
energii wzajemnego oddziaływania, i energii kinetycznej wszystkich
atomów układu ( w kryształach znaczna część energii E wiąże się z
drganiami atomów w sieci. ↑ temp. powoduje ↑ amplitudy wychyleń
i ↑ E o E ).
Zmiana energii wewnętrznej: E = Q + W
Gdzie Q – przyrost ciepła, W – przyrost pracy
Równowaga termodynamiczna cd.
Entropia S jest funkcją stanu i określa równowagę
układu gdy S = 0 oraz kierunek przemiany
Zmiana entropii: S = - Q / T
Zarówno E jak i S są własnościami pojemnościowymi
więc są proporcjonalne do ilości materiału.
Gdy układ znajduje się w stałej temp. i działa na niego
stałe ciśnienie po ustaleniu się równowagi energia
swobodna Gibbsa G jest minimalna
G = E + pV – TS
Entalpia: H = E + pV
Energia swobodna faz stopu
Reguła faz Gibbsa
Równowagę faz opisuje reguła faz Gibbsa, która mówi, że: suma
maks. liczby faz f, które mogą współistnieć w układzie w stanie
równowagi oraz liczby stopni swobody s jest równa liczbie
niezależnych składników układu n powiększonej o 2
Liczba stopni swobody
f + s = n + 2 lub
s = n –f + 2 (s = n – f + 1)
Równowaga czterech i więcej faz w układach dwuskładnikowych
jest niemożliwa (p = const)
Równowaga trzech faz w tych układach jest możliwa w stałej
temperaturze przy określonym stężeniu składników w fazach
(eutektyki lub perytektyki)
Dwie fazy są w równowadze nawet przy zmianie bądź stężenia
składnika w fazie, bądź temperatury
Dla jednej fazy możliwa jest zmiana i stężenia, i temperatury
Układ równowagi fazowej z nieograniczoną
rozpuszczalnością w stanie stałym
I
II
I
Linia likwidus
II
Temperatura
L
Czas
L+
Linia solidus
100% Ni
Krzywa chłodzenia I dla 100 % Ni
100% Cu
Czas
Krzywa chłodzenia II dla 60 % Ni i 40% Cu
Wyznaczanie składu chemicznego fazy α i cieczy L
oraz % udziału fazy α i cieczy L
Linia likwidus
Temperatura
L
L+
A
α=
O
OB
100%
AB
B
% udział fazy L
Linia solidus
100% Ni
% udział fazy α
α=
AO
AB
100%
100% Cu
αO (55% Ni, 45%Cu) LO (20% Ni, 80%Cu)
Reguła faz s = n ─ f+1
Układ równowagi fazowej z nieograniczoną
rozpuszczalnością w stanie stałym c.d
Faza jest roztworem stałym ciągłym,
której skład chemiczny może się zmieniać
w sposób ciągły od 0 do 100% Ni
(różnowęzłowym). Pod mikroskopem
ziarna fazy wyglądają zawsze tak samo
niezależnie od składu chemicznego.
Układ równowagi fazowej bez rozpuszczalności
w stanie stałym z eutektyką
Temperatura
I
II
Linia likwidus
L
A
O
B
L+ Cd
L+ Bi
Linia solidus
Bi+Cd
Czas
100% Bi
Krzywa chłodzenia dla I
100% Cd
Czas
Krzywa chłodzenia dla II
Układ równowagi fazowej bez rozpuszczalności
w stanie stałym z eutektyką c.d.
Eutektyka czyli mieszanina faz
w analizowanym przypadku czystych metali
bizmutu i kadmu krzepnie zawsze
z cieczy w stałej najniższej temperaturze. Może
występować w postaci na przemian ułożonych
płytek lub słupków.
Wzrost szybkości chłodzenia cieczy powoduje
rozdrobnienie eutektyki (mniejsza grubość płytek)
co powoduje wzrost własności mechanicznych np.
twardości, wytrzymałości na rozciąganie, czy
udarności.
Układ równowagi fazowej z ograniczoną
rozpuszczalnością w stanie stałym i eutektyką
L2→1+ 3
Czas
Temperatura
I
L
Linia likwidus
II
L+
L+
1
2
+
3
Linia solidus
100% Sn
Krzywa chłodzenia dla I
Przemiana eutektyczna
L2→1+ 3
100% Pb
Czas
Krzywa chłodzenia dla I
Układ równowagi fazowej z ograniczoną
rozpuszczalnością w stanie stałym i eutektyką c.d.
W tym przypadku eutektyka jest mieszaniną nie
czystych metali tylko roztworów stałych
granicznych, oznacza się je małymi greckimi
literami alfabetu (,,). W analizowanym
przypadku faza jest roztworem stałym
granicznym ołowiu w cynie. Faza jest z kolei
roztworem stałym granicznym cyny w ołowiu.
Słowo graniczny oznacza, że rozpuszczalność
ołowiu jest tylko do pewnej zmiennej granicy
zależnej od temperatury.
Układ równowagi fazowej z ograniczoną
rozpuszczalnością w stanie stałym i perytektyką
II
temperatura
I
L+
1 5
2
czas
3
4
L+
+
+’
II
temperatura
I
1+L3→ 2
A
B
kryształ
Przemiana perytektyczna
1+L3→ 2
kryształ
ciecz
czas
Układ równowagi fazowej z fazą
międzymetaliczną
AmBn
L+α
L+γ
L+γ
α
L+β
γ
A
γ+β’
E+γ
E+β
β + γ’
γ+E
α’ + γ
α + γ’
α +E
β
B
Układ równowagi fazowej z ograniczoną
rozpuszczalnością w stanie ciekłym
4
L+A
L4-1→L4-2
L1→L2+A
L1+L2
1
2
L2-3→A
L+A
L+B
3
A+E(A+B)
A
B+E(A+B)
B
L3→E(A+B)
Schematy układów równowagi z przemianami
fazowymi w stanie stałym
Układy równowagi fazowej
ceramik
Wykres równowagi fazowej Al2O3 – Cr2O3
Wykres równowagi fazowej MgO -Al2O3
Wykres równowagi fazowej SiO2 - Al2O3
Wieloskładnikowe układy równowagi
fazowej
Płaski wykres trójskładnikowy z kładami
wykresów dwuskładnikowych
Przekroje izotermiczne wykresów
trójskładnikowych
Przekroje stężeniowe wykresów
trójskładnikowych
Układy czteroskładnikowe
Układy metastabilne
UKŁAD RÓWNOWAGI
FAZOWEJ ŻELAZO-WĘGIEL
600
ciecz
G
912 Austenit γ + Ferryt α
Austenit γ
+ Fe3CII
P
Perlit
400
200
Ferryt α
+ Fe3CIII Q
C
E
1148oC
Austenit γ + ledeburyt+
Fe3CII
Perlit +
Fe3CII
F
ledeburyt+ Fe3CI
727oC
S
Ferryt α
+Perlit
D
Fe3CI+ciecz
Austenit γ + ciecz
Austenit γ
Ferryt α
800
J
N
Ferryt α [δ]
+ Austenit γ
Perlit + Fe3CII
+ ledeburyt
przemieniony
K
Ledeburyt
przemieniony +
Fe3CI
0,008 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5
Cementyt Fe3C
1200
B
Ledeburyt
1394
1000
Ciecz + Ferryt α [δ]
1538 A
1495 H
Ledeburyt przemieniony
1400
Ferryt α [δ]
Temperatura [oC]
1600
Fe – Fe3C
6,67
6,0 6,5
Zawartość C%
Techniczne odmiany żelaza
Odmiany alotropowe żelaza: (<912 ºC); (13941538 º C); (912-1394 º C)
Wykresy równowagi układu
żelazo-węgiel
Stabilny żelazo – grafit
Metastabilny żelazo – cementyt
Schemat przemian fazowych przy chłodzeniu stali ferrytycznej
Schemat przemian fazowych przy chłodzeniu
stali podeutektoidalnej
Schemat przemian fazowych przy chłodzeniu
stali nadeutektoidalnej
Schemat przemian fazowych przy chłodzeniu
surówki podeutektycznej
Schemat przemian fazowych przy chłodzeniu
surówki nadeutektycznej
Definicje faz układu Fe – Fe3C
1.
Ferryt α jest to roztwór stały graniczny
węgla w żelazie Feα o maksymalnej
rozpuszczalności węgla 0,0218 w
temperaturze 727 ºC. Twardość ferrytu
waha się w granicach od 70 do 90 HB.
Ferryt
Ferryt iglasty
Ferryt siatkowy
Definicje faz układu Fe – Fe3C
1.
Austenit γ jest to roztwór stały graniczny węgla
w żelazie Fe γ o maksymalnej rozpuszczalności
węgla 2,11 w temperaturze 1148 ºC. Faza miękka
i plastyczna. Występuje w temperaturze powyżej
727 ºC.
Definicje faz układu Fe – Fe3C
Cementyt Fe3C jest to faza międzymetaliczna
(węglik żelaza)
o wzorze stechiometrycznym Fe3C. Zawartość
węgla w cementycie wynosi 6,67%. Jest twardy i
kruchy (twardość 750 HB). Wydziela się z cieczy
przy chłodzeniu i wtedy oznaczamy go jako
pierwszorzędowy I lub wydziela się podczas
chłodzenia z austenitu i wtedy oznaczamy go jako
II lub wydziela się z ferrytu podczas chłodzenia i
wtedy oznaczamy go jako III.
Fe3C
I
II
III
Definicje składników strukturalnych
Ledeburyt jest to mieszanina eutektyczna
austenitu i Fe3C powstały z cieczy o
składzie chemicznym 4,3%C w stałej
temperaturze 1148 ºC.
ledeburyt
Definicje składników strukturalnych
Perlit jest to mieszanina eutektoidalna
(powstaje z fazy stałej) ferrytu i cementytu
powstaje z austenitu o zawartości 0,77 %C
w stałej temperaturze 727 ºC.
Perlit
Płytki ferrytu
i cementytu.
Perli o małej
dyspersji
(rozdrobnieniu)
Klasyfikacja stali i przykłady
oznaczeń
Definicja stali
Stal jest to plastycznie (i ewentualnie
cieplnie) obrobiony stop żelaza z węglem i
innymi pierwiastkami, otrzymywanym
w procesach stalowniczych ze stanu
ciekłego.
Stal może zawierać do 2% węgla, powyżej
tej wartości występuje żeliwo.
Kryteria klasyfikacji stali PN-EN 10020:2003
Kryterium podziału
Przykładowe rodzaje i grupy stali
Skład chemiczny
Niestopwa (węglowa), stopowa
Podstawowe
zastosowanie
Konstrukcyjna, maszynowa, narzędziowa, o
szczególnych własnościach
Jakość ( m.in.
Stężenie S i P)
Jakościowa, specjalna
Sposób wytwarzania Martenowska, elektryczna, konwertorowa itp.
Sposób odtleniania
Uspokojona, półuspokojona, nieuspokojona
Rodzaj produktów
Blachy, pręty, druty, odkuwki itp.
Postać
Lana, kuta, walcowana na gorąco, walcowana na
zimno, ciągniona.
Stan kwalifikacyjny
Surowy, wyżarzony normalizująco, ulepszony
cieplnie i inne
Stale węglowe (niestopowe)
Na własności stali niestopowych (węglowych)
najistotniejszy wpływ wywiera węgiel, który
decyduje o własnościach mechanicznych.
Pozostałe pierwiastki znajdujące się w tych
stalach pochodzą z przerobu hutniczego
(krzem, mangan, aluminium) lub są
zanieczyszczeniami (fosfor, siarka,tlen,
wodór, azot, cyna, antymon, arsen).
Rola domieszek
Mangan: powoduje gruboziarnistość
Krzem: przeciwdziała segregacji fosforu i siarki
Fosfor i siarka: powodują kruchość stali
Wodór: pogarsza własności stali, powoduje powstawanie
pęcherzy i płatków śnieżnych
Azot: powoduje spadek plastyczności
Tlen: powoduje spadek własności mechanicznych
Stal stopowa
Stalami stopowymi nazywa się stale, do
których celowo wprowadza się pierwiastki
stopowe, aby nadać im wymagane
własności. Najczęściej stosuje się: mangan,
krzem, chrom, nikiel, wolfram, molibden,
wanad. Rzadziej stosuje się aluminium,
kobalt, miedź, tytan, tantal, niob,
a w niektórych przypadkach i azot.
Rola pierwiastków stopowych
Spowodowanie określonych zmian strukturalnych
Wzrost własności
Wzrost hartowności
Ułatwienie obróbki cieplnej
Źródła: tworzenie roztworów stałych i faz
międzymetalicznych oraz międzywęzłowych,
zmiany krzywych CTP, zmiany punktów
charakterystycznych wykresu Fe-C
Stale stopowe c.d.
Ze względu na sumaryczne stężenie pierwiastków
stale stopowe dzielimy na następujące grupy:
Niskostopowe – stężenie jednego pierwiastka
(oprócz węgla) nie przekracza 2%, a suma
pierwiastków łącznie nie przekracza 3,5%
Średniostopowe – stężenie jednego pierwiastka
(oprócz węgla) przekracza 2%, lecz nie przekracza
8% lub suma pierwiastków łącznie nie przekracza
12%
Wysokostopowe – stężenie jednego pierwiastka
przekracza 8% a suma pierwiastków łącznie nie
przekracza 55%.
Klasy jakości stali niestopowych
(węglowych)
Stale niestopowe ze względu na klasy jakości dzielimy na:
Jakościowe – te wszystkie, które nie zaliczają się do stali
specjalnych
Specjalne – to takie, które spełniają jeden lub więcej z
podanych warunków:
* wymagana praca łamania w stanie ulepszonym cieplnie,
* wymagana głębokość utwardzania powierzchniowego lub
twardość powierzchni po hartowaniu,
* niski udział wtrąceń niemetalicznych,
* max stężenie fosforu i siarki 0,020%,
*min praca łamania w -50°C: KV 27 J określona na
próbkach wzdłużnych lub 16 J na próbkach
poprzecznych,
* przewodność elektryczna właściwa > 9 S·m/mm2.
Klasy jakości stali stopowych
Ze względu na klasy jakości stale stopowe
dzielimy na:
Stale stopowe jakościowe,
Stale stopowe specjalne – obejmują one
wszystkie gatunki stali, które nie zostały
ujęte w klasie stali nierdzewnych oraz
stopach jakościowych.
Stale stopowe jakościowe
Wyróżnia się następujące grupy:
Stale konstrukcyjne spawalne,
Stale stopowe na szyny, grodzice, kształtowniki
na obudowy górnicze,
Stale stopowe na produkty płaskie walcowane
na zimno lub na gorąco przeznaczone do
dalszej obróbki plastycznej na zimno,
Stale elektrotechniczne,
Stale stopowe z miedzią.
Stale stopowe specjalne
Stale stopowe specjalne dzielą się na podklasy:
Stale maszynowe (do budowy maszyn),
Stale na urządzenia ciśnieniowe,
Stale konstrukcyjne,
Stale szybkotnące,
Stale narzędziowe stopowe,
Stale na łożyska toczne,
Stale o szczególnych własnościach fizycznych.
Stale stopowe nierdzewne
Do klasy stali nierdzewnych należą stale zawierające
co najmniej 10,5% Cr oraz co najwyżej 1,2% C.
Stale nierdzewne dzielone są na:
Stale odporne na korozję,
Stale żaroodporne,
Stale odporne na pełzanie ( żarowytrzymałe)
Oznaczanie stali
Obowiązują dwa systemy oznaczania stali:
Znakowy (wg PN-EN 10027-1:1994); znak
składa się z symboli literowych i cyfr,
Cyfrowy (wg PN-EN 10027-2: 1994),
numer stali składa się tylko z cyfr.
Przykłady oznaczania stali wg ich składu
chemicznego
Grupa stali
Składniki symbolu głównego znaku
stali
Stale niestopowe ( bez stali
automatowych) o średnim
stężeniu Mn<1%
C i liczba oznaczająca średnie stężenie
węgla w stali w setnych częściach % (np.
C35)
Stale niestopowe o średnim
stężeniu Mn> 1%, stale
niestopowe automatowe i stale
stopowe (bez szybkotnących) o
stężeniu każdego pierwiastka
stopowego <5%
Liczba oznaczająca średnie stężenie
węgla w stali w setnych częściach %,
symbole chemiczne pierwiastków
stopowych i na końcu liczby (rozdzielone
kreskami), podające średnie stężenie
głównych pierwiastków stopowych (w
%) pomnożone przez odpowiedni
współczynnik (4-dla Cr, Co, Mn, Ni,
Si,W; 10-dla Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta,
Ti, V, Zr; 100- dla Ce, N, P, S, ; 1000- dla
B) (np. 33MnCrB5-2)
Przykłady oznaczania stali wg ich składu
chemicznego
Grupa stali
Składniki symbolu głównego znaku
stali
Stale stopowe ( bez stali
szybkotnących) o stężeniu
przynajmniej jednego
pierwiastka stopowego >5%
X liczba oznaczająca średnie stężenie
węgla w stali w setnych częściach %,
symbole chemiczne pierwiastków
stopowych i na końcu liczby (rozdzielone
kreskami), podające średnie stężenie
głównych pierwiastków stopowych w %
(np. X8CrNiMoAl 15-7-2)
Stale szybkotnące
HS i liczby (rozdzielone kreskami),
podające średnie stężenie (w %)
pierwiastków w kolejności: W, Mo, V,
Co (np. HS2-9-1-8)
Oznaczanie stali wg numeru
Zgodnie z PN-En 10027-2:1994 każdy
gatunek stali jest oznaczony także
numerem, który można podać zamiast
znaku stali. Numer stali zawiera 5 cyfr. (np.
1.4507)
OBRÓBKA CIEPLNA
Obróbka cieplna
stali
Wyżarzanie
Z przemianą fazową
Bez przemiany
Hartowanie
Przesycanie
Odpuszczanie
Starzenie
Powstawanie austenitu podczas
nagrzewania
Ujednorodnianie austenitu
Wygrzewanie izotermiczne
Nagrzewanie ciągłe (stal 0,7% C
Wykresy przemian austenitu podczas
chłodzenia
Krzywe czas-temperatura-przemiana
CTP
CTPi przy chłodzeniu izotermicznym
CTPc przy chodzeniu ciągłym
Krzywe CTP
Przemiany w stali podczas chłodzenia
Perlityczna
Bainityczna
Martenzytyczna
Przemiana perlityczna
Zachodzi przy ochłodzeniu austenitu nieznacznie poniżej
temperatury Ar1
Perlit: mieszanina eutektoidalna złożona z płytek ferrytu
oraz cementytu
Przemiana dyfuzyjna związana z przegrupowaniem
atomów węgla, zachodząca przez zarodkowanie i wzrost
zarodków
Zarodkowanie heterogeniczne na cząstkach cementytu,
płytkach ferrytu, a w austenicie na granicach jego ziarn
Kolejno tworzenie płytek cementytu i ferrytu
Morfologia perlitu:
utworzone kolonie perlitu mają
kształt kulisty,
grubość płytek cementytu jest
siedmiokrotnie mniejsza od
grubości płytek ferrytu,
grubości płytek są prawie stałe w
stałej temperaturze i nie zależą od
wielkości ziarna,
obniżaniu temperatury towarzyszy
zmniejszanie się odległości między
płytkami
Kinetyka przemiany perlitycznej
Wyżarzanie
nagrzanie stali do
określonej
temperatury,
wygrzanie
i studzenie w celu
uzyskania struktury
zbliżonej do stanu
równowagi
Zmiany wielkości ziarna
Wyżarzanie:
Ujednorodniające: dla wlewków stalowych w celu ograniczenia
niejednorodności spowodowanej mikrosegregacją i likwacją
Rekrystalizujące: usuwa umocnienie zgniotowe umożliwiając obróbkę
plastyczną na zimno
Odprężające: usuwa naprężenia odlewnicze, spawalnicze, cieplne
(stabilizujące do 150 C – zapewnienie niezmienności wymiarowej;
sezonowanie – w temperaturze pokojowej)
Normalizujące: uzyskanie jednorodnej struktury drobnoziarnistej, do
stali niestopowych i staliw
Zupełne: do stali stopowych
Izotermiczne: odmiana wyżarzania zupełnego do stali stopowych
(patentowanie – do drutów)
Sferoidyzujące (zmiękczające): zapewnia dobrą skrawalność i
udarność, prowadzi do otrzymania sferoidytu
Przemiana bezdyfuzyjna przy dużym przechłodzeniu austenitu z
szybkością większą od krytycznej νk. Martenzyt – przesycony roztwór
węgla w żelazie Feα. Warunek przemiany – ciągłe obniżanie temperatury
w zakresie Ms do Mf. Wartości Ms i Mf zależą od składu chemicznego
austenitu.
Przemiana martenzytyczna
Początek przemiany: utworzenie w austenicie embrionów
(błędy ułożenia, źródła Franka-Reada, pętle dyslokacji),
przemiana w zarodki i autokataliza.
Podczas przemiany następuje skoordynowane przemieszczenie atomów
bez zmiany sąsiadujących atomów. Wynik - charakterystyczny relief.
Granice ziaren martenzytu położone są wzdłuż nieodkształconej
płaszczyzny austenitu habitus.
Krystalografia przemiany martenzytycznej
Morfologia martenzytu
Listwowy: w niemal wszystkich
stopach żelaza, duża gęstość
dyslokacji, komórkowa struktura
dyslokacyjna, wymiary 0,1-3 µm,
stosunek wymiarów 1:7:30. Pakiety
z listew położonych w kierunku
<111>
Płytkowy w nielicznych stopach
żelaza, kształt podobny do
soczewek
Austenit szczątkowy
Przemiana bainityczna
Zachodzi przy przechłodzeniu stali do 450-200 C
Bainit: mieszanina ferrytu przesyconego węglem i drobnodyspersyjnych
węglików
Zarodkowanie rozpoczyna dyfuzja węgla w austenicie do granic ziaren i
dyslokacji
Zarodkami są miejsca ubogie w węgiel
Wymagany czas inkubacji
Równoczesna przemiana martenzytyczna w obszarach o małym stężeniu
węgla i wysokiej Ms oraz wydzielanie drobnych cząstek cementytu
Po przemianie martenzytycznej w czasie dalszego chłodzenia: wydzielanie
cementytu i węglika , a osnowa staje się ferytem przesyconym węglem
Rozrost bainitu kontrolowany szybkością dyfuzji węgla w austenicie
Morfologia bainitu
Bainit górny: ziarna przesyconego węglem ferrytu
o nieregularnych kształtach z nieregularnymi
wydzieleniami węglików oraz austenit szczątkowy
Bainit dolny: przesycony węglem ferryt o postaci
listwowej, zbliżony do martenzytu, płytkowe
węgliki w równoległych rzędach ściśle
zorientowane względem ferrytu oraz austenit
szczątkowy
Utwardzanie wydzieleniowe:
przesycanie i starzenie
•Przesycanie: nagrzanie dwufazowego stopu do temp. 30-50 C
powyżej krzywej granicznej rozpuszczalności i szybkie
schłodzenie do temperatury pokojowej; stop uzyskuje
metastabilną strukturę jednofazową
•Starzenie: nagrzanie stopu przesyconego do temperatury niższej
od granicznej rozpuszczalności, wygrzanie i studzenie; wzrost
własności wytrzymałościowych; powstawanie faz koherentnie
związanych z osnową, przy przestarzeniu zanik koherencji i
koagulacja wydzieleń, a tym samym zanik efektu starzenia;
starzenie naturalne – w temperaturze pokojowej i sztuczne - w
temperaturze podwyższonej
•Przesycanie stosowane jest typowa obróbką cieplną stali
austenitycznych odpornych na korozję, utwardzanie dyspersyjne –
stosowane jest głównie do stopów aluminium
Technologia zwykłej obróbki cieplnej
Grzanie
-Proces doprowadzenia ciepła w ciągu założonego czasu w celu
uzyskania założonej, jednakowej temperatury w całej masie grzanego
elementu
-Wyróżnia się zabieg nagrzewania i wygrzewania
-Nagrzewanie: a,b,c
Dobór czasu grzania
Rodzaje ośrodków grzejnych
Powietrze
Ośrodki gazowe
Złoża fluidalne
Kąpiele solne: sole chlorkowe hartownicze (chlorki baru,
sodu, wapnia oraz krzemionka lub tlenek aluminium) lub
saletrzankowe (azotany sodu, potasu, azotyn sodum
chromiany)
Ciekłe kąpiele metalowe: bizmut, antymon, cyna i ołów
Chłodzenie i ośrodki chłodzące
-Zabieg obróbki cieplnej polegający na odprowadzeniu ciepła
przez ośrodek chłodzący
-Rodzaje ośrodków chłodzących:
•Woda, roztwory wodne soli, zasad, polimerów
•Oleje hartownicze
•Kąpiele solne i metalowe
•Ośrodki sfluidyzowane
•Powietrze i inne gazy
Zdolność chłodząca różnych ośrodków
Wyżarzanie
Polega na nagrzaniu stali do określonej temperatury, wygrzaniu i
studzeniu w celu uzyskania struktury zbliżonej do stanu równowagi
Klasyfikacja operacji wyżarzania:
•Przemiany alotropowe nie decydują o istocie procesu (wyżarzanie
ujednorodniające)
•Brak przemian alotropowych (wyżarzanie rekrystalizujące i
odprężające)
•Przemiany alotropowe decydują o istocie procesu (wyżarzanie
normalizujące, zupełne, izotermiczne, sferoidyzujące)
Hartowanie objętościowe
Hartowanie polega na nagrzaniu
stali do temperatur występowania
austenitu >Ac1,3, wygrzaniu i
oziębieniu z szybkością większą od
krytycznej
Hartowanie objętościowe –
austenityzacja obejmuje całą
objętość przedmiotu
Hartowanie martenzytyczne
(zwykłe z chłodzeniem ciągłym i
stopniowe) oraz bainityczne
(zwykłe i izotermiczne)
%C
Pasmo prawidłowych temperatur
hartowania i nieprawidłowe
temperatury T1-T10
Martenzytyczne zwykłe:
•Chłodzenie ciągłe do temperatury niższej niż Ms, stale węglowe zwykle
w wodzie, stopowe – w oleju lub na powietrzu
•Struktura martenzyt + austenit szczątkowy + (węgliki)
•Duża twardość i wysokie pozostałe właściwości wytrzymałościowe,
niskie właściwości plastyczne, duża kruchość, duże naprężenia i
odkształcenia
Martenzytyczne stopniowe
•Oziębianie stopniowe
•Struktura i właściwości j.w., ale mniejsze naprężenia i odkształcenia
•Stosowane do małych przedmiotów i o złożonych kształtach
Bainityczne zwykłe
•Szybkość mniejsza od krytycznej
•Większe właściwości plastyczne i mniejsza kruchość niż przy
hartowaniu martenzytycznym
Bainityczne z przemianą izotermiczną
•Oziębienie austenitu przechłodzonego do temperatury niższej od
przemiany perlitycznej, wytrzymaniu w tej temperaturze do zakończenia
przemiany bainitycznej, chłodzeniu do temperatury pokojowej
•Znaczne ograniczenie naprężeń i odkształceń
•Stosowane do przedmiotów o małych przekrojach i dużych
przedmiotów ze stali stopowych
Hartowanie powierzchniowe
Polega na nagrzaniu warstwy wierzchniej przedmiotu do
temperatury hartowania i następnym szybkim chłodzeniu
W zależności od sposobu nagrzewania wyróżnia się
hartowanie:
•Indukcyjne
•Płomieniowe
•Laserowe kąpielowe
•Kontaktowe
•Elektrolityczne
•Impulsowe
Metody hartowania powierzchniowego płomieniowego: a) jednoczesne
spoczynkowe, b) jednoczesne obrotowe, c) ciągłe posuwno-obrotowe,
d) ciągłe jednego obrotu
Odpuszczanie
Stosowane zawsze po hartowaniu
Polega na nagrzaniu stali zahartowanej do temperatury niższej od Ac1,
wygrzaniu w tej temperaturze i chłodzeniu do temperatury pokojowej
Rodzaje odpuszczania:
•Niskie: 150-200ºC do narzędzi, sprężyn, sprawdzianów w celu
usunięcia naprężeń hartowniczych z zachowaniem dużej twardości,
wytrzymałości i odporności na ścieranie. Hartowanie i niskie
odpuszczanie – utwardzanie cieplne
•Średnie: 250-500ºC do sprężyn, resorów, matryc, prowadzi do
niewielkiego spadku twardości przy zachowaniu dużej wytrzymałości i
sprężystości
•Wysokie: 500ºC-Ac1, ma na celu osiągnięcie optymalnych właściwości
wytrzymałościowych i plastycznych, stosowane do elementów
konstrukcji, od których wymaga się wysokiej granicy plastyczności.
Hartowanie i wysokie odpuszczanie – ulepszanie cieplne. Miara
skuteczności ulepszania cieplnego – stosunek Re/Rm.
Struktury stali odpuszczonych
•Niskie: martenzyt niskoodpuszczony – mieszanina martenzytu
tetragonalnego z dyspersyjnymi węglikami i austenitem szczątkowym
•Średnie: martenzyt średnioodpuszczony, małe odkształcenie
tetragonalne i dyspersyjne wydzielenia cementytu
•Wysokie: martenzyt wysokoodpuszczony, nieprzesycony węglem, mała
gęstość dyslokacji, skoagulowane wydzielenia cementytu, brak austenitu
szczątkowego, w stalach stopowych węgliki stopowe
Obróbka podzerowa
•Inaczej wymrażanie: chłodzenie stali bezpośrednio po
hartowaniu do temperatury poniżej 0ºC, wychłodzenie i
ogrzanie do temperatury pokojowej
•Cel - zmniejszenie ilości austenitu szczątkowego
•Stosowane dla narzędzi pomiarowych i sprawdzianów w celu
stabilizacji struktury, a tym samym wymiarów elementów
Hartowność
Hartowność – podatność stali na hartowanie,
wyrażona zależnością przyrostu twardości w wyniku
hartowania od warunków austenityzowania i
szybkości chłodzenia
Utwardzalność: podatność stali na hartowanie, której miarą
jest zależność największej możliwej do uzyskania po
hartowaniu twardości od warunków austenityzowania i
szybkości chłodzenia
Przehartowalność: podatność stali na hartowanie jako
zależność przyrostu twardości od szybkości chłodzenia
Średnica krytyczna – miara przehartowalności: średnica pręta, w którym
po zahartowaniu w ośrodku o określonej intensywności chłodzenia w osi
przekroju poprzecznego uzyskuje się strukturę złożoną z n %
martenzytu. Średnica D50 nazywa się średnica półmartenzytyczną
Wartość średnicy krytycznej dla danej stali zależy od zdolności
chłodzącego ośrodka do odprowadzania ciepła, której miarą jest
współczynnik intensywności chłodzenia H
Metoda Jominy`ego określania hartowności
Odpuszczalność
•Odpuszczalność – reakcja stali po hartowaniu na odpuszczanie
•Określona zależnością twardości od temperatury odpuszczania przy
stałym czasie lub temperaturze
•Zależy od struktury stali po hartowaniu
Obróbka cieplno-chemiczna
1. Podstawy teoretyczne
2. Dyfuzyjne nasycanie stali węglem i azotem
Postawy teoretyczne
• Definicja: zabieg cieplny lub zespół zabiegów prowadzonych dla
uzyskania zmiany składu chemicznego i struktury, a przez to
właściwości warstwy wierzchniej stopu w wyniku oddziaływania
chemicznego środowiska i temperatury. Oprócz przekazywania
ciepła, ma miejsce transport masy
•Cel obróbki: wytworzenie warstw wierzchnich o zwiększonej
odporności na ścieranie, zmęczenie, korozyjne działanie
środowiska
•Najczęściej stosowane zabiegi obróbki cieplno-chemicznej:
nawęglanie, azotowanie, węgloazotowanie i azotonawęglanie,
krzemowanie, metalizowanie dyfuzyjne (aluminiowanie,
chromowanie, cynkowanie itp.)
Procesy składowe transportu masy w obróbce cieplnochemicznej
1. Reakcje w ośrodku nasycającym, związane z utworzeniem
aktywnych wolnych atomów składnika nasycającego, np.
CH4 2H2 + C
2. Dyfuzja w ośrodku nasycającym, m.in. dopływ atomów
składnika nasycającego do powierzchni metalu
3. Adsorpcja, czyli osadzanie wolnych atomów składnika
nasycającego na granicy fazy stałej w postaci warstewki o
grubości jednego atomu
4. Dyfuzja – aktywowany cieplnie proces zachodzący wskutek
ruchu atomów w sieci przestrzennej metalu w kierunku
wyrównania stężenia składników. Warunkiem przebiegu dyfuzji
jest rozpuszczalność w stanie stałym pierwiastka
nasycającego w osnowie metalicznej obrabianego materiału.
Dyfuzję opisują prawa Ficka.
Adsorpcja: a) schemat sił powierzchniowych powodujących adsorpcję
atomów, b) warstwa atomów zaadsorbowanych
Mechanizmy dyfuzji:
•W roztworach różnowęzłowych – mechanizm wakansowy
•W roztworach międzywęzłowych – mechanizm międzywęzłowy,
charakterystyczny dla C i N w stopach żelaza
Prawa Ficka opisujące dyfuzję
Pierwsze prawo Ficka opisuje szybkość dyfuzji J (strumień
atomów, tj. ilość atomów składnika nasycającego na jednostkę
powierzchni i czasu [1/cm2s])
J = - D · dc/dx; D = D0 · exp(-Q/RT)
D – współczynnik dyfuzji [cm2/s], c- stężenie [1/cm3], x – odległość
[cm], dc/dx – gradient stężenia pierwiastka dyfundującego, Q –
energia aktywacji dyfuzji, R - stała gazowa 8,314 J/mol · K (stała
fizyczna równa pracy wykonanej przez 1 mol gazu doskonałego
podgrzewanego o 1 kelwin (stopień Celsjusza) podczas
przemiany izobarycznej), D0 – stała zależna od struktury
krystalicznej metalu, T – temperatura w skali bezwzględnej
c
x
c
x
Drugie prawo Ficka opisuje przebieg dyfuzji w czasie
dc/d = d/dx (D · dc/dx)
- czas procesu
Drogi dyfuzji:
1. Wzdłuż powierzchni – najłatwiej
2. Wzdłuż granic ziaren – trudniej
3. Wewnątrz ziaren – najtrudniej
Pierwiastek
dyfundujący
Metal
3
1
2
Dyfuzyjne nasycanie stali węglem i azotem
Nawęglanie polega na dyfuzyjnym nasycaniu warstwy wierzchniej
stali (0,5-2 mm) w węgiel podczas wygrzewania obrabianego
przedmiotu w ciągu określonego czasu w ośrodku zawierającym
węgiel atomowy w temperaturze 900-950ºC
Ośrodki nawęglające, m.in.: stałe (węgiel drzewny), roztopione
sole (węglany, chlorki metali alkalicznych),gazowe (CO, CH4)
Stale do nawęglania – niskowęglowe, do ok. 0,25%C
Zawartość węgla w stali po nawęglaniu: ~0,8 % w strefie
przypowierzchniowej, malejąca w kierunku rdzenia
Struktura i twardość stali po nawęglaniu: perlityczna (lub z małym
udziałem Fe3C) w strefie przypowierzchniowej o twardości 250300 HB, do ferrytyczno-perlitycznej w rdzeniu o twardości 100-150
HB
Obróbka cieplna po nawęglaniu: hartowanie w celu zwiększenia
twardości warstwy przypowierzchniowej do 60 HRC i niskie
odpuszczanie
Zastosowanie nawęglania: elementy o dużej twardości
powierzchni, odporności na ścieranie, naciski powierzchniowe i
wytrzymałości zmęczeniowej z rdzeniem o dużej ciągliwości,
sprężystości i odporności na dynamiczne obciążenia, takie jak
koła zębate, wałki rozrządu, sworznie tłokowe, pierścienie i wałki
łożysk tocznych
Azotowanie polega na dyfuzyjnym nasycaniu warstwy
wierzchniej stali (do ok. 0,4 mm) w azot podczas wygrzewania
obrabianego przedmiotu w ciągu określonego czasu w ośrodku
zawierającym azot atomowy w temperaturze niższej niż Ac1
Obróbka cieplna przed azotowaniem: ulepszanie cieplne
Stale do azotowania – średniowęglowe, ok. 0,4%C, w tym z
pierwiastkami stopowymi Cr, Mo, Al, tworzącymi twarde azotki
Ośrodki: najczęściej strumień zdysocjowanego amoniaku w
temperaturze 500-600ºC, NH3 3H + N
Struktura i właściwości przypowierzchniowej strefy stali po
nawęglaniu: azotki o dużym stopniu dyspersji, twardość 8001200 HV0,05, odporność odporność na korozję
Zastosowanie azotowania: elementy konstrukcyjne i
narzędziowe narażone podczas pracy na zużycie ścierne i
korozję, np. elementy silników i pomp w przemyśle okrętowym,
lotniczym i motoryzacyjnym, narzędzia do obróbki plastycznej i
skrawania, elementy wytłaczarek i wtryskarek
Odlewnicze stopy żelaza
Staliwa niestopowe
i staliwa stopowe
Staliwa niestopowe
Ważnym materiałem konstrukcyjnym,
stosowanym w postaci odlewów jest staliwo
niestopowe. Otrzymuje się je w wyniku
odlewania do form, w których krzepnie
uzyskując wymagany kształt użytkowy.
Klasyfikacja staliw niestopowych
1.
2.
Staliwa niestopowe (węglowe) dzieli się na dwie
grupy podlegające odpowiednio odbiorowi:
Na podstawie własności mechanicznych
(granica plastyczności Re, granica
wytrzymałości na rozciąganie Rm, udarność KU,
przewężenie Z, wydłużenie A),
Na podstawie własności mechanicznych oraz
składu chemicznego
Oznaczanie staliw niestopowych
Znak staliwa składa się z dwóch liczb
określających wyrażone w MPa wartości
minimalnej granicy plastyczności Re oraz
minimalnej wytrzymałości na rozciąganie
Rm (np. 200-400), po których w przypadku
staliw niestopowych podlegających
odbiorowi także na podstawie składu
chemicznego, umieszczona jest litera W
(np. 270-480W).
Skład chemiczny i własności mechaniczne
staliw niestopowych konstrukcyjnych
Znak
staliwa
Maksymalne stężenie
głównych
pierwiastków 2, )%
C
200-400W
230-450W
Minimalne własności mechaniczne
Re,
MPa
Rm,
MPa
A,
%
Z,
%
KV,
J
1
200
400
25
40
45
1,2
230
450
22
31
45
Mn
0,25
Si
0,6
270-480W
1,2
270
480
18
25
22
340-550W
1,5
340
550
15
21
20
2) P≤0,035, Ni ≤0,4, Cr ≤0,35, Cu ≤0,4, Mo ≤0,15, V ≤0,05, Ni+Cr+Cu+Mo+V ≤1
Oznaczanie staliw niestopowych
c.d.
Staliwa niestopowe konstrukcyjne są także
stosowane na odlewy do pracy pod
ciśnieniem. Staliwa te poddaje się
wyżarzaniu normalizującemu (+N) lub
ulepszaniu cieplnemu (+QT). Oznaczenia
tych staliw zaczynają się od litery G, po
czym są identyczne z oznaczeniami
odpowiadających im stali.
Skład chemiczny i własności mechaniczne
staliw niestopowych do pracy pod ciśnieniem
Znak staliwa
Maksymalne stężenie
głównych
pierwiastków , %
Minimalne własności mechaniczne
Re,
MPa
Rm,
MPa
A,
%
KV,
J
1,2
240
420
22
27
1,2
240
420
22
40
C
Mn
GP240GR+N
0,25
GP240GH+QT
0,23
Si
0,6
GP280GH+QT
0,25
1,2
280
480
22
35
G17Mn5+N
0,2
1,6
240
450
24
27
1) P≤0,03, S ≤0,02, Ni ≤0,4, Cr ≤0,3, Cu ≤0,3, Mo ≤0,12, V ≤0,03, Ni+Cr+Cu+Mo+V ≤1
Struktura i własności staliw
niestopowych
Własności staliw zależą głównie od stężenia
węgla.
Staliwa szczególnie nisko- i średniowęglowe
cechują się dobrą spawalnością.
Składnikami strukturalnymi występującymi w
staliwie niestopowym jest ferryt i perlit.
Wpływ stężenia węgla na własności
mechaniczne staliw niestopowych
70
Re, Rm [MPa]
Z
500
60
50
400
Re
300
A
200
KU
100
0
40
30
240
20
160
10
80
0,1
, 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
STĘŻENIE WĘGLA [%]
KU [J]
Rm
600
Z,A [%]
700
Staliwa stopowe
Staliwa stopowe to takie, do których celowo wprowadza się
pierwiastki stopowe, aby nadać im wymagane własności.
Przeważnie stosowane są staliwa, które zawierają kilka składników
stopowych, w tym głównie Ni, Cr, Si, Mn, często dodatki Mo, V,
W, Ti, Nb, Co i B.
Gdy łącznie stężenie dodatków nie przekracza 2,5% staliwo
uważane jest za niskostopowe, gdy jest zawarte w przedziale 2,55% - za średniostopowe, a przy stężeniu większym od 5% za
wysokostopowe.
Oznaczenie staliw stopowych rozpoczyna się od litery G lub L, a
następujący po nich znak jest zgodny z systemem oznaczania
odpowiedniej grupy stali.
Klasyfikacja staliw stopowych
1.
•
•
•
•
2.
3.
4.
Staliwa stopowe dzieli się na:
Konstrukcyjne i maszynowe
staliwa ogólnego przeznaczenia,
staliwa do pracy pod ciśnieniem
w pokojowej i podwyższonej temperaturze,
staliwa do pracy pod ciśnieniem w niskiej temperaturze,
staliwa odporne na ścieranie
Staliwa stopowe narzędziowe,
Staliwa stopowe żaroodporne i żarowytrzymałe,
Staliwa stopowe odporne na korozję.
Staliwa stopowe konstrukcyjne
i maszynowe
Staliwa te stosowane są na silnie obciążone
odlewy i cechują się wysoką wytrzymałością na
rozciąganie, przy dużej granicy plastyczności
i dużej ciągliwości.
Skład chemiczny staliwa powinien być dobrany
tak, aby przy danej grubości ścianki odlewu
umożliwiał zahartowanie odlewu na wskroś oraz
uzyskanie jednolitych i dobrych własności
mechanicznych na całym przekroju odlewu po
ulepszaniu cieplnym.
Dodatki stopowe w tych staliwach przede
wszystkim podnoszą ich hartowność.
Staliwa stopowe żaroodporne
i żarowytrzymałe
1.
2.
Głównym składnikiem żaroodpornych staliw stopowych jest
chrom, zapewniający dużą żaroodporność.
Staliwa żaroodporne i żarowytrzymałe dzielimy na:
Wysokochromowe – stosowane na odlewy mało obciążone,
pracujące w temperaturze utleniającej do 750-1150°C
Chromowo-niklowe
- ferrytyczno-austenityczne – stosowane na odlewy pracujące w
atmosferze utleniającej do 1100°C, odporne na działanie kąpieli
solnych,
- austenityczne – stosowane na odlewy pracujące pod znacznym
obciążeniem w atmosferze utleniającej do 900-1150°C, staliwa
wysokoniklowe mało odporne na działanie gazów ze związkami
siarki.
Orientacyjny skład chemiczny
i maksymalna temperatura pracy staliw żaroodpornych
wysokochromowych
Średnie stężenie pierwiastków *, %
Znak staliwa
C
GX30CrSi7
0,28
GX40CrSi24
0,4
GX160CrSi18
1,6
Si
1,8
Maksymalna
temperatura
pracy, °C
Mn
Cr
0,75
7
750
≤1
24,5
1050
≤1
18
900
Orientacyjny skład chemiczny i własności
żaroodpornych staliw chromowo-niklowych
Stężenie pierwiastków*, %
Minimalne własności
Maksymalna
temperatura
pracy, °C
Znak staliwa
C
Si
Cr
Ni
Nb
Re,
MPa
Rm,
MPa
A, %
GX40CrNi27-4
0,4
1,8
26,5
4,5
-
250
550
3
1100
GX40CrNiSi22-10
0,4
1,8
22
10
-
230
450
8
950
0,4
1,8
19,5
37,5
-
220
420
6
1020
GX40NiCrSi38-19
Staliwa stopowe odporne na
korozję
1.
2.
Podstawowym dodatkiem stopowym jest chrom ≥ 12%,
a ponadto nikiel, molibden i miedź.
Staliwa stopowe odporne na korozję dzielimy na:
Martenzytyczne – stosowane na odlewy odporne na
korozję atmosferyczną, w parze wodnej i w wodzie
morskiej, w przemyśle chemicznym, na wały turbin
wodnych i parowych, śruby okrętowe, armatura wodna
Austenityczne - stosowane na odlewy odporne na
działanie kwasów organicznych, wody morskiej, pompy,
zbiorniki, rurociągi, odlewy do pracy pod ciśnieniem,
elementów kotłów parowych i innych urządzeń,
zaworów o żarowytrzymałości do ok..550°C, niektóre
staliwa można stosować do -196 °C.
Staliwa stopowe odporne na korozję
c.d.
3.
Austenityczno-ferrytyczne - stosowane
na odlewy o większej wytrzymałości w
porównaniu ze staliwami austenitycznymi,
szczególnie odporne na korozję
naprężeniową, odlewy do pracy pod
ciśnieniem, elementy kotłów parowych i
innych urządzeń, zaworów o dużej
wytrzymałości, odlewy na zbiorniki
ciśnieniowe do ok.250°C, niektóre staliwa
można stosować do - 70 °C.
Orientacyjny skład chemiczny i własności
staliw stopowych odpornych na korozję
Temperatura
°C
Stężenie pierwiastków, %
Minimalne własności
Znak
staliwa
Cr
Ni
Mo
Inne
hartowa
nia
odpusz
czania
Re,
MPa
Rm,
MPa
A,
%
KV,
J
≤0,5 12,5
≤1
≤0,5
-
9501050
650750
450
620
15
20
GX4CrNi13-4 ≤0,06 12,8
4,3
≤0,7
N ≤0,2
10001050
590620
550
760
15
50
C
GX12Cr12
Orientacyjny skład chemiczny i własności
austenitycznych i austenityczno-ferrytycznych staliw
stopowych odpornych na korozję
Znak
staliwa
Stężenie pierwiastków, %
C
Cr
Ni
Mo
Cu
Inne
Temper
atura
przesyc
ania, °C
Minimalne własności
Re,
MPa
Rm,
MPa
A,
%
Z,
%
195
440
30
80
165
430
30
60
420
590
20
30
Staliwa austenityczne
GX2CrNiMo
19-11-2
≤0,03
19
10,5
2,25
-
N ≤0,2
10801150
Staliwa w pełni austenityczne
GX2CrNiMo
28-20-2
≤0,03
20,5
28
2,25
≤2
N ≤0,2
10801180
Staliwa austenityczno-ferrytyczne
GX6CrNiN
26-7
≤0,08
26
6,5
-
-
N: 0,15
10401140
Odlewnicze stopy żelaza
Żeliwa niestopowe,
Żeliwa stopowe
Żeliwa niestopowe
Żeliwo należy do materiałów odlewniczych
najpowszechniej stosowanych w budowie
maszyn. Decydują o tym niski koszt
produktów, niska temperatura topnienia,
dobre własności wytrzymałościowe oraz
dobra skrawalność.
Żeliwo zawiera ok. 2-4% węgla.
Rodzaje żeliw niestopowych
W zależności od postaci, w której występuje
węgiel, rozróżnia się żeliwa:
1. Szare, w których węgiel występuje
w postaci grafitu płatkowego,
2. Białe, w których węgiel jest związany
w cementycie,
3. Połowiczne (pstre), w których występuje
zarówno cementyt jak i grafit.
Typowe struktury żeliw
perlit
[C] cementyt [Fe3C]
perlit [P]
II
I
IIa
P+C
ferryt [F]
IV
III
IIb
P+F+
G
grafit
grafit [G]
P+C+G
F+G
perlit
P+G
grafit sferoidalny
węgiel żarzenia
V
P+G
ferryt
F+Cżarz
.
I- białe, IIa- połowiczne, II- szare perlityczne, IIb- szare ferrytyczno-perlityczne,
III- szare ferrytyczne, IV- sferoidalne, V- ciągliwe
Wzorce kształtu grafitu
wg PN-EN ISO 945:1999
Oznaczanie żeliw
1.
2.
Żeliw zgodnie z PN-EN 1560:2001, są oznaczane na
podstawie:
symboli – znak składa się liter EN-GJ, litery określającej
postać grafitu lub cementytu i jeśli to konieczne
następnej litery identyfikującej mikro lub
makrostrukturę. Następne części znaku (oddzielone od
siebie kreskami) klasyfikują żeliwo wg własności lub
składu chemicznego,
lub numerów – oznaczenie to zaczyna się od liter EN-J,
następnie jest litera określająca strukturę (zwłaszcza
postać grafitu) i czterocyfrowy numer, np. EN-JS1131
Wg norm krajowych oznaczenia żeliw zaczynają się od
litery Z.
Wpływ chłodzenia na strukturę
Klasyfikacja żeliwa szarego
Szare zwykłe
Modyfikowane za pomocą 0,1-0,5% FeSi,Ca-Si,Al
Sferoidalne, modyfikowane za pomocą Mg
lub Ce
Klasyfikacja żeliwa szarego
Własności mechaniczne wybranych
żeliw sferoidalnych
Warunki wytwarzania i struktura
żeliw ciągliwych
Warunki wytwarzania i struktura
żeliw ciągliwych
temperatura
Fe3C→3Fe+C
I stopień graf.
II stopień graf.
czas
Wpływ grafitu na własności
żeliw
1.
2.
3.
4.
5.
Grafit powoduje zmniejszenie własności
wytrzymałościowych żeliwa i zmianę niektórych innych
własności, a szczególnie:
Działa jako karb wewnętrzny, stanowiąc nieciągłości w
metalu, zmniejsza skurcz odlewniczy,
Polepsza skrawalność,
Zwiększa własności ślizgowe,
Sprzyja tłumieniu drgań,
Powoduje zmniejszenie wytrzymałości zmęczeniowej.
Wpływ domieszek na proces
grafityzacji
Grafityzację
1. Ułatwiają – krzem i fosfor,
2. Utrudniają – mangan i siarka.
Wpływ szybkości chłodzenia na
strukturę i własności żeliw
Wraz ze zwiększeniem grubości ścianek
odlewu zwiększa się ilość i grubość płatków
wydzielonego grafitu, co powoduje
zmniejszenie własności
wytrzymałościowych.
Zapobiega się temu zjawisku poprzez
zmniejszenie stężenia węgla i krzemu oraz
innych pierwiastków grafityzujących
w żeliwie
Porównanie własności żeliw niestopowych
Białe
Główne
składniki
Rm,
MPa
Re,
MPa
A, %
HB
Rc,
MPa
Rg.
MPa
250300
-
0
450550
-
500700
300450
-
0
450600
-
450500
Grafit
płatkowy w
osnowie
ferrytycznej
125200
85-140
0,5-1
100150
Perlityczne
Grafit
płatkowy w
osnowie
perlitycznej
150250
Perlityczne
Drobne płatki
grafitu w
osnowie
perlitycznej
300400
200275
0,5
210320
Grafit kulisty
w osnowie
ferrytycznej
400450
200300
10-25
Perlityczne
Grafit kulisty
w osnowie
perlitycznej
600750
300400
Białe
Powierzchniow
o odwęglona
350450
Węgile żarzenia
w osnowie
ferrytu
300400
Grupa żeliw
Niskowęglowe
2,75% C
1% Si
Wysokowęglowe
3,25% C
0,25% Si
Ferrytyczne
3,25% C
2% Si
Szare
zwykłe
Szare
modyfiko
wane
2,75% C
2,25% Si
Ferrytyczne
3,5% C
2% Si
Sferoidal
ne
2,5% C
0,8% Si
Ciągliwe
Czarne
Struktura
Ledeburyt
przemieniony
Cechy eksploatacyjne
Znaczna kruchość, twardość,
i odporność na ścieranie, zła
obrabialność, używane do
produkcji żeliwa ciągliwego.
350450
Niewielka wytrzymałość
i plastyczność, dobra lejność
i obrabialność, duża zdolność do
tłumienia drgań, niski koszt
wytwarzania, powszechne
zastosowanie
7501000
450650
Mała wrażliwość struktury na
grubość ścianki odlewu, gorsza
lejność i obabialnośc oraz wyższy
koszt wytwarzania niż żeliwa
szarego zwykłego
130170
750900
900950
3
240290
10001250
9001000
280320
5-10
120220
-
--
260300
10-20
110190
-
600800
100200
0,5
180240
-
Dobre własności mechaniczne
i plastyczne, ,dobra lejność, liczne
zastosowania
Dobra wytrzymałość plastyczność
i odporność na obciążenia dynamiczne,
liczne zastosowania
Żeliwa stopowe
1.
2.
3.
4.
5.
Do żeliw stopowych są wprowadzane dodatki stopowe,
występujące oprócz domieszek.
Pierwiastki te są dodawane w celu polepszenia
własności użytkowych żeliwa, a w szczególności:
Zwiększenia własności mechanicznych,
Zwiększenia odporności na ścieranie,
Polepszenia odporności na działanie korozji
elektrochemicznej,
Polepszenia odporności na działanie korozji gazowej
w podwyższonej temperaturze,
Polepszenia własności fizycznych np. magnetycznych
lub elektrycznych.
Oznaczanie żeliw stopowych
Zgodnie z PN-88/H-83144 znak żeliwa
stopowego szarego lub połowicznego
rozpoczyna się literami - Zl, białego – Zb,
sferoidalnego – Zs, po czym podane są
symbole pierwiastków stopowych i liczby
określające średnie stężenie pierwiastka
w żeliwie.
Żeliwa stopowe o podwyższonej
odporności na ścieranie
1.
2.
3.
Głównymi pierwiastkami stopowymi
znajdującymi się w stopach o podwyższonej
odporności na ścieranie są:
Dla żeliw niskostopowych: Ni, Cr, Cu, Mo, V,
Ti, W (łącznie < 3%),
Dla żeliw średniostopowych: Ni, Cr, Al., Si
(Łącznie 3-20%),
Dla żeliw wysokostopowych Ni, Cr, Al, Si, Mn
( łącznie >20%)
Żeliwa stopowe o podwyższonej
odporności na ścieranie
Żeliwa niskostopowe stosowane są na elementy maszyn o
dobrej odporności na ścieranie, na działanie podwyższonej
temperatury, a także spalin i wód naturalnych, np.
elementy silników, pomp, sprężarek, koła zębate.
Żeliwa średnio i wysokostopowe stosuje się na elementy
pracujące w cięższych warunkach, silnie obciążone
elementy maszyn, w przemyśle energetycznym,
transporcie pneumatycznym, części pomp szlamowych,
łopatki turbinowe, odlewy odporne na ścieranie w
warunkach obciążeń udarowych.
Żeliwa stopowe żaroodporne
i żarowytrzymałe
1.
2.
3.
Wyróżniamy następujące żeliwa stopowe żaroodporne:
Chromowe – (0,6-3%) odlewy pracujące w
temperaturze do ok. 550-650°C, np. elementy
konstrukcyjne pieców, palenisk, aparatury chemicznej,
niektóre elementy silników,
Krzemowe – (4,5-6%) odlewy pracujące w temp. do ok.
700°C, np. retorty, ruszty,
Aluminiowe – (3-8%) odlewy pracujące w atmosferze
utleniającej w temperaturze do ok. 750-800 °C, np.
elementy kotłów, tygle do topienia stopów metali
lekkich, elementy aparatury chemicznej,
Żeliwa stopowe żaroodporne
i żarowytrzymałe c.d.
4.
5.
Wysokochromowe - (25-34%) odlewy pracujące w
atmosferze utleniającej w temperaturze do ok. 1100 °C,
żeliwa odporne na ścieranie oraz działanie niektórych
czynników korozyjnych,
Wysokoniklowe – (18-22%) odlewy odporne na
utlenianie i obciążenia mechaniczne w temp. do ok. 800
°C, np. elementy aparatury chemicznej, pomp, elementy
pieców oraz żeliwo odporne na działanie niektórych
czynników korozyjnych.
Żarowytrzymałość ulega znacznemu zwiększeniu
prze dodatek Mo.
Żeliwa stopowe odporne na
korozję
1.
2.
Zwiększenie odporności na korozję w szczególności
powodują Si, Cr i Ni,
Wyróżniamy następujące żeliwa stopowe odporne na
korozję:
Krzemowe (14-16%) – odlewy o wysokiej odporności
na korozję w stężonych i rozcieńczonych kwasach oraz
roztworach soli, mało obciążone mechanicznie np.
elementy pomp i armatury chemicznej,
Niklowo – miedziowe (13,5-17,5 % Ni, 5,5-7,5%Cu) –
odlewy odporne na działanie kwasu siarkowego,
kwasów organicznych, zasad ( z wyjątkiem amoniaku),
roztworów soli i gazów utleniających w temp. do ok.
700 °C, w przemyśle chemicznym, maszynowym,
naftowym i okrętowym,
Żeliwa stopowe odporne na korozję
c.d.
3.
4.
Wysokoniklowe sferoidalne – (18-32%) –
odlewy odporne na działanie zasad,
rozcieńczonych kwasów, roztworów soli i
gazów utleniających w temp. ok. 800 °C, np.
pompy, zawory, obudowy turbo-zespołów,
kolektory spalin,
Wysokoniklowe –szare (18-22%) - odlewy
odporne na działanie większości kwasów, zasad
i soli oraz na utlenianie w temp. do ok. 800 °C,
w przemyśle chemicznym, papierniczym,
maszynowym, hutniczym
i spożywczym,
Żeliwa stopowe odporne na korozję
c.d.
5.
Wysokochromowe – (25-34%) –
odlewy elementów odpornych na działanie
roztworów kwasów, zasad i soli oraz
czynników utleniających w temp. do ok.
1100 °C, w przemyśle chemicznym
i spożywczym.
Żeliwa stopowe do pracy w niskiej
temperaturze (w zakresie do - 200 °C)
Do pracy w niskiej temp. stosowane są żeliwa
o strukturze austenitycznej, np.
EN-GJSA-XNiMn23-4, (EN-GJSA - żeliwa sferoidalne)
Orientacyjny skład chemiczny i własności mechaniczne
żeliw austenitycznych do pracy
w niskiej temperaturze:
Skład chemiczny: C (2,2 -3), Si (1,7-3),
Mn (0,7-4,4), Ni (18-24), Cr (≤4), Cu (≤3,4),
V (≤0,5)
Własności mechaniczne: Rm (380-500 MPa),
A (6-45%), HB (130-250), KCU (20-40 J/cm2)
WŁAŚCIWOŚCI
MATERIAŁÓW
Własności mechaniczne przy
rozciąganiu
Wytrzymałość na rozciąganie Rm = Fm/S0
Granica plastyczności Re = Fe/S0
Wydłużenie A = L/L0
Przewężenie Z = S/S0
Naprężenie jednostkowe = F/S0
Wydłużenie jednostkowe = L/L0
Wyraźna granica Re
Brak wyraźnej granicy Re
Stal węglowa
Inne próby
Przy ściskaniu
Przy zginaniu
Przy skręcaniu
Próby twardości
Statyczne
Dynamiczne
Zarysowania
Ścieralności
Próby statyczne
Brinella
Vickersa
Knoopa
Chruszczowa-Bierkowicza
Grodzińskiego
Rockwella
Metoda Brinella
Kulka z węglików spiekanych 1-10 mm HBW
(kiedyś: także stalowa hartowana HB)
Metoda Vickersa
Ostrosłup diamentowy
136° o podstawie
kwadratu
HV = 0,1891 F/d2
Metoda Knoopa
Wgłębnik diamentowy
Do pomiaru twardości
cienkich warstw
Metoda ChruszczowaBierkowicza
Wgłębnik diamentowy w kształcie
ostrosłupa trójściennego o nachyleniu ścian
65°
Do materiałów szczególnie twardych
Metoda Grodzińskiego
Do bardzo twardych materiałów
Metoda Rockwella
Próby udarności
Charpy`ego: złamanie
jednym uderzeniem
młot wahadłowego
Charpy`ego próbki z
karbem podpartej
swobodnie na jednym
końcu i pomiarze
pracy jej załamania
OBRÓBKA PLASTYCZNA
METALI
Plastyczność: zdolność metali i stopów do
trwałego odkształcania się bez naruszenia
spójności
Obróbka plastyczna: walcowanie, kucie,
prasowanie, ciągnienie
Produkty i półprodukty hutnicze po obróbce
plastycznej: pręty, kształtowniki, rury, druty,
blachy, odkuwki
Obróbka: na zimno lub na gorąco
Stopień gniotu: Z = S0 – S1 / S0
Mechanizmy odkształcenia plastycznego
Poślizg dyslokacyjny
Bliźniakowanie
Pełzanie dyslokacyjne
Pełzanie dyfuzyjne
Poślizg po granicach ziaren
Poślizg
Systemy poślizgu; linie i pasma poślizgu
Bliźniakowanie
polega na jednorodnym ścinaniu o
wektor bliźniakowania kolejnych
warstw atomów w płaszczyznach
bliźniakowania.
Zbliźniaczona część kryształu ulega
skręceniu względem części
nieodkształconej w taki sposób, że
ich struktury krystaliczne są
symetryczne osiowo względem
płaszczyzny bliźniakowania.
Podobnie jak poślizg jest
dyslokacyjnym mechanizmem
odkształcania a bliźniaki wykazują
koherentną granicę z
nieodkształconą osnową
Odkształcenie plastyczne na zimno
polikryształów
Granica sprężystości i
plastyczności
Górna Re wywołana
odrywaniem atomów domieszek
od dyslokacji
Dolna Re – równanie HallaPetcha Red = 0 + kd(-1/2)
Zgniot i tekstura zgniotu
Przemiany cieplne podczas wyżarzania metali
uprzednio odkształconych plastycznie na zimno
Zdrowienie statyczne
Rekrystalizacja statyczna
Zdrowienie statyczne
Proces aktywowany cieplnie, zachodzący podczas
wyżarzania poniżej temperatury rekrystalizacji w metalach
uprzednio odkształconych plastycznie na zimno
Proces związany ze zmniejszeniem liczby defektów
punktowych, gęstości dyslokacji oraz zmianami struktury
przestrzennej dyslokacji
Dyfuzja i anihilacja defektów punktowych, poślizg i
wspinanie dyslokacji, anihilacja dyslokacji
różnoimiennych, kurczenie się i zanik pętli dyslokacyjnych
Poligonizacja prosta i złożona
Poligonizacja
Prosta: działał w czasie odkształcania
tylko jeden system poślizgu; tworzenie
się niskokątowych granic daszkowych w
wyniku przegrupowania się nadmiaru
dyslokacji jednoimiennych
Złożona: działało podczas odkształcania
kilka systemów poślizgu, powstają
komórki o małej gęstości dyslokacji
otoczone ściankami o dużej gęstości.
Podczas tej poligonizacji powstają
podziarna o małej gęstości dyslokacji i
ściankach stanowiących granice złożone
daszkowe i skrętne
Rekrystalizacja statyczna
Przebiega powyżej temperatury rekrystalizacji
Polega na powstawaniu i migracji
szerokokątowych granic ziaren
Niezbędny jest pewien gniot krytyczny
Zachodzi przez zarodkowanie i wzrost ziaren
Zarodkowanie
Następuje w obszarach
o największej
krzywiźnie sieci: w
obszarach o dużym
gradiencie
odkształcenia, w
pobliżu granic ziaren,
dużych wydzieleń,
powierzchni
swobodnych, w
pasmach poślizgu.
Polega na: wzroście
podziaren i (lub)
migracji odcinków
szerokokątowych
granic ziaren
pierwotnych
Zarodkowanie przez wzrost
podziaren przebiega wskutek:
Migracji granic podziaren powstałych podczas
poligonizacji, jeżeli tworzą one z osnową granicę
szerokokątową i wykazują promień większy od
krytycznego (a)
Wzrostu podziaren utworzonych w wyniku koalescencji,
jeżeli osiągają one wielkość krytyczną i granicę
szerokokątową z osnową (b)
Koalescencja polega na wspinaniu się dyslokacji lub obrocie
jednego z sąsiadujących podziaren
Zarodkowanie przez
migrację odcinków
szerokokątowych: w
silnie zdefektowaną
osnowę przemieszcza
się granica
szerokokątowa w
wyniku uchodzenia do
niej wakansów i
dyslokacji
Wielkość ziarna po odkształceniu
plastycznym i rekrystalizacji
Temperatura rekrystalizacji
Zależna od stopnia
gniotu, sposobu,
temperatury i
szybkości
odkształcenia, czasu
wyżarzania, wielkości
ziarna
Wzór Boczwara:
TR = (0,350,6) Tt
Rekrystalizacja pierwotna i wtórna
Pierwotna: migracja szerokątowych granic zarodków
rekrystalizacji do czasu, gdy zrekrystalizowane ziarno
zajmie całą objętość uprzednio odkształconego metalu
Wtórna: następuje selektywny wzrost niektórych ziaren,
bez okresu inkubacji, kilkaset stopni C powyżej
temperatury rekrystalizacji. Przyczyna: obecność faz na
granicach ziaren, zbyt krótki okres wyżarzania, tekstura
Tekstura rekrystalizacji: statystyczna przewaga ziaren o
jednakowej orientacji