MATERIAŁOZNAWSTWO

Prowadzący:

dr hab. inż. Marek Szkodo

Pok. 218

TEMATY WYKŁADÓW1. Charakterystyka ciał stałych2. Struktura materiałów3. Defekty struktury4. Budowa stopów metali5. Układy równowagi fazowej6. Układ równowagi żelazo-węgiel7. Technologie wytwarzania materiałów8. Obróbka plastyczna tworzyw metalowych9. Obróbka cieplna tworzyw metalowych10. Właściwości materiałów11. Degradacja materiałów12. Stopy żelaza13. Stopy metali nieżelaznych14. Tworzywa niemetalowe

ZASADY ZALICZENIA

Pytania egzaminacyjne: www.pg.gda.pl/~kkrzyszt/kimEgzamin zerowy, termin pierwszy i poprawkowy10 pytań – 45 minutZasada 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 jądrzeMasa atomowa: stosunek średniej masy atomu do masy 1/12 atomu C12Układ 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 właściwościWłaściwości ekonomiczne Cena i dostępność

Mechaniczne właściwości objętościowe

Gęstość

Współczynnik sprężystości i tłumienia

Granica plastyczności, wytrzymałości na rozciąganie, twardość

Odporność na pękanie

Wytrzymałość zmęczeniowa, odporność na zmęczenie cieplne

Odporność na pełzanie

Niemechaniczne właściwości objętościowe

Właściwości cieplne

Właściwości optyczne

Właściwości magnetyczne

Właściwości elektryczne

Właściwości powierzchniUtlenianie i korozja

Tarcie, ścieralność i zużycie

Właściwości produkcyjneŁatwość wykonania, łączenia części, wykończenia

Właściwości estetyczne Wygląd, powierzchnia, dotyk

Grupy materiałów

Grupa Materiał

Metale i stopy

Żeliwo i stale

Aluminium i jego stopy

Miedź i jej stopy

Nikiel i jego stopy

Tytan i jego stopy

Kobalt i jego stopy

Polimery

Polietylen (PE)

Polimetakrylan metylu (PMMA)

Polistyren (PS)

Polichlorek winylu (PCV)

Ceramika i szkłaTlenek glinu Al2O3

Cement i beton

KompozytyPolimery zbrojone (GFRP lub CFRP)

cermetale

Grupy materiałów cd.

Metale i ich stopy

Polimery Ceramiki i szkłaCFRP GFRP

Polimery z wypełniaczami

Kompozyty

Beton zbrojony

Cermetale

Opony ze stalowym kordem

Przybliżone ceny różnych grup materiałów

Zastosowanie MateriałCena za tonę

($)

Konstrukcje duże i prosteDrewno, cement, stal

konstrukcyjna60 - 550

Konstrukcje średnie i małeMetale, stopy i polimery

W samolotach, samochodach przyrządach itp.

550 - 5500

Łopatki turbinStopy, 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 inżynierskieWłaściwości

Wynikające ze struktury materiału

Uwarunkowane czynnikami zewnętrznymi związanymi z produkcją

Projektowanie

Mechaniczne właściwości objętościowe

Niemechaniczne właściwości objętościowe

Właściwości powierzchni

Cena i dostępność

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

r – przyrost procentowy w roku

C0 – szybkość zużycia dla t=t0

C [

tona

/rok

]

Czas t [ lata]

C0

t0 t

0100C

r

dt

dC

Pole = zużycie pomiędzy t0 i t

100

)(exp 0

0

ttrCC

Czas podwojenia zużycia tD otrzymamy przyjmując C/C0=2

rrtD

702ln

100Dla stali r = 3,4% to tD~20 lat

Dla aluminium r = 8% to tD~9 lat

Dla polimerów r = 18% to tD~4 lat

Schemat McElveya

Złoża

dostępne

Złoża

perspektywiczne

Całość złóż

Ulepszona technologia wydobycia

Złoża zidentyfikowane Złoża niezidentyfikowane

Malejąca opłacalność

Rosnąca niepewność geologiczna

Opłacalne

Próg opłacalności wydobycia

Nieopłacalne

Energochłonność materiałówMateriał 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

Siły które utrzymują atomy razem – siły międzyatomowe

Sposób ułożenia atomów

Dwa czynniki wpływają na właściwości materiałów

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

+11+17

Na+ Cl

r

20

2

4 r

qF

+5,14eV -4,02eV

r r

qFdrU

0

2

4

r

U

0

Krzywa sił odpychających

Krzywa przyciągania elektrostatycznego

r0~1 nm

Pojedyncze jony np. Na+

atomy np. Na

Wiązania kowalencyjne

Występują w czystej formie w diamencie, Si czy GeH H H2

C C C C

C C C C

C C C C

C C C C

Diament- uwspólnione elektrony zajmują obszary rozciągające się ku narożom czworościanu, prowadząc do powstania kierunkowych wiązań

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

Wiązania wodorowe utrzymują cząsteczki wody w stosunkowo dużej odległości wzajemnej, dlatego lód ma mniejszą gęstość niż woda

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

Podstawowe grupy materiałów

Materiały: ciała stałe o właściwościach umożliwiających ich stosowanie przez człowieka do wytwarzania produktówMateriały naturalne, wymagające jedynie nadania kształtuMateriały 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 wiązaniachWytwarzane zwykle w wysokotemperaturowych procesach nieodwracalnychMateriały 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:

C =

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

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

Sieć regularna płaskocentrowana A1

Feγ,, Al., Cu, Ag, Co, Pb, Ni, Au …..

Sekwencja ABCABCx

y

z

a

[1 1 0]

(1/2 1/2 1) [1 1 2] 〱 1 1 2

x y z

2 3 41/2 1/3 1/4

6/12 4/12 3/12

(6 4 3)

ab

c

Wskaźniki Millera

x

y

z

Ułożenie atomów w kryształach

Mg, Zn, Cd, Be, Co,……

Sekwencja ABAB

Sieć heksagonalna zwarta A3

Wskaźnikowanie płaszczyzn w sieciach układu heksagonalnego

x

y

u

z

(0001)

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).

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 przezatomy 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 symetriiRodzaj elementów symetrii decyduje o podziale kryształów o komórce prymitywnej na 7 układów krystalograficznychKomórka prymitywna: atomy wyłącznie w węzłach sieci

Podstawowe układy krystalograficzne

x

y

z

x

y

zz

y

x

z

x

y

z

xI

xII

xIII

ab

c αβγ

regularny tetragonalny rombowy romboedryczny

heksagonalny

a=b=cα=β=γ=90°

a=b≠cα=β=γ=90°

a ≠ b ≠cα=β=γ=90°

a=b=cα=β=γ≠90°

y

z

y

x

jednoskośny

a ≠ b ≠cα=γ=90° β ≠ 90°

z

x

y

α ≠ β ≠ γ≠90°

trójskośny

a ≠ b ≠c

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

Tetraedr SiO44-

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

Ze względu na cechy geometryczne defekty dzielimy na:1. 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.

2. 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.

3. 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

Wakans anionowy

Wakans kationowy

Kation międzywęzłowy

Defekt Frenkla

Defekt Schottky’ego

Różnowęzłowe anionowe

międzywęzłowe anionowe

różnowęzłowe kationowe

Zanieczyszczenia

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

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.

b

A B

CD

Kierunek poślizgu

wektor Burgersa

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.

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.

C

b

Q

A

B

D

τ

τ

Przemieszczanie dyslokacji śrubowej

Dyslokacje mieszane

A

B

A

B

kierunekpoślizgu

śrubowa

śrubowa

krawędziowakrawędziowa

mieszana

mieszana mieszana

mieszana

Dyslokacja krawędziowa

[110]

Dyslokacja krawędziowa

[111]

Sposób zapisywania wektora Burgersa dyslokacji

b = ca u v w

Gdzie:c – ułamek określający translację sieci w danym kierunkua – 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

b = a/2 1 1 0

Sposób zapisywania wektora Burgersa dyslokacji cd.

x

y1/2

1/2

Długość wektora Burgersa określana jest przez wyrażenie:

b = ca (u2+v2+w2)½

202

22

22a

baa

[111][111]

Sposób zapisywania wektora Burgersa dyslokacji cd.

111ab

[221

]

2212

ab

[001

]

001ab

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 AB

Zmiana kształtu dyslokacji AB spowodowana jej

wspinaniem

Dyslokacja helikoidalna spowodowana dalszym

wznoszeniem

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

Oddziaływanie między dyslokacjami

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 atomówDyslokacje częściowe (kątowe); ruch powoduje zmiany położeń atomówDysocjacja dyslokacji całkowitychRekombinacja dyslokacji częściowychDyslokacje częściowe Shockleya w sieci A1Dyslokacje częściowe Franka w sieci A1Bariery dyslokacyjneReakcje dyslokacyjne

Dyslokacje całkowite i częściowe

b

A B

CD

Kierunek poślizgu

wektor Burgersa

Schemat rozszczepienia dyslokacji

Warunek dysocjacji:

b12 > b2

2 + b32

Warunek rekombinacji:

b12 + b2

2 > b32

[-211

]

[-12-1]

Czworościan Thompsona

Wszystkie płaszczyzny {111} występujące w sieci A1 są ║ do ścian czworościanu, a do jego krawędzi są ║ wszystkie kierunki poślizgu . 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.

110

Dyslokacje częściowe Franka

Dyslokacje Franka mają symbole Aα, Bβ itd. są więc ┴ do płaszczyzn {111} a jej wartość wynosi . Wektor Burgersa

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

1113

a

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 polikryształyZiarna: części kryształu o prawidłowej strukturze krystalicznej o osiach nachylonych względem siebie o kąt dezorientacji Granice wąskokątowe i szerokokątoweGranice 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

Gęstość dyslokacji i innych wad

Wła

snoś

ci w

ytrz

ymał

ości

owe

Na własności wytrzymałościowe wpływają:

1) Siły wiązań międzyatomowych

2) Gęstość dyslokacji i defektów

3) Wielkość ziarna

4) Submikroskopowe wydzielenia faz, których obecność na płaszczyznach poślizgu utrudnia odkształcenie

Odkształcenie metali

0A

FR e

e

Odkształcenie u

Siła

F

l0A0

F=0F=0

u

Fs

Fe

Fm

0A

FR m

m

%1000

015

l

llA

%1000

10

A

AAz

Odkształcenie plastyczne metali

F

F

Płaszczyzna poślizgu

Płaszczyzna poślizgu

Sieć pierwotna

Płaszczyzny poślizgu

A1 A2A3

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

Roztwór stały międzywęzłowy np. roztwór C w Fe

Roztwór stały różnowęzłowy np. roztwór Cu w Ni

• roztwory stałe międzywęzłowe

• roztwory stałe różnowęzłowe

Roztwory stałe graniczne

Roztwory stałe ciągłe

Roztwory stałe cd. nadstruktury

Roztwór stały różnowęzłowy uporządkowany (nadstruktury)

miedź

złoto

Cu3Au

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`egotworzenia roztworów stałych ciągłych

Typów sieci: oba składniki mają ten sam typ struktury krystalicznejWielkości atomów: całkowita rozpuszczalność przy stosunku promieni atomowych <1,08, tylko ograniczona dla >1,15Elektrowartościowości ujemnej: im mniejsza różnica elektrowartościowości, tym większa możliwość tworzenia roztworów stałychWzględnych wartościowości: dla miedziowców rozpuszczalność metali o wyższej wartościowości w metalach jednowartościowych jest większa niż odwrotnie

Roztwory stałe cd.

Wyt

rzym

ałoś

ć na

roz

ciąg

anie

twar

dość

Prz

ewod

ność

ele

ktry

czna

% Zn % Zn % Zn

Sb Sn Mg Si Al

Cr CCa

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 składnikówUporządkowane rozmieszczenie atomówPrzewaga wiązania metalicznegoWzory podobne do wzorów związków chemicznych przy braku związku z wartościowością pierwiastków; odchylenia od stechiometriiRoztwory 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 - entropiaEnergia 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 + WGdzie 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 – TSEntalpia: 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 lubs = 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 temperaturyDla jednej fazy możliwa jest zmiana i stężenia, i temperatury

Układ równowagi fazowej z nieograniczoną rozpuszczalnością w stanie stałym

Linia likwidus

100% Cu100% Ni

L

L+

Linia solidus

Tem

pera

tura

Krzywa chłodzenia I dla 100 % Ni Krzywa chłodzenia II dla 60 % Ni i 40% Cu

I II

Czas

I

Czas

II

Linia likwidus

100% Cu100% Ni

L

L+

Linia solidus

Tem

pera

tura

Wyznaczanie składu chemicznego fazy α i cieczy L oraz % udziału fazy α i cieczy L

Linia likwidus

100% Cu100% Ni

L

L+

Linia solidus

Tem

pera

tura

OBA

% udział fazy α α = 100%

AB

OB

% udział fazy L α = 100%

AB

AO

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

CzasKrzywa chłodzenia dla I

Czas

Krzywa chłodzenia dla II

I IILinia likwidus

100% Cd100% Bi

L

Bi+Cd

Linia solidusTem

pera

tura

L+ Bi L+ CdA B

O

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

Linia likwidus

100% Pb100% Sn

L

Linia solidusTem

pera

tura

L+L+

+

I II

CzasKrzywa chłodzenia dla I

CzasKrzywa chłodzenia dla I

Przemiana eutektyczna L2→1+ 3

1 2 3L2→1+ 3

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

+

L+

L+

A Bczas czas

tem

pera

tura

tem

pera

tura

II II

Przemiana perytektyczna 1+L3→ 2

1 2 3

kryształ

kryształ

ciecz

4

II

+’

1+L3→ 25

Układ równowagi fazowej z fazą międzymetaliczną

L+α L+γ

γ+E

A

AmBn

α

α +

γ’

α +E

α’ +

γ

γ

L+γ

L+β

E+βE+γ

γ+β’

β +

γ’

β

B

Układ równowagi fazowej z ograniczoną rozpuszczalnością w stanie ciekłym

L+A L1+L2

1 2

3

L+A

A B

A+E(A+B)

L+B

B+E(A+B)

4

L4-1→L4-2

L1→L2+A

L2-3→A

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

Ferryt α +Perlit

Fe – Fe3C

1000

1200

1400

1600

200

400

600

800

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 Zawartość C%

Tem

pera

tura

[o C

]

Fer

ryt α

Per

lit

Led

ebur

yt p

rzem

ieni

ony

Cem

enty

t Fe 3C

0,008

Ledeburyt przemieniony + Fe3CI

Led

ebur

yt

Perlit + Fe3CII + ledeburyt przemieniony

Perlit + Fe3CII

Ferryt α + Fe3CIII

Austenit γ

Austenit γ + Ferryt α

Austenit γ + Fe3CII

Austenit γ + ledeburyt+ Fe3CII

ledeburyt+ Fe3CI

Fe3CI+ciecz

ciecz

Austenit γ + ciecz Ferryt α [δ] + Austenit γ

Fer

ryt α

[δ]

Ciecz + Ferryt α [δ]

6,67

727oC

1148oC

912

1394

1495

1538 AB

E C

D

F

KS

G

P

Q

JN

H

Techniczne odmiany żelaza

Odmiany alotropowe żelaza: (<912 ºC); (1394-1538 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 – Fe3C1. 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 specjalnychSpecjalne – 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 cieplnastali

Wyżarzanie Hartowanie Przesycanie

Z przemianą fazową Bez przemiany 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, wygrzaniei studzenie w celu uzyskania struktury zbliżonej do stanu równowagi

Zmiany wielkości ziarna

Wyżarzanie:

Ujednorodniające: dla wlewków stalowych w celu ograniczenia niejednorodności spowodowanej mikrosegregacją i likwacjąRekrystalizujące: usuwa umocnienie zgniotowe umożliwiając obróbkę plastyczną na zimnoOdprężające: 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 staliwZupełne: do stali stopowychIzotermiczne: 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

% C

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)

Pasmo prawidłowych temperatur hartowania i nieprawidłowetemperatury 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

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.

Odpuszczanie

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

•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

Obróbka podzerowa

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 cieplno-chemicznej

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

x

c

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

1

23

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 250-300 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 800-1200 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

Staliwa niestopowe (węglowe) dzieli się na dwie grupy podlegające odpowiednio odbiorowi:

1. Na podstawie własności mechanicznych (granica plastyczności Re, granica wytrzymałości na rozciąganie Rm, udarność KU, przewężenie Z, wydłużenie A),

2. 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 , %Minimalne własności mechaniczne

C Mn SiRe,

MPaRm,

MPa

A,

%

Z,

%

KV,

J

200-400W

0,25

1

0,6

200 400 25 40 45

230-450W 1,2 230 450 22 31 45

270-480W 1,2 270 480 18 25 22

340-550W 1,5 340 550 15 21 20

)2

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

C Mn SiRe,

MPaRm,

MPa A,

%

KV,

J

GP240GR+N 0,25 1,2

0,6

240 420 22 27

GP240GH+QT 0,23 1,2 240 420 22 40

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

0 0,1, 0,3 0,4 0,5 0,60,2

STĘŻENIE WĘGLA [%]

100

200

300

400

500

600

700R

e, R

m [

MP

a]

10

20

30

40

50

60

70

Z,A

[%

]

80

160

240

KU

[J]

KU

A

Re

RmZ

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 2,5-5% - 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

Staliwa stopowe dzieli się na:1. 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 ścieranie2. Staliwa stopowe narzędziowe,3. Staliwa stopowe żaroodporne i żarowytrzymałe,4. 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

Głównym składnikiem żaroodpornych staliw stopowych jest chrom, zapewniający dużą żaroodporność. Staliwa żaroodporne i żarowytrzymałe dzielimy na:

1. Wysokochromowe – stosowane na odlewy mało obciążone, pracujące w temperaturze utleniającej do 750-1150°C

2. 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

Znak staliwa

Średnie stężenie pierwiastków *, %Maksymalna temperatura

pracy, °CC Si Mn Cr

GX30CrSi7 0,28

1,8

0,75 7 750

GX40CrSi24 0,4 ≤1 24,5 1050

GX160CrSi18 1,6 ≤1 18 900

Orientacyjny skład chemiczny i własności żaroodpornych staliw chromowo-niklowych

Znak staliwa

Stężenie pierwiastków*, % Minimalne własnościMaksymalna temperatura

pracy, °CC 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

GX40NiCrSi38-190,4 1,8 19,5 37,5 - 220 420 6 1020

Staliwa stopowe odporne na korozję

Podstawowym dodatkiem stopowym jest chrom ≥ 12%, a ponadto nikiel, molibden i miedź.Staliwa stopowe odporne na korozję dzielimy na:

1. 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

2. 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

Znak staliwa

Stężenie pierwiastków, %Temperatura

°CMinimalne własności

C Cr Ni Mo Innehartowa

niaodpuszczania

Re, MPa

Rm, MPa

A, %

KV, J

GX12Cr12 ≤0,5 12,5 ≤1 ≤0,5 -950-1050

650-750

450 620 15 20

GX4CrNi13-4 ≤0,06 12,8 4,3 ≤0,7 N ≤0,21000-1050

590-620

550 760 15 50

Orientacyjny skład chemiczny i własności austenitycznych i austenityczno-ferrytycznych staliw

stopowych odpornych na korozję

Znak staliwa

Stężenie pierwiastków, %Temper

atura przesycania, °C

Minimalne własności

C Cr Ni Mo Cu InneRe,

MPaRm, MPa

A, %

Z, %

Staliwa austenityczne

GX2CrNiMo19-11-2 ≤0,03 19 10,5 2,25 - N ≤0,2

1080-1150

195 440 30 80

Staliwa w pełni austenityczne

GX2CrNiMo28-20-2 ≤0,03 20,5 28 2,25 ≤2 N ≤0,2

1080-1180

165 430 30 60

Staliwa austenityczno-ferrytyczne

GX6CrNiN

26-7 ≤0,08 26 6,5 - - N: 0,151040-1140

420 590 20 30

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

węgiel żarzenia

[C] cementyt [Fe3C]

perlit [P]

IIIa

II

IIb III IV V

perlit

perlit

P+CP+C+G P+G

F+Cżarz.P+GF+GP+F+G

grafit [G]ferryt [F]

grafit sferoidalny

grafit ferryt

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

Żeliw zgodnie z PN-EN 1560:2001, są oznaczane na podstawie:

1. 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,

2. lub numerów – oznaczenie to zaczyna się od liter EN-J, następnie jest litera określająca strukturę (zwłaszcza postać grafitu) i czterocyfrowy numer, np. EN-JS1131Wg 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% Fe-Si,Ca-Si,Al

Sferoidalne, modyfikowane za pomocą Mg lub Ce

Klasyfikacja żeliwa szarego

Własności mechaniczne wybranychżeliw sferoidalnych

Warunki wytwarzania i struktura żeliw ciągliwych

Warunki wytwarzania i struktura żeliw ciągliwych

czas

tem

pera

tura

I stopień graf.

II stopień graf.

Fe3C→3Fe+C

Wpływ grafitu na własności żeliw

Grafit powoduje zmniejszenie własności wytrzymałościowych żeliwa i zmianę niektórych innych własności, a szczególnie:

1. Działa jako karb wewnętrzny, stanowiąc nieciągłości w metalu, zmniejsza skurcz odlewniczy,

2. Polepsza skrawalność,3. Zwiększa własności ślizgowe,4. Sprzyja tłumieniu drgań,5. 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 niestopowychGrupa żeliw

Główne składniki

StrukturaRm, MPa

Re, MPa

A, % HBRc,

MPaRg. MPa

Cechy eksploatacyjne

Białe

Nisko- węglowe

2,75% C

1% Si Ledeburyt przemie-

niony

250-300

- 0450-550

-500-700

Znaczna kruchość, twardość, i odporność na ścieranie, zła obrabialność, używane do produkcji żeliwa ciągliwego.

Wysoko-węglowe

3,25% C

0,25% Si300-450

- 0450-600

-450-500

Szare zwykłe

Ferrytyczne

3,25% C

2% Si

Grafit płatkowy w

osnowie ferrytycznej

125-200

85-140

0,5-1100-150

600-800

350-450

Niewielka wytrzymałość i plastyczność, dobra lejność i obrabialność, duża zdolność do tłumienia drgań, niski koszt wytwarzania, powszechne zastosowaniePerlityczne

Grafit płatkowy w

osnowie perlitycznej

150-250

100-200

0,5180-240

Szare modyfiko

wanePerlityczne

2,75% C

2,25% Si

Drobne płatki grafitu w osnowie

perlitycznej

300-400

200-275

0,5210-320

750-1000

450-650

Mała wrażliwość struktury na grubość ścianki odlewu, gorsza lejność i obabialnośc oraz wyższy koszt wytwarzania niż żeliwa szarego zwykłego

Sferoidalne

Ferrytyczne

3,5% C

2% Si

Grafit kulisty w osnowie

ferrytycznej

400-450

200-300

10-25130-170

750-900

900-950 Dobre własności mechaniczne

i plastyczne, ,dobra lejność, liczne zastosowania

PerlityczneGrafit kulisty

w osnowie perlitycznej

600-750

300-400

3240-290

1000-1250

900-1000

Ciągliwe

Białe

2,5% C

0,8% Si

Powierzchniowo odwęglona

350-450

280-320

5-10120-220

- --

Dobra wytrzymałość plastyczność i odporność na obciążenia dynamiczne, liczne zastosowania

CzarneWęgile żarzenia

w osnowie ferrytu

300-400

260-300

10-20110-190

- -

Żeliwa stopowe

Do żeliw stopowych są wprowadzane dodatki stopowe, występujące oprócz domieszek.Pierwiastki te są dodawane w celu polepszenia własności użytkowych żeliwa, a w szczególności:

1. Zwiększenia własności mechanicznych,2. Zwiększenia odporności na ścieranie,3. Polepszenia odporności na działanie korozji

elektrochemicznej,4. Polepszenia odporności na działanie korozji gazowej

w podwyższonej temperaturze,5. 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

Głównymi pierwiastkami stopowymi znajdującymi się w stopach o podwyższonej odporności na ścieranie są:

1. Dla żeliw niskostopowych: Ni, Cr, Cu, Mo, V, Ti, W (łącznie < 3%),

2. Dla żeliw średniostopowych: Ni, Cr, Al., Si (Łącznie 3-20%),

3. 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

Wyróżniamy następujące żeliwa stopowe żaroodporne:1. Chromowe – (0,6-3%) odlewy pracujące w

temperaturze do ok. 550-650°C, np. elementy konstrukcyjne pieców, palenisk, aparatury chemicznej, niektóre elementy silników,

2. Krzemowe – (4,5-6%) odlewy pracujące w temp. do ok. 700°C, np. retorty, ruszty,

3. 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. Wysokochromowe - (25-34%) odlewy pracujące w atmosferze utleniającej w temperaturze do ok. 1100 °C, żeliwa odporne na ścieranie oraz działanie niektórych czynników korozyjnych,

5. 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

Zwiększenie odporności na korozję w szczególności powodują Si, Cr i Ni,Wyróżniamy następujące żeliwa stopowe odporne na korozję:

1. 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,

2. 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. 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,

4. 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 BrinellaKulka 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 Chruszczowa-Bierkowicza

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

Bliźniakowaniepolega 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 Halla-Petcha 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 jednoimiennychZłożona: 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

ZarodkowanieNastępuje 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