Metaliczne Materialy Konstrukcyjne w.dudzinski

7/21/2019 Metaliczne Materialy Konstrukcyjne w.dudzinski

http://slidepdf.com/reader/full/metaliczne-materialy-konstrukcyjne-wdudzinski 1/360



Literatura podstawowa

1. Haimann R., Metaloznawstwo. OW PWr., Wrocław 2000, 1980,

2. Dobrzański L.A., Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo,WNT Warszawa 20023. Przybyłowicz K. i J., Materiałoznawstwo w pytaniach i odpowiedziach,

WNT, Warszawa, 2000,

Literatura dodatkowa

1. Ashby M.F., Jones D.R.H., Mat eriały inżynierskie t. 1 i 2 . WNTWarszawa, 1996.,

2



1. Układ Fe-Fe3C. Fazy i struktury oraz ich własności2. Stale niestopowe. Wpływ domieszek na własności stali3. Podział stali. Zasady znakowania stali. Staliwa i ich klasyfikacja4. Układ żelazo grafit. Wpływ domieszek na własności żeliw

5. Modyfikowanie żeliw. Klasyfikacja i zasady znakowania żeliw6. Podstawy teoretyczne obróbki cieplnej. Przemiana perlit-austenit,austenit-perlit

7. Przemiana martenzytyczna. Wykres CTPi i CTPc . Technologia obróbkicieplnej stali

8. Hartowanie powierzchniowe. Obróbka cieplno-chemiczna. Nawęglanie.

Azotowanie.9. Stale stopowe.10. Spawalność stali.11. Stale narzędziowe.12. Stopy miedzi.13. Stopy lekkie

14. Stopy łożyskowe i materiały spiekane 3



4



Wybrane właściwości czystego żelazapierwiastek polimorficzny - dwie odmiany alotropowe ( oraz ), trzecia ( ) tylko przy ciśnieniach 12GPa,gęstość ρ = 7,87 Mg/m 3, moduł Younga E = 206 10 5 Mpa,pierwiastek pospolity w przyrodzie (5,2 % wag.) – związany w tlenki, węglany, wodorotlenki, siarczki,

- duży problem z otrzymywaniem czystego żelaza (zwykle minimum ok. 0,1 % wag. domieszek),- najwięcej węgla (używany do redukcji rud), azotu, groźnej siarki, fosforu, itd.,

5



Fazy układu stabilnego Fe-C lub układu metastabilnego Fe-Fe 3Cferryt : Fe (C) - roztwór stały węgla w żelazie o strukturzeA2 (podstawowy,międzywęzłowy, graniczny),austenit : Fe (C) - roztwór stały węgla w żelazie o strukturzeA1 (podstawowy,międzywęzłowy, graniczny),grafit (odmiana alotropowa węgla) - faza stabilna,

cementyt (Fe 3C) - metastabilny węglik żelaza (faza pośrednia, międzymetaliczna,międzywęzłowa złożona),Sieć krystaliczna ferrytu RPC (A2)

lk = 8ww = 0,68

a = 0,286 nm (w temp. pokojowej)a = 0,293 nm (w 1394 C)

6 luk oktaedrycznych /komórkęspłaszczone luki oktaedryczne

(0,633x0,633x0,155d)mała rozpuszczalność węgla

(tetragonalne zniekształcenie komórki)- zajęta co 1650 luka w 727 C

(0,0218 % wag. C)płaszczyzny poślizgu {110}- nie są najgęściej upakowane,- tylko kierunki najgęstszego ułożenia 1116



Sieć krystaliczna austenitu RSC (A1)lk = 12

ww = 0,74

4 luki oktaedryczne/komórkę (średnica luki 0,414d)

znaczna rozpuszczalność węglaśrednica luki = 0,106 nm (w 916 C)średnica jonu węgla = 0,154 nm

- zajęta co 11 luka w 1148 C ( 2,11 %wag.C)- zajęta co 28 luka w 727 C ( 0,77 %wag. C)

płaszczyzna poślizgu {111}(jest najgęściej upakowana z możliwych)

7



odległość między atomami w warstwie= 0,142 nmodległość między warstwami= 0,340 nm

● właściwości wytrzymałościowe grafitu są takmałe, że traktujemy jego wydzielenia jakonieciągłość osnowy metalowej stopu,



Wykres równowagi metastabilnej Fe – Fe 3C (opis fazowy)fazy stałe: fer ry t , aus ten i t , cementy t



Wykres równowagi metastabilnej Fe – Fe 3C (opis strukturalny)



różny przebieg krystalizacji austenitu powoduje, w warunkach technicznych, odmienną segregację domieszekoraz dodatków stopowych i wpływa pośrednio również na właściwości stopów w temperaturze pokojowej



przemiana

alotropowa



struktura stopu 0,77%C – perlit(stal przeznaczona zwykle na

narzędzia po dalszej obróbce cieplnej)● płytkowa mieszanina ferrytu icementytu (grubości płytek 7:1),

- dyspersja i właściwości zależąod szybkości chłodzenia,- w jednym ziarnie austenitupowstaje bardzo wiele różniezorientowanych w przestrzeni

kolonii perlitu,

ferryt perlit płytkowy

R m [MPa] 300 800

R e (R 0,2) [MPa] 150 500

A10 [%] 40 8 10

HB 90 200 260

3% nital (Mi1Fe), 2000x

3% nital (Mi1Fe), 1000x 3% nital (Mi1Fe), 250x



16



siatka Fe 3CII

struktura stopu 1,2%C – perlit + Fe 3C II(stal zaeutektoidalna, przeznaczona zwykle na narzędzia ale poodpowiedniej obróbce cieplnej stanu wyjściowego i końcowego)

● Fe 3CII wydziela się na granicach ziaren austenituoraz może utworzyć ciągłą i kruchą otoczkę (siatkę),

● siatka cementytu dyskwalifikuje każdy użytkowy wyrób,● usuwanie siatki cementytu wymaga długotrwałego

wyżarzania sferoidyzującego (wydzielenia kulkowe Fe3C),

perlit




17

struktura stopu 0,65%C – perlit + ferryt● strukturalnie wolny ferryt (na granicach ziaren byłegoaustenitu),

- podwyższa ciągliwość oraz zdolność do odkształceńplastycznych,- obniża wskaźniki wytrzymałościowe,

● struktura wyjściowa na sprężyny, lemiesze pługów, szynykolejowe, itp.

3% nital (Mi1Fe), (A. Krajczyk)

struktura 0,4%C – ferryt + perlit

3% nital (Mi1Fe), (A. Krajczyk)

● około pół na pół strukturalnie wolnego ferrytu i perlitu,

● optymalne skojarzenie wytrzymałości i ciągliwości,● struktura wyjściowa stosowana na części maszyn,3% nital (Mi1Fe), (A. Krajczyk)



18

3% nital (Mi1Fe) (A. Krajczyk)

3% nital (Mi1Fe) 3% nital (Mi1Fe)(A. Krajczyk) (A. Krajczyk)

struktura stopu 0,2%C – ferryt + perlit

● zdecydowana przewaga udziału ferrytu nad perlitem,- wysoka ciągliwość ale niska wytrzymałość,

● górna granica %C zapewniająca łatwą spawalność stali,

● struktura stali konstrukcyjnych (łatwo spawalnych)(podwyższanie wytrzymałości w inny sposób niż przezwzrost % C),



19

Fe 3CIII

ziarna ferrytu

tiosiarczan sodu(barwi tylko ferryt)

3% nital (Mi1Fe)


struktura stopu 0,02%C – ferryt + Fe 3CIII● ferryt z wydzieleniami Fe 3C III na granicach ziaren,● stal konstrukcyjna najczęściej umacniana odkształceniowo,

np. gwoździe, wkręty, elementy karoserii pojazdów, itp.● przyśpieszone chłodzenie zabezpiecza zwykle przed

wydzieleniami cementytu – ferryt lekko przesycony węglem,



20



21

Wpływ zawartości węgla na właściwości staliFe Fe 3C ferryt

austenitstopowy

perlit płytkowy

R m [MPa] 245 - 300 750 800

R e (R 0,2) [MPa] 137 - 150 300 500

A10 [%] 50 - 40 50 8 10

HB 75 800 90 200 200 260

(właściwości austenitu podano dla stali wysokostopowej,dla której jest on trwały w temperaturze pokojowej)

(R. Haimann)

][).(%650300 M Pa C wag R m

HB HB R m 310

4,3 m e R R 65,0

(dla stali przedeutektoidalnych) (M. Blicharski)



22



23

Żeliwa białe – stopy układu Fe -Fe 3C powyżej 2,11 %C● stop eutektyczny (4,3 %C) - ledeburyt przemieniony (w temperaturze poniżej 727 °C)

- ciemny perlit , który powstał z austenitu (składnika ledeburytu),- jasny cementyt (drugi składnik ledeburytu),

- wydzielający sięcementyt drugo- i trzeciorzędowynie tworzy osobnych, strukturalnie wolnych wydzieleń(lokalnie pogrubiają się już wcześniej istniejące wydzielenia cementytu),

])[( 33 C Fe C Fe P

ledeburyt przemieniony




- dendrytycznie rozłożony perl i t (dendryty austenitu powyżej 727 C) na tle ledeburytu przemienion ego (cementyt drugorzędowy wyraźnie pogrubia cementyt eutektyczny wokół dendrytów byłego austenitu),


s top przedeutektyczny (ok. 3 ,5 %C) - w temperaturze poniżej 727 C

])[()( 333 C F e C F e C F e

P P

(znikoma ilość niewidocznego cementytu trzeciorzędowego )l edebu ry t p rzemien iony

(+)

własności żeliw białych przedeutektycznych oraz eutektycznych: - struktury twarde ( 450 600 HB, Rm = 300 450 MPa ), odporne na ścieranie ale kruche oraz źle obrabialne,- zastosowanie ograniczone:

- półprodukt przy wytwarzaniużeliwa ciągliwego (z grafitem kłaczkowym),- niektóre elementy odporne na ścieranie ale kruche,- zabielone fragmenty powierzchni odlewów zżeliw szarych (część węgla w postaci grafitu),



s top zaeutek tyczny (powyżej 4,3 %C) - w temperaturze poniżej 727 C - cementyt pierwszorzędowy ( nazywany też p i e r wo t nym ) na tle l edeburytu przemienionego

(niewielka ilość cementytu drugorzędowego oraz znikoma trzeciorzędowego –praktycznie niewidoczne),- duże płytki kruchego cementytu pierwotnego uniemożliwiają zastosowanie takiego żeliwa,- struktura spotykana w surówkach na wstępnych etapach produkcji stopów żelaza,


])[(333

C F e C F e C F e P I

ledeburyt przemienion y

(+)



26

STALIWOStaliwo – stal w postaci lanej, nie poddana obróbceplastycznejWady staliw:Gruboziarnistość,cechy struktury Widmannstattena,skłonność do segregacji C, P, SObróbka cieplna staliw: wyżarzażanie:Ujednoradniające,NormalizująceOdprężające ( dla dużych odlewów)



27



28

Definicje stal, staliwo, żeliwoStale - stopy żelaza z węglem zawierające do 2,11 % węgla, przeznaczone doprzeróbki plastycznej.

Staliwa - stopy żelaza z węglem zawierające do 2,11 % węgla, nie przerobioneplastycznie, lecz odlewane do form. Cechy staliw: gruboziarnistość, strukturaWidmannstattena , niejednorodność – skłonność do segregacji C, P, S.Własności mechaniczne niższe niż stali o takiej samej zawartości węgla.Obróbka cieplna w celu poprawy własności :Wyżarzażanie: ujednoradniające, normalizujące i odprężające (dla dużychodlewów)

Żeliwa – stopy żelaza z węglem zawierające powyżej 2,11 % węgla

Surówka – produkt wielkiego pieca, półprodukt w wyrobie stali i żeliw.Struktura ja w przypadku żeliw białych (zgodnie z wykresem Fe-Fe 3C)



29

Odtlenianie staliOdtlenianie stali: cel – usunięcie rozpuszczonego tlenku węgla COa) Dodanie pierwiastków o większym niż węgiel powinowactwie do tlenub) Zastosowanie próżniStal uspokojona - odtleniona manganem, krzemem i aluminium niezachodzą reakcje powodujące wydzielanie gazówStal półuspokojona – odtleniona manganem i aluminiumwydzielanie CO w końcowymetapie krzepnięciaStal nieuspokojona – odtleniona jedynie manganem wydzielanieCO z chwilą wlania do wlewnicy

Zmniejszenie rozpuszczalności tlenu w stali podczas krzepnięcia jest przyczyną intensywnego wydzielania się CO, powodującegotworzenie się pęcherzy i gwałtowne mieszanie kąpieli

Przekroje wlewków ze stali:a) Nieuspokojonab) b) Półuspokojonac) c) Uspokojona



30

Zawartość irodzajdomieszek

Stopieńodtlenienia

Ilość, kształt,sposób

rozmieszczenia wtrąceń

niemetalicznych

Zawartość węgla

Właściwości stali



32

Stale niestopowe charakterystyka mikrostruktury i zastosowaniaZe względu na zastosowanie stale niestopowe dzieli się na konstrukcyjne(do ok. 0,65%C) i narzędziowe (powyżej 0,65%C do (praktycznie) około 1,7%C) .

W grupie stali niestopowych możemy wyróżnić gatunki:Niskowęglowe (miękkie – do około 0,25%C) –gatunki spawalneŚredniowęglowe (półtwarde –od 0,25 od 0,65%C)

Wysokowęglowe (twarde – powyżej 0,65%C)



33

Wpływ zawartości węgla na właściwości staliFe Fe 3C ferryt

austenitstopowy

perlitpłytkowy

R m [MPa] 245 - 300 750 800

R e (R 0,2) [MPa] 137 - 150 300 500

A10 [%] 50 - 40 50 8 10HB 75 800 90 200 200 260

(właściwości austenitu podano dla stali wysokostopowej,dla której jest on trwały w temperaturze pokojowej)

HB HB R m

3

104,3 m e R R 65,0

][).(%650300 M Pa C wag R m

(dla stali przedeutektoidalnych)



35

Wpływ domieszek na właściwości staliWpływ manganu i krzemu

Mangan - występuje w stalach węglowych jako pozostałość z procesu wytapiania stali,a głównie odtleniania i odsiarczania.

Rozpuszcza się w ferrycie lub cementycie.Podwyższa wytrzymałość stali i wpływakorzystnie na grzewalność. Wiąże siarkę wsiarczek manganu MnS, zapobiegającowstawaniu szkodliwego siarczku żelazaFeS

Krzem – pochodzi z procesów odtleniania.Jest odtleniaczem hamującym tworzenie siępęcherzy w czasie krzepnięcia stali. Występuje w

postaci roztworu stałego w ferrycie. Podwyższawytrzymałość stali, a zwłaszcza granicęsprężystości. Pogarsza zgrzewalność.



36

Wpływ domieszek na właściwości staliWpływ siarki

Siarka – należy do domieszek szkodliwych.Nie rozpuszcza się w żelazie i z tego względu występuje w postaci siarczków, głównie żelaza lub manganu.

Siarczek żelazowy FeS który tworzy razem z żelazem eutektykę w temperaturze 988 oCi a w obecności tlenu w

temperaturze 9400

C.

FeS tworzy na granicach ziaren otoczkę. Podczas przeróbki plastycznej na gorąco,następuję nadtapianie się tych otoczek siarczkowych, co prowadzi do powstania pęknięć i naderwań – tzw.kruchość na gorąco .

Dodatek manganu zmniejsza szkodliwe działanie siarki. Mangan maduże powinowactwo do siarki, w przypadku dostatecznej jego ilości wstali nie zachodzi tworzenie się siarczku żelazawego, lecz manganu.

Siarczek manganu – trudnotopliwy (1620oC) i występuje w postacioddzielnych wtrąceń, przez co nie powoduje kruchości na gorąco.



37

Wpływ domieszek na właściwości staliWpływ fosforu

Fosfor – należy do domieszek szkodliwych.Występuje w stali w postaci roztworu stałego w ferrycie.Podwyższa wytrzymałość i twardość.Gwałtownie obniża właściwości plastyczne stali.Wykazuje silną skłonność do segregacji.Podwyższa temperaturę w której staje się ona krucha, wywołując tzw.kruchość na zimno.Poprawia skrawalność.Przy jednoczesnej zawartości miedzi poprawia odporność na korozję.



38

Wpływ domieszek na właściwości staliWpływ azotu, tlenu i wodoru

Azot – należy do domieszekszkodliwych.Tworzy twarde i kruche azotki.

Tlen – występujew postaci związanej lub wroztworze stałymPowoduje kruchość na gorąco.

Wodór – rozpuszcza się w stali.Powoduje jej kruchość . Powodujepowstanie pęknięć wewnętrznych,określanych jako płatki śnieżne



39

Wpływ wtrąceń niemetalicznych na właściwości stali

Wtrącenia

endogeniczne egzogeniczne

Siarczki, tlenki, krzemiany(azotki)

Cząstki materiałów ogniotrwałych

Zespół cech bez wpływu na właściwości stali:Kontrolowana ilość i wielkośćGlobularny kształtRównomierne rozmieszczenie

Zespół cech wpływających negatywnie na właściwościstali:

Duża ilość i rozmiaryRozmieszczenie po granicach ziaren – kruchość

Wtrącenie wydłużone w kierunku przeróbki plastycznej,rozmieszczone w pasmach - > silna anizotropia właściwości



40

Stale niestopoweWtrącenia niemetaliczne w obrazie mikroskopowym

Widoczne skupiska kruchych wtrąceń niemetalicznychrozmieszczonych zgodnie

z kierunkiem obróbki plastycznej.Stan nietrawiony.

Ziarna o niejednorodnej wielkościz rozmieszczonymi zgodnie

z kierunkiem obróbki plastycznej kruchymiwtrąceniami niemetalicznymi.

Stan trawiony.



41

Wpływ technologii wytwarzania na strukturę stali i staliw

Struktura Widmanst ättena Pasmowość

Może występować w stalach o składzienieeutektoidalnym – sprzyja jej silne przechłodzenieoraz duże ziarno austenitu. Charakterystyczną cechą jest bardzo duże ziarno oraz iglastewydzielenia fazy podeutektoidalnej (ferrytu) lubnadeutektoidalnej (cementytu wtórnego) na tleperlitu. Spotyka się w staliwach, spoinach iblachach.

Charakteryzuje się występowaniem ferrytu i pelituw postaci na przemian ułożonychpasm.

Sprzyja jej powolne chłodzenie, stwarzającewarunki do dyfuzji węgla na większą odległość.Związana jest z segregacją dendrytyczną .

Występuje w wyrobach walcowanych.



42

Wpływ technologii wytwarzania na strukturę stali i staliwSferoidyt – powstaje podczas obróbki cieplnej stali określanej jako wyżarzaniesferoidyzujące lub zmiękczające. Polega na zmianie cementytu płytkowego(charakterystycznego dla perlitu) w cementyt sferoidalny.Stale o strukturze sferoidytu mają mniejszą twardość, lepszą skrawalność oraz mniejszą

skłonność do rozrostu ziarna

Stan zmiękczony jest stanem wyjściowym dla wielu gatunków stali!



43

Klasyfikacja gatunków stali kryterium : skład chemicznyDefinicja i Klasyfikacja Gatunków StaliPN-EN 10020 : 2003

Klasyfikacja według składu chemicznego:-stale niestopowe ;-stale odporne na korozję;-inne stale stopowe

Klasyfikacja głównych klas jakościowych staliniestopowych:-stale niestopowe jakościowe

Mają na ogół określone wymaganiadotyczące właściwości

-stale niestopowe specjalneCechują się wysokim stopniem czystościmetalurgicznej, wyrażający się niskązawartością wtrąceń niemetalicznych.Wymaga się od nich (opcjonalnie):określonej udarności w stanieulepszonym cieplnie, określonejhartowności. Inne wymagania związane

są z zastosowaniem.



44

Systemy oznaczania stali niestopowychCześć 1: Znaki stali, symbole główne – PN-EN 10027-1:1994

Norma podaje zasady oznaczania stali za pomocą symboli literowych i cyfrowych,które są tak dobrane, że wskazują na główne cechy stali, np.•na zastosowanie stali,

•na właściwości mechaniczne lub fizyczne,•względnie na skład chemiczny staliPozwala w uproszczony sposób identyfikować poszczególne gatunki stali.

Znaki stali podzielono na dwie grupy:- Grupa 1: Znaki stali zawierające symbole wskazujące na zastosowanieoraz mechaniczne lub fizyczne właściwości stali- Grupa 2: Znaki stali zawierające symbole wskazujące na składchemiczny stali.Są one podzielone na dalsze 4 podgrupy.

Budowa znaków stali

- w przypadku staliwa znak gatunku poprzedza litera G



45

Grupa 1: Stale oznaczane wg ich zastosowaniai właściwości mechanicznych lub fizycznychSymbolgłówny

+ Symboldodatkowy

+ Symboloznaczający

specjalne

wymaganianp. wielkośćziarna

+ Symbolokreślający

rodzaj

powłokina gotowymwyrobie

Przykładowe symbole główne:- S - stale konstrukcyjne- P - stale pracujące pod ciśnieniem- L - stale na rury przewodowe- E - stale maszynowe

za którymi umieszcza się liczbę będącą minimalną granicą plastyczności w N/mm2

dla najmniejszego zakresu grubości wyrobu.

- B, Y, R, H, D, T, M – stale do zbrojenia betonu, do betonu sprężonego, na szyny itd.po czym liczba charakteryzująca określone właściwości dla tego typu stali

Przykład: S185, S355NL



46

Grupa 2: Stale oznaczane wg składu chemicznegoStale niestopowe

Stale niestopowe (bez stali automatowych) o średniej zawartości manganu <1%Znak składa się z następujących symboli, umieszczonych kolejno po sobie

- litery C- liczby będącej 100- krotną średnią wymaganą zawartością procentową węgla- symbole dodatkowe (patrz Norma)

Przykład : C35, C45

UWAGA: w literaturze fachowej, podręcznikach – szczególnie wydanych w minionychlatach znakowanie stopów żelaza (stali, staliw i żeliw) podane jest wg poprzednioobowiązujących pol - sk ich norm. Stąd, pełna wiedza w tym zakresie wymagadodatkow ego przes tudiowania i zapozna-nia się z wprawdzie nie zawsze jeszczeobowiązującym ale stosowanym sposobem znakowania.



47

Grupa 2: Stale oznaczane wg składu chemicznegoStale niestopoweStale niestopowe o średniej zawartości manganu ≥1%, niestopowe staleautomatowe i stale stopowe (bez stali szybkotnących) o zawartościkażdego pierwiastka stopowego < 5%Znak składa się z

- liczby będącej 100-krotną wymaganą średnią zawartością węgla- symboli pierwiastków chemicznych oznaczających składniki stopowe wstali(w kolejności malejącej zawartości pierwiastków, w przypadku identycznejzawartości dwóch lub więcej pierwiastków w kolejności alfabetycznej)- liczb oznaczających zawartości poszczególnych pierwiastków stopowych wstali. Każda liczba oznacza średni procent pierwiastka pomnożony przezwspółczynnik wg tablicy poniżej i zaokrąglony do najbliższej liczbycałkowitej. Liczby dotyczące poszczególnych pierwiastków należy oddzielićkreską poziomą.-symbole dodatkowe (patrz Norma)

Przykład: 28Mn6



48

Systemy oznaczania staliCześć 2: System cyfrowy – PN-EN 10027-2:1994System cyfrowy stali uzupełnia system oznaczania stali ustalony w Części 1 normy

Ogólne zasady:- każdy numer stali dotyczy tylko jednego gatunku stali i odwrotnie,- numery gatunkom stali nadaje Europejskie Biuro Rejestracyjne- Europejskie Biuro Rejestracyjne nowelizuje i publikuje listę zarejestrowanych stali wod-powiednich odstępach czasu- numerów stali w zasadzie nie zmienia się

Numer składa się z cyfr wg następującego schematu:

A.BB XX(XX)gdzie A – numer grupy materiału (dla stali 1),BB – numer grupy stali (wg Tablicy 1 w EN 10027-2),XX(XX) – kolejny numer (cyfry w nawiasach są dla użycia w przyszłości)

Przykład: 1.4821 („1” na początku oznacza stal) co odpowiada stali stopowej

X15CrNiSi25-4



49



50

1. Klasyfikacje stali



51



52



53



54

2. Systemy oznaczania stali



55



56

Grupa 1.

Symbole wskazujące nazastosowanie orazmechaniczne lub fizycznewłasności stali.

(dla staliwa znak gatunkupoprzedza litera G)



57

Grupa 2. System znakowy według składu chemicznego stali.(w przypadku staliwa znak gatunku poprzedza litera G ).

podgrupa klasyfikacyjna symbole główne znaku stali

●stale niestopowe 1) o średniej zawartości Mn<1% Cśrednia lu breprezentatywnazawartość C [%] x 100

_ _

●stale niestopowe1)

o średniej zawartości Mn≥1% ●niestopowe stale automatowe ●stale stopowe 2) o zawartości każdego pierwiastka

stopowego < 5%

_ średnia lubreprezentatywnazawartość C [%] x 100

symbole chem. pierwiastków stopowych

średnia zawartość pierw.stop. [%wag] x współ. 3)

●stale stopowe 2) zawierające przynajmniej jeden pierwiastek stopowy ≥ 5% X

średnia lubreprezentatywnazawartość C [%] x 100

symbole chem. pierwiastków stopowych

średnia zawartość [%wag] pierwiastków stopowych

●stale stopowe szybkotnące HS

- -kolejno zawartość:

W, Mo, V, Co [%wag] przykłady znaków stali (tylko symbole główne): C35, 28Mn6, X5CrNi18-10, HS2-9-1-81) bez stali automatowych2) bez stali szybkotnących 3) współczynniki (mnożniki) dla pierwiastków stopowych: 4 (Cr, Co, Mn, Ni, Si, W )

10 (Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Zr )100 (Ce, N, P, S )

1000 (B)



58

4. Stale konstrukcyjne (Structural Steels)● wytwarzane głównie przezwalcowanie na gorąco (Hot Rolled Structural Steels),

- walcowanie konwencjonalne głównym celem jest nadanie odpowiedniego kształtu,- większy koszt (konieczna często późniejsza obróbka cieplna), coraz rzadziej stosowane,

- walcowanie cieplno-plastyczne nadanie kształtu oraz wytworzenie korzystnej mikrostruktury,

- założone zabiegi OC są przeprowadzane łącznie z obróbką plastyczną,- możliwe jest uzyskiwanie znacznie lepszych właściwości niż zabiegami tradycyjnymi,

● stosowane w dużych ilościachw inżynierii lądowej, wodnej, chemicznej itp.(budynki, mosty, statki, platformy wiertnicze, pojazdy, rurociągi, zbiorniki ciśnieniowe itp.)

- grubość najczęściej powyżej 1,5 mm ,

- jakość powierzchni i tolerancje wymiarowe zwykle nie wysokie walcowanie na gorąco),

● głównym sposobem łączenia jest spawanie (główne wymaganie tołatwa spawalność)



60

Schematy regulowanego walcowania

Przebieg walcowania i chłodzenia w RWK(B. Kuźnicka)

walcowanie termomechaniczne (wg EN)

walcowanie normalizujące(wg EN)

(M. Blicharski)



63

ad. I - umacnianie roztworowe + normalizowanie:● umocnienie roztworowe ferrytu ,

- najstarszy, najmniej efektywny sposób podwyższania wytrzymałości,- Mn (najczęściej ok. 1,5 % ale nawet do 2,1%),- Si (najczęściej 0,5 % ale nawet do 0,8%),

- stosowane zwykle jako dodatkowe przy innych sposobach podwyższania wytrzymałości,

● normalizowanie ,- rozdrobnienie ziaren ferrytu,

- podwyższanie wytrzymałości oraz ciągliwości jednocześnie !!!,- najefektywniejszy sposób obniżania TPSK ,

- quasi-perlit (quasi-eutektoid),- zwiększenie dyspersji płytek (perlit bardziej drobnopłytkowy),- zwiększenie ilości perlitu nierównowagi(mniejsza zawartość węgla większa objętość),

(coraz mniejsze znaczenie: - tendencja do obniżania % C poniżej 0,09% - bez perytektyki oraz niższa TPSK ,- wzrost udziału do 20% perlitu w strukturze nie podwyższa istotnie Re )

● oba sposoby pozwalają osiągać R e do 355 MPa (walc. tradycyjne) lub nawet do 460 MPapo regulowanym walcowaniu normalizującym (ziarna ferrytu nawet do 23 m)

np.: S355 przy 0,22% C,S460N przy 0,20%C oraz walcowaniu normalizującym,



64

Stale konstrukcyjne niestopowe, walcowane na gorąco (zwykle tradycyjnie) –PN-EN 10025:2002690 EUR/t (S185)

+dopłata:16 67 EUR/t

Thysson-Krupp - 2007

(stale jakościowe niestopowe)stan dostawy:- surowy,- po normalizowaniu, N,- specjalnie

uspokojone,postać :

- wyroby płaskie(blachy, taśmy),

- wyroby długie(pręty, kształtowniki)zastosowanie:

- mało odpowiedzialnekonstrukcje,J (K min = 27 J),K (Kmin = 40 J),R (w temp. pokojowej),0 (w 0 °C),2 (w - 20 °C)

(M. Blicharski)



65

Stale konstrukcyjne spawalne drobnoziarniste(PN-EN 10113-2:1998)

stan po normalizowaniu lub walcowaniunormalizującym (N)stale jakościowe i specjalne niestopowe i stopowe

stosowane na mocno obciążoneelementy konstrukcji spawanych(również w temp. obniżonych)

Stale konstrukcyjnespawalne drobnoziarniste

(PN-EN 10113-3:1998)

stan po walcowaniutermomechanicznym (M)stale jakościowe i specjalneniestopowe i stopowe

dopłata:53 273 EUR/t

Thysson-Krupp – 10.2007



66

ad. II -umacnianie wydzieleniowe:● umocnienie wydzieleniowe związkami mikrododatków,

- mikrododatki (Nb, V, Ti, Al ) zwykle 0,15 %, przy niewielkiej zawartości0,03 0,12 % C ,- złożone związki mikrododatków z C i N, ale również z S i O (Ti),- mikrododatki wpływają (w sposób mocno zróżnicowany) na:

- wielkość ziarna austenitu po nagrzaniu do walcowania,- przebieg oraz temperaturę rekrystalizacji podczas walcowania,- przebieg przemiany austenitu w ferryt,- ich związki powodują umocnienie wydzieleniowe ferrytu(wewnątrz ziaren),- zwykle proces cieplno- plastyczny z wydzielaniem związków w T 600 ° C,

Wpływ temperatury i mikrododatków naśrednicę ziarna austenitu Wpływ mikrododatków rozpuszczonych w austeniciena temperaturę rekrystalizacji stali (0,07%C, 1,40%Mn, 0,25%Si)



67

Stale konstrukcyjne o podwyższonej wytrzymałości umacniane wydzieleniowo –PN-EN 10137-3:2000- przeznaczone na blachy grube i blachy uniwersalne (3 70 mm),(stale specjalne stopowe)

produkowane w procesie cieplno- plastycznym (regulowane walcowanie oraz regulowane chłodzenie)



68

● umocnienie wydzieleniowe prawie czystą miedzią ,- nowa grupa stali opracowana w latach 80- tych, początkowo dla US Navy,- stale niskowęglowe (0,06 0,08% C + 1,0 1,6% Cu + 0,85 3,5% Ni ),- przesycanie + starzenie R e 700 MPa, T PSK - 100 ° C,

- ferryt z wydzieleniami fazy (96% Cu ) o dużej dyspersji,(faza jest mniej twarda niż ferryt !! dobra udarność w niskiej temperaturze)

- gatunki ASTM A710, HSLA-80/100 (Navy), HPS-100 (Bridge) – nazwa handl. „Spartan I V”,

- w normach EN występują gatunki umacniane Cu, ale bez dodatku Ni, np. S690A,ad. III - umocnienie wynikające z ulepszania cieplnego,

- niskowęglowy (ok. 0,20% C) sorbit odpuszczania R e do 960 MPa,- zwykle hartowane bezpośrednio z temperatur walcowania z następnym odpuszczaniem,- najwyższa wytrzymałość uzyskiwana w stalach o niewielkiej zawartości C i dod. stopowych,

- na konstrukcje przenoszące duże obciążenia (zarówno w temp. pokojowej jak i obniżonej)ad. III - umocnienie wynikające ze struktury bainitycznej,

- niskowęglowy (ok. 0,12% C) bainit R e = 600 700 MPa,- zwykle kontrolowane chłodzenie bezpośrednio po walcowaniu termomechanicznym,- konieczna hartowność dzięki dodatkomMo (ok. 0,5%) oraz B (ok. 0,005%),



69

Przykłady zastosowania stali „Spartan I V” umacnianych wydzieleniowo miedzią

(International Steel Group, Inc., www.intlsteel.com)

(http://www.advex.net/Divisions_Heavy_Fabrication.shtml)



70



71

Stale konstrukcyjne o podwyższonej wytrzymałości do ulepszania cieplnego –PN-EN 10137-2:2000

690 EUR/t (dla S185 )+dopłata do gatunków:

311 666 EUR/t

Thysson-Krupp – 10.2007

(stale specjalne stopowe)

(M. Blicharski)



72

Stale konstrukcyjne o podwyższonej wytrzymałości walcowane cieplno-plastycznie i przeznaczonedo obróbki plastycznej na zimno –PN-EN 1049 -2:2000- wyroby płaskie o grubości 1,5 20 mm

j a k o ś c i o w e

u m a c n

i a n e w y d z i e

l e n

i o w o

s p e c j a

l n e

b a

i n i t y c z n e

690 EUR/t (dla S185 )+dopłata:

40 235 EUR/t Thysson-Krupp – 10.2007



73

Wpływ boru na wykres CTPi stali niskowęglowej z 0,5% Mo



74

Czy stopy żelaza (stale niskostopowe) muszą być podatne na ciągłą korozję?stalowe słupy w Indiach(najsłynniejszy w Delhioraz podobne w Dhar, Madhya Pradesh,

Kodachadri hills, Karnataka, Mandu, Madhya Pradesh, Mount Abu, Rajasthan, Orissa,

- DIP (Delhi Iron Pillar) „nie koroduje” od ok. 1700 lat – dlaczego?- wszystkie są stalami (nie odlewami) niskowęglowymi o podwyższonej zawartościP,

Dhar iron pillar (w trzech częściach)

The iron pillar at Kodachadri in KarnatakaDelhi iron pillar



75

DIP (Delhi Iron Pillar)- waga ok. 6100 kg, wysokość 7,375 m, średnica 41,6 34 cm,- wytworzony metodą zgrzewania (kucie na gorąco) ok. 200 elementów o masie 30 40 kg,- skład chemiczny elementów: 0,03 0,28 %C ; 0,114 0,48 %P ; 0,04 0,056 %Si; 0,005 %S; 0,03 %Cu,- pokryty warstwą tlenków o grubości 50 600 μm, która blokuje dalszą korozję (występujeFePO 4),

- pierwsze badania metalograficzne: R.J. Hadfield w 1912 ,- ostatnie kompleksowe badania: 2004 (Indira Gandhi Centre of Atomic Research)

(Balder Ray, P. Kalyanasundaram, T. Jaykumar, C.Babu Rao,B. Venkataraman, U.Kamachi Muldali, A.Joseph, Anish Kumar) - po szlifowaniu przyrost warstwy tlenków 0,395 mm/rok,po upływie roku zmniejszył się do 0,040 mm/rok

Kompleksowe badania różnych fragmentów DIP (2004) Struktury różnych elementów DIP (od drobnej ferrytyczno--perlitycznej do iglastej struktury Widmannstattena)



76

5. Stale konstrukcyjne trudno rdzewiejące- stale o zwiększonej odporności na korozję atmosferyczną (w war. wiejskich i przemysłowych),

- po pewnym czasie korozji na powierzchni tworzy się względnie stabilna warstwa uwodnionego,złożonego tlenku Fe, P, Cr i Cu, która zatrzymuje dalszy postęp procesu (brązowa „patyna”),

- wymagają odpowiednich warunków do utworzenia warstwy ochronnej („sucha” pogoda),- pierwsze stale pod nazwą „Cor -Ten” w 1933 (United States Steel Corporation),

- niewielkie dodatki Cu, P, Si, Cr, które najlepiej działają w grupie,- najsilniej działaP (co najmniej 0,1 %) ale mocno obniża udarność i spawalność,

- dodawany obecnie tylko do niektórych stali typu Cor -Ten A,

- zdecydowanie działa Cu ale tylko do 0,3 % efektywnie,

- umiarkowanie Si (najkorzystniej do 0,25%) oraz Cr (najkorzystniej do 0,6%),

- Mn (umocnienie roztworowe razem z Cr),- V (umocnienie wydzieleniowe),

● znaczenie tych stali wzrosło po roku 1960 (opracowanie staliCor-Ten B oraz C z normalną zawartością P)

zastosowanie:- tradycyjnie w „brudnych” zakładach i konstrukcjach (huty, kopalnie, koksownie, część wagonów),- ścianki Larsena,- ostatnio nawet pokrycia dachów (malowanych tylko dekoracyjnie),



77

Skład chemiczny stali Cor -Ten [% wag]

Stale konstrukcyjne trudno rdzewiejące – PN-EN 10155:1997 + Ap1:2003 (M. Blicharski)

dopłata:~130 EUR/t

(stale niskostopowe specjalne)

Salzgitter Flastahl GmbH



78



79

Żeliwa(odlewnicze stopy żelaza, w których część lub cały węgiel jest w postaci wolnej –grafit )● masowe wytwarzanie stali rozpoczęło się dopiero w drugiej połowie XIX wieku,

- metody wynalezione przez Bessemera (1856), Siemensa (1863) oraz Martina (1865),- uzyskano aż dziesięciokrotny spadek ceny i niesłychany wzrost produkcji

(na całym świecie z ok. 60 tys. ton w roku 1850 do ok. 28 mln ton w roku 1900),● wcześniej, po zastosowaniu koksu (Anglia 1735), masowo produkowano tylko żeliwo,

- możliwość wytapiania w prymitywnych piecach (wystarczy temperaturaok. 1160 °C !!!),- szczególnie w epoce wiktoriańskiej (Anglia 18371901) – wszelkie możliwe zastosowania !!!

- ozdoby, meble ogrodowe, trumny,- mosty (pierwszy w 1779 – istnieje do dzisiaj), kolumny oraz sklepienia architektoniczne, statki,- cylindry silników parowych, łoża tokarek, różne części maszyn,

- do dzisiaj żeliwa są dużo tańsze od stali i staliw (stal odlewana) – dla złożonych kształtów,● właściwości żeliw szarych (z klasycznym grafitem płatkowym):

- bardzo mała wytrzymałość na rozciąganie oraz odporność na obciążenia udarowe,- duża wytrzymałość na ściskanie, duża odporność na zużycie powierzchni ślizgowych,- dobre tłumienie drgań, mniejszy niż w staliwach skurcz odlewniczy oraz naprężenia własne,

● w połowie XX wieku- modyfikowanie żeliw(zmiana kształtu grafitu- do sferoidalnego ),- renesans stosowania żeliw oraz nowe obszary zastosowań (zastępują stal i staliwo) ,- płatki grafitu krótkie, krępe, tępo zakończone,

- zwarty węgiel żarzenia,- grafit sferoidalny – idealny kształt(prawie nie obniża właściwości wytrzymałościowych),



80

● postać grafitu - wytrzymałościowo najgorsza (płatkowa) oraz najlepsza (kulista)s chemat grafitupłatkowego

L.A. Dobrzański) (R.F. Cochrane)

grafit sferoidalny

nie trawione – grafit płatkowy (długi, cienki, ostrozakończony)

grafit sferoidalny w osnowie ferrytycznej



82

brama z żeliwa – pałac Buckingham, Londyn ogrodzenie z żeliwa – Wimpole Hall, Cambridge



83

konstrukcje mostów z żeliwa szarego

rzeka Severn, Anglia„Ironbridge-1779 (H.K.D.H. Bhadeshia)

Victoria Bridge -1850



85

● żeliwo szare w dawnym budownictwie



86



87

● rury żeliwne (kanalizacja) –dawniej i dzisiaj

(żeliwo z grafitem płatkowym)



88

obecnie – przykłady bardziej wyrafinowanych zastosowań

wał korbowy samochodu sportowego – „TVR Tuscan Speed 6(żeliwo sferoidalne hartowane izotermicznie)

wahacz zawieszenia – „Ford Mustang Cobra”(żeliwo sferoidalne hartowane izotermicznie)

(H.K.D.H. Bhadeshia)



90

żeliwo sferoidalne – najwyższe właściwości mechaniczne

stan trawiony – osnowa ferrytyczna (A. Krajczyk)

stan trawiony – osnowa perlityczno-ferrytyczna (A. Krajczyk)stan trawiony – osnowa bainityczna (hart. izotermiczne)



91

Wykres równowagi metastabilnej Fe –Fe 3C oraz Fe - C gr (opis fazowy)fazy stałe: ferryt, austenit , cementyt lub grafit



92

Proces grafityzacji● polega na rozkładzie metastabilnego cementytu na węgiel wolny (grafit) oraz roztwór stały,● w zależności od temperatury grafityzacji:

Fe 3C C gr +T

A1

Fe 3C Cgr +

● grafityzacji (rozkładowi cementytu) sprzyjają pierwiastki destabilizujące cementyt, tzn.zwiększające jego energię swobodna F (pierwiastki rozpuszczone w cementycie):

- krzem (jego wpływ traktowany jest jako poziom odniesienia),- aluminium (trzykrotnie większy wpływ ale rzadko stosowane),- nikiel, miedź, fosfor (wielokrotnie słabiej niż Si),

- oraz węgiel ( im więcej węgla w stopie tym mniej trwały cementyt),● modyfikowanie (dostarczanie podkładek do zarodkowania grafitu) ułatwia grafityzację,

- większość badaczy uważa, że w cieczy jednak najpierw krystalizuje cementyt (6,67 %C) a dopieropóźniej następuje jego rozkład na grafit (100 %C) i austenit,

- krystalizacja grafitu w cieczy jest mniej prawdopodobna (wymagałaby większego ruchu atomów),



94

● trzy główne grupy żeliw w zależności od postaci (kształtu grafitu):



95

● skład chemiczny żeliw (najważniejszyC oraz Si ),

● Mn (0,4 1,4%) – jako domieszka lub celowy dodatek ,- hamuje grafityzację w niższych temperaturach (utrudnia rozkład perlitu, ułatwia jego sferoidyzację),- wiąże bardzo szkodliwą S w niegroźne MnS,

● S <0,12%, zwykle 0,08 0,1% - domieszka szkodliwa (hamuje grafityzację, zmniejsza lejność, duży skurcz),● P (0,1 1,0%) – jako domieszka lub celowy dodatek (dodatni wpływ na grafityzację),- tworzy niskotopliwą (ok. 953°C) eutektykę ( + Fe 3C + Fe 3P) nazywaną steadytem ,

- poprawia lejność, podwyższa odporność na ścieranie, siatka steadytu powoduje kruchość,



96

● eutektyka fosforowa (steadyt) w żeliwie szarym

siatka wtrąceń steadytupojedyncze wtrącenia steadytu

(A. Krajczyk)



99



100

● klasyfikacja żeliw szarych

(B. Kuźnicka)



101

● kryterium klasyfikacji żeliw szarych może byćminimalne Rm

lub minimalna twardość(HB)- oba parametry są powiązane ze sobą (zależność empiryczna wg PN -EN 1561:2000):

HB = RH (A + B Rm) powszechnie przyjmuje się: A = 100, B = 0,44- współczynnikRH nazywany jest twardością względną (zwykle 0,8 1,2 tzn. 20%),- dokładność wartości RH jest miarą powtarzalności wyrobów danego wytwórcy (odlewni),

- pomiar R m wykonuje się na dwa przybliżone sposoby:-próba rozciągania odlewanych osobno prętów próbnych,

-próba rozciągania odcinanych z odlewu specjalnych próbek przylanych (jest dokładniejsza),- pomiar HB wykonuje się bezpośrednio na odlewie w przewidzianych do tego miejscach (nadlewkach)



102

● modyfikowanie żeliwa szarego(stosowana jest zwykle osnowa perlityczna – najwyższe Rm

),- główne cele modyfikowania:

- krótkie, krępe i tępo zakończone płatki grafitu, równomierna wielkość i rozmieszczenie,- uniezależnienie kształtu, wielkości i sposobu rozmieszczenia grafitu od grubości ścianki,

- modyfikatory (dostarczają podkładek ułatwiających zarodkowanie grafitu),- stopy nazywane „żelazokrzemem” (Si + 30% Fe oraz dodatki Ca, Al, Ni, Ti), którepo rozpuszczeniu w ciekłym żeliwie tworzą związki ułatwiające zarodkowanie grafitu,

grafit płatkowy niemodyfikowany grafit płatkowy modyfikowany



104

● porównanie zachowania się przy rozciąganiu oraz skręcaniustali niskowęglowej oraz żeliwa szarego:

przełom ciągliwyrozdzielczy

przełomy kruche

przełom ciągliwypoślizgowy



105

● podsumowanie zalet oraz właściwości żeliwa szarego:- dobra lejność oraz mały skurcz w porównaniu do staliw,

- zdolność do tłumienia drgań,

- niewrażliwość na działanie karbu (zewnętrznego),

- bardzo dobre właściwości ślizgowe (grafit),

- bardzo dobra skrawalność (małe opory oraz łamliwy wiór),

- odporność na korozję lepsza niż stali niestopowej,

- wytrzymałość na ściskanie podobna jak dla stali,

- wytrzymałość na rozciąganie mała (max 350 MPa)

(B. Kuźnicka)



106(B. Kuźnicka)



107



108

Żeliwo sferoidalne (nazywane również podwójnie modyfikowanym)● otrzymywane przez podwójne modyfikowanie żeliwa szarego,

- modyfikowanie żelazokrzemem (z dodatkami Ca, Al, Sr, Ba) w celu ułatwieniazarodkowania grafitu (podkładki) – grafit drobny oraz równomiernie rozmieszczony,

- modyfikowanie magnezem oraz/lub cerem w celu uzyskania sferoidalnego kształtu grafitu(podwyższanie energii granicy międzyfazowej),

- modyfikatory to stopy nazywane „zaprawami” (Si z Mg, Cu z Mg i Cr, Ni z Mg i Cr)

● kąpiel metalowa przed modyfikowaniem wymaga specjalnego odsiarczania (< 0,03% S)w celu zapobiegnięcia powstawania siarczków pierwiastków modyfikujących (Mg, Cr),● niska temperatura topnienia i wrzenia Mg (650 °C oraz 1107 °C) oraz duże powinowactwo do tlenu

wymagają specjalnych metod wprowadzania modyfikatorów do kąpieli metalowej,- najefektywniejsze metody polegają na podawaniu modyfikatorów w strugę metalu wlewanego do formy

● żeliwa sferoidalne można klasycznie obrabiać cieplnie (podobnie jak stale)- Rm = 700 900 MPa,

● żeliwo sferoidalne ADI (Austempered Ductile Iron) hartowane z przemianą izotermiczną osiągaRm = 800 1400 MPa, przy wydłużeniu A = 81%(struktura iglastego lekko przesyconego węglem ferrytu oraz austenitu nieprzemienionego)

- duża odporność na zużycie i zmęczenie, ekonomiczne o bardzo dobrej kombinacji wytrzymałościoraz ciągliwości, konkurencyjne do stali w wielu wyszukanych zastosowaniach (np. koła zębate),



109



111



112

● przykłady zastosowań żeliwa ciągliwego



113

ciągliwe perlityczno-ferrytyczne, np. GJMB-600-3

ciągliwe ferrytyczne, np. GJMB-350-10 ciągliwe perlityczno-ferrytyczne, np. GJMB-450-6



114

(B. Kuźnicka)



115(L.A. Dobrzański)



116



117

PODSTAWY OBRÓBKI CIEPLNEJ (na przykładzie stopów żelaza)OC – proces technologiczny obejmujący zespół operacji, np. grzanie, chłodzenie materiałów w stanie stałym,- wynikiem OC są zmiany struktury a więc właściwości materiału, np. stali.

Teoretyczne podstawy OC są nauką o przemianach zachodzących w materiałach wskutek:- zmiany temperatury, czasem również ciśnienia,- wpływie szybkości grzania i chłodzenia na mechanizmy i kinetykę tych przemian,

(L.A. Dobrzański)



119

(L.A. Dobrzański)



120(L.A.Dobrzański)



121

Przemiana dyfuzyjna perlit austenit(nazywana austenityzowaniem )

Celem austenityzowania jest zwykle otrzymanie jednorodnego oraz drobnoziarnistegoaustenitu co wpływa z kolei na przebieg przemian podczas chłodzenia.

a) konieczne przegrzanie o T dla uzyskania napędzającej przemianę F,

perlit

austenit

A1 A c1 Temperatura727 °C

( p + Fe 3C) S

0,02 %C 6,67 %C 0,77 %C



122

b) powstanie zarodków austenitu na granicy międzyfazowej,c) rośnięcie zarodków ziarna austenitu niejednorodnego,d) ujednorodnienie ziaren austenitu,



123

na szybkość przemiany (w warunkach grzania ciągłego) wpływa:- szybkość nagrzewania wartość przegrzania T szybkość dyfuzji atomów C- budowa perlitu,- tym szybciej im drobniejsze płytki w perlicie,- najwolniej gdy cementyt kulkowy,

w stalach nieeutektoidalnych austenityzowanie

kończy sięw wyższych temperaturach (muszą ulecrozpuszczeniufazy przyeeutektoidalne -ferryt lub Fe 3C II)

w kres dla stali eutektoidalne



124

Samorzutny proces rozrostu ziaren austenitupoczątkowo po przemianie ziarna są bardzo drobne (duża LZ b. duża pow. zarodkowania),zwiększenie temperatury lub czasu wygrzewania rozrost ziaren

stale gruboziarniste – skłonne do rozrostu ziaren natychmiast (już w niejednorodnym),stale drobnoziarniste – drobne wydzielenia innych faz hamują rozrost ziaren (teoria barier)

(ruch granic dopiero po rozpuszczeniu lub koagulacji tych faz),

stale gruboziarniste stale drobnoziarniste

- niestopowe (specjalnie uspokojone)(np. tlenki, azotki Al)

- stopowe (dodatki lub mikrododatki)(np. węgliki Ti, V, W)



125

Przemiana dyfuzyjna austenit perlitprzemiana eutektoidalna przechłodzonego austenitu- izotermiczne wygrzewanie w temp. A r1 = A1 - T (przechłodzenie stałe),- ciągłe chłodzenie (nieprzerwany wzrost przechłodzenia),

zarodki dwufazowe (na granicach ziaren austenitu) ale nie obie fazy jednocześnie(uważa się, że pierwszy zarodkuje Fe 3C co ułatwia zarodkowanie ferrytu itd.),

rośnięcie zarodka płytkowa kolonia perlitu- wzrost kolonii perlitu jest różny w kierunku

czołowym i bocznym (Mehl)budowa płytkowa, gdyż zapewnianajwiększą szybkość przemiany,

- późniejsze wyżarzanie sferoidyzacja Fe 3C,



126Różnie zorientowane kolonie perlitu w stali eutektoidalnej, trawione Mi1Fe



127

Kinetyka przemiany austenit perlit (przy T = const)krzywa kinetyki przemiany

- charakterystyczny kształt litery S,- występuje okres inkubacji,- chwilowa szybkość przemiany zależy od

stopnia zaawansowania przemiany,

szybkość przemiany v = f ( T) ,dla danego T jest określana umowniew punkcie przegięcia krzywej (maksymalna),- wykazuje maksimum przy T 175 K,- później maleje z powodu utrudnień w dyfuzji C,

p

v

k

T = constv

vk

Krzywe kinetyki przemiany perlitycznejdla różnych przechłodzeń(każda w warunkach izotermicznych)



128

Wykres izotermicznej przemiany austenitu - CTPidyfuzyjna przemiana perlityczna od temperatury A r1 do T m ( T 175 K) mieszanina płytkowa- odległość między płytkami od 1,0 do 0,1 m,- płytki ferrytu około 7 razy grubsze od płytek cementytu,

pk

Tm

Perlit grubopłytkowyPerlit drobnopłytkowy

sorbit hartowania (płytki widoczne przy pow. ok. 500x)

troostyt hartowania (płytki niewidoczne podmikroskopem optycznym)

bainit górny

bainit dolny

martenzyt

CTPi dla stali eutektoidalnej (0,77 %C)(R. Haimann)



129

• im większe przechłodzenie T tym mniejsza odległość międzypłytkowa (s) w perlicieR p 0,2MPa

s -1/2 , mm -1/2

Średniaodległość

międzypłytkowas [μm ]

0,6-1,0 0,25-0,30 0,10-0,15

Twardość HB 180-250 250-350 350-450

(B. Kuźnicka)



130

Przemiana perlityczna w stalach nieeutektoidalnych

w stopach nieeutektoidalnych, w warunkach nierównowagi (znaczneprzechłodzenia) tworzy się perlit drobnopłytkowy o zawartości węglaodbiegającej od 0,77% nazywanyquasi-eutektoidem (quasi-perlitem )zjawisko sztucznego zwiększania udziału perlitu w strukturzewykorzystywane jest, np. w niskowęglowych spawalnych stalachkonstrukcyjnych (przyśpieszone chłodzenie austenitu na powietrzu),

quasi-eutektoidem

po przechłodzeniu do temp. Tq

nawet w stalach o małej zawartości Cpowstaje sam drobnopłytkowy quasi-perlit (twardy i nieciągliwy),w stalach zaeutektoidalnych zjawisko to można wykorzystaćdo likwidacji Fe 3C II ale tracimy np. na skrawalności,

Obszar quasi- eutektoidu w zależnościod przechłodzenia przed przemianąperlityczną. (R. Haima nn)



131

CTPi – warunki izotermiczne (L.A. Dobrzański) CTPc – chłodzenie ciągłe

Wykres CTPc stali niestopowej (0,35% C)

(R. Haimann)

twardość HV



132

Cechy przemiany perlitycznej w warunkach nierównowagi:przemiana dyfuzyjna ( T zarodek rośnięcie zarodka)

wykazuje okres inkubacji, w którym następuje wstępna dyfuzja węgla w austenicie,

produktem przemiany jest płytkowa mieszanina ferrytu i cementytu,

zarodki perlitu powstają na granicach ziaren austenitu i wrastają w metastabilnyaustenit,

może zachodzić w warunkach izotermicznych oraz podczas ciągłego chłodzenia,

przebiega do końca,im większe przechłodzenie, tym drobniejsze płytki perlitu,

w stopach nieeutektoidalnych – quasi- eutektoid o zawartości węgla różnej od 0,77%,(płytkowa mieszanina zajmuje większą objętość w strukturze niż w warunkach

równowagi)



133



134

Przemiana martenzytycznabezdyfuzyjna przemiana alotropowa austenit ferryt (tzn. Fe Fe czyli sieci A1 A2 )- zachowana jest ta sama koncentracja węgla ferryt przesycony węglem (martenzyt ),- warunek: chłodzenie z szybkością większą niż krytyczna ( F , D C = 0)

(ominięcie krzywej początku przemian dyfuzyjnych – uniemożliwienie dyfuzji węgla),- siłą napędową przemiany jest duża różnica F austenitu i martenzytu w temperaturze Ms ,

F

CTPi dla stali eutektoidalnejSchemat zmian F austenitu, perlitu i martenzytu

(R. Haimann)



135

przebudowa sieci RSC RPC w wyniku niewielkich (w stosunku do d) skoordynowanych przesunięć całychpłaszczyzn atomowych w stosunku do pewnych płaszczyzn niezmiennych nazywanych habitus,- na powierzchni próbki pojawia się relief o kształcie iglastym (płytki lub listwy martenzytu),

- rosną z szybkością rozchodzenia się dźwięku (odkształceń sprężystych) – ok. 10 5-7 m/s,- są nachylone względem siebie pod kątem 60 lub 120 ,

ścisły związek orientacji sieciM oraz - płaszczyzny {111} austenitu stają się płaszczyznami {110} ferrytu,granica między płytkami martenzytu oraz austenitem jest koherentna –w jednym ziarnie austenitu powstajeogromna ilość płytkowych lub listwowych ziaren martenzytu,

przemiana jest atermiczna – wymaga ciągłego obniżania temperatury większa objętość M niż ),

(L.A. Dobrzański)

(R. Haimann)

Uproszczony schemat powstawania płytek martenzytuw ziarnie austenitu – wielkość płytek zależy od wielkościziarna austenitu (martenzyt grubo- lub drobnoiglasty)



136

Schemat kolejnych stadiów zmiany sieci krystalicznej austenitu w sieć martenzytu wg Kurdiumowa i Sachsa,a - graniastosłup skośny utworzony przez atomy leżące na płaszczyznach {111} w sieci RSC,b - pod działaniem siły tnącej graniastosłup ulega wyprostowaniu,c – graniastosłup prosty utworzony przez atomy sieci RPC leżące na płaszczyznach {110}



137

(L.A. Dobrzański)

(M.F. Ashby)



138

Kolejne fazy przemianymartenzytycznej w miaręchłodzenia między temperaturąMs a M f

(B. Kuźnicka)



140

Dwa zasadnicze typy martenzytów w stalach (listwowy oraz płytkowy)

- listwy(szerokość 0,1 3 m, stosunek wymiarów ok. 1:7:30),- równoległe listwy tworzą tzw. pakiety,- powstają w większości stopów żelaza,- dominują przy mniejszych zawartościach węgla,

- płytki o kształcie zbliżonym do soczewek,- dominują przy większych zawartościach węgla,

Schemat kryształów martenzytu płytkowegoa) całkowicie zbliźniaczonegob) częściowo zbliźniaczonegoWpływ zawartości węgla na typ tworzącego się martenzytu



141

Martenzyt listwowy

(niskowęglowa stal niestopowa,rdzeń stali nawęglanej)

(A. Krajczyk)



Martenzyt średnioiglasty (stal o zawartości 0,4% C)

Martenzyt gruboiglasty (płytkowy)(stal wysokowęglowa)

(A. Krajczyk)

(ok. 700x)

(ok. 150x)



143

Wpływ chłodzenia przerwanego na ilośćaustenitu szczątkowego

(L.A. Dobrzański)

(R. Haimann)

przemiana martenzytyczna nie zachodzi zwykle do końca,- temperatura M f (martensite finish) ma charakter umowny,

po jej przekroczeniu pozostaje niewielka ilość austenitunieprzemienionego ( austenit szczątkowy) – wszechstronnieściskanego płytkami martenzytu (o większej objętości niż austenit),- ilość austenitu szczątkowego zależy od szybkości chłodzenia,także przerwanie chłodzenia zwiększa jego ilość,

- duża ilość austenitu szczątkowego jest wykorzystywana wnowych generacjach stali na karoserie samochodów (np. stale TRIP),



a

c

1. Martenzyt (przesycony węglem ferryt) charakteryzuje się zdeformowaną siecią RPC,- deformacja tetragonalna ( c a ) tym większa im więcej węgla,- tetragonalność jest wynikiem pewnego uporządkowania rozmieszczenia nadmiarowych atomów węglaw obrębie komórki sieci tak aby wzrostF był jak najmniejszy,

(L.A. Dobrzański)

Wpływ zawartości węgla na przebieg przemiany oraz budowę i właściwości martenzytu(+)



145

2. Wpływ zawartości węgla na temperaturę początku i końca przemiany martenzytycznej,od ok. 0,4 0,5% C temperatura M f znajduje się poniżej temperatury pokojowej,dokończenie przemiany jest możliwe dopiero w temperaturach ujemnych (obróbka podzerowa)

- wzrost kosztów,- niebezpieczeństwo wypaczeń lub pęknięć przedmiotów,

(R. Haimann)(M. Blicharski)



147

3. Wpływ zawartości węgla na właściwości martenzytuduża twardość oraz nieodkształcalność (plastycznie) odpowiednio duża zawartość węgla

- umocnienie roztworowe silnie przesycony węglem roztwór stały (ferryt),- umocnienie zgniotowe (wzrost gęstości dyslokacji) zgniot fazowy

(rezultat przyrostu objętości),- umocnienie granicami ziaren ogromna ilość płytek martenzytu

zamiast jednego ziarna austenitu,

Twardość martenzytuUmowna granica plastyczności martenzytu

(E. Just) (P.G. Winchel, M. Cohen)



148

Charakterystyczne cechy przemiany martenzytycznej w stopach żelaza z węglem:bezdyfuzyjna, atermiczna, w stalach nieodwracalna – wymaga ciągłego chłodzenia między Ms oraz M f ,

polega na skoordynowanym przemieszczeniu atomów bez zmiany sąsiedztwa,zachodzi przez ścinanie wg mechanizmu poślizgu lub bliźniakowania,produktem przemiany jest martenzyt listwowy lub płytkowy o własnościach zależnych od zawartości węglaoraz o objętości właściwej większej od objętości austenitu,pomiędzy sieciami austenitu i martenzytu zachowana jest ścisła zależność orientacji,zwykle nie zachodzi całkowicie (do końca) – pozostaje niewielka ilość ściśniętego austenitu szczątkowego,wolne chłodzenie lub izotermiczne wytrzymywanie (między Ms oraz M f ) stabilizuje austenit zwiększającilość austenitu szczątkowego,Martenzyt średnio- i wysokowęglowy (twardy i odporny na ścieranie) był od dawna wykorzystywany:

- w narzędziach,- na powierzchni części maszyn narażonych na ścieranie,- jako struktura wyjściowa do dalszej obróbki cieplnej sprężyn i części maszyn.

Ostatnio również w niskowęglowych stalach konstrukcyjnych (ciągliwych, łączonych spawaniem lubzgrzewaniem) wykorzystuje się wysoką wytrzymałość i granicę plastyczności martenzytu, np. stale DP(ferryt + martenzyt) na karoserie samochodowe.Bezdyfuzyjna przemiana typu martenzytycznego występuje:- w wielu metalach i ich stopach, np. metale z pamięcią kształtu (przemiana odwracalna),- w materiałach ceramicznych, np. zawierających cyrkonię (ZrO2),- w polimerach i materiałach biologicznych, np. niektórym bakteriom zmiana kształtu pomaga wbić się w

skórę,



149

Przemiana bainitycznaprzemiana w pośrednim zakresie temperatur, między Tm (ok. 550 C) oraz M S (ok. 200 C),

- charakter bezdyfuzyjno-dyfuzyjny przemiany:- zbyt mała ruchliwość atomów Fe bezdyfuzyjna (jak martenzytyczna) przebudowa sieci A1 A2 ,- wystarczająca ruchliwość atomów C w austenicie lub w powstałym iglastym przesyconym ferrycie

krystalizujądrobne, cienkie blaszki Fe 3C lub Fe 2,6 C (węglik )

mieszanina iglastego, przesyconego ferrytu orazdrobnych, nieciągłych, płytkowych wydzieleń Fe3Club węglika (w niższych temperaturach)

od temperatury przemiany zależą:- przesycenie ferrytu,- przebieg przemiany,

- morfologia struktury,- umownie wyróżniamy:

- bainit górny (Tm 350 C),- bainit dolny ( 350 °C MS )



ogólny schemat przebiegu przemiany bainitycznej,

„przygotowanie” do przemiany (rozsegregowanie atomów C)

baini t (końcowe produkty przemiany) (L.A. Dobrzański)

(-+)



151

powstawanie bainitu górnego Fe 3C

- listwy (płytki) ferrytu o szerokości ok. 0,5m, między którymiznajduje się cementyt,

- płytki ferrytu mogą się poszerzać i wydłużać,- krótkie płytki cementytu mają takie ukierunkowanie

jak iglaste płytki ferrytu,

- struktura ma często charakter pierzasty

(igły ferrytu wyrastają od granic ziaren austenitu)



pow stawan ie ba in i tu do lnego

TEM

- wzrost cząstek węglików (Fe 3 C lub ) zachodzi wewnątrz płytek ferrytu bainitycznego (pod kątem 55 do osi płytek) ,

- ferryt bainityczny, coraz bardziej przesycony węglem,staje się podobny do martenzytu,

- igły są nachylone do siebie pod kątami 60 i 120 , powstają nie tylko przy granicach ale i wewnątrz ziarn,

- zwiększa się ilość austenitu szczątkowego,

- bainit dolny trawi się silniej (ciemniejszy) niż martenzyt (obecność w igłach ferrytu cząstek drugiej fazy),

Martenzyt

Bain i t do lny

(A. Krajczyk) (R. Haiman n)

(M. Blich arski)

(przesycenie węglem, rozdrobnienie zależą od T )

(+)

(L.C. Chang , H.K.D.H. Bh adesh ia)



153

Charakterystyczne cechy przemiany bainitycznej:

wykazuje okres inkubacji, podczas którego następują dyfuzyjne zmiany zawartości węgla w mikroobszarach,zarodkuje w mikroobszarach uboższych w węgiel oraz rośnie według atermicznej przemiany martenzytycznej,wzrost bainitu kontrolowany jest dyfuzją węgla (zależną od temperatury),w mikroobszarach bogatszych w węgiel wydzielają się węgliki,mechanizm przebiegu przemiany zależy od temperatury (bainit górny i dolny),produktem przemiany jest mieszanina: niskowęglowego, częściowo przesyconego ferrytu o dużej gęstości

dyslokacji (ferryt bainityczny) oraz cementytu lub węglikaw postaci drobnych płytkowych wydzieleń,ferryt bainityczny wykazuje określoną względem austenitu orientację,Właściwości bainitu:

bainit górny – struktura ogólnie niekorzystna:- wytrzymałość oraz twardość (ok. 45 HRC) podobna do drobnopłytkowych struktur perlitycznych,- ciągliwość jest gorsza (szczególnie pierzastego) – iglasty przesycony ferryt z Fe 3C na granicach igieł,

bainit dolny – struktura często wykorzystywana:- wytrzymałość oraz twardość (ok. 55 HRC) wyższa niż struktur perlitycznych,- ciągliwość lepsza niż bainitu górnego,

- morfologia oraz właściwości praktycznie identyczne jak martenzytu odpuszczonego w niskich temperaturach



154

Przemiany podczas odpuszczania

(przemiany dyfuzyjne po podgrzaniu zahartowanej na martenzyt stali)● struktura wyjściowa:martenzyt hartowania - M H (przesycony ferryt tetragonalny + austenit szczątkowy)- fazy metastabilne trwałe w temperaturze pokojowej zamrożenie ruchliwości atomów C oraz Fe,- struktura nie stosowana w praktyce wysokie naprężenia własne, brak ciągliwości, kruchość,● żądany zespół właściwości uzyskujemy po wygrzaniu (odpuszczaniu ) w wybranej temperaturze (poniżej A1),- podwyższenie temperatury reaktywacja dyfuzji atomów C zmiany struktury zmiany właściwości,

Wykres odpuszczania stali 0,35% C Wykres odpuszczania stali 0,45% C(L.A. Dobrzański)

(R. Haimann)



155

● przemiany odpuszczania można badać i śledzić różnymi metodami:

- zmiany długości próbki (krzywe dylatometryczne) – największe znaczenie dydaktycznie,- zmiany twardości (metoda prosta, często stosowana w praktyce),

(zmiany długości L mierzone są po ochłodzeniu próbek) Temperatura odpuszczania



156

I stadium – do ok. 200 °C (początek wyraźnych zmian zależy od zawartości węgla),

● 80 (100) °C - przegrupowanie atomów C w martenzycie (bez tworzenia węglików),początek relaksacji naprężeń,● ok. 80 200 °C,

- powstają węgliki przejściowe o dużej dyspersji,- płytki (koherentne z tetragonalnym ferrytem),- heksagonalny węglik (Fe 2,4 C),

- wg ostatnich badań - rombowy węglik (Fe 2C),- maleje przesycenie ferrytu (do ok. 0,2%C),- maleje tetragonalność ferrytu,- maleją naprężenia (mniejsze przesycenie + relaksacja),- gęstość i rozmieszczenie dyslokacji pozostaje (przeszkadza węglik ),- austenit szczątkowy pozostaje,

● struktura: martenzyt odpuszczania(mieszanina lekko przesyconego iglastego ferrytu + koherentne wydzielenia węglika + austenit

szczątkowy),- morfologia i właściwości podobne do bainitu dolnego,

(Modp trawi się silniej niż MH)● właściwości:

- R m , R 0,2 , HRC nadal wysokie (prawie bez zmian)(malejące umocnienie roztworowe zastępowane przez nowe umocnienie wydzieleniowe)

- ciągliwość (K A Z) nadal niewielka ale zdecydowanie wyższa niż martenzytu hartowania (MH



157

II stadium – ok. 200 - 300 °C (objętość rośnie zanika austenit szczątkowy),● przemiana austenitu szczątkowego (przemiana podobna do powstawania bainitu dolnego),● produkty rozpadu sz są identyczne jak w przypadku rozpadu martenzytu hartowania w I stadium,● struktura: nadal nazywana martenzytem odpuszczania

(mieszanina jeszcze mniej przesyconego iglastego ferrytu + koherentne wydzielenia węglika ),

● właściwości:- Rm , R 0,2 , HRC - lekko maleją (wyższa temperatura, mniej przesycony ferryt, mniejsza dyspersja węglika )

- rosną ale z niższego poziomu , gdy austenitu szczątkowego było dużo (nie osiągnięta Mf ),

- udarność (K) - od ok. 250 °C zaczyna spadać ( nieodwracalna kruchość odpuszczania) spowodowanaprzypuszczalnie prawie ciągłą otoczką węglika wzdłuż byłych granic ziaren austenitu,

Wpływ temperatury odpuszczania naudarność stali niestopowej (0,42%C)

(ASM Handbook, T.4 – 1991)



159

troostyt odpuszczania

stal średniowęglowa (ok. 04%C)

(A. Krajczyk)



160

IV stadium – ok. 400 °C A1 (koagulacja cementytu oraz rekrystalizacja zgniotu fazowego),● ziarenka cementytu koagulują – stają się widoczne przy powiększeniach mikroskopu optycznego ( 500x),● nieprzesycony ferryt do temperatury ok. 650 °C zachowuje iglasty pomartenzytyczny kształt,

- ruch granic ferrytu (rekrystalizacja) jest blokowany wydzieleniami drobnego cementytu,- zgniot fazowy podlega tylko procesom zdrowienia,

● powyżej ok.650 °C następuje ruch granic szerokokątowych – rosną nowe równoosiowe ziarna ferrytu,- ruch granic ferrytu umożliwia dopiero odpowiednio wysoki stopień koagulacji cementytu,

● struktura:- do ok. 650 °C sorbit odpuszczania (martenzyt wysoko odpuszczony )

(mieszanina iglastego, pomartenzytycznego ferrytu + skoagulowane ziarenka cementytu),-powyżej650 °C sferoidyt - po długotrwałym wyżarzaniu

(mieszanina kulkowego cementytu na tle zrekrystalizowanego ferrytu)● właściwości sorbitu odpuszczania (optymalne skojarzenie wytrzymałości oraz ciągliwości):

- parametry wytrzymałościowe (Rm , R 0,2 ) – zdecydowanie wyższe niż dla stanu przed hartowaniem,- ciągliwość (K, A, Z) – nie gorsza a najczęściej wyższa niż dla stanu wyjściowego (przed hartowaniem),

- twardość (ok. 23 35 HRC) umożliwia jeszcze stosunkowo łatwe skrawanie,● sorbit odpuszczania jest najczęściej stosowaną strukturą w częściach maszyn ,



161

sorbit odpuszczania(stal niskostopowa 0,4%C)

cementyt

(A. Krajczyk)700x

1400x



162

sorbit odpuszczania

(stal niestopowa 0,25%C)

(A. Krajczyk)150x

600x

cementyt



163

(A. Krajczyk)

(H.K.D.H. Bhadeshia)

sferoidyt (160-250) HB

(na przykładzie stali narzędziowych, ok. 1%C)po wyżarzaniu zmiękczającym- tuż poniżej A1,(bez hartowania)

cementyt

TEMpo hartowaniu oraz odpuszczaniu w 700 °C



164

Wybrane zagadnienia technologii obróbki cieplnej1. Temperatury nagrzewania przed hartowaniem stali.

● stale przedeutektoidalne: 30 (h. w wodzie) 50 (h. w oleju) °C nad A 3 ,

● stale zaeutektoidalne: 30 (woda) 50 (olej) °C nad A 1 (w celu uniknięcia dużej ilości sz )

- ale wcześniej odpowiednia postać Fe3C II (najlepiej sferoidyt),- unikamy konieczności usuwania sz co wiązałoby się z obniżeniem twardości,- mniejsze naprężenia własne (niższa temperatura),- Fe 3C II podwyższa odporność na ścieranie,

Twardość zahartowanej stali: a) twardość martenzytu,b) hartowanie znad A cm ,c) hartowanie znad A 1 ,(R. Haimann)



165

prawidłowa struktura stalizaeutektoidalnej po OC

(twarda i odporna na ścieranie pohartowaniu znad A 1 orazodpuszczaniu niskim (do 250 °C)

300x

1200x

Fe 3C II

(A. Krajczyk)



166

2. Sposoby hartowania objętościowego.● problemem jest różnica temperatur powierzchni i rdzenia naprężenia cieplne +

naprężenia po przemianie martenzytycznej,

Schemat hartowania zwykłego. (M. Blicharski)- duże naprężenia cieplne (I rodzaju) + naprężeniawynikające z przemiany martenzytycznej (II i III rodzaju),

- przedmioty o nieskomplikowanym kształcie,- zaletą jest prostota i łatwa możliwość mechanizacji,- można zastosować podchładzanie (początkowe

chłodzenie na powietrzu) – hartowanie z podchładzaniem,

Schemat hartowania w dwóch ośrodkach(hartowanie przerywane)

- przedmiot wyjmuje się z wody gdy powierzchniama ok. 300 °C i przenosi do oleju,

- wadą jest trudność ustalenia czasu przeniesienia,- zaletą są mniejsze naprężenia własne,



167

Schemat hartowania stopniowego .- oziębianie przedmiotów w stopionych solach ( MS),- pozwala uniknąć naprężeń cieplnych (I rodzaju),- wadą jest mała intensywność chłodzenia kąpieli,wymagająca stali o większej hartowności,

Schemat hartowania izotemicznego (bainitycznego)- w wielu stalach jedyny sposób uzyskania struktury

bainitycznej,- mniejsze naprężenia własne,- wyższa ciągliwość,- mniej austenitu szczątkowego,

- najczęściej nie wymaga odpuszczania,- wadą jest mała intensywność chłodzenia kąpieli,wymagająca stali o większej hartowności,



168

3. Hartowność oraz sposoby jej oznaczania.● hartowność – ogólnie: zdolność materiału do utwardzania się w głąb w wyniku oziębiania,

- dla stali: zdolność do tworzenia struktury martenzytycznej podczas chłodzenia od temperaturyaustenityzowania ( miarą hartowności jest grubość warstwy zahartowanej) – PN-93/H-01200,

● o właściwościach stali w stanie zahartowanym decydują dwie cechy:- utwardzalność – podatność stali na hartowanie mierzona maksymalną twardością po hartowaniu,

- warunki austenityzowania (temperatura różna dla stali przed- oraz zaeutektoidalnych),

- stężenia węgla w austenicie,- obecność oraz stężenie dodatków stopowych,- hartowność (używa się też określenia „przehartowalność”) - zależy od:- składu chemicznego ( rośnie z zawartością C oraz pierwiastków stopowych – główny cel ich stosowania),- wielkości ziaren (im większe ziarna tym większa hartowność –tego nie wykorzystujemy !!),- jednorodności austenitu (im bardziej jednorodny tym większa hartowność),

- obecności nierozpuszczonych faz (obniżają hartowność ułatwiają zarodkowanie i przemiany dyfuzyjne).● hartowność jest głównymkryterium doboru stali, np. maszynowych, sprężynowych, narzędziowych,

- wysoka hartowność (kosztowna dodatki stopowe) jest konieczna gdy:

- przedmiot ma tak skomplikowany kształt, że musi być wolno chłodzony przy hartowaniu,- chcemy zahartować przedmiot odpowiednio głęboko,



169

● na przekroju hartowanego pręta występują różne prędkości chłodzenia,

- miarą głębokości pełnego zahartowania jest krytyczna szybkość hartowania (vkr ),- parametr ten (v kr ) jest zbyt trudny do wykorzystania w praktyce,- dla ułatwienia wprowadzono pojęcieśrednicy krytycznej

(opracowano proste i powtarzalne metody jej wyznaczania),

vrdzenia

vkr vpow

Wpływ zawartości węgla nakrytyczną szybkość hartowania,

vpowierzchni

v vkr

vkr

vrdzenia (v vkr )

strefazahartowanana martenzyt

strefazahartowanana martenzyt

strefaniezahartowana

całkowicie



171

● najłatwiej określić głębokość, na której występuje50% martenzytu (D 50 )- metodą pomiaru twardości,- poprzez obserwacje mikroskopowe,

strefa półmartenzytyczna

Wpływ zawartości węgla na twardość strefy

półmartenzytycznej w stalach

Dla części silnie obciążonych, w których strefapółmartenzytyczna w rdzeniu jest niedopuszczalnamożna określać strefy o większej zawartościmartenzytu,wykorzystując odpowiednie wykresy doświadczalne.



172

● przykład wyznaczania średnicy krytycznej D50 metodą krzywych U,- metoda historyczna, pracochłonna (nie stosowana obecnie w praktyce),

Krzywe rozkładu twardości na przekroju prętów o różnej średnicy(stal 0,3% C oraz 3% Ni, hartowana w wodzie)



173

● średnica krytyczna Dk (najczęściej jako D50 ) dotyczy określonego ośrodka chłodzącego wraz z

określoną intensywności poruszania w tym ośrodku (H)● wprowadzono pojęcieidealnej średnicy krytycznej D w idealnym ośrodku chłodzącym(H = )(miara hartowności niezależna od warunków chłodzenia jako umowny poziom odniesienia)

Uproszczony schemat nomogramu, np. do określania idealnej średnicy krytycznej

lub średnic krytycznych w różnych ośrodkach (według Grossmana)

H – współczynnikintensywnościchłodzenia



174

● szczegółowa zależność miedzy idealnymi (D ) oraz rzeczywistymi (D k ) średnicami krytycznymi

H – współczynnik

intensywnościchłodzenia

Idealna średnica krytyczna D , mm

Hartowność stali:mała D 50 mm,

średnia D = 50 80 mm,duża D = 80 150 mm,

bardzo duża D 150 mm,



175

● określanie hartowności metodą chłodzenia od czoła – metoda Jominy’ego,- znormalizowane urządzenie, próbka oraz warunki próby powtarzalność i dokładność wyników,- założono, że szybkość chłodzenia w określonych odległościach od czoła jest jednakowa dlawiększości stali niestopowych oraz niskostopowych ośrednich wartościach vkr

- wynikiem próby jestkrzywa hartowności, tzn. zależność: HRC = f (odległości od czoła),- twardość HRC mierzona na zeszlifowanej powierzchni bocznej próbki (wzdłuż tworzącej walca),

1 - zbiornik z wodą,2 - wanna,3 - zawór,

4 - dysza wodna,5 - przesłona,6 - uchwyt próbki,7 - próbka

(L.A. Dobrzański)



176

● przykładowe krzywe i pasma hartowności wyznaczone w próbie Jominy’ego- optymalne wykorzystanie danej stali w konkretnym przedmiocie wymaga kontrolnych badań zakupionejpartii stali lub zamawiania u producenta wąskiego pasma hartowności dodatkowe koszty,

D = 55 mm D = 130 mm21 2,7

Pasmo hartowności dla stali 35HM (35CrMo4)

Schemat wyznaczania szybkości chłodzenia wstrefie półmartenzytycznej D oraz D 50 (z nomogramów),

- jak optymalnie wyznaczyć D oraz D 50 ?!



177

● wpływ ilości martenzytu w środku przekroju na właściwości części maszyn,● niejednorodna struktura na przekroju (za mało martenzytu):

- mniejsza wytrzymałość zmęczeniowa,- mniejsza ciągliwość (udarność),

nieprawidłowa struktura dla częścisilnie i bardzo silnie obciążonych,

Twardość zahartowanej stali przy różnymudziale martenzytu w zależności od % C.

Nomogram do określania krytycznych średnic idealnychdla różnych udziałów martenzytu w środku pręta.

(wg J M Hodge’a i M A Orehoskiego) (R Haimann)



179

● odpuszczanie niskie : 150 250 °C - martenzyt odpuszczania (zwykle 58 63 HRC)

- zmniejszenie naprężeń hartowniczych (poprzez zmianę struktury oraz relaksację naprężeń),- zachowanie wysokiej twardości i wytrzymałości(Rm , R 0,2 ) ale bardzo mała ciągliwość (K),

- zastosowanie: gdy wymagamy dużej twardości i odporności na ścieranieoraz godzimy się naniewielką ciągliwość,

(narzędzia, łożyska toczne, przedmioty po nawęglaniu, hartowaniu powierzchniowym itp.)● odpuszczanie średnie : 350 500 °C - troostyt odpuszczania (zwykle 40 50 HRC)

- zapewnia wysoką jeszcze wytrzymałość (Rm

, R0,2

, Rspr

),- wzrost ciągliwości(K, Z, A) nie jest duży ale często już zadowalający,- zdecydowane zmniejszenie twardości ale jeszcze trudna skrawalność,

- zastosowanie: gdy wymagamy znacznej granicy sprężystości oraz godzimy się na małą ciągliwość,np. elementy sprężyste,gdy narzędzie powinno mieć podwyższoną ciągliwość ale nie musi być ostre,np. narzędzia pneumatyczne, matryce itp.)

● odpuszczanie wysokie : 500 650 °C - sorbit odpuszczania (zwykle 23 35 HRC)- najlepsze skojarzenie własności wytrzymałościowych oraz ciągliwości,● Rm , R 0,2 - zwykle o 30 50% wyższa niż w stanie wyjściowym(po normalizowaniu),● udarność (K) –zwykle o 20 50% wyższa niż w stanie wyjściowym(po normalizowaniu),● twardość umożliwia już stosunkowo łatwe skrawanie,

- hartowanie + wysokie odpuszczanie nosi odrębną nazwę: „ulepszanie cieplne ”,

zastosowanie: powszechne do przedmiotów ze stali maszynowych średniowęglowych



180

5. Rodzaje wyżarzania. ● podstawowym celem jest zmiana struktury zmiana właściwości !!,

(R Haimann)

ł l



181

● wyżarzanie zupełne oraz normalizujące(normalizowanie )- identyczne temperatury nagrzewania (30 50 K nad A

3lub A

cm), różna szybkość chłodzenia,

● wyżarzanie zupełne stali przedeutektoidalnych,- chłodzenie: bardzo wolne (zwykle z piecem),- zmiany struktury:

- uzyskanie struktury równowagowej, ujednolicenie struktury na przekroju przedmiotu,- zwykle pewne rozdrobnienie ziarna ferrytu dwukrotne przekrystalizowanie,- zmniejszenie dyspersji perlitu (większa odległość między płytkami),

-zmiany właściwości:- obniżenie twardości oraz wytrzymałości (Rm , R e ), zmniejszenie naprężeń własnych ,

- polepszenie ciągliwości (K, Z, A),- podwyższenie obrabialności,

- zastosowanie: po walcowaniu lub kuciu (stan: wyżarzony), odlewy (usuwanie struktury Widmannst ättena)● wyżarzanie normalizujące stali przedeutektoidalnej),

- chłodzenie: stosunkowo szybkie (w spokojnym powietrzu),- zmiany struktury:

- uzyskanie struktury nierównowagi(ale w zakresie przemian dyfuzyjnych),- silne rozdrobnienie ziarna ferrytu (większe przechłodzenie T LZ),- zwiększenie dyspersji perlitu(rośnie twardość),- zwiększenie ilości perlitu(quasi-eutektoid) oraz zmniejszenie ilości ferrytu(struktura stali „udaje” większą zawartość węgla),

- zmiany właściwości:- podwyższenie twardości oraz wytrzymałości(R m , R e ) – główny cel,- zwykle tylko niewielkie obniżenie ciągliwości(K, Z, A) przeciwdziała drobne ziarno ferrytu,- pogorszenie obrabialności,

- zastosowanie:- w hutach (stan dostawy: normalizowany ) – odkuwki, odlewy, wyroby płaskie, długie itp.,-

często obróbka poprzedzająca hartowanie



182

● w stalach zaeutektoidalnych:

- wyżarzanie zupełne prowadzi do siatki Fe 3C II praktycznie nie stosowane,- normalizowanie ,- pozwala zgubić siatkę Fe3C II (quasi- perlit o większej zawartości węgla),- utrudnia obrabialność (twardość do 45 HRC) rzadko stosowane,

R m, R p 0,2

[MN m -2]1000

800

600

400

200

00,2 0,4 0,6 0,8 1,0

Zawartość węgla %

K[ J]140

120

100

80

60

40

20

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

20

40

60

A [%]

(K)

Zawartość węgla %

Właściwości stali powyżarzaniu zupełnym oraznormalizowaniu

(B. Kuźnicka)



185

Typowe wadliwe struktury stali przedeutektoidalnej

Stal 0,2% C - pasmowość (segregacja dendrytyczna przykrzepnięciu + walcowanie na gorąco + wolne chłodzenie)

Stal 0,15% C - struktura Widmannst ättena

(przegrzanie duże ziarno + szybkie chłodzenie ale przemiany dyfuzyjne)

+ w y ż a r z a n

i e

Stal 0,2% C - po normalizowaniu (usuwanie wad struktury)- usuwania wadliwych struktur:

- wyżarzanie zupełne lub normalizujące,- często stosuje się wyżarzanie podwójne:

- najpierw zupełne (w ok. 50°C wyższej temp.)- następnie normalizowanie (rozdrobnienie ziaren)



187

Stal wysokostopowa (Cr+Ni)

odporna na korozję(struktura ferrytyczno-austenityczna)

pasmowość (L. Mroczkowski)

pow. mikroskopu 400x

struktura Widmannst ättena(SWC złącza spawanego)iglasty austenit

● ż i f id j ( t i k j )



188

● wyżarzanie sferoidyzujące ( często nazywane zmiękczającym)

● teoretycznie dostatecznie długie wygrzewaniew temperaturze tuż poniżej A1

(Fe 3C przyjmie postać kulistą – energetycznie korzystniejszą)

● w praktyce nagrzanie stali do temperatury tużnad A C1oraz wykorzystanie niejednorodnego austenitu z cząstkaminierozpuszczonego Fe 3C,

- wygrzewanie w temperaturze 10 30 °C nad A C1 ,- wolne chłodzenie ( 10 K/s) w zakresie przemianyperlitycznej (aby odpowiednio duże sferoidy Fe3C),

● stosowane są różne sposoby skrócenia czasu zabiegu:- wyżarzanie wahadłowe,- wyżarzanie z przemianą izotermiczną,

● zastosowanie:- obowiązkowe dla stali zaeutektoidalnych (już w hutach),- polepszenie skrawalności,- najwłaściwsza struktura przed hartowaniem,

(stale narzędziowe, łożyska toczne itp. ) Diagramy wyżarzania sferoidyzującego:a – z powolnym chłodzeniem,b – wahadłowego,

c z przemianą izotermiczną



189

Schemat zmian struktury podczas

wyżarzania sferoidyzującego stali eutektoidalnejsferoidyzacja niezupełna

Stal 0,8%C - perlit płytkowy

sferoidyzacja pełna

(A. Krajczyk)



190

Stal 0,3%C po wyżarzaniusferoidyzującym (zmiękczającym)

(R F Cochrane University of Leeds)

d d



191

● wyżarzanie ujednoradniające

Przed wyżarzaniem:mikrosegregacja dendrytyczna(nadstop tytanu stosowany na implanty)

Po wyżarzaniu: jednorodne ziarna roztworu stałego

ż i k li j



192

● wyżarzanie rekrystalizujące- celem jest usunięcie skutków odkształcenia plastycznego na zimno,- skutkiem są drobne ziarna, przywrócenie pierwotnej plastyczności,

Przed wyżarzaniem Po wyżarzaniu

(B K ź i k )



193

b óbk h



194

Obróbka powierzchniowa(ograniczamy się do obróbki mającej na celu utwardzenie powierzchni)

- stosowana wówczas, gdy od przedmiotu wymagamywysokiej twardości i odporności na ścieranieoraz jednocześnie zapewnienia odpowiednio wysokiej ciągliwości(udarności) przedmiotu,

– jest to niemożliwe do spełnienia poprzez klasyczne hartowanie objętościowe oraz odpuszczanie,- zrealizowanie tych pozornie sprzecznych celów umożliwia obróbka powierzchniowa:

- hartowanie powierzchniowe – najtańsze ale nie umożliwiające idealnego spełnienia celów,- obróbka cieplno-chemiczna – droga ale umożliwiająca osiągnięcie założonych wymagań,

(nawęglanie, azotowanie, borowanie itp. )● hartowanie powierzchniowe,

- ideą jest osiągnięcie jak najwyższej twardości oraz odporności na ścieranie na powierzchni orazzachowanie odpowiednio ciągliwego rdzenia,

- ciągliwy rdzeń zapewnia struktura stali przedeutektoidalnej, zwykle0,35 0,5 % C,

- stan po normalizowaniu (najczęściej stosowany – struktura ferrytyczno-perlityczna),- stan po ulepszaniu cieplnym (struktura sorbitu odpuszczania),

- powierzchnia, po hartowaniu oraz niskim odpuszczaniu , zwykle 200 °C(ale twardość i odporność na ścieranie właściwa dla wybranej zawartości węgla),

- zabieg polega na szybkim nagrzaniu do struktury austenitu tylko warstwy powierzchniowejprzedmiotu oraz następnie szybkim chłodzeniu (v vkr ),

grubość warstwy zahartowanej ki



195

grubość warstwy zahartowanej warunki pracy,

- najczęściej 1,5 3,0 mm,- przy dużych naciskach miejscowych (4 5 mm),- bardzo duże naciski (nawet 10 15 mm),- ale nie więcej niż ok. 20% pola przekroju,

Przykładowy zakres temperatur hartowania (dla stali C35)

Rzeczywisty rozkład twardości w warstwiepowierzchniowej (dla stali C45 zahartowanej indukcyjnie).

● hartowanie płomieniowe



196

● hartowanie płomieniowe

(produkcja małoseryjna, przedmioty o dużych rozmiarach)- powierzchni płaskich

gaz wodachłodząca

powierzchniahartowana

- powierzchni walcowych powierzchnia hartowana

płomień

woda chłodząca



197

Przykłady profili warstw zahartowanych płomieniowo

KołaKoła zębate Koła pasowe Tuleje

(B. Kuźnicka)

● hartowanie indukcyjne



198

● hartowanie indukcyjne(stosowane w produkcji wielkoseryjnej – wysoki koszt urządzenia, indywidualne wzbudniki, kosztowne badania)

prądy wirowe indukowane w przedmiociepłyną jedynie w cienkiej warstwie powierzchniowej(w przypadku prądów o wielkiej częstotliwości)

Schemat nagrzewania indukcyjnego wałka (2)we wzbudniku jednozwojowym (1).

- grubość warstwy nagrzanej regulowana jest częstotliwością prądu (f):

f μ

ρK g

g – grubość warstwy zahartowanej

K – stała proporcjonalności

- rezystywność stali

- przenikalność magnetyczna stali

f – częstotliwość prądu

● przykłady struktur przedmiotów hartowanych powierzchniowo



199

● przykłady struktur przedmiotów hartowanych powierzchniowo

stal 0,4% C,normalizowanaprzed zabiegiem

ferryt + quasi-perlit(w rdzeniu)

martenzyt odpuszczania(na powierzchni)

stal 0,6% C,ulepszana cieplnieprzed zabiegiem

martenzyt odpuszczaniaz austenitem szczątkowym(na powierzchni)

sorbit odpuszczania(w rdzeniu)

przykład hartowania powierzchniowego przykład hartowania powierzchniowego



200

-przykład hartowania powierzchniowegostali z pasmowością,

- miękkie plamy nierozpuszczonychpasmowych skupisk ferrytu,

(temperatura austenityzowania była prawidłowa dlauśrednionej zawartości węgla – nie uwzględnionopasmowości)

-przykład hartowania powierzchniowego

żeliwa sferoidalnego,martenzyt odpuszczania(na powierzchni)

struktura perlityczno-ferrytyczna(w rdzeniu)

● hartowanie laserowe



201

● hartowanie laserowe- wiązka z lasera może być łatwo kierowana nawet w trudno dostępne miejsca przedmiotu,

- specjalne systemy soczewek oraz zwierciadeł (przesuwanych, obracanych, drgających)- grubość warstwy zahartowanej może być dokładnie regulowana oraz może być bardzo cienka (np. 0,2 mm)

wiązka laserowa

zwierciadło skupiające

zwierciadło miedziane

nagrzewana

powierzchnia

- przykładem nietypowych zastosowań jest hartowanie powierzchniowe gotowych narzędzi(narzędzia wcześniej zahartowane, odpuszczone oraz zaostrzone)

- rośnie twardość powierzchniowa (o 10 15%) wskutek bardzo drobnoiglastego martenzytu hartowania(o grubości np. ok. 0,2 mm),

- przykłady praktycznie nieograniczonych możliwości hartowania laserowego



202

przykłady praktycznie nieograniczonych możliwości hartowania laserowego

zwierciadło

pierścieńnagrzewany

promieńpierścieniowy

przedmiot

stożkowezwierciadłomiedziane

laser

utwardzany pierścieńwewnętrzny (B. Kuźnicka) (R. Haimann)

Obróbka cieplno - chemiczna stali



203

Obróbka cieplno chemiczna stali

- dyfuzyjna zmiana składu chemicznego oraz struktury i właściwości warstwy powierzchniowej,

- odporność na ścieranie ,- odporność korozyjna i erozyjna,- odporność na zmęczenie,- własności fizyczne powierzchni,

Podział metod obróbkicieplno-chemicznej.

(L.A. Dobrzański)

trzy główne procesy fizyko-chemiczne zachodzące jednocześnie :



204

y g p y y ą j

- powstawanie aktywnych atomóww środowisku otaczającym przedmiot (różne reakcje chemiczne),- adsorpcja atomów na powierzchni przedmiotu (wynik przyciągania przez atomy z przedmiotu),- dyfuzja zaadsorbowanych atomóww głąb przedmiotu (wędrówka atomów w sieci krystalicznej),

-mechanizmy dyfuzji w ciałach krystalicznych:- międzywęzłowy,- wakansowy,

- prosta lub pierścieniowa wymiana miejsc,- wzdłuż granic ziarn lub dyslokacji,- relaksacyjny (wzdłuż stref o rozluźnionej strukturze), międzywęzłowy wakansowy wymiana miejsc

Schemat reakcji zachodzących podczas obróbki. Metody obróbki- stan ośrodka nasycającego dyfuzyjnie.

(L.A. Dobrzański)

nawęglanie



205

nawęglanie- uzyskanie twardej i odpornej na ścieranie powierzchni,- zachowanie rdzenia o dobrej ciągliwości,- przedmiot hartowany objętościowo + nisko odpuszczany,

- powierzchnia nawęglana do zwykle0,85 ÷1,1% C ,- więcej węgla problemy unikania siatki Fe 3C II lub n ,

- rdzeń zwykle< 0,25% C (martenzyt jeszcze ciągliwy),

- własności zależą od ilości C, temperatury hartowania orazgłębokości zahartowania,

ośrodek stały,stal C10

ośrodek gazowy,stal C10

Przykładowy rozkład zawartości węglaoraz twardości po hartowaniu i niskim odpuszczaniu. (R. Haimann)

problemy obróbki cieplnej stali po nawęglaniu:



206

p y p j p ęg

- rozrost ziarna austenitu w trakcie nawęglania,- dobór temperatury hartowania (powierzchni i rdzenia jednocześnie),- uniknięcie siatki Fe3C II oraz zbyt dużej ilości n ,

a) hartowanie bezpośrednio z temperatur nawęglania ,- najprostsze (łatwe do automatyzacji przy wielkich seriach) ale:

- stale drobnoziarniste (zabezpieczone przed rozrostem ziarna),

- dla powierzchni temperatura za wysoka więc:- nawęglanie do max 0,8÷0,9% C,- często wymrażanie (dla usunięcia n ),

powierzch nia: martenzyt odpuszczania + odpowiedniomało austenitu nieprzemienionego,

rdzeń: martenzyt niskowęglowy, nisko odpuszczony,(A. Krajczyk)

b) hartowanie bezpośrednie z podchładzaniem ,



207

) p p

- nadal łatwe do automatyzacji w produkcji wielkoseryjnej ale:- stale drobnoziarniste (zabezpieczone przed rozrostem ziarna),- dla powierzchni prawidłowa temperatura hartowania więc:

- możliwe nawęglanie do wyższych zawartości C ale:- kontrolowane wydzielanie Fe 3C II (brak siatki),- kontrolowana ilość n ,

- za niska temperatura hartowania rdzenia,- ferryt z martenzytem średnio lub wysokowęglowym(ciągliwość zapewnia ferryt w odpowiedniej ilości),

pow ierzchnia: martenzyt odpuszczania + Fe 3C II orazodpowiednio mało austenitu nieprzemienionego,

rdzeń: ferryt + martenzyt średniowęglowy(przykład gdy wytrzymałość wysoka, ciągliwość mała)

(A. Krajczyk)

c) wielozabiegowa obróbka cieplna po nawęglaniu,



208

) g p p ęg

- uzyskanie odpowiednio drobnego ziarna austenitu,- zwiększenie zawartości węgla na powierzchni,

- obecność Fe 3C II zwiększa odporność na ścieranie,- optymalizacja temperatury hartowania,- uzyskanie najlepszego zespołu własności,- uniknięcie powstania wadliwych struktur na powierzchni:

gruboiglastość martenzytu,zbyt duża ilość austenitunieprzemienionego

siatka cementytudrugorzędowego

(A. Krajczyk)

● azotowanie



209

azotowanie

- zwiększenie twardości i odporności na ścieraniewarstw wierzchnich,- wyższa twardość (do 1100 HV) oraz wyższa temperatura pracy (do ok. 500°C) niż po nawęglaniu,

- zwiększenie wytrzymałości na zmęczenie(naprężenia ściskające w warstwie nawet do 800 MPa),- zwiększenie odporności na korozję atmosferyczną,

- azotujemy wyłącznie stale stopowe (trwałość azotków maleje w kolejności: AlN, VN, CrN, WN, MoN),- warstwa najczęściej tylko 0,2-0,6 mm , temperatura zwykle 500-560 °C, czasy bardzo długie,- przed azotowaniem przedmioty ulepsza się cieplnie (podparcie cienkiej warstwy naazotowanej),



210

Mikrostruktura warstwy naazotowanej:

- na powierzchni jasna warstewka faz oraz ,- w całej objętości struktura sorbitu odpuszczania,

- przy powierzchni sorbit ciemniejszy z powoduobecności azotków utwardzających warstwę,

(L.A. Dobrzański 2006)

( 41CrAlMo7-10)

(R. Haimann)

(A. Krajczyk)



Wpływ dodatków stopowych w stopach żelaza



212

● bardzo często: Mn, Si, Cr, Ni, W, Mo, V,● rzadziej: Al, Cu, Co, Ti, Nb, Zr,● ostatnio: N, B, P,

1. Wpływ na przemiany alotropowe żelaza.

MnNi

(Co)

C

NCu

Fe % M % MFeWykres z otwartym polem austenitu. Wykres z poszerzonym polem austenitu.

- bierzemy pod uwagę tylko zawartość M rozpuszczoną w austenicie lub ferrycie,

- mniej ważne, gdyż stosowane w niewielkich ilościach,



213

Wykres z otwartym polem ferrytu lubwykres z zamkniętym polem austenitu.

AlSiVCr MoWTi

BSZr

NbTa

FeFe

% M% M

Wykresy ze zwężonym polem austenitu.

2. Wpływ pierwiastków stopowych na układ Fe –C – M



214

-bierzemy pod uwagę tylko zawartość M rozpuszczoną w austenicie lub ferrycie,- im silniej węgliko- oraz azotkotwórczy M tym mniej będzie go w roztworze (ferryt, austenit),

Wpływ dodatków stopowych na położeniecharakterystycznych punktów wykresu Fe –Fe 3C.

Wpływ dodatków stopowych na temperaturęprzemiany eutektoidalnej.

(R. Haimann)

Zakres występowania



215

y ępaustenitu w stopach Fe-C-M

(L.A. Dobrzański)

3. Struktury stali stopowych (układ Fe –C – M)



216

y p y ( )

Wpływ pierwiastków ferrytotwórczych(Cr, Mo, W, Si, Al, Ti)

Wpływ pierwiastków austenitotwórczych(Ni, Mn, N, C)

(L.A. Dobrzański)



217

4. Wpływ dodatków stopowychna własności ferrytu

(R. Haimann)

6. Węgliki w stalach stopowych



218

MC , M 2Cwęgliki proste

M3C , M 23 C6 , M7C3 M6C

węgliki proste i złożonenp. Fe 3C , (Fe, Mn) 3C , Fe 21 Mo2C6

w. złożone,np. Fe 3W3C

fazy międzywęzłowe proste

fazy międzywęzłowe o strukturze złożonej

Fe, Mn, Cr, W, Mo Ta, Nb, V, Hf, Zr, Titrwałość węglików temperatura austenityzowania

w stalach stopowych skład węglików zależy od składu stali:- przykładowo w stali HS6-5-2 (SW7M): M 3C (Fe 2,5 W0,05 Mo0,07 Cr 0,31 )C 1,02

MC (Fe 0,06 W0,1 Mo0,15 V0,66 Cr 0,07 )

6. Węgliki w stalach stopowych

klasyfikacja wg Goldschmidta

(M. Blicharski)



(-+)



r

(R. Haiman n)



10. Wpływ pierwiastków stopowych na hartowność



222

Metoda zalecana w normie ASTM A255-1985

(stanowi rozwinięcie metodyM. A. Grossmanna)

Idealna średnica krytyczna podstawowa DIw zależy:- od zawartości C oraz wielkości ziarna austenitu pierwotnego dla stali średnio- i niskowęglowych

(wg A.F. Retany i D.V. Doane`a), DI50 = D Iw · kd1 · kd2 · …. ·kdn

(L.A. Dobrzański)

(-+)



11. Wpływ pierwiastków stopowych na przemiany odpuszczania.



224

● przemiany w temperaturach ok. 450 °C podobnie jak w stalach niestopowych ,

- możliwy jest istotnyruch dyfuzyjny tylko atomów C,

- atomy pierwiastków stopowych (M) powodują tylkoopóźnienie i spowolnienie przemian(wydzielanie węglików przejściowych, , , rozpad austenitu szczątkowego, zarodkowanie cementytu),

- szczególnie duży jest wpływ na rozpad austenitu szczątkowego(często dopiero 450 °C),

- powstaje cementyt stopowy (Fe, M) 3C wbudowując w siebie atomy M zawarte w osnowie,- Si najsilniej podnosi temperaturę przemiany węglika w cementyt (nawet 450 °C),

● przemiany w temperaturach 450 °C przebiegają inaczej (z udziałem ruchu dyfuzyjnego M)

- cementyt pozbywa się atomów „niechcianych” (Si, Ni, Co) oraz wciąga węglikotwórcze (Mn, Cr itd.),

- proces ten utrudnia i opóźnia koagulację cementytu stopowego,

- pierwiastki silniej węglikotwórcze niż Fe oraz Mn tworzą węgliki stopowe:

- przez przemianę „in situ”zastępując cząstki cementytu (zarodkowanie „w miejscu”), np. Cr,

- przez zarodkowanie niezależne – nowy węglik powstaje niezależnie od istniejącego cementytu,

- na dyslokacjach, często koherentne, duża dyspersja twardość wtórna (Mo, W, V),

- cementyt ulega rozpuszczeniu na rzecz bardziej trwałych węglików,

- austenit szczątkowy (mimo zmniejszenia zawartości C oraz M) przemienia się często dopiero

- schemat wpływu dodatków stopowych na procesy odpuszczania



225

Mhartstopowy

(F przes + + n)stop

Fp+ (Fe, M) 3C

IIdo 500 °C

I II III IV

n n + węgliki

Mhart + n

F stop + (Fe, M) 3C

np. Mn, Cr

np. Si, Ni

MnC m

zarodk. „in situ”(w cementycie)

zarodk. niezależne(wtórna twardość)

Mhart

mart. hart.

Mh (F p+ )+ n

martenzyt odpuszczanian (F p+ ) (F+Fe 3C)

Fptroostyt odp.

Todpusz [°C]

koagulacja Fe 3C

sorbit odpuszczania

rekrystalizacja F

sferoidyt

- zjawisko twardości wtórnej w stalach stopowych,● twardość wtórna wzrost twardości wydzielanie się węglików zarodkujących niezależnie



226

● twardość wtórna wzrost twardości wydzielanie się węglików zarodkujących niezależnie(niezależnie od cząstek cementytu) wzrost dyspersji (często koherentne),

- zarodkowanie węglików dopiero 450 °C, niezależne, głównie na dyslokacjach,- węglikiMo, W i V (wcześniej musza być rozpuszczone w austenicie),- głównie wykorzystywane w stalach narzędziowych (szybkotnących, do pracy na gorąco)oraz innych pracujących w podwyższonych temperaturach (np. w energetyce),

(za M. Blicharskim)

- odwracalna kruchość odpuszczania w stalach stopowych



227

● kruchość nieodwracalna (kruchość 300, kruchość na niebiesko) po odpuszczaniu w 200 350 °C,- przypuszczalnie atomy S i P segregują do granic ziaren podczas austenityzowania co później ułatwia

zarodkowanie węglika oraz cementytu – prawie ciągła otoczka stale niestopowe i stopowe,● kruchość odwracalna (kruchość 500) po odpuszczaniu w 400 600 °C,

- powstaje podczas wolnego chłodzenia w tym zakresie temperatur , tylko w stalach stopowych ,

- przypuszczalnie równowagowa współsegregacja atomów zanieczyszczeń (As, Sn, P, Sb) oraz atomówpierwiastków stopowych (Ni, Mn, Si) do granic ziaren byłego austenitu, co powoduje ich osłabienie,

- Mo, Ti , Zr opóźniają lub zapobiegają kruchości (tylko rozpuszczone w ferrycie),- Mn, Si zdecydowanie sprzyjają jej występowaniu,- Ni, Cr umiarkowanie sprzyjają (mocniej gdy są razem),

nieodwracalna odwracalna

-szybkie chłodzenie (400 600 °C)

zapobiega lub usuwa kruchośćodwracalną (w st. stopowych),

stal o składzie:0,4%C + 5%Cr + 2%Mo +0,5%V

(R. Haimann) (M. Blicharski)

Struktury stali odpornych na korozję elektrochemiczną



228

y p y ję ą

ferrytyczneferrytyczno-austenityczne

„duplex steel”

austenityczno-martenzytyczne

0,08 (0,05 lub 0,03)%Cprzy (11,5 18,5)%Cr

metastabilne odkształcane na zimnow obniżonych temperaturachnp. drut na sprężyny,

o regulowanej przemianie- formowane w stanie austenitu,

- niskotemperaturowa OC zumacnianiem wydzieleniowym mart.,

austenityczne

martenzytyczne0,12 ale do 1,0 %Cprzy (12 18) %Cr

0,06 %Cprzy (12 16) %Cr oraz (4 6,5) %Ni

oraz

od 0,02 do 0,15 %Cprzy (17 27) %Cr

oraz (7 33,5) %Ni

0,03 (0,05) %Cprzy (18,5 29) %Cr oraz (4,5 7) %Nioraz (0,08 0,35) %N

umacniane wydzieleniowo(austenityczne lub martenzytyczne)

od 0,015 do 0,09 %Cprzy (12 17) %Cr oraz (4 22,5) %Nioraz Nb, Al, Ti, V, B

austenitycznebez niklu

1 %N oraz np. 18 %Mnprzy np. 18 %Cr

nowe

badane

wdrożonePN-EN

(+)PN-EN 10088-1:2005(U)(razem 110 różnych gatunków)



229(H.K.D.H. Bhadeshia,University of Cambridge)



- zależy silnie od temperatury i czasu (możliwości dyfuzji atomów Cr) (-+)



231

(M. Blicharski )

(Oliver Greven, Stahl-Institut der RWTH Aachen)

Korozja międzykrystaliczna w stali austenitycznej (1.4301)

rosnące znaczenie azotu jako dodatku stopowego (austenitotwórczy),- zwiększa zdecydowanie odporność na korozję międzykrystaliczną(dla stali austenitycznych)

(-+)



232

- zwiększa zdecydowanie odporność na korozję międzykrystaliczną(dla stali austenitycznych) ,- silnie umacnia roztworowo stale austenityczne,- umożliwia szybkie i silne umocnienie odkształceniowe austenitu,- azot oraz Mn zastępują drogi nikiel w działaniu austenitotwórczym,

- rozpuszczalność N w austenicie stopowym jest duża (> 1%) oraz rośnie ze wzrostem zawartości Mn,- ale duże problemy technologiczne (niewielka rozpuszczalność N w ciekłej stali),

(M. Blicharski)

(18% Cr + 18% Mn)

Umocnienie roztworowe austenitu azotem

Wpływ N na umocnienie odkształceniowe

(+)



233

- znaczne zmniejszenie zawartości Ni,

(H.K.D.H. Bhadeshia, University of Cambridge)

(-+)



234

Stal duplex (IC381) – ciemny ferryt

Stal duplex (A219) – ciemny ferryt, żółtyaustenit oraz niepożądana biała faza(powoduje kruchość stopu)

(H.K.D.H. Bhadeshia, University of Cambridge)

Stale ferrytyczne – PN-EN 10088-1:2005(U) (L.A. Dobrzański)



235

Stale martenzytyczne – PN-EN 10088-1:2005(U)(L.A. Dobrzański)



236

Stale utwardzane wydzieleniowo – PN-EN 10088-1:2005(U)



237

Sta e utwa d a e wyd e e owo 0088 : 005(U)

(L.A. Dobrzański)

Stale austenityczne – PN-EN 10088-1:2005(U)



238

Stale austenityczne (cd) – PN-EN 10088-1:2005(U)

(-+)



239L.A. Dobrzański

Stale ferrytyczno-austenityczne – PN-EN 10088-1:2005(U)



240

y y y ( )



241

3. Spawalność stali



242



243



244

Zależność pracy łamania (K) oraz



245Wpływ zawartości węgla na TPSK stali ferrytyczno-perlitycznej.

charakteru przełomu od temperatury,zdefiniowanie T PSK .

Wpływ udziału perlitu w strukturze napracę łamania w zakresie przełomu ciągliwego

(M. Blicharski )

● przykłady kruchego pękania statków



246



247- często zbyt niska temperatura eksploatacji,



248

cd. „Lake Carling”



249

jl i

Stal poszycia Titanica

(poszycie nitowane)



250

najlepsza w tym czasiegruba blacha w Europie



251

11.Stale narzędziowe



252

do pracy na zimno do pracy na gorąco szybkotnące

niestopowe stopowe- niskostopowe,- średniostopowe,

- wysokostopowe,

wyłącznie stopowe:- niskostopowe,- średniostopowe,- wysokostopowe,

wyłączniewysokostopowe

Ogólnie stosowane na narzędzia do kształtowania materiałów:- metali,

- przez kucie, cięcie, wyciskanie, ciągnienie, walcowanie,- przez odlewanie do form metalowych,

- polimerów, ceramik, kompozytów,

Główne wymagania stawiane stalom narzędziowym:- jak największażywotność (trwałość),

- twardość całej struktury (podstawowy parametr ale często nie wystarczający),- odporność na ścieranie (twardość osnowy oraz twardość i zawartość węglików),

- często odporność na odpuszczające działanie ciepła (twardość wtórna),- często również udarność (drobnoziarnistość, kompromis z twardością, dodatek Ni),

odporność na ścieranie- zwiększa się z twardością osnowy struktury (najlepszy wysokowęglowy martenzyt odpuszczania),



253

- zwiększa się z zawartością oraz twardością dużych wydzieleń węglików,- węgliki nie rozpuszczone w trakcie austenityzowania (drugorzędowe i pierwotne)- twardość węglików zależy od ich rodzaju oraz składu chemicznego, np. twardość cementyturośnie z ok. 800 HV do ok. 1400 HV wraz ze wzrostem ilości rozpuszczonego w nim Cr,

Twardość węglików występujących wstali szybkotnącej. (M. Blicharski)

11.1. Stale narzędziowe do pracy na zimnona narzędzia, które podczas pracy zwykle nie nagrzewają się ponad 250 °C,



254

wymagania i ich realizacja:

- główne:duża twardość i odporność na ścieranie ,- niskie odpuszczanie (ok. 180 °C) po hartowaniu z nad A 1 stali zaeutektoidalnej,(zwykle martenzyt odpuszczania + nierozpuszczone węgliki + austenit szczątkowy< 10%)

- często dodatkowo ciągliwość (udarność) obciążenia dynamiczne, wstrząsy,- stal o obniżonej zawartości węgla (ale niższa twardość i odporność na ścieranie),- zmniejszenie ilości C tylko w martenzytycznej osnowie (ubogi w C i M austenit z węglikami),- podwyższenie temperatury odpuszczania (często wymaga efektów twardości wtórnej),

- zwykle hartowność,- hartowanie w oleju lub nawet w powietrzu mniejsze zmiany wymiarowe, zniekształcenia,

- w niektórychduży udział węglików stale ledeburytyczne (wysokochromowe),

- niektóre przewidziane do obróbki cieplno-chemicznej (np. naweglanie),

przykłady wykresów odpuszczania stali narzędziowych do pracy na zimno



255(M. Blicharski)



przykłady struktur stali narzędziowychdo pracy na zimno stal niestopowa 1,2%C

(cementyt drugorzedowy na



257

(cementyt drugorzedowy natle drobnoiglastego martenzytu)

stal klasy ledeburytycznejźle przekuta(pasma węglików pierwotnychna tle skrytoiglastego martenzytu)

stal niskostopowa 1,4%C + 1,4%Cr (cementyt stopowy i węgliki drugorzędowena tle drobnoiglastego martenzytu)

11.2. Stale szybkotnące



258



259

Schemat obróbki cieplnejstali szybkotnącej (M. Blicharski)

Przemiany zachodzące



260

Przemiany zachodzącepodczas odpuszczaniastali szybkotnącej

Wpływ temperaturyaustenityzowania

na wykres odpuszczaniaHS18-0-1

Zestawienie stali szybkotnących(PN-EN ISO 4957:2004)

przykłady struktur stali szybkotnących

prawidłowa struktura stali szybkotnacej



261

prawidłowa struktura stali szybkotnacej(węgliki pierwotne na tle skrytoiglastegomartenzytu)

stal szybkotnąca źle przekuta(pasma węglików pierwotnychna tle skrytoiglastego martenzytu)

(A. Krajczyk)

11.3. Stale narzędziowe do pracy na gorąco



262

zestawienie stali narzędziowych do pracy na gorąco (PN-EN ISO 4957:2004)



263



264

MIEDŹ I STOPY MIEDZI



265

Pierwsze ozdoby wykonane z miedzi znaleziono na terenie obecnego Iraku a pochodząz IX w p.n.e.Nazwa cuprum pochodzi od głównego dostawcy miedzi dla imperium rzymskiego -Cypru

Mied ź nal eży do pierwiastków mało rozpowszechnionych w skorupie ziemskiej,około 0,01%. Dla porównania Al = 8%, Fe = 5%, Na = 3%, Mg = 2%, Ti = 0,4%, C =0,02%.Jest metalem do ść drogim: 8 100$/T, Al = 3 000$/T, Ni = 20 500$/T.

Wybrane właś ciwo ści miedzi



266

Czysta miedź

Mied ź ma bardzo dobr ą przewodno ść ciepln ą i elektryczn ą .Po srebrze jest najlepszym

przewodnikiem.Domieszkami szkodliwymipogarszaj ą cymi przewodno ść iwłasnoś ci mechaniczne s ą :,P, Si, As, Be, Al, Sn, Ni.



267

Metalurgiamiedzi



268

miedzi

Metody umacniania miedzi:

d b i i i dk ł i l i k li j



269

a. rozdrobnienie ziarna przez odkształcenie plastyczne i rekrystalizację,b. umocnienie w wyniku odkształcenia plastycznego na zimno.

Gniot 70%; R m = 400MPa (z 220MPa), R pl = 370MPa (z 57MPa).

PODSTAWOWE STOPY MIEDZI

Europejski system znakowy.

Składa się z symbolu Cu + główne dodatki stopowe + ich średnia zawartość.Np. CuZn20, CuAl7Si2. Dodatkowo na końcu znaku może znajdować się

litera:B – materiał w postaci gąsek, C – w postaci odlewu.Np. CuSn5Zn5Pb5-C.

Europejski system numerycznySkłada się z sześciu znaków:



270

C C, W, X 000 - 999 A - S

Cu C – odlew,W – obr óbka plastycznaX - nieznormalizowany

Numer stopu Np.A – wydłużenie,H – twardość,G – wielkośćziarna

Np. CW024A, CC300G, itp.

Klasyfikacja stopów miedzi



271

Stopy miedzi z cynkiem = mosiądze.



272

Podział mosiądzów

Dwuskładnikowe Wieloskładnikowe Ołowiowe

Do przeróbki plastycznej Do przeróbkiplastycznej

Odlewnicze Do przeróbkiplastyczne

Odlewnicze

jednofazowe i dwufazowe jednofazowe idwufazowe

dwufazowe dwufazowe dwufazowe

Mosiądze dwuskładnikowe



273

Mosiądze dwuskładnikowe :

a. jednofazowe: faza α = Cu(Zn),do 39%Zn,

b. dwufazowe: faza α i β , = CuZn,od 39 do 45%Zn.

Mosiądze wykazują dobrą odporność nakorozję atmosferyczną ale nie sąodporne na działanie soli żelaza,

siarczanów, chlorków i jodków.

Ad. a. Wykazują kruchość w zakresie temperatur 300 – 700 0 C i dlatego odróbkę plastycznąnależy przeprowadzić w temp. poniżej 300 0 C lub powyżej 700 0 C,

Ad. b. Obróbkę plastyczną przeprowadza się w temperaturach w których są one jednofazowe,



274a. Mosiądz jednofazowy, faza α = Cu(Zn)



275

Mosiądz dwufazowy, faza α = Cu(Zn) + β = CuZn



276



277

Zastosowanie:CuZn5 - CuZn15; rurki włoskowate, rury chłodnic, wężownice, membrany, łuskiamunicji,CuZn20 – CuZn37; rury skraplaczy, elementy zamków błyskawicznych, wyrobyartystyczne,CuZn40 (dwufazowy); przemysł okrę towy, architektura, aparatura chemiczna

Mosiądze wieloskładnikowe – wpływ pierwiastków stopowych :



278

Si – obniża plastyczność, zwiększa odporność na ścieranie, zmniejszawrażliwość

na korozję naprężeniową (pękanie sezonowe) – CuZn31Si1,

Al – polepsza odporność na korozję, umacnia mosiądze, zwiększażaroodporność,pogarsza spawalność i lutowanie – CuZn37Mn3Al2PbSi,

Sn – zwiększa odporność na ścieranie i korozję – CuZn36Sn1Pb,

Fe – rozdrabnia ziarno, zwiększa odporność na ścieranie ale zmniejszaodporność

na korozję – CuZn23Al6Mn4Fe3Pb,

Mn – polepsza odporność na korozję i ścieranie – CuZn39Mn1Pb1,

Ni – polepsza odporność na korozję i własności mechaniczne –CuZnNi3Mn2AlPb.

Korozja mosi ądzów:

A. Naprężeniowa (pękanie B. Odcynkowanie



279

p ę (pęsezonowe):

- przy dużych naprężeniachrozciągających,

- w środowisku wilgotnym,- pękanie następuje po granicach

ziaren,- skłonność wzrasta wraz z

zawartością cynku.

Usuwanie:- Wyżarzanie w temperaturze 560 0C,- Częściowe usuwanie, wyżarzanie w

temperaturze 250-270 0C,

y

- w mosiądzach o podwyższonejzawartości Zn,

- polega na rozpuszczaniu powierzchnimosiądzów i osadzaniu się na niejwarstwy miedzi,

- zachodzi w środowisku wodnym,- zapobiega się przez dodatek arsenu

(0,02 – 0,06%) lub 1% cyny.

MOSIĄDZE OŁOWIOWE



280

Są to mosiądze dwufazowe z dodatkiem ołowiu w ilości 0,3 do 3,5%.Ołów dodawany jest w celu polepszenia skrawalności. Dodatek tenzmniejsza opory tarcia i powoduję lepszą łamliwość wióra. Obniża jednakwłasności wytrzymałościowe.Przykładowe gatunki: CuZn37Pb0,5, CuZn38Pb1,5, CuZn40Pb2.

BRĄ ZY CYNOWE

Są to stopy z cyną zawierające co najmniej 2%Sn ( na ogół 11 – 15%Sn)



281

Mała szybkość dyfuzji cyny w miedzi, du ża różnica między liniami likwidus isolidus oraz bardzo duża różnica w temperaturach topnienia Cu (1083 0 C) i Sn (232 0 C)

jest powodem skłonności brązów cynowych do segregacji dendrytycznej (od 5%Sn).Może pojawić si ę twardy i kruchy eutektoid (α + δ) – łożyska ś lizgowe



282

Może pojawić si ę twardy i kruchy eutektoid (α + δ) – łożyska ś lizgowe.Usunięcie segregacji odbywa się przez wyżarzanie w temperaturze 700 - 750 0 C

przez 24 godz.

Podział brązów cynowych

Do przeróbki plastycznej Odlewnicze

Dwuskładnikowe

Wieloskładnikowe Dwuskładnikowe Wieloskładnikowe

jednofazowe jednofazowe



283

Stop Cu – 8%Zn.Po odlaniu. Na tle fazy α = Cu(Zn)wydzielenia eutektoidu ( α + δ )

Stop Cu – 8%Zn.Po wyżarzaniu homogenizującym.Faza α = Cu(Zn)

Własnoś ci mechaniczne



284

Brązy cynowe wykazują:

- dużą odporność na korozję w wodzie

Stopień odkształcenia plastycznego



dużą odporność na korozję w wodziezwykłej i morskiej,

- odporność na korozję naprężeniową,- dobre własności odlewnicze,- można je przerabiać plastycznie na

zimno do 8%Sn,po odkształceniu stosowane nasprężyny, przyrządy aparaturykontrolnej.

285

Przykładowe zastosowanie:

Do przeróbki plastycznej: sprężyny, rurki manometryczne, połą czenia elektryczne, sitapapiernicze (CuSn4 – CuSn8).

Odlewnicze: łożyska, panewki, części maszyn narażone na korozję w przemyśle okrętowymi papierniczym (CuSn10-C, CuSn5Zn5Pb5-C, CuSn5Pb20-C).

Brązy ołowiowe



286

Przykładowe zastosowanie:

Do przeróbki plastycznej: sprężyny, rurkimanometryczne, połączenia elektryczne,

sita papiernicze (CuSn4 – CuSn8).

Odlewnicze: łożyska, panewki, częścimaszyn narażone na korozję wprzemyśle okrętowym i papierniczym(CuSn10-C, CuSn5Zn5Pb5-C,CuSn5Pb20-C).

CuSn5Pb20-C

BRĄ ZY ALUMINIOWENale żą do jednych z najlepszych stopów miedzi.

j d f d 9 4% Al



287

- jednofazowe do 9,4% Al,

- powy żej 9,4% Al mo żna jehartowa ć i odpuszcza ć,

- wykazuj ą dobre własnoś ci

mechaniczne w temperaturachotoczenia i podwy ższonych,

- odporne na ścieranie, kawitacj ęi erozję,

- odporne na korozyjne działaniewody morskiej i wielu kwasów,

- ulegaj ą pasywacji (Al 2O3),

- nie odporne na działanie zasad,

- skłonne do rozrostu ziaren

Br ązy dwuskładnikowe i wieloskładnikowe do przeróbki plastycznej

1. Jednofazowy CuAl8 ma dobre własności plastyczne i mo żna go obrabia ć na zimno i gor ą co,



288

2. Dwufazowe (α + γ2) takie jak: CuAl6Si2Fe, CuAl10Fe3Mn2, CuAl10Ni5Fe4 obrabia ćplastycznie mo żna tylko w temperaturach podwy ższonych, kiedy występuje faza β. Wykazuj ą w tychtemperaturach skłonność do rozrostu ziaren, dlatego dodaje si ę pierwiastki stopowe takie jak:

Fe, Mn, Si i Ni. Pierwiastki te podwyższają te ż własnoś ci mechaniczne. Br ą zy dwufazowe mo żnahartowa ć i odpuszcza ć a uzyskane własnoś ci mechaniczne s ą zbli żone do uzyskiwanych w stalachniestopowych ś redniow ęglowych.

CuAl10Ni3Fe2- C, wyżarzony CuAl10Ni3Fe2-C, hartowany

Przykładowe własności mechaniczne

Gatunek R m[MP ]

A [%] HB



289

[MPa]

CuAl8 - jednofazowyStan wyżarzony

400 50 80

CuAl10Ni5Fe4 -dwufazowy

Wyżarzony 650 5 160

Po obróbce cieplnej.Hartowanie iodpuszczanie

780 9 250

Br ą zy aluminiowe odlewnicze

1. Jednoskładnikowy, CuAl9 -C,



290

2. Wieloskładnikowe, CuAl10Fe2 -C, CuAl10Ni3Fe5Ni5-C,

CuAl11Fe6Ni6-C - mo żna obrabia ć cieplnie.

Przykładowe z astosowanie

Silnie obci ążone i nara żone na ścieranie i korozj ę cz ęś ci maszyn,w przemy ś le okr ętowym, lotniczym, chemicznym .

Br ą zy beryloweNale żą do grupy br ązów specjalnych i wyróż niaj ą si ę bardzo dobrymi własnoś ciamimechanicznymi.



291

Ich zasadnicz ą wad ą jest to, że beryl nale ży do pierwiastków bardzo drogich i deficytowych.

W skorupie ziemskiej jest go jedyni 0,0002%.

Beryl rozpuszcza si ę w miedzi wtemperaturze 866 0 C w ilo ści 2,7%

a temperaturze 3000

C tylko 0,2%.W zwi ą zku z tym stopy te mo żnaprzesyca ć (800 - 820 0 C) i starzy ć(300 - 350 0 C).

Po przesyceniu ; R m = 300 –600MPa, HB = 130, A = 30%,

Po starzeniu : R m = 1150 –1200MPa, HB = 320, A = 1,5%

Właściwości:Bardzo dobre własności sprężyste i duża



292

odporność na ścieranie, duża odpornośćna korozję.

Zastosowanie:Sprężyny, membrany, narzędzia niedające iskry (tankowce, materiaływybuchowe)

Stopień odkształcenia plastycznego [%]

Własności:Bardzo dobre własności sprężyste i duża odporność na ścieranie, duża odporność na korozję.

Zastosowanie:Sprężyny, membrany, narzędzia nie dające iskry (tankowce, materiały wybuchowe)



293

Brąz berylowy po przesyceniu i starzeniu.Na tle roztworu stałego α = Cu(Be)wydzielenia fazy CuBe

MIEDZIONIKLE

Stopy miedzi o zawarto ści niklu powy żej 5%. Tworz ą układ równowagi ciągł ej.Stosowane na rury wymienników ciepła, urzą dzenia klimatyzacyjne, itp. (CuNi9Sn2,CuNi30Fe1Mn1 – C), oraz do wyrobu monet (CuNi25).



294



295

Metalurgia

aluminium



296

1825 – H.C. Oersted (Dania) pierwsze Al na drodze redukcji chlorku ,

1852 – 1890 wyprodukowano ok. 200t aluminium na drodze chemicznej redukcji związków,1886 – metody otrzymywania Al na drodze elektrolizy, P.T. Heroult (Francja), C.M. Hall (USA)1906 – stopy aluminium zdecydowane podwyższenie wytrzymałości A Wilm (Niemcy)



297

1906 stopy aluminium zdecydowane podwyższenie wytrzymałości, A. Wilm (Niemcy)

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40% budowa pojazdów,

statków, samolotów

budownictwo

budowa maszyn

opakowania

elektrotechnika

Główne dziedziny zastosowań Al

U d z i a

ł p r o c e n

t o w y



298

Junkers W33 „Bremen“ (D-1167) - 1927

NSU - 1923

porównanie własności Al z innymi metalami



299

- maksymalna wytrzymałość w stopach (po obróbkach cieplno-mechanicznych),

B e – niestety toksyczny i bardzo drogi,Ti – trudny w przetwarzaniu oraz drogi,

(O. Beffort, EMPA)



300aluminium technicznie czyste po zgniocie 80% orazrekrystalizacji i rozroście ziaren

aluminium technicznie czyste po zgniocie 80%(A. Krajczyk)



301



302

Systemy oznaczania odlewniczych stopów aluminium (PN-EN 1780-1 oraz 2)



303



304

podział stopów aluminium w zależności od usytuowania na wykresie równowagi



305

EN AW- serie:1xxx (Al 99,.. )3xxx (Al Mn )5xxx (Al Mg )8xxx (Al Fe )

EN AW- serie:2xxx (Al Cu )6xxx (Al MgSi )7xxx (Al Zn )8xxx (Al Li)

EN AC- 4xx (Al Si )

odlewniczebez eutektyki:EN AC- serie:

2xx (Al Cu )5xx (Al Mg )7xx (Al Zn )

Stopy odlewnicze

stopy aluminium z krzemem (siluminy) – stopy z eutektyką



306



307

stopy aluminium z krzemem (siluminy) – stopy z eutektyką

- dobra rzadkopłynność oraz lejność i mały skurcz odlewniczy , niska temperatura odlewania,- wadą jest gruboziarnista struktura , której zapobiega modyfikowanie :



308

g g

- podeutektyczne i eutektyczne – sodem (także Sr lub niekiedy Sb),którego związki ułatwiajązarodkowanie oraz tworząc „błonkę” utrudniają wzrost kryształów Si (drobne i bardziej owalne

(punkt eutektyczny przesuwa się w kierunku wyższych zawartości Si i niższej temperatury),

- nadeutektyczne – fosforem (cząstki AlP stanowią zarodki heterogeniczne),

- zastosowanie :

- eutektyczne i nadeutektyczne , np. tłoki silników spalinowych (znaczna żarowytrzymałość),- podeutektyczne , np. elementy dla przemysłu okrętowego i elektrycznego, pracujące w

podwyższonej temperaturze i w wodzie morskiej,- wieloskładnikowe stopy Al z Si, np. głowice silników spalinowych, alufelgi oraz inne

odlewy w przemyśle maszynowym.

n iemod yf ikow ana eu tek tyka( + Si) układu Al -S i

Si



309

obszar eu tek tyki n iezmody fikowanej (częsta wada struktury)

mo dyf ikow ana eu tek tykaukładu Al -S i

Si

Pow. 125x

Pow. 125x

prawidłowo modyfikowany silumin przedeutektyczny



310

mo d y f ik o w an ie przesuwa l in ie w y k resuAlSi13Mg1CuNi

(nieudanemodyfikowanie)

eu tek tyka n iezmodyfikowana

s i lum in zaeu tek tycznyn iem o d y f ik o w an y (nieregularne w ydzielenia Si



311

na t le eutektyki ( + Si))

s i lum in zaeu tek tycznyp o m o d y f ik o w an iu (regularne w ydzielenia Si na t le drob noig lastej eutektyki)

(A. Krajczyk)

Przykłady odlewniczych stopów aluminium z krzemem wg PN-EN 1706:2001



312

Minimalne właściwości Znak stopu(C od ang. „casting”)

R p0,2 MPa

R m MPa

A5 % HB

Uwagi dotyczące stanu

EN AC-AlSi11 70 150 6 45 stan surowyEN AC-AlSi5Cu1Mg 200 230 1 100 przesycanie i starzenieEN AC-AlSi5Cu3Mg 180 270 2,5 85 przesycanie i starzenieEN AC-AlSi5Cu3Mn 200 230 1 90 przesycanie i starzenieEN AC-AlSi9Cu1Mg 235 275 1,5 105 przesycanie i starzenieEN AC-AlSi12CuNiMg 240 280 1 100 przesycanie i starzenieEN AC-AlSi2MgTi 180 240 3 85 przesycanie i starzenie

EN AC-AlSi7Mg0,3 190 230 2 75 przesycanie i starzenie

typowa struktura obręczy koła (alufelgi),(modyfikowany silumin przedeutektyczny),



313

- prawidłowa drobna eutektyka ( + Si),- typowy dendrytyczny kształt wydzieleń

roztworu stałego ,- silnie rozgałęzione dendryty negatywnie

wpływają na własności mechaniczne, np. Rm, K

metody odlewania stopów aluminium i magnezu,

Low pressure casting

Investiment casting

Permanent mold casting(f ł )

(metoda traconego wosku)



314

Casting

High pressure casting

Sand or plaster casting

g

Die casting

Squeeze casting

Thixocasting

Thixomolding

RheocastingSemi-solid forming

Hot chamber DC

Cold chamber DC

(kokilowe)

(forma piaskowa lub gipsowa)

(forma trwała)

(z gorącą komorą)

(z zimną komorą)

(w stanie półstałym)

(przez prasowanie)

(odlewanie)

(nowe metody formowania)

ciśnieniowe odlewanie (formowanie) w stanie półstałym „ semi-solid forming ”,- wykorzystanie tiksotropowego zachowania się stopu

w temperaturach między linią likwidus a solidus,- rozbicie dendrytów roztworu stałego na drobne i zaokrąglone

i i i i i ół ł



315

ziarna poprzez intensywne mieszanie w stanie półstałym,

- wtłaczanie do formy w stanie tiksotropowymz rozbitymi dendrytami,

(O. Granath – J ö nk ö p i ngUnivers i ty)

stopy odlewnicze bez eutektyki (Al-Mg, Al-Cu, Al-Zn )stopy odlewnicze Al- Mg (poza siluminami najczęściej stosowane stopy odlewnicze Al)



316

stopy odlewnicze Al-Mg

- największa odporność na korozję i mała gęstość (Mg - 1,7g/cm ),- własności odlewnicze gorsze niż siluminów (nie wchodzimy w obszar eutektyki), - struktura dwufazowa jest niekorzystna więc :



317

- przesycanie, - w niektórych możliwe starzenie - w stopach Al-Mg-Si ( utwardzają wydzielenia Mg 2Si),

- zastosowanie : - odlewy o dużej odporności na korozję a także silnie obciążone i narażone na uderzenia,

np. armatura morska, elementy aparatury chemicznej, elementy samochodów ,

Przykłady odlewniczych stopów aluminium z magnezem wg PN -EN 1706:2001Minimalne właściwości

Znak stopu R p0,2 MPa

R m MPa

A 5 % HB


EN AC-AlMg3 70 140 3 50 surowy (po odlewaniu)EN AC-AlMg5 90 160 3 55 surowy (po odlewaniu)EN AC-AlMg5Si 100 160 3 60 surowy (po odlewaniu)

stopy odlewnicze Al-Cu oraz Al-Zn- są rzadziej stosowane - skład chemiczny, własności i rekomendowane zastosowanie można znaleźć

w normie PN- EN 1706:2001 lub aktualnych informatorach producentów,

Stopy odlewnicze Al-Cu – stosowane rzadziej niż stopy Al -Si i Al-Mg.



318

- trudności technologiczne przy wytwarzaniu odlewów (skłonność do pęknięć na gorąco oraz porowatości skurczowej),- możliwe utwardzanie wydzieleniowe odlewów (Cu, Mg),- stosowane na średnio i bardzo obciążone elementy samochodów i maszyn,

Przykłady odlewniczych stopów aluminium z miedzią wg PN -EN 1706:2001Minimalne właściwości Znak stopu R p0,2

MPaR m

MPaA5 % HB


EN AC-AlCu4MgTi 200 300 5 90 przesycane i starzoneEN AC-AlCu4Ti 200 300 3 95 przesycane i starzone

Stopy do obróbki plastycznejwalcowanie na gorąco oraz na zimno,

- wytwarzanie płyt, blach, taśm, folii,



319walcowanie na gorąco walcowanie na zimno

ciągnienie na gorąco oraz na zimno,- wytwarzanie drutów, prętów, rur, kształtowników

wyciskanie na gorąco,



320

dwuczęściowa matryca do wyciskania profilu

przykłady profiliwyciskanych

kucie na gorąco,



321

historycznie pierwsze stopy Al- Cu (ok. 4%), obecnie stopy wieloskładnikowe,- stopy Al-Cu utwardzane wydzieleniowo ( durale, duraluminium ) – seria 2000,



322



323



324



325



326



327



328



329

wpływ temperatury i czasu starzenia na wytrzymałość stopów:- dwuskładnikowy klasyczny AlCu4 - wieloskładnikowy serii 6000 (AlMgSi)



330

- starzenie samorzutne daje najwyższą wytrzymałość,- żarowytrzymałość prostych stopów AlCu jest niewielka(powyżej 100°C obniża się szybko z upływem czasu)

- najwyższą wytrzymałość daje starzenie sztuczne(fazy o złożonym składzie),

- wyższa żarowytrzymałość zależna od temperaturystarzenia,

należy pamiętać, że im wyższa wytrzymałość tym mniejsza ciągliwość (potrzebny kompromis)



331



332



333

AlCu4MgSi w s tan ie przesycony m – na t l e przesyconego roztworu = Al (Cu, Mg) wydzielenia zanieczyszczeń (Cu 2 FeAl)

(A. Krajczyk)

(J. Marrow ,Univers i ty of Manchester )

Przestarzony sto p AlCu4 – wy dzielenia CuAl 2 na granicach ziarn oraz w przestrzeniach międzydendrytycznych

Wieloskładnikowe stopy Al -Cu (seria 2000) – durale wieloskładnikowe

- wyższa żarowytrzymałość , dobra odporność na korozję gazową i erozję,

- niższa wytrzymałość niż starzonych naturalnie durali miedziowych ,- obróbka cieplna: jak wyżej, ale przesycanie z ok. 530ºC i starzenie tylko sztuczne,- stosowane na elementy konstrukcji samolotów, środków transportu i maszyn pracujących w temperaturachdo ok. 350ºC,



334

Przykłady stopów Al-Cu do obróbki plastycznej (wyroby wyciskane) - wg PN-EN 573-3:2005Minimalne właściwości

Znak stopu(w normie 18 gatunków)

R p0,2 MPa

R m MPa

A5 % HB


EN AW-AlCu4MgSi 270 400 10 - przesycanie, starzenie naturalneEN AW-AlCu4Mg1 310 450 8 - przesycanie, zgniot, starzenie naturalneEN AW-AlCu4SiMn 420 465 7 - przesycanie, starzenie sztuczneEN AW-AlCu4SiMgEN AW-AlCu6MnEN AW-AlCu5,5MgMn

EN AW-AlCu2,5NiMgEN AW-AlCu2Mg1,5NiEN AW-AlCu2Li2Mg1,5 nowy stop z litem (niższy ciężar)

Stopy Al-Cu-Mg (seria 2000) - durale miedziowe- wysokie właściwości wytrzymałościowe, ale mała żarowytrzymałość i odporność na korozję,

- utwardzanie wydzieleniowe (przesycanie w wodzie z ok. 500ºC oraz kilkudniowestarzenie samorzutne w temp. pokojowej lub starzenie sztuczne w ok. 180ºC),

- wytrzymałość można jeszcze zwiększyć poprzez obróbkę plastyczną (gniot 3÷5%) po starzeniu samorzutnym,- stosowane na elementy maszyn, pojazdów, taboru kolejowego, samolotów i w budownictwie,

Wieloskładnikowe stopy Al z Zn (seria 7000) - durale cynkowe

- 0,8÷8,4%Zn oraz do 3,7%Mg, do 2,6%Cu oraz niekiedy dodatki Mn, Cr, Ti, Zr,

- najwyższe właściwości wytrzymałościowe ze wszystkich stopów aluminium ,(R m do ok. 700 MPa, R p0,2 do ok. 600 MPa, A 5 = 2÷5% ) - wady:

- mała odporność na działanie podwyższonej temperatury,



335

p p y j p y,- mała odporność na korozję (szczególnie naprężeniową) – często platerowane Al,

- obróbka cieplna:- wyżarzanie rekrystalizujące (390÷430º C),- przesycanie w wodzie z 465÷480ºC,

- starzenie sztuczne (120÷150ºC) przez 24 h (samorzutne do 60 dni – nie jest stosowane),- głównie jako stopy do obróbki plastycznej szeroko stosowane na elementy maszyn, pojazdów,taboru kolejowego, konstrukcji lotniczych,

- niektóre stopy można stosować jako odlewnicze, np. EN AC-AlZn5Mg, ale nawet po przesycaniui naturalnym starzeniu właściwości są niskie (R m min 190MPa, R p0,2 min 120 MPa, A5 = 4%)

Przykłady wieloskładnikowych stopów Al-Zn do obróbki plastycznej wg PN-EN 573-3:1998Minimalne właściwości

Znak stopu R p0,2

MPa

R m

MPa

A5

% HBUwagi dotyczące stanu

EN AW-AlZn5,5MgCu 470 540 7 161 przesycony, starzony sztucznieEN AW-AlZn4,5Mg1 280 350 10 104 przesycony, starzony sztucznieEN AW-AlZn5Mg3Cu 420 490 7 - przesycony, starzony sztucznieEN AW-AlZn8Mg2,5Cu1,5CrEN AW-AlZn5Mg1,5CuZr

Stopy Al-Mg (seria 5000) oraz Al-Mg-Si (seria 6000) - hydronalia - struktura zwykle dwufazowa (roztwór stały α i wydzielenia fazy β),- właściwości :

- podwyższone me chaniczne , możliwe dalsze zwiększanie umocnieniem zgniotowym,wydzieleniowym oraz nisko- i wysokotemperaturową obróbką cieplno- mechaniczną,

- odporność na korozję w środowisku wody i atmosfery morskiej, dobra spawalność



336

- dobra spawalność, - podatność na głębokie tłoczenie,

- zastosowanie:- średnio obciążone elementy w przemyśle okrętowym i lotniczym, - urządzenia przemysłu spożywczego i chemicznego, - opakowania, np. na puszki do napojów,

Przykłady stopów Al-Mg do obróbki plastycznej (wyroby wyciskane) wg PN-EN 573-3:1998Minimalne właściwości

Znak stopu R p0,2 MPa

R m MPa

A5 % HB


EN AW-AlMg4,5Mn0,7 125 270 12 - umocniony zgniotemEN AW-AlMg5Cr

100 200 10 - przesycony, starzony naturalnieEN AW-AlMgSiPb 260 310 6 - przesycony, starzony sztucznieEN AW-AlMg1SiPb 240 260 10 - przesycony, starzony sztucznie

110 205 16 - przesycony, starzony naturalnieEN AW-AlMg1SiCu 240 290 10 - przesycony, starzony sztucznieEN AW-AlMg1Si0,8CuMn- norma wyróżnia ponad 80 gatunków wraz ze stopami Al -Mg-Si- wiele stopów charakteryzuje się dobrą odpornością na korozję tylko po starzeniu naturalnym

(mniejsza wytrzymałość), natomiast po starzeniu sztucznym odporność korozyjna znacznie spada ale większa wytrzymałość,

Stopy Al-Mn (seria 3000) – alumany (nie utwardzane wydzieleniowo)

- do 1,5% Mn oraz dodatek Mg lub Cu,- dobra odporność na korozję w agresywnych ośrodkach korozyjnych ,- wykazują tendencję do gruboziarnistości i segregacji strefowej czemu przeciwdziałają nawet

niewielkie dodatki Ta, Ti, Zr lub B,



337

ew e e dodat a, , ub B,- struktura to roztwór α z wydzieleniami fazy β na granicach ziarn,- obróbka cieplna polega na wyżarzaniu ujednorodniającym i rekrystalizującym, - zastosowanie:

- urządzenia produkcyjne i transportowe w przemyśle spożywczym i chemicznym, - spawane zbiorniki na ciecze i gazy techniczne,

Przykłady stopów Al-Mn do obróbki plastycznej wg PN-EN 573-3:2005Minimalne właściwości

Znak stopu(w normie 15 gatunków)

R p0,2 MPa

R m MPa

A5 % HB


EN AW-AlMn0,6EN AW-AlMn1EN AW-AlMn0,5Mg0,5EN AW-AlMn1Mg05 130 150 2 48 umocniony zgniotem (twardy)EN AW-AlMn1Mg1Cu

stopy Al z litem (wieloskładnikowe)- opracowane niedawno ( do 4% Li),

- specjalne metody metalurgiczne(reaktywność Li z tlenem),

i j ść ó k 8



338

- mniejsza gęstość stopów o ok. 8 10%(gęstość Li = 0,53 g/cm 3),

- stopy wieloskładnikowe do obróbkiplastycznej utwardzane wydzieleniowo,

- wytrzymałość równa lub większa wporównaniu z duralami klasycznymi,

- dobra odporność na zmęczenie,

- dobra udarność w niskich temperaturach,

- zastosowanie:

- elementy nowoczesnych samolotów (poszycie, podłogi, użebrowanie)wg PN-EN 573- 3 (durale wieloskładnikowe, seria 8000)- obecnie produkowane stopy wieloskładnikowe o zawartości 1,9 2,7% Li (do 4% Li wymaga specjalnych metodkrzepnięcia)

EN AW-AlLi2,5Cu1Mg1EN AW-AlCu2Li2Mg1,5

zamiennik – ALFOT (Taiwan)



339

stop 6061(EN AW-AlMg1SiCu)

or yginał - VW

stop 6082 (EN AW-AlSi1MgMn)



340

stop 6082 (EN AW-AlSi1MgMn)



341



342

Type 2000 all aluminum-alloy train for Sanyo Electric Railway



343

In Japan, over 10,000 aluminum-alloy trains have been manufactured since the first aluminum-alloy train in 1962



344

Al reinAl Mg0 8



345

0

50

100

150

200

250

300

Al Mg0,8Al Mg1,4Al Mg3

Al Mg4Al Mg5

Re (R0,2 ) Rm(B. Kuźnicka)

Stopy

odlewniczeSkład utwardzanie

dyspersyjne

Stopy doprzeróbki

plastycznejSkład utwardzanie

dyspersyjne

1xx Al > 99% Nie 1xxx Al > 99% Nie



2xx Al-Cu Tak 2xxx Al-Cu, Al-Cu-Li

Tak

3xx Al-Si-Cu,

Al-Mg-Si

częściowo 3xxx Al-Mn Nie

4xx Al-Si, Al-Mg-Si Nie 4xxx Al-Si, Al-Mg-Si

Tak z Mg

5xx Al-Mg Nie 5xxx Al-Mg Nie

6xxx Al-Mg-Si Tak

7xx Al-Mg-Zn Tak 7xxx Al-Mg-Zn Nie8xx Al-Sn Tak 8xxx Al-Li,Sn,Zr,B Tak

346



347

kompozyty wielowarstwowe (najnowsze rozwiązania poszycia samolotów)- wysokowytrzymałe durale wieloskładnikowe (ale o niskiej ciągliwości) przekładane warstwami jednokierunkowo wzmacnianego kompozytu epoksydowo- szklanego (pod różnym kątem),

- materiał o nazwie „GLARE” opracowany dawno (w latach 80 -tych) ale kosztowny w formowaniu,zastosowany ostatnio na elementy poszycia Airbus A360



348

- zastosowany ostatnio na elementy poszycia Airbus A360



349

STOPY STOSOWANE NA ŁOŻYSKA ŚLIZGOWE

Panewki i tuleje

Wymagania:



350

- mały współczynnik tarcia,- duża odporność na ścieranie,- mała rozszerzalność cieplna,- dobra przewodno ść cieplna,- dobra lejno ść ,-dobra odporno ść na korozj ę

i erozj ę,- dobra wytrzymałość zm ęczeniowa,- zdolno ść do pochłaniania

zanieczyszcze ń

1. Stopy łatwotopliwe i babbity cynowe i ołowiowe (panewkibimetaliczne).

Grupa stopów Znak stopu HB Osnowa Kryształy noś ne i(antylikwacyjne)



351

Babbity cynowe

SnSb12Cu6Pb 25

Faza α = Sn(As)Faza β , = SnSb(Cu 3Sn)

SnSb8Cu4 22

SnSb8Cu4Cd 28

Babbity ołowiowe

PbSb15SnSnAs 18

Eutektyka (Pb, As) Faza β,

= SnSb(Cu 3Sn)

PbSb15Sn10 21

PbSb14Sn9CuAs 22

PbSb10Sn6 27

2. Stopy na osnowie miedzi.

Gorsze od babbitów w warunkach suchego tarcia, ale mogą pracować w temperaturachdo 300 0 C. maj ą lepsze własności mechaniczne.br ą zy cynowe (najlepsze ale najdro ższe); CuSn10-C, CuSn11P-C,br ą zy cynowo-cynkowe tzw. Spi że; CuSn7Zn2Pb3- C, CuSn5Zn5Pb5-C,b ł i C S 5Pb20



352

brązy cynowo - ołowiowe; CuSn5Pb20 -Cw przypadku bardzo dużych nacisków stosuje się brą zy aluminiowe; CuAl11Fe6Ni6-C.Czopy muszą być utwardzone powierzchniowo.

3. ŻeliwaŻeliwa; są to żeliwa perlityczne bez ferrytu, ale z eutektyk ą fosforow ą. Zła praca wwarunkach złego smarowania. Czopy musza być utwardzane.

0



Nazwa Znak stopu Temp. top. 0 CWooda BiPb25Sn12Cd12 70

Lipowitza BiPb26Sn13Cd10 80

Lichtenberga BiPb30Sn20 92

Newtona BiPb31Sn19 96

Strzykawkowy PbSn20Bi20 195

353

Stopy łożyskowe

Stopy te, stosowane do wykonywania panewek i tulei łożyskowych muszą spełniaćliczne wymagania wynikające ze specyficznych warunków pracy łożysk ślizgowych.Materiały te musza wykazywać:



354

Materiały te musza wykazywać:

dobre własności mechaniczne: dostateczna wytrzymałość statyczna,zmęczeniowa i udarowa w temperaturze pracyodpowiednie własności powierzchniowe: mały współczynnik tarcia suchego, małarozszerzalność cieplna, dobra przewodność cieplna, duża odporność naścieranie, zdolność do absorbowania zanieczyszczeń i startych cząstekwspółpracujących materiałówodporność na korozję i erozję oraz na działanie kwasów znajdujących się wśrodkach smarnych

Stopy łożyskowe dzieli się najczęściej według zawartości składników podstawowychna: stopy na osnowie cynowej, ołowiowej, miedzi, aluminium, żelaza i cynku.

Stopy łożyskowe na osnowie cynowej,cynowo- ołowiowej i ołowiowej

Stopy na osnowie cynowej nazywane babbitami zawierają około 80-90%cyny z dodatkiem antymonu oraz miedzi. Struktura tych stopów składająca się z

i kki j t ł któ j ó i i



355

miękkiej osnowy roztworu stałego cyny, w której rozmieszczone są równomiernietwarde kryształy związkówmiedzi, cyny i antymonu zapewnia dobre własności.Miękka osnowa łatwo dopasowuje się do powierzchni czopa , natomiast twardsze

kryształy zapobiegają jej szczepianiu się i ułatwiają utrzymywanie cienkiej warstewkiśrodka smarnego. Stopy te są drogie i dlatego są stosowane głównie do silnieobciążonych łożysk silnikówspalinowych, turbin, sprężarek wirowych, pomp orazinnych panewek o dużym natężeniu pracy przy znacznych prędkościachobwodowych.

Stopy łożyskowe cynowo- ołowiowe zawierające około 75-90% ołowiu są znacznie tańsze, lecz własności ich są gorsze od stopów wysokocynowych. Opróczdodatków cyny i antymonu mogą zawierać także miedź, nikiel, arsen i kadm. Są onebardziej miękkie, mają większy współczynniktarcia, są bardziej kruche i mniejodporne na obciążenia udarowe. Osnowy ich nie stanowi roztwór stały leczeutektyka w której składnikamipodstawowymi są ołów oraz antymon. W osnowie tejsą rozmieszczone kryształy faz międzymetalicznych występujących pierwiastków.

Stopy łożyskowe na osnowie miedzi

Stopami łożyskowymina osnowie miedzi są przede wszystkim brązy. Wporównaniu ze stopami na bazie cyny i ołowiu mają one wyższą temperaturętopnienia oraz znacznie lepsze własności mechaniczne w temperaturach otoczenia



356

topnienia oraz znacznie lepsze własności mechaniczne w temperaturach otoczeniaoraz podwyższonych. Najlepsze własności mają brązy cynowe oraz cynowo -fosforowe zawierające około 10% cyny. Wskutek dużej różnicy temperatur początkui końca krzepnięcia brązy te charakteryzują się silną segregacją dendrytyczną .Dendryty te spełniają rolę elementów nośnych i dlatego brązy stosuje się na panewkizawsze w stanie lanym. Po wyżarzeniu brązy tracą własności przeciwcierne.

Stosuje się je na silnie obciążone łożyska, pracujące w warunkach korozyjnych,źle smarowne lub narażone na obciążenia udarowe.

Tańsze, ale ustępujące im pod względem własności są brązy cynowo -cynkowo- ołowiowe (spiże). W celu uzyskania dobrych własności mechanicznych

należy te brązy odlewać w kokilach lub odśrodkowo a powierzchnię wewnętrznąpanewek wylewać cienką warstewka babbitu.

c.d.

W wypadku dużych nacisków i prędkości obwodowych stosuje siębrązy cynowo- ołowiowe . dobre własności ślizgowe tych brązów wynikają z ich niejednorodnej budowy. Wykazują one zdolność łatwegod i się d i h i czopów i j d b d i



357

dopasowywania się do powierzchni czopów i maja dobre przewodnictwocieplne.

Dobre własności ślizgowe wykazują również brązy krzemowe i

dlatego również używa się ich na panewki łożysk ślizgowych, szczególniewtedy gdy występują duże naciski przy małych prędkościach obwodowych.

W wypadku bardzo dużych nacisków należy stosować odlewniczebrązy aluminiowe zawierające około 10 %Al, które wykazują bardzo dużaodporność na ścieranie i w wielu zastosowaniach mogą zastąpić droższebrązy cynowe. W wypadku ich zastosowania należy utwardzać czopy

wałów( nawęglać lub hartować powierzchniowo). Podobnie jak wszystkiebrązy maja one małe współczynniki tarcia płynnego ale w przypadkupogorszenia warunków smarowania powodują większe zużycie czopów niżbabbity.

Stopy łożyskowe na osnowie aluminium

Materiały te są stosowane w celu zastąpienia dużo droższychstopów na osnowie miedzi i cyny. Struktura ich jest podobna do



358

stopów na osnowie miedzi i cyny. Struktura ich jest podobna dobabitów i brązów. W miękkiej osnowie roztworu stałego na baziealuminium z dodatkami miedzi lub krzemu, rozmieszczone są

twardsze kryształy faz międzymetalicznych albo eutektyki. Cząstkitych faz są twarde i jeśli występują w postaci igieł to stopy tego typunależy stosować po przekuciu które je kruszy i rozdrabnia.

Wadą wszystkich stopów łożyskowych na osnowie aluminium jest stosunkowo duży współczynnik rozszerzalności cieplnej.

Stopy łożyskowe na osnowie cynku

Stopy łożyskowe na osnowie cynku z dodatkami miedzi i



359

py y yaluminium mają mniejsze zastosowanie praktyczne. Mogą byćstosowane na panewki pracujące przy małych i średnich

prędkościach oraz obciążeniach. Wadą tych stopów jest skłonnośćdo korozji.

Żeliwa przeciwcierne

Stopami łożyskowymi na osnowie żelaza są żeliwa. Grafit płatkowywystępujący w strukturze żeliw szarych wywiera korzystny wpływ na ich

ł ś i śli g i żli i i h t i ł ż k śli g



własności ślizgowe i umożliwia ich zastosowanie na łożyska ślizgowe.Żeliwa przeznaczone na panewki łożysk ślizgowych powinny posiadaćosnowę perlityczną bez wolnego cementytu oraz ferrytu Pożądana jest

Metaliczne Materialy Konstrukcyjne w.dudzinski

Documents

Transcript of Metaliczne Materialy Konstrukcyjne w.dudzinski